Интересные темы:

Гаджеты

Немного интересного:

Затриллион лет добольшого взрыва: что было триллион лет назад

18.07.2017 Наука и жизнь

Теория Громадного взрыва пользуется доверием большинства ученых, изучающих раннюю историю отечественной Вселенной. Она и в действительности растолковывает многое и ни в чем не противоречит экспериментальным данным.

Но сравнительно не так давно у нее появился соперник в лице новой, циклической теории, базы которой создали двое физиков экстра-класса — директор Университета теоретической науки Принстонского университета Пол Стейнхардт и лауреат Максвелловской медали и респектабельной интернациональной премии TED Нил Тьюрок, директор канадского Университета перспективных изучений в области теоретической физики (Perimeter Institute for Theoretical Physics). Посредством Популярная механика «и профессора» постаралась поведать о циклической теории и о обстоятельствах ее появления.

Множественные вселенные Инфляционная теория допускает образование множественных дочерних вселенных, каковые непрерывно отпочковываются от существующих
Циклическое мироздание Момент Громадного взрыва — это столкновение бран.Затриллион лет добольшого взрыва: что было триллион лет назад Выделяется огромное количество энергии, браны разлетаются, происходит замедляющееся расширение, излучение и вещество остывают, образуются галактики.

Расширение снова ускоряется за счет хорошей плотности межбрановой энергии, а после этого замедляется, геометрия делается плоской. Браны притягиваются друг к другу, перед столкновением квантовые флуктуации усиливаются и преобразуются в деформации пространственной геометрии, каковые в будущем станут зародышами галактик. Происходит столкновение, и цикл начинается сперва

Наименование данной статьи может показаться не через чур умной шуткой. В соответствии с общепринятой космологической концепции, теории Громадного взрыва, отечественная Вселенная появилась из экстремального состояния физического вакуума, порожденного квантовой флуктуацией. В этом состоянии не существовало ни времени, ни пространства (либо они были спутаны в пространственно-временную пену), а все фундаментальные физические сотрудничества были слиты воедино.

Позднее они разделились и получили независимое бытие — сперва гравитация, после этого сильное сотрудничество, а уже позже — не сильный и электромагнитное.

Момент, предшествовавший этим переменам, принято обозначать как нулевое время, t=0, но это чистая условность, дань математическому формализму. В соответствии с стандартной теории, постоянное течение времени началось только по окончании того, как сила тяготения получила независимость. Этому моменту в большинстве случаев приписывают величину t=10-43 с (правильнее, 5,4х10-44 с), которую именуют планковским временем.

Современные физические теории просто не в состоянии осмысленно трудиться с более маленькими промежутками времени (считается, что для этого нужна квантовая теория гравитации, которая пока не создана). В контексте классической космологии ненужно рассуждать о том, что происходило до начального момента времени, потому, что времени в отечественном понимании тогда просто не существовало.

Непременной частью стандартной космологической теории помогает концепция инфляции (см. врезку). По окончании окончания инфляции в собственные права вступило тяготение, и Вселенная продолжила расширяться, но уже с уменьшающейся скоростью. Такая эволюция растянулась на 9 млрд лет, по окончании чего в дело вступило еще одно антигравитационное поле еще малоизвестной природы, которое именуют чёрной энергией.

Оно снова вывело Вселенную в режим экспоненциального расширения, что помой-му обязан сохраниться и в будущие времена. направляться подчернуть, что эти выводы базируются на астрофизических открытиях, сделанных в конце прошлого века, практически через 2 десятилетия по окончании появления инфляционной космологии.

В первый раз инфляционная интерпретация Громадного взрыва была предложена около 30 лет назад и с того времени многократно шлифовалась. Эта теория разрешила разрешить пара фундаментальных неприятностей, с которыми не справилась предшествующая космология. К примеру, она растолковала, из-за чего мы живем во Вселенной с плоской евклидовой геометрией — в соответствии с хорошими уравнениями Фридмана, как раз таковой она и обязана сделаться при экспоненциальном расширении.

Инфляционная теория растолковала, из-за чего космическая материя владеет зернистостью в масштабах, не превышающих сотен миллионов световых лет, а на громадных расстояниях распределена равномерно. Она кроме этого дала истолкование неудачи любых попыток найти магнитные монополи, весьма массивные частицы с одиночным магнитным полюсом, каковые, как полагают, в изобилии рождались перед инфляцией(инфляция так растянула космическое пространство, что первоначально высокая плотность монополей сократилась практически до нуля, и исходя из этого отечественные устройства не смогут их найти).

Практически сразу после появления инфляционной модели пара теоретиков осознали, что ее внутренняя логика не противоречит идее перманентного множественного рождения все новых и новых вселенных. В действительности, квантовые флуктуации, подобные тем, которым мы обязаны существованием отечественного мира, смогут появляться в любом количестве, в случае если для этого имеются подходящие условия. Нельзя исключать, что отечественное мироздание вышло из флуктуационной территории, сформировавшейся в мире-предшественнике.

Совершенно верно так же возможно допустить, что когда-нибудь и где-нибудь в отечественной собственной Вселенной образуется флуктуация, которая «выдует» юную вселенную совсем другого рода, кроме этого талантливую к космологическому «деторождению». Существуют модели, в которых такие дочерние вселенные появляются непрерывно, отпочковываются от своих родительниц и находят собственный собственное место. Наряду с этим вовсе не обязательно, что в таких мирах устанавливаются одинаковые физические законы.

Все эти миры «положены» в единый пространственно-временной континуум, но разнесены в нем так, что никак не чувствуют присутствия друг друга. В общем, концепция инфляции разрешает- более того, вынуждает!- вычислять, что в громадном мегакосмосе существует множество изолированных друг от друга вселенных с разным устройством.

Физики обожают придумывать альтернативы кроме того самым общепринятым теориям. Показались соперники и у инфляционной модели Громадного взрыва. Они не приобрели широкой помощи, но имели и имеют собственных последователей. Теория Стейнхардта и Тьюрока среди них не первая и точно не последняя.

Но на сегодня она создана детальней остальных и лучше растолковывает замечаемые особенности отечественного мира. Она имеет пара предположений, из которых одни базируются на теории квантовых многомерных пространств и струн, а другие надеются на классическую квантовую теорию поля. Первый подход дает более наглядные картины космологических процессов, так что на нем и остановимся.

Самый продвинутый вариант теории струн известен как М-теория. Она говорит, что физический мир имеет 11 измерений — десять пространственных и одно временное. В нем плавают пространства меньших размерностей, так именуемые браны. Отечественная Вселенная — легко одна из таких бран, владеющая тремя пространственными измерениями.

Ее заполняют разные квантовые частицы (электроны, кварки, фотоны и т. д.), каковые в действительности явлются разомкнутыми вибрирующими струнами с единственным пространственным измерением — длиной. Финиши каждой струны намертво закреплены в трехмерной браны, и покинуть брану струна неимеетвозможности. Но имеется и замкнутые струны, каковые смогут мигрировать за пределы бран — это гравитоны, кванты поля тяготения.

Как же циклическая теория растолковывает будущее и прошлое мироздания? Начнем с нынешней эры. Первое место на данный момент в собственности чёрной энергии, которая заставляет отечественную Вселенную расширяться по экспоненте, иногда удваивая размеры. В следствии излучения и плотность материи всегда падает, гравитационное искривление пространства слабеет, а его геометрия делается все более плоской.

В течение следующего триллиона лет размеры Вселенной удвоятся примерно сто раз и она превратится в фактически безлюдный мир, всецело лишенный материальных структур. Рядом с нами находится еще одна трехмерная брана, отделенная от нас на ничтожное расстояние в четвертом измерении, и она также претерпевает подобное уплощение и экспоненциальное растяжение. Все это время расстояние между бранами фактически не изменяется.

А позже эти параллельные браны начинают сближаться. Их толкает друг к другу силовое поле, энергия которого зависит от расстояния между бранами. на данный момент плотность энергии для того чтобы поля хороша, исходя из этого пространство обеих бран расширяется по экспоненте, — следовательно, именно это поле и снабжает эффект, что растолковывают наличием чёрной энергии! Но данный параметр неспешно значительно уменьшается и через триллион лет упадет до нуля.

Обе браны все равно продолжат расширяться, но уже не по экспоненте, а в весьма медленном темпе. Следовательно, в отечественном мире излучения и плотность частиц так и останется практически что нулевой, а геометрия — плоской.

Но окончание ветхой истории — только прелюдия к очередному циклу. Браны перемещаются навстречу друг другу и в итоге сталкиваются. На данной стадии плотность энергии межбранового поля опускается ниже нуля, и оно начинает функционировать наподобие гравитации (напомню, что у тяготения потенциальная энергия отрицательна!).

В то время, когда браны выясняются совсем близко, межбрановое поле начинает усиливать квантовые флуктуации в каждой точке отечественного мира и преобразует их в макроскопические деформации пространственной геометрии (к примеру, за миллионную долю секунды до столкновения расчетный размер таких деформаций достигает нескольких метров). По окончании столкновения как раз в этих территориях выделяется львиная часть высвобождаемой при ударе кинетической энергии.

В итоге именно там появляется больше всего тёплой плазмы с температурой порядка 1023 градусов. Эти области становятся локальными узлами тяготения и преобразовываются в зародыши будущих галактик.

Такое столкновение заменяет Громадной взрыв инфляционной космологии. Крайне важно, что вся появившаяся заново материя с хорошей энергией появляется за счет накопленной отрицательной энергии межбранового поля, исходя из этого закон сохранения энергии не нарушается.

А как ведет себя такое поле в данный решающий момент? До столкновения плотность его энергии достигает минимума (причем отрицательного), после этого начинает возрастать, а при столкновении делается нулевой. После этого браны отталкиваются друг от друга и начинают расходиться.

Плотность межбрановой энергии проходит обратную эволюцию — снова делается отрицательной, нулевой, хорошей. Обогащенная излучением и материей брана сперва расширяется с падающей скоростью под тормозящим действием собственного тяготения, а позже снова переходит к экспоненциальному расширению. Новый цикл заканчивается подобно прошлому — и без того до бесконечности.

Циклы, предшествующие отечественному, происходили и в прошлом — в данной модели время непрерывно, исходя из этого прошлое существует и за пределами 13,7 млрд лет, прошедших по окончании последнего обогащения отечественной браны излучением и материей! Было ли у них по большому счету какое-то начало, теория умалчивает.

Циклическая теория по-новому растолковывает свойства отечественного мира. Он владеет плоской геометрией, потому, что к концу каждого цикла непомерно растягивается и только мало деформируется перед новымцикла. Квантовые флуктуации, каковые становятся предшественниками галактик, появляются хаотически, но в среднем равномерно — исходя из этого космическое пространство заполнено сгустками материи, но на больших расстояниях в полной мере однородно. Мы не можем найти магнитные монополи легко вследствие того что большая температура новорожденной плазмы не превышала 1023 К, а для происхождения таких частиц потребны большое количество громадные энергии — порядка 1027 К.

Циклическая теория существует в нескольких предположениях, как и теория инфляции. Но, по словам Пола Стейнхардта, различия между ними чисто технические и занимательны только экспертам, неспециализированная концепция же остается неизменной: «Во-первых, в отечественной теории нет никакого момента начала мира, никакой сингулярности. Имеется периодические фазы излучения и интенсивного рождения вещества, каждую из которых при жажде возможно именовать Громадным взрывом.

Но каждая из этих фаз знаменует не происхождение новой вселенной, а только переход от одного цикла к второму. И пространство, и время существуют и до, и по окончании любого из этих катаклизмов. Исходя из этого в полной мере закономерно задать вопрос, каким было положение дел за 10 млрд лет до последнего Громадного взрыва, от которого отсчитывают историю мироздания.

Второе главное отличие — роль и природа чёрной энергии. Инфляционная космология не предвещала перехода замедляющегося расширения Вселенной в ускоренное. А в то время, когда астрофизики открыли это явление, замечая за вспышками далеких сверхновых звезд, стандартная космология кроме того не знала, что с этим делать. Догадку чёрной энергии выдвинули легко чтобы как-то привязать к теории парадоксальные результаты этих наблюдений.

А отечественный подход значительно лучше скреплен внутренней логикой, потому, что чёрная энергия у нас присутствует изначально и именно она снабжает чередование космологических циклов». Но, как отмечает Пол Стейнхардт, имеется у циклической теории и не сильный места: «Нам пока не удалось убедительно обрисовать процесс отскока и столкновения параллельных бран, имеющий место в начале каждого цикла. Другие нюансы циклической теории созданы куда лучше, а тут предстоит устранить еще много неясностей».

Но кроме того самые прекрасные теоретические модели нуждаются в умелой проверке. Возможно ли подтвердить либо опровергнуть циклическую космологию посредством наблюдений? «Обе теории, и инфляционная, и циклическая, предвещают существование реликтовых гравитационных волн, — растолковывает Пол Стейнхардт. — В первом случае они появляются из первичных квантовых флуктуаций, каковые на протяжении инфляции размазываются по пространству и порождают периодические колебания его геометрии, — а это, в соответствии с неспециализированной теории относительности, и имеется волны тяготения.

В отечественном сценарии причиной таких волн кроме этого помогают квантовые флуктуации — те самые, что усиливаются при столкновении бран. Вычисления продемонстрировали, что любой механизм порождает волны, владеющие специфической поляризацией и специфическим спектром. Эти волны обязаны были покинуть отпечатки на космическом микроволновом излучении, которое является бесценным источником сведений о раннем космосе.

До тех пор пока такие следы найти не удалось, но, вероятнее, это будет сделано в течение ближайшего десятилетия. Помимо этого, физики уже думают о прямой регистрации реликтовых гравитационных волн посредством космических аппаратов, каковые покажутся через два-три десятка лет».

Еще одно различие, по словам доктора наук Стейнхардта, пребывает в распределении температур фонового микроволнового излучения: «Это излучение, приходящее из различных участков небосвода, не в полной мере однородно по температуре, в нем имеется более и менее нагретые территории. На том уровне точности измерений, что снабжает современная аппаратура, количество тёплых и холодных территорий приблизительно одинаково, что сходится с выводами обеих теорий — и инфляционной, и циклической.

Но эти теории предвещают более узкие различия между территориями. В принципе, их сможет распознать запущенная в прошедшем сезоне европейская космическая обсерватория ‘Планк’ и другие новейшие космические аппараты. Я надеюсь, что результаты этих опытов окажут помощь сделать выбор между инфляционной и циклической теориями.

Но может произойти и без того, что обстановка останется неизвестной и ни одна из теорий не приобретёт однозначной экспериментальной помощи. Ну что ж, тогда нужно будет придумать что-нибудь новое».

Космологическая инфляция

В соответствии с инфляционной модели, Вселенная практически сразу после собственного рождения весьма маленькое время экспоненциально расширялась, многократно удваивая собственные линейные размеры. Ученые считают, что начало этого процесса совпало по времени с отделением сильного сотрудничества и случилось на временной отметке в 10-36 с. Такое расширение (с легкой руки американского физика Сидни Коулмена его нарекли космологической инфляцией) было очень непродолжительным (до 10-34 с), но подняло линейные размеры Вселенной как минимум в 1030— 1050 раз, а быть может, что и большое количество больше.

В соответствии с большинством конкретных сценариев, инфляцию запустило антигравитационное квантовое скалярное поле, плотность энергии которого неспешно уменьшалась и в итоге дошла до минимума. Перед тем как это произошло, поле стало скоро осциллировать, порождая элементарные частицы. В следствии к окончанию инфляционной фазы Вселенная заполнилась сверхгорячей плазмой, складывающейся из свободных кварков, глюонов, лептонов и высокоэнергетичных квантов электромагнитного излучения.

Радикальная альтернатива

1980-х годах доктор наук Стейнхардт внес большой вклад в создание стандартной теории Громадного взрыва. Но это никак не помешало ему искать радикальную альтернативу теории, в которую положено столько труда.

Как поведал «Популярной механике» сам Пол Стейнхардт, догадка инфляции вправду раскрывает большое количество космологических тайных, но это не свидетельствует, что ненужно искать и другие объяснения: «Сперва мне было легко весьма интересно попытаться разобраться в фундаментальных особенностях отечественного мира, не прибегая к инфляции. Позднее, в то время, когда я углубился в эту проблематику, я убедился, что инфляционная теория совсем не так идеальна, как утверждают ее приверженцы.

В то время, когда инфляционная космология лишь создавалась, мы сохраняли надежду, что она растолкует переход от начального хаотического состояния материи к нынешней упорядоченной Вселенной. Она это и сделала — но отправилась большое количество дальше. Внутренняя логика теории "настойчиво попросила" признать, что инфляция всегда творит нескончаемое число миров. В этом не было бы ничего ужасного, если бы их физическое устройство копировало отечественное собственное, но этого именно и не получается.

Вот, скажем, посредством инфляционной догадки удалось растолковать, из-за чего мы живем в плоском евклидовом мире, но так как большая часть вторых вселенных заведомо не будет владеть такой же геометрией. Другими словами, мы строили теорию для объяснения собственного собственного мира, а она вышла из-под контроля и породила нескончаемое разнообразие экзотических миров. Такое положение дел прекратило меня устраивать.

К тому же стандартная теория не может растолковать природу более раннего состояния, предшествовавшего эспоненциальному расширению. В этом смысле она так же неполна, как и доинфляционная космология. Наконец, она не в состоянии ничего сообщить о природе чёрной энергии, которая уже 5 млрд лет руководит расширением отечественной Вселенной».

Статья размещена в издании «Популярная механика» (№92, июнь 2010).

Случайные записи:

ЧТО БЫЛО ДО \


Похожие статьи, которые вам понравятся:

Tags:  , , ,