Det finns något kusligt liknande i vårt universums ursprung, kallad kosmisk inflation, och i den påskyndade expansionen av mörk energi, som i slutändan kommer att avgöra dess öde. Detta väcker misstankar om att dessa fenomen kan ha samband med varandra. Den här veckan ställde Andrew Gillett sina frågor: om teorin om evig inflation är sant, skulle då mörk energi kunna vara en förkunnare för att återvända till detta ursprungliga tillstånd?
Det är inte bara möjligt. Detta kräver inte ens att teorin är korrekt. Låt oss börja vår konversation med scenen före universums födelse i den form det är känt för oss - med kosmisk inflation.
När det universum vi känner, fullt av materia och strålning föddes, hade det flera ganska konstiga egenskaper: rumsligt var det platt, det hade samma temperatur överallt, det hade inga superhöga energirester och det hade väldigt konstiga mönster i form av regioner med överskott och minskad densitet. Det är möjligt att universum föddes redan med dessa förhållanden. Teorin om kosmisk inflation är följande: om universum började med en period av exponentiell expansion, där det fanns en enorm mängd energi inneboende i rymden, och sedan denna period slutade, skulle en het Big Bang ha inträffat redan i närvaro av alla dessa förhållanden. Det tog ett tag att förstå konsekvenserna och det tog ännu längre tidför att bekräfta teorin med data om fluktuationer i den kosmiska mikrovågsbakgrunden. Men nu anses kosmisk inflation vara den första och främsta av allt det i universums historia, vilket vi kan bekräfta med bevis.
Evig inflation är en följd av inflation baserad på fastigheter som vi sällan tänker på. Vanligtvis, när det finns en övergång i naturen, till exempel en kruka med kokande vatten, vars vatten passerar från en vätska till ett gasformigt tillstånd, börjar denna övergångsprocess vid olika punkter. Dessa prickar expanderar och smälter samman och skapar stora bubblor när de når ytan. När vi pratar om vatten säger vi att det kokar. Under kokprocessen stiger små bubblor upp och smälter samman till större bubblor när de kommer upp till ytan. Men det finns ett problem med inflationen. De områden där inflationen inte slutar vid en viss tidpunkt fortsätter att exponera exponentiellt, och detta tillåter inte de områden där det slutade "koka". Därför måste det universum vi observerar vara helt i en bubbla,där inflationen har slutat, och inte i många bubblor som kokar ihop.
Men i yttersta änden av detta spektrum ser vi att utvidgningen av vårt universum uppenbarligen accelererar. Den bästa förklaringen till detta, baserat på våra mest exakta mätningar, är att det finns en liten energikomponent som är inneboende i rymden, som vi kallar mörk energi. Denna energiska komponent är allestädes närvarande och jämnt närvarande på alla punkter i rymden. Och den är extremt liten. Om vi konverterar den till massa enligt Einsteins formel E = mc2, kommer den att vara lika med bara en proton per kubikmeter av universum. Men utrymmet är inte bara stort, det expanderar också! När tiden går blir denna mörka energi mer och mer viktig. Med tiden, efter cirka åtta miljarder år, accelererar det universums expansion och blir sedan den dominerande komponenten av energi i universum.
Dessa två perioder med inflation och accelererad expansion i ett senare skede kan verka väldigt olika. Skillnaden på dessa energivågar är helt enkelt kolossal, den är 10 till den 120: e kraften! Men båda perioderna representerar energi som är inneboende i rymden, båda gör att materien i universum expanderar exponentiellt. Och i närvaro av tid (fraktioner av sekunder för inflation och en biljon år för mörk materia) kommer de att ta allt som inte är anslutet till en enda struktur i universum och sprida det isär. Det finns många sådana modeller, och i grunden kombinerar de alla inflation och mörk energi.
Så, vad är chansen att universum börjar återvinna dess bildande? De är stora
Kampanjvideo:
1. Om mörk energi verkligen är en kosmologisk konstant kan det vara kvarvarande energi från inflationstiden när allt började. Om så är fallet finns det anledning att säga att det i närvaro av tid kan försvagas ännu mer och gå in i ett nytt, mycket lägre energitillstånd. Kanske kommer en sådan övergång att stimulera framväxten av ett stort antal partiklar med extremt låg massa, såsom neutriner, axioner eller till något ännu mer exotiskt. Dessa partiklar kommer i sin tur att kombinera och skapa sina egna analoger av stjärnor, planeter och kanske mänskligheten i tillräckligt lång tidsskala. Om vi inte kan se denna process betyder det inte alls att det är omöjligt. Kanske är detta ödet som väntar vårt universum i en mycket, mycket avlägsen framtid, även om det kommer att ta googols i flera år.
2. Mörk energi är kanske inte en kosmologisk konstant, men med tiden kan den öka. Om detta är så kommer det att växa och växa, vilket kan leda till scenariot med en "stor ripp", när över tiden alla anslutna strukturer i universum kommer att brista. Men i det här scenariot, utvecklat av Eric Gawiser, finns det möjligheten att i sista stund, precis innan rymden sönderfaller och försvinner i glömska, kommer rymdens inneboende energi, som inte kan urskiljas från inflationsscenarier, göra övergången till Big Bang! Ett sådant scenario med ett "återupplivat universum" kan inte bara gå i uppfyllelse i vår avlägsna framtid. I det kan vårt universum vara mycket äldre än det verkar. Det är möjligt att det är oändligt gammalt.
De bevis vi har visar nu att mörk energi verkligen är en kosmologisk konstant. Detta innebär att scenario nummer 2 utesluts. Om det inte finns något lägre energitillstånd för övergången kan alternativ nr 1 också uteslutas. Men nu har vi inte tillräckligt med data för att avvisa ens en av dem. Om jag hade en chans att göra vad skulle jag säga att en variant med lägre energitillstånd är mer sannolikt. Men tanken att mörk energi verkligen är konstant och existerar för alltid stöds bättre av tillgängliga data. Tills vi vet med säkerhet, borde vi inte utesluta några möjliga alternativ. Rymdfarkosten Euclid, NASA: s WFIRST vidvinkel-infraröda undersökningsteleskop och slutligenLSST Large Synoptic Research Telescope hjälper oss att mäta mörk energi ännu mer exakt, och detta kommer att ge nya bevis för att stödja antingen den första eller den andra teorin. Och nya upptäckter inom teoretisk högenergifysik kan berätta mer om det första konceptet. Hur som helst, Andrew, svaret på din fråga är detta: mörk energi kan vara en återgång till den heta Big Bang från ett inflationsstatus, men det beror inte på inflationens eviga natur.men det beror inte på inflationens eviga natur.men det beror inte på inflationens eviga natur.
Ethan Siegel