Inflationen er død; længe leve inflationen
Hvordan et univers med for lidt tæthed ikke kuldsejler kosmisk inflation
af George Musser
Gennem det sidste år har observerende astronomer
omsider overbevist teoretikerne om, at universet indeholder mindre stof end
inflationsteorien forudsiger. Universets udvidelse, anskueliggjort af fjerne
supernovaer og galakser, der udsender radiostråling, decelererer for
langsomt. Galaksehobenes masse, som den udledes af deres indre bevægelser
og deres evne til at fokusere lyset fra fjernere objekter, er for lav. Antallet
af disse hobe, som burde vokse, hvis der er tilstrækkeligt
råmateriale, har ændret sig for lidt. Og mængden af deuterium,
som er omvendt proportional med den totale mængde stof, er for
høj. Det ser ud til, at der kun er en tredjedel af det stof, som er
nødvendigt for geometrisk fladhed, inflationens forventede resultat.
Men kosmologerne siger, at observationerne langt fra
dræber teorien, de gør den mere nødvendig end nogensinde -
men i en ny form. Ingen anden teori besvarer et nagende problem i Big Bang
kosmologi: Hvorfor er universet bare en smule fladt? I tidens løb burde
kosmos forekomme mere og mere krumt, efterhånden som mere af det kommer
til syne og dets form i sin helhed bliver mere indlysende. Nu, milliarder af
år efter Big Bang, burde universet være yderst krumt, hvilket enten
ville gøre det deprimerende øde eller uigennemtrængeligt
tæt.
|
Kosmologerne slås med at forklare en lav
værdi af |
, universets stoftæthed. Inflationsteorien - som blev
udviklet i begyndelsen af 1980'erne af Alan H. Guth,
nu på Massachusetts Institute of Technology og Andrei
D. Linde, nu på Stanford University -løste problemet ved at
postulere, at universet gennemgik en periode med accelererende
ekspansion. Områder, der engang lå ved siden af hinanden, skiltes fra hinanden hurtigere end lyset (hvilket rummet
kan - Einsteins specielle relativitetsteori gælder for hastigheder inde i
rummet). Som resultat ser vi nu kun en stump af rummet. Dets form i sin helhed
er ikke synlig endnu; hver stump ser flad ud. Inflationen forklarer også,
at universet er næsten helt ensartet: enhver klumpethed findes i så
stor skala, at vi ikke kan percipere den.
Men hvis observatører ikke kan finde nok stof
til at flade rummet ud, må teoretikerne drage én af to vanskelige
konklusioner. Den første er, at en eller anden ny slags mørkt
stof udgør forskellen. Det antydede stof går under navnet
"kvintessens", først brugt i denne forbindelse af Lawrence M.
Krauss fra Case Western Reserve University. Brugen refererer til Aristoteles'
æter; bortset herfra er noget, der gør rede for to tredjedele af
den fysiske virkelighed, sandelig kvintessentielt.
Kvintessens slutter sig til to tidligere postulerede
former for mørkt stof: svagt lysende, men ellers normalt stof (muligvis
løbske brune dværge) og medfødt usynlige elementarpartikler
(muligvis neutrinoer, hvis disse spøgelsesagtige partikler har en ganske
lille masse). De afslører sig begge ved kun at trække ganske lidt
i synlige galakser og stjerner. Forskerne ved endnu mindre om kvintessens. Den
kosmiske fladhed kræver, at den indeholder energi, men angiver ikke
hvilken slags; universets udvidelse og galaksernes sammenklumpning
medfører, at kvintessens udøver en tyngdemæssig
frastødning og skyr almindeligt stof.
En form for kvintessens menes allerede at have drevet
inflationen og derefter være uddødt under skabelsen af almindeligt
stof. Nu kan den være tilbage, for at udfordre sit afkom om kontrollen
over universet. Hvis kvintessensen vinder, vil universet udvide sig evigt i en
ny omgang inflation. Vor skæbne afhænger af, hvad kvintessensen er
lavet af. Den enkleste mulighed, Einsteins kosmologiske konstant, vinder i
relativ styrke efterhånden som den kosmiske ekspansion fortynder stoffet.
Men andre former for kvintessens, som fjerlette partikler eller
bøjninger af rumtiden, ville efterhånden forsvinde. I maj
funderede Christoffer T. Hill fra Fermi National Accelerator Laboratory over,
om mysteriet kvintessens hang sammen med et andet: neutrinoens masse.
Indtil videre er det eneste bevis for kvintessens
usikkert. De nyeste supernova observationer antyder, at den kosmiske ekspansion
accelererer og nylige målinger af den kosmiske
mikrobølgebaggrundsstråling viser, at trekanter virkelig har en
vinkelsum på 180 grader, som de burde i fladt rum.
Men manglen på et direkte bevis - såvel som
en observeret mangel på gravitationslinser, som antyder, at universet er
mindre end visse former for kvintessens ville gøre det - har ført
mange kosmologer til en anden vanskelig konklusion: måske stoppede
inflationen før den gjorde rummet helt fladt. I traditionel inflation
ville dette gøre universet 100.000 gange for klumpet. Det ny trick er,
at slå to fluer med to smæk: at antage, at universets ensartethed
ikke skyldes den samme proces, som formede det. Måske blev universet
gjort ensartet af en tidligere omgang inflation, var ensartet fra begyndelsen
eller havde en særlig form, som lod det ujævne sig hurtigt.
|
|
To-omgange inflationsteori blev udviklet i 1995 af to hold:
Martin Bucher fra Princeton University, Neil G. Turok, nu på University
of Cambridge og Alfred S. Goldhaber fra State University of New York at Stony
Brook; og Kazuhiro Yamamoto fra Kyoto University og Misao Sasaki og Takahiro
Tanaka fra Osaka University. I denne teori skaber den første runde et
ensartet mega-univers. Inde i det dannes spontant selvstændige universer.
Hvert univers gennemgår en ny omgang inflation, som slutter for tidligt
og efterlader det krumt. Mængden af krumning varierer fra boble til
boble.
Den anden ide, som blev bekendtgjort i februar af Turok
og Stephen W. Hawking fra Cambridge er, at det glatte univers ikke gurglede
frem fra et sodaunivers men fra lutter intethed. I en opdatering af Hawking's
ti år gamle arbejde på skabelse ex nihilo anviste de en
"instanton" - løst sagt, en matematisk formel for forskellen
mellem eksistens og ikke-eksistens - som betød, at vi faktisk burde leve
i et lidt krummet univers.
Endelig har universet måske en usædvanlig
topologi således, at forskellige dele af kosmos er forbundet med
tråde. Så giver universet kun en illusion om umådelig
størrelse og de forskellige stier lader stoffet blande sig og blive
jævnt. Denne slags spekulationer daterer sig til 1920'erne, men blev
støvet af for to år siden af Neil J. Cornish fra Cambridge, David
N. Spergel fra Princeton og Glen D. Starkman fra Case Western Reserve.
Som alle gode kosmologiske teorier fører disse
ideer til nogle absurde konklusioner. Boble og ex nihilo universerne er
uendelige, hvilket kvantelove forbyder. Løsningen: lad universet
være både uendeligt og endeligt. Udefra er det endeligt, hvilket
holder kvantepolitiet tilfreds; indvendig overtager "rummet" tidens
uendelige egenskaber. I tråduniverset har lyset fra et givet objekt
adskillige forskellige måder at nå os på, så vi burde
se adskillige kopier af det. I princippet kunne vi se ud i himlen og se Jorden.
Mere bekymrende er det, at disse modeller forlader et
af inflationsteoriens grundlæggende mål: at forklare universet som
det almene resultat af en enkel proces uafhængigt af vanskeligt fattelige
begyndelsesforhold. Omkostningen er, at kosmologer nu kan udsætte
metafysisk spekulation - inkluderende tolkninger af kvantemekanik og gætterier
om "før" - for afprøvning gennem observation.
Ud af al denne brainstorming kan der dukke en endnu
dybere teori end standard inflation; ved at kaste grus i maskineriet kan
observatørerne have repareret det. Kommende observationer af
mikrobølgebaggrunden og galakse klumper i høj opløsning
burde afgøre sagen. Men hvis ikke, vil kosmologerne måske begynde
at stille spørgsmål om selve den moderne fysiks grundlag.
"Hvis de eksperimentelle data er inkonsistente med praktisk taget alt, kan
det være et signal om, at vi skal ændre gravitationsteori -
Einstein teori", siger Linde.
Oversat fra Inflation is Dead; Long Live Inflation, Scientific American, juli 1998, ss. 9-12.
20. februar, 2006.