Οι φυσικοί κυνηγούν τα τρίγωνα του Big Bang

Μια φορά κι έναν καιρό, πριν από περίπου 13,8 δισεκατομμύρια χρόνια, το σύμπαν μας ξεπήδησε από ένα κβαντικό στίγμα, φτάνοντας στο ένα εκατομμύριο τρισεκατομμύρια τρισεκατομμύρια τρισεκατομμύρια τρισεκατομμύρια τρισεκατομμύρια τρισεκατομμύρια φορές τον αρχικό του όγκο (κατά ορισμένες εκτιμήσεις) σε λιγότερο από το ένα δισεκατομμυριοστό του τρισεκατομμυρίου του τρισεκατομμυρίου ένα δεύτερο. Στη συνέχεια συνέχισε να επεκτείνεται με πιο ήπιους ρυθμούς, σύμφωνα με τους γνωστούς νόμους της φυσικής.

Έτσι συνεχίζεται η ιστορία του κοσμικού πληθωρισμού, της σύγχρονης εκδοχής της θεωρίας του Big Bang. Αυτή η μοναδική σύντομη, εξωφρενική έξαρση ανάπτυξης ταιριάζει καλά σε όλα τα υπάρχοντα κοσμολογικά δεδομένα και εξηγεί το μέγεθος, την ομαλότητα, την επιπεδότητα και την έλλειψη προτιμώμενης κατεύθυνσης του σύμπαντος. Αλλά ως εξήγηση του πώς και γιατί ξεκίνησε το σύμπαν, ο πληθωρισμός υπολείπεται. Τα ερωτήματα που εγείρει - γιατί συνέβη η έξαρση της ανάπτυξης, πώς συνέβη, τι (αν κάτι) συνέβη εκ των προτέρων - έχουν μπερδέψει τους κοσμολόγους από τότε που εμφανίστηκε η θεωρία τη δεκαετία του 1980. «Έχουμε πολύ ισχυρές αποδείξεις ότι υπήρξε αυτή η περίοδος πληθωρισμού», δήλωσε ο Μάθιου Κλέμπαν, κοσμολόγος στο Πανεπιστήμιο της Νέας Υόρκης. "Αλλά δεν έχουμε ιδέα - ή έχουμε πολλές, πολλές ιδέες - πάρα πολλές ιδέες - τι ήταν ο πληθωρισμός, βασικά."

Για να κατανοήσουν την προέλευση του σύμπαντος, οι σημερινοί κοσμολόγοι επιδιώκουν να εντοπίσουν τον άγνωστο παράγοντα του πληθωρισμού, που ονομάζεται «inflaton». Συχνά οραματιζόταν ως ένα πεδίο ενέργειας που διαπερνά το χώρο και το απομακρύνει, το φουσκωτό λειτούργησε, λένε οι ειδικοί, σαν ένα ρολόι. Με κάθε τσιμπούρι, διπλασίαζε το μέγεθος του σύμπαντος, κρατώντας σχεδόν τέλειο χρόνο - μέχρι να σταματήσει. Θεωρητικοί όπως ο Kleban, λοιπόν, είναι οι ωρολογοποιοί, που επινοούν συνολικά εκατοντάδες διαφορετικά μοντέλα που θα μπορούσαν να αναπαράγουν το ρολόι της Μεγάλης Έκρηξης.

Όπως πολλοί κοσμολόγοι ωρολογοποιοί, ο Kleban είναι ειδικός στη θεωρία χορδών - ο κυρίαρχος υποψήφιος για μια «θεωρία των πάντων» που προσπαθεί να περιγράψει τη φύση σε όλες τις αποστάσεις, τους χρόνους και τις ενέργειες. Οι γνωστές εξισώσεις της φυσικής παραπαίουν όταν εφαρμόζονται στο μικροσκοπικό, φευγαλέο και ξέφρενο περιβάλλον της Μεγάλης Έκρηξης, στο οποίο αγωνίζονται να στριμώξουν μια τεράστια ποσότητα ενέργειας στον απειροελάχιστο χώρο και χρόνο. Αλλά η θεωρία χορδών ανθίζει σε αυτό το περιβάλλον, θέτοντας επιπλέον χωρικές διαστάσεις που διαχέουν την ενέργεια. Τα οικεία σημειακά σωματίδια γίνονται, σε αυτό το υψηλότερο επίπεδο ενέργειας και ζουμ, μονοδιάστατες «χορδές» και υψηλότερες διαστάσεις, μεμβρανώδεις «βράνες», που όλα διασχίζουν ένα τοπίο 10 διαστάσεων. Αυτά τα δονούμενα, κυματιστά γρανάζια μπορεί να έχουν τροφοδοτήσει το ρολόι του Big Bang.

Στο γραφείο του ένα πρόσφατο απόγευμα, ο Κλέμπαν σκιαγράφησε το τελευταίο του σχέδιο φουσκωτό στον μαυροπίνακα. Πρώτα, σχεδίασε έναν αδύνατο κύλινδρο για να απεικονίσει το τοπίο των χορδών. Το μήκος του αντιπροσώπευε τις τρεις χωρικές διαστάσεις της μακροσκοπικής πραγματικότητας και η περιφέρειά του σήμαινε τις έξι άλλες χωρικές διαστάσεις που η θεωρία χορδών λέει ότι υπάρχουν, αλλά που είναι πολύ μικρές για να τις δούμε. Στο πλάι του κυλίνδρου, σχεδίασε έναν κύκλο. Αυτό είναι το ρολόι του Kleban:μια μεμβράνη που δημιουργεί φυσαλίδες και διαστέλλεται φυσικά. Καθώς το φουσκωτό εσωτερικό του σχηματίζει ένα νέο σύμπαν, η ενέργειά του μειώνεται σταδιακά με ρολόι κάθε φορά που ο διαστελλόμενος κύκλος περιστρέφεται γύρω από την περιφέρεια του κυλίνδρου και επικαλύπτεται. Όταν η ενέργεια της «βράνης» αραιώνεται, το ρολόι σταματά να χτυπά και ο πληθωρισμός τελειώνει. Είναι ένα σχέδιο που κάποιοι κοσμολόγοι χορδών έχουν χαιρετίσει για την οικονομία του. "Νομίζω ότι είναι αρκετά εύλογο να συμβεί κάποια εκδοχή αυτού", είπε.

Αν και ο Kleban αναγνωρίζει ότι είναι πολύ νωρίς για να πούμε εάν αυτός ή κάποιος άλλος θέλει κάτι, τα σχέδια βρίσκονται σε εξέλιξη για να μάθουμε.

Το ρεκόρ του ιλιγγιώδους χτυπήματος του inflaton μπορεί να διαβαστεί στην κατανομή των γαλαξιών, των σμηνών γαλαξιών και των υπερσμήνων που εκτείνονται στο σύμπαν. Αυτές οι δομές (και τα πάντα σε αυτές, συμπεριλαμβανομένου εσάς) είναι τεχνουργήματα «λαθών στο ρολόι», όπως το έθεσε ο Matias Zaldarriaga, κοσμολόγος στο Ινστιτούτο Προηγμένων Μελετών (IAS) στο Πρίνστον του N.J.. Δηλαδή, ο χρόνος είναι εγγενώς αβέβαιος, και έτσι το σύμπαν φούσκωσε με ελαφρώς διαφορετικούς ρυθμούς σε διαφορετικά μέρη και στιγμές, δημιουργώντας διακυμάνσεις πυκνότητας σε όλη την έκταση. Το τρέμουλο στο χρόνο μπορεί επίσης να θεωρηθεί ως ένα τρέμουλο στην ενέργεια που εμφανίστηκε καθώς ζεύγη σωματιδίων εμφανίστηκαν αυθόρμητα σε ένα «πεδίο φουσκώματος» και τεντώθηκαν σαν δύο σημεία σε ένα μπαλόνι που φουσκώνει. Αυτά τα σωματίδια ήταν οι σπόροι που η βαρύτητα μεγάλωσε σε γαλαξιακές δομές κατά τη διάρκεια των αιώνων. Τα ζεύγη δομών που εκτείνονται στις μεγαλύτερες αποστάσεις στον ουρανό σήμερα προήλθαν από τις πρώτες κβαντικές διακυμάνσεις κατά τη διάρκεια του πληθωρισμού, ενώ οι δομές που είναι πιο κοντά μεταξύ τους δημιουργήθηκαν αργότερα. Αυτή η ένθετη κατανομή σε όλες τις κλίμακες κοσμικής απόστασης «σας λέει λεπτομερώς ότι το ρολόι χτυπούσε», είπε ο Nima Arkani-Hamed, θεωρητικός φυσικός στο IAS. "Αλλά δεν σας λέει τίποτα για το από τι κατασκευάστηκε."

Για την αντίστροφη μηχανική του ρολογιού, οι κοσμολόγοι αναζητούν ένα νέο είδος δεδομένων. Οι υπολογισμοί τους δείχνουν ότι οι γαλαξίες και άλλες δομές δεν απλώνονται απλώς τυχαία σε ζευγάρια στον ουρανό. Αντίθετα, έχουν μια ελαφρά τάση να διατάσσονται σε πιο σύνθετες διαμορφώσεις:τρίγωνα, ορθογώνια, πεντάγωνα και κάθε είδους άλλα σχήματα, τα οποία ανάγονται όχι μόνο στο κβαντικό jitter στο ρολόι του Big Bang, αλλά σε μια πολύ πιο ουσιαστική στροφή του γρανάζια.

Το πείραγμα των κοσμολογικών τριγώνων και άλλων σχημάτων - που έχουν ονομαστεί «μη-Γκαουσιανίες» για να αντιπαραβληθούν με την καμπύλη Gaussian καμπάνας των τυχαία κατανεμημένων ζευγών δομών - θα απαιτήσει πιο ακριβείς παρατηρήσεις του σύμπαντος από ό,τι έχουν γίνει μέχρι σήμερα. Και έτσι καταστρώνονται σχέδια για ένα χρονοδιάγραμμα ολοένα και πιο ευαίσθητων πειραμάτων. «Θα έχουμε πολύ περισσότερες πληροφορίες από ό,τι έχουμε τώρα, και ευαισθησία σε πολύ πιο λεπτές επιδράσεις από ό,τι μπορούμε να διερευνήσουμε τώρα», δήλωσε ο Marc Kamionkowski, κοσμολόγος στο Πανεπιστήμιο Johns Hopkins. Εν τω μεταξύ, οι θεωρητικοί σημειώνουν σημαντική πρόοδο στον καθορισμό των σχημάτων και του τρόπου αναζήτησης τους. «Υπήρξε μια μεγάλη αναγέννηση της κατανόησης», είπε η Eva Silverstein, κοσμολόγος χορδών στο Πανεπιστήμιο του Στάνφορντ που επινόησε τον μηχανισμό περιέλιξης διαστάσεων που χρησιμοποιούσε η Kleban, καθώς και πολλά δικά της σχέδια ρολογιών.

▽▷△

Η αυστηρή μελέτη των μη-Gaussianities ξεκίνησε το 2002, όταν ο Juan Maldacena, ένας σεβαστός, μοναχός θεωρητικός στο IAS, υπολόγισε αυτό που είναι γνωστό ως «βαρυτικό πάτωμα»:τον ελάχιστο αριθμό τριγώνων και άλλων σχημάτων που είναι εγγυημένα ότι υπάρχουν στον ουρανό. , λόγω της αναπόφευκτης επίδρασης της βαρύτητας κατά τον κοσμικό πληθωρισμό. Οι κοσμολόγοι πάλευαν να υπολογίσουν το βαρυτικό πάτωμα για περισσότερο από μια δεκαετία, καθώς θα παρείχε έναν συγκεκριμένο στόχο για τους πειραματιστές. Εάν φτάσει το κατώτατο όριο και δεν ανιχνευθούν τρίγωνα, εξήγησε ο Maldacena, «τότε ο πληθωρισμός είναι λάθος».

Όταν ο Maldacena υπολόγισε για πρώτη φορά το βαρυτικό επίπεδο, η ανίχνευσή του φαινόταν πράγματι μακρινός στόχος. Εκείνη την εποχή, όλη η ακριβής γνώση της γέννησης του σύμπαντος προήλθε από παρατηρήσεις του «κοσμικού μικροκυματικού υποβάθρου» - του αρχαιότερου φωτός στον ουρανό, το οποίο φωτίζει ένα δισδιάστατο κομμάτι του νηπίου σύμπαντος όπως εμφανίστηκε 380.000 χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη. Με βάση τον περιορισμένο αριθμό εκκολαπτόμενων δομών που εμφανίζονται σε αυτό το στιγμιότυπο 2-D, φαινόταν αδύνατο να ανιχνευθεί ποτέ με στατιστική βεβαιότητα η ελαφρά τάση τους να διαμορφωθούν σε τρίγωνα και άλλα σχήματα. Αλλά το έργο του Maldacena έδωσε στους θεωρητικούς τα εργαλεία για να υπολογίσουν άλλες, πιο έντονες μορφές μη-Γκαουσιανισμού που μπορεί να υπάρχουν στον ουρανό, λόγω ισχυρότερων επιπτώσεων από τη βαρύτητα. Και παρακίνησε τους ερευνητές να επινοήσουν καλύτερους τρόπους αναζήτησης των σημάτων.

Ένα χρόνο αφότου ο Maldacena έκανε τον υπολογισμό του, ο Zaldarriaga και οι συνεργάτες του έδειξαν ότι η μέτρηση της κατανομής των γαλαξιών και των ομάδων γαλαξιών που συνθέτουν τη «δομή μεγάλης κλίμακας» του σύμπαντος θα έδινε πολλά περισσότερα σχήματα από την παρατήρηση του κοσμικού μικροκυματικού φόντου. «Είναι ένα επιχείρημα 3-D εναντίον 2-D», είπε ο Olivier Doré, κοσμολόγος στο Εργαστήριο Jet Propulsion της NASA που εργάζεται σε μια προτεινόμενη αναζήτηση για μη-Γκαουσιανίες στη δομή μεγάλης κλίμακας. "Αν αρχίσετε να μετράτε τρίγωνα τρισδιάστατα όπως μπορείτε να κάνετε με τις έρευνες γαλαξιών, υπάρχουν πραγματικά πολλά περισσότερα που μπορείτε να μετρήσετε."

Η ιδέα ότι η καταμέτρηση περισσότερων σχημάτων στον ουρανό θα αποκαλύψει περισσότερες λεπτομέρειες της Μεγάλης Έκρηξης υπονοείται σε μια κεντρική αρχή της κβαντικής φυσικής γνωστής ως «μοναδικότητα». Η ενότητα υπαγορεύει ότι οι πιθανότητες όλων των πιθανών κβαντικών καταστάσεων του σύμπαντος πρέπει να αθροίζονται σε μία, τώρα και για πάντα. Έτσι, οι πληροφορίες, οι οποίες αποθηκεύονται σε κβαντικές καταστάσεις, δεν μπορούν ποτέ να χαθούν - μόνο κωδικοποιημένες. Αυτό σημαίνει ότι όλες οι πληροφορίες σχετικά με τη γέννηση του Κόσμου παραμένουν κωδικοποιημένες στην παρούσα κατάστασή του και όσο πιο ακριβείς γνωρίζουν οι κοσμολόγοι το δεύτερο, τόσο περισσότερα μπορούν να μάθουν για το πρώτο.

Πώς όμως κωδικοποιήθηκαν οι λεπτομέρειες της Μεγάλης Έκρηξης σε τρίγωνα και άλλα σχήματα; Σύμφωνα με τον Zaldarriaga, ο υπολογισμός του Maldacena «άνοιξε την κατανόηση του πώς προκύπτει». Σε ένα σύμπαν που διέπεται από την κβαντική μηχανική, όλα τα συστατικά της φύσης διασταυρώνονται, μεταμορφώνονται και αλληλεπιδρούν μεταξύ τους με ποικίλους βαθμούς πιθανότητας. Αυτό περιλαμβάνει το πεδίο inflaton, το πεδίο βαρύτητας και οτιδήποτε άλλο υπήρχε στο αρχέγονο σύμπαν:Τα σωματίδια που προέκυψαν σε αυτά τα πεδία θα είχαν μεταμορφωθεί και θα διασκορπίστηκαν μεταξύ τους για να δημιουργήσουν τρίγωνα και άλλες γεωμετρικές διαμορφώσεις, όπως οι μπάλες του μπιλιάρδου που σκορπίζονται σε ένα τραπέζι.

Αυτά τα δυναμικά γεγονότα θα αναμειγνύονταν με το πιο συνηθισμένο κβαντικό jitter από αυτά τα ζεύγη σωματιδίων που εμφανίστηκαν στο πεδίο φουσκώματος και προκάλεσαν τους λεγόμενους «συσχετισμούς δύο σημείων» σε όλο τον ουρανό. Ένα ζεύγος σωματιδίων θα μπορούσε, για παράδειγμα, να έχει εμφανιστεί σε κάποιο άλλο αρχέγονο πεδίο, και ένα μέλος αυτού του ζεύγους μπορεί στη συνέχεια να έχει διασπαστεί σε δύο σωματίδια inflaton ενώ το άλλο διασπάστηκε σε ένα μόνο σωματίδιο inflaton, δίνοντας μια συσχέτιση τριών σημείων, ή τρίγωνο, στον ουρανό. Ή, δύο μυστήρια σωματίδια μπορεί να συγκρούστηκαν και να χωρίστηκαν σε τέσσερα σωματίδια inflaton, δημιουργώντας μια συσχέτιση τεσσάρων σημείων. Πιο σπάνια γεγονότα θα είχαν δώσει συσχετίσεις πέντε σημείων, έξι σημείων και ακόμη υψηλότερου σημείου, με τους αριθμούς, τα μεγέθη και τις εσωτερικές γωνίες τους να κωδικοποιούν τους τύπους και τις σχέσεις των σωματιδίων που τα παρήγαγαν. Η αρχή της ενότητας υπόσχεται ότι μετρώντας τα σχήματα με μεγαλύτερη ακρίβεια, οι κοσμολόγοι θα επιτύχουν μια ολοένα και πιο λεπτομερή περιγραφή του αρχέγονου σύμπαντος, όπως οι φυσικοί στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων στην Ευρώπη ακονίζουν τη θεωρία τους για τα γνωστά σωματίδια και αναζητούν στοιχεία για νέα συλλογή στατιστικών στοιχείων για το πώς τα σωματίδια μεταμορφώνονται και διασκορπίζονται κατά τη διάρκεια των συγκρούσεων.

Μετά τον υπολογισμό του κατώτατου βαρυτικού επιπέδου από τον Maldacena, άλλοι ερευνητές απέδειξαν ότι ακόμη και πολλά απλά πληθωριστικά μοντέλα παράγουν πολύ πιο έντονο μη-Γκαουσιανισμό από το ελάχιστο. Ωρολογοποιοί όπως ο Silverstein και ο Kleban είναι από τότε απασχολημένοι με την επεξεργασία του ξεχωριστού συνόλου των τριγώνων που θα παρήγαγαν τα μοντέλα τους - προβλέψεις που θα γίνονται όλο και πιο δόκιμες τα επόμενα χρόνια. Η πρόοδος επιταχύνθηκε το 2014, όταν ένα μικρό πείραμα με βάση τον Νότιο Πόλο φάνηκε να κάνει μια σημαντική ανακάλυψη σχετικά με τη γέννηση του σύμπαντος. Η ανακοίνωση συγκέντρωσε το ενδιαφέρον για τα κοσμολογικά τρίγωνα, παρόλο που η υποτιθέμενη ανακάλυψη τελικά αποδείχτηκε μεγάλη απογοήτευση.

▽▷△

Καθώς η είδηση ​​άρχισε να διαδίδεται στις 17 Μαρτίου 2014, ότι το «όπλο καπνίσματος» του κοσμικού πληθωρισμού είχε εντοπιστεί, το γραφείο Τύπου του Πανεπιστημίου του Στάνφορντ δημοσίευσε ένα εορταστικό βίντεο στο YouTube. Στα πλάνα, ο κοσμολόγος Αντρέι Λίντε, ένας από τους διακεκριμένους πρωτοπόρους της πληθωριστικής κοσμολογίας, και η σύζυγός του, η θεωρητικός των χορδών και της υπερβαρύτητας και κοσμολόγος Renata Kallosh, ανοίγουν την πόρτα τους για να βρουν τον συνάδελφό τους από το Στάνφορντ Chao-Lin Kuo στο κατώφλι, συνοδευόμενοι από ένα συνεργείο κάμερας.

"Είναι πέντε σίγμα, στο σημείο δύο", λέει ο Kuo στο βίντεο.

"Ανακάλυψη?" ρωτάει ο Καλλός, μετά από ένα χτύπημα. Αγκαλιάζει τον Kuo, σχεδόν λιώνει, καθώς η Linde αναφωνεί, "Τι;"

Οι θεατές μαθαίνουν ότι το BICEP2, ένα πείραμα με επικεφαλής τον Kuo, έχει ανιχνεύσει ένα μοτίβο στροβιλισμού στο κοσμικό υπόβαθρο μικροκυμάτων που θα είχε αποτυπωθεί από κυματισμούς στο χωροχρόνο γνωστά ως «αρχέγονα βαρυτικά κύματα». Και αυτά θα μπορούσαν να έχουν προκύψει μόνο κατά τη διάρκεια του κοσμικού φουσκώματος, καθώς σωματίδια σαν τιρμπουσόν αναδύθηκαν στο βαρυτικό πεδίο και στη συνέχεια τεντώθηκαν και πάγωσαν μόνιμα στο σχήμα του σύμπαντος.

Στην επόμενη σκηνή, ο Linde πίνει σαμπάνια με τη γυναίκα του και τον καλεσμένο τους. Στις αρχές της δεκαετίας του 1980, ο Linde, ο Alexei Starobinsky, ο Alan Guth και άλλοι νέοι κοσμολόγοι επινόησαν τη θεωρία του κοσμικού πληθωρισμού ως ένα έμπλαστρο για την κατεστραμμένη θεωρία του Big Bang της δεκαετίας του 1930, η οποία περιέγραψε το σύμπαν ως διαστελλόμενο προς τα έξω από μια «ιδιαιτερότητα» - ένα παράλογο. σημείο άπειρης πυκνότητας — και δεν μπορούσε να εξηγήσει γιατί το σύμπαν δεν είχε στριφογυρίσει και παραμορφωθεί καθώς μεγάλωνε. Ο κοσμικός πληθωρισμός παρείχε μια έξυπνη λύση για αυτά τα προβλήματα και το εύρημα του BICEP2 πρότεινε ότι η θεωρία αποδείχθηκε οριστικά. «Αν αυτό είναι αλήθεια», λέει ο Linde στην κάμερα, «αυτή είναι μια στιγμή κατανόησης της φύσης τέτοιου μεγέθους που απλώς κατακλύζει. Ας δούμε. Ας ελπίσουμε ότι αυτό δεν είναι κόλπο."

Για πολλούς ερευνητές, το πιο συναρπαστικό πράγμα σχετικά με την υποτιθέμενη ανακάλυψη ήταν η ισχύς του σήματος στροβιλισμού, που μετράται ως r =0,2. Η μέτρηση έδειξε ότι ο πληθωρισμός εμφανίστηκε σε εξαιρετικά υψηλή ενεργειακή κλίμακα και τις πρώτες χρονικές στιγμές, κοντά στο πεδίο χρόνου-ενέργειας όπου η βαρύτητα, καθώς και οι επιπτώσεις των χορδών, των βράνων ή άλλων εξωτικών ουσιών, θα ήταν ισχυρές. Όσο υψηλότερη είναι η ενεργειακή κλίμακα του πληθωρισμού, τόσο περισσότερη διασταύρωση θα υπήρχε μεταξύ του φουσκώματος και αυτών των άλλων αρχέγονων συστατικών. Το αποτέλεσμα θα ήταν προφέρονται τρίγωνα και άλλες μη-Γκαουσιανίες στον ουρανό.

«Μετά το BICEP, όλοι σταματήσαμε αυτό που κάναμε και αρχίσαμε να σκεφτόμαστε τον πληθωρισμό», είπε ο Arkani-Hamed. «Ο πληθωρισμός είναι σαν να έχεις έναν τεράστιο επιταχυντή σωματιδίων σε πολύ υψηλότερες ενεργειακές κλίμακες από ό,τι μπορείς να φτάσεις στη Γη». Το ερώτημα έγινε πώς θα λειτουργούσε ένας τέτοιος επιταχυντής, είπε, «και αν πραγματικά υπήρχαν εξωτικά πράγματα εκεί πάνω [κοντά στην κλίμακα του πληθωρισμού], πώς θα μπορούσατε να το αναζητήσετε».

Καθώς αυτές οι έρευνες απογειώθηκαν, προέκυψαν περισσότερες λεπτομέρειες της ανάλυσης του BICEP2. Έγινε σαφές ότι η ανακάλυψη ήταν πράγματι ένα τέχνασμα της φύσης:το τηλεσκόπιο της ομάδας στο Νότιο Πόλο είχε συλλάβει τη στροβιλιζόμενη λάμψη της γαλαξιακής σκόνης και όχι την επίδραση των αρχέγονων βαρυτικών κυμάτων. Ένα μείγμα αγωνίας και θυμού σάρωσε το γήπεδο. Δύο χρόνια μετά, τα αρχέγονα βαρυτικά κύματα δεν έχουν ακόμη ανιχνευθεί. Τον Ιανουάριο, ο διάδοχος του BICEP2, ο πίνακας BICEP/Keck, ανέφερε ότι η τιμή του r δεν μπορεί να είναι περισσότερο από 0,07, το οποίο μειώνει το ανώτατο όριο στην ενεργειακή κλίμακα του πληθωρισμού και το μετακινεί πιο κάτω από την κλίμακα των χορδών ή άλλης εξωτικής φυσικής.

Ωστόσο, πολλοί ερευνητές γνώριζαν τώρα το πιθανό χρυσωρυχείο πληροφοριών που περιέχονται στα τρίγωνα και σε άλλες μη-Γκαουσιανίες. Είχε γίνει φανερό ότι αυτά τα απολιθώματα από τον πληθωρισμό άξιζε να τα σκάψουμε, ακόμα κι αν ήταν θαμμένα πιο βαθιά από ό,τι είχε υποσχεθεί εν συντομία το BICEP2. «Ναι, r κατέβηκε λίγο», είπε η Μαλντασένα. Αλλά δεν είναι τόσο κακό, κατά τη γνώμη του:Μια σχετικά υψηλή κλίμακα είναι ακόμα δυνατή.

Σε μια εργασία την περασμένη άνοιξη που βασίστηκε σε προηγούμενη εργασία άλλων ερευνητών, οι Maldacena και Arkani-Hamed χρησιμοποίησαν επιχειρήματα συμμετρίας για να δείξουν ότι ένα βασικό χαρακτηριστικό της θεωρίας χορδών θα μπορούσε να εκδηλωθεί σε τρίγωνα. Η θεωρία χορδών προβλέπει έναν άπειρο πύργο «καταστάσεων υψηλότερης περιστροφής» - ουσιαστικά, χορδές που δονούνται σε μια απεριόριστα αυξανόμενη ακολουθία βημάτων. Μέχρι στιγμής, δεν έχουν ανακαλυφθεί θεμελιώδη σωματίδια με τιμή «σπιν» μεγαλύτερη από δύο. Οι Maldacena και Arkani-Hamed έδειξαν ότι η ύπαρξη μιας τέτοιας κατάστασης υψηλότερης περιστροφής θα είχε ως αποτέλεσμα εναλλασσόμενες κορυφές και κοιλότητες στην ισχύ του σήματος που παράγεται από τα τρίγωνα στον ουρανό καθώς μεγαλώνουν περισσότερο. Για τους θεωρητικούς χορδών, αυτό είναι συναρπαστικό. «Δεν μπορείς να οικοδομήσεις μια συνεπή θεωρία αλληλεπίδρασης για ένα τέτοιο σωματίδιο εκτός αν έχεις έναν άπειρο πύργο από αυτά», όπως ο πύργος στη θεωρία χορδών, εξήγησε ο Daniel Baumann, θεωρητικός κοσμολόγος στο Πανεπιστήμιο του Άμστερνταμ. Η εύρεση του ταλαντευτικού σχεδίου στα τρίγωνα στον ουρανό θα επιβεβαίωνε ότι αυτός ο πύργος υπάρχει. "Το να δούμε μόνο ένα σωματίδιο σπιν μεγαλύτερο από δύο θα ήταν ενδεικτικό της ύπαρξης θεωρίας χορδών."

Άλλοι ερευνητές επιδιώκουν παρόμοιες γενικές προβλέψεις. Τον Φεβρουάριο, ο Kamionkowski και οι συνεργάτες του ανέφεραν λεπτομερείς πληροφορίες σχετικά με τα αρχέγονα σωματίδια που κωδικοποιούνται στη γεωμετρία των συσχετισμών τεσσάρων σημείων, οι οποίοι «γίνονται ενδιαφέροντες», είπε, επειδή τέσσερα σημεία μπορούν να βρίσκονται επίπεδα ή να σαρωθούν στην τρίτη διάσταση. Η παρατήρηση των σημάτων που προέβλεψαν οι Arkani-Hamed, Maldacena και Kamionkowski θα ήταν σαν εντυπωσιακός χρυσός, αλλά ο χρυσός είναι θαμμένος βαθιά:Η δύναμή τους είναι πιθανώς κοντά στο πάτωμα της βαρύτητας και θα απαιτήσει τουλάχιστον 1.000 φορές την ευαισθησία του τρέχοντος εξοπλισμού για ανίχνευση. Άλλοι ερευνητές προτιμούν να ασχολούνται με ειδικά μοντέλα χορδών που προβλέπουν πιο έντονα τρίγωνα και άλλα σχήματα. "Μέχρι στιγμής έχουμε εξερευνήσει, νομίζω, μόνο ένα πολύ μικρό κλάσμα των πιθανοτήτων για μη-Γκαουσιανισμό", είπε ο Kamionkowski.

Εν τω μεταξύ, ο Linde και ο Kallosh πιέζουν προς μια εντελώς διαφορετική κατεύθυνση. Τα τελευταία τρία χρόνια, έχουν ερωτευτεί με μια κατηγορία μοντέλων που ονομάζονται «κοσμολογικοί άλφα ελκυστές» που δεν προβλέπουν καθόλου μη-Γκαουσιανίες πάνω από το βαρυτικό δάπεδο. Σύμφωνα με αυτά τα μοντέλα, ο κοσμικός πληθωρισμός ήταν εντελώς καθαρός, οδηγούμενος από ένα μοναχικό πεδίο πληθωρισμού. Το πεδίο περιγράφεται από μια πολλαπλή Kähler, η οποία χαρτογραφείται στον γεωμετρικό δίσκο που φαίνεται στο σχέδιο του Escher με αγγέλους και διαβόλους. Η εσχεριανή γεωμετρία παρέχει μια συνέχεια πιθανών τιμών για την ενεργειακή κλίμακα του πληθωρισμού, συμπεριλαμβανομένων τιμών τόσο χαμηλών που η διασταύρωση του φουσκωτού με το βαρυτικό πεδίο και άλλα αρχέγονα πεδία θα ήταν εξαιρετικά αδύναμη. Εάν ένα τέτοιο μοντέλο περιγράφει το σύμπαν, τότε ενδέχεται να μην ανιχνευθούν ποτέ στροβιλισμοί, τρίγωνα και άλλα σχήματα.

Η Linde δεν ενοχλείται από αυτό. Υποστηρίζοντας τα μοντέλα άλφα-ελκυστήρα, αυτός και ο Kallosh παίρνουν θέση υπέρ της απλότητας και της θεωρητικής ομορφιάς, σε βάρος του να γνωρίζουν ποτέ με βεβαιότητα εάν η ιστορία της κοσμολογικής καταγωγής τους είναι σωστή. Ένα σύμπαν άλφα ελκυστή, είπε η Linde, είναι σαν μια από τις ευτυχισμένες οικογένειες στη διάσημη εναρκτήρια γραμμή της Anna Karenina . Όπως παρέφρασε ο Τολστόι:«Κάθε ευτυχισμένη οικογένεια, λοιπόν, μοιάζουν κατά κάποιο τρόπο. Αλλά όλες οι δυστυχισμένες οικογένειες — είναι δυστυχισμένες για διαφορετικούς λόγους.»

▽▷△

Θα αποδειχτεί το σύμπαν μας «ευτυχισμένο» και εντελώς απαλλαγμένο από διακριτικά χαρακτηριστικά; Ο Baumann, ο οποίος συνέγραψε ένα βιβλίο πέρυσι για την κοσμολογία χορδών, υποστηρίζει ότι μοντέλα όπως του Linde και του Kallosh είναι πολύ απλά για να είναι αληθοφανή. «Χτίζουν αυτά τα μοντέλα από κάτω προς τα πάνω», είπε. «Η εισαγωγή ενός μόνο πεδίου, προσπαθώντας να είναι πολύ μίνιμαλ – θα ήταν ένα όμορφο μοντέλο του κόσμου». Αλλά, είπε, όταν προσπαθείς να ενσωματώσεις τον πληθωρισμό σε μια θεμελιώδη θεωρία της φύσης, είναι πολύ δύσκολο να σχεδιάσεις ένα ενιαίο πεδίο που ενεργεί από μόνο του, απρόσβλητο στις επιπτώσεις όλων των άλλων. «Η θεωρία χορδών έχει πολλά από αυτά τα αποτελέσματα. δεν μπορείτε να τα αγνοήσετε."

Και έτσι η αναζήτηση για τρίγωνα και άλλες μη-Γκαουσιανίες βρίσκεται σε εξέλιξη. Μεταξύ 2009 και 2013, το διαστημικό τηλεσκόπιο Planck χαρτογράφησε το κοσμικό υπόβαθρο μικροκυμάτων στην υψηλότερη μέχρι τώρα ανάλυση, και οι επιστήμονες από τότε ερευνούν τον χάρτη για στατιστικές υπερβολές τριγώνων και άλλων σχημάτων. Από την πιο πρόσφατη ανάλυσή τους, δεν έχουν βρει καμία. Δεδομένης της ευαισθησίας των οργάνων τους και του δισδιάστατου εδάφους αναζήτησής τους, είχαν μόνο μια εξωτερική ευκαιρία να το κάνουν. Ωστόσο, οι επιστήμονες συνεχίζουν να αναλύουν τα δεδομένα με νέους τρόπους, με μια άλλη ανάλυση μη-Γκαουσιανισμού να αναμένεται φέτος.

Η Hiranya Peiris, μια αστροφυσικός στο University College του Λονδίνου που αναζητά μη-Γκαουσιανίες στα δεδομένα του Planck, είπε ότι αυτή και οι συνεργάτες της παίρνουν στοιχεία από κοσμολόγους χορδών για να καθορίσουν ποια σήματα πρέπει να αναζητήσουν. Ο Peiris θέλει να δοκιμάσει έναν πληθωριστικό μηχανισμό χορδών που ονομάζεται μονοδρομία του άξονα, συμπεριλαμβανομένων παραλλαγών που αναπτύχθηκαν πρόσφατα από τον Silverstein και τους συνεργάτες Raphael Flauger, Mehrdad Mirbabayi και Leonardo Senatore που δημιουργούν ένα ταλαντευτικό μοτίβο σε τρίγωνα ως συνάρτηση του μεγέθους τους που μπορεί να είναι πολύ πιο έντονο. από το πρότυπο που μελέτησαν οι Arkani-Hamed και Maldacena. Για να βρουν ένα τέτοιο σήμα, η Πέιρις και η ομάδα της πρέπει να κατασκευάσουν πρότυπα του μοτίβου και να τα ταιριάξουν με τα δεδομένα «σε μια πολύ εντατική αριθμητικά και απαιτητική ανάλυση», είπε. "Τότε πρέπει να κάνουμε προσεκτικές στατιστικές δοκιμές για να βεβαιωθούμε ότι δεν μας ξεγελούν τυχαίες διακυμάνσεις στα δεδομένα."

Ορισμένα μοντέλα συμβολοσειρών έχουν ήδη αποκλειστεί από αυτήν την ανάλυση δεδομένων. Σχετικά με τη δημόσια συζήτηση σχετικά με το εάν η θεωρία χορδών είναι πολύ διαχωρισμένη από τις εμπειρικές δοκιμές για να θεωρηθεί επιστήμη, ο Silverstein είπε, "Το βρίσκω σουρεαλιστικό, επειδή αυτή τη στιγμή κάνουμε κάποια παραδοσιακή επιστήμη με τη θεωρία χορδών."

Προχωρώντας προς τα εμπρός, οι κοσμολόγοι σχεδιάζουν να ερευνήσουν όλο και μεγαλύτερους όγκους της μεγάλης κλίμακας δομής του σύμπαντος. Ξεκινώντας το 2020, η προτεινόμενη αποστολή SPHEREx θα μπορούσε να μετρήσει τη μη-Γκαουσιανότητα αρκετά ευαίσθητα στην κατανομή 300 εκατομμυρίων γαλαξιών ώστε να προσδιορίσει αν ο πληθωρισμός οδηγήθηκε από ένα ρολόι ή δύο ρολόγια διασταυρούμενης καλωδίωσης (σύμφωνα με μοντέλα της θεωρίας που είναι γνωστά ως μονής και πολλαπλής -πληθωρισμός πεδίου, αντίστοιχα). «Το να φτάσουμε μόνο σε αυτό το επίπεδο θα μείωνε δραματικά τον αριθμό των πιθανών θεωριών για τον πληθωρισμό», δήλωσε ο Doré, ο οποίος εργάζεται στο έργο SPHEREx. Λίγα χρόνια πιο πέρα, το Μεγάλο Συνοπτικό Τηλεσκόπιο Έρευνας θα χαρτογραφήσει 20 δισεκατομμύρια κοσμολογικές δομές. Εάν η στατιστική παρουσία τριγώνων δεν ανιχνευθεί στη δομή μεγάλης κλίμακας του σύμπαντος, υπάρχει μια άλλη, ίσως τελική, προσέγγιση. Χαρτογραφώντας ένα εξαιρετικά αχνό ραδιοφωνικό σήμα που ονομάζεται γραμμή 21 εκατοστών, το οποίο εκπέμπεται από άτομα υδρογόνου και ανάγεται στη δημιουργία των πρώτων άστρων, οι κοσμολόγοι θα είναι σε θέση να μετρήσουν ακόμη περισσότερους «τρόπους» ή διατάξεις δομών. "Θα έχει πληροφορίες για ολόκληρο τον όγκο του σύμπαντος", είπε ο Maldacena.

Εάν ή όταν εμφανιστούν τρίγωνα, θα αποκαλύψουν, ένα προς ένα, τη φύση του ρολογιού inflaton και γιατί χτύπησε. Θα μαζευτούν όμως αρκετές ενδείξεις πριν μας τελειώσει ο ουρανός για να τις συγκεντρώσουμε;

Η υπόσχεση της ενότητας — ότι οι πληροφορίες μπορούν να ανακατευτούν αλλά ποτέ να μην χαθούν — συνοδεύεται από μια προειδοποίηση.

«Αν υποθέσουμε ότι μπορούμε να κάνουμε τέλειες μετρήσεις και έχουμε έναν άπειρο ουρανό και ούτω καθεξής», είπε ο Maldacena, «τότε κατ' αρχήν όλες οι αλληλεπιδράσεις και οι πληροφορίες για τα σωματίδια κατά τη διάρκεια του φουσκώματος περιέχονται σε αυτούς τους συσχετιστές» - δηλαδή, συσχετίσεις τριών σημείων , συσχετίσεις τεσσάρων σημείων και ούτω καθεξής. Αλλά οι τέλειες μετρήσεις είναι αδύνατες. Και χειρότερα, ο ουρανός είναι πεπερασμένος. Υπάρχει ένας κοσμικός ορίζοντας:η πιο μακρινή απόσταση από την οποία το φως είχε χρόνο να φτάσει σε εμάς, και επομένως, πέρα ​​από την οποία δεν μπορούμε να δούμε. Κατά τη διάρκεια του πληθωρισμού, και σε όλη την ιστορία της επιταχυνόμενης διαστολής του σύμπαντος από τότε, στροβιλισμοί, τρίγωνα, τετράπλευρα και άλλα σχήματα περνούν πέρα ​​από αυτόν τον ορίζοντα και δεν φαίνονται. Και μαζί τους, χάνονται τα πιο λεπτά σήματα, που σχετίζονται με τις πιο σπάνιες διεργασίες με την υψηλότερη ενέργεια κατά τη διάρκεια του πληθωρισμού:οι κοσμολόγοι δεν θα μπορέσουν ποτέ να συγκεντρώσουν αρκετά στατιστικά στοιχεία στο πεπερασμένο κομμάτι του ουρανού μας για να τα ξεγελάσουν, αποκλείοντας μια πλήρη καταγραφή της φύσης θεμελιώδη στοιχεία.

Στην εργασία του με τον Maldacena, ο Arkani-Hamed συμπεριέλαβε αρχικά μια συζήτηση για αυτό το θέμα, αλλά αφαίρεσε το μεγαλύτερο μέρος του. Βρίσκει την πιθανότητα ενός ορίου στη γνώση «εξαιρετικά ανησυχητική» και το βλέπει ως απόδειξη ότι η κβαντική μηχανική πρέπει να επεκταθεί. Ένας πιθανός τρόπος για να γίνει αυτό προτείνεται από την εργασία του στο πλάτος του εδράνου, το οποίο ρίχνει τις κβαντομηχανικές πιθανότητες (και μαζί με αυτές, την ενότητα) ως αναδυόμενες συνέπειες μιας υποκείμενης γεωμετρίας. Σκοπεύει να συζητήσει αυτήν την πιθανότητα σε μια προσεχή δημοσίευση που θα συσχετίσει ένα ανάλογο του πλάτους με μη-Γκαουσιανίες στον ουρανό.

Οι άνθρωποι ποικίλλουν ως προς τον βαθμό στον οποίο τους ενοχλεί ένα όριο στη γνώση. «Είμαι πιο πρακτικός», είπε ο Zaldarriaga. «Υπάρχουν, όπως, δεκάδες ή πολλές δεκάδες ή τάξεις μεγέθους περισσότεροι τρόποι που καταρχήν μπορούσαμε να δούμε, που δεν μπορέσαμε να μετρήσουμε μόνο λόγω τεχνολογικής ή θεωρητικής ανικανότητας. Επομένως, αυτές οι «κατ' αρχήν» ερωτήσεις είναι ενδιαφέρουσες, αλλά είμαστε πολύ πριν από αυτό το σημείο.»

Ο Kleban αισθάνεται επίσης αισιόδοξος. «Ναι, είναι ένας πεπερασμένος όγκος πληροφοριών», είπε. «Αλλά θα μπορούσατε να πείτε το ίδιο πράγμα για την εξέλιξη, σωστά; Υπάρχει περιορισμένος αριθμός απολιθωμάτων και παρόλα αυτά έχουμε μια πολύ καλή ιδέα για το τι συνέβη και γίνεται όλο και καλύτερο."

Αν όλα πάνε καλά, αρκετά απολιθώματα θα εμφανιστούν στον ουρανό για να πει μια πιο ολοκληρωμένη ιστορία. Ένα τεράστιο πεδίο αναζήτησης περιμένει.

Διόρθωση:Αυτό το άρθρο αναθεωρήθηκε στις 19 Απριλίου 2016, για να αντικατοπτρίζει ότι το Keck Array είναι ο διάδοχος του BICEP2, όχι ο προκάτοχός του, και στις 21 Απριλίου 2016, για να διορθωθεί η ορθογραφία του επωνύμου του Mehrdad Mirbabayi.