Một mô hình mới để hiểu về thời đại sớm nhất trong lịch sử vũ trụ đã được phát triển.
Một mô hình mới để hiểu về thời đại sớm nhất trong lịch sử vũ trụ đã được phát triển bởi các nhà khoa học tại Đại học bang Pennsylvania. Sử dụng các kỹ thuật từ một lĩnh vực vật lý hiện đại gọi là vũ trụ lượng tử vòng, được phát triển tại bang Pennsylvania, các nhà khoa học hiện đã có những phân tích mở rộng bao gồm vật lý lượng tử quay ngược thời gian hơn bao giờ hết - từ đầu đến giờ. Mô hình mới về nguồn gốc lượng tử vòng cho thấy, lần đầu tiên, các cấu trúc quy mô lớn mà chúng ta thấy trong vũ trụ phát triển từ những biến động cơ bản trong bản chất lượng tử thiết yếu của thời gian vũ trụ, thời gian tồn tại ngay từ đầu vũ trụ hơn 14 tỷ năm trước. Thành tựu này cũng mang đến những cơ hội mới để thử nghiệm các lý thuyết cạnh tranh của vũ trụ học hiện đại trước những quan sát đột phá được mong đợi từ các kính viễn vọng thế hệ tiếp theo. Nghiên cứu này sẽ được công bố vào ngày 11 tháng 12 năm 2012 dưới dạng một bài báo của Biên tập viên đề xuất trên Tạp chí Khoa học Vật lý.
Theo lý thuyết Big Bang về cách vũ trụ của chúng ta bắt đầu, toàn bộ vũ trụ của chúng ta đã mở rộng từ trạng thái cực kỳ dày đặc và nóng bỏng và tiếp tục mở rộng cho đến ngày nay. Sơ đồ đồ họa ở trên là một khái niệm nghệ sĩ về minh họa sự mở rộng của một phần của vũ trụ phẳng. Hình ảnh qua Wikimedia Commons.
Abhay Ashtekar, tác giả cao cấp của bài báo cho biết, con người Chúng ta luôn khao khát hiểu thêm về nguồn gốc và sự tiến hóa của vũ trụ. Vì vậy, đây là thời điểm thú vị trong nhóm của chúng tôi ngay bây giờ, khi chúng tôi bắt đầu sử dụng mô hình mới của mình để hiểu, chi tiết hơn, động lực học mà vật chất và hình học trải qua trong thời đại đầu tiên của vũ trụ, kể cả vào lúc bắt đầu. là Chủ tịch của Chủ tịch Vật lý Gia đình Eberly tại bang Pennsylvania và là giám đốc của Viện Trọng lực và Vũ trụ của trường đại học. Đồng tác giả của bài báo, cùng với Ashtekar, là hai nghiên cứu sinh sau tiến sĩ Ivan Agullo và William Nelson.
Mô hình mới cung cấp một khung khái niệm và toán học để mô tả hình học cơ học lượng tử kỳ lạ của thời gian không gian trong thời gian đầu của vũ trụ. Mô hình cho thấy rằng, trong thời kỳ đầu tiên này, vũ trụ bị nén với mật độ không thể tưởng tượng đến mức hành vi của nó bị cai trị không phải bởi vật lý cổ điển của thuyết tương đối của Einstein, mà bởi một lý thuyết cơ bản hơn nữa cũng kết hợp động lực học kỳ lạ của lượng tử cơ khí. Mật độ vật chất lúc đó rất lớn - 1094 gram trên mỗi cm khối, so với mật độ của hạt nhân nguyên tử ngày nay, chỉ là 1014 gram.
Trong môi trường cơ học lượng tử kỳ quái này - nơi người ta chỉ có thể nói về xác suất của các sự kiện chứ không phải là sự chắc chắn - các tính chất vật lý tự nhiên sẽ khác rất nhiều so với cách chúng ta trải nghiệm ngày nay. Trong số những khác biệt này, Ashtekar cho biết, là khái niệm về thời gian, thời gian cũng như động lực thay đổi của các hệ thống khác nhau khi chúng trải nghiệm cấu trúc của hình học lượng tử.
Không có đài quan sát vũ trụ nào có thể phát hiện bất cứ thứ gì từ lâu và xa như thời kỳ đầu của vũ trụ được mô tả bởi mô hình mới. Nhưng một vài đài quan sát đã đến gần. Bức xạ nền vũ trụ đã được phát hiện trong một kỷ nguyên khi vũ trụ chỉ mới 380 nghìn năm. Vào thời điểm đó, sau một thời gian mở rộng nhanh chóng được gọi là lạm phát, thì vũ trụ đã bùng nổ thành một phiên bản pha loãng nhiều của bản thân siêu nén trước đó. Khi bắt đầu lạm phát, mật độ của vũ trụ ít hơn một nghìn tỷ lần so với thời kỳ đầu, vì vậy các yếu tố lượng tử bây giờ ít quan trọng hơn trong việc cai trị các động lực quy mô lớn của vật chất và hình học.
Quan sát bức xạ nền vũ trụ cho thấy vũ trụ có sự thống nhất chủ yếu là đồng nhất sau lạm phát, ngoại trừ việc rắc một số vùng dày đặc hơn và những vùng khác đậm đặc hơn. Mô hình lạm phát tiêu chuẩn để mô tả vũ trụ sơ khai, sử dụng các phương trình vật lý cổ điển của Einstein, coi thời gian không gian như một sự liên tục trơn tru. Mô hình lạm phát có được thành công đáng kể trong việc giải thích các đặc điểm quan sát được của bức xạ nền vũ trụ. Tuy nhiên, mô hình này là không đầy đủ. Nó vẫn giữ ý tưởng rằng vũ trụ nổ ra từ không có gì trong Vụ nổ lớn, kết quả tự nhiên là do sự bất lực của vật lý tương đối tổng quát mô tả mô tả các tình huống cơ học lượng tử cực đoan, ông Agullo nói. Một người cần một lý thuyết lượng tử về lực hấp dẫn, như vũ trụ học lượng tử vòng, vượt ra ngoài Einstein để nắm bắt được vật lý thực sự gần nguồn gốc của vũ trụ.
Trường sâu Hubble eXtreme cho thấy phần xa nhất của không gian mà chúng ta đã thấy trong ánh sáng quang học. Nó hướng về cái nhìn sâu sắc nhất của chúng ta về thời gian của vũ trụ rất sớm. Được phát hành vào ngày 25 tháng 9 năm 2012, hình ảnh đã tổng hợp 10 năm hình ảnh trước đó và cho thấy các thiên hà từ 13,2 tỷ năm trước. Tín dụng hình ảnh: NASA; ESA; G. Illingworth, D. Magee và P. Oesch, Đại học California, Santa Cruz; R. Bouwens, Đại học Leiden; và Nhóm HUDF09.
Công việc trước đây với vũ trụ học lượng tử vòng lặp trong nhóm của Ashtekar đã cập nhật khái niệm về Vụ nổ lớn với khái niệm hấp dẫn về Big Bounce, cho phép khả năng vũ trụ của chúng ta xuất hiện không phải từ một khối vật chất siêu nén mà trước đây có thể có đã có một lịch sử của riêng mình.
Mặc dù các điều kiện cơ học lượng tử ở đầu vũ trụ khác rất nhiều so với các điều kiện vật lý cổ điển sau lạm phát, nhưng thành tựu mới của các nhà vật lý bang Pennsylvania cho thấy mối liên hệ đáng ngạc nhiên giữa hai mô hình khác nhau mô tả các thời đại này. Khi các nhà khoa học sử dụng mô hình lạm phát cùng với các phương trình của Einstein để mô hình hóa sự tiến hóa của các khu vực giống như hạt giống được rắc khắp bức xạ nền vũ trụ, họ thấy rằng sự bất thường đóng vai trò là hạt giống phát triển theo thời gian vào các cụm thiên hà và các cấu trúc quy mô lớn khác. chúng ta thấy trong vũ trụ ngày nay. Thật đáng ngạc nhiên, khi các nhà khoa học của bang Pennsylvania sử dụng mô hình nguồn gốc lượng tử vòng lặp mới của họ với các phương trình vũ trụ lượng tử của nó, họ đã phát hiện ra rằng những biến động cơ bản trong bản chất của không gian tại thời điểm Big Bounce phát triển để trở thành những cấu trúc giống như hạt giống được nhìn thấy trong nền vi sóng vũ trụ.
Công trình mới của chúng tôi cho thấy những điều kiện ban đầu ở thời kỳ đầu của vũ trụ đương nhiên dẫn đến cấu trúc quy mô lớn của vũ trụ mà chúng ta quan sát thấy ngày nay, theo ông Ash Ashekek. Về mặt con người, nó giống như chụp một em bé ngay khi sinh ra và sau đó có thể chiếu từ đó một hồ sơ chính xác về việc người đó sẽ ở tuổi 100 như thế nào.
Bài báo này đẩy lùi sự hình thành cấu trúc vũ trụ của vũ trụ của chúng ta từ thời kỳ lạm phát cho đến Big Bounce, bao gồm khoảng 11 bậc độ lớn về mật độ vật chất và độ cong của không-thời gian, ông Nelson Nelson nói. Hiện tại chúng tôi đã thu hẹp các điều kiện ban đầu có thể tồn tại tại Big Bounce, cộng với chúng tôi thấy rằng sự tiến hóa của các điều kiện ban đầu đó đồng ý với các quan sát về bức xạ nền vũ trụ.
Các kết quả của nhóm cũng xác định một phạm vi các tham số hẹp hơn mà mô hình mới dự đoán các hiệu ứng mới, phân biệt nó với lạm phát tiêu chuẩn. Ashtekar cho biết, Thật thú vị khi chúng ta sớm có thể kiểm tra các dự đoán khác nhau từ hai lý thuyết này chống lại những khám phá trong tương lai với các nhiệm vụ quan sát thế hệ tiếp theo. Những thí nghiệm như vậy sẽ giúp chúng ta tiếp tục hiểu biết sâu sắc hơn về vũ trụ rất, rất sớm.
Đại học bang Pennsylvania