Содержание
комиксы, гиф анимация, видео, лучший интеллектуальный юмор.
Насколько велика Вселенная, и что находится за границей того, что мы можем наблюдать.
Для начала:
1. Никто не знает и, вполне возможно, никогда не узнает реальный размер Вселенной.
2. Если Вселенная бесконечная и при этом плоская, мы так же об этом никогда не сможем узнать, только предполагать.
3. Вселенная может быть очень большой, но все же не бесконечной. Под «очень большой» я имею в виду такие числа, которыми никто никогда в повседневной (да и вне повседневной) жизни не оперирует, они появляются только когда кто-то решает их просто придумать. Типа миллион в степени миллион в степени миллион… и так миллион раз. Или то же самое с миллиардом. Или на что там у вас хватит фантазии. И в этом случае мы тоже вряд ли сможем когда-либо оценить ее реальный размер.
4. Что же мы можем узнать? Мы можем оценить нижнюю границу реального размера Вселенной, насколько это позволяют нам наши измерительные приборы, наш математический аппарат и знание о законах мироздания вообще.
Когда речь заходит о размере Вселенной, первое число, с которым сталкивается большинство — это 13,8 миллиардов световых лет. Лично я узнал в первый раз именно его. Что это за расстояние? Нет, это даже не радиус наблюдаемой части Вселенной. Это максимальное расстояние, с которого до нас успел дойти свет за время жизни Вселенной — 13,8 млрд. лет. На самом деле, оно даже немного меньше, т. к. первые тысячелетия Вселенная была непрозрачной для излучения. Самый далекий «объект», от которого до нас долетают фотоны — это Поверхность последнего рассеяния. Реликтовое микроволновое излучение.
Реальное же расстояние до самых далеких объектов, которые мы можем наблюдать, за время жизни Вселенной успело увеличиться почти втрое — до 46 млрд. св. лет. Пока свет от них летел к нам, они удалялись от нас за счет расширения пространства со все увеличивающейся скоростью. Итак, диаметр Метагалактики примерно 93 млрд. св. лет или 1 000 000 000 000 000 000 000 (секстиллион) километров. Я чуток округлил, чтоб не выписывать все эти цифры.
Число колоссальное, но оно даже не является известной нижней границей оценки полного размера Вселенной.
Дальнейшие оценки делаются на основе таких данных наблюдательной космологии, как карта реликтового излучения. Она позволюяет оценить кривизну пространства наблюдаемой Вселенной. Кривина описывается параметром Ω . Если он меньше нуля, то геометрия вселенной имеет сферическую форму.
Тут надо сделать отступление, чтобы пояснить, что это значит.
По аналогии с поверхностью Земного шара, если долго идти в одном направлении, в итоге вернешься туда, откуда начал — если бы везде на твоем пути была суша. Хотя из-за его размеров ты не замечаешь кривизны и поверхность тебе кажется плоской. Точно так же со Вселенной, только она закруглена в четвертом измерении, — если бы можно было со сверхсветовой скоростью лететь в такой Вселенной по прямой, не перемещаясь при этом в прошлое и не упираясь ни в какие другие парадоксы, в итоге мы бы вернулись в исходную точку.
Если параметр Ω равен нулю, то Вселенная плоская и если он больше нуля, то Вселенная имеет гиперболическую форму.
118 метров. А еще дальше все это снова должно повторяться. Это все верхние границы оценки, полученные с помощью банальной комбинаторики и не учитывающие общность законов по которым формируются галактики, звезды, планеты и жизнь на них. Т. е. реальное расстояние до наших двойников несколько меньше. Всё, что находится за пределами нашей Метагалактики, Тегмарк называет параллельными Вселенными. А структуру, объединяющую их — Сверхвселенной.
зы На картинках тот, кто их переводил, напутал с числами. Цифра 3 в расстояниях — это на самом деле знак умножения.
А где-то еще дальше — намного дальше даже в сравнении с этими, более, чем астрономическими, числами, существуют Вселенные с иными физическими константами или даже с иным числом измерений. Они отделены от нас пустым, расширяющимся пространством. Эти отделенные друг от друга области пространства зародились в самые первые мгновения инфляции — ускоренного расширения Вселенной в первые мгновения ее существования — за счет флуктуаций первоначального инфлатонного поля, ответственного за ее расширение.
Использованы материалы статьи: http://www.modcos.com/articles.php?id=40 в которой есть еще много инфы о параллельных Вселенных. А так же статьи из вики и некоторые исследования о размерах Вселенной, в той мере, которой я смог их понять.
От конечной Вселенной — к дырочному вакууму
От конечной Вселенной — к дырочному вакууму
№ 1, август 2001
От конечной Вселенной – к дырочному вакууму (стр.
5)
К. З. Лешан [email protected]
Фундаментальный факт наличия в любой
точке Вселенной виртуальных дырок в пространстве и времени следует из конечности
Вселенной по объему и трансмутации элементарных объемов. В первый момент
расширения Вселенная имела вид точки, и ее центр и граница совпадали. Сейчас
через миллиарды лет после начала расширения Вселенная также имеет вид точки,
и ее центр и граница совпадают в любой произвольной точке.
Прежде всего, нужно рассмотреть свойства Вселенной
как целого, в первую очередь отсутствие или наличие границы у Вселенной.
Согласно стандартной космологической теории Большого Взрыва Вселенная появилась
после взрыва “сверхатома”. Расширяясь, Вселенная за конечное время займет
конечный объем, а любое тело конечного объема должно иметь границу, хотя
бы в виде точки. Big Bang не является обычным взрывом, где материя расширяется
в пространстве от какого-то центра, расширяется вся Вселенная, материя
вместе с пространством. Следовательно за пределами расширяющейся Вселенной
нет материи и пространства. Отсутствие центра расширения подтверждается
наличием реликтового микроволнового фонового излучения, которое равномерно
заполняет Вселенную.
Что же может находиться за границей Вселенной? Из
литературы [1] находим: ”Вне Вселенной ничего нет. Причем нет не только
галактик или какой-либо другой материи, но и вообще ничего – ни пространства,
ни времени”.
Таким образом, за пределами Вселенной – абсолютная пустота,
где нет даже свойства длины и времени, это пространство-точка нулевого
измерения, назовем ее ноль-пространством или дыркой [2,3,4,5,6]. Граница
Вселенной не может находиться в одном фиксированном месте, так как согласно
космологическому принципу во Вселенной не могут существовать привилегированные
точки и направления. Поэтому граница Вселенной должна проходить через любую
произвольную точку и виртуальные дырки должны быть в любой точке Вселенной.
Пространство содержащее виртуальные дырки в пространстве и времени можно
назвать дырочным вакуумом или дырочным пространством. До сих пор существовало
представление, высказанное еще Джордано Бруно: “Центр Вселенной – везде,
а граница нигде”. Но сейчас мы можем утверждать, что “Центр Вселенной –
везде, и граница – везде”.
Обратите внимание на то, что в первый момент расширения,
когда Вселенная имела вид точки, ее центр и граница совпадали, потому что
центр и граница математической точки совпадают.
После миллиардов лет расширения
Вселенной мы можем повторить, что сейчас центр и граница Вселенной также
совпадают в любой точке Вселенной. Это совпадение не случайно и имеет глубокий
философский смысл.
Можно представить себе Вселенную в виде шара висящего
в ноль-пространстве. Расстояние между любыми двумя точками на внешней поверхности
шара равно нулю, и площадь внешней поверхности шара также равна нулю. Для
мифического существа из ноль – пространства вид Вселенной не изменился
с начала расширения – как и в первый момент расширения, сейчас Вселенная
также имеет вид точки.
Фундаментальный факт наличия в пространстве виртуальных
дырок в пространстве и времени можно вывести и другим методом, например
пользуясь понятием трансмутации [8]. В 1949 Е.И. Френкель выдвинул идею
о движении частиц как о серии регенераций или трансмутаций – превращение
частицы в другую частицу и затем серийное превращение частицы в такую же
самую.
Такая серия превращений видится нам как непрерывное движение. Трансмутация
это современное продолжение существенных изменений Аристотеля — рождение
и уничтожение понимается как более фундаментальный вид движения, чем макроскопическое
механическое движение.
Как известно, современная физика утверждает, что вакуум на малых
расстояниях состоит из ячеек или элементарных объемов. Естественно, что
такие квантовые объекты могут двигаться только квантовым образом – частица
исчезает/уничтожается в одном месте, чтобы появиться/родиться в другом
месте. Так в момент исчезновения элементарного объема на его месте остается
дырка, не обладающая свойствами элементарного объема – протяженностью и
временем. Дырочный вакуум это смесь двух виртуальных частиц – элементарных
объемов и дырок. Элементарный объем существует время dt, после чего исчезает,
образуя дырку, которая начинает захлопываться сразу после образования.
Время захлопывания дырки можно считать временем жизни вакуумной дырки.
По существу, это квантовый вакуум, с элементарными объемами фиксированного
размера, но это вовсе не означает, что не могут существовать частицы с
меньшими чем dv размерами. Введено ограничение на размер элементарных объемов,
но в образованном ими объеме могут существовать частицы как большего, так
и меньшего размера. Так как диаметр дырки – свободный параметр, не
вытекающий логически из анализированных выше явлений, то пока диаметр
дырки принимается равным примерно 10–15м (это не точное значение),
потому что именно при таком значении дырочная теория наиболее проста.
Здесь следует отметить, что размер дырки имеет вероятностную природу, а
время жизни дырки равно приблизительно 10–24 с. Как дырка
не обладающая свойством протяженности может иметь размеры и объем? Дырка
нематериальна, но раз она появилась в материальном мире, то мы видим проявления
ее существования, например оболочку из материальных частиц, которые окружают
дырку, а также процесс захлопывания дырки.
Таким образом, под диаметром
дырки подразумевается расстояние между двумя реальными частицами
или элементарными объемами, между которыми – абсолютная пустота.
Список литературы:
1.Новиков И.Д. – Эволюция Вселенной. М. Наука, 1990, стр. 23
2.Conference proceedings, ICPS94, S. Petersburg, 1994
3.Conference proceedings, ICPS’95, Copenhagen, 1995
4. Лешан К.З, – Объединение гравитационного, сильного и слабого взаимодействия
в дырочном вакууме и материя, тип. 31 Августа 22, Бэлць, 1994
5. C.Z. Leshan , – Are frontiere Universul?, Magazin, № 14, 1998
6. Leshan C., – Thought Experiment to the Border of Universe, Journal
of Theoretics, Vol.1 No.4, Oct./Nov. 1999
7. Новиков И.Д. – Эволюция Вселенной. М. Наука, 1990, стр. 23
8. Френкель Я.И. Понятие движения в релятивистской
квантовой механике // Докл. АН СССР. Т. 64. С. 507 – 509
© Дырочная физика, телепортация и левитация 2001
На главную страницу журнала
Что находится за пределами вселенной?
По определению, Вселенная — это все, поэтому для нее нет ничего внешнего, во что она могла бы расширяться.
Запрос на удаление
|
Посмотреть полный ответ на newscientist.com
Как это называется вне вселенной?
Космическое пространство, обычно сокращенное до космоса, — это пространство, существующее за пределами Земли и ее атмосферы, а также между небесными телами.
Запрос на удаление
|
Посмотреть полный ответ на en.wikipedia.org
Что находится за пределами видимой вселенной?
За пределами нашей наблюдаемой Вселенной лежит ненаблюдаемая Вселенная, которая должна выглядеть точно так же, как та ее часть, которую мы видим. Мы знаем это благодаря наблюдениям космического микроволнового фона и крупномасштабной структуры Вселенной.
Запрос на удаление
|
Посмотреть полный ответ на forbes.com
Есть ли край вселенной?
Нет никаких доказательств того, что у Вселенной есть край.
Та часть Вселенной, которую мы можем наблюдать с Земли, более или менее равномерно заполнена галактиками, простирающимися во всех направлениях, насколько мы можем видеть, — более 10 миллиардов световых лет, или около 6 миллиардов триллионов миль.
Запрос на удаление
|
Посмотреть полный ответ на lweb.cfa.harvard.edu
Что находится на другой стороне вселенной?
Вселенная бесконечна, поэтому она не может (по определению) расшириться во что-либо, и с другой стороны ничего нет.
Запрос на удаление
|
Посмотреть полный ответ на socratic.org
Что находится за пределами Вселенной? Шокирующее открытие!
Есть ли у Вселенной темная сторона?
Считается, что темная материя составляет до 23% массы Вселенной.
Он не был обнаружен напрямую, но был обнаружен благодаря его гравитационному воздействию на другие объекты. Его происхождение и структура остаются загадкой.
Запрос на удаление
|
Посмотреть полный ответ на esa.int
Что создало вселенную?
Наша Вселенная началась со взрыва самого пространства — Большого Взрыва. Начиная с чрезвычайно высокой плотности и температуры, пространство расширялось, Вселенная охлаждалась и образовывались простейшие элементы. Гравитация постепенно сблизила материю, чтобы сформировать первые звезды и первые галактики.
Запрос на удаление
|
Посмотреть полный ответ на amnh.org
Почему космос бесконечен?
Есть предел тому, какую часть Вселенной мы можем видеть. Наблюдаемая Вселенная конечна в том смысле, что она не существовала вечно. Она простирается на 46 миллиардов световых лет во всех направлениях от нас.
(В то время как нашей Вселенной 13,8 миллиарда лет, наблюдаемая Вселенная простирается дальше, поскольку Вселенная расширяется).
Запрос на удаление
|
Посмотреть полный ответ на swinburne.edu.au
Что было до Вселенной?
Вначале был бесконечно плотный крошечный шар материи. Затем все пошло наперекосяк, породив атомы, молекулы, звезды и галактики, которые мы видим сегодня. По крайней мере, так нам твердили физики последние несколько десятилетий.
Запрос на удаление
|
Посмотреть полный ответ на space.com
Что больше Вселенной?
Нет, Вселенная содержит все солнечные системы и галактики. Наше Солнце — всего лишь одна звезда среди сотен миллиардов звезд нашей Галактики Млечный Путь, а Вселенная состоит из всех галактик — их миллиардов.
Запрос на удаление
|
Посмотреть полный ответ на alexaanswers.
amazon.com
Что неизвестно во Вселенной?
«Люди, считающие, что они ничего не знают, не искали и не наткнулись на границу между известным и неизвестным во вселенной», — пишет он. Невидимые силы всегда действуют в жизни и космосе. Астрофизики характеризуют такие загадочные силы как темные.
Запрос на удаление
|
Посмотреть полный ответ на forbes.com
Что находится за краем вселенной?
Текущая ширина наблюдаемой Вселенной составляет около 90 миллиардов световых лет. И, по-видимому, за этой границей есть куча других случайных звезд и галактик.
916.
Запрос на удаление
|
Посмотреть полный ответ на phys.org
Что находится за пределами всей вселенной?
Банальный ответ заключается в том, что и пространство, и время были созданы в результате Большого взрыва около 14 миллиардов лет назад, поэтому за пределами Вселенной нет ничего.
Тем не менее, большая часть Вселенной существует за пределами наблюдаемой Вселенной, которая может иметь размер около 90 миллиардов световых лет.
Запрос на удаление
|
Посмотреть полный ответ на сайте newscientist.com
Что находится в конце вселенной?
Большое сжатие произойдет, если во Вселенной будет достаточно коллективной материи, чтобы сила гравитации могла остановить расширение и стянуть все обратно в единую точку. Галактики будут сталкиваться и уничтожать планеты и звезды. Это сжатие вызовет экстремальную плотность и температуру.
Запрос на удаление
|
Посмотреть полный ответ на astrobites.org
Можем ли мы путешествовать за пределами Вселенной?
Технология, необходимая для путешествий между галактиками, выходит далеко за рамки нынешних возможностей человечества и в настоящее время является лишь предметом спекуляций, гипотез и научной фантастики.
Однако с теоретической точки зрения нет ничего, что убедительно указывало бы на невозможность межгалактических путешествий.
Запрос на удаление
|
Посмотреть полный ответ на en.wikipedia.org
Кто создал Бога?
Бога никто не создавал. Бог был создан, когда вселенная росла и менялась. Бог — это кумулятивная энергия Вселенной. Итак, фактически вселенную создал Бог.
Запрос на удаление
|
Посмотреть полный ответ на linkedin.com
Что сделал Бог до того, как создал человека?
Ничего такого. Поскольку мир был создан из ничего (ex nihilo), преобладало ничто. Поэтому Бог бездельничал, просто существовал, возможно, созерцая творение.
Запрос на удаление
|
Посмотреть полный ответ на smh.com.au
Как долго будет существовать Вселенная?
22 миллиарда лет в будущем — это самый ранний возможный конец Вселенной в сценарии Большого разрыва, если предположить модель темной энергии с w = -1,5.
Распад ложного вакуума может произойти через 20–30 миллиардов лет, если поле Хиггса метастабильно.
Запрос на удаление
|
Посмотреть полный ответ на en.wikipedia.org
Есть ли у пробела конец?
В любом случае вы никогда не сможете добраться до края вселенной или космоса. Теперь ученые считают маловероятным, что у Вселенной есть конец — область, где галактики останавливаются или где может быть какой-то барьер, обозначающий конец пространства. Но никто не знает наверняка.
Запрос на удаление
|
Посмотреть полный ответ на astronomy.com
В космосе полная тишина?
Звук вообще не распространяется в пространстве. Вакуум космического пространства практически не содержит воздуха. Поскольку звук — это просто вибрирующий воздух, в пространстве нет воздуха, который мог бы вибрировать, и, следовательно, нет звука.
Если вы сидите в космическом корабле, а другой космический корабль взрывается, вы ничего не услышите.
Запрос на удаление
|
Посмотреть полный ответ на wtamu.edu
Нет ли конца пространству?
Нет, они не верят, что есть конец космоса. Однако мы можем видеть только определенный объем всего, что там есть. Поскольку Вселенной 13,8 миллиарда лет, свет от галактики, находящейся на расстоянии более 13,8 миллиарда световых лет, еще не успел дойти до нас, поэтому у нас нет возможности узнать, что такая галактика существует.
Запрос на удаление
|
Посмотреть полный ответ на smithsonianmag.com
Кто создал Землю?
Земля образовалась более 4,6 миллиардов лет назад из смеси пыли и газа вокруг молодого Солнца. Он стал больше благодаря бесчисленным столкновениям между частицами пыли, астероидами и другими растущими планетами, включая один последний гигантский удар, выбросивший в космос достаточно камней, газа и пыли, чтобы сформировать Луну.
Запрос на удаление
|
Посмотреть полный ответ на news.uchicago.edu
Кто создал мир?
Согласно христианской вере, Бог создал вселенную. Есть две истории о том, как Бог создал его, которые можно найти в начале книги Бытие в Библии. Некоторые христиане рассматривают Бытие 1 и Бытие 2 как две совершенно разные истории, имеющие одинаковое значение.
Запрос на удаление
|
Посмотреть полный ответ на bbc.co.uk
Насколько велика Вселенная?
Хотя пространственный размер всей Вселенной неизвестен, можно измерить размер наблюдаемой Вселенной, которая в настоящее время составляет примерно 93 миллиарда световых лет в диаметре.
Запрос на удаление
|
Посмотреть полный ответ на en.wikipedia.org
← Предыдущий вопрос
У кого больше всего подписчиков в Instagram?
Следующий вопрос →
Где сейчас якорь Титаника?
Миф о начале времени
Действительно ли Большой взрыв был началом времени? Или вселенная существовала до этого? Всего десять лет назад такой вопрос казался почти кощунственным.
Большинство космологов настаивали на том, что в этом просто нет смысла — что размышлять о времени до Большого взрыва — все равно, что спрашивать дорогу к месту к северу от Северного полюса. Но развитие теоретической физики, особенно появление теории струн, изменили их точку зрения. Вселенная до взрыва стала последним рубежом космологии.
Новая готовность рассмотреть то, что могло произойти до взрыва, является последним колебанием интеллектуального маятника, который качался туда-сюда на протяжении тысячелетий. В той или иной форме вопрос о конечном начале занимал философов и теологов почти во всех культурах. Он переплетается с огромным набором проблем, одна из которых, как известно, воплощена в картине Поля Гогена 1897 года: D’ou venons-nous? Que sommes-nous? Ou allons-nous? Откуда мы пришли? Кто мы? Куда мы идем? Произведение изображает цикл рождения, жизни и смерти — происхождение, личность и судьбу каждого человека — и эти личные заботы напрямую связаны с космическими.
Мы можем проследить нашу родословную назад через поколения, через наших предков-животных, к ранним формам жизни и протожизни, к элементам, синтезированным в изначальной вселенной, к аморфной энергии, отложившейся в космосе до этого. Наше генеалогическое древо всегда уходит в прошлое? Или его корни обрываются? Так ли непостоянен космос, как мы?
Древние греки яростно спорили о происхождении времени. Аристотель, принимая сторону безначальности, ссылался на принцип, согласно которому из ничего ничего не возникает. Если Вселенная никогда не могла перейти от небытия к чему-то, она должна была существовать всегда. По этой и другим причинам время должно бесконечно простираться в прошлое и будущее. Христианские богословы придерживались противоположной точки зрения. Августин утверждал, что Бог существует вне пространства и времени, способный создать эти конструкции так же уверенно, как и другие аспекты нашего мира. На вопрос, что делал Бог до он создал мир? Августин ответил: «Время само по себе является частью Божьего творения, а раньше просто не было !
Общая теория относительности Альберта Эйнштейна привела современных космологов почти к такому же выводу.
Теория утверждает, что пространство и время являются мягкими, податливыми сущностями. В самых больших масштабах пространство естественно динамично, расширяясь или сжимаясь во времени, перенося материю, подобно корягам, по течению. В 1920-х годах астрономы подтвердили, что наша Вселенная в настоящее время расширяется: далекие галактики удаляются друг от друга. Одним из следствий, как доказали физики Стивен У. Хокинг и Роджер Пенроуз в XIX в.60-х годов, это то, что время не может продолжаться бесконечно. Когда вы проигрываете космическую историю назад во времени, все галактики сходятся в одну бесконечно малую точку, известную как сингулярность, — почти как если бы они спускались в черную дыру. Каждая галактика или ее предшественник сжаты до нулевого размера. Такие величины, как плотность, температура и кривизна пространства-времени, становятся бесконечными. Сингулярность — это окончательный катаклизм, за пределы которого не могут простираться наши космические предки.
Неизбежная сингулярность создает серьезные проблемы для космологов.
В частности, он неудобен для высокой степени однородности и изотропии, которую Вселенная демонстрирует в больших масштабах. Чтобы космос в целом выглядел везде одинаково, между далекими областями космоса должна была проходить какая-то связь, согласовывающая их свойства. Но идея такой связи противоречит старой космологической парадигме.
Чтобы быть точным, рассмотрим, что произошло за 13,7 миллиардов лет с момента выброса космического микроволнового фонового излучения. Расстояние между галактиками увеличилось примерно в 1000 раз (из-за расширения), в то время как радиус наблюдаемой Вселенной увеличился примерно в 100 000 раз (поскольку свет опережает расширение). Сегодня мы видим части Вселенной, которые не могли увидеть 13,7 миллиарда лет назад. Действительно, впервые в космической истории свет от самых далеких галактик достиг Млечного Пути.
Странное совпадение
ТЕМ НЕ МЕНЕЕ, свойства Млечного Пути в основном такие же, как у далеких галактик.
Это как если бы вы пришли на вечеринку и обнаружили, что одеты точно так же, как дюжина ваших самых близких друзей. Если хотя бы двое из вас были одеты одинаково, это можно было бы объяснить совпадением, но дюжина говорит о том, что участники вечеринки согласовали свой наряд заранее. В космологии это не дюжина, а десятки тысяч — количество независимых, но статистически идентичных участков неба на микроволновом фоне.
Одна возможность состоит в том, что все эти области пространства были наделены при рождении одинаковыми свойствами, другими словами, что однородность является простым совпадением. Физики, однако, придумали еще два естественных выхода из тупика: ранняя Вселенная была намного меньше или намного старше, чем в стандартной космологии. Любой (или оба, действуя вместе) сделали бы возможным взаимодействие.
Самый популярный вариант следует за первым вариантом. Он постулирует, что Вселенная прошла через период ускоряющегося расширения, известного как инфляция, в начале своей истории.
До этой фазы галактики или их предшественники были настолько плотно упакованы, что могли легко координировать свои свойства. Во время инфляции они потеряли контакт, потому что свет не успевал за неистовым расширением. После окончания инфляции расширение начало замедляться, поэтому галактики постепенно возвращались в поле зрения друг друга.
Физики приписывают инфляционный всплеск потенциальной энергии, хранящейся в новом квантовом поле, инфлатоне, примерно через 1035 секунд после Большого взрыва. Потенциальная энергия, в отличие от массы покоя или кинетической энергии, приводит к гравитационному отталкиванию. Вместо того чтобы замедлить расширение, как это сделала бы гравитация обычного вещества, инфлатон ускорил его. Предложенная в 1981 г. теория инфляции с точностью объяснила множество наблюдений [см. «Инфляционная Вселенная» Алана Х. Гута и Пола Дж. Стейнхардта; НАУЧНЫЙ АМЕРИКАН, 19 мая.84; и «Четыре ключа к космологии», специальный отчет; НАУЧНЫЙ АМЕРИКАН, февраль 2004 г.].
Однако остается ряд возможных теоретических проблем, начиная с вопросов о том, что именно представляет собой инфлатон и что дает ему такую огромную начальную потенциальную энергию.
Менее известный способ решения головоломки следует второму варианту, избавляясь от сингулярности. Если бы время не началось с взрыва, если бы началу нынешнего космического расширения предшествовала долгая эпоха, материя могла бы иметь достаточно времени, чтобы гладко устроиться. Поэтому исследователи пересмотрели рассуждения, которые привели их к выводу о сингулярности.
Одно из предположений о том, что теория относительности всегда верна, вызывает сомнения. Вблизи предполагаемой сингулярности квантовые эффекты должны были быть важными, даже доминирующими. Стандартная теория относительности не принимает во внимание такие эффекты, поэтому признание неизбежности сингулярности равносильно безосновательному доверию теории. Чтобы узнать, что произошло на самом деле, физикам нужно включить теорию относительности в квантовую теорию гравитации.
Эта задача занимала теоретиков, начиная с Эйнштейна, но прогресс был почти нулевым до середины 19-го века.80-е годы.
Эволюция революции
СЕГОДНЯ выделяются два подхода. Один из них, получивший название петлевой квантовой гравитации, сохраняет теорию Эйнштейна практически нетронутой, но изменяет процедуру ее реализации в квантовой механике [см. «Атомы пространства и времени», Ли Смолин, на стр. 82]. За последние несколько лет специалисты по петлевой квантовой гравитации добились больших успехов и достигли глубокого понимания. Тем не менее их подход может оказаться недостаточно революционным для решения фундаментальных проблем квантования гравитации. С аналогичной проблемой столкнулись теоретики элементарных частиц после того, как Энрико Ферми представил свою эффективную теорию слабого ядерного взаимодействия в 1919 году.34. Все попытки построить квантовую версию теории Ферми с треском провалились. Требовалась не новая техника, а глубокие модификации, внесенные электрослабой теорией Шелдона Л.
Глэшоу, Стивена Вайнберга и Абдуса Салама в конце 1960-х годов.
Второй подход, который я считаю более многообещающим, — это теория струн — поистине революционная модификация теории Эйнштейна. Эта статья будет посвящена ему, хотя сторонники петлевой квантовой гравитации заявляют, что пришли ко многим из тех же выводов.
Теория струн выросла из модели, которую я записал в 1968 году для описания мира ядерных частиц (таких как протоны и нейтроны) и их взаимодействий. Несмотря на большое первоначальное волнение, модель потерпела неудачу. Несколько лет спустя от нее отказались в пользу квантовой хромодинамики, которая описывает ядерные частицы в терминах более элементарных составляющих, кварков. Кварки заключены внутри протона или нейтрона, как если бы они были связаны эластичными нитями. Оглядываясь назад, можно сказать, что первоначальная теория струн уловила эти тонкие аспекты ядерного мира. Только позже она была возрождена как кандидат на объединение общей теории относительности и квантовой теории.
Основная идея заключается в том, что элементарные частицы представляют собой не точечные, а бесконечно тонкие одномерные объекты, струны. Большой зоопарк элементарных частиц, каждая из которых имеет свои характерные свойства, отражает множество возможных моделей вибрации струны. Как такая простодушная теория может описать сложный мир частиц и их взаимодействий? Ответ можно найти в том, что мы можем назвать магией квантовых струн. Как только правила квантовой механики применяются к вибрирующей струне — как к миниатюрной струне скрипки, за исключением того, что вибрации распространяются по ней со скоростью света, — появляются новые свойства. Все они имеют глубокие последствия для физики элементарных частиц и космологии.
Во-первых, квантовые струны имеют конечный размер. Если бы не квантовые эффекты, струну скрипки можно было бы разрезать пополам, разрезать еще раз пополам и так далее до самого конца, превращаясь в безмассовую точечную частицу. Но принцип неопределенности Гейзенберга, в конце концов, вмешивается и не позволяет нарезать самые легкие струны меньше, чем примерно 1034 метра.
Этот неприводимый квант длины, обозначаемый l s , представляет собой новую константу природы, введенную теорией струн наряду со скоростью света, c , а постоянная Планка ч . Он играет решающую роль почти во всех аспектах теории струн, устанавливая конечный предел для величин, которые в противном случае могли бы стать либо нулевыми, либо бесконечными.
Во-вторых, квантовые струны могут иметь угловой момент, даже если у них нет массы. В классической физике угловой момент — это свойство объекта, который вращается относительно оси. Формула углового момента умножает скорость, массу и расстояние от оси; следовательно, безмассовый объект не может иметь угловой момент. Но квантовые флуктуации меняют ситуацию. Крошечная цепочка может содержать до двух единиц по ч углового момента без увеличения массы. Это свойство очень приветствуется, поскольку оно точно соответствует свойствам носителей всех известных фундаментальных сил, таких как фотон (для электромагнетизма) и гравитон (для гравитации).
Исторически угловой момент — это то, что подсказало физикам квантово-гравитационные последствия теории струн.
В-третьих, квантовые струны требуют существования дополнительных измерений пространства в дополнение к обычным трем. В то время как классическая скрипичная струна будет вибрировать независимо от свойств пространства и времени, квантовая струна более привередлива. Уравнения, описывающие вибрацию, становятся несовместимыми, если только пространство-время не сильно искривлено (вопреки наблюдениям) или не содержит шесть дополнительных пространственных измерений.
В-четвертых, физические константы, такие как константы Ньютона и Кулона, которые появляются в уравнениях физики и определяют свойства природы, больше не имеют произвольных фиксированных значений. Они встречаются в теории струн как поля, подобно электромагнитному полю, которые могут динамически корректировать свои значения. Эти поля могли принимать разные значения в разные космологические эпохи или в отдаленных областях космоса, и даже сегодня физические константы могут незначительно различаться.
Наблюдение за любой вариацией дало бы огромный импульс теории струн.
Одно из таких полей, называемое дилатоном, является главным ключом к теории струн; он определяет общую силу всех взаимодействий. Дилатон очаровывает струнных теоретиков, потому что его значение можно интерпретировать как размер дополнительного измерения пространства, что дает в общей сложности 11 пространственно-временных измерений.
Связывание свободных концов
НАКОНЕЦ, КВАНТОВЫЕ струны познакомили физиков с некоторыми поразительными новыми симметриями природы, известными как двойственности, которые изменяют наше интуитивное представление о том, что происходит, когда объекты становятся чрезвычайно маленькими. Я уже упоминал о форме двойственности: обычно короткая струна легче длинной, но если мы попытаемся уменьшить ее размер ниже основной длины l s , струна снова становится тяжелее.
Другая форма симметрии, Т-дуальность, утверждает, что малые и большие дополнительные измерения эквивалентны.
Эта симметрия возникает из-за того, что струны могут двигаться более сложным образом, чем точечные частицы. Рассмотрим замкнутую струну (петлю), расположенную в пространстве цилиндрической формы, круговое сечение которого представляет собой одно конечное дополнительное измерение. Кроме вибрации, струна может как целиком оборачиваться вокруг цилиндра, так и обвиваться вокруг него один или несколько раз, подобно резиновой ленте, обернутой вокруг свернутого плаката [9].0180 см. рамку на противоположной странице ].
Энергетическая стоимость этих двух состояний струны зависит от размера цилиндра. Энергия намотки прямо пропорциональна радиусу цилиндра: большие цилиндры требуют, чтобы струна растягивалась больше, когда она наматывается, поэтому обмотки содержат больше энергии, чем на меньшем цилиндре. С другой стороны, энергия, связанная с движением по кругу, обратно пропорциональна радиусу: большие цилиндры позволяют использовать более длинные волны (меньшие частоты), которые представляют меньше энергии, чем более короткие длины волн.
Если большой цилиндр заменить маленьким, два состояния движения могут поменяться ролями. Энергии, которые были произведены круговым движением, вместо этого производятся намоткой, и наоборот. Внешний наблюдатель замечает только уровни энергии, но не происхождение этих уровней. Для этого наблюдателя большой и малый радиусы физически эквивалентны.
Хотя Т-двойственность обычно описывается в терминах цилиндрических пространств, в которых одно измерение (окружность) конечно, ее вариант применим к нашим обычным трем измерениям, которые кажутся бесконечными. Нужно быть осторожным, говоря о расширении бесконечного пространства. Его общий размер не может измениться; он остается бесконечным. Но он все еще может расширяться в том смысле, что заключенные в нем тела, такие как галактики, удаляются друг от друга. Решающей переменной является не размер пространства в целом, а его масштабный фактор — фактор, с помощью которого изменяется расстояние между галактиками, проявляющееся в галактическом красном смещении, наблюдаемом астрономами.
Согласно Т-дуальности, вселенные с малыми масштабными факторами эквивалентны вселенным с большими масштабными факторами. В уравнениях Эйнштейна такой симметрии нет; она возникает из унификации, воплощенной в теории струн, с дилатоном, играющим центральную роль.
В течение многих лет струнные теоретики считали, что Т-дуальность применима только к закрытым струнам, в отличие от открытых струн, у которых есть свободные концы и поэтому они не могут скручиваться. В 1995 году Джозеф Полчински из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре понял, что Т-дуальность применима к открытым струнам при условии, что переключение между большими и малыми радиусами сопровождается изменением условий в концевых точках струны. До этого физики постулировали граничные условия, при которых на концы струн не действует никакая сила, что позволяет им свободно колебаться. При Т-двойственности эти условия становятся так называемыми граничными условиями Дирихле, при которых концы остаются на месте.
Любая заданная строка может сочетать оба типа граничных условий.
Например, электроны могут быть струнами, концы которых могут свободно перемещаться в трех из десяти пространственных измерений, но застрять в остальных семи. Эти три измерения образуют подпространство, известное как мембрана Дирихле или D-брана. В 1996 году Петр Хорава из Калифорнийского университета в Беркли и Эдвард Виттен из Института перспективных исследований в Принстоне, штат Нью-Джерси, предположили, что наша Вселенная находится на такой бране. Частичная подвижность электронов и других частиц объясняет, почему мы не в состоянии воспринять все великолепие 10-мерного пространства.
Все магические свойства квантовых струн указывают в одном направлении: струны ненавидят бесконечность. Они не могут коллапсировать до бесконечно малой точки, поэтому они избегают парадоксов, которые влечет за собой коллапс. Их ненулевой размер и новые симметрии устанавливают верхние границы для физических величин, которые неограниченно возрастают в традиционных теориях, и устанавливают нижние границы для величин, которые убывают.
Струнные теоретики ожидают, что если проигрывать историю Вселенной в обратном направлении во времени, кривизна пространства-времени начинает увеличиваться. Но вместо того, чтобы идти до бесконечности (в традиционной сингулярности Большого взрыва), она в конце концов достигает максимума и снова сжимается. До появления теории струн физикам было трудно представить себе какой-либо механизм, который мог бы так чисто устранить сингулярность.
Приручение Бесконечности
УСЛОВИЯ, ПРИБЛИЖАЮЩИЕСЯ к нулевому времени Большого Взрыва, были настолько экстремальными, что никто еще не знает, как решать уравнения. Тем не менее, струнные теоретики отваживались строить предположения о Вселенной до взрыва. В продаже есть две популярные модели.
Первый, известный как сценарий до большого взрыва, который мои коллеги и я начали разрабатывать в 1991 году, сочетает в себе Т-дуальность с более известной симметрией обращения времени, согласно которой уравнения физики одинаково хорошо работают как в прямом, так и в обратном направлении.
во время. Комбинация порождает новые возможные космологии, в которых Вселенная, скажем, за пять секунд до Большого взрыва расширялась с той же скоростью, что и через пять секунд после взрыва. Но скорость изменения расширения в эти два момента была противоположной: если оно замедлялось после взрыва, то ускорялось до него. Короче говоря, Большой взрыв мог быть не источником Вселенной, а просто резким переходом от ускорения к замедлению.
Прелесть этой картины в том, что она автоматически включает в себя великое понимание стандартной инфляционной теории, а именно, что Вселенная должна была пройти период ускорения, чтобы стать такой однородной и изотропной. В стандартной теории ускорение происходит после Большого взрыва из-за специального инфлатонного поля. В сценарии до большого взрыва это происходит до взрыва как естественный результат новых симметрий теории струн.
Согласно сценарию, вселенная до взрыва была почти идеальным зеркальным отражением вселенной после взрыва [ см.
рамку на стр. 77 ]. Если вселенная вечна в будущем, ее содержимое истончается до скудной кашицы, она вечна и в прошлом. Бесконечно давно он был почти пуст, заполнен только разреженным, широко рассеянным, хаотическим газом излучения и материи. Силы природы, управляемые полем дилатона, были так слабы, что частицы в этом газе почти не взаимодействовали.
Время шло, силы набирали силу и стягивали материю. Случайным образом некоторые регионы накапливали материю за счет своего окружения. В конце концов плотность в этих областях стала настолько высокой, что начали формироваться черные дыры. Затем материя внутри этих областей была отрезана от внешней, разбивая Вселенную на несвязанные части.
Внутри черной дыры пространство и время меняются ролями. Центр черной дыры — это не точка в пространстве, а момент времени. По мере того как падающая материя приближалась к центру, она достигала все большей и большей плотности. Но когда плотность, температура и кривизна достигли максимальных значений, допускаемых теорией струн, эти величины отскочили и начали уменьшаться.
Момент этого обращения и есть то, что мы называем большим взрывом. Внутренняя часть одной из этих черных дыр стала нашей вселенной.
Неудивительно, что такой нестандартный сценарий вызвал споры. Андрей Линде из Стэнфордского университета утверждал, что для того, чтобы этот сценарий соответствовал наблюдениям, черная дыра, которая породила нашу Вселенную, должна была сформироваться с необычно большими размерами — намного больше, чем шкала длины теории струн. Ответ на это возражение заключается в том, что уравнения предсказывают черные дыры всех возможных размеров. Просто случилось так, что наша вселенная образовалась внутри достаточно большой.
Более серьезное возражение, выдвинутое Тибо Дамуром из Института высших научных исследований в Бюрес-сюр-Иветт, Франция, и Марком Энно из Свободного университета Брюсселя, заключается в том, что материя и пространство-время вели себя хаотично вблизи момента взрыв, что, возможно, противоречит наблюдаемой регулярности ранней Вселенной.
Недавно я предположил, что в хаотическом состоянии образуется плотный газ из миниатюрных струнных дыр — струн, которые были настолько малы и массивны, что вот-вот должны были стать черными дырами. Поведение этих дыр может решить проблему, выявленную Дамуром и Хенно. Аналогичное предложение было выдвинуто Томасом Бэнксом из Университета Рутгерса и Вилли Фишлером из Техасского университета в Остине. Существуют и другие критические анализы, и еще предстоит определить, обнаружили ли они фатальный недостаток в сценарии.
Другой ведущей моделью Вселенной до взрыва является экпиротический (пожарный) сценарий. Разработан пять лет назад группой космологов и теоретиков струн — Джастином Хури из Колумбийского университета, Полом Дж. Стейнхардтом из Принстонского университета, Бертом А. Оврутом из Пенсильванского университета, Натаном Зайбергом из Института перспективных исследований и Нилом Туроком из Кембриджский университет — экпиротический сценарий опирается на ранее упомянутую идею Хорава-Виттена о том, что наша Вселенная находится на одном конце многомерного пространства, а скрытая брана — на противоположном конце.
Две браны действуют друг на друга с силой притяжения и время от времени сталкиваются, в результате чего дополнительное измерение сжимается до нуля, прежде чем снова возрастет. Большой взрыв соответствовал бы моменту столкновения [ см. рамку на стр. 78 ].
В варианте этого сценария коллизии происходят циклически. Две браны могут столкнуться, отскочить друг от друга, разойтись, притянуть друг друга, снова столкнуться и так далее. В промежутках между столкновениями браны ведут себя как глупая замазка, расширяясь при удалении и немного сжимаясь при сближении. Во время оборота скорость расширения увеличивается; действительно, нынешнее ускоряющееся расширение Вселенной может предвещать новое столкновение.
Сценарии до большого взрыва и экпиротические сценарии имеют некоторые общие черты. Оба начинаются с большой, холодной, почти пустой вселенной, и оба разделяют сложную (и нерешенную) проблему перехода между фазами до и после взрыва. Математически основное различие между сценариями заключается в поведении дилатонного поля.
В период до большого взрыва дилатон начинался с низкого значения — так что силы природы были слабыми — и неуклонно набирал силу. Противоположное верно для экпиротического сценария, в котором столкновение происходит, когда силы наиболее слабы.
Разработчики экпиротической теории изначально надеялись, что слабость сил позволит более легко проанализировать отскок, но они все же столкнулись со сложной ситуацией с высокой кривизной, поэтому пока неясно, действительно ли сценарий позволяет избежать особенность. Кроме того, экпиротический сценарий должен предполагать особые условия для решения обычных космологических загадок. Например, браны, которые должны были столкнуться, должны были быть почти точно параллельны друг другу, иначе столкновение не могло привести к достаточно однородному взрыву. Циклическая версия может решить эту проблему, потому что последовательные столкновения позволят бранам выпрямиться.
Оставив в стороне сложную задачу полного математического обоснования этих двух сценариев, физики должны задаться вопросом, имеют ли они какие-либо наблюдаемые физические последствия.
На первый взгляд оба сценария могут показаться упражнением не в физике, а в метафизике — интересными идеями, правильность или ошибочность которых наблюдатели никогда не смогут доказать. Такое отношение слишком пессимистично. Подобно деталям инфляционной фазы, детали возможной предвзрывной эпохи могут иметь наблюдаемые последствия, особенно для небольших изменений, наблюдаемых в температуре космического микроволнового фона.
Во-первых, наблюдения показывают, что колебания температуры формировались акустическими волнами в течение нескольких сотен тысяч лет. Регулярность колебаний свидетельствует о том, что волны были синхронизированы. Космологи с годами отказались от многих космологических моделей, потому что они не смогли объяснить эту синхронность. Инфляционные сценарии, сценарии до Большого взрыва и экпиротические сценарии проходят этот первый тест. В этих трех моделях волны были вызваны квантовыми процессами, усиленными в период ускоряющегося космического расширения. Фазы волн совпали.
Во-вторых, каждая модель предсказывает различное распределение колебаний температуры по отношению к угловому размеру. Наблюдатели обнаружили, что колебания всех размеров имеют примерно одинаковую амплитуду. (Заметные отклонения происходят только в очень малых масштабах, для которых первичные колебания были изменены последующими процессами.) Инфляционные модели точно воспроизводят это распределение. Во время инфляции кривизна пространства менялась относительно медленно, поэтому флуктуации разной величины генерировались примерно в одних и тех же условиях. В обеих струнных моделях кривизна развивалась быстро, увеличивая амплитуду мелкомасштабных флуктуаций, но другие процессы усиливали крупномасштабные, оставляя все флуктуации с одинаковой силой. Для экпиротического сценария эти другие процессы включали дополнительное измерение пространства, то самое, которое разделяло сталкивающиеся браны. Для сценария до большого взрыва они использовали квантовое поле, аксион, связанное с дилатоном.
Короче говоря, все три модели соответствуют данным.
В-третьих, вариации температуры могут быть вызваны двумя различными процессами в ранней Вселенной: флуктуациями плотности материи и колебаниями, вызванными гравитационными волнами. Инфляция включает в себя оба процесса, тогда как сценарии до большого взрыва и экпиротические сценарии в основном связаны с изменениями плотности. Гравитационные волны определенных размеров оставляли бы отличительную черту в поляризации микроволнового фона [см. «Эхо Большого взрыва» Роберта Р. Колдуэлла и Марка Камионковски; НАУЧНЫЙ АМЕРИКАН, январь 2001 г.]. Будущие обсерватории, такие как спутник Европейского космического агентства «Планк», должны быть в состоянии увидеть эту сигнатуру, если она существует, что обеспечит почти окончательный тест.
Четвертый тест относится к статистике колебаний. При инфляции флуктуации следуют колоколообразной кривой, известной физикам как гауссова. То же самое может быть верно и в экпиротическом случае, тогда как сценарий до большого взрыва допускает значительное отклонение от гауссовости.
Анализ микроволнового фона — не единственный способ проверить эти теории. Сценарий до большого взрыва также должен создавать случайный фон гравитационных волн в диапазоне частот, которые, хотя и не имеют отношения к микроволновому фону, должны быть обнаружены будущими обсерваториями гравитационных волн. Более того, поскольку сценарии до Большого взрыва и экпиротические сценарии связаны с изменениями поля дилатона, которое связано с электромагнитным полем, они оба приведут к крупномасштабным флуктуациям магнитного поля. Остатки этих флуктуаций могут проявиться в галактических и межгалактических магнитных полях.
Итак, когда началось время? У науки пока нет окончательного ответа, но, по крайней мере, две потенциально проверяемые теории правдоподобно утверждают, что Вселенная — и, следовательно, время — существовала задолго до Большого взрыва. Если любой из сценариев верен, космос существовал всегда и, даже если однажды он снова рухнет, его конец никогда не исчезнет.
АВТОР
ГАБРИЭЛЬ ВЕНЕЦИАНО , физик-теоретик из ЦЕРН, в конце 1960-х — достижение, за которое он получил в 2004 году премию Хайнемана Американского физического общества и Американского института физики.