우주가 어떻게 튀어 오르는가

2001 년 Steinhardt와 다른 우주 학자 3 명이 우주의 역사에서 느린 수축 기간이 오늘날 바운스 이후에도 목격 된 바와 같이 인플레이션의 기간이 필요하지 않은 탁월한 부드러움과 평탄성을 설명 할 수 있다고 주장 하면서이 문제는 새로운 의미를 얻었습니다.

우주의 흠 잡을 데없는 평범함, 하늘의 어떤 지역도 다른 어느 것보다 훨씬 더 중요한 것이 없으며 망원경이 볼 수있는 한 공간이 숨 막히게 평평하다는 사실은 미스터리입니다. 현재의 균일 성을 맞추기 위해 전문가들은 코스모스가 1 센티미터 였을 때 10 만 명 중 한 부분 내에서 같은 밀도를 가져야한다고 추론합니다. 그러나 더 작은 크기에서 자라면서 물질과 에너지는 즉시 서로 뭉쳐져 시공간을 뒤집어 야합니다. 우리의 망원경은 왜 중력으로 난파 된 우주를 보지 않습니까?

온타리오 주 워털루, Waterloo, Ontario의 이론 물리학 연구소 및 2001 년 논문의 공동 저자 인 Steinhardt, Justin Khoury 및 Burt Ovrut의 공동 저자 인 Neil Turok 이사 인 Neil Turok의 우주 학자 인 Neil Turok는“인플레이션은 우주가 너무 매끄럽고 구부러지지 않았다고 가정해야한다는 생각에 동기를 부여했다. 인플레이션 시나리오에서 센티미터 크기 지역은 훨씬 더 작은 지역의 지수 확장으로 인해 발생합니다. 그 얼룩은 매끄럽고 평평한 인형 필드가 주입 된 한, 에너지 농도가 시간이나 공간에 걸쳐 변동하지 않았다는 것을 의미합니다. 스펙은 우리와 같은 거대하고 부드러운 우주로 팽창했을 것입니다. 메릴랜드 대학교의 이론 물리학자인 라만 선 드럼 (Raman Sundrum)은 인플레이션에 대해 감사하는 것은“일종의 결함 허용 오류가 내장되어있다”고 말했다. 이 폭발성 성장 단계에서 특정 장소에서 시공간에 구부러진 에너지가 축적 되었다면 농도가 빠르게 팽창했을 것입니다. Sundrum은“데이터에서 보는 것에 대해 약간의 변경을하고 데이터가 제안한 동작으로의 복귀를 볼 수 있습니다.”라고 Sundrum은 말했습니다.

그러나, 그 무한한 스펙이 정확히 어디에서 왔는지, 왜 그것이 매끄럽고 평평하게 나왔는가? 이론가들은 기본적인 양자 이론의 후보 인 laton 필드를 문자열 이론에 포함시키는 많은 가능한 방법을 발견했다. 지금까지 이러한 아이디어에 대한 증거는 없습니다.

우주 인플레이션도 논란의 여지가 있습니다. 이론은 1980 년대 Alan Guth, Andrei Linde, Aleksei Starobinsky 및 (모든 사람들의) Steinhardt에 의해 개척 된 이론은 거의 자동으로 우리 우주가 무한하고 거품이 많은 다중 바다에서 무작위 거품이라는 가설을 이끌어냅니다. 인플레이션이 시작되면 계산에 따르면 계속해서 영원히 가고 있으며, 현지 주머니에서만 멈추고 우리와 같은 거품 우주로 꽃을 피우는 것이 좋습니다. 영원히 팽창하는 다수의 가능성은 우리의 특정 거품이 자체적으로 완전히 이해할 수 없다는 것을 시사합니다. 이 주제는 전문가들 사이에서 장의 불일치를 불러 일으킨다. 많은 사람들이 우리 우주가 많은 사람들 중 하나 일 수 있다는 생각에 스스로 화해했습니다. Steinhardt는 Multiverse를“Hogwash”라고 부릅니다.

이 감정은 부분적으로 자신과 다른 연구원들이 바운스에 대한 동기를 부여했습니다. Turok은“튀는 모델에는 인플레이션 기간이 없습니다. 대신, 그들은 우리의 균일 한 우주를 설명하기 위해 큰 바운스 전에 수축 기간을 추가합니다. "공기 분자가 두드리고 평형을 이루고 있기 때문에 앉아있는 방의 가스가 완전히 균일 한 것처럼, 우주가 상당히 크고 천천히 수축되면 우주가 스스로를 매끄럽게하는 데 충분한 시간을줍니다."

최초의 계약 유니버스 모델은 복잡하고 결함이 있었지만 많은 연구자들은 수축이 느리게 우리의 확장 된 우주의 많은 특징을 설명 할 수 있다는 기본 아이디어를 확신하게되었습니다. Steinhardt는“병목 현상은 말 그대로 병목 현상이되었습니다. Ijjas가 말한 것처럼,“바운스는이 시나리오의 쇼 토퍼였습니다. 사람들은 수축 단계를 수행 할 수 있다면 매우 흥미 롭다는 데 동의하지만 확장 단계에 도달 할 수없는 경우에는 그렇지 않습니다.”

튀는 것은 쉽지 않습니다. 1960 년대 영국 물리학 자 로저 펜 로즈 (Roger Penrose)와 스티븐 호킹 (Stephen Hawking)은 소위“특이성 정리”세트를 입증하여 매우 일반적인 조건 하에서 수축 문제와 에너지가 불가피하게 불가피하게 조밀 한 지점으로 부서지게 될 것임을 보여 주었다. 이 이론은 시공간, 물질 및 에너지가 모두 내면으로 돌진하는 계약 우주가 알버트 아인슈타인의 고전적인 중력과 시공간 이론과 미지의 양자 중력 이론 규칙에 대한 단독으로 붕괴되는 것을 어떻게 피할 수 있는지 상상하기 어렵게 만듭니다. 계약 우주는 왜 거대한 별과 같은 운명을 공유해서는 안되며, 블랙홀의 단수 중심으로 줄어들어 죽는가?

새로 제안 된 바운스 모델은 모두 특이점 정리에서 허점을 이용합니다. 수년 동안 막 다른 골목처럼 보였습니다. 바운스 우주 학자들은 우주에 부정적인 에너지 (또는 다른 부 압력 공급원)가있는 물질이 포함되어 있다면 바운스가 가능할 수 있음을 오랫동안 인식 해 왔으며, 이는 중력에 대응하고 본질적으로 모든 것을 분리시킬 수 있습니다. 그들은 2000 년대 초 부터이 허점을 악용하려고 노력했지만, 음성 에너지 성분을 첨가하면 우주의 모델이 불안정 해졌다는 것을 알았습니다. 긍정적 및 부정적인 에너지 양자 변동이 공간의 제로 에너지 진공 상태에서 자발적으로 함께 발생할 수 있기 때문입니다. 2016 년 러시아의 우주 학자 인 Valery Rubakov와 동료들은 심지어 소위“유령”불안정성을 일으킨 근거로 거대한 바운스 메커니즘을 배제하는 것처럼 보이는“아니오”이론을 증명했습니다.

그런 다음 Ijjas는 No-Go 정리를 피하는 바운스 메커니즘을 발견했습니다. 그녀의 모델의 핵심 요소는“스칼라 필드”라고 불리는 간단한 엔티티이며,이 아이디어에 따르면 우주가 수축되고 에너지가 고도로 집중되면서 기어가 시작되었을 것입니다. 스칼라 필드는 우주에 부정적인 압력을 가해 수축을 되돌리고 시공간을 차지하는 방식으로 모든 것을 불안정하게하는 방식으로 중력장으로 꼰 것입니다. Ijjas의 논문은“본질적으로 가능한 모든 불안정성을 없애고이 특수한 유형의 물질로 정말 안정적인 모델을 만드는 최선의 시도”라고 독일의 Max Planck Physics Institute for Gravitational Physics의 이론적 우주 학자 인 Jean-Luc Lehners는 튀김 제안을 수행 한 Jean-Luc Lehners는 말했습니다.

두 가지 새로운 바운스 모델에서 특히 흥미로운 점은 "비 싱글"이라는 것입니다. 즉, 계약 유니버스가 튀어 오르고 다시 확장되기 시작합니다. 따라서이 바운스는 고전적인 중력 법칙에 의해 완전히 설명 될 수 있으며, 중력의 양자 특성에 대한 추측은 필요하지 않습니다.

Stanford University, Johns Hopkins University 및 Berkeley University의 Stanford University의 Graham, Kaplan 및 Rajendran은 각각 2017 년 9 월 과학적 프리 프린트 사이트 Arxiv.org에 대한 비 소싱한 바운스 아이디어를보고했습니다. 그들은 우주의 역사에서 이전의 역사에서 이전의 수축 단계를 궁금해 할 수 있는지 궁금해하는 방법을 발견 한 후에도 자신의 방법을 설명하는 데 사용되었는지 여부를 알게되었습니다. 시공간 직물에 주입 된 암흑 에너지, 우주의 가속 확장을 유발하는 에너지.

트리오는 가장 어려운 부분 인 바운스 (Bounce)를 해결하면서 단수티 이론에서 두 번째로 잊혀진 허점을 이용했습니다. 그들은 1949 년에 그와 아인슈타인이 뉴저지 주 프린스턴의 고급 연구 연구소 (Institute for Advanced Study)에서 걷는 동반자와 동료 였을 때 1949 년 에이 시아 인 커트 고델 (Kurt Gödel)이 제안한 우주의 특징적으로 이상한 우주 모델에서 영감을 얻었습니다. Gödel은 일반 상대성 이론의 법칙을 사용하여 회전 우주의 이론을 구성했는데, 회전 우주의 이론은 지구의 궤도가 태양으로 떨어지는 것을 막는 것과 거의 같은 방식으로 중력으로 무너지지 않도록합니다. Gödel은 특히 회전하는 우주가“닫힌 타임 곡선”을 허용한다는 사실을 좋아했습니다. 그의 죽어가는 날에, 그는 우주가 실제로 자신의 모델의 방식으로 회전하고 있다는 증거를 간절히 기다렸다. 연구원들은 이제 그렇지 않다는 것을 알고 있습니다. 그렇지 않으면 코스모스는 정렬과 선호되는 방향을 나타냅니다. 그러나 Graham과 Company는 현악 이론에 의해 가정 된 6 개의 추가 차원과 같이 우주에 존재할 수있는 작고 웅장한 공간 차원에 대해 궁금해했습니다. 계약 우주는 그러한 방향으로 회전 할 수 있습니까?

우주의 모든 지점에서 발견되는 작은 원이 삐걱 거리는 여분의 차원 중 하나만 있다고 상상해보십시오. Graham이 말한 것처럼, "우주의 각 지점에는 네 번째 공간 방향 인 추가 방향이 있지만 작은 거리를 조금만 갈 수 있으며 시작한 곳으로 돌아올 수 있습니다." 적어도 3 개의 여분의 컴팩트 한 차원이 있다면, 우주가 수축함에 따라 물질과 에너지가 내부에서 회전하기 시작할 수 있으며, 치수 자체는 물질과 에너지와 함께 회전 할 것입니다. 여분의 차원의 소용돌이는 갑자기 바운스를 시작할 수 있습니다. Graham은“추가 차원에서 회전하기 때문에 특이점으로 바뀌었던 모든 것들은 중력 슬링 샷과 같은 종류가 그리워요. "모든 것들이 단일 지점으로 올라와야했지만 대신 다시 놓치고 다시 날아갑니다."

이 논문은 평범한 바운스 우주 학자들을 넘어 관심을 끌었다. California Institute of Technology의 이론적 물리학자인 Sean Carroll은 회의적이지만“매우 영리한”아이디어라고 불립니다. 그는 기존의 인플레이션 스토리에 대한 대안을 개발하는 것이 중요하다고 말했다. 특히 인플레이션이 얼마나 더 나은 인플레이션이 비교되는지, 특히 차세대 망원경이 인플레이션으로 인한 하늘의 Telltale Swirl 패턴을 찾고있는 2020 년대 초에 온라인으로 나올 때만 더 나은 인플레이션이 나타나는지를 확인하는 것이 중요하다고 말했다. 캐롤은“인플레이션이 옳을 가능성이 높다고 생각하지만 경쟁사가 더 많았기를 바랍니다. 메릴랜드 물리학자인 Sundrum도 비슷하게 느꼈습니다. "성공할 확률이 5 % 밖에되지 않더라도, 당신이 가진 모든 것을 던져서 일해야한다는 질문이 있습니다." "그리고 이것이 제가이 논문에 대해 느끼는 방식입니다."

Graham, Kaplan 및 Rajendran이 바운스와 가능한 실험 서명을 탐구함에 따라, Ijjas와 Princeton의 Frans Pretorius와 함께 일하는 Ijjas와 Steinhardt의 다음 단계는 컴퓨터 시뮬레이션을 개발하는 것입니다. (그들의 협력은 Simons Foundation의 지원을 받고 있으며 Quanta Magazine .) 두 바운스 메커니즘은 우주의 전체 진화 역사를 설명 할보다 완전하고 안정적인 우주 모델에 통합되어야합니다.

이러한 비 소싱 된 바운스 솔루션을 넘어서, 다른 연구자들은 우주가 특이점에 시달릴 때 어떤 종류의 바운스가 발생할 수 있는지에 대해 추측하고 있습니다. 다가오는 작품에서 Turok과 Collaborators는 우주가 과거와 미래의 중심 바운스에서 대칭 적으로 확장되는 모델을 제안 할 계획입니다. Turok 은이 2- 밧줄 우주의 존재가 전자-포스 트론 쌍의 자발적인 생성과 동일하며, 이는 끊임없이 진공 상태에서 튀어 나오고 나가고 있다고 주장한다. "Richard Feynman은 전자가 시간이 거꾸로되면서 양전자를 볼 수 있다고 지적했다"고 그는 말했다. “그들은 두 개의 입자이지만 실제로 동일합니다. 어떤 순간에 그들은 합병하고 멸종시킵니다.” 그는“아이디어는 매우 깊고 깊은 아이디어이며, 아마도 빅뱅은 우주와 반 우주가 원한다면 물질의 존재에 의해 아무것도 나오지 않았다”고 비슷한 것으로 판명 될 것입니다. "

이 우주/안티 우주 바운스 모델이 우주의 모든 관찰을 수용 할 수 있는지 여부는 여전히 남아 있지만 Turok은 얼마나 간단한지를 좋아합니다. 대부분의 우주 모델은 그의 관점에서 너무 복잡합니다. 그는 우주가“매우 질서 있고 대칭적이고 단순 해 보인다”고 말했다. "이것은 이론가들에게 매우 흥미 롭습니다. 왜냐하면 우리에게 발견하기 어려운 이론이 발견되기를 기다리는 이론이있을 수 있기 때문입니다. 이는 우주의 가장 역설적 인 특징을 설명 할 수 있습니다."