เกิดอะไรขึ้นก่อนบิ๊กแบง?

คลื่นไซน์สีน้ำเงินกว้างไปทางขวาเหนือฟองอากาศขยายไปทางขวา

แนวคิดของศิลปินแสดงรูปแบบของสัญญาณที่สร้างขึ้นโดยนาฬิกามาตรฐานในยุคแรกเริ่มในทฤษฎีต่างๆ ของเอกภพดึกดำบรรพ์ ท็อป: บิ๊กเด้ง. ด้านล่าง: อัตราเงินเฟ้อ รูปภาพผ่านCfA.


เราขอทราบล่วงหน้าถึงสิ่งที่มีอยู่ก่อนจักรวาลของเราเริ่มต้นได้หรือไม่? บางทฤษฎีแนะนำว่า ก่อนบิ๊กแบง สิ่งที่มีอยู่คือทำสัญญาแทนที่จะขยายออกไปดังที่จักรวาลของเราเป็นอยู่ทุกวันนี้ บางทีสิ่งที่หดตัวอาจเป็นเอกภพก่อนหน้านี้เป็นต้น ถ้าเป็นเช่นนั้น สิ่งที่เรามองว่าเป็นบิ๊กแบงนั้นแท้จริงแล้วเป็นส่วนหนึ่งของaบิ๊กเด้ง. แต่ทฤษฎีที่เป็นที่นิยมในจักรวาลของเราเรียกว่าทฤษฎีเงินเฟ้อ,ไม่เรียกร้องให้มีแนวคิดเกี่ยวกับจักรวาลที่หดตัวก่อนหน้านี้

แล้วถ้าทฤษฎีเงินเฟ้อสามารถพิสูจน์ได้ว่าเป็นเท็จล่ะ? ถ้าเป็นเช่นนั้น ประตูจะเปิดออกสู่ทฤษฎีอื่นๆ ซึ่งบางทฤษฎีชี้ให้เห็นถึงสภาวะการหดตัวก่อนที่จักรวาลของเราจะเริ่มขึ้น หากทฤษฎีอัตราเงินเฟ้อสามารถพิสูจน์ได้ว่าเป็นเท็จ เราก็มีศักยภาพที่จะสอบสวน – ผ่านทฤษฎีอื่นๆ เหล่านี้ – จักรวาลก่อนบิกแบง


ตอนนี้ทีมนักวิทยาศาสตร์ที่ Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (CfA) ได้วางวิธีการที่อาจใช้ในการปลอมแปลงอัตราเงินเฟ้อในการทดลอง การศึกษาจะปรากฏในวารสารฟิสิกส์จดหมายทบทวนทางกายภาพเป็นอันคำแนะนำของบรรณาธิการ.

เริ่มจากจุดเริ่มต้นที่นี่ … ตามตัวอักษร อัตราเงินเฟ้อเป็นทฤษฎีที่พูดถึงช่วงเวลาหลังบิกแบงทันที มันอธิบายจักรวาลที่ขยายขนาดอย่างรวดเร็วในเสี้ยววินาที ทฤษฎีเงินเฟ้อแก้ไขความลึกลับที่สำคัญบางประการเกี่ยวกับโครงสร้างและวิวัฒนาการของจักรวาลของเรา แต่ตามที่นักวิทยาศาสตร์ของ CfA ได้กล่าวไว้ ทฤษฎีอื่นๆ ที่แตกต่างกันมาก รวมถึงทฤษฎีที่ยอมให้เอกภพที่หดตัวก่อนหน้านี้และการเด้งกลับครั้งใหญ่ ก็สามารถอธิบายความลึกลับเหล่านี้ได้เช่นกัน นักวิทยาศาสตร์เหล่านี้กล่าวไว้ใน aคำแถลง:

เพื่อช่วยตัดสินใจระหว่างอัตราเงินเฟ้อกับแนวคิดอื่นๆ เหล่านี้ ปัญหาของความเท็จนั่นคือ ไม่ว่าทฤษฎีใดสามารถทดสอบเพื่อแสดงว่าเป็นเท็จได้หรือไม่ - เกิดขึ้นอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้

นักวิจัยบางคน รวมทั้งAvi Loebของ CfA ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของการศึกษาใหม่ ก่อนหน้านี้ได้แสดงความกังวลเกี่ยวกับเงินเฟ้อ โดยอ้างว่าเป็นการยากที่จะปลอมแปลงหากไม่สามารถทำได้ Loeb กล่าวว่า:


ความเท็จควรเป็นจุดเด่นของทฤษฎีทางวิทยาศาสตร์ใดๆ สถานการณ์เงินเฟ้อในปัจจุบันคือแนวคิดที่ยืดหยุ่นเช่นนี้ ไม่สามารถทดลองปลอมแปลงได้ ไม่ว่าผู้คนจะวัดค่าอะไรสำหรับคุณลักษณะที่สังเกตได้ ก็มีโมเดลของอัตราเงินเฟ้อที่สามารถอธิบายได้เสมอ

ทีมนักวิทยาศาสตร์ที่นำโดย CfA'sซิงกัง เฉิน, พร้อมด้วย โลบ และจง-จื่อ เซียนหยู่ของภาควิชาฟิสิกส์ของมหาวิทยาลัยฮาร์วาร์ด ได้ประยุกต์ใช้แนวคิดที่เรียกว่านาฬิกามาตรฐานเบื้องต้นกับทฤษฎีที่ไม่ใช่อัตราเงินเฟ้อ และกำหนดวิธีการที่อาจใช้ในการปลอมแปลงอัตราเงินเฟ้อในการทดลอง

ในความพยายามที่จะค้นหาลักษณะเฉพาะที่สามารถแยกอัตราเงินเฟ้อออกจากทฤษฎีอื่นๆ ได้ ทีมงานได้เริ่มต้นโดยการระบุคุณสมบัติที่กำหนดของทฤษฎีต่างๆ นั่นคือวิวัฒนาการของขนาดของจักรวาลดึกดำบรรพ์ Xianyu กล่าวว่า:

ตัวอย่างเช่น ในช่วงเงินเฟ้อ ขนาดของเอกภพจะเพิ่มขึ้นแบบทวีคูณ ในบางทฤษฎีทางเลือก ขนาดของจักรวาลหดตัว บางคนทำช้ามาก บางคนทำเร็วมาก


คุณลักษณะที่ผู้คนเสนอมาเพื่อวัดมักจะมีปัญหาในการแยกแยะระหว่างทฤษฎีต่างๆ เนื่องจากไม่เกี่ยวข้องโดยตรงกับวิวัฒนาการของขนาดของจักรวาลดึกดำบรรพ์

ดังนั้นเราจึงต้องการค้นหาว่าแอตทริบิวต์ที่สังเกตได้คืออะไรที่สามารถเชื่อมโยงโดยตรงกับคุณสมบัติที่กำหนดนั้น

ตามที่นักวิทยาศาสตร์เหล่านี้ สัญญาณที่สร้างโดยนาฬิกามาตรฐานในยุคแรกเริ่มสามารถตอบสนองวัตถุประสงค์ดังกล่าวได้ พวกเขาอธิบายว่า:

นาฬิกานั้นเป็นอนุภาคมูลฐานหนักประเภทใดก็ตามในเอกภพดึกดำบรรพ์ อนุภาคดังกล่าวควรมีอยู่ในทฤษฎีใด ๆ และตำแหน่งของพวกมันควรแกว่งที่ความถี่ปกติ เหมือนกับการฟ้องของลูกตุ้มของนาฬิกา


เอกภพในยุคแรกเริ่มไม่ได้มีความเหมือนกันทั้งหมด มีความหนาแน่นผิดปกติเล็กน้อยบนเกล็ดขนาดจิ๋วที่กลายเป็นเมล็ดของโครงสร้างขนาดใหญ่ที่สังเกตพบในเอกภพในปัจจุบัน นี่เป็นแหล่งข้อมูลหลักที่นักฟิสิกส์สารสนเทศต้องพึ่งพาเพื่อเรียนรู้เกี่ยวกับสิ่งที่เกิดขึ้นก่อนบิกแบง

ขีดของนาฬิกามาตรฐานสร้างสัญญาณที่ประทับอยู่ในโครงสร้างของสิ่งผิดปกติเหล่านั้น นาฬิกามาตรฐานในทฤษฎีต่างๆ ของเอกภพดึกดำบรรพ์ทำนายรูปแบบสัญญาณต่างๆ เนื่องจากประวัติศาสตร์วิวัฒนาการของจักรวาลต่างกัน

เฉินกล่าวว่า:

หากเราจินตนาการถึงข้อมูลทั้งหมดที่เราเรียนรู้จนถึงตอนนี้เกี่ยวกับสิ่งที่เกิดขึ้นก่อนที่บิ๊กแบงจะอยู่ในกรอบฟิล์มหนึ่งม้วน นาฬิกามาตรฐานจะบอกเราว่าควรเล่นเฟรมเหล่านี้อย่างไร หากไม่มีข้อมูลนาฬิกาใดๆ เราไม่รู้ว่าควรเล่นภาพยนตร์ไปข้างหน้าหรือข้างหลัง เร็วหรือช้า เช่นเดียวกับที่เราไม่แน่ใจว่าจักรวาลในยุคแรกเริ่มพองตัวหรือหดตัว และมันทำได้เร็วแค่ไหน นี่คือที่ที่ปัญหาอยู่ นาฬิกามาตรฐานจะประทับเวลาในแต่ละเฟรมเหล่านี้เมื่อภาพยนตร์ถูกถ่ายทำก่อนบิ๊กแบง และบอกเราถึงวิธีการเล่นภาพยนตร์

ทีมงานได้คำนวณว่าสัญญาณนาฬิกามาตรฐานเหล่านี้ควรมีลักษณะอย่างไรในทฤษฎีที่ไม่ใช่อัตราเงินเฟ้อ และแนะนำว่าควรค้นหาสัญญาณเหล่านี้อย่างไรในการสังเกตการณ์ทางดาราศาสตร์ฟิสิกส์ ผู้เขียนร่วม Xianyu กล่าวว่า:

หากพบรูปแบบของสัญญาณที่แสดงถึงเอกภพที่หดตัว มันจะปลอมแปลงทฤษฎีเงินเฟ้อทั้งหมด

เฉินกล่าวเสริมว่าความสำเร็จของแนวคิดนี้อยู่ที่การทดลอง เขาพูดว่า:

สัญญาณเหล่านี้จะละเอียดอ่อนมากในการตรวจจับ ดังนั้นเราจึงอาจต้องค้นหาในสถานที่ต่างๆ มากมาย การแผ่รังสีไมโครเวฟพื้นหลังของจักรวาลเป็นหนึ่งในสถานที่ดังกล่าว และการกระจายของดาราจักรก็เป็นอีกที่หนึ่ง เราได้เริ่มค้นหาสัญญาณเหล่านี้แล้วและมีผู้สมัครที่น่าสนใจอยู่แล้ว …

พวกเขากล่าวว่าเช่นเคย จำเป็นต้องมีข้อมูลเชิงสังเกตเพิ่มเติมเพื่อแสดงแนวคิดเชิงทฤษฎีเหล่านี้

บรรทัดล่าง: เราไม่รู้ว่าเกิดอะไรขึ้นก่อนบิ๊กแบง แต่ทฤษฎีจักรวาลวิทยาบางทฤษฎีแนะนำให้มีการหดตัวก่อนหน้านั้น บางทีจักรวาลก่อนหน้านี้กำลังหดตัว น่าเสียดายที่ทฤษฎีจักรวาลวิทยาที่ได้รับความนิยมมากที่สุดในปัจจุบัน – ทฤษฎีอัตราเงินเฟ้อ – ไม่ได้เรียกร้องให้มีแนวคิดนี้ ตอนนี้นักวิทยาศาสตร์ที่ CfA ได้คิดค้นวิธีที่ทฤษฎีเงินเฟ้ออาจถูกปลอมแปลง หากมีการปลอมแปลง ประตูก็จะเปิดกว้างสำหรับทฤษฎีอื่นๆ บางส่วนที่บ่งบอกถึงการหดตัวของบิ๊กแบงก่อนเกิด

ที่มา: ลายนิ้วมือที่ไม่ซ้ำกันของทางเลือกของอัตราเงินเฟ้อใน Primordial Power Spectrum

งานก่อนหน้าที่เกี่ยวข้อง: Quantum Primordial Standard Clocks

ผ่าน CfA