Gedurende zes maanden per jaar hebben de eeuwig donkere en door de wind geveegde vlaktes van de zuidelijke poolijskap een gemiddelde temperatuur van ongeveer 58 graden Fahrenheit onder nul. In de zomer, wanneer de zon terugkeert voor zijn zes maanden durende dag, wordt het ijzige terrein nauwelijks meer uitnodigend, met temperaturen die oplopen tot min 20 graden. Niet het soort plek dat de meesten van ons zouden kiezen om te bezoeken.
gerelateerde inhoud
- Bekijk het universum meer dan 13 miljard jaar evolueren
- De grote 'zwaartekrachtgolf' die gevonden kan worden, is eigenlijk gewoon wat stof geweest
- De wetenschap van het grote 'zwaartekrachtsgolf'-ding van maandag in twee minuten uitgelegd
- Een nieuwe kosmische ontdekking is misschien het dichtst bij het begin van de tijd
Maar als je een astronoom bent die op zoek is naar een verzameling fotonen die al sinds vlak na de oerknal op ons af komt, dan is het Dark Sector Laboratory van de Zuidpool de opera voor opera of het Yankee Stadium voor honkbal. Het is de beste plek om je vak te oefenen. Met de koudste en droogste lucht op aarde laat de atmosfeer fotonen vrijwel onbelemmerd reizen, waardoor de scherpste terrestrische ruimtebeelden ooit worden gemaakt.
Drie jaar lang trotseerde een team van astronomen onder leiding van Harvard-Smithsonian onderzoeker John Kovac de elementen om een gespierde telescoop die bekend staat als Bicep2 (een acroniem voor de minder eufone achtergrondafbeeldingen van kosmische extragalactische polarisatie) te richten op een plekje aan de zuidelijke hemel. In maart publiceerde het team de resultaten. Mochten de conclusies kloppen, dan openen ze een spectaculair nieuw venster op de vroegste momenten van het universum en behoren ze terecht tot de belangrijkste kosmologische bevindingen van de afgelopen eeuw.
Het is een verhaal waarvan de wortels kunnen worden teruggevoerd op vroege scheppingsverhalen die bedoeld zijn om de primaire drang om onze oorsprong te begrijpen te bevredigen. Maar ik zal later het verhaal oppakken - met de ontdekking van Albert Einstein van de algemene relativiteitstheorie, de wiskundige basis van ruimte, tijd en alle moderne kosmologische gedachten.
Het brandvlak van de Bicep2-telescoop, getoond onder een microscoop, werd ontwikkeld door het Jet Propulsion Laboratory van NASA. (Anthony Turner / JPL) 
Zwaartekrachtsgolven uitgerekt door inflatie genereren een vaag maar onderscheidend patroon, het B-modus signaal genoemd, vastgelegd door de Bicep2. (BICEP2) 
Tijdens het opblazen (links weergegeven) duwde een zwaartekracht naar buiten en strekte het universum zich in een kleine fractie van een seconde uit. (WMAP) De Bicep2-telescoop, getoond bij schemering, bereikte de eerste detectie van een voorspeld zwaartekrachtgolfpatroon, heeft zijn team aangekondigd. (Steffen Richter / Harvard University) Warped Space to the Big Bang
In de vroege jaren van de 20e eeuw herschreef Einstein de regels van ruimte en tijd met zijn speciale relativiteitstheorie. Tot die tijd hield vrijwel iedereen vast aan het Newtoniaanse perspectief - het intuïtieve perspectief - waarin ruimte en tijd een onveranderlijke arena bieden waarin evenementen plaatsvinden. Maar zoals Einstein het beschreef, brak in het voorjaar van 1905 een storm los in zijn gedachten, een stortbui van wiskundig inzicht die de universele arena van Newton wegvaagde. Einstein argumenteerde overtuigend dat er geen universele tijd is - klokken in beweging tikken langzamer - en er is geen universele ruimte - heersers in beweging zijn korter. De absolute en onveranderlijke arena maakte plaats voor een ruimte en tijd die vervormbaar en flexibel waren.
Afgezien van dit succes, ging Einstein vervolgens een nog steilere uitdaging aan. Ruim twee eeuwen lang had Newtons universele wet van de zwaartekracht indrukwekkend werk verricht in het voorspellen van de beweging van alles van planeten tot kometen. Toch was er een puzzel die Newton zelf formuleerde: hoe oefent de zwaartekracht zijn invloed uit? Hoe beïnvloedt de zon de aarde over ongeveer 93 miljoen mijl in wezen lege ruimte? Newton had een gebruikershandleiding verstrekt waarmee de wiskundig deskundige het effect van de zwaartekracht kon berekenen, maar hij was niet in staat de motorkap open te gooien en te onthullen hoe zwaartekracht doet wat het doet.
Op zoek naar het antwoord was Einstein bezig met een obsessieve, slopende odyssee die tien jaar duurde door mysterieuze wiskunde en creatieve vluchten van fysieke fantasie. Tegen 1915 flitste zijn genialiteit door de laatste vergelijkingen van de algemene relativiteitstheorie en onthulde hij eindelijk het mechanisme dat ten grondslag ligt aan de zwaartekracht.
Het antwoord? Ruimte en tijd. Reeds los van hun Newtoniaanse onderbouwing door speciale relativiteit, kwamen ruimte en tijd volledig tot leven in algemene relativiteit. Einstein liet zien dat, net zoals een kromgetrokken houten vloer een rollend marmer een duwtje kan geven, ruimte en tijd zelf kunnen kromtrekken en aardse en hemelse lichamen kunnen stuwen om de banen te volgen die lang zijn toegeschreven aan de invloed van de zwaartekracht.
Hoe abstract de formulering ook was, algemene relativiteitstheorie maakte definitieve voorspellingen, waarvan sommige snel werden bevestigd door astronomische waarnemingen. Dit inspireerde wiskundig georiënteerde denkers over de hele wereld om de gedetailleerde implicaties van de theorie te verkennen. Het was het werk van een Belgische priester, Georges Lemaître, die ook een doctoraat in de natuurkunde behaalde, die het verhaal dat we volgen naar voren bracht. In 1927 paste Lemaître de vergelijkingen van Einstein van algemene relativiteitstheorie niet toe op objecten in het universum, zoals sterren en zwarte gaten, maar op het hele universum zelf. Het resultaat sloeg Lemaître terug op zijn hielen. De wiskunde toonde aan dat het universum niet statisch kon zijn: de structuur van de ruimte rekte zich uit of samentrok, wat betekende dat het universum in omvang groeide of kleiner werd.
Toen Lemaître Einstein attendeerde op wat hij had gevonden, spotte Einstein. Hij vond dat Lemaître de wiskunde te ver duwde. Einstein was zo zeker dat het universum als geheel eeuwig en onveranderlijk was, dat hij niet alleen wiskundige analyses verwierp die het tegendeel bevestigden, hij een bescheiden wijziging in zijn vergelijkingen invoerde om te verzekeren dat de wiskunde zijn vooroordeel zou herbergen.
En vooroordeel was het. In 1929 onthulden de astronomische waarnemingen van Edwin Hubble, met behulp van de krachtige telescoop op Mount Wilson Observatory, dat verre sterrenstelsels allemaal wegrennen. Het universum breidt zich uit. Einstein gaf zichzelf een eufemistische klap in het voorhoofd, een berisping voor het niet vertrouwen in resultaten die uit zijn eigen vergelijkingen kwamen, en bracht zijn denken - en zijn vergelijkingen - in overeenstemming met de gegevens.
Geweldige vooruitgang natuurlijk. Maar nieuwe inzichten leveren nieuwe puzzels op.
Zoals Lemaître had opgemerkt, als de ruimte zich nu uitbreidt, concluderen we door de kosmische film in omgekeerde richting te wikkelen dat het waarneembare universum steeds verder kleiner, dichter en heter werd in de tijd. De ogenschijnlijk onvermijdelijke conclusie is dat het universum dat we zien voortkwam uit een fenomenaal klein stipje dat uitbarstte en ruimte naar buiten liet zwellen - wat we nu de oerknal noemen.
Maar als het waar is, wat stuurde ruimte dan op En hoe kan zo'n bizar voorstel worden getest?
De inflatoire theorie
Als het universum tevoorschijn kwam uit een zinderend heet en intens dicht oeratoom, zoals Lemaître het noemde, dan had de ruimte, toen de ruimte opzwol, moeten zijn afgekoeld. Berekeningen uitgevoerd aan de George Washington University in de jaren 1940, en later in Princeton in de jaren 1960, toonden aan dat de restwarmte van de Big Bang zich zou manifesteren als een bad van fotonen (lichtdeeltjes) die de ruimte uniform vullen. De temperatuur van de fotonen zou nu tot slechts 2, 7 graden boven het absolute nulpunt zijn gedaald, waardoor hun golflengte in het microgolfgedeelte van het spectrum is geplaatst - dit verklaart waarom dit mogelijke relikwie van de oerknal de kosmische microgolfachtergrondstraling wordt genoemd.
In 1964 waren twee wetenschappers van Bell Labs, Arno Penzias en Robert Wilson, ten einde raad, gefrustreerd door een grote op de grond gebaseerde antenne ontworpen voor satellietcommunicatie. Ongeacht waar ze de antenne richtten, kwamen ze de nachtmerrie van de audiofiel tegen: een onophoudelijk gesis. Maandenlang zochten ze maar konden de bron niet vinden. Vervolgens vingen Penzias en Wilson lucht van de kosmologische berekeningen die in Princeton werden uitgevoerd, wat suggereert dat er een stralingsvulruimte op laag niveau moet zijn. De onophoudelijke gesis, beseften de onderzoekers, was het gevolg van de fotonen van de Big Bang die de ontvanger van de antenne kietelden. De ontdekking leverde Penzias en Wilson de Nobelprijs van 1978 op.
De bekendheid van de Big Bang-theorie schoot omhoog en dwong wetenschappers om de theorie uit elkaar te wrikken, op zoek naar onverwachte implicaties en mogelijke zwakke punten. Een aantal belangrijke kwesties werd aan het licht gebracht, maar de belangrijkste was ook de belangrijkste
basic.
De oerknal wordt vaak beschreven als de moderne wetenschappelijke theorie van de schepping, het wiskundige antwoord op Genesis. Maar dit begrip verhult een essentiële misvatting: de Big Bang-theorie vertelt ons niet hoe het universum begon . Het vertelt ons hoe het universum evolueerde en begon met een kleine fractie van een seconde nadat het allemaal begon. Terwijl de teruggespoelde kosmische film het eerste frame nadert, breekt de wiskunde af en wordt de lens gesloten op het moment dat de creatie op het punt staat het scherm te vullen. En dus, als het gaat om het verklaren van de knal zelf - de primordiale duw die het universum halsstarrig op zijn expansieve koers moet hebben gezet - is de Big Bang-theorie stil.
Het zou aan een jonge postdoctorale collega op de natuurkunde-afdeling van Stanford University, Alan Guth, vallen om de cruciale stap te zetten in de richting van het opvullen van die lacune. Guth en zijn medewerker Henry Tye van Cornell University probeerden te begrijpen hoe bepaalde hypothetische deeltjes, monopolen genaamd, op de vroegste momenten van het universum zouden kunnen worden geproduceerd. Maar tot diep in de nacht van 6 december 1979 rekende Guth het werk in een andere richting. Hij realiseerde zich dat de vergelijkingen niet alleen aantoonden dat de algemene relativiteitstheorie een essentiële leemte in de Newtoniaanse zwaartekracht - het mechanisme van de zwaartekracht - verstopte, ook onthulde dat zwaartekracht zich op onverwachte manieren kon gedragen. Volgens Newton (en dagelijkse ervaring) is zwaartekracht een aantrekkelijke kracht die het ene object naar het andere trekt. De vergelijkingen toonden aan dat in Einsteins formule de zwaartekracht ook afstotelijk kon zijn.
De zwaartekracht van vertrouwde objecten, zoals de zon, aarde en maan, is zeker aantrekkelijk. Maar de wiskunde toonde aan dat een andere bron, niet een massa materie maar in plaats daarvan energie belichaamd in een veld dat een regio uniform vult, een zwaartekracht zou genereren die naar buiten zou duwen. En woest. Een gebied dat slechts een miljardste van een miljardste miljardste centimeter breed is, gevuld met het juiste energieveld - het inflatonveld genoemd - zou uit elkaar worden getrokken door de krachtige afstotende zwaartekracht, die mogelijk in een fractie zo groot kan worden als het waarneembare universum van een seconde.
En dat zou terecht een knal worden genoemd. Een oerknal.
Met daaropvolgende verfijningen van Guth's initiële implementatie van afstotende zwaartekracht door wetenschappers, waaronder Andrei Linde, Paul Steinhardt en Andreas Albrecht, was de inflatoire theorie van de kosmologie geboren. Een geloofwaardig voorstel voor wat de uiterlijke zwelling van de ruimte aanwakkerde, lag eindelijk op de tafel van de theoretici. Maar klopt het?
Inflatie testen
Bij de eerste blos lijkt het misschien een dwaas om bevestiging te zoeken voor een theorie die ogenschijnlijk een kleine fractie van een seconde werkte, bijna 14 miljard jaar geleden. Natuurlijk, het universum breidt zich nu uit, dus iets heeft het in de eerste plaats in gang gezet. Maar is het zelfs denkbaar om te verifiëren dat het werd aangewakkerd door een krachtige maar korte flits van afstotende zwaartekracht?
Het is. En de aanpak maakt opnieuw gebruik van de microgolfachtergrondstraling.
Om een idee te krijgen van hoe, stel je voor dat je een klein berichtje schrijft, te klein voor iedereen om te lezen, op het oppervlak van een leeggelopen ballon. Blaas vervolgens de ballon op. Terwijl het zich uitstrekt, wordt uw bericht ook uitgerekt en zichtbaar. Evenzo, als de ruimte een dramatisch inflatoir uitrekking zou ervaren, dan zouden kleine fysieke indrukken die tijdens de vroegste momenten van het universum waren vastgelegd, aan de hemel worden uitgerekt, waardoor ze mogelijk ook zichtbaar zouden worden.
Is er een proces dat een kleine boodschap in het vroege universum zou hebben geprint? De kwantumfysica antwoordt met een volmondig ja. Het komt neer op het onzekerheidsprincipe, naar voren gebracht door Werner Heisenberg in 1927. Heisenberg toonde aan dat de microwereld onderhevig is aan onvermijdelijke "kwantumstralen" die het onmogelijk maken om tegelijkertijd bepaalde kenmerken te specificeren, zoals zowel de positie als de snelheid van een deeltje. Voor velden die ruimte in beslag nemen, laat het onzekerheidsprincipe zien dat de sterkte van een veld ook onderhevig is aan kwantumtrillingen, waardoor de waarde op elke locatie op en neer beweegt.
Tientallen jaren van experimenten op de microrealm hebben geverifieerd dat de kwantumtrillingen echt en alomtegenwoordig zijn; ze zijn alleen onbekend omdat de fluctuaties te klein zijn om direct in het dagelijks leven te worden waargenomen. Dat is waar het opblazen van de ruimte tot zijn recht komt.
Net als bij uw bericht over de zich uitbreidende ballon, als het universum de enorme expansie zou ondergaan die wordt voorgesteld door de inflatoire theorie, dan zouden de kleine kwantumtrillingen in het inflatonveld - vergeet niet, dat is het veld dat verantwoordelijk is voor afstotende zwaartekracht - in de macrowwereld worden uitgerekt. Dit zou ertoe leiden dat de energie van het veld op sommige locaties een tikje groter is en op andere een beetje kleiner.
Op hun beurt zouden deze variaties in energie een effect hebben op de achtergrondstraling van de kosmische magnetron, waardoor de temperatuur op sommige locaties iets hoger en op andere iets lager wordt. Wiskundige berekeningen laten zien dat de temperatuurvariaties klein zouden zijn - ongeveer 1 deel op 100.000. Maar - en dit is de sleutel - zouden de temperatuurvariaties een specifiek statistisch patroon aan de hemel vullen.
Vanaf de jaren negentig heeft een reeks steeds verfijndere observatie-ondernemingen - grond-, ballon- en ruimtetelescopen - naar deze temperatuurvariaties gezocht. En ze gevonden. Er is inderdaad een adembenemende overeenkomst tussen de theoretische voorspellingen en de observatiegegevens.
En daarmee zou je kunnen denken dat de inflatoire aanpak was bevestigd. Maar als gemeenschap zijn natuurkundigen ongeveer een sceptische groep als je ooit zult tegenkomen. In de loop der jaren hebben sommigen alternatieve verklaringen voor de gegevens voorgesteld, terwijl anderen verschillende technische uitdagingen voor de inflatoire aanpak zelf hebben opgeworpen. Inflatie bleef veruit de leidende kosmologische theorie, maar velen vonden dat het rokende pistool nog moest worden gevonden.
Tot nu.
Rimpelingen in de stof van de ruimte
Net zoals velden in de ruimte onderhevig zijn aan kwantumstralen, zorgt kwantumonzekerheid ervoor dat de ruimte zelf ook onderhevig is aan kwantumstralen. Wat betekent dat de ruimte moet golven als het oppervlak van een kokende pot water. Dit is onbekend om dezelfde reden dat een granieten tafelblad glad lijkt, hoewel het oppervlak is bezaaid met microscopische onvolkomenheden - de golvingen gebeuren op buitengewoon kleine schalen. Maar nogmaals, omdat inflatoire expansie kwantumkenmerken in de macrorealm rekt, voorspelt de theorie dat de kleine golvingen in veel langere rimpelingen in het ruimtelijke weefsel ontspruiten. Hoe zouden we deze rimpelingen, of oerzwaartekrachtgolven, detecteren zoals ze beter worden genoemd? Voor de derde keer is het alomtegenwoordige overblijfsel van de Big Bang, de kosmische microgolfachtergrondstraling, het ticket.
Berekeningen laten zien dat zwaartekrachtsgolven een kronkelend patroon op de achtergrondstraling zouden drukken, een iconische vingerafdruk van inflatoire expansie. (Meer precies, de achtergrondstraling komt voort uit oscillaties in het elektromagnetische veld; de richting van deze oscillaties, bekend als de polarisatie, wordt verdraaid door zwaartekrachtgolven.) De detectie van dergelijke wervelingen in de achtergrondstraling is al lang vereerd als de gouden standaard voor het vaststellen van de inflatoire theorie, het lang gezochte rokende pistool.
Op 12 maart stuurde een persbericht dat een 'grote ontdekking' beloofde, uitgegeven door het Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, Noord-Amerikaanse grondcontrole voor de Bicep2-missie, ademloze geruchten door de wereldwijde natuurkundegemeenschap. Misschien waren de wervelingen gevonden? Op de persconferentie op 17 maart werden de geruchten bevestigd. Na meer dan een jaar van zorgvuldige analyse van de gegevens, kondigde het Bicep2-team aan dat het de eerste detectie van het voorspelde zwaartekrachtgolfpatroon had bereikt.
Subtiele wervelingen in de gegevens verzameld op de Zuidpool getuigen van kwantumtrillingen van de ruimte, uitgerekt door inflatoire expansie, die door het vroege universum dreven.
Wat betekent het allemaal?
Het argument voor de inflatoire theorie is nu sterk gegroeid en heeft een eeuw van onrust in de kosmologie afgedekt. Nu weten we niet alleen dat het universum zich uitbreidt, hebben we niet alleen een geloofwaardig voorstel voor wat de uitbreiding heeft aangestoken, we detecteren de afdruk van kwantumprocessen die de ruimte kriebelden tijdens die vurige eerste fractie van een seconde.
Maar als ik een van die sceptische natuurkundigen ben, ook al is die ook prikkelbaar, wil ik afsluiten met enige context om over deze ontwikkelingen na te denken.
Het Bicep2-team heeft heroïsch werk verricht, maar voor volledig vertrouwen in de resultaten is bevestiging door onafhankelijke teams van onderzoekers vereist. We hoeven niet lang te wachten. Bicep2's concurrenten zijn ook bezig geweest met het achtervolgen van de magnetronwervelingen. Binnen een jaar, misschien minder, kunnen sommige van deze groepen hun bevindingen melden.
Wat zeker is, is dat de huidige en toekomstige missies steeds verfijndere gegevens zullen opleveren die de inflatoire aanpak zullen verscherpen. Houd er rekening mee dat inflatie een paradigma is, geen unieke theorie. Theoretici hebben nu het kernidee van de bang-als-afstotende zwaartekracht op honderden manieren geïmplementeerd (verschillende aantallen inflaton-velden, verschillende interacties tussen die velden enzovoort), waarbij elk algemeen iets andere voorspellingen oplevert. De Bicep2-gegevens hebben de levensvatbare modellen al aanzienlijk gewonnen en komende gegevens zullen het proces voortzetten.
Dit alles levert een buitengewone tijd op voor de inflatoire theorie. Maar er is een nog grotere les. Behalve de onwaarschijnlijke mogelijkheid dat met betere metingen de wervelingen verdwijnen, hebben we nu een nieuw observatievenster naar kwantumprocessen in het vroege universum. De Bicep2-gegevens laten zien dat deze processen plaatsvinden op afstandsschalen die meer dan een triljoen keer kleiner zijn dan die welke worden onderzocht door onze krachtigste deeltjesversneller, de Large Hadron Collider. Enkele jaren geleden heb ik samen met een groep onderzoekers een van de eerste stappen gezet om te berekenen hoe onze geavanceerde theorieën van de ultrakleine, zoals snaartheorie, kunnen worden getest met observaties van de microgolfachtergrondstraling. Nu, met deze ongekende sprong in de microrealm, kan ik me voorstellen dat meer verfijnde studies van dit soort de volgende fase inluiden in ons begrip van zwaartekracht, kwantummechanica en onze kosmische oorsprong.
Inflatie en het multiversum
Laat me ten slotte een probleem behandelen dat ik tot nu toe zorgvuldig heb vermeden, een probleem dat even wonderbaarlijk is als speculatief. Een mogelijk bijproduct van de inflatoire theorie is dat ons universum misschien niet het enige universum is.
In veel inflatoire modellen is het inflaton-veld zo efficiënt dat zelfs na het afstoten van onze Big Bang, het veld klaar staat om nog een big bang en nog een te voeden. Elke knal levert zijn eigen uitbreidende rijk op, waarbij ons universum wordt verbannen naar een van de vele. In feite is in deze modellen het inflatoire proces meestal eindeloos, het is eeuwig en levert het een onbeperkt aantal universums op die een groot kosmisch multiversum bevolken.
Nu het inflatoire paradigma zich ophoopt, is het verleidelijk om te concluderen dat het vertrouwen in het multiversum ook moet groeien. Hoewel ik begrip heb voor dat perspectief, is de situatie verre van eenduidig. Kwantumfluctuaties leveren niet alleen variaties op binnen een bepaald universum - een goed voorbeeld zijn de variaties in de microgolfachtergrond die we hebben besproken - ze brengen ook variaties tussen de universums met zich mee. En deze variaties kunnen aanzienlijk zijn. In sommige incarnaties van de theorie kunnen de andere universums zelfs verschillen in het soort deeltjes dat ze bevatten en de krachten die aan het werk zijn.
In dit enorm verruimde perspectief op de realiteit is het de uitdaging om te verwoorden wat de inflatoire theorie eigenlijk voorspelt. Hoe verklaren we wat we hier in dit universum zien? Moeten we redeneren dat onze vorm van leven niet zou kunnen bestaan in de verschillende omgevingen van de meeste andere universums en dat we daarom hier zijn - een controversiële benadering die sommige wetenschappers als cop-out lijkt? De zorg is dan ook dat met de eeuwige versie van inflatie zoveel universums voortbrengen, elk met verschillende kenmerken, de theorie het vermogen heeft om onze eigen reden om vertrouwen in inflatie zelf te hebben, te ondermijnen.
Natuurkundigen blijven worstelen met deze lacunes. Velen hebben er vertrouwen in dat dit louter technische uitdagingen voor de inflatie zijn die op termijn zullen worden opgelost. Ik ben het daar mee eens. Het verklarende pakket van Inflatie is zo opmerkelijk en de meest natuurlijke voorspellingen zo spectaculair afgestemd op observatie, dat het allemaal bijna te mooi lijkt om fout te zijn. Maar totdat de door het multiversum opgewekte subtiliteiten zijn opgelost, is het verstandig om een definitief oordeel te behouden.
Als inflatie klopt, verdienen de visionairs die de theorie ontwikkelden en de pioniers die de voorspellingen bevestigden, de Nobelprijs. Toch zou het verhaal nog groter zijn. Prestaties van deze omvang overstijgen het individu. Het zou een moment voor ons allemaal zijn om trots te zijn en ons te verwonderen dat onze collectieve creativiteit en inzicht enkele van de diepste geheimen van het universum heeft onthuld.
