29.6: Ulimwengu wa mfumuko wa bei

Malengo ya kujifunza

Mwishoni mwa sehemu hii, utaweza:

• Eleza mali mbili muhimu za ulimwengu ambazo mfano rahisi wa Big Bang hauwezi kuelezea
• Eleza kwa nini sifa hizi mbili za ulimwengu zinaweza kuhesabiwa kama kulikuwa na kipindi cha upanuzi wa haraka (mfumuko wa bei) wa ulimwengu tu baada ya Big Bang
• Jina majeshi manne ambayo hudhibiti michakato yote ya kimwili katika ulimwengu

Mfano wa moto wa Big Bang ambao tumekuwa tukielezea unafanikiwa sana. Inahesabu upanuzi wa ulimwengu, anaelezea uchunguzi wa CMB, na kwa usahihi anatabiri wingi wa vipengele vya mwanga. Kama inavyogeuka, mfano huu pia unatabiri kuwa kuna lazima iwe na aina tatu za neutrinos katika asili, na utabiri huu umethibitishwa na majaribio ya kasi ya juu ya nishati. Hatuwezi kupumzika tu bado, hata hivyo. Mfano huu wa kawaida wa ulimwengu hauelezei uchunguzi wote tuliofanya kuhusu ulimwengu kwa ujumla.

Matatizo na Mfano wa Standard Big Bang

Kuna sifa kadhaa za ulimwengu ambazo zinaweza kuelezewa tu kwa kuzingatia zaidi kile kinachoweza kutokea kabla ya chafu ya CMB. Tatizo moja na mfano wa kiwango cha Big Bang ni kwamba hauelezei kwa nini wiani wa ulimwengu ni sawa na wiani muhimu. Uzito wa wingi ungekuwa, baada ya yote, chini sana na madhara ya nishati ya giza ya juu kiasi kwamba upanuzi ungekuwa haraka sana kutengeneza galaxi yoyote kabisa. Vinginevyo, kunaweza kuwa na jambo kubwa sana kwamba ulimwengu ungekuwa tayari umeanza mkataba muda mrefu kabla ya sasa. Kwa nini ulimwengu una usawa kwa usahihi juu ya makali ya kisu ya wiani muhimu?

Puzzle nyingine ni usawa wa ajabu wa ulimwengu. Joto la CMB ni sawa na sehemu 1 katika 100,000 kila mahali tunayoangalia. Ufanisi huu unaweza kutarajiwa kama sehemu zote za ulimwengu unaoonekana ziliwasiliana wakati fulani na zilikuwa na wakati wa kuja joto sawa. Kwa njia hiyo, ikiwa tutaweka barafu ndani ya glasi ya maji ya vuguvugu na kusubiri muda, barafu litayeyuka na maji yatapungua mpaka wawe joto sawa.

Hata hivyo, ikiwa tunakubali mfano wa kiwango cha Big Bang, sehemu zote za ulimwengu unaoonekana hazikuwasiliana wakati wowote. Haraka ambayo habari inaweza kwenda kutoka hatua moja hadi nyingine ni kasi ya mwanga. Kuna umbali wa juu ambao nuru inaweza kusafiri kutoka hatua yoyote tangu wakati ulimwengu ulipoanza—hiyo ni mwanga wa umbali ungeweza kufunika tangu wakati huo. Umbali huu unaitwa umbali wa upeo wa kiwango hicho kwa sababu chochote mbali zaidi ni “chini ya upeo wake” -hawezi kuwasiliana nayo. Eneo moja la angani linalotenganishwa na zaidi ya umbali wa upeo wa macho kutoka kwa mwingine limetengwa kabisa nayo kupitia historia nzima ya ulimwengu.

Ikiwa tunapima CMB katika pande mbili kinyume mbinguni, tunaangalia mikoa ambayo ilikuwa kwa kiasi kikubwa zaidi ya umbali wa upeo wa macho ya kila mmoja wakati CMB ilipotolewa. Tunaweza kuona mikoa yote, lakini hawawezi kamwe kuona kila mmoja. Kwa nini, basi, joto lao ni sawa sawa? Kwa mujibu wa mfano wa kiwango cha Big Bang, hawajawahi kubadilishana habari, na hakuna sababu wanapaswa kuwa na joto sawa. (Ni kidogo kama kuona nguo ambazo wanafunzi wote huvaa katika shule mbili katika sehemu mbalimbali za dunia zinafanana, bila ya wanafunzi kuwahi kuwasiliana.) Maelezo pekee tunayoweza kupendekeza ni kwamba ulimwengu kwa namna fulani ulianza kuwa sare kabisa (ambayo ni kama kusema wanafunzi wote walizaliwa wakipenda nguo sawa). Wanasayansi daima hawana wasiwasi wakati wanapaswa kukata rufaa kwa seti maalum ya hali ya awali ili kuhesabu kile wanachokiona.

Hypothesis ya mfumuko wa bei

Wataalamu wengine wa fizikia walipendekeza kuwa sifa hizi za kimsingi za cosmo-flatness yake na usawa-zinaweza kuelezewa kama muda mfupi baada ya Big Bang (na kabla ya chafu ya CMB), ulimwengu ulipata ongezeko la ghafla la ukubwa. Ulimwengu wa mfano ambao upanuzi huu wa haraka, mapema hutokea huitwa ulimwengu wa mfumuko wa bei. Ulimwengu wa mfumuko wa bei unafanana na ulimwengu wa Big Bang kwa wakati wote baada ya pili ya 10 ^—30 ya kwanza. Kabla ya hapo, mfano unaonyesha kuwa kulikuwa na kipindi kifupi cha upanuzi wa haraka wa ajabu au mfumuko wa bei, wakati ambapo ukubwa wa ulimwengu uliongezeka kwa sababu ya mara 1050 zaidi kuliko ilivyotabiriwa na mifano ya kawaida ya Big Bang (Kielelezo\(\PageIndex{1}\)).

Kielelezo\(\PageIndex{1}\) Upanuzi wa Ulimwengu. Grafu hii inaonyesha jinsi sababu ya ukubwa wa ulimwengu unaoonekana inabadilika na wakati wa mfano wa kiwango cha Big Bang (mstari mwembamba) na kwa mfano wa mfumuko wa bei (mstari wa bluu). (Kumbuka kuwa kiwango cha chini chini kinasisitizwa sana.) Wakati wa mfumuko wa bei, mikoa ambayo ilikuwa ndogo sana na katika kuwasiliana na kila mmoja hupigwa ghafla ili kuwa kubwa zaidi na nje ya umbali wa upeo wa macho wa kila mmoja. Mifano mbili ni sawa kwa nyakati zote baada ya 10 ^—30 pili.

Kabla ya (na wakati wa) mfumuko wa bei, sehemu zote za ulimwengu ambazo tunaweza kuona sasa zilikuwa ndogo sana na karibu na kila mmoja ili zingeweza kubadilishana habari, yaani umbali wa upeo wa macho ulijumuisha ulimwengu wote ambao tunaweza kuona sasa. Kabla (na wakati) mfumuko wa bei, kulikuwa na muda wa kutosha kwa ulimwengu unaoonekana ili kujifanya yenyewe na kuja joto sawa. Kisha, mfumuko wa bei ulipanua mikoa hiyo kwa kiasi kikubwa, ili sehemu nyingi za ulimwengu sasa ziko zaidi ya upeo wa macho ya kila mmoja.

Rufaa nyingine ya mfano wa mfumuko wa bei ni utabiri wake kwamba wiani wa ulimwengu unapaswa kuwa sawa na wiani muhimu. Ili kuona kwa nini hii ni hivyo, kumbuka kwamba curvature ya spacetime ni undani wanaohusishwa na wiani wa jambo. Kama ulimwengu ulianza na baadhi curvature ya spacetime yake, mlinganisho mmoja kwa ajili yake inaweza kuwa ngozi ya puto. Kipindi cha mfumuko wa bei kilikuwa sawa na kupiga puto kwa ukubwa mkubwa. Ulimwengu ulikuwa mkubwa sana kwamba kutoka kwa mtazamo wetu, hakuna curvature inapaswa kuonekana (Kielelezo\(\PageIndex{2}\)). Kwa njia hiyo hiyo, uso wa dunia ni mkubwa sana kwamba unaonekana gorofa kwetu bila kujali tulipo wapi. Mahesabu yanaonyesha kwamba ulimwengu usio na curvature ni moja ambayo ni katika wiani muhimu. Universes na densities ama juu au chini ya wiani muhimu bila kuonyesha alama curvature. Lakini tuliona kwamba uchunguzi wa CMB, ambao unaonyesha kwamba ulimwengu una wiani mkubwa, unatawala uwezekano kwamba nafasi imepigwa kwa kiasi kikubwa.

\(\PageIndex{2}\)Kielelezo Analogy kwa Mfumuko wa mfumuko.Katika kipindi cha mfumuko wa bei ya haraka, puto iliyopigwa inakua kubwa sana kwamba kwa mwangalizi yeyote wa ndani inaonekana gorofa. Inset inaonyesha jiometri kutoka kwa mtazamo wa ant.

Nadharia kuu umoja

Wakati mfumuko wa bei ni wazo la kusisimua na linakubaliwa sana na watafiti, hatuwezi kuchunguza matukio mapema sana ulimwenguni. Hali wakati wa mfumuko wa bei ilikuwa kali sana kwamba hatuwezi kuzaliana nao katika maabara yetu au kasi ya nishati ya juu, lakini wanasayansi wana mawazo kuhusu kile ambacho ulimwengu ungekuwa kama. Mawazo haya huitwa “nadharia kuu za umoja” au GUTs.

Katika mifano ya GUT, nguvu ambazo tunajua hapa duniani, ikiwa ni pamoja na mvuto na umeme, zilikuwa tofauti sana katika hali mbaya ya ulimwengu wa mapema kuliko wanavyofanya leo. Katika sayansi ya kimwili, neno nguvu hutumiwa kuelezea chochote kinachoweza kubadilisha mwendo wa chembe au mwili. Moja ya uvumbuzi wa ajabu wa sayansi ya kisasa ni kwamba michakato yote inayojulikana ya kimwili inaweza kuelezewa kupitia hatua ya vikosi vinne tu: mvuto, umeme, nguvu ya nyuklia, na nguvu dhaifu ya nyuklia (Jedwali\(\PageIndex{1}\)).

Kielelezo\(\PageIndex{1}\): Nguvu za Nature

Nguvu	Nguvu ya Jamaa Leo	Mbalimbali ya Action	Matumizi muhimu
Mvuto	1	Ulimwengu wote	Mwendo wa sayari, nyota, galaxi
Electromagnetism	10 ^36	Ulimwengu wote	Atomi, molekuli, umeme, magnetic mashamba
Nguvu ya nyuklia	10 ^33	Mita 10 ^—17	Mionzi kuoza
Nguvu ya nyuklia	10 ^38	Mita 10 ^—15	Kuwepo kwa nuclei ya atomiki

Mvuto ni labda nguvu inayojulikana zaidi, na kwa hakika inaonekana imara ikiwa unaruka kwenye jengo refu. Hata hivyo, nguvu ya mvuto kati ya chembe mbili za msingi-kusema protoni mbili-ni kwa mbali dhaifu zaidi ya vikosi vinne. Electromagnetism-ambayo ni pamoja na majeshi ya magnetic na umeme, ana atomi pamoja, na hutoa mionzi sumakuumeme kwamba sisi kutumia kujifunza ulimwengu - ni nguvu zaidi, kama unaweza kuona katika Kielelezo\(\PageIndex{1}\). Nguvu dhaifu ya nyuklia ni dhaifu tu ikilinganishwa na “binamu” yake yenye nguvu, lakini kwa kweli ni nguvu zaidi kuliko mvuto.

Vikosi vya nyuklia dhaifu na vikali vinatofautiana na vikosi viwili vya kwanza kwa kuwa vinatenda kwa umbali mdogo sana—zile zinazofanana na ukubwa wa kiini atomia au chini. Nguvu dhaifu inahusika katika kuoza kwa mionzi na katika athari zinazosababisha uzalishaji wa neutrinos. Nguvu kali inashikilia protoni na nyutroni pamoja katika kiini atomia.

Wataalamu wa Fizikia wamejiuliza kwa nini kuna vikosi vinne ulimwengu—kwa nini sio 300 au, ikiwezekana, moja tu? Hint muhimu linatokana na jina nguvu ya umeme. Kwa muda mrefu, wanasayansi walidhani kwamba nguvu za umeme na sumaku zilikuwa tofauti, lakini James Clerk Maxwell (tazama sura juu ya Mionzi na Spectra) aliweza kuunganisha vikosi hivi-kuonyesha kwamba ni mambo ya uzushi huo. Kwa njia hiyo hiyo, wanasayansi wengi (ikiwa ni pamoja na Einstein) wamejiuliza kama vikosi vinne tunavyojua sasa vinaweza pia kuunganishwa. Fizikia kwa kweli maendeleo GUTs kwamba kuunganisha tatu ya vikosi nne (lakini si mvuto).

Katika nadharia hizi, vikosi vya nguvu, dhaifu, na sumakuumeme si vikosi vitatu vya kujitegemea lakini badala yake ni maonyesho tofauti au mambo ya kile, kwa kweli, nguvu moja. Nadharia zinatabiri kuwa kwa joto la kutosha, kutakuwa na nguvu moja tu. Kwa joto la chini (kama vile katika ulimwengu leo), hata hivyo, nguvu hii moja imebadilika kuwa vikosi vitatu tofauti (Kielelezo\(\PageIndex{3}\)). Kama vile gesi tofauti au vinywaji hufungia kwa joto tofauti, tunaweza kusema kwamba vikosi tofauti “vimejitokeza” ya nguvu ya umoja kwa joto tofauti. Kwa bahati mbaya, joto ambalo vikosi vitatu vilifanya kama kikosi kimoja ni cha juu kiasi kwamba haziwezi kufikiwa katika maabara yoyote duniani. Ulimwengu wa mwanzo tu, wakati mwingine kabla ya 10 ^—35 pili, ulikuwa moto wa kutosha kuunganisha vikosi hivi.

Kielelezo\(\PageIndex{3}\) Nne Forces Hiyo Serikali Universe.Tabia ya vikosi vinne inategemea joto la ulimwengu. Mchoro huu (ulioongozwa na nadharia nyingi za umoja) unaonyesha kwamba wakati wa mapema sana wakati hali ya joto ya ulimwengu ilikuwa ya juu sana, vikosi vyote vinne vilifanana na hazijulikani. Kama ulimwengu ulipopozwa, majeshi yalichukua sifa tofauti na tofauti.

Wafizikia wengi wanafikiri kwamba mvuto pia uliunganishwa na vikosi vingine vitatu kwenye joto la juu bado, na wanasayansi wamejaribu kuendeleza nadharia inayochanganya vikosi vyote vinne. Kwa mfano, katika nadharia ya kamba, chembe zinazofanana na uhakika ambazo tumejadiliwa katika kitabu hiki zinabadilishwa na vitu vya mwelekeo mmoja vinavyoitwa masharti. Katika nadharia hii, masharti madogo, ambayo yana urefu lakini si urefu au upana, ni vitalu vya ujenzi vinavyotumika kujenga aina zote za suala na nishati katika ulimwengu. Mikanda hii iko katika nafasi ya 11-dimensional (sio nafasi ya 4-dimensional ambayo tunajua). Mikanda hutetemeka kwa vipimo mbalimbali, na kulingana na jinsi yanavyotetemeka, huonekana katika ulimwengu wetu kama jambo au mvuto au nuru. Kama unaweza kufikiria, hisabati ya nadharia ya kamba ni ngumu sana, na nadharia bado haijatambuliwa na majaribio. Hata kasi za chembe kubwa duniani hazifikii nishati ya juu ya kutosha kuonyesha kama nadharia ya kamba inatumika kwa ulimwengu halisi.

Nadharia ya kamba ni ya kuvutia kwa wanasayansi kwa sababu kwa sasa ni mbinu pekee inayoonekana kuwa na uwezo wa kuchanganya vikosi vyote vinne ili kuzalisha kile ambacho wanafizikia wameita “Nadharia ya Kila kitu”. ^Nadharia za awamu za mwanzo za ulimwengu zinapaswa kuzingatia mechanics ya quantum na mvuto, lakini kwa kiwango rahisi, mvuto na mechanics ya quantum hazikubaliani. Uhusiano wa jumla, nadharia yetu bora ya mvuto, inasema kwamba mwendo wa vitu unaweza kutabiriwa hasa. Quantum mechanics anasema unaweza tu kuhesabu uwezekano (nafasi) kwamba kitu kufanya kitu. Nadharia ya kamba ni jaribio la kutatua kitendawili hiki. Hisabati inayoimarisha nadharia ya kamba ni ya kifahari na nzuri, lakini inabakia kuonekana kama itafanya utabiri ambao unaweza kupimwa na uchunguzi katika kasi ya juu ya nishati duniani au kwa uchunguzi wa ulimwengu wa mapema.

Kipindi cha mwanzo kabisa katika historia ya ulimwengu kuanzia wakati sifuri hadi 10 ^—43 pili huitwa wakati wa Planck. Ulimwengu ulikuwa unimaginably moto na mnene, na wanadharia wanaamini kwamba kwa wakati huu, madhara ya quantum ya mvuto yaliongoza mwingiliano wa kimwili-na, kama tulivyojadiliwa tu, hatuna nadharia iliyojaribiwa ya mvuto wa quantum. Mfumuko wa bei unadhaniwa kuwa umetokea kiasi fulani baadaye, wakati ulimwengu ulikuwa kati ya labda 10 ^—35 na 10 ^—33 ya pili ya zamani na halijoto ilikuwa 10 ²⁷ hadi 10 ²⁸ K. upanuzi huu wa haraka ulifanyika wakati vikosi vitatu (sumakuumeme, nguvu, na dhaifu) ni walidhani kuwa umoja, na hii ni wakati GUTs zinatumika.

Baada ya mfumuko wa bei, ulimwengu uliendelea kupanua (lakini polepole zaidi) na baridi. Hatua muhimu ilifikiwa wakati joto lilipungua hadi 10 ¹⁵ K na ulimwengu ulikuwa na umri wa pili wa ^{10 —10}. Chini ya hali hizi, vikosi vyote vinne vilikuwa tofauti na tofauti. High-nishati chembe accelerators inaweza kufikia hali kama hiyo, na hivyo nadharia ya historia ya ulimwengu kutoka hatua hii juu ya kuwa na msingi wa sauti katika majaribio.

Bado, hatuna ushahidi wa moja kwa moja wa hali gani zilikuwa wakati wa mfumuko wa bei, na mawazo yaliyowasilishwa hapa ni ya kubahatisha. Watafiti ni kujaribu kupanga baadhi ya vipimo vya majaribio. Kwa mfano, kushuka kwa kiasi kikubwa katika ulimwengu wa mapema sana ingekuwa imesababisha tofauti katika wiani na zinazozalishwa mawimbi ya mvuto ambayo inaweza kuwa kushoto alama detectable juu ya CMB. Kugundua alama hiyo itahitaji uchunguzi na vifaa ambavyo unyeti umeboreshwa kutokana na kile tunacho leo. Hatimaye, hata hivyo, inaweza kutoa uthibitisho kwamba tunaishi katika ulimwengu ambao mara moja ulipata wakati wa mfumuko wa bei haraka.

Kama wewe ni mfano wa wanafunzi ambao kusoma kitabu hiki, unaweza kuwa wamepata mjadala huu mfupi wa jambo giza, mfumuko wa bei, na cosmology kidogo frustrating. Tumetoa kielelezo cha nadharia na uchunguzi, lakini tumefufua maswali zaidi kuliko tulivyojibu. Nini jambo la giza? Nishati ya giza ni nini? Mfumuko wa bei unaelezea uchunguzi wa flatness na usawa wa chuo kikuu, lakini je, kweli ilitokea? Mawazo haya ni mbele ya sayansi ya kisasa, ambapo maendeleo karibu daima husababisha puzzles mpya, na kazi nyingi zinahitajika kabla ya kuona wazi. Kumbuka kwamba chini ya karne imepita tangu Hubble alionyesha kuwepo kwa galaxi nyingine. Jitihada za kuelewa jinsi ulimwengu wa galaxi ulivyokuja utawafanya wanaastronomia kufanya kazi kwa muda mrefu ujao.

Muhtasari

Mfano wa Big Bang hauelezei kwa nini CMB ina joto sawa katika pande zote. Wala haina kueleza kwa nini wiani wa ulimwengu ni karibu sana na wiani muhimu. Uchunguzi huu unaweza kuelezewa kama ulimwengu ulipata kipindi cha upanuzi wa haraka, ambao wanasayansi huita mfumuko wa bei, kuhusu 10 ^—35 pili baada ya Big Bang. Nadharia mpya mpya za umoja (GUTs) zinatengenezwa ili kuelezea michakato ya kimwili katika ulimwengu kabla na wakati ambapo mfumuko wa bei ulitokea.

maelezo ya chini

³ Jina hili likawa jina la filamu kuhusu mwanafizikia Stephen Hawking mwaka 2014.

faharasa

nadharia kuu ya umoja

(GUTs) nadharia za kimwili zinazojaribu kuelezea majeshi manne ya asili kama maonyesho tofauti ya nguvu moja

mfumuko wa bei ulimwengu

nadharia ya kosmolojia ambayo ulimwengu unadhaniwa kuwa umepata awamu ya upanuzi wa haraka sana wakati ulimwengu ulikuwa na umri wa pili wa 10-35; baada ya kipindi hiki cha upanuzi wa haraka, mifano ya kiwango cha Big Bang na mfumuko wa bei ni sawa