jo mere nysgerrige vi får om de store kosmiske ukendte, jo mere ubesvarede spørgsmål vil vores undersøgelser af universet afsløre. At spørge om arten af noget — hvor det er, hvor det kom fra, og hvordan det kom til at være — vil uundgåeligt føre dig til de samme store mysterier: om universets ultimative natur og oprindelse og alt i det. Men uanset hvor langt tilbage vi går, synes de samme dvælende spørgsmål altid at forblive: på et tidspunkt eksisterede de enheder, der er vores “udgangspunkt”, ikke nødvendigvis, så hvordan kom de til at være? Til sidst, du ender med det ultimative spørgsmål: Hvordan opstod der noget fra intet? Som mange nylige spørgere, herunder Luke Martin, brummer Morse, Russell Blalack, John Heiss og mange andre har skrevet:

“Okay, du modtager helt sikkert dette spørgsmål uendeligt, men jeg skal alligevel spørge: Hvordan kom noget (universet/big bang) fra ingenting?”

dette er måske et af de største spørgsmål af alle, fordi det dybest set spørger ikke kun hvor kom alt fra, men hvordan opstod det hele i første omgang. Her er så vidt videnskaben har fået os, i det mindste indtil videre.

i dag, når vi ser ud på universet, peger den fulde pakke af observationer, vi har samlet, selv med de kendte usikkerheder taget i betragtning, alle mod et bemærkelsesværdigt konsistent billede. Vores univers er lavet af stof (snarere end antimateriale), adlyder de samme fysiske love overalt og til enhver tid og begyndte — i det mindste som vi kender det — med et varmt Big Bang for omkring 13, 8 milliarder år siden. Det styres af generel relativitet, det ekspanderer og køler og graviterer, og det domineres af mørk energi (68%) og mørkt stof (27%), Hvor normalt stof, neutrinoer og stråling udgør resten.

i dag er den selvfølgelig fuld af galakser, stjerner, planeter, tunge elementer og på mindst et sted intelligent og teknologisk avanceret liv. Disse strukturer var ikke altid der, men opstod snarere som et resultat af kosmisk udvikling. I et bemærkelsesværdigt videnskabeligt Spring, forskere fra det 20.århundrede var i stand til at rekonstruere tidslinjen for, hvordan vores univers gik fra et for det meste ensartet univers, blottet for kompleks struktur og udelukkende bestående af brint og helium, til det strukturrige univers, vi observerer i dag.

hvis vi starter fra i dag, kan vi gå baglæns i tiden og spørge, hvor enhver individuel struktur eller komponent i denne struktur kom fra. For hvert svar, vi får, Kan vi så spørge: “ok, men hvor kom det fra, og hvordan opstod det,” går tilbage, indtil vi er tvunget til at svare, “vi ved det ikke, i det mindste ikke endnu.”Så kan vi endelig overveje, hvad vi har, og spørge: “hvordan opstod det, og er der en måde, at det kunne være opstået fra ingenting?”

så lad os komme i gang.

det liv, vi har i dag, kommer fra komplekse molekyler, som må være opstået fra atomerne i det periodiske system: de rå ingredienser, der udgør alt det normale stof, vi har i universet i dag. Universet blev ikke født med disse atomer; i stedet krævede de flere generationer af stjerner, der lever og dør, med produkterne fra deres nukleare reaktioner genanvendt til fremtidige generationer af stjerner. Uden dette ville planeter og kompleks Kemi være en umulighed.

for at danne moderne stjerner og galakser har vi brug for:

• gravitation for at trække små galakser og stjerneklynger ind i hinanden, skabe store galakser og udløse nye bølger af stjernedannelse,
• som krævede allerede eksisterende massesamlinger, skabt af gravitationsvækst,
• som kræver, at der dannes mørke stofhaloer tidligt, hvilket forhindrer stjernedannende episoder i at skubbe det stof Tilbage i det intergalaktiske medium,
• som kræver den rette balance mellem stof, mørkt stof og stråling for at give anledning til den kosmiske mikrobølgebaggrund, lyselementerne dannet i det varme Big Bang og de overflod / mønstre, vi ser i dem,
• som krævede indledende frøudsving — densitetsfejl — for at gravitationelt vokse ind i disse strukturer,
• som kræver en eller anden måde at skabe disse ufuldkommenheder sammen med en eller anden måde at skabe mørkt stof og skabe de oprindelige mængder af normalt stof.

dette er tre nøgleingredienser, der kræves i de tidlige stadier af det varme Big Bang for at give anledning til universet, som vi observerer det i dag. Forudsat at vi også kræver, at fysikkens love og rumtid selv eksisterer — sammen med materie/energi selv — vil vi sandsynligvis medtage dem som de nødvendige ingredienser, der på en eller anden måde skal opstå.

så kort sagt, når vi spørger, om vi kan få et univers fra intet eller ej, er dette de hidtil uforklarlige enheder, som vi har brug for på en eller anden måde at opstå.

for at få mere stof end antimateriale, er vi nødt til at ekstrapolere tilbage i det meget tidlige Univers, til en tid, hvor vores fysik er meget usikker. Fysikkens love, som vi kender dem, er på en eller anden måde symmetriske mellem stof og antimateriale: enhver reaktion, vi nogensinde har skabt eller observeret, kan kun skabe eller ødelægge stof og antimateriale i lige store mængder. Men universet, vi havde, på trods af at vi begyndte i en utrolig varm og tæt tilstand, hvor stof og antimaterie begge kunne skabes i rigelige, rigelige mængder, må have haft en måde at skabe en materie/antimaterieasymmetri, hvor ingen eksisterede oprindeligt.

der er mange måder at opnå dette på. Selvom vi ikke ved, hvilket scenarie der faktisk fandt sted i vores unge Univers, involverer alle måder at gøre det på følgende tre elementer:

1. et sæt betingelser uden for ligevægt, der naturligt opstår i et ekspanderende, kølende univers,
2. en måde at generere baryon-nummer-overtrædende interaktioner, som standardmodellen tillader gennem sphaleron-interaktioner (og ud over standardmodelscenarier tillader på yderligere måder),
3. og en måde at generere nok C-og CP-overtrædelse til at skabe en Stof/antimattery-asymmetri i store nok mængder.

standardmodellen har alle disse ingredienser, men ikke nok. Hvis du betragter et materie / antimaterie symmetrisk univers som” et univers med ingenting”, så er det næsten garanteret, at universet genererede noget fra ingenting, selvom vi ikke er helt sikre på, hvordan det skete.

tilsvarende er der mange levedygtige måder at generere mørkt stof på. Vi ved-fra omfattende test og søgning — at uanset hvad mørkt stof er, kan det ikke bestå af partikler, der er til stede i standardmodellen. Uanset hvad dens sande natur er, kræver det ny fysik ud over det, der i øjeblikket er kendt. Men der er mange måder, det kunne have været oprettet, herunder:

• fra at være termisk skabt i det varme, tidlige Univers og derefter ikke fuldstændigt udslette væk og forblive stabil derefter (som den letteste supersymmetriske eller Kalusa-Klein-partikel),
• eller fra en faseovergang, der spontant opstod, da Universet ekspanderede og afkøledes og rippede massive partikler ud af kvantevakuumet (f. eks. aksionen),
• som en ny form for en neutrino, som i sig selv enten kan blandes med de kendte neutrinoer (dvs. eller som en tung højrehåndet neutrino, der findes ud over de konventionelle neutrinoer,
• eller som et rent gravitationsfænomen, der giver anledning til en ultramassiv partikel (f.eks.

Hvorfor er der mørkt stof i dag, når resten af universet ser ud til at fungere fint tidligt uden det? Der må have været en måde at generere denne “ting” på, hvor der ikke var sådan noget på forhånd, men alle disse scenarier kræver energi. Hvor kommer al den energi fra?

måske, ifølge kosmisk inflation — vores førende teori om universets oprindelse før Big Bang-kom det virkelig fra ingenting. Dette kræver lidt forklaring, og er det, der oftest menes med “et univers fra intet.”(Herunder forresten, som det blev brugt i titlen på bogen med samme navn.)

når du forestiller dig de tidligste stadier af det varme Big Bang, skal du tænke på noget utroligt varmt, tæt, højenergi og næsten perfekt ensartet. Når vi spørger, “Hvordan opstod dette,” har vi typisk to muligheder.

1. vi kan gå Lady Gaga-ruten og bare hævde, at den må have været “født på denne måde.”Universet blev født med disse egenskaber, som vi kalder indledende betingelser, og der er ingen yderligere forklaring. Som teoretisk fysiker kalder vi denne tilgang ” at give op.”
2. eller vi kan gøre, hvad teoretiske fysikere gør bedst: prøv at sammensætte en teoretisk mekanisme, der kunne forklare de oprindelige betingelser, drille konkrete forudsigelser, der adskiller sig fra standarden, fremherskende teoriens forudsigelser og derefter gå ud for at måle de kritiske parametre.

kosmisk inflation opstod som et resultat af at tage den anden tilgang, og det ændrede bogstaveligt talt vores opfattelse af, hvordan vores univers blev til.

i stedet for at ekstrapolere “varmt og tæt” tilbage til en uendelig varm, uendelig tæt singularitet, siger inflationen dybest set: “måske var det varme Big Bang forud for en periode, hvor en ekstremt stor energitæthed var til stede i selve rummet, hvilket fik universet til at ekspandere med en ubarmhjertig (inflationær) hastighed, og da inflationen sluttede, blev denne energi overført til materie-og-antimatter-og-stråling, hvilket skabte det, vi ser som det varme Big Bang: eftervirkningerne af inflationen.”

i blodige detaljer skaber dette ikke kun et univers med den samme temperatur overalt, rumlig fladhed og ingen rester af relikvier fra en hypotetisk stor samlet epoke, men forudsiger også en bestemt type og spektrum af frø (tæthed) udsving, som vi derefter gik ud og så. Fra selve det tomme rum — selvom det er tomt rum fyldt med en stor mængde feltenergi — har en naturlig proces skabt hele det observerbare univers, rig på struktur, som vi ser det i dag.

det er den store ide at få et univers fra ingenting, men det er ikke tilfredsstillende for alle.

til en stor brøkdel af mennesker, et univers, hvor rum-og-tid stadig eksisterer, sammen med fysikkens love, de grundlæggende konstanter, og nogle ikke-nul felt energi iboende til stoffet i selve rummet, er meget skilt fra ideen om intetheden. Vi kan trods alt forestille os en placering uden for rummet; et øjeblik ud over tidens rammer; et sæt betingelser, der ikke har nogen fysisk virkelighed til at begrænse dem. Og disse forestillinger – hvis vi definerer disse fysiske realiteter som ting, vi er nødt til at eliminere for at opnå ægte intethed — er bestemt gyldige, i det mindste filosofisk.

men det er forskellen mellem filosofisk intethed og en mere fysisk definition af intethed. Som jeg skrev tilbage i 2018, er der fire videnskabelige definitioner af ingenting, og de er alle gyldige, afhængigt af din kontekst:

1. en tid, hvor din “ting” af interesse ikke eksisterede,
2. tomt, fysisk rum,
3. Tom rumtid i den lavest mulige energitilstand, og
4. uanset hvad du er tilbage med, når du fjerner hele universet og de love, der styrer det.

vi kan helt sikkert sige, at vi opnåede “et univers fra ingenting”, hvis vi bruger de to første definitioner; vi kan ikke, hvis vi bruger den tredje; og desværre ved vi ikke nok til at sige, hvad der sker, hvis vi bruger den fjerde. Uden en fysisk teori til at beskrive, hvad der sker uden for universet og ud over de fysiske love, er begrebet sand intethed fysisk dårligt defineret.

i forbindelse med fysik er det umuligt at give mening om en ide om absolut intet. Hvad betyder det at være uden for rum og tid, og hvordan kan rum og tid fornuftigt, forudsigeligt komme ud af en tilstand af ikke-eksistens? Hvordan kan rumtid opstå på et bestemt sted eller tidspunkt, når der ikke er nogen definition af placering eller tid uden det? Hvor stammer reglerne for kvanta — både felterne og partiklerne — fra?

denne tankegang antager endda, at rum, tid og fysikkens love ikke var evige, når de faktisk kan være. Eventuelle sætninger eller beviser for det modsatte er afhængige af antagelser, hvis gyldighed ikke er forsvarligt etableret under de betingelser, som vi ville søge at anvende dem. Hvis du accepterer en fysisk definition af “intet”, så ja, universet, som vi kender det meget, ser ud til at være opstået fra intet. Men hvis du efterlader fysiske begrænsninger, forsvinder alt helt sikkert om vores ultimative kosmiske oprindelse.

desværre for os alle, inflation, i sagens natur, sletter alle oplysninger, der kan være præget fra en allerede eksisterende tilstand på vores observerbare univers. På trods af vores fantasiers ubegrænsede karakter kan vi kun drage konklusioner om forhold, for hvilke test, der involverer vores fysiske virkelighed, kan konstrueres. Uanset hvor logisk lyd enhver anden overvejelse kan være, herunder en forestilling om absolut intet, er det kun en konstruktion af vores sind.

Send dine Ask Ethan-spørgsmål til startmedhabang på gmail dot com!