Vad fanns före Big Bang? Svaret är mer komplext än du tror

Det korta svaret är att fysiken ännu inte har ett definitivt svar på vad som fanns före Big Bang. Det längre, och mer intressanta, svaret är att frågan tvingar oss att skilja mellan det som kosmologin faktiskt kan beskriva säkert och det som fortfarande ligger bortom dagens mätningar.

I den här artikeln går jag igenom varför frågan är svår, vad vi vet om universums tidigaste skeden och vilka vetenskapliga modeller som försöker beskriva ett tidigare tillstånd. Jag tar också upp vilka observationer som kan avgöra saken framöver och vilka missförstånd som ofta gör debatten rörigare än den behöver vara.

Vad fanns innan Big Bang egentligen

Jag brukar börja med den språkliga fällan: ordet innan förutsätter att tiden redan finns. I standardkosmologin beskriver Big Bang inte en explosion inuti ett tomt rum, utan en tidig fas där själva rummet expanderar från ett extremt hett och tätt tillstånd.

Det betyder att frågan inte nödvändigtvis har ett självklart tidsligt svar. När man går bakåt mot Planck-tiden, omkring 10^-43 sekunder efter start, slutar dagens teorier att ge säkra besked eftersom kvantgravitationen ännu inte är färdigformulerad. Därför kan ett "före" i vissa modeller vara meningsfullt, men i andra är det helt enkelt inte definierat.

Det är här mycket av förvirringen uppstår, och därför måste man först reda ut vad standardmodellen faktiskt säger innan man börjar spekulera om vad som kom tidigare.

Det vi faktiskt kan säga om de första ögonblicken

Det säkra vi har är en robust bild av ett universum som i dag är cirka 13,8 miljarder år gammalt. Spår från den heta, täta fasen finns kvar i den kosmiska bakgrundsstrålningen, som frigjordes ungefär 380 000 år efter Big Bang när universum svalnade nog för att ljus skulle kunna färdas fritt.

Det är en viktig gräns, eftersom den visar vad observationer faktiskt når. Vi ser inte själva startögonblicket direkt, men vi ser efterglöden från den tidiga heta fasen, och den säger mycket om universums struktur, geometri och innehåll. Det är också därför jag skiljer så tydligt mellan det som hände strax efter början och det som eventuellt låg före den.

Inflation, alltså en mycket snabb expansionsfas mycket tidigt i universums historia, är i dag den mest inflytelserika förklaringen till varför universum ser så jämnt ut på stora skalor. Den modellen hjälper oss att förstå varför små kvantvariationer kunde bli fröna till galaxer och galaxhopar, men den svarar fortfarande inte ensam på vad som låg före den heta fas som brukar kallas Big Bang i vardagligt språk.

Det är därför nästa steg är att titta på de modeller som faktiskt försöker beskriva ett tidigare tillstånd, inte bara en tidig fas.

De mest diskuterade teorierna om ett tidigare tillstånd

När jag sorterar de här idéerna för mig själv brukar jag skilja mellan modeller som säger att det fanns något före vår heta expansionsfas och modeller som försöker undvika själva frågan om ett absolut börjanstillstånd. Det gör det lättare att se vad som är fysik med skarpa konsekvenser och vad som mest är en elegant möjlighet.

Min egen läsning av det här landskapet är ganska enkel: ingen av modellerna är dum, men ingen är heller färdigvunnen. De är arbetsmodeller, inte facit. Det viktiga är därför inte bara vilken teori som låter mest intuitiv, utan vilken som kan lämna ett tydligt avtryck i data.

Det är också här frågan blir intressant på riktigt, för nästa steg handlar om hur man skiljer mellan modeller som på ytan ser lika ut.

Så försöker forskare skilja mellan modellerna

Det är inte realistiskt att bygga en maskin som tittar rakt igenom Big Bang. I stället letar forskare efter avtryck i det vi faktiskt kan observera: den kosmiska bakgrundsstrålningen, fördelningen av täthetsvariationer i det tidiga universum och möjliga primordiala gravitationsvågor.

• Polarisation i CMB - särskilda mönster, som så kallade B-modes, kan peka mot inflation eller andra mycket tidiga processer.
• Täthetsfluktuationer - små variationer i materiens fördelning kan avslöja hur de första strukturfröna skapades.
• Primordiala gravitationsvågor - en bakgrund av sådana vågor skulle vara ett direkt spår från extremt tidiga epoker.
• Rymdens krökning - mycket små avvikelser från perfekt geometrisk platthet kan hjälpa till att sålla mellan modeller.
• Icke-gaussiska mönster - om fluktuationerna inte följer den enklaste statistiken kan det säga något om vilken mekanism som låg bakom dem.

Problemet är att flera modeller kan ge liknande signaler, så ett positivt fynd måste tolkas försiktigt. Därför räcker det inte med ett enda mätresultat; man behöver ett paket av observationer som tillsammans pekar åt samma håll.

Det är också därför forskningsläget förändras långsamt. När data blir bättre blir frågan inte bara "finns det något spår?", utan också "vilken teori förklarar spåret utan att behöva extra antaganden?". Det leder direkt till några vanliga missförstånd som är värda att rensa bort.

Vanliga missförstånd som gör frågan svårare än den är

Det här är de missförstånd jag oftast ser när ämnet diskuteras. De verkar små, men de styr lätt hela samtalet i fel riktning.

• Big Bang var inte en explosion i tom rymd. Det var rymden själv som expanderade.
• "Ingenting" är inte samma sak som "tomt rum". I fysik kan även ett vakuum ha fält, energinivåer och lagar som fortfarande gäller.
• Före behöver inte betyda att tiden går bakåt i all oändlighet. Om tiden uppstår vid en gräns finns inget naturligt tidigare ögonblick i vanlig mening.
• Singularitet är inte en observerad sak. Det är ofta ett tecken på att modellen har nått sin egen gräns.
• Inflation är inte samma sak som Big Bang. Inflation är en möjlig extremt snabb fas tidigt i historien, men den löser inte ensam frågan om universums allra första ursprung.

När de begreppen sitter blir själva huvudfrågan mycket renare: vad kan fysiken säga, och vad lämnar den fortfarande öppet?

Det mest rimliga svaret i dag är att vi fortfarande står vid en gräns

Om jag ska vara strikt vetenskaplig är det hederligaste svaret att vi ännu inte vet vad som, om något, låg före Big Bang. Standardkosmologin tar oss mycket långt, men inte hela vägen tillbaka till ett säkert "före".

För mig är det också det intressanta. Frågan är fortfarande öppen, men den är inte vag: den har redan lett till inflation, kvantkosmologi, bounce-modeller och bättre sätt att läsa av den kosmiska bakgrundsstrålningen. Nästa stora steg kommer sannolikt från mer precisa CMB-mätningar, ett möjligt fynd av primordiala gravitationsvågor eller en fungerande teori om kvantgravitation som kan beskriva själva gränsen där dagens fysik slutar räcka.