V3.6 로렌스 크라우스와 인터뷰(Lawrence Krauss) #1

[에드엑스 강좌] ANUx -ASTRO4x Cosmology (우주론)

제1부. (요약)공간과 시간(Space and Time)
제2부. (요약)우리 우주의 역학과 기하학(Geometry and Dynamics of our universe)
제3부. 인플레이션(Inflation)
    V3.1 세가지 수수께끼(Three Mystery)
    V3.2 단순성 과 대칭성(Simplicity and Symmetry)
    V3.3 인플레이션(Inflation)
    V3.4 수수께끼의 답 찾기(Solving the Mysteries)
    V3.5 인플레이션의 끝(End of Inflation)
    V3.5b 연대기(Timescales)

V3.6 로렌스 크라우스와 인터뷰(Lawrence Krauss) #1/동영상/영문자막

[요약]

인플레이션 이론은 얼마나 신뢰할 만 할까? 우주배경 초단파 복사를 통해 관측 할 수 있는 우주의 요동은 단열적이며 가우시안을 따를 것으로 예상한다, 하지만 인플레이션 이론은 많은 독립 변수를 가지고 있있기 때문에 다른 형태를 갖는 요동이 있을 수도기 때문에 현재 관측되는 우주배경 볼사의 주름이 꼭 인플레이션의 증거라고 말하기는 곤란하다. 좀더 확실히 하려면 인플레이션이 초단파 배경에 편광(polarization)을 남겼을 것이라는 점이다. 2014년에 BICEP2 실험을 통해 이런 편광을 관측했다고 주장하였다. 아쉽게도 그때 관측된 편광은 우리 은하내의 먼지 입자에 의한 전면 복사(foreground radiation)를 오인한 것으로 보인다.

게이지 장(gauge field)과 자발적 대칭 깨짐(spontaneous symmetry breaking)의 기초이론은 애초에 입자 물리학에서 잉태 되었고 전자기력과 약한 핵력의 통합을 아주 잘 설명 한다. 약력은 W와 Z 보존(boson)이 가진 힘으로 많은 연구가 이뤄졌다. 이 이론은 최근에 발견된 힉스 보존을 예측하였다. (이 이론에서) 인플레이션을 일으킬 것으로 예측한 에너지는 관측치와 잘 합치한다.

다른 한 편 힉스 장(Higgs field)은 의외로 에너지를 가지지 않는 것으로 보이며 그로 인해 지수적 팽창을 이끌지 못했을 것이다. 전기약력(the electroweak force, 애초에 전자기력과 약력은 통합되어 있었다.)의 분리가 워낙 급격히 이뤄 졌기 때문에 인플레이션 같은 급격한 팽창에 기여할 수 없었다. (말하자면 우주가 가진공에 묶여 있을 새가 없었다.)

[참고]
1. 게이지 장(gauge field)
2. Gauge Theory
3. Geometry of Gauge Field: 보는 것 믿는 것이라고 하지만 볼 수 없는 것 보자고 한다.
4. Electroweak Symmetry

만일 자연의 (네가지) 힘들이 현재처럼 분리된 모습이라고 인정 하려면 그 힘들이 통합된 상태에서 (이론을) 변경하지 않는 한 에너지를 갖지 않는다. 이 변경(초대칭, super symmetry)은 현재 강입자 충돌기(Large Hardron Collider)에서 실험중인 예측이다. 아직까지 이에대한 증거가 나오진 않았다. 그리고 사실 대부분(전부는 아니지만) 가능성들이 제거 되었다. LHC가 가동을 재개하면 거대 대칭의 징조를 찾는데 실패 한다면 이 이론은 위기에 처할 것이다.

[참고]
* 초대칭[1],[2] (Super-Symmetry)

또다른 문제는 인플레이션이 일어났던 정확한 기간을 알아내려면 멕시코 모자의 모양을 세밀하게 조정할 수 있어야 한다. 이를 위한 적절한 이론적 근거는 없으므로 자료를 끼워 맞춰야 할 것이다.

[참조]
* 빅뱅 우주론에서 가설, 보완 가설(인플레이션)
* 플랑크 시간: 플랑크 단위의 일종. 빛이 플랑크 길이를 이동하는 데 걸리는 시간으로 물리적으로 의미가 있는 최소 시간을 뜻한다. 빅뱅 후 물리 법칙이 성립하는 최초의 시간이기도 한다. 중력은 우주의 나이가 플랑크 시간을 넘길 때 생긴 것으로 여겨진다.

[인터뷰]



이 인터뷰 동영상은 '인플레이션의 강력한 증거로 여겨지는 우주 초단파 배경(복사)의 편광의 특정한 방향으로 편광됨을 관측 했다고 주장하는 BICEP2의 관측'에 관해 로런스씨와의 대화를 담고 있다.

In this video, Lawrence refers to the BICEP2 claim to have detected a particular pattern in the polarisation of the microwave background that would be strong evidence for inflation.

After we filmed this clip (late 2014), the BICEP2 result was called into question. It is clear that the polarization signal was detected, but this could be caused either by inflation in the early universe, or by dust in our own galaxy. The BICEP2 team initially believed that their signal was much too strong to be explained by dust. However, they only had data at one frequency, which made it impossible for them to disentangle the effects of dust and inflation.

The European Space Agency's Planck spacecraft was less sensitive than BICEP2 on these small scales, but obtained data at many different wavelengths and hence can distinguish between dust and inflation effects. And the Planck scientists announced that the dust signal in the region observed by BICEP2 was much stronger than thought, and could explain the whole detection.

The two teams then carried out a joint analysis of both sets of data, and in February 2015 released their conclusions:

ESA Press Release

Preprint of joint paper

They found that the signal found by BICEP2 is real, but could be produced by dust. So the claim that the proof for inflation had been found has been withdrawn.

This does not rule out the presence of gravity waves caused by inflation - it just places an upper limit on how strong they can be. Future observations, combining the high signal-to-noise ratio of the BICEP2 results with multi-frequency data should greatly improve on the sensitivity of current observations, and may yet provide evidence for inflation.

[LQ3.6]------------------------------------------------------
Which of the following is the most robust prediction of the inflation theory?

a) A particular spectrum of primordial fluctuations
b) The Higgs Boson
c] Particular curved polarization patterns in the microwave background
d) A neutrino background

Explanation

The polarization pattern is the most robust prediction. The fluctuation spectrum is also predicted but you can get different predictions for this depending on the details of your inflation model.

* 'Direct evidence of big bang inflation', Sky & Telescope, Mar., 2014
https://www.skyandtelescope.com/astronomy-news/direct-evidence-of-big-bang-inflation/

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