نظرة عامة على اختلافات درجة الحرارة في الخلفية الكونية للميكروويف ، التي تم إنشاؤها عندما كان عمر المجرة أقل من 400000 سنة ، مصنوعة من تسع سنوات من الملاحظات من مسبار ويلكينسون للميكروويف المتغاير (WMAP).
(الصورة: © NASA)
بول سوتر عالم فيزياء فلكية في جامعة ولاية أوهايو وكبير العلماء في مركز علوم COSI. Sutter هو أيضا المضيف "اسأل رائد فضاء" ، "راديو الفضاء" ، ويقود AstroTours حول العالم. ساهم سوتر بهذا المقال في أصوات خبراء Space.com: Op-Ed & Insights.
نموذج Big Bang هو أنجح تفسير لنا لتاريخ الكون الذي نعيش فيه ، ومن السهل للغاية تغليف إطاره الأساسي في جملة واحدة قابلة للقمصان: منذ زمن بعيد ، كان عالمنا أصغر كثيرًا. من هذا البيان البسيط يتدفق تنبؤات رئيسية قابلة للاختبار تم التحقق منها من خلال عقود من الملاحظة. معدل تمدد الكون. خلفية الميكروويف الكونية. إنتاج العناصر الأخف وزنا. الاختلافات بين المجرات القريبة والبعيدة. جميع خطوط الأدلة المثيرة التي تجعل علم الكونيات علمًا.
ولكن هناك بعض القضايا. [الكون: الانفجار الكبير حتى الآن في 10 خطوات سهلة]
لا يستطيع نموذج "الفانيليا" Big Bang ، بدون أي إضافات أو تعديلات أخرى ، تفسير جميع الملاحظات.
(VideoProviderTag | jwplayer | uQ0wgEwg | 100٪ | 100٪))
عيون في الأفق
يمكننا أن نرى حجمًا هائلاً من المساحة الخام. يبلغ قطر كوننا المرئي أكثر من 90 مليار سنة ضوئية. وكلما نظرنا إلى أبعد من ذلك نحن ننظر إلى الماضي الأعمق. يحيط بنا الخلفية الكونية للميكروويف ، الضوء الأحفوري المتبقي الذي تم إصداره عندما كان الكون بالكاد حديثي الولادة - كان عمره 270.000 عام فقط ، أكثر من 13.8 مليار سنة في الماضي.
يأتي هذا الضوء إلينا من مسافات بعيدة من الكون ، بعيدة جدًا لدرجة أنه لا يمكن الوصول إلينا الآن. ولا يمكن الوصول إلى أقسام مختلفة من ضوء الخلفية مع بعضها البعض. في لغة الفيزياء الرائعة ، لا ترتبط مناطق الخلفية الكونية الميكروية سببيًا. بعبارة أخرى ، لكي تتواصل قطعة واحدة من حدود عالمنا المرئي مع قطعة أخرى في السنوات الـ 13.8 مليار الماضية ، كان عليهم أن يرسلوا إشارات أسرع من سرعة الضوء.
وهو ما لن يكون مشكلة كبيرة على الإطلاق إذا لم تكن خلفية الميكروويف الكونية سلسة تمامًا. كان للكون الرضيع نفس درجة الحرارة لجزء واحد في المليون. كيف حصل الجميع على تنسيق جيد للغاية عندما لم يكن لدى التغييرات في منطقة ما الوقت الكافي للتأثير على الآخرين؟
مباشرة وضيقة
بأفضل شكل يمكننا قياسه ، تبدو هندسة كوننا مسطحة تمامًا ، ومملّة للغاية. في المقاييس الكونية الكبيرة ، تبقى الخطوط المتوازية متوازية إلى الأبد ، وتضيف الزوايا الداخلية للمثلثات ما يصل إلى 180 درجة ، وهكذا. تنطبق جميع قواعد الهندسة الإقليدية التي تعلمتها في المدرسة الثانوية.
لكن لا يوجد السبب لكي يكون الكون مسطحًا. على نطاق واسع ، كان يمكن أن يكون لديها أي انحناء قديم تريده. كان يمكن للكون أن يتشكل على شكل كرة شاطئ عملاقة متعددة الأبعاد ، أو سرج ركوب الخيل. ولكن ، لا ، اختار شقة. وليس فقط مسطح قليلاً. لكي لا نقيس أي انحناء بدقة تبلغ بضعة في المائة في الكون المعاصر ، لا بد أن الكون الشاب كان مسطحًا في جزء واحد في المليون.
لماذا ا؟ من بين جميع الخيارات الممكنة للانحناء ، ألا تبدو شقة شبه مثالية مشبوهة قليلاً؟ وبالفعل ، نشك في أن هناك سببًا للتسطيح ، وهي ليست مجرد لفة حظ من الزهر.
قطب واحد فقط
الاحتكار المغناطيسي هي وحوش نظرية. الكسور في الزمكان نفسه التي تُظهر فقط أحد الأقطاب المغناطيسية - تخيل جسيمًا شماليًا أو جنوبيًا يتجول في جسمه الوحيد. (في المادة التي نعرفها ، سيكون للجسم ذو الشمال المغناطيسي أيضًا جنوب مغناطيسي على الطرف الآخر.) وفقًا لأفضل نماذجنا للكون المبكر للغاية (كما في ، عندما كان عمره حوالي 10 ^ -35 ثانية ، ولا ، هذا ليس خطأ مطبعيًا) كان يجب أن تغمر العملية الغريبة الكون تمامًا بهذه الأضرار.
يجب أن تكون هذه الأحادية شائعة لدرجة أنها ستكون جزءًا طبيعيًا من حياتنا الكونية اليومية. ومع ذلك ، لم نر أدلة على وجود دليل واحد. صفر. Zilch. لا يبدو أن وحوشًا أحادية القطب تتربص في المياه المائلة للملوحة للكون المظلم.
اذا الى اين ذهبوا؟ كان يجب أن يتم تصنيعها بكثرة كما كان عالمنا مثيرًا للاهتمام ، لكن لم يتم العثور عليها في أي مكان.
فقط اجعلها كبيرة
أفضل حل لدينا لهذه الألغاز هو عملية تسمى التضخم. تم اقتراح الفكرة لأول مرة - وصاغها! - من قبل الفيزيائي آلان جوث في عام 1980 عندما اقترح أن نفس العملية الغريبة التي أغرقت الكون بقطب أحادي مغناطيسي يمكن أن ترسل الكون إلى فترة من التوسع السريع بشكل مذهل.
تخيل لو أنك تضخمت - جسدك ، شجاعتك ، دماغك ، هيكلك العظمي ، الصفقة كلها - بحجم الكون الذي يمكن ملاحظته بالكامل وتخيل أن الأمر استغرق مني أقل من 10 ^ -32 ثانية للقيام بذلك. هذا بعض التوسع الجدي ، وهذا بالضبط ما نعنيه بالتضخم. عندما كان كوننا صغيرًا جدًا ، اقترح جوث ذلك متضخم لمثل هذه المقاييس الهائلة في أقل من غمضة عين.
بالنسبة لجوث ، كان ذلك هو أنظف طريق لحل مشكلة الاحتكار. بجعل الكون رقيق جدا كبير، ببساطة يتم تخفيف الاحتكار. إن رقعة الكون التي يمكن ملاحظتها ليست سوى زاوية واحدة صغيرة من شيبانغ بأكمله ، وهناك الكثير من الحجم هناك لدرجة أنه لا ينبغي أن نتوقع مواجهة احتكار ، مثل أي وقت مضى.
هذه الفترة التضخمية تحل أيضًا العيوب الأخريين للفانيليا Big Bang. كان للكون ما قبل التضخم الكثير من الوقت لتنسيق وموازنة درجات الحرارة قبل أن تتحول إلى حالة أكبر بكثير ، فتقذف المناطق التي كانت متصلة ذات مرة خارج الاتصال الإضافي. وفي مثل هذا الكون الضخم للغاية ، لا يسعنا إلا أن نقيس الهندسة المسطحة في رقعتنا الملحوظة. من يهتم بانحناء الكون كله - إنه كبير جدًا لدرجة أنه سيبدو مسطحًا بالنسبة لنا. الأرض منحنية ، لكن حديقتنا الخلفية جميلة ومسطحة ، لأنها أصغر بكثير من سطح كوكبنا. فقط قم بتطبيق نفس المنطق على المقاييس الكونية وأنت ذهبي.
ومع ذلك ، لا تزال الآليات الكامنة وراء التضخم غير مفهومة ، وبغية اعتبارها نظرية علمية محترمة في منتصف الطريق ، لا يمكنها فقط تفسير الملاحظات الحالية ولكن وضع توقعات للملاحظات المستقبلية.
وستكون هذه القصة ليوم آخر.
تعرف على المزيد من خلال الاستماع إلى الحلقة "لماذا نحتاج إلى تضخم كوني؟ (الجزء 2)" على بودكاست Ask a Spaceman ، المتوفر على iTunes وعلى الويب على http://www.askaspaceman.com. بفضل Massimiliano S. ، Lorenzo B. ،ZachCoty ، Pete E. ، Christian W. ،up_raw ، Vicki K. ، Thomas ، Banda C. ، Steve S. ، Evan W. ، Andrew P. ،MarkRiepe ، @ Luft08 و @ kazoukis و Gordon M. و Jim W. و Cosmic Wakes و Floren H. و Gabi P. و Amanda Z. و @ scaredjackel للأسئلة التي أدت إلى هذه القطعة! اطرح سؤالك على Twitter باستخدام #AskASpaceman أو باتباع PaulPaulMattSutter و facebook.com/PaulMattSutter. تابعنا على TwitterSpacedotcom وعلى Facebook. المقالة الأصلية على موقع Space.com.
