Universum hade en början. Men var började det? Vad blev du i början? Vi vet att allt började med en ganska snabb expansion och slutade med ett stort antal galaxer gjorda av små partiklar. Men vad kom före det? Vilka var fysikens lagar när allt började? Kända fysiker James Hartl och Stephen Hawking erbjöd flera svar på dessa frågor för flera decennier sedan. Ett nytt arbete av en annan grupp fysiker analyserade Hawking och Hartles populära tolkning av Big Bang-geometri och stötte på problem. Dessa resultat belyser problemet med universums början. Ett nytt hinder som alla framtidsteorier kommer att behöva övervinna.
"Vi försökte göra en mer noggrann beräkning och fick en annan lösning", säger Job Feldbrügge, en doktorand vid Perimeter Institute. "Teorin vi använder belyser befintlig teori nytt och visar att den kanske inte fungerar som vi förväntat oss."
Forskare försöker vanligtvis förstå universums början genom att titta på Einsteins tyngdlagar, kallad allmän relativitet, och spela dem bakåt. När allt kommer omkring vill de komma till den punkt där universum var väldigt litet. Men de mest intressanta frågorna uppstår om hur det unga universum såg ut, var det tillräckligt litet för att lyda kvantmekanikens lagar, som styr de minsta partiklarna, atomerna och fotonerna.
Det finns flera sätt att starta ett universum som vårt. Kanske, tänkte Hawking och Hartle, var detta kondenserade universum bara en punkt i rymden med ett speciellt kvanttillstånd, den så kallade vågfunktionen, som beskriver allt på kvantmekanikens språk. Då kom tiden. Filosofi och religion behöver prata mycket om detta ämne, men matematiker behöver bara penna och papper. Detta punktliknande universum utvecklades från matematiken för allmän relativitet med de ursprungliga egenskaperna hos kvantmekanik inbyggd i dess struktur. Således borde dessa små slumpmässiga fluktuationer av energi i rymden under snabb expansion - inflation - förvandlas till storskaliga densitetsskillnader som vi observerar i det moderna universum, med galaxer och tomrum. Hawking och Hartles teori var ett av flera sätt att markera början på ett universum utan en singularitet, en punkt på noll volym och oändlig massa som inte gav mycket mening. Andra idéer, som de som föreslogs av Alexander Vilenkin, antydde inte denna initiala singularitet.
En ny artikel som nyligen publicerades på arXiv preprint-servern introducerar ett problem. I beräkningarna i matematiken från Hawking, Hartles och Vilenkin fick det nya laget inte de små kvantfluktuationer som behövs för att skapa dagens universum. Istället är dessa fluktuationer gigantiska och skapar ett helt annat universum än vårt.
”De beräkningar som vi har gjort leder till starka gravitationsvågor efter Big Bang”, säger Feldbrugge - stora svängningar i form av själva rymdtiden.”Det kunde inte leda till ett universum som det är idag. Beräkningarna strider mot det vi ser."
Hartl är inte särskilt orolig för resultaten från Feldbrugge-teamet. "I kosmologi har vi fortfarande för lite data jämfört med vad det kunde ha varit", säger han. "Så vi gör vårt bästa för att stödja den teori som bäst passar våra observationer." Han ser det nya arbetet som ytterligare ett försök att vända spelet genom att erbjuda mer information och en annan matematisk väg som forskare kan följa. "Forskare har rätt att välja om de vill driva denna idé eller en annan."
Hans team publicerade också nyligen en ny uppsats som reviderade sin egen matematik och visade varför hans teori fortfarande fungerar.
Kampanjvideo:
Ändå verkar matematiken i Feldbrugge och hans team visa att ett jämnt utseende av ett universum utan någon singularitet är "inte ett alternativ." Deras matematik ifrågasätter direkt Hartle och Hawking.
Att länka kvantmekanik och allmän relativitet för att förklara universums början är varken ny eller nästan löst. I själva verket är detta ett av de största problemen som teoretiska fysiker försöker lösa, med tanke på dess betydelse för att förstå universums ursprung, när båda uppsättningarna av lagar tillämpas i samma skala och vikt för svarta hål där gravitationen är så stark att ljus kan inte lämna henne.
Men viktigast av allt tror Feldbrugge inte att ett universum som börjar med kvantmekanikens och relativismens lagar kan skapa små fluktuationer som skulle leda till ett universum som vårt - han tror att det måste finnas något annat. "Det är oklart vilken lösning som kommer att vara det sista alternativet", säger han.
Synen från fysiker om denna fråga är väldigt olika. Paul Steinhardt, professor i fysik vid Princeton University, säger att det redan finns alternativa sätt att undvika problem i ett nytt jobb, liksom andra klagomål om Hawking-Hartle-modellen. Denna så kallade gränslösa modell kräver några matematiska lösningar för att skapa ett universum som vårt.
”Vad är alternativet? En studs utan singularitet, säger han med hänvisning till en modell som han utvecklar med Princeton-baserad teoretisk kosmolog Anna Idjas. Enligt denna modell kollapsar universum och utvecklas sedan till vårt eget universum, långt innan man kan börja tänka på effekterna av kvantmekanik.
Sabine Hossenfelder, forskare vid Frankfurt Institute for Advanced Study, är osäker på de nya resultaten.”Det enda jag kan dra slutsatsen är att vi inte visste hur universum började innan detta arbete skrevs. Och vi visste det inte efter det att detta arbete publicerades”. Teoretiker tar matematik på allvar och har gjort dessa beräkningar med tid och rum långt innan teleskop skulle bekräfta dem. Det enda sättet att veta säkert vad som händer är genom experiment.
Idag kan de flesta av dessa teorier bekräftas eller motbevisas genom observationer av det äldsta ljuset som har kommit ner till oss, den kosmiska mikrovågsbakgrunden. Forskare hoppas att insikterna från deras teorier kommer att hjälpa till att isolera viktiga signaturer från denna data.
Är det möjligt att kontrollera Feldbrugges och hans teams arbete? De har precis börjat. Uppenbarligen tar det lång tid att kontrollera. Forskare måste i slutändan skapa ett universum som liknar vårt. Men detaljerna i denna process har ännu inte fastställts.
ILYA KHEL
