Hvad skete der før Big Bang?

I begyndelsen var der en uendelig tæt, lille kugle af materie. Derefter gik det hele sammen og gav anledning til de atomer, molekyler, stjerner og galakser, vi ser i dag.

Eller i det mindste, det er det, som fysikere har fået at vide i de sidste adskillige årtier. 

Men ny teoretisk fysikforskning har for nylig afsløret et muligt vindue ind i det meget tidlige univers, der viser, at det trods alt ikke er "meget tidligt". I stedet kan det være bare den seneste iteration af en bang-bounce-cyklus, der har været i gang ... godt, mindst en gang og muligvis for evigt. 

Før fysikere beslutter at smide Big Bang til fordel for en bang-bounce-cyklus, er disse teoretiske forudsigelser naturligvis nødt til at overleve et angreb af observationsforsøg.

Bouncing kosmologier

Forskere har et rigtig godt billede af det meget tidlige univers, noget vi kender og elsker som Big Bang-teorien. I denne model var universet for længe siden langt mindre, langt varmere og langt tættere end det er i dag. I den tidlige inferno for 13,8 milliarder år siden blev alle elementerne, der gør os til det vi er, dannet i et tidsrum på omkring et dusin minutter.

Endnu tidligere går denne tænkning, på et tidspunkt vores hele univers - alle stjerner, alle galakser, alt sammen - var på størrelse med en fersken og havde en temperatur på over en firedelstedsgrader.

Utrolig nok holder denne fantastiske historie op til alle aktuelle observationer. Astronomer har gjort alt fra at observere den resterende elektromagnetiske stråling fra det unge univers til at måle overflod af de letteste elementer og konstateret, at de alle stemmer overens med, hvad Big Bang forudsiger. Så vidt vi kan sige, er dette et nøjagtigt portræt af vores tidlige univers.

Men så godt som det er, ved vi, at Big Bang-billedet ikke er komplet - der mangler et puslespil, og det stykke er de tidligste øjeblikke i selve universet.

Det er et ret stort stykke.

Relaterede: Fra Big Bang til nutid: Snapshots af vores univers gennem tiden

Forbrændingen

Problemet er, at den fysik, som vi bruger til at forstå det tidlige univers (en vidunderligt kompliceret uheld af generel relativitet og partikelfysik med høj energi) kun kan tage os så langt, før vi bryder sammen. Når vi prøver at skubbe dybere og dybere ind i de første øjeblikke af vores kosmos, bliver matematikken sværere og sværere at løse, helt til det punkt, hvor det bare… afslutter.

Det vigtigste tegn på, at vi har terræn, der endnu ikke skal udforskes, er tilstedeværelsen af ​​en "singularitet" eller et punkt med uendelig tæthed i begyndelsen af ​​Big Bang. Taget til pålydende fortæller dette os, at universet på et tidspunkt blev proppet ind i et uendeligt lille, uendeligt tæt punkt. Dette er åbenlyst absurd, og hvad det virkelig fortæller os, er, at vi har brug for ny fysik for at løse dette problem - vores nuværende værktøjssæt er bare ikke godt nok.

Relaterede: 8 måder, du kan se Einsteins relativitetsteori i det virkelige liv

For at redde dagen har vi brug for noget nyt fysik, noget der er i stand til at håndtere tyngdekraften og de andre kræfter, kombineret, ved ultrahøj energi. Og det er nøjagtigt, hvad strengteori hævder at være: en model af fysik, der er i stand til at håndtere tyngdekraften og de andre kræfter, kombineret, ved ultrahøj energi. Hvilket betyder, at strengteori hævder, at det kan forklare universets tidligste øjeblikke.

En af de tidligste strengeorien-forestillinger er det "ekpyrotiske" univers, der kommer fra det græske ord for "forbrænding" eller ild. I dette scenarie blev det, vi kender som Big Bang, tændt af noget andet, der skete før det - Big Bang var ikke en begyndelse, men en del af en større proces.

Udvidelse af det ekpyrotiske koncept har ført til en teori, der igen er motiveret af strengteori, kaldet cyklisk kosmologi. Jeg formoder, at ideen om universet, der konstant gentager sig, teknisk set er tusinder af år gammel og foregår i fysik, men strengteori gav ideen fast matematisk forankring. Det cykliske univers forekommer nøjagtigt, som du måske forestiller dig, og konstant hopper mellem big bangs og big crunches, potentielt for evigheden tilbage i tiden og for evigheden ind i fremtiden.

Før begyndelsen

Så cool som dette lyder, tidlige versioner af den cykliske model havde svært ved at matche observationer - hvilket er en stor aftale, når du prøver at gøre videnskab og ikke bare fortælle historier rundt om lejrbålet. 

Hovedhindringen var enig i vores observationer af den kosmiske mikrobølgebakgrund, det fossile lys, der blev tilbage fra da universet kun var 380.000 år gammelt. Selvom vi ikke kan se direkte forbi den væg af lys, hvis du teoretisk begynder at tænke med fysik i spædbarnets kosmos, påvirker du det efterglødende lysmønster.

Og det så ud til, at et cyklisk univers var en pæn, men forkert idé.

Men den ekpyrotiske fakkel er blevet oplyst i årenes løb, og et papir, der blev offentliggjort i januar til arXiv-databasen, har udforsket rynker i matematikken og afsløret nogle tidligere mistede muligheder. Fysikerne Robert Brandenberger og Ziwei Wang fra McGill University i Canada fandt ud af, at i øjeblikket af "bounce", når vores univers skrumper ned til et utroligt lille punkt og vender tilbage til en Big Bang-tilstand, er det muligt at stille alt sammen for at få det korrekte observationsmæssigt testede resultat.

Med andre ord, den komplicerede (og ganske vist dårligt forståede) fysik i denne kritiske tid kan muligvis muliggøre et radikalt revideret syn på vores tid og sted i kosmos.

Men for fuldt ud at teste denne model, bliver vi nødt til at vente på en ny generation af kosmologieksperimenter, så lad os vente med at bryde den ekpyrotiske champagne ud.

Paul M. Sutter er en astrofysiker hos SUNY Stony Brook og Flatiron Institute, vært for Spørg en Spaceman og Space Radio, og forfatter af Dit sted i universet.

• De største uløste mysterier inden for fysik
• De 12 mærkeligste objekter i universet
• Big Bang til civilisationen: 10 fantastiske oprindelsesbegivenheder

Oprindeligt offentliggjort den .

TILBUD: Spar 45% på 'Sådan fungerer det' Alt om plads 'og' Alt om historie '!

I en begrænset periode kan du tegne et digitalt abonnement på et af vores mest solgte videnskabsmagasiner for kun $ 2,38 pr. Måned eller 45% rabat på standardprisen for de første tre måneder. Se tilbud