Что взорвалось при большом взрыве


С точки зрения инфляционной космологии следует признать, что Вселенная досталась нам задаром.

Алан Гут

Как-то раз в самый обычный зимний день 1980 года, около полудня, я сидел в тесно набитой гарвардской аудитории, слушая самый поразительный доклад из всех, что мне довелось посетить за много лет. Молодой физик из Стэнфорда Алан Гут рассказывал о новой теории происхождения Вселенной.

Этой заметкой, я начинаю размещать здесь отрывки из замечательной книги Александра Виленкина Мир многих миров
Физики в поисках параллельных вселенных.

Раньше я не встречался с Гутом, но знал о том, как неожиданно этот прежде никому не известный ученый вдруг стал знаменитостью. Всего месяцем раньше он принадлежал к кочевому племени «постдоков» — молодых исследователей, перебивающихся временными контрактами в надежде однажды отличиться и осесть на постоянной работе в каком-нибудь университете. Для Гута все складывалось не лучшим образом: в свои 32 года он был уже немного староват для этого молодого племени, и поток контрактных предложений уже начинал потихоньку пересыхать. Вот тогда-то его и осенила удачная мысль, переменившая все вокруг.


Гут оказался невысоким подвижным молодым человеком, за долгие годы «постдоковских» скитаний ничуть не утратившим мальчишеского энтузиазма. Он сразу дал понять, что не пытается опровергнуть теорию Большого взрыва. В этом не было нужды. Позиции этой теории были очень сильны, а свидетельства в ее пользу — очень убедительны.

Самый сильный аргумент — это расширение Вселенной, открытое в 1929 году Эдвином Хабблом. Он обнаружил, что далекие галактики стремительно разлетаются от нас. Если проследить движение галактик назад во времени, то в некоторый момент в прошлом все они сливаются вместе, что и говорит о взрывном возникновении Вселенной.

Другим важным подтверждением Большого взрыва служит космическое микроволновое излучение. Космос заполнен электромагнитными волнами примерно той же частоты, что в обычных микроволновых печках. Интенсивность этого излучения снижается по мере расширения Вселенной, так что мы сейчас наблюдаем лишь слабый отсвет раскаленного первичного огненного шара.

Теория Большого взрыва служит космологам для изучения того, как этот огненный шар расширялся и остывал, как возникали атомные ядра и как из бесформенных газовых облаков возникали грандиозные спирали галактик. Результаты этих исследований прекрасно согласовывались с астрономическими наблюдениями, и это практически не оставляло сомнений в том, что теория развивается в правильном направлении. Однако она описывала только последствия Большого взрыва и ничего не говорила о нем самом — выражаясь словами самого Гута, «что «взорвалось», как «взорвалось» и что послужило причиной «взрыва».


Вдобавок ко всему при ближайшем рассмотрении Большой взрыв выглядит весьма странно. Вообразите себе булавку, стоящую на острие: малейший толчок — и она упадет. Так же и с Большим взрывом. Окружающий нас огромный мир, полный галактик, образуется только при том условии, что энергия первичного взрыва выверена с немыслимой точностью. Ничтожное отклонение приводит к космологической катастрофе: либо огненный шар коллапсирует под действием собственного тяготения, либо Вселенная оказывается почти пустой.

Космология Большого взрыва просто постулирует, что огненный шар обладал требуемыми свойствами. Среди физиков преобладало мнение, согласно которому наука может описать, как развивалась Вселенная из заданной начальной конфигурации, но попытки разобраться, почему все началось именно с этого конкретного состояния, выходят за рамки физики. Вопросы, связанные с этим начальным состоянием, считались «философией», что на языке физиков означает напрасную трату времени. Впрочем, это мнение не делало Большой взрыв менее загадочным.


И вот теперь Гут рассказывал нам о том, что завесу тайны, окружающую Большой взрыв, можно приподнять. Новая теория могла раскрыть его природу и объяснить, почему первичный огненный шар был так тонко настроен. Аудитория затихла. Все были заинтригованы.

Новая теория давала Большому взрыву необыкновенно простое объяснение: Вселенная раздувалась отталкивающим тяготением! Ключевую роль в теории играла гипотетическая сверхплотная материя с крайне необычными свойствами. Самым необычным среди них было то, что она порождала мощное отталкивающее гравитационное поле. Гут предположил, что в ранней Вселенной было некоторое количество такой материи. Много ему не требовалось: достаточно было крошечного кусочка.

Рис. 1.1. Кусочек гравитационно отталкивающей материи.

Рис. 1.1. Кусочек гравитационно отталкивающей материи.

Внутреннее гравитационное отталкивание заставило бы этот кусочек очень быстро расширяться. Если бы он состоял из обычного вещества, его плотность падала бы с расширением, но странная антигравитационная материя ведет себя совсем по-другому: ее второе ключевое свойство состоит в неизменной плотности, так что ее общая масса пропорциональна объему, который она занимает. По мере роста размеров кусочка его масса увеличивается, так что его отталкивающая гравитация становится все сильнее и он все быстрее расширяется. Короткий период такого ускоренного расширения, которое Гут назвал инфляцией, может увеличить крошечный исходный кусочек до чудовищных размеров, превосходящих всю наблюдаемую сегодня Вселенную.


Поразительный рост массы в ходе инфляции может на первый взгляд показаться нарушением самого фундаментального закона природы — принципа сохранения энергии. Согласно знаменитой формуле Эйнштейна E = mc2 энергия пропорциональна массе. (Здесь E — энергия, m — масса, а c — скорость света.) Выходит, энергия раздувающегося куска материи должна вырасти в колоссальное число раз, тогда как закон сохранения энергии требует, чтобы она оставалась постоянной. Этот парадокс исчезает, если учесть вклад в энергию, который дает гравитация. Уже давно известно, что гравитационная энергия всегда отрицательна. Раньше это казалось не столь уж важным, но теперь приобрело поистине космическое значение. В то время как положительная энергия материи растет, его компенсирует растущая отрицательная гравитационная энергия. Полная энергия остается постоянной, как и требует закон сохранения.

Чтобы обеспечить период инфляции завершением, Гут ввел условие, что гравитационно отталкивающаяся материя должна быть нестабильной. При распаде ее энергия порождает горячий огненный шар элементарных частиц. Он продолжает по инерции расширяться, но теперь уже состоит из обычной материи, его гравитация становится притягивающей, и расширение постепенно замедляется. Момент распада антигравитационной материи отмечает конец инфляции и в данной теории играет роль Большого взрыва.


Красота этой идеи заключалась в том, что одним махом инфляция объясняла, почему Вселенная столь велика, почему она расширяется и почему вначале она была такой горячей.

Необъятная расширяющаяся Вселенная появилась практически из ничего. Все, что было нужно, — это микроскопический кусочек гравитационно отталкивающего материала. Гут честно признавал, что не знает, откуда взялся этот кусочек, но отрицать его достижения было трудно. «Часто говорят, что нельзя получить нечто из ничего, — говорил он, — но в конечном счете Вселенная могла достаться нам даром».

Все это предполагает, что гравитационно отталкивающая материя действительно существует. В ней не было недостатка у авторов научно-фантастических романов, которые применяли ее во всевозможных летательных аппаратах — от боевых машин до антигравитационных ботинок. Но могут ли профессиональные физики всерьез рассматривать возможность отталкивающей силы гравитации? Могут, конечно. И первым сделал это не кто иной, как Альберт Эйнштейн.

Источник: www.modcos.com

Что ждет Вселенную в конце?

Если посмотреть на далекую случайную галактику во Вселенной, высока вероятность, что вы увидите, что ее свечение более красное, чем у звезд, которые светятся в нашей галактике. Еще в 1920-х годах ученые обнаружили, что эта закономерность сохранялась в целом: чем дальше галактика вас, тем краснее ее свет. В контексте общей теории относительности, стало быстро понятно, что это связано с расширением самой ткани пространства с течением времени.


Следующим шагом было количественно рассчитать, насколько быстро расширяется Вселенная и как этот темп менялся со временем. Причина важности этого, с теоретической точки зрения, заключается в том, что история расширения Вселенной определяла то, что в ней находилось. Если вы хотите узнать, из чего состоит ваша Вселенная, на самых больших масштабах, измерение того, как Вселенная расширялась с течением космического времени, поможет вам.

Если ваша Вселенная наполнена веществом, вы будете ожидать, что скорость расширения будет падать пропорционально тому, как вещество будет разбавляться. Если она наполнена излучением, темп расширения будет падать еще больше, потому что излучение само по себе проходит красное смещение и теряет дополнительную энергию. Вселенная с пространственной кривизной, космическими струнами или энергией, присущей самому пространству, все так же будет развиваться по-другому, в зависимости от соотношений всех компонентов энергии.

Основываясь на полном наборе измерений, которые мы смогли осуществить, в том числе переменных звезд, галактик разных типов и свойств, и сверхновых типа Ia, а также космического микроволнового фона и кластеризации и корреляции галактик, мы смогли точно определить, из чего состоит Вселенная. В частности, она состоит на:

  • 68% из темной энергии;
  • 27% из темной материи;
  • 4,9% из обычной материи;
  • 0,09% нейтрино;
  • 0,01% излучения.

Плюс-минус поправка на несколько десятых процента в каждом случае.

Наша Вселенная, в которой доминирует темная энергия, особенно интересна, потому что этого компонента во Вселенной не существовало, не говоря уж о его преобладании. И все же, мы здесь, спустя 13,8 миллиарда лет после Большого Взрыва, живем во Вселенной, в которой темная энергия управляет расширением Вселенной.

Что такое темная энергия

Темную энергию окружает очень много вопросов. Какова ее природа? Откуда она берется? Постоянна она или меняется со временем? Окончательных ответов нет, но все указывает на то, что темная энергия — это космологическая постоянная. Другими словами, она ведет себя как новая форма энергии, присущей самому пространству. По мере расширения Вселенной, она создает новое пространство, которое содержит все то же однородное количество темной энергии.

Подписывайтесь на наш канал в Яндекс Дзен. Там можно найти много всего интересного, чего нет даже на нашем сайте.

Во всяком случае, это наше лучшее представление на текущий момент. С теоретической точки зрения существует несколько известных способов создания космологической постоянной, и поэтому данное объяснение — до тех пор, пока данные согласуются с ним — будет оставаться предпочтительным. Но нет причин, по которым темная энергия не может оказаться чем-то более сложным.


Она может быть чем-то, что размывается со временем, становясь все менее и менее плотным, пусть и немного. Она может быть чем-то, что меняет знак в далеком будущем и приводит к воссозданию Вселенной в Большом Сжатии. Она может быть также чем-то, что со временем становится сильнее, ускоряясь и расширяя Вселенную с течением времени. Именно этот вариант приводит к сценарию Большого Разрыва.

Когда мы говорим о какой-либо компоненте энергии во Вселенной, мы говорим о ее уравнении состояния, которое описывает, как она эволюционирует со временем во Вселенной. Астрофизики используют для этого параметр w, где w = 0 соответствует материи, w = 1/3 соответствует излучению, w = -1 соответствует космологической постоянной.

Темная энергия, по-видимому, имеет w= -1, но это не точно. К примеру, новая работа коллаборации Subaru Hyper Suprime-Cam, добавила новые ограничения уравнению состояния темной энергии. Хотя темная энергия весьма убедительно соответствует w = -1, есть также предположение, что она может быть еще более негативной. Если она на самом деле такова — если выяснится, что w < -1, а не равно -1 — тогда Большой Разрыв неизбежен.

Если же Большой Разрыв неизбежен, не только расширяющаяся Вселенная, но и далекие объекты будут ускоряться от нас все быстрее и быстрее с течением времени (из-за темной энергии). Но и объекты, которые держатся вместе за счет какой-либо фундаментальной силы, в конечном итоге будут разорваны увеличивающейся силой темной энергии.


Через много миллиардов лет в будущем наша локальная группа увидит, как звезды на окраинах будут выброшены в космос, поскольку отвяжутся гравитационно от нашей будущей далекой галактики: Млекомеды. С течением времени все больше и больше звезд будут выбрасываться наружу, пока не разрушатся структуры, которые известны нам как галактики, и не превратятся в собрание миллиардов несвязанных звезд и звездных трупиков.

С течением времени планеты будут выбрасываться из своих солнечных систем, поскольку темная энергия будет усиливаться, и затем даже сами планеты будут разорваны. В самые последние моменты, удерживаемые атомными и молекулярными силами объекты будут разорваны, электроны сорвутся со своих атомов, атомные ядра рассыпятся, и даже сами кварки будут разделены. А затем и они разорвутся.

Ждем ли нас новый Большой Взрыв?

Если Большой Разрыв — это корректная модель развития Вселенной, все во Вселенной будет сведено к самым фундаментальным составляющим, в чем-то сильно соответствуя первым этапам Большого Взрыва.

Чтобы не пропустить ничего интересного из мира высоких технологий, подписывайтесь на наш новостной канал в Telegram. Там вы узнаете много нового.


Однако эта кварк-глюонная плазма будет отличаться от той, что была во время Большого Взрыва. Во-первых, Большой Взрыв характеризуется горячим и плотным состоянием, а Большой Разрыв будет чрезвычайно холодным и рассредоточенным. Во-вторых, Большой Взрыв характеризуется тем, что вся материя и энергия во Вселенной сжата в крошечный объем пространства, но при Большом Разрыве они будут рассредоточены на триллионах световых лет. Кроме того, Большой Взрыв представляет состояние относительно низкой энтропии, но при Большом Разрыве энтропия будет в 1035 раз больше, чем при Большом Взрыве.

Но есть надежда.

Возможно, темная энергия, которая приведет к Большому Разрыву, сможет перезапустить Вселенную. Если сила темной энергии увеличивается, эта темная энергия присуща ткани самого пространства, а значит может быть полностью аналогична раннему периоду в истории нашей Вселенной, когда пространство расширялось с огромной скоростью: космической инфляции. Инфляция устраняет всю ранее существовавшую материю и энергию во Вселенной, оставляя после себя только ткань пространства. После периода инфляции энергия каким-то образом преобразуется в частицы, античастицы и излучение, что приводит к Большому Взрыву. Этот сценарий уже рассматривался раньше и известен как омоложенная Вселенная.

Источник: Hi-News.ru

Физики-теоретики из Института ядерных исследований РАН построили модель ранней Вселенной без Большого взрыва. Соответствующий научный результат готовится к публикации в журнале Journal of Cosmology and Astroparticle Physics. Ученые сделали шаг вперед на пути к теоретическому описанию Вселенной с отскоком.

Группа физиков в составе академика Валерия Рубакова и молодых кандидатов наук Виктории Волковой и Сергея Миронова излагает взгляды на происходившее во Вселенной так: сегодня нам многое известно про Вселенную не только теоретически, но и с экспериментальной точки зрения. Благодаря современным астрономическим и астрофизическим наблюдениям мы с уверенностью можем говорить, что наша Вселенная сегодня расширяется медленно и имеет сравнительно небольшую температуру. В начале эволюции она расширялась очень быстро и была горячей, с температурой порядка одного миллиарда градусов, а может, и выше.

Более того, сегодня мы с уверенностью можем сказать, что эта «горячая стадия» в ранней Вселенной не была самой первой. Хотя Вселенная и считается однородной, на малых масштабах она все же такой не является: в ней есть, например, галактики и другие более крупные и мелкие структуры. Эти структуры во Вселенной появились благодаря так называемым первичным неоднородностям в веществе. Вообще, все, что есть во Вселенной, в некотором смысле «живое»; в любой среде есть небольшие отклонения от среднего фона — флуктуации. Первичные неоднородности и есть эти флуктуации, которые появились во Вселенной на самых ранних этапах ее эволюции. Свойства этих первичных неоднородностей сегодня известны из наблюдательных данных о распределении и свойствах галактик, а также из наблюдений реликтового излучения. Реликтовое излучение — электромагнитное излучение, то есть фотоны, которые присутствовали во Вселенной в самые горячие эпохи, а с некоторого момента стали распространяться свободно, тем самым сохраняя на себе отпечаток среды, заполнявшей Вселенную при сравнительно высоких температурах.

Любопытно, что свойства первичных неоднородностей многое говорят об их происхождении, и здесь становится ясно, что эти неоднородности появились до горячей стадии, то есть был еще какой-то предшествующий этап. Что это за этап?

Существует несколько версий, что предшествовало горячей стадии. Одна из самых популярных гипотез — теория об инфляционном расширении. Предполагается, что во время инфляции Вселенная «раздувалась» с немыслимой скоростью, с микроскопических до гигантских размеров за доли секунды. Первичные возмущения в этой модели — это флуктуации вакуума, которые на этом этапе быстро росли и дорастали до нужной величины к моменту перехода на горячую стадию. У инфляционной модели есть свои характерные признаки — например, она предсказывает генерацию реликтовых гравитационных волн (это своего рода «рябь» в пространстве, возмущение геометрии). Реликтовые гравитационные волны пока не обнаружены, то есть наблюдательных данных сегодня не хватает, чтобы подтвердить или опровергнуть теорию инфляции. Это дает свободу теоретикам рассматривать альтернативные сценарии и механизмы.

Один из таких альтернативных сценариев — Вселенная с отскоком. Эта модель предполагает, что еще намного раньше горячей стадии Вселенная была почти такая же, как сегодня, с небольшой плотностью заполняющего ее вещества, но с существенным отличием: она сжималась. Это сжатие продолжалось какое-то время, плотность вещества во Вселенной увеличивалась по мере сжатия, и в некоторый момент происходил отскок — остановка сжатия и начало расширения Вселенной с последующим выходом на стандартную горячую стадию. В такой модели с отскоком есть свои механизмы генерации первичных возмущений на стадии сжатия, и возмущения обладают необходимым набором базовых свойств, согласующихся с известными наблюдательными данными. В то же время предсказания моделей с отскоком отличаются от инфляционных в тонких деталях, которые пока экспериментально не проверены, но в будущем будут доступны проверке.

Привлекательная особенность модели с отскоком — отсутствие так называемого Большого взрыва, точки сингулярности, с которой начинается эволюция Вселенной в общепринятой на сегодня модели. Действительно, смена сжатия расширением может происходить, когда плотность вещества во Вселенной достигает достаточно больших, но все же конечных значений. Тем самым проблема начальной сингулярности в моделях с отскоком решается. Однако модели с отскоком имеют свои характерные сложности: такая нетривиальная динамика со сменой сжатия расширением возможна, если во Вселенной присутствует вещество с довольно экзотическими свойствами, которыми привычная и известная нам материя не обладает. Теоретики тем не менее придумали такую хитрую среду, которая подходит на роль этого экзотического вещества: эта среда взаимодействует с гравитационным полем не так, как обычная окружающая нас материя.

Но на этом трудности не закончились: чтобы сказать, что модель Вселенной с отскоком построена, необходимо убедиться, что решение гравитационных уравнений, которое описывает, как Вселенная сжимается, а потом расширяется, устойчиво. Устойчивость решения означает, что при небольшом отклонении от этого решения Вселенная не рушится, не взрывается и не схлопывается в сингулярность, а плавно возвращается к своей траектории развития и продолжает эволюционировать, как было задумано.

Тут можно представить себе шарик, скатывающийся по наклонному желобу, и шарик, скатывающийся по наклонному ребру. Первый шарик может без существенных последствий отклоняться в направлениях, перпендикулярных направлению его движения вдоль желоба. Напротив, для второго шарика даже малые отклонения вбок от направления его скатывания чреваты падением с ребра и уходом с исходной траектории движения.

Устойчивые модели Вселенной с отскоком, в которых решается проблема Большого взрыва, были предложены сравнительно недавно — в частности, коллективом Института ядерных исследований РАН (ИЯИ РАН). В таких моделях, как уже сказано, необходимо предположить, что Вселенная заполнена специфической средой — например, некоторым скалярным полем, чье взаимодействие с гравитацией не описывается Общей теорией относительности Альберта Эйнштейна. Процедура построения модели предполагает решение полевых уравнений для выбранной теории и последующий анализ решения на предмет его соответствия искомой физической картине, а именно смене эпохи сжатия стадией расширения.

В статье, о которой идет речь, физики-теоретики Виктория Волкова, Сергей Миронов и Валерий Рубаков взяли построенную ими же устойчивую модель с отскоком и усложнили ее, добавив в экзотическую среду, заполняющую Вселенную и обеспечивающую отскок, дополнительную материю, но со стандартными свойствами. Такое усложнение — закономерный шаг, если ставить перед собой цель построить реалистичную модель Вселенной с отскоком, где, вообще говоря, одновременно присутствуют разные типы материи. Из предыдущей работы

А. Викмана, Д. Иссона и И. Савицкого (JCAP 07 (2013) 014) по этой теме было известно, что добавление стандартной материи в системы с упрощенной версией упомянутой выше экзотической среды приводит к возникновению волн в этой среде, которые распространяются со скоростями, превышающими скорость света. Это проблема, потому что в нормальной ситуации скоростей больше скорости света не бывает.

Что удивительно, результат исследований оказался ровно противоположным: при добавлении обычной материи в модель, о которой идет речь, никаких сверхсветовых сигналов не возникает. Для того чтобы выяснить это, было изучено поведение малых отклонений от решения с использованием стандартных методов теории возмущений. Разгадка заключается в различии тонких свойств экзотической среды, которая использовалась и в предыдущей, и в этой работе.

Не менее интересным выглядит и другой результат исследователей из ИЯИ РАН: если в систему добавить вещество, в котором волны распространяются со скоростью, равной или близкой к скорости света (такая материя — не экзотика), то в системе действительно появляются волны, распространяющиеся со скоростью выше скорости света. Причем этот результат не зависит от того, описывает модель отскок во Вселенной или нет; он справедлив для теорий с такой экзотической средой в общем случае. Данное обстоятельство вновь указывает, что в теориях с этой средой все устроено еще более хитро, чем предполагали ученые.

Этот результат может иметь далекоидущие последствия для данного класса теорий в целом и в частности для перспектив построить на их базе реалистичную и, что главное, жизнеспособную модель Вселенной без Большого взрыва.

Источник: www.kommersant.ru


You May Also Like

About the Author: admind

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте как обрабатываются ваши данные комментариев.