Μια φορά και έναν καιρό, πριν από 13,8 δισεκατομμύρια χρόνια, το σύμπαν μας ξεπήδησε από μια κβαντική κουκκίδα, φουσκώνοντας κατά ένα εικοσιπεντάκις εκατομμύριο φορές τον αρχικό του όγκο (βάσει κάποιων εκτιμήσεων) μέσα σε λιγότερο από ένα δισεκατομμυριοστό ενός τρισεκατομμυριοστού του τρισεκατομμυριοστού του δευτερολέπτου. Έπειτα συνέχισε να επεκτείνεται με πιο χαλαρούς ρυθμούς, σύμφωνα με τους γνωστούς νόμους της φυσικής.
Έτσι πάει η ιστορία του κοσμικού πληθωρισμού, της μοντέρνας εκδοχής της θεωρίας περί Μεγάλης Έκρηξης. Αυτή η μοναδική, σύντομη και εξωφρενική ανάπτυξη ταιριάζει με όλα τα υπάρχοντα κοσμολογικά δεδομένα και τις μαρτυρίες για το μέγεθος, την ομαλότητα, το επίπεδο και την έλλειψη συγκεκριμένης κατεύθυνσης. Αλλά ως μια εξήγηση για το πώς και γιατί ξεκίνησε το σύμπαν, η θεωρία του κοσμικού πληθωρισμού είναι ελλιπής. Τα ερωτήματα που δημιουργεί –γιατί συνέβη αυτή η απότομη ανάπτυξη, πώς συνέβη, και τι προηγήθηκε (αν όντως προηγήθηκε)– έχουν προβληματίσει τους κοσμολόγους από τότε που εμφανίστηκε η θεωρία στην δεκαετία του 1980. «Έχουμε πολύ ισχυρές αποδείξεις ότι υπήρξε αυτή η περίοδος του πληθωρισμού», είπε ο Matthew Kleban, ένας κοσμολόγος στο Πανεπιστήμιο της Νέας Υόρκης. «Αλλά δεν έχουμε καμία ιδέα –ή έχουμε υπερβολικά πολλές ιδέες- τι ήταν βασικά ο πληθωρισμός».
Για να καταλάβουν την προέλευση του σύμπαντος, οι σημερινοί κοσμολόγοι ψάχνουν να βρουν τον άγνωστο παράγοντα (τον ‘πληθωριστή’) που προκάλεσε τον πληθωρισμό. Συχνά ιδωμένος ως ένα πεδίο ενέργειας που διέπει το διάστημα και το διασπά, αυτός ο παράγοντας, λένε οι επιστήμονες, δούλευε σαν ρολόι. Με κάθε χτύπημα, διπλασίαζε το μέγεθος του σύμπαντος διατηρώντας τον χρόνο σχεδόν τέλεια –μέχρι που σταμάτησε. Οι θεωρητικοί, λοιπόν, όπως ο Kleban, είναι οι κατασκευαστές ρολογιών που σχεδιάζουν συνολικά εκατοντάδες διαφορετικά μοντέλα, τα οποία μπορούν να αναπαραστήσουν τον ρυθμό της Μεγάλης Έκρηξης.
Όπως και πολλοί κοσμολογικοί κατασκευαστές ρολογιών, ο Kleban είναι ειδικός στη θεωρία των χορδών –την κύρια υποψήφια για μια «θεωρία των πάντων» που προσπαθεί να περιγράψει τη φύση πέρα από όλες τις αποστάσεις, τις εποχές και τις ενέργειες. Οι γνωστές εξισώσεις της φυσικής παραπαίουν όταν εφαρμόζονται στο μικροσκοπικό, ασταθές και μανιακό περιβάλλον της Μεγάλης Έκρηξης, στην οποία προσπαθούν να συγχωνεύσουν μια τεράστια ενέργεια σε απειροελάχιστο χώρο και χρόνο. Αλλά η θεωρία των χορδών ανταπεξέρχεται πολύ καλά σε αυτό το περιβάλλον, προσφέροντας επιπλέον διαστάσεις στο χώρο που διασκορπίζουν την ενέργεια. Τα οικεία σε μας σημειακά σωματίδια γίνονται, σε αυτό το επίπεδο ύψιστης ενέργειας και εστίασης, μονοδιάστατες «χορδές» και μεμβρανώδη «αντικείμενα», που όλα τους διασχίζουν ένα τοπίο δέκα διαστάσεων. Αυτά τα δονούμενα, κυματιστά γρανάζια μπορεί να είχαν ενεργοποιήσει το ρολόι της Μεγάλης Έκρηξης.
Στο γραφείο του πρόσφατα, ένα απόγευμα, ο Kleban σκίτσαρε το τελευταίο σχέδιό του σχετικά με τον κοσμικό πληθωρισμό σε έναν πίνακα. Πρώτα σχεδίασε έναν λεπτό κύλινδρο για να απεικονίσει το τοπίο των χορδών. Το μήκος του αντιπροσώπευε τις τρεις διαστάσεις του χώρου της μακροσκοπικής πραγματικότητας, και το περίβλημά του σήμαινε τις άλλες έξι διαστάσεις του χώρου που η θεωρία των χορδών λέει ότι υπάρχουν, αλλά είναι πολύ μικρές για να τις δει κανείς. Στην πλευρά του κυλίνδρου, ζωγράφισε έναν κύκλο. Αυτό είναι το ρολόι του Kleban: μια μεμβράνη που δημιουργείται με φυσαλίδες και επεκτείνεται φυσικά. Ενώ το εσωτερικό της που φουσκώνει δημιουργεί ένα νέο σύμπαν, η ενέργειά της σταδιακά χτυπά με ρυθμό όπως το ρολόι κάθε φορά που ο επεκτεινόμενος κύκλος τυλίγεται γύρω από το περίβλημα του κυλίνδρου και επικαλύπτει τον εαυτό του. Όταν η ενέργεια του «μεμβρανώδους αντικειμένου» αραιώνει, το ρολόι σταματά να χτυπά, και η διαδικασία του πληθωρισμού τελειώνει. Είναι ένα σχέδιο το οποίο κάποιοι κοσμολόγοι έχουν επαινέσει για την οικονομία του. «Πιστεύω ότι είναι εύλογο να συμβαίνει κάποια εκδοχή αυτού», είπε.
Αν και ο Kleban αναγνωρίζει ότι είναι πολύ νωρίς ακόμα για να κριθεί αν αυτός ή κάποιος άλλος είναι πιο κοντά στην αλήθεια, μελετώνται κάποια σχέδια για να βρεθεί η απάντηση.
Η καταγραφή των ιλιγγιωδών χτυπημάτων του πληθωριστικού παράγοντα μπορεί να διαβαστεί στην κατανομή των γαλαξιών, των σμηνών γαλαξιών και των υπερσμηνών που διέπουν το σύμπαν. Αυτές οι δομές (και όλα όσα βρίσκονται μέσα σε αυτές, ακόμα και εσείς) είναι προϊόντα «ωρολογιακών λαθών», όπως το έθεσε ο Matias Zaldarriaga, κοσμολόγος στο Ινστιτούτο Ανώτατων Σπουδών στο Πρίνστον του Νιου Τζέρσεϊ. Δηλαδή, ο χρόνος είναι από τη φύση του αβέβαιος, και έτσι το σύμπαν φούσκωσε με ελαφρώς διαφορετικούς ρυθμούς σε διαφορετικά μέρη και στιγμές, δημιουργώντας παντού διαφορές στην πυκνότητα. Οι μεταβολές στον χρόνο θα μπορούσαν επίσης να θεωρηθούν ως μεταβολές στην ενέργεια που συνέβησαν όταν ζευγάρια από σωματίδια εμφανίστηκαν αυθόρμητα στην επιφάνεια ενός «πληθωριστικού παράγοντα», τεντώθηκαν και χωρίστηκαν σαν δύο σημεία ενός μπαλονιού που φουσκώνει. Αυτά τα σωματίδια ήταν οι σπόροι που η βαρύτητα μετέτρεψε σε γαλαξιακές δομές στην πορεία των αιώνων. Τα ζευγάρια των δομών που εκτείνονται στις μεγαλύτερες αποστάσεις στον ουρανό σήμερα προήλθαν από τις αρχικές μεταβολές των κβάντων κατά τη διάρκεια του πληθωρισμού, ενώ οι δομές που είναι στενά συνδεδεμένες δημιουργήθηκαν αργότερα. Αυτή η ένθετη κατανομή σε όλες τις κλίμακες κοσμικών αποστάσεων «σας λέει με λεπτομέρειες ότι το ρολόι χτυπούσε» , είπε ο Nima Arkani-Hamed, θεωρητικός φυσικός στο Ινστιτούτο Ανώτατων Σπουδών. «Αλλά δεν σας λέει τίποτα σχετικό με το από τι δημιουργήθηκε».
Για να αντιστρέψουν τον μηχανισμό του ρολογιού, οι κοσμολόγοι ψάχνουν ένα νέο είδος δεδομένων. Οι υπολογισμοί τους δείχνουν ότι οι γαλαξίες και οι άλλες δομές δεν είναι απλά τυχαία διασκορπισμένοι σε ζεύγη στον ουρανό∙ αντίθετα, έχουν μια ελαφρά τάση να είναι διαμορφωμένοι σε πιο περίπλοκες διατάξεις∙ τρίγωνα, ορθογώνια, πεντάγωνα, και άλλα σχέδια, τα οποία οδηγούν όχι μόνο στις μεταβολές των κβάντων στο ρολόι της Μεγάλης Έκρηξης, αλλά σε μια πιο σημαντική κίνηση των γραναζιών.
Ο εντοπισμός των κοσμολογικών τριγώνων και των άλλων σχεδίων –τα οποία έχουν ονομαστεί «μη Γκαουσιανά» για να κάνουν αντίθεση με την καμπυλωτή σε σχήμα καμπάνας δομή των τυχαία κατανεμημένων ζευγών δομών του Gauss- θα χρειαστεί πιο ακριβείς παρατηρήσεις του σύμπαντος από όσες έχουν γίνει ως τώρα. Και έτσι έχουν ξεκινήσει σχέδια για ένα χρονοδιάγραμμα πειραμάτων που απαιτούν ολοένα και μεγαλύτερη ευαισθησία. «Πρόκειται να έχουμε πιο πολλές πληροφορίες από όσες έχουμε ως τώρα, και ευαισθησία σε πιο λεπτές επιδράσεις από εκείνες που μπορούμε να εξερευνήσουμε τώρα», είπε ο Marc Kamionkowski, κοσμολόγος στο Πανεπιστήμιο Johns Hopkins. Στο μεταξύ, οι θεωρητικοί κάνουν μεγάλες προόδους στο να καθορίσουν ποια σχήματα πρέπει να ψάξουν και πώς. «Παρατηρείται μια σπουδαία αναγέννηση στην αντίληψη», είπε η Eva Silverstein, κοσμολόγος της θεωρίας των χορδών στο Πανεπιστήμιο του Stanford, η οποία επινόησε τον ρυθμιστικό μηχανισμό διαστάσεων που χρησιμοποιείται από τον Kleban, όπως και πολλά δικά της σχέδια ρολογιών.
Η έντονη μελέτη των μη Γκαουσιανών σχημάτων ξεκίνησε το 2002, όταν ο Juan Maldacena, ένας τιμημένος σαν καλόγερος θεωρητικός στο Ινστιτούτο Ανώτατων Σπουδών, υπολόγισε αυτό που ονομάζεται το «ελάχιστο βαρυτικό όριο»: τον ελάχιστο αριθμό τριγώνων και άλλων σχημάτων που είναι εγγυημένο ότι υπάρχουν στον ουρανό, λόγω της αναπόφευκτης επίδρασης της βαρύτητας κατά την κοσμική έκρηξη. Οι κοσμολόγοι πάλευαν να υπολογίσουν το ελάχιστο βαρυτικό όριο για πάνω από μία δεκαετία, καθώς θα παρείχε έναν προσιτό στόχο για τους πειραματιστές. Αν το όριο ξεπεραστεί, και πάλι δεν ανιχνεύονται τρίγωνα, εξήγησε ο Maldacena, «τότε η θεωρία του πληθωρισμού είναι λάθος».
Όταν ο Maldacena υπολόγισε για πρώτη φορά το βαρυτικό όριο, η πραγματική ανίχνευσή του έμοιαζε όντως με μακρινό στόχο. Εκείνη την εποχή, όλη η ακριβής γνώση για τη γένεση του σύμπαντος προερχόταν από παρατηρήσεις του «υποβάθρου κοσμικών μικροκυμάτων» -του αρχαιότερου φωτός στον ουρανό, που φωτίζει ένα δισδιάστατο κομμάτι του νεογέννητου σύμπαντος, καθώς εμφανίστηκε 380.000 χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη. Βασισμένο στον περιορισμένο αριθμό των αναδυόμενων δομών που εμφανίζονται σε αυτό το δισδιάστατο στιγμιότυπο, φαινόταν αδύνατο ότι η ελαφρά τάση τους να δομούνται σε τρίγωνα και άλλα σχέδια θα μπορούσε ποτέ να ανιχνευθεί με στατιστική ακρίβεια. Αλλά η εργασία του Maldacena έδωσε στους θεωρητικούς τα εργαλεία για να υπολογίσουν άλλες, πιο φανερές μορφές των μη Γκαουσιανών σχημάτων που μπορεί να υπάρχουν στον ουρανό, λόγω ισχυρότερων επιδράσεων από τη βαρύτητα. Και κινητοποίησε τους ερευνητές να βρουν καλύτερους τρόπους για να ψάξουν τα σημάδια.
Έναν χρόνο αφότου ο Maldacena έκανε τους υπολογισμούς του, ο Zaldarriga και οι συνεργάτες του έδειξαν ότι η μέτρηση της κατανομής των γαλαξιών και των σμηνών των γαλαξιών που σχηματίζουν τη δομή μεγάλης κλίμακας του σύμπαντος θα απέφερε ακόμα περισσότερα σχήματα από όσα η παρατήρηση του υποβάθρου των κοσμικών μικροκυμάτων. «Είναι μια σύγκρουση ανάμεσα στο τρισδιάστατο και το δισδιάστατο», είπε ο Olivier Doré, κοσμολόγος στο Εργαστήριο Προώθησης Τζετ που εργάζεται σε προτεινόμενη αναζήτηση για τα μη Γκαουσιανά σχήματα στη δομή μεγάλης κλίμακας. «Αν αρχίσετε να μετράτε τρίγωνα σε τρισδιάστατο όπως μπορείτε να κάνετε με τις έρευνες περί γαλαξιών, υπάρχουν πολλά περισσότερα που μπορείτε να μετρήσετε».
Η αντίληψη ότι η μέτρηση περισσότερων σχημάτων στον ουρανό θα αποκαλύψει περισσότερες λεπτομέρειες της Μεγάλης Έκρηξης υπονοείται σε μια κεντρική αρχή της κβαντικής φυσικής γνωστή ως «μοναδιαιότητα». Η μοναδιαιότητα ορίζει ότι οι πιθανότητες όλων των δυνατών κβαντικών καταστάσεων του σύμπαντος πρέπει να ισούνται με το ένα, τώρα και για πάντα∙ με αυτόν τον τρόπο οι πληροφορίες, οι οποίες φυλάσσονται σε κβαντικές καταστάσεις, δεν μπορούν ποτέ να χαθούν –μόνο να διασκορπιστούν. Αυτό σημαίνει ότι όλες οι πληροφορίες σχετικά με τη γένεση του σύμπαντος παραμένουν κωδικοποιημένες στην τωρινή του κατάσταση, και όσο ακριβέστερα οι κοσμολόγοι ξέρουν την τωρινή κατάσταση, τόσα περισσότερα μπορούν να μάθουν για την προηγούμενη.
Αλλά πώς οι λεπτομέρειες της Μεγάλης Έκρηξης κωδικοποιήθηκαν σε τρίγωνα και άλλα σχήματα; Σύμφωνα με τον Zaldarriaga, οι υπολογισμοί του Maldacena «άνοιξαν τον δρόμο για την κατανόηση του πώς συμβαίνει αυτό». Σε ένα σύμπαν που διέπεται από την κβαντομηχανική, όλα τα συστατικά της φύσης διασταυρώνονται, ενώ μεταμορφώνονται και έρχονται σε επαφή το ένα με το άλλο σε διαφορετικούς βαθμούς πιθανοτήτων. Αυτό περιλαμβάνει το πεδίο του πληθωριστικού παράγοντα, το βαρυτικό πεδίο, και ό, τι άλλο υπήρξε στο πρωταρχικό σύμπαν: τα σωματίδια που προέκυψαν σε εκείνα τα πεδία θα είχαν μεταμορφωθεί το ένα στο άλλο και θα είχαν διασκορπιστεί ώστε να δημιουργήσουν τρίγωνα και άλλους γεωμετρικούς σχηματισμούς, σαν τις μπάλες στο μπιλιάρδο που διασκορπίζονται.
Αυτά τα δυναμικά γεγονότα πιθανόν αναμείχθηκαν με τις πιο πεζές κινήσεις των κβάντων από εκείνα τα ζεύγη σωματιδίων που εμφανίστηκαν στο πεδίο του πληθωριστικού παράγοντα και γέννησαν τους λεγόμενους «συσχετισμούς δύο σημείων» σε όλο τον ουρανό. Ένα ζεύγος σωματιδίων, για παράδειγμα, μπορεί να είχε βγει στην επιφάνεια κάποιου άλλου πρωταρχικού πεδίου, και ένα μέλος από αυτό το ζεύγος να είχε μετά διασπαστεί σε δύο εκρηκτικά σωματίδια, ενώ το άλλο σε ένα μόνο σωματίδιο, δημιουργώντας έναν συσχετισμό τριών σημείων, ή τρίγωνο, στον ουρανό. Ή, δύο μυστήρια σωματίδια μπορεί να είχαν συγκρουστεί και διασπαστεί σε τέσσερα πληθωριστικά σωματίδια, δημιουργώντας έναν συσχετισμό τεσσάρων σημείων. Πιο σπάνια γεγονότα μπορεί να δημιούργησαν συσχετισμούς πέντε ή έξι σημείων ή και παραπάνω, με τα νούμερά τους, τα μεγέθη και τις εσωτερικές γωνίες να αποκωδικοποιούν τους τύπους και τις σχέσεις των σωματιδίων που τους δημιούργησαν. Η αρχή της μοναδιαιότητας υπόσχεται ότι προσθέτοντας τα σχέδια όλο και ακριβέστερα, οι κοσμολόγοι θα επιτύχουν μια ολοένα και πιο λεπτομερή εξήγηση για το πρωταρχικό σύμπαν, ακριβώς όπως και οι φυσικοί στο Large Haldron Collider της Ευρώπης βελτιώνουν την θεωρία τους για τα γνωστά σωματίδια και ψάχνουν αποδείξεις για νέα σωματίδια συλλέγοντας στατιστικά δεδομένα πάνω στον τρόπο με τον οποίο τα σωματίδια μεταμορφώνονται και διασκορπίζονται κατά τις συγκρούσεις.
Μετά τον υπολογισμό του βαρυτικού ορίου από τον Malcadena, άλλοι ερευνητές έδειξαν ότι ακόμα και πολλά απλά πληθωριστικά μοντέλα παράγουν πολύ πιο έντονα από το ελάχιστο όριο μη Γκαουσιανά σχήματα. Δημιουργοί ρολογιών όπως η Silverstein και ο Kleban ασχολούνται από τότε με τον εντοπισμό του ξεχωριστού συστήματος τριγώνων που τα μοντέλα τους θα δημιουργούσαν –προβλέψεις που στα επόμενα χρόνια θα μπορούν να δοκιμαστούν ολοένα και περισσότερο. Το 2014 η πρόοδος επιταχύνθηκε, όταν ένα μικρό πείραμα στη βάση του Νότιου Πόλου φαινόταν να οδηγεί σε μνημειώδη ανακάλυψη για τη γένεση του σύμπαντος. Η ανακοίνωση αύξησε κατακόρυφα το ενδιαφέρον για τα κοσμολογικά τρίγωνα, παρά το γεγονός ότι η υποτιθέμενη ανακάλυψη αποδείχτηκε μια σοβαρή απογοήτευση.
Καθώς τα νέα ξεκίνησαν να διαδίδονται στις 17 Μαρτίου του 2014 ότι η αδιάσειστη απόδειξη του κοσμικού πληθωρισμού είχε εντοπιστεί, το γραφείο τύπου του Πανεπιστημίου του Stanford δημοσίευσε ένα γιορταστικό βίντεο στο YouTube. Στο βίντεο αυτό, ο κοσμολόγος Andrei Linde, ένας από τους πιο παρασημοφορημένους πρωτοπόρους της πληθωριστικής κοσμολογίας και η σύζυγός του, η θεωρητικός των χορδών, της υπερβαρύτητας και κοσμολόγος Renata Kallosh, ανοίγουν την πόρτα και βλέπουν τον συνάδελφό τους Chao-Lin Kuo στο κατώφλι, συνοδευόμενο από κάμερες.
«Είναι 5-Σ, στο σημείο 2», λέει ο Kuo στο βίντεο.
«Ανακάλυψη;», ρωτάει η Kallosh, μετά από λίγο. Αγκαλιάζει τον Kuo, λιώνοντας από συγκίνηση, καθώς ο Linde ρωτάει «Τι;».
Οι θεατές μαθαίνουν ότι το BICEP2, ένα πείραμα του οποίου ηγείτο και ο Kuo, έχει ανιχνεύσει ένα σχήμα στροβίλου στο υπόβαθρο κοσμικών μικροκυμάτων που θα είχε αποτυπωθεί από κύματα στον χωροχρόνο γνωστά ως «πρωταρχικά βαρυτικά κύματα». Και αυτά θα μπορούσαν να είχαν αναδυθεί μόνο κατά τον κοσμικό πληθωρισμό, καθώς σωματίδια σε σχήμα ανοιχτηριού εμφανίστηκαν στο βαρυτικό πεδίο, τεντώθηκαν και παρέμειναν μονίμως παγωμένα στο σχήμα του σύμπαντος.
Στην επόμενη σκηνή, ο Linde πίνει σαμπάνια με τη σύζυγό του και τον φιλοξενούμενό τους. Στις αρχές της δεκαετίας του 1980, οι Linde, Alexei Starobinsky, Alan Guth, και άλλοι νεαροί κοσμολόγοι δημιούργησαν τη θεωρία του κοσμικού πληθωρισμού ως ένα μπάλωμα για την πλέον περιθωριοποιημένη θεωρία της Μεγάλης Εκρήξεως του 1930, η οποία περιέγραφε το σύμπαν ως επεκτεινόμενο προς τα έξω από μία «μονάδα» -ένα σημείο με άπειρη πυκνότητα που δεν έβγαζε κανένα νόημα- και δεν μπορούσε να εξηγήσει γιατί το σύμπαν δεν είχε κηλιδωθεί και στρεβλωθεί καθώς επεκτεινόταν. Ο κοσμικός πληθωρισμός παρείχε μια έξυπνη λύση για αυτά τα προβλήματα, και το εύρημα του BICEP2 έδειχνε ότι η θεωρία είχε αποδειχθεί οριστικά. «Αν αυτό είναι αλήθεια», λέει ο Linde στην κάμερα, «αυτό είναι μια στιγμή ασύλληπτου μεγαλείου κατανόησης της φύσης. Για να δούμε. Ας ελπίσουμε ότι αυτό δεν είναι κόλπο».
Για πολλούς ερευνητές, το πιο συναρπαστικό πράγμα σχετικά με την υποτιθέμενη ανακάλυψη ήταν η ισχύς του σήματος στροβιλισμού, μετρημένη ως r=0,2. Η μέτρηση έδειξε ότι ο πληθωρισμός συνέβη σε απίστευτα μεγάλη ενεργειακή κλίμακα και στις πρώτες στιγμές, κοντά στον τομέα χρόνου-ενέργειας όπου η βαρύτητα, όπως και οι επιδράσεις των χορδών, των αντικειμένων ή άλλων εξωτικών στοιχείων, θα ήταν ισχυρή. Όσο πιο υψηλή ήταν η ενεργειακή κλίμακα του πληθωρισμού, τόσες διασταυρώσεις θα είχαν υπάρξει ανάμεσα στον πληθωριστικό παράγοντα και στα άλλα αρχέτυπα συστατικά. Το αποτέλεσμα θα ήταν τα φανερά τρίγωνα και άλλα μη Γκαουσιανά σχήματα στον ουρανό.
«Μετά το BICEP, όλοι σταματήσαμε ό, τι κάναμε και αρχίσαμε να σκεφτόμαστε για τον πληθωρισμό», είπε ο Arkani-Hamed. «Ο πληθωρισμός είναι σαν να έχουμε έναν γιγάντιο επιταχυντή σωματιδίων σε πολύ υψηλότερες ενεργειακές κλίμακες από όσες μπορείτε να αποκτήσετε στη Γη». Το ερώτημα ήταν πώς ένας τέτοιος επιταχυντής θα λειτουργούσε, είπε, «και αν υπάρχουν κάποια εξωτικά στοιχεία [κοντά στην κλίμακα του πληθωρισμού], πώς θα μπορούσαμε να τα ψάξουμε».
Όταν ξεκίνησαν αυτές οι έρευνες, αναδύθηκαν περισσότερες λεπτομέρειες από την ανάλυση του BICEP2. Έγινε φανερό ότι η ανακάλυψη ήταν πράγματι ένα κόλπο της φύσης: το τηλεσκόπιο της ομάδας στο Νότιο Πόλο είχε πιάσει την λάμψη του στροβίλου γαλαξιακής σκόνης παρά την επίδραση των αρχέτυπων βαρυτικών κυμάτων. Μια ανάμειξη απελπισίας και θυμού κυρίευσε τον τομέα. Δύο χρόνια μετά, τα πρωταρχικά βαρυτικά κύματα ακόμα δεν έχουν βρεθεί. Τον Ιανουάριο, ο διάδοχος του BICEP2, BICEP/Keck Array, ανέφερε ότι ο παράγοντας r δεν μπορούσε να είναι παραπάνω από 0,07, το οποίο χαμηλώνει το όριο της ενεργειακής κλίμακας του πληθωρισμού και το βάζει ακόμα πιο κάτω από τη θεωρία των χορδών, ή άλλους εξωτικούς τομείς της φυσικής.
Εν τούτοις, πολλοί ερευνητές ήταν πλέον ενήμεροι για το πιθανό χρυσωρυχείο πληροφοριών που περιέχεται στα τρίγωνα και σε άλλα μη Γκαουσιανά σχήματα. Είχε γίνει φανερό ότι αυτά τα απολιθώματα από τον πληθωρισμό άξιζε να ερευνηθούν, ακόμα και αν είχαν θαφτεί πιο κάτω από όσο είχε υποσχεθεί για λίγο το BICEP2. «Ναι, ο παράγοντας r έπεσε κάπως», είπε ο Malcadena. Αλλά δεν είναι και τόσο άσχημα, κατά τη γνώμη του: μια σχετικά υψηλή κλίμακα είναι και πάλι δυνατή.
Σε μια μελέτη την περασμένη άνοιξη που έλαβε στοιχεία από άλλους ερευνητές, οι Malcadena και Arkani-Hamed χρησιμοποίησαν επιχειρήματα συμμετρίας για να δείξουν ότι ένα βασικό χαρακτηριστικό της θεωρίας των χορδών μπορούσε να εμφανιστεί με τρίγωνα. Η θεωρία των χορδών προβλέπει έναν ατέλειωτο πύργο από «καταστάσεις υψηλότερων περιστροφών» -ουσιαστικά, χορδές που δονούνται σε μια άπειρα αυξανόμενη ακολουθία σκαμπανεβασμάτων. Μέχρι τώρα, δεν έχουν ανακαλυφθεί βασικά σωματίδια με «περιστροφική» αξία μεγαλύτερη του 2. Οι Malcadena και Arkani-Hamed έδειξαν ότι η ύπαρξη μιας κατάστασης υψηλότερων περιστροφών θα οδηγούσε σε εναλλασσόμενες κορυφές και πτώσεις στην ισχύ των σημάτων που παράγονται από τα τρίγωνα στον ουρανό όσο μακραίνουν. Για τους θεωρητικούς των χορδών, αυτό είναι συναρπαστικό. «Δεν μπορείτε να χτίσετε μια σταθερή διαδραστική θεωρία ενός τέτοιου σωματιδίου εκτός αν έχετε έναν ατέλειωτο πύργο από αυτά» όπως εκείνος στην θεωρία των χορδών, εξήγησε ο Daniel Baumann, θεωρητικός κοσμολόγος στο Πανεπιστήμιο του Άμστερνταμ. Βρίσκοντας το ταλαντευόμενο μοτίβο στα τρίγωνα του ουρανού θα επιβεβαίωνε ότι εκείνος ο πύργος υπάρχει. «Βλέποντας και μόνο ένα σωματίδιο με περιστροφή μεγαλύτερη του 2 θα ήταν ένδειξη ότι η θεωρία των χορδών είναι παρούσα».
Άλλοι ερευνητές επιδιώκουν παρόμοιες γενικές προβλέψεις. Τον Φεβρουάριο, ο Kamionkowski και οι συνεργάτες του ανέφεραν λεπτομερείς πληροφορίες για τα πρωταρχικά σωματίδια που είναι κωδικοποιημένες στη γεωμετρία των συσχετισμών τεσσάρων σημείων, οι οποίες «αποκτούν ενδιαφέρον», είπε, καθώς τέσσερα σημεία μπορούν να απλωθούν σε επίπεδα ή να επεκταθούν στην τρίτη διάσταση. Η παρατήρηση των σημαδιών που προβλέφθηκαν από τους Arkani-Hamed, Maldacena και Kamionkowski, έμοιαζε σαν να χτύπησαν χρυσό, αλλά αυτός ο χρυσός ήταν βαθιά θαμμένος: Η ισχύς τους είναι κοντά στο βαρυτικό όριο και χρειάζεται μηχανήματα με 1000 φορές μεγαλύτερη ευαισθησία για να ανιχνευθεί. Άλλοι ερευνητές προτιμούν να πειραματιστούν με ενδεδειγμένα μοντέλα που προβλέπουν πιο έντονα τρίγωνα και άλλα σχέδια. «Μέχρι τώρα έχουμε εξερευνήσει, νομίζω, μόνο μια πολύ μικρή μερίδα των πιθανοτήτων για τα μη Γκαουσιανά σχήματα», είπε ο Kamionkowski.
Στο μεταξύ, οι Linde και Kallosh οδηγούνται σε μια εντελώς διαφορετική κατεύθυνση. Τα τελευταία τρία χρόνια, τους έχει κερδίσει μια τάξη μοντέλων που ονομάζονται «κοσμολογικοί α-γητευτές» που δεν ασχολούνται καθόλου με την πρόβλεψη των μη Γκαουσιανών σχημάτων πάνω από το βαρυτικό όριο. Σύμφωνα με αυτά τα μοντέλα, ο πληθωρισμός ήταν εντελώς καθαρός, καθοδηγούμενος από ένα μονήρες πεδίο του πληθωριστικού παράγοντα. Το πεδίο περιγράφεται από μία μηχανή Kӓhler, η οποία σχηματίζεται πάνω στον γεωμετρικό δίσκο που φαίνεται στον πίνακα του Escher με αγγέλους και δαίμονες. Η γεωμετρία του Escher προσφέρει ένα συνεχές πιθανών αξιών για την ενεργειακή κλίμακα του πληθωρισμού, περιλαμβάνοντας τόσο χαμηλά ποσά που η διασταύρωση του πληθωριστικού παράγοντα με το βαρυτικό και άλλα πρωταρχικά πεδία θα ήταν εξαιρετικά αδύναμη. Αν ένα τέτοιο μοντέλο όντως περιγράφει το σύμπαν, τότε οι στρόβιλοι, τα τρίγωνα και τα άλλα σχήματα μπορεί να μην ανιχνευθούν ποτέ.
Ο Linde δεν ενοχλείται από αυτό. Υποστηρίζοντας τα μοντέλα α-γητευτών, αυτός και η Kallosh διακινδυνεύουν μια θέση για χάρη της απλότητας και της θεωρητικής ομορφιάς, εις βάρος πιθανόν της σίγουρης γνώσης για το αν η ιστορία που προβάλλουν για τη δημιουργία του σύμπαντος είναι σωστή. Ένα σύμπαν α-γητευτών, είπε ο Linde, είναι σαν μία από τις χαρούμενες οικογένειες στη διάσημη εισαγωγική πρόταση της Άννας Καρένινα. Όπως παρέφρασε τον Τολστόι: «Κάθε χαρούμενη οικογένεια, λοιπόν, μοιάζει ίδια με την άλλη κατά μία έννοια. Αλλά όλες οι δυστυχισμένες οικογένειες –είναι δυστυχισμένες για διαφορετικούς λόγους».
Άραγε θα αποδειχτεί ποτέ «ευτυχισμένο» το σύμπαν μας και εντελώς ελεύθερο από διακριτά χαρακτηριστικά; Ο Baumann, ο οποίος συνέγραψε ένα βιβλίο πέρυσι για την κοσμολογία των χορδών, επιχειρηματολογεί ότι μοντέλα σαν και αυτά των Linde και Kallosh είναι πολύ απλά για να είναι πιστευτά. «Χτίζουν αυτά τα μοντέλα εκ βάθρων», είπε. «Η εισαγωγή ενός μοναδικού πεδίου, η προσπάθεια να είναι λιτό –θα ήταν ένα όμορφο μοντέλο του κόσμου». Αλλά, είπε, όταν προσπαθείτε να ενσωματώσετε τον πληθωρισμό σε μια θεμελιώδη θεωρία της φύσης, είναι πολύ δύσκολο να σχεδιάσετε ένα μόνο πεδίο που δρα από του αυτομάτου, απρόσβλητο από τις επιδράσεις των άλλων. «Η θεωρία των χορδών περιλαμβάνει πολλές από αυτές τις επιδράσεις∙ δεν μπορείτε να τις αγνοήσετε».
Και έτσι η αναζήτηση για τρίγωνα και άλλα μη Γκαουσιανά σχήματα προχωράει. Μεταξύ του 2009 και του 2013, το διαστημικό τηλεσκόπιο Planck χαρτογράφησε το υπόβαθρο κοσμικών μικροκυμάτων στη μεγαλύτερη ανάλυση ως τότε, και οι επιστήμονες έχουν από τότε ξετινάξει τον χάρτη για τις στατιστικές ακρότητες σε τρίγωνα και άλλα σχήματα. Μέχρι και την πιο πρόσφατή τους ανάλυση, δεν έχουν βρει κανένα∙ δεδομένων της ευαισθησίας των οργάνων τους και της αναζήτησης του δισδιάστατου χώρου, είχαν πολύ μικρή πιθανότητα να βρουν σχήματα. Αλλά οι επιστήμονες συνεχίζουν να αναλύουν τα δεδομένα με νέους τρόπους, με άλλη μία ανάλυση μη Γκαουσιανών σχημάτων να αναμένεται για φέτος.
Η Hiranya Peiris, αστροφυσικός στο Πανεπιστημιακό Κολλέγιο του Λονδίνου που ψάχνει για μη Γκαουσιανά σχήματα στα δεδομένα του Planck, είπε ότι αυτή και οι συνεργάτες της παίρνουν τα συνθήματα από τους θεωρητικούς των χορδών για να καθορίσουν ποια σημάδια πρέπει να ψάξουν. Η Peiris είναι πρόθυμη να δοκιμάσει έναν μηχανισμό χορδών και πληθωρισμού που ονομάζεται σωματιδιακός μονόδρομος, συμπεριλαμβάνοντας και διάφορες εκδοχές πρόσφατα σχεδιασμένες από τη Silverstein και τους συνεργάτες Raphael Flauger, Mehrdad Mirbabayi και Leonardo Senatore που δημιουργούν ένα ταλαντευόμενο μοτίβο τριγώνων ως μια λειτουργία του μεγέθους τους, το οποίο μπορεί να είναι πολύ πιο έντονο από το μοτίβο που μελετάται από τους Arkani-Hamed και Maldacena. Για να βρουν ένα τέτοιο σήμα, η Peiris και η ομάδα της πρέπει να κατασκευάσουν πατρόν του μοτίβου και να τα αντιστοιχίσουν με τα δεδομένα «σε μία πολύ εντατική αριθμητικά και απαιτητική ανάλυση», είπε. «Έπειτα, πρέπει να κάνουμε προσεκτικούς στατιστικούς ελέγχους για να σιγουρευτούμε ότι δεν εξαπατούμαστε από τυχαίες μεταβολές στα δεδομένα».
Κάποια μοντέλα χορδών έχουν ήδη αποκλειστεί από αυτή την ανάλυση των δεδομένων. Σχετικά με τη δημόσια συζήτηση για το αν η θεωρία των χορδών είναι πολύ απομακρυσμένη από την εμπειρική έρευνα για να θεωρηθεί ως επιστήμη, η Silverstein είπε: «Θεωρώ τη συζήτηση αυτή σουρεαλιστική, γιατί τώρα συνδυάζουμε κάποια πράγματα των παραδοσιακών επιστημών με τη θεωρία των χορδών».
Καθώς προχωρούν, οι επιστήμονες σχεδιάζουν να ξεψαχνίσουν ακόμα περισσότερους τόμους από την δομή μακράς κλίμακας του σύμπαντος. Ξεκινώντας από το 2020, η προτεινόμενη αποστολή SPHEREx θα μπορέσει να μετρήσει τα μη Γκαουσιανά σχήματα με επαρκή ευαισθησία σε κατανομή 300 εκατομμυρίων γαλαξιών για να δουν αν ο πληθωρισμός έγινε από ένα ρολόι ή δύο διασταυρωμένα ρολόγια (σύμφωνα με τα μοντέλα της θεωρίας που είναι γνωστά ως πληθωρισμός ενός ή πολλών πεδίων, αντίστοιχα). «Και μόνο να φτάσουμε σε αυτό το επίπεδο θα μείωνε δραματικά τον αριθμό των πιθανών θεωριών φουσκώματος», είπε ο Doré, ο οποίος εργάζεται στο σχέδιο SPHEREx. Σε μερικά επιπλέον χρόνια, το Τηλεσκόπιο Μεγάλης Συνοπτικής Έρευνας θα χαρτογραφήσει 20 δισεκατομμύρια κοσμολογικές δομές. Αν η στατιστική παρουσία των τριγώνων δεν ανιχνευτεί στη μακρά δομή του σύμπαντος, υπάρχει άλλη μία, ίσως τελική, προσέγγιση. Σχεδιάζοντας ένα εξαιρετικά αδύναμο ραδιοφωνικό σήμα που ονομάζεται γραμμή των 21 εκατοστών, που εκπέμπεται από άτομα υδρογόνου και ανιχνεύει τη δημιουργία των πρώτων άστρων, οι κοσμολόγοι θα μπορούσαν να ανιχνεύσουν ακόμα περισσότερους «τρόπους» ή μοτίβα δομών. «Πρόκειται να έχει πληροφορίες για όλο τον όγκο του σύμπαντος», είπε ο Maldacena.
Αν ή όποτε τα τρίγωνα εμφανιστούν, θα αποκαλύψουν, ένα προς ένα, τη φύση του ρολογιού πληθωρισμού και γιατί χτύπησε. Αλλά θα συγκεντρωθούν αρκετά στοιχεία πριν ξεμείνουμε από ουρανό για να τα συλλέξουμε;
Η υπόσχεση της μοναδιαιότητας –ότι οι πληροφορίες μπορούν να διασκορπιστούν, αλλά δεν μπορούν ποτέ να χαθούν- έρχεται με ένα κόστος.
«Αν υποθέσουμε ότι μπορούμε να κάνουμε τέλειες μετρήσεις, και έχουμε έναν απέραντο ουρανό και τα λοιπά», είπε ο Maldacena, «τότε εξ αρχής όλες οι σχέσεις και οι πληροφορίες σχετικά με τα σωματίδια κατά τον πληθωρισμό περιέχονται μέσα σε αυτούς τους συσχετιστικούς παράγοντες» -δηλαδή τους συσχετισμούς τριών, τεσσάρων σημείων και ούτω καθεξής. Άλλα οι τέλειες μετρήσεις είναι αδύνατες. Και ακόμα χειρότερα, ο ουρανός δεν είναι απέραντος. Υπάρχει ένας κοσμικός ορίζοντας: η μακρύτερη απόσταση από την οποία το φως ήρθε σε μας, με αποτέλεσμα να μην μπορούμε να δούμε πέρα από αυτήν. Στη διάρκεια του πληθωρισμού, και σε όλη την ιστορία της επιταχυνόμενης επέκτασης του σύμπαντος έκτοτε, οι στρόβιλοι, τα τρίγωνα, τα τετράγωνα και άλλα σχέδια, συνεχίζουν να πετάνε πέρα από αυτό τον ορίζοντα και το οπτικό πεδίο. Και μαζί με αυτά, ακόμα και τα πιο διακριτικά σημάδια, που συνδέονται με τις πιο σπάνιες διαδικασίες ύψιστης ενέργειας στη διάρκεια του πληθωρισμού, χάνονται: οι κοσμολόγοι δεν θα μπορέσουν να συγκεντρώσουν αρκετά στατιστικά δεδομένα στο περιορισμένο κομμάτι ουρανού που μας αναλογεί για να τα δοκιμάσουν, αποκλείοντας εξ αρχής μια ολοκληρωμένη συγκέντρωση των θεμελιωδών συστατικών της φύσης.
Στη μελέτη του με τον Maldacena, ο Arkani-Hamed στην αρχή συμπεριέλαβε μια συζήτηση σχετικά με το θέμα αυτό, αλλά αφαίρεσε μετά το μεγαλύτερο μέρος της. Θεωρεί την πιθανότητα περιορισμού της γνώσης «απίστευτα ενοχλητική» και τη βλέπει ως απόδειξη ότι η κβαντομηχανική πρέπει να επεκταθεί. Ένας πιθανός τρόπος για να γίνει αυτό προτείνεται στην εργασία του πάνω στο πλατύεδρο, το οποίο θέτει κβαντομηχανικές πιθανότητες (μαζί με αυτές και την μοναδιαιότητα) ως αναδυόμενες συνέπειες μιας υποβόσκουσας γεωμετρίας. Σχεδιάζει να συζητήσει για αυτή τη δυνατότητα σε μια προσεχή μελέτη όπου θα συσχετίσει ένα ανάλογο του πλατυέδρου με τα μη Γκαουσιανά σχήματα στον ουρανό.
Οι άνθρωποι διαφέρουν στο κατά πόσον ενοχλούνται από έναν περιορισμό στη γνώση. «Είμαι πιο πρακτικός», είπε ο Zaldarriaga. «Υπάρχουν, ας πούμε, δεκάδες ή πολλές δεκάδες ή ακόμα περισσότεροι τρόποι από εκείνους που μπορούμε εξ αρχής να δούμε, που δεν έχουμε μπορέσει να μετρήσουμε όχι μόνο λόγω τεχνολογικής ή θεωρητικής ανεπάρκειας. Έτσι, αυτές οι ‘εξ αρχής’ ερωτήσεις είναι ενδιαφέρουσες, αλλά είναι πολύ πέρα από το σημείο αυτό».
Ο Kleban επίσης, νιώθει αισιόδοξος. «Ναι, υπάρχει μια περιορισμένη ποσότητα πληροφοριών», είπε. «Αλλά θα μπορούσατε να πείτε το ίδιο για την εξέλιξη, σωστά; Υπάρχει ένας περιορισμένος αριθμός απολιθωμάτων, και όμως έχουμε μια καλή εικόνα του τι συνέβη, η οποία όλο και καλυτερεύει».
Αν όλα πάνε καλά, αρκετά απολιθώματα θα εμφανιστούν στον ουρανό για να πουν μια πιο ολοκληρωμένη ιστορία. Ένα τεράστιο πεδίο αναζήτησης περιμένει.
