Gagasan singularitas sebelum Big Bang sudah ketinggalan zaman

Sebuah ilustrasi tentang sejarah kosmik kita, dari Big Bang hingga saat ini, dalam konteks Semesta yang mengembang. Ledakan besar didahului oleh keadaan inflasi kosmik, tetapi gagasan bahwa singularitas harus ada sebelum ini sudah sangat ketinggalan zaman.

Hampir setiap orang pernah mendengar tentang Big Bang. Tetapi jika Anda meminta orang yang berbeda, dari orang biasa ke kosmologis, untuk menyelesaikan kalimat: "Pada awalnya itu ...", Anda akan mendapatkan banyak jawaban berbeda. Salah satu yang paling umum adalah "singularitas", yaitu saat semua materi dan energi Alam Semesta terkonsentrasi pada satu titik. Suhu, kerapatan, dan energi akan berubah-ubah, besar sekali, dan ini bisa terjadi bersamaan dengan munculnya ruang dan waktu itu sendiri.

Tapi gambar ini bukan hanya salah, sudah berusia 40 tahun, berapa usia! Kami benar-benar yakin bahwa tidak ada singularitas yang dikaitkan dengan Big Bang yang panas, dan ruang dan waktu mungkin tidak memiliki momen asal sama sekali. Itu yang kita tahu, dan dari mana.


Pengamatan astronomi Utara-BARANG menggunakan teleskop Hubble memungkinkan untuk memeriksa beberapa galaksi paling jauh yang pernah kita lihat, banyak di antaranya yang sudah berada pada jarak yang tidak terjangkau bagi kita. Melihat lebih jauh dan lebih jauh, kita menemukan bahwa galaksi yang paling jauh bergerak menjauh dari kita dengan lebih cepat dan lebih cepat, berkat perluasan Alam Semesta.

Alam Semesta Hari Ini dipenuhi dengan galaksi di semua arah dan pada jarak yang berbeda. Rata-rata, semakin jauh galaksi berasal dari kita, semakin cepat ia bergerak menjauh dari kita. Ini bukan karena pergerakan galaksi yang sebenarnya di ruang lokal mereka; semua kesalahannya adalah perluasan jalinan ruang itu sendiri.

Prediksi semacam itu adalah salah satu hasil tidak biasa yang diperoleh dari Teori Umum Relativitas pada tahun 1922 oleh fisikawan Soviet Alexander Fridman , yang kemudian dikonfirmasi dalam pengamatan Edwin Hubble dan ilmuwan lain pada 1920-an. Ini berarti bahwa seiring berjalannya waktu, masalah Alam Semesta menyebar dan menjadi kurang padat, ketika volume Alam Semesta meningkat. Ini juga berarti bahwa di masa lalu Semesta lebih padat, lebih panas dan lebih homogen.


Dengan mengekstrapolasi perkembangan kembali, kita sampai pada keadaan yang lebih panas dan lebih padat. Apakah semua ini mengarah pada singularitas di mana hukum fisika berhenti bekerja?

Dengan mengekstrapolasi perkembangan kembali ke masa lalu, Anda akan mulai memperhatikan beberapa perubahan penting di alam semesta. Khususnya:

• Anda akan tiba di era di mana gravitasi tidak punya waktu untuk membentuk gumpalan materi yang cukup besar untuk penampilan bintang dan galaksi.
• Kemudian Anda akan tiba di tempat Semesta begitu panas sehingga Anda tidak bisa membentuk atom netral.
• Kemudian akan ada keadaan di mana bahkan inti atom akan dibagi menjadi beberapa bagian.
• Lalu - di mana pasangan partikel materi antimateri akan muncul secara spontan.
• Kemudian - di mana masing-masing proton dan neutron akan membusuk menjadi quark dan gluon.

Dalam fisika, fisika biasa terurai, termasuk momen awal Alam Semesta. Namun, mencapai negara yang panas dan padat secara sewenang-wenang memiliki konsekuensi, banyak di antaranya tidak dikonfirmasi oleh pengamatan.

Setiap langkah mewakili Semesta semakin muda, kecil, padat dan panas. Ekstrapolasi yang berkelanjutan, kita akan melihat bahwa kepadatan dan suhu tumbuh hingga nilai yang tak terbatas, pada saat semua materi dan energi Alam Semesta terkandung pada satu titik: dalam singularitas. Hot Big Bang, seperti yang awalnya dipikirkannya, bukan hanya keadaan yang panas, padat, dan meluas, tetapi juga saat ketika semua hukum fisika berhenti bekerja. Itu adalah kelahiran ruang dan waktu, cara untuk membuat seluruh alam semesta tiba-tiba muncul entah dari mana. Ini adalah tindakan asli penciptaan: singularitas yang terkait dengan Big Bang.


Bintang-bintang dan galaksi yang kita lihat hari ini tidak selalu ada. Semakin jauh kita kembali ke masa lalu, semakin dekat alam semesta dengan singularitas - tetapi ekstrapolasi memiliki keterbatasan.

Namun, jika semuanya hanya itu, dan Alam Semesta di masa lalu memiliki suhu tinggi yang sewenang-wenang, keadaan seperti itu akan memiliki beberapa tanda jelas yang dapat diamati hari ini. Dalam sisa cahaya Ledakan Besar akan ada fluktuasi suhu amplitudo besar. Fluktuasi yang terlihat oleh kita akan dibatasi oleh kecepatan cahaya, mereka akan muncul hanya pada skala yang tidak lebih besar dari cakrawala kosmik . Peninggalan ruang berenergi tinggi, seperti monopole magnetik, seharusnya tetap ada.

Namun, fluktuasi suhu tidak melebihi 1/30 000, yang ribuan kali lebih kecil dari prediksi Big Bang tunggal. Ada fluktuasi yang melebihi cakrawala, yang dikonfirmasi oleh satelit WMAP dan Planck. Dan pembatasan keberadaan monopole magnetik dan peninggalan energi ultrahigh lainnya sangat kuat. Tidak adanya tanda-tanda kehadiran mereka memiliki konsekuensi serius: di Semesta tidak pernah ada suhu tinggi yang sewenang-wenang.


Fluktuasi radiasi CMB sangat kecil dan karakteristik sehingga mereka pasti menyiratkan fakta bahwa pada awal Semesta suhu yang sama ada di mana-mana. Ukuran fluktuasi 1 / 30.000 tidak sama sekali dengan Big Bang dari suhu yang berubah-ubah.

Pasti ada semacam perbatasan. Kita tidak dapat mengekstrapolasi kembali secara sewenang-wenang, ke keadaan panas dan padat dengan suhu tinggi yang sewenang-wenang. Ada batasan seberapa jauh kita bisa melangkah, dan pada saat yang sama dengan tepat menggambarkan alam semesta kita. Pada awal 1980-an, sebuah teori muncul bahwa, sebelum Alam Semesta kita panas, padat, mengembang, mendingin, dan penuh dengan materi dan radiasi, ia mengalami keadaan inflasi. Kehadiran fase inflasi kosmik seharusnya berarti bahwa Semesta:

• dipenuhi dengan energi ruang yang melekat
• mengarah pada pertumbuhan eksponensial yang cepat,
• yang membentang alam semesta ke kondisi datar,
• memberinya properti yang sama di mana-mana
• dengan fluktuasi kuantum amplitudo kecil,
• merentang ke semua skala (bahkan melebihi cakrawala),
• dan kemudian inflasi berakhir.

Inflasi menyebabkan ruang melebar secara eksponensial, yang dengan cepat dapat mengarah pada fakta bahwa ruang yang awalnya melengkung atau tidak mulus tampak datar. Bahkan jika Semesta melengkung, jari-jari kelengkungannya setidaknya ratusan kali lebih besar dari yang dapat kita deteksi.

Ketika inflasi berakhir, itu mengubah energi yang melekat dalam ruang ini sendiri menjadi materi dan radiasi, yang menimbulkan Big Bang panas. Tapi ini tidak mengarah pada Big Bang yang sewenang-wenang - hanya untuk Big Bang yang mencapai suhu maksimum ratusan kali lebih rendah daripada suhu yang dapat menghasilkan singularitas. Dengan kata lain, itu mengarah ke Big Bang panas, yang timbul dari negara inflasi, dan bukan dari singularitas.

Informasi yang ada di bagian kita yang dapat diamati dari Semesta, yang dapat kita ukur, berkat aksesnya, hanya sesuai dengan 10 ^-33 detik inflasi terakhir, dan segala sesuatu yang terjadi setelah itu. Jika Anda ingin bertanya berapa lama inflasi berlangsung, kami tidak tahu tentang ini. Itu berlangsung setidaknya sedikit lebih lama dari 10 ^-33 detik, tetapi apakah itu berlangsung sedikit lebih lama dari ini, lebih lama, atau pergi dalam jumlah waktu yang tak terbatas - itu bukan hanya tidak diketahui, itu pada dasarnya tidak dapat dikenali.


Sejarah kosmik dari Alam Semesta yang terkenal menunjukkan bahwa asal mula semua materi dan semua cahaya di dalamnya adalah karena akhir inflasi dan awal dari Big Bang yang panas. Sejak itu, 13,8 miliar tahun telah berlalu evolusi kosmik. Gambaran perkembangan ini dikonfirmasi oleh sebagian besar sumber.

Apa yang menyebabkan inflasi? Banyak penelitian dan diskusi sedang berlangsung tentang topik ini, tetapi tidak ada yang tahu. Tidak ada bukti yang bisa diandalkan, tidak ada pengamatan yang bisa dibuat, tidak ada eksperimen yang bisa dilakukan. Beberapa orang membuat pernyataan yang keliru seperti:

Kami memiliki teori singularitas Big Bang yang memunculkan Semesta yang panas, padat, berkembang, sebelum kami belajar tentang inflasi; inflasi hanyalah tahap peralihan. Oleh karena itu, kita mendapatkan yang berikut: singularitas, inflasi, Big Bang.

Ada banyak grafik dan gambar yang dibuat oleh kosmolog terkemuka untuk menggambarkan skenario ini. Tetapi ini tidak berarti bahwa dia setia.


Ilustrasi fluktuasi kepadatan (skalar) dan gelombang gravitasi (tensor) yang muncul di akhir inflasi. Asumsi keberadaan singularitas sebelum inflasi belum tentu benar.

Ada alasan yang sangat bagus untuk percaya bahwa ini tidak benar! Secara matematis kita dapat menunjukkan ketidakmungkinan munculnya negara yang inflasi dari singularitas. Dan inilah sebabnya: ruang meluas pada tingkat eksponensial selama inflasi. Bayangkan bagaimana eksponen bekerja: setelah waktu tertentu, Semesta menggandakan ukurannya. Dua kali lebih banyak waktu akan berlalu, itu akan berlipat dua kali, yaitu, itu akan menjadi empat kali lebih banyak. Tunggu tiga periode waktu seperti itu, dan itu akan berlipat tiga kali, yaitu, itu akan menjadi 8 kali lebih besar. Tunggu 10 atau 100 periode waktu seperti itu, dan penggandaan ini akan membuat Universe 2 ¹⁰ atau 2 ¹⁰⁰ kali lebih besar.

Yang berarti bahwa jika kita kembali ke masa lalu untuk periode waktu yang sama, atau dua, atau tiga, atau 10 atau 100 kali lebih besar, Semesta akan lebih kecil dan lebih kecil, tetapi tidak akan pernah mencapai nol. Dia, masing-masing, akan menjadi setengah, seperempat, 1/8, 2 ^-10 , 2 ^-100 dari ukuran aslinya. Tetapi tidak peduli seberapa jauh waktu yang kita tempuh, kita tidak akan pernah sampai pada singularitas.


Garis biru dan merah adalah skenario Big Bang tradisional, ketika semuanya dimulai pada waktu t = 0, termasuk ruang-waktu itu sendiri. Dalam skenario inflasi (kuning) kita tidak pernah sampai pada singularitas di mana ruang mengasumsikan keadaan singular. Itu bisa menjadi kecil secara sewenang-wenang di masa lalu, dan waktu terus berjalan selamanya. Kondisi untuk tidak adanya batas-batas Hawking-Hartle dan teorema Bord-Gut-Vilenkin berusaha untuk menentukan durasi negara ini, tetapi mereka tidak dapat disebut final.

Di antara para kosmolog, sebuah teorema terkenal yang menunjukkan ketidaklengkapan kondisi inflasi masa lalu. Ini berarti bahwa semua partikel yang ada di Alam Semesta mengalami inflasi cepat atau lambat akan bertemu pada ekstrapolasi kembali pada waktunya. Namun, ini tidak berarti bahwa singularitas harus ada - inflasi saja tidak menggambarkan semua yang terjadi dalam sejarah Semesta, misalnya kelahirannya. Kita juga tahu bahwa inflasi tidak dapat muncul dari keadaan tunggal, karena bagian yang mengalami inflasi harus selalu dimulai dari ukuran yang terbatas.


Fluktuasi ruang-waktu pada skala kuantum selama peregangan inflasi di seluruh alam semesta, dan menimbulkan ketidaksempurnaan dalam kepadatan dan gelombang gravitasi. Apakah inflasi muncul dari singularitas atau tidak, kita tidak tahu.

Setiap kali Anda melihat bagan, artikel, atau cerita tentang "big bang singularity" atau singularitas lain yang ada sebelum inflasi, ketahuilah bahwa Anda berhadapan dengan pemikiran yang ketinggalan zaman. Gagasan singularitas Big Bang kehilangan relevansinya segera setelah kami menyadari bahwa sebelum keadaan Big Bang yang panas dan padat, ada negara bagian lain - inflasi kosmik - yang menyiapkan dan meluncurkan Big Bang. Di awal ruang dan waktu, mungkin ada singularitas dari mana inflasi muncul - tetapi tidak ada jaminan. Ada hal-hal dalam sains yang dapat diperiksa, diukur, diprediksi, dikonfirmasi atau disangkal - misalnya, inflasi, yang memunculkan Big Bang. Segala sesuatu yang lain tidak lebih dari spekulasi kosong.

Dan ini adalah terjemahan Habré terakhir dari sebuah artikel oleh Ethan Siegel (dan, pada prinsipnya, sebuah artikel tentang kosmologi), karena diputuskan untuk berkonsentrasi pada subjek sumber daya pada pengembangan dan IT.