Содержание
Свидетельства Большого взрыва
В настоящее время основной моделью, описывающей историю и судьбу Вселенной, ρ[г/см3] Из этих соотношений видно, что при t = 1 с Вселенная имела v Такое разбегание галактик является свидетельством расширения Вселенной. Зная t0 Таблица 20 Догалактические этапы эволюции Вселенной
Вселенная в больших масштабах (> 100 Мпк) однородна и изотропна. Она содержит не Средняя плотность ρ . Средняя плотность ρ Проблемы модели горячей Вселенной
Инфляционная модель Вселенной (Мр − масса а величина поля φ изменяется очень медленно. V(φ) то при увеличении элемента объема раз. Наличие локальных минимумов в потенциальной функции
|
Рождение и аннигиляция
Доминирование излучения
Оказалось, что она в пределах точности
Big Think (США): что было до Большого взрыва?
Материалы ИноСМИ содержат оценки исключительно зарубежных СМИ и не отражают позицию редакции ИноСМИ
Что вызвало возникновение Вселенной? Первопричина должна быть особенной, считают ученые.
Но если приписывать начало всего Большому взрыву, напрашивается вопрос: а что было до этого? Автор предлагает увлекательное рассуждение о начале времен.
Марчело Глейзер (Marcelo Gleiser)
Спрашивать науку, что было до начала времени, подобно вопросу «Кем вы были до рождения»
— Наука позволяет нам определить, что произошло за одну триллионную долю секунды после Большого взрыва.
— Но мы вряд ли когда-нибудь узнаем, что вызвало Большой взрыв.
— Это вызывает разочарование, но некоторые вещи совершенно непознаваемы. И это хорошо.
Давайте скажем честно: довольно странно думать о том, будто история Вселенной началась со своеобразного дня рождения 13,8 миллиарда лет тому назад. Это соответствует многим религиозным постулатам, согласно которым космос был создан благодаря вмешательству свыше, хотя наука ничего об этом не говорит.
Что случилось до начала времени?
Если все произошедшее имеет причинно-следственную связь, то что вызвало возникновение Вселенной? Чтобы ответить на очень сложный вопрос о Первопричине, в религиозных мифах о сотворении мира используют то, что антропологи культуры порой называют «позитивным бытием» или сверхъестественным явлением.
Поскольку у времени в какой-то момент в далеком прошлом было начало, Первопричина должна быть особенной. Это должна быть беспричинная причина, явление, которое просто произошло, и ему ничто не предшествовало.
Но если приписывать начало всего Большому взрыву, напрашивается вопрос: а что было до этого? Когда мы имеем дело с бессмертными богами, это совсем другое дело, так как для них неподвластность времени не вопрос. Боги существуют вне времени, а мы нет. Для нас нет такого понятия как «до времени». Следовательно, если задать вопрос, что происходило до Большого взрыва, он будет в определенной степени бессмысленным, даже если нам необходимо найти смысл. Стивен Хокинг как-то раз приравнял его к вопросу «Что находится севернее Северного полюса?» А мне нравится фраза «Кем вы были до рождения?»
Аврелий Августин выдвинул гипотезу о том, что время и пространство появились вместе с сотворением мира. Для него это был, конечно же, божий промысел. А для науки?
В науке мы, чтобы понять, как Вселенная зарождалась, развивалась и взрослела, возвращаемся назад во времени, пытаясь реконструировать происходившее.
Подобно палеонтологам, мы идентифицируем «окаменелости», то есть остатки вещества из давно минувших дней, а потом с их помощью узнаем о существовавших в те времена различных физических явлениях.
Мы с уверенностью исходим из того, что Вселенная расширяется на протяжении миллиардов лет, и что этот процесс продолжается сейчас. В данном случае «расширение» означает, что расстояния между галактиками увеличиваются; галактики отдаляются друг от друга со скоростью, зависящей от того, что было внутри Вселенной в разные эпохи, то есть, какая материя заполняла пространство.
Большой взрыв не был взрывом
Когда мы говорим о Большом взрыве и расширении, мы представляем себе взрыв, положивший начало всему. Поэтому мы его так и назвали. Но это неверное представление. Галактики удаляются друг от друга, потому что их буквально разводит растяжение самого пространства. Подобно эластичной ткани, пространство растягивается и несет с собой галактики, как течение реки уносит с собой бревна.
Так что галактики нельзя назвать осколками, разлетающимися от взрыва. Не было никакого центрального взрыва. Вселенная расширяется во всех направлениях, и она вполне демократична. Каждая точка важна в одинаковой степени. Кто-то в далекой галактике видит удаление других галактик так же, как и мы.
(Примечание: У близких к нам галактик есть отклонения от этого космического потока, которые называются «локальным движением». Это вызвано гравитацией. Например, Туманность Андромеды приближается к нам.)
Возвращение в прошлое
Если крутить космическое кино назад, мы увидим, как материя все больше и больше сдавливается в сокращающемся пространстве. Температура растет, давление увеличивается, и начинается распад. Молекулы распадаются на атомы, атомы на ядра и электроны, атомные ядра на протоны и нейтроны, а затем протоны и нейтроны на кварки. Такое последовательное разложение материи на самые базовые и элементарные составные части происходит по мере того, как часы тикают в обратном направлении в сторону взрыва.
Например, атомы водорода распадаются примерно за 400 000 лет до Большого взрыва, ядра атомов примерно за одну минуту, а протоны с нейтронами за сотую долю секунды (при просмотре в обратном направлении, конечно). Откуда это нам известно? Мы нашли остатки радиации из того времени, когда сформировались первые атомы (реликтовое микроволновое фоновое излучение), и выяснили, как возникли первые ядра легких атомов, когда Вселенной было всего несколько минут от роду. Это как раз те космические окаменелости, которые показывают нам путь в обратном направлении.
В настоящее время мы в ходе экспериментов можем смоделировать условия, существовавшие в тот момент, когда возраст Вселенной составлял одну триллионную долю секунды. Нам это может показаться ничтожно малой величиной, однако для световой частицы фотона это продолжительное время, позволяющее ему пролететь расстояние, в триллион раз превышающее диаметр протона. Когда мы говорим о ранней Вселенной, нам следует забыть про человеческие мерки и представления о времени.
Безусловно, мы хотим как можно ближе подобраться к моменту, когда время было равно 0. Но в какой-то момент мы утыкаемся в стену незнания и можем лишь экстраполировать свои нынешние теории в надежде на то, что они дадут нам хоть какие-то намеки на происходившее в начале времени, при таких энергиях и температурах, которые мы не можем создать в лаборатории. Но одно мы знаем наверняка. Когда время близко к 0, наша нынешняя теория о свойствах пространства и времени, какой является общая теория относительности Эйнштейна, не действует.
Это сфера квантовой механики, в которой расстояния настолько малы, что мы должны представлять себе пространство не как непрерывный лист, а как зернистую структуру. К сожалению, у нас нет качественной теории, описывающей такую зернистость пространства, как нет и физических законов гравитации в квантовом масштабе (известной как квантовая гравитация). Кандидаты, конечно, есть, например, теория суперструн и петлевая квантовая гравитация. Но в настоящее время отсутствуют доказательства того, что они верно описывают физические явления.
Квантовая космология не дает ответ на вопрос
Тем не менее, любознательность человека требует приблизить границы к нулевому значению времени. Что можно сказать? В 1980-х годах Александр Виленкин, Андрей Линде и Джеймс Хартл со Стивеном Хокингом предложили три модели квантовой космологии, в которых Вселенная существует как атом, а уравнение похоже на то, что используется в квантовой механике. В этом уравнении вселенная есть волна вероятности, которая по сути дела связывает вневременную квантовую область с классической, где есть время, то есть, со вселенной, в которой мы обитаем, и которая сейчас расширяется. Переход от кванта к классике буквально означает возникновение космоса, то, что мы называем Большим взрывом. Таким образом, Большой взрыв является беспричинной квантовой флуктуацией, такой же случайной, как радиоактивный распад: от отсутствия времени к его присутствию.
Если исходить из того, что одна из этих простых моделей верна, будет ли она научным объяснением Первопричины? Можем ли мы вообще избавиться от необходимости существования причины, пользуясь вероятностями квантовой физики?
К сожалению, нет.
Конечно, такая модель стала бы поразительным интеллектуальным подвигом. Это был бы колоссальный шаг вперед в понимании происхождения всего. Но этого недостаточно. Наука не может существовать в вакууме. Ей нужен понятийный аппарат, такие понятия как пространство, время, материя, энергия. Ей нужны расчеты, нужны законы сохранения таких величин как энергия и количество движения. Из идей небоскреб не построишь, как не создашь модель без понятий и законов. Требовать от науки «объяснений» Первопричины — все равно что просить ее объяснить собственную структуру. Это просьба представить научную модель, в которой не используются прецеденты, нет более ранних концепций, которыми можно оперировать. Наука не может этого сделать, как человек не может думать без мозга.
Загадка Первопричины остается неразгаданной. В качестве ответа можно выбрать религию и веру, а еще можно считать, что наука со временем все разгадает. Мы также можем, подобно древнегреческому скептику Пиррону, смиренно признать, что существуют пределы нашего познания.
Мы можем радоваться достигнутому и продолжать постигать, осознавая при этом, что нет необходимости знать все и понимать все. Достаточно того, что мы продолжаем пытливо интересоваться.
Любознательность без загадки слепа, а загадка без любознательности ущербна.
Замена теории Большого взрыва. Топ-5 альтернативных сценариев рождения Вселенной
Теория Большого взрыва гласит, что Вселенная появилась из чрезвычайно горячей и плотной точки 13,8 млрд лет назад. Но у этой теории есть много противников.
Related video
Астрофизик Пол Саттер из Университета штата Нью-Йорк рассказал о пяти основных теориях, которые противоречат и ставят под сомнение теорию Большого взрыва. Также ученый рассказал, почему эти теории не сработали, сообщает Space.
На сегодня теория Большого взрыва – это единственная общепринятая модель появления нашей Вселенной 13,8 млрд лет назад и ее развития за все это время. Она соответствует всем существующим доказательствам: расширение Вселенной, образование легких элементов, существование космического микроволнового фона, и многим другим.
Но за долгое время с момента появления теории Большого взрыва в начале 20 века, у нее появилось много противников. Представляем топ-5 самых известных альтернатив этой теории.
Вечная Вселенная
До того, как появилась теория Большого взрыва и после этого, ученые считали, что Вселенная всегда была и всегда будет такой, какая она есть. Конечно, в какой-то момент в далеком прошлом могло произойти создание Вселенной, но она сразу же выглядела такой же как сейчас и в ней происходили те же процессы. То есть она просто существовала и оставалась неизменной на протяжении вечности, говорит Саттер.
Но все изменилось, когда американский астроном Эдвин Хаббл обнаружил расширение Вселенной. Поэтому теория о вечной Вселенной перестала существовать. Потому что в расширяющемся пространстве Вселенная отличается от той, какая она была в прошлом, и тем более будет отличаться от ее будущей версии. Это открытие показало, что мы живем динамично развивающейся Вселенной.
Стационарная Вселенная
Даже когда стало известно о том, что Вселенная расширяется, многие ученые все еще искали альтернативы теории Большого взрыва.
Например, британский астроном Фред Хойл предложил свою модель развития Вселенной, которая получила названия теория стационарной Вселенной.
Согласно этой теории, во время расширения Вселенной в образовавшейся пустоте всегда появляется новая материя. То есть космос становится больше, но его плотность остается на том же уровне. В теории стационарной Вселенной динамичное развитие остается неизменным в течение длительного времени и это поддерживает идею о вечной Вселенной.
Эта теория также канула в Лету после обнаружения квазаров и космического микроволнового фона или реликтового излучения. Квазары — это очень яркие источники радиоизлучения, которые находятся очень далеко от нас и появились в ранней Вселенной. Реликтовое излучение — это излучение, которое окружает нас со всех сторон и также появилось в ранний период развития космоса. Теория Большого взрыва может это легко объяснить. Свет приходит из более ранней эпохи истории космоса, когда все было иначе. Но в стационарной модели ранняя Вселенная должна выглядеть так же, как и сейчас.
На сегодня теория Большого взрыва – это единственная общепринятая модель появления нашей Вселенной 13,8 млрд лет назад и ее развития за все это время. Но за долгое время с момента появления теории Большого взрыва в начале 20 века, у нее появилось много противников
Фото: Live Science
Электрическая Вселенная
Еще одну теорию представил лауреат Нобелевской премии по физике Ханнес Альвен, который получил награду за разработку целой области физики – магнитогидродинамики.
Шведский ученый утверждал, что, поскольку электромагнитные силы намного сильнее гравитационных, значит то, что мы наблюдаем в космосе, следует лучше понимать, как последствия электромагнетизма, а не гравитации. Это включало эволюцию Солнечной системы, рождение звезд и расширение Вселенной.
Альвен считал, что Вселенная состоит из больших участков материи и антиматерии, которые постоянно конкурируют друг с другом.
Эти участки расширяются, что приводит к тому, что мы воспринимаем как расширение Вселенной, и там, где они встречаются, создается свет реликтового излучения, говорит Саттер.
Но электрическая Вселенная не может соответствовать уже известным наблюдениям, а особенно закону Хаббла. Для ближайших галактик скорость их удаления пропорциональна их расстоянию, что четко объясняется общей теорией относительности и расширением пространства. В теории Альвена все галактики удалялись с одинаковой скоростью.
Вселенная Mixmaster
Теория Большого Взрыва не идеальна. Существует одна загадочная особенность Вселенной, которая заключается в том, насколько она однородна в больших масштабах. Даже очень удаленные друг от друга области космоса имеют примерно одну и ту же температуру. В ранней Вселенной просто не хватило бы времени, чтобы все стало однородным.
«Это называется проблемой горизонта. То есть трудно объяснить механизм, который задал в самом начале одинаковые условия для развития Вселенной», — говорит Саттер.
Но физик Чарльз Мизнер создал решение этой проблемы, которое он назвал Вселенная Mixmaster (по названию популярной марки кухонных блендеров). Согласно этой теории, в ранней Вселенной все было очень хаотичным, а пространство болталось туда-сюда. Эти хаотические действия привели к тому, что материя смешалась в малых масштабах и появились галактики, а также это стало причиной однородности материи в больших масштабах.
«Несмотря на название, математика никогда не работала для этой теории, и другое описание раннего космоса Вселенной, которое называется инфляционная модель Вселенной, смогло объяснить проблему горизонта гораздо проще», — говорит Саттер.
Циклическая Вселенная
Одна из самых больших проблем, которая связана с теорией Большого взрыва, является то у Вселенной есть начало. То есть до момента появления было время без Вселенной. Поскольку теория Большого взрыва не пытается объяснить истинное начало Вселенной, то многие ученые придумывали разные варианты того, что «большой взрыв» появился в результате другого физического процесса.
«Почти все попытки заменить Большой взрыв заканчиваются появлением какой-то циклической Вселенной, в которой Большой взрыв — всего лишь одна из бесконечно длинной цепочки вселенных, потому что, если вы замените Большой взрыв другим таким же событием, вы на самом деле не ничего не измените. Эти циклические модели представляют собой вечную Вселенную, но с большим количеством вариантов», — говорит Саттер.
По словам ученого, существует множество циклических моделей, и все они основаны на теоретической физике и не подтверждены современными наблюдениями. Также все эти модели с трудом объясняют темную энергию и то, что расширение нашей Вселенной ускоряется, а не замедляется.
Люди, которые утверждают, что слышат северное сияние
Загрузка
Люди, которые утверждают, что слышат северное сияние
(Изображение предоставлено Getty Images) отчетливое потрескивание, свистящие или свистящие звуки. Являются ли они очень восприимчивыми, или звуки — уловка ума?
I
На протяжении столетий наблюдатели ставили в тупик вопрос: издают ли фантастические зеленые и малиновые световые проявления северного сияния какой-либо различимый звук?
Полярное сияние, вызванное взаимодействием солнечных частиц с молекулами газа в атмосфере Земли, обычно происходит вблизи полюсов Земли, где магнитное поле наиболее сильное.
Однако сообщения о шуме полярного сияния редки и исторически отвергались учеными.
Но финское исследование 2016 года утверждало, что окончательно подтвердило, что северное сияние действительно производит звук, слышимый человеческим ухом. Один из исследователей, участвовавших в исследовании, зафиксировал звук, возможно, издаваемый чарующими огнями, который, по оценкам, возник на высоте 70 м (230 футов) над уровнем земли.
Тем не менее, механизм звука остается загадочным, равно как и условия, которые должны быть соблюдены, чтобы звук был услышан. В моем недавнем исследовании я просматриваю исторические отчеты об авроральных звуках, чтобы понять методы исследования этого неуловимого явления и процесс установления того, были ли зарегистрированные звуки объективными, иллюзорными или воображаемыми.
Полярные сияния чаще всего происходят на высоте 100 км (62 мили) над Землей (Фото: Лев Федосеев/Getty Images) сообщили, что звук иногда сопровождал завораживающие световые явления в их небе.
Свидетели рассказали о тихом, почти незаметном потрескивании, свисте или свисте во время особенно сильных проявлений северного сияния. В начале 1930-х, например, личные свидетельства начали наводнять The Shetland News, еженедельную газету субарктических Шетландских островов, сравнивая звук северного сияния с «шуршанием шелка» или «двумя досками, встречающимися на ровной поверхности».
Эти рассказы были подтверждены аналогичными показаниями из северной Канады и Норвегии. Тем не менее, научное сообщество было менее чем убеждено, особенно учитывая, что очень немногие западные исследователи утверждали, что сами слышали неуловимые звуки.
Достоверность сообщений о шуме северного сияния того времени была тесно связана с измерениями высоты северного сияния. Считалось, что только те дисплеи, которые опускаются низко в атмосферу Земли, смогут передавать звук, слышимый человеческим ухом.
Проблема здесь заключалась в том, что результаты, полученные во время Второго Международного полярного года 1932-33 годов, показали, что полярные сияния чаще всего происходили на высоте 100 км (62 мили) над Землей и очень редко ниже 80 км (50 миль).
Это предполагало, что различимый звук от огней не может быть передан на поверхность Земли.
Северное сияние может также создавать металлический запах, а также звук. (Фото: Лев Федосеев/Getty Images) истории или слуховые иллюзии.
Сэр Оливер Лодж, британский физик, участвовавший в разработке радиотехнологий, заметил, что звук северного сияния может быть психологическим явлением из-за яркости внешнего вида северного сияния — так же, как метеоры иногда вызывают в мозгу свистящий звук. Точно так же метеоролог Джордж Кларк Симпсон утверждал, что появление низких полярных сияний, вероятно, было оптической иллюзией, вызванной вмешательством низких облаков.
Тем не менее, в отчетах 20-го века, написанных двумя ассистентами астронома, утверждалось, что они слышали северное сияние, что добавляло легитимности большому объему личных отчетов.
Один написал, что слышал «очень любопытный слабый свистящий звук, отчетливо волнообразный, который, казалось, точно повторял колебания полярного сияния», а другой услышал звук, похожий на «горящую траву или брызги».
Какими бы убедительными ни были эти два последних свидетельства, они все же не предложили механизм, с помощью которого мог бы действовать авроральный звук.
Ответ на эту непреходящую загадку, которая впоследствии получила наибольшую поддержку, был впервые предложен в 1923 году Кларенсом Чантом, известным канадским астрономом. Он утверждал, что движение северного сияния изменяет магнитное поле Земли, вызывая изменения в электрификации атмосферы даже на значительном расстоянии.
Эта электризация производит потрескивающий звук гораздо ближе к поверхности Земли, когда он сталкивается с объектами на земле, очень похожий на звук статики. Это может происходить на одежде или очках наблюдателя или, возможно, на окружающих предметах, включая ели или облицовку зданий.
Теория Чанта хорошо коррелирует со многими описаниями звуков северного сияния, а также подтверждается случайными сообщениями о запахе озона, который, как сообщается, имеет металлический запах, похожий на электрическую искру, во время демонстрации северного сияния.
Однако в 1920-х годах статья Чанта осталась практически незамеченной, а признание получила только в 1970-х, когда два авроральных физика вновь обратились к историческим свидетельствам. Теория Чанта сегодня широко принята учеными, хотя до сих пор ведутся споры о том, как именно работает механизм производства звука.
Совершенно ясно, что северное сияние в редких случаях издает звуки, слышимые человеческим ухом. Жуткие отчеты о потрескивании, свисте и жужжании, сопровождающем свет, описывают объективный слуховой опыт, а не что-то иллюзорное или воображаемое.
Северное сияние может издавать звук только на 5% дисплеев (Фото: Лев Федосеев/Getty Images) учитывая, что ауральное явление проявляется только в 5% сильных полярных сияний. Его также чаще всего можно услышать на вершине горы, в окружении всего нескольких зданий, так что это не особенно доступное место.
В последние годы звук полярного сияния, тем не менее, был изучен из-за его эстетической ценности, вдохновения на создание музыкальных композиций и закладывания фундамента для новых способов взаимодействия с его электромагнитными сигналами.
Латвийский композитор Эрикс Эшенвалдс использовал в своей музыке выдержки из журналов американского исследователя Чарльза Холла и норвежского государственного деятеля Фритьтофа Нансена, которые утверждали, что слышали северное сияние. В его композиции «Северное сияние» эти репортажи переплетаются с единственной известной латышской народной песней, повествующей о звуковом феномене северного сияния, которую исполняет тенор соло.
Или вы также можете слушать радиосигналы северного сияния дома. В 2020 году программа BBC Radio 3 переназначила очень низкочастотные радиозаписи северного сияния на слышимый спектр. Хотя это и не то же самое, что воспринимать слышимые звуки северного сияния на заснеженной вершине горы, эти звуки дают потрясающее ощущение преходящей, мимолетной и динамичной природы северного сияния.
—
Присоединяйтесь к миллиону поклонников Future, поставив нам лайк на Facebook или следите за нами на Twitter или Instagram .
Если вам понравилась эта история, подпишитесь на еженедельный информационный бюллетень bbc.com под названием «The Essential List». Подборка историй из BBC Future, Culture, Worklife и Travel, доставляемых на ваш почтовый ящик каждую пятницу.
Что было до Большого Взрыва?
Даже если детерминированная эволюция для космологических квантовых систем актуальна во все времена, наши знания о фазах Вселенной до Большого взрыва могут оставаться ограниченными. Чтобы проанализировать это, мы используем математическую модель, которая точно решаема 6 и ясно показывает все детали своего поведения. (Более ранние численные исследования 7 не выявили тонких свойств, полученных здесь из точных решений.) Решаемые модели часто играли центральную роль в понимании подробных свойств в новой области, и мы можем ожидать, что это верно и для квантовой космологии. Следует проявлять должную осторожность при использовании таких моделей, которые могут иметь особые свойства, не применимые к реальным ситуациям.
Но решаемая модель показывает минимум сложности, которого следует ожидать в реальных ситуациях. Таким образом, в отличие от подробных количественных расчетов, доказательство невозможности получения определенных точных предсказаний в решаемой модели может рассматриваться как более надежный результат.
В этом контексте часто считается само собой разумеющимся, что существование в космологии отскока, то есть объема, оторванного от нуля в процессе эволюции, позволяет экстраполировать все физические величины на времена до Большого взрыва. Как мы увидим здесь, это ожидание не реализуется даже в разрешимой модели минимальной вычислительной сложности. Память об определенных аспектах Вселенной до Большого Взрыва, в основном связанных с флуктуациями, имеющими отношение к поставленному здесь основному вопросу, теряется при прохождении через Большой Взрыв. Это не просто говорит о том, что Вселенная находилась в очень квантовой фазе во время Большого взрыва, таким образом скрывая свою предысторию квантовой неопределенностью.
Поскольку мы будем иметь дело с полностью квантованной системой и ее степенями свободы, мы, в принципе, могли бы вычислить состояние до Большого взрыва в обратном направлении. Как мы увидим, на основе точных аналитических решений для флуктуаций, возникающих в результате отскока, новый аспект квантовой космологии заключается в том, что такая экстраполяция потребовала бы чрезвычайно точного знания текущего состояния, которое невозможно получить в реальности. Тем не менее, в этой модели можно точно ответить, какие аспекты Вселенной до Большого Взрыва могут быть определены и в какой степени. Таким образом, он проявляет предсказательность, даже в своей неспособности делать определенные предсказания.
Наша модель везде пространственно изотропна, то есть ее свойства одинаковы в разных пространственных положениях, а также в разных направлениях. Существует единственный компонент материи, который не имеет массы и не взаимодействует с самим собой. Однако взаимодействия между материей и гравитацией полностью включены и имеют решающее значение.
Классические эволюционные уравнения системы следуют из уравнения общей теории относительности Эйнштейна. Для рассматриваемой здесь модели оно сводится к уравнению Фридмана a −2 ( d a / d t ) 2 =4π G p φ 2 /3 a 6 for масштабный фактор a Вселенной как функция координатного времени t . Скорость изменения a определяется импульсом p φ сопряженным компоненте материи, φ , связанным через гравитационную постоянную, Г . Канонический анализ показывает, что q , определенное как d a / d t , может использоваться как переменная гравитационной конфигурации с импульсом p = 2 90 . Решение для p φ тогда подразумевает | р φ |=| H |, где H = q p в соответствующих единицах, поглощающих числовые предмножители.
Это уравнение означает, что H can be used as a hamiltonian determining evolution by d q / d φ = ∂ H / ∂ p = q and d p / d φ =− ∂ H / ∂ q =− p . Это эволюционные уравнения для гравитационных переменных относительно φ , а не координатное время, которое можно исключить в общековариантных системах. Они легко решаются полностью с помощью q ( φ )= q 0 e φ and p ( φ )= p 0 e − φ . (Несмотря на формальное сходство, это не решение для статического пространства де Ситтера, поскольку q и p выражаются через φ , а не через координатное время, t .) Сингулярность Большого взрыва показана на решения как точка, где p , связанная с пространственным объемом соотношением V ∝ p 3/2 , стремится к нулю, и поле материи φ , а также внешняя кривизна q становятся бесконечными.
Пространственно-временной анализ показывает, что эта точка будет достигнута за конечное количество собственного времени для любого наблюдателя.
В общем, очень нетривиально, чтобы классическая разрешимая система оставалась разрешимой после квантования. Квантовое состояние содержит гораздо больше параметров, чем классическое состояние, поскольку не только q и p должны определяться как средние значения и в состоянии ψ , но также и флуктуации
и бесконечно много других величин, включающих более высокие степени и . Это новые ингредиенты из-за вероятностной природы квантовой теории. Флуктуация, Δ q , например, дает основную дисперсию в повторных измерениях q . В квантовой космологии единой вселенной такая оперативная интерпретация Δ q концептуально сложно, но для наших целей достаточно рассматривать Δ q как динамическую меру квантовых аспектов состояния. Фактически квантовая механика обеспечивает динамическую эволюцию всех флуктуаций и других переменных: квазиклассический волновой пакет расширяется и деформируется в процессе эволюции (изменение Δ q и т.
д.), что, в свою очередь, влияет на движение его среднего значения при и . Эта обратная реакция подразумевает квантовые поправки к классическим уравнениям, которые часто можно наблюдать непосредственно. Связанная динамика обычно сложна, но для квадратичных гамильтонианов, таких как наша система, становится возможным подробный анализ даже в квантовой теории. Имеем уравнения типа Гейзенберга и , где, например, для значений ожидания. Кроме того, существуют уравнения движения для флуктуаций, которые также можно легко вычислить и решить. Эти уравнения содержат новую информацию о квантовой системе по сравнению с классической. Они говорят нам не только о том, как средние значения изменяются во времени, но и о том, как эволюционирует ожидаемое отклонение фактического измерения от ожидаемого значения. Если эта дисперсия велика, мы имеем типичное квантовое поведение.
Важно отметить, что разрешимая система доступна для космологии. Это позволяет нам включить возмущения, которые вокруг гармонического осциллятора являются основой большей части феноменологии физики элементарных частиц.
С идентифицированной здесь разрешимой космологической моделью аналогичная систематическая теория возмущений 8 становится доступной для квантовой космологии. Однако есть еще один шаг к получению несингулярной системы, предшествующей Большому взрыву. Эффекты квантовой гравитации при большой кривизне, q , измените гамильтониан в петлевом квантовании на
, что согласуется с приведенным выше только для малой кривизны, q ≪1, но отличается при большой кривизне, близкой к Большому взрыву. Хотя этот гамильтониан не квадратичен по q и p и, следовательно, не является явно разрешимым, квантовая система, что примечательно, все еще разрешима. Вводя комплексную переменную , гамильтониан
становится линейным и дает (1/2 i )( e i q − e − i q ) p =sin( q ) как правильное соответствие. При нелинейном выражении J , в q и p это не влечет немедленной разрешимости, но все эволюционные уравнения для математических ожиданий
и флуктуаций можно, как и прежде, не только вычислить, но даже вычислить.
решается явно в общем виде. Как только реализовываются условия реальности, гарантирующие, что Q , содержащийся в J является реальным (| J | 2 = P 2 ), решение для P дается функцией P ( φ ) = H. ch( φ ), которое никогда не становится равным нулю. Таким образом, решение не содержит сингулярностей, в которых пространство сжималось бы в одну точку. Вместо этого существует минимальное расширение, которое представляет собой отскок, заменяющий сингулярность Большого взрыва. Все переменные эволюционируют детерминистически через отскок, включая квантовые флуктуации (рис. 1).
Рисунок 1: Распространение через отскок.
Состояние, которое первоначально имеет небольшие колебания (слева), отскакивает и развивает большие колебания (справа). Время откладывается по горизонтальной оси, а объем откладывается по вертикали. Величина волновой функции обозначена цветами.
Желтый цвет означает самую высокую амплитуду, реализованную там, где состояние наиболее острое, за которым следуют красный и синий.
Изображение полного размера
Теперь мы можем сформулировать наш основной вопрос о флуктуациях до и после Большого Взрыва. Состояние можно считать более классическим, чем меньше квантовые флуктуации, с нижним пределом, определяемым соотношением неопределенностей Гейзенберга (Δ q ) 2 (Δ p ) 2 ≥ℏ 2 /4. В лучшем случае это может быть насыщено, что мы можем с уверенностью предположить для моделирования нашей нынешней Вселенной. Мы задаемся вопросом, наложит ли это наблюдение современного классического поведения какие-либо ограничения на флуктуации до Большого взрыва. Proceeding as before 9 , fluctuations depend on three free constants Δ ± , Δ 0 : Δ p ( φ ) 2 = Δ − 2 e −2 φ + Δ 0 2 + Δ + 2 e 2 φ where Δ 0 имеет значение только вблизи отскока ( φ =0) и должно быть мало, чтобы вещество не имело сильных флуктуаций.
Остальные параметры представляют собой флуктуации объема до ( Δ − ) и после ( Δ + ) Большого взрыва. Они появляются в произведении неопределенности, которое проще и не менее информативно записать между Δ p and Δ H :
At large φ >0, the constant Δ − is negligible (our present Universe, for comparison, would at least have e φ 0 ≈ p ( φ 0 )/ p (0) ≈ e 120 ). Полуклассичность сегодня требует, чтобы Δ + было примерно ℏ H / Δ H , тогда как Δ — вообще не имеет признаков и не ограничен в наблюдениях, подавляясь коэффициентом e -4 φ по сравнению с Δ + . Однако она стала существенной величиной до Большого взрыва ( φ <0). В то время у нас были бы небольшие флуктуации, если бы Δ − также было порядка ℏ H / H , что, безусловно, допустимо в качестве решения.
Но уравнение (1) или другая доступная информация о Δ p ( φ ) при φ >0, не ограничивает Δ − ; он может быть огромным (пока он меньше e 4 φ 0 ≈ e 480 ≈10 200 ) и подразумевать сильные квантовые флуктуации во Вселенной до взрыва. Сделать выводы о флуктуациях Вселенной до Большого Взрыва практически невозможно: соответствующий параметр подавляется огромными размерами нынешней Вселенной. (Есть физические процессы, называемые декогеренцией 10 , которые могут подтолкнуть квантовую систему к более классическому поведению. Эти сложные механизмы зависят от квантового состояния, в котором они работают, и особенно флуктуации остаются важными для результата.)
Этот довольно простой вывод иллюстрирует ограниченность нашего понимания природы. Известно несколько примеров из хаотической динамики и квантовой теории, и все они сыграли важную роль в философских дебатах.
Поэтому мы должны отличать это от возникающего здесь ограничения, которое относится к другому типу. Система не хаотична, но любой след некоторых ее начальных условий теряется во времени. Это квантовая система, и ограничение связано с квантовыми неопределенностями. Как обычно, родовые состояния распространяются, а их флуктуации растут. Но в космологии колебания до и после Большого взрыва в значительной степени независимы; знание самих флуктуаций ограничено в дополнение к неопределенности средних значений, подразумеваемой ненулевыми флуктуациями. В космологии существует огромный диапазон масштабов от планковской длины до хаббловского радиуса. Наш подробный анализ показывает, как они могут входить в предсказания неожиданным образом.
Физика ведет к наблюдениям и пониманию более ранних времен нашей Вселенной и, возможно, даже ее происхождения, но Большой взрыв всегда возникал как барьер. Даже в моделях, чьи математические уравнения не ломаются, описывая вселенную до Большого взрыва, практически теряется некоторая информация об одном из самых элементарных свойств.
В частности, в рассматриваемой здесь решаемой модели размер квантовых флуктуаций до Большого взрыва входит в величины после Большого взрыва только в сильно подавленном виде. Это говорит о том, что текущие наблюдения не могут дать существенных ограничений на их значения.
В качестве общей концепции это представляет привлекательную новую картину вселенной, сочетающую вечные циклические модели и линейные модели. Линейная модель начинается в конечное время в прошлом, тогда как циклическая модель существует вечно, будь то несколько циклов или только одна сжимающаяся фаза, за которой следует расширяющаяся. Мы описали теорию, эволюция которой никогда не останавливается, будучи в этом смысле циклической. Но некоторые следы каждого цикла безвозвратно теряются вскоре после перехода от коллапса к расширению. Полные предсказания и объяснения наблюдений могут быть сделаны только для конечной части, начинающейся после Большого Взрыва. Вечному повторению того же препятствует внутреннее космическое забвение.
Это может показаться возвращением к традиционной картине Большого взрыва, где говорить о «до Большого взрыва» бессмысленно. Но это более тонко: в этой традиционной картине Большому взрыву предшествует сингулярность, в которой теория рушится. Сингулярность — это теоретическое ограничение, а не физическое начало. Квантовая гравитация, используемая здесь, может дать решения, выходящие за пределы классической сингулярности. И все же ограничения на наблюдения некоторых, но не всех свойств до Большого взрыва существуют, которые теперь выводятся в рамках теории, а не как ограничения теории.
Ранняя Вселенная | Обсерватория Лас-Кумбрес
Ранняя Вселенная
| Обсерватория Лас-Кумбрес
перейти к содержанию
Космологи знают, что сейчас Вселенная расширяется, и экстраполируют это расширение в прошлое, чтобы изучить, какой была ранняя Вселенная.
78 раз за долю секунды. 99 Кельвин.
