ju mer nyfikna vi får om de stora kosmiska okända, desto mer obesvarade frågor kommer våra undersökningar av universum att avslöja. Att fråga om vad som helst — var det är, var det kom ifrån och hur det kom till — kommer oundvikligen att leda dig till samma stora mysterier: om universums ultimata natur och ursprung och allt i det. Ändå, oavsett hur långt tillbaka vi går, verkar samma långvariga frågor alltid förbli: vid någon tidpunkt existerade inte de enheter som är vår ”utgångspunkt” nödvändigtvis, så hur kom de att bli? Så småningom hamnar du på den ultimata frågan: hur uppstod något från ingenting? Så många nya frågeställare, inklusive Luke Martin, Buzz Morse, Russell Blalack, John Heiss och många andra har skrivit:

”Okej, du får säkert denna fråga oändligt, men jag ska ändå fråga: Hur kom något (universum/big bang) från ingenting?”

det här är kanske en av de största frågorna av alla, för det frågar i princip inte bara var kom allt ifrån, men hur uppstod allt i första hand. Här är så långt som vetenskapen har fått oss, åtminstone hittills.

idag, när vi tittar ut på universum, pekar hela observationen vi har samlat, även med de kända osäkerheterna som beaktas, mot en anmärkningsvärt konsekvent bild. Vårt universum är gjord av materia (snarare än antimateria), följer samma fysiklagar överallt och hela tiden och började — åtminstone som vi känner det — med en het Big Bang för cirka 13, 8 miljarder år sedan. Det styrs av generell relativitet, det expanderar och kyler och graviterar, och det domineras av mörk energi (68%) och mörk materia (27%), med normal Materia, neutriner och strålning som utgör resten.

idag är det naturligtvis fullt av galaxer, stjärnor, planeter, tunga element och på minst en plats, intelligent och tekniskt avancerat liv. Dessa strukturer var inte alltid där, utan uppstod snarare som ett resultat av kosmisk utveckling. I en anmärkningsvärd vetenskaplig språng, 20th century forskare kunde rekonstruera tidslinjen för hur vårt universum gick från en mestadels enhetlig universum, saknar komplex struktur och består uteslutande av väte och helium, till strukturrika universum vi observerar idag.

om vi börjar från idag kan vi gå bakåt i tiden och fråga var någon enskild struktur eller komponent i den strukturen kom ifrån. För varje svar vi får kan vi sedan fråga, ”ok, men var kom det ifrån och hur uppstod det”, gå tillbaka tills vi tvingas svara, ”vi vet inte, åtminstone inte ännu.”Då kan vi äntligen begrunda vad vi har och fråga:” hur uppstod det, och finns det ett sätt att det kunde ha uppstått från ingenting?”

så, låt oss komma igång.

det liv vi har idag kommer från komplexa molekyler, som måste ha uppstått från atomerna i det periodiska systemet: de råvaror som utgör all den normala materien vi har i universum idag. Universum föddes inte med dessa atomer; istället krävde de flera generationer av stjärnor som levde och dör, med produkterna från deras kärnreaktioner Återvunna till kommande generationer av stjärnor. Utan detta skulle planeter och komplex Kemi vara en omöjlighet.

för att bilda moderna stjärnor och galaxer behöver vi:

• gravitation för att dra små galaxer och stjärnkluster in i varandra, skapa stora galaxer och utlösa nya vågor av stjärnbildning,
• som krävde redan existerande masssamlingar, skapade från gravitationstillväxt,
• som kräver att mörka materiehalor bildas tidigt, vilket förhindrar att stjärnbildande episoder utstöter den materien tillbaka i det intergalaktiska mediet,
• som kräver rätt balans av normal materia, mörk materia och strålning för att ge upphov till den kosmiska mikrovågsbakgrunden, de ljuselement som bildas i den heta big bang, och de överflöd / mönster vi ser i dem,
• som krävde initiala fröfluktuationer — densitetsfel — för att gravitationellt växa in i dessa strukturer,
• som kräver något sätt att skapa dessa brister, tillsammans med något sätt att skapa mörk materia och skapa de initiala mängderna av normal Materia.

dessa är tre viktiga ingredienser som krävs, i de tidiga stadierna av den heta Big Bang, för att ge upphov till universum som vi observerar det idag. Förutsatt att vi också kräver fysikens lagar och rymdtid själv att existera — tillsammans med materia/energi själv — vill vi förmodligen inkludera dem som nödvändiga ingredienser som på något sätt måste uppstå.

så kort sagt, när vi frågar om vi kan få ett universum från ingenting eller inte, är det romanen, hittills oförklarliga enheter som vi behöver på något sätt uppstå.

för att få mer materia än antimateria måste vi extrapolera tillbaka till det mycket tidiga universum, till en tid då vår fysik är mycket osäker. Fysikens lagar som vi känner dem är i viss mening symmetriska mellan materia och antimateria: varje reaktion vi någonsin har skapat eller observerat kan bara skapa eller förstöra Materia och antimateria i lika stora mängder. Men universum vi hade, trots att vi började i ett otroligt varmt och tätt tillstånd där materia och antimateria båda kunde skapas i rikliga, rikliga mängder, måste ha haft något sätt att skapa en materia/antimateria asymmetri där ingen existerade ursprungligen.

det finns många sätt att uppnå detta. Även om vi inte vet vilket scenario som faktiskt ägde rum i vårt unga universum, involverar alla sätt att göra det följande tre element:

1. en out-of-equilibrium uppsättning villkor, som naturligt uppstår i ett expanderande, kylande universum,
2. ett sätt att generera Baryon-nummer-kränkande interaktioner, som standardmodellen tillåter genom sphaleron-interaktioner (och bortom standardmodellscenarierna tillåter på ytterligare sätt),
3. och ett sätt att generera tillräckligt med C-och CP-brott för att skapa en materia/antimatteri asymmetri i tillräckligt stora mängder.

standardmodellen har alla dessa ingredienser, men inte tillräckligt. Om du betraktar ett Materia/antimattersymmetriskt universum som ”ett universum med ingenting”, är det nästan garanterat att universum genererade något från ingenting, även om vi inte är helt säkra på exakt hur det hände.

på samma sätt finns det många livskraftiga sätt att generera mörk materia. Vi vet — från omfattande testning och sökning — att oavsett mörk materia kan den inte bestå av några partiklar som finns i Standardmodellen. Oavsett dess sanna natur krävs det ny fysik utöver vad som för närvarande är känt. Men det finns många sätt det kunde ha skapats, inklusive:

• från att vara termiskt skapad i det heta, tidiga universum och sedan misslyckas med att fullständigt förinta bort, förblir stabil därefter (som den lättaste supersymmetriska eller Kaluza-Klein-partikeln),
• eller från en fasövergång som spontant inträffade när universum expanderade och kyldes, rippade massiva partiklar ur kvantvakuumet (t. ex. axionen),
• som en ny form av en neutrino, som i sig kan antingen blandas med de kända neutrinerna (dvs., en steril neutrino), eller som en tung högerhänt neutrino som finns utöver de konventionella neutrinerna,
• eller som ett rent gravitationsfenomen som ger upphov till en ultramassiv partikel (t.ex. en WIMPzilla).

Varför finns det Mörk Materia idag, när resten av universum verkar fungera bra tidigt utan det? Det måste ha varit något sätt att generera denna ”sak” där det inte fanns något sådant i förväg, men alla dessa scenarier kräver energi. Var kom all den energin ifrån?

kanske, enligt kosmisk inflation — vår ledande teori om universums ursprung före Big Bang-det kom verkligen från ingenting. Detta kräver lite förklaring, och är det som oftast menas med ”ett universum från ingenting.”(Inklusive, förresten, som det användes i titeln på boken med samma namn.)

när du föreställer dig de tidigaste stadierna av den heta Big Bang, måste du tänka på något otroligt varmt, tätt, högenergi och nästan perfekt enhetligt. När vi frågar, ”hur uppstod detta”, har vi vanligtvis två alternativ.

1. vi kan gå Lady Gaga vägen, och bara hävda att det måste ha varit ”född på detta sätt.”Universum föddes med dessa egenskaper, som vi kallar initiala förhållanden, och det finns ingen ytterligare förklaring. Som teoretisk fysiker kallar vi detta tillvägagångssätt ”ge upp.”
2. eller vi kan göra vad teoretiska fysiker gör bäst: försök och koka ihop en teoretisk mekanism som kan förklara de ursprungliga förhållandena, reta ut konkreta förutsägelser som skiljer sig från standarden, rådande teorins förutsägelser och sedan gå ut och försöka mäta de kritiska parametrarna.

kosmisk inflation uppstod som ett resultat av att ta det andra tillvägagångssättet, och det förändrade bokstavligen vår uppfattning om hur vårt universum blev.

i stället för att extrapolera ”het och tät” tillbaka till en oändligt het, oändligt tät singularitet, säger inflationen i princip: ”kanske den heta Big Bang föregicks av en period där en extremt stor energitäthet var närvarande i själva rymden, vilket fick universum att expandera i en obeveklig (inflationstakt) och sedan när inflationen slutade överfördes den energin till Materia-och-antimateria-och-strålning, vilket skapade det vi ser som den heta Big Bang: efterdyningarna av inflationen.”

i gory detalj skapar detta inte bara ett universum med samma temperatur överallt, rumslig planhet och inga kvarvarande reliker från en hypotetisk storslagen enhetlig epok, utan förutsäger också en viss typ och spektrum av frö (densitet) fluktuationer, som vi sedan gick ut och såg. Från bara tomt utrymme själv — även om det är tomt utrymme fyllt med en stor mängd fältenergi-har en naturlig process skapat hela det observerbara universum, rikt på struktur, som vi ser det idag.

det är den stora tanken att få ett universum från ingenting, men det är inte tillfredsställande för alla.

till en stor del av människor, ett universum där rymden och tiden fortfarande existerar, tillsammans med fysikens lagar, de grundläggande konstanterna och en del icke-nollfältenergi som är inneboende i själva rymden, är väldigt mycket skild från tanken om ingenting. Vi kan trots allt föreställa oss en plats utanför rymden; ett ögonblick bortom tidens gränser; en uppsättning villkor som inte har någon fysisk verklighet för att begränsa dem. Och dessa fantasier — om vi definierar dessa fysiska realiteter som saker vi behöver eliminera för att få sant ingenting-är verkligen giltiga, åtminstone filosofiskt.

men det är skillnaden mellan filosofisk ingenting och en mer fysisk definition av ingenting. Som jag skrev tillbaka i 2018 finns det fyra vetenskapliga definitioner av ingenting, och de är alla giltiga, beroende på ditt sammanhang:

1. en tid då din” sak ” av intresse inte existerade,
2. tomt, fysiskt utrymme,
3. Tom rymdtid i lägsta möjliga energitillstånd och
4. vad du än är kvar när du tar bort hela universum och lagarna som styr det.

vi kan definitivt säga att vi fick ”ett universum från ingenting” om vi använder de två första definitionerna; vi kan inte om vi använder den tredje; och tyvärr vet vi inte tillräckligt för att säga vad som händer om vi använder den fjärde. Utan en fysisk teori för att beskriva vad som händer utanför universum och bortom rikets fysiska lagar är begreppet sant ingenting fysiskt dåligt definierat.

i samband med fysik är det omöjligt att förstå en uppfattning om absolut ingenting. Vad innebär det att vara utanför rum och tid, och hur kan Rum och tid förnuftigt, förutsägbart komma ur ett tillstånd av icke-existens? Hur kan rumtiden dyka upp på en viss plats eller tid, när det inte finns någon definition av plats eller tid utan den? Var uppstår reglerna för kvanta — fälten och partiklarna båda — från?

denna tankegång antar till och med att rymden, tiden och fysikens lagar inte var eviga, när de faktiskt kan vara. Eventuella teorier eller bevis på motsatsen är beroende av antaganden vars giltighet inte är väl etablerad under de villkor som vi skulle försöka tillämpa dem. Om du accepterar en fysisk definition av” ingenting”, så ja, universum som vi känner det verkar mycket ha uppstått från ingenting. Men om du lämnar fysiska begränsningar bakom, försvinner allt säkert om vårt ultimata kosmiska ursprung.

tyvärr för oss alla, inflation, till sin natur, raderar all information som kan skrivas in från ett befintligt tillstånd på vårt observerbara universum. Trots den gränslösa naturen hos våra fantasier kan vi bara dra slutsatser om frågor för vilka tester som involverar vår fysiska verklighet kan konstrueras. Oavsett hur logiskt ljud något annat övervägande kan vara, inklusive en uppfattning om absolut ingenting, är det bara en konstruktion av våra sinnen.

skicka in din fråga Ethan frågor till startswithabang på gmail dot com!