Clever Geek Handbook

Tanyakan Ethan No. 10: Mengapa Semesta Adalah Sama Di Mana Saja

gambar

Salah satu sifat manusia yang paling tragis adalah kecenderungan untuk menyelamatkan hidup. Kita semua bermimpi tentang taman mawar ajaib di luar cakrawala, alih-alih menikmati mawar yang mekar di luar jendela kita.

Dale Carnegie.

Pembaca bertanya:
Saya tidak benar-benar memahami inflasi kosmik dan masalah cakrawala. Saya pikir Anda sudah membicarakan hal ini, tetapi saya ingin mendengar lebih banyak detail.

Mari kita kembali ke permulaan.

gambar

Ini adalah alam semesta Anda. Ini meluas sejauh teleskop paling kuat dapat mengintip ke segala arah. Mereka melihat puluhan ribu galaksi tersebar dalam jarak puluhan miliar tahun cahaya ke segala arah, ke mana pun kita memandang. Dalam skala besar, semuanya hampir sama - kepadatan, suhu, jenis bintang dan galaksi, metallicity bintang (konsentrasi unsur relatif lebih berat daripada helium), dll. Yang kita lihat adalah semakin jauh kita melihat, semakin banyak hal-hal muda yang kita lihat, dan semakin cepat mereka menjauh dari kita.

gambar

Semua ini terkait dengan ekspansi dan evolusi alam semesta. Tiga bukti utama kami dalam konteks Teori Relativitas Umum:

perluasan Hubble Alam Semesta - pergeseran merah terkait dengan jarak ke galaksi,
keberadaan dan sifat radiasi latar gelombang mikro kosmik (KMFI) - lautan yang hampir homogen sempurna dari radiasi benda hitam di semua arah, dengan suhu sedikit di atas nol mutlak
kelimpahan unsur-unsur cahaya - hidrogen, deuterium, helium (helium 3 dan 4) dan lithium di alam semesta muda, sebelum pembentukan bintang-bintang,

memberi tahu kita bahwa Semesta telah berevolusi dan berkembang dari keadaan yang lebih panas dan lebih padat, dan bahwa ia sudah dalam keadaan saat ini sekitar 13,8 miliar tahun. Panjang, tetapi tidak terbatas. Paradigma ini dikenal sebagai Big Bang.

gambar

Tapi ada satu masalah. 13,8 miliar tahun, Semesta berkembang sesuai dengan hukum relativitas umum, yaitu kecepatan perluasan ruang ditentukan oleh serangkaian kondisi awal dan kandungan energi alam semesta (materi biasa, materi gelap, radiasi, neutrino, energi gelap, kelengkungan spasial, dll.). Semuanya baik dengan ini - masalahnya adalah bahwa Semesta homogen dan memiliki sifat yang hampir sama di semua arah, di mana pun kita melihat.

gambar

Kepadatan dan sifat kluster galaksi di satu sisi Semesta identik dengan yang ada di sisi lain - tidak peduli bagaimana Anda membagi Semesta menjadi beberapa bagian. Itu pasti aneh, bukan?

Memang, sejak Big Bang, informasi tidak dapat ditransmisikan lebih cepat daripada kecepatan cahaya. Kita dapat melihat sepotong Semesta sepanjang 46 miliar tahun cahaya karena cahaya telah menempuh jarak sejauh ini di Semesta yang mengembang selama 13,8 miliar tahun terakhir. Oleh karena itu, jika kita melihat satu arah pada 23 miliar tahun cahaya, dan kemudian ke arah lain, kita dapat berharap bahwa dua bagian ini tidak akan terhubung satu sama lain.

Masih belum jelas? Saya akan memberikan analogi.

gambar

Bayangkan air mendidih dalam wajan. Anda menghangatkannya dari bawah, dan air mendidih di semua tempat secara bersamaan. Tidak ada perbedaan suhu antara bagian atas dan bagian bawah air. Mengapa demikian?

Anda memanaskan wajan dari bawah, tetapi airnya memanas di mana-mana. Ini karena molekul-molekulnya bergerak, saling bertabrakan dan berbagi energi. Air dari bawah menukar energi dan informasi dengan air dari atas, dan waktu yang dibutuhkan untuk pertukaran ini jauh lebih sedikit daripada waktu yang diperlukan untuk mendidih.

Tetapi tidak selalu demikian.

gambar

Dalam foto ini, lava mengalir dari gunung berapi aktif ke laut. Ketika lava yang dipanaskan di atas 1000 ° C bersentuhan dengan air, lava segera mendidih. Tapi lautan besar, dan kecepatan perambatan panasnya terbatas. Tidak terlalu jauh dari tempat ini, suhu air praktis tidak akan berubah akibat lahar. Dari sudut pandang praktis, wilayah ini dibagi satu sama lain, mereka tidak bertukar informasi atau properti.

Akan aneh jika daerah dipisahkan satu sama lain, yang tidak bersentuhan satu sama lain dan tidak bertukar informasi, memiliki suhu yang sama. Tetapi di Semesta inilah yang terjadi.

gambar

Radiasi latar belakang gelombang mikro kosmik (KMFI) dipancarkan ketika Alam Semesta baru berusia 380.000 tahun, dan pada saat itu cahaya itu dapat berjalan tidak lebih dari satu juta tahun cahaya ke segala arah. Jika Anda mengisi langit gelombang mikro dengan lingkaran sejuta tahun cahaya, Anda akan membutuhkan lebih dari sepuluh miliar wilayah independen untuk mengisi semua yang kita lihat. Namun demikian, di wilayah ini yang tidak saling terkait, suhu, spektrum, dan kepadatannya sama dengan akurasi 99,99%.

gambar

Masalah ini, ketika daerah yang tidak bersentuhan satu sama lain, untuk beberapa alasan, memiliki sifat yang identik, disebut masalah cakrawala.

Ini dapat diselesaikan sebagai berikut: mungkin daerah-daerah ini tidak punya waktu untuk saling bertukar informasi, tetapi bagaimana jika, setelah Big Bang, mereka sudah memiliki sifat yang sama?

gambar

Secara umum, ini adalah perpanjangan: apa yang terjadi sebelum Big Bang, yang tidak hanya menyiapkannya, tetapi juga menyiapkan kondisi awal yang dimiliki Alam Semesta kita. Mereka mengambil daerah kecil (mungkin sangat kecil), memperluasnya secara eksponensial, dan membentang ke ukuran yang lebih besar dari alam semesta yang diamati, sambil menetapkan aturan berikut:

masalah apa pun, partikel, energi, atau cacat topologi yang ada di wilayah ini sebelum ekspansi, berkurang kepadatannya sehingga tidak akan ada lebih dari satu partikel di seluruh Semesta (masalah monopole diselesaikan)
tidak peduli apa ruang kelengkungan sebelum ekspansi, ekspansi begitu ia membentang sehingga menjadi tidak bisa dibedakan dari ruang datar (masalah alam semesta datar sedang dipecahkan),
tidak peduli apa variasi suhu dan kepadatan di berbagai wilayah ruang yang ada sebelum ekspansi, Alam Semesta yang dapat diamati berasal dari satu wilayah kecil. Oleh karena itu, suhu dan kepadatan Semesta adalah sama di mana-mana (masalah cakrawala terpecahkan)
fluktuasi kuantum yang terjadi selama ekspansi mengarah pada serangkaian prediksi fluktuasi suhu dan kepadatan yang jelas di bagian Semesta yang terlihat.

gambar

Jika kita membuang teori inflasi, maka kita harus mengganti tiga masalah lainnya (monopole, alam semesta yang datar dan cakrawala) dan satu prediksi (tentang spektrum fluktuasi suhu dan kepadatan Alam Semesta) di bawah karpet, dan katakan: "Ini hanya kondisi awal dari Big Bang" untuk membuat model Anda bekerja.

Atau Anda dapat mengenali model inflasi - sebagai cara sederhana, elegan, dan langsung untuk menyelesaikan semua masalah ini.

gambar

Itulah sebabnya Alam Semesta kita, sejauh yang kita tahu, adalah sama di mana-mana dan di segala arah.

More articles:


All Articles