Κοσμικά Τρίγωνα Ανοίγουν ένα παράθυρο στην προέλευση του χρόνου

Στα τέλη Αυγούστου, οι παλαιοντολόγοι ανέφεραν ότι βρήκαν το απολίθωμα ενός πεπλατυσμένου κελύφους χελώνας που «πιθανώς πατήθηκε» από έναν δεινόσαυρο, τα ίχνη του οποίου κάλυπταν το στρώμα βράχου ακριβώς από πάνω. Η σπάνια ανακάλυψη συσχετιζόμενων απολιθωμάτων εντοπίζει δυνητικά δύο περασμένα είδη στον ίδιο χρόνο και τόπο. "Μόνο κάνοντας αυτό μπορούμε να ανακατασκευάσουμε αρχαία οικοσυστήματα", είπε ένας παλαιοντολόγος στους The New York Times .

Η προσέγγιση είναι παράλληλη με τον τρόπο με τον οποίο οι κοσμολόγοι συνάγουν την ιστορία του σύμπαντος. Όπως τα απολιθώματα, τα αστρονομικά αντικείμενα δεν σκορπίζονται τυχαία σε όλο το διάστημα. Αντίθετα, οι χωρικοί συσχετισμοί μεταξύ των θέσεων αντικειμένων όπως οι γαλαξίες λένε μια λεπτομερή ιστορία του αρχαίου παρελθόντος. «Οι παλαιοντολόγοι συμπεραίνουν την ύπαρξη δεινοσαύρων για να δώσουν μια ορθολογική καταγραφή περίεργων μοτίβων οστών», είπε η Nima Arkani-Hamed, φυσικός και κοσμολόγος στο Ινστιτούτο Προηγμένων Μελετών στο Πρίνστον του Νιου Τζέρσεϊ. "Εξετάζουμε τα πρότυπα στο διάστημα σήμερα και συμπεραίνουμε μια κοσμολογική ιστορία για να τα εξηγήσουμε."

Ένα περίεργο μοτίβο που γνωρίζουν οι κοσμολόγοι εδώ και δεκαετίες είναι ότι το διάστημα είναι γεμάτο με συσχετισμένα ζεύγη αντικειμένων:ζεύγη καυτών σημείων που φαίνονται στους χάρτες των τηλεσκοπίων του πρώιμου σύμπαντος. ζεύγη γαλαξιών ή σμήνη γαλαξιών ή υπερσμήνη στο σύμπαν σήμερα. ζεύγη που βρίσκονται σε όλες τις αποστάσεις μεταξύ τους. Μπορείτε να δείτε αυτούς τους «συσχετισμούς δύο σημείων» μετακινώντας έναν χάρακα σε ολόκληρο τον χάρτη του ουρανού. Όταν υπάρχει ένα αντικείμενο στο ένα άκρο, οι κοσμολόγοι διαπιστώνουν ότι αυτό αυξάνει την πιθανότητα ένα αντικείμενο να βρίσκεται επίσης στο άλλο άκρο.

Η απλούστερη εξήγηση για τους συσχετισμούς τους ανιχνεύει σε ζεύγη κβαντικών σωματιδίων που κυμάνθηκαν στην ύπαρξη καθώς το διάστημα επεκτεινόταν εκθετικά στην αρχή της Μεγάλης Έκρηξης. Ζεύγη σωματιδίων που προέκυψαν νωρίς απομακρύνθηκαν στη συνέχεια στο μεγαλύτερο μέρος, δίνοντας ζεύγη αντικειμένων πολύ μακριά το ένα από το άλλο στον ουρανό σήμερα. Τα ζεύγη σωματιδίων που προέκυψαν αργότερα χωρίστηκαν λιγότερο και τώρα σχηματίζουν πιο στενά μεταξύ τους ζεύγη αντικειμένων. Όπως τα απολιθώματα, οι συσχετισμοί ανά ζεύγη που φαίνονται σε όλο τον ουρανό κωδικοποιούν το πέρασμα του χρόνου — σε αυτήν την περίπτωση, την αρχή του χρόνου.

Οι κοσμολόγοι πιστεύουν ότι σπάνιες κβαντικές διακυμάνσεις που περιλαμβάνουν τρία, τέσσερα ή και περισσότερα σωματίδια θα έπρεπε επίσης να έχουν συμβεί κατά τη γέννηση του σύμπαντος. Αυτά προφανώς θα έδιναν πιο περίπλοκες διαμορφώσεις αντικειμένων στον ουρανό σήμερα:τριγωνικές διατάξεις γαλαξιών, μαζί με τετράπλευρα, πεντάγωνα και άλλα σχήματα. Τα τηλεσκόπια δεν έχουν εντοπίσει ακόμη αυτές τις στατιστικά λεπτές συσχετίσεις «υψηλού σημείου», αλλά η εύρεση τους θα βοηθούσε τους φυσικούς να κατανοήσουν καλύτερα τις πρώτες στιγμές μετά τη Μεγάλη Έκρηξη.

Ωστόσο, οι θεωρητικοί θεωρούσαν ότι ήταν δύσκολο ακόμη και να υπολογίσουν πώς θα έμοιαζαν τα σήματα — μέχρι πρόσφατα. Τα τελευταία τέσσερα χρόνια, μια μικρή ομάδα ερευνητών προσέγγισε το ζήτημα με έναν νέο τρόπο. Διαπίστωσαν ότι η μορφή των συσχετισμών προκύπτει άμεσα από συμμετρίες και άλλες βαθιές μαθηματικές αρχές. Τα πιο σημαντικά ευρήματα μέχρι σήμερα αναφέρθηκαν λεπτομερώς σε μια εργασία του Arkani-Hamed και τριών συν-συγγραφέων που πήρε την τελική του μορφή αυτό το καλοκαίρι.

Οι φυσικοί χρησιμοποίησαν μια στρατηγική γνωστή ως bootstrap, ένας όρος που προέρχεται από τη φράση «πάρε τον εαυτό σου από τα δικά σου λουράκια μπότας» (αντί να σπρώχνεις από το έδαφος). Η προσέγγιση συνάγει τους νόμους της φύσης λαμβάνοντας υπόψη μόνο τη μαθηματική λογική και την αυτοσυνέπεια των ίδιων των νόμων, αντί να βασίζεται σε εμπειρικά στοιχεία. Χρησιμοποιώντας τη φιλοσοφία του bootstrap, οι ερευνητές άντλησαν και έλυσαν μια συνοπτική μαθηματική εξίσωση που υπαγορεύει τα πιθανά μοτίβα συσχετισμών στον ουρανό που προκύπτουν από διαφορετικά αρχέγονα συστατικά.

«Έχουν βρει τρόπους να υπολογίζουν πράγματα που μοιάζουν εντελώς διαφορετικά από τις προσεγγίσεις των σχολικών βιβλίων», είπε ο Tom Hartman, θεωρητικός φυσικός στο Πανεπιστήμιο Cornell που έχει εφαρμόσει το bootstrap σε άλλα πλαίσια.

Η Eva Silverstein, μια θεωρητική φυσική στο Πανεπιστήμιο του Στάνφορντ που δεν συμμετείχε στην έρευνα, πρόσθεσε ότι η πρόσφατη εργασία του Arkani-Hamed και των συνεργατών του είναι «μια πραγματικά όμορφη συνεισφορά». Ίσως η πιο αξιοσημείωτη πτυχή του έργου, είπαν ο Silverstein και άλλοι, είναι αυτό που υπονοεί για τη φύση του χρόνου. Δεν υπάρχει μεταβλητή "χρόνος" πουθενά στη νέα εξίσωση bootstrapped. Ωστόσο, προβλέπει κοσμολογικά τρίγωνα, ορθογώνια και άλλα σχήματα όλων των μεγεθών που λένε μια λογική ιστορία κβαντικών σωματιδίων που προκύπτουν και εξελίσσονται στην αρχή του χρόνου.

Αυτό υποδηλώνει ότι η χρονική εκδοχή της ιστορίας της κοσμολογικής προέλευσης μπορεί να είναι μια ψευδαίσθηση. Ο χρόνος μπορεί να θεωρηθεί ως μια «αναδυόμενη» διάσταση, ένα είδος ολογράμματος που πηγάζει από τους χωρικούς συσχετισμούς του σύμπαντος, οι οποίοι φαίνεται να προέρχονται από βασικές συμμετρίες. Εν ολίγοις, η προσέγγιση έχει τη δυνατότητα να εξηγήσει γιατί ξεκίνησε ο χρόνος και γιατί μπορεί να τελειώσει. Όπως το έθεσε ο Arkani-Hamed, "Αυτό που κάνουμε bootstrapping είναι ο ίδιος ο χρόνος."

Χάρτης της έναρξης του χρόνου

Το 1980, ο κοσμολόγος Άλαν Γκουτ, στοχαζόμενος μια σειρά από κοσμολογικά χαρακτηριστικά, υπέθεσε ότι η Μεγάλη Έκρηξη ξεκίνησε με μια ξαφνική έκρηξη εκθετικής επέκτασης, γνωστή ως «κοσμικός πληθωρισμός». Δύο χρόνια αργότερα, πολλοί από τους κορυφαίους κοσμολόγους του κόσμου συγκεντρώθηκαν στο Κέιμπριτζ της Αγγλίας, για να ξεκαθαρίσουν τις λεπτομέρειες της νέας θεωρίας. Κατά τη διάρκεια του εργαστηρίου του Nuffield, διάρκειας τριών εβδομάδων, μια ομάδα που περιλάμβανε τους Guth, Stephen Hawking και Martin Rees, τον μελλοντικό Βασιλικό αστρονόμο, συγκέντρωσε τις επιπτώσεις μιας σύντομης πληθωριστικής περιόδου στην αρχή του χρόνου. Μέχρι το τέλος του εργαστηρίου, αρκετοί συμμετέχοντες είχαν υπολογίσει χωριστά ότι το κβαντικό jitter κατά τη διάρκεια του κοσμικού πληθωρισμού θα μπορούσε πράγματι να είχε συμβεί με τον σωστό ρυθμό και να εξελιχθεί με τον σωστό τρόπο για να δώσει τις παρατηρούμενες διακυμάνσεις της πυκνότητας του σύμπαντος.

Για να καταλάβετε πώς, φανταστείτε το υποθετικό ενεργειακό πεδίο που οδήγησε τον κοσμικό πληθωρισμό, γνωστό ως «πεδίο inflaton». Καθώς αυτό το πεδίο ενέργειας τροφοδοτούσε την εκθετική διαστολή του διαστήματος, ζεύγη σωματιδίων θα είχαν προκύψει αυθόρμητα στο πεδίο. (Αυτά τα κβαντικά σωματίδια μπορούν επίσης να θεωρηθούν ως κυματισμοί στο κβαντικό πεδίο.) Τέτοια ζεύγη εμφανίζονται σε κβαντικά πεδία όλη την ώρα, δανείζοντας στιγμιαία ενέργεια από το πεδίο όπως επιτρέπεται από την αρχή της αβεβαιότητας του Heisenberg. Κανονικά, οι κυματισμοί εξαφανίζονται γρήγορα και εξαφανίζονται, επιστρέφοντας την ενέργεια. Αλλά αυτό δεν θα μπορούσε να συμβεί κατά τη διάρκεια του πληθωρισμού. Καθώς ο χώρος φούσκωνε, οι κυματισμοί τεντώθηκαν σαν ταφί και αποσπάστηκαν, και έτσι «παγώθηκαν» στο χωράφι σαν δίδυμες κορυφές στην πυκνότητά του. Καθώς η διαδικασία συνεχιζόταν, οι κορυφές σχημάτισαν ένα ένθετο σχέδιο σε όλες τις κλίμακες.

Μετά το τέλος του πληθωρισμού (κλάσμα του δευτερολέπτου μετά την έναρξή του), οι διακυμάνσεις της χωρικής πυκνότητας παρέμειναν. Μελέτες του αρχαίου φωτός που ονομάζεται κοσμικό υπόβαθρο μικροκυμάτων έχουν βρει ότι το βρεφικό σύμπαν ήταν γεμάτο με διαφορές πυκνότητας περίπου ενός μέρους στις 10.000 - όχι πολύ, αλλά αρκετά. Κατά τη διάρκεια σχεδόν 13,8 δισεκατομμυρίων ετών από τότε, η βαρύτητα έχει αυξήσει την αντίθεση τραβώντας την ύλη προς τα πυκνά σημεία:Τώρα, γαλαξίες όπως ο Γαλαξίας και η Ανδρομέδα είναι 1 εκατομμύριο φορές πυκνότεροι από τον κοσμικό μέσο όρο. Όπως έγραψε ο Guth στα απομνημονεύματά του (αναφερόμενος σε μια γιγάντια λωρίδα γαλαξιών και όχι στον τοίχο στην Κίνα), "Η ίδια αρχή της αβεβαιότητας του Heisenberg που διέπει τη συμπεριφορά των ηλεκτρονίων και των κουάρκ μπορεί επίσης να είναι υπεύθυνη για την Ανδρομέδα και το Σινικό Τείχος!"

Στη συνέχεια, στις δεκαετίες του 1980 και του 1990, οι κοσμολόγοι άρχισαν να αναρωτιούνται ποια άλλα πεδία ή επιπλέον μηχανισμοί ή συστατικά μπορεί να υπήρχαν κατά τη διάρκεια του κοσμικού πληθωρισμού εκτός από το πεδίο φουσκώματος, και πώς αυτά θα μπορούσαν να αλλάξουν το μοτίβο. Οι άνθρωποι ήξεραν ότι το πεδίο φουσκώματος πρέπει τουλάχιστον να έχει αλληλεπιδράσει με το βαρυτικό πεδίο. Δεδομένου ότι τα πεδία τείνουν να χύνονται μεταξύ τους κβαντικά μηχανικά, όταν ένα ζεύγος σωματιδίων υλοποιήθηκε στο πεδίο φουσκώματος και παρασύρθηκε από την κοσμική διαστολή, περιστασιακά ένα από τα ζεύγος θα έπρεπε να έχει μεταμορφωθεί αυθόρμητα σε δύο σωματίδια βαρυτονίου - διεγέρσεις του βαρυτικού πεδίου. Αυτό το ζεύγος, και το σωματίδιο inflaton που παρέμεινε, θα συνέχιζαν να διαχωρίζονται, παγώνοντας στο διάστημα και δημιουργώντας μια τριγωνική διάταξη συγκεντρώσεων ενέργειας. Εν τω μεταξύ, εάν ένα ζεύγος αρχέγονων σωματιδίων διακυμάνθηκε στην ύπαρξη και στη συνέχεια κάθε σωματίδιο διασπωνόταν σε δύο άλλα σωματίδια, αυτό θα έδινε αργότερα μια συσχέτιση τεσσάρων σημείων.

Όμως, ενώ τα τηλεσκόπια βλέπουν τις συσχετίσεις δύο σημείων πολύ καθαρά, οι συσχετίσεις τριών και υψηλότερων σημείων αναμένεται να είναι πιο σπάνιες, και επομένως πιο δύσκολο να εντοπιστούν. Αυτά τα σήματα έχουν μείνει μέχρι στιγμής θαμμένα στο θόρυβο, αν και πολλά ισχυρά τηλεσκόπια που θα έρθουν στο διαδίκτυο την επόμενη δεκαετία έχουν την ευκαιρία να τα πειράξουν.

Οι κυνηγοί απολιθωμάτων της Cosmology αναζητούν τα σήματα παίρνοντας έναν χάρτη του σύμπαντος και μετακινώντας ένα πρότυπο σε σχήμα τριγώνου παντού. Για κάθε θέση και προσανατολισμό του προτύπου, μετρούν την πυκνότητα του σύμπαντος στις τρεις γωνίες και πολλαπλασιάζουν τους αριθμούς μαζί. Εάν η απάντηση διαφέρει από τη μέση κοσμική πυκνότητα σε κύβους, αυτή είναι μια συσχέτιση τριών σημείων. Αφού μετρήσουν την ισχύ των συσχετισμών τριών σημείων για το συγκεκριμένο πρότυπο σε ολόκληρο τον ουρανό, στη συνέχεια επαναλαμβάνουν τη διαδικασία με τρίγωνα πρότυπα άλλων μεγεθών και σχετικών πλευρών, και με τετράπλευρα πρότυπα κ.ο.κ. Η διακύμανση της ισχύος των κοσμολογικών συσχετισμών ως συνάρτηση των διαφορετικών σχημάτων και μεγεθών ονομάζεται «συνάρτηση συσχέτισης» και κωδικοποιεί πλούσιες πληροφορίες σχετικά με τη δυναμική των σωματιδίων κατά τη γέννηση του σύμπαντος.

Αυτή είναι η ιδέα πάντως. Έγιναν προσπάθειες να προσεγγιστεί η μορφή της συνάρτησης συσχέτισης τριών σημείων, αλλά η προσπάθεια να υπολογιστεί πραγματικά η δυναμική των αρχέγονων σωματιδίων που αλληλεπιδρούν σε ένα φόντο εκθετικά διαστελλόμενου χώρου ήταν περίπου τόσο δύσκολη όσο ακούγεται.

Στη συνέχεια, το 2002, ο Juan Maldacena, ένας θεωρητικός φυσικός στο Ινστιτούτο Προηγμένων Μελετών, υπολόγισε με επιτυχία τα μοτίβα των συσχετισμών τριών σημείων που προκύπτουν από τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ inflatons και gravitons. Ο υπολογισμός του Maldacena ξεκίνησε μια βιομηχανία, καθώς οι ερευνητές εφάρμοσαν τις τεχνικές του για να επεξεργαστούν τις υπογραφές υψηλότερου σημείου άλλων πληθωριστικών μοντέλων, που θέτουν πρόσθετα πεδία και συναφή σωματίδια πέρα ​​από τα φλατόνια και τα γκραβιτόνια.

Αλλά η μέθοδος ωμής δύναμης του Maldacena για τον υπολογισμό της δυναμικής των αρχέγονων σωματιδίων ήταν σκληρή και εννοιολογικά αδιαφανής. "Ας το θέσω έτσι:Είναι αρκετά περίπλοκο", δήλωσε ο Gui Pimentel, φυσικός στο Πανεπιστήμιο του Άμστερνταμ και συν-συγγραφέας του νέου κοσμολογικού χαρτιού bootstrap.

Απλή συμμετρία

Τον Μάρτιο του 2014, επιστήμονες με το τηλεσκόπιο BICEP2 ανακοίνωσαν ότι είχαν εντοπίσει στροβιλισμούς στον ουρανό που αποτυπώθηκαν από ζεύγη γκραβιτόνια κατά τη διάρκεια του κοσμικού πληθωρισμού. Το μοτίβο στροβιλισμού προσδιορίστηκε γρήγορα ότι προέρχεται από γαλαξιακή σκόνη και όχι από γεγονότα από την αυγή του χρόνου, αλλά κατά τη διάρκεια της καταστροφής πολλοί φυσικοί, συμπεριλαμβανομένων των Arkani-Hamed και Maldacena, άρχισαν να σκέφτονται εκ νέου τον πληθωρισμό.

Συνδυάζοντας την τεχνογνωσία τους, οι δύο φυσικοί συνειδητοποίησαν ότι μπορούσαν να αντιμετωπίσουν τον κοσμικό πληθωρισμό σαν έναν υπερισχυρό επιταχυντή σωματιδίων. Η ενέργεια του πεδίου φουσκώματος θα είχε τροφοδοτήσει την άφθονη παραγωγή ζευγών σωματιδίων, των οποίων οι αλληλεπιδράσεις και η αποσύνθεση θα έδιναν συσχετισμούς υψηλότερου σημείου, παρόμοιους με τους καταρράκτες σωματιδίων που πετούν έξω από τις συγκρούσεις στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων της Ευρώπης.

Συνήθως, αυτή η αναπλαισίωση δεν θα βοηθούσε. Οι αλληλεπιδράσεις σωματιδίων μπορούν να προχωρήσουν με αμέτρητους τρόπους και η τυπική μέθοδος για την πρόβλεψη των πιο πιθανών αποτελεσμάτων - ουσιαστικά, λαμβάνοντας ένα σταθμισμένο άθροισμα όσες πιθανές αλυσίδες γεγονότων μπορείτε να γράψετε - είναι ένα slog. Αλλά οι φυσικοί των σωματιδίων είχαν πρόσφατα βρει συντομεύσεις χρησιμοποιώντας το bootstrap. Αξιοποιώντας συμμετρίες, λογικές αρχές και συνθήκες συνέπειας, μπορούσαν συχνά να προσδιορίσουν την τελική απάντηση χωρίς ποτέ να επεξεργαστούν την περίπλοκη δυναμική των σωματιδίων. Τα αποτελέσματα άφησαν να εννοηθεί ότι η συνηθισμένη εικόνα της σωματιδιακής φυσικής, στην οποία τα σωματίδια κινούνται και αλληλεπιδρούν στο χώρο και το χρόνο, μπορεί να μην είναι η βαθύτερη περιγραφή του τι συμβαίνει. Μια σημαντική ένδειξη ήρθε το 2013, όταν ο Arkani-Hamed και ο μαθητής του Jaroslav Trnka ανακάλυψαν ότι τα αποτελέσματα ορισμένων συγκρούσεων σωματιδίων προέρχονται πολύ απλά από τον όγκο ενός γεωμετρικού σχήματος που ονομάζεται αμπλιτούεδρο.

Έχοντας αυτές τις ανακαλύψεις κατά νου, οι Arkani-Hamed και Maldacena υποψιάστηκαν ότι θα μπορούσαν να καταλήξουν σε μια απλούστερη κατανόηση της δυναμικής κατά τη διάρκεια του κοσμικού πληθωρισμού. Χρησιμοποίησαν το γεγονός ότι, σύμφωνα με την πληθωριστική κοσμολογία, το εκθετικά διαστελλόμενο σύμπαν είχε σχεδόν ακριβώς τη γεωμετρία του «χώρου de Sitter», ενός χώρου που μοιάζει με σφαίρα που έχει 10 συμμετρίες ή τρόπους με τους οποίους μπορεί να μετασχηματιστεί και να παραμείνει ο ίδιος. Μερικές από αυτές τις συμμετρίες είναι γνωστές και εξακολουθούν να ισχύουν σήμερα, όπως το γεγονός ότι μπορείτε να κινηθείτε ή να στρίψετε προς οποιαδήποτε κατεύθυνση και οι νόμοι της φυσικής παραμένουν οι ίδιοι. Ο χώρος De Sitter σέβεται επίσης τη συμμετρία διαστολής:Όταν κάνετε μεγέθυνση ή σμίκρυνση, όλα τα φυσικά μεγέθη παραμένουν ίδια ή το πολύ επανακλιμακώνονται κατά σταθερό αριθμό. Τέλος, ο χώρος de Sitter είναι συμμετρικός υπό τους «ειδικούς συμμορφικούς μετασχηματισμούς»:Όταν αντιστρέφετε όλες τις χωρικές συντεταγμένες, μετατοπίζετε τις συντεταγμένες με μια μετάφραση και μετά τις αναστρέφετε ξανά, δεν αλλάζει τίποτα.

Το δίδυμο διαπίστωσε ότι αυτές οι 10 συμμετρίες ενός διογκούμενου σύμπαντος περιορίζουν αυστηρά τους κοσμολογικούς συσχετισμούς που μπορεί να παράγει ο πληθωρισμός. Ενώ στη συνήθη προσέγγιση, θα ξεκινούσατε με μια περιγραφή των inflatons και άλλων σωματιδίων που μπορεί να υπήρχαν. Προσδιορίστε πώς μπορούν να κινηθούν, να αλληλεπιδράσουν και να μεταμορφωθούν το ένα στο άλλο. και προσπαθώντας να επεξεργαστούν το χωρικό μοτίβο που θα μπορούσε να έχει παγώσει στο σύμπαν ως αποτέλεσμα, οι Arkani-Hamed και Maldacena μετέφρασαν τις 10 συμμετρίες του χώρου de Sitter σε μια συνοπτική διαφορική εξίσωση που υπαγορεύει την τελική απάντηση. Σε μια εργασία του 2015, έλυσαν την εξίσωση στο "συμπιεσμένο όριο" πολύ στενών τριγώνων και τετραπλευρών, αλλά δεν μπόρεσαν να την λύσουν πλήρως.

Ο Daniel Baumann και ο Hayden Lee, τότε καθηγητής και μεταπτυχιακός φοιτητής, αντίστοιχα, στο Πανεπιστήμιο του Cambridge, και ο Pimentel στο Άμστερνταμ είδαν σύντομα πώς να επεκτείνουν τη λύση του Arkani-Hamed και του Maldacena σε συναρτήσεις συσχέτισης τριών και τεσσάρων σημείων για μια σειρά πιθανών αρχέγονων πεδίων και τα σχετικά σωματίδια. Ο Arkani-Hamed δημιούργησε μια συνεργασία με τους νεαρούς φυσικούς και οι τέσσερις από αυτούς ξεπέρασαν τα μαθηματικά.

Βρήκαν ότι μια συγκεκριμένη συνάρτηση συσχέτισης τεσσάρων σημείων είναι το κλειδί, επειδή μόλις είχαν λύσει τη διαφορική εξίσωση που υπαγορεύει αυτή τη συνάρτηση, θα μπορούσαν να εκκινήσουν όλες τις άλλες. «Βασικά έδειξαν ότι οι συμμετρίες, με λίγες επιπλέον απαιτήσεις, είναι αρκετά ισχυρές για να σας πουν την πλήρη απάντηση», είπε ο Xingang Chen, κοσμολόγος στο Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ, του οποίου οι υπολογισμοί για τους υψηλότερους συσχετισμούς βοήθησαν να εμπνεύσουν τον Arkani-Hamed και τον Maldacena το 2015. εργασία.

Μια προειδοποίηση είναι ότι η εξίσωση bootstrapped προϋποθέτει ασθενείς αλληλεπιδράσεις μεταξύ αρχέγονων πεδίων, ενώ ορισμένα μοντέλα πληθωρισμού θέτουν ισχυρότερη δυναμική. Ο Arkani-Hamed και η παρέα του διερευνούν πώς να χαλαρώσουν την υπόθεση αδυναμίας. Ήδη, η εξίσωσή τους απλοποιεί πολλούς υπάρχοντες υπολογισμούς στη βιβλιογραφία. Για παράδειγμα, ο υπολογισμός του 2002 από τον Maldacena για την απλούστερη συνάρτηση συσχέτισης τριών σημείων, που γέμισε δεκάδες σελίδες, "καταρρέει σε λίγες γραμμές", είπε ο Pimentel.

Μέχρι στιγμής, οι υπολογισμοί αφορούσαν τα χωρικά πρότυπα που θα μπορούσαν να προκύψουν από τον κοσμικό πληθωρισμό. Οι εναλλακτικές θεωρίες για τη γέννηση του σύμπαντος αναμένεται να έχουν διαφορετικές υπογραφές υψηλότερου σημείου. Τα τελευταία πέντε χρόνια, έχει ανανεωθεί το ενδιαφέρον για την κοσμολογία αναπήδησης, η οποία αναδιατυπώνει το Big Bang ως Big Bounce από μια προηγούμενη εποχή. Η νέα προσέγγιση που βασίζεται στη συμμετρία μπορεί να είναι χρήσιμη για τη διάκριση μεταξύ των συσχετισμών υψηλότερου σημείου ενός σύμπαντος που διογκώθηκε και ενός σύμπαντος που αναπήδησε. «Ο μηχανισμός θα ήταν διαφορετικός. οι συμμετρίες είναι διαφορετικές», είπε ο Pimentel. "Θα είχαν ένα διαφορετικό μενού κοσμολογικών συσχετισμών."

Αυτοί είναι πρόσθετοι υπολογισμοί που πρέπει να γίνουν με τα νέα μαθηματικά εργαλεία. Αλλά οι ερευνητές συνεχίζουν επίσης να εξερευνούν τα ίδια τα μαθηματικά. Ο Arkani-Hamed υποπτεύεται ότι η εξίσωση που έβγαλαν ο ίδιος και οι συνεργάτες του μπορεί να σχετίζεται με ένα γεωμετρικό αντικείμενο, σύμφωνα με τις γραμμές του πλάτους, που κωδικοποιεί τους συσχετισμούς που παράγονται κατά τη γέννηση του σύμπαντος ακόμη πιο απλά και κομψά. Αυτό που φαίνεται ήδη ξεκάθαρο είναι ότι η νέα έκδοση της ιστορίας δεν θα περιλαμβάνει τη μεταβλητή που είναι γνωστή ως χρόνος.

Από πού έρχεται ο χρόνος

Το πλάτος όργανο αντιλήφθηκε εκ νέου τα συγκρουόμενα σωματίδια - φαινομενικά χρονικά γεγονότα - με όρους διαχρονικής γεωμετρίας. Όταν ανακαλύφθηκε το 2013, πολλοί φυσικοί είδαν έναν ακόμη λόγο να πιστεύουν ότι ο χρόνος πρέπει να είναι αναδυόμενος - μια μεταβλητή που αντιλαμβανόμαστε και που εμφανίζεται στη χονδροειδή περιγραφή της φύσης, αλλά που δεν είναι γραμμένη στους απόλυτους νόμους της πραγματικότητας.

Στην κορυφή της λίστας των λόγων για αυτό το προαίσθημα είναι το Big Bang.

Η Μεγάλη Έκρηξη ήταν όταν ξεπήδησε ο χρόνος όπως ξέρουμε. Η αληθινή κατανόηση αυτής της αρχικής στιγμής φαίνεται να απαιτεί μια χρονική προοπτική. "Αν υπάρχει κάτι που μας ζητά να καταλήξουμε σε κάτι που αντικαθιστά την έννοια του χρόνου, είναι αυτές οι ερωτήσεις σχετικά με την κοσμολογία", είπε ο Arkani-Hamed.

Έτσι, οι φυσικοί αναζητούν διαχρονικά μαθηματικά που δημιουργούν κάτι που μοιάζει με ένα σύμπαν που εξελίσσεται στο χρόνο. Η πρόσφατη έρευνα προσφέρει εικόνες για το πώς μπορεί να λειτουργήσει.

Οι φυσικοί ξεκινούν με τις 10 συμμετρίες του χώρου de Sitter. Για οποιοδήποτε δεδομένο σύνολο πληθωριστικών συστατικών, αυτές οι συμμετρίες δίνουν μια διαφορική εξίσωση. Οι λύσεις της εξίσωσης είναι οι συναρτήσεις συσχέτισης — μαθηματικές εκφράσεις που δηλώνουν πώς η ισχύς των συσχετισμών κάθε συγκεκριμένου σχήματος ποικίλλει σε συνάρτηση με το μέγεθος, τις εσωτερικές γωνίες και τα σχετικά μήκη πλευρών. Είναι σημαντικό ότι η επίλυση της εξίσωσης για να ληφθούν αυτές οι εκφράσεις απαιτεί την εξέταση των ιδιομορφιών της εξίσωσης:μαθηματικά παράλογους συνδυασμούς μεταβλητών που ισοδυναμούν με διαίρεση με το μηδέν.

Η εξίσωση τυπικά γίνεται ενική, για παράδειγμα, στο όριο όπου δύο γειτονικές πλευρές ενός τετράπλευρου διπλώνουν η μία προς την άλλη, έτσι ώστε το τετράπλευρο να πλησιάζει το σχήμα ενός τριγώνου. Ωστόσο, τα τρίγωνα (δηλαδή οι συσχετίσεις τριών σημείων) επιτρέπονται επίσης λύσεις στην εξίσωση. Έτσι, οι ερευνητές απαιτούν το «διπλωμένο όριο» της συνάρτησης συσχέτισης τεσσάρων σημείων να ταιριάζει με τη συνάρτηση συσχέτισης τριών σημείων σε αυτό το όριο. Αυτή η απαίτηση επιλέγει μια συγκεκριμένη λύση ως τη σωστή συνάρτηση συσχέτισης τεσσάρων σημείων.

Αυτή η συνάρτηση συμβαίνει να ταλαντώνεται. Στην πράξη, αυτό σημαίνει ότι όταν οι κοσμολόγοι κρατούν ένα τετράπλευρο πρότυπο μέχρι τον ουρανό και αναζητούν πλεονάσματα ύλης στις τέσσερις γωνίες και στη συνέχεια κάνουν το ίδιο με τα πρότυπα των σταδιακά στενότερων τετράπλευρων, θα πρέπει να δουν τη δύναμη των τεσσάρων που ανιχνεύονται -Το σήμα του σημείου πηγαίνει πάνω και κάτω.

Αυτή η ταλάντωση έχει μια χρονική ερμηνεία:Ζεύγη σωματιδίων που προέκυψαν στο πεδίο inflaton παρενέβησαν μεταξύ τους. Καθώς το έκαναν, η πιθανότητα αποσύνθεσής τους διέφερε ως συνάρτηση του χρόνου (και επομένως της απόστασης) μεταξύ τους. Αυτό τους οδήγησε να αποτυπώσουν ένα ταλαντευτικό μοτίβο συσχετισμών τεσσάρων σημείων στον ουρανό. «Δεδομένου ότι οι ταλαντώσεις είναι συνώνυμες με την εξέλιξη του χρόνου, αυτό για μένα ήταν η πιο ξεκάθαρη περίπτωση της εμφάνισης του χρόνου», είπε ο Baumann, ο οποίος είναι τώρα καθηγητής στο Πανεπιστήμιο του Άμστερνταμ.

Σε αυτό και σε πολλά άλλα παραδείγματα, η χρονική εξέλιξη φαίνεται να προέρχεται κατευθείαν από συμμετρίες και ιδιομορφίες.

Προς το παρόν, ωστόσο, η εξίσωση με bootstrapped παραμένει ένας μάλλον περίεργος συνδυασμός μαθηματικών και φυσικής. Τα μήκη των πλευρών στην εξίσωση έχουν μονάδες ορμής, για παράδειγμα — ένα φυσικό μέγεθος — και οι συναρτήσεις συσχέτισης συσχετίζουν φυσικά μεγέθη σε διαφορετικές θέσεις. Ο Arkani-Hamed αναζητά μια απλούστερη, πιο καθαρά γεωμετρική διατύπωση των μαθηματικών, η οποία, αν βρεθεί, θα μπορούσε να προσφέρει περαιτέρω γνώσεις σχετικά με την πιθανή εμφάνιση του χρόνου και τις αρχές που τη διέπουν. Για τις αλληλεπιδράσεις σωματιδίων που περιγράφονται από το πλάτος εδρών, για παράδειγμα, τα αισθητά αποτελέσματα είναι εγγυημένα από μια αρχή που ονομάζεται θετικότητα, η οποία ορίζει τον εσωτερικό όγκο του πλάτους. Η θετικότητα μπορεί επίσης να παίξει ρόλο στην κοσμολογική περίπτωση.

Ένας άλλος στόχος είναι να επεκταθεί η ιστορία από την αρχή του σύμπαντος μέχρι το τέλος του. Είναι ενδιαφέρον, αν συνεχιστούν οι τρέχουσες τάσεις, το σύμπαν θα φτάσει τελικά σε μια κατάσταση στην οποία θα αποκατασταθούν οι συμμετρίες 10 de Sitter. Η αποκατάσταση μπορεί να συμβεί σε τρισεκατομμύρια χρόνια από τώρα, όταν κάθε αντικείμενο μέχρι το μικρότερο σωματίδιο έχει επεκταθεί από αιτιακή επαφή με κάθε άλλο αντικείμενο, καθιστώντας το σύμπαν τόσο καλό όσο άδειο και απόλυτα συμμετρικό κάτω από μεταφράσεις, περιστροφές, διαστολές και ειδικούς σύμμορφους μετασχηματισμούς . Τι σχέση έχει αυτή η πιθανή τελική κατάσταση του de Sitter με την αρχή που μοιάζει με το de Sitter που τίθεται από τον πληθωρισμό, μένει να διερευνηθεί.

Θυμηθείτε ότι ένα διογκούμενο σύμπαν θα είχε σχεδόν, αλλά όχι ακριβώς, τη γεωμετρία του χώρου de Sitter. Στον τέλειο χώρο de Sitter, τίποτα δεν αλλάζει στο χρόνο. ολόκληρη η γεωμετρία που εκτείνεται προς τα έξω υπάρχει ταυτόχρονα. Το πεδίο inflaton έσπασε ασθενώς αυτή τη χρονική συμμετρία μειώνοντας αργά την ενέργεια με την πάροδο του χρόνου, ξεκινώντας την αλλαγή. Ο Baumann το βλέπει αυτό ως απαραίτητο για τη δημιουργία της κοσμολογίας. «Στην κοσμολογία εξ ορισμού θέλουμε κάτι που εξελίσσεται στο χρόνο», είπε. «Στον χώρο de Sitter, δεν υπάρχει εξέλιξη. Είναι ενδιαφέρον ότι ζούμε πολύ κοντά σε αυτό το σημείο». Συνέκρινε το αρχέγονο σύμπαν με ένα σύστημα όπως το νερό ή ένας μαγνήτης πολύ κοντά στο κρίσιμο σημείο όπου υφίσταται μια μετάβαση φάσης. «Ζούμε σε ένα πολύ ιδιαίτερο μέρος», είπε.

Διορθώθηκε στις 30 Οκτωβρίου 2019:Η αρχική έκδοση αυτής της ιστορίας όρισε μια συσχέτιση τριών σημείων με αναφορά στη μέση κοσμική πυκνότητα επί τρεις. Στην πραγματικότητα, ένας συσχετισμός τριών σημείων προκύπτει όταν το γινόμενο της πυκνότητας του σύμπαντος σε τρεις γωνίες ενός τριγώνου διαφέρει από τη μέση κοσμική πυκνότητα που έχει διαμορφωθεί σε κύβους.

Αυτό το άρθρο ανατυπώθηκε στις  Wired.com .