ELOGIOS PARA Un universo de la nada "En Un universo de la nada, Lawrence Krauss ha escrito un emocionante introducción a la situación actual de la cosmología, la rama de la ciencia que dice sobre el pasado profundo y más profundo futuro de todo. Pues resulta que, todo lo que tiene mucho que ver con nada, y nada que ver con Dios. Esta es una brillante y desarmar libro. "
-Sam HARRIS,
autor de The Moral Landscape
"Muy bien navegar a través de profundas aguas intelectuales, Krauss presenta las ideas más recientes sobre la naturaleza de nuestra cosmos, y de nuestro lugar en él. Una lectura fascinante. " -Mario Livia,
autor de The Golden Ratio
"Una serie de brillantes ideas y descubrimientos sorprendentes han sacudido el universo en los últimos años, y Lawrence Krauss ha estado en medio de ellos. Con su característica brío, y el uso de muchos dispositivos inteligentes, él 's hizo que extraordinaria historia muy accesible. El clímax es una negrita respuesta científica a la gran pregunta de la existencia: ¿Por qué es hay algo en lugar de nada? "
-Frank Wilczek,
Premio Nobel y autor de La levedad del ser
"En este libro claro y quebradizo escrito, Lawrence Krauss esboza la evidencia convincente de que nuestro cosmos complejos ha evolucionado a partir de un estado denso y caliente y cómo este progreso tiene teóricos envalentonados para desarrollar especulaciones fascinantes acerca de cómo empezaron realmente las cosas. " -Martin Rees,
autor de Nuestra hora final
"Con característico ingenio, elocuencia y claridad Lawrence Krauss ofrece un relato maravillosamente esclarecedor de cómo ciencia se ocupa de una de las mayores preguntas de todas: ¿Cómo podría existencia del universo 's surgir de la nada? Es una cuestión que la filosofía y la teología se meten en un Muddle terminado, pero que la ciencia puede ofrecer respuestas reales a, como Lúcida explicación Krauss 's muestra. Aquí está el triunfo de la física sobre la metafísica, la razón y la investigación sobre ofuscación y el mito, hecho claro para que todos lo vean: Krauss da nosotros un placer, así como una educación en un estilo fascinante. "
-A. C. Grayling,
autor de El Buen Libro
"DONDE LLEGÓ EL UNIVERSO DE? ¿Qué había antes de TI? ¿Cuál será el FUTURO TRAER? Y por último, ¿POR QUÉ HAY Algo más que nada? "
Lawrence Krauss 's respuestas provocativas a estas y otras preguntas atemporales en una conferencia muy popular ahora en YouTube han atraído a casi un millón de espectadores. El último de estas preguntas, en particular, ha estado en el centro de debates religiosos y filosóficos sobre la existencia de Dios, y que es el supuesto argumento en contra de cualquier persona que cuestiona la necesidad de Dios. Como argumenta Krauss, científicos Sin embargo, han centrado históricamente en la otra, más acuciante cuestiones tales como averiguar cómo el universo en realidad funciones, que en última instancia, nos pueden ayudar a mejorar la la calidad de nuestras vidas. Ahora, en una historia cosmológica que los remaches ya que ilumina, físico teórico pionero Lawrence Krauss explica los nuevos avances científicos revolucionarios que convierten el la mayoría de las preguntas filosóficas básicas sobre sus cabezas. Uno de los pocos científicos prominentes hoy han cruzado activamente el abismo entre la ciencia y la cultura popular, Krauss revela que la ciencia moderna es abordar la cuestión de por qué hay es algo más que nada, con la sorprendente y resultados fascinantes. La impresionante belleza experimental observaciones y nuevas teorías alucinantes son todos descrito accesible en Un universo de la nada, y sugieren que no sólo lata algo surge de la nada, Algo siempre surgir de la nada. Con su característico humor irónico y maravillosamente claro explicaciones, Krauss nos lleva de nuevo al principio de la comenzando, presentando la evidencia más reciente de cómo nuestro universo evolucionó y las implicaciones para la forma en que 'va a fin. Será provocar, desafiar, y deleitar a los lectores como parece en los fundamentos más básicos de la existencia de toda una nueva manera. Y este conocimiento de que nuestro universo será bastante diferente en el futuro a partir de hoy tiene profundas implicaciones
y afecta directamente la manera en que vivimos en el presente. Como Richard Dawkins lo ha descrito: Esto podría ser el más importantscientificbookwithimplicationsfor sobrenaturalismo desde Darwin. Un antídoto fascinante pasado de moda filosófica y pensamiento religioso, Un universo de la nada es un provocador, juego de cambio de entrada en el debate sobre la existencia de Dios y todo lo que existe. "Olvídate de Jesús," Krauss tiene argumentaron, "las estrellas murieron para que pudiera nacer."
Lawrence M. Krauss es un cosmólogo de renombre y Fundación Profesor y Director del Proyecto Orígenes en Universidad del Estado de Arizona. Aclamado por Scientific American como una rara intelectual público científico, es autor de más de trescientas publicaciones científicas y ocho libros, incluyendo el éxito de ventas T física de Star Trek, y laél recibido numerosos premios internacionales por sus investigaciones y la escritura. Él es un internacionalmente conocido teórico físico con intereses de investigación de ancho, incluyendo la interfaz entre la física de partículas elementales y la cosmología, donde sus estudios incluyen el universo temprano, la naturaleza de la oscuridad la materia, la relatividad general y la astrofísica de neutrinos. Él recibió su doctorado en física en el Massachusetts Institute de Tecnología, en 1 982, luego se unió a la Sociedad de Harvard Fellows. En 1 985 se unió a la facultad de física en la Universidad de Yale Universidad, moviéndose en 1 993 para convertirse en Presidente de la Departamento de Física de la Universidad Case Western Reserve antes de asumir su cargo actual en ASU en 2008. Krauss es un periódico frecuente y la revista editorialista y aparece regularmente en la radio y la televisión.
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Elogios para Un universo de la nada
"Nada, no hay nada. Nada es algo. Así es como un cosmos puede ser generado a partir de la idea de un vacío profundo transportado en Un universo de la nada que perturba a algunos todavía ilumina otros. Mientras tanto, es sólo otro día en el trabajo para el físico Lawrence Krauss. "
-Neil DeGrasse Tyson, astrofísico, Museo Americano de Historia Natural
"La gente siempre dice que usted puede 't conseguir algo de la nada. Afortunadamente, Lawrence Krauss ¿No te escuchan. De hecho, algo grande pasa a usted durante este libro sobre nada cósmica, y antes puedes evitarlo, tu mente estará expandiendo tan rápidamente como el universo temprano. "
-Sam Kean, autor de La desaparición de la cuchara
También por Lawrence M. Krauss FIF Essenceth OfPhysics miedo La física de Star Trek
Más allá de Star Trek: De la amenaza extraterrestre en el Fin de los Tiempos Quintessence: El Myster de los Desaparecidos Massy Atom: A oxígeno solo viaje Atom 's desde el Big Bang a la vida en la Tierra. . . y más allá
Escondidos en el Espejo: Los f Realidades Alternas Quest, forrom Platón a la Teoría de Cuerdas Quantum Man: Vida Richard Feynman 's en Ciencias
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Biblioteca del Congreso de Datos de catalogación en publicación Krauss, Lawrence Maxwell. Un universo de la nada: por qué hay algo en lugar de nada / Lawrence M. Krauss; con un epílogo de Richard Dawkins. p. cm. Incluye índice. 1. Cosmología. 2. A partir. 3. Fin del universo. I. Título. QB98 1 .K773 20 1 220 1 1 0.325 1 9 523. 1 '8-dc23
ISBN 978- 1 -4 5 1 6-2445-8 ISBN 978- 1 -4 5 1 6-2447-2 (ebook)
Para Thomas, Patty, Nancy, y Robin, f ayudar a inspirar a mí para crear somethingor de la nada ...
En este sitio en 1897, No pasó nada. -Plaque En el muro de Woody Creek Tavern, Woody Creek, Colorado
CONTENIDOS
Prefacio Capítulo 1: Una historia de misterio cósmico: Comienzos Capítulo 2: Una historia de misterio cósmico: Pesaje del Universo Capítulo 3: La luz del principio del tiempo Capítulo 4: Mucho ruido y pocas nueces Capítulo 5: El Universo del fugitivo Capítulo 6: El Almuerzo Gratuito en el extremo del universo Capítulo 7: Nuestro Futuro Miserable Capítulo 8: A Grand accidente? Capítulo 9: Nada es algo Capítulo 1 0: Nada es inestable Capítulo 1 1: Brave New Worlds
Epílogo
Epílogo de Richard Dawkins
Índice
PRÓLOGO
Sueño o pesadilla, tenemos que vivir nuestra experiencia, ya que es, y tenemos que vivirla despierto. N o viven en un mundo que es penetrado hasta la médula por la ciencia y que es a la vez conjunto y real. No podemos convertirlo en un juego simplemente por tomar partido.
-Jacob BRONOWSKI
En aras de la divulgación completa derecho desde el principio he de reconocer que yo no simpatizo con la convicción de que la creación requiere una creador, que está en la base de todas las religiones 's mundo. Cada aparecen día hermoso y milagrosas objetos de repente, de copos de nieve en una fría mañana de invierno a la vibrante arco iris después de una lluvia de verano a finales de la tarde. Sin embargo, nadie sino el más ardiente fundamentalistas sugerirían que todos y cada uno de estos objetos es con amor y esmero y, lo más importante, a propósito creado por una inteligencia divina. De hecho, muchos laicos, así como los científicos se deleitan en nuestra capacidad para explicar cómo los copos de nieve y arco iris pueden aparecer de forma espontánea, basada en leyes sencillas y elegantes de la física. Por supuesto, uno puede pedir, y muchos lo hacen, "¿De dónde vienen las leyes de la física vienen? ", así como más sugestivamente," ¿Quién creó estas leyes? "Incluso si se puede responder a esta primera consulta, el peticionario entonces a menudo preguntan, "¿Pero de dónde viene eso?" o "¿Quién creó ese?" etcétera. En última instancia, muchas personas reflexivas son conducidos a la aparente necesidad de Primera Causa, como Platón, Tomás de Aquino, o la romana moderna Iglesia Católica podría decirlo, y por lo tanto suponer cierta divina siendo: un creador de todo lo que existe, y todo lo que no habrá nunca, alguien o algo eterno y en todas partes.
Sin embargo, la declaración de una Causa Primera aún deja abierta la pregunta, "¿Quién creó al creador?" Después de todo, ¿cuál es la diferencia entre argumentando a favor de una eternamente existente creador frente a un universo que existe eternamente sin uno? Estos argumentos siempre me recuerdan a la famosa historia de un experto dando una conferencia sobre los orígenes del universo (a veces identificado como Bertrand Russell ya veces William James), que sea detenido por una mujer que cree que se celebra el mundo por una tortuga gigante, que se celebró a continuación, por otra tortuga, y luego otro. . . con otras tortugas "todo el camino hacia abajo!" Un regresión infinita de alguna fuerza creativa que engendra en sí, incluso alguna fuerza imaginado que es mayor que las tortugas, doesn 't nos conseguir ninguna más cerca de lo que es lo que da origen al universo. Sin embargo, este metáfora de una regresión infinita puede ser en realidad más cerca de la verdadero proceso por el cual el universo llegó a ser de un solo creador explicaría. Definición de distancia la cuestión argumentando que la responsabilidad es de Dios puede parecer para obviar el problema de la regresión infinita, pero aquí Invoco mi mantra: El universo es como es, nos guste o no. La existencia o no existencia de un creador es independiente de nuestros deseos. Un mundo sin Dios ni propósito puede parecer duro o inútil, pero que por sí sola no requerir a Dios que existe en realidad. Del mismo modo, nuestras mentes pueden no ser capaces de comprender con facilidad Infinities (aunque las matemáticas, un producto de nuestra mente, ofertas con ellos bastante bien), pero que doesn 't nos dicen que infinitos don 't existe. Nuestro universo podría ser infinito en espacial o temporal medida. O, como Richard Feynman dijo una vez, las leyes de la física podría ser como una cebolla infinitamente en capas, con nuevas leyes convertirse operacional como sondeamos nuevas escalas. Nosotros simplemente don 'f sabemos! Durante más de dos mil años, la pregunta: "¿Por qué hay algo en lugar de nada? "ha sido presentada como un reto a la proposición de que nuestro universo-que contiene la gran complejo de estrellas, las galaxias, los seres humanos, y quién sabe qué más podría haber surgido sin diseño, intención o propósito. Si bien esto es generalmente enmarcado como una cuestión filosófica o religiosa, es primero y ante todo una pregunta sobre el mundo natural, y por lo que el lugar apropiado para tratar de resolverlo, primero y ante todo, es con ciencia.
El propósito de este libro es simple. Quiero mostrar lo moderna la ciencia, en diversas formas, se puede abordar y es abordar la pregunta de por qué hay algo en lugar de nada: La respuestas que se han obtenido, desde asombrosamente hermoso observaciones experimentales, así como de las teorías que la base de gran parte de la física moderna todos sugieren que conseguir algo de la nada no es un problema. De hecho, algo de nada puede haber sido necesario para el universo entre en ser. Por otra parte, todas las señales indican que así es como nuestro universo podría han surgido. Hago hincapié en la palabra podría aquí, porque nunca podríamos tener suficiente información empírica para resolver esta cuestión sin ambigüedades. Pero el hecho de que un universo de la nada es aún plausible es ciertamente significativo, al menos para mí. Antes de seguir adelante, quiero dedicar unas palabras a la noción de la "nada", un tema que voy a volver a en algún detalle más adelante. Para He aprendido que, cuando se habla de esta cuestión en público foros, nada molesta a los filósofos y teólogos que desacuerdo conmigo más que la idea de que yo, como científico, no lo hago realmente entender "nada". (estoy tentado a replicar aquí que teólogos son expertos en nada.) "Nada", insisten, no es nada de lo que discuto. Nada es "no-ser", en algún sentido vago y mal definido. Este me recuerda a mis propios esfuerzos para definir el "diseño inteligente" cuando Comencé a debatir con los creacionistas, de los cuales, se hizo evidente, no hay una definición clara, excepto para decir lo que él isn 't. "Inteligente diseño "es simplemente un paraguas unificador para la evolución contraria. Del mismo modo, algunos filósofos y muchos teólogos definen y redefinir "nada" por no ser ninguna de las versiones de nada de lo que científicos describen actualmente. Pero ahí, en mi opinión, se encuentra la bancarrota intelectual de gran parte de la teología y algunos de la filosofía moderna. Porque seguramente "Nada" es tan físico como "algo", sobre todo si se ha de ser definido como la "ausencia de algo." A continuación, corresponde a entender con precisión la naturaleza física de ambos éstos cantidades. Y sin la ciencia, toda definición es sólo palabras. Hace un siglo, había descrito "nada" como una referencia a puramente espacio vacío, que no poseen entidad material real, esta fuerza
han recibido poca discusión. Pero los resultados del último siglo nos han enseñado que el espacio vacío es de hecho muy lejos de la inviolada nada que presuponía antes de aprender más sobre cómo funciona la naturaleza. Ahora, me han dicho por los críticos religiosos que yo no puede referirse a un espacio vacío como "nada", sino más bien como un "quantum vacío ", para distinguirlo de los filósofos 's o teólogo' s "nada". idealizada Que así sea. Pero ¿y si estamos dispuestos a describir a continuación "nada" como la ausencia de espacio y el tiempo mismo? ¿Es esto suficiente? Una vez más, sospecho que habría sido. . . al mismo tiempo. Pero, como lo haré describir, hemos aprendido que el espacio y el tiempo podemos sí aparecen espontáneamente, por lo que ahora se nos dice que incluso esta "nada" no es realmente la nada lo que importa. Y se nos dice que el escapar de la nada "real" requiere la divinidad, con "nada" así definido por decreto a ser "aquello de lo que sólo Dios puede crear algo. " También se ha sugerido por varios individuos con los que han debatido la cuestión de que, si existe el "potencial" para crear algo, que no es un estado de verdadera nada. Y seguramente tener leyes de la naturaleza que le dan ese potencial nos aleja de el verdadero reino del no ser. Pero entonces, si sostengo que tal vez la leyes mismas también surgieron de forma espontánea, como describiré podría ser el caso, entonces eso también no es lo suficientemente bueno, porque cualquier sistema en el que pueden haber surgido de las leyes no es cierto la nada. Tortugas hasta el final? No me lo creo. Pero las tortugas son apelando porque la ciencia está cambiando el campo de juego en formas que incomodar a la gente. Por supuesto, es uno de los propósitos de la ciencia (uno podría haber dicho "filosofía natural" Tiempos de Sócrates). La falta de comodidad significa que estamos en el umbral de nuevos conocimientos. Seguramente, la invocación de "Dios" para evitar las preguntas difíciles de "cómo" es sólo intelectualmente perezoso. Después de todo, si no hubiera posibilidades de creación, entonces Dios no poda han creado nada. Ella sería semántica hocus-pocus afirmar que el potencial regresión infinita se evita porque Dios existe fuera de la naturaleza y, por lo tanto, el "potencial" por la existencia en sí misma no es una parte de la nada de la que surgió la existencia.
Mi verdadero propósito aquí es demostrar que en la ciencia hecho tiene cambiado el campo de juego, por lo que estos abstracto e inútil debates sobre la naturaleza de la nada han sido sustituidos por , los esfuerzos operativos útiles para describir cómo nuestro universo podría en realidad se originó. También voy a explicar el posible implicaciones de esto para nuestro presente y futuro. Esto refleja un hecho muy importante. Cuando se trata de la comprensión de cómo evoluciona nuestro universo, la religión y la teología han sido, en el mejor irrelevante. A menudo enturbiar las aguas, para ejemplo, al centrarse en las cuestiones de la nada y sin proporcionar ninguna definición del término basado en la evidencia empírica. Mientras que no entendemos todavía plenamente el origen de nuestro universo, no hay razón para esperar que las cosas cambien en este sentido. Por otra parte, espero que al final el mismo será cierto para nuestra entendimiento de las áreas que la religión ahora considera su propio territorio, como la moralidad humana. La ciencia ha sido eficaz en la promoción de nuestra comprensión de la naturaleza porque el ethos científico se basa en tres claves principios: (1) seguir la evidencia dondequiera que se encuentre; (2) si uno tiene una teoría, uno tiene que estar dispuesto a tratar de demostrar que es errónea como tanto como uno trata de demostrar que es correcto; (3) el último árbitro de la verdad es el experimento, no la comodidad que uno obtiene de un 'sa creencias a priori, ni la belleza o elegancia uno atribuye a uno 's modelos teóricos. Los resultados de los experimentos que describiré aquí no sólo son oportuna, sino que también son inesperados. El tapiz que la ciencia teje en la descripción de la evolución de nuestro universo es mucho más rica y de gran más fascinante que cualquier imagen o reveladoras historias imaginativas que los seres humanos han inventado. Naturaleza viene con sorpresas que muy superiores a los que la imaginación humana puede generar. Durante las últimas dos décadas, una emocionante serie de acontecimientos en la cosmología, la teoría de las partículas, y la gravitación tiene completamente cambiado nuestra forma de ver el universo, con sorprendente y profundas implicaciones para nuestra comprensión de sus orígenes, así como su futuro. Nada, por tanto, no podía ser más interesante escribir, si se puede perdonar el juego de palabras. La verdadera inspiración para este libro no trata tanto de un deseo de disipar los mitos o creencias de ataque, a partir de mi deseo de
celebrar conocimiento y, junto con él, el absolutamente sorprendente y fascinante universo que el nuestro ha resultado ser. Nuestra búsqueda nos llevará en un viaje relámpago a la más lejana llega de nuestro universo en expansión, desde los primeros momentos de el Big Bang hasta el futuro lejano, e incluirá quizás el más sorprendente descubrimiento de la física en el siglo pasado. En efecto, la motivación inmediata para escribir este libro ahora es un descubrimiento profundo sobre el universo que ha impulsado mi propia la investigación científica para la mayor parte de las últimas tres décadas y que tiene resultó en la conclusión sorprendente que la mayoría de la energía en el universo reside en alguna forma misteriosa, ahora inexplicable impregna todo el espacio vacío. No es un eufemismo para decir que este descubrimiento ha cambiado el campo de juego de la moderna cosmología. Por un lado, este descubrimiento ha producido notable nuevo apoyo a la idea de que nuestro universo surgió de precisión nada. También nos ha provocado a repensar tanto una gran cantidad de supuestos sobre los procesos que pudieran ser de aplicación de su evolución y, en última instancia, la cuestión de si las mismas leyes de la naturaleza son verdaderamente fundamental. Cada uno de éstos, a su vez, ahora tiende a hacer la pregunta de por qué hay algo en lugar de nada parecer menos imponente, si no del todo fácil, como espero describir.
La génesis directa de este libro se remonta a octubre de 2009, cuando di una conferencia en Los Ángeles, con el mismo título. Para mi sorpresa, el vídeo de YouTube de la conferencia, realizada disponible por la Fundación Richard Dawkins, se ha convertido desde algo de una sensación, con casi un millón de visionados como de esta escritura, y numerosas copias de partes de ella se utilizan tanto por el comunidades ateos y teístas en sus debates. Debido al claro interés en este tema, y también como resultado de algunos de los comentarios confusos en la web y en varios los medios de comunicación después de mi conferencia, me pareció que la pena producir una más interpretación completa de las ideas que había expresado que hay en este libro. Aquí también puedo tener la oportunidad de añadir a los argumentos Me presenté en el momento, que se centró casi exclusivamente en la revoluciones recientes en cosmología que han cambiado nuestra imagen del
el universo, asociada con el descubrimiento de la energía y geometría del espacio, y que discuto en los primeros dos tercios de este libro. En el período intermedio, he pensado mucho más acerca de la muchos antecedentes e ideas que constituyen mi argumento; He discutido con otras personas que reaccionaron con una especie de entusiasmo que era infecciosa; y he explorado más a fondo el impacto de desarrollos en la física de partículas, en particular, sobre la cuestión de la origen y la naturaleza de nuestro universo. Y, por último, he expuesto algunos de mis argumentos a los que se oponen vehementemente a ellos, y al hacerlo han ganado algunas ideas que me han ayudado desarrollar mis argumentos más. Mientras que dar contenido a las ideas finalmente he tratado de describir aquí, me beneficié enormemente de discusiones con algunos de mi la mayoría de los colegas de física reflexivos. En particular, quería gracias Alan Guth y Frank Wilczek por tomarse el tiempo para tener largas discusiones y correspondencia conmigo, resolviendo algunas confusiones en mi propia mente y en algunos casos ayudar reforzar mis propias interpretaciones. Envalentonado por el interés de Leslie Meredith y Dominick Anfuso a Free Press, Simon YSchuster, en la posibilidad de una libro sobre este tema, me puso en contacto con mi amigo Christopher Hitchens, quien, además de ser uno de los más alfabetizados y brillante las personas que conozco, habían mismo podido utilizar algunos de los argumentos de mi conferencia en su notable serie de debates sobre la ciencia y la religión. Christopher, a pesar de su mala salud, la amabilidad, generosidad y valentía aceptado escribir un prólogo. Por ese acto de amistad y confianza, voy a estar eternamente agradecido. Desafortunadamente, Finalmente la enfermedad de Christopher lo abrumó en la medida que completar el prólogo se hizo imposible, a pesar de su mejores esfuerzos. Sin embargo, en un exceso de calidad, mi elocuente, brillante amigo, el famoso científico y escritor Richard Dawkins, había acordado anteriormente para escribir un epílogo. Después mi primer proyecto fue terminado, él procedió a producir algo en el corto plazo, cuya belleza y claridad era sorprendente, y al mismo tiempo humilde. Me quedo asombrado. A Christopher, Richard, entonces, y todos los de arriba, expido mi
gracias por su apoyo y aliento, y para motivar mí volver una vez más a mi ordenador y escritura.
CAPÍTULO 1
UNA HISTORIA misterio cósmico: COMIENZOS
El Myster inicial que asiste anyjourney es: ¿cómo didy el viajero llega a su punto de partida en el primer lugar? -Louise BOGAN,
Jornada alrededor M espacioso
Era una noche oscura y tormentosa. Temprano en 1 9 1 6, Albert Einstein acababa de terminar su mayor trabajo de vida 's, una década de duración, intensa lucha intelectual para derivar una nueva teoría de la gravedad, que él llamó la teoría general de la relatividad. Esto no era más que una nueva teoría de la gravedad, sin embargo; ella era una nueva teoría del espacio y el tiempo también. Y fue el primero teoría científica que podría explicar no sólo cómo se mueven los objetos a través del universo, sino también cómo el universo mismo podría evolucionar. Sólo había un tirón, sin embargo. Cuando comenzó a Einstein aplica su teoría a describir el universo como un todo, se hizo claro que la teoría ¿No te describen el universo en el que aparentemente vivido. Ahora, casi cien años después, es difícil plenamente apreciar lo mucho nuestra imagen del universo ha cambiado en el lapso de una sola vida humana. En cuanto a la científica comunidad en 1 9 1 7 se refiere, el universo era estático y eterna, y consistió en una sola galaxia, la Vía Láctea, rodeado de un vasto, infinito, oscuro y vacío espacio. Esto es, después de todo, lo que se adivina por mirando hacia el cielo nocturno con
sus ojos, o con un pequeño telescopio, y en ese momento no era pocas razones para sospechar lo contrario. En Einstein 's teoría, como en Newton' s teoría de la gravedad antes de que, la gravedad es una fuerza puramente de atracción entre todos los objetos. Esto significa que es imposible tener un conjunto de masas localizadas en el espacio en reposo para siempre. Su atracción gravitatoria mutua en última instancia, ocasionar que colapsen hacia el interior, en desacuerdo manifiesto con un universo aparentemente estática. El hecho de que Einstein de la relatividad general s didn 't parece consistente con el entonces imagen del universo fue un golpe más grande para él que se pueden imaginar, por razones que me permitan prescindir de un mito sobre Einstein y la relatividad general que tiene Siempre me ha molestado. Se da por supuesto que Einstein trabajado de forma aislada en una habitación cerrada durante años, utilizando el pensamiento puro y la razón, y se acercó con su bella teoría, independiente de realidad (tal vez como algunos teóricos de cuerdas hoy en día!). Sin embargo, nada podría estar más lejos de la verdad. Einstein siempre se guió profundamente por los experimentos y observaciones. Mientras que él realizó muchos "experimentos mentales" en su mente y lo hizo trabajar duro durante más de una década, se enteró de nuevo matemáticas y siguieron muchas pistas falsas teóricos en la proceso antes de que finalmente produjo una teoría que era de hecho matemáticamente hermoso. El momento más importante en estableciendo su historia de amor con la relatividad general, sin embargo, tuvo que ver con la observación. Durante las últimas semanas agitadas de que era completar su teoría, compitiendo con el matemático alemán David Hilbert, usó sus ecuaciones para calcular la predicción para lo que pudiera parecer un resultado astrofísica oscura: una ligero precesión en el "perihelio" (el punto más cercano de enfoque) de la órbita de Mercurio alrededor del Sol s Los astrónomos habían observado desde hace tiempo que la órbita de Mercurio se marchó ligeramente de la predicha por Newton. En lugar de ser un perfecto elipse que regresó a sí mismo, de la órbita de Mercurio precesión (Lo que significa que el planeta no vuelve exactamente a la misma punto después de una órbita, pero la orientación de los cambios de la elipse ligeramente cada órbita, en última instancia, trazando una especie de espiral similar patrón) por una cantidad muy pequeña: 43 segundos de arco (aproximadamente
1/100
de un grado) por siglo.
Cuando Einstein realizó su cálculo de la órbita usando su la teoría de la relatividad general, el número salió a la perfección. Como descrito por un biógrafo de Einstein, Abraham Pais: "Este descubrimiento fue, creo yo, con mucho, el más fuerte emocional experiencia en la vida científica de Einstein s, tal vez en toda su vida. "Él afirmó tener palpitaciones del corazón, como si "algo se había roto" en el interior. Un mes más tarde, cuando describió su teoría a un amigo como uno de "belleza incomparable", su placer sobre la matemática forma era de hecho manifiesto, pero no se reportaron palpitaciones. La aparente discrepancia entre la relatividad general y observación respecto a la posibilidad de un universo estático no lo hizo dura mucho tiempo, sin embargo. (A pesar de que causó Einstein introducir una modificación en su teoría de que más tarde llamó a su mayor error. Pero más sobre esto más adelante.) Todo el mundo (con la excepción de ciertas juntas escolares en los Estados Unidos) ahora sabe que el universo no es estático, sino que está en expansión y que el expansión comenzó en un increíblemente caliente, denso Big Bang hace aproximadamente 1 3720000000 años. Igualmente importante, tenemos sabemos que nuestra galaxia es sólo una de quizás 400 mil millones galaxias en el universo observable. Somos como el temprano cartógrafos terrestres, apenas comienza a trazar completamente el universo en sus mayores escalas. No es de extrañar que las últimas décadas han sido testigos cambios revolucionarios en nuestra imagen del universo. El descubrimiento de que el universo no es estático, sino más bien expansión, tiene un profundo significado filosófico y religioso, ya que sugiere que nuestro universo tuvo un principio. La principio implica la creación, y la creación despierta emociones. Aunque tomó varias décadas después del descubrimiento en 1 929 de nuestra universo en expansión de la noción de un Big Bang para lograr confirmación empírica independiente, el Papa Pío XII anunció en 195 1 como prueba de Génesis. Como él mismo dijo:
Parecería que la ciencia actual, con un barrido de vuelta a través de los siglos, ha tenido éxito en dar testimonio al instante agosto del primordial Fiat Lux [Que no haya Lightl, cuando a lo largo con la materia, hay estalló desde nada un mar de luz y radiación, y los elementos dividido
y batido y se conforma en millones de galaxias. Así, con que concreción que es característica de las pruebas físicas, [Ciencia1ha confirmado la contingencia del universo y también la deducción bien fundada en cuanto a la época en que la mundo nacido de las manos del Creador. Por lo tanto, creación tuvo lugar. Decimos: "Por lo tanto, hay un Creador. Por lo tanto, Dios existe! "
La historia completa es en realidad un poco más interesante. De hecho, la primera persona en proponer un Big Bang fue un sacerdote belga y físico llamado Georges Lemaitre. Lemaitre fue un notable combinación de competencias. Comenzó sus estudios de ingeniero, era un artillero decorado en la Primera Guerra Mundial y, a continuación, cambiado a las matemáticas, mientras estudiaba para el sacerdocio en el primeros 1 920s. Luego pasó a la cosmología, estudiando primero con el famoso astrofísico británico Sir Arthur Stanley Eddington antes de pasar a la Universidad de Harvard y finalmente recibir una segunda doctorado en física del MIT. En 1927, antes de recibir su segundo doctorado, Lemaitre tenía realmente resuelto las ecuaciones de Einstein s de la relatividad general y demostró que la teoría predice un universo no estático y en hecho sugiere que el universo en que vivimos se está expandiendo. La noción parecía tan escandaloso que el propio Einstein coloridamente obj eja con la frase "Tu matemáticas son correctas, pero su física es abominable. " Sin embargo, Lemaitre propulsado hacia adelante, y en 1 930 que más propuso que nuestro universo en expansión en realidad comenzó como un punto infinitesimal, que él llamó la "Primeval Atom" y que este principio representó, en una alusión a Génesis tal vez, un "Día sin Ayer". Por lo tanto, el Big Bang, que tan anunciado el Papa Pío, tenía primero sido propuesta por un sacerdote. Uno podría haber pensado que Lemaitre se habría emocionado con esta validación papal, pero no tenía ya dispensado en su propia mente con la idea de que este teoría científica tenido consecuencias teológicas y tenía en última instancia, eliminado un párrafo en el proyecto de su artículo 1 9 3 1 en el Gran Explosión comentando sobre esta cuestión.
Lemaitre, de hecho, más tarde expresó su objeción al Papa 's 195 1 reclamado prueba de Génesis a través del Big Bang (entre otras cosas porque él dado cuenta de que si su teoría se demostró más tarde incorrecta, entonces la Reclamaciones católicas romanas para Génesis podrían ser impugnadas). Por esta tiempo, que había sido elegido para la Academia Pontificia del Vaticano 's, después se convirtió en su presidente. Como él mismo dijo, "Por lo que yo puedo ver, tal teoría se mantiene completamente al margen de cualquier metafísica o cuestión religiosa. "El Papa nunca más trajo a colación el tema en público. Hay una lección valiosa aquí. Como reconoció Lemaitre, si el Big Bang realmente ocurrió es un científico pregunta, no teológico. Además, incluso si el Big Bang que había pasado (que toda la evidencia apoya abrumadoramente ahora), se podría optar por interpretar de diferentes maneras, dependiendo de uno 's predilecciones religiosas o metafísicas. Usted puede optar por ver el Big Bang como sugerente de un creador si usted siente la necesidad o en lugar sostienen que las matemáticas de la relatividad general explican la evolución del universo de vuelta a sus inicios sin la intervención de cualquier deidad. Pero tal especulación metafísico es independiente de la validez física del propio Big Bang y es irrelevante para nuestra comprensión de la misma. Por supuesto, a medida que avanzamos más allá de la mera existencia de un universo en expansión de entender los principios físicos que pueden hacer frente a su origen, la ciencia puede arrojar más luz sobre esta especulación y, como argumentaré, lo hace. En cualquier caso, ni Lemaitre ni el Papa Pío convencieron al mundo científico de que el universo se estaba expandiendo. Más bien, como en todo buena ciencia, la evidencia proviene de observaciones cuidadosas, en este caso realizado por Edwin Hubble, que sigue dándome mucha fe en la humanidad, porque él empezó como un abogado y luego se convirtió en un astrónomo. Hubble había hecho antes, un avance significativo en 1925 con el nuevo Monte Wilson l OO pulgadas telescopio Hooker, entonces el 's más grande del mundo. (En comparación, estamos ahora telescopios de construcción más de diez veces más grande que este diámetro y cien veces más grande en el área!) hasta ese momento, con los telescopios después disponibles, los astrónomos fueron capaces de discernir las imágenes borrosas de objetos que no eran simples estrellas en nuestra galaxia. Llamaron a estos nebulosas, que es básicamente en latín significa "cosa difusa" (en realidad
"Nube"). También debatieron si estas eja obj estaban en nuestra galaxia o fuera de ella. Desde el punto de vista predominante del universo en ese momento era que nuestra galaxia era todo lo que había, la mayoría de los astrónomos cayeron en el "en nuestra galaxia "campamento, dirigido por el famoso astrónomo Harlow Shapley en Harvard. Shapley había abandonado la escuela en quinto grado y estudiado por su cuenta, con el tiempo va a Princeton. Decidió estudiar astronomía escogiendo el primer tema que encontró en el plan de estudios para estudiar. En un trabajo seminal demostró que la Vía Láctea era mucho más grande que se pensaba y que el Sol no estaba en su centro, sino simplemente en un rincón remoto, poco interesante. Él era una fuerza formidable en la astronomía y por lo tanto sus puntos de vista de la naturaleza de las nebulosas celebrada considerable influencia. El día de Año Nuevo 1 9 2 5, Hubble publicó los resultados de su estudio de dos años de los llamados nebulosas espirales, donde fue capaz de identificar un cierto tipo de estrella variable, llamada una variable Cepheid estrella, en estas nebulosas, incluyendo la nebulosa ahora conocido como Andrómeda. En primer lugar se observa en 1 784, las estrellas variables Cefeidas son estrellas cuyo brillo varía a lo largo de un periodo regular. En 1 908, una poco conocida y apreciada en el momento aspirante a astrónomo, Henrietta Swan Leavitt, fue empleado como un "ordenador" en la Observatorio de la universidad de Harvard. ("Equipos" eran mujeres metida para catalogar el brillo de las estrellas grabadas en el placas fotográficas observatorio 's; las mujeres no se les permitía utilizar los telescopios del observatorio en el momento.) Hija de un Ministro Congregacional y descendiente de los Peregrinos, Leavitt hecho un descubrimiento sorprendente, que se iluminó aún más en 1 9 1 2: Se dio cuenta de que había una relación regular entre el el brillo de las estrellas cefeidas y el período de su variación. Por lo tanto, si se pudiera determinar la distancia a un solo Cepheid de un período conocido (posteriormente se determina en 1 9 1 3), a continuación, medir el brillo de otras cefeidas de la misma época permitiría a uno para determinar la distancia a estas otras estrellas! Desde el brillo observado de estrellas desciende inversamente con el cuadrado de la distancia a la estrella (la luz se extiende uniformemente sobre una esfera cuya área aumenta como el cuadrado de la distancia, y por lo tanto ya que la luz se extiende sobre una más grande
esfera, la intensidad de la luz observada en cualquier punto disminuye inversamente con el área de la esfera), determinar la distancia a estrellas lejanas siempre ha sido el principal reto en la astronomía. Descubrimiento Leavitt 's revolucionó el campo. (El propio Hubble, que fue desairado por el Premio Nobel, a menudo dicho trabajo Leavitt 's merecido el premio, aunque era lo suficientemente egoísta que él podría haber sugerido que sólo porque él habría sido un contendiente natural para compartir el premio con ella por su obra posterior.) Trámites había comenzado en realidad en la Academia Real Sueca de nominar Leavitt para el Nobel en 1924, cuando se supo que ella había muerto de cáncer tres años antes. A fuerza de su fuerza de personalidad, habilidad para la auto-promoción, y la habilidad como observador, Hubble se convertiría en un nombre familiar, mientras que Leavitt, por desgracia, es conocido sólo por los aficionados del campo. Hubble fue capaz de usar su medida de las Cefeidas y Relación período-luminosidad Leavitt 's para demostrar definitivamente que el Cefeidas en Andrómeda y otras nebulosas eran demasiado distante para estar dentro de la Vía Láctea. Andrómeda se descubrió a ser otro universo isla, otra galaxia espiral casi idéntico a la nuestra, y uno de los más de 1 00000000000 galaxias que, ahora sabemos, existen en nuestro universo observable. Hubble 's resultado fue suficientemente inequívoca que la astronómica Shapley, quien, por cierto, por este tiempo, incluyendo la comunidad se había convertido en director del Observatorio de la Universidad de Harvard, donde Leavitt había hecho su innovador trabajo rápidamente aceptó la hecho de que la Vía Láctea no es todo lo que hay a nuestro alrededor. De repente, el tamaño del universo conocido se había expandido en un solo salto por un mayor cantidad que la que tenía en los siglos! Su carácter había cambiado, también, como tenía casi todo lo demás. Después de este descubrimiento dramático, el Hubble podría haber descansado en su laureles, pero fue después de los peces más grandes o, en este caso, más grande galaxias. Mediante la medición de las Cefeidas nunca más débiles en cada vez más distante galaxias, él fue capaz de mapear el universo a escalas cada vez más grandes. Cuando lo hizo, sin embargo, descubrió algo más que era aún más notable: el universo se expande! Hubble logró su resultado mediante la comparación de las distancias para el galaxias y midió con un conjunto diferente de las mediciones de otro astrónomo estadounidense, Vesto Slipher, que había medido
los espectros de luz procedente de estas galaxias. La comprensión de la la existencia y naturaleza de tales espectros me requiere para llevarlo de regreso para el comienzo de la astronomía moderna.
Uno de los descubrimientos más importantes de la astronomía era esa estrella cosas y cosas de la Tierra son básicamente los mismos. Todo comenzó, al igual que muchos cosas de la ciencia moderna, con Isaac Newton. En 1 665, Newton, entonces un joven científico, permitió un fino haz de luz solar, obtenida oscureciendo su habitación a excepción de un pequeño agujero que hizo en su obturador de la ventana, a través de un prisma y vio la luz solar dispersa en los colores familiares del arco iris. Razonó que el blanco la luz del sol contenía todos estos colores, y era correcta. A ciento cincuenta años más tarde, otro científico examinó el luz dispersa con más cuidado, descubrió bandas oscuras en medio de la colores, y razonaron que éstos se debieron a la existencia de materiales en la atmósfera externa del sol que fueron absorbiendo luz de ciertos colores o longitudes de onda específicas. Estos "absorción líneas ", como ellos se conocieron, se pudo identificar con longitudes de onda de la luz que se midieron para ser absorbida por conocida materiales en la Tierra, incluyendo el hidrógeno, oxígeno, hierro, sodio, y calcio. En 1 868, otro científico observó dos nuevas líneas de absorción en la parte amarilla del espectro solar que 'didn t corresponden a cualquier elemento conocido en la Tierra. Decidió que esto debe ser debido a alguna nuevo elemento, que él llamó helio. Una generación más tarde, helio fue descubierto en la Tierra. Mirando el espectro de la radiación proveniente de otras estrellas se una importante herramienta científica para la comprensión de su composición, temperatura, y la evolución. A partir de 1 9 1 2, Slipher observó la espectros de luz procedente de diversas nebulosas espirales y encontró que los espectros fueron similares a los de las estrellas-excepto cercanos que todo de las líneas de absorción se cambiaron por la misma cantidad en longitud de onda. Este fenómeno era para entonces entendió que se debía a la familiar "efecto Doppler", llamado así por el físico austríaco Christian Doppler, que explican en 1 842 que las ondas que vienen en que a partir de una fuente en movimiento se estirará si la fuente es
alejándose de usted y comprimido si se está moviendo hacia usted. Esta es una manifestación de un fenómeno que todos conocemos con, y por la que estoy por lo general viene a la memoria un Sidney Harris de dibujos animados donde dos vaqueros sentados en sus caballos en el llanuras están buscando en un tren lejano, y uno le dice al otro: "Yo encantaría escuchar que lamento solitario del silbato del tren como la magnitud de los cambios de frecuencia debido al efecto Doppler! " De hecho, un silbato de tren o una sirena de ambulancia sonidos más altos si el tren o ambulancia está moviendo hacia usted y menor si se está moviendo lejos de ti. Resulta que el mismo fenómeno se produce por las ondas de luz como ondas de sonido, aunque por razones algo diferentes. Luz ondas de una fuente que se alejan de ti, ya sea debido a su movimiento local en el espacio o debido a la expansión de intervenir espacio, se estiró, y por lo tanto parece más roja de lo que de otro modo sería, ya que el rojo es el extremo largo de la longitud de onda espectro visible, mientras que las ondas de una fuente en movimiento hacia usted será comprimido y aparecerá más azul. Slipher observa en 1 9 1 2 que las líneas de absorción de la luz procedentes de todas las nebulosas espirales eran casi todo cambió sistemáticamente hacia longitudes de onda más largas (aunque algunos, como Andrómeda, fueron desplazado hacia longitudes de onda más cortas). Él correctamente inferido que la mayoría de estos objetos, por tanto, eran alejándose de nosotros con velocidades considerables. Hubble fue capaz de comparar sus observaciones de la distancia de estas galaxias espirales (como fueron por ahora se sabe que) con Mediciones Slipher 's de las velocidades de las que eran alejándose. En 1929, con la ayuda de un personal Monte Wilson miembro, Milton Humason (cuyo talento técnico era tal que había asegurado un puesto de trabajo en el Monte Wilson, sin ni siquiera tener un alto diploma de la escuela), anunció el descubrimiento de un notable relación empírica, que ahora se llama la ley de Hubble 's: Hay un lineal relación entre la velocidad de recesión y la distancia de la galaxia. Es decir, las galaxias que se alejan cada vez más se están alejando de nosotros con velocidades más rápidas! La primera vez que se presenta con este notable hecho-que casi todos las galaxias se están alejando de nosotros, y los que son dos veces más lejos de distancia se mueven el doble de rápido, los que tienen el triple de distancia
tres veces más rápido, etc., parece obvio lo que esto implica: Nosotros son el centro del universo! Como sugieren algunos amigos, necesito que se le recuerde a diario que este no es el caso. Más bien, era consistente con precisión la relación que Lemaitre había predicho. Nuestro universo es de hecho la expansión. He intentado varias formas de explicar esto, y yo francamente don 't creo que hay una buena forma de hacerlo a menos que pensar fuera de la caja -en este caso, fuera de la caja universal. Para ver lo que 's Hubble ley implica, tiene que darse de baja de la miopía punto de vista de nuestra galaxia y mirar a nuestro universo de la exterior. Si bien es difícil ponerse de pie fuera de un tridimensional universo, es fácil ponerse de pie fuera de un uno de dos dimensiones. Por página siguiente me han llamado un tal universo en expansión en dos momentos diferentes. Como se puede ver, las galaxias están más separadas en el segundo tiempo.
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Ahora imagine que usted está viviendo en una de las galaxias en el segundo tiempo, t2 que voy a marcar en blanco, en el tiempo t2.
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Para ver cuál es la evolución del universo se vería desde este punto de vista galaxia 's, simplemente superponer la imagen de la derecha a la izquierda, la colocación de la galaxia en blanco en la parte superior de la misma.
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Voila! Desde el punto de vista de esta galaxia 's cada otra galaxia es alejándose, y los que están dos veces más lejos se han trasladado dos veces la distancia en el mismo tiempo, los que son tres veces más lejos de distancia se han desplazado tres veces la distancia, etc. Mientras hay ninguna ventaja, los de la galaxia se sienten como si estuvieran en el centro de la de expansión.
Se doesn 't importa qué galaxia se opta. Elija otra galaxia, y repetir:
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DISTANCIA
Dependiendo de su punto de vista, entonces, ya sea lugar en el que esy el centro del universo, o hay lugar es. Se doesn 't importa; La ley de Hubble 's es consistente con un universo que se expande. Ahora, cuando Hubble y Humason informó por primera vez en su análisis 1 929, no sólo informaron de una relación lineal entre la distancia y la velocidad de recesión, pero también dio una estimación cuantitativa de la
tasa de expansión en sí. Éstos son los datos reales presentados en el tiempo:
Como se puede ver, supongo Hubble 's de un ajuste con recta a esta conjunto de datos parece uno relativamente afortunado. (Es evidente que hay algunos relación, pero si una línea recta es el mejor ajuste está lejos de clara sobre la base de estos datos solo.) El número de la tasa de expansión se obtiene, que se deriven de la trama, sugirió que una galaxy un millón de parsecs (3 millones de años luz) -la separación media entre galaxias se está alejando de nosotros con una velocidad de 500 kilometros / segundo. Esta estimación no era tan suerte, sin embargo. La razón de esto es relativamente fácil de ver. Si todo es separándose hoy, entonces en ocasiones anteriores que estaban más cerca juntos. Ahora, si la gravedad es una fuerza de atracción, entonces debería ser frenar la expansión del universo. Esto significa que la galaxia ver alejándose de nosotros a 500 kilometros segundo hoy / haría han estado moviendo más rápido antes. Si por el momento, sin embargo, acabamos de asumir que la galaxia tenía siempre se ha llevado con esa velocidad, podemos trabajar hacia atrás y averiguar cuánto tiempo hace que habría sido en el misma posición que nuestra galaxia. Desde galaxias doble de distancia son mover el doble de rápido, si trabajamos hacia atrás nos damos cuenta de que
se superpusieron sobre nuestra posición exactamente al mismo tiempo. De hecho, todo el universo observable habría sido superpuesto en un solo punto, el Big Bang, a la vez que puede estimar de esta manera. Tal estimación es claramente un límite superior en la edad de la universo, ya que, si las galaxias se mueven una vez más rápido, que habría llegado a donde están hoy en menos tiempo que este estimación podría sugerir. A partir de esta estimación basada en el análisis de Hubble 's, el Big Bang ocurrido aproximadamente 1. Hace 5 millones de años. Incluso en 1 929, Sin embargo, la evidencia ya estaba claro (con excepción de algunos literalistas bíblicos en Tennessee, Ohio, y algunos otros estados) que la Tierra era más de 3 mil millones de años. Ahora bien, es vergonzoso que los científicos encuentran que la Tierra es más antiguo que el universo. Más importante, sugiere que algo está mal en el análisis. El origen de esta confusión fue simplemente el hecho de que Hubble 's estimaciones de distancia, derivan usando las relaciones Cefeidas en nuestra galaxia, fueron sistemáticamente incorrecta. Basado La escalera de la distancia sobre el uso de las cefeidas cercanas para estimar la distancia de más lejos Cefeidas, y luego para estimar la distancia a las galaxias en la que sin embargo, se observaron las Cefeidas más distantes, era errónea. La historia de cómo han sido estos efectos sistemáticos superar es demasiado larga y complicada para describir aquí y, en todo caso, ya no importa, porque ahora tenemos una mucho mejor estimador de distancia. Una de mis fotografías favoritas del Telescopio Espacial Hubble es se muestra a continuación:
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Muestra una hermosa galaxia espiral muy, muy lejos, hace mucho mucho tiempo (Hace mucho mucho tiempo, porque la luz de la galaxia tarda algún tiempo -más de 50 millones de años, para llegar a nosotros). Una galaxia espiral como como este, que se asemeja a la nuestra, tiene alrededor de 1 00000000000 estrellas dentro de ella. El núcleo brillante en su centro contiene quizás 1 0000000000 estrellas. Note la estrella en la esquina inferior izquierda que está brillando con una brillo casi igual a estos 1 0000000000 estrellas. El primer avistamiento él, usted podría suponer razonablemente que esta es una estrella mucho más cerca de nuestra propia galaxia que puso en el camino de la imagen. Pero, de hecho, es una estrella en la misma galaxia distante, más de 50 millones de años luz de distancia. Claramente, esto no es una estrella ordinaria. Es una estrella que acaba de explotado, una supernova, una de las más brillantes fuegos artificiales en el universo. Cuando una estrella explota, brevemente (en el transcurso de alrededor de un mes más o menos) brilla en luz visible con un brillo de 1 0 miles de millones de estrellas. Afortunadamente para nosotros, está protagonizada por don 't explotar que a menudo, aproximadamente una vez por cien años por galaxia. Pero tenemos la suerte de que lo hagan, porque si dejase 't, que wouldn' t estar aquí. Uno de los hechos más poéticos I saber sobre el universo es que, básicamente, cada átomo en su
cuerpo era una vez dentro de una estrella que explotó. Además, los átomos en su mano izquierda probablemente vino de una estrella diferente que hicieron los en su derecho. Todos somos, literalmente, hijos de la estrella, y nuestros cuerpos hechos de polvo de estrellas. ¿Cómo sabemos esto? Bueno, podemos extrapolar nuestra imagen de el Big Bang de nuevo a una época en que el universo tenía aproximadamente 1 segundo de edad, y se calcula que toda la materia observada fue comprimido en un plasma denso cuya temperatura debe tener Han pasado unos 1 0 mil millones de grados (escala Kelvin). A esta temperatura reacciones nucleares pueden tener lugar entre los protones y fácilmente neutrones, ya que se unen juntos y luego se separan de una mayor colisiones. Después de este proceso como el universo se enfría, podemos predecir la frecuencia con estos constituyentes nucleares primitivos voluntad unirse para formar los núcleos de los átomos más pesados que el hidrógeno (i. e., helio, litio, y s o sobre). Cuando lo hacemos, encontramos que esencialmente no hay núcleos-más allá litio, formado en la naturaleza el tercer núcleo más ligero durante la bola de fuego primigenio que fue el Big Bang. Estamos seguros de que nuestra cálculos son correctos porque nuestras predicciones para el cósmica abundancias de los elementos más ligeros están de acuerdo bang-ON con estas observaciones. Las abundancias de estos elementos más ligeros hidrógeno, deuterio (el núcleo de hidrógeno pesado), helio, y litio-varían por 10 órdenes de magnitud (más o menos el 25 por ciento de los protones y neutrones, en masa, terminar en helio, mientras que 1 de cada 1 0000000000 neutrones y protones termina dentro de una batería de litio núcleo). A lo largo de este rango increíble, observaciones y teórica predicciones están de acuerdo. Este es uno de los más famosos, significativa y exitosa predicciones decirnos el Big Bang realmente ocurrió. Onl un hoty Big Bang puede producir la abundancia observada de elementos ligeros y mantener la coherencia con la actual expansión observada de el universo. Yo llevo una tarjeta de bolsillo en mi bolsillo trasero que muestra el comparación de las predicciones de la abundancia de elementos ligeros y la abundancia observada de manera que, cada vez que me encuentro con alguien que doesn 't creen que el Big Bang ocurrió, puedo mostrárselo a ellos. Yo por lo general nunca llegan tan lejos en mi discusión, por supuesto, ya que los datos raramente impresionan personas que han decidido de antemano
que algo está mal con la imagen. Yo llevo la tarjeta de todos modos y reproducirlo para usted más adelante en el libro. Aunque el litio es importante para algunas personas, mucho más importante para el resto de nosotros son todos los núcleos más pesados como el carbono, el nitrógeno, oxígeno, hierro, y así sucesivamente. Estos eran no hecho en el Big Bang. El único lugar en el que se pueden hacer es en los núcleos de fuego de las estrellas. Y la única manera de que pudieran entrar en su cuerpo hoy es si estas estrellas tuvieron la amabilidad de haber estallado, lanzando sus productos en el cosmos para que algún día podrían confluir en y alrededor de una pequeña planeta azul que se encuentra cerca de la estrella que llamamos el Sol En el transcurso de la historia de nuestra galaxia, a unos 200 millones de estrellas tienen explotado. Estas estrellas innumerables sacrificaron, si lo desea, para que un día usted podría nacer. Supongo que los califica como más que nada para el papel de salvadores. Resulta un cierto tipo de explosión de estrella, llamada de un tipo de la supernova, ha sido demostrado por estudios cuidadosos realizados sobre el 1 990 para tener una propiedad notable: con gran precisión, los Escriba la supernovas que son intrínsecamente más brillante también brillar más tiempo. La correlación, mientras que no se entiende completamente teóricamente, es empíricamente muy apretado. Esto significa que estas supernovas son muy buenas "candelas estándar". Con esto queremos decir que estos supernovas se puede utilizar para calibrar distancias debido a que su brillo intrínseco puede determinarse directamente mediante una medición que es independiente de su distancia. Si observamos una supernova en una galaxia distante y podemos porque son muy brillantes, entonces observando el tiempo que brilla, podemos inferir su intrínseca brillo. Entonces, midiendo su brillo aparente con nuestro telescopios, podemos inferir con precisión cuán lejos la supernova y su galaxia anfitriona son. Entonces, mediante la medición de la "Corrimiento al rojo" de la luz de las estrellas en la galaxia, podemos determinar su velocidad, y por lo tanto se puede comparar con la velocidad distanciarse e inferir la tasa de expansión del universo. Hasta aquí todo bien, pero sólo una vez si las supernovas explotan cada cien años más o menos por la galaxia, ¿qué tan probable es que nunca poder para ver a uno? Después de todo, la última supernova en nuestra galaxia presenciado en la Tierra fue visto por Johannes Kepler en 1 604! En Efecto, se dice que las supernovas en nuestra galaxia se observan sólo durante
las vidas de los más grandes astrónomos y Kepler ciertamente encaja el proyecto de ley. Comenzó como profesor de matemáticas humilde en Austria, Kepler se convirtió en asistente del astrónomo Tycho Brahe (quien tenía observado una supernova antes en nuestra galaxia y se le dio un toda la isla por el rey de Dinamarca a cambio), y el uso de Brahe 's datos sobre las posiciones planetarias en el cielo apoderado de más de un década, Kepler derivó sus famosas tres leyes del movimiento planetario a comienzos del siglo XVII:
1. Los planetas se mueven alrededor del Sol en elipses. 2. La línea la conexión de un planeta y el Sol abarca la misma cantidad áreas durante los intervalos iguales de tiempo. 3. El cuadrado de los período orbital de un planeta es directamente proporcional al cubo (Tercera potencia) de la semi-principal eje de su órbita (o, en otras palabras, de la "semi-mayor eje "de la elipse, la mitad de la distancia a través de la más amplia parte de la elipse).
Estas leyes a su vez, sientan las bases para la derivación de la Newton 's la ley universal de la gravedad casi un siglo después. Además de esto notable contribución, Kepler defendió con éxito su madre en un juicio por brujería y escribió lo que fue quizás la primera ciencia historia de ficción, sobre un viaje a la luna. Hoy en día, una forma de ver una supernova es simplemente asignar un diferente estudiante graduado de cada galaxia en el cielo. Después de todo, uno cien años no es demasiado diferente, en un sentido cósmico, al menos, a partir de el tiempo medio para hacer un doctorado y estudiantes de posgrado son baratos y abundante. Afortunadamente, sin embargo, nosotros no 't tiene que recurrir a tales medidas extremas, por una razón muy simple: el universo es grande y viejo y, como resultado, eventos raros ocurren todo el tiempo. Ir a cabo alguna noche en el bosque o desierto, donde se puede ver estrellas y mantenga su mano hacia el cielo, por lo que un pequeño círculo entre el pulgar y el dedo índice sobre el tamaño de una moneda de diez centavos. Mantener hasta una mancha oscura del cielo donde no hay estrellas visibles. En que mancha oscura, con un gran telescopio bastante del tipo que ahora tiene en servicio actualmente, podría discernir quizás 100.000
galaxias, cada una con miles de millones de estrellas. Desde supernovas explotar una vez cada cien años por, con 1 00.000 galaxias en vista, usted debe esperar para ver, en promedio, alrededor de tres estrellas explotar en una noche determinada. Los astrónomos hacer precisamente esto. Solicitan tiempo de telescopio, y algunas noches que podrían ver una estrella explotó, algunas noches, dos y algunas noches que podrían ser nublado y no vean ninguna. En de esta manera varios grupos han sido capaces de determinar Hubble 's constante con una incertidumbre de menos de 1 0 por ciento. El nuevo número, a unos 70 kilómetros por segundo para las galaxias en promedio de 3 millones de años-luz de distancia, es casi un factor de 1 0 menor que que deriva por el Hubble y Humason. Como resultado, se infiere una edad del universo de cerca de 1 3000000000 años, en lugar de 1. 5000000000 año. Como describiré más adelante, esto también está en completo acuerdo con estimaciones independientes de la edad de las estrellas más viejas de nuestra galaxia. Desde Brahe a Kepler, desde Lemaitre a Einstein y Hubble, y partir de los espectros de las estrellas a la abundancia de elementos ligeros, cuatro cien años de la ciencia moderna han producido una notable y imagen coherente de la expansión del universo. Todo tiene juntos. La imagen del Big Bang está en buena forma.
CAPÍTULO 2
UNA HISTORIA misterio cósmico: PESAJE EL UNIVERSO
Hay conocidos conocidos. Estas son cosas que sabemos que sabemos. Hay incógnitas conocidas. Es decir, hay son cosas que sabemos que no sé. Pero también hay desconocidos desconocidos. Hay cosas que no sé que don 't know.
-Donald Rumsfeld
Una vez establecido que el universo tuvo un principio, y que esa principio era un tiempo finito y medible en el pasado, un producto natural próxima pregunta es, "¿Cómo va a terminar?" De hecho, esta fue la misma pregunta que me llevó a pasar de mi territorio de origen, la física de partículas, en la cosmología. Durante los 1 970s y 1 980s, se hizo cada vez más evidente a partir detallada mediciones del movimiento de las estrellas y el gas en nuestra galaxia, así a partir del movimiento de las galaxias en grandes grupos de galaxias llamado racimos, que había mucho más en el universo de lo que parece ya sea el ojo o el telescopio. La gravedad es la fuerza principal que opera en la enorme escala de galaxias, por lo que medir el movimiento de objetos en estas escalas nos permite sondear la atracción gravitatoria que impulsa este movimiento. Tales mediciones despegaron con el trabajo pionero de el astrónomo estadounidense Vera Rubin y sus colegas en el primeros 1 970s. Rubin se había graduado con su doctorado en Georgetown después de tomar clases de noche, mientras que su esposo esperaba en el coche porque ella no 't sabe conducir. Ella se había aplicado a
Princeton, pero esa universidad didn 't acepta mujeres en su graduarse programa de astronomía hasta el 1 9 7 5. Rubin llegó a ser en la segunda mujer en ser galardonado con la Medalla de Oro de la Royal Astronomical Society. Ese premio y sus muchos otros bien honores merecidos surgieron de sus medidas innovadoras de la velocidad de rotación de nuestra galaxia. Mediante la observación de las estrellas y gas caliente que eran cada vez más lejos del centro de nuestra galaxia, Rubin determinaron que estas regiones se movían mucho más rápido de lo que debería haber sido si la fuerza gravitacional de conducir su movimiento se debió a la masa de todos los objetos observados dentro de la galaxia. Debido a su trabajo, con el tiempo se hizo evidente que los cosmólogos que la única manera de explicar este movimiento era postular la existencia de significativamente más masa en nuestra galaxia que se podría tener en cuenta por la suma de la masa de todos de este gas caliente y estrellas. Había un problema, sin embargo, con este punto de vista. El mismo cálculos que tan bellamente explicar la abundancia observada de los elementos ligeros (hidrógeno, helio y litio) en el universo También nos dicen más o menos cuántos protones y neutrones, la materia de materia normal, debe existir en el universo. Esto es porque, como cualquier receta en la cocina de este caso de cocina a la nuclear cantidad de su producto final depende de la cantidad de cada ingrediente que comenzar. Si duplica las recetas y cuatro huevos en lugar de dos, por ejemplo, se obtiene más del producto final, en este caso un tortilla. Sin embargo, la densidad inicial de protones y neutrones en el universo que surja del Big Bang, según lo determinado por ajuste a la abundancia observada de hidrógeno, helio y litio, representa alrededor del doble de la cantidad de material que podemos ver en estrellas y gas caliente. ¿Dónde están esas partículas? Es fácil imaginar maneras de ocultar los protones y neutrones (Bolas de nieve, los planetas, los cosmólogos... Que ninguno de ellos brilla), por lo que muchos físicos predijeron que el mayor número de protones y neutrones se encuentran en objetos oscuros como los objetos visibles. Sin embargo, cuando sumamos cómo mucho "materia oscura" tiene que existir para explicar el movimiento de material en nuestra galaxia, nos encontramos con que la relación de la materia total visible asunto no es 2 a 1, pero más cerca de 1 0 a 1. Si esto no es un error, a continuación, la materia oscura no puede ser hecha de protones y neutrones. Simplemente no hay suficiente de ellos.
Como un joven físico de partículas elementales en los primeros 1 980s, aprendizaje de esta posibilidad de la existencia de la materia oscura exótica fue muy emocionante para mí. Implicaba, literalmente, que el partículas dominantes en el universo no eran buenas anticuada neutrones variedad de jardín y protones, pero posiblemente algún nuevo tipo de las partículas elementales, algo que no me paré existen 't en la Tierra hoy en día, pero algo misterioso que fluía entre y en medio de la estrellas y silenciosamente corrieron todo el espectáculo gravitacional que llamamos un galaxia. Aún más interesante, al menos para mí, esto implicaba tres nuevas líneas de investigación que podría fundamentalmente reilluminate la naturaleza de realidad.
1.
Si se crearon estas partículas en el Big Bang, como el elementos ligeros que he descrito, entonces debería ser capaz de utilizar las ideas acerca de las fuerzas que gobiernan las interacciones de partículas elementales (en lugar de las interacciones de los núcleos relevante para determinar la abundancia elemental) para estimar la abundancia de posibles nuevas partículas exóticas en el universo hoy en día. 2. Podría ser posible derivar la abundancia total de oscuro materia en el universo, sobre la base de las ideas teóricas en la física de partículas, o podría ser posible proponer nueva experimentos para detectar la materia oscura, ya sea de lo que podría decirnos la cantidad de materia total hay y por lo tanto lo que el geometría de nuestro universo es. El trabajo de la física no es inventar cosas que no podemos ver a explicar cosas que podemos ver, sino para encontrar la manera de ver lo que no podemos ver, para ver lo que antes era invisible, las incógnitas conocidas. Cada nuevo candidato de las partículas elementales de la materia oscura sugiere nuevas posibilidades para experimentos para detectar directamente la partículas de materia oscura que desfilan por toda la galaxia por dispositivos de construcción en la Tierra para detectar como la Tierra intercepta su movimiento a través del espacio. En lugar de utilizar telescopios para buscar objetos lejanos, si la materia oscura partículas están en racimos difusas que impregna la totalidad
galaxia, están aquí con nosotros ahora, y detectores terrestres podría revelar su presencia. 3. Si pudiéramos determinar la naturaleza de la materia oscura, y su abundancia, que podría ser capaz de determinar la forma en la universo terminará.
Esta última posibilidad parece la más emocionante de todos, por lo que YOvoluntad empezar con él. De hecho, me involucré en la cosmología porque querido ser la primera persona en saber cómo terminaría el universo. Me pareció una buena idea en ese momento. Cuando Einstein desarrolló su teoría de la relatividad general, en su corazón era la posibilidad de que el espacio podría curva en presencia de materia o energía. Esta idea teórica se convirtió en más que un mero la especulación en 1 9 1 9 cuando dos expediciones observó luz de las estrellas curvando alrededor del Sol durante un eclipse solar precisamente de la grado en que Einstein había predicho debería suceder si la presencia del Sol curvó el espacio a su alrededor. Einstein casi al instante se hizo famoso y un nombre familiar. (La mayoría de la gente 2 hoy creo que fue la ecuación E mc, que entró quince años antes, eso lo hizo, pero no era 't.) Ahora, si el espacio es potencialmente curvado, entonces la geometría de nuestro todo el universo de repente se vuelve mucho más interesante. Dependiendo de la cantidad total de materia en nuestro universo, podría existir en una de tres diferentes tipos de geometrías, la llamada abierto, cerrado, o plana. Es difícil imaginar lo que un espacio tridimensional curvada en realidad podría ser similar. Puesto que somos seres tridimensionales, podemos no más fácilmente intuitivamente imaginar una curva tres espacio dimensional que los seres bidimensionales en la famosa libro Flatland podía imaginar lo que su mundo se vería como a un observador en tres dimensiones si se curva como la superficie de una esfera. Por otra parte, si la curvatura es muy pequeño, entonces es difícil de imaginar lo que uno realmente puede detectar en la vida cotidiana, al igual que, durante la Edad Media, al menos, mucha gente sintió la Tierra deben ser plana porque desde su perspectiva parecía plana. Universos tridimensionales curvas son difíciles de foto-a universo cerrado es como una esfera tridimensional, que suena bastante intimidante, pero algunos aspectos son fáciles de describir. Si =
miraba suficientemente lejos en una dirección en un universo cerrado, que vería la parte posterior de su cabeza. Si bien estas geometrías exóticas pueden parecer divertidas o impresionante de qué hablar, operacionalmente hay una mucho más consecuencia importante de su existencia. La relatividad general dice nosotros sin ambigüedades que un universo cerrado cuya densidad de energía es dominado por la materia como estrellas y galaxias, e incluso más exótico la materia oscura, necesario uno recolapso día en un proceso como el inverso de un Big Bang-un Big Crunch, si se quiere. Un universo abierto voluntad continúan expandiéndose para siempre a una velocidad finita, y un universo plano es justo en el límite, la desaceleración, pero nunca detenerse. La determinación de la cantidad de materia oscura, y lo que el total densidad de masa en el universo, por lo tanto, se comprometió a revelar la responder a la pregunta de siempre (al menos tan antigua como TS Eliot de todos modos): ¿Se acabará el universo con una explosión o un gemido? La saga de determinar la abundancia total de la materia oscura se remonta al menos de medio siglo, y uno podría escribir un libro entero sobre ello, que de hecho ya lo he hecho, en mi libro Quintessence. Sin embargo, en este caso, como ahora demostraré (con ambos palabras y a continuación, una imagen), es cierto que una sola imagen vale más en menos mil (o tal vez cien mil) palabras. Los objetos más grandes ligadas gravitatoriamente en el universo son llamado supercúmulos de las galaxias. Tales objetos pueden contener miles de galaxias individuales o más y puede extenderse a través de decenas de millones de años luz. Existen mayoría de las galaxias de tal supercúmulos, y de hecho nuestra propia galaxia se encuentra dentro de la Virgo supercúmulo de galaxias, cuyo centro es casi 60 millones años luz de distancia de nosotros. Desde supercúmulos son tan grandes y tan masivo, básicamente cualquier cosa que cae en nada caerá en racimos. Así que si nos podría pesar supercúmulos de galaxias y luego estimar el total de densidad de tales supercúmulos en el universo, podríamos entonces "Sopesar el universo", que incluye toda la materia oscura. Luego, usando las ecuaciones de la relatividad general, que podrían determinar si hay suficiente materia para cerrar el universo o no. Hasta aquí todo bien, pero ¿cómo podemos sopesar objetos que se encuentran decenas de millones de años luz de diámetro? Sencillo. Utilice la gravedad.
En 1 936, Albert Einstein, siguiendo los impulsos de un aficionado astrónomo, Rudi Mandl, publicó un breve documento en la revista Ciencia titulado "Lente Como Acción de una estrella por la desviación de Luz en el campo gravitatorio. "En esta breve nota de Einstein demostrado el hecho notable de que el espacio mismo podría actuar como un lente, doblando la luz y de aumento que, al igual que los lentes en mi propias gafas de lectura. Era una más amable, el tiempo más suave en 1 936, y es interesante leer el principio informal de papel Einstein 's, que después de todo fue publicado en una revista científica distinguido: "Algún tiempo Hace, RW Mandl me visitó y me pidió que publique el resultados de un pequeño cálculo, lo que yo había hecho en su solicitud. Este nota cumple con su deseo. "Tal vez esta era la informalidad concedido a él porque era Einstein, pero prefiero suponer que era un producto de la época, cuando los resultados científicos no estaban pero siempre expresada en lenguaje eliminado de lenguaje común. En cualquier caso, el hecho de que la luz seguido trayectorias curvas si el propio espacio curvado en presencia de la materia era la primera nueva predicción significativo de la relatividad general y el descubrimiento que llevó a la fama internacional Einstein 's, como ya he mencionado. Así tal vez no sea tan sorprendente (como se descubrió hace poco) que en 1 9 1 2, mucho antes de que Einstein tenía de hecho, incluso completado su teoría de la relatividad general, que había realizado cálculos -como él tratado de encontrar algún fenómeno observable que convenciera los astrónomos para probar sus ideas, que eran esencialmente idénticos a los que él publicó en 1 936, a petición del Sr. Mandl. Quizás porque llegó a la misma conclusión en 1 9 1 2 que se indica en su papel 1 936, es decir, "no hay una gran posibilidad de observar este fenómeno, "nunca se molestó en publicar su trabajo anterior. En De hecho, después de examinar sus cuadernos para ambos períodos, podemos 't decir seguro que más tarde incluso se acuerda de haber hecho el original cálculos veinticuatro años antes. Lo que Einstein reconoció en ambas ocasiones es que el curvatura de la luz en un campo gravitacional podría significar que, si un brillante objeto se encuentra muy por detrás de una distribución intermedia de masa, los rayos de luz que salen en varias direcciones podrían doblarse alrededor la distribución intervenir y convergen otra vez, tal como lo hacen cuando atraviesan una lente normal, ya sea la producción de un
ampliación del objeto original o la producción de numerosos copias de imágenes del objeto original, algunas de las cuales podrían ser distorsionada (ver figura abajo).
Cuando se calcula los efectos previstos para las lentes de un lejano estrella por una estrella de intervenir en el primer plano, el efecto fue tan pequeña que parecía absolutamente imposible de medir, lo que le llevó a hacen que la observación se ha mencionado anteriormente, que era poco probable que tales un fenómeno nunca se pudo observar. Como resultado, Einstein imaginado que su papel tenía poco valor práctico. Como él mismo dijo en su cubriendo carta al editor de Ciencia en ese momento: "Déjame también gracias por su cooperación con la pequeña publicación, que Señor Mandl apretó fuera de mí. Es de poco valor, pero hace el pobre hombre feliz. " Einstein no fue un astrónomo, sin embargo, y se necesitaría una para darse cuenta de que el efecto Einstein había predicho podría ser no sólo medible, pero también es útil. Su utilidad vino de aplicarlo a la lente de los objetos distantes por sistemas mucho más grandes, tales como galaxias o incluso los cúmulos de galaxias, y no a la lente de estrellas por
estrellas. Pocos meses después de la publicación de Einstein s, el brillante Caltech astrónomo Fritz Zwicky presentó un documento a la Physical Review en el que demostró la viabilidad de precisamente esta posibilidad (y también indirectamente dejó Einstein para su ignorancia con respecto a los posibles efectos de las lentes de las galaxias en lugar de estrellas). Zwicky era un personaje irascible y muy por delante de su tiempo. Ya en 1 933 se había analizado el movimiento relativo de las galaxias en el cúmulo de Coma y determinado, usando las leyes de Newton 's movimiento, que las galaxias se movían tan rápido que lo que deberían han volado aparte, la destrucción de la agrupación, a menos que hubiera mucho más masa en el cúmulo, por un factor de más de 100, que podría ser explica por sí solas las estrellas. Él por lo tanto debe ser adecuadamente considerado como haber descubierto la materia oscura, aunque en el momento su inferencia fue tan notable que la mayoría de los astrónomos probablemente sintió que podría haber alguna otra explicación menos exótico para el resultado que obtuvo. De una página de papel de Zwicky en 1 937 fue igualmente notable. Él propuestos tres usos diferentes para lentes gravitacionales: (1) las pruebas la relatividad general, (2) el uso de las galaxias que intervienen como una especie de telescopio para ampliar objetos más distantes que de otra manera serían invisible para los telescopios en tierra, y, lo más importante, (3) resolver el misterio de por qué los clusters parecen pesar más de lo que puede ser explicado por la materia visible: "Observaciones sobre la desviación de luz alrededor de las nebulosas puede proporcionar la más directa determinación de masas nebulosas y aclarar lo anterior discrepancia mencionada. " Papel de Zwicky es ahora setenta y cuatro años de edad, pero lee lugar como una propuesta moderna para el uso de las lentes gravitacionales para sondear la universo. De hecho, todos y cada sugerencia que hizo ha llegado a pasar, y el último es el más importante de todos. Gravitacional lente de quásares distantes galaxias intermedias fue primero observado en 1 987, y en 1 998, a sesenta y un años después Zwicky propuesto pesaje nebulosas usando lentes gravitacionales, la masa de un gran grupo se determinó mediante el uso de lentes gravitacionales.
En ese año, el físico, Tony Tyson y sus colegas de la empresa extinta Laboratorios Bell (que tenía un Nobel tan noble y tradición de gran ciencia, desde la invención del transistor de el descubrimiento de la radiación de fondo de microondas cósmico) observado un gran grupo distante, coloridamente etiquetado CL 0024 + 1654, situado a unos 5 mil millones de años luz de distancia. En esta hermosa imagen del Telescopio Espacial Hubble, un espectacular ejemplo de la imagen múltiple de una galaxia distante encuentra otra 5000000000 años luz detrás del cúmulo, pueden ser vistos como altamente distorsionado y imágenes alargadas en medio de las galaxias de lo contrario generalmente más redondas. En cuanto a esta imagen proporciona combustible para la imaginación. En primer lugar, cada punto en la foto es una galaxia, no una estrella. Cada galaxia contiene quizás 1 00000000000 estrellas, junto con ellos, probablemente, cientos de miles de millones de planetas, y quizás perdido hace mucho tiempo civilizaciones. Digo perdido hace mucho tiempo porque la imagen es 5000000000 años viejo. La luz fue emitida 500 millones años antes de nuestro propio Sol y la Tierra se formó. Muchas de las estrellas en la foto ya no existen, haber agotado sus miles de millones de combustible nuclear de años atrás. Más allá que, las imágenes distorsionadas muestran precisamente lo que Zwicky argumentó sería posible. Las grandes imágenes distorsionadas a la izquierda de la versiones centro de la imagen son muy ampliada (y alargados)
de esta galaxia distante, que de otro modo probablemente no será visible en absoluto. Trabajando hacia atrás desde esta imagen para determinar el subyacente distribución de la masa en el clúster es un complicado y complejo desafío matemático. Para ello, Tyson tuvo que construir una computadora modelo de la agrupación y rastrear los rayos de la fuente a través de la clúster en todas las posibles formas diferentes, usando las leyes de general la relatividad para determinar los caminos adecuados, hasta que el ajuste que producido más se ajustaba a las observaciones de los investigadores. Cuando el polvo se asentó, Tyson y sus colaboradores obtuvieron una imagen gráfica que muestra con precisión dónde se encuentra la masa en este sistema representado en la fotografía original:
Algo extraño está pasando en esta imagen. Los picos en el gráfico representan la ubicación de las galaxias visibles en el original imagen, pero la mayor parte de la masa del sistema se encuentra entre la galaxias, en una distribución oscuro suave. De hecho, más de 40 veces más masa es entre las galaxias como está contenido en el la materia visible en el sistema (300 veces más masa que figura en las estrellas solas con el resto de la materia visible en el gas caliente alrededor
ellos). La materia oscura claramente no se limita a las galaxias, sino también domina la densidad de los cúmulos de galaxias. Los físicos de partículas, como yo, no se sorprendieron al encontrar que la materia oscura también domina clusters. A pesar de que dejase 't tiene un pizca de evidencia directa, todos esperábamos que la cantidad de oscuridad cuestión era suficiente para dar lugar a un universo plano, lo que significaba que tenía que haber más de 1 00 veces importa tanto oscuro como la materia visible en el universo. La razón era simple: un universo plano es el único matemáticamente hermoso universo. ¿Por qué? Manténganse al tanto. Sea o no la cantidad total de materia oscura fue suficiente para producir un universo plano, observaciones como éstas obtienen por lente gravitacional (les recuerdo que las lentes gravitacionales resultados de la curvatura local del espacio alrededor de objetos masivos; la planitud del universo se refiere a la curvatura media global del espacio, haciendo caso omiso de las ondas locales alrededor de objetos masivos) y observaciones más recientes de otras áreas de la astronomía tienen confirmado que la cantidad total de materia oscura en las galaxias y grupos es muy superior a la permitida por los cálculos de grande Nucleosíntesis Bang. Ahora estamos casi seguros de que la oscuridad materia-que, 1reiterar, se ha corroborado de manera independiente en una serie de diferentes contextos astrofísicos, desde las galaxias a clústeres de galaxias deben estar construidos con algo completamente nuevo, algo que doesn 't existe normalmente en la Tierra. Este tipo de cosas, que 'cosas t estrella, ¿no' t ISN cosas Tierra tampoco. Pero es algo! Estas primeras conclusiones de la materia oscura en nuestra galaxia tienen generado un nuevo campo de la física experimental, y 1soy feliz de decir que 1han jugado un papel en su desarrollo. Como 1 han mencionado anteriormente, las partículas de materia oscura son todos a nuestro alrededor, en la habitación en la que 1estoy escribiendo, así como "allá afuera" en el espacio. Por lo tanto podemos realizar experimentos para buscar materia oscura y de el nuevo tipo de partícula elemental o partículas de la que es comprendido. Los experimentos se llevan a cabo en las minas y túneles bajo tierra. ¿Por qué bajo tierra? Debido a que en la superficie de la Tierra somos bombardeados regularmente por toda clase de cósmico rayos, del Sol y de objetos mucho más lejos. Desde darkmatter, por itsverynature, doesn 'tinteract
electromagnéticamente para producir luz, suponemos que su interacciones con los materiales normales son extremadamente débiles, por lo que será extremadamente difícil de detectar. Incluso si nos bombardean todos los días por millones de partículas de materia oscura, la mayor parte se destinará a través de nosotros y la Tierra, sin siquiera "conocer" estamos aquí, y sin nuestra notando. Por lo tanto, si usted quiere detectar los efectos de la muy rara excepciones a esta regla, partículas de materia oscura que realmente rebotan de los átomos de la materia, será mejor que estar preparado para detectar muy raro y eventos poco frecuentes. Sólo subterráneo eres suficientemente protegido de los rayos cósmicos para que esto sea posible, incluso en principio. Mientras escribo esto, sin embargo, una posibilidad igual de emocionante es derivados. El Gran Colisionador de Hadrones, en las afueras de Ginebra, Suiza, de partículas más grande y potente del mundo 's acelerador, acaba de empezar corriendo. Pero tenemos muchas razones para creen que, en las muy altas energías en la que los protones son aplastado juntos en el dispositivo, condiciones similares a las de la será re-creado universo muy temprano, aunque sólo sobre microscópicamente pequeñas regiones. En estas regiones la mismas interacciones que hayan podido causar primero lo que ahora son oscuras partículas de materia durante el universo muy temprano ahora pueden producir partículas similares en el laboratorio! Existe, pues, una gran carrera va en. ¿Quién va a detectar partículas de materia oscura en primer lugar: los experimentadores bajo tierra o los experimentadores en el Gran Colisionador de Hadrones Collider? La buena noticia es que, si bien el grupo gana la carrera, no uno pierde. Todos ganamos, aprendiendo lo que el material final de importa realmente es. A pesar de que las mediciones astrofísicas describí don 't revelar la identidad de la materia oscura, que nos dicen cuánto de él existe. La determinación final, directa de la cantidad total de materia en el universo vino de las hermosas inferencias de gravedad rodaje mediciones como el que he descrito combinado con otras observaciones de las emisiones de rayos X de los clusters. Estimaciones independientes de la masa total de las agrupaciones es posible debido a que la temperatura del gas en grupos que están produciendo los rayos X se relaciona con la masa total del sistema en el que se se emiten. Los resultados fueron sorprendentes, y como ya he aludido, decepcionante para muchos de nosotros los científicos. Para cuando el polvo se tenía asentado, literal y metafóricamente, la masa total en y alrededor
galaxias y cúmulos se determinó que sólo el 30 por ciento del importe total de la masa necesaria para dar lugar a un universo plano hoy en día. (Tenga en cuenta que esto es más de 40 veces más masa que lata se explica por la materia visible, que, por tanto, representa menos de 1por ciento de la masa necesaria para compensar un universo plano. ) Einstein se hubiera sorprendido de que su "pequeña publicación" en última instancia, estaba lejos de ser inútil. Complementado por notable nuevo herramientas experimentales y de observación que se abrieron nuevas ventanas en el cosmos, los nuevos desarrollos teóricos que tendrían sorprendido y lo deleitaba, y el descubrimiento de la materia oscura que probablemente habría elevado su presión arterial, Einstein 's pequeña paso en el mundo del espacio curvo se había convertido finalmente en un salto de gigante. A principios de los años 990 1, el santo grial de la cosmología tenía al parecer se ha logrado. Observaciones habían determinado que vivir en un universo abierto, uno, pues, que se expandiría para siempre. O si hubieran?
CAPÍTULO 3
LUZ DESDE EL PRINCIPIO DEL TIEMPO
Como era en el principio, ahora y será siempre. -Gloria PATRI
Si se piensa en ello, tratando de determinar la curvatura neta del universo mediante la medición de la masa total contenida dentro de ella y luego utilizando las ecuaciones de la relatividad general de trabajar tiene hacia atrás enormes problemas potenciales. Inevitablemente, uno tiene que preguntarse si cuestión se oculta en formas que no podemos desvelar. Por ejemplo, sólo puede sondear para la existencia de la materia dentro de estos sistemas utilizando la dinámica gravitacional de los sistemas visibles como galaxias y clusters. Si la masa de alguna manera significativa residía en otro lugar, "D te lo pierdas. Sería mucho mejor para medir la geometría de la universo visible todo directamente. Pero ¿cómo se puede medir la geometría tridimensional de todo el universo visible? Es más fácil comenzar con un simple pregunta: ¿Cómo determinar si un objeto bidimensional como la Tierra 's superficie se curva si no podías ir alrededor de la Tierra o no podía 't ir por encima de ella en un satélite y mirar hacia abajo? En primer lugar, se puede pedir a un estudiante de la escuela secundaria, ¿Cuál es la suma de los ángulos de un triángulo? (Elija la escuela secundaria con cuidado, sin embargo. . . uno europeo es una buena apuesta.) Usted se dijo 1 de 80 grados, porque el estudiante sin duda aprendió euclidiana la geometría de la geometría asociada con piezas planas de papel. En una superficie de dos dimensiones curvada como un globo, se puede dibujar un triángulo, cuya suma de los ángulos es mucho mayor que 1 80 grados.
Por ejemplo, considere la posibilidad de trazar una línea a lo largo del ecuador, a continuación, haciendo un ángulo recto, subiendo hacia el Polo Norte, y luego otra ángulo recto hacia abajo hasta el ecuador, como se muestra a continuación. Tres Tiempos 90 es 270, mucho mayor que 1 80 grados. Voila! d.. 300.000 años luz ·
Última Scatteling Surtace
"10 t"300.000
años
T=3000 K
t = 1 09 HMJM 1 = 10K Clave de los símbolos T:temperatura t = tiempo d ;; longitud ángulo abarcó En nuestro ojo rf-I = Galaxia
t = 1 010 años T ;; 2.735 K
:
Resulta que este pensamiento simple, de dos dimensiones se extiende directamente y de forma idéntica a las tres dimensiones, porque la matemáticos que propuso por primera vez que no es plano, o no la llamada Euclidiana, geometrías dieron cuenta de que las mismas posibilidades podría existir en tres dimensiones. De hecho, el más famoso matemático del siglo XIX, Carl Friedrich Gauss, estaba tan fascinada por la posibilidad de que nuestro universo podría ser curvo que tomó los datos en los 1 820s y '30s de levantamiento geodésico mapas a medir grandes triángulos entre los picos de las montañas alemanas de Hoher Hagen, Inselberg y Brocken para determinar si pudiera detectar cualquier curvatura del espacio mismo. Por supuesto, el hecho de que la montañas están en la superficie curvada de la Tierra significa que la curvatura bidimensional de la superficie de la Tierra tendría interferido en cualquier medición que estaba realizando para sondear curvatura en el espacio de fondo en tres dimensiones en el que la Tierra se encuentra, lo que tenía que saber. Supongo que era planeando restar cualquier participación de sus resultados finales a
ver si cualquier posible curvatura sobrante podría ser atribuible a un curvatura del espacio de fondo. La primera persona que trata de medir la curvatura del espacio definitivamente fue un matemático oscura, Nikolai Ivanovich Lobachevsky, que vivió en Kazan remoto en Rusia. Desemejante Gauss, Lobachevsky era en realidad uno de los dos matemáticos que tenido la osadía de proponer en forma impresa la posibilidad de la llamada geometrías curvas hyberbolic, donde las líneas paralelas podrían divergir. Sorprendentemente, Lobachevsky publicó su trabajo sobre hiperbólica geometría (que ahora llamamos "curvado negativamente" o "abierto" universos) en 1 830. Poco después, al considerar si nuestro propio tres universo dimensional podría ser hiperbólica, Lobachevsky sugirió que podría ser posible "investigar un triángulo estelar para una resolución experimental de la cuestión. "Él sugirió que observaciones de la brillante estrella Sirio podrían adoptarse cuando la Tierra era a cada lado de su órbita alrededor del Sol Seis meses aparte. A partir de observaciones, concluyó que cualquier curvatura de nuestro universo debe ser al menos 1 66000 veces el radio de la Tierra 's órbita. Este es un número grande, pero es trivialmente pequeña en escala cósmica. Desafortunadamente, mientras que Lobachevsky tenía la idea correcta, era limitado por la tecnología de su época. Ciento cincuenta años más tarde, sin embargo, las cosas han mejorado, gracias a la mayor parte importante conjunto de observaciones en todas cosmología: mediciones de la radiación del fondo cósmico de microondas, o CMBR. El CMBR es nada menos que el resplandor del Big Bang. Proporciona otra pieza de evidencia directa, en caso de que alguno se necesita, que el Big Bang realmente sucedió, porque nos permite mirar volver detectar directamente y la naturaleza de los muy jóvenes, universo caliente de la que más tarde surgieron todas las estructuras que vemos hoy. Uno de los muchos aspectos notables de la cósmica la radiación de fondo de microondas es que fue descubierto en Nueva Jersey, de todos los lugares, por dos científicos que realmente didn 't tiene la menor idea de lo que estaban buscando. La otra cosa es que existido prácticamente en todas nuestras narices durante décadas, lo que podría observable, pero se perdió por completo. De hecho, puede ser viejo suficiente haber visto sus efectos sin darse cuenta, si te acuerdas
los días previos a la televisión por cable, cuando los canales utilizados para poner fin a su emitir día en las primeras horas de la mañana y no correr infomerciales toda la noche. Cuando iban a salir del aire, después de mostrar un patrón de prueba, la pantalla volverá a la electricidad estática. Acerca de 1por ciento de esa estática que vio en la pantalla de televisión fue radiación remanente del Big Bang. El origen de la radiación del fondo cósmico de microondas es relativamente sencillo. Puesto que el universo tiene una edad finita (Recordemos que es 1 3. 7 2 miles de millones de años), y al mirar hacia fuera en vez los objetos más distantes, estamos buscando más atrás en el tiempo (desde la luz tarda más en llegar a nosotros desde estos objetos), es posible que Imaginamos que si miramos lo suficientemente lejos, veríamos la Gran Sí Bang. En principio esto no es imposible, pero en la práctica, entre nosotros y esa época temprana se encuentra una pared. No es un muro físico como las paredes de la habitación en la que estoy escribiendo esto, pero que, a un En gran medida, tiene el mismo efecto. No puedo ver más allá de las paredes de mi habitación porque son opacos. Ellos absorben la luz. Ahora, cuando miro en el cielo más atrás y más en el tiempo, estoy buscando en el universo, ya que era más joven y más joven, y también más y más caliente, porque se ha estado enfriando desde el Big Bang. Si miro hacia atrás lo suficientemente lejos, a una época en el universo estaba a punto 300000 años de edad, la temperatura de la universo estaba a punto 3000 grados (escala Kelvin) por encima absoluta cero. A esta temperatura la radiación ambiente era tan enérgica que fue capaz de romper los átomos dominantes en el universo, átomos de hidrógeno, en sus componentes separados, protones y electrones. Antes de este tiempo, no existía materia neutra. Normal la materia en el universo, hecho de los núcleos atómicos y electrones, consistía en un "plasma" densa de partículas cargadas que interactúan con la radiación. Un plasma, sin embargo, puede ser opaco a la radiación. El acusado partículas dentro del plasma absorben los fotones y los vuelven a emitir de manera que la radiación no puede pasar fácilmente a través de un material tal ininterrumpido. Como resultado, si trato de mirar hacia atrás en el tiempo, no puedo ver más allá del momento en que la materia del universo fue el último gran medida compuesto de un plasma tales. Una vez más, es como las paredes de mi habitación. Puedo verlos sólo porque los electrones en los átomos en la superficie de la pared absorben la luz
de la luz en mi estudio y luego vuelven a emitir, y el aire entre yo y las paredes es transparente, por lo que puedo ver todo el camino a la superficie de la pared que emite la luz. Lo mismo sucede con el universo. Cuando miro hacia fuera, puedo ver todo el camino de vuelta a la "última dispersión superficie ", que es el punto en el que el universo se convirtió en neutro, donde protones combinados con los electrones para formar hidrógeno neutro átomos. Después de ese punto, el universo se convirtió en gran medida transparente para radiación, y ahora puedo ver la radiación que se absorbe y se reemitida por los electrones como materia en el universo se convirtió en neutral. Por lo tanto, es una predicción de la imagen del Big Bang del universo que no debe haber radiación que viene a mí de todo direcciones desde que "la última superficie de dispersión". Desde el universo ha expandido en un factor de aproximadamente 1, 000 desde ese momento, la la radiación se ha enfriado en su camino hacia nosotros y que hoy es aproximadamente 3 grados por encima del cero absoluto. Y esa es precisamente la señal que los dos científicos desventurados que se encuentran en Nueva Jersey en 1 965, y para cuyo descubrimiento más tarde fueron galardonados con el Premio Nobel. En realidad un segundo Premio Nobel se dio más recientemente para observaciones de la radiación de fondo de microondas cósmico, y por una buena razón. Si pudiéramos tomar una foto de la superficie de la última superficie de dispersión, se obtendría una imagen del universo neonatal una mera 300000 año en su existencia. Pudimos ver todo el estructuras que colapsaría un día para formar galaxias, estrellas, planetas, extranjeros, y todo lo demás. Lo más importante, estas estructuras habría visto afectada por toda la dinámica posterior evolución que puede oscurecer la naturaleza subyacente y el origen de la primero diminutas perturbaciones primordiales en la materia y la energía que fueron supuestamente creado por procesos exóticos en el primer momentos del Big Bang. Lo más importante para nuestro propósito, sin embargo, en esta superficie hay sería una escala característica, que se imprime por nada que no sea el tiempo mismo. Se puede entender esto como sigue: Si uno considera una distancia que comprende aproximadamente 1grado en la última dispersión superficie vista por un observador en la Tierra, esto correspondería a una distancia en la que la superficie de alrededor de 300000 años luz. Ahora, desde la última superficie de dispersión refleja un momento en que el universo sí era acerca 300000 años de edad, y desde Einstein nos dice que
no la información puede viajar a través del espacio más rápido que la velocidad de luz, esto significa que no hay señal de un lugar podría viajar a través de esta superficie en ese momento en más de aproximadamente 300000 luz año. Consideremos ahora un trozo de materia más pequeñas que 300000 luz año a través. Un bulto Tal habrá comenzado a colapsar debido a su propia gravedad. Pero un bulto más grande que 300000 años luz de diámetro ganó 't incluso comienzan a colapsar, ya que doesn' t sin embargo, incluso "conocer" es un bulto. La gravedad, que a su vez se propaga a la velocidad de la luz, no puede haber viajado a través de toda la longitud de la masa. Así que como Wile E. Coyote corre directamente desde un acantilado y cuelga suspendido en el aire en los dibujos animados del Correcaminos, el nudo se acaba de sentarse allí, esperando a colapsar cuando el universo se vuelve lo suficientemente viejo para ella para saber lo que tiene que hacer! Esto recalca también un triángulo especial, con un lado 300000 luz año de ancho, una distancia conocida de distancia de nosotros, determinado por el distancia entre nosotros y la última superficie de dispersión, como se muestra a continuación:
Las mayores masas de materia, que ya se han comenzado a colapso y al hacerlo producirán irregularidades en la imagen de la superficie de fondo de microondas, abarcará este angular escala. Si somos capaces de obtener una imagen de esta superficie como parecía
en ese momento, esperaríamos que estos puntos calientes a ser, en promedio, el grandes terrones significativas que vemos en la imagen. Sin embargo, si el ángulo abarcado por esta distancia es precisamente 1grado, de hecho, ser determinada por la geometría de el universo. En un universo plano, los rayos de luz viajan en línea recta. En un universo abierto, sin embargo, los rayos de luz se doblan hacia afuera como uno los sigue atrás en el tiempo. En un universo cerrado, los rayos de luz converger como uno los sigue hacia atrás. Por lo tanto, el ángulo real abarcado en nuestros ojos por un gobernante que es 300000 años luz de diámetro, situado a una distancia asociado con la última superficie de dispersión, depende de la geometría del universo, como se muestra a continuación:
.....
=
Esto proporciona una prueba directa, limpio de la geometría de la universo. Dado que el tamaño de los puntos calientes más grandes o puntos fríos en el imagen de radiación de fondo de microondas depende sólo sobre causalidad el hecho de que la gravedad puede propagarse sólo a la velocidad de la luz, y por lo tanto la región más grande que puede haber colapsado en ese tiempo es simplemente determinado por la distancia más lejana un rayo de luz puede han propagado en ese momento, y porque el ángulo que vemos atravesado por una regla fija a una distancia fija de nosotros es justo determinado por la curvatura del universo, una imagen sencilla de la última superficie de dispersión puede revelarnos la gran escala la geometría del espacio-tiempo. El primer experimento para intentar tal observación era un lanzado desde tierra experimento del globo en la Antártida en 1 997 llamado BOOMERANG. Mientras que el acrónimo de Globo Observaciones de A1illimetric extragaláctica Radiación y
Geofísica, la verdadera razón por la que fue llamado este nombre es más simple. La radiómetro de microondas fue unido a un globo de gran altitud como se muestra a continuación:
r ..;
w ---.---
1 BO '"
El globo entonces dio la vuelta al mundo, que es fácil de hacer en Antártida. En realidad, en el Polo Sur es muy fácil de hacer, ya que sólo puede dar la vuelta en un círculo. Sin embargo, a partir de McMurdo La estación de la ida y vuelta en el continente, con la ayuda de la polar vientos, tomaron dos semanas, después de que el dispositivo volvió a su punto, de ahí el nombre BOOMERANG partida.
Boomerang camino alrededor de la Antártida.
El propósito de la viaje en globo era simple. Para obtener una vista de la radiación de fondo de microondas, lo que refleja una temperatura de 3 grados por encima del cero absoluto (escala Kelvin), que no es contaminada por el material mucho más caliente en la Tierra (incluso en Las temperaturas de la Antártida son más de doscientos grados más caliente que la temperatura del fondo cósmico de microondas radiación), queremos llegar lo más lejos posible del suelo, y incluso por encima de la mayor parte de la atmósfera de la Tierra. Lo ideal sería que utilizamos satélites para este propósito, pero los globos de gran altitud pueden hacer mucho del trabajo por mucho menos dinero. En cualquier caso, después de dos semanas, BOOMERANG devolvió un imagen de una pequeña parte del cielo de microondas presentan caliente y puntos fríos en el patrón de radiación procedentes de la última dispersión superficie. A continuación se muestra una imagen de la región del Experimento BOOMERANG observó (con los "puntos calientes" y "fríos spots "dando la sombra oscura y la luz, respectivamente), superpuestos sobre la foto original del experimento:
Esta imagen sirve para dos propósitos en lo que a mí respecta. En primer lugar, se muestra la escala física real de los puntos calientes y fríos como visto en el cielo por BOOMERANG, con las imágenes de primer plano para la comparación. Pero también ilustra otro aspecto importante de lo que sólo se puede llamar nuestra miopía cósmica. Cuando miramos hacia arriba en un día soleado, vemos un cielo azul, como se muestra en la imagen anterior de el globo. Pero esto se debe a que hemos evolucionado para ver visible luz. Lo hemos hecho, sin duda, tanto por la luz de la superficie de nuestro Sol alcanza su máximo en la región visible, y también porque
muchas otras longitudes de onda de luz son absorbidos en nuestra atmósfera, para que no nos pueden alcanzar en la superficie de la Tierra 's. (Esto es afortunado para nosotros, ya que gran parte de esta radiación podría ser perjudicial.) En cualquier caso, si en vez habíamos evolucionado de "ver" la radiación de microondas, la imagen del cielo que veríamos, de día o de noche, siempre y cuando no estábamos 't mirando directamente al Sol, nos llevaría directamente a un imagen de la última superficie de dispersión, más de 1 3 millones de luz años de distancia. Esta es la "imagen" que devuelve el BOOMERANG detector. El primer vuelo del BOOMERANG, que produjo esta imagen, era muy afortunado. La Antártida es un hostil e impredecible medio ambiente. En un vuelo más tarde, en 2003, todo el experimento era casi perdido debido a un mal funcionamiento de balón y posterior tormenta. La decisión de última hora de cortar libre del balón antes de que fuera volados en algún lugar inaccesible salvó el día y una búsqueda y rescate misión encuentra la carga útil en la llanura antártica y recuperado el recipiente presurizado que contiene los datos científicos. Antes de interpretar la imagen BOOMERANG, quiero enfatizar una vez más que el tamaño físico de la caliente manchas y puntos fríos registrados en la imagen BOOMERANG son fijado por simple física asociada con la última superficie de dispersión, mientras que la medido tamaños de los puntos calientes y puntos fríos en el imagen derivan de la geometría del universo. Un sencillo de dos analogía dimensional puede ayudar aún más a explicar el resultado: En dos dimensiones, una geometría cerrada se asemeja a la superficie de una esfera, mientras que una geometría abierta se asemeja a la superficie de una silla de montar. Si nos dibujar un triángulo en estas superficies, se observa el efecto que descrito, como líneas rectas convergen en una esfera, y divergen en una ensillar, y, por supuesto, siguen siendo recta sobre una superficie plana:
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Así que la pregunta del millón de dólares ahora es, ¿Qué tan grande son el caliente manchas y puntos fríos en la imagen BOOMERANG? Para responder esto, la colaboración BOOMERANG preparado varios simulada imágenes en su ordenador de puntos calientes y puntos fríos como sería visto en universos cerrados, planas y abiertas, y se compara esto con (Otro color falso) imagen del cielo real microondas.
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(Grados, ) Si examina la imagen en la parte inferior izquierda, de una simulada universo cerrado, verá que las manchas son más grandes que la media en el universo real. A la derecha, el tamaño medio de contado es más pequeño. Pero, al igual que la cama Baby Bear 's en Ricitos de Oro, la imagen en el medio, correspondiente a un universo plano simulado, es "sólo derecha. "El universo matemáticamente hermosa esperado por teóricos parecían ser vindicada por esta observación, aunque parece estar en conflicto fuertemente con la estimación realizada por un peso cúmulos de galaxias.
De hecho, el acuerdo entre las predicciones de un piso universo y la imagen obtenida por BOOMERANG es casi embarazoso. El examen de los puntos y la búsqueda de la mayor los que tuvieron tiempo para colapsan significativamente hacia el interior en el momento reflejado en la última superficie de dispersión, el equipo BOOMERANG producido el siguiente gráfico:
Los datos son los puntos. La línea sólida da la predicción para una universo plano, con el mayor golpe que ocurre cerca de 1grado! Desde el experimento BOOMERANG publicó sus resultados, una medida de sonda satélite más sensibles del fondo de microondas radiación fue lanzado por la NASA, la Microondas Wilkinson Anisotropy Probe (WMAP). Nombrado en honor del difunto Princeton físico David Wilkinson, que fue uno de los originales de Princeton los físicos que debería haber descubierto los CMBR si no hubieran sido excavado por los científicos de Bell Labs, WMAP fue lanzado en Junio 200 1. Fue enviado a una distancia de millones de kilómetros de la Tierra, donde, en el lado lejano de la Tierra desde el Sol, podría ver el cielo de microondas sin contaminación de la luz del sol. Durante un período de siete años se tomó imágenes de la totalidad cielo de microondas (no sólo una porción del cielo como BOOMERANG lo hizo, ya que BOOMERANG tuvo que lidiar con la presencia de la Tierra debajo de ella) con una precisión sin precedentes.
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Aquí todo el cielo se proyecta sobre un plano, al igual que la superficie de un globo se puede proyectar en un mapa plano. El plano de nuestra galaxia sería mentir a lo largo del ecuador, y 90 grados por encima del plano de nuestra galaxia es el Polo Norte en este mapa y 90 grados por debajo del plano de nuestra galaxia es el Polo Sur. La imagen de la galaxia, sin embargo, ha sido retirado de el mapa para reflejar puramente la radiación procedente de la última superficie de dispersión. Con este tipo de datos exquisitos una estimación mucho más precisa se puede hacer de la geometría del universo. Una parcela que WMAP es análoga a la mostrada para la imagen BOOMERANG confirma con una precisión de 1por ciento de que vivimos en un piso universo! Las expectativas de los teóricos eran correctas. Sin embargo, una vez de nuevo, no podemos ignorar la evidente incompatibilidad aparente de este resultado con el resultado que he descrito en el capítulo anterior. Pesar el universo midiendo la masa de las galaxias y cúmulos produce una valorar un factor de 3menor que la cantidad necesaria para dar lugar a una universo plano. Algo tiene que ceder. Mientras que los teóricos pueden haber sido palmaditas en la espalda para adivinar que el universo es plano, casi nadie estaba preparado para la sorpresa de que la naturaleza tenía reservado para resolver el estimaciones contradictorias de la geometría del universo próximos de la medición de la masa en relación medir la curvatura directamente. La falta energía necesaria para resultar en un universo plano resultó ser escondiéndose en nuestras narices, literalmente.
CAPÍTULO 4
ADO mucho sobre NADA
Menos es más.
-Ludwig Mies van der Rohe. DESPUÉS DE ROBERT BROWNING
Un paso adelante, dos pasos atrás, o al menos eso parecía en nuestra búsqueda para la comprensión de nuestro universo y precisa que le da un rostro. Finalmente Aunque observaciones tenían determinado definitivamente el curvatura de nuestro universo, y en el proceso de validación celebró largo sospechas de pronto teóricos, a pesar de que se sabía que existe diez veces más materia en el universo como podría ser explica por protones y neutrones, incluso cantidad que masiva de la materia oscura, que comprende 30 por ciento de lo que se requería para producir un universo plano, era ni de lejos suficiente para cuenta por toda la energía en el universo. La medición directa de la geometría del universo y la consiguiente descubrimiento de que el universo está hecho plana significaba que 70 por ciento de la energía de la universo todavía faltaba, ni hacia dentro ni alrededor de las galaxias o incluso cúmulos de galaxias! Las cosas no fueron tan impactante como lo he hecho a ser. Incluso antes de que estas mediciones de la curvatura de la universo, y la determinación de la masa total agrupadas dentro de que (como se describe en capítulo 2) , Había indicios de que el entonces porcuadro teórico convencional de nuestro universo con suficiente la materia oscura (tres veces más que ahora sabemos que existe, de hecho) ser espacialmente no plana era consistente con las observaciones.
De hecho, tan pronto como 1 995, Escribí un artículo herética con un colega mío, Michael Turner, de la Universidad de Chicago, lo que sugiere que esta imagen convencional no podía 't sea correcta, y de hecho, la única posibilidad de que apareció consistente tanto con un piso universo (nuestra preferencia teórica en el momento) y observaciones de la agrupación de galaxias y su dinámica interna era un universo que era mucho más extraño y que se remontaba a un idea teórica loco Albert Einstein tenía en 1 9 1 7 para resolver el aparente contradicción entre las predicciones de su teoría y el universo estático creía que vivía en y que más tarde abandonado. Si no recuerdo mal, nuestra motivación en el momento era más que demostrar que algo estaba mal con la idea predominante de lo que era a sugerir una solución definitiva al problema. La propuesta parecía demasiado loco para creer realmente, así que No creo que nadie era más sorprendido de lo que éramos cuando resultó que, tres años después, que nuestra sugerencia herética fue precisamente en el dinero después de todo! Vamos 's volver a 1 9 1 7. Recordemos que Einstein había desarrollado en general la relatividad y tenía palpitaciones del corazón de alegría por el descubrimiento de que que podría explicar la precesión del perihelio de Mercurio, incluso ya que tuvo que enfrentar el hecho de que su teoría no podía 't explicar la universo estático en el que pensó que estaba viviendo. Si hubiera tenido un mayor valor de sus convicciones, que podría tener previsto que el universo no podía 't ser estática. Pero él no 't. En su lugar, se dio cuenta de que podía hacer un pequeño cambio en su teoría, una que era totalmente coherente con la matemática argumentos que le habían llevado a desarrollar la relatividad general en el primer lugar, y uno que parecía que podría permitir a un estático universo. Mientras que los detalles son complejas, la estructura general de Ecuaciones de Einstein 's en la relatividad general es relativamente sencillo. El lado izquierdo de las ecuaciones describe la curvatura del universo, y con ella, la fuerza de la las fuerzas gravitatorias que actúan sobre la materia y la radiación. Estos son determinado por la cantidad en el lado derecho de la ecuación, que refleja la densidad total de todos los tipos de energía y la materia dentro del universo.
Einstein se dio cuenta de que la adición de un pequeño término constante extra para la lado izquierdo de la ecuación representaría un pequeño adicional constante repulsivo la fuerza a lo largo de todo el espacio, además de la atracción gravitacional estándar entre objetos distantes que cae a medida que la distancia entre ellos aumenta. Si fuera pequeña suficiente, esta fuerza extra podría ser indetectable en las escalas humanas o incluso en la escala de nuestro sistema solar, donde la ley de Newton 's Se observa gravedad para mantener tan bellamente. Pero él razonó que, porque fue constante a lo largo de todo el espacio, podría construir hasta sobre la escala de nuestra galaxia y ser lo suficientemente grande como para contrarrestar el fuerzas de atracción entre objetos muy distantes. Él por lo tanto razonó que esto podría resultar en un universo estático en las escalas más grandes. Einstein llamó a este plazo adicional que el término cosmológico. Porque es simplemente una adición constante a las ecuaciones, que es ahora, Sin embargo, convencional para llamar a este término la constante cosmológica. Una vez que reconoció que el universo se está expandiendo en realidad, Einstein prescindir de este término y se dice que ha llamado la decisión para agregarlo a sus ecuaciones su mayor error. Pero deshacerse de ella no es tan fácil. Es como tratar de poner la pasta de dientes en el tubo después de haber exprimido a cabo. Es porque ahora tenemos una imagen completamente diferente de la constante cosmológica hoy, de manera que, si Einstein no había añadido el plazo, alguien tendría en los años intermedios. Mover plazo Einstein 's desde el lado izquierdo de sus ecuaciones a la derecha es un pequeño paso para un matemático, sino un gran salto para un físico. Si bien es trivial matemáticamente hacer Así, una vez este término está en el lado derecho, donde todos los términos contribuir a la energía del universo residen, representa algo completamente diferente desde una perspectiva física es decir, una nueva contribución a la energía total. Pero, ¿qué tipo de cosas podría contribuir un término? La respuesta es, nada. Por nada, No quiero decir nada, sino más bien nada-en este caso, la nada que normalmente llamamos espacio vacío. Es decir, si tomo una región del espacio y deshacerse de todo dentro de ella antipolvo, el gas, la gente, e incluso la radiación que atraviesa, a saber absolutamente todo dentro de esa región, si el restante
espacio vacío pesa algo, entonces que correspondería a la existencia de un término cosmológico como Einstein inventó. Ahora, esto hace que la constante cosmológica de Einstein s parecer aún más loco! Para cualquier estudiante de cuarto grado le dirá la cantidad de energía es contenidas en nada, aunque no sé qué es la energía. La respuesta tiene que ser nada. La mecánica cuántica desgracia, la mayoría de los estudiantes de cuarto grado no han tomado, ni han estudiado la relatividad. Porque cuando uno incorpora el resultados de la teoría especial de Einstein 's de la relatividad en la cuántica universo, el espacio vacío se convierte en mucho más extraño de lo que era antes. Tan extraño, de hecho, que incluso los físicos que descubrieron por primera vez y analizado este nuevo comportamiento se apuros para creer que realmente existió en el mundo real. La primera persona en incorporar con éxito la relatividad en la mecánica cuántica era el brillante, lacónico teórico británico el físico Paul Dirac, que él mismo ya había jugado un líder papel en el desarrollo de la mecánica cuántica como una teoría. La mecánica cuántica se desarrolló entre el 1 de 9 1 2 para 1927, principalmente a través de la obra del danés brillante e icónica físico Niels Bohr y los jóvenes y calientes disparos brillantes austriacos el físico Erwin Schrodinger y físico alemán Werner Heisenberg. El mundo cuántico primero propuesto por Bohr, y refinado matemáticamente por Schrödinger y Heisenberg, desafía todo nociones de sentido común sobre la base de nuestra experiencia con los objetos de una escala humana. Bohr propuso por primera vez que los electrones en los átomos orbitan alrededor del núcleo central, como lo hacen los planetas alrededor del Sol, pero demostrado que las reglas observadas de los espectros atómicos (la frecuencias de luz emitida por los diferentes elementos) sólo podían ser entendida si de alguna manera los electrones se limita a tener estable órbitas en un conjunto fijo de "niveles cuánticos" y no podía espiral libremente hacia el núcleo. Podrían moverse entre los niveles de absorber o emitir sólo las frecuencias discretas, o cuantos de luz, -el muy quanta que Max Planck había propuesto por primera vez en 1 905 como forma de entender las formas de radiación emitida por calor objetos. Bohr 's "reglas de cuantificación" eran más bien ad hoc, sin embargo. En el 1 920s, Schrödinger y Heisenberg demostró de forma independiente que era posible derivar estas reglas de primeros principios si
electrones obedecidas reglas de la dinámica que eran diferentes de los aplicado a objetos macroscópicos como pelotas de béisbol. Los electrones podían comportarse como ondas, así como partículas, apareciendo a extenderse sobre el espacio (por lo tanto, Schrodinger "s" función de onda "de electrones), y los resultados de las mediciones de las propiedades de los electrones se mostró a producir sólo determinaciones probabilísticos, con varias combinaciones de diferentes propiedades no ser exactamente mensurables, al mismo tiempo (por lo tanto, "Incertidumbre de Heisenberg 's Principio "). Dirac había demostrado que las matemáticas propuestas por Heisenberg para describir sistemas cuánticos (para el que ganó el Heisenberg 1 932 Premio Nobel) podría derivarse por analogía cuidado con el pozo leyes conocidas que rigen la dinámica de macroscópico clásico objetos. Además, también fue más tarde capaz de demostrar que la matemáticas "la mecánica ondulatoria de Schrödinger" también podrían ser tan derivados y fue formalmente equivalente a la formulación de Heisenberg 's. Pero Dirac también sabía que la mecánica cuántica de Bohr, Heisenberg y Schrodinger, tan notable como fue, aplicado sólo para sistemas en los que Newton 's leyes, y no Einstein' s relatividad, habría sido las leyes pertinentes que regulan la sistemas clásicos que los sistemas cuánticos se construyeron con por analogía. Dirac le gusta pensar en términos de las matemáticas en lugar de imágenes, y cuando se volvió su atención a tratar de hacer cuántica mecánica de conformidad con las leyes de la relatividad de Einstein s, empezó jugando con muchos tipos diferentes de ecuaciones. Estos incluyeron complicados sistemas matemáticos multicomponentes que eran necesario incorporar el hecho de que los electrones tienen -que "spin" es decir que girar alrededor como pequeñas cimas y tienen angular impulso, y también pueden girar tanto en sentido horario y en sentido antihorario alrededor de cualquier eje. En 1929, él golpeó la suciedad de pago. La ecuación de Schrodinger tenía muy bien y con precisión describe el comportamiento de los electrones moviéndose a velocidades mucho más lento que la luz. Dirac descubrió que si modificado la ecuación de Schrödinger en una ecuación más compleja utilizando objetos llamados matrices-que en realidad significaba que su ecuación realmente describe un conjunto de cuatro ecuaciones acopladas diferentes -se podría unificar sistemáticamente la mecánica cuántica con la relatividad,
y por lo tanto, en principio describir el comportamiento de sistemas en los que las los electrones se mueven a velocidades mucho más rápidas. Había un problema, sin embargo. Dirac había escrito un significaba ecuación para describir el comportamiento de los electrones, ya que interactuado con campos eléctricos y magnéticos. Pero su ecuación apareció también a exigir la existencia de nuevas partículas al igual que electrones pero con carga eléctrica opuesta. En ese momento, sólo había una partícula elemental en la naturaleza conocido con una carga opuesta a la del electrón-protón. Pero los protones son para nada como los electrones. Para empezar, son 2, 000 veces más pesado! Dirac estaba desconcertado. En un acto de desesperación, argumentó que las nuevas partículas estaban en protones de datos, pero que de alguna manera cuando en movimiento a través del espacio de las interacciones de los protones causaría que actúen como si fueran más pesado. Se didn 't mucho tiempo para que los demás, incluyendo Heisenberg, para mostrar que esta sugerencia no tenía sentido. Naturaleza tardó en llegar al rescate. Dos años después de la hora Dirac propuso su ecuación, y un año después de haber capitulado y aceptado que, si su trabajo era correcta, entonces una nueva partícula debe existir, experimentadores mirando los rayos cósmicos que bombardean el Tierra descubrió evidencia de nuevas partículas idénticas a los electrones pero con una carga eléctrica opuesta, que se apodó positrones. Dirac fue reivindicado, pero también reconoció su anterior falta de la confianza en su propia teoría de tarde diciendo que su ecuación era más inteligente que él! Ahora llamamos el positrón la "antipartícula" del electrón, porque resulta que el descubrimiento de Dirac 's era omnipresente. La misma física que requerían una antipartícula para que exista el electrón requiere una de esas partículas de existir para casi todos primaria de partícula en la naturaleza. Los protones tienen antiprotones, por ejemplo. Incluso algunas partículas neutras, como los neutrones, tienen antipartículas. Cuándo partículas y antipartículas se encuentran, se aniquilan en puro radiación. Mientras todo esto puede sonar a ciencia ficción (y de hecho antimateria juega un papel importante en Star Trek), creamos antipartículas todo el tiempo en nuestras grandes aceleradores de partículas alrededor el mundo. Porque de lo contrario antipartículas tienen la misma
propiedades en forma de partículas, un mundo hecho de antimateria se comportaría de la misma manera como un mundo de la materia, con antilovers sentado en anticars hacer el amor bajo un anti-Moon. Simplemente es un accidente de nuestras circunstancias, debido, pensamos, a algo más profundo factores que van a llegar a más tarde, de que vivimos en un universo que se hace de materia y no de antimateria o uno con cantidades iguales de ambos. Me gusta decir que, si bien la antimateria puede parecer extraño, es extraño en el sentido de que los belgas son extraño. No son realmente extraño; es sólo que uno rara vez se reúne con ellos. La existencia de antipartículas hace que el mundo observable un mucho más interesante lugar, pero también resulta dejando vacía espacio mucho más complicado. El legendario físico Richard Feynman fue la primera persona a proporcionar una comprensión intuitiva de por qué la relatividad requiere la existencia de antipartículas, que también produjo un gráfico demostración de que el espacio vacío no es tan vacía. Feynman reconoció que la relatividad nos dice que los observadores moviéndose a diferentes velocidades hará diferentes medidas de cantidades tales como la distancia y el tiempo. Por ejemplo, el tiempo parecen ralentizar para objetos que se mueven muy rápido. Si de alguna manera objetos podrían viajar más rápido que la luz, que parecerían ir hacia atrás en el tiempo, que es una de las razones que la velocidad de la luz se considera normalmente un límite de velocidad cósmica. Un principio clave de la mecánica cuántica, sin embargo, es la de Heisenberg Principio de Incertidumbre, que, como ya he mencionado, establece que es imposible de determinar, para ciertos pares de cantidades, como posición y la velocidad, valores exactos para un sistema dado en el mismo tiempo. Alternativamente, si se mide un sistema determinado sólo por un , el intervalo de tiempo finito fijo, no se puede determinar su energía total exactamente. Lo que todo esto significa es que, por tiempos muy cortos, tan corto que no se puede medir su velocidad con alta precisión, cuántica mecánica permite la posibilidad de que estas partículas actúan como si se están moviendo más rápido que la luz! Pero, si se están moviendo más rápido que la luz, Einstein nos dice que deben estar comportándose como si fueran se mueve hacia atrás en el tiempo! Feynman fue lo suficientemente valiente como para tomar esta aparentemente loco posibilidad en serio y explorar sus implicaciones. Señaló a la
siguiente diagrama para un electrón moviéndose, periódicamente acelerando en medio de su viaje hasta más rápido que la velocidad de la luz.
Reconoció que la relatividad nos diría que otro observador podría medir alternativamente algo que aparecería como se muestra a continuación, con un electrón que se mueve hacia adelante en el tiempo, entonces atrás en el tiempo, y luego de nuevo hacia delante.
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Sin embargo, una carga negativa se mueve hacia atrás en el tiempo es matemáticamente equivalente a una carga positiva avanzar en tiempo! Por lo tanto, la relatividad requeriría la existencia de positivamente
partículas cargadas con la misma masa y otras propiedades como electrones. En este caso se puede reinterpretar segundo dibujo Feynman 's como sigue: un solo electrón se mueve a lo largo, y luego en otro punto en el espacio de un par positrón-electrón se crea de la nada, y luego el positrón se encuentra con el primer electrón y los dos aniquilar. Después, uno se queda con un solo electrón en movimiento a lo largo.
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Si este doesn 't moleste, y luego considerar el siguiente: para un poco de tiempo, incluso si usted comienza con una sola partícula, y terminar con una sola partícula, por un corto tiempo hay tres partículas moviéndose sobre:
En el breve período intermedio, por lo menos durante un tiempo, algo ha dado lugar a partir de la nada! Feynman bellamente describe este
aparente paradoja en su 1 949 papel, "Una teoría de positrones", con una analogía de guerra encantadora:
Es como si un bombardero de ver un solo camino a través de la bomba de la vista de un avión en vuelo bajo ve repentinamente tres carreteras y es sólo cuando dos de ellos vienen juntos y desaparecen otra vez que él se da cuenta de que él simplemente ha pasado durante un largo zigzag en una sola carretera.
Mientras este período de tiempo durante este "zigzag" es tan corto que no podemos medir directamente todas las partículas, cuántica la mecánica y la relatividad implica que no sólo es esta extraña situación permitido, se requiere. Las partículas que aparecen y desaparecen en cales veces demasiado cortos para medir se llaman virtual partículas. Ahora la invención de un nuevo conjunto de partículas en el espacio vacío que toda No se puede medir se parece mucho a proponer un gran número de ángeles sentados en la cabeza de un alfiler. Y sería tan impotente una idea si estas partículas no tenían otro mesurable efectos. Sin embargo, si bien no son directamente observables, resulta a cabo su indirecto efectos producen la mayoría de las características de la universo que experimentamos hoy. No sólo esto, sino que se puede calcular el impacto de estas partículas con mayor precisión que cualquier otro cálculo en la ciencia. Consideremos, por ejemplo, un átomo de hidrógeno-el sistema de Bohr intentado explicar mediante el desarrollo de su teoría cuántica y Schrodinger más tarde trató de describir mediante la derivación de su famoso ecuación. La belleza de la mecánica cuántica era que se podía Explicar los colores específicos de la luz emitida por el hidrógeno cuando se se calentó hasta con el argumento de que los electrones orbitando alrededor del protón sólo podía existir en niveles discretos de energía, y cuando saltó entre los niveles que absorben o emiten sólo un conjunto fijo de frecuencias de luz. La ecuación de Schrodinger le permite a uno calcular las frecuencias previstas, y que llega a la respuesta casi exactamente correcto. Pero no exactamente. Cuando se observó con más cuidado el espectro de hidrógeno, se ve que es más complicado de lo que había sido previamente
estimado, con algunas pequeñas escisiones adicionales entre los niveles observado, llamada la "estructura fina" del espectro. Si bien estos desdoblamientos habían sido conocidos desde tiempos Bohr 's, y se sospecha que tal vez los efectos relativistas tenían algo que hacer para con ellos, hasta que una teoría completamente relativista estaba disponible, nadie podía confirmar esta sospecha. Felizmente, la ecuación de Dirac 's consiguió mejorar las predicciones en comparación con la ecuación de Schrödinger y s reproducido la estructura general de las observaciones, incluyendo estructura fina. Hasta aquí todo bien, pero en abril de 1 947, Estados Unidos experimentalista Willis Lamb y su alumno Robert C. Retherford realizado un experimento que de otra manera podría parecer increíblemente enfermo motivado. Se dieron cuenta de que tenían la capacidad tecnológica para medir la estructura a nivel de energía del nivel de átomos de hidrógeno con una precisión de 1en parte 1 00 millones. ¿Por qué se molesta? Bueno, cada vez que los experimentadores encontrar un nuevo método para medir algo con mucho mayor precisión lo que era posible antes, que a menudo es suficiente motivación para que vayan por delante. Nuevos mundos enteros a menudo se revelan en la proceso, como cuando el científico holandés Antonie van Philips Leeuwenhoek miró por primera vez en una gota de agua aparentemente vacío con un microscopio en 1 676 y descubrió que estaba lleno de vida. En este caso, sin embargo, los experimentadores tuvieron más inmediato motivación. Hasta el momento del experimento Cordero 's, la disposición precisión experimental no podría poner a prueba la predicción Dirac 's en detalle. La ecuación de Dirac hizo predecir la estructura general de la nueva observaciones, pero la pregunta clave que Cordero quiso contestar era ya predijo en detalle. Esta era la única manera de en realidad probar la teoría. Y cuando Cordero puso a prueba la teoría, parecía dar la respuesta equivocada, en un nivel de alrededor de 100 partes por millones de dólares, muy por encima de la sensibilidad de su aparato. Tal un pequeño desacuerdo con el experimento puede no parecer mucho, pero las predicciones de la interpretación más simple de la Dirac teoría fuera inequívoca, como fue el experimento, y se diferido. En los próximos años, las mentes más brillantes teóricos de la física saltado a la palestra y trató de resolver la discrepancia. La respuesta se produjo después de una gran cantidad de trabajo, y cuando el polvo tenía
asentado, se dio cuenta de que la ecuación de Dirac da realidad precisamente la respuesta correcta, pero sólo si se incluye el efecto de partículas virtuales. Gráficamente, esto puede entenderse como sigue. Los átomos de hidrógeno están generalmente representan en libros de química algo como esto, con un protón en el centro y un electrón orbitando a su alrededor, saltando entre los diferentes niveles:
Sin embargo, una vez que permitimos la posibilidad de que de electrones positrón espontáneamente pueden aparecer de la nada por un rato antes de aniquilar uno al otro de nuevo, a través de cualquier corto tiempo la átomo de hidrógeno realmente se ve así:
A la derecha de la figura YOhan dibujado un par tal, que a su vez aniquilar en la parte superior. El electrón virtual, siendo negativamente cargada, le gusta pasar el rato cerca del protón, mientras que el positrones le gusta estar más lejos. En cualquier caso, lo que se desprende de esta imagen es que la distribución de carga real en un hidrógeno átomo es no, en cualquier instante, descrito por simplemente un solo electrón y el protón. Sorprendentemente, los físicos han aprendido (después de todo el trabajo duro por Feynman y otros)que podemos utilizar la ecuación de Dirac 's para calcular a un arbitrariamente alta precisión, el impacto en el espectro de hidrógeno de todas las posibles partículas virtuales que pueden existir intermitentemente en sus proximidades. Y cuando lo hacemos, nos encontramos con la mejor predicción, más preciso en todo ofscience. Todos los otros predicciones científicas palidecen en comparación. En astronomía, la más recientes observaciones del fondo cósmico de microondas radiación nos permiten comparar con las predicciones teóricas de la nivel de quizás 1en parte 1 00000, que es notable. Sin embargo, utilizando la ecuación de Dirac 's, y la existencia prevista de virtuales partículas, podemos calcular el valor de los parámetros atómicos y
compararlos con las observaciones y tienen notable acuerdo en el nivel de aproximadamente 1 parte en un billón o mejor! Por lo tanto, existen partículas virtuales. Mientras la espectacular precisión disponible en la física atómica es difícil de igualar, hay sin embargo otro lugar donde virtuales partículas tienen un papel clave que en realidad puede ser más relevante para el tema central de este libro. Resulta que ellos son responsables de la mayor parte de su masa, y que de todo lo que es visible en la universo. Uno de los grandes éxitos en los 1 970s en nuestra fundamental comprensión de la materia vino con el descubrimiento de una teoría que describe con precisión las interacciones de quarks, las partículas que compensar los protones y neutrones que forman la mayor parte del material de la que usted y todo lo que se puede ver son hechos. La matemática asociada con la teoría es compleja, y que nos llevó Se desarrollaron varias décadas antes de que las técnicas que podrían manejar, particularmente en el régimen en el que la interacción fuerte entre los quarks se hizo apreciable. Un esfuerzo hercúleo era puesto en marcha, incluyendo la construcción de algunos de los más complicados equipos de procesamiento en paralelo, que utilizan simultáneamente decenas de miles de procesadores individuales, a fin de tratar de calcular las propiedades fundamentales de los protones y los neutrones, las partículas en realidad nos medimos. Después de todo este trabajo, ahora tenemos una buena idea de lo que el dentro de un protón en realidad parece. Puede haber tres quarks contenido en el mismo, pero también hay un montón de otras cosas. En particulares, las partículas virtuales que reflejan las partículas y campos que transmitir la fuerza fuerte entre los quarks están apareciendo dentro y fuera de existencia todo el tiempo. He aquí una instantánea de cómo las cosas realmente mirar. No es una fotografía real, por supuesto, sino más bien una artística prestación de las matemáticas que rigen la dinámica de quarks y los campos que los unen. Las formas extrañas y diferentes matices reflejan la fortaleza de los campos de la interacción con uno sí y con los quarks dentro del protón como partículas virtuales espontáneamente entrar y salir de la existencia.
Aceleración
Distancia
(Proporcional mirar hacia atrás · tiempo)
Deceleración
Vel'oc! Dad
El protón es intermitente lleno de estas partículas virtuales y, en De hecho, cuando tratamos de estimar cuánto podrían contribuir a la masa del protón, nos encontramos con que los quarks ellos mismos proporcionan muy poco de la masa total y que los campos creados por estos partículas contribuyen la mayor parte de la energía que entra en el protón 's descansar energía y, por lo tanto, su masa en reposo. Lo mismo es cierto para el neutrones, y ya que están hechos de protones y neutrones, la Igual es verdad para ti! Ahora, si podemos calcular los efectos de las partículas virtuales en el espacio por lo demás vacío en y alrededor de los átomos, y podemos calcular los efectos de las partículas virtuales en el espacio de lo contrario vacía por dentro de protones, entonces shouldn 't que sea capaz de calcular los efectos de la partículas virtuales en el espacio verdaderamente vacío? Pues bien, este cálculo es en realidad más difícil de hacer. Esto es porque, cuando se calcula el efecto de las partículas virtuales en los átomos o en la masa del protón, estamos calculando en realidad la energía total de la átomo o protones Incluyendo partículas virtuales; a continuación, se calcula el energía total que las partículas virtuales contribuirían sin el átomo o protones presentes (i. e, en el espacio vacío.); y entonces restamos los dos números con el fin de encontrar el impacto neto sobre el átomo o protón. Hacemos esto porque resulta que cada uno de estos dos energías es formalmente infinita cuando tratamos de resolver el ecuaciones apropiadas, pero cuando restamos las dos cantidades,
terminamos con una diferencia finita, y por otra parte que está de acuerdo precisamente con el valor medido! Sin embargo, si queremos calcular el efecto de las partículas virtuales en el espacio vacío solo, no tenemos nada que restar, y la respuesta que obtenemos es, por tanto, infinita. Infinito no es una cantidad agradable, sin embargo, al menos en la medida de lo los físicos están preocupados, y tratamos de evitarlo siempre que sea posible. Es evidente que la energía del espacio vacío (o cualquier otra cosa, por el caso) no puede estar físicamente infinito, así que tenemos que averiguar una manera de hacer el cálculo y obtener una respuesta finita. La fuente de la infinidad es fácil de describir. Cuando consideramos todas las posibles partículas virtuales que pueden aparecer, la Heisenberg Principio de Incertidumbre (que le recuerdo a usted dice que el incertidumbre en la energía medida de un sistema es inversamente proporcional a la longitud de tiempo durante el cual se observa que) implica que pueden aparecer partículas que llevan cada vez más energía espontáneamente de la nada, siempre y cuando luego desaparecen en tiempos cada vez más cortos. En principio, las partículas, por lo tanto pueden llevar a casi infinita energía, siempre y cuando desaparecen en casi infinitesimalmente tiempos cortos. Sin embargo, las leyes de la física tal como entienden ellos aplican sólo para distancias y tiempos más grandes que un cierto valor, correspondiente a la escala en la que los efectos de la cuántica los mecánicos deben ser considerados cuando se trata de entender la gravedad (y sus efectos asociados en el espacio-tiempo). Hasta que no tengamos una teoría de "gravedad cuántica", como se le llama, podemos 'extrapolaciones de confianza t que van más allá de estos límites. Por lo tanto, podríamos esperar que la nueva física asociada con la gravedad cuántica de alguna manera cortar los efectos de virtuales partículas que viven menos tiempo que el "tiempo de Planck", ya que es llamada. Si consideramos los efectos acumulativos de sólo virtual partículas de energías iguales o inferiores que el permitido por esta corte temporal, se llega a una estimación finita de la energía que partículas virtuales contribuyen a nada. Pero hay un problema. Esta estimación resulta ser acerca 1, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000,
000000000, ODD, 000.000.000.000.000.000 veces más grandes que la energía asociada con toda la materia conocida en el universo, incluyendo la materia oscura! Si el cálculo de las distancias del nivel de energía atómicas incluyendo partículas virtuales es el mejor cálculo de toda la física, este estimación de 1 20 órdenes de la energía del espacio-de mayor magnitud que la energía de todo lo demás en el universo, es, sin duda, el peor! Si la energía del espacio vacío fuera en cualquier lugar cerca de este , la fuerza de repulsión gran inducida (recuerde la energía del vacío espacio corresponde a una constante cosmológica) sería grande suficiente para volar la Tierra hoy en día, pero lo más importante, lo haría han sido tan grandes en los primeros tiempos que todo lo que ahora vemos en nuestro universo se habría empujado aparte tan rápido en la primera fracción de segundo del Big Bang que ninguna estructura, no hay estrellas, no planetas, y hay gente nunca se habrían formado. Este problema, llamado apropiadamente la constante cosmológica Problema, ha existido desde mucho antes de que yo era un graduado estudiante, primero explicitado por el cosmólogo ruso Yakov Dovich Zel 'alrededor de 1 967. Se sigue sin resolverse y es quizás la más profundo problema de fondo sin resolver en la física actual. A pesar del hecho de que hemos tenido ni idea de cómo resolver el problema durante más de cuarenta años, los físicos teóricos sabían lo que la respuesta tenía que ser. Al igual que el cuarto grado que le sugerí hubiera adivinado que la energía del espacio vacío tenía que ser cero, nosotros también consideró que cuando una teoría definitiva se deriva, que que explicaría cómo los efectos de las partículas virtuales cancelarían, dejando espacio vacío con precisión cero energía. O nada. O más bien, nada. Nuestro razonamiento era mejor que el cuarto grado de, más o menos, pensado. Necesitábamos para reducir la magnitud de la energía de espacio vacío del valor verdaderamente descomunal que el ingenuo estimación sugiere un valor consistente con los límites superiores permitido por la observación. Esto requeriría alguna forma de restar a partir de un número muy grande positivo otra muy grande positivo número así que los dos cancelaría a 1 20 cifras decimales, dejando algo distinto de cero en la primera cifra decimal 1 2! Pero allí no es precedentes en la ciencia de la anulación de dos grandes números a tales exactitud, con sólo algo minúsculo sobra.
Sin embargo, el cero es un número que es fácil de producir. Simetrías de la naturaleza a menudo nos permitirá demostrar que no son, precisamente, contribuciones iguales y opuestas que vienen de diferentes partes de un cálculo, anulando exactamente, precisamente con nada más. O, de nuevo, nada. Por lo tanto, los teóricos han podido estar tranquilo y dormir por la noche. Nosotros No sabía cómo llegar hasta allí, pero estábamos seguros de lo que la final respuesta tenía que ser. Naturaleza, sin embargo, había algo diferente en mente.
CAPÍTULO 5
EL UNIVERSO RUNAWAY
Es mera basura, pensando en la actualidad sobre el origen de lif uno bien podría pensar en la ofmatter.e origen; CHARLES DARWIN
Lo que Michael Turner y argumenté en 1 995 era herética en el extrema. Sobre la base de poco más de perjuicio teórico, se presume que el universo era plana. (Debo subrayar una vez más aquí que un universo "plano" en tres dimensiones no es plano como un dos panqueque dimensional es plana, pero es más bien el de tres dimensiones espacio que todos nosotros nos imaginamos intuitiva, en la que los rayos de luz en viajes líneas rectas. Esto ha de contrastarse con la mucho más difícil de imaginar espacios tridimensionales curvadas en las que los rayos de luz, que traza la curvatura subyacente de espacio, no viajan en líneas rectas.) Luego infiere que todos cosmológica disponible datos en el momento eran compatibles con un universo plano sólo si sobre 30 por ciento de la energía total residía en alguna forma de "oscuro materia ", como observaciones parecían indicar existido alrededor galaxias y cúmulos, pero mucho más extraña que incluso este, que el restante 70 por ciento de la energía total en el universo no residía en cualquier forma de materia, sino más bien en sí mismo un espacio vacío. Nuestra idea era una locura en todos los sentidos. Con el fin de resultar en una valor de la constante cosmológica consistente con nuestra reclamación, el valor estimado de esta cantidad se describe en el capítulo anterior tendría que ser reducido de alguna manera por 1 20 órdenes de magnitud y aún así no ser exactamente cero. Esto implicaría la más severa
ajuste fino de cualquier cantidad física conocida en la naturaleza, sin la más mínima idea de cómo ajustarlo. Esta fue una de las razones por las que, como ya he dado conferencias en diversos universidades sobre el dilema de un universo plano, me evocaron su mayoría sonrisas y nada más. I don 't piensa mucha gente tomó nuestra propuesta en serio, y ni siquiera estoy seguro de Turner y lo hice. Nuestro punto de levantando las cejas con nuestro papel era ilustrar gráficamente un hecho que comenzaba a amanecer, no sólo en nosotros, sino también en varios de nuestros colegas teórico de todo el mundo: algo miraron mal con la imagen a continuación por "estándar" de nuestro universo, en el que casi toda la energía requerida por la relatividad general para producir una Se asumió universo plano hoy a residir en la materia oscura exótica (Con una pizca de bariones-i. E., Nosotros los terrícolas, estrellas, visible galaxias a la sal de la mezcla). Un colega recientemente me recordó que durante los dos años siguiendo nuestra modesta propuesta, se hace referencia a sólo un puñado de veces en los documentos posteriores, y al parecer todos menos uno o dos de estos fueron en los papeles escritos por Turner o yo! Como desconcertante como nuestro universo es, la mayor parte de la comunidad científica cree que no podías ser tan loco como Turner y me sugirió que era. La forma alternativa más sencilla de las contradicciones fue la posibilidad de que el universo no era 't plana pero abierto (una en la que rayos de luz paralelos hoy haría curva aparte si rastreamos su trayectoria hacia atrás. Este fue, por supuesto, antes de lo cósmico mediciones de fondo de microondas dejaron en claro que esta opción no era viable.) Sin embargo, incluso esta posibilidad tenía su propio problemas, aunque la situación allí permanecieron lejos de ser claro como también. Cualquier estudiante de física de secundaria estará feliz de decirles que gravedad chupa-es decir, que es universalmente atractivo. Por supuesto, al igual que tantas cosas en la ciencia, ahora reconocemos que tenemos a ampliar nuestros horizontes porque la naturaleza es más imaginativo que nos son. Si por el momento suponemos que la naturaleza atractiva de gravedad implica que la expansión del universo ha sido desaceleración, recordamos que tenemos un límite superior en la edad de la universo asumiendo que la velocidad de una galaxia situada a una cierta distancia de nosotros ha sido una constante desde el Big Bang. Esto se debe a que, si el universo ha venido desacelerándose, entonces el
galaxia una vez se alejaba más rápido de nosotros de lo que es ahora, y por lo tanto, habría tomado menos tiempo para llegar a su actual posición que si siempre hubiera estado moviendo a la velocidad actual. En un universo abierto dominado por la materia, la desaceleración de la universo sería más lento que en un universo plano, y por lo tanto la edad estimada del universo sería mayor de lo que sería para un universo plano dominado por la materia, para la misma corriente tasa de expansión medida. Sería, de hecho, mucho más cerca de la valor se estima suponiendo una tasa constante de expansión durante el tiempo cósmico. Recuerde que una energía distinta de cero de espacio vacío haría producir una repulsión gravitacional constante cosmológica como lo que implica que la expansión del universo en lugar de acelerar con el tiempo cósmico, y por lo tanto las galaxias haría previamente han estado moviendo aparte más lentamente de lo que son hoy. Este implicaría que habría tomado más tiempo para llegar a su distancia actual de lo que sería para una expansión constante. En Efecto, para una medición dada de la constante de Hubble hoy, el más largo posible curso de la vida de nuestro universo (unos 20 mil millones de años) es obtenida mediante la inclusión de la posibilidad de una constante cosmológica junto con la cantidad medida de la materia visible y oscura, si son libres de ajustar su valor junto con la densidad de la materia en el Universo actual. En 1 996, He trabajado con Brian Chaboyer y nuestros colaboradores Pierre Demarque en Yale y postdoc Peter Kernan de la Case Western Reserve de poner un límite inferior a la edad de estas estrellas a ser de aproximadamente 1 2 mil millones de años. Hicimos esto por modelar la evolución de millones de estrellas en diferentes computadoras de alta velocidad y comparando sus colores y el brillo de estrellas reales observadas en los cúmulos globulares de nuestra galaxia, que se creían mucho en ser entre los objetos más antiguos de la galaxia. Suponiendo que cerca de mil millones años de nuestra galaxia para formar, este límite inferior gobernó con eficacia un universo plano dominado por la materia y muy favorecida con un constante cosmológica (uno de los factores que habían pesado sobre la conclusiones de mi trabajo anterior con Turner), mientras que un abierto universo se tambaleaba al borde peludo de viabilidad. Sin embargo, las edades de las estrellas más viejas implican inferencias basadas en observaciones en el borde de la sensibilidad vigente en ese momento y, en
1 997, los nuevos datos de observación nos obligaron a revisar nuestras estimaciones hacia abajo por sobre 2mil millones de años, lo que lleva a un poco universo más joven. Así que la situación llegó a ser mucho más oscuro, y todo tres cosmologías una vez más resultaron viables, enviando a muchos de nosotros volver a la mesa de dibujo. Todo esto cambió en 1 998, casualmente el mismo año en que el experimento BOOMERANG demostró que el universo es plana. En el intervalo de setenta años desde que mide Edwin Hubble la tasa de expansión del universo, los astrónomos habían trabajado más duro y más difícil de determinar su valor. Recordemos que en los 1 990 que tenían finalmente encontró una "candela estándar", es decir, un objeto cuya observadores luminosidad intrínseca sentían que podían independiente comprobar, de manera que, cuando midieron su luminosidad aparente, podrían entonces inferir su distancia. La vela estándar parecía ser fiable y fue uno que se pudo observar a través de las profundidades de espacio y tiempo. Un cierto tipo de explosión estelar llamada supernova de tipo Ia tenía recientemente se ha demostrado que exhiben una relación entre el brillo y la longevidad. Medir cómo durante mucho tiempo un determinado tipo Ia supernova permaneció brillante requiere, por primera vez, teniendo en efectos de dilatación de tiempo cuenta debido a la expansión del universo, que implica que el tiempo de vida medido de una supernova tal es realmente más largo que su vida real en su marco en reposo. Sin embargo, podríamos inferir el brillo absoluto y medir su brillo aparente con telescopios y en última instancia a determinar la distancia a la galaxia huésped en el que la supernova tuvo explotado. Midiendo el desplazamiento al rojo de la galaxia al mismo tiempo nos permitió determinar la velocidad. Combinando los dos nos permite medir, con el aumento de la precisión, la velocidad de expansión de la universo. Debido a que las supernovas son tan brillantes, que proporcionan no sólo un gran herramienta para medir la constante de Hubble, sino que también permiten a los observadores mirar hacia atrás a distancias que son una fracción importante del total edad del universo. Esto ofrece una nueva y excitante posibilidad, que los observadores visto como una cantera mucho más emocionante: cómo medir Hubble 's los cambios constantes en el tiempo cósmico.
Midiendo cómo una constante está cambiando sonidos como un oxímoron, y sería salvo por el hecho de que los seres humanos viven una vida tan breve, al menos en una escala cósmica. En una escala de tiempo humana la tasa de expansión del universo es de hecho constante. Sin embargo, como Que acabo de describir, la tasa de expansión del Universo lo hará cambiar con el tiempo cósmico debido a los efectos de la gravedad. Los astrónomos pensaron que si podían medir la la velocidad y la distancia de las supernovas muy lejanas, a través de la confines del universo visible, entonces se podría medir la velocidad a la que la expansión del universo se estaba desacelerando (Ya que todos asumieron el universo estaba actuando con sensatez, y la fuerza gravitacional dominante en el universo era atractivo). Este a su vez, que esperaban que revela si el universo estaba abierta, cerrado, o plana, porque la tasa de desaceleración como una función del tiempo es diferente para cada geometría. En 1 996, Yo estaba de pasar seis semanas visitando Lawrence Berkeley Laboratorio, dando una conferencia sobre cosmología y discutir diversos proyectos de ciencia con mis colegas allí. Le di una charla sobre nuestra reclamar ese espacio vacío podría tener energía, y después, Saúl Perlmutter, un joven físico que trabajaba en la detección supernovas distantes, se acercó a mí y dijo: "Vamos a demostrar que mal! " Saúl se estaba refiriendo a los siguientes aspectos de nuestra propuesta de un universo plano, 70 por ciento de la energía de la que debería ser contenida en el espacio vacío. Recordemos que este tipo de energía que produciría una constante cosmológica, que conduce a una fuerza repulsiva que haría entonces existen a lo largo de todo el espacio y que dominaría el expansión del universo, causando su expansión a acelerar, no ve más despacio. Como he descrito, si la expansión del universo fue acelerando con el tiempo cósmico, entonces el universo sería más viejo hoy de lo que de otro modo pudiera inferir tuvimos la expansión ha sido desaceleración. Esto implicaría entonces que el puesto de observación en el tiempo a las galaxias con un desplazamiento al rojo dado serían más largas de lo que sería de otro modo. A su vez, si han sido alejan de nosotros para un tiempo más largo, esto implicaría que la luz de ellos se originó desde más lejos. Las supernovas en galaxias en algún determinado desplazamiento al rojo aparecería entonces más débil para nosotros que si la luz
originado más cerca. Esquemáticamente, la velocidad si se estaba midiendo frente a la distancia, la pendiente de la curva para la relativamente cercana galaxias nos permitirá determinar la tasa de expansión de hoy, y luego si la curva se inclinó hacia arriba o hacia abajo para distante supernovas nos diría si el universo se estaba acelerando o ralentizar el paso del tiempo cósmico.
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Dos años después de nuestra reunión, Saúl y sus colaboradores, que forma parte de un equipo internacional llamado el Supernova Cosmology Project, publicado un documento sobre la base de datos preliminar temprana que, efectivamente, sugirió que nos equivocamos. (En realidad, ellos no sostienen que Turner y yo estábamos mal, ya que, junto con la mayoría de los otros observadores, de verdad ¿No te dan mucho crédito a nuestra propuesta.) Sus datos sugieren que la trama distancia versus desplazamiento al rojo curvó hacia abajo, y por lo tanto que un límite superior a la energía de vacío espacio tenía que ser muy por debajo de lo que se habría requerido para hacer una contribución significativa a la energía total en la actualidad. Sin embargo, como sucede a menudo, los primeros datos que vienen en no podría sea representativa de todos los datos, ya sea que son simplemente estadísticamente los errores sistemáticos de mala suerte, o inesperados pueden afectar los datos, que no se manifiestan hasta que tenga una mucho más grande muestra. Este fue el caso con los datos que el Supernova
Cosmología Proj ect publicado, por lo que las conclusiones eran incorrecta. Otra búsqueda internacional supernova proj ect, llamado el De alta Z Supernova Search Team, liderado por Brian Schmidt en el Monte Stromlo Observatorio en Australia, estaba llevando a cabo un programa de con el mismo objetivo, y empezaron a obtener resultados diferentes. Brian me dijo hace poco que cuando su primer significativa Alta-Z Determinación Supernova entró, lo que sugiere una aceleración universo con energía del vacío significativo, que fueron rechazados de tiempo de telescopio e informado por una revista que debe ser mal porque la Cosmología Supernova Proj ect ya tenía determinó que el universo era efectivamente plana, y dominado por materia. La historia detallada de la competencia entre estos dos grupos, sin duda, pueden jugar de nuevo muchas veces, sobre todo después
*
comparten el Premio Nobel, que sin duda se trata de will.no es el lugar de preocuparse por prioridad. Baste decir que a principios de 1 998, Grupo Schmidt 's publicó un documento que demuestra que la universo parece estar acelerando. Unos seis meses después, Grupo de Perlmutter anunció resultados similares y publicó un papel de confirmar el resultado de alta Z Supernova, en efecto reconociendo su error y anteriores préstamos más crédito a un universo dominado por la energía del espacio vacío o, como es ahora más comúnmente llamado, la energía oscura. La velocidad con que estos resultados fueron aprobados por el comunidad científica, incluso a pesar de que requieren un mayor revisión de toda la imagen aceptada del universo ofrece un interesante estudio en sociología científica. Casi toda la noche, no parece haber una aceptación universal de los resultados, incluso aunque, como Carl Sagan ha enfatizado, "Afirmaciones extraordinarias requieren pruebas extraordinarias. "Este fue sin duda un afirmación extraordinaria si alguna vez había nadie. Me sorprendió cuando, en diciembre 1 998, Ciencia revista llamado el descubrimiento de un universo en aceleración Científico Revelación del Año, produciendo una cubierta con un notable dibujo de un Einstein conmocionado.
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Yo no estaba 't sorprendió porque pensé que el resultado no era' t digno de una cubierta. Muy por el contrario. Si es verdad, que era uno de los más importantes descubrimientos astronómicos de nuestro tiempo, pero los datos en el tiempo fuera simplemente muy sugestiva. Se requiere tal cambio en nuestra imagen del universo que yo sentí que todos debemos ser más seguro que otras posibles causas de los efectos observados por los equipos se puede descartar definitivamente antes de que todos subido al carro de la constante cosmológica. Como le dije a menos un periodista de la época, "La primera vez que yo no 't creen en un constante cosmológica era cuando los observadores afirmaron descubrir ella. " Mi reacción un tanto jocoso puede parecer extraño, dado que había sido la promoción de la posibilidad de una forma u otra para
tal vez una década. Como teórico, siento que la especulación está muy bien, especialmente si promueve nuevas vías de experimento. Pero yo creer en ser lo más conservador posible al examinar reales datos, tal vez porque me alcanzó la madurez científica durante un período cuando tantas demandas nuevas y emocionantes pero tentativos en mi propio campo de la física de partículas resultó ser falsa. Descubrimientos que van desde una nueva quinta fuerza se reivindica en la naturaleza para el descubrimiento de nuevas partículas elementales a la supuesta observación de que nuestro universo está rotando en su conjunto han ido y venido con mucha alboroto. La mayor preocupación en el momento en relación con el alegado descubrimiento de un universo en aceleración era que las supernovas distantes puede aparecer más tenue de lo que podrían esperar que sean, no a causa de una expansión acelerada, pero el mero hecho de o bien (a) son dimmer, o (b) tal vez algunos intergaláctico o galáctico polvo presente en los primeros tiempos las oscurece parcialmente. En la década transcurrida, no obstante, ha resultado que la pruebas para la aceleración se ha convertido en abrumadora, casi intachable. En primer lugar, muchas más supernovas de alto desplazamiento al rojo tienen ha medido. De estos, un análisis combinado de la supernovas de los dos grupos realizados dentro de un año del original publicación arrojó el siguiente diagrama:
Como guía para el ojo, para ayudarte a ver si la distancia contra-redshift curva se inclina hacia arriba o hacia abajo, los observadores han trazado una línea recta de puntos en la mitad superior de la parcela de la parte inferior izquierda a la esquina superior derecha que pasa por los datos que representan las supernovas cercanas. La pendiente de esta línea nos dice la tasa de hoy expansión. Luego, en la mitad inferior de la figura se han hecho que la misma línea recta horizontal, para guiar el ojo. Si el universo se desacelera, como se había previsto en 1 998, la supernovas distantes en un corrimiento al rojo (z)cerca de 1caería por debajo de la línea recta. Pero como se puede ver, la mayoría de ellos caen por encima de la línea recta. Esto es debido a cualquiera de dos razones:
1. los datos son erróneos, o 2. la expansión del universo es acelerar. Si tomamos, por el momento, la segunda alternativa y preguntar, "¿Cuánta energía tendríamos que poner en el espacio vacío con el fin para producir la aceleración observada? ", la respuesta nos encontramos con es notable. La curva sólida, que se ajusta mejor los datos, corresponde a un universo plano, con 30 por ciento de la energía en materia y 70 por ciento en el espacio vacío. Esto es, notablemente, precisamente lo que se necesita para hacer un universo plano consistente con el hecho de que sólo 30 por ciento de la masa requerida existe en y alrededor de las galaxias y cúmulos. Una aparente concordancia se ha logrado. Sin embargo, debido a que la afirmación de que 99 por ciento del universo es invisible (1 materia visible ciento incrustado en un mar de oscuridad materia rodeado por la energía en el espacio vacío)encaja en la categoría de una afirmación extraordinaria, que debería considerar seriamente el primero de las dos posibilidades que menciono arriba: a saber, que los datos son mal. En la década transcurrida, todo el resto de los datos de cosmología ha seguido para solidificar la concordancia en general imagen de un universo disparatada, plano en el que la dominante energía reside en el espacio vacío y en el que todo lo que se puede ver representa menos del 1por ciento de la energía total, con la materia que podemos 't ver que está compuesto principalmente de algunos todavía desconocidos, nuevo tipo de partículas elementales. En primer lugar, los nuevos datos sobre la evolución estelar han mejorado como nuevo satélites nos han proporcionado información sobre el elemental abundancias en estrellas viejas. El uso de estos, mi colega y Chaboyer Yo pudimos, en 2005, para demostrar definitivamente que el incertidumbres en las estimaciones de la edad del universo utilizando estos datos eran ahora lo suficientemente pequeños como para descartar vidas más jóvenes de aproximadamente el 1 1 mil millones de años. Este era incompatible con cualquier universo en el que el espacio vacío en sí contenía una significativa cantidad de energía. Una vez más, ya que no estamos seguros de que esta energía se debe a una constante cosmológica, ahora va por el simple nombrar "energía oscura", en analogía con el apodo de "materia oscura" que domina las galaxias.
Esta estimación de la edad de nuestro universo se mejoró enormemente en aproximadamente 2006 cuando las nuevas medidas de precisión de lo cósmico fondo de microondas utilizando el satélite WMAP permitido observadores para medir con precisión el tiempo transcurrido desde el Big Bang. Nosotros ahora conocer la edad del universo a cuatro cifras significativas. Es 1 3. 72 mil millones de años de edad! Nunca me hubiera imaginado que, en mi vida, lo haríamos obtener dicha precisión. Pero ahora que lo tenemos, podemos confirmar que no hay manera de que un universo con la expansión medido tasa de hoy podría ser este viejo sin energía oscura, y, en particular, la energía oscura que se comporta esencialmente como la energía representada por una constante cosmológica se comportaría. En otras palabras, es energía que parece permanecer constante en el tiempo. En el próximo gran avance científico, los observadores pudieron medir con precisión la forma en la materia, en la forma de las galaxias, tiene agrupados en el tiempo cósmico. El resultado depende de la tasa de expansión del universo, como la fuerza atractiva que tira galaxias juntas tiene que competir con la expansión cósmica conducir la materia aparte. Cuanto mayor sea el valor de la energía de vacío espacio, más pronto llegará a dominar la energía de la universo, y cuanto antes la tasa de expansión creciente voluntad finalmente, detener el colapso gravitacional de la materia en cada vez más grande escalas. Mediante la medición de la agrupación gravitacional, por lo tanto, los observadores tienen Ha sido capaz de confirmar, una vez más, que el único universo plano que es coherente con la estructura observada a gran escala en el universo es uno con aproximadamente 70 por ciento de energía oscura y, una vez más, que la energía oscura se comporta más o menos como la energía representada por una constante cosmológica. Independiente de estas sondas indirectas de la historia de la expansión el universo, los observadores de supernovas han hecho extensas pruebas de posibilidades que podrían inducir a errores sistemáticos en su análisis, incluyendo la posibilidad de un aumento de polvo a grandes distancias que hacer supernovas parecen más tenue, y ellos descartaron una por una. Una de sus pruebas más importantes involucrados en busca de nuevo en tiempo. A principios de la historia del universo, cuando lo que hoy es nuestra Actualmente región observable era mucho más pequeño en tamaño, la densidad
de la materia era mucho mayor. Sin embargo, la densidad de energía de espacio vacío sigue siendo la misma con el tiempo si refleja una constante cosmológica o algo por el estilo. Así, cuando el universo tenía menos de la mitad de su tamaño actual, la energía densidad de la materia habría superado la densidad de energía de espacio vacío. Por todo momento antes de este asunto del tiempo, y no está vacío espacio, habría producido la fuerza gravitacional dominante que actúa sobre la expansión. Como resultado, el universo habría sido desacelerando. En la mecánica clásica hay un nombre para el punto en el que un sistema cambia su aceleración y, en particular, va desde decelerar a acelerar. Se llama "imbécil". En 2003, YO organizó una conferencia en mi universidad para examinar el futuro de cosmología y la invitó a una de las encuesta de alta Z Supernova miembros, Adam Riess, que me había dicho que tendrían algo emocionante que informe en la reunión. Él lo hizo. Al día siguiente, la New York Times, que se informa sobre la reunión, corrió un foto de Adam acompañado por el titular "Jerk Cósmica Descubierto. "Yo he guardado esa foto y tum a él para la diversión de vez en cuando. El mapeo detallado de la historia de la expansión del universo, demostrando que pasó de un período de desaceleración a aceleración, peso añadido sustancial para la afirmación de que la observaciones originales, lo que implicaba la existencia de la energía oscura, eran de hecho correcta. Con todas las demás pruebas disponibles actualmente, es muy difícil imaginar que, al adherirse a esta imagen, de alguna manera estamos siendo conducidos en una cósmica búsqueda inútil. Guste o no, la energía oscura parece llegó para quedarse, o al menos para quedarse hasta que cambios de alguna manera. El origen y la naturaleza de la energía oscura es sin duda la misterio más grande en física fundamental hoy en día. No tenemos ningún profunda comprensión de cómo se origina y por qué se necesita el valor que tiene. Por lo tanto, no tenemos ni idea de por qué se ha comenzado a dominar la expansión del universo y hace relativamente poco tiempo, en el pasado 5mil millones de años más o menos, o si es un completo accidente. Ella es natural para sospechar que su naturaleza está ligada de alguna manera básica de la origen del universo. Y todas las señales indican que determinará el futuro del universo también.
CAPÍTULO 6
LA ALMUERZO GRATIS AL FIN DEL UNIVERSO
El espacio es grande. Reall grande. Acaba de ganar 't creen Sacro enormemente, hugel alucinantemente grande que es. Quiero decir, usted mayy, pensar que es mucho sa en el camino a la farmacia 's, pero que 'cacahuetes a espacio sjust. -Douglas ADAMS,
The Hitchhiker 's Guía de la Galaxia
Uno de cada dos isn 't mal, supongo. Nosotros, los cosmólogos tenían adivinado, correctamente se vio después, que el universo es plano, por lo que t weren 'que avergonzado por la sorprendente revelación de que vacía espacio de hecho tiene la energía y la energía suficiente, de hecho, a dominar la expansión del universo. La existencia de esta energía era inverosímil, pero aún más inverosímil es que la energía no es suficiente para que el universo inhabitable. Porque si la energía de espacio vacío era tan grande como la estimaciones a priori que describí anterior sugiere que debería ser, la tasa de expansión habría sido tan grande que todo lo que ahora vemos en el universo rápidamente se han impulsado más allá del horizonte. El universo haría convertido en frío, oscuro y vacío antes de estrellas, nuestro Sol y nuestra Tierra pudo haberse formado. De todas las razones para suponer que el universo era plana, tal vez el más simple de entender surgió del hecho de que el universo había sido bien conocido por ser casi plana. Incluso en los primeros días, antes del descubrimiento de la materia oscura, la cantidad conocida de visible materiales en y alrededor de las galaxias representó quizás 1por ciento de la cantidad total de materia necesaria para resultar en un universo plano.
Ahora, un 1 por ciento puede no parecer mucho, pero nuestro universo es muy antigua, miles de millones de años de antigüedad. Suponiendo que el gravitacional efectos de la materia o radiación dominan la expansión en evolución, que es lo que los físicos siempre pensaban que era el caso, entonces si el universo no es precisamente plana, ya que se expande, se mueve más y más lejos de ser plana. Si está abierto, la tasa de expansión continúa a un ritmo más rápido de lo se tratara de un universo plano, la conducción importa más lejos y más lejos en comparación con lo que sería de otra manera, lo que reduce su densidad neta y cediendo muy rápidamente una infinitesimalmente pequeña fracción de la densidad requerida para resultar en un universo plano. Si está cerrado, entonces se ralentiza la expansión hacia abajo más rápido y finalmente hace que colapsar. Todo el tiempo, la densidad primero disminuye a un ritmo más lento que para un universo plano, y luego como el recollapses universo, comienza a aumentar. Una vez más, la salida de la densidad esperada para un piso aumentos universo con el tiempo. El universo ha aumentado en tamaño por un factor de casi una billones, ya que fue de 1 segundo de edad. Si, en ese momento, antes, la densidad del universo no era casi exactamente que esperar de un universo plano pero era, por ejemplo, sólo 1 0 por ciento de esa apropiado para una universo plano en el momento, entonces hoy la densidad de nuestro universo sería diferente de la de un universo plano por al menos un factor de una billones de dólares. Esto es mucho mayor que el mero factor de 1 00 que era conocido para separar la densidad de la materia visible en el universo de la densidad de lo que produciría un universo plano hoy. Este problema era bien conocido, incluso en los años 970 1, y que se conoce como el problema de planitud. Teniendo en cuenta la geometría del universo es como imaginar un lápiz verticalmente en equilibrio su punto sobre una mesa. El más mínimo desequilibrio de una manera u otra y será derrocar rápidamente. Por lo que es para un universo plano. El más mínimo desviación de planitud crece rápidamente. Por lo tanto, ¿cómo podría el universo sea tan cerca de ser plana hoy si no fuera exactl plana?y La respuesta es simple: debe ser esencialmente plana hoy! Esa respuesta no es en realidad tan simple, ya que plantea la pregunta, ¿Cómo condiciones iniciales conspiran para producir un piso universo?
Hay dos respuestas a esta segunda pregunta, más difícil. La primera se remonta a 1 98 1, cuando un joven físico teórico y el investigador postdoctoral en la Universidad de Stanford, Alan Guth, Estaba pensando en el problema de planitud y otros dos relacionados problemas con la imagen estándar del Big Bang del universo: el el llamado Horizonte problema y el problema Monopole. Sólo el primero nos conciernen aquí, ya que el problema Monopole meramente exacerba tanto la planitud y problemas Horizon. The Horizon problema se relaciona con el hecho de que el cósmica la radiación de fondo de microondas es muy uniforme. La pequeña desviaciones de la temperatura, que he descrito anteriormente, representado variaciones de densidad en la materia y la radiación de fondo cuando el Universo estaba a unos cientos de mil años de antigüedad, de menos de 1en parte 1 0, 000 en comparación con el de otra manera uniforme densidad de fondo y la temperatura. Así que mientras yo estaba concentrado en las pequeñas desviaciones, una pregunta más urgente era más profunda, ¿Cómo surgió el universo llegar a ser tan uniforme en el primer lugar? Después de todo, si en lugar de la imagen anterior de la CMBR (donde las variaciones de temperatura de unas pocas partes en 1 00000 se reflejan en diferentes colores), que mostraron un mapa de temperatura del horno de microondas cielo en una escala lineal (con variaciones en tonos que representa variaciones en la temperatura, de, por ejemplo, ± 0,03 grado [Kelvin] sobre la temperatura de fondo de cerca de media 2.72 grados por encima de cero absoluto, o una variación de 1en parte 1 00 alrededor de la media), el mapa se vería así:
Comparar esta imagen, que no contiene nada discernible en el forma de la estructura, a una proyección similar de la superficie de la Tierra, con sólo ligeramente mayor sensibilidad, con variaciones de color que representa las variaciones sobre el radio medio en alrededor 1en parte 500 o así:
?
El universo es, por lo tanto, a grandes escalas, increíblemente uniforme! ¿Cómo puede ser esto? Bueno, uno puede simplemente asumir que, en los primeros tiempos, el universo primitivo estaba caliente, denso, y en térmica equilibrio. Esto significa que cualquier puntos calientes se han enfriado, y los puntos fríos habrían calentado hasta que la sopa primordial llegado a la misma temperatura en todo. Sin embargo, como he señalado antes, cuando el universo tenía unos pocos cien mil años de edad, la luz podría haber viajado sólo unos pocos cientos de miles de años luz, lo que representa un pequeño porcentaje de lo que ahora es el universo total de observable (esta antigua distancia representaría meramente un ángulo de unos 1grado en el mapa de la completa fondo cósmico de microondas última dispersión superficie como se observa en la actualidad). Desde Einstein nos dice que no información puede propagarse más rápido que la luz, en el estándar del Big Foto Bang, simplemente no hay manera de que una parte de lo que hoy es el universo observable en ese momento habría sido afectada por la existencia y la temperatura de otras partes en escalas angulares de mayor que aproximadamente 1grado. Por lo tanto, no hay forma de que el gas de estas escalas podrían haber thermalized en el tiempo para producir tal temperatura uniforme en todo!
Guth, un físico de partículas, estaba pensando acerca de los procesos que podría haber ocurrido en el universo temprano que podría haber sido relevante para la comprensión de este problema cuando se le ocurrió una absolutamente brillante realización. Si, como el universo se enfrió, se se sometió a algún tipo de fase de transición, como ocurre, por ejemplo, cuando el agua se congela o una barra de hierro se magnetiza como se enfría, entonces no sólo se podría resolver el problema del horizonte, pero también el problema de planitud (y, para el caso, el Monopole Problema). Si te gusta beber cerveza muy fría, es posible que haya tenido la siguiente experiencia: se toma una botella de cerveza fría de la refrigerador, y cuando se abre y libera la presión en el interior el contenedor, de repente la cerveza se congela por completo, durante el cual incluso podría agrietarse parte de la botella. Esto sucede porque, en alta presión, el estado de energía más bajo preferida de la cerveza es en forma líquida, mientras que una vez que ha sido liberado de la presión, la preferido estado de energía más bajo de la cerveza es el estado sólido. Durante la transición de fase, la energía puede ser liberada debido a la más baja estado de energía en una fase puede tener una energía más baja que la más baja estado de energía en la otra fase. Cuando se libera como energía, es denominado "calor latente". Guth se dio cuenta de que, como el propio universo se enfrió con el Big Expansión Bang, la configuración de la materia y la radiación en el universo en expansión podría haber conseguido "atascado" en alguna meta estado estable por un tiempo hasta que, en última instancia, como el universo se enfrió además, esta configuración de repente sufrió una fase transición al estado fundamental energéticamente preferido de la materia y radiación. La energía almacenada en la configuración de "falso vacío" del universo antes de la transición de fase-completado el "latente calor "del universo, si se-puede afectar dramáticamente la expansión del universo durante el período anterior a la transición. La energía del vacío falsa se comportaría igual que representada por una constante cosmológica porque actuaría como una energía que impregna el espacio vacío. Esto haría que el expansión del universo en el momento de acelerar cada vez más rápido y más rápido. Finalmente, ¿qué sería de nuestro universo observable comenzaría a crecer más rápido que la velocidad de la luz. Esto está permitido en la relatividad general, a pesar de que parece violar Einstein 's
la relatividad especial, que dice que nada puede viajar más rápido que la velocidad de la luz. Pero uno tiene que ser como un abogado y analizar esta una poco más de cuidado. La relatividad especial dice que nada puede viajar a través del espacio más rápido que la velocidad de la luz. Pero espacio en sí mismo lata hacer lo que diablos quiere, al menos en la relatividad general. Y como el espacio se expande, puede llevar a los objetos distantes, que son en reposo en el espacio donde están sentados, separados unos de otros en velocidades superlumínicas. Resulta que el universo podría haber ampliado durante este período de inflación por un factor de más de 1 028. Si bien este es un cantidad increíble, increíblemente podría haber ocurrido en una fracción de un segundo en el universo primitivo. En este caso, todo dentro de todo nuestro universo observable fue una vez, antes de la inflación sucedido, contenida en una región mucho más pequeña de lo que lo haría han rastreado hasta si la inflación no había sucedido, y la mayoría importante tan pequeño que no habría habido entonces el tiempo, lo suficiente para toda la región de termalizar y alcanzar exactamente el mismo la temperatura. La inflación hizo otra predicción relativamente genérica posible. Cuando un globo hace mamar por más y más grande, la curvatura en su superficie se hace más pequeña. Algo similar sucede para un universo cuyo tamaño se expande de manera exponencial, como puede ocurrir durante la inflación impulsada por un falso vacío constante y grande energía. De hecho, por los extremos de inflación tiempo (la solución del Horizonte Problema), la curvatura del universo (si es distinto de cero para comenzar con) consigue conducido a un valor pequeño absurdamente para que, aún hoy, el universo parece esencialmente plana cuando se mide con precisión. La inflación es la única explicación viable actualmente, tanto de la la homogeneidad y la planitud del universo, sobre la base de lo que podría ser teorías microscópicas fundamentales y calculables de partículas y sus interacciones. Pero más que esto, la inflación hace otra, quizás predicción aún más notable posible. Como tengo ya se ha descrito, las leyes de la mecánica cuántica implican que, con escalas muy pequeñas, por tiempos muy cortos, el espacio vacío puede parecer que ser un punto de ebullición, burbujeante brebaje de partículas virtuales y campos salvajemente fluctuante en magnitud. Estos "fluctuaciones cuánticas" pueden ser importante para determinar el carácter de los protones y los átomos, pero
generalmente son invisibles a escalas mayores, que es una de las razones por las que aparecen de manera natural para nosotros. Sin embargo, durante la inflación, estas fluctuaciones cuánticas pueden determinar cuando lo que de otro modo sería diferentes pequeñas regiones de espacio de terminar su período de expansión exponencial. Como diferente regiones dejen de inflar ligeramente (microscópicamente) diferentes momentos, la densidad de la materia y la radiación que se produce cuando la falsa energía del vacío se libera en forma de calor en estos diferentes regiones es ligeramente diferente en cada uno. El patrón de las fluctuaciones de densidad que resultan después de la inflación su procedencia, he de destacar, de las fluctuaciones cuánticas en convierte el espacio de salida por lo demás vacío a ser precisamente de acuerdo con el patrón observado de puntos fríos y puntos calientes en grande escalas en la radiación del fondo cósmico de microondas. Mientras la consistencia no es una prueba, por supuesto, es una vista en aumento entre los cosmólogos que, una vez más, si camina como un pato y se ve como un pato y grazna como un pato, es probable que sea un pato. Y si la inflación de hecho es responsable de todas las pequeñas fluctuaciones en la densidad de la materia y la radiación que más tarde dar lugar a la colapso gravitacional de la materia en las galaxias y las estrellas y los planetas y la gente, entonces pueden ser verdaderamente dijeron que todos estamos aquí hoy debido a las fluctuaciones cuánticas en lo que es esencialmente nada. Esto es tan notable que quiero subrayar de nuevo. Cuántico fluctuaciones, que de otro modo habrían sido completamente invisible, se congelan por la inflación y emerger después como la densidad fluctuaciones que producen todo lo que podemos ver! Si todos somos polvo de estrellas, como he escrito, también es cierto, si la inflación pasó, que todos, literalmente, surgido de la nada cuántica.
Esto es tan sorprendentemente no intuitivo que puede parecer casi mágico. Pero hay al menos un aspecto de todo esto inflación prestidigitación que podría parecer particularmente preocupante. Donde no toda la energía proviene en primer lugar? ¿Cómo puede un microscópicamente pequeña región terminan como una región-universo de tamaño hoy con suficiente materia y la radiación dentro de ella para tener en cuenta todo lo que podemos ver? De manera más general, podríamos hacer la pregunta, ¿Cómo es que la densidad de energía puede permanecer constante en un universo en expansión
con una constante cosmológica, o energía del vacío falso? Después de todo, en tal universo, el espacio se expande de manera exponencial, por lo que si el densidad de energía sigue siendo el mismo, la energía total dentro de cualquier región crecerá a medida que el volumen de la región crece. Qué pasó con la conservación de la energía? Este es un ejemplo de algo que Guth acuñado como la último "almuerzo gratis". Incluyendo los efectos de la gravedad en el pensamiento sobre el universo permite que los objetos tienen, sorprendentemente - "Negativo", así como la energía "positiva". Esta faceta de la gravedad permite la posibilidad de que la materia de energía positiva, la materia y como radiación, se puede complementar con las configuraciones de energía negativa que justo equilibrio de la energía de la materia creada energía positiva. En Al hacerlo, la gravedad puede comenzar con un universo-y vacío final con un uno lleno. Esto también puede sonar tipo de pescado, pero en realidad es una parte central de lo real fascinación que muchos de nosotros tenemos con un universo plano. Ella también es algo que usted podría estar familiarizado con de alta la física de la escuela. Considere la posibilidad de lanzar una pelota en el aire. En general, vendrá marcha atrás. Ahora lanzan más difícil (suponiendo que no se encuentre bajo techo). Viajará superior y permanecer en el aire más tiempo antes de volver. Finalmente, si lo tiras lo suficientemente duro, no va a venir abajo en absoluto. Va a escapar de la Tierra 's campo gravitatorio y seguir la partida en el cosmos. ¿Cómo sabemos cuando la pelota va a escapar? Utilizamos una sencilla materia de contabilidad energética. Un objeto que se mueve en el gravitatoria campo de la Tierra tiene dos tipos de energía. Uno, la energía de movimiento, se llama energ cinética de la palabra griega para el movimiento.y, Esta energía, que depende de la velocidad del objeto, es siempre positivo. El otro componente de la energía, llamada potencial energ (Relacionado con el potencial para realizar trabajo), es generalmentey negativo. Este es el caso porque se define la energía gravitacional total de de un objeto situado en reposo infinitamente lejos de cualquier otro objeto como cero, lo que parece razonable. La energía cinética es claramente cero, y definimos la energía potencial como cero en este punto, por lo que la energía gravitacional total es cero.
Ahora, si el objeto no es infinitamente lejos de todos los demás objetos pero está cerca de un objeto, como la Tierra, que comenzarán a caer hacia ella debido a la atracción gravitacional. A medida que cae, se acelera, y si huele a algo en el camino (por ejemplo, su cabeza), que puede hacer el trabajo de, digamos, la división abierta. Cuanto más cerca esté de la superficie de la Tierra 's cuando se deja ir, menos trabajo que puede hacer por el vez que golpea la Tierra. Así, la energía potencial disminuye a medida que se más cerca de la Tierra. Pero si la energía potencial es cero cuando es infinitamente lejos de la Tierra, tiene que conseguir más y más negativo cuanto más se acerque a la Tierra debido a su potencial para hacer trabajo disminuye cuanto más se acerque. En la mecánica clásica, como la he definido aquí, la definición de energía potencial es arbitraria. Yo podría haber establecido la energía potencial de un objeto como cero en la superficie de la Tierra 's, y entonces sería algún número grande cuando el objeto es infinitamente lejos. Ajuste la energía total a cero en el infinito tiene sentido físico, pero es, al menos en este punto de la discusión, más que una convención. Independientemente de donde uno pone el punto de energía potencial cero, lo maravilloso de los objetos que están sujetos únicamente a la fuerza de la gravedad es que el suma de su energía potencial y cinética sigue siendo una constante. Como los objetos caen, la energía potencial se convierte a la energía cinética del movimiento, y al rebotar copia de seguridad fuera el suelo, la energía cinética se convierte de nuevo a potencial, y por lo tanto en. Esto nos permite una herramienta maravillosa de contabilidad para determinar cómo un rápido tiene que tirar algo en el aire con el fin de escapar la Tierra, ya que si finalmente es alcanzar infinitamente lejos de la Tierra, su energía total debe ser mayor que o igual a cero. YO entonces simplemente tiene que asegurarse de que su energía gravitacional total al momento en que sale la mano es mayor que o igual a cero. Desde que puedo sólo uno de los aspectos de control de su energía total, a saber la velocidad con la que deja mi mano todo lo que tengo que hacer es encontrar la velocidad de la magia donde la energía cinética positiva de la pelota es igual a la negativa la energía potencial que tiene debido a la atracción en la superficie de la Tierra s. Tanto la energía cinética y la energía potencial de la pelota dependerá precisamente de la misma manera en la masa de la pelota, lo que por lo tanto, anula cuando se equiparan estas dos cantidades, y uno encuentra un solo "velocidad de escape" para todos los objetos de la
Superficie de la Tierra 's, es decir, sobre 7millas por segundo, cuando el total energía gravitacional del objeto es exactamente cero. ¿Qué tiene todo esto que ver con el universo en general, y la inflación, en particular, usted puede pedir? Bueno, la misma exacta cálculo que se acaba de describir por una pelota que vomito de mi mano en la superficie de la Tierra 's se aplica a todos los objetos de nuestra universo en expansión. Considere una región esférica de nuestro universo centrado en nuestra ubicación (en la galaxia de la Vía Láctea) y lo suficientemente grande para abarcar una gran cantidad de galaxias pero lo suficientemente pequeño para que sea así dentro de las distancias más grandes que podemos observar hoy en día:
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Si la región es lo suficientemente grande, pero no demasiado grande, entonces las galaxias en el borde de la región se aleja de nosotros debido uniformemente a la expansión Hubble, pero sus velocidades serán mucho menor que la velocidad de la luz. En este caso, las leyes de Newton aplicar, y nosotros sí ignorar los efectos de la relatividad especial y general. En otras palabras, cada objeto se rige por la física que es idéntica a la que
describe las bolas que acabo de imaginarios tratando de expulsar de la Tierra. Considere la galaxia se muestra arriba, alejándose de la centro de la distribución, como se muestra. Ahora, al igual que para la bola de la Tierra, podemos preguntar si la galaxia será capaz de escapar de la fuerza de gravedad de todas las otras galaxias dentro de la esfera. Y el cálculo que realizaría para determinar la respuesta es precisamente el mismo que el cálculo se realizó para la pelota. Simplemente calculamos la energía gravitacional total de la galaxia, basado en su movimiento hacia afuera (dándole energía positiva), y la atracción gravitatoria de sus vecinos (que proporciona un negativo pieza de energía). Si su energía total es mayor que cero, se escapa hasta el infinito, y si es menor que cero, se detendrá y caer hacia el interior. Ahora, sorprendentemente, es posible demostrar que podemos reescribir la sencilla ecuación newtoniana para la energía gravitatoria total de esta galaxia en una forma que reproduce exactl Ecuación de Einstein 'sy de la relatividad general de un universo en expansión. Y el término que corresponde a la energía gravitacional total de la galaxia se convierte, en la relatividad general, el término que describe la curvatura del universo. ¿Qué hacemos entonces encontramos? En un universo plano, y onl en un pisoy universo, la energía gravitacional newtoniana total medio de cada objeto que se mueve con la expansión es precisel cero! y Esto es lo que hace que un universo plano tan especial. En tal universo la energía positiva del movimiento se cancela exactamente por la negativa la energía de la atracción gravitatoria. Cuando empezamos a complicar las cosas al permitir vacía espacio para tener la energía, la analogía newtoniano simple a un balón ser lanzado en el aire se convierte en incorrecta, pero la conclusión sigue siendo esencialmente la misma. En un universo plano, incluso uno con un pequeña constante cosmológica, siempre y cuando la escala es lo suficientemente pequeño que las velocidades son mucho menor que la velocidad de la luz, la Energía gravitacional newtoniana asociado con cada obj ect en el universo es cero. De hecho, con una energía de vacío, Guth 's "almuerzo gratis" se convierte en aún más dramática. A medida que cada región del universo se expande a tamaño cada vez mayor, se vuelve cada vez más cerca de ser plana, de modo que la energía gravitacional newtoniana total de todo lo que da como resultado
después de la energía del vacío durante la inflación se convierte en la materia y la radiación se convierte precisamente cero. Pero todavía se puede preguntar: ¿De dónde viene toda la energía proviene de mantener la densidad de energía constante durante la inflación, cuando el universo se está expandiendo exponencialmente? Aquí, otra notable aspecto de la relatividad general hace el truco. No sólo puede el energía gravitatoria de los objetos sea negativo, pero su relativista "Presión" puede ser negativo. La presión negativa es aún más difícil de imaginar que negativo energía. Gas, digamos en un globo, ejerce presión sobre las paredes de la globo. De este modo, si se expande las paredes del globo, lo hace trabajar en el globo. El trabajo que realiza hace que el gas que perder energía y fresco. Sin embargo, resulta que la energía del vacío espacio es gravitatoriamente repulsiva precisamente porque causa espacio vacío para tener una presión "negativa". Como resultado de esta presión negativa, el universo realmente funciona en espacio vacío medida que se expande. Este trabajo va a mantener constante densidad de energía del espacio, incluso cuando el universo se expande. Por lo tanto, si las propiedades cuánticas de la materia y la radiación terminan dotándola incluso un infinitesimalmente pequeña región del espacio vacío con la energía en los primeros tiempos, esta región puede llegar a ser arbitrariamente grande y arbitrariamente plana. Cuando la inflación es más, uno puede terminar con un universo lleno de cosas (la materia y la radiación), y la energía gravitacional newtoniana total de esas cosas será como más cerca que uno puede imaginar a cero. Así que cuando se liquida todo el polvo, y después de un siglo de intentos, nos han medido la curvatura del universo y nos pareció que ser cero. Usted puede entender por qué tantos teóricos como yo tienen encontrado este no sólo es muy satisfactorio, pero también muy sugerente. Un universo de la nada. . . en efecto.
CAPÍTULO 7
NUESTRO FUTURO MISERABLE
El futuro ain 't lo que solía ser. -Yogi BERRA
En cierto sentido, es a la vez notable y emocionante encontrarnos en un universo dominado por nada. Las estructuras que podemos ver, como estrellas y galaxias, fueron todos creados por las fluctuaciones cuánticas de nada. Y la energía gravitatoria total medio newtoniana de cada objeto en nuestro universo es igual a nada. Disfrute del pensamiento mientras que usted puede, si así lo quieren, porque, si todo esto es cierto, vivir en quizás el peor de todos los universos se puede vivir en, al menos, por lo que el futuro de la vida se refiere. Recuerdo que hace apenas un siglo, Einstein fue el primero el desarrollo de su teoría general de la relatividad. La sabiduría convencional entonces sostuvo que nuestro universo era estático y eterno. De hecho, Einstein no sólo ridiculizado Lemaitre por sugerir un Big Bang, sino también inventado la constante cosmológica para el propósito de permitir una universo estático. Ahora, un siglo más tarde, los científicos pueden sentir presumida por tener descubierto la expansión subyacente del universo, lo cósmico de fondo de microondas, la materia oscura y la energía oscura. Pero lo que nos deparará el futuro? Poesía. . . de una especie. Recordemos que la dominación de la expansión de nuestro universo la energía del espacio aparentemente vacío se infiere del hecho que esta expansión se está acelerando. Y, al igual que con la inflación,
descrito en el capítulo anterior, nuestro universo observable está en el umbral de expansión más rápida que la velocidad de la luz. Y con tiempo, debido a la expansión acelerada, las cosas sólo llegar peor. Esto significa que, cuanto más esperemos, menos podrán ver. Las galaxias que ahora podemos ver algún día en el futuro ser retroceso de distancia de nosotros a más rápido que la velocidad de la luz, lo que significa que se conviertan en invisibles para nosotros. La luz que emiten no lo hará ser capaz de avanzar contra la expansión del espacio, y nunca más alcanzarnos. Estas galaxias habrán desaparecido de nuestro horizonte. La forma en que esto funciona es un poco diferente de lo que imaginas. Las galaxias no desaparecen repentinamente o brillan de existencia en el cielo nocturno. Más bien, como su velocidad de recesión se aproxima a la velocidad de la luz, la luz de estos objetos se cada vez más desplazado hacia el rojo. Eventualmente, todos sus luz visible se desplaza a infrarrojos, microondas, ondas de radio, y así sucesivamente, hasta que la longitud de onda de luz que emiten termina por convertirse en más grande que el tamaño de la universo visible, momento en el que se convirtió oficialmente invisible. Podemos calcular aproximadamente cuánto tiempo tomará. Desde el galaxias en nuestro grupo local de galaxias están todos unidos por su atracción gravitacional mutua, que no se retirarán con la expansión fondo del universo descubierto por Hubble. Galaxias a las afueras de nuestro grupo son aproximadamente 1 / 5000a la distancia hasta el punto en que la velocidad de recesión de los objetos se acerca la velocidad de la luz. Les tomará unos 1 50 millones de años, aproximadamente 1 0 veces la edad actual del universo, al llegar allí, a la que apuntar toda la luz de las estrellas dentro de las galaxias tendrán desplazado hacia el rojo en un factor de aproximadamente 5, 000. Por sobre 2billón de años, su luz se habrá desplazado hacia el rojo por una cantidad que hará que su longitud de onda igual al tamaño del universo visible, y el resto de el universo, literalmente, han desaparecido. Dos billones de años pueden parecer mucho tiempo, y es. En una sentido cósmico, sin embargo, no es en absoluto una eternidad. La estrellas "secuencia principal" más longevos (que tienen la misma historia evolutiva como nuestro Sol) tienen una vida útil mucho más larga que nuestra Sol y seguirá brillando en 2billón de años (como nuestro propio Sun desaparece en unos sólo 5000 millones años). Y así, en el futuro lejano
puede haber civilizaciones de planetas alrededor de esas estrellas, con alimentación por la energía solar, con agua y materiales orgánicos. Y es posible ser astrónomos con telescopios en esos planetas. Pero cuando mirar hacia fuera en el cosmos, en esencia todo lo que ahora se puede ver, todo 400 miles de millones de galaxias que habita actualmente nuestro universo visible, se han desaparecido! He tratado de utilizar este argumento con el Congreso para instar al financiación de la cosmología ahora, mientras todavía tenemos tiempo para observar todo que se puede! Para un congresista, sin embargo, dos años es mucho tiempo. Dos billones es impensable. En cualquier caso, esos astrónomos en el futuro lejano serían por una gran sorpresa, si tenían alguna idea de lo que se estaban perdiendo, que ganaron 't. Porque no sólo el resto del universo tienen desaparecido, como mi colega Robert Scherrer de Vanderbilt y yo reconocido hace unos años, pero esencialmente toda la evidencia de que ahora nos dice que vivimos en un universo en expansión que comenzó en un Big Bang también han desaparecido, junto con todas las pruebas de la existencia de la energía oscura en el espacio vacío que será responsable de esta desaparición. Mientras que menos de un siglo la sabiduría convencional aún sostenía que el universo era estático y eterno, con estrellas y planetas ir y venir, pero en sus escalas más grandes del universo mismo perdurable, en el futuro lejano, mucho después de que los restos de nuestro planeta y la civilización han probable retrocedido en el basurero de la historia, la ilusión que sustentaba nuestra civilización hasta 1 930 será una ilusión que una vez más volver, con una venganza. Hay tres principales pilares de observación que han llevado a la la validación empírica del Big Bang, por lo que, incluso si Einstein y Lemaitre nunca había vivido, el reconocimiento de que comenzó el universo en un estado denso y caliente que se han visto obligados a nosotros: la expansión Hubble observado; la observación de lo cósmico fondo de microondas; y el acuerdo observado entre el abundancia de elementos de hidrógeno de luz, helio y litio-nos han medido en el universo con las cantidades predice que tienen han producido durante los primeros minutos de la historia de la universo. Vamos s comenzar con la expansión de Hubble. ¿Cómo sabemos que la universo se expande? Medimos la velocidad de recesión de
los objetos distantes como una función de su distancia. Sin embargo, una vez que todos objetos visibles fuera de nuestro clúster local (en los que estamos unidas gravitacionalmente) han desaparecido de nuestro horizonte, ya no será ningún trazadores de la expansión-no hay estrellas, galaxias, cuásares, o incluso grandes nubes de gas-que los observadores podrían pista. La expansión será tan eficiente que se han eliminado todos los objetos de nuestra vista que en realidad están alejándose de nosotros. Por otra parte, en un plazo de menos de un billón de años más o menos, todo las galaxias en nuestro grupo local se han unido en algunos grandes meta-galaxia. Los observadores en el futuro lejano verán más o menos precisamente lo que los observadores en 1 9 1 5 pensado que vieron: un solo galaxia que alberga su estrella y su planeta, rodeado de un de lo contrario vasto, espacio estático vacía. Recordemos también que todas las pruebas que el espacio vacío tiene energía viene de la observación de la tasa de aceleración de nuestro universo en expansión. Pero, una vez más, sin trazadores de la expansión, la aceleración de nuestro universo en expansión será inobservable. De hecho, en una extraña coincidencia, estamos viviendo en la única etapa en la historia de el universo cuando la presencia de la energía oscura que impregna es probable que sea detectable espacio vacío. Es cierto que esta era es varios billones de largos años, pero en una eternamente expansión universo que representa el mero parpadeo de un ojo cósmico. Si suponemos que la energía del espacio vacío es más o menos constante, como sería el caso para una constante cosmológica, a continuación, en tanto los primeros tiempos de la densidad de energía de la materia y la radiación ahora habría superado que en el espacio vacío. Esto es simplemente porque, como el universo se expande, la densidad de la materia y radiación disminuye junto con la expansión porque la distancia entre las partículas crece, por lo que hay un menor número de objetos en cada volumen. En ocasiones anteriores, por ejemplo antes de lo acerca 5millones de dólares para 1 0 Hace millones de años, la densidad de la materia y la radiación tendría sido mucho mayor de lo que es hoy. El universo en este momento y Por lo tanto, antes estaba dominado por la materia y la radiación, con su atracción gravitatoria consecuente. En este caso, la expansión de el universo se habría ido disminuyendo en estos primeros tiempos, y el impacto gravitacional de la energía del espacio vacío haría han sido inobservable.
De la misma manera, en un futuro lejano, cuando el universo es varios cientos de millones de años, la densidad de la materia y radiación habrá disminuido aún más, y se puede calcular que la energía oscura tendrá una densidad de energía media muy por encima de mil millones de veces mayor que la densidad de toda la restante materia y la radiación en el universo. Será, por tanto, completamente gobernar la dinámica gravitacional del universo a grandes escalas. Sin embargo, a esa edad tardía, la expansión acelerada tendrá convertido esencialmente inobservable. En este sentido, la energía de espacio vacío asegura, por su propia naturaleza, que hay un tiempo finito durante el cual es observable, y, notablemente, vivimos durante este instante cosmológico. ¿Qué pasa con el otro gran pilar del Big Bang, la cósmica la radiación de fondo de microondas, que proporciona un bebé directa imagen del universo? En primer lugar, ya que el universo se expande cada vez más rápido en el futuro, la temperatura de la CMBR caerá. Cuando el universo observable actualmente es de aproximadamente 1 00 veces más grande de lo que es ahora, la temperatura de la CMBR habrá caído en un factor de l Oa, y su intensidad, o la densidad de energía almacenada dentro de él, será han caído por un factor de 1 00 millones de dólares, por lo que es acerca de 1 00 millón tiempos más difíciles de detectar que se encuentra actualmente. Pero, después de todo, hemos sido capaces de detectar lo cósmico fondo de microondas en medio de todo el otro ruido electrónico en Tierra, y podemos imaginar que los observadores en el futuro lejano serán 1 00 millón de veces más inteligentes que los que hemos sido bendecidos con la actualidad, por lo que la esperanza no se pierde. Por desgracia, resulta que incluso los más brillantes observador que uno podría imaginar, con el instrumento más sensible se podría construir, todavía habrá esencialmente fuera de suerte en el lejano futuro. Esto es porque en nuestra galaxia (o la meta-galaxia que lo hará formar cuando nuestra galaxia se fusiona con sus vecinos, empezando por Andrómeda en aproximadamente 5mil millones de años) hay gas caliente entre estrellas, y este gas es ionizado, de manera que contiene electrones libres, y por lo tanto se comporta como un plasma. Como he descrito anteriormente, tal plasma es opaca a muchos tipos de radiación. Hay algo que se llama una "frecuencia de plasma", debajo de la cual radiación no puede penetrar en un plasma sin absorción. Residencia en la densidad observada actualmente de electrones libres en nuestra galaxia, que puede estimar la frecuencia de plasma en nuestra galaxia, y si lo hacemos
esto, nos encontramos con que la mayor parte de la radiación CMB del Big Bang ser estirado, en el momento en el universo llega a ser de aproximadamente 50 veces su edad actual, a suficientes longitudes de onda largas, y por lo tanto frecuencias suficientemente bajas, que estará por debajo de nuestro futuro (meta) galaxia 's frecuencia del plasma en ese momento. Después de eso, la radiación será esencialmente no ser capaz de hacerlo en nuestra (meta) galaxia sea observado, no importa lo tenaz que el observador. El CMBR, también, habrán desaparecido. Así que no hay expansión observada, sin resplandor restos del Big Bang. Pero ¿qué pasa con la abundancia de los elementos ligeros hidrógeno, helio y litio-que también proporciona una directa firma del Big Bang? De hecho, como he descrito en capítulo 1,cada vez que me encuentro con alguien que doesn 't creen en el Big Bang, me gusta mostrarles el siguiente figura que guardo como una tarjeta en la cartera. Entonces yo digo: "Mira! Hubo un Big Bang!"
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Elementos h eavier que 'el1JJ Esta cifra se ve muy complicado, lo sé, pero en realidad muestra la abundancia relativa predicha de helio, deuterio, helio-3, y el litio, en comparación con hidrógeno, basado en nuestra comprensión actual del Big Bang. La curva superior, subiendo y a la derecha, muestra la abundancia predicha de helio, la segundo elemento más abundante en el universo, en peso, en comparación con hidrógeno (el elemento más abundante). El próximo dos curvas, va hacia abajo y hacia la derecha representan el predijeron abundancias de deuterio y de helio-3, respectivamente, no por peso, pero por el número de átomos en comparación con hidrógeno. Finalmente, la curva inferior representa la abundancia predicha de la siguiente elemento más ligero, de litio, de nuevo por número.
Las abundancias predichas se representan como funciones de la densidad total asumido de materia normal (hecha de átomos) en el Universo actual. Si variar esta cantidad producida ninguna combinación de todas las abundancias elementales predichos que se ajustan con nuestro observaciones, sería una fuerte evidencia en contra de su producción en un Big Bang caliente. Tenga en cuenta que las abundancias predichas de estos elementos varían en casi 1 0 órdenes de magnitud. Las cajas sombreadas asociadas con cada curva representan la permitido gama de la abundancia primordial estimado real de estos elementos basados en observaciones de viejas estrellas y gas caliente en y fuera de nuestra galaxia La banda sombreada vertical, a continuación, representa la región donde todos las predicciones y observaciones hacer de acuerdo. Es difícil imaginar más apoyo concreto que este acuerdo entre las predicciones y observaciones, de nuevo por elementos cuya predicho abundancias variar de 1 0 órdenes de magnitud, para una solución pronta, Big Bang caliente donde todos los elementos de luz se produjeron por primera vez. Vale la pena repetir las implicaciones de esta notable acuerdo con más fuerza: Sólo en los primeros segundos de un Big caliente Bang, con una abundancia inicial de protones y neutrones que resultaría en algo muy cercano a la densidad observada de materia en galaxias visibles hoy en día, y una densidad de radiación que dejaría un remanente que correspondería precisamente a la intensidad observada de la radiación del fondo cósmico de microondas hoy en día, se producen reacciones nucleares que podrían producir, precisamente, la abundancia de elementos ligeros, hidrógeno y deuterio, helio y el litio, que inferimos que han comprendido la construcción básica bloques de las estrellas que ahora llenan el cielo nocturno. Como Einstein podría haber puesto que, sólo una muy malicioso (y, por lo tanto, en su mente inimaginable) Dios habría conspirado haber creado un universo que tan inequívocamente apunta a un Big Origen explosión sin que se haya producido. De hecho, cuando el acuerdo general entre lo helio inferido abundancia en el universo con la abundancia de helio pronosticado resultante de un Big Bang se demostró por primera vez en los 1 960s, este fue uno de los bits de datos clave que ayudó a la imagen del Big Bang ganar sobre el modelo de estado estacionario entonces muy popular de la universo defendida por Fred Hoyle y sus colegas.
En un futuro lejano, sin embargo, las cosas serán muy diferentes. Estrellas quemar hidrógeno, la producción de helio, por ejemplo. En la actualidad tiempo de sólo alrededor 1 5 por ciento o menos de todo el helio observada en el universo podría haber sido producido por las estrellas en el tiempo transcurrido desde la Big Bang, una vez más, un poco convincente de evidencia de que un Big Explosión se requiere para producir lo que vemos. Pero en el futuro lejano este no será el caso, debido a que muchas más generaciones de estrellas se han vivido y muerto. Cuando el universo es un billón de años, por ejemplo, mucho más helio se habrá producido en las estrellas que habrá sido producida en el Big Bang. Esta situación se muestra en la siguiente gráfico:
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EDAD (SILLIONS DE AÑOS)
Cuando está compuesta por 60 por ciento de la materia visible en el universo de helio, no habrá necesidad de producción de primordial helio en un Big Bang caliente con el fin de producir un acuerdo con observaciones.
Los observadores y teóricos en alguna civilización en el futuro lejano será, sin embargo, ser capaz de utilizar estos datos para inferir que el universo debe haber tenido una edad finita. Debido a que las estrellas queman hidrógeno para helio, habrá un límite superior en cómo las estrellas largas podrían tener existido el fin de no mermar aún más la relación entre el hidrógeno y helio. De este modo, los futuros científicos estimarán que el universo en la que viven es menor de aproximadamente un billón de años. Pero cualquiera firma directa de que el principio implicó un Big Bang, en lugar de algún otro tipo de creación espontánea de nuestro futuro individual (Meta) galaxia, será mucho más incompleta. Recuerde que Lemaitre derivó su reclamo de un Big Bang exclusivamente sobre la base de pensar sobre la relatividad general de Einstein s. Podemos asumir que cualquier civilización avanzada en el futuro lejano será descubrir las leyes de la física, electromagnetismo, cuántica mecánica, y la relatividad general. ¿Será cierto Lemaitre de la extrema Por lo tanto, el futuro pueda derivar una afirmación similar? Lemaitre 's conclusión de que nuestro universo tuvo que comenzar en un Big Bang fue inevitable, pero se basa en la suposición de que no será válido para el universo observable de un futuro lejano. La universo con la materia que se extiende de manera uniforme en todas las direcciones, uno que es isótropo y homogéneo, no puede ser estática, por las razones Lemaitre y eventualmente Einstein reconoció. Sin embargo, hay una perfectamente buena solución de las ecuaciones de Einstein s para un solo sistema masivo rodeado por un espacio estático por lo demás vacío. Después de todo, si tal solución no existiera, entonces la relatividad general no sería capaz de describir los objetos aislados, como las estrellas de neutrones o, en última instancia, los agujeros negros. Las grandes distribuciones de masas como nuestra galaxia son inestables, por lo que finalmente nuestro (meta) galaxia en sí colapsar para formar una masiva agujero negro. Esto se describe por una solución estática de Einstein 's ecuación conocida como la solución de Schwarzschild. Pero el plazo para nuestra galaxia se colapse para formar un agujero negro masivo es mucho más largo que el plazo para el resto del universo a desaparecer. Por lo tanto, parecerá natural para los científicos del futuro a imagine que nuestra galaxia podría haber existido por un billón de años en espacio vacío sin colapso significativo y sin necesidad de una universo en expansión que lo rodea.
Por supuesto, las especulaciones sobre el futuro son notoriamente difícil. Estoy escribiendo esto, de hecho, a la economía mundial Foro de Davos, Suiza, que está lleno de economistas que invariablemente predecir el comportamiento de los mercados de futuros y revisar su predicciones cuando resultan ser horriblemente mal. Más en general, creo que cualquier predicción del futuro lejano, e incluso el futuro no tan lejano, de la ciencia y la tecnología para ser aún sketchier que los de "la ciencia lúgubre". De hecho, cada vez que estoy pedido sobre el futuro cercano de la ciencia o lo que el próximo gran avance será, siempre respondo que si lo supiera, estaría trabajando en él ahora mismo! Por lo tanto, me gusta pensar en la imagen que he presentado en este capítulo como algo parecido a la imagen del futuro presentado por el tercer fantasma en Dickens 's Un cuento de Navidad. Este es el futuro como se podría ser. Después de todo, ya que no tenemos idea de lo que la oscuridad energía que impregna el espacio vacío es, también, por tanto, no podemos estar la certeza de que se comportará como constante cosmológica de Einstein s y permanecer constante. Si no es así 't, el futuro del universo podría ser muy diferente. La expansión no puede seguir acelerando, pero en su lugar puede una vez más lento con el tiempo de modo que distante galaxias no desaparecerán. Por otra parte, tal vez habrá algunas nuevas cantidades observables todavía no pueden detectar que puede proporcionará a los astrónomos en el futuro con la evidencia de que había una vez al Big Bang. Sin embargo, sobre la base de todo lo que sabemos sobre el universo hoy, el futuro que he esbozado es la más plausible, y es fascinante considerar si la lógica, la razón y datos empíricos todavía podrían inducir de alguna manera los futuros científicos a inferir la naturaleza subyacente correcta de nuestro universo, o si quedará para siempre oscurecido detrás del horizonte. Una brillante futuro científico explorar la naturaleza fundamental de las fuerzas y partículas podrían derivar un cuadro teórico que sugiera que la inflación debe haber ocurrido, o que tiene que haber una energía en espacio vacío, lo que explicaría además por qué no hay galaxias dentro del horizonte visible. Pero yo no soy tan optimista sobre esto. La física es, después de todo, una ciencia empírica, impulsado por el experimento y la observación. No habíamos deducido observacionalmente la
existencia de la energía oscura, dudo cualquier teórico habría sido negrita suficiente para sugerir su existencia hoy. Y mientras que también es posible imaginar firmas tentativas que podrían sugerir algo está mal con la imagen de una sola galaxia en una estática universo sin un Big Bang-tal vez algunos de observación abundancia de los elementos que aparecen anómala-sospecho que Navaja de Occam s sugerirá que la imagen más simple es la correcta uno, y que las observaciones anómalas podrían explicarse por algunos efectos locales. Desde que Bob Scherrer y me pusieron el reto que el futuro científicos utilizarán los datos falsables y modelos-el dechado de la buena ciencia, pero en el proceso que van a llegar a un falsa imagen del universo, muchos de nuestros colegas han tratado de sugerir formas de sonda que el universo se está expandiendo en realidad el futuro lejano. Yo también puedo imaginar posibles experimentos. Pero yo no puede ver que iban a estar bien motivados. Por ejemplo, usted tendría que expulsar estrellas brillantes de nuestro galaxia y enviarlos al espacio, espere unos mil millones de años o así por hacerlos estallar, y tratar de observar a sus velocidades de recesión como función de la distancia que lleguen antes de que exploten con el fin de sonda para ver si están recibiendo cualquier retroceso adicional de un posible expansión del espacio. Una tarea difícil, pero aunque te puedas imaginar de alguna manera tirar esto adelante, no puedo ver el Nacional de Ciencia Fundación del futuro en realidad financiar el experimento sin al menos alguna otra motivación para argumentar a favor de un universo en expansión. Y si de alguna manera las estrellas de nuestra galaxia son naturalmente expulsado y detectable a medida que avanzan hacia el horizonte, no está claro para mí que la observación de un anómalo aceleración de algunos de estos objetos se interpretaría en términos de una propuesta tan audaz y extraño como una expansión universo dominado por la energía oscura. Podemos considerarnos afortunados de que vivimos en la actualidad tiempo. O como Bob y yo puse en uno de los artículos que escribió: "Nosotros vivir en un momento muy especial. . . cuando la única vez que podemos observacionalmente verificamos que vivimos en un momento muy especial! " Nos estábamos siendo un tanto gracioso, pero es aleccionador sugieren que uno puede usar las mejores herramientas de observación y
herramientas teóricas a disposición de un 's y, sin embargo, llegar a un imagen completamente falsa del universo a gran escala. Debo señalar, sin embargo, que aunque incompleto datos lata conduce a una imagen falsa, esto es muy diferente de la (falsa) imagen obtenida por los que optan por hacer caso omiso de los datos empíricos a inventar una imagen de la creación que de otra manera en contradicción con la la evidencia de la realidad (terráqueos jóvenes, por ejemplo), o los que en cambio requerirá la existencia de algo para lo que no hay es evidencia observable que sea (como la inteligencia divina) a conciliar su visión de la creación con sus a priori prejuicios, o peor aún, aquellos que se aferran a los cuentos de hadas acerca de la naturaleza que presumir las respuestas antes de las preguntas, incluso se les puede pedir. Al menos los científicos del futuro se basan sus estimaciones sobre el mejor evidencia disponible para ellos, reconociendo como todos lo hacemos, o al menos como hacen los científicos, que la nueva evidencia puede hacernos cambiar nuestra imagen subyacente de la realidad. En este sentido, vale la pena agregar que quizás nos falta algo aún hoy que podría haber sido observable sólo tenía vivíamos 1 0 hace o tal vez miles de millones de años podrían ver si viviéramos 1 00 miles de millones de años en el futuro. Sin embargo, debo subrayar que la Foto Big Bang es demasiado firmemente basada en los datos de todas las áreas de probarse válida en sus características generales. Pero algunos nuevos, matizada comprensión de los detalles finos de un pasado lejano o distante futuro, o del origen del Big Bang y su posible singularidad en el espacio, podría surgir fácilmente con nuevos datos. De hecho, espero que lo hará. Una lección que podemos extraer de la posible final de futuro la vida y la inteligencia en el universo es que tenemos que tener un poco de humildad cósmica en nuestras afirmaciones, incluso si tal cosa es difícil para cosmólogos. De cualquier manera, el escenario que acabo de describir tiene un cierto simetría poética, incluso si es igualmente trágico. Largo en el futuro, científicos obtendrán una imagen del universo que obedeciere de nuevo a la imagen misma que tuvimos en el comienzo de la última siglo, que en sí mismo en última instancia sirvió como el catalizador para investigaciones que condujeron a las revoluciones modernas en cosmología. Cosmología se habrá cerrado el círculo. Por mi parte, hallazgo que notable, incluso si se pone de relieve lo que algunos pueden ver como la inutilidad de nuestra breve momento en el sol.
Independientemente, el problema fundamental ilustrado por la posible extremo futuro de la cosmología es que sólo tenemos un universo de probar -el que vivimos en. Si bien la prueba que debe si queremos tener alguna esperanza de entendimiento de cómo lo que hoy observamos levantó, nos sin embargo, se limitan tanto en lo que podemos medir y en nuestra interpretaciones de los datos. Si existen muchos universos, y si pudiéramos de alguna manera sondear más de uno, puede ser que tengamos una mejor oportunidad de saber qué observaciones son verdaderamente significativo y fundamental y que surgen sólo como un accidente de nuestras circunstancias. Como veremos a continuación, mientras que la segunda posibilidad es poco probable, la primero no es, y los científicos están presionando hacia adelante con nuevas pruebas y nuevas propuestas para mejorar nuestra comprensión de lo inesperado y extrañas características de nuestro universo. Antes de continuar, sin embargo, es tal vez vale la pena acabar con otra imagen, más literaria del futuro probable que he presentado aquí y uno que es particularmente relevante para el tema de este libro. Viene de respuesta Christopher Hitchens s al escenario que acabo de describir. Como él mismo dijo, "Para aquellos que encuentran notable que vivimos en un universo de algo, sólo tiene que esperar. Nada se dirige en curso de colisión derecho hacia nosotros! "
CAPÍTULO 8
UN ACCIDENTE DE GRAND?
Una vez que asume un creador y un plan, que hace a los humanos objetos en un cruel experimento cual somos creados para ser enfermos y designado para que sea así.
-Christopher HITCHENS
Estamos predeterminados a pensar que todo lo que nos sucede es importante y significativo. Tenemos un sueño que un amigo es va a romper su brazo, y al día siguiente nos enteramos que ella esguince en su tobillo. Guauu! Cósmico! Clarividente? El físico Richard Feynman le gustaba ir a la gente y decir: "Te has ganado 't creer lo que me pasó hoy usted! acaba de ganar 't lo creen! "Y cuando van a inquirir lo sucedido, él decía: "Absolutamente nada!" En esto estaba lo que sugiere que cuando algo así como el sueño que he descrito anteriormente sucede, las personas atribuyen importancia a la misma. Pero se olvidan de la tonterías miríada sueña que habían predicho que absolutamente nada. Al olvidar que la mayor parte del tiempo, nada de nota Se produce durante el día, entonces malinterpretar la naturaleza de probabilidad cuando algo inusual ocurre: entre cualquiera suficientemente grande número de eventos, algo inusual está obligado a pasar justo por accidente. ¿Cómo se aplica esto a nuestro universo? Hasta el descubrimiento de que, inexplicablemente, la energía del vacío el espacio no es no sólo cero, sino que toma un valor que es 1 20 órdenes de magnitud menor que la estimación de I describe en función de las ideas
de la física de partículas sugiere, la sabiduría convencional entre los físicos era que cada parámetro fundamental medimos en naturaleza es significativo. Con esto quiero decir que, de alguna manera, sobre la base de principios fundamentales, que eventualmente podrá entender las cosas como por qué la gravedad es mucho más débil que la otras fuerzas de la naturaleza, ¿por qué el protón es 2, 000 veces más pesado que el electrón, y por qué hay tres familias de primaria partículas. Dicho de otra manera, una vez que comprendimos la fundamental las leyes que rigen las fuerzas de la naturaleza en sus escalas más pequeñas, todas estos misterios actuales serían revelados como consecuencias naturales de estas leyes. (A argumento puramente religiosa, por otro lado, podría tomar importancia a un extremo por lo que sugiere que cada fundamental constante es importante porque Dios presumiblemente eligió cada uno para tener el valor lo hace como parte de un plan divino para nuestro universo. En este caso, nada es un accidente, pero por la misma razón, no hay nada predicho o en realidad explicado. Es un argumento que va por decreto la nada y produce nada útil sobre las leyes físicas que rige el universo, con excepción quizás de proporcionar consuelo para el creyente. ) Pero el descubrimiento de que el espacio vacío tiene energía comenzó una revisión en el pensamiento entre muchos físicos sobre lo que se requiere en naturaleza y lo que pueden ser accidentales. El catalizador de esta nueva gestalt se origina en el argumento que dio en el último capítulo: la energía oscura es medible hoy porque "Ahora" es la única vez en la historia del universo cuando el energía en el espacio vacío es comparable a la densidad de energía en materia. ¿Por qué deberíamos estar viviendo en un momento "especial" como en la historia del universo? De hecho, esto va en contra de todo lo que tiene ciencia caracterizado desde Copérnico. Hemos aprendido que la Tierra no es el centro del sistema solar y que el Sol es una estrella en los bordes exteriores de soledad de una galaxia que no es más que uno de cada 400 miles de millones de galaxias en el universo observable. Hemos llegado a aceptar el "principio copernicano" que no hay nada especial acerca de nuestro lugar y tiempo en el universo.
Pero con la energía del espacio vacío es lo que es, nos hacer parecen vivir en un momento especial. Esto se muestra mejor por la siguiente ilustración de un "breve historia del tiempo". Dencsity Promedio del iVerse Un 10 " (! (YO
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EDAD IBI LLIONS DE AÑOS)
Las dos curvas representan la densidad de energía de toda la materia en el universo, y la densidad de energía del espacio vacío (suponiendo que se trata de una constante cosmológica) como una función del tiempo. Como puede ver, la densidad de la materia cae, ya que el universo se expande (como la distancia entre las galaxias se hace cada vez mayor y la materia, por lo tanto se "Diluida"), tal y como era de esperar. Sin embargo, la densidad de energía en el espacio vacío que permanece constante, ya que, se podría argumentar, con espacio vacío no hay nada que diluir! (O, como tengo un poco menos en broma descrito, el universo funciona en el espacio vacío medida que se expande.) Las dos curvas se cruzan relativamente cerca de la presente tiempo, que es la fuente de la extraña coincidencia tengo descrito.
Ahora considere lo que pasaría si la energía en el espacio vacío eran, digamos, 50 veces mayor que el valor se estima hoy. Entonces las dos curvas se cruzan en un momento anterior diferente, como se muestra en la siguiente figura.
El tiempo que las dos curvas se cruzan por el valor superior, ampliada de la energía del espacio vacío es el momento en que se formaron las primeras galaxias, unos mil millones de años después del Big Bang. Pero recuerde que la energía del espacio vacío es gravitatoriamente repulsiva. Si hubiera llegado a dominar la energía del universo antes de la hora de la galaxia la formación, la fuerza de repulsión debido a esta energía tendría compensado (literalmente)la fuerza gravitatoria de atracción normal que materia causado a agruparse. Y galaxias nunca tendrían formado!
Pero si las galaxias hadn 't formaron, entonces estrellas wouldn' t se han formado. Y si las estrellas hadn 't formaron, planetas wouldn' t se han formado. Y si planetas hadn 't formaron, entonces los astrónomos wouldn' t han formado! Así, en un universo con una energía del espacio vacío meramente 50 veces más grande que lo que observamos, al parecer, nadie tendría existido hoy para tratar de medir la energía. ¿Podría esto nos esté diciendo algo? Poco después del descubrimiento de nuestro universo en aceleración, el físico Steven Weinberg propuso, basado en un argumento que había desarrollado más de una década antes-antes del descubrimiento de la energía oscura, que la "Problema coincidencia", por tanto, podría ser resuelto si tal vez el valor de la constante cosmológica que medimos hoy eran de alguna manera "antrópicamente" seleccionado. Es decir, si de alguna manera había muchos universos, y en cada universo el valor de la energía de espacio vacío tomó un valor elegido al azar basado en algunos distribución de probabilidad entre todas las energías posibles, sólo en esos universos en los que el valor no es tan diferente de lo medimos haría la vida como la conocemos, sea capaz de evolucionar. Así que tal vez nos encontramos en un universo con una pequeña energía en el espacio vacío porque no podíamos 't nos encontramos en uno con una mucho más grande valor. Dicho de otra manera, no es demasiado sorprendente encontrar que vivimos en un universo en el que podemos vivir! Este argumento, sin embargo, tiene sentido matemático sólo si existe la posibilidad de que muchos universos diferentes han surgido. Hablando de muchos universos diferentes puede sonar como una oxímoron. Después de todo, tradicionalmente la noción de universo tiene convertido en sinónimo de "todo lo que existe." Más recientemente, sin embargo, universo ha llegado a tener un más simple, significado sin duda más sensible. Es ya tradicional de pensar en "Nuestro" universo comprende simplemente la totalidad de todo lo que podamos ahora vemos y todo lo que alguna vez pudimos ver. Físicamente, por lo tanto, nuestra Universo comprende todo lo que sea una vez pudo haber tenido una impacto sobre nosotros o que nunca lo hará. En el momento en que uno escoge esta definición para un universo, el posibilidad de otros "universos" -regiones que siempre han sido y siempre será causalmente desconectados de la nuestra, como islas separado de cualquier comunicación uno con el otro por un océano de espacio se hace posible, al menos en principio.
Nuestro universo es tan vasto que, como he señalado, algo que no es imposible está prácticamente garantizado que se produzca en algún lugar dentro de ella. Los eventos raros ocurren todo el tiempo. Usted podría preguntarse si el mismo principio se aplica a la posibilidad de muchos universos, o una multiverso, ya que la idea es ahora conocida. Resulta que la situación teórica es en realidad más fuerte que simplemente una posibilidad. Una serie de ideas centrales que impulsan gran parte de la actividad actual en la teoría de partículas hoy parece requerir una multiverso. Quiero hacer hincapié en esto porque, en las discusiones con los que se sienten la necesidad de un creador, la existencia de un multiverso es vista como una cop-out concebida por los físicos que se han quedado sin respuestas o quizás preguntas. Esto puede eventualmente ser el caso, pero no es tan ahora. Casi cada posibilidad lógica que podemos imaginar en relación extender las leyes de la física como las conocemos, a pequeña escala, en una teoría más completa, sugiere que, a grandes escalas, nuestra universo no es único. El fenómeno de la inflación ofrece quizás la primera, y quizás mejor, razón de ser. En el cuadro inflacionario, durante el fase cuando una enorme energía domina temporalmente alguna región del el universo, esta región comienza a expandirse exponencialmente. En algún punto, una pequeña región dentro de este "falso vacío" puede salir de la inflación como se produce una transición de fase dentro de la región y el campo dentro de que relaja a su verdadero valor, menor energía; la expansión dentro de este región será entonces dejará de ser exponencial. Pero el espacio entre tales regiones continuarán expandiéndose exponencialmente. En cualquiera tiempo, a menos que la transición de fase se completa a través de todo el espacio, entonces casi todo el espacio se encuentra dentro de una región de inflado. Y la inflar región separará aquellas regiones que primero inflación salida por distancias casi insondables. Es como la lava saliendo de un volcán. Algunas de la roca se enfríe y solidifique, pero esas rocas se llevará lejos el uno del otro, ya que flotan en un mar de magma líquido. La situación puede ser aún más dramático. En 1 986, Andrei Linde, quien junto con Alan Guth ha sido uno de los principales arquitectos de la teoría inflacionaria moderno, promovidos y exploraron un posiblemente incluso escenario más general. Esto también fue anticipado en algún sentido por otro cosmólogo ruso inventiva en el
Estados Unidos, Alex Vilenkin. Tanto Linde y Vilenkin tienen la confianza interior que se encuentra en grandes físicos rusos, pero su historia es muy diferente. Linde prosperó en la antigua Unión Soviética establecimiento física antes de emigrar a los Estados Unidos después de la caída de la Unión Soviética. Brash, brillante y divertido, que ha continuado dominando gran parte de la cosmología teórica de partículas en el ínterin. Vilenkin emigró mucho antes, antes de que él era un físico, y trabajó en los Estados Unidos en diversos puestos de trabajo, incluyendo como vigilante nocturno, mientras estudiaba. Y mientras él siempre estuvo interesado en la cosmología, aplicó accidentalmente a la escuela equivocada para el trabajo de grado y terminó haciendo una tesis en la física de la materia condensada, la física de los materiales. Luego consiguió un trabajo como investigador postdoctoral en la Case Western Reserve Universidad, donde más tarde me convertí en Presidente. Durante este período, pidió a su supervisor, Philip Taylor, si podía pasar varios días una semana de trabajo en la cosmología, además de sus proyectos asignados. Felipe me dijo después que, incluso con este trabajo a tiempo parcial, Alex era el postdoc más productivo que nunca había tenido. En cualquier caso, lo que Linde reconoció es que, mientras cuántica fluctuaciones durante la inflación a menudo pueden empujar el campo que impulsa la inflación hacia su estado de energía más bajo, y por lo tanto proporcionar una salida elegante, siempre existe la posibilidad de que, en algunas regiones, fluctuaciones cuánticas impulsarán el campo hacia aún mayor energías, y por lo tanto, lejos de los valores en que la inflación terminará, por lo que la inflación seguirá su curso. Debido a tales regiones expanda durante períodos más largos de tiempo, habrá mucho más espacio que está inflando que la que no lo es. Dentro de estas regiones, fluctuaciones cuánticas nuevo impulsarán algunas subregiones para salir la inflación y así detener la expansión exponencial, pero de nuevo no será regiones en las fluctuaciones cuánticas provocarán inflación persistir incluso más tiempo. Etcétera. Esta imagen, que Linde apodado "la inflación caótica," de hecho se asemeja a los sistemas caóticos más familiares en la Tierra. Tome hirviendo harina de avena, por ejemplo. En cualquier punto de una burbuja de gas puede explotar de la superficie, lo que refleja las regiones donde el líquido en alto temperatura completa una transición de fase para formar un vapor. Pero entre las burbujas de la avena está irritando y fluido. En gran Básculas hay regularidad, siempre hay burbujas que explotan
en alguna parte. Pero a nivel local, las cosas son muy diferentes dependiendo de donde uno mira. Por lo que sería en una caótica inflar universo. Si uno le pasó a ubicarse en una "burbuja" de la verdadera estado fundamental que había dejado de inflar, universo uno 's lo haría aparecer muy diferente de la gran mayoría de espacio a su alrededor, que seguiría siendo inflado. En esta imagen, la inflación es eterna. Algunas regiones, de hecho, la mayor parte de espacio, se pondrán a la inflar siempre. Aquellas regiones que la salida la inflación se convertirá en universos separados, causalmente desconectados. YO quiero hacer hincapié en que un multiverso es inevitable si la inflación es eterno, y la inflación eterna es, con mucho, la posibilidad más probable en la mayoría, si no todos, los escenarios inflacionarios. Como Linde puso en su 1 986 papel:
La vieja pregunta por qué nuestro universo es la única posible uno ha sido sustituido por la cuestión en la que las teorías [de] la existencia de mini-universos de nuestro tipo [son] posible. Esta cuestión sigue siendo muy difícil, pero es mucho más fácil que la anterior. En nuestra opinión, la modificación de la punto de vista de la estructura global del universo y en la nuestro lugar en el mundo es uno de los más importantes consecuencias del desarrollo del universo inflacionario escenario.
Como se subraya Linde, y ha quedado claro, esta imagen También proporciona otra nueva posibilidad para la física. Podría fácilmente ser que hay muchos posibles estados cuánticos de baja energía de la universo presente en la naturaleza que un universo podría inflar finalmente decaer en. Debido a la configuración de la cuántica estados de estos campos serán diferentes en cada uno de tales región, el carácter de las leyes fundamentales de la física en cada región / universo entonces puede aparecer distinta. Aquí surgió el primer "paisaje" en la que el antrópico argumento, siempre antes, podrían haberse practicado. Si hay muchos diferentes estados en los que nuestro universo podría terminar después la inflación, tal vez el que vivimos, en el que hay no energía del vacío cero que es lo suficientemente pequeño para galaxias podrían formar, es sólo uno de una familia potencialmente infinito y la que es
seleccionado para los científicos curiosos, ya que apoya las galaxias, estrellas, planetas y vida. El término "paisaje" no, sin embargo, primero se plantea en este contexto. Fue promovida por una comercialización más eficaz máquina asociada con el gigante que ha estado conduciendo teoría de partículas de gran parte del siglo cuerdas trimestre pasado teoría. La teoría de cuerdas postula que las partículas elementales se componen de más fundamentales de los mandantes, y no partículas, sino objetos que comportarse como cuerdas vibrantes. Así como vibraciones de las cuerdas de un violín puede crear diferentes notas, así también en esta teoría diferentes tipos de vibraciones producen objetos que podrían, en principio, se comportan como todos las diferentes partículas elementales que encontramos en la naturaleza. La captura, sin embargo, es que la teoría no es matemáticamente consistente cuando se define en meros cuatro dimensiones, pero parece requerir muchos más a tener sentido. ¿Qué sucede con las otras dimensiones no es inmediatamente obvio, ni es la cuestión de qué otros objetos además de las cadenas pueden ser importantes para definir la teoría sólo algunas de los muchos desafíos no resueltos que se han presentado y embotado algo del entusiasmo inicial de esta idea. Aquí no es el lugar para revisar a fondo la teoría de cuerdas, y en hecho una revisión a fondo, probablemente, no es posible, ya que si uno Lo ha hecho evidente en los últimos veinticinco años, es que lo que antes se llamaba la teoría de cuerdas es claramente algo mucho más elaborado y complicado, y algo cuya naturaleza y maquillaje fundamental sigue siendo un misterio. Todavía tenemos ni idea de si este edificio teórico notable en realidad tiene algo que ver con el mundo real. Sin embargo, tal vez ningún cuadro teórico ha siempre tan penetrado con éxito la conciencia de la comunidad de la física sin tener todavía demostrado su capacidad para resolver con éxito un solo misterio experimental sobre la naturaleza. Mucha gente va a tomar la última frase como una crítica de la cadena teoría, pero aunque me han calificado en el pasado como un detractor, que no es mi intención aquí, ni ha sido mi intención en las numerosas conferencias y público bien intencionado debates que he tenido con mi amigo Brian Greene, uno de cadena teoría 's proponentes principales, sobre el tema. Más bien, creo que es simplemente importante cortar a través de la publicidad popular para una realidad
comprobar. La teoría de cuerdas involucra ideas y matemáticas fascinantes que podría arrojar luz sobre uno de los más fundamentales inconsistencias en la física teórica, nuestra incapacidad para emitir La relatividad general de Einstein s en una forma que se puede combinar con las leyes de la mecánica cuántica para dar lugar a predicciones razonables acerca de cómo el universo se comporta en sus escalas muy pequeñas. He escrito un libro entero acerca de cómo la teoría de cuerdas tiene tratado de eludir este problema, pero para nuestros propósitos aquí, sólo un muy breve resumen es necesario. La propuesta central es simple de enunciar, aunque difícil de implementar. En escalas muy pequeñas, acuerdo a la escala en que los problemas entre la gravedad y la mecánica cuántica podrían encontrarse primero, cuerdas elementales puede acurrucarse en circuitos cerrados. En medio de la serie de excitaciones de tales circuitos cerrados siempre existe un tal excitación que tiene las propiedades de la partícula que, en la teoría cuántica, transmite la fuerza de la gravedad-gravitón. Por lo tanto, la teoría cuántica de tales cuerdas proporciona, en principio, el campo de juego en el que un verdadero la teoría cuántica de la gravedad podría ser construido. Efectivamente, se descubrió que una teoría así evitaría las predicciones infinitas embarazosos de la cuántica estándar enfoques a la gravedad. Hubo un tirón, sin embargo. En el versión más simple de la teoría, estas predicciones pueden ser infinitas obviadas sólo si las cadenas que componen las partículas elementales son vibrando, no sólo en las tres dimensiones del espacio y una de momento en que todos estamos familiarizados con, pero más bien en veintiséis dimensiones! Se podría esperar que un salto de complejidad tal (y, tal vez, fe) sería suficiente para apagar la mayoría de los físicos sobre la teoría, pero en los mediados de 1 980s algunos hermosos trabajo matemático por una multitud de personas, en particular Edward Witten en el Instituto de Estudios Avanzados, demostró que la teoría podía en principio, hacer mucho más que simplemente proporcionar una teoría cuántica de la la gravedad. Mediante la introducción de nuevas simetrías matemáticas, la mayoría en particular un marco matemático muy poderosa llamada "Supersimetría", se hizo posible reducir el número de dimensiones requeridas para la consistencia de la teoría veinte hasta seis a sólo diez.
Más importante, sin embargo, parecía que podría ser posible, en el contexto de la teoría de cuerdas, para unificar la gravedad con la otra fuerzas de la naturaleza en una sola teoría, y por otra parte posible explicar la existencia de cada partícula elemental única conocida en la naturaleza! Finalmente, parecía como si podría haber una sola única teoría en diez dimensiones que reproducir todo lo que vemos en nuestro mundo de cuatro dimensiones. Las reclamaciones de una "Teoría del Todo" comenzaron a propagarse, no sólo en la literatura científica, pero en la literatura popular también. Como En consecuencia, tal vez más personas están familiarizados con "supercuerdas" que están familiarizados con "superconductividad", la última es la hecho notable que cuando algunos materiales se enfrían a extremadamente bajas temperaturas, que pueden conducir la electricidad sin ninguna resistencia alguna. Esto no sólo es una de las más notables propiedades de la materia jamás observada, pero ya tiene transformado nuestra comprensión de la distribución cuántica de materiales. Por desgracia, la interviniendo veinticinco años o así no han sido amables a la teoría de cuerdas. A pesar de que las mejores mentes teóricas en el mundo comenzó a centrar su atención en él, produciendo volúmenes de nuevo resultados y una gran cantidad de nuevas matemáticas en el proceso (Witten pasó a ganar el premio más alto en matemáticas, por ejemplo), quedó claro que las "cadenas" en la teoría de cuerdas no son probablemente los objetos fundamentales en absoluto. Otras, las estructuras más complicadas, llamados "branas", el nombre de las membranas de las células, que existen en dimensiones más altas, probablemente controlan el comportamiento de la teoría. Lo que es peor, la singularidad de la teoría comenzó a desaparecer. Después de todo, el mundo de nuestra experiencia no es de diez dimensiones, pero en lugar de cuatro dimensiones. Algo tiene que suceder a la restante seis dimensiones espaciales, y la explicación canónica de su invisibilidad es que son de alguna manera "compactificada", es decir, se acurrucaron en escalas tan pequeñas que no podemos resolver ellos en nuestras escalas o incluso en las escalas diminutas que se sondean por nuestros aceleradores de partículas de energía más altos hoy. Hay una diferencia entre estos dominios ocultos propuestas y los dominios de la espiritualidad y la religión, a pesar de que puede no parece tan diferente en la superficie. En primer lugar, son accesible en principio si se pudiera construir una lo suficientemente enérgico
acelerador más allá de los límites de la practicidad tal vez, pero no más allá de los límites de lo posible. En segundo lugar, se podría esperar, como uno no para las partículas virtuales, para encontrar alguna evidencia indirecta de su existencia a través de los objetos que puede medir en nuestro cuatro dimensiones universo. En resumen, debido a que estas dimensiones se propusieron como parte de una teoría desarrollada para realmente intento de explicar el universo, en lugar de justificarlo, que en última instancia podría ser accesible a pruebas empíricas, incluso si la probabilidad es pequeña. Pero más allá de esto, la posible existencia de éstos adicional dimensiones ofrece un enorme desafío a la esperanza de que nuestra universo es único. Incluso si se parte de una teoría única en diez dimensiones (que, repito, todavía no sabemos existir), entonces cada diferente manera de compactifying los invisibles seis dimensiones pueden resultar en un tipo diferente de universo de cuatro dimensiones, con diferentes leyes de la física, las diferentes fuerzas, diferentes partículas, y regulado por diferentes simetrías. Algunos teóricos han estimado
que no son quizás 1 0500 diferente posible que sea compatible cuatro universos dimensionales que podrían resultar de un solo diez la teoría de cuerdas dimensional. A "Teoría del Todo" tenía de repente convertirse en una "Teoría del Todo"! Esta situación se ejemplifica con sarcasmo en un dibujo animado de uno de mis cómics favoritos científicas, llamado xkcd. En esta franja una persona dice a otra: "Acabo de tener una idea increíble ¿Qué pasa si. toda la materia y la energía se hace de diminutas cuerdas vibrantes. "The segunda persona y luego dice: "Está bien. ¿Qué implicaría eso?" Para que la primera persona responde: "No lo sé." En una nota un poco menos jocoso, el ganador del Premio Nobel físico Frank Wilczek ha sugerido que los teóricos de cuerdas tienen inventado una nueva forma de hacer la física, que recuerda a una forma novedosa de jugar a los dardos. En primer lugar, se tira el dardo contra una pared en blanco, y luego se va a la pared y dibuja un toro 's-ojo por donde el dardo aterrizó. Mientras comentario Frank "s es un fiel reflejo de la mayor parte del bombo que se ha generado, hay que subrayar que, al mismo tiempo de las personas que trabajan en la teoría están sinceramente tratando de descubrir principios que podrían regir el mundo en el que vivimos. Sin embargo, la gran cantidad de posibles universos de cuatro dimensiones, que solía ser una vergüenza como para los teóricos de cuerdas, tiene
convertido ahora en una virtud de la teoría. Uno puede imaginar que, en un diez "multiverso" dimensional se puede incrustar una serie de cuatro diferente universos dimensionales (o las cinco dimensiones, o seis las dimensiones, o así sucesivamente. . . ), Y cada uno puede tener diferentes leyes de la física, y por otra parte, en cada uno la energía del vacío espacio puede ser diferente. Aunque suena como una mentira conveniente, que parece ser una consecuencia automática de la teoría, y no crear una verdadera "paisaje" multiverso que podrían proporcionar un marco natural, para el desarrollo de una comprensión antrópico de la energía del vacío espacio. En este caso, no necesitamos un número infinito de posibles universos separados en el espacio tridimensional. Más bien, podemos imaginar un número infinito de universos apilados encima de un solo apuntar en nuestro espacio, invisible para nosotros, pero cada uno de los cuales podría exhibir notablemente diferentes propiedades. Quiero hacer hincapié en que esta teoría no es tan trivial como la meditación teológica de Santo Tomás de Aquino sobre si varios ángeles podían ocupar el mismo lugar, una idea que fue ridiculizado por los teólogos posteriores como especulaciones infructuosas de cuántas ángeles podían caber en la punta de una aguja, o más popularmente, en la cabeza de un alfiler. Aquino realmente respondió a esta pregunta a sí mismo diciendo que más de un ángel no podía ocupar el mismo espacio por supuesto, sin ningún teórico o experimental justificación! (Y si fueran ángeles cuántica bosónicos, lo haría se han equivocado en cualquier caso.) Presentado con una imagen tal y matemáticas adecuadas, uno podría esperar, en principio, para hacer realidad las predicciones físicas. Por ejemplo, se podría derivar una distribución de probabilidad que describe la probabilidad de encontrar diferentes tipos de cuatro universos dimensionales embebidas en una dimensión más grande multiverso. Uno podría encontrar, por ejemplo, que la mayor parte de tales universos que tienen poca energía de vacío también tienen tres familias de las partículas elementales y las cuatro fuerzas diferentes. O uno podría encontrar que sólo en universos con pequeña energía del vacío podría no existe una fuerza de largo alcance del electromagnetismo. Cualquier resultado podría proporcionar pruebas razonablemente convincentes de que un probabilístico explicación antrópica de la energía del espacio vacío en otra
palabras, encontrando que un universo que se parece a la nuestra con pequeña energía del vacío no es improbable, tiene sentido físico sólido. Sin embargo, las matemáticas todavía no nos ha traído este momento, y puede nunca lo haga. Pero a pesar de nuestra actual impotencia teórica, este no quiere decir que esta posibilidad no es en realidad realizado por naturaleza. Sin embargo, en el ínterin, la física de partículas ha tomado razonamiento antrópico un paso más allá. Los físicos de partículas están muy por delante de los cosmólogos. Cosmología ha producido una cantidad totalmente misterioso: la energía del vacío espacio, de la que entendemos casi nada. Sin embargo, la física de partículas no ha entendido muchas más cantidades para lejos más tiempo! Por ejemplo: ¿Por qué hay tres generaciones de primaria partículas-electrón, y sus primos más pesados el muón y tauón, por ejemplo, o los tres conjuntos diferentes de quarks, de los cuales el conjunto más bajo de energía constituye el grueso de la materia que encontramos en Tierra? ¿Por qué es mucho más débil que las otras fuerzas de la gravedad la naturaleza, como el electromagnetismo? ¿Por qué el protón 2, 000 veces más pesado que el electrón? Algunos físicos de partículas han subido al antrópico carro en el extremo, tal vez porque sus esfuerzos a explicar estos misterios de acuerdo a causas físicas aún no tienen tenido éxito. Después de todo, si una cantidad fundamental en la naturaleza es en realidad un accidente ambiental, ¿por qué aren 't mayoría o la totalidad de la otros parámetros fundamentales? Tal vez todos los misterios de la teoría de las partículas puede ser resuelto mediante la invocación de la misma mantra: si el universo fuera de cualquier otra manera, no podríamos vivir en ella. Uno podría preguntarse si una solución de los misterios de la naturaleza, es cualquier solución en absoluto o, más importante, si describe la ciencia como nosotros lo entendemos. Después de todo, el objetivo de la ciencia, y en en particular la física, en la última 450 años ha sido explicar por qué el universo tiene que ser la forma en que medimos que sea, en vez de por eso, en general, las leyes de la naturaleza producirían universos que son bastante diferentes. He tratado de explicar por qué esto no es exactamente el caso, es decir, por la que muchos científicos respetables han recurrido a la antrópico
principio y por qué algunos han trabajado muy duro para ver si podemos podría aprender algo nuevo acerca de nuestro universo basado en él. Permítanme ahora ir más allá y tratar de explicar cómo la existencia de universos, ya sea para siempre indetectables removidos de nosotros por distancias prácticamente infinitas en el espacio o, justo más allá de la punta de la narices, alejado de nosotros por distancias microscópicas en posible dimensiones adicionales podrían, no obstante, estar sujetos a algún tipo de pruebas empíricas. Imaginemos, por ejemplo, que inventé una teoría basada en unificar al menos tres de las cuatro fuerzas de la naturaleza de alguna de Grand Teoría Unificada, un tema de gran interés continuado en partículas la física (entre los que no han renunciado a buscar teorías fundamentales en cuatro dimensiones). Tal teoría haría hacer predicciones sobre las fuerzas de la naturaleza que nos medimos y sobre el espectro de partículas elementales que sondeamos en nuestra aceleradores. En caso de que tal teoría hacer una serie de predicciones que posteriormente son verificados en nuestros experimentos, tendríamos muy buenas razones para sospechar que contiene un germen de verdad. Ahora, supongamos que esta teoría también predice un período de inflación en los inicios del universo, y de hecho predice que nuestra época inflacionaria no es más que una de una serie de episodios de este tipo en un eternamente inflar multiverso. Incluso si no pudiéramos explorar las existencias de tales regiones más allá de nuestro horizonte directamente, pues, como ya he dicho antes, si camina como un pato y grazna como un pato. . . Bueno, ya sabes. Encontrar posible apoyo empírico a las ideas que rodean dimensiones extra es más descabellada, pero no imposible. Muchos teóricos brillantes jóvenes están dedicando sus carreras profesionales para la esperanza de desarrollar la teoría hasta el punto donde no podría sea cierta evidencia, ni siquiera indirecta, que es correcta. Sus esperanzas podría estar fuera de lugar, pero han votado con sus pies. Quizás algunas pruebas del nuevo Gran Colisionador de Hadrones, cerca de Ginebra revelará alguna ventana oculta de otra manera en esta nueva física. Así que, después de un siglo de progreso notable, realmente sin precedentes en nuestra comprensión de la naturaleza, nos hemos visto capaces de sondear el universo en las escalas que antes eran inimaginables. Hemos comprendido la naturaleza de la expansión del Big Bang de nuevo a sus primeros microsegundos y han descubierto la existencia de cientos de miles de millones de nuevas galaxias, con cientos de miles de millones de
nuevas estrellas. Hemos descubierto que 99 por ciento del universo es realidad invisible para nosotros, que comprende la materia oscura que es más probable alguna nueva forma de partículas elementales, y aún más oscuro energía, cuyo origen sigue siendo un completo misterio en la actualidad tiempo. Y después de todo esto, puede ser que la física se convertirá en una "Ciencia del medio ambiente". Las constantes fundamentales de la naturaleza, por lo que larga supone adquirir una importancia especial, sólo puede ser accidentes ambientales. Si nosotros, los científicos tienden a tomar nosotros mismos y nuestra ciencia demasiado en serio, tal vez también hemos tomado nuestro universo demasiado en serio. Tal vez, literalmente, así como metafóricamente, estamos haciendo mucho ruido y pocas nueces. Por lo menos podemos estar haciendo demasiado de la nada que domina nuestro universo! Quizás nuestro universo es más bien como una lágrima enterrada en un vasto océano multiversal de posibilidades. Tal vez nunca vamos a encontrar una teoría que describe por qué el universo tiene que ser la manera que es. O tal vez lo haremos.
Que, finalmente, es la imagen más precisa que puedo pintar la realidad como la entendemos ahora. Se basa en el trabajo de decenas de miles mentes de dedicados durante el siglo pasado, la construcción de algunos de los la mayoría de las máquinas complejas jamás concebido y el desarrollo de algunos de los y también las ideas más complejas más bellos con los que la humanidad ha tenido que lidiar. Es un cuadro cuya creación hace hincapié en el mejor de lo que es ser humano, nuestra capacidad de imaginar las enormes posibilidades de la existencia y la audacia para explorar valientemente les-sin pasar el buck a una fuerza creativa vaga o para un creador que es, por definición, siempre insondable. Se lo debemos a nosotros mismos para extraer la sabiduría de esta experiencia. Hacer lo contrario sería hacer un flaco favor a todos los individuos brillantes y valientes que nos ayudaron a llegar a nuestro actual estado del conocimiento. Si queremos sacar conclusiones filosóficas acerca de nuestra propia existencia, nuestro significado, y el significado del universo sí, nuestras conclusiones deben basarse en el conocimiento empírico. La verdaderamente mente abierta significa forzar nuestra imaginación para adaptarse a la la evidencia de la realidad, y no al revés, si nos gusta o no la implicaciones.
CAPÍTULO 9
NADA Es ALGO
Yo no te importa no saber. Se doesn 't me asusta. -RICHARD Feynman
Isaac Newton, tal vez el más grande físico de todos los tiempos, profundamente cambiado la forma en que pensamos sobre el universo en muchos maneras. Pero tal vez la contribución más importante que hizo fue para demostrar la posibilidad de que el universo entero es explicable. Con su ley de la gravitación universal, demostró por la primera vez que hasta los cielos pueden doblar a la potencia de leyes naturales. Un extraño, hostil, amenazante, y aparentemente universo caprichoso podría ser nada de eso. Si las leyes inmutables rigen el universo, los dioses míticos de la antigua Grecia y Roma habría sido impotente. Ya Está habría sido no hay libertad para doblar arbitrariamente el mundo para crear problemas espinosos para la humanidad. Lo que llevó a cabo para Zeus haría también se aplican al Dios de Israel. ¿Cómo pudo el Sol permanece inmóvil a mediodía si el Sol no orbitar la Tierra, pero su movimiento en el cielo fue en realidad causada por la rotación de la Tierra, que, si de repente se detuvo, produciría fuerzas en su superficie que haría destruir todas las estructuras humanas y los seres humanos junto con ellos? Por supuesto, los actos sobrenaturales son los milagros que se trata. Son, después de todo, precisamente aquellas cosas que eluden las leyes de la naturaleza. Un dios que puede crear las leyes de la naturaleza puede presumiblemente también eludir a voluntad. Aunque por qué se habría burlado tan liberalmente miles de años
hace, antes de la invención de los instrumentos modernos de comunicación que pudo haberlos grabado, y no hoy, todavía es algo que preguntarse sobre. En cualquier caso, incluso en un universo sin milagros, cuando esté frente a un orden subyacente profundamente simple, puede dibujar dos conclusiones diferentes. Uno, dibujado por el propio Newton, y anterior adoptada por Galileo y una serie de otros científicos sobre el año, fue que dicha orden fue creado por una inteligencia divina responsable no sólo para el universo, sino también para nuestra propia existencia, y que nosotros, los seres humanos fueron creados a su imagen (Y al parecer otros seres complejos y hermosos no eran!). La otra conclusión es que las leyes mismas son todo lo que existe. Estas leyes mismas requieren nuestro universo a entrar en existencia, para desarrollar y evolucionar, y nosotros somos una licencia irrevocable por producto de estas leyes. Las leyes pueden ser eterno, o también ellos han venido a la existencia, de nuevo por algunos todavía desconocidos pero proceso posiblemente puramente físico. Los filósofos, teólogos, y en ocasiones los científicos continúan debatir estas posibilidades. No sabemos a ciencia cierta cuál de ellos en realidad describe nuestro universo, y tal vez nunca nos saber. Pero el punto es, como he subrayado en el comienzo mismo de este libro, el árbitro final de esta cuestión no vendrá de esperanza, el deseo, la revelación, o el pensamiento puro. Vendrá, si alguna vez hace, de una exploración de la naturaleza. Sueño o pesadilla, como Jacob Bronowski dijo en la cita de apertura en el libro-e persona sueño s en este caso puede ser fácilmente otro 's pesadilla tenemos que vivir nuestra experiencia como es y con los ojos abiertos. La universo es como es, nos guste o no. Y aquí, creo que es extremel significativa que un universo dey nada, en un sentido que tomará la molestia de describir, que surge naturalmente, e incluso inevitable, es cada vez más consistente con todo lo que hemos aprendido sobre el mundo. Este aprendizaje tiene no provienen de reflexiones filosóficas o teológicas sobre la moralidad o otras especulaciones acerca de la condición humana. Se basa en vez sobre los acontecimientos notables y emocionantes en empírica la física y la cosmología de partículas que he descrito.
Quiero por lo tanto volver a la pregunta que he descrito al principio de este libro: ¿Por qué hay algo en vez de nada? Somos ahora presumiblemente en una mejor posición para hacer frente a esto, tener revisado la imagen científica moderna del universo, su historia, y su posible futuro, así como descripciones operacionales de lo "Nada" en realidad podría comprender. Como también aludí al a partir de este libro, esta cuestión también ha sido informado por ciencia, al igual que prácticamente todos estos problemas filosóficos. Lejos de proporcionando un marco que obliga a nosotros la exigencia de un creador, el verdadero significado de las palabras involucradas así han cambiado que la sentencia ha perdido gran parte de su significado original algo que de nuevo no es raro, ya que el conocimiento empírico brilla una nueva luz sobre los rincones oscuros de lo contrario nuestra imaginación. Al mismo tiempo, en la ciencia tenemos que ser particularmente prudente acerca de "por qué". Cuando nos preguntamos, "¿Por qué?" nos referimos generalmente "Cómo?" Si somos capaces de responder a la última, que por lo general es suficiente para que nuestra propósitos. Por ejemplo, podríamos preguntar: "¿Por qué la Tierra 93 millón de millas del Sol? ", pero lo que realmente significa, probablemente, es: "¿Cómo es la Tierra 93 millón de millas del Sol? "Es decir, están interesados en lo que los procesos físicos llevaron a la Tierra termina en su posición actual. "¿Por qué" sugiere implícitamente propósito, y cuando tratamos de comprender el sistema solar en términos científicos, que no suelen propósito atribuyen a él. Así que voy a asumir lo que esta pregunta significa realmente para preguntar es: "¿Cómo es que hay algo en lugar de nada?" "Cómo" preguntas son realmente los únicos que podemos proporcionar definitiva respuestas a través del estudio de la naturaleza, sino porque esto suena oraciones mucho más extraño en el oído, espero que me perdonen si me a veces caer en la trampa de parecer para discutir más formulación estándar cuando yo estoy tratando de responder a la "cómo" pregunta más específica. Incluso en este caso, desde la perspectiva de la real comprensión, este especial "cómo" ha sido suplantada por una serie de preguntas operacionalmente más fructíferos, tales como: "¿Qué podría tener producido las propiedades del universo que lo más llamativo caracterizarlo en la actualidad? "o, tal vez más importante, "¿Cómo podemos saber?"
Aquí quiero vencer una vez más lo que deseo fuera un caballo muerto. Framing preguntas de esta manera permite la producción de nuevo conocimiento y comprensión. Esto es lo que los diferencia desde cuestiones puramente teológicas, que generalmente suponen la respuestas por adelantado. De hecho, he desafiado varios teólogos a proporcionar evidencia que contradice la premisa de que la teología tiene hecho ninguna contribución al conocimiento en los últimos 500 años por lo menos, desde los albores de la ciencia. Hasta ahora nadie ha proporcionado una contraejemplo. Lo más que he conseguido de nuevo fue la consulta, "¿Qué quieres decir con conocimiento?" Desde una perspectiva epistemológica perspectiva de que esto puede ser un tema espinoso, pero sostener que, si hay eran una alternativa mejor, alguien habría presentado. Tenía yo presentado el mismo reto para los biólogos, o psicólogos, o historiadores, o astrónomos, ninguno de ellos hubiera sido tan desconcertado. Las respuestas a este tipo de preguntas fecundas implican predicciones teóricas que pueden ser probadas a través de experimentos de conducir nuestro conocimiento operativo del universo hacia adelante de forma más directa. En parte por esta razón, me he centrado en esos fructíferos preguntas hasta a este punto en este libro. Sin embargo, el "algo de nada pregunta "sigue teniendo gran vigencia y, por tanto, probablemente necesita ser confrontado.
Trabajo de Newton s redujo drásticamente el posible dominio de Dios 's acciones, si está o no atribuye ningún inherente la racionalidad del universo. No sólo las leyes de Newton s severamente restringir la libertad de acción de una deidad, prescindieron de varios requisitos para la intervención sobrenatural. Newton descubrió que el movimiento de los planetas alrededor del Sol no les exija estar presionado continuamente a lo largo de sus trayectorias, pero más bien, y muy nonintuitively, tengan que estar tirado por un fuerza que actúa hacia el Sol, prescindiendo así de la necesidad de la ángeles que fueron a menudo invocados anteriormente como guía los planetas en su camino. Mientras que prescindir de este uso particular de los ángeles ha tenido poco impacto en la disposición de las personas a creer en ellos (Encuestas sugieren que muchas más personas creen en los ángeles en los Estados Unidos que creen en la evolución), es justo decir que el progreso en ciencia desde Newton ha aún más severamente limitado la
oportunidades disponibles para la mano de Dios que se manifiesta en su obra implícita. Podemos describir la evolución del universo de nuevo a la primeros momentos del Big Bang, sin necesidad específica de nada más allá de las leyes físicas conocidas, y tenemos también descrito probable futura historia del universo 's. Es cierto que hay aún desconcierta sobre el universo que no entiendes, pero yo soy va a suponer que los lectores de este libro no están casados con un Foto "Dios de las brechas", mediante el cual se invoca a Dios cada vez que hay algo específico acerca de nuestras observaciones que parece desconcertante o no está completamente entendido. Incluso los teólogos reconocen que dicho recurso no sólo disminuye la grandeza de su suprema ser, pero también abre de que ser hasta que se retira o más marginados siempre nuevo trabajo explica o elimina el rompecabezas. En este sentido, el argumento "algo de la nada" realmente trata de centrarse en el acto original de la creación y se pregunta si un explicación científica nunca puede ser lógicamente completa y totalmente satisfaciendo al abordar esta cuestión específica. Resulta que, dada nuestra actual comprensión de la naturaleza, hay tres significados distintos, diferentes para el "algo de la nada ", pregunta. La respuesta corta a cada uno es" bastante plausiblemente sí, "y voy a discutir cada uno de ellos en el resto de este libro como intento de explicar por qué o, como he argumentado en este momento, mejor aún cómo. La maquinilla de afeitar de Occam s sugiere que, si algún evento está físicamente plausibles, que don 't necesidad de apelar a reclamaciones más extraordinarios para su ser. Sin duda, la exigencia de una deidad todopoderosa que existe alguna manera fuera de nuestro universo, o multiverso, mientras que en al mismo tiempo que regula lo que pasa en su interior, es un tal reclamación. Por tanto, debería ser una afirmación de la última, en lugar de primero, resort. Ya he argumentado en el prefacio de este libro que simplemente definir la "nada" como "no-ser" no es suficiente para sugerir que la física, y más en general la ciencia, no es suficiente para abordar la cuestión. Déjenme darles un adicional, más específica argumento aquí. Considere la posibilidad de un par electrón-positrón que hace estallar espontáneamente de espacio vacío cerca del núcleo de un átomo y afecta la propiedad de ese átomo para el poco tiempo la existe par. ¿En qué sentido el electrón o positrón existen antes?
Seguramente por cualquier definición razonable de que dejase 't. Hubo potencial para su existencia, sin duda, pero que doesn 't definen ser cualquier más que un ser humano en potencia existe porque llevo esperma en mis testículos cerca de una mujer que está ovulando, y ella y yo podría compañero. De hecho, la mejor respuesta que han oído hablar alguna vez de la cuestión de lo que sería como estar muerto (i. e., ser no-ser) es imaginar cómo se sentía al ser antes de que fueras concebido. En cualquier caso, si potencial para existir fuera lo mismo que la existencia, entonces estoy seguro que a estas alturas la masturbación sería botón tan caliente como una cuestión jurídica aborto es ahora.
El Orígenes Proj ect en la Universidad Estatal de Arizona, que dirijo, publicó recientemente un taller sobre el origen de la vida, y no puedo dejar de pero ver el presente debate cosmológico en este contexto. Hacemos todavía no entienden completamente cómo se originó la vida en la Tierra. Sin embargo, tenemos no sólo los mecanismos químicos plausibles por los cuales esto podría ser concebible, pero también estamos homing en cada vez más cerca todos los días a las vías específicas que podrían haber permitido biomoléculas, incluyendo ARN, que surjan de forma natural. Por otra parte, La evolución darwiniana, basada en la selección natural, proporciona una imagen convincente precisa de la vida de la complejidad surgió en este planeta lo siguiente química específica produjo el primeras células fielmente auto-replicantes con un metabolismo que capturado la energía de su entorno. (Como bien una definición de la vida como me ocurre por el momento.) Así como Darwin, aunque a regañadientes, eliminado la necesidad de divina intervención en la evolución del mundo moderno, lleno de vida diversa en todo el planeta (aunque dejó la puerta abierta a la posibilidad de que Dios ayudó a dar vida a las primeras formas), nuestra comprensión actual del universo, su pasado y su futuro que sea más plausible que "algo" puede surgir de la nada sin la necesidad de ninguna guía divina. Debido a la dificultades teóricas observacionales y afines asociados con trabajando en los detalles, espero que nunca podremos lograr más de plausibilidad en este sentido. Pero plausibilidad sí, en mi opinión, es un tremendo paso hacia adelante a medida que continuamos para reunir el coraje para vivir una vida con sentido en un universo que probablemente vinieron a la existencia,
y puede desaparecer de la existencia, sin propósito, y sin duda sin nosotros en su centro. Deje que 's ahora regresan a una de las características más notables de nuestra Universo: es tan cerca de ser plana como podemos medir. Me recuerdo que de la faceta única de un universo plano, al menos en escalas donde que está dominado por la materia en forma de galaxias, y donde un Aproximación newtoniana sigue siendo válida: en un universo plano, y sólo en un universo plano, la gravitación newtoniana promedio energía de cada objeto que participa en la expansión es precisamente cero. Hago hincapié en que se trataba de un postulado falsable. Se dejase 't tiene por qué ser así. Nada requiere esta excepción teórica especulaciones basadas en consideraciones de un universo que podrían tener surgido naturalmente de nada, o por lo menos, a partir de casi nada. No puedo insistir demasiado en la importancia del hecho de que, una vez que la gravedad está incluido en nuestras consideraciones de la naturaleza, uno ya no es libre para definir la energía total de un sistema arbitrariamente, ni el hecho de que hay dos contribuciones positivas y negativas a esta energía. La determinación de la energía gravitacional total de objetos está llevando junto con la expansión del universo es no sujetos a arbitraria definición más que la curvatura geométrica del universo es una cuestión de definición. Es una propiedad del espacio mismo, de acuerdo la relatividad general, y esta propiedad del espacio está determinada por la energía contenida dentro de ella. Digo esto porque se ha argumentado que la afirmación de que la promedio de la energía gravitacional newtoniana total de todas las galaxias en un , universo plano en expansión es el cero es arbitrario, y que cualquier otra valor sería igual de bueno, pero que los científicos "definir" el cero punto de argumentar en contra de Dios. Así afirmó Dinesh D'Souza, de todos modos, en sus debates con Christopher Hitchens sobre la existencia de Dios. Nada podría estar más lejos de la verdad. El esfuerzo por determinar la curvatura del universo era una empresa lleva a cabo sobre medio siglo por científicos que dedicaron sus vidas a determinar la naturaleza real del universo, no para imponer su propia deseos sobre ella. Incluso mucho después de los argumentos teóricos sobre por qué primero se propuso el universo debe ser plana, mi colegas de observación, durante los 1 980s y hasta principios de los años 990 1,
permanecido empeñado en demostrar lo contrario. Porque, después de todo, en la ciencia uno logra el mayor impacto (ya menudo los más grandes titulares) no por estar de acuerdo con la manada, pero por tronzado contra. Sin embargo, los datos han tenido la última palabra, y la última palabra está en. Nuestro universo observable es tan cerca de ser plana como podamos medir. La energía gravitacional newtoniana de las galaxias en movimiento junto con la expansión Hubble es cero nos guste o no. Ahora me gustaría describir cómo, si nuestro universo surgió de nada, un universo plano, uno con cero total newtoniana energía gravitacional de cada objeto, es precisamente lo que debemos esperar. El argumento es un poco sutil, más sutil que he estado capaz de describir en mis conferencias populares sobre el tema, así que estoy feliz de tener el espacio aquí para tratar con cuidado para ponerlo hacia fuera. En primer lugar, quiero ser claro acerca de qué tipo de "nada" Estoy discutiendo en este momento. Esta es la versión más simple de la nada, a saber espacio vacío. Por el momento, voy a suponer que existe el espacio, con nada en absoluto en ella, y que también existen las leyes de la física. Una vez más, me doy cuenta de que en las versiones revisadas de la nada que aquellos que desean redefinir continuamente la palabra para que no definición científica es práctico, esta versión de la nada doesn 't corte la mostaza. Sin embargo, sospecho que, en los tiempos de Platón y Aquino, cuando se cuestionaba cómo había algo más que nada, el espacio vacío sin nada en él era probablemente una buena aproximación de lo que estaban pensando. Como vimos en el capítulo 6, Alan Guth ha explicado con precisión cómo podemos obtener algo de este tipo de nada-lo último libre almuerzo. El espacio vacío puede tener una energía distinta de cero asociado con él, incluso en ausencia de cualquier materia o radiación. La relatividad general nos dice que el espacio se expandirá de forma exponencial, por lo que incluso el región más pequeña en los primeros tiempos podría abarcar rápidamente un tamaño más que lo suficientemente grande para contener nuestro universo visible toda la actualidad. Como también he descrito en este capítulo, durante tal una rápida expansión, la región que eventualmente abarcar nuestro universo obtendrá más plano y más plana, incluso cuando la energía contenida dentro espacio vacío crece a medida que el universo crece. Este fenómeno ocurre sin necesidad de ningún abracadabra o milagrosa intervención. Esto es posible debido a que la "presión" de la gravedad asociado con tal energía en el espacio vacío es en realidad negativa.
Esta "presión negativa" implica que, como el universo se expande, la expansión vuelca energía en espacio y no al revés. De acuerdo con esta imagen, cuando termina la inflación, la energía almacenado en el espacio vacío se excita en una energía de partículas reales y la radiación, creando efectivamente el principio de nuestra trazable actual expansión del Big Bang. Digo el inicio porque trazable inflación efectivamente borra cualquier memoria del estado de la universo antes de que comenzara. Todas las complejidades e irregularidades en inicialmente grandes escalas (si el universo preexistente inicial o metaverso eran grandes, incluso infinitamente grande) conseguir alisó y / o conducido hasta ahora fuera de nuestro horizonte hoy que siempre nos quedará observar un universo casi uniforme después de bastante inflacionario expansión ha tenido lugar. Digo casi uniforme porque también he descrito en capítulo 6cómo la mecánica cuántica siempre dejar algo residual, pequeño fluctuaciones de densidad que se congelan durante el inflado. Esto da lugar a la segunda asombrosa implicación de la inflación, que de pequeña densidad fluctuaciones en el espacio vacío, debido a las reglas de la cuántica la mecánica más tarde será responsable de toda la estructura que observar en el universo actual. Así que, y todo lo que vemos, como resultado de las fluctuaciones cuánticas en lo que es esencialmente la nada cerca del comienzo de los tiempos, es decir, durante el expansión inflacionaria. Después se liquida todo el polvo, la configuración genérica de la materia y la radiación será la de un universo esencialmente plana, uno en el que la energía gravitacional newtoniana promedio de todos objetos parecen ser cero. Esto casi siempre será el caso, a menos que uno podía muy cuidadosamente ajustar la cantidad de la inflación. Por lo tanto, nuestro universo observable puede comenzar como un microscópicamente pequeña región del espacio, que puede ser esencialmente vaciar, y todavía creciendo a grandes escalas que contienen eventualmente una gran cantidad de materia y radiación, todo ello sin que cuesta una gota de energía, con suficiente materia y la radiación para dar cuenta de todo lo que vemos hoy! El punto importante Cabe destacar en este breve resumen de la dinámica inflacionaria discutidos en capítulo 6es que algo puede surgir de espacio vacío precisamente porque la energética de espacio vacío, en presencia de gravedad, son no lo común
sentido nos hubiera guiado a sospechar antes de que descubriéramos la que establecen las leyes de la naturaleza. Pero nadie ha dicho que el universo se rige por lo que, en nuestras esquinas miopes menores de espacio y tiempo, podrían tener originalmente pensamiento fue sensible. Ciertamente parece razonable imaginar que un priori, la materia no puede surgir espontáneamente de espacio vacío, por lo que algo, en este sentido, no puede surgir de nada. Pero cuando tenemos en cuenta la dinámica de la gravedad y la mecánica cuántica, que encontró que esta noción de sentido común ya no es cierto. Este es el belleza de la ciencia, y no debería ser una amenaza. Ciencia simplemente nos obliga a revisar lo que es razonable para acomodar el universo, y no al revés. Resumiendo entonces: la observación de que el universo es plano y que la energía gravitacional newtoniana local es esencialmente cero hoy en día es muy sugestiva de que nuestro universo surgió a través de una proceso como el de la inflación, un proceso por el cual la energía de espacio vacío (nada) se convierte en la energía de algo, en un momento durante el funcionamiento del universo y más cerca más cerca de ser esencialmente exactamente plana en todas las escalas observables. Mientras que la inflación se muestra cómo el espacio vacío dotado energía puede crear eficazmente todo lo que vemos, junto con un universo increíblemente grande y plana, sería ingenuo sugerir que el espacio vacío dotado de energía, que acciona la inflación, es realmente nada. En esta imagen se debe asumir que existe espacio y puede almacenar energía, y uno utiliza las leyes de la física como la relatividad general para calcular las consecuencias. Así que si paramos aquí, uno podría estar justificado al afirmar que moderno la ciencia es muy lejos de abordar realmente cómo conseguir algo de la nada. Esto es sólo el primer paso, sin embargo. A medida que expandimos nuestro entendimiento, vamos a ver que al lado de la inflación puede representar simplemente la punta de un iceberg cósmico de la nada.
CAPÍTULO 10
NADA Es INESTABLE
Fiat justitia-ruat Caelum. (Justicia, y dejar que el skiesDo caer.) PROVERBIO ROMANA-antiguo
La existencia de la energía en el espacio-el vacío descubrimiento de que sacudido nuestro universo cosmológico y la idea de que forma la cimiento de la inflación de sólo refuerza algo acerca de la mundo cuántico que ya estaba bien establecida en el contexto de los tipos de experimentos de laboratorio que ya he descrito. El espacio vacío es complicado. Es una cerveza de ebullición virtuales partículas que entran y salen de la existencia en un tiempo tan corto que no puede ver directamente. Las partículas virtuales son manifestaciones de una propiedad básica de sistemas cuánticos. En el corazón de la mecánica cuántica es una regla que a veces gobierna políticos o consejeros delegados, siempre y cuando no hay nadie viendo, todo vale. Sistemas continúan moviéndose, si sólo momentáneamente, entre todos los estados posibles, incluidos los Estados que no se permitiría si se está midiendo realmente el sistema. Estos "fluctuaciones cuánticas" implican algo esencial sobre la cuántica mundo: nada siempre produce algo, aunque sólo sea por un instante. Pero aquí está el problema. La conservación de la energía nos dice que sistemas cuánticos pueden portarse mal sólo por un tiempo. Como malversación de los corredores de bolsa, si el estado que un sistema fluctúa en furtivamente requiere algo de energía desde el espacio vacío, entonces el sistema de
tiene que devolver esa energía en un tiempo lo suficientemente corto como para que nadie medir el sistema puede detectarlo. Como resultado, es posible presumir que discutir con seguridad que esta "Algo" que es producida por las fluctuaciones cuánticas es efímera, no medible, a diferencia, por ejemplo, usted o YOo la Tierra en que vivimos. Pero esta creación efímera, también, está sujeta a la circunstancias asociadas con nuestras mediciones. Por ejemplo, considerar el campo eléctrico que emana de un objeto cargado. Es definitivamente real. Usted puede sentir la fuerza eléctrica estática en el cabello o ver un palillo del globo a una pared. Sin embargo, la teoría cuántica del electromagnetismo sugiere que el campo estático es debido a la emisión, por las partículas cargadas que participan en la producción del campo, de los fotones virtuales que tienen esencialmente cero energía total. Estos partículas virtuales, porque tienen energía cero, pueden propagar a través del universo sin desaparecer, y el campo debido a la superposición de muchas de ellas es tan real que se puede sentir. A veces las condiciones son tales que, partículas masivas reales pueden de hecho estallar hacia fuera del espacio vacío con impunidad. En un ejemplo, dos placas cargadas son llevados juntos y, una vez que el campo eléctrico se pone bastante fuerte entre ellos, se convierte en energéticamente favorable para un par verdadera partícula-antipartícula a "pop" a partir del vacío, con la carga negativa con dirección a la placa positiva y la carga positiva hacia el negativo. En Al hacerlo, es posible que la reducción de la energía derivada de la reducción de la carga neta sobre cada una de las placas y por lo tanto la campo eléctrico entre ellos puede ser mayor que la energía asociado con la energía masa en reposo requerido para producir dos bienes partículas. Por supuesto, la fuerza del campo tiene que ser enorme para una condición tal que sea posible. En realidad, hay un lugar donde fuertes campos de un tipo diferente podría permitir a un fenómeno similar a la descrita anteriormente para ocurrir, pero en este caso debido a la gravedad. Esta toma de conciencia en realidad Stephen Hawking hizo famoso entre los físicos en 1 974, cuándo demostró que podría ser posible para el negro orificios de salida de las cuales, en la ausencia de consideraciones mecánicas cuánticas al menos, nada puede escapar a emitir partículas físicas. Hay muchas maneras diferentes para tratar de entender esto fenómeno, pero uno de ellos es sorprendentemente familiar a la situación
Que he descrito anteriormente con campos eléctricos. Fuera del núcleo de negro agujeros es un radio llamado el "horizonte de sucesos". Dentro de un evento horizonte, ningún objeto puede escapar clásico porque el escape la velocidad supera la velocidad de la luz. Por lo tanto, ni siquiera la luz emitida dentro de esta región no lo hará fuera del horizonte de sucesos. Ahora imagine una partícula-antipartícula par nuclea de vacío espacio justo fuera del horizonte de sucesos debido a cuántica las fluctuaciones en esa región. Es posible, si una de las partículas en realidad se inscribe en el horizonte de sucesos, para que perdiera suficiente energía gravitacional por caer en el agujero negro que esta energía supera el doble de la masa en reposo de cualquiera de las partículas. Esto significa que el partícula pareja puede volar hacia el infinito y ser observable sin cualquier violación de la conservación de energía. La energía total positiva asociada a la partícula radiada es más que compensado por la pérdida de energía experimentada por su socio de partícula que cae en el agujero negro. Por tanto, el agujero negro puede emitir partículas. La situación es aún más interesante, sin embargo, precisamente porque la energía perdida por la partícula que cae es mayor que la energía positiva asociada con su masa en reposo. Como resultado, cuando se cae en el agujero negro, el sistema de red del agujero negro más el partícula en realidad tiene menos energía que lo hizo antes de que cayera la partícula en! El agujero negro se pone por lo tanto en realidad encendedor después de la partícula cae en por una cantidad que es equivalente a la energía llevar por la partícula radiada que se escapa. Con el tiempo el agujero negro puede irradiarse por completo. En este punto no sabemos porque las etapas finales de la evaporación de un agujero negro implican la física en tales pequeña distancia escalas que la relatividad general por sí sola no nos la puede decir respuesta final. En estas escalas, la gravedad debe ser tratado como un totalmente teoría de la mecánica cuántica, y nuestra comprensión actual de la la relatividad general no es suficiente para permitirnos determinar precisamente lo que va a pasar. Sin embargo, todos estos fenómenos implican que, en el marco del derecho condiciones, no sólo puede no llegar a ser algo, es necesario a. Un ejemplo temprano en la cosmología del hecho de que "nada" lata ser inestable y formar algo viene de los esfuerzos para comprender Por eso vivimos en un universo de la materia.
Es probable que don 't despiertan cada mañana preguntándose sobre esto, pero el hecho de que nuestro universo contiene materia es notable. Lo que es particularmente notable de esto es que, en la medida que podamos diga, nuestro universo no contiene cantidades sustanciales de Se requiere la antimateria, que se recordará a existir por cuántico la mecánica y la relatividad, por lo que por cada partícula que sabemos de la naturaleza, no puede existir una antipartícula equivalente con carga opuesta y la misma masa. Cualquier universo sensible en su creación, se podría pensar, contendría cantidades iguales de ambos. Después de todo, las antipartículas de partículas normales tienen la misma masa y otras propiedades similares, por lo que si las partículas se crearon a comienzos tiempos, habría sido igual de fácil para crear antipartículas. Alternativamente, podríamos incluso imaginar un universo de antimateria en que todas las partículas que componen las estrellas y las galaxias eran reemplazado con sus antipartículas. Tal universo parecería ser casi idéntica a la que vivimos. Los observadores de tal universo (mismos hechos de antimateria)lo haría sin duda llamada lo que llamamos la antimateria como materia. El nombre es arbitrario. Sin embargo, si nuestro universo comenzó con sensatez, con cantidades iguales de la materia y la antimateria, y se quedó de esa manera, que wouldn 't ser a preguntar "¿Por qué?" o "¿Cómo?" Esto se debe a que todas las partículas de cuestión habría aniquilado con todas las partículas de antimateria en los inicios del universo, dejando nada más que la radiación pura. No importa o antimateria sería dejado a compensar estrellas o galaxias, o para compensar los amantes o antilovers que de otra manera un día de la mirada y ser despertado por el espectáculo del cielo nocturno en cada otros 's armas. Ningún drama. Historia consistiría en vacío, una baño de radiación que se enfríe lentamente, llevando en última instancia a un resfriado, , universo sombrío oscuro. Nada reinaría supremo. Los científicos empezaron a entender en los 1 970s, sin embargo, que es posible empezar con cantidades iguales de materia y antimateria en uno de los primeros en caliente, denso Big Bang, y para los procesos cuánticos plausibles "crear algo de la nada", mediante el establecimiento de un pequeño asimetría, con un ligero exceso de materia sobre la antimateria en el universo temprano. Entonces, en lugar de la aniquilación completa de la materia y la antimateria, lo que lleva a nada más que la radiación pura hoy, todos la antimateria disponible en los inicios del universo podría tener aniquilado con la materia, pero el pequeño exceso de materia tendría
no tenía ninguna cantidad comparable de antimateria para aniquilar con, y luego se sobra. Esto entonces conducir a toda la materia que forman las estrellas y galaxias que vemos hoy en el universo. Como resultado, lo que de otro modo podría parecer una pequeña logro (estableciendo una pequeña asimetría en los primeros tiempos) podría en cambio ser considerado casi como el momento de la creación. Porque una vez que una asimetría entre materia y antimateria era creado, nada podría posteriormente ponerlo en pedazos. La historia futura de un universo lleno de estrellas y galaxias se escribió en esencia. Partículas de antimateria se aniquilarían con las partículas de materia en los inicios del universo, y el exceso restante de las partículas de materia sobreviviría hasta el presente, estableciendo el carácter del universo visible que conocemos y amamos y vivimos. Incluso si la asimetría eran 1parte en mil millones no sería suficiente materia sobra para dar cuenta de todo lo que vemos en el Universo actual. De hecho, una asimetría de 1parte en mil millones o así es precisamente lo que era necesario, porque hoy en día hay aproximadamente 1 mil millones de fotones en el fondo cósmico de microondas para cada protones en el universo. Los fotones cmbr son los restos, en esta imagen, de la década de aniquilaciones materia-antimateria cerca de la principio de los tiempos. Una descripción definitiva de cómo este proceso podría tener sucedido en el universo temprano hoy no existe porque nosotros aún no han plenamente y empíricamente establecido la naturaleza detallada del mundo microfísica en las escalas donde esta asimetría era probable que se hayan generado. Sin embargo, una serie de diferentes escenarios posibles se ha explorado sobre la base de la mejores ideas actuales que tienen acerca de la física a estas escalas. Mientras difieren en los detalles, todos ellos tienen la misma en general características. Procesos cuánticos asociados con primaria partículas en el baño de calor primordial inexorablemente pueden conducir un vacío universo (o equivalentemente un simétrico inicialmente materia-antimateria universo) casi imperceptiblemente hacia un universo que será dominado por la materia o antimateria. Si podría haber sido para cualquiera, ¿era entonces sólo un accidente circunstancial de que nuestro universo llegó a ser dominado por la materia? Imagínese estar en la cima de una montaña alta y disparo. La dirección en la que se cae no estaba predestinado, sino más bien es un
accidente, dependiendo de la dirección que estaban buscando en o en qué momento de su paso tropezó. Quizás igualmente nuestra universo es así, y aunque las leyes de la física son fijos, la dirección final de la asimetría entre materia y antimateria fue impulsado por alguna condición inicial aleatoria OUST como en el caso de tropezar por la montaña, la ley de la gravedad es fijo y determina que va a caer, pero su dirección puede ser una accidente). Una vez más, nuestra propia existencia en ese caso sería un accidente ambiental. Independiente de esta incertidumbre, sin embargo, es el hecho notable que una característica de las leyes subyacentes de la física cuántica puede permitir procesos para impulsar el universo lejos de un estado sin rasgos. El físico Frank Wilczek, que fue uno de los primeros teóricos de explorar estas posibilidades, me ha recordado que él utilizó precisamente en el mismo idioma que yo he utilizado anteriormente en este capítulo, en el 1 980 Scientific American artículo que escribió sobre la asimetría materia-antimateria del universo. Después de describir cómo plausiblemente podría generarse una asimetría materia-antimateria en los inicios del universo basado en nuestra nueva comprensión de la partícula la física, añadió una nota que este proporciona una forma de pensar sobre la respuesta a la pregunta de por qué hay algo en lugar que nada: nada es inestable. El punto de Frank estaba enfatizando es que el exceso medido de la materia sobre la antimateria en el universo parece a primera vista a ser un obstáculo para imaginar un universo que podría surgir de un inestabilidad en el espacio vacío, con la nada producir un Big Bang. Pero si esa asimetría podría surgir de forma dinámica después del Big Bang, se elimina esa barrera. Como él mismo dijo:
Uno puede especular que el universo comenzó en el más simétrica posible estado y que en tal estado no importa existido; el universo era un vacío. Existía un segundo estado, y en ella existido materia. El segundo estado tenía un poco menos simetría, sino también fue inferior en energía. Eventualmente un parche de la fase menos simétrica apareció y creció rápidamente. La energía liberada por la transición encontró la forma en la creación de partículas. Este evento podría ser identificado con el gran
bang. . . La respuesta a la antigua pregunta "¿Por qué hay algo en lugar de nada? "sería que" nada "es inestable.
Antes de continuar, sin embargo, estoy de nuevo acuerdo de la similitudes entre la discusión que acabamos de dar de una cuestión antimateria y las discusiones que tuvimos en nuestro reciente Orígenes del taller a explorar nuestra comprensión actual de la naturaleza de la vida en el universo y su origen. Mis palabras fueron diferentes, pero el problemas fundamentales son notablemente similares: ¿Qué proceso físico específico en los primeros momentos de la Tierra 's la historia podría haber dado lugar a la creación del primer replicante biomoléculas y el metabolismo? Al igual que en los años 970 1 en la física, la última década ha visto un progreso increíble en la biología molecular. Hemos aprendido de las vías orgánicas naturales, por ejemplo, que podría producir, en condiciones plausibles, ácidos ribonucleicos, largo pensado para ser los precursores de nuestro mundo moderno basado en el ADN. Hasta hace poco se consideraba que tal vía directa era posible y que algunas otras formas intermedias deben haber jugado una tecla papel. Ahora algunos bioquímicos y biólogos moleculares dudan de que la vida pueden surgir naturalmente de no vida, a pesar de que los detalles son todavía para ser descubierto. Pero, como hemos hablado de todo esto, una común subtexto impregnaba nuestras actuaciones: ¿La vida que se formó en la Tierra tener tener la química que lo hizo, o hay muchos diferentes posibilidades, igualmente viable? Einstein una vez hizo una pregunta que, dijo, era la única cosa que realmente quería saber acerca de la naturaleza. Admito que es el más pregunta profunda y fundamental que muchos de nosotros nos gustaría contestadas. Se lo puso de la siguiente manera: "Lo que quiero saber es si Dios [sic] tenía ninguna opción en la creación del universo. " He anotado esto porque Einstein 's Dios no era el Dios de la Biblia. Para Einstein, la existencia de orden en el universo proporcionado un sentido de tan profunda admiración que sentía un espiritual apego a él, lo que él llamó, motivado por Spinoza, con la apodo de "Dios". En cualquier caso, lo que Einstein quería decir realmente en este cuestión fue el tema que acabo de describir en el contexto de varios ejemplos diferentes: Son las leyes de la naturaleza única? Y es
el universo que habitamos, que ha resultado de estas leyes, único? Si cambia una de las facetas, una constante, una fuerza, sin embargo, leve, se derrumbaría todo el edificio? En un sentido biológico, es la biología de vida única? ¿Somos únicos en el universo? Nosotros volverá a discutir esta importante cuestión más adelante en este libro. Mientras esta discusión nos hará seguir perfeccionando y generalizar las nociones de "nada" y "algo" Quiero volver a tomar un paso intermedio en la fabricación del caso para lo inevitable creación de algo. Como lo he definido hasta el momento, la "nada" relevante de la que nuestra observado "algo" se plantea es "espacio vacío". Sin embargo, una vez permitimos que la fusión de la mecánica cuántica y en general relatividad, que se puede extender este argumento para el caso en que el espacio sí se ve obligado a existir. La relatividad general como una teoría de la gravedad es, en su esencia, una teoría de espacio y tiempo. Como describí en el comienzo de esta libro, esto significa que fue la primera teoría que podría abordar la dinámica no sólo de objetos que se mueven a través del espacio, sino también cómo evoluciona el espacio mismo. Tener una teoría cuántica de la gravedad, por lo tanto significa que las reglas de la mecánica cuántica se aplicarían a las propiedades de espacio y no sólo a las propiedades de los objetos existentes en el espacio, como en la mecánica cuántica convencionales. La extensión de la mecánica cuántica para incluir esta posibilidad es complicado, pero el formalismo Richard Feynman desarrolló, lo que llevó a una comprensión moderna del origen de antipartículas, es así adecuado para la tarea. Métodos de Feynman 's se centran en el hecho clave para que aludí al principio de este capítulo: cuántico sistemas mecánicos explorar todas las trayectorias posibles, incluso los que están clásicamente prohibida, a medida que evolucionan en el tiempo. Para explorar esto, Feynman desarrolló una "suma sobre caminos formalismo "para hacer predicciones. En este método, consideramos todo trayectorias posibles entre dos puntos que una partícula podría tomar. Entonces asignamos una ponderación de probabilidad para cada trayectoria, basada en principios bien definidos de la mecánica cuántica, y luego realizar una suma sobre todas las rutas para determinar definitiva predicciones (probabilísticas) para el movimiento de las partículas.
Stephen Hawking fue uno de los primeros científicos en explotar al máximo esta idea a los posibles mecánica cuántica del espacio-tiempo (la unión de nuestro espacio de tres dimensiones junto con una dimensión de tiempo para formar un sistema de espacio-tiempo unificado de cuatro dimensiones, como requerido por la teoría especial de Einstein 's de la relatividad). La virtud de la Feynman 's métodos es que se centra en todos los posibles caminos extremos hasta lo que significa que los resultados se puede demostrar que sea independiente de la etiquetas de espacio y de tiempo específicos uno aplica a cada punto en cada camino. Debido a que la relatividad nos dice que diferentes observadores en relación movimiento medirá la distancia y el tiempo de manera diferente y por lo tanto asignar diferentes valores a cada punto del espacio y el tiempo, que tiene un formalismo que es independiente de las diferentes etiquetas que los diferentes observadores podrían asignar a cada punto del espacio y el tiempo es particularmente útil. Y es más útil tal vez en consideraciones de general relatividad, cuando en el etiquetado específico de puntos de espacio y tiempo se vuelve completamente arbitrarias, para que diferentes observadores en diferentes puntos de una gravitacionales medir distancias de campo y veces de manera diferente, y todo lo que determina en última instancia el comportamiento de los sistemas son cantidades geométricas como curvatura, que resultan ser independiente de todos estos sistemas de etiquetado. Como ya he aludido en varias ocasiones, la relatividad general no es plenamente consistente con la mecánica cuántica, al menos en lo que podemos decir, y por lo tanto no hay ningún método completamente inequívoca a definir Feynman 's suma-sobre-caminos técnica en la relatividad general. Así que tenemos que hacer algunas conjeturas de antemano sobre la base de plausibilidad y comprobar para ver si los resultados tienen sentido. Si vamos a considerar la dinámica cuántica del espacio y el tiempo entonces, hay que imaginar que en los de Feynman ", resume," uno debe considerar cada configuración diferente posible que puede describir las diferentes geometrías que el espacio puede adoptar durante el etapas intermedias de cualquier proceso, cuando la indeterminación cuántica reina suprema. Esto significa que debemos tener en cuenta los espacios que son arbitrariamente altamente curvada en distancias cortas y pequeños veces (por lo corto y tan pequeños que no podemos medirlos para que cuántico rareza puede reinar gratis). Estas configuraciones extrañas haría entonces no ser observado por grandes observadores clásicos como nosotros cuando
tratar de medir las propiedades del espacio a grandes distancias y tiempos. Pero vamos a s consideran posibilidades aún más extrañas. Recuerde que, en la teoría cuántica del electromagnetismo, las partículas puede salirse de espacio vacío a voluntad, siempre que desaparecen de nuevo en un momento marco determinado por el principio de incertidumbre. Por analogía, entonces, en la suma cuántica Feynman más posible el espacio-tiempo configuraciones, debe uno tener en cuenta la posibilidad de los pequeños, espacios compactos que posiblemente ellos mismos entrar y salir de existencia? De manera más general, ¿qué pasa con los espacios que pueden tener "agujeros" en ellos, o "manijas" como rosquillas mojando al espacio tiempo? Estas son preguntas abiertas. Sin embargo, a menos que uno puede llegar a con una buena razón para excluir este tipo de configuraciones de la suma mecánica cuántica que determina las propiedades de la evolución universo, y hasta la fecha no hay tal razón existe que yo saben de, entonces bajo el principio general de que mantiene todas partes otra cosa que conozco en la naturaleza, a saber que todo lo que no es proscrita por las leyes de la física en realidad debe suceder, parece más razonable considerar estas posibilidades. Como Stephen Hawking ha hecho hincapié, una teoría cuántica de gravedad permite la creación, aunque tal vez momentáneamente, de propio espacio donde antes no existía. Mientras que en su científica trabajo que no estaba tratando de abordar el "algo de nada "enigma, efectivamente esto es lo que la gravedad cuántica en última instancia, podrá tomar la palabra. universos-saber "virtuales" los posibles espacios compactos pequeños que puede estallar en y fuera de la existencia de un plazo de tiempo tan corto que no se puede medir directamente, son fascinantes teórico construye, sino que don 't parecen explicar cómo algo puede surgir de la nada en el largo plazo más que hacer lo virtual partículas que pueblan el espacio de otra vacía. Sin embargo, recordar que un campo eléctrico real de cero, observable en grandes distancias lejos de una partícula cargada, puede ser el resultado de la emisión coherente de muchos fotones de energía cero virtuales por parte de la cargo. Esto es debido a fotones virtuales que llevan energía cero hacen no viola la conservación de energía cuando se emiten. La Heisenberg principio de incertidumbre, por lo tanto, no constreñir
que existen sólo para tiempos muy breves antes de que deban ser reabsorbido y desaparecer en la nada. (Una vez más recordar que la Incertidumbre de Heisenberg establece que la incertidumbre con la que se mide la energía de una partícula, y por tanto la posibilidad de que su energía puede cambiar ligeramente por la emisión y absorción de las partículas virtuales, es inversamente proporcional a la longitud de tiempo durante el cual nos observan. Por lo tanto, las partículas virtuales que llevarse energía cero puede hacerlo esencialmente con la impunidad es decir, que puedan existir para tiempos arbitrariamente largos y viajes arbitrariamente lejos antes de ser absorbido. . . que conduce a la posible existencia de interacciones de largo alcance entre el acusado partículas. Si el fotón no era sin masa, de modo que los fotones siempre llevar la energía no nula debido a una masa en reposo, el Heisenberg Principio de Incertidumbre implicaría que el campo eléctrico sería de corto alcance, porque los fotones podrían propagar sólo para tiempos cortos sin ser reabsorbidos de nuevo.) Un argumento similar se sugiere que uno se puede imaginar uno específico tipo de universo que podrían aparecer de forma espontánea y no es necesario desaparecer casi inmediatamente después debido a las limitaciones del principio de incertidumbre y conservación de la energía. A saber, una universo compacto con energía total cero. Ahora, me gustaría nada mejor que sugiere que se trata de precisamente el universo en que vivimos. Este sería el camino más fácil, pero estoy más interesado aquí en ser fieles a nuestra actual comprensión del universo que en hacer una aparentemente fácil y convencer caso para la creación de la nada. He argumentado, espero convincente, que el promedio de Newton energía gravitacional de cada objeto en nuestro universo plano es cero. Y lo es. Pero esa no es toda la historia. La energía gravitacional es no la energía total de cualquier objeto. A esta energía hay que añadir su energía en reposo, asociados con su masa en reposo. Dicho de otra manera, como yo han descrito anteriormente, la energía gravitacional de un objeto en reposo aislado de todos los demás eja obj por una distancia infinita es cero, porque si está en reposo, no tiene energía cinética del movimiento, y si es infinitamente lejos de todas las demás partículas, la gravitatoria fuerza en él debido a otras partículas, que podría proporcionar potencial energía para hacer el trabajo, también es esencialmente cero. Sin embargo, como Einstein nos dijo, su energía total no es simplemente debido a la gravedad, sino también
incluye la energía asociada con su masa, de modo que, como es 2 famosamente conocido, me e. Con el fin de aprovechar esta energía en reposo en cuenta, tenemos que movernos de la gravedad de Newton a la relatividad general, que, por definición, 2 incorpora los efectos de la relatividad especial (y E MC) en un teoría de la gravedad. Y aquí las cosas se ponen tanto más sutil y más confuso. En pequeña escala en comparación con la posible curvatura de un universo, y siempre y cuando todos los objetos dentro de estas escalas son moviéndose lentamente en comparación con la velocidad de la luz, el general versión relativista de la energía vuelve a la definición somos conoce de Newton. Sin embargo, una vez que estas condiciones no espera más tiempo, todas las apuestas están apagadas, casi. Parte del problema es que resulta que la energía como normalmente pienso en física en otro lugar no es un particularmente bien concepto definido a grandes escalas en un universo curvo. Diferente formas de definir sistemas de coordenadas para describir la diferente Etiquetas que diferentes observadores pueden asignar a los puntos en el espacio y tiempo (llamado distintos "marcos de referencia") puede conducir, en gran escalas, a diferentes determinaciones de la energía total de la sistema. Con el fin de acomodar este efecto, tenemos que generalizar el concepto de energía, y, por otra parte, si hemos de definir la energía total contenida en cualquier universo, debemos considerar la forma de sumar la energía de los universos que pueden ser infinito en extensión espacial. Hay un gran debate sobre exactamente cómo hacerlo. La literatura científica está llena de demandas y contrademandas en este respecto. Una cosa es cierta, sin embargo: Hay un universo en el que la energía total es, sin duda y precisamente cero. No es, sin embargo, un universo plano, que es, en principio infinito en extensión espacial, y Por lo tanto, el cálculo de la energía total se vuelve problemática. Es un universo cerrado, en el que la densidad de materia y energía es suficiente para hacer que el espacio para cerrar sobre sí misma. Como tengo descrito, en un universo cerrado, si se mira lo suficientemente lejos en uno dirección, es muy probable que ver la parte de atrás de la cabeza! La razón la energía de un universo cerrado es cero es realmente relativamente simple. Es más fácil de considerar el resultado por analogía =
=
con el hecho de que en un universo cerrado la carga eléctrica total también debe ser cero. Desde la época de Michael Faraday que pensamos de la carga eléctrica como la fuente de un campo eléctrico (debido en cuántica moderna el lenguaje para la emisión de los fotones virtuales I descrito anteriormente). Gráficamente, nos imaginamos "líneas de campo" que emanan radialmente desde la carga, con el número de líneas de campo es proporcional a la carga, y la dirección de las líneas de campo hacia el exterior para ser cargas positivas y perfeccionamiento activo para cargas negativas, como se muestra a continuación.
Nos imaginamos estas líneas de campo que va hasta el infinito, y tal y como hacia fuera, consiguiendo más separados. Esto implica que la fuerza de el campo eléctrico se pone más y más débil. Sin embargo, en una cerrada universo, las líneas de campo asociado con una carga positiva, por ejemplo, puede comenzar separando pero con el tiempo, tal como el líneas de longitud en un mapa de la Tierra se unen en la Polos Norte y Sur, las líneas de campo de la carga positiva se reunirán de nuevo en el lado lejano del universo. Cuándo convergen, el campo se hará más fuerte y más fuerte de nuevo hasta hay suficiente energía para crear una carga negativa que puede "comer" las líneas de campo en este punto del universo antípoda. Resulta un argumento muy similar, en este caso no asociado con el "flujo" de líneas de campo pero con el "flujo" de energía en una universo cerrado, nos dice que la energía positiva total, incluyendo la asociada con las masas en reposo de las partículas, debe ser exactamente compensada por una energía gravitatoria negativa, de modo que la energía total es exactamente cero. Así que si la energía total de un universo cerrado es cero, y si el suma-sobre-caminos formalismo de la gravedad cuántica es el caso, entonces mecánica cuántica tales universos podría aparecer de forma espontánea
con impunidad, no llevando energía neta. Quiero hacer hincapié en que estos universos serían completamente autónomas espacio-tiempos, desconectado de la nuestra. No hay ningún problema, sin embargo. Un universo en expansión cerrado lleno con la materia será, en general expandirse a un tamaño máximo y luego colapsar tan rápidamente, terminando en una singularidad espacio-tiempo donde la tierra no-hombre 's de la gravedad cuántica en la actualidad no puede decir nosotros lo que será su destino final. El tiempo de vida característico de pequeña Por lo tanto, los universos cerrados serán microscópico, tal vez en el fin del "tiempo de Planck," la escala característica sobre la que
procesos gravitacionales cuánticos deben operar, sobre 1 0-44 segundos más o menos. Hay una manera de salir de este dilema, sin embargo. Si, antes de tal universo puede colapsar, la configuración de campos dentro de ella produce un período de inflación, entonces incluso una pequeña inicialmente cerrado universo puede rápidamente, de manera exponencial ampliar, cada vez más cerca y más cerca de un universo infinitamente grande plana durante este período. Después un centenar de veces de tal inflación duplica, el universo estará tan cerca de plana que podría durar mucho más tiempo que fácilmente nuestro universo ha existido sin colapsar. Otra posibilidad existe realmente, uno que siempre me da un ligera punzada de nostalgia (y envidia), porque representaba una importante experiencia de aprendizaje para mí. Cuando estuve por primera vez un postdoctorado en Harvard, estaba jugando con los posibles mecánica cuántica de campos gravitatorios, y aprendí de un resultado por un buen amigo de la escuela de posgrado, Ian Affleck. Un canadiense que había sido un Estudiante de tercer ciclo en la Universidad de Harvard, cuando estaba en el MIT, Affleck se unió la Society of Fellows unos años antes que yo y había utilizado la teoría matemática de Feynman que ahora usamos para hacer frente a partículas elementales y campos, llamados teoría cuántica de campos, a calcular cómo las partículas y antipartículas podrían ser producidos en una fuerte campo magnético. Me di cuenta de que la forma de la solución que Ian había descrito, algo que se llama un "instanton," se parecía mucho un inflar universo, si uno se hizo cargo de su formalismo al caso de la gravedad. Pero parecía un universo inflado que se inició a partir de nada! Antes de escribir este resultado, quería dirigir mi propia confusión acerca de cómo interpretar lo que la física tal
solución matemática pudiera corresponder. Pronto aprendí, sin embargo, que mientras yo estaba meditando, justo en el camino el cosmólogo creativo que he mencionado antes, Alex Vilenkin, que tiene ya convertido en un amigo, en realidad sólo había escrito un documento que describe exactamente de esta manera cómo la gravedad cuántica de hecho podría crear un universo inflando directamente de la nada. Yo era recogí, pero yo no podía 't ser que molesta porque (a) Yo francamente didn' t entender en detalle en ese momento lo que estaba haciendo, y (b) Alex tenido la audacia de proponer algo que en ese momento yo no 't. YO Desde entonces he aprendido que uno doesn 't tiene que entender todo el implicaciones del trabajo uno 's con el fin de publicar. De hecho, hay varios de mis propios papeles más importantes que yo sólo plenamente entendido bien después de los hechos. En cualquier caso, mientras que Stephen Hawking y su colaborador Jim Hartle han propuesto un esquema muy diferente para tratar de determinar las "condiciones de contorno" en universos que pueden comenzar desde la nada, los hechos importantes son los siguientes:
1.
En la gravedad cuántica, universos puede, y de hecho siempre lo hará, espontáneamente aparecer de la nada. Estos universos necesitan no estar vacío, pero puede tener materia y la radiación en ellos, siempre y cuando el total de energía, incluyendo la energía negativa asociado con la gravedad, es cero. 2. A fin de que los universos cerrados que podrían ser creados a través de esos mecanismos a durar más tiempo que tiempos infinitesimales, algo así como la inflación es necesario. Como resultado, el único universo de larga vida se podría esperar vivir en como resultado de este escenario es que hoy parece plano, tal como aparece el universo en el que vivimos.
La lección es clara: la gravedad cuántica no sólo parece permitir universos para crear de la nada-significado, en este caso, destacar, la ausencia de espacio y tiempo que puede requerir de ellos. "Nada", en este caso no hay espacio, ni tiempo, ni nada! -is inestable.
Por otra parte, las características generales de un universo así, si dura mucho tiempo, se espera que sean los que observamos en nuestra Universo actual. ¿Prueba esto que nuestro universo surgió de la nada? De Por supuesto que no. Pero esto nos lleva uno bien grande paso más cerca de la plausibilidad de tal escenario. Y elimina uno más de la objeciones que podrían haber sido hechas contra el argumento de creación de la nada, como se describe en el capítulo anterior. Allí, "nada" significa espacio vacío pero preexistentes combinado con fijo y las leyes de la física conocida. Ahora el requisito de espacio se ha eliminado. Pero, sorprendentemente, como veremos próxima discutir, incluso las leyes de la física puede no ser necesario o requerido.
CAPÍTULO 1 1
NUEVOS MUNDOS VALIENTES
Fue el mejor de los tiempos. Fue el peor de los tiempos. CHARLES DICKENS
El problema central con la idea de la creación es que parece para requerir alguna externalidad, algo fuera del propio sistema, a preexisten, con el fin de crear las condiciones necesarias para la sistema para venir a la existencia. Esto es por lo general cuando la noción de Dios alguna agencia externa existente separada de espacio, tiempo, y de hecho de la realidad física en sí, entra, porque el buck parece ser necesario para detener a alguna parte. Pero en este sentido Dios me parece que sea una solución semántica más bien fácil para el profunda cuestión de la creación. Creo que esto se explica mejor en el contexto de un ejemplo un poco diferente: el origen de la moral, que me enteré de mi amigo Steven Pinker. ¿Es moral externa y absoluta, o es deriva únicamente dentro el contexto de nuestra biología y nuestro medio ambiente, y por lo tanto puede ser determinado por la ciencia? Durante un debate sobre este tema organizada en la Universidad Estatal de Arizona, Pinker señaló lo siguiente enigma. Si uno discute, ya que muchas personas profundamente religiosas hacen, que sin Dios no puede haber derecho último y lo malo, a saber que Dios determina para nosotros lo que es correcto y lo incorrecto y uno puede entonces hacer las preguntas: ¿Y si Dios decretó que la violación y el asesinato eran moralmente aceptable? ¿Sería que los hacen tan?
Si bien algunos podrían responder que sí, creo que la mayoría de los creyentes dirían no, Dios no haría tal decreto. Pero ¿por qué no? Presumiblemente porque Dios tendría alguna razón para no hacer tal decreto. Una vez más, esto es, presumiblemente, porque la razón sugiere que la violación y el asesinato no son moralmente aceptables. Pero si Dios lo haría que apelar a la razón, ¿por qué no eliminar al intermediario por completo? Podemos desear aplicar un razonamiento similar a la creación de nuestra universo. Todos los ejemplos que he proporcionado hasta ahora de hecho implicar la creación de algo de lo que uno se sintiera tentado considerar como nada, pero el reglas para que la creación, es decir, las leyes de la física, era condenada de antemano. ¿De dónde proceden las reglas vienen? Hay dos posibilidades. O Dios, o algún ser divino que no está sujeto a las reglas, que vive fuera de ellos, ellos, ya sea determina por capricho o con premeditación y alevosía o que surjan por algún mecanismo menos sobrenatural. El problema de Dios se determinan las normas es que se puede en menos preguntarse qué o quién determina las reglas de Dios s. Tradicionalmente, la respuesta a esto es para decir que Dios es, entre muchos Creador 's otros atributos espectaculares, la causa de todas las causas, en el lenguaje de la Iglesia Católica Romana, o el Causa Primera (como por Aquino)O, en el lenguaje de Aristóteles, moviendo el principal compañía de mudanzas. Curiosamente, Aristóteles reconoció el problema de una primera causa, y decidió que por esta razón el universo debe ser eterna. Por otra parte, el mismo Dios, a quien identificó absorbido auto tan puro El pensamiento, el amor de lo que motivó el primer motor para mover, tenía que ser eterno, no causando movimiento por crearlo, sino más bien por determinar el objetivo final del movimiento, que a su vez Aristóteles PRESUNCIÓN tenía que ser eterno. Aristóteles creía que equiparar Primera Causa con Dios era menos de satisfactorio, de hecho, que la noción platónica de la Primera Causa era defectuoso, específicamente porque Aristóteles sentía toda causa debe tener un precursor de ahí, el requisito de que el universo sea eterno. Alternativamente, si se tiene la visión de Dios como la causa de todos causas, y por lo tanto eterno incluso si nuestro universo no es, la reductio ad absurdum secuencia de los "por qué" lo hace de hecho terminar, pero como he subrayado, sólo a expensas de
la introducción de una entidad todopoderosa notable para los que no se Simplemente no hay otra evidencia. En este sentido, hay otro punto importante subrayar aquí. La necesidad lógica aparente de la Primera Causa es un problema real para cualquier universo que tiene un principio. Por lo tanto, sobre la base de la lógica uno solo no puede descartar un punto de vista deísta de la naturaleza. Pero incluso en este caso, es vital tener en cuenta que esta deidad no tiene ninguna lógica conexión con las deidades personales de las grandes religiones del mundo 's, en A pesar del hecho de que a menudo se utiliza para justificar ellos. Un deísta que es obligado a buscar un poco de inteligencia global para establecer orden en la naturaleza no será, en general, ser conducido al Dios personal de las escrituras de la misma lógica. Estas cuestiones se han debatido y discutido durante milenios, por mentes brillantes y no tan brillantes, muchas de estas últimas decisiones su vida actual por debatirlas. Podemos volver a estos cuestiones ahora porque simplemente estamos mejor informados por nuestra conocimiento de la naturaleza de la realidad física. Ni Aristóteles ni Aquino sabía de la existencia de nuestra galaxia, y mucho menos la Big Bang o la mecánica cuántica. Por lo tanto los problemas que y más tarde filósofos medievales lidiaron con debe ser interpretada y entenderse a la luz de los nuevos conocimientos. Consideremos, a la luz de nuestra imagen moderna de la cosmología, por ejemplo, la sugerencia de Aristóteles s que no existen causas primeras, o más bien, que provoca de hecho ir hacia atrás (y hacia adelante) infinitamente lejos en todas las direcciones. No hay principio, no hay creación, no tiene fin. Cuando he descrito hasta ahora cómo algo casi siempre puede venir de la "nada", me he centrado en cualquiera de la creación de algo de espacio vacío preexistentes o la creación de vacío espacio de ningún espacio en absoluto. Ambas condiciones iniciales trabajan para mí cuando pienso en la "ausencia de bienestar" y por lo tanto son posibles los candidatos a la nada. No he tratado directamente, Sin embargo, los temas de lo que podrían haber existido, en todo caso, antes de dicha creación, qué leyes rigen la creación, o, dicho de más en general, no he hablado de lo que algunos pueden ver como la cuestión de la Primera Causa. Una respuesta simple es, por supuesto, que, o bien espacio vacío o la nada más fundamental de la que espacio vacío puede haber surgido, preexistía, y es eterna. Sin embargo, para ser justos, esto hace una petición de principio posible, lo que podría de
Por supuesto que no sea responsable, de lo que, en todo caso, fija las reglas que gobernado tales creación. Una cosa es cierta, sin embargo. La "regla", metafísica que se lleva a cabo como una convicción férrea por aquellos con quienes tengo debatido el tema de la creación, es decir, que "Fuera ofnothing nada viene, " no tiene ningún fundamento en la ciencia. Argumentando que es auto evidente, inquebrantable, e inexpugnable es como argumentar, como Darwin falsamente hizo, cuando hizo la sugerencia de que el origen de la vida fue más allá del dominio de la ciencia mediante la construcción de una analogía con la afirmación errónea de que la materia no puede ser creada ni destruida. Todos que representa es una falta de voluntad para reconocer el simple hecho de que naturaleza puede ser más listo que los filósofos o teólogos. Por otra parte, aquellos que argumentan que de la nada no sale nada parece perfectamente contento con la idea de que de alguna manera quijotesca Dios puede evitar esto. Pero una vez más, si se requiere que el noción de verdad nada no requiere aún la potencial para existencia, entonces seguramente Dios no puede trabajar sus maravillas, porque si él no causar existencia de la no existencia, que debe haber sido el potencial para la existencia. Para simplemente argumentar que Dios puede hacer lo la naturaleza no puede argumentar que es sobrenatural potencial para la existencia es de alguna manera diferente de potencial natural regular para la existencia. Pero esto parece una distinción semántica arbitraria diseñada por los que han decidido de antemano (como teólogos suelen hacer) que lo sobrenatural (i. e., Dios) debe existir para que definen su ideas filosóficas (una vez más completamente divorciados de cualquier base empírica) para excluir cualquier cosa menos la posibilidad de un dios. En cualquier caso, a postular un dios que podría resolver este enigma, como he subrayado en numerosas ocasiones hasta el momento, a menudo se afirma que requiere que Dios existe fuera del universo y de que sea atemporal o eterna. Nuestra comprensión moderna del universo proporciona otra plausible y, yo diría, mucho más solución física a esta problema, sin embargo, que tiene algunas de las mismas características de una creador y externa, además, es lógicamente más consistente. Me refiero aquí a la multiverso. La posibilidad de que nuestro universo es uno de un grande, incluso posiblemente conjunto infinito de distinto y causalmente universos separados, en cada uno de los cuales cualquier número de fundamental
aspectos de la realidad física pueden ser diferentes, se abre un nuevo y vasto posibilidad de que la comprensión de nuestra existencia. Como ya he mencionado, uno de los más desagradables, pero potencialmente verdaderas implicaciones de estas fotos es que la física, en algún nivel fundamental, no es más que una ciencia ambiental. (Esto me parece de mal gusto porque me crié en la idea de que el objetivo de la ciencia era explicar por qué el universo tenía que ser la forma en que está y cómo que llegó a ser. Si en lugar de las leyes de la física como nosotros conocerlos son meros accidentes correlacionados a nuestra existencia, a continuación, ese objetivo fundamental estaba fuera de lugar. Sin embargo, voy a salir de mi perjuicio si la idea resulta ser cierto.) En este caso, el fuerzas y constantes de la naturaleza en esta foto fundamentales no son más fundamental que la distancia Tierra-Sol. Nos encontramos vivir en la Tierra en lugar de Marte no porque hay algo profunda y fundamental acerca de la distancia Tierra-Sol, pero más bien simplemente si la Tierra se encuentra a una distancia diferente, entonces la vida tal como la conocemos no podría haber evolucionado en nuestro planeta. Estos argumentos antrópicos son notoriamente resbaladizo, y es casi imposible hacer predicciones específicas sobre la base de ellos sin saber explícitamente tanto la distribución de probabilidad entre todos los universos posibles de las diversas constantes fundamentales y las fuerzas -a saber, que pueden variar y que don 't, y lo posibles valores y formas que pueden tomar y también exactamente cómo "Típica" estamos en nuestro universo. Si no somos formas de vida "típica", entonces la selección antrópica, si es que ocurre, puede basarse en diferentes factores de los que de otra manera lo atribuyen a. Sin embargo, un multiverso, ya sea en forma de un paisaje de universos existente en una serie de dimensiones adicionales, o en la forma de un conjunto de replicación posiblemente infinitamente de universos en un período de tres espacio dimensional como en el caso de la inflación eterna, cambia el campo de juego cuando pensamos en la creación de nuestra propia universo y las condiciones que pueden ser necesarios para que eso suceder. En primer lugar, la cuestión de lo que determine la legislación del naturaleza que permitió a nuestro universo para formar y evolucionar ahora se convierte en menos significativo. Si las leyes de la naturaleza son en sí mismos y estocástico al azar, entonces no hay "causa" prescrito para nuestro universo. Bajo el principio general de que todo lo que no está prohibido es
permitido, entonces estaríamos garantizada, en una imagen tal, que algún universo surgiría con las leyes que hemos descubierto. No se requiere ningún mecanismo y ninguna entidad para fijar las leyes de la naturaleza a ser lo que son. Podrían ser casi cualquier cosa. Como nos don 't tienen actualmente una teoría fundamental que explica la carácter detallado del paisaje de un multiverso, no podemos decir. (Aunque para ser justos, para hacer cualquier progreso científico en el cálculo posibilidades, por lo general asumen que ciertas propiedades, como la mecánica cuántica, impregnan todas las posibilidades. No tengo ni idea de si esta noción puede ser útil prescindir, o al menos yo no sé de cualquier trabajo productivo en este sentido.) De hecho, puede haber ninguna teoría fundamental en absoluto. Aunque yo se convirtió en un físico porque esperaba que no había tal teoría, y porque esperaba que yo podría algún día ayudar a contribuir a descubrirlo, esta esperanza puede ser fuera de lugar, como ya tengo lamentó. Me resulta reconfortante en la declaración de Richard Feynman, que he resumido brevemente antes, pero quiero presentar en su totalidad aquí:
La gente me dice, "¿Está buscando las leyes últimas de la física? "No, yo no soy. Sólo estoy mirando para saber más sobre el mundo, y si resulta que hay una sencilla último ley que lo explica todo, que así sea. Eso sería muy agradable para descubrir. Si resulta que vale la s como una cebolla con millones de capas, y estamos hartos de ver las capas, a continuación, esa es la manera que es. . . Mi interés por la ciencia es simplemente descubrir más sobre el mundo, y el más descubro, el mejor es. Me gusta descubrir.
Uno puede llevar el argumento más lejos y en una dirección diferente, que también tiene implicaciones para los argumentos en el núcleo de esta libro. En un multiverso de cualquiera de los tipos que se han discutido, podría haber un número infinito de regiones, potencialmente infinitamente grande o infinitamente pequeño, en el que no es simplemente "nada" y podría haber regiones donde hay E n ese "algo". caso, la respuesta a por qué hay algo en lugar de nada
se vuelve casi trivial: hay algo simplemente porque si hay éramos nada, que wouldn 't encontramos viviendo allí! Reconozco la frustración inherente a una respuesta tan trivial lo que me ha parecido una pregunta tan profunda a lo largo de los siglos. Pero la ciencia nos ha dicho que nada profundo o trivial puede ser radicalmente diferente de lo que se podría suponer a primera vista. El universo es mucho más extraño y mucho más rica, más maravillosamente extraño de lo que nuestra imaginación humanos magros pueden anticipar. La cosmología moderna nos ha llevado a considerar ideas que no pudo incluso se han formulado hace un siglo. Los grandes descubrimientos de de los siglos XX y XXI no sólo han cambiado la mundo en el que operamos, que han revolucionado nuestra comprensión del mundo-o-que los mundos existe, o puede existir, justo bajo nuestras narices: la realidad que se esconde hasta que somos valientes suficiente para buscarlo. Esta es la razón por la filosofía y la teología son en última instancia incapaz de abordar por sí mismos las preguntas fundamentales que verdaderamente nos perplejo sobre nuestra existencia. Hasta que abramos los ojos y dejamos naturaleza tienen la última palabra, estamos obligados a revolcarse en la miopía.
¿Por qué hay algo en vez de nada? En última instancia, este pregunta puede ser más significativo o profundo que preguntar por qué algunas flores son de color rojo y algunas son de color azul. "Algo" puede siempre venir de la nada. Puede ser necesario, independiente de la naturaleza subyacente de la realidad. O tal vez "algo" puede no ser muy especiales, cuando no muy común en el multiverso. De cualquier manera, lo que es realmente útil no es reflexionar sobre esta cuestión, sino más bien participar en el emocionante viaje de descubrimiento que puede revelar específicamente cómo el universo en el que vivimos y evolucionamos es evolución y los procesos que en última instancia operativamente gobiernan nuestra existencia. Es por eso que tenemos la ciencia. Podemos complementar este entendimiento con la reflexión y llame esa filosofía. Pero sólo a través de continua para investigar todos los rincones de la universo que nos es accesible será realmente construir un útil apreciación de nuestro propio lugar en el cosmos.
Antes de concluir, quiero plantear un aspecto más de esta pregunta que haven 't abordó, pero lo que me parece
vale la pena terminando con. Implícita en la pregunta de por qué hay algo más que nada es la expectativa que solipsista "Algo" persistirá-que de alguna manera el universo tiene "Progresado" hasta el punto de nuestra existencia, como si fuéramos el pináculo de la creación. Mucho más probable, en base a todo lo que saber sobre el universo, es la posibilidad de que el futuro, tal vez el futuro infinito, es uno en el que nada, una vez más reinar. Si vivimos en un universo cuya energía está dominado por el la energía de la nada, como lo he descrito, el futuro es en verdad desolador. Los cielos se convertirán en frío y oscuro y vacío. Pero el situación es peor. Un universo dominado por la energía de espacio vacío es el peor de todos los universos para el futuro de la vida. Cualquier civilización está garantizada a desaparecer en última instancia, de tal universo, falto de energía para sobrevivir. Después de una insondable mucho tiempo, cierta fluctuación cuántica o alguna agitación térmica puede producir una región local donde una vez más la vida puede evolucionar y prosperar. Pero eso también será efímero. El futuro será dominado por un universo sin nada en él para apreciar su vasta misterio. Alternativamente, si el asunto que nos conforma fue creado en el principio de los tiempos por algunos procesos cuánticos, ya que tengo descrito, estamos prácticamente garantizado que, también, desaparecerá una vez más. La física es una calle de dos vías, y comienzos y terminaciones están vinculados. Lejos, muy lejos en el futuro, los protones y los neutrones decaerá, la materia desaparece, y el universo se acercará a un estado de máxima simplicidad y simetría. Matemáticamente hermosa tal vez, pero vacía de contenido. Como Heráclito de Éfeso, escribió en un contexto ligeramente diferente, "Homero estaba equivocado al decir:" Ojalá que la lucha podría perecer de entre los dioses y los hombres! 'Él no vio que él estaba orando por la destrucción del universo; porque si se escucharon sus oraciones, todas las cosas pasarían de distancia. "O, como Christopher Hitchens tiene reexpresados Nirvana ella " es la nada. " Una versión más extrema de esta eventual retirada hacia nada puede ser inevitable. Algunos teóricos de cuerdas han argumentado, sobre la base de las matemáticas complejas, que un universo como el nuestro, con una energía positiva en el espacio vacío, no puede ser estable.
Finalmente, debe decaer a un estado en el que asocia la energía con el espacio será negativo. Nuestro universo entonces colapsar hacia el interior a un punto, volviendo a la bruma cuántica de la que nuestro propia existencia puede haber comenzado. Si estos argumentos son correctos, nuestro universo entonces desaparece tan bruscamente como comenzó probablemente. En este caso, la respuesta a la pregunta: "¿Por qué hay ? algo en lugar de nada "entonces simplemente:" No ganó 't ser por mucho tiempo. "
EPÍLOGO
La sanción de hecho experimentado como una cara de la verdad es un tema profundo, y la causa principal que ha movido nuestra civilización desde el Renacimiento.
-Jacob BRONOWSKI
Empecé este libro con otra cita de Jacob Bronowski:
Sueño o pesadilla, tenemos que vivir nuestra experiencia, ya que es, y tenemos que vivirla despierto. Vivimos en un mundo que es penetrado hasta la médula por la ciencia y que es a la vez conjunto y real. No podemos convertirlo en un juego simplemente por tomar partido.
Como también he argumentado, una persona 's sueño es otra persona' s pesadilla. Un universo sin propósito o guía puede parecer, por algunos, para que la vida en sí carece de sentido. Para otros, incluyéndome a mí, tal universo es vigorizante. Esto hace que el hecho de nuestra existencia aún más increíble, y nos motiva para dibujar el significado de nuestra acciones propias y para sacar el máximo provecho de nuestra breve existencia en el sol, simplemente porque estamos aquí, bendecidos con la conciencia y con la oportunidad de hacerlo. Punto Bronowski 's, sin embargo, es que que doesn 't realmente importa de cualquier manera, y lo que nos gustaría para el universo es irrelevante. Lo que pasó, pasó, y ocurrido en una escala cósmica. Y todo lo que está por suceder en esa escala ocurrirá independientemente de nuestros gustos y disgustos. Nosotros no puede afectar a la antigua, y es poco probable que afecte el último.
Lo que podemos hacer, sin embargo, se trata de entender la circunstancias de nuestra existencia. Que he descrito en este libro uno de los viajes más notables de la exploración tiene la humanidad jamás tomado en su historia evolutiva. Es una búsqueda épica para explorar y comprender el cosmos en escalas que simplemente eran un desconocido Hace siglo. El viaje ha sobrepasado los límites de lo humano espíritu, la combinación de la voluntad de seguir la evidencia dondequiera que podría conducir con el valor de dedicar toda una vida a la exploración de la desconocido con el pleno conocimiento de que el esfuerzo podría ir en ninguna parte, y, por último requiere una mezcla de creatividad y persistencia de abordar las tareas a menudo tediosas de clasificación a través de ecuaciones interminables o desafíos experimentales interminables. Siempre me he sentido atraído por el mito de Sísifo y tienen comparó el esfuerzo científico a veces a su eterna tarea de empujar Una roca de una montaña, sólo para que se caiga hacia atrás cada vez antes que llega a la cima. Como imaginaba Camus, Sísifo estaba sonriendo, y así debemos hacerlo nosotros. Nuestro viaje, cualquiera sea el resultado, ofrece su propia recompensa. El fenomenal progreso que hemos hecho en el siglo pasado tiene nos llevó a la cúspide, como científicos, de abordar operativamente las preguntas más profundas que han existido desde que los seres humanos llevamos a nuestro primeros pasos para entender quiénes somos y de dónde venimos desde. Como he descrito aquí, en el proceso del sentido mismo de estas preguntas ha evolucionado junto con la comprensión de la universo. "¿Por qué hay algo en lugar de nada?" Debe ser entendida en el contexto de un cosmos donde el significado de estos las palabras no es lo que era, y la distinción entre algo y nada ha comenzado a desaparecer, donde las transiciones entre los dos en diferentes contextos no sólo son comunes, pero requerido. Como tal, la pregunta en sí misma ha sido dejada de lado mientras nos esforzamos en nuestra búsqueda del conocimiento. En su lugar, nos impulsa a entender el procesos que gobiernan la naturaleza de una manera que nos permite hacer predicciones y, siempre que sea posible, para afectar nuestro propio futuro. En lo haciendo, hemos descubierto que vivimos en un universo en el que espacio-lo vacía que antes podría haber pasado por nada, tiene una nueva dinámica que domina la evolución actual de la
cosmos. Hemos descubierto que todos los signos sugieren un universo que podría y plausiblemente surgió de un profundo nada-que implica la falta de espacio en sí mismo y que puede que algún día regresar a nada a través de procesos que no sólo puede ser comprensible, pero también procesos que no requieren ningún tipo de control externo o dirección. En este sentido, la ciencia, como el físico Steven Weinberg enfatizado, no significa que sea imposible de creer en Dios, pero más bien hace que sea posible para que no creen en Dios. Sin la ciencia, todo es un milagro. Con la ciencia, sigue existiendo la posibilidad que nada es. La creencia religiosa en este caso se convierte en cada vez menos necesario, y también cada vez menos relevante. La decisión de recurrir a la noción de la creación divina cae a cada de nosotros, por supuesto, y yo no 't esperan que el debate en curso a morir en el corto plazo. Pero, como he subrayado, creo que si somos ser intelectualmente honestos, debemos tomar una decisión informada, informada por hecho, no por revelación. Ese ha sido el propósito de este libro, para proporcionar una informados imagen del universo como lo entendemos y describir la especulaciones teóricas que actualmente están impulsando la física hacia adelante como nosotros los científicos tratan de separar el trigo de la paja en nuestra observaciones y teorías. He dejado claro mi predilección: el caso de que nuestro universo surgió de la nada parece con mucho el más convincente alternativa intelectual para mí en el momento actual. Sacaréis su propia conclusión. Quiero terminar mi discusión volviendo a una pregunta que yo encontrar personalmente aún más intelectualmente fascinante que el cuestión de algo de la nada. Es la pregunta de Einstein preguntado sobre si Dios tuvo alguna elección en la creación de la universo. Esta pregunta proporciona la motivación básica para casi todas las investigaciones sobre la estructura fundamental de la materia, el espacio y tiempo la investigación que me ha ocupado durante gran parte de mi vida profesional. Yo solía pensar que había una elección difícil en la respuesta a esta pregunta, pero en el proceso de escribir este libro, mis puntos de vista tienen alterado. Claramente, si hay una sola teoría que involucra un conjunto único de las leyes que describen y, de hecho, prescribe cómo nuestro universo entró en vigor y las reglas que han regido su evolución
desde la siempre-objetivo de la física desde Newton o Galileo, entonces la respuesta parece ser: "No, las cosas tenían que ser la forma en que eran y son. " Pero si nuestro universo no es único, y es una parte de un vasto y posiblemente multiverso infinito de universos, sería la respuesta a Pregunta Einstein 's sea un rotundo "Sí, hay una gran cantidad de opciones para la existencia "? Yo no estoy tan seguro. Podría ser que existe un conjunto infinito de diferentes combinaciones de leyes y variedades de partículas y sustancias y fuerzas y universos incluso distintas que puedan surgir en un multiverso tales. Puede ser que sólo un cierto muy restringida combinación, que se traduce en el universo del tipo en el que vivimos o uno muy parecido a él, podemos apoyar la evolución de seres que pueden hacer tal pregunta. Entonces la respuesta a Einstein seguirá siendo negativa. Un Dios o una naturaleza que pudieran abarcar un multiverso sería como limitado en la creación de un universo en el que Einstein podría hacer la pregunta, ya sea como sería si sólo hay una elección de una constante física realidad. Me parece satisfacer extrañamente la posibilidad de que, en cualquiera de los casos, incluso un Dios omnipotente aparentemente no tendría la libertad en el creación de nuestro universo. Sin duda, ya que sugiere además que Dios es innecesaria, o en el mejor de redundante.
EPÍLOGO por Richard Dawkins
Nada se expande la mente como el universo en expansión. La música de las esferas es una canción de cuna, un jingle para establecer en contra de la majestuosos acordes de la Symphonie Galactica. Cambio de la la metáfora y la dimensión, el polvo de los siglos, la noche de los lo que pretendemos llamar "antigua" de la historia, están pronto arranca las las constantes, erosionando vientos de las edades geológicas. Incluso la edad de la universo, precisa tan Lawrence Krauss nos asegura a la cuarta cifra significativa en 1 3. 72 mil millones de años, queda eclipsada por la trillennia que están por venir. Pero la visión Krauss 's de la cosmología del futuro remoto es paradójica y aterrador. El progreso científico es probable que vaya a revertir. Como es natural pensar que, si hay cosmólogos en la año 2billones de AD, se ampliará su visión del universo sobre las nuestras. No es así, y este es uno de los muchos demoledor conclusiones a las que quitan al cerrar este libro. Dar o tomar unos pocos mil millones de años, la nuestra es una época muy propicia para ser un cosmólogo. Dos billones de años, por lo tanto, el universo se habrá expandido hasta ahora que todas las galaxias, pero el cosmólogo 's propio (sea cual pasa a ser) habrán retrocedido detrás de un horizonte de Einstein lo absoluta, de modo inviolable, que son no sólo invisible pero más allá toda posibilidad de dejar un rastro, sin embargo indirecta. Más les valdría así nunca han existido. Todo rastro del Big Bang va más probablemente han ido, para siempre y sin posibilidad de recuperación. Los cosmólogos del futuro será cortada de su pasado y de su situación, de manera que no somos. Sabemos que nos encontramos en el medio de 1 00 miles de millones de galaxias, y que sabemos sobre el Big Bang porque la evidencia es todo que nos rodea: la radiación corrimiento al rojo de galaxias distantes nos habla de
la expansión de Hubble y extrapolamos hacia atrás. Somos el privilegio de ver la evidencia porque miramos hacia fuera en un bebé universo, disfrutando de esa edad amanecer cuando la luz todavía puede viajar de galaxia en galaxia. Como Krauss y un colega ingeniosamente puso, "Nosotros vivir en un momento muy especial. . . cuando la única vez que podemos observacionalmente verificamos que vivimos en un momento muy especial! "The cosmólogos de la tercera trillennium se verán obligados de nuevo a la visión atrofiada de nuestro siglo XX, bajo llave, ya que estábamos en una sola galaxia que, por todo lo que sabíamos o podríamos imaginar, era sinónimo del universo. Por último, e inevitablemente, el universo plano se aplanan más en una nada que refleja su comienzo. No sólo no habrá ninguna cosmólogos a tener en cuenta en el universo, no habrá nada para que vean incluso si pudieran. Nada en absoluto. Ni siquiera los átomos. Nada. Si usted piensa que eso es sombrío y triste, muy mal. Realidad doesn 't nos deben comodidad. Cuando Margaret Fuller comentó, con lo que yo imagino que fue un suspiro de satisfacción, "Acepto el universo ", Thomas Carlyle 's respuesta fue fulminante:" Gad, ella había mejor! "Personalmente, creo que el golpe de gracia eterna de un infinitamente plana nada tiene una grandeza que es, por decir lo menos, vale la pena frente con coraje. Pero si algo puede aplanar en la nada, puede nada primavera en acción y dar a luz a algo? ¿O por qué, para citar una castaña teológica, ¿hay algo en vez de nada? Aquí llegamos a quizás la lección más notable que nos queda con el cierre del libro de Lawrence Krauss 's. No sólo la física dinos cómo algo podría haber surgido de la nada, se va además, por Krauss 'cuenta s, y nos demuestra que nada es inestable: algo casi obligado para entrar en existencia de ella. Si he entendido correctamente Krauss, sucede todo el tiempo: La principio suena como una especie de versión físico 's de dos males haciendo un derecho. Las partículas y antipartículas guiñan dentro y fuera de existencia como luciérnagas subatómicas, aniquilando entre sí, y luego re-crearse a sí mismos por el proceso inverso, de la nada. La génesis espontánea de algo de la nada sucedió a lo grande en el comienzo del espacio y el tiempo, en la singularidad
conocido como el Big Bang, seguido por el período inflacionario, cuando el universo, y todo en él, tomaron una fracción de segundo para crecer a través de veintiocho órdenes de magnitud (que 'sa 1con veintiocho ceros después de que-piensa en ello). Lo que una noción ridícula extraña! Realmente, estos científicos! Ellos son tan malos como escolásticos medievales ángeles contando con cabeza de un alfiler o debatir el "misterio" de la transubstanciación. No, no es así, no es así con una venganza y con creces. Ahi esta mucho de lo que la ciencia aún no lo sabe (y se está trabajando en él con mangas enrolladas). Pero algo de lo que sí sabemos, que no saben sólo aproximadamente (el universo es no meros miles sino millones de años): sabemos con confianza y con pasmosa exactitud. Ya he mencionado que la edad del universo es medido a cuatro cifras significativas. Eso es bastante impresionante, pero no es nada comparado con la exactitud de algunos de los predicciones con la que Lawrence Krauss y sus colegas pueden asombrarnos. Krauss 's héroe Richard Feynman señaló que algunos de las predicciones de la teoría cuántica basada de nuevo en supuestos que parecen más extraña que cualquier cosa soñada por incluso los más oscurantista de los teólogos-han sido verificadas con tal exactitud que son equivalentes a la predicción de la distancia entre Nueva York y Los Angeles para el plazo de un hairsbreadth. Los teólogos pueden especular acerca de los ángeles en cabeza de un alfiler o todo lo que es el equivalente actual. Los físicos pueden parecer tener sus ángeles y sus propias cabezas de alfiler: quanta y quarks, "Encanto", "extrañeza" y "giro". Pero los físicos pueden contar con su ángeles y pueden hacer las cosas bien para el ángel más cercano en un total de 1 0 millones: no un ángel más, no un ángel menos. La ciencia puede ser weirdandincomprehensible-moreweirdandless comprensible que cualquier obra de teología, pero la ciencia. Se pone resultados. Se puede volar a Saturno, que slingshotting alrededor de Venus y Júpiter en el camino. No podemos entender la teoría cuántica (Dios sabe, yo don 't), pero una teoría que predice el mundo real a diez cifras decimales no pueden en ningún sentido ser sencillo mal. La teología no sólo carece de cifras decimales: carece incluso la pista más pequeña de una conexión con el mundo real. Como Thomas Jefferson dijo, al fundar su Universidad de Virginia, "A
cátedra de Teología no debería tener cabida en nuestra institución. " Si le preguntas a los creyentes religiosos por qué creen, usted puede encontrar un algunos teólogos "sofisticados" que hablarán sobre Dios como el "Tierra de todos los Isness", o como "una metáfora de la interpersonal comunión "o algo por evasión. Pero la mayoría de los creyentes salto, más honesta y vulnerable, a una versión del argumento desde el diseño o el argumento de la primera causa. Los filósofos de la calibre de David Hume didn 't necesidad de levantarse de sus sillones a demostrar la debilidad fatal de todos estos argumentos: mendigan la cuestión del origen del Creador 's. Pero tuvieron que Charles Darwin, en el mundo real en el HMS Beagle, para descubrir la brillantemente simple y no una petición de principio-alternativa al diseño. En el campo de la biología, que es. Biología era siempre la caza favorito tierra para los teólogos naturales hasta Darwin, no deliberadamente, para él era el más amable y gentil de los hombres-persiguieron a retirarse. Ellos huido a los pastos enrarecidos de la física y los orígenes de la universo, sólo para encontrar Lawrence Krauss y sus predecesores esperándolos. ¿Las leyes y constantes de la física parecen una afinada poner en marcha el trabajo, diseñado para llevarnos a la existencia? ¿Crees algún agente debe haber causado todo para empezar? Leer Victor Stenger si usted puede 't ver lo que está mal con argumentos como que. Leer Steven Weinberg, Peter Atkins, Martin Rees, Stephen Hawking. Y ahora podemos leer Lawrence Krauss de lo que parece me gustaría que el golpe de gracia. Incluso la última carta de triunfo restante del teólogo, "¿Por qué hay algo en lugar de nada?" encoge ante sus ojos al leer estas páginas. Si Por Origen de las Especies fue golpe mortífero biología 's para sobrenatural, que puede llegar a ver Un universo de la nada como el equivalente de la cosmología. El título significa exactamente lo que dice. Y lo que dice es devastador.
ÍNDICE
líneas de absorción, Q, 1 0- 1 1 Adams, Douglas, 9 1 Affleck, Ian, 1 68-69 Andrómeda, 1., §. ' 1 0, 1 1 0 Antártida, 47, 48, 50 argumentos antrópicos, 1 feb 5 a 26, 1 29, 135 ,1 36-37 de fuerzas y constantes fundamentales, 1 75-76 en algo-más-que-nada pregunta, 177-78 antipartículas: como aparecer para retroceder en el tiempo, 62-65 la asimetría entre las partículas y, 6 1-62, 56-60 1 creación en el campo eléctrico de, 1 54 ,1 68 en la ecuación de Dirac del electrón 's, 60-6 1 como es requerido por la mecánica cuántica, 62-65 ,1 56, 1 6 1-62 como es requerido por la teoría de la relatividad, 62-65 ,1 56 véase también positrones; partículas virtuales Aristóteles, 1 72-73 Atkins, Peter, 1 9 1
bariones, 76 Big Bang, xvii, 95 ,107, 1 5 0, 1 73, 1 89 CMBR dejó de, ver fondo cósmico de microondas radiación que data de, ,..li- 1 6, 77 ,87 densidad de protones y neutrones en, 24-25 elementos creados en, 1 8, 24-25, 1 08, 1 1 1- 1 4 evidencia de, 1., 1 8, 42 ,44 ,1 08- 1 5, 1 1 8, 1 88 futura desaparición de pruebas para, 105- 1 9, 188 Dios y, 1., -6 las leyes físicas conocidas como explicación de, 1 4 5 nucleosíntesis en, 34 como predice la teoría de la relatividad, , 2, 1 1 4- 1 5 muro entre nosotros y, 42-44
Big Crunch, 27 biología, 1 60, 190-9 1 agujeros negros, 1 1 5 ,1 5 5-56 Bogan, Louise, ! Bohr, Niels, 58-59, 65 BOOMERANG (BalloonObservationsOfMillimetric Extragaláctica Radiación y Geofísica), 46-54, 78 bosones, 135 Brahe, Tycho, 20, F! branas, 1 33 Bronowski, Jacob, xi, 1 2 4 ,1 8 1 Browning, Robert, 55
Camus, Albert, 1 82 Las estrellas variables Cefeidas, I-9, 1 6 Chaboyer, Brian, 78, 86-87 la inflación caótica, 1 28 Christmas Carol, A (Dickens), 1 1 6 CL 0024 +1654, 32 universo cerrado, 26-28 como aparecer plana, 1 68, 170 puntos calientes y fríos en, ii-52 la inflación en, 1 68, 169-70 los rayos de luz como convergentes en, 46, 75 tasa de expansión en, 80, 92 energía total en, 1 66-68 clusters, 23, 28 ,34 ,36, 5 2 ,55 ,56 gravitacional lente por, 3 1 ,32-33 medición de, 87-88 Cúmulo de Coma, 3 1 Principio de Copérnico, 1 2 3 radiación del fondo cósmico de microondas (CMBR): BOOMERANG 's intento de fotografiar, 47-54 descubrimiento de, 32 ,42 ,44 ,53, 1 05 ,108, 1 1 0 como prueba de Big Bang, 42 ,1 08, 1 1 0, 1 1 3 universo plano implícito en, 53-54, 76 puntos calientes y puntos fríos en, 46, 48-49, 50-52, 93, 95 ,98 mediciones de, 42-43, 47-54, 87
observación vs. predicción de, 68-69 fotones en, 1 58 uniformidad de, 93-95 como no observable en un futuro lejano, 1 1 0- 1 1 miopía cósmica, 49-50 los rayos cósmicos, 35 ,6 1 constante cosmológica, 96 como "antrópicamente seleccionado," 1 5 a 26 febrero la energía oscura como la representada por, 58, 72-73, 75-76, 77, 78, 80, 82-84 ,87, 88, 109, 1 1 6, 1 2 3-24 1 2 5 Einstein 's introducción y pesar de, ,56-58 ,105 Problema constante cosmológica, 72-73 cosmología, xii, xvi, xviii, 1 " 26, 80 posible fin futuro de, 105- 1 9, 1 8 7-88 creador, creacionismo, XI, XII, XIV, 1 26, 1 39, 1 7 1 véase también Dios; teología
la energía oscura, xii, 82 edad del universo y, 87 cantidad de, 80, 129 en el argumento antrópico, 1 29 sombrío futuro que implica, 1 05- 1 9, 1 79-80 sacudida cósmica y, 88-89 constante cosmológica como representante, 58, 72-73, 7576, 77, 78, 80, 82-84 ,87, 88, 1 09, 1 1 6, 1 23-24 1 2 5 densidad de, 88, 23 a 24 en descubrimiento de, xviii, 105 ,1 1 6- 1 7, 1 2 2 ,1 38, 1 5 3 evidencia de, 86-89, en 8 a 9 expansión del universo como dominada por, 77, 78-89, 9 1 ,1 06, 1 07, en 8 a 9 energía del vacío falso como, 96 en universo plano, 80, 86, 87-88, Krauss y Turner 'propuesta de s, 56, 75-76, 78 medición de, 70-73, 1 2 2 origen de, 89, 1 36, 1 38 partículas reales y creadas a partir de la radiación, 1 50 ,1 5 1 en la teoría de cuerdas, 135 cero energía gravitacional permitido por, 1 03
la materia oscura, 72 ,87 cantidad de, 25-26, 27-28, 34 ,36, 55-56 en el universo cerrado, 2 7 composición, 25 ,34-35 densidad de los cúmulos de galaxias como dominada por, 34 detección de, 24, 26, 3 1 ,35-37, 92 ,105 ,1 38 experimentos sobre, 35-36 universo plano como el causado por, 34 ,54 ,55 ,75 ,80, 86 relación de la materia visible a, 25 ,55 ,75 ,86, 88 Zwicky 's predicción temprana de, 3 1 Darwin, Charles, 75 ,1 4 7 1 74 ,1 90-9 1 Dawkins, Richard, xix, 187-9 1 Demarque, Pierre, 78 deuterio, abundancia de, 1 8, 1 1 2 Dickens, Charles, 1 1 6, 7 1 1 dimensiones, adicional: posibles pruebas para, 1 37-38 en la teoría de cuerdas, 1 30, 1 3 1 ,132 ,1 33, 1, 34-35 universos indetectables en, 137, 1 76 Dirac, Paul, 58, 59-60, 66-69, 72 Efecto Doppler, 1 0 D 'Souza, Dinesh, 148
2 E mc, 27, 165 Eddington, Arthur Stanley, 1.-5 Einstein, Albert, 20, 83, 1 08 experimentar como importante, -3 papel de lente gravitacional de, 28-3 1, 36-37 idea del universo en expansión rechazado por, ,56-57, 105 y cuestión de la elección de Dios s, 1 60-6 1, 1 84-85 límite de velocidad universal, descubierta por, 4 5 véase también la relatividad, la teoría general de; la relatividad, la teoría especial de campos eléctricos, 1 54 ,1 64 ,168 electromagnetismo, 1 1 5 ,135 ,136 teoría cuántica de la, 1 5 4 ,1 63 electrones, 43, 49 ,1 36, 146 forma de antimateria, 59-60 =
en el universo temprano, 43 masa de, 60, 1 2 2, 1 36 como moverse más rápido que la luz, 62-65 potencial para la existencia de, 1 4 6 en niveles cuánticos, 59 giro de, 60 función de onda, 59, 60, 65-67 las partículas elementales, 84 ,1 2 2 ver partículas también específicas espacio vacío, xvi la energía de, ver la energía oscura partículas reales creados en, 1 54 partículas y campos virtuales en, 62-65, 70-7 1, 97-98, 1 50 ,1 53 véase también nada energía: conservación de, 98- 1 04, 1 53, 1 5 5 ,1 64 ,165 oscuro, ver la energía oscura definición de, 1 66 cinética, 100- 1 0 1 negativo, 99- 1 04, 167 potencial, 100- 1 0 1 resto, 165 densidad de energía, 27, 99, 103-4 horizonte de sucesos, 1 55 evolución, biológica, xiii, 1 4 5 ,147
energía del vacío falso, 96, 97, 98, 99, 1 2 7 Faraday, Michael, 1 66 Feynman, FUchard, 68, 1 4 1 en la precisión de la teoría cuántica, 1 89-90 sobre las leyes fundamentales, xiii, 1 77 necesidad de antipartículas demostrada, 62-65 ,1 6 1-62 suma sobre caminos formalismo desarrollado por, 1 62-63, 7-69 1 6 las líneas de campo, 1 66-67 Flatland (Abbott),27 Planeidad Problema, 93, 95 universo plano, 26, 34 ,77 universo cerrado como dar apariencia de, 1 68, 1 70
energía oscura en, 80, 86, 87-88, 9 1 la materia oscura como causa de, 34 ,54 ,55 ,75 ,80, 86 pruebas en su contra, 53-54, 55-56, 76 evidencia de, 52 ,54 ,55-56, 75-76, 78, 9 1-93, 104 ,148 tasa de expansión de, 86, 87-88, 92 como se esperaba de universo que surge de la nada, 149-52 como se explica por la inflación, 97, 1 04 ,I SO-5 1, 1 5 2 ,1 68 puntos calientes y fríos en, Illinois Krauss y Turner 'predicción de s, 56, 75-76, 8 1 los rayos de luz como en línea recta, 46, 75 desacelerado expansión de, 27 masa total necesario para, 34 ,36, 86 cero energía gravitacional en, 1 03, 148 energía total cero en, 165 las constantes fundamentales de la naturaleza, 1 36, 1 38, 1 75-76 fuerzas fundamentales, 84 ,1 37, 1 75 a 76 ver también las fuerzas específicas
galaxias: gravitacional lente por, 3 1 la inestabilidad de, 1 1 5 corrimiento al rojo de, 1 0- 1 1, 79, en 6 a 7 la rotación de, 23-24 espiral, ver galaxias espirales (nebulosas espirales) supercúmulos de, 28 véase también racimos; Ley de Hubble 's Galileo Galilei, 1 2 4 ,1 84 Gauss, Carl Friedrich, 40-4 1 Génesis, 1., .§. mapas de levantamiento geodésico, 40-4 1 geometría, 40-4 1 del universo, ver universo cerrado; universo plano; universo abierto Dios, 1 4 1 ,148 Big Bang y, 1., .§.-6 Eliminación de Darwin 's de necesidad, 1 4 7, 1 90-9 1 "Elección" pregunta a Einstein 's, 1 60-6 1, 184-85 constantes fundamentales y, 1 2 2 regresión infinita y, xii, xv
en el trabajo de Newton 's, 1 2 4 ,1 4 5 'S Razor Occam y, 1 46 y el origen de la moralidad, 1 72 Intento Pío XII 's para probar la existencia de, 1., redundancia, 185 algo de la nada como creado por, xv, 1 74-75 y la energía gravitatoria total 1 4 8 véase también teología Dios de las brechas, 145-46 Gran Teoría Unificada, 137 lentes gravitacionales, 28-35 la materia oscura detectada por, 34 ,36 Einstein 's papel en, 28-3 1, 36-37 Zwicky 's uso propuesto para, ; D.-32 ,33 gravitón, 1 3 1 la gravedad, xvi como atractivo, U, 77, 80 de la materia oscura, 25 y la expansión del universo, U, 79-80, 92 movimiento de las galaxias afectadas por, 23-24 energía negativa permitido por, 99- 104, 167 presión negativa de, 1 50 Newton 's teoría de la, .f, , 20, 5 7, 1 4 1 ,1 65-66 velocidad de, 4 5 ,46 como unificado con otras fuerzas, 1 32 debilidad, 1 2 2 ,1 36 pesaje supercúmulos de galaxias con, 28 véase también la relatividad, la teoría general de Greene, Brian, 1 3 1 Guth, Alan, xviii, 93, 95 ,96, 99, 1 27, 1 50
Harris, Sydney, 1 0 Hartle, Jim, 1 69 Hawking, Stephen, 1 5 5 ,1 63-64 ,1 69, 1 9 1 Heisenberg, Werner, 58-59 véase también Principio de Incertidumbre helio, , 1 8 abundancia de, .!. §, 24-25, 1 08, 1 1 1- 1 2, 1 1 3
Heráclito de Éfeso, 180 Alta-Z Supernova Search Team, 82 ,88 Hilbert, David, -3 Hitchens, Christopher, xviii-xix, 1 1 9 ,1 2 1 ,1 4 8, 1 80 Guía Hitchhiker 's de la Galaxia, La (Adams), 9 1 Homero, 1 80 Horizonte de problemas, 93, 95 ,97 Hoyle, Fred, 1 1 3 Hubble, Edwin, 2, 20 edad de universo estima por, LQ- 1 6 expansión o f universo descubierto por, , 11, 78, 102 ,1 06, 1 08, 1 49, 1 88 nuevas galaxias descubiertas por, §.-9 Hubble 's constante, .! Yo- 1 6, fl, 79-80 Hubble 's la ley, 11- 1 6, 77, 79 Telescopio Espacial Hubble, 1 6, 32 Humason, Milton, 11,.! I ,Florida Hume, David, 1 90 hidrógeno, , 43, 65-68 abundancia de, 1 8, 24-25, 1 08, 1 1 1- 1 2, 1 1 3 geometría hiperbólica, Illinois
regresión infinita, xii, xv infinitos, xii-xiii ,II inflación, 1 06, 1 2 8, 1 53, 1 89 según lo permitido en la relatividad general, 96-97 como principio de la nada, 1 69 en el universo cerrado, 1 68, 1 69 a 70 conservación de la energía y, 98- 1 04 densidad de energía y, 99, 3 a 4 en como eterno, En 28 a 29, 137, 1 76 universo plano explica por, 97, 1 04 ,I SO-5 1, 1 5 2 ,1 68 universo homogéneo explica por, 97, 1 50-5 1 Horizonte Problema resuelto por, 97 multiversos creados por, 1 6 a 29 febrero fluctuaciones cuánticas y, 98- 1 04, 1 28 fluctuaciones de pequeña densidad en, 1 50-5 1 energía gravitacional total y, en 1 0 1-3
cero energía gravitacional y, 1 03, 148, 1 5 2 instanton, 1 69 hierro, , 1 8 james, William, xii jefferson, Thomas, 1 90 tirón, 88-89 Jornada alrededor M habitaciones (Bogan), 1y
Kepler, juan, 01 09 al 20, fl tres leyes del movimiento planetario descubiertos por, 20 Kernan, Pedro, 78 la energía cinética, 1 00- 1 0 1 Krauss, Lawrence, xvi-xviii, 56, 75-76, 78, 80, 8 1 ,86-87, 1 1 718
Cordero, Willis, 66-67 paisaje, 01 29 al 30, 1, 34-35 ,1 76-77 Gran Colisionador de Hadrones, 35-36, 1 38 última superficie de dispersión, 44-4 7, 50, 53-54, 95 BOOMERANG 's intento de imaginar, 47-54 escala característica de, 44-45 como punto visible más temprano de universo, 43-44 geometría del universo revelado por, 46-47, 5 2 Leavitt, Henrietta Swan, Z-8 Leeuwenhook, Antonie van Philips, 66 Lemaltre, Georges, 1.-6, 11, fl, 105 ,1 08, 1 1 4- 1 5 "Lente gusta la acción de una estrella por la desviación de la luz en el Campo de Gravedad "(Einstein), 28-3 1, 36-37 la vida, el origen de, 75 ,1 4 7, 1 60, 1 74 luz: la flexión de, 26-27, 28-30, 46, 75 ,76 geometría del universo y, 46 capacidad humana de ver, 49-50 cuantos de, 59 longitudes de onda de, , 1 0, 1 06 velocidad de la luz, como límite de velocidad cósmica, 45 ,46, 62 ,95 ,96, 165 Linde, Andrei, Enero 27 a 28, 1 29 de litio:
abundancia de, 1 8, 24-25, 1 08, 1 1 1- 1 2, 1 1 3 Lobachevsky, Nikolai Ivanovich, IL-42 Mandl, Rudi, 28, 29, 30 masa: densidad en el universo de, 28 de electrones, 60, 1 2 2 ,1 36 de fotones, 1 64 de protones, 60-6 1, 1 2 2 ,1 36 resto, 165 ,1 6 7 cantidad total de, 36, 39, 54, 55 ,72 ,86 asunto: creación constante de, 1 89 como creado por fluctuación cuántica, I SO-5 1, 1 54 tal como fue creado en el campo eléctrico, 1 54 ,1 68 densidad de, 77, 88, 92 ,1 09, 1 1 3, 1 2 2 desaparición de, 1 79 densidad de energía de, 12 a 24 febrero origen de, 75 ,1 74 relación de la materia oscura que, 25 ,55 ,75 ,86, 88 Mercurio, órbita de, , 56 metabolismo, 1 4 7 1 60 meta-galaxia, 1 08 ,1 1 0- 1 1, 1 14 ,1 1 5 Mies van der Rohe, Ludwig, 55 Vía Láctea, , Z, § ,24 ,78, 87 milagros, 1 4 1-42 Monopole Problema, 93, 95 la moral, xvi, 1 7 1-72 movimiento, las leyes de Newton s de, 3 1 Observatorio Mount Stromlo, 82 Observatorio Monte Wilson, §., 11 multiverso, 1 1 9 1 25-29, 34-35 1 ,1 76-77, 1 78 La elección de Dios s y, 1 84-85 muones, 1 36
nebulosas, §.-7, 3 1-32 véase también galaxias espirales (nebulosas espirales) presión negativa, 1 04 ,1 50
neutrones, 69, 70 cantidad de, 24 ,55 antipartícula, §! decadencia de, 1 79 densidad inicial de, 24 reacciones nucleares de, 1 7 estrellas de neutrones, 1 1 5 Newton, Isaac: Dios, visto por, 1 2 4 ,1 4 5 teoría gravitacional de, .f, , 20, 57, 1 4 1 ,1 65-66 leyes del movimiento formulados por, 3 1 experimento prisma de, teoría solo buscó por, 1 84 Premio Nobel, §., 44 ,82 nada: definiciones de, xiii-xv, 1 4 9 como partículas virtuales y B efectuadas, 70-7 1, 98 energía en, 58 como sea posible fin del universo, 1 79-80, 1 88 universo como procedentes de, xvii, 1 4 2-43, 1 56, 1 69 a 70 como inestable, 1 56-70, 1 78 ,1 80, 1 89 peso de, 58 véase también espacio vacío; algo-más-que-nada pregunta
En los ofSpecies Origen (Darwin), 1 9 1 universo abierto, 2 6 en la simulación por ordenador, 78 desaceleración de, 77 expansión eterna, 2 7, 37 evidencia de, 36-37, 76 tasa de expansión de, 80, 92 puntos calientes y fríos en, Illinois los rayos de luz tan empeñados en, 46, 75 ,76 La investigación de Lobachevsky de, IL-42 Origen de taller de la Vida, 1 4 7 1 60 Proyecto Orígenes, 1 4 7 1 60 oxígeno, , 1 8
País, Abraham, aceleradores de partículas, 35-36, 6 1 los físicos de partículas, 84 ,1 36, 1 37 teoría de partículas, xvi perihelio, , 56 relación período-luminosidad, Z-8 Perlmutter, Saúl, 80, 8 1 ,82 transiciones de fase, 95-96, 1 2 7 ,128 filosofía, xiii-xiv, 1 78 fotones, 1 58, 164 ,1 66-67 las leyes físicas, xiii, l I S ,1 2 9, 1 9 1 como algo que surge de la nada, xv, 1 70, 1 7 1-80 y la asimetría entre materia y antimateria, 1 5 8-59 tan completa y necesaria para describir universo 's evolución, 1 4 5 milagros vs. , 1 4 1-42 orígenes de, xi-xii posible aleatoriedad de, xvii, 1 75-76 Physical Review, 3 1 Pinker, Steven, 1 7 1-72 Pío XII, el Papa, 1., .§. Planck, Max, 59 En tiempo de Planck, 72 ,1 68 planetas, movimiento de, 20, 1 4 5 plasma, lZ, 43, 1 1 0-1 1 Platón, xii, 149, 1 73 positrones, 59-60, 62-65 ,67-68, 146 energía potencial, 1 00- 1 0 1 presión negativa, 1 04 ,1 50 protones, 98 cantidad de, 24 ,55 antimateria, 6 1 decadencia de, 1 79 en el universo temprano, 24 ,43 masa de, 60-6 1, 1 2 2 ,136 reacciones nucleares de, lZ positrones equivocadas para, 60-6 1 rompiendo de, 35-36
estructura de la, 69-70 fluctuaciones cuánticas, 97-98 conservación de la energía como limitación a, 1 53-54 como explicación de todo, 98, l OS ,I SO-5 1, 1 53, 1 5 7 ,1 58, 1 79 tan importante en la inflación, 98- 1 04, 1 28 véase también inflación la gravedad cuántica, 1 3 1 ,1 6 1 radiación de los agujeros negro y, 1 56 y el destino de los universos en expansión cerrados, 1 68 creado por la inflación, 1 69 espacio creado por, 1 63-64 partículas virtuales y, l! -72 niveles cuánticos, 59 la mecánica cuántica, l I S ,1 73 precisión de las predicciones de, 68-69, 189-90 desarrollo de, 58-59 teoría de la relatividad y, 58-59, 1 3 1 ,162 del espacio-tiempo, 162 ,1 63 véase también Principio de Incertidumbre vacío cuántico, xiv quarks, 69-70, 1 36 cuásares, 3 1-32 Quintaesencia (Krauss), 28
radiación: como la causada por la Asamblea de la partícula y antipartícula, 6 1 como creado por fluctuación cuántica, 1 50-5 1 densidad de, 1 09, 1 1 3 en el universo temprano, 43-44 cuantos de, 59 desplazamiento hacia el rojo, 1 0- 1 1, 1 9, 80-82 ,84-86, 1 88 distancia versus-, 1 9, 80-82 ,84-86, 1 08 en un futuro lejano, En 6 a 7 Rees, Martin, 1 9 1 la relatividad, la teoría general de: aparente problema, YO, ,
Big Bang predice, .§., 2, 1 1 4- 1 5 colapso del universo cerrado predijo en, 2 7 curvatura de universo en, 56, 1 03, 1 4 8 la materia oscura necesaria para universo plano en, 76 densidad de universo en, 57 ecuaciones de, 56-58 evolución del universo explica por, !. f., 1 50 evidencia experimental para, F.-3, 26-27 más rápido que la luz del crecimiento del espacio permitido por, 96-97 etiquetado de espacio y tiempo como arbitrario en, 162 dobla la luz en, 26-27, 28-34 energía negativa en, 103, 1 04 ,1 6 7 presión negativa en, 1 04 universo no estático predicho por, 1-2, , .§., 56-57 la mecánica cuántica y, 59-60, 1 3 1 ,1 62 energía en reposo en, 165 espacio como curvada en, 26-27, 28-34 ,39, IL-42 ,162 energía total en, 165-66 pesar el universo con, 28 véase también constante cosmológica la relatividad, la teoría especial de, 96, 165 antipartículas requeridos por, 62-65 ,1 56 y mediciones dependientes del observador, 62 ,162 religión, ver Dios; teología Retherford, Robert C. , 66 Richard Dawkins Fundación, xvii Riess, Adam, 88 ARN, 1 4 7 1 60 Iglesia Católica Romana, xii, 1 ", §" 1 7 2 Rubin, Vera, 24 Rumsfeld, Donald, 23 Russell, Bertrand, xii
Sagan, Carl, 82-83 Scherrer, Robert, 107, 1 1 7- 1 8 Schmidt, Brian, 8 2 Schrödinger, Erwin, 58-59 véase también electrones, función de onda
Solución de Schwarzschild, 1 1 5 la ciencia, xiii-xiv Dios y, 183 efectos de, xv algo-más-que-nada pregunta sondeado por, xiii tres principios clave de, xvi Ciencia, 28, 30, 83 Scientific American, 1 59 auto-reproducción de las células, 1 4 7 Shapley, Harlow, 2-7, §. singularidad, 1 68 Slipher, Vesto, Q, 1 0 copos de nieve, xi eclipse solar, 26-27 algo-más-que-nada pregunta, 143-45, 88-89 1, 1 9 1 respuesta a antrópico, 1 77-78 condiciones de contorno para, 1 69-70 como "cómo", 1 4 4 y la inestabilidad de la nada, 1 59 respuesta metafísica a, 1 74-75 origen del universo y, xiii leyes físicas como completas para, 1 46-52 leyes físicas innecesarias para, 1 70, 1 7 1-80 como posiblemente insignificante, 1 78-79 fluctuaciones cuánticas como respuesta a, I SO-5 1, 1 53, 1 5 7 1 58 la gravedad cuántica 's respuesta a, 1 64 como científica, xiii cambiante significado de, 1 82-83 espacio innecesario para, 1 6 1-70 espacio: como algo que surge de la nada, xiv-xv, 1 6 1-70 como creado por la gravedad cuántica, 1 63-64 curvatura de, 26-27, 28-35 ,39, 4 1-42 ,165 ; véase también cerrado universo; universo plano; universo abierto más rápido que la luz del crecimiento, 96-97 en la teoría general de la relatividad, 1, 26-27, 28-29, 39, 1 6 1 la inflación de, ver inflación como posiblemente infinito, xiii
la teoría cuántica que se aplica a, 1 6 1 espacio-tiempo, la mecánica cuántica, 1 6 2 ,1 63 espectro, -1 O, 59, 66 Spinoza, Baruch, 1 60 galaxias espirales (nebulosas espirales), Z,! YO líneas de absorción de, 1 0- 1 1 "Candela estándar" 1 9, 78-79 estrellas: brillo de, Z-8, 79 composición, 1 0, 20 elementos hechos en, ! YO- 1 9, 1 1 3- 1 4 secuencia principal, 107 variables, Z Star Trek, 6 1 electricidad estática, 1 54 Stenger, Victor, 1 9 1 la teoría de cuerdas, , 1 30-35 ,1 80 resumen sobre caminos formalismo, 162-63, 1 67-69 Sun, el espectro de, supercúmulos, 28 superconductividad, 132 sobrenatural, 141-42 supernova: Brahe 's observación, 20 elementos creados en, ! YO- 1 8 número de, 1 7, 20-2 1 y la tasa de expansión del universo, 80-82 ,84-86, 88 Tipo la, 1 9, 79, 80-82 ,84-86, 88 Supernova Cosmology Project, §l-82 supercuerdas, 132 supersimetría, 1 32 simetría, 73, 1 2 3 ,1 79 Sísifo, 182
tauones, 1 36 teología, xi, xiii-xiv, xvi, 144 ,1 4 5-46, 1 78 ,1 90 véase también Dios Teoría del Todo, 132 ,134
"Teoría de positrones, A" (Feynman), 64-65 Tomás de Aquino, xii, 135 ,149, 1 72 ,1 73 experimentos mentales, f. tiempo: antipartículas como aparece para retroceder en, 62-65 como algo que surge de la nada, xiv-xv escala característica impresa en la última superficie de dispersión por, 44-45 en la teoría general de la relatividad, 1, 6 1 1 como posiblemente infinito, xiii véase también espacio-tiempo energía total: en el universo cerrado, 166-68 en universo plano, 165 problemas en la medición de, 1 66 como energía gravitacional total más energía asociada con masa, 165 energía gravitacional total 1 0 1-3, 105 definición de, 1 00 de la inflación, 1 0 1-3 Ecuación de Newton para, 1 03 como nonaribtrary, 148-49 en la energía total, 165 en el universo que surge de la nada, 1 49-52, 1 65 triángulos, suma de los ángulos en, 39-40, 50 Turner, Michael, 56, 75-76, 78, 8 1 Supernova de tipo Ia, 1 9, 79, 80-82 ,84-86, 88 Tyson, Tony, 32 ,33-34
Principio de Incertidumbre, 59, 62-65 ,1..1 .. 1 56, 1 64 ,1 65 Universo: edad de, ,.!. §.- 1 6, .fl, 42 ,77, 86-87, 92 ,1 8 7, 1 89 supuesta rotación de, 84 densidad media de, 1 23 condiciones de contorno de la creación de la nada, de 169-70 de enfriamiento de, 95 ,96 final de, 23, 26, 27, 28 como eterno, 1 7 2-74
homogeneidad de, 97, 1 1 5 medición de la curvatura de, 47-54, 55 ,97, 1 4 9 multiverso y, 1 1 9, 1 5 a 29 feb orígenes de, XV, XVI, XVII, XVIII, 2, 23, 89, 184 ;véase también Grande Explosión transición de fase de, 95-96, 1 2 7 como posiblemente infinito, xiii colapsar y desaparecer a los 180 tamaño de, §.-9 visión estática, ,, .§., 56-57, Los ,107, 1 08, 1 1 3 masa total, 36, 39, 54 ,55 ,72 ,86 peso de, 28-37, 54 véase también universo cerrado; universo plano; la inflación; abierto universo universo, la expansión de, xii, xvii, -4 ,.§., 2, ,, Los ,1 1 5 ,149, 187 la energía oscura y, 77, 78-89, 9 1 ,1 06, 107, en 8 a 9, 1 1 6 la gravedad y, ! §., 79-80 ,92 tasa de, li- 1 5, 77, 78-89, 9 1 ,106, 1 08, 1 1 6 como no observable en un futuro lejano, 105- 1 9 véase también La ley de Hubble 's
Vilenkin, Alex, 1 27, 1 69 Supercúmulo de Virgo, 28 partículas virtuales: Ecuación de Dirac y, 67-69 espacio vacío efectuada por, 65-69 ,70-7 1, 97-98, 1 33, I SO, 1 53, 1 89 como explicación de la electricidad estática, 1 54 Feynman 's prueba de, 62-65 evidencia indirecta de, 65-67, 70-7 1, 1 33 en la gravedad cuántica, 72 corto tiempo de vida de, 67-68, 72 cero energía total, 1 54 fotones virtuales, 1 64 ,1 66-67 universos virtuales, 1 64
Weinberg, Steven, 1 83, 1 9 1
Wilczek, Frank, xviii, 134-35 ,1 59 Wilkinson, David, 53 Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP), 53-54, 87 Witten, Edward, 1 32-33
Emisiones de rayos X, 36 Dovich Zel ', Yakov, 72-73 Zwicky, Fritz, 3 1-32 ,33
SOBRE EL AUTOR
Lawrence M. Krauss es Profesor de la Fundación de la Escuela de Exploración Terrestre y Espacial y el Departamento de Física de la Universidad del Estado de Arizona, así como Co-Director de la Iniciativa Cosmología y Director Inaugural de los Orígenes Proyecto. El programa Orígenes implica nuevo y amplio la investigación interdisciplinaria, la enseñanza y la divulgación se centra en todo aspectos de los orígenes: desde los orígenes del cosmos a humano orígenes, a los orígenes de la conciencia y la cultura. Krauss es una físico teórico conocido internacionalmente con la amplia investigación intereses, incluida la interacción entre partículas elementales la física y la cosmología. Obtuvo su doctorado en física de la Instituto de Tecnología de Massachusetts en 1 982, y se unió a la Sociedad de Harvard de los becarios. En 1985, se unió a la facultad de física en la Universidad de Yale, y luego se trasladó a la Case Western Reserve University como Ambrose Swasey profesor en 1993. Desde 1 993 a 2005, se desempeñó como presidente del departamento de física de Caso. Ha recibido numerosos premios internacionales por su la investigación y la escritura, y es el único físico para recibir premios de las tres principales sociedades de física de los EE.UU., la American Physical Sociedad, la Asociación Americana de Profesores de Física, y la Instituto Americano de Física. Krauss es también uno de los pocos científicos prominentes hoy tener cruzado activamente el abismo entre la ciencia y la cultura popular, lo que le hace ser anunciado como un único "intelectual público" por Scientific American revista. Por ejemplo, además de sus libros y la radio y trabajo en televisión, y su periódico y revista comentarios, Krauss ha realizado en solitario con el Cleveland Orquesta, narrando Gustav Holst 's Los Planetas en la flor Music Center en el concierto más concurrido en ese lugar, y fue nominado para un premio Grammy por sus notas para
un CD Telarc de la música de Star Trek. En 2005, también se desempeñó como miembro del jurado en el Festival de Cine de Sundance.
De hecho, como este libro va a imprimir Acabo de enterarme de que Saúl y Brian, junto con Adam Reiss, quien formó parte de la Alta-Z Supernova proj ect, fueron galardonados con el Premio Nobel de Física por 20 1 1 por su descubrimiento.
