Jednym z największych pytań dotyczących naszego wszechświata jest to, skąd się to wszystko wzięło. Kiedy odkryliśmy, że gigantyczne spirale na niebie są galaktykami niewiele różniącymi się od naszej własnej Drogi Mlecznej, po raz pierwszy zaczęliśmy rozumieć wielkość tego, co postrzegamy. Te odległe „wyspy wszechświata” nie znajdują się w Drodze Mlecznej: są zbiorem miliardów lub trylionów gwiazd, oddzielonych milionami lub miliardami lat świetlnych w przestrzeni.
Kiedy odkryliśmy, że im dalej galaktyka jest od nas, tym szybciej opuszcza naszą perspektywę, otwierała się przed nami osobliwa rzecz, która jest zgodna z ogólną teorią względności: być może to nie galaktyki oddalają się od naszego położenia, ale sama struktura przestrzeni się rozszerza. Jeśli tak, to wszechświat musi nie tylko rozszerzać się, ale także ochładzać, a długość fali światła musi z czasem rozciągać się do coraz niższych energii. Ponadto możemy ekstrapolować to nie tylko do przodu, ale także do tyłu: w czasie, gdy Wszechświat był mniejszy.
Patrząc w tym kierunku, widzimy, że wszechświat był gęstszy, gorętszy, rozszerzał się szybciej i był bardziej zwarty. W jego najwcześniejszej młodości wszechświat był tak energetyczny, że obojętne atomy zostały rozerwane, a nawet wcześniej nie mogły one utworzyć nawet pojedynczych jąder atomowych.
Taki obraz - Wielki Wybuch - potwierdził odkrycie reliktowego promieniowania, kosmicznego mikrofalowego tła, pomiary jego widma i fluktuacji, a także odkrycie pierwotnych pierwiastków, które pozostały od tamtego czasu. Ale choć kuszące może być cofnięcie się do skrajnie gorącego i gęstego stanu, do osobliwości, jest to po prostu niemożliwe w naszym wszechświecie.
Widzisz, istnieją poważne problemy, które pojawiają się, jeśli spróbujesz cofnąć się tak daleko:
- Wszechświat nie rozszerzałby się w nieskończoność, nie zapadałby się natychmiast, nie pozwoliłby na formowanie się gwiazd lub galaktyk, gdyby początkowa szybkość ekspansji i gęstość energii nie były idealnie zrównoważone.
Film promocyjny:
- Wszechświat miałby różne temperatury w różnych kierunkach - czego nie obserwujemy - gdyby coś nie prowadziło do równomiernego rozkładu temperatur.
- Wszechświat zostałby wypełniony reliktami o wysokiej energii, których nigdy nie odnaleziono w wyniku arbitralnej ekstrapolacji wstecz do przeszłości.
I znowu, kiedy obserwujemy wszechświat, widzimy gwiazdy i galaktyki; ma taką samą temperaturę we wszystkich kierunkach; nie widać żadnych reliktów o wysokiej energii.
Rozwiązaniem tych problemów była teoria kosmicznej inflacji, która zastąpiła ideę osobliwości okresem wykładniczej ekspansji przestrzeni i która przewidywała takie warunki początkowe, że nie może być Wielkiego Wybuchu. Ponadto inflacja stworzyła sześć prognoz dotyczących tego, co powinniśmy obserwować w naszym wszechświecie:
- Idealnie płaski wszechświat.
- Wszechświat z fluktuacjami w skali większej niż światło może pokonać.
- Wszechświat o maksymalnej temperaturze, która nie będzie arbitralnie wysoka.
- Wszechświat, którego fluktuacje były wszędzie adiabatyczne lub równą entropii.
- Wszechświat, którego spektrum fluktuacji było nieco mniejsze niż niezmienna natura skali (n_s <1).
- Wreszcie Wszechświat z pewnym spektrum fluktuacji fal grawitacyjnych.
Pierwsza została potwierdzona, szósta jest nadal poszukiwana.
Kolejnym logicznym pytaniem o nasze pochodzenie będzie oczywiście, skąd wzięła się inflacja? Czy ten stan był wieczny w stosunku do przeszłości (to znaczy nie miał początku i zawsze istniał), aż do końca i powstania Wielkiego Wybuchu? Czy ten stan miał początek, kiedy wyłonił się z nieinflacyjnego stanu czasoprzestrzeni w jakimś określonym czasie w przeszłości? A może był to stan cykliczny, kiedy czas był zamknięty w pętli?
Trudność w tym jest taka, że w naszym Wszechświecie nie ma niczego, co moglibyśmy zaobserwować, co pozwoliło nam wybrać jedną z tych trzech opcji. We wszystkich modelach inflacji z wyjątkiem najbardziej naciąganych (i innych niż te, które wykluczyliśmy), na nasz wszechświat wpłynęło tylko ostatnie 10 (-33) sekund inflacji. Wykładnicza natura inflacji wymazuje wszelkie informacje, które powstały przed nią, oddzielając ją od wszystkiego, co możemy zaobserwować, wydmuchując ją z naszego obserwowalnego wszechświata.
Ale to, co pozostaje dla nas w postaci obserwowalnego Wszechświata, jest ogromne: promień 46 miliardów lat świetlnych, 1012 galaktyk, 1024 gwiazd, 1080 atomów i około 1090 fotonów. Ale te liczby, choć astronomiczne, są skończone i nie dają nam żadnych informacji o tym, co wydarzyło się we Wszechświecie przed tą maleńką, ostatnią ułamkiem sekundy inflacji. Możemy wykonać obliczenia teoretyczne, aby spróbować wycisnąć więcej założeń, ale wszystkie będą zależeć od wybranego modelu. Z wyjątkiem kilku konkretnych modeli, które pozostawiłyby widoczne ślady w naszym wszechświecie (w większości nie), nie mamy możliwości dowiedzenia się, jak - a nawet czy - wszechświat zaczął się.
Całkowita ilość dostępnych nam informacji we Wszechświecie jest ograniczona, a wraz z nią ilość wiedzy, jaką możemy na jej temat zdobyć. Jednak jest jeszcze wiele do nauczenia się, jest jeszcze wiele nauki, której nie wie. Ale są rzeczy, których najprawdopodobniej nigdy się nie dowiemy. Wszechświat może być nieskończony, ale nasza wiedza o nim nigdy nie będzie.