Cel mai bun răspuns
Coliziunile multiverse pot arăta cerul
La începutul istoriei cosmice, universul nostru s-ar putea să se fi lovit de altul – o ciocnire primordială care ar fi putut lăsa urme în lumina ulterioară a Big Bang-ului.
Fizicienii caută dovezi ale unei coliziuni antice cu un alt univers.
La fel ca mulți dintre colegii ei, Hiranya Peiris , cosmolog la University College London, a respins odată în mare măsură noțiunea că universul nostru ar putea fi doar unul dintre multele din un vast multivers . Era fascinant din punct de vedere științific, credea ea, dar și fundamental netestabil. A preferat să își concentreze cercetările pe întrebări mai concrete, cum ar fi modul în care evoluează galaxiile.
Apoi, într-o vară, la Aspen Center for Physics, Peiris s-a trezit discutând cu Matt Johnson , care și-a menționat interesul pentru dezvoltarea instrumentelor de studiu a ideii. El le-a sugerat să colaboreze.
La început, Peiris era sceptic. „În calitate de observator, cred că orice teorie, oricât de interesantă și elegantă, îi lipsește grav dacă nu are consecințe testabile”, a spus ea. Dar Johnson a convins-o că ar putea exista o modalitate de a testa conceptul. Dacă universul pe care îl locuim s-ar fi ciocnit cu mult timp în urmă cu un alt univers, prăbușirea ar fi lăsat o amprentă pe fundalul cosmic cu microunde (CMB), lumina slabă din Big Bang-ul. Și dacă fizicienii ar putea detecta o astfel de semnătură, ar oferi o fereastră către multivers.
Erick Weinberg , fizician la Universitatea Columbia, explică acest multivers comparându-l cu un cazan în fierbere, bulele reprezentând universuri individuale – buzunare izolate de spațiu-timp. Pe măsură ce oala fierbe, bulele se extind și uneori se ciocnesc. Un proces similar ar fi putut să aibă loc în primele momente ale cosmosului.
În anii de la întâlnirea lor inițială, Peiris și Johnson au studiat modul în care o coliziune cu un alt univers în primele momente ale timpului ar fi trimis ceva similar cu o undă de șoc din universul nostru. Ei cred că ar putea fi capabili să găsească dovezi ale unei astfel de coliziuni în datele de la telescopul spațial Planck, care mapează CMB.
Este posibil ca proiectul să nu funcționeze, recunoaște Peiris. Este nevoie nu numai că trăim într-un multivers, ci și că universul nostru s-a ciocnit cu altul din istoria noastră cosmică primară. Dar dacă fizicienii vor reuși, vor avea prima dovadă improbabilă a un cosmos dincolo de al nostru .
Când Bubbles se ciocnesc
Teoriile multiverse au fost odinioară retrogradate pe teritoriul științifico-fantastic sau fantezist. „Se pare că te-ai dus într-o țară nebună”, a spus Johnson, care deține numiri comune la Perimeter Institute of Theoretical Physics și la York University. Dar oamenii de știință au venit cu multe versiuni despre ceea ce ar putea fi un multivers, unele mai puțin nebune decât altele.
Multiversul de care sunt interesați Peiris și colegii ei nu este controversata ipoteză „multe lumi” care a fost prima propus în anii 1950 și susține că fiecare eveniment cuantic generează un univers separat. Nici acest concept de multivers nu este legat de tropul popular de știință-ficțiune al lumilor paralele, universuri noi care se îndepărtează de spațiul nostru-timp și devin tărâmuri separate. Mai degrabă, această versiune apare ca o consecință a inflației, o teorie larg acceptată a primelor momente ale universului.
Inflația susține că universul nostru a experimentat o explozie bruscă de expansiune rapidă la o clipă după Big Bang, suflând din o pată infinitezimal de mică, la un sfert de miliard de ani lumină, în doar fracțiuni de secundă.
Cu toate acestea, inflația, odată începută, tinde să nu se oprească niciodată complet. Potrivit teoriei, odată ce universul începe să se extindă, acesta se va termina în unele locuri, creând regiuni precum universul pe care îl vedem astăzi în jurul nostru. Dar în altă parte inflația va continua pur și simplu să meargă etern în viitor.
Această caracteristică i-a determinat pe cosmologi să contemple un scenariu numit inflație eternă. În această imagine, regiunile individuale ale spațiului încetează să se umfle și devin „universuri cu bule”, precum cel în care trăim. Dar la scări mai mari, expansiunea exponențială continuă pentru totdeauna și se creează continuu noi universuri cu bule. Fiecare bulă este considerată un univers în sine, în ciuda faptului că face parte din același spațiu-timp, deoarece un observator nu ar putea călători de la o bulă la alta fără să se miște mai repede decât viteza luminii. Și fiecare bulă poate avea propriile legi distincte ale fizicii. „Dacă cumpărați o inflație eternă, aceasta prezice un multivers”, a spus Peiris.
În 2012, Peiris și Johnson au făcut echipă cu Anthony Aguirre și Max Wainwright – ambii fizicieni de la Universitatea din California, Santa Cruz – pentru a construi un multivers simulat cu doar două bule. Au studiat ce s-a întâmplat după ce bulele s-au ciocnit pentru a determina ce va vedea un observator. Echipa a concluzionat că o coliziune de două universuri cu bule ne va apărea ca un disc pe CMB cu un profil de temperatură distinct.
O coliziune veche cu un univers cu bule ar fi modificat temperatura fundalului cosmic cu microunde (stânga), creând un disc slab pe cer (dreapta) care ar putea fi observat.
Olena Shmahalo / Quanta Revistă; sursa: S. M. Freeney et. al., Physical Review Letters
Pentru a ne proteja de erorile umane – avem tendința de a vedea tiparele pe care vrem să le vedem – au conceput un set de algoritmi pentru a căutați aceste discuri în date de la Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP), un observator spațial. Programul a identificat patru regiuni potențiale cu fluctuații de temperatură compatibile cu ceea ce ar putea fi semnătura unei coliziuni cu bule. Când datele din satelitul Planck devin disponibile la sfârșitul acestui an, cercetătorii ar trebui să poată îmbunătăți acea analiză anterioară.
Cu toate acestea, detectarea semnăturilor convingătoare ale multiversului este dificilă. Pur și simplu să știți cum ar putea arăta o întâlnire necesită o înțelegere aprofundată a dinamicii coliziunilor cu bule – ceva destul de dificil de modelat pe computer, dată fiind complexitatea unor astfel de interacțiuni.
Când abordează o nouă problemă, fizicienii de obicei găsiți un model bun pe care îl înțeleg deja și îl adaptează făcând modificări minore pe care le numesc „perturbații”. De exemplu, pentru a modela traiectoria unui satelit în spațiu, un fizician ar putea folosi legile clasice ale mișcării subliniate de Isaac Newton în secolul al XVII-lea și apoi ar putea face mici rafinări calculând efectele altor factori care ar putea influența mișcarea acestuia, cum ar fi presiunea din vântul solar. Pentru sistemele simple, ar trebui să existe doar mici discrepanțe față de modelul neperturbat. Cu toate acestea, încercați să calculați modelele de flux de aer ale unui sistem complex, cum ar fi o tornadă, și aceste aproximări se descompun. Perturbările introduc schimbări bruște, foarte mari, în sistemul original, în loc de rafinamente mai mici și previzibile.
Modelarea coliziunilor cu bule în perioada inflaționistă a universului timpuriu este asemănătoare cu modelarea unei tornade. Prin însăși natura sa, inflația se întinde pe spațiu-timp la o rată exponențială – tocmai genul de salturi mari ale valorilor care fac calcularea dinamicii atât de dificilă.
„Imaginați-vă că începeți cu o grilă, dar într-un instantaneu, grila s-a extins la o dimensiune masivă ”, a spus Peiris. Cu colaboratorii săi, ea a folosit tehnici precum rafinarea adaptivă a ochiurilor – un proces iterativ de evidențiere a celor mai relevante detalii într-o astfel de grilă la scări din ce în ce mai fine – în simulările sale de inflație pentru a face față complexității. Eugene Lim , fizician la Kings College din Londra, a descoperit că un tip neobișnuit de val de călătorie ar putea ajuta la simplificarea lucrurilor și mai mult.
Răspuns
Totul se extinde – și așa este o întrebare firească de pus. Cum poate totul să se extindă de la orice alt lucru și totuși să se ciocnească?
O parte din vina acestei confuzii constă în tipurile de diagrame și limbaj pe care le folosim pentru a demonstra expansiunea universului. Dacă spun „spațiul dintre fiecare galaxie se extinde, astfel încât fiecare galaxie pare să se îndepărteze de orice altă galaxie”, acesta este un mod bun de a vă face să vă imaginați o expansiune a spațiului. Înseamnă, de asemenea, că ignor orice altceva care se întâmplă care ar putea complica situația, pentru a face extinderea ideii spațiale cât mai clară posibil.
În acest caz, ceea ce complică situația este vechiul nostru prieten gravitate. Dacă fiecare galaxie din univers ar fi distanțată uniform – de exemplu, dacă ar fi toate așezate ca și cum ar fi puncte pe o rețea – atunci descrierea simplă este, de asemenea, una exactă. nu ar mai exista nimic altceva. Fiecare galaxie ar continua să evolueze în izolare totală, îndepărtându-se încet mai departe de orice altceva.
Simulare numerică a densității materie când universul avea 4,7 miliarde de ani. Formarea galaxiei urmează fântânile gravitaționale produse de materia întunecată, unde hidrogenul gaz se coalizează, iar primele stele se aprind. Credit de imagine: V. Springel și colab. 2005, Nature, 435, 629
Nu așa arată universul nostru.Universul nostru arată mult mai mult pe păianjen decât în rețea, cu noduri mari de galaxii și mici filamente de galaxii care se întind de la fiecare nod. Nodurile mari sunt grupuri de galaxii și pot conține mii de galaxii. Omologii lor mai mici, grupurile de galaxii, au câteva galaxii în ele. Propria noastră galaxie se află într-un grup mic, cu Andromeda, și o grămadă de galaxii pitice foarte mici.
Aceste grupuri și grupuri sunt ceea ce se întâmplă atunci când galaxiile se formează suficient de aproape una de cealaltă încât gravitația să le poată strânge. Dacă o galaxie este suficient de aproape de o altă galaxie și nu se mișcă prea repede, gravitația îi va împiedica să se separe vreodată cu adevărat. Aceste galaxii pot petrece multe miliarde de ani căzând una față de cealaltă și, în general, se vor pierde reciproc la prima încercare de coliziune, așa că vor petrece mult mai multe miliarde de ani căzând din nou împreună pentru o secundă, și apoi poate a treia încercare. Galaxia și Andromeda sunt în prima etapă de toamnă împreună, ceea ce va dura probabil aproximativ 3 miliarde de ani înainte să fie greu să ne despărțim de cele două galaxii.
Acest sistem constă dintr-o pereche de galaxii, supranumită NGC 3690 (sau Arp 299), care a făcut o trecere în urmă cu aproximativ 700 de milioane de ani în urmă. Ca urmare a acestei interacțiuni, sistemul a suferit o explozie acerbă de formare a stelelor. În ultimii cincisprezece ani, aproximativ șase supernove au apărut în marginea exterioară a galaxiei, făcând acest sistem o fabrică de supernove distinsă. Credit: NASA, ESA, Hubble Heritage (STScI / AURA) -ESA / Hubble Collaboration și A. Evans (Universitatea din Virginia, Charlottesville / NRAO / Universitatea Stony Brook)
În esență, faptul că vezi coliziunile galaxiei se reduce la două lucruri; galaxiile nu s-au format pe o rețea, iar forța de expansiune a universului nostru este mai puțin puternică decât forța gravitațională pentru galaxiile care sunt aproape una de alta. Dacă forța de expansiune ar fi mult, mult mai puternică decât este, atunci chiar și gravitația ar putea să nu fie capabilă să atragă galaxiile și fiecare galaxie ar fi într-adevăr un univers insular, izolat din toate timpurile. Din fericire pentru noi, gravitația domnește în continuare suprem, atâta timp cât condițiile sunt corecte.