Triljoni gadu pirms Lielā sprādziena

Satura rādītājs:

Triljoni gadu pirms Lielā sprādziena
Triljoni gadu pirms Lielā sprādziena
Anonim

Šī raksta nosaukums var neizklausīties pēc gudra joka. Saskaņā ar vispārpieņemto kosmoloģisko koncepciju, Lielā sprādziena teoriju, mūsu Visums izauga no ekstremāla fiziskā vakuuma stāvokļa, ko radīja kvantu svārstības. Šādā stāvoklī ne eksistēja ne laiks, ne telpa (vai arī tie bija sapinušies telpas-laika putās), un visas pamata fiziskās mijiedarbības tika sapludinātas kopā. Vēlāk viņi atdalījās un ieguva neatkarīgu eksistenci - vispirms gravitāciju, tad spēcīgu mijiedarbību un tikai tad - vāju un elektromagnētisku.

Brīdi, kas bija pirms šīm izmaiņām, parasti apzīmē kā nulles laiku, t = 0, bet tas ir tīrs nosacījums, veltījums matemātiskajam formālismam. Saskaņā ar standarta teoriju nepārtraukta laika plūsma sākās tikai pēc tam, kad gravitācijas spēks kļuva neatkarīgs. Šo brīdi parasti attiecina uz vērtību t = 10-43 s (precīzāk, 5, 4x10-44 s), ko sauc par Planka laiku. Mūsdienu fiziskās teorijas vienkārši nespēj jēgpilni strādāt ar īsākiem laika periodiem (tiek uzskatīts, ka tam nepieciešama kvantu gravitācijas teorija, kas vēl nav izveidota). Tradicionālās kosmoloģijas kontekstā nav jēgas runāt par to, kas notika pirms sākotnējā laika brīža, jo laiks mūsu izpratnē tajā laikā vienkārši neeksistēja.

Image
Image

Lielā sprādziena teorijai uzticas absolūtais vairākums zinātnieku, kas pēta mūsu Visuma agrīno vēsturi. Tas patiešām daudz izskaidro un nekādā veidā nav pretrunā ar eksperimentālajiem datiem. Tomēr pēdējā laikā tai ir sāncensis, saskaroties ar jaunu, ciklisku teoriju, kuras pamatus izstrādāja divi ekstra klases fiziķi - Prinstonas Universitātes Teorētiskās zinātnes institūta direktors Pols Šteinhards un Maksvelas laureāts. Medaļa un prestižā starptautiskā TED balva Neils Turoks, Kanādas padziļināto studiju institūta direktors teorētiskās fizikas jomā (Perimetra teorētiskās fizikas institūts). Ar profesora Šteinharda palīdzību Popular Mechanics mēģināja runāt par ciklisko teoriju un tās parādīšanās iemesliem.

Inflācijas kosmoloģija

Standarta kosmoloģiskās teorijas neatņemama sastāvdaļa ir inflācijas jēdziens (sk. Sānjoslu). Pēc inflācijas beigām gravitācija iestājās pati par sevi, un Visums turpināja paplašināties, bet ar samazinošu ātrumu. Šī evolūcija ilga vairāk nekā 9 miljardus gadu, un pēc tam sāka darboties vēl viens nezināmas dabas antigravitācijas lauks, ko sauc par tumšo enerģiju. Tas atkal ienesa Visumu eksponenciālas izplešanās režīmā, kas, šķiet, tiek saglabāts arī turpmākajos laikos. Jāatzīmē, ka šie secinājumi ir balstīti uz astrofiziskiem atklājumiem, kas veikti pagājušā gadsimta beigās, gandrīz 20 gadus pēc inflācijas kosmoloģijas parādīšanās.

Lielā sprādziena inflācijas interpretācija pirmo reizi tika piedāvāta apmēram pirms 40 gadiem, un kopš tā laika tā ir daudzkārt uzlabota. Šī teorija atrisināja vairākas būtiskas problēmas, ar kurām iepriekšējā kosmoloģija nespēja tikt galā. Piemēram, viņa paskaidroja, kāpēc mēs dzīvojam Visumā ar plakanu Eiklida ģeometriju - saskaņā ar klasiskajiem Frīdmana vienādojumiem tieši tā tam vajadzētu darīt ar eksponenciālu izplešanos. Inflācijas teorija izskaidroja, kāpēc kosmiskā matērija ir granulēta mērogā, kas nepārsniedz simtiem miljonu gaismas gadu, un ir vienmērīgi sadalīta lielos attālumos. Viņa arī sniedza interpretāciju par neveiksmi jebkuros mēģinājumos atklāt magnētiskos monopolus, ļoti masīvas daļiņas ar vienu magnētisko polu, kas, domājams, ir dzimuši pārpilnībā pirms inflācijas sākuma (inflācija izstiepa telpu tik ļoti, ka sākotnēji augsts blīvums monopolu skaits tika samazināts līdz gandrīz nullei, un tāpēc mūsu instrumenti tos nevar atklāt).

Image
Image

Drīz pēc inflācijas modeļa parādīšanās vairāki teorētiķi saprata, ka tā iekšējā loģika nav pretrunā idejai par arvien jaunu jaunu Visumu pastāvīgu daudzkārtēju dzimšanu. Patiešām, kvantu svārstības, piemēram, tās, kuras esam parādā savai pasaulei, var rasties jebkurā daudzumā, ja ir piemēroti apstākļi. Nav izslēgts, ka mūsu Visums ir atstājis svārstību zonu, kas izveidojusies priekšteču pasaulē. Tādā pašā veidā var pieņemt, ka kādreiz un kaut kur mūsu pašu Visumā izveidosies svārstības, kas “izpūtīs” jaunu, pilnīgi cita veida Visumu, kas arī spējīgs kosmoloģiski “vairoties”. Ir modeļi, kuros šādi bērnu Visumi nepārtraukti rodas, atdalās no vecākiem un atrod savu vietu. Turklāt nemaz nav nepieciešams, lai šādās pasaulēs tiktu noteikti vienādi fiziskie likumi. Visas šīs pasaules ir "ligzdotas" vienā telpas-laika kontinuumā, taču tās ir tik tālu viena no otras, ka nekādā veidā nejūt viena otras klātbūtni. Kopumā inflācijas jēdziens ļauj - turklāt liek! - uzskatīt, ka gigantiskajā megakosmosā ir daudz izolētu Visumu ar atšķirīgu izkārtojumu.

Alternatīva

Teorētiskie fiziķi labprāt piedāvā alternatīvas pat vispāratzītām teorijām. Lielā sprādziena inflācijas modelim ir arī konkurenti. Viņi nesaņēma plašu atbalstu, bet saņēma un viņiem ir savi sekotāji. Šteinharda un Turoka teorija nav pirmā no tām un noteikti nav pēdējā. Tomēr līdz šim tas ir izstrādāts sīkāk nekā citi un labāk izskaidro novērotās mūsu pasaules īpašības. Tam ir vairākas versijas, no kurām dažas ir balstītas uz kvantu virkņu teoriju un daudzdimensiju telpām, bet citas balstās uz tradicionālo kvantu lauka teoriju. Pirmā pieeja sniedz spilgtākus kosmoloģisko procesu attēlus, tāpēc mēs pie tā pakavēsimies.

Image
Image

Stīgu teorijas vismodernākā versija ir pazīstama kā M-teorija. Viņa apgalvo, ka fiziskajai pasaulei ir 11 dimensijas - desmit telpiskas un viena laika. Tajā peld zemāku izmēru telpas, tā sauktās klijas. Mūsu Visums ir tikai viens no šādiem braņiem ar trim telpiskām dimensijām. Tas ir piepildīts ar dažādām kvantu daļiņām (elektroniem, kvarkiem, fotoniem utt.), Kas patiesībā ir atvērtas vibrējošas stīgas ar tikai vienu telpisko dimensiju - garumu. Katras auklas gali ir stingri nostiprināti trīsdimensiju joslas iekšpusē, un aukla nevar atstāt joslu. Bet ir arī slēgtas virknes, kas var migrēt ārpus klijām - tie ir gravitoni, gravitācijas lauka kvanti.

Kā cikliskā teorija izskaidro Visuma pagātni un nākotni? Sāksim ar pašreizējo laikmetu. Pirmā vieta tagad pieder tumšajai enerģijai, kas izraisa mūsu Visuma eksponenciālu paplašināšanos, periodiski divkāršojoties. Tā rezultātā matērijas un starojuma blīvums nepārtraukti samazinās, telpas gravitācijas izliekums vājinās, un tās ģeometrija kļūst arvien līdzenāka. Nākamo triljonu gadu laikā Visuma izmērs dubultosies aptuveni simts reizes, un tas pārvērtīsies par gandrīz tukšu pasauli, kurā pilnīgi nav materiālo struktūru. Blakus mums ir vēl viena trīsdimensiju brane, kuru ceturtajā dimensijā no mums atdala nenozīmīgs attālums, un arī tā piedzīvo līdzīgu eksponenciālu izplešanos un izlīdzināšanos. Visu šo laiku attālums starp klijām praktiski nemainās.

Image
Image

Un tad šīs paralēlās klijas sāk saplūst. Tos viens pret otru spiež spēka lauks, kura enerģija ir atkarīga no attāluma starp klijām. Tagad šāda lauka enerģijas blīvums ir pozitīvs, tāpēc abu kliju telpa paplašinās eksponenciāli - līdz ar to tieši šis lauks nodrošina efektu, kas izskaidrojams ar tumšās enerģijas klātbūtni! Tomēr šis parametrs pamazām samazinās un pēc triljoniem gadu nokritīsies līdz nullei. Abas klijas jebkurā gadījumā turpinās paplašināties, bet ne eksponenciāli, bet ļoti lēni. Līdz ar to mūsu pasaulē daļiņu un starojuma blīvums paliks gandrīz nulle, un ģeometrija paliks līdzena.

Jauns cikls

Bet vecā stāsta beigas ir tikai nākamā cikla ievads. Klijas virzās viena pret otru un galu galā saduras. Šajā posmā starpnozaru lauka enerģijas blīvums nokrītas zem nulles, un tas sāk darboties kā gravitācija (ļaujiet man jums atgādināt, ka potenciālā gravitācijas enerģija ir negatīva!). Kad klijas ir ļoti tuvu, starpbrannu lauks sāk pastiprināt kvantu svārstības katrā mūsu pasaules punktā un pārveido tās par telpiskās ģeometrijas makroskopiskām deformācijām (piemēram, sekundes simtdaļā pirms sadursmes aprēķinātais izmērs) šādas deformācijas sasniedz vairākus metrus). Pēc sadursmes šajās zonās tiek atbrīvota lauvas daļa no trieciena laikā izdalītās kinētiskās enerģijas. Tā rezultātā notiek karstākā plazma, kuras temperatūra ir aptuveni 1023 grādi. Tieši šie reģioni kļūst par vietējiem gravitācijas mezgliem un pārvēršas nākotnes galaktiku embrijos.

Šāda sadursme aizstāj inflācijas kosmoloģijas Lielo sprādzienu. Ir ļoti svarīgi, lai visa jaunizveidotā matērija ar pozitīvo enerģiju parādītos starpnozaru lauka uzkrātās negatīvās enerģijas dēļ, tāpēc netiek pārkāpti enerģijas saglabāšanas likumi.

Image
Image

Inflācijas teorija ļauj veidot vairākus meitu Visumus, kas nepārtraukti izaug no esošajiem.

Un kā šāds lauks uzvedas šajā izšķirošajā brīdī? Pirms sadursmes tās enerģijas blīvums sasniedz minimumu (un negatīvu), pēc tam sāk palielināties, un pēc sadursmes tas kļūst par nulli. Pēc tam klijas atgrūž viena otru un sāk izklīst. Starpnozaru enerģijas blīvums notiek apgrieztā evolūcijā - atkal tā kļūst negatīva, nulle, pozitīva. Brāns, bagātināts ar matēriju un starojumu, vispirms izplešas ar samazinošu ātrumu savas gravitācijas bremzēšanas efekta dēļ, un tad atkal pāriet uz eksponenciālu izplešanos. Jaunais cikls beidzas tāpat kā iepriekšējais - un tā tālāk bezgalīgi. Cikli pirms mūsējiem notika pagātnē - šajā modelī laiks ir nepārtraukts, tāpēc pagātne eksistē ārpus 13,7 miljardiem gadu, kas pagājuši kopš pēdējās mūsu braņas bagātināšanas ar matēriju un starojumu! Neatkarīgi no tā, vai viņiem vispār bija sākums, teorija klusē.

Cikliskā teorija izskaidro mūsu pasaules īpašības jaunā veidā. Tam ir plakana ģeometrija, jo katra cikla beigās tas pārmērīgi stiepjas un tikai nedaudz deformējas pirms jauna cikla uzsākšanas. Kvantu svārstības, kas kļūst par galaktiku priekšgājējiem, rodas haotiski, bet vidēji vienmērīgi - tādēļ ārējā telpa ir piepildīta ar matērijas puduriem, bet ļoti lielos attālumos tā ir diezgan viendabīga. Mēs nevaram atklāt magnētiskos monopolus tikai tāpēc, ka jaundzimušā plazmas maksimālā temperatūra nepārsniedza 1023 K, un šādu daļiņu parādīšanās prasa daudz lielāku enerģiju - aptuveni 1027 K.

Image
Image

Cikliska radīšana

Lielā sprādziena brīdis ir kliju sadursme. Tiek atbrīvots milzīgs enerģijas daudzums, klijas izkliedējas, notiek lēna izplešanās, matērija un starojums atdziest, un veidojas galaktikas. Izplešanās atkal tiek paātrināta pozitīvā starpnozaru enerģijas blīvuma dēļ, un tad tā palēninās, ģeometrija kļūst plakana. Celtņi tiek piesaistīti viens otram, pirms sadursmes kvantu svārstības tiek pastiprinātas un pārveidotas par telpiskās ģeometrijas deformācijām, kas nākotnē kļūs par galaktiku sēklām. Notiek sadursme un cikls sākas no jauna.

Pasaule bez sākuma vai beigām

Cikliskā teorija pastāv vairākās versijās, tāpat kā inflācijas teorija. Tomēr, kā uzskata Pols Šteinhards, atšķirības starp tām ir tīri tehniskas un interesantas tikai speciālistiem, vispārējais jēdziens paliek nemainīgs: “Pirmkārt, mūsu teorijā nav pasaules sākuma momenta, nav savdabības. Pastāv periodiskas intensīvas matērijas un starojuma radīšanas fāzes, no kurām katru, ja vēlas, var saukt par Lielo sprādzienu. Bet neviena no šīm fāzēm neiezīmē jauna Visuma rašanos, bet tikai pāreju no viena cikla uz otru. Gan telpa, gan laiks pastāv gan pirms kataklizmas, gan pēc tās. Tāpēc ir pilnīgi dabiski jautāt, kāds bija stāvoklis 10 miljardus gadu pirms pēdējā Lielā sprādziena, no kura tiek skaitīta Visuma vēsture.

Otra galvenā atšķirība ir tumšās enerģijas raksturs un loma. Inflācijas kosmoloģija neparedzēja Visuma palēnināšanās paplašināšanās pāreju uz paātrinātu. Un, kad astrofiziķi atklāja šo parādību, novērojot tālu supernovu sprādzienus, standarta kosmoloģija pat nezināja, ko ar to darīt. Tumšās enerģijas hipotēze tika izvirzīta vienkārši tāpēc, lai šo novērojumu paradoksālos rezultātus kaut kā saistītu ar teoriju. Un mūsu pieeja ir daudz labāk noslēgta ar iekšējo loģiku, jo mums jau no paša sākuma ir tumšā enerģija, un tieši šī enerģija nodrošina kosmoloģisko ciklu maiņu. " Tomēr, kā atzīmē Pols Šteinhards, cikliskajai teorijai ir arī vājās vietas: “Mēs vēl neesam spējuši pārliecinoši aprakstīt paralēlo kliju sadursmes un atsitiena procesu, kas notiek katra cikla sākumā. Citi cikliskās teorijas aspekti ir daudz labāk izstrādāti, un vēl ir jānoskaidro daudzas neskaidrības."

Image
Image

Prakses pārbaude

Bet pat skaistākajiem teorētiskajiem modeļiem ir nepieciešama eksperimentāla pārbaude. Vai ciklisko kosmoloģiju var apstiprināt vai noraidīt ar novērojumiem? "Gan inflācijas, gan cikliskās teorijas paredz relikvijas gravitācijas viļņu esamību," skaidro Pols Šteinhards. - Pirmajā gadījumā tie rodas no primārajām kvantu svārstībām, kas inflācijas laikā tiek izsmērētas telpā un rada tās ģeometrijas periodiskas svārstības - un tās saskaņā ar vispārējo relativitātes teoriju ir gravitācijas viļņi. Mūsu scenārijā kvantu svārstības ir arī šādu viļņu galvenais cēlonis - tie paši, kurus pastiprina kliju sadursmes. Aprēķini parādīja, ka katrs mehānisms ģenerē viļņus ar noteiktu spektru un specifisku polarizāciju. Šiem viļņiem bija jāatstāj nospiedumi uz kosmisko mikroviļņu starojumu, kas ir nenovērtējams informācijas avots par agrīno kosmosu. Līdz šim šādas pēdas nav atrastas, bet, visticamāk, tas tiks izdarīts tuvākās desmitgades laikā. Turklāt fiziķi jau domā par relikvijas gravitācijas viļņu tiešu reģistrāciju, izmantojot kosmosa kuģus, kas parādīsies pēc divām līdz trim desmitgadēm."

Image
Image

Radikāla alternatīva

Astoņdesmitajos gados profesors Šteinhards sniedza nozīmīgu ieguldījumu Lielā sprādziena standarta teorijas izstrādē. Tomēr tas netraucēja viņam meklēt radikālu alternatīvu teorijai, kurā tika ieguldīts tik daudz darba. Kā pats Pols Šteinhards pastāstīja Popular Mechanics, inflācijas hipotēze patiešām atklāj daudzus kosmoloģiskus noslēpumus, taču tas nenozīmē, ka nav jēgas meklēt citus skaidrojumus: “Sākumā mani vienkārši interesēja mēģinājums izprast mūsu pasaules pamatīpašības neizmantojot inflāciju. Vēlāk, iedziļinoties šajos jautājumos, es pārliecinājos, ka inflācijas teorija nebūt nav tik perfekta, kā apgalvo tās atbalstītāji. Kad tikko tika radīta inflācijas kosmoloģija, mēs cerējām, ka tā izskaidros pāreju no matērijas sākotnējā haotiskā stāvokļa uz pašreizējo sakārtoto Visumu. Viņa to darīja - bet viņa gāja daudz tālāk. Teorijas iekšējā loģika prasīja atzīt, ka inflācija nepārtraukti rada bezgalīgu skaitu pasauļu. Tas būtu labi, ja viņu fiziskā ierīce kopētu mūsu pašu, taču tas vienkārši nedarbojas. Piemēram, ar inflācijas hipotēzes palīdzību bija iespējams izskaidrot, kāpēc mēs dzīvojam līdzenā Eiklida pasaulē, bet galu galā lielākajai daļai citu Visumu ģeometrija noteikti nebūs tāda pati. Īsāk sakot, mēs veidojām teoriju, lai izskaidrotu savu pasauli, un tā izkļuva no rokām un radīja nebeidzamu eksotisko pasauļu dažādību. Šāds stāvoklis man vairs nebija piemērots. Turklāt standarta teorija nespēj izskaidrot iepriekšējā stāvokļa būtību, kas bija pirms eksponenciālās paplašināšanās. Šajā ziņā tā ir tik nepilnīga kā kosmoloģija pirms inflācijas. Visbeidzot, tā nespēj neko teikt par tumšās enerģijas dabu, kas ir veicinājusi mūsu Visuma paplašināšanos jau 5 miljardus gadu.

Vēl viena atšķirība, pēc profesora Šteinharda domām, ir fona mikroviļņu starojuma temperatūras sadalījums: “Šis starojums, kas nāk no dažādām debess daļām, nav pilnīgi vienveidīgs temperatūrā, tam ir arvien mazāk apsildāmas zonas. Mūsdienu iekārtu sniegtajā mērījumu precizitātes līmenī karsto un auksto zonu skaits ir aptuveni vienāds, kas sakrīt ar abu teoriju - gan inflācijas, gan cikliskās - secinājumiem. Tomēr šīs teorijas paredz smalkākas atšķirības starp zonām. Principā tos var atklāt pagājušajā gadā uzsāktā Eiropas kosmosa novērošanas centrs “Planck” un citi jaunākie kosmosa kuģi. Es ceru, ka šo eksperimentu rezultāti palīdzēs izdarīt izvēli starp inflācijas un cikliskajām teorijām. Bet var arī gadīties, ka situācija paliek neskaidra un neviena no teorijām nesaņems nepārprotamu eksperimentālu atbalstu. Nu, tad man būs jāizdomā kaut kas jauns."

Ieteicams: