Undersøgelse skitserer nyt forslag til sondering af uruniverset

Næsten alle kender Big Bang - forestillingen om, at en umuligt varm, tætte univers eksploderede til det, vi kender i dag. Men hvad ved vi om det, der kom før?

I jagten på at løse flere gåder opdaget i Big Bangs oprindelige tilstand, forskere har udviklet en række teorier til at beskrive det oprindelige univers, den mest succesfulde heraf - kendt som kosmisk inflation - beskriver, hvordan universet dramatisk ekspanderede i størrelse på en flygtig brøkdel af et sekund lige før Big Bang.

Men lige så vellykket som inflationsteorien har været, kontroverser har ført til aktive debatter gennem årene.

Nogle forskere har udviklet meget forskellige teorier for at forklare de samme eksperimentelle resultater, der hidtil har understøttet inflationsteorien. I nogle af disse teorier, uruniverset trak sig sammen i stedet for at ekspandere, og Big Bang var således en del af et Big Bounce.

Nogle forskere - herunder Avi Loeb, Frank B. Baird, Jr. professor i videnskab og formand for astronomiafdelingen - har rejst bekymringer om teorien, tyder på, at dens tilsyneladende endeløse tilpasningsevne gør det næsten umuligt at teste.

"Den nuværende situation for inflation er, at det er en så fleksibel idé ... det kan ikke forfalskes eksperimentelt, "Sagde Loeb." Uanset hvilket resultat af de observerbare mennesker, der blev sat til at måle, ville vise sig at blive, der er altid nogle modeller for inflation, der kan forklare det. "Derfor, eksperimenter kan kun hjælpe med at sømme nogle modeldetaljer inden for rammerne af inflationsteorien, men kan ikke teste gyldigheden af ​​selve rammen. Imidlertid, forfalskning bør være et kendetegn for enhver videnskabelig teori.

Det er her, Xingang Chen kommer ind.

En lektor i astronomi, Chen og hans samarbejdspartnere har i mange år udviklet ideen om at bruge noget, han kaldte et "ur -standardur" som en sonde på uruniverset. Sammen med Loeb og Zhong-Zhi Xianyu, en postdoktor i fysikafdelingen, Chen anvendte denne idé på de ikke -inflationære teorier, efter at han lærte om en intens debat i 2017, der satte spørgsmålstegn ved, om inflationsteorier overhovedet laver forudsigelser. I et papir udgivet som et redaktionsforslag i Fysisk gennemgangsbreve , holdet lagde en metode frem, der kan bruges til at forfalske inflationsteorien eksperimentelt.

I et forsøg på at finde en karakteristik, der kan adskille inflationen fra andre teorier, holdet begyndte med at identificere egenskaberne ved de forskellige teorier - den evolutionære historie om størrelsen på uruniverset. "For eksempel, under inflationen, per definition vokser universets størrelse eksponentielt, "Sagde Xianyu." I nogle alternative teorier, universets størrelse trækker sig sammen - i nogle meget langsomt og i nogle meget hurtigt.

"De konventionelle observerbare mennesker, som hidtil har foreslået, har problemer med at skelne mellem de forskellige teorier, fordi disse observerbare ikke er direkte relateret til denne egenskab, "fortsatte han." Så vi ville finde ud af, hvad de observerbare ting er, der kan knyttes til den definerende ejendom. "

Signalerne genereret af det oprindelige standardur kan tjene dette formål.

Det ur, Chen sagde, er enhver form for massivt tung elementarpartikel i det energiske urunivers. Sådanne partikler bør eksistere i enhver teori, og de svinger med en eller anden regelmæssig frekvens, meget som svingningen af ​​et urpendul.

Uruniverset var ikke helt ensartet. Kvanteudsving blev frøene til den store struktur i nutidens univers, og en vigtig kilde til information, fysikere er afhængige af for at lære om, hvad der skete før Big Bang. Teorien, som Chen skitserede, antyder, at flåter af standarduret genererede signaler, der blev præget i strukturen af ​​disse udsving. Og fordi standardure i forskellige uruniverser ville efterlade forskellige mønstre af signaler, Chen sagde, de kan muligvis bestemme hvilken teori om uruniverset der er mest præcis.

"Hvis vi forestiller os alle de oplysninger, vi hidtil har lært om, hvad der skete før Big Bang, er i en rulle filmrammer, så fortæller standarduret os, hvordan disse rammer skal afspilles, "Forklarede Chen." Uden oplysninger om ur, vi ved ikke, om filmen skal afspilles frem eller tilbage, hurtig eller langsom - ligesom vi ikke er sikre på, om uruniverset var oppustet eller kontraherende, og hvor hurtigt det gjorde det. Det er her problemet ligger. Standarduret satte tidsstempler på hver af disse rammer, da filmen blev optaget før Big Bang, og fortæller os, hvad denne film handler om. "

Teamet beregnede, hvordan disse standardurssignaler skulle se ud i ikke -inflationære teorier, og foreslog, hvordan man søgte efter dem i astrofysiske observationer. "Hvis der blev fundet et mønster af signaler, der repræsenterer et kontraherende univers, "Sagde Xianyu, "det ville forfalske hele inflationsteorien, uanset hvilke detaljerede modeller man konstruerer. "

Succesen med denne idé ligger i eksperimentering. "Disse signaler vil være meget subtile at opdage, "Chen sagde." Vores forslag er, at der skal være en slags massive felter, der har genereret disse aftryk, og vi har beregnet deres mønstre, men vi ved ikke, hvor stor den samlede amplitude af disse signaler er. Det kan være, at de er meget svage og meget svære at opdage, så det betyder, at vi bliver nødt til at søge mange forskellige steder.

"Den kosmiske mikrobølge baggrundsstråling er ét sted, "fortsatte han." Fordelingen af ​​galakser er en anden. Vi er allerede begyndt at søge efter disse signaler, og der er allerede nogle interessante kandidater, men vi har stadig brug for flere data. "

Denne historie er udgivet med tilladelse fra Harvard Gazette, Harvard Universitets officielle avis. For yderligere universitetsnyheder, besøg Harvard.edu.