Инфляционная модель вселенной – все о космосе

Инфляционная модель Вселенной

Инфляционная модель Вселенной - все о космосе

Инфляционная модель Вселенной – научная космологическая теория о законе и состоянии расширения Вселенной на раннем этапе Большого взрыва. В отличие от стандартной модели горячей Вселенной, данная теория предполагает ускоренный период расширения Вселенной на раннем этапе при температуре выше 1028 Кельвинов.

Общие сведения

Эволюция Вселенной

Инфляционная модель Вселенной была разработана относительно недавно. Еще в 30-х годах 20 века ученые знали, что наша Вселенная непрестанно расширяется. Важную роль в этом сыграло открытие закона Хаббла, который указывал на данный факт.

Ученые поняли, что процессу расширения Вселенной предшествовало свое начало.

По этой причине они решили, применяя физико-математические законы, теоретически воссоздать процесс формирования Вселенной и понять, что именно послужило толчком к ее расширению.

Создавая теорию формирования Вселенной, ученые столкнулись с рядом вопросом, например: почему во Вселенной так мало антивещества, если оно должно состоять с веществом в примерно равных пропорциях; как получилось, что температура всех областей Вселенной примерно одинакова, если отдельные ее части никак не могли контактировать друг с другом; почему Вселенная обладает именно такой массой и энергией, которая способна замедлить хаббловское расширение и многое другое. Занимаясь поиском ответов на эти вопросы, ученые вывели стандартную модель горячей Вселенной, которая гласит, что в самом начале своего зарождения Вселенная была очень плотной и горячей, и в ней существовало единое поле взаимодействия между всеми частицами. Впоследствии, когда Вселенная расширилась и остыла, это поле распалось на электромагнитное, гравитационное, сильное и слабое взаимодействие, которое позволили частицам, из которых состояла первобытная Вселенная, объединяться в атомы и другие сложные структуры.

Будущее Вселенной

В 1981 году американский ученый Алан Гут понял, что выделение сильных взаимодействий из единого поля, а также фазовый переход первобытного вещества Вселенной из одного состояния в другое произошел примерно через 10–35  секунды после рождения Вселенной.

Этот период можно условно назвать «первоначальной кристаллизацией Вселенной» или «экстренным расширением Вселенной». В чем-то этот процесс напоминает процедуру замерзания воды и превращения ее в лед. Всем известно, что вода при замерзании расширяется.

Алану Гут предположил, что на самом начальном этапе формирования Вселенной произошло ее скачкообразное расширение, благодаря которому Вселенная за крохотные доли секунды расширилась в 50 раз. Свою теорию ученый назвал инфляционной моделью Вселенной (инфляция от англ. Inflate – раздувать, накачивать).

При помощи этой модели можно объяснить, почему Вселенная обладает такой массой и энергией, которая позволяет замедлить хаббловское расширение, а также, почему температура всех областей нашей Вселенной примерно одинакова.

Проблема крупномасштабной однородности и изотропности Вселенной

Распределение энергии во Вселенной

Хаббловское расстояние совпадает с размерами наблюдаемой нами Вселенной. Это говорит нам о том, что из-за конечности возраста нашей Вселенной и скорости света можно наблюдать сейчас только те области Вселенной, которые находятся на равном или меньшем расстоянии горизонта наблюдений.

В планковскую эпоху Большого взрыва (самая ранняя стадия развития Вселенной) в наблюдаемой Вселенной состояло около 1090 областей, взаимодействие и причинная связь между которыми отсутствовала.

Схожесть начальных условий в таком огромном количестве областей считалась маловероятной.

Даже в более поздние периоды Большого взрыва проблема схожести начальных условий в несвязанных причинно областях остается.

Например, в эпоху рекомбинации приходящие к нам с близких направлений фотоны реликтового излучения должны были содействовать с областями первичной плазмы, между которыми за все время их существования не успела установиться причинная связь. Другими словами, можно было рассчитывать на значительную анизотропность реликтового излучения, но наблюдения показывают, что оно изотропно, причем в достаточно высокой степени.

Проблема плоской Вселенной

Согласно последним научным данным плоскость Вселенной весьма близка к критической плоскости, при которой кривизна пространства равна нулю.

Согласно научной гипотезе, отклонение плотности Вселенной от критической плотности должно увеличиваться в процессе течения времени.

Для объяснения пространственной кривизны Вселенной в рамках стандартной модели, необходимо принять отклонение ее плотности в планковскую эпоху.

Говоря максимально простым языком, стандартная модель горячей Вселенной не способна объяснить плоскость Вселенной, в то время, как инфляционная модель Вселенной позволяет это сделать.

Ее постулаты гласят, что неважно насколько сильно было искривлено пространство нашей Вселенной в миг ее инфляционного расширения – по окончанию этого расширения ее пространство оказалось почти полностью прямым.

Кривизна пространства, согласно общей теории относительности, зависит от количества энергии и материи, которые в нем находятся. По этой причине в нашей Вселенной находится достаточно материи, чтобы уравновесить хаббловское расширение.

Проблема крупномасштабной структуры Вселенной

Крупномасштабная структура Вселенной

Иерархическая модель крупномасштабного распределения материи во Вселенной представляет собой следующую вертикаль: сверхскопления галактик – скопление галактик – галактики.

Для образования такой четкой иерархической структуры из малых флуктуаций плотности, нужна определенная форма спектра и амплитуда первичных возмущений. Все эти параметры приходится принимать в рамках стандартной модели.

Критика инфляционной теории

Главным критиком инфляционной модели Вселенной выступает английский астрофизик, сэр Роджер Пенроуз.

Он утверждает, что хотя инфляционная модель Вселенной является весьма успешной и интересной теорией, однако у нее есть некоторые недостатки.

К примеру, данная теория не предлагает никаких веских фундаментальных обоснований того, что на доинфляционной стадии возмущения плотности должны быть настолько малыми, чтобы после инфляции возникла наблюдаемая степень однородности Вселенной.

Еще одно слабое место инфляционной теории, по словам ученого, это ее объяснение пространственной кривизны. Согласно научной гипотезе, во время инфляции пространственная кривизна сильно уменьшается, однако в то же время ничто не мешало пространственной кривизне иметь настолько большое значение, чтобы проявлять себя и на современном этапе развития Вселенной.

Экспериментальные подтверждения инфляционной модели Вселенной

Карта реликтового излучения

Не так давно, в 2014 году был проведен эксперимент, по результатам которого ученым удалось получить косвенные подтверждения инфляционной модели Вселенной. Этим подтверждением в частности послужила поляризация реликтового излучения. Ученые посчитали, что она могла быть вызвана первичными гравитационными колебаниями.

Однако в более позднем опубликованном результате схожего эксперимента от 19 сентября 2014 года, который был проведен коллективом других астрономов при помощи космической обсерватории-спутника «Планк» показал, что результат вышеназванного эксперимента можно отнести к влиянию не первичных гравитационных колебаний, а межгалактической пыли. Таким образом, ученым еще предстоит доказать на опыте инфляционную модель Вселенной.

by HyperComments

Источник: http://SpaceGid.com/inflyatsionnaya-model-vselennoy.html

Инфляция космических масштабов

Один из ведущих мировых космологов, Андрей Линде, недавно опубликовал обзор, в котором кратко описывает возникновение и развитие теории инфляционной вселенной, дающей новое объяснение Большому взрыву и предсказывающейт существование наряду с нашей множества других вселенных.

Космология в некотором роде сродни философии. Во-первых, по обширности своего предмета исследования — им является вся Вселенная в целом.

Во-вторых, по тому, что некоторые посылки в ней принимаются учеными в качестве допустимых без возможности провести какой-либо проверочный эксперимент.

В-третьих, предсказательная сила многих космологических теорий заработает только если мы сможем попасть в другие вселенные — чего ожидать не приходится. 

Однако из этого всего вовсе не следует, что современная космология — это такая рукомахательная и не совсем научная область, где можно, подобно древним грекам, лежать в тени дерев и гипотетизировать о количестве измерений пространства-времени — десять их или одиннадцать? Космологические модели базируются на наблюдательных данных астрономии, и чем больше этих данных, тем больше материала для космологических моделей — которые должны эти данные связывать и согласовывать между собой. Сложность в том, что в космологии затрагиваются фундаментальные вопросы требующие некоторых изначальных предположений, которые выбираются авторами моделей исходя из их личных представлений о гармонии мироздания. В этом, вообще-то, нет ничего исключительного: при построении всякой теории нужно брать какие-то опорные точки. Просто для космологии, которая оперирует самыми большими масштабами пространства и времени, их выбрать особенно трудно.

Для начала несколько важных определений.

Космология — наука, изучающая свойства нашей Вселенной как единого целого. Однако в ней пока нет какой-то единой теории, которая бы описывала все происходящее и когда-либо произошедшее.

Сейчас существуют четыре основных космологических модели, которые пытаются описать происхождение и эволюцию вселенной и каждая из них имеет свои плюсы и минусы, своих адептов и противников. Модель Лямбда-CDM считается наиболее авторитетной, хотя и не бесспорной. Важно понимать, что космологические модели не обязательно соперничают друг с другом.

Просто они могут описывать принципиально разные этапы эволюции. Например, Лябмда-CDM вообще не рассматривает вопрос Большого взрыва, хотя прекрасно объясняет все, что произошло после него.

Антропный принцип — это подход, который позволяет решить проблему «тонкой» настройки фундаментальных физических констант в нашей вселенной наличием в ней наблюдателя. Дело в том, что любое, казалось бы, незначительное изменение физических законов делает невозможным появление мира, каким мы его видим.

Увеличение массы протона на 0,2 процента, например, приведет к его нестабильности и во вселенной не будет элементов сложнее нейтрона. Если же увеличить массу нейтрона на те же 0,2 процента, то он становится нестабильным в составе ядер и будет превращаться в протон.

В этом случае ядра, состоящие только из протонов, будут распадаться из-за электрического отталкивания — мы снова получаем скучный и однообразный мир, где нет элементов тяжелее водорода. Примерно такая же «точная настройка» есть и у четырех фундаментальных взаимодействий (сильного, слабого, электромагнитного и гравитационного).

То есть создается впечатление, что все параметры подобраны таким образом, чтобы мы как наблюдатели могли существовать.

Читайте также:  В чем отличия и сходства между ураном и нептуном - все о космосе

Антропный принцип существует в двух формах: сильной и слабой. Слабый антропный принцип заключается в том, что значения всех физических и космологических величин не равновероятны, но должны быть совместимы с существованием наблюдателя.

Именно в этом значении антропный принцип употребляют в космологии (да и в биологиитоже). Сильный антропный принцип налагает на вселенную условие долженствования (вселенная должна быть такой, чтобы появился наблюдатель) и, таким образом, уже выходит за пределы науки.

Различие довольно тонкое, так что неудивительно, что космологи довольно долго избегали в антропной аргументации.

Квантовая гравитация — еще не законченная физическая модель, которая должна одновременно описывать поведение частиц на квантовом (микро) уровне и в обычных (макро) условиях, где основную роль играет гравитация. Одним из подходов, чтобы «поженить» гравитацию и квантовую механику является теория струн.

А теперь к статье.

Зачем вообще понадобилась новая, инфляционная модель Вселенной? Результаты космологических исследований и анализа уже существующих моделей, а также компьютерное моделирование образования скоплений и галактик отлично совпадало с результатами астрономических наблюдений. Казалось бы, в чем же проблема? 

Дело в том, что существующие модели описывают только последствия Большого взрыва, не задаваясь вопросом о его возникновении. А это вопрос не праздный хотя бы потому, что энергия Большого взрыва, оказывается, весьма необычна (а сейчас она посчитана с огромной точностью).

Если бы взрыв был чуть сильнее или чуть слабее, то вселенная должна была либо коллапсировать, очень быстро снова сжимаясь в огненный шар, либо разлететься столь стремительно, что звезды и галактики не могли бы иметь шансов на образование.

Цитируя отличную книгу Александра Виленкина «Мир многих миров»: «Космология Большого взрыва просто постулирует, что огненный шар обладал требуемыми свойствами». 

До конца 1970-х годов почти никто из ученых не брался за объяснение причин образования Большого взрыва и таких необычных его свойств.

Первый серьезный интерес к этой области связан с именем американского астрофизика Алана Гута, который предпринял попытку решить эту задачу, введя отталкивающее тяготение (не путать с антигравитацией) приводящее к раздуванию пространства.

Оно объясняло резкое увеличение размеров вселенной в первые моменты ее существования. Этот процесс был назван инфляцией.

Суть Модели инфляционной космологии (в упрощенном и лаконичном варианте тут) в том, что изначально вселенная не была бесконечно малой. Это очень важно, потому что убирает сингулярность, где не работают законы физики. Кроме того, она постулирует существование несколько типов вакуума.

Тот, который заполняет космос (его называют истинным вакуумом) — самый низкоэнергетичный. Кроме него существуют как минимум электрослабый вакуум и вакуум Великого объединения.

В рамках модели Гута считается, что это их энергия привела к началу инфляции и к появлению вселенной (фактически считается, что вместо Большого взрыва был период инфляции).

Наконец, последним важным пунктом модели является введение в расчеты некоего скалярного поля, инфлатона, который и является источником энергии вакуума (пример скалярного поля — это значение температуры в каждой точке комнаты).

Любая новая физическая модель сначала рассматривает самую простую версию какого-нибудь явления. Не учитываются частные случаи, взаимодействия высоких порядков, исключения — если их сразу принять во внимание, недоработанная теория может не выдержать большого количества противоречий и рассыпаться.

Дальше, если теория прошла первоначальную проверку, она обрастает «мясом», ее физические модели усложняются, она становится более гибкой и устойчивой к объяснению различных наблюдений.

Поэтому в предложенной Гутом модели важная и существенная идея первоначально не могла похвастать проработанным физическим аппаратом и на многие вопросы (которые Гуту задали прямо на его первом выступлении с этой моделью в Стенфорде зимой 1980-го года) еще не было ответов.

Инфляционная модель не стала ни популярной, ни известной сразу после публикации, однако ряд физиков, среди которых были Алексей Старобинский, Андрей Линде и Вячеслав Муханов, поверили в нее и продолжили творчески развивать изначальные идеи Гута.

По мере развития инфляционной модели ее положения привели к отрицанию одного из основных принципов, незыблемых со времен Ньютона — принципа однородности и изотропности Вселенной.

Все остальные модели принимают, что точка, с которой мы смотрим по сторонам, ничем не лучше и не хуже любой другой, а также то, что на больших масштабах вселенная заполнена веществом равномерно (что уже противоречит современным данным).

Основная идея инфляционной космологии состоит в том, что наша часть вселенной более-менее однородна потому, что изначальные неоднородности — квантовые флуктуации — сильно растянулись и увеличились со временем и явные «дефекты», такие как монополи или границы вселенной, находятся от нас за горизонтом событий и мы не имеем возможности узнать про них. При этом менее значимые неоднородности со временем привели к образованию галактик.

Работы Линде, начатые через два года после первого доклада Гута, привели к появлению следующего утверждения: возможно существование других частей вселенной, каждая из которых инфляции стала локально однородной и настолько большой, что ее обитатели (гипотетические) также не увидят другие части общей вселенной. В такой вселенной (которой придумали название Мультивселенная или multiverse) каждая обособленная область может иметь совершенно особые свойства, физические законы и даже размерность пространства. Более продвинутая версия инфляционной модели, разработанная к 1987 году, описывает наш мир как вечно расширяющийся самовоспроизводящийся фрактал, который состоит из множества отдельных частей (в статье Линде называет их мини-вселенными). Таким образом, это не вселенная создана для нас, а это мы появились в той ее части, что пригодна для (нашей) жизни.

В обзоре Андрей Линде иронично отмечает «первые десять лет моего путешествия сквозь мультивселенную были крайне интересными, но уж слишком одинокими». Очень мало людей интересовались этой теорией и почти все статьи ему приходилось писать без соавторов. По словам Линде, ситуация изменилась в 1990-х благодаря нескольким факторам.

Во-первых, после запуска ресурса arxiv.org ученые смогли выкладывать препринты своих статей в открытый доступ, даже если журналы не были готовы их печатать. Это ускорило распространение информации среди астрофизиков и позволило им знакомиться даже со спорными идеями, которые отказывались публиковать журналы вроде AstrophysicalJournal.

Во-вторых, работы Артура Межлумяна, Хуана Гарсия-Беллидо, Дмитрия Линде и вернувшегося к идее инфляционной модели Александра Виленкина помогли разрешить часть противоречий, существующих в модели вечно-расширяющейся инфляционной вселенной.

Поворотным моментом в истории инфляционной модели стало открытие темной энергии в 1998 году группами Адама Риса, Сола Перлмуттера и Брайана Шмидта. Оно заставило многих ученых изменить свое отношение к проблеме космологической константы.

Эта константа была введена Эйнштейном в Общей Теории Относительности еще в 1915 году из математических соображений и долгое время никакого физического смысла не несла.

Более того, около полувека ученые предпринимали попытки доказать, что она равна нулю, и, хотя строго математически и должна стоять в уравнении, но вообще ни на что не влияет.

Результаты Риса, Перлмуттера и Шмидта показали, что эта постоянная не просто не ноль, но она еще и совпадает по значению с плотностью обычной материи. Здесь невозможно не вспомнить прекрасную цитату из повести Стругацких «За миллиард лет до конца света»: «А интегральчик-то не ноль! То есть он до такой степени не ноль, мой интегральчик, что величина вовсе существенно положительная…»

Структура мультивселенной с пузырями мини-вселенных внутри нее. Рисунок: Andrei LindeУдивительно в этом то, что космологическая постоянная (то есть энергия вакуума) не изменяется во времени по мере расширения вселенной, в то время как плотность вещества как раз меняется совершенно предсказуемо и зависит от объема пространства.

Получается, что в ранней вселенной плотность вещества намного превосходила плотность вакуума, в будущем по мере разлета галактик плотность вещества будет уменьшаться.

Так почему же именно сейчас, когда мы можем измерить их, они так близки по значению друг к другу?

Единственным известным способом объяснить такое невероятное совпадение, не привлекая какие-то ненаучные гипотезы, можно только с помощью антропного принципа и инфляционной модели — то есть из множества существующих вселенных жизнь зародилась в той, где космологическая постоянная в данный момент времени оказалась равна плотности материи (это в свою очередь определяет время, прошедшее с начала инфляции, и дает как раз достаточно времени для формирования галактик, образования тяжелых элементов и развития жизни).

Еще одним поворотным моментом в развитии инфляционной модели был выход в 2000 году статьи Буссо и Полчински, в которой они предложили использовать теорию струн для объяснения большого набора разных типов вакуума, в каждом из которых космологическая постоянная могла принимать свои значения.

А когда в работу над объединением теории струн и инфляционной модели включился один из создателей самой теории струн, Леонард Сасскинд, это не только помогло составить более законченную картину, которую сейчас называют «антропным ландшафтом теории струн», но и в некотором роде добавило вес всей модели в научном мире.

Число статей по инфляции увеличилось за год с четырех до тридцати двух.

Инфляционная модель претендует на то, чтобы не просто объяснить тонкую настройку фундаментальных констант, но и помочь обнаружить некоторые фундаментальные параметры, которые определяют величину этих констант.

Читайте также:  Зодиакальное созвездие близнецы - все о космосе

Дело в том, что в Стандартной модели сегодня 26 параметров (космологическая постоянная стала последним из открытых), которые определяют величину всех констант, с которыми вы когда-либо сталкивались в курсе физики. Это достаточно много и уже Эйнштейн считал, что их количество можно уменьшить.

Он предложил теорему, которая, по его словам, не может в настоящее время быть более чем верой, о том, что в мире нет произвольных констант: он так мудро устроен, что должны быть какие-то логические связи между казалось бы совсем разными величинами.

В инфляционной модели эти константы могут быть всего лишь параметром окружающей среды, который кажется нам локально неизменным из-за эффекта инфляции, хотя будет совершенно иным в другой части вселенной и определяется еще не выявленными, но наверняка существующими истинно фундаментальными параметрами.

В заключении статьи Линде пишет, что критика инфляционной модели часто основана на том, что мы не сможем в обозримом будущем проникнуть в другие вселенные.

Поэтому проверить теорию невозможно и у нас до сих пор нет ответов на самые базовые вопросы: Почему вселенная такая большая? Почему она однородна? Почему она изотропна и не вращается как наша галактика? Однако, если взглянуть на эти вопросы под другим углом, то оказывается, что и без путешествия в другие мини-вселенные у нас есть множество экспериментальных данных. Таких как размер, плоскость, изотропность, однородность, значение космологической постоянной, соотношение масс протона и нейтрона и так далее. И единственное на сегодняшний день разумное объяснение этим и многим другим экспериментальным данным дается в рамках теории мультиверсов и, следовательно, модели инфляционной космологии.

Отдельно хочется отметить список литературы, указанный в конце этой статьи. Он достаточно необычен для научной статьи, в нем множество научно-популярной литературы и открытых лекций, в которой авторы, участвовавшие в создании инфляционной модели, разъясняют свои открытия.

«Мир многих миров», 2010. Александр Виленкин 

«Космический ландшафт», 2006. Леонард Сасскинд

«Наша математическая Вселенная», 2014. Макс Тегмарк

«Антропный космологический принцип»,1986. Барроу и Типлера

«Инфляция и квантовая космология», 1990. Андрей Линде (ссылка ведет на лекцию, основанную на содержании книги).

«Физика элементарных частиц и инфляционная космология», 1990. Андрей Линде

«The Anthropic landscape of string theory» 2003. Леонард Сасскинд

Источник: https://nplus1.ru/news/2015/12/28/multiuniverse

Критика чистой инфляции: астрономы ломают копья о физике ранней Вселенной

Результаты эксперимента Planck, по словам Старобинского, подвергли сомнению точку зрения, которую неоднократно высказывал Андрей Линде.

Согласно ей инфляция должна обязательно начинаться на планковской плотности материи, и, уже начиная с этого предельного для классического описания пространства-времени параметра, материя была распределена однородно. Однако в тех доказательствах, о которых шла речь выше, это не предполагалось.

То есть в моделях такого типа перед стадией инфляционного расширения находятся анизотропная и неоднородная стадия эволюции Вселенной с большей, чем при инфляции, кривизной пространства-времени.

«Чтобы было понятнее, воспользуемся следующей аналогией, — поясняет космолог. — В общей теории относительности одним из общих решений являются вращающиеся черные дыры, описываемые метрикой Керра. То, что черные дыры — это общие решения, не значит, что они есть повсюду.

Например, их нет в Солнечной системе и в ее окрестностях (к счастью для нас). А значит это то, что, поискав, мы их обязательно найдем. Так оно и произошло».

В случае инфляции происходит то же самое – эта промежуточная стадия есть не во всех решениях, но в достаточно широком их классе, так что она вполне может возникнуть в однократной реализации, то есть для нашей Вселенной, которая существует в одном экземпляре.

А вот то, насколько вероятно это однократное событие, полностью определяется нашими гипотезами о том, что предшествовало инфляции.

Утверждение 3. Квантовое явление «вечной инфляции», которое имеет место почти во всех инфляционных моделях и влечет за собой возникновение мультивселенной, приводит к полной неопределенности предсказаний инфляционного сценария: «Все, что может случиться, случается».

«Утверждение частично ложно, частично не имеет отношения к наблюдаемым эффектам в нашей Вселенной, — непреклонен академик. — Хотя слова в кавычках заимствованы IS&L из обзоров Виленкина и Гута, их смысл искажен.

Там они стояли в другом контексте и значили не больше банального даже для школьника замечания, что уравнения физики (например, механики) можно решать для любых начальных условий: где-нибудь и когда-нибудь эти условия реализуются».

Почему «вечная инфляция» и образование «мультивселенной» не влияют на все процессы в нашей Вселенной после конца инфляционной стадии? Дело в том, что они происходят вне нашего светового конуса прошлого (кстати, и будущего тоже)», — объясняет Старобинский.

Поэтому нельзя сказать однозначно, происходят ли они в нашем прошлом, настоящем или будущем.

«Строго говоря, это верно с точностью до экспоненциально малых квантово-гравитационных эффектов, но во всех существующих последовательных расчетах такими эффектами всегда пренебрегали», — подчеркивает академик.

«Я не хочу сказать, что не интересно исследовать то, что лежит вне нашего светового конуса прошлого, — продолжает Старобинский, — но прямо с наблюдательными данными это пока не связано.

Однако и здесь IS&L сбивают читателя с толку: если описывать “вечную инфляцию” правильно, то при заданных условиях в начале инфляционной стадии никакого произвола в предсказаниях не возникает (хотя не все мои коллеги с этим согласны).

Более того, многие предсказания, в частности спектр неоднородностей материи и гравитационных волн, возникающих в конце инфляции, от этих начальных условий вообще не зависят», — добавляет космолог.

«Нет острой необходимости в пересмотре основ физики ранней Вселенной»

Олег Верходанов отмечает, что пока отказываться от текущей парадигмы нет оснований: «Конечно, у инфляции есть простор для интерпретации — семейство моделей. Но и среди них можно выбирать наиболее соответствующие распределению пятен на карте реликтового излучения. Пока большинство результатов миссии Planck играет в пользу инфляции».

Алексей Старобинский отмечает, что с данными эксперимента Planck, к которым апеллируют IS&L, хорошо согласуется самая первая модель с де-ситтеровской стадией, предшествовавшей горячему Большому взрыву, которую он предложил еще в 1980 году (во время де-ситтеровской стадии, которая длилась около 10–35 секунды, Вселенная быстро расширялась, заполняющий ее вакуум как бы растягивался без изменения своих свойств, — прим. Indicator.Ru).

Источник: https://indicator.ru/article/2017/07/03/kritika-chistoj-inflyacii/

Первая секунда жизни Вселенной: хронология самого начала

Один из фрагментов первой микросекунды жизни вселенной сыграл огромную роль в ее дальнейшей эволюции.

Концептуальный прорыв стал возможным благодаря очень красивой гипотезе, родившейся в попытках найти выход из трех серьезных неувязок теории Большого взрыва — проблемы плоской Вселенной, проблемы горизонта и проблемы магнитных монополей.

Редкая частица

С середины 1970-х годов физики начали работать над теоретическими моделями Великого объединения трех фундаментальных взаимодействий — сильного, слабого и электромагнитного.

Многие из этих моделей приводили к заключению, что вскоре после Большого взрыва должны были в изобилии рождаться очень массивные частицы, несущие одиночный магнитный заряд.

Когда возраст Вселенной достиг 10-36 секунды (по некоторым оценкам, даже несколько раньше), сильное взаимодействие отделилось от электрослабого и обрело самостоятельность.

При этом в вакууме образовались точечные топологические дефекты с массой в 1015-1016 большей, чем масса тогда еще не существовавшего протона. Когда, в свою очередь, электрослабое взаимодействие разделилось на слабое и электромагнитное и появился настоящий электромагнетизм, эти дефекты обрели магнитные заряды и начали новую жизнь — в виде магнитных монополей.

Реликтовое излучение, которое мы сейчас видим с Земли, приходит с расстояния 46 млрд. световых лет (по сопутствующей шкале), пропутешествовав чуть менее 14 млрд лет.

Однако когда это излучение начало свое путешествие, возраст Вселенной насчитывал всего лишь 300 000 лет.

За это время свет мог пройти, соответственно, лишь 300 000 световых лет (маленькие окружности), и две точки на иллюстрации просто не смогли бы связаться друг с другом — их космологические горизонты не пересекаются.

Эта красивая модель поставила космологию перед малоприятной проблемой. «Северные» магнитные монополи аннигилируют при столкновении с «южными», но в остальном эти частицы стабильны.

Из-за огромной по меркам микромира массы нанограммового масштаба вскоре после рождения они были обязаны замедлиться до нерелятивистских скоростей, рассеяться по пространству и сохраниться до наших времен.

Согласно стандартной модели Большого взрыва, их нынешняя плотность должна приблизительно совпадать с плотностью протонов. Но в этом случае общая плотность космической энергии как минимум в квадриллион раз превышала бы реальную.

Все попытки обнаружить монополи до сих пор завершались неудачей. Как показал поиск монополей в железных рудах и морской воде, отношение их числа к числу протонов не превышает 10-30.

Либо этих частиц вообще нет в нашей области пространства, либо столь мало, что приборы неспособны их зарегистрировать, несмотря на четкую магнитную подпись.

Это подтверждают и астрономические наблюдения: наличие монополей должно сказываться на магнитных полях нашей Галактики, а этого не обнаружено.

Астрономы уже давно уверились в том, что если нынешнее космическое пространство и деформировано, то довольно умеренно. Модели Фридмана и Леметра позволяют вычислить, какой была эта искривленность вскоре после Большого Взрыва, чтобы находиться в согласии с современными измерениями.

Кривизна пространства оценивается с помощью безразмерного параметра Ω, равного отношению средней плотности космической энергии к тому ее значению, при котором эта кривизна делается равна нулю, а геометрия Вселенной, соответственно, становится плоской.

Лет сорок назад уже не было сомнений, что если этот параметр и отличается от единицы, то не больше, чем в десять раз в ту или иную сторону.

Отсюда следует, что через одну секунду после Большого взрыва он отличался от единицы в большую или меньшую сторону всего лишь на 10-14! Является ли такая фантастически точная «настройка» случайной или она обусловлена физическими причинами? Именно так в 1979 году задачу сформулировали американские физики Роберт Дике и Джеймс Пиблз.

Читайте также:  Космический телескоп tess - все о космосе

Конечно, можно допустить, что монополей вообще никогда не было. Некоторые модели объединения фундаментальных взаимодействий и в самом деле не предписывают их появления. Но проблемы горизонта и плоской Вселенной остаются. Так получилось, что в конце 1970-х космология столкнулась с серьезными препятствиями, для преодоления которых явно требовались новые идеи.

Отрицательное давление

И эти идеи не замедлили появиться. Главной из них была гипотеза, согласно которой в космическом пространстве помимо вещества и излучения существует скалярное поле (или поля), создающее отрицательное давление. Такая ситуация выглядит парадоксальной, однако же она встречается в повседневной жизни.

Система с положительным давлением, например сжатый газ, при расширении теряет энергию и охлаждается. Эластичная лента, напротив, пребывает в состоянии с отрицательным давлением, ведь, в отличие от газа, она стремится не расшириться, а сжаться. Если такую ленту быстро растянуть, она нагреется и ее тепловая энергия возрастет.

При расширении Вселенной поле с отрицательным давлением копит энергию, которая, высвобождаясь, способна породить частицы и кванты света.

Локальная геометрия вселенной определяется безразмерным параметром Ω: если он меньше единицы, вселенная будет гиперболической (открытой), если больше — сферической (закрытой), а если в точности равен единице — плоской. Даже очень небольшие отклонения от единицы со временем могут привести к значительному изменению этого параметра. На иллюстрации синим показан график параметра для нашей Вселенной.

Отрицательное давление может иметь различную величину. Но существует особый случай, когда оно равно плотности космической энергии с обратным знаком.

При таком раскладе эта плотность остается постоянной при расширении пространства, поскольку отрицательное давление компенсирует растущее «разрежение» частиц и световых квантов.

Из уравнений Фридмана-Леметра следует, что Вселенная в этом случае расширяется экспоненциально.

Гипотеза экспоненциального расширения позволяет разрешить все три проблемы, приведенные выше.

Предположим, что Вселенная возникла из крошечного «пузырька» сильно искривленного пространства, который претерпел превращение, наделившее пространство отрицательным давлением и тем заставившее его расширяться по экспоненциальному закону. Естественно, что после исчезновения этого давления Вселенная возвратится к прежнему «нормальному» расширению.

Решение проблем

Будем считать, что радиус Вселенной перед выходом на экспоненту всего на несколько порядков превышал планковскую длину, 10-35 м.

Если в экспоненциальной фазе он вырастет, скажем, в 1050 раз, то к ее концу достигнет тысяч световых лет.

Каким бы ни было отличие параметра кривизны пространства от единицы до начала расширения, к его концу оно уменьшится в 10-100 раз, то есть пространство станет идеально плоским!

Аналогично решается проблема монополей. Если топологические дефекты, ставшие их предшественниками, возникли до или даже в процессе экспоненциального расширения, то к его концу они должны отдалиться друг от друга на исполинские расстояния.

С тех пор Вселенная еще изрядно расширилась, и плотность монополей упала практически до нуля.

Вычисления показывают, что даже если исследовать космический кубик с ребром в миллиард световых лет, то там с высочайшей степенью вероятности не найдется ни единого монополя.

Источник: https://www.PopMech.ru/science/12784-pervaya-sekunda-zhizni-vselennoy-chto-togda-proizoshlo/

Доказана инфляционная модель Вселенной

Гравитационные волны − одно из важнейших предсказаний общей теории относительности Альберта Эйнштейна, которую великий ученый опубликовал в 1915 году. В ней предлагалось новое понимание гравитации, при котором важную роль играет «пространство-время».

Общая теория относительности

Альберт Эйнштейн скомбинировал вместе понятия трехмерного пространства и времени и представил их в виде единой структуры с четырьмя измерениями. В его представлении речь шла не о «пустоте», а скорее о своего рода ткани, имеющей определенные геометрические свойства.

Такая ткань деформируется под влиянием присутствующих в ней тел. Эйнштейн описывал силу притяжения как результат деформации пространства-времени со стороны объектов, обладающих массой, как, к примеру, наша Земля, Солнце, да и мы сами.

Пространство-время можно себе представить как простыню, натянутую с четырех сторон. Если положить в ее середину тяжелый предмет, простыня прогнется. В результате даже воздушные шарики, которые почти не влияют на силу натяжения ткани, будут скатываться по простыне вниз, к тяжелому предмету. Это и будет аналогией силы гравитационного притяжения.

В отличие от ньютоновской теории всемирного тяготения, согласно которой гравитационные эффекты распространялись мгновенно, в ОТО гравитационное воздействие имеет конечную скорость, равную скорости света в вакууме − примерно 300 000 км/с.

Например, если масса Солнца внезапно увеличится на 10%, все объекты во Вселенной, по Ньютону, немедленно испытают на себе увеличение силы его притяжения. А вот Эйнштейн утверждал, что необходимо определенное количество времени, чтобы удаленные объекты «почувствовали» изменение гравитации. В случае Земли, на это понадобится приблизительно 8 минут.

С момента своей публикации, общая теория относительности стала для физиков основой понимания гравитации. ОТО помогла объяснить некоторые эффекты, которые, по ньютоновской теории, не должны были существовать.

Так, например, теория Эйнштейна полностью подтвердила наблюдения аномальной прецессии перигелия Меркурия.

Гравитационные волны

Из представления о том, что само присутствие материи деформирует окружающее пространство, Эйнштейн сделал вывод, что любые крупные изменения массивных тел в космосе «встряхивают» окружающее пространство подобно сейсмическим волнам во время землетрясений, порождая рябь, которая рано или поздно должна достигнуть Земли.

К таким событиям относятся столкновения гигантских объектов, например, звезд. Приближаясь по спиралевидным орбитам друг к другу, такие объекты теряют энергию в форме гравитационных волн, которые распространяются по окружающему пространству. Конечное столкновение объектов сопровождается гигантским выбросом гравитационной энергии.

Ученые считают, что проходя через определенный участок космоса, гравитационные волны растягивают пространство в одном направлении и одновременно сжимают его в перпендикулярном. Такой тип движения волн называется «квадрупольным излучением».

Проблема регистрации гравитационных волн

Несмотря на многочисленные подтверждения общей теории относительности, окончательным экспериментальным ее доказательством может послужить лишь регистрация гравитационных волн.

Однако задача эта очень непростая. Несмотря на постоянные столкновения гигантских объектов, так называемых «космотрясений», гравитационные волны от них, доходящие со скоростью света до Земли спустя миллионы и миллиарды лет, очень малы, и зарегистрировать их невероятно сложно.

Представьте себе камешек, упавший в середину Байкала. Волна, распространившаяся во все стороны от его всплеска, у берега озера будет почти незаметной.

Согласно общей теории относительности, гравитационная волна, достигшая Земли, способна растянуть и сжать крупный объект, например, Останкинскую башню, на одну тысячную диаметра протона.

Начало поиска

Охота за гравитационными волнами началась еще в 1950-х, когда Джозеф Вебер, физик из Мэрилендского университета, построил целый ряд сверхчувствительных детекторов.

Каждый из них представлял собой крупный алюминиевый брусок, подвешенный на тонких проволоках таким образом, чтобы изолировать от влияния наземных вибраций.

По теории Вебера, проходя через алюминиевый стержень, гравитационная волна должна была заставить его колебаться.

 Разумеется, такие вибрации были бы слишком ничтожны, но специальные кристаллы, связанные с брусками, должны были уловить даже малейшее сжатие алюминия и дать  электрический сигнал.

Вебер утверждал, что ему удалось таким образом зарегистрировать гравитационные волны, но другие исследователи, повторив опыт, не смогли воспроизвести его результатов. Несмотря на то, что попытка Джозефа Вебера считается неудачной, его по праву можно назвать пионером в области экспериментальных доказательств гравитационных волн.

Реликтовые гравитационные волны

Но интерес к гравитационным волнам вызван не только возможностью найти окончательное экспериментальное доказательство общей теории относительности Эйнштейна. Регистрация так называемых реликтовых гравитационных волн, которые распространяются в пространстве со времени Большого Взрыва, позволит заглянуть в момент рождения нашей Вселенной,

С этой целью огромный радиотелескоп BICEP (Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization), находящийся на Южном полюсе, уже в течение многих лет сканирует небо в поисках малейших изменений в космическом микроволновом (реликтовом) излучении, которое появилось спустя 380 000 лет после Большого Взрыва. Именно начиная с этого момента космос стал проницаем для световых фотонов, которые начали распространяться во все стороны.

Хотя реликтовое излучение уже давно и хорошо изучено, астрономы считают, что в нем может содержаться информация о реликтовых гравитационных волнах. Фотоны реликтового излучения рассеялись от изначальных атомов и других частиц, образовавшихся после Большого Взрыва, примерно как световые лучи доходят до Земли, рассеиваясь от атомов атмосферы, придавая дневному небу голубой оттенок.

Поэтому солнечный свет, падающий на нас, поляризирован − равно как поляризированы и фотоны реликтового излучения (до 5% по оценкам ученых).

Но какое отношение это имеет к гравитационным волнам?

Вспомним, что проходя через пространственную ткань, гравитационные волны сжимают ее в одном направлении и растягивают в перпендикулярном. Фотоны, рассеиваясь сквозь измененную материю, слегка поляризируются благодаря гравитационной волне, что должно оставить след в реликтовом излучении.

Инфляционная модель Вселенной

Обнаружение такой поляризации позволит не только показать существование реликтовых гравитационных волн, но и докажет инфляционную модель − экспоненциальное расширение Вселенной сразу после Большого Взрыва.

Хотя инфляционная модель, предложенная в 1981 году Аланом Гутом, хорошо объясняет все основные свойства наблюдаемой Вселенной, многие физики отказываются ее принимать, ссылаясь на альтернативные гипотезы.

Тем не менее, инфляция − единственная теория, которая предсказывает усиление гравитационных волн, вызванное квантовыми флуктуациями в гравитации.

Именно благодаря этому усилению возможна регистрация следов гравитационных волн в микроволновом космическом излучении.

Если открытие подтвердится, это, безусловно, станет крупнейшим событием года в мировой науке и принесет его авторам заслуженную Нобелевскую премию по физике.

Источник: https://www.tokakoka.ru/dokazana-inflyacionnaya-model-vselennoj/

Ссылка на основную публикацию