فیزیکدانان ساختار کوانتومی اولیه جهان ما را شبیه سازی کرده اند

به اندازه کافی به آسمان نگاه کنید، و کیهان در شب شروع به شبیه شدن به یک شهر می کند. کهکشان‌ها ویژگی‌های لامپ‌های خیابانی دارند که محله‌های ماده تاریک را به هم می‌ریزند، که توسط بزرگراه‌های گازی که در امتداد سواحل هستی بین کهکشانی قرار دارند.

این نقشه از کیهان از پیش تعیین شده بود، در کوچکترین لرزه های فیزیک کوانتومی لحظاتی پس از بیگ بنگ حدود ۱۳.۸ میلیارد سال پیش به سمت انبساط فضا و زمان پرتاب شد.

اما دقیقاً این نوسانات چه بودند و چگونه تنظیم شدند. در حال حرکت، فیزیک که می تواند اتم ها را در ساختارهای کیهانی عظیمی که امروز می بینیم ببیند، هنوز واضح نیست.

یک تحلیل ریاضی اخیر از لحظات پس از دوره ای به نام دوران تورمی نشان می‌دهد که نوعی ساختار ممکن است حتی در کوره‌های کوانتومی جوشانی که کیهان نوزاد را پر کرده، وجود داشته باشد. و امروز می تواند به ما در درک بهتر طرح آن کمک کند.

اخترفیزیکدانان دانشگاه گوتینگن در آلمان و دانشگاه اوکلند در نیوزیلند از ترکیبی از شبیه سازی حرکت ذرات و نوعی گرانش/مدل‌سازی کوانتومی برای پیش‌بینی چگونگی تشکیل ساختارها در تراکم ذرات پس از وقوع تورم.

مقیاس این نوع مدل‌سازی کمی است. دیوانه کننده. ما در مورد جرم‌هایی تا ۲۰ کیلوگرم صحبت می‌کنیم که در فضایی به وسعت ۱۰^-۲۰ متر فشرده شده‌اند، در زمانی که کیهان تنها ۱۰^-۲۴ ثانیه داشت.

“فضای فیزیکی نشان‌داده‌شده توسط شبیه‌سازی ما میلیون‌ها بار در یک پروتون قرار می‌گیرد،” می‌گوید اخترفیزیکدان ینس نیمایر از دانشگاه گوتینگن.

“این احتمالاً بزرگترین شبیه‌سازی کوچک‌ترین ناحیه کیهان است که تاکنون انجام شده است. تاکنون انجام شده است.”

بیشتر چیزهایی که ما در مورد این مرحله اولیه از وجود کیهان می دانیم، دقیقاً بر اساس این نوع کشف ریاضی است. قدیمی‌ترین نوری که هنوز می‌توانیم شاهد سوسو زدن در کیهان باشیم، تابش پس‌زمینه کیهانی (CMB) است. تا آن زمان، کل نمایش حدود ۳۰۰۰۰۰ سال در راه بود.

اما در آن پژواک ضعیف تشعشعات باستانی، سرنخ‌هایی از آنچه در حال وقوع است وجود دارد.

نور CMB به عنوان ذرات اساسی که از سوپ داغ و متراکم انرژی در اتم‌ها ترکیب می‌شوند، در آنچه به عنوان عصر نوترکیبی شناخته می‌شود، منتشر شد.

نقشه‌ای از این تابش پس‌زمینه در سراسر آسمان نشان می‌دهد که جهان ما قبلاً نوعی داشته است. ساختار با قدمت چند صد هزار ساله ذرات کمی خنک‌تر و کمی گرم‌تر بودند که ممکن بود ماده را به مناطقی هدایت کنند که در نهایت ستاره‌ها مشتعل شوند، کهکشان‌ها مارپیچی شوند و توده‌ها در شهر کیهانی که امروز می‌بینیم جمع شوند.

این یک سوال ایجاد می کند.

فضای تشکیل دهنده جهان ما در حال انبساط است، به این معنی که جهان زمانی باید بسیار کوچکتر بوده باشد. بنابراین منطقی است که هر چیزی که اکنون در اطراف خود می بینیم زمانی در حجمی بسیار محدود بود که نمی توانست چنین تکه های گرم و خنکی ظاهر شود.

مثل یک فنجان قهوه در کوره، هیچ راهی برای آن وجود نداشت. هر قسمتی قبل از گرم شدن دوباره خنک شود.

دوره تورمی به عنوان راهی برای رفع این مشکل پیشنهاد شد. در عرض یک تریلیونم ثانیه از بیگ بنگ، جهان ما به اندازه ای دیوانه وار جهش کرد و اساساً تغییرات مقیاس کوانتومی را در جای خود منجمد کرد.

اگر بگوییم این اتفاق در یک چشم به هم زدن رخ داده است، باز هم نمی توان گفت عدالت را رعایت کنید حدود ۱۰^۳۶ ثانیه پس از بیگ بنگ شروع می شد و در ۱۰^۳۲ ثانیه به پایان می رسید. اما به اندازه‌ای طولانی بود که فضا به نسبت‌هایی برسد که از هموار شدن دوباره تغییرات جزئی دما جلوگیری کند.

محاسبات محققان بر این لحظه کوتاه پس از تورم متمرکز شده و نشان می‌دهد که چگونه ذرات بنیادی از کف انباشته می‌شوند. موج‌های کوانتومی در آن زمان می‌توانست هاله‌های مختصری از ماده به اندازه کافی متراکم ایجاد کند که فضازمان را چروک کند.

“شکل‌گیری چنین ساختارهایی و همچنین حرکات و برهم‌کنش‌های آن‌ها باید انجام شود. صدای پس‌زمینه امواج گرانشی ایجاد کرده‌اند. بندیکت اگمایر، اخترفیزیکدان دانشگاه گوتینگن، گفت: اولین نویسنده این مطالعه.

“با کمک شبیه سازی هایمان، می توانیم قدرت این موج گرانشی، که ممکن است در آینده قابل اندازه گیری باشد.”

در برخی موارد، جرم شدید چنین اجسامی می توانستند ماده را به سیاهچاله های اولیه، اجسامی که فرض می شود در کشش مرموز ماده تاریک.

این واقعیت که رفتار این ساختارها تقلید از انباشته شدن در مقیاس بزرگ کیهان امروزی ما است، لزوماً به این معنا نیست که مستقیماً مسئول توزیع امروزی ستارگان، گاز، و کهکشان‌ها.

اما فیزیک پیچیده‌ای که در میان آن ذرات تازه پخته شده آشکار می‌شود، ممکن است هنوز در آسمان قابل مشاهده باشد، در میان آن چشم‌انداز نورانی از نورهای چشمک زن و حفره‌های تاریک که ما آن را کیهان می‌نامیم.

این تحقیق در Physical Review D منتشر شده است.

نسخه ای از این مقاله برای اولین بار در مارس ۲۰۲۱ منتشر شد.