Kysymykset ovat yhtä suuria kuin maailmankaikkeus ja (melkein) yhtä vanhoja kuin aika: Mistä tulin ja miksi olen täällä? Se saattaa kuulostaa filosofin kyselyltä, mutta jos kaipaat tieteellisempää vastausta, yritä kysyä kosmologilta.
Asiaan liittyvä sisältö
- Varhaisesta maailmankaikkeudesta löytynyt kvartaarien harvinainen kvartetti
Tämä fysiikan haara on vaikeaa yrittää dekoodata todellisuuden luonne sovittamalla matemaattiset teoriat todistusaineen kanssa. Nykyään useimmat kosmologit ajattelevat, että maailmankaikkeus luotiin ison räjähdyksen aikana noin 13, 8 miljardia vuotta sitten, ja se laajenee yhä nopeammin. Kosmos on kudottu kankaaseksi, jota kutsumme avaruus-ajaksi, joka on brodeerattu loistavien galaksien ja näkymättömän pimeän aineen kosmisella verkolla.
Se kuulostaa hiukan oudolta, mutta vuosikymmenien aikana koottujen paalujen kuvia, kokeellista tietoa ja malleja voidaan varmuuskopioida kuvaukseen. Ja kun uutta tietoa lisätään kuvaan, kosmologit harkitsevat entistä herkempiä tapoja kuvata maailmankaikkeus - mukaan lukien joitakin outoja ehdotuksia, jotka juurttuvat kuitenkin vankkaan tieteeseen:
Todistaako tämä laser- ja peilikokoelma, että maailmankaikkeus on 2D-hologrammi? (Fermilab) Universumi on hologrammi
Katso standardi hologrammi, joka on painettu 2D-pinnalle, ja näet kuvan 3D-projektio. Pienennä kuvan muodostavien yksittäisten pisteiden kokoa, ja hologrammi muuttuu terävämmäksi. 1990-luvulla fyysikot tajusivat, että jotain tällaista voi tapahtua maailmankaikkeuksessamme.
Klassinen fysiikka kuvaa avaruus-ajan kangasta neliulotteisena rakenteena, jolla on kolme avaruuden ja ajan yhtä ulottuvuutta. Einsteinin teoreettisessa suhteellisuusteoriassa sanotaan, että pohjimmillaan tämän kankaan tulisi olla sileä ja jatkuva. Mutta se oli ennen kvantimekaniikan hyppäämistä paikalle. Vaikka suhteellisuusteoria on suuri kuvaamaan maailmankaikkeutta näkyvissä asteikoissa, kvanttifysiikka kertoo meille kaiken siitä, miten asiat toimivat atomien ja alaatomisten hiukkasten tasolla. Kvantiteorioiden mukaan, jos tarkastelet avaruus-ajan kangasta riittävän lähellä, sen pitäisi olla valmistettu pikkuisista informaatiorakeista, joista jokainen on sata miljardia miljardia kertaa pienempi kuin protoni.
Stanfordin fyysikko Leonard Susskind ja Nobel-palkinnon saaja Gerard 't Hooft ovat kukin esittäneet laskelmia, jotka osoittavat, mitä tapahtuu, kun yrität yhdistää kvantti- ja relativistisia kuvauksia tila-ajasta. He havaitsivat, että matemaattisesti ottaen kankaan tulisi olla 2D-pinta ja jyvien tulisi toimia kuin pisteitä laajassa kosmisessa kuvassa, mikä määrittelee 3D-universumin "resoluution". Kvanttimekaniikka kertoo meille myös, että näissä jyvissä tulisi olla satunnaisia nykäyksiä, jotka saattavat joskus hämärtää projektiota ja siten olla havaittavissa. Viime kuussa Yhdysvaltain energiaministeriön Fermi-kansallisen kiihdytinlaboratorion fyysikot aloittivat tietojen keräämisen erittäin herkillä laserilla ja peileillä, nimeltään Holometri. Tämä instrumentti on hienosäädetty ottamaan pienimuotoinen liike avaruudessa ja paljastamaan, onko se todella rakeinen pienimmässä mittakaavassa. Kokeilun tulisi kerätä tietoja ainakin vuodeksi, joten saatamme tietää pian, jos elämme hologrammissa.
Universumi on tietokone simulointi
Aivan kuten Matriisin juoni, saatat elää erittäin edistyneessä tietokoneohjelmassa etkä edes tiedä sitä. Jotkut versiot tästä ajattelusta on keskusteltu jo kauan ennen kuin Keanu lausui ensimmäisen "huoansa". Platon ihmetteli, onko maailma sellaisena kuin se on illuusio, ja nykyaikaiset matemaatikot kamppailevat syyn kanssa, että matematiikka on universaalia - miksi on niin, että riippumatta siitä, milloin tai mihin katsot, 2 + 2: n on aina oltava yhtä suuri kuin 4? Ehkä siksi, että tämä on olennainen osa tapaa, jolla maailmankaikkeus koodattiin.
Vuonna 2012 Seattlessa sijaitsevan Washingtonin yliopiston fyysikot sanoivat, että jos elämme digitaalisessa simulaatiossa, voi olla tapa saada selville. Tavanomaiset tietokonemallit perustuvat 3D-ruudukkoon, ja joskus ruudukko itse tuottaa tietyt poikkeamat tiedossa. Jos maailmankaikkeus on laaja ruudukko, kosmisen säteen nimellisten korkeaenergisten hiukkasten liikkeet ja jakaumat voivat paljastaa samanlaisia poikkeavuuksia - häiriötä Matriisissa - ja antaa meille kurkistaa verkon rakennetta. MIT-insinöörin Seth Lloydin vuoden 2013 julkaisu rakentaa mielenkiintoisen spin-idean käsitteelle: Jos avaruus-aika koostuu kvanttibitistä, maailmankaikkeuden on oltava yksi jättiläinen kvantitietokone. Tietenkin, molemmat käsitteet herättävät huolestuttavaa kiistaa: Jos maailmankaikkeus on tietokoneohjelma, kuka tai mikä kirjoitti koodin?
Centaurus A: n ytimessä oleva aktiivinen supermassiivinen musta aukko räjäyttää säteilysuihkut avaruuteen. (ESO / WFI (näkyvä); MPIfR / ESO / APEX / A.Weiss et ai. (Mikroaaltouuni); NASA / CXC / CfA / R.Kraft et ai. (Röntgen)) Universumi on musta aukko
Jokainen ”Astronomy 101” -kirja kertoo sinulle, että maailmankaikkeus räjähti olevan ison iskun aikana. Mutta mitä oli olemassa ennen sitä kohtaa, ja mikä laukaisi räjähdyksen? Tuolloin Indianan yliopistossa toimitetun Nikodem Poplawskin vuoden 2010 paperissa todettiin, että universumimme oli taottu todella suuren mustan aukon sisäpuolelle.
Samalla kun Stephen Hawking muuttaa mieltään, mustan aukon suosittu määritelmä on avaruus-ajan alue, joka on niin tiheä, että tietyn pisteen ohi mikään ei pääse pakenemaan sen painovoimavetoisuudesta. Mustat aukot syntyvät, kun tiheät ainepaketit romahtavat itsensä sisään, kuten erityisen mojovaisten tähtikuolemien aikana. Jotkut yhtälöiden versiot, jotka kuvaavat mustia aukkoja, sanovat edelleen, että pakattu aine ei romahda kokonaan pisteeksi - tai singulaarisuudeksi - vaan poistuu sen sijaan taaksepäin ja kirjoittamalla ulos kuumaa, salattua ainetta.
Poplawski puristi numerot ja havaitsi, että havainnot maailmankaikkeuden muodosta ja koostumuksesta vastaavat syntyvän mustan aukon matemaattista kuvaa. Alkuperäinen romahtaminen olisi yhtä suuri kuin iso isku, ja kaikki meissä ja ympärillämme valmistettaisiin sen sekoitetun aineen jäähdytetyistä, uudelleen järjestetyistä komponenteista. Vielä parempi, teoria ehdottaa, että kaikki maailmankaikkeuden mustat aukot voivat itse olla porttina vaihtoehtoisille todellisuuksille. Joten miten testaamme sitä? Tämä malli perustuu mustaan reikään, joka pyörii, koska tämä kierto on osa sitä, mikä estää alkuperäistä ainetta romahtamasta kokonaan. Poplawskin mukaan meidän pitäisi voida nähdä kaiku "vanhemmalta" mustalta aukolta perimällä spinillä galaksien tutkimuksissa, laajojen klustereiden liikkuessa pieneen, mutta mahdollisesti havaittavissa olevaan suositeltavaan suuntaan.
Universumi on kupla universumien valtameressä
Toinen kosminen palapeli tulee esiin, kun mietit mitä tapahtui sekunnin ensimmäisissä loistoissa ison iskun jälkeen. Pian maailmankaikkeuden syntymisen jälkeen lähetettyjen jäännösvalon kartat kertovat meille, että vauvan avaruusaika kasvoi eksponentiaalisesti silmänräpäyksessä ennen kuin se asettui rauhallisempaan laajentumisnopeuteen. Tämä prosessi, jota kutsutaan inflaatioksi, on melko suosittua kosmologien keskuudessa, ja se sai lisää vauhtia tänä vuonna potentiaalisesti (mutta silti vahvistamatta) löydettyjen aallon aikana tapahtuvia väreilyjä, nimeltään painovoima-aaltoja, jotka olisivat olleet nopean kasvupurffan tuotteita.
Jos inflaatio vahvistetaan, jotkut teoreetikot väittävät, että meidän on asuttava vaahtoisessa, monien universumien meressä. Jotkut varhaisimmat inflaatiomallit sanovat, että ennen isoa pahaa tila-aika sisälsi niin sanotun väärän tyhjiön, korkean energiakentän, josta puuttui aine ja säteily, joka on luonnostaan epävakaa. Vakaan tilan saavuttamiseksi tyhjiö alkoi kuplia kuin ruukku kiehuvaa vettä. Jokaisen kuplan kanssa syntyi uusi maailmankaikkeus, joka antoi loputtoman multiversion.
Vaikeuksia tämän idean testaamisessa on se, että kosmos on naurettavan valtava - havaittavissa oleva maailmankaikkeus ulottuu noin 46 miljardia valovuotta kaikkiin suuntiin - ja edes parhaat teleskoopimme eivät voi toivoa vertaansa vailla tämän suuren kuplan pinnalla. Yksi vaihtoehto on sitten etsiä todisteita kuplauniversumin törmäyksestä toisen kanssa. Parhaat kartat isojen bangien relikin valosta osoittavat epätavallisen kylmän pisteen taivaalla, mikä voi olla ”mustelma” törmäyksestä kosmiseen naapuriin. Tai se voi olla tilastollinen fluke. Joten Carroll Wainwrightin johtama tutkijaryhmä Kalifornian yliopistossa, Santa Cruzissa, on ajautunut tietokonemalleja selvittääkseen, millaisia muita jälkiä kupliva törmäys jättäisi ison bangion kaikuun.
