Paradigma baru untuk memahami era paling awal dalam sejarah alam semesta telah dikembangkan.
Paradigma baru untuk memahami era paling awal dalam sejarah alam semesta telah dikembangkan oleh para ilmuwan di Penn State University. Dengan menggunakan teknik-teknik dari bidang fisika modern yang disebut loop quantum cosmology, yang dikembangkan di Penn State, para ilmuwan sekarang telah memperluas analisis yang mencakup fisika kuantum lebih jauh ke masa lalu daripada sebelumnya - sampai ke awal. Paradigma baru dari asal-usul kuantum loop menunjukkan, untuk pertama kalinya, bahwa struktur skala besar yang sekarang kita lihat di alam semesta berevolusi dari fluktuasi mendasar dalam sifat kuantum esensial dari "ruang-waktu," yang ada bahkan pada awal mula alam semesta lebih dari 14 miliar tahun yang lalu. Pencapaian ini juga memberikan peluang baru untuk menguji teori kosmologi modern yang bersaing terhadap pengamatan terobosan yang diharapkan dari teleskop generasi mendatang. Penelitian ini akan dipublikasikan pada 11 Desember 2012 sebagai makalah "Saran Editor" dalam jurnal ilmiah Physical Review Letters.
Menurut teori Big Bang tentang bagaimana alam semesta kita dimulai, seluruh kosmos kita berkembang dari keadaan yang sangat padat dan panas dan terus berkembang hingga hari ini. Skema grafik di atas adalah konsep seniman yang mengilustrasikan perluasan sebagian dari alam semesta yang datar. Gambar melalui Wikimedia Commons.
"Kita manusia selalu ingin memahami lebih banyak tentang asal-usul dan evolusi alam semesta kita," kata Abhay Ashtekar, penulis senior makalah ini. “Jadi ini adalah saat yang menyenangkan dalam kelompok kami saat ini, ketika kami mulai menggunakan paradigma baru kami untuk memahami, secara lebih rinci, dinamika yang dialami materi dan geometri selama era paling awal di alam semesta, termasuk di bagian paling awal.” Ashtekar adalah Pemegang Kursi Keluarga Eberly dalam Fisika di Penn State dan direktur Institut Gravitasi dan Kosmos universitas. Rekan penulis makalah ini, bersama dengan Ashtekar, adalah rekan pascadoktoral Ivan Agullo dan William Nelson.
Paradigma baru menyediakan kerangka kerja konseptual dan matematika untuk menggambarkan "geometri kuantum-mekanis ruang-waktu" yang eksotis di alam semesta yang sangat awal. Paradigma menunjukkan bahwa, selama era awal ini, alam semesta dikompresi ke kepadatan yang tak terbayangkan sehingga perilakunya dikuasai bukan oleh fisika klasik teori relativitas umum Einstein, tetapi oleh teori yang lebih mendasar yang juga menggabungkan dinamika aneh kuantum mekanika. Kepadatan materi sangat besar - 1094 gram per sentimeter kubik, dibandingkan dengan kepadatan inti atom saat ini, yang hanya 1014 gram.
Dalam lingkungan mekanika kuantum yang aneh ini - di mana orang hanya dapat berbicara tentang probabilitas peristiwa daripada kepastian - sifat fisik secara alami akan sangat berbeda dari cara kita mengalaminya hari ini. Di antara perbedaan-perbedaan ini, kata Ashtekar, adalah konsep "waktu," serta dinamika perubahan berbagai sistem dari waktu ke waktu karena mereka mengalami jalinan geometri kuantum itu sendiri.
Tidak ada observatorium ruang angkasa yang mampu mendeteksi apa pun sejak dahulu dan jauh seperti era paling awal dari alam semesta yang digambarkan oleh paradigma baru. Tetapi beberapa observatorium telah mendekati. Radiasi latar belakang kosmik telah terdeteksi di era ketika alam semesta baru berusia 380 ribu tahun. Pada saat itu, setelah periode ekspansi cepat yang disebut "inflasi," alam semesta telah meledak menjadi versi yang jauh lebih terdilusi dari diri super terkompresi sebelumnya. Pada awal inflasi, kepadatan alam semesta adalah satu triliun kali lebih kecil daripada selama masa pertumbuhannya, sehingga faktor-faktor kuantum sekarang jauh lebih tidak penting dalam memerintah dinamika materi dan geometri skala besar.
Pengamatan dari radiasi latar belakang kosmik menunjukkan bahwa alam semesta memiliki konsistensi yang dominan seragam setelah inflasi, kecuali untuk percikan cahaya dari beberapa daerah yang lebih padat dan yang lainnya kurang padat. Paradigma inflasi standar untuk menggambarkan alam semesta awal, yang menggunakan persamaan fisika-klasik Einstein, memperlakukan ruang-waktu sebagai kontinum yang lancar. “Paradigma inflasi menikmati kesuksesan luar biasa dalam menjelaskan fitur yang diamati dari radiasi latar kosmik. Namun model ini tidak lengkap. Ia mempertahankan gagasan bahwa alam semesta meledak dari ketiadaan dalam Big Bang, yang secara alami dihasilkan dari ketidakmampuan fisika relativitas umum paradigma untuk menggambarkan situasi mekanika kuantum ekstrem, ”kata Agullo. "Orang membutuhkan teori gravitasi quantum, seperti loop quantum cosmology, untuk melampaui Einstein untuk menangkap fisika sejati di dekat asal mula alam semesta."
Bidang Jauh Hubble eXtreme menunjukkan bagian paling jauh dari ruang yang belum kita lihat dalam cahaya optik. Ini adalah pandangan kami yang terdalam namun kembali ke masa alam semesta yang sangat awal. Dirilis pada 25 September 2012, gambar tersebut dikompilasi 10 tahun dari gambar sebelumnya dan menunjukkan galaksi dari 13,2 miliar tahun yang lalu. Kredit gambar: NASA; ESA; G. Illingworth, D. Magee, dan P. Oesch, Universitas California, Santa Cruz; R. Bouwens, Universitas Leiden; dan Tim HUDF09.
Karya sebelumnya dengan loop quantum cosmology dalam kelompok Ashtekar telah memperbarui konsep Big Bang dengan konsep menarik dari Big Bounce, yang memungkinkan kemungkinan bahwa alam semesta kita muncul bukan dari ketiadaan tetapi dari massa materi yang sangat padat yang sebelumnya mungkin memiliki memiliki sejarahnya sendiri.
Meskipun kondisi mekanika kuantum di awal alam semesta sangat berbeda dari kondisi fisika-klasik setelah inflasi, pencapaian baru oleh fisikawan Penn State mengungkapkan hubungan mengejutkan antara dua paradigma berbeda yang menggambarkan era ini. Ketika para ilmuwan menggunakan paradigma inflasi bersama dengan persamaan Einstein untuk memodelkan evolusi area mirip biji yang disebarkan di seluruh radiasi latar kosmik, mereka menemukan bahwa penyimpangan berfungsi sebagai benih yang berevolusi dari waktu ke waktu menjadi kluster galaksi dan struktur skala besar lainnya yang kita lihat di alam semesta hari ini. Hebatnya, ketika para ilmuwan Penn State menggunakan paradigma loop-quantum-origin baru dengan persamaan kuantum-kosmologi, mereka menemukan bahwa fluktuasi mendasar dalam sifat ruang pada saat Big Bounce berevolusi menjadi struktur seperti benih yang terlihat di latar belakang gelombang mikro kosmik.
"Pekerjaan baru kami menunjukkan bahwa kondisi awal di awal alam semesta secara alami mengarah pada struktur besar-besaran alam semesta yang kita amati hari ini," kata Ashtekar. "Dalam istilah manusia, ini seperti mengambil potret bayi saat lahir dan kemudian dapat memproyeksikan dari itu profil yang akurat tentang bagaimana orang itu akan berada pada usia 100 tahun."
"Makalah ini mendorong kembali asal-usul struktur kosmik alam semesta kita dari zaman inflasi sampai ke Big Bounce, mencakup sekitar 11 orde magnitudo dalam kepadatan materi dan kelengkungan ruang-waktu," kata Nelson. "Kami sekarang telah mempersempit kondisi awal yang bisa ada di Big Bounce, ditambah kami menemukan bahwa evolusi kondisi awal tersebut sesuai dengan pengamatan radiasi latar belakang kosmik."
Hasil tim juga mengidentifikasi rentang parameter yang lebih sempit yang diprediksi oleh paradigma baru ini, membedakannya dari inflasi standar. Ashtekar berkata, “Sangat mengasyikkan bahwa kita segera dapat menguji prediksi yang berbeda dari dua teori ini terhadap penemuan di masa depan dengan misi pengamatan generasi berikutnya. Eksperimen semacam itu akan membantu kita untuk terus mendapatkan pemahaman yang lebih dalam tentang alam semesta yang sangat, sangat awal. "
Melalui Universitas Negeri Penn