Οι έξι αριθμοί που ορίζουν ολόκληρο το Σύμπαν
Πώς μελετάμε το Σύμπαν ως σύνολο;
Η δουλειά μου επικεντρώνεται στο κοσμικό μικροκυματικό υπόβαθρο (CMB) – τα αχνά ενεργειακά υπολείμματα της Μεγάλης Έκρηξης – και πώς η μέτρησή του μπορεί να καθοδηγήσει την πορεία μας προς την κατανόηση του Σύμπαντος. Υπάρχουν όμως πολλοί άλλοι τρόποι μελέτης του Κόσμου και οι φυσικοί που το μελετούν ειδικεύονται σε οτιδήποτε, από τη Γενική Σχετικότητα, μέχρι τη θερμοδυναμική, τη θεωρία των στοιχειωδών σωματιδίων.
Κάνουμε παρατηρήσεις σε σχεδόν κάθε καθεστώς μήκους κύματος προσβάσιμο στη μέτρηση και με υπερσύγχρονους ανιχνευτές σωματιδίων. Οι παρατηρήσεις προέρχονται από τα κοντινά και από τα πιο μακρινά σημεία του διαστήματος. Όλα αυτά τα στοιχεία και η θεωρία μπορούν να συνδυαστούν σε ένα εκπληκτικά απλό πρότυπο μοντέλο κοσμολογίας, το οποίο έχει μόλις έξι παραμέτρους. Αυτοί είναι οι αριθμοί που ορίζουν ολόκληρο το Σύμπαν μας.
Τα περιεχόμενα του Σύμπαντος
Οι τρεις πρώτες παράμετροι μας λένε για το περιεχόμενο του Σύμπαντος. Τα περιγράφουμε ως κλάσματα του συνολικού προϋπολογισμού ύλης και ενέργειας, όπως τα συστατικά ενός γραφήματος πίτας. Η πρώτη παράμετρος περιγράφει την ποσότητα της κανονικής ύλης , ή άτομα, στο Σύμπαν, και λέει ότι τα άτομα αντιπροσωπεύουν μόλις το 5 τοις εκατό του Σύμπαντος.
Η δεύτερη παράμετρος περιγράφει τη σκοτεινή ύλη , κάποιο είδος νέου θεμελιώδους σωματιδίου που δεν καταλαβαίνουμε ακόμη, το οποίο αντιπροσωπεύει το 25 τοις εκατό του Σύμπαντος.
Είναι αξιοσημείωτο ότι η ποσότητα της σκοτεινής ύλης, την οποία μπορούμε να αντλήσουμε από τις μετρήσεις μας για τις μικρές διακυμάνσεις της θερμοκρασίας στην κοσμική ακτινοβολία υποβάθρου μικροκυμάτων, συμφωνεί με την τιμή που προκύπτει από τις παρατηρήσεις των κινήσεων των άστρων και των γαλαξιών. Ωστόσο, η τιμή που αντλούμε από τις μετρήσεις CMB είναι πολύ πιο ακριβής.
- The Little Book of Cosmology είναι ένα από ταμας καλύτερα επιστημονικά βιβλία του 2020
Οι μετρήσεις μας μας λένε και κάτι άλλο. Επειδή το CMB έρχεται σε εμάς από την εποχή της αποσύνδεσης – όταν το πρώιμο Σύμπαν είχε κρυώσει αρκετά ώστε να απελευθερώσει τα φωτόνια από το καυτό πλάσμα που τα είχε δεσμεύσει για αρκετές εκατοντάδες χιλιάδες χρόνια μετά το Big Bang, προκαλώντας το Σύμπαν να γίνει διαφανές – μπορούμε να δούμε ότι η σκοτεινή ύλη υπήρχε ξεκάθαρα στο πρώιμο Σύμπαν. Επιπλέον, μπορούμε να δούμε ότι τα άτομα, τα υλικά από τα οποία είμαστε φτιαγμένοι, αντιπροσωπεύουν μόλις το ένα έκτο της συνολικής μάζας στο Σύμπαν.
Η τρίτη παράμετρος είναι η κοσμολογική σταθερά , η μυστηριώδης σκοτεινή ενέργεια που βρίσκεται στη ρίζα της επιταχυνόμενης διαστολής του Σύμπαντος. Αυτό αντιπροσωπεύει το 70 τοις εκατό του συνολικού προϋπολογισμού ύλης και ενέργειας του Σύμπαντος. Δεν ξέρουμε ούτε τι είναι αυτή η σκοτεινή ενέργεια, αλλά ξέρουμε ότι υπάρχει, γιατί έχουμε μετρήσει άμεσα την παρουσία της μέσω της κοσμικής επιτάχυνσης.
Σχηματισμός αστέρων και γαλαξιών
Η τέταρτη παράμετρος είναι το οπτικό βάθος , ή πόσο αδιαφανές ήταν το Σύμπαν για τα φωτόνια που ταξίδευαν μέσα από αυτό. Αυτή είναι η πιο αστροφυσική από όλες τις παραμέτρους του τυπικού μοντέλου της κοσμολογίας. Με αυτό, εννοούμε ότι αποτυπώνει τη μάλλον ελάχιστη γνώση μας για ολόκληρη την περίπλοκη διαδικασία του σχηματισμού και της επακόλουθης έκρηξης των πρώτων άστρων και του σχηματισμού των πρώτων γαλαξιών στο Σύμπαν.
Το έντονο φως από αυτά τα πρώιμα αστέρια και γαλαξίες διέλυσε το υδρογόνο που επικρατούσε στον Κόσμο στα συστατικά του πρωτόνια και ηλεκτρόνια, προκαλώντας τον επαναιονισμό του Σύμπαντος. Σε αυτή τη διαδικασία, περίπου το 5-8 τοις εκατό των φωτονίων CMB - τα φωτόνια που είχαν απελευθερωθεί τη στιγμή της αποσύνδεσης - διασκορπίστηκαν εκ νέου.
Διαβάστε περισσότερα για τη σκοτεινή ύλη:
- Αναζητώντας απεγνωσμένα τη σκοτεινή ύλη:η αναζήτηση για το 95 τοις εκατό του Σύμπαντος
- Άγριες ιδέες στην επιστήμη:Η σκοτεινή ύλη μπορεί να βρίσκεται κάτω από τα πόδια μας
Για να χρησιμοποιήσουμε μια αναλογία, λαμβάνοντας υπόψη ότι το Σύμπαν ήταν διαφανές στο παρελθόν, είναι σαν να κύλησε λίγη ομίχλη. Όχι πάρα πολύ – μπορούσες να δεις ακόμα μια μακρινή ακτή – αλλά η ορατότητα μειώθηκε. Είναι ενδιαφέρον ότι για να προσδιοριστεί το οπτικό βάθος του Σύμπαντος, χρειάζεται μια μέτρηση τηςπόλωσης του CMB.
Η πόλωση, μαζί με την ένταση και το μήκος κύματος, είναι ένα από τα τρία χαρακτηριστικά ενός φωτεινού κύματος. Η πόλωση καθορίζει την κατεύθυνση στην οποία ταλαντώνεται ένα κύμα φωτός. Για παράδειγμα, το φως που ανακλάται από το καπό του αυτοκινήτου σας είναι οριζόντια πολωμένο. Δηλαδή, το φωτεινό κύμα ταλαντώνεται μπρος-πίσω οριζόντια. Τα πολωμένα γυαλιά ηλίου εμποδίζουν αυτήν την κατεύθυνση ταλάντωσης και τη σχετική ανακλώμενη λάμψη.
Ομοίως, τα ηλεκτρόνια που απελευθερώθηκαν από τη διαδικασία του επαναιονισμού διασκόρπισαν και πόλωσαν τα φωτόνια CMB. Αν μπορούσατε να κοιτάξετε το CMB με ή χωρίς πολωμένα "γυαλιά ηλίου", θα βλέπατε ότι φαίνεται ελαφρώς διαφορετικό.
Κβαντικές διακυμάνσεις
Οι δύο τελευταίες παράμετροι περιγράφουν τους σπόρους των λεπτών διακυμάνσεων που προκάλεσαν όλη τη δομή που παρατηρούμε σήμερα στο Σύμπαν. Εάν είχαμε ένα πλήρες μοντέλο του Σύμπαντος – αυτό που ξεκινούσε με μικροσκοπικές κβαντικές διακυμάνσεις και πρόβλεψε με επιτυχία ποιες θα ήταν οι διακυμάνσεις της ύλης σε σφαίρες διαμέτρου 25 εκατομμυρίων ετών φωτός – θα μπορούσαμε να εξαλείψουμε μία από αυτές τις δύο παραμέτρους.
Δυστυχώς, ενώ διαθέτουμε ένα πολύ επιτυχημένο πλαίσιο για την κατανόηση του τρόπου με τον οποίο εξελίχθηκε το Σύμπαν, δεν γνωρίζουμε ακόμη όλες τις συνδέσεις και επομένως το απαιτούμε ως παράμετρο.
Ονομάζεται πρωταρχικό φάσμα ισχύος και περιγράφει τις διακυμάνσεις της πυκνότητας του Σύμπαντος στον τρισδιάστατο χώρο. Στο πολύ πρώιμο Σύμπαν, αυτές οι διακυμάνσεις ήταν μικρές, αλλά καθώς το Σύμπαν επεκτεινόταν, αυτές οι διακυμάνσεις της πυκνότητας ήταν μεγάλες σε όλο τον κόσμο.
Όπου υπήρχαν ελαφρώς πυκνότερες περιοχές στον αρχέγονο σύμπαν, η ύλη συνέχισε να συγκεντρώνεται μαζί, και μπορούμε τώρα να δούμε γαλαξίες ή σμήνη γαλαξιών. Σε άλλα, όπου υπήρχε μικρότερη πυκνότητα, δεν βλέπουμε σχεδόν τίποτα.
Η υπόλοιπη παράμετρος ονομάζεται βαθμωτός φασματικός δείκτης , είναι το πιο δύσκολο να κατανοήσουμε – αλλά είναι επίσης το καλύτερο μας παράθυρο στη γέννηση του Σύμπαντος. Μας λέει πώς οι αρχέγονες διακυμάνσεις, οι μικροσκοπικές μεταβολές ενέργειας που υπήρχαν στο βρεφικό Σύμπαν, εξαρτώνται από την γωνιακή κλίμακα .
Για να το κατανοήσουμε καλύτερα αυτό, ας χρησιμοποιήσουμε μια μουσική αναλογία. Αυτή η τελική κοσμολογική παράμετρος μας επιτρέπει να διακρίνουμε μεταξύ "λευκού θορύβου" και, ας πούμε, "ροζ θορύβου", όπου οι νότες μπάσων (ανάλογες με τις μεγάλες γωνιακές κλίμακες) έχουν κάπως μεγαλύτερη ένταση από τις νότες πρίμων (ανάλογες με τις μικρές γωνιακές κλίμακες). /P>
Διαβάστε περισσότερα για την κοσμολογία:
- Μαύρες τρύπες και σκοτεινή ενέργεια:πώς το Hubble ανακάλυψε τα πιο σκοτεινά μυστικά του Σύμπαντος
- Η αναζήτηση για την κβαντική βαρύτητα:γιατί το να κάνεις λάθος είναι απαραίτητο για την επιστήμη
Χρησιμοποιώντας το CMB, βρίσκουμε ότι οι αρχέγονες διακυμάνσεις ήταν πάντα τόσο ελαφρώς μεγαλύτερες σε πλάτος σε μεγάλες γωνιακές κλίμακες από ό,τι σε μικρότερες. Με άλλα λόγια, ο αρχέγονος κοσμικός θόρυβος είναι ελαφρώς ροζ.
Με αυτές τις έξι παραμέτρους στο χέρι, μπορούμε να υπολογίσουμε τα χαρακτηριστικά όχι μόνο του CMB αλλά και του οποιουδήποτε κοσμολογική μέτρηση που θα θέλαμε να κάνουμε. Μπορούμε, για παράδειγμα, να υπολογίσουμε την ηλικία του Σύμπαντος:13,8 δισεκατομμύρια χρόνια (δώστε ή λάβετε 40 εκατομμύρια χρόνια).
Η μοναδική πιο περιοριστική παρατήρηση είναι αυτή της ανισοτροπίας CMB - οι μικρές διακυμάνσεις της θερμοκρασίας. Ωστόσο, το τυπικό μοντέλο της κοσμολογίας είναι συνεπές με όλες τις μετρήσεις, από όλα τα επίπεδα της φυσικής και της αστρονομίας.
Εν ολίγοις, ανεξάρτητα από το πώς βλέπουμε το σύμπαν – με γαλαξιακές έρευνες, μέσα από εκρήξεις αστεριών, μέσω της αφθονίας των φωτεινών στοιχείων, μέσω των ταχυτήτων των γαλαξιών ή μέσω του CMB – χρειαζόμαστε μόνο τις έξι παραμέτρους που δίνονται παραπάνω και γνωστές φυσικές διαδικασίες, για να περιγράψουμε το Σύμπαν που παρατηρούμε.
Τι σημαίνει να μπορείς να περιγράψεις κάτι τόσο απλά και ποσοτικά; Σημαίνει ότι καταλαβαίνουμε πώς τα κομμάτια του Σύμπαντος ταιριάζουν μεταξύ τους για να σχηματίσουν ένα σύνολο. Κατανοούμε ορισμένες βαθιές συνδέσεις στη φύση.
Σημαίνει ότι μπορούμε να αποδειχτούμε λάθος – όχι με διαφορετικά επιχειρήματα, αλλά από ένα καλύτερο ποσοτικό μοντέλο που περιγράφει περισσότερες πτυχές της φύσης. Υπάρχουν λίγα συστήματα που έχουν μελετηθεί από επιστήμονες που μπορούν να περιγραφούν τόσο απλά, ολοκληρωτικά και με τόσο υψηλή ακρίβεια. Είμαστε τυχεροί που το παρατηρήσιμο Σύμπαν είναι ένα από αυτά.
The Little Book of Cosmology του Lyman Page κυκλοφορεί τώρα (£16,99, Princeton University Press).
- Αγοράστε τώρα από Amazon UK, Bookshop.org και Waterstones
