Vad hände innan Big Bang?

I början fanns det en oändligt tät, liten materia. Sedan slog det allt och gav upphov till de atomer, molekyler, stjärnor och galaxer vi ser idag.

Eller åtminstone, det är vad vi har fått veta av fysiker under de senaste decennierna. 

Men ny teoretisk fysikforskning har nyligen avslöjat ett möjligt fönster i det mycket tidiga universum som visar att det kanske inte är "väldigt tidigt" trots allt. Istället kan det vara bara den senaste iterationen av en bang-studscykel som har pågått i ... ja, åtminstone en gång och möjligen för evigt. 

Naturligtvis innan fysiker beslutar att kasta ut Big Bang till förmån för en bang-studscykel kommer dessa teoretiska förutsägelser att behöva överleva ett angrepp av observationstester.

Studsande kosmologier

Forskare har en riktigt bra bild av det mycket tidiga universum, något vi vet och älskar som Big Bang-teorin. I denna modell var universum för lång tid sedan mycket mindre, mycket varmare och mycket tätare än det är idag. I det tidiga infernoet för 13,8 miljarder år sedan, bildades alla element som gör oss till det vi är i ett tiotal minuter.

Ännu tidigare går detta tänkande, vid någon tidpunkt hela vårt universum - alla stjärnor, alla galaxer, allt allt - var storleken på en persika och hade en temperatur på över en kvadrillion grader.

Fantastiskt håller denna fantastiska historia upp till alla aktuella observationer. Astronomer har gjort allt från att observera den kvarvarande elektromagnetiska strålningen från det unga universum till att mäta överflödet av de lättaste elementen och fann att de alla stämmer överens med vad Big Bang förutspår. Så långt vi kan veta är detta ett exakt porträtt av vårt tidiga universum.

Men så bra som det är, vi vet att Big Bang-bilden inte är komplett - det saknas ett pusselstycke, och det stycket är de tidigaste ögonblicken i själva universumet.

Det är en ganska stor bit.

Relaterad: Från Big Bang till nuvarande: Snapshots av vårt universum genom tiden

Förbränningen

Problemet är att fysiken som vi använder för att förstå det tidiga universum (en underbart komplicerad mishmash av allmän relativitet och högenergi partikelfysik) kan ta oss bara så långt innan vi bryter ned. När vi försöker driva djupare och djupare in i de första ögonblicken i vårt kosmos blir matematiken svårare och svårare att lösa, hela vägen till den punkt där den bara ... slutar.

Det huvudsakliga tecknet på att vi har terräng som ännu inte ska utforskas är närvaron av en "singularitet" eller en punkt med oändlig täthet i början av Big Bang. Tagen till nominellt värde, berättar detta att universum på en tidpunkt pressades in i en oändligt liten, oändligt tät punkt. Detta är uppenbart absurt, och vad det verkligen säger är att vi behöver ny fysik för att lösa detta problem - vår nuvarande verktygssats är bara inte tillräckligt bra.

Relaterad: Åtta sätt du kan se Einsteins relativitetsteori i verkliga livet

För att rädda dagen behöver vi lite ny fysik, något som kan hantera tyngdkraften och de andra krafterna, tillsammans, vid ultrahöga energier. Och det är exakt vad strängteorin påstår sig vara: en fysikmodell som kan hantera tyngdkraften och de andra krafterna, tillsammans, vid ultrahöga energier. Vilket innebär att strängteori påstår att det kan förklara de tidigaste ögonblicken i universum.

En av de tidigaste strängteoriuppfattningarna är det "ekpyrotiska" universum, som kommer från det grekiska ordet för "förbränning" eller eld. I det här scenariot, det som vi känner som Big Bang, uppstod av något annat som hänt innan den - Big Bang var inte en början, utan en del av en större process.

Att utöka det ekpyrotiska konceptet har lett till en teori, återigen motiverad av strängteori, kallad cyklisk kosmologi. Jag antar att tekniskt sett är tanken på universum som kontinuerligt upprepar sig tusentals år gammal och föregår fysik, men strängteorin gav idén fast matematisk grund. Det cykliska universumet går ungefär som du kan tänka dig, och ständigt hoppar mellan big bangs och big crunches, potentiellt för evigheten tillbaka i tiden och för evigheten i framtiden.

Innan början

Så coolt som detta låter, tidiga versioner av den cykliska modellen hade svårt att matcha observationer - vilket är en viktig affär när du försöker göra vetenskap och inte bara berätta historier runt lägerelden. 

Huvudhindret var enighet med våra observationer av den kosmiska mikrovågsbakgrunden, det fossila ljuset som återstod från då universum bara var 380 000 år gammalt. Även om vi inte kan se direkt förbi den ljusväggen, om du börjar teoretiskt binda med barnkosmosens fysik, påverkar du det efterglödljusmönstret.

Och så verkade det som om ett cykliskt universum var en snygg men felaktig idé.

Men den ekpyrotiska facklan har hållts tänd under åren, och ett papper som publicerades i januari till arXiv-databasen har utforskat rynkor i matematiken och avslöjat några tidigare missade möjligheter. Fysikerna, Robert Brandenberger och Ziwei Wang från McGill University i Kanada, fann att i ögonblicket av "studsningen", när vårt universum krymper till en otroligt liten punkt och återvänder till ett Big Bang-tillstånd, är det möjligt att ställa in allt för att få det korrekta observationsprövade resultatet.

Med andra ord, den komplicerade (och visserligen dåligt förstått) fysiken i denna kritiska epok kan verkligen möjliggöra en radikalt reviderad bild av vår tid och plats i kosmos.

Men för att testa den här modellen måste vi vänta på en ny generation av kosmologiska experiment, så låt oss vänta med att bryta ut den ekpyrotiska champagnen.

Paul M. Sutter är en astrofysiker på SUNY Stony Brook och Flatiron Institute, värd för Fråga en Spaceman och Space Radio, och författare till Din plats i universum.

• De största olösta mysterierna inom fysik
• De 12 konstigaste föremålen i universum
• Big Bang till civilisationen: 10 fantastiska ursprungshändelser

Ursprungligen publicerad den .

ERBJUDANDE: Spara 45% på "Hur det fungerar" Allt om rymden "och" Allt om historia "!

Under en begränsad tid kan du ta ut en digital prenumeration på någon av våra bästsäljande vetenskapsmagasiner för bara 2,38 dollar per månad, eller 45% rabatt på standardpriset för de första tre månaderna.