Hvordan opstod Big Bang ud af ingenting?

(Richard Goerg/Getty Images)

'Den sidste stjerne vil langsomt afkøle og forsvinde. Med dets bortgang vil universet igen blive et tomrum, uden lys eller liv eller mening.'

Sådan advarede fysikeren Brian Cox i den seneste BBC-serie Univers . Faldningen af ​​den sidste stjerne vil kun være begyndelsen på en uendelig lang, mørk epoke. Alt stof vil i sidste ende blive fortæret af monstrøse sorte huller , som igen vil fordampe bort i de dunkleste lysglimt.

Rummet vil hele tiden udvide sig udad, indtil selv det svage lys bliver for spredt til at interagere. Aktiviteten vil ophøre.



Eller vil det? Mærkeligt nok mener nogle kosmologer, at et tidligere, koldt mørkt tomt univers som det, der ligger i vores fjerne fremtid, kunne have været kilden til vores helt egen Stort brag .

Den første sag

Men før vi kommer til det, lad os tage et kig på, hvordan 'materiale' – fysisk stof – først opstod. Hvis vi sigter efter at forklare oprindelsen af ​​stabilt stof lavet af atomer eller molekyler, var der bestemt ikke noget af det ved Big Bang - og heller ikke i hundredtusinder af år bagefter.

Vi har faktisk en ret detaljeret forståelse af, hvordan de første atomer blev dannet af simplere partikler, når forholdene var kølet nok ned til, at komplekst stof kunne være stabilt, og hvordan disse atomer senere blev smeltet sammen til tungere grundstoffer inde i stjerner. Men den forståelse adresserer ikke spørgsmålet om, hvorvidt noget kom fra ingenting.

Så lad os tænke længere tilbage. De første langlivede stofpartikler af nogen art var protoner og neutroner, som tilsammen udgør atomkernen. Disse opstod omkring en ti tusinde af et sekund efter Big Bang.

Før det tidspunkt var der virkelig ikke noget materiale i nogen velkendt betydning af ordet. Men fysikken lader os fortsætte med at spore tidslinjen bagud – til fysiske processer, der går forud for ethvert stabilt stof.

Dette fører os til den såkaldte ' storslået forenet epoke '. Nu er vi godt inde i den spekulative fysiks område, da vi ikke kan producere nok energi i vores eksperimenter til at undersøge den slags processer, der foregik på det tidspunkt.

Men en plausibel hypotese er, at den fysiske verden bestod af en suppe af kortlivede elementarpartikler - inklusive kvarker, byggestenene i protoner og neutroner.

Der var både stof og ' antistof 'ind nogenlunde lige store mængder : hver type stofpartikel, såsom kvarken, har en antistof 'spejlbillede' ledsager, som er næsten identisk med sig selv og kun adskiller sig i ét aspekt.

Imidlertid tilintetgør stof og antistof i et glimt af energi, når de mødes, hvilket betyder, at disse partikler konstant blev skabt og ødelagt.

Men hvordan kom disse partikler til at eksistere i første omgang? Kvantefeltteorien fortæller os, at selv et vakuum, der angiveligt svarer til tom rumtid, er fuld af fysisk aktivitet i form af energiudsving. Disse udsving kan give anledning til, at partikler springer ud, for så at forsvinde kort efter.

Dette kan lyde som en matematisk særhed snarere end rigtig fysik, men sådanne partikler er blevet opdaget i utallige eksperimenter.

Rumtidsvakuumtilstanden syder med partikler, der konstant skabes og ødelægges, tilsyneladende 'ud af ingenting'. Men måske er alt, hvad dette virkelig fortæller os, at kvantevakuumet (på trods af dets navn) er et noget snarere end et ingenting.

Det har filosoffen David Albert mindeværdigt kritiseret beretninger om Big Bang, som lover at få noget ud af ingenting på denne måde.

Antag, at vi spørger: hvor opstod rumtiden selv fra? Så kan vi blive ved med at skrue uret endnu længere tilbage, til det virkelig gamle ' Planck epoke ' – en periode så tidligt i universets historie, at vores bedste teorier om fysik går i stykker.

Denne æra indtraf kun en ti-milliontedel af en trilliontedel af en billiontedel af en billiontedel af et sekund efter Big Bang. På dette tidspunkt blev rum og tid selv underlagt kvanteudsving.

Fysikere arbejder normalt hver for sig med kvantemekanik, som styrer partiklernes mikroverden, og med generel relativitetsteori , hvilket gælder i store, kosmiske skalaer. Men for virkelig at forstå Planck-epoken har vi brug for en komplet teori om kvantetyngdekraften, der fusionerer de to.

Vi har stadig ikke en perfekt teori om kvantetyngdekraften, men der er forsøg – f.eks strengteori og sløjfe kvantetyngdekraft . I disse forsøg ses almindeligt rum og tid typisk som emergent, ligesom bølgerne på overfladen af ​​et dybt hav.

Det, vi oplever som rum og tid, er et produkt af kvanteprocesser, der opererer på et dybere, mikroskopisk niveau – processer, der ikke giver meget mening for os som skabninger med rod i den makroskopiske verden.

I Planck-epoken bryder vores almindelige forståelse af rum og tid sammen, så vi kan heller ikke længere stole på vores almindelige forståelse af årsag og virkning.

På trods af dette beskriver alle kandidatteorier om kvantetyngdekraft noget fysisk, der foregik i Planck-epoken - en kvanteforløber for almindeligt rum og tid. Men hvor gjorde det at kommer fra?

Selvom kausalitet ikke længere gælder på nogen almindelig måde, kan det stadig være muligt at forklare en komponent af Planck-epokens univers i termer af en anden. Desværre formår selv vores bedste fysik ikke helt at give svar. Indtil vi gør yderligere fremskridt hen imod en 'teori om alt', vil vi ikke være i stand til at give noget endeligt svar.

Det mest, vi kan sige med tillid på dette stadium, er, at fysikken hidtil ikke har fundet nogen bekræftede tilfælde af noget, der er opstået fra ingenting.

Cykler fra næsten ingenting

For virkelig at besvare spørgsmålet om, hvordan noget kunne opstå fra ingenting, ville vi være nødt til at forklare kvantetilstanden i hele universet i begyndelsen af ​​Planck-epoken.

Alle forsøg på at gøre dette forbliver meget spekulative. Nogle af dem appellerer til overnaturlige kræfter som en designer . Men andre kandidatforklaringer forbliver inden for fysikkens område - såsom et multivers, som indeholder et uendeligt antal parallelle universer, eller cykliske modeller af universet, der bliver født og genfødt igen.

Nobelprisvindende fysiker i 2020 Roger Penrose har foreslået en spændende, men kontroversiel model for et cyklisk univers kaldet 'konform cyklisk kosmologi'.

Penrose var inspireret af en interessant matematisk forbindelse mellem en meget varm, tæt, lille tilstand af universet - som den var ved Big Bang - og en ekstremt kold, tom, udvidet tilstand af universet - som det vil være i den fjerne fremtid .

Hans radikale teori til at forklare denne korrespondance er, at disse tilstande bliver matematisk identiske, når de tages til deres grænser. Selvom det kan virke paradoksalt, kunne et totalt fravær af stof have formået at give anledning til alt det stof, vi ser omkring os i vores univers.

I denne opfattelse opstår Big Bang fra et næsten ingenting. Det er det, der er tilbage, når alt stof i et univers er blevet fortæret til sorte huller, som igen er kogt væk til fotoner – tabt i et tomrum.

Hele universet opstår altså ud fra noget, der – set fra et andet fysisk perspektiv – er så tæt som man overhovedet kan komme på ingenting. Men at intet stadig er en slags noget. Det er stadig et fysisk univers, dog tomt.

Hvordan kan den selvsamme tilstand være et koldt, tomt univers fra et perspektiv og et varmt tæt univers fra et andet? Svaret ligger i en kompleks matematisk procedure kaldet 'konform omskalering', en geometrisk transformation, som i virkeligheden ændrer størrelsen af ​​et objekt, men lader dets form uændret.

Penrose viste, hvordan den kolde tætte tilstand og den varme tætte tilstand kunne relateres ved en sådan omskalering, så de matcher med hensyn til formerne på deres rumtider - dog ikke til deres størrelser.

Det er ganske vist svært at forstå, hvordan to objekter kan være identiske på denne måde, når de har forskellige størrelser - men Penrose hævder, at størrelse, da et begreb holder op med at give mening i så ekstreme fysiske miljøer.

I konform cyklisk kosmologi går forklaringsretningen fra gammel og kold til ung og varm: den varme tætte tilstand eksisterer på grund af den kolde tomme tilstand. Men dette 'fordi' er ikke den velkendte – af en årsag efterfulgt i tid af dens virkning. Det er ikke kun størrelsen, der holder op med at være relevant i disse ekstreme tilstande: tiden gør det også.

Den kolde tætte tilstand og den varme tætte tilstand er faktisk placeret på forskellige tidslinjer. Den kolde tomme tilstand ville fortsætte for evigt fra en iagttagers perspektiv i sin egen tidsgeometri, men den varme tætte tilstand, den giver anledning til, bebor effektivt en helt ny tidslinje.

Det kan hjælpe med at forstå den varme tætte tilstand, som produceret fra den kolde tomme tilstand på en ikke-kausal måde. Måske skal vi sige, at den varme tætte tilstand kommer frem fra , eller er jordet i , eller realiseret af den kolde, tomme tilstand.

Disse er karakteristiske metafysiske ideer, som har været udforsket af videnskabsfilosoffer i vid udstrækning, især i sammenhæng med kvantetyngdekraften hvor almindelig årsag og virkning synes at bryde sammen. På grænsen af ​​vores viden bliver fysik og filosofi svære at adskille.

Eksperimentelt bevis?

Konform cyklisk kosmologi tilbyder nogle detaljerede, omend spekulative, svar på spørgsmålet om, hvor vores Big Bang kom fra. Men selvom Penroses vision bekræftes af kosmologiens fremtidige fremskridt, tror vi måske, at vi stadig ikke ville have besvaret et dybere filosofisk spørgsmål – et spørgsmål om, hvor den fysiske virkelighed selv kom fra.

Hvordan opstod hele systemet af cyklusser? Så ender vi endelig med det rene spørgsmål om, hvorfor der er noget frem for ingenting – et af metafysikkens største spørgsmål.

Men vores fokus her er på forklaringer, som forbliver inden for fysikkens område. Der er tre brede muligheder for det dybere spørgsmål om, hvordan cyklusserne begyndte.

Det kunne slet ikke have nogen fysisk forklaring. Eller der kunne være uendeligt gentagende cyklusser, hver et univers i sig selv, med den indledende kvantetilstand for hvert univers forklaret af et eller andet træk ved universet før. Eller der kunne være en enkelt cyklus og et enkelt gentagende univers, hvor begyndelsen af ​​den cyklus forklares af et eller andet træk ved dets egen ende.

De to sidstnævnte tilgange undgår behovet for uvedkommende begivenheder - og det giver dem en markant appel. Intet ville blive efterladt uforklarligt af fysikken.

Penrose forestiller sig en sekvens af endeløse nye cyklusser af årsager, der delvist er knyttet til hans egen foretrukne fortolkning af kvanteteorien. I kvantemekanikken eksisterer et fysisk system i en superposition af mange forskellige tilstande på samme tid, og 'vælger kun én' tilfældigt, når vi måler det.

For Penrose involverer hver cyklus tilfældige kvantebegivenheder, der viser sig på en anden måde - hvilket betyder, at hver cyklus vil adskille sig fra dem før og efter den. Dette er faktisk gode nyheder for eksperimentelle fysikere, fordi det måske giver os mulighed for at skimte det gamle univers, der gav anledning til vores, gennem svage spor, eller anomalier, i den resterende stråling fra Big Bang set af Planck-satellitten.

Penrose og hans samarbejdspartnere mener de kan have opdaget disse spor allerede, og tilskriver mønstre i Planck-dataene til stråling fra supermassive sorte huller i det tidligere univers. Det har deres påståede observationer dog været udfordret af andre fysikere og juryen forbliver ude.

Uendelige nye cyklusser er nøglen til Penroses egen vision. Men der er en naturlig måde at konvertere konform cyklisk kosmologi fra en multi-cyklus til en en-cyklus form. Så består den fysiske virkelighed i en enkelt cykling rundt gennem Big Bang til en maksimalt tom tilstand i en fjern fremtid - og så rundt igen til det selvsamme Big Bang, der giver anledning til det samme univers igen.

Denne sidstnævnte mulighed er i overensstemmelse med en anden fortolkning af kvantemekanikken, kaldet mange-verdenernes fortolkning. Fortolkningen af ​​mange verdener fortæller os, at hver gang vi måler et system, der er i superposition, vælger denne måling ikke tilfældigt en tilstand. I stedet er det måleresultat, vi ser, kun én mulighed – den, der udspiller sig i vores eget univers.

De andre måleresultater udspiller sig alle i andre universer i et multivers, effektivt afskåret fra vores eget. Så uanset hvor lille chancen er for, at noget opstår, hvis det har en chance, der ikke er nul, så opstår det i en eller anden kvanteparallelverden.

Der er mennesker ligesom dig derude i andre verdener, der har vundet i lotteriet, eller er blevet fejet op i skyerne af en freak tyfon, eller er spontant antændt eller har gjort alle tre samtidigt.

Nogle mennesker tror på sådanne parallelle universer kan også observeres i kosmologiske data, som aftryk forårsaget af et andet univers, der kolliderer med vores.

Mange-verdeners kvanteteori giver et nyt twist på konform cyklisk kosmologi, dog ikke en som Penrose er enig i. Vores Big Bang kan være genfødslen af ​​et enkelt kvante-multivers, der indeholder uendeligt mange forskellige universer, der alle forekommer sammen. Alt muligt sker – så sker det igen og igen og igen.

En gammel myte

For en videnskabsfilosof er Penroses vision fascinerende. Det åbner op for nye muligheder for at forklare Big Bang og tager vores forklaringer ud over almindelig årsag og virkning. Det er derfor en stor testcase til at udforske de forskellige måder, fysik kan forklare vores verden på. Det fortjener mere opmærksomhed fra filosoffer.

For en elsker af myter er Penroses vision smuk. I Penroses foretrukne multicyklusform lover den endeløse nye verdener født af deres forfædres aske. I sin en-cyklus form er det en slående moderne genankaldelse af den gamle idé om ouroboros, eller verdens-slangen.

I nordisk mytologi er slangen Jörmungandr et barn af Loke, en klog trickster, og kæmpen Angrboda. Jörmungandr spiser sin egen hale, og den skabte cirkel opretholder balancen i verden. Men ouroboros-myten er blevet dokumenteret over hele verden - også så langt tilbage som det gamle Egypten.

Ouroboros i det ene cykliske univers er i sandhed majestætisk. Den rummer i sin mave vores eget univers såvel som hvert eneste af de underlige og vidunderlige alternative mulige universer, der tillades af kvantefysikken - og på det punkt, hvor hovedet møder halen, er det fuldstændig tomt, men flyder også med energi ved temperaturer på ca. hundrede tusinde millioner milliarder billioner grader Celsius.

Selv Loke, formskifteren, ville blive imponeret.

Alastair Wilson , professor i filosofi, University of Birmingham .

Denne artikel er genudgivet fra Samtalen under en Creative Commons-licens. Læs original artikel .

Populære Kategorier: Natur , Plads , Sundhed , Tech , Forklarer , Samfund , Miljø , Mening , Mennesker , Fysik ,

Om Os

Offentliggørelse Af Uafhængige, Beviste Fakta Om Rapporter Om Sundhed, Rum, Natur, Teknologi Og Miljøet.