Beweis für die Existenz des Universums vor dem Urknall
Wie ein Merkmal, das auf der Beobachtung der kosmischen Inflation basiert, die wissenschaftliche Revolution des Jahrhunderts (18. März 2014) verkünden kann
Trotz ihres Namens ist die Urknalltheorie überhaupt keine Theorie. Dies ist eine Theorie der Folgen einer Explosion.
- Alan Guth
Wenn Sie sich den Beginn des Universums vorstellen, denken Sie wahrscheinlich an einen heißen, dichten Zustand voller Materie und Strahlung, der sich unglaublich schnell ausdehnt und abkühlt (und das war übrigens alles). Was jedoch nicht getan werden kann, ist die Extrapolation auf einen willkürlich heißen und dichten Zustand. Sie können sich vorstellen, dass Sie ohne Probleme in die Zeit zurückkehren werden, zu einer „Singularität“ mit unendlicher Temperatur und Dichte, als die gesamte Energie des Universums zu einem einzigen Punkt komprimiert wurde - aber das ist nicht wahr.
Eines der großen Merkmale des Universums ist, dass die zu diesem Zeitpunkt stammende Strahlung noch vorhanden ist. Es wurde während der Zeit des Universums, der ehemaligen Jugend, heiß und ionisiert (und dies dauerte 380.000 Jahre), von geladenen Teilchen reflektiert. Als das Universum elektrisch neutral wurde (als die Materie zum ersten Mal neutrale Atome bildete), strömte die Strahlung des Urknalls in einer geraden Linie, ohne von dieser neutralen Materie unterbrochen zu werden.
Während sich das Universum ausdehnt - aufgrund der Tatsache, dass die Strahlungsenergie durch die Wellenlänge bestimmt wird -, wurden diese Wellenlängen zusammen mit der Ausdehnung des Raums gedehnt, und die Energie ist seitdem sehr stark gesunken. Dies hilft uns jedoch sehr, da es Material zur Beobachtung liefert.
Und wenn wir diese Wellen sehen und messen könnten, würden sie uns ein Fenster geben, um in das frühe Universum zu schauen! Und so entdeckten Arno Penzias und Robert Wilson in den 1960er Jahren dieses verbleibende Leuchten des Urknalls - Strahlung, die sich gleichmäßig in alle Richtungen ausbreitet, nur wenige Grad über dem absoluten Nullpunkt - und darin erkannten die Wissenschaftler sofort die kosmische Mikrowellen-Hintergrundstrahlung, die so lange gesucht!
Nach 50 Jahren haben wir unglaubliche Fortschritte gemacht. Wir konnten nicht nur das Energiespektrum dieser Strahlung messen, sondern auch die winzigen Temperaturschwankungen, die ihr innewohnen, sowie deren Ausmaß, ihre Beziehung zueinander und wie sich alles auf die Entwicklung des Universums auswirkt.
Insbesondere haben wir erfahren, wie das Universum im Alter von 380.000 Jahren aussah, woraus es besteht und wie wechselwirkende Materie die Strahlung auf ihrem Weg zu unseren Augen mit einer Länge von 13,8 Milliarden Jahren beeinflusst.Aber es gibt noch etwas, das uns Informationen über diese Dinge geben kann: Wir können nicht nur die Energie und Temperatur des Lichts untersuchen, sondern auch seine Polarisation. Lass mich erklären.
Tatsächlich ist Licht eine elektromagnetische Welle. Dies bedeutet, dass es aus senkrecht zueinander schwingenden elektrischen und magnetischen Feldern besteht, eine spezielle Wellenlänge (bestimmt durch Energie) hat und sich mit Lichtgeschwindigkeit ausbreitet.Wenn Sie an geladenen Teilchen vorbeifliegen, die von der Oberfläche reflektiert werden und mit anderen elektromagnetischen Phänomenen interagieren, reagieren elektrische und magnetische Felder mit ihrer Umgebung.
Anfangs muss das empfangene Licht unpolarisiert sein, aber eine Vielzahl von Dingen führt auf verschiedene Weise zu seiner Polarisation. Mit anderen Worten, Licht, das normalerweise zufällig orientierte elektrische und magnetische Felder aufweist, kann Wechselwirkungen erfahren, aufgrund derer sie eine bevorzugte Orientierung haben. Und jetzt kann sie uns viele informative Dinge darüber erzählen, mit wem das Licht in seiner Geschichte interagiert hat.
Der Polarisationseffekt der Hintergrundmikrowellenstrahlung wurde erstmals im letzten Jahrzehnt mithilfe des WMAP-Satelliten entdeckt, und vom Planck-Observatorium werden in Zukunft noch bessere Ergebnisse erwartet (diese Art der Forschung ist jedoch sehr schwer umzusetzen). Die Polarisation, aufgrund derer das Licht „radial“ aussieht, wird als E-Polarisationsmodus (für elektrische Felder) bezeichnet, und die Polarisation, aufgrund derer das Licht „verdreht“ wird, wird als B-Polarisationsmodus (für Magnetfelder) bezeichnet.
Die meisten beobachteten Effekte sind auf Milliarden von Lichtjahren Materie zurückzuführen, die durch das Licht gegangen sind. wir nennen es "Vordergrund". Er musste aus der Zeit der Strahlung den ganzen Weg in alle Richtungen gehen, um heute unsere Augen zu erreichen.
Aber der winzige Teil der Polarisation sollte uns aus früheren Zeiten erreichen. Sie sehen, vor dem Urknall - bevor das Universum im Allgemeinen als heiß, dicht und voller Materie und Strahlung beschrieben werden konnte - dehnte sich das Universum einfach exponentiell aus; Es war eine Zeit der kosmischen Inflation. Zu dieser Zeit wurde das Universum von der Energie dominiert, die dem leersten Raum innewohnt - Energie in einer Menge, die viel größer ist als heute.
Zu dieser Zeit wurden Quantenfluktuationen - die dem Raum selbst innewohnen - über das Universum ausgedehnt und lieferten die anfänglichen Dichteschwankungen, die zum heutigen Universum führten.Aber nur in den Regionen, in denen die Inflation endete und in denen diese dem Weltraum innewohnende Energie in Materie und Strahlung umgewandelt wird und der Urknall auftritt.
Und in diesen Regionen - wo die Inflation endete - haben wir ein Universum, das viel größer ist als der beobachtete Abschnitt. Dies ist die Idee des Multiversums, und deshalb glauben wir, dass wir höchstwahrscheinlich darin leben.
Was ist mit dieser Inflation selbst? Können wir etwas über sie herausfinden?Sie können entscheiden, dass Quantenschwankungen - und die Dichteschwankungen, die sie säen - alles sind, was wir haben. Und bis vor kurzem hätte ich es dir gesagt. Theoretisch erzeugt die Inflation aber auch Gravitationswellen, die wir immer noch nicht erkennen konnten. LISA, die Weltraumantenne eines Laserinterferometers (ein Projekt, das bestenfalls in den 2030er Jahren verschoben wurde), war unsere beste Hoffnung auf direkte Wellenerkennung.
Aber auch ohne LISA können Gravitationswellen indirekt erfasst werden. Obwohl sich Gravitationswellen und Licht mit der gleichen Geschwindigkeit fortbewegen, verlangsamt sich das Licht beim Durchgang durch ein Medium. Dies geschieht sogar in einem so verdünnten Medium wie dem intergalaktischen und interstellaren Raum! Und da Gravitationswellen nicht langsamer werden - sie werden nur durch die Krümmung der Raumzeit beeinflusst - überholen sie das Licht und führen selbst zur Polarisation!
Im Allgemeinen sind es die Deformationen der Raumzeit in einem bestimmten Maßstab, die die Lichtwellen auf eine bestimmte Weise dehnen, wenn sie vom Urknall zu unseren Augen wandern.
Insbesondere sollten die charakteristischen Merkmale von Gravitationswellen als B-Polarisationsmodus erscheinen und ein spezifisches Muster in großem Maßstab hinterlassen.Obwohl das Planck-Observatorium dies sehen und bestätigen sollte, war es dem Team am Südpol voraus: BICEP2!
Bei Skalen in der Größenordnung von 1,5 Grad ist der B-Polarisationsmodus sehr offensichtlich und wurde bereits für offen erklärt, obwohl mit einer Signifikanz von 2,7σ (Anmerkung: Bei diesen Skalen beträgt die Signifikanz 5,2σ, aber sie müssen alle davon überzeugen, dass diese Detektionsstufe nicht aufgetreten ist dank einer Kombination aus Vordergrund und Systematik). 2,7σ bedeutet, dass eine 2% ige Wahrscheinlichkeit besteht, dass diese Erkennung falsch ist und mit mehr Daten verschwindet. In der Welt der Wissenschaft ist dies jedoch eine ziemlich hohe Wahrscheinlichkeit, weshalb diese Entdeckung vorerst nicht als vollendete Tatsache angesehen werden sollte.
Wenn die Öffnung den Test besteht, ist dies ein sehr ernstes Ereignis. Dies ist es, was wir messen müssen, und zwar nicht nur, um herauszufinden, ob es Inflation gab (höchstwahrscheinlich), sondern um herauszufinden, welches der Inflationsmodelle das Universum beschreibt?Plank, der letztes Jahr seine ersten Ergebnisse veröffentlicht hatte, fand überhaupt nichts.
Es gibt verschiedene allgemeine Arten der Inflation, die auftreten können: Wenn sich der Wert von r in diesen Diagrammen als Null herausstellt, spricht dies für das Modell des „kleinen Felds“, und wenn sich herausstellt, dass es sich um etwas Großes handelt (z. B. 0,2, gemessen an durch diese Ergebnisse) wird dies ein Beweis für das "Großfeld" -Modell sein.
Ist das ein definitives Ergebnis? Nein. Wir brauchen viel bessere Statistiken, um dies als Entdeckung zu deklarieren - wir können diese Ergebnisse nicht akzeptieren und erklären: „Ja, dies sind die anfänglichen Gravitationswellen, die von der Inflation übrig bleiben“, da wir bessere Beweise benötigen. 2.7σ ist nicht schlecht, aber in der grausamen Welt der Physik brauchen wir ein bestätigtes Ergebnis von 5σ. Der Mülleimer der Geschichte der Physik ist voll von „Entdeckungen“ mit 3σ, die mit dem Eintreffen neuer Daten verschwanden.Wir wissen, dass Inflation war; Die Ursprünge der Struktur im Universum - ihr aktuelles Erscheinungsbild, ihr Erscheinungsbild vor 13,8 Milliarden Jahren und irgendwo in der Lücke - haben uns bereits davon erzählt. Aber es gibt eine Möglichkeit und die ersten Hinweise, dass auch Gravitationswellen bleiben könnten. Und wenn sich herausstellt, dass wir sie wirklich gesehen haben, müssen wir dies in den nächsten Jahren bestätigen. Wenn die Beobachtung jedoch beim Sammeln von Daten unbedeutend wird, bedeutet dies nicht, dass das Inflationsmodell falsch ist - nur, dass es nicht die stärksten B-Modi erzeugt.
Dies ist noch keine „Entdeckung“, sondern ein Hinweis darauf, dass wir auf etwas Überraschendes stoßen könnten: den ersten Hinweis darauf, wie unser Universum geboren wurde. Wenn er sich als wahr herausstellt, wird es die Entdeckung des Jahrhunderts sein. Wenn neue Daten dies jedoch widerlegen - was durchaus passieren kann - bedeutet dies nicht, dass das Inflationsmodell falsch ist. Dies bedeutet, dass die Gravitationswellen aufgrund der Inflation kleiner sind als die optimistischsten Modelle, die vorhergesagt wurden.Aber ob es real ist oder nicht, wir lernen noch ein bisschen mehr darüber, wie unser gesamtes Universum erschienen ist.Update: In den Kommentaren zum Originalartikel berichteten die Leser, dass die Bedeutung von mehr als 5σ in der Arbeit erwähnt wird. Insbesondere betrachten sie einen bestimmten Teil der Winkelskala, wo sie tatsächlich ein Signal mit einer Signifikanz von 5,2σ sehen.
Könnte focus dafür verantwortlich sein? Dies ist die einzige Komponente, die durchgestrichen werden kann - wenn ich die Arbeit natürlich richtig verstanden habe - mit einer Signifikanz von nur 2,7σ.Überzeugen Sie sich selbst.
Die Signifikanz des Ergebnisses ist nicht höher als die der wahrscheinlichsten Unsicherheitsquelle, und selbst wenn r gleich Null sein kann, ist es sehr wichtig, diese Möglichkeit auszuschließen. In der Arbeit wurde es möglicherweise ausgewiesen, aber es schien mir nicht, dass dies klar und deutlich getan wurde. Trotzdem interessiert mich sehr, wie sich das alles entwickeln wird! Wenn sie die Fokussierung auf die gleiche Weise wie die Synchrotronemission ausschließen, wird die Begrenzung von 5σ erfüllt, und dies bedeutet bereits den Nobelpreis!Ein späterer Hinweis zu dem Artikel vom 18. März 2014:Am 17. März 2014 kündigten Wissenschaftler des Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics die Entdeckung des B-Modus bei r = 0,2 an. Eine spätere Analyse (veröffentlicht am 19. September 2014), die von einer anderen Gruppe von Forschern unter Verwendung von Daten des Planck-Observatoriums durchgeführt wurde, zeigte jedoch, dass das Ergebnis von BICEP2 vollständig auf galaktischen Staub zurückzuführen ist.Source: https://habr.com/ru/post/de395011/
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