הכוכבים והגלקסיות שאנו רואים היום לא היו קיימים תמיד, וככל שאנו הולכים יותר ככל שהיקום יקרה להחליק בצורה מושלמת, אך יש גבול לחלקות שהוא יכול היה להשיג, אחרת לא היה לנו מבנה בכלל היום. כדי להסביר את הכל, אנו זקוקים לשינוי למפץ הגדול: אינפלציה קוסמולוגית. (NASA, ESA, ו- A. Feild (STScI))

מדוע היקום שלנו לא חלק לחלוטין?

אם זה היה, לא היינו כאן. אבל יש תשובה מדעית שאושרה בצורה מרהיבה.

כאשר אנו בוחנים את היקום שלנו, מתבוננים בכוכבי הלכת, הכוכבים, הגלקסיות והריקים הקוסמיים העצומים המפרידים ביניהם, "חלקה" אינה בדיוק המילה הראשונה שעולה בראש. הרשת הקוסמית העצומה היא אחד הדברים המגושמים שניתן להעלות על הדעת ביקום, שכוכב לכת כמו כדור הארץ צפוף פי 1030 מהממוצע. עם זאת, היקום לא תמיד היה מסורבל כזה, או שהוא לא היה מתפתח כך שאנו רואים אותו כיום. זה היה צריך להיוולד חלק לחלוטין כמעט, שם הפגמים היו רק חלקים בודדים מתוך 100,000, או שלא היה לוקח מאות מיליוני שנים ליצירת הגלקסיות הראשונות. עם זאת פגמים זעירים אלה היו חיוניים, או שלא היינו יוצרים את המבנה שאנו רואים כיום בכלל! לאחר מאות שנים של אי הבנה כיצד זה קרה, אחת התיאוריות השנויות ביותר במחלוקת של הקוסמולוגיה, אינפלציה, סיפקה את התשובה. ועכשיו, כאשר המדידות שלנו השיגו דיוק חסר תקדים, התחזיות שלו בודקות בצורה מרהיבה.

היסטוריה חזותית של היקום המתרחב כוללת את המצב החם והצפוף המכונה המפץ הגדול וצמיחה והיווצרות מבנה לאחר מכן. עם זאת, כדי לקבל את המבנה שאנו רואים כיום, היקום לא יכול היה להיוולד חלק לחלוטין (NASA / CXC / M. Weiss)

על פי האינפלציה הקוסמית, המפץ הגדול הלוהט לא היה תחילתו של החלל והזמן, אלא היה רק ​​מצב חם, צפוף ומתרחב במהירות. זו הייתה אינפלציה קוסמית, שלב בו היקום נשלט לא על ידי חומר וקרינה, אלא על ידי האנרגיה הטמונה בחלל עצמו, שהקימה את המפץ הגדול. שלב אינפלציוני זה התאפיין בהתרחבות מעריכית של המרחב, שם היקום הוכפל, לאחר פי ארבעה, ואז השתנה (וכו ') בגודל ככל שחלף הזמן. לאחר 10–33 שניות, אזור בגודל של מיתר תיאורטי מתורת המיתרים היה נמתח לקנה מידה גדול יותר מהיקום הנצפה כיום. במילים אחרות, אינפלציה קוסמית לוקחת את כל מה שהיה לפני כן ומתח אותה באמת, באמת, ושטוחה וחלקה לחלוטין.

האינפלציה גורמת להתרחבות המרחב באופן אקספוננציאלי, מה שעלול לגרום מהר מאוד לכל שטח מעוקל או לא חלק להיות מופיע שטוח. אם ליקום יש עיקול כלשהו אליו, יש לו רדיוס של עקמומיות גדול פי מאות ממה שאנחנו יכולים לראות. (א 'סיגל (ל'); הדרכת הקוסמולוגיה של נד רייט (R))

נראה שמבט ראשון מהווה בעיה אדירה. אם האינפלציה מותחת את המרחב להיות שטוח, אחיד וחלק, באופן שאי אפשר להבחין בו בשלמות, אז איך הגענו ליקום מסורבל כיום? שתי תיאוריות הכבידה של ניוטון והן איינשטיין אינן יציבות כנגד פגמים, כלומר אם תתחיל ביקום כמעט-אך-לא-לגמרי-מושלם, לאורך זמן, הפגמים יגדלו ותסתיים עם מבנה. אבל אם תתחיל עם חלקות מושלמת, ללא ממש פגמים, אתה תישאר חלקה לנצח. עם זאת זה לא מתערבב עם היקום שאנו צופים בו כלל; זה היה צריך להיוולד עם פגמים בצפיפות החומר שלו.

מפה של דפוס הגיבוש / האשכול שהגלקסיות ביקום שלנו מציגה היום. הדרישה להגיע לשם הם פגמים ראשוניים בעניין / צפיפות האנרגיה. (גרג בייקון / STScI / NASA מרכז טיסת החלל גודארד)

על כן תמונה נאיבית זו של אינפלציה חייבת להיות שלמה. צריכה להיות דרך כלשהי לייצר פגמים אלה, אחרת היקום לא היה קיים כפי שאנחנו רואים אותו. אך מאפיין חשוב של היקום ושל האינפלציה מצליח בדרכים המרהיבות ביותר. תבינו, המרחב הריק עצמו אינו שטוח וחלק לחלוטין בפני עצמו, אלא, בסולם הכמות הקטן ביותר, מציג תנודות קוונטיות.

ויזואליזציה של חישוב תורת השדות הקוונטים המציג חלקיקים וירטואליים בוואקום הקוונטי. אפילו בחלל הריק, אנרגיית הוואקום הזו אינה אפסית. (דר ליינוובר)

ניתן לראות זאת במובנים רבים: אי וודאות אינהרנטית לאנרגיה של החלל עצמו; כתנודות ואקום; או כסטים של זוגות חלקיקים-חלקיקים הצצים פנימה והחוצה מהקיום. אבל בלי קשר לאופן בו אתם רואים את זה, דבר אחד נשאר ברור: אם הייתם משרטטים את צפיפות האנרגיה של היקום, ומסתכלים עליו בסולמות קטנים וגרגירים במיוחד, הייתם רואים שהוא לא היה אחיד וקבוע בחלל. או זמן, גם אם הסרת ממנו את כל העניין והקרינה. ישנן תנודות קוונטיות הטבועות במרקם המרחב עצמו.

המחשה ליקום הקדום כמורכב מקצף קוונטי, בו התנודות הקוונטיות גדולות, מגוונות וחשובות על קנה המידה ביותר. (NASA / CXC / M.Wiss)

בדרך כלל, התנודות הללו מבטלות זו את זו בממוצע, וכך אתה פשוט מסתיים באנרגיה זעירה של אפס נקודות שהיא חיובית הטמונה בחלל עצמו. אך במהלך האינפלציה אין לתנודות קוונטיות אלו אפשרות לממוצע, כי המרחב עצמו מתרחב בקצב מעריכי זה!

במקום זאת, מה שקורה הוא שהתנודות הללו נמתחות על פני היקום, ולכן הרעיון של תנודת קוונטית כבר לא מוגבל לסולם קטן מאוד. בטווחי זמן שאורכם רק שבריר שבריר של שנייה, השפעות קוונטיות אלה יכולות להתמתח להיות תנודות באנרגיה במאזניים מקיפים, גלקטיים, או אפילו יקומים!

התנודות הקוונטיות המתרחשות במהלך האינפלציה אכן מתמתחות על פני היקום, אך הן גם גורמות לתנודות בצפיפות האנרגיה הכוללת, ומשאירות לנו כמות עקמומיות מרחבית שאינה אפס שנותרה ביקום כיום. תנודות שדה אלה גורמות לפגמים בצפיפות ביקום המוקדם, מה שמוביל אז לתנודות הטמפרטורה שאנו חווים ברקע המיקרוגל הקוסמי. (א. סיגל / מעבר לגלקסיה)

ככל שנמשכת האינפלציה נוצרים תנודות בקנה מידה קוונטי חדשים, וכתוצאה מכך תנודות בקנה מידה קטן יותר מונחות על גבי אלה בקנה מידה גדול יותר. זה ממשיך ונמשך ויוצר דפוס של תנודות ואזורים אקראיים בכל הגדלים שיש להם צפיפות אנרגיה מוגזמת וצפופה, כל עוד האינפלציה נמשכת.

ואז, לאחר פרק זמן בלתי מוגדר, האינפלציה מסתיימת. וכאשר זה מתרחש, כל האנרגיה הטמונה בחלל עצמה הופכת לחומר, אנטי-חומר וקרינה. עם סיום האינפלציה, המפץ הגדול הלוהט מתחיל, והיקום מתמלא בחומרים.

ההקבלה של כדור המחליק מעל משטח גבוה היא כאשר האינפלציה נמשכת, ואילו המבנה המתפורר ומשחרר אנרגיה מייצג את המרת האנרגיה לחלקיקים. (א. סיגל)

אבל באזורים שהיו תחילה מוגזמים מלכתחילה מבחינת האנרגיה, בגלל אותם תנודות קוונטיות במהלך האינפלציה, יהיה קיים מעט יותר חומר, אנטי-חומר וקרינה מהממוצע באותם מקומות. באזורים שהיו לא צפופים, יבוא שם חומר פחות מממוצע, אנטי-קרינה וקרינה. והספקטרום הזה על overensities and underdensities אמור לגרום לאזורים קרירים וחמים יותר ויותר, מבחינת הטמפרטורה, ביקום כתוצאה מכך.

אזורים בחלל הצפופים מעט מהממוצע ייצרו בארות פוטנציאליות כבידה גדולות יותר שאפשר לטפס מהן, כלומר האור הנובע מאותם אזורים נראה קר יותר בזמן שהוא מגיע לעינינו. להפך, אזורים תת-צפופים ייראו כמו נקודות חמות, ואילו באזורים עם צפיפות ממוצעת לחלוטין יהיו טמפרטורות ממוצעות לחלוטין. (א. סיגל / מעבר לגלקסיה)

לאחר שהיקום קיים מעט זמן, מתרחב ומתקרר, הכבידה עובדת. זה מגדיל את התנודות שהיו קיימות בכל כיוון שהם עזבו מהממוצע. האזורים החמים מעט יותר, בהיותם פחות צפופים, יוותרו ביתר קלות על עניינם לאזורים צפופים יותר. האזורים הקרים יותר, מכיוון שהם מוגזמים יתר על המידה, ימשכו עדיף חומר יעיל יותר מאשר אזורים צפופים או צפופים ממוצעים.

יש איזון מורכב בין כוח הכבידה, הפועל למשוך את הכל לפי ההיגיון שלמעלה, לבין קרינה, הדוחקת לאזור אזורים שהופכים צפופים מדי מהר מדי. יחסי הגומלין האלה, בין כוח הכבידה, הקרינה והתנודות הראשוניות מהאינפלציה, הם שמולידים את הבליטות, הוויכיות והתפקודים שאנו רואים ברקע המיקרוגל הקוסמי.

התנודות ב- CMB מבוססות על תנודות קדמוניות המיוצרות על ידי אינפלציה. בפרט, ל'חלק השטוח 'במאזניים גדולים (משמאל) אין הסבר ללא אינפלציה, ובכל זאת עוצמת התנודות מגבילה את מאזני האנרגיה המקסימליים אליהם הגיע היקום בסוף האינפלציה. זה נמוך בהרבה מסולם פלאנק. (צוות המדע NASA / WMAP)

בתנודות הראשוניות, בממוצע, היה כנראה ערך ממוצע של חלק אחד ב- 30,000 בערך, וכך אנו מגיעים לתנודות שאנו צופים בזוהר השאריות של המפץ הגדול. תנודות אלה צומחות לאחר שהיקום הופך להיות ניטרלי והקרינה מפסיקה להתפזר מהאלקטרונים, כדי לייצר את המבנה הגדול בה אנו רואים ביקום כיום. עם הזמן זה מוביל לצמיחה של כבידה לכוכבים, לגלקסיות, לאשכולים ולחללים הקוסמיים הגדולים המפרידים ביניהם.

מבט מפורט על היקום מגלה שהוא עשוי מחומר ולא אנטי-חומר, שצריך חומר אפל ואנרגיה אפלה, ושאנחנו לא יודעים מה מקורן של אף אחת מהתעלומות הללו. עם זאת, התנודות ב- CMB, היווצרות וקורלציות בין מבנה בקנה מידה גדול, ותצפיות מודרניות על עדשות הכבידה, כל אלה מצביעים על אותה תמונה, שמקורם באינפלציה קוסמית. (כריס בלייק וסאם מורפילד)

אם היקום נולד חלק בצורה מושלמת, לא תהיה דרך להשיג את המבנה המפורט, הן בסולמות גדולים והן בקטנים, שיש לנו כיום. התצפיות שלנו דורשות שאיכשהו, תנודות בסדר גודל זהה קיימות בכל הכף, וכי היקום צריך להיוולד כך. כשתיאורץ האינפלציה לראשונה בסוף שנות השבעים ותחילת שנות השמונים, לא הייתה שום דרך לדעת כיצד יתבררו התנודות הללו; זו הייתה חיזוי שהאינפלציה גרמה לכך שלא תאומת במשך עשרות שנים! עם זאת, האישור כאן מרהיב, מכיוון ששום תיאוריה אחרת לא יכולה ליצור תנודות אלה, והתצפיות תואמות את מה שהאינפלציה ניבאה בצורה מושלמת ובלתי ניתנת להפלה, שכן לוויינים כמו COBE, WMAP, ולאחרונה, פלאנק, החזירו את הנתונים שלהם.

התנודות הקוונטיות המתרחשות במהלך האינפלציה נמתחות על פני היקום, וכאשר האינפלציה מסתיימת הן הופכות לתנודות צפיפות. זה מוביל, לאורך זמן, למבנה הגדול בעולם ביקום כיום, כמו גם לתנודות הטמפרטורה הנצפות ב- CMB. (א. סיגל, עם תמונות הנגזרות מ- ESA / Planck וכוח המשימה הבין-תאי של DoE / NASA / NSF על מחקר CMB)

התוצאה היא סיפור כה משכנע ובהסכמה עם הנתונים שלמעשה אין ברירה. אינפלציה אינה רק הדבר שקרה להקמת המפץ הגדול או לפתור שלל בעיות שהכרנו לפני כן; זה עשה תחזיות כמותיות לגבי מה שאנחנו יכולים לצפות להתקיים ביקום, מתקופות קדומות ועד למודרניות, והתצפיות אישרו זאת. אינפלציה, ואופייה הקוונטי, היא הסיבה שהיקום לא חלק לחלוטין כיום, וזה דבר טוב מאוד. בלעדיו, לעולם לא היה אפשר להתקיים.

Starts With A Bang נמצא כעת בפורבס, והופץ מחדש בבינוני בזכות תומכי הפטרון שלנו. איתן כתב שני ספרים, מעבר לגלקסיה, וטרקנולוגיה: המדע של מסע בין כוכבים מטריקוורסנס ועד וורפ דרייב.