После вселенной что идет: Что лежит за пределами наблюдаемой Вселенной

Космология

Статьи по теме Космология

Гипотеза Уильяма Кельвина о грядущей “Тепловой смерти Земли“ в 1865 году была изменена Рудольфом Клаузиусом на гипотезу «Тепловой смерти Вселенной».

Одним из основных вопросов, которые не выходят из сознания человека, всегда был и является вопрос: «как появилась Вселенная?».

Мультивселенная – научная концепция предполагающая наличие множества параллельных вселенных. Существует ряд гипотез, описывающих многообразие этих миров, их

Космологическая постоянная — константа, которая была введена в Теорию относительности Альбертом Эйнштейном для противодействия силам гравитации.

Барионная асимметрия Вселенной – явление преобладания вещества над антивеществом во Вселенной, создающее возможность существования мира в нынешнем виде. 

Будущее Вселенной – один из основных вопросов космологии, зависящий от таких характеристик Вселенной как ее масса, энергия, плотность и скорость расширения.

Большой Разрыв — один из сценариев дальнейшей судьбы Вселенной, который предполагает разрыв всех существующих структур, вплоть до атомов.

Космологическая сингулярность — теоретическое состояние, в котором находилась Вселенная в начальный момент Большого Взрыва

Космологией называется область астрономии, которая изучает происхождение и развитие Вселенной в целом. С точки зрения космологии Вселенная представляет собой систему с особыми свойствами.

История становления космологии

О происхождении и эволюции Вселенной люди начали задумываться ещё в глубокой древности. Первоначально люди объясняли процесс сотворения наблюдаемого мира действием сверхъестественных сил — богов. Эпоха Возрождения и буржуазные революции привели к значительному уменьшению влияния религии на мировоззренческие взгляды людей. Последние пять веков ученые стараются объяснить процесс эволюции Вселенной с помощью естественных законов физики, химии и т. д.

Одна из первых версий строения мира — плоская земля, которая покоится на трех китах и черепахе

Изначально в древние времена люди знали очень ограниченный список астрономических объектов: Земля, Луна, 5 планет Солнечной Системы и т. н. “неподвижные” звезды. Наблюдаемое движение Солнца, Луны и планет по земному небу привело к ошибочному мнению, что Земля является центром Солнечной Системы и всей Вселенной. Подобная мировоззренческая система получила название геоцентрическая система мира. Лишь более тщательные наблюдения за движением небесных тел в дальнейшем позволили выяснить, что центром Солнечной Системы является Солнце, а вокруг Земли вращается только Луна. Подобная система называется гелиоцентрической. Насчет же звезд первоначально существовало несколько мнений: от отверстий в небесной сфере до очень далеких солнц (последний вариант в гелиоцентрической системе объяснялся отсутствием параллактического смещения по причине орбитального движения Земли вокруг Солнца).

Геоцентрическая система

Изобретение телескопа позволило радикально увеличить познавательные способности в изучении Вселенной. Даже небольшие телескопы показали, что число звезд на небе исчисляется многими миллионами. К середине 19 века телескопические наблюдения позволили впервые определить истинное (тригонометрическое) расстояние до ближайших звезд. В дальнейшем была создана шкала измерения расстояния до ещё более далеких объектов (на основе наблюдения особого типа переменных звезд — цефеид и измерения красного смещения спектров астрономических объектов). Особенно примечательным оказался последний момент. Как известно, доплеровское смещение спектров астрономических объектов бывает двух видов: смещение к синей или красной части спектров. Однако спектроскопия удаленных объектов (преимущественно туманностей — далеких галактик) показала, что в спектрах преобладает смещение к красной части спектров. Этот факт стал ярким доказательством того, что наша Вселенная расширяется — расстояние между сверхскоплениями галактик постепенно увеличивается, несмотря на силы гравитационного притяжения и потери энергии по причине излучения гравитационных волн.

Развитие космологии в последние десятилетия

Основные современные направления развития космологии связаны с несколькими пунктами:

Структура Вселенной в общем

— наблюдение в ближнем инфракрасном диапазоне (спектр излучения наиболее далеких объектов в видимой части нашей Вселенной смещен к ИК-диапазону). Подобные наблюдения позволяют изучать самые первые звезды и галактики Вселенной. С другой стороны набирает популярность использование “природных” телескопов. Речь идет о наблюдениях далеких гравитационных линз. Искривление гравитационных полей массивных скоплений галактик позволяет увеличивать фоновые изображения очень далеких и слабых объектов – первых звезд и галактик. Подобные наблюдения уже позволили наблюдать очень далекие сверхновые и даже обычные звезды.

— регистрация реликтового (реликт.) излучения в субмиллиметровом диапазоне электромагнитного спектра. Подобное излучение является остаточным следом момента, когда первичное вещество Вселенной стало прозрачным для электромагнитного излучения. Наблюдение реликтового излучения позволяет изучить Вселенную с возрастом примерно в 370 тысяч лет после момента Большого взрыва.

— в ближайшем будущем ожидается регистрация других экзотических излучений, которые позволят изучить ещё более молодую нашу Вселенную. Речь идет о нейтринном и гравитационно-волновом реликтовом излучениях. Это связано с тем, что проникающая способность нейтрино и гравитационных волн гораздо больше, чем у электромагнитного излучения. Первое излучение рождается во Вселенной возрастом около одной секунды, второе излучение появляется во Вселенной, возраст которой составляет всего 10 в -43 степени секунд.

— в конце 20 века было открыто важное космологическое свойство Вселенной: ускоренное расширение. Подобное явление было обнаружено через изучение сверхновых первого типа, которые являются одними из самых точных индикаторов расстояний до далеких галактик. Открытие ускоренного расширения Вселенной стало доказательством того, что наблюдаемая Вселенная примерно на 75% состоит из темной энергии.

Эволюция Вселенной после рождения

— в настоящее время набирает обороты картографирование Вселенной в наиболее крупных масштабах. Как известно, в целом, Вселенная является пенообразной структурой с ячейками, размер каждой из которых достигает несколько сотен миллионов парсек. Каждая из ячеек представляет собой огромную пустоту, где не наблюдаются крупные галактики. В тоже время границами ячеек являются огромные сверхскопления галактик. Картографирование Вселенной осуществляется, как с помощью спектроскопических обзоров миллионов галактик, так и другими методами (определение расстояния до гамма-всплесков с помощью измерения красного смещения их оптического послесвечения или каталогизация галактик с наиболее активными ядрами — квазаров). В последние годы набирает популярность ещё один метод — тщательное картографирование реликтового излучения. Изучение неоднородностей распределения вещества в молодой и современной Вселенной позволяет понять нюансы эволюции Вселенной. Особое место в процессе картографирования Вселенной занимает поиск “скрытой” массы – т.н. темной материи. Вплоть до настоящего времени остаётся загадкой, что представляет собой подобная материя. Так самые тщательные поиски на земных детекторах элементарных частиц не смогли обнаружить возможные неизвестные элементарные частицы-кандидаты в темную материю.

Неоднородности в реликтовом излучении электромагнитных волн по данным разных обзоров

— рост вычислительных мощностей суперкомпьютеров позволяет улучшать возможности моделирования рождения и эволюции Вселенной. Сравнение наблюдаемой и смоделированной картины развития Вселенной помогает в поисках проблемных мест в теоретической базе космологии.

Карты неба относительно галактической плоскости на различных длинах волн электромагнитного спектра (ЭМС)

В диапазоне ЭМС с длинами волн от половины одного миллиметра наиболее заметными объектами является свечение от спиральных рукавов нашей галактики и зодиакального света (в последнем случае, это линия, пересекающая все небо, которая лучше всего заметна на длине волны в 2.5 сантиметров). На длинах волн ЭМС в несколько миллиметров хорошо заметно фоновое излучение, которое светит на всём небе. Это и есть реликтовое излучение.

Основные тезисы космологии

Основное положение космологии — это утверждение, что наша Вселенная представляет собой расширяющийся мир диаметром в несколько десятков миллиардов световых лет, состоящий из нескольких триллионов галактик разного размера. Скорость расширения Вселенной можно описать с помощью закона Хаббла:

υ=Hr, где Н – постоянная Хаббла, υ — скорость галактики, а r – это расстояние до галактики.

Интерполяция расширения Вселенной приводит к пониманию того, что около 13.7 миллиардов лет назад Вселенная являлась точечным объектом — сгустком первичной материи и энергии. Рождение Вселенной объясняется концепцией Большого взрыва. На основе теоретических расчетов до появления первых звезд во Вселенной химический состав Вселенной на ¾ представлял собой водород, а на ¼ гелий.

Основы теории Большого взрыва

Большим взрывом называется космологическая модель, описывающая начало эволюции Вселенной, перед которым Вселенная находилась в состоянии сингулярности. Остаточным излучением Большого взрыва является реликтовое излучение (в электромагнитном или гравитационно-волновом диапазоне, а также реликтовое нейтринное излучение).

Что изучает космология

Основными объектами изучения космологии являются первые звезды и галактики, реликтовое излучение (электромагнитное, гравитационно-волновое и нейтринное) и вспышки далеких сверхновых.

Проблемные места теории Большого взрыва

Основными проблемами теории Большого взрыва являются следующие вопросы:

— Почему Вселенная начала расширяться?

— Из чего состояла Вселенная до начала расширения?

Дополнительными проблемами в космологии является прогнозирование будущего Вселенной. Существует несколько вариантов будущего Вселенной: от бесконечного расширения (теория «большого разрыва») до смены расширения на сжатие (с последующим новым Большим взрывом — теория циклической эволюции Вселенной).

Схематичная иллюстрация возможного будущего Вселенной — теории «Большого разрыва»

В настоящее время появилась ещё одна проблема: значительное несоответствие оценок постоянной Хаббла, полученной двумя разными способами (через анализ данных обзора реликтового излучения космическим аппаратом «Планк» и измерение расстояния до внегалактических цефеид).

Схематичная иллюстрация возможной циклической эволюции Вселенной

Отличия астрономии от космологии

Хотя астрономы и космологи изучают одну и ту же Вселенную, тем не менее, между их областями изучения существует главное отличие. Это отличие заключается в том, что астрономия в основном изучает конкретные небесные тела (астероиды, планеты, звезды и галактики), в то время как космология изучает Вселенную как одну неделимую систему.

Самовоспроизводящаяся Инфляционная Вселенная

А. Линде (Самовоспроизводящаяся Инфляционная Вселенная) Статья в журнале Scientific American, 1994, перевод и вставки красного цвета И.М. Капитонова     Недавние версии инфляционного сценария описывают Вселенную как самовоспроизводящуюся структуру, которая рождает другие вселенные     Если я и мои коллеги правы, мы можем скоро распрощаться с идеей, что наша Вселенная была одним огненным шаром (ball) созданным в результате Большого взрыва. Мы исследуем новую теорию, основанную на возникшем 15 лет назад (1979 г.) взгляде, что Вселенная прошла через стадию инфляции. В течение этого времени, как утверждает эта теория, космос приобрел экспоненциально большие размеры за бесконечно малую долю секунды. После завершения этого периода Вселенная продолжила свою эволюцию согласно модели Большого взрыва. По мере улучшения инфляционного сценария его разработчики открыли удивительные следствия. Одно из них состоит в фундаментальном изменении того, как нам видится космос. Последние версии инфляционной теории утверждают, что вместо того чтобы быть одним расширяющимся огненным шаром Вселенная – это огромный, растущий фрактал. Он состоит из множества инфляционных шаров, производящих новые шары, которые в свою очередь производят другие шары и так далее. Космологи не произвольно придумали это довольно специфическое видение Вселенной. Несколько учёных, вначале в России, а позже в США, предложили инфляционные гипотезы, которые стали фундаментом новой теории. При этом удалось решить некоторые проблемы, оставленные старой идеей Большого взрыва.     В своей стандартной форме теория Большого взрыва утверждает, что Вселенная родилась около 15 миллиардов лет назад из космологической сингулярности – состояния, в котором температура и плотность бесконечно велики. Конечно, нельзя реально говорить в физических терминах о бесконечных величинах. Обычно считают, что текущие физические законы не применимы в этом случае. Они применимы после того, как плотность падает ниже планковской  (1094 г/см3).     По мере расширения Вселенной она постепенно охлаждалась. Остатки первородного космического огня по-прежнему окружают нас в виде микроволнового фонового реликтового излучения (MBR – microwave background radiation). Это излучение указывает на то, что температура Вселенной снизилась до 2.7 градусов Кельвина. В 1965 г. открытие этого радиационного фона by Arno A. Penzias and Robert W. Wilson из лаборатории Белла обеспечило признание теории Большого взрыва как выдающейся космологической теории. Теория Большого взрыва также объяснила распространенность водорода, гелия и других элементов во Вселенной.     По мере того как исследователи разрабатывали инфляционную теорию, они вскрыли ряд сложных проблем. Например, стандартная теория Большого взрыва  в сочетании с современной теорией элементарных частиц, предсказывает существование многих сверхтяжелых частиц, несущих магнитный заряд, т.е. объектов, которые имеют только один магнитный полюс. Эти магнитные монополи должны иметь типичную массу в 1016 раз больше массы протона, или примерно 0.00001 миллиграммов. Согласно стандартной теории Большого взрыва монополи возникают очень рано в эволюционирующей Вселенной и должны теперь быть примерно в том же количестве, как протоны. В этом случае, средняя плотность материи во Вселенной должна быть на 15 порядков величины больше, чем ее текущая плотность, которая составляет около 10-29 г/см3.     Эта и другие загадки заставили физиков посмотреть внимательнее на основные предположения, лежащие в основе стандартной космологической теории. И мы нашли среди них много весьма сомнительных. Я рассмотрю шесть наиболее трудных. Первая и главная проблема – это само существование Большого взрыва. Можно задаться вопросом: что было до этого? Если пространство-время не существовало тогда, как всё появляется из ничего? Что возникло первым: Вселенная или законы, определяющие её эволюцию? Объяснение этой начальной сингулярности – где и когда всё началось – остаётся наиболее неподатливой проблемой современной космологии.

Второе тревожное пятно это то, что пространство плоское. Общая теория относительности считает, что пространство может быть очень искривленным с типичным радиусом ≈ планковской длины (≈10-33 см). Мы видим, однако, что наша Вселенная плоская на шкале 1028 см (радиус наблюдаемой части Вселенной). Этот результат отличается от теоретических ожиданий больше чем на 60 порядков величины.   Подобное расхождение между теорией и наблюдениями относится и к размеру Вселенной (третья проблема). Космологические данные показывают, что «наша» часть Вселенной содержит 1080 элементарных частиц (нуклоны и электроны). Почему Вселенная так велика? Если принять, что Вселенная имела типичный начальный планковский размер и планковскую плотность, то можно на основе стандартной модели Большого взрыва вычислить, как много частиц такая Вселенная может содержать. Ответ довольно неожиданный: Вселенная должна содержать 1 элементарную частицу, максимум 10 (?). Таким образом, такая Вселенная не в состоянии вместить даже одного читателя Scientific American, который состоит из около 1029 элементарных частиц. Очевидно, что-то не так с этой теорией.     Четвёртая проблема относится ко времени расширения. В своей стандартной форме теория Большого взрыва предполагает, что все части Вселенной начали расширяться одновременно. Но как могли различные части Вселенной синхронизовать начало расширения? Кто дал команду?     Пятая (проблема) касается распределения материи во Вселенной. На очень большой шкале Вселенная однородна. Через более чем 10 миллиардов световых лет её распределение отличается от однородного менее чем на  одну часть от 10 000 (10−4). В течение долгого времени никто не имел идею, почему Вселенная так  однородна. Но те, кто не имеет идею, иногда имеют принципы (перефразированный Эйнштейн). Один из краеугольных камней стандартной космологии – «космологический принцип», который утверждает однородность Вселенной. Но он мало помогает, так как Вселенная содержит важные отклонения от однородности – звёзды, галактики, и другие агломераты материи. Поэтому нужно объяснить однородность Вселенной и одновременно предложить механизм возникновения галактик.     Наконец имеется то, что я называю проблемой уникальности Вселенной (шестая проблема). Сущность этой проблемы в словах Эйнштейна: «Что действительно интересует меня – имел ли Бог какой-нибудь выбор при создании мира?». Действительно, слабые изменения в физических константах заставляют Вселенную полностью измениться. Например, многие популярные теории элементарных частиц предполагают, что пространство-время вначале имело значительно больше, чем 4 размерности (3 координаты + время). Для того, чтобы приложить теоретические вычисления к миру, в котором мы живём, эти модели утверждают, что «лишние» размерности «компактифицированы» или свёрнуты в малое пространство и засунуты прочь. Но можно задаться вопросом, почему компактификация остановилась на 4-размерностях, а не на 2-х или пяти.     Более того, способ, которым другие размерности свёртываются, существенны для определения значения констант природы и масс частиц. В некоторых теориях компактификация может возникать миллиардами различных способов. Несколько лет назад казалось довольно бессмысленным спрашивать, почему пространство-время 4-х мерно, почему гравитационная постоянная так мала, и почему протон почти в 2000 раз тяжелее электрона. Теперь развитие теории элементарных частиц делает ответы на эти вопросы критическими для понимания конструкции нашего мира.     Все эти (и многие неупомянутые) проблемы вызывают чрезвычайное недоумение. Что ободряет так это то, что многие из этих загадок можно разрешить в рамках теории самовоспроизводящейся инфляционной Вселенной.     Основные черты инфляционного сценария коренятся в физике элементарных частиц. Поэтому совершим краткий экскурс в эту область, в частности, в теорию объединённых слабых и электромагнитных взаимодействий. Обе эти силы проявляют себя через частицы. Фотоны являются посредником электромагнитных сил; W и Z частицы ответственны за слабую силу. Но в то время как фотоны безмассовы, W и Z-частицы очень тяжелые. Чтобы объединить слабые и электромагнитные взаимодействия, несмотря на очевидные различия между фотонами и W и Z-частицами, физики ввели так называемые скалярные поля.

Хотя скалярные поля не предмет повседневной жизни, знакомая аналогия существует. Это электростатический потенциал – напряжение в цепи тока, например. Электрическое поле проявляет себя, только если потенциал неоднороден (не одинаков), как между полюсами батареи или, если он меняется со временем. Если он одинаков везде (скажем 110 в), то никто его не замечает. Этот потенциал просто другое вакуумное состояние. Подобно этому скалярное поле выглядит как вакуум. Мы его не видим, даже если окружены им.     Эти скалярные поля заполняют Вселенную и проявляют себя лишь через свойства элементарных частиц. Если скалярное поле взаимодействует с W, Z, то они становятся тяжёлыми. Частицы, которые не взаимодействуют со скалярным полем, как фотоны, остаются лёгкими.     Чтобы описать физику элементарных частиц, физики, поэтому, начали с теории, в которой все частицы изначально лёгкие и в которой нет фундаментальных различий между слабым и электромагнитным взаимодействием. Эти различия появляются позже, когда Вселенная расширяется и заполняется различными скалярными полями. Процесс, в котором фундаментальные силы разделяются, называется нарушением (breaking) симметрии. Особое значение скалярного поля, которое появляется во Вселенной, определяется положением минимума её потенциальной энергии.     Скалярные поля играют решающую роль в космологии, так же как и в физике элементарных частиц. Они обеспечивают механизм, который генерирует быструю инфляцию Вселенной. В самом деле, согласно общей теории относительности Вселенная расширяется со скоростью (приблизительно) пропорциональной квадратному корню из её плотности. Если Вселенная заполнена обычной материей, тогда плотность быстро уменьшается с расширением Вселенной. Поэтому расширение Вселенной должно быстро замедляться по мере падения плотности. Но из-за эквивалентности массы и энергии, установленной Эйнштейном, потенциальная энергия скалярного поля также даёт вклад в расширение. В определённых случаях эта энергия уменьшается значительно медленнее, чем плотность обычной материи.     Приблизительное постоянство (persistance) этой энергии (её медленное уменьшение) может вести к стадии экстремально быстрого расширения или инфляции Вселенной. Эта возможность возникает, даже если рассматривать простейшую версию теории скалярного поля. В этой версии потенциальная энергия достигает минимума в точке, где скалярное поле исчезает. В этом случае, чем больше скалярное поле, тем больше его потенциальная энергия. Согласно общей теории относительности энергия скалярного поля должна вызывать очень быстрое расширение Вселенной. Расширение замедляется тогда, когда скалярное поле достигает минимума своей потенциальной энергии.     Одна возможность представить эту ситуацию – шар, скатывающийся по стенке большой миски. Дно миски – минимум энергии. Положение шара соответствует значению скалярного поля. Конечно, уравнения, описывающие движение (изменение) скалярного поля в расширяющейся Вселенной, отчасти сложнее, чем для шара в пустой миске. Они содержат дополнительный член трения или вязкости. Это трение похоже на чёрную патоку в миске. Вязкость этой жидкости зависит от энергии поля. Чем выше шар, тем толще слой жидкости. Поэтому, если поле вначале очень большое, то энергия падала экстремально медленно.     Инертность энергетического падения скалярного поля решающим образом влияет на скорость расширения. Падение было таким постепенным, что потенциальная энергия скалярного поля оставалась почти постоянной по мере расширения Вселенной. Это сильно контрастирует с обычной материей, плотность которой быстро падает с расширением Вселенной. Благодаря большой энергии скалярного поля Вселенная продолжала расширяться со скоростью больше, чем предсказывалось доинфляционными космологическими теориями. Размер Вселенной в этом режиме растёт экспоненциально.     Стадия самоподдерживающейся, экспоненциально быстрой инфляции продолжается недолго. Её длительность ≈10-35 сек. Когда энергия поля снижается, вязкость почти исчезает и инфляция заканчивается. Подобно шару, достигающему дна миски, скалярное поле начинает осциллировать вблизи минимума её потенциальной энергии. В процессе этой осцилляции оно теряет энергию, отдавая её на образование элементарных частиц. Эти частицы взаимодействуют друг с другом и, в конце концов, устанавливается равновесная температура. Начиная с этого момента стандартная теория Большого взрыва может описать дальнейшую эволюцию Вселенной.       Главное различие между инфляционной теорией и старой космологией выясняется при вычислении размера Вселенной в конце инфляции. Даже, если Вселенная в начале инфляции имела размер 10-33 см (планковский размер), после 10-35 сек инфляции её размер становится немыслимо огромным. Согласно некоторым  инфляционным моделям этот размер становится  см, т.е. единица с триллионом нулей. Это число зависит от модели, но в большинстве из них этот размер на много порядков больше размера наблюдаемой Вселенной (1028 см).     Этот огромный (инфляционный) спурт немедленно решает большинство проблем старой космологической теории. Наша Вселенная – гладкая и однородная, потому что все неоднородности растянуты в раз. Плотность первичных магнитных монополей и других «нежелательных» дефектов становится экспоненциально разбавленной. (Недавно мы нашли, что монополи могут вызывать самоинфляцию и таким образом эффективно выталкивать себя из наблюдаемой Вселенной). Вселенная становится так велика, что мы сейчас видим только крошечную её долю. Вот почему, подобно малой части поверхности огромного подверженного инфляции баллона, наша часть Вселенной выглядит плоской. Вот почему нам не нужно требовать, чтобы все части Вселенной начали расширяться одновременно. Один домен самых малых возможных размеров (10-33 см) более чем достаточен, чтобы произвести всё, что мы сейчас видим.     Инфляционная теория не всегда выглядела такой концептуально простой. Попытки получить стадию экспоненциального расширения Вселенной имеют давнюю историю. К сожалению, из-за политических барьеров эта история только частично известна американским читателям.     Первая реалистическая версия инфляционной теории была создана Алексеем Старобинским (Институт теоретической физики им. Ландау) в 1979 г. Модель Старобинского произвела сенсацию среди российских астрофизиков, и в течение двух лет она оставалась главной темой обсуждения на всех конференциях по космологии в Советском Союзе. Эта модель довольно сложна и основана на теории аномалий в квантовой гравитации. Она не сказала много о том, как инфляция начинается.     В 1981 г. Алан Гус (Alan H Guth, Массачусэтс, США) предположил, что горячая Вселенная на некоторой промежуточной стадии могла расширяться экспоненциально. Его модель возникла из теории, которая интерпретирует развитие ранней Вселенной как серию фазовых переходов. Это последняя теория была предложена в 1972 г. Давидом Киржницем и мной (Андреем Линде). Согласно этой идее по мере расширения и охлаждения Вселенной она конденсируется в различных формах. Водяной пар подвергается таким фазовым переходам. По мере охлаждения пар конденсируется в воду, которая, если продолжить охлаждение, становится льдом.     Идея Гуса требовала, чтобы инфляция возникала, когда Вселенная была в нестабильном, переохлаждённом состоянии. Переохлаждение является обычным в процессе фазового перехода. Например, вода при подходящих обстоятельствах остаётся жидкой и при to< 0o C. Конечно, переохлаждённая вода, в конце концов, замерзает. Это событие соответствует концу инфляционного периода. Идея использовать переохлаждение для решения многих проблем модели Большого взрыва была очень привлекательной. К сожалению, как сам Гус указал, постинфляционная Вселенная в его сценарии становится экстремально неоднородной. После исследования своей модели в течение года он, наконец, отказался от неё в своей статье с Еrick J. Weinberg из Колумбийского университета.     В 1982 г. я ввёл так называемый новый инфляционный сценарий Вселенной, который Andreas Albrecht и Paul J. Steinhardt из университета Пенсильвании также позже открыли (см. «The Inflationary Universe» by Alan H. Guth and Paul J. Steinhardt, SCIENTIFIC AMERICAN, May 1984). Этот сценарий «справился» с главными проблемами модели Гуса. Но она всё ещё оставалась довольно сложной и не очень реалистичной.     Только год позже я осознал, что инфляция это естественно возникающая черта многих теорий элементарных частиц, включающих простейшую модель скалярного поля, обсуждавшуюся выше. Не нужны эффекты квантовой гравитации, фазовых переходов, переохлаждения и даже стандартного предположения, что Вселенная первоначально была горячей. Достаточно рассмотреть все возможные сорта и значения скалярного поля в ранней Вселенной и затем проверить, есть ли среди них те, которые ведут к инфляции. Те места (Вселенной), где инфляция не возникает, остаются малыми. Те домены, где инфляция имеет место, становятся экспоненциально большими и доминирующими в общем объёме Вселенной. Из-за того, что скалярное поле может принять произвольное значение в ранней Вселенной, я назвал этот сценарий хаотической инфляцией.     Во многих отношениях хаотическая инфляция так проста, что трудно понять, почему эта идея не была открыта быстрее. Я думаю, что причина чисто философская. Блестящие успехи теории Большого взрыва гипнотизировали космологов. Мы предполагали, что полная Вселенная была создана в один и тот же момент, что вначале она была горячей, и что скалярное поле вначале находилось вблизи минимума своей потенциальной энергии. Как только мы начали ослаблять эти предположения, мы немедленно нашли, что инфляция не экзотическое явление, придуманное теоретиками для решения своих проблем. Это общий режим, который возникает в широком классе теорий элементарных частиц.       Это быстрое растяжение Вселенной может одновременно решить много трудных космологических проблем и может показаться слишком хорошим, чтобы быть правдой. В самом деле, если все неоднородности были сглажены растяжением, как образуются галактики? Ответ в том, что пока удаляются ранее образованные неоднородности, инфляция в то же время создаёт новые.       Эти неоднородности возникают от квантовых эффектов. Согласно квантовой механике пустое пространство не полностью пустое. Вакуум заполнен малыми квантовыми флуктуациями. Эти флуктуации могут рассматриваться как волны или как волнистость физических полей. Волны имеют все возможные длины и двигаются во всех направлениях. Мы не можем детектировать эти волны, потому что они живут очень мало и микроскопические.       В инфляционной Вселенной структура вакуума становится даже более сложной. Инфляция быстро растягивает волны. Как только длина волны становится достаточно большой, эта волнистость начинает чувствовать кривизну Вселенной. В этот момент растяжение волн останавливается из-за вязкости скалярного поля (напомним, что уравнение, описывающее поле, содержит член трения).     Первыми вымораживаются флуктуации, которые имеют большие длины волн. По мере того, как Вселенная расширяется, новые флуктуации становятся более растянутыми и вымораживаются на вершине других вымороженных волн. На этой стадии мы не можем назвать больше эти волны квантовыми флуктуациями. Большинство их имеют экстремально большие длины волн. Так как эти волны не двигаются и не исчезают, они увеличивают значение скалярного поля в некоторых областях и уменьшают в других, создавая, таким образом, неоднородности. Эти возмущения в скалярном поле вызывают возмущения плотности во Вселенной, что является ключевым для последующего образования галактик.     Вдобавок к объяснению многих черт нашего мира инфляционная теория делает несколько важных и тестируемых предсказаний. Во-первых, Вселенная должна быть экстремально плоской. Эта плоскостность может быть экспериментально проверена, так как плотность Вселенной связана просто со скоростью её расширения. До сих пор наблюдаемые данные в соответствии с этим предсказанием.       Другое проверяемое предсказание связано с возмущениями плотности, произведёнными в течение инфляции. Эти возмущения плотности действуют на распределение материи во Вселенной. Более того, они могут сопровождаться гравитационными волнами. И возмущения плотности и гравитационные волны накладывают отпечаток на микроволновое реликтовое излучение (МВR). Они передают температуре этого излучения слабые различия в различных местах неба. Эти неоднородности точно такие, какие найдены 2 года назад спутником Cosmic Background Explorer(COBE) и это подтверждено рядом более поздних экспериментов.       Хотя результаты СОВЕ согласуются с предсказаниями инфляции, было бы преждевременно заявить, что СОВЕ подтверждает инфляционную теорию. Но определённо, правда, что результаты спутника на текущем уровне точности могли бы опровергнуть большинство инфляционных моделей, но это не случилось. В настоящее время ни одна другая теория не может  объяснить, почему Вселенная так однородна, и всё ещё предсказать «рябь пространства», открытую СОВЕ.       Тем не менее, мы должны держать ум открытым. Существует возможность, что некоторые новые наблюдательные данные могут противоречить инфляционной космологии. Например, если бы наблюдательные данные сказали нам, что плотность Вселенной значительно отличается от критической, которая соответствует плоской Выселенной, то инфляционная космология столкнулась бы с реальным вызовом (можно разрешить и эту проблему, если она появится, но это довольно сложно).       Другое осложнение имеет чисто теоретическую природу. Инфляционные модели основаны на теории элементарных частиц, а эта теория сама полностью не сформирована. Некоторые версии этой теории (особенно теория суперструн) автоматически не ведут к инфляции. Вытаскивание инфляции из моделей суперструн может потребовать радикально новых идей. Мы должны определённо продолжать исследование альтернативных космологических теорий. Многие космологи, однако, верят, что инфляция, или что-то очень подобное ей, абсолютно необходимы для конструирования последовательной космологической теории. Инфляционная теория сама изменяется по мере того, как теория физики частиц быстро эволюционирует. Список новых моделей включает расширенную инфляцию, естественную инфляцию, гибридную инфляцию и многое другое. Каждая модель имеет уникальные черты, которые можно проверить через наблюдения или эксперименты. Большинство, однако, основано на идее хаотической инфляции.       Здесь мы подходим к наиболее интересной части нашей теории, к теории вечно существующей самовоспроизводящейся Вселенной. Эта теория довольно общая, но выглядит особенно многообещающей и ведёт к наиболее драматическим следствиям в контексте хаотического инфляционного сценария.       Как я уже упоминал, можно представить квантовые флуктуации скалярного поля в инфляционной Вселенной как волны. Они вначале двигаются во всевозможных направлениях и затем замораживаются одна на вершине другой. Каждая вымороженная волна слабо увеличивает скалярное поле в одних местах Вселенной и уменьшает в других.     Теперь рассмотрим те места Вселенной, где эти вновь вымороженные волны настойчиво (persistently, т.е. несколько раз подряд) увеличили скалярное поле. Такие области экстремально редки, но всё ещё существуют. И они могут быть экстремально важны. Эти редкие домены Вселенной, где поле прыгнуло вверх достаточно высоко, начнут экспоненциально расширяться с всегда увеличивающейся скоростью. Чем выше прыгнуло скалярное поле, тем расширение быстрее. Очень скоро эти редкие домены приобретут много бòльшие объёмы, чем другие.      Из этой (инфляционной) теории следует, что если Вселенная содержит, по крайней мере, один инфляционный домен достаточно большого размера, она начнёт непрерывно производить новые инфляционные домены. Инфляция в каждой точке может кончиться быстро, но много других мест будут продолжать расширяться. Полный объём всех этих доменов будет расти без конца. По существу, одна инфляционная Вселенная рождает другие инфляционные пузыри, которые в свою очередь рождают другие (см. картинку в конце).     Этот процесс, который я назвал вечной (eternal) инфляцией, идёт как цепная реакция, производя фракталоподобную картину Вселенной. В этом сценарии Вселенная, как целое, бессмертна. Каждая часть Вселенной может произойти из сингулярности где-то в прошлом и может закончиться сингулярностью где-то в будущем. Однако, нет конца эволюции всей Вселенной.     Ситуация с самым началом (very beginning) менее определённая. Есть шанс, что все части Вселенной были созданы одновременно в начальной сингулярности Большого взрыва. Необходимость этого предположения, однако, больше не очевидна. Более того, полное число инфляционных пузырей в нашем космическом дереве растёт экспоненциально со временем. Поэтому большинство пузырей (включая нашу собственную часть Вселенной) вырастает неопределённо далеко от ствола этого дерева. Хотя этот сценарий делает существование начального Большого взрыва почти ненужным (неуместным), для всех практических целей можно рассматривать момент образования каждого инфляционного пузыря как новый Большой взрыв. Из этой перспективы следует, что инфляция – не часть теории Большой взрыва, как думали 15 лет назад. Напротив, Большой взрыв – часть инфляционной модели.       Думая о процессе самовоспроизведения Вселенных, мы не можем избежать художественных аналогий, однако, они могут быть поверхностными. Можно интересоваться, если этот процесс таков, то, что случится со всеми нами? Мы рождены некоторое время назад. В конце концов, мы умрём и целый мир наших душ, чувствований и памяти исчезнет. Но были те, кто жил до нас, будут те, кто будет жить после, и человечество в целом, если оно достаточно умно, может жить долго.   Инфляционная теория предполагает, что подобный процесс может возникать во Вселенной. Может возникнуть некий оптимизм из знания того, что даже если наша цивилизация умрёт, будут другие места во Вселенной, где жизнь возникнет снова и снова во всех своих возможных формах.   Могут ли дела быть даже более любопытными? Да. До сих пор мы рассматривали простейшую инфляционную теорию с одним скалярным полем, которое имеет только один минимум потенциальной энергии. Между тем, реалистические модели элементарных частиц предсказывают (обсуждают) много сортов скалярных полей. Например, в объединённых теориях слабого, сильного и электромагнитного взаимодействий существует, по крайней мере, два других скалярных поля. Потенциальная энергия этих скалярных полей может иметь несколько различных минимумов. Это обстоятельство означает, что подобная теория может иметь дело с различными вакуумными состояниями, отвечающими различным типам нарушения симметрий между фундаментальными взаимодействиями и, как результат, с различными законами низкоэнергичной физики. (Взаимодействия частиц при экстремально больших энергиях не зависят от нарушений симметрий).   Такие сложности в скалярном поле означают, что после инфляции Вселенная может оказаться разделённой на экспоненциально большие домены, которые отличаются законами низкоэнергичной физики. Заметим, что это деление возникает, даже если полная Вселенная первоначально родилась в одном состоянии, соответствующем одному частному минимуму потенциальной энергии. В самом деле, большие квантовые флуктуации могут заставлять скалярное пле выпрыгивать из их минимумов. То есть они могут перебрасывать шары из одних мисок в другие. Каждая миска соответствует альтернативным законам взаимодействия частиц. В некоторых инфляционных моделях квантовые флуктуации так велики, что даже число размерностей пространства и времени может меняться.       Если эта модель правильна, то одна физика не может обеспечить полное объяснение всех свойств нашего участка Вселенной. Та же физическая теория может дать большие части Вселенной, которые имеют различные свойства. Согласно этому сценарию мы обнаруживаем себя внутри 4-х мерного домена с нашим типом физических законов не потому, что домены с различной размерностью и альтернативными свойствами невозможны или неправдоподобны, а просто потому, что наш сорт жизни невозможен в других доменах.       Означает ли это, что понимание всех свойств нашей области Вселенной потребует, кроме знания физики, глубокого исследования нашей собственной природы, возможно даже включая природу нашего сознания? Этот вывод определённо один из наиболее неожиданных, которые могут возникнуть из недавнего развития инфляционной космологии.       Эволюция инфляционной теории приводит к возникновению совершенно новой космологической парадигмы, которая отличается значительно от старой теории Большого взрыва и даже от первых версий инфляционного сценария.     В ней Вселенная оказывается и хаотической и однородной, расширяющейся и стационарной. Наш космический дом растёт, флуктуирует и вечно воспроизводит сам себя во всевозможных формах, как бы приспособляя себя ко всем возможным типам жизни, которые он может поддерживать.     Некоторые части новой теории, мы надеемся, останутся с нами на годы. Многие другие должны будут значительно модифицированы, чтобы подходить под новые экспериментальные данные и новые изменения в теории элементарных частиц. Кажется, однако, что последние 15 лет развития космологии необратимо изменили наше понимание структуры и судьбы Вселенной и нашего собственного места в ней.

СКАЛЯРНОЕ ПОЛЕ в инфляционной Вселенной может моделироваться шаром, катящимся вниз по боковой стороне чаши (миски). Голубой обод соответствует планковской плотности Вселенной, т.е. области, где находится  пространственно-временная пена (foam) и очень сильные квантовые флуктуации. Ниже обода (зеленый цвет) флуктуации слабее, но все еще достаточно сильны, чтобы обеспечить самовоспроизводство Вселенной. Если шар остается в чаше, он перемещается в менее энергичную область (оранжевую), где он скользит вниз очень медленно. Инфляция заканчивается, когда шар приближается к энергетическому минимуму (фиолетовый цвет). Далее он колеблется вокруг минимума и разогревает Вселенную. ЭВОЛЮЦИЯ ВСЕЛЕННОЙ различна в сценарии хаотической инфляции и стандартной теории Большого взрыва. Инфляция увеличивает размер Вселенной в раз, так что даже размер таких малых областей как 10-33 см (планковская длина) превышает радиус наблюдаемой Вселенной (1028 см). Инфляция также прогнозирует главным образом плоское пространство, в котором параллельные линии остаются параллельными (параллельные линии в закрытой Вселенной пересекаются; в открытой Вселенной они в конечном итоге расходятся). В отличие от оригинальной теории горячего большого взрыва расширение увеличивает планковский размер Вселенной только до 0.001 см и приводит к  различным геометриям пространства. САМОВОСПРОИЗВОДЯЩАЯСЯ ВСЕЛЕННАЯ в компьютерном моделировании состоит из экспоненциально больших доменов, каждый из которых имеет различные законы физики (представленные различными цветами). Острые пики — «Большие взрывы»; их высоты соответствуют плотности энергии Вселенной в этих местах. В вершинах пиков цвета быстро флуктуируют, указывая на то, что законы физики там пока не установились. Они становятся фиксированными только в долинах, одна из которых соответствует тому роду вселенных, в которой мы живем сейчас. ЭВОЛЮЦИЯ СКАЛЯРНОГО ПОЛЯ приводит ко многим инфляционным доменам, как видно в этой последовательности компьютерных образов. В большей части Вселенной скалярное поле уменьшается (это представляется в виде впадин и долин). В других местах квантовые флуктуации вызывают рост скалярного поля. В этих местах скалярные поля представляются вершинами, и Вселенная стремительно расширяется, приводя к созданию инфляционных регионов. Мы живем в одной из долин, где пространство больше не испытывает инфляции. САМОВОСПРОИЗВОДЯЩИЙСЯ КОСМОС предстает как расширенное ветвление инфляционных пузырей. Изменения в цвете представляют «мутацию» законов физики в различных вселенных. Свойства пространства в каждом пузыре не зависят от времени его образования. В этом смысле Вселенная в целом может быть стационарной, хотя внутренность каждого пузырька описывается теорией Большого взрыва.

Вселенная на ощупь: зачем запущен крупнейший детектор темной материи

Природа темной материи — одна из самых волнующих научных загадок. По некоторым подсчетам, на нее приходится более 80% всего вещества во Вселенной, но мы до сих не знаем, что же она представляет собой и существует ли вообще. Недавно ученые запустили новый и самый чувствительный детектор, призванный уловить частицы этой загадочной субстанции

Международная команда ученых успешно протестировала LUX-ZEPLIN — крупнейший в мире детектор частиц, из которых, согласно популярной гипотезе, состоит темная материя. Эти гипотетические частицы называются вимпами, от английской аббревиатуры WIMP (Weakly Interacting Massive Particle), то есть «слабовзаимодействующие массивные частицы».

Инструмент должен фиксировать столкновения вимпов с атомами жидкого ксенона. Работа предыдущих детекторов такого типа была безрезультатной, но, возможно, лишь потому, что они были недостаточно велики. Столкновения вимпов с атомами должны быть очень редкими, поэтому масса ксенона имеет значение. Она поэтапно увеличивалась от детектора ZEPLIN с его 12 кг ксенона (закончил работу в 2012 году) до детектора XENON1T (2018 год и 3,5 т ксенона). Мишень LUX-ZEPLIN содержит рекордные 7 т жидкого ксенона.

Успех этого проекта стал бы крупнейшим триумфом науки. Однако многие эксперты сомневаются, что темная материя состоит именно из тех частиц, которые ищет LUX-ZEPLIN, а некоторые — и в том, что она вообще существует.

Внешний детектор LZ, используемый для обнаружения радиоактивности, которая может имитировать сигнал темной материи. (Фото Matthew Kapust·Sanford Underground Research Facility)

Взвешивание галактик

Что такое темное материя? У астрономов есть два способа измерить массу галактики — по излучению и по гравитации. Звезды испускают свет, а межзвездный газ — радиоволны. По интенсивности этого излучения можно судить об общей массе вещества. С другой стороны, массу галактики можно вычислить по ее гравитационному притяжению. Величина этого тяготения определяется по движению звезд в галактиках, галактик в скоплениях, искривлению лучей света и другим эффектам.

Проблема в том, что гравитационный дебет упорно не сходится с излучательным кредитом. Вещества, видимого в телескопы (оптические или какие угодно), слишком мало, чтобы обеспечить нужную гравитацию. Эта проблема была широко осознана еще в 1970-х годах, но не решена до сих пор.

Есть два возможных решения. Первый вариант — переписать закон тяготения так, чтобы вся гравитация порождалась видимой материей. Второй путь — заключить, что в галактиках присутствует скрытая масса, она же темная материя. Это вещество, которого мы не видим, но знаем о нем благодаря его тяготению. Оба подхода имеют сторонников среди физиков и астрономов, но большинство все-таки склоняется к существованию темной материи.

Материал по теме

Переписывая классиков

Записать новый закон всемирного тяготения и встать в один ряд с Ньютоном и Эйнштейном, конечно, соблазнительно. Такие модели называются модифицированной ньютоновой динамикой (modified Newtonian dynamics, или MOND). Но у всех теорий MOND, а их предложено уже предостаточно, есть серьезные проблемы.

Во-первых, большинство MOND объясняет только орбиты звезд в галактиках, но не другие проявления гравитации темной материи (движение галактик в скоплениях, искривление лучей света и т.д.).

Во-вторых, и с движением звезд не все гладко. Допустим, что гравитирует только видимая материя. Тогда гравитация должна определяться массой этой материи и ее распределением в пространстве. Этот закон может быть не ньютоновским и не эйнштейновским, но он обязан быть однозначным. Однако наблюдения за сотнями галактик показывают, что жесткой связи между этими величинами нет. Даже если принять во внимание все известные погрешности, получается лишь статистическая корреляция, а не однозначный закон.

В-третьих, есть ситуации, когда влиянием темной материи можно пренебречь. Например, когда речь идет о движении не целых галактик, а лишь двух-трех тесно расположенных звезд или черных дыр. В таких условиях эйнштейновская теория гравитации работает безупречно, а вот MOND, как правило, плохо.

Наконец, даже если найдется MOND-теория, удовлетворяющая всем наблюдательным данным, вопросы на этом не закончатся. Физика предъявляет жесткие требования к устройству физических полей — гравитационных или каких угодно. Это не каприз теоретиков, а результат многовекового опыта изучения природы. Теории MOND им, как правило, не удовлетворяют. Принять такую теорию — значит сломать самые глубокие представления о физических законах.

Материал по теме

Подведем итог. Альтернативные теории гравитации создаются, чтобы «отменить» темную материю. Но и с этой задачей они справляются плохо. Кроме того, худо-бедно заменяя собой темную материю там, где она есть, они начинают «врать» там, где ее пренебрежимо мало. То есть решая (плохо) проблему в одном месте, они создают ее в другом. И, наконец, они не особенно согласуются с выстраданными наукой представлениями о структуре физических законов.

Ничего удивительного, что большинство специалистов относятся к этим идеям скептически. Но не исключено, что теорию гравитации однажды все-таки придется пересмотреть. Хотя это было бы куда большей революцией в науке, чем открытие темной материи.

Слева: схема детектора LZ. Справа: иллюстрация работы LZ — частицы взаимодействуют в жидком ксеноне, высвобождая вспышку света и заряд, которые собираются решетками фотоумножителей сверху и снизу. (Фото LZ·SLAC)

Вглядываясь в бездну

Итак, большинство экспертов склоняются к существованию в галактиках невидимого вещества. Тогда возникает вопрос, почему мы его не видим ни в каком диапазоне, от гамма-лучей до радиоволн. Тут есть два варианта. Либо у нас недостаточно чувствительные телескопы, либо эта материя принципиально невидима.

Первая идея выглядит проще. Астрономам известны небесные тела, которые почти невозможно заметить. Это, например, черные дыры или коричневые карлики. Более того, несколько раз астрономы открывали новые классы таких объектов. Так случилось с горячим межгалактическим газом (суммарная масса которого, к слову, намного превосходит массу галактик) и с «неудавшимися галактиками», где не началось образование звезд. И вообще, было бы самонадеянно полагать, что наши инструменты столь хороши, что им доступна вся материя во Вселенной.

Проблема заключается в том, что темной материи слишком много — в несколько раз больше, чем видимой.

Обычная материя состоит из атомных ядер и электронов — либо в виде атомов, либо в виде плазмы. У космологов есть детальные модели процессов, происходивших, когда во Вселенной возникли первые атомные ядра (первые минуты после Большого взрыва) и когда они объединились с электронами в первые атомы (спустя сотни тысяч лет). И эти модели говорят, что сегодня в галактиках просто не может быть столько атомов или ядер, сколько в них темной материи.

Есть трудности и с образованием самих галактик. По нынешним представлениям, первичное вещество было очень однородным. Но гравитация собирала материю в сгустки, из которых возникли галактики. Причем произошло это очень быстро по космическим меркам. Древнейшие галактики возникли уже в первые сотни миллионов лет после Большого взрыва. Такую скорость трудно объяснить. Но ученых выручает одна гипотеза. 

Материал по теме

Они предполагают, что темная материя имеет особые свойства. Ее частицы, в отличие от атомов или их ядер, не способны сталкиваться друг с другом. Поэтому темная материя создает гравитацию, сжимающую протогалактику, но не давление, противостоящее этому сжатию. А поскольку на темную материю приходится большая часть массы, комок сжимается достаточно быстро. Но эта спасительная идея несовместима с мыслью, что темная материя — это обычное вещество: у него должно быть давление.

Поэтому многие специалисты полагают, что обычное (или, как ее еще называют, барионное) вещество составляет лишь небольшую часть темной материи. А все остальное состоит из совсем других частиц.

Однако полной уверенности в этом нет. И теории образования вещества, и модели формирования галактик нельзя назвать абсолютно надежными. В них есть шероховатости, за которыми, быть может, скрываются глубокие неувязки. А самое важное, эти теории опираются на наблюдательные данные. Любые наблюдения подвержены погрешностям и искажениям. В астрономии их избежать особенно трудно. Мы ведь не можем подлететь к нужной галактике поближе или, скажем, снять ее с другого ракурса. Наблюдатели прилагают все усилия, чтобы выдать «чистый» результат, но всегда нужно считаться с возможностью, что они чего-то недоучли. Поэтому не исключено, что никаких особых частиц темной материи в природе не существует.

Центральный детектор LZ в стерильной комнате подземного исследовательского центра Сэнфорда после сборки, прежде чем начать свое путешествие под землей. (Фото Matthew Kapust·Sanford Underground Research Facility)

Призрачные частицы

Но что, если большая часть темной материи действительно состоит из особых частиц? Эти частицы стабильно существуют миллиарды лет. Они невидимы, потому что не взаимодействуют со светом или любым другим излучением. Они не сталкиваются друг с другом (этого требует теория образования галактик). Масса такой частицы ненулевая, а значит, она обладает гравитацией. Но если не считать гравитации, они почти или совсем не взаимодействуют с атомами обычного вещества, иначе мы бы это давно заметили. А раз не взаимодействуют, то могут ежесекундно в каком угодно количестве пронизывать все окружающие предметы и нас самих.

В экспериментах наблюдался только один вид частиц, подходящий под это описание. Это нейтрино. Но масса нейтрино слишком мала, поэтому они не годятся на роль темной материи. Остаются лишь гипотетические частицы, никогда еще не наблюдавшиеся.

Теоретики придумали изрядное количество таких частиц. Вимпы кажутся наиболее перспективными кандидатами, но есть и множество других. Однако никто не знает, существуют ли в действительности хоть какие-то из них.

Материал по теме

Поиск наугад

Годы безуспешных поисков на все более мощных и дорогих установках — не новость для физики. Так обстояло дело и с бозоном Хиггса, и с гравитационными волнами. Усилия увенчались успехом, как только ученые получили инструменты нужного уровня: Большой адронный коллайдер в одном случае и детектор LIGO — в другом. Так что безуспешность поиска вимпов на предыдущих детекторах еще ни о чем не говорит.

Но есть нюанс. Существование бозона Хиггса и гравитационных волн следовало из хорошо проверенных теорий (теории электрослабого взаимодействия и общей теории относительности соответственно). Эти теории сделали множество предсказаний, подтвердившихся в менее сложных экспериментах. Поэтому не было особых оснований сомневаться и в этих прогнозах.

С вимпами, равно как и другими гипотетическими частицами темной материи, ситуация иная. Предсказывающие их теории заманчивы, но у них нет солидного экспериментального багажа. Значит, они вполне могут оказаться неверными. Отбрасывание ошибочных теорий — такая же часть научного поиска, как и подтверждение успешных.

Вполне возможно, что никаких вимпов не существует. Как и аксионов, которые ищет другой детектор, ADMX. Темная материя может состоять из частиц, предсказанных не столь популярными теориями. Или вообще не предусмотренных никакими теориями. А может быть, и нет никаких особых частиц, а есть обычное тусклое вещество и недостатки космологических моделей. Наконец, не исключено, что правы сторонники MOND и темной материи вообще нет ни в каком виде.  

В этом смысле проект LUX-ZEPLIN очень рискованный. С другой стороны, потраченные на него $55 млн — не столь уж большая сумма по сравнению со стоимостью какого-нибудь межпланетного зонда. К разгадке одной из величайших тайн Вселенной приходится продвигаться буквально на ощупь, и тут едва ли можно обойтись без рискованных затрат.

Что было до Большого Взрыва? Все, что вам нужно знать

Каковы доказательства Большого Взрыва?

Вселенная не существовала вечно. Он родился. Около 13,82 миллиарда лет назад материя, энергия, пространство и время взорвались огненным шаром, названным Большим взрывом. Он расширился, и из остывающих обломков образовались галактики — островки звезд, среди которых наш Млечный Путь — один из примерно двух триллионов. Это теория Большого Взрыва.

Вселенная, возникающая из ничего, настолько безумна, что ученые должны были пинаться и кричать, чтобы принять эту идею. Но доказательства убедительны. Галактики разлетаются, как куски космической шрапнели. И тепло Большого Взрыва все еще вокруг нас. Сильно охлажденное космическим расширением, это «послесвечение» проявляется не как видимый свет, а главным образом как микроволновое излучение — «космическое фоновое излучение», открытое радиоастрономами в 1919 г.65.

Где произошел Большой Взрыв?

При взрыве динамитной шашки детонация происходит в одном месте и осколки летят в пустоту. В Большом взрыве не было ни центра, ни ранее существовавшей пустоты, поэтому он не произошел ни в каком «месте». Возникло само пространство и сразу начало расширяться повсюду.

Книги по астрономии часто сравнивают Вселенную с поднимающимся пирогом с изюмом, символизирующим галактики. По мере того, как пирог растет, изюм удаляется друг от друга, не имея центра расширения — как при Большом взрыве. Но, конечно, у торта есть край, в отличие от Вселенной, который может продолжаться вечно. Нет идеальных аналогий!

Больше похожего на это

Был ли Большой взрыв одноразовым?

В начале Большого Взрыва был инфляционный вакуум. Когда он удвоил свой объем, он удвоил свою энергию; когда он утроил свой объем, он утроил свою энергию. Если бы банкноты были такими, и вы разобрали стопку, их стало бы еще больше. Физики называют инфляцию «абсолютным бесплатным обедом»!

Инфляционный вакуум расширялся все быстрее. Но это была «квантовая» штука. А квантовые вещи фундаментально непредсказуемы. Случайным образом во всем инфляционном вакууме его части «распадались» до обычного, бытового вакуума.

Представьте крошечные пузыри, образующиеся в огромном океане. В каждом пузыре инфляционный вакуум исчезал, но его огромная энергия должна была куда-то деваться. Он пошел на создание материи и ее нагревание. Это привело к созданию Большого Взрыва. Наша Вселенная Большого Взрыва — всего лишь один такой пузырь среди возможной бесконечности других вселенных Большого Взрыва в постоянно расширяющемся инфляционном вакууме!

Чтобы все это запустить, понадобился кусок инфляционного вакуума всего килограмм. Невероятно, но законы квантовой теории позволяют ему появиться из ничего.

Какие проблемы с теорией Большого Взрыва?

Основная идея — что Вселенная изначально была горячей и плотной и с тех пор расширяется и охлаждается — неопровержима. Но космологам пришлось внести коррективы в теорию, чтобы учесть некоторые наблюдения.

Во-первых, в стандартной модели Большого взрыва галактики растут за счет гравитационного притяжения материи. Но если бы это было единственное, что происходит, то для их формирования потребовалось бы гораздо больше времени, чем 13,82 миллиарда лет. Астрономы исправляют это, постулируя, что видимые звезды и галактики в шесть раз перевешивают невидимую «темную материю», дополнительная гравитация которой ускоряет формирование галактик.

Во-вторых, базовый Большой взрыв предсказывает, что гравитационное притяжение между галактиками действует как паутина эластичного, замедляющего космическое расширение. Однако в 1998 году астрономы обнаружили, что расширение Вселенной ускоряется. Они фиксируют это, постулируя существование «темной энергии», которая невидима, заполняет пространство и обладает отталкивающей гравитацией.

Последняя корректировка базовой теории необходима, чтобы объяснить, почему во Вселенной везде одинаковая температура. Чтобы объяснить это, астрономы считают, что Вселенная вначале была меньше, чем ожидалось, а затем за первую долю секунды подверглась сверхбыстрому расширению — «инфляции». Это было вызвано «инфляционным вакуумом», высокоэнергетической версией вакуума, который существует сегодня в космосе.

Подробнее о Большом Взрыве:

• Если бы мы сделали достаточно мощный телескоп, смогли бы мы теоретически увидеть свет Большого Взрыва?
• Что, если Большой Взрыв не был началом?
• Кто на самом деле обнаружил тепло Большого Взрыва?

Что было до Большого Взрыва?

Два столпа современной физики — общая теория относительности Эйнштейна и квантовая теория. Первый безраздельно властвует в крупномасштабной Вселенной, а второй управляет мелкомасштабным миром атомов и их составляющих. Они сопротивлялись слиянию, что является проблемой, потому что во время Большого взрыва Вселенная была маленькой.

Чтобы понять, как она возникла, необходимо объединить теорию Эйнштейна с квантовой теорией. Лучшим кандидатом является «теория струн», которая рассматривает основные строительные блоки реальности как крошечные струны массы-энергии, вибрирующие в 10-мерном пространстве-времени. Только получив такую ​​теорию, мы сможем ответить на главные вопросы: что такое пространство? Сколько времени? Что такое Вселенная? И откуда оно взялось?

Как Большой Взрыв мог возникнуть из ничего?

ВОПРОС ЧИТАТЕЛЯ: Насколько я понимаю, ничто не возникает из ничего. Чтобы что-то существовало, должен быть доступен материал или компонент, а чтобы они были доступны, должно быть доступно что-то еще. Теперь мой вопрос: откуда взялся материал, создавший Большой взрыв, и что произошло в первую очередь, чтобы создать этот материал? Питер, 80 лет, Австралия.

«Последняя звезда будет медленно остывать и исчезать. С его уходом вселенная снова станет пустотой, лишенной света, жизни и смысла». Так предупредил физик Брайан Кокс в недавнем сериале BBC Universe. Угасание этой последней звезды будет лишь началом бесконечно долгой темной эпохи. В конце концов вся материя будет поглощена чудовищными черными дырами, которые, в свою очередь, испарятся, превратившись в самые тусклые проблески света. Пространство будет постоянно расширяться, пока даже этот тусклый свет не станет слишком рассеянным, чтобы взаимодействовать. Активность прекратится.

Или будет? Как ни странно, некоторые космологи считают, что предыдущая, холодная темная пустая вселенная, подобная той, которая находится в нашем далеком будущем, могла быть источником нашего собственного Большого взрыва.

---

Эта статья является частью журнала «Большие вопросы жизни»

Новый сериал The Conversation, изданный совместно с BBC Future, пытается ответить на мучающие вопросы наших читателей о жизни, любви, смерти и вселенной. Мы работаем с профессиональными исследователями, которые посвятили свою жизнь раскрытию новых взглядов на вопросы, которые определяют нашу жизнь.

---

Первая материя

Но прежде чем мы перейдем к этому, давайте посмотрим, как впервые возникла «материальная» — физическая материя. Если мы стремимся объяснить происхождение стабильной материи, состоящей из атомов или молекул, то ничего подобного не было ни во время Большого взрыва, ни в течение сотен тысяч лет после него. На самом деле у нас есть довольно подробное представление о том, как первые атомы образовались из более простых частиц, как только условия охладились настолько, что сложная материя стала стабильной, и как эти атомы позже слились в более тяжелые элементы внутри звезд. Но это понимание не решает вопроса о том, произошло ли что-то из ничего.

---

Вы можете прослушать другие статьи из «Беседы», рассказанные Ноа, здесь.

---

Итак, давайте вернемся назад. Первыми долгоживущими частицами вещества любого вида были протоны и нейтроны, которые вместе составляют атомное ядро. Они появились примерно через одну десятитысячную долю секунды после Большого взрыва. До этого момента действительно не было материала в привычном смысле этого слова. Но физика позволяет нам продолжать прослеживать временную шкалу в обратном направлении — к физическим процессам, которые предшествовали любой стабильной материи.

Это переносит нас в так называемую «эпоху великого объединения». К настоящему времени мы уже в области спекулятивной физики, поскольку не можем производить достаточно энергии в наших экспериментах, чтобы исследовать процессы, которые происходили в то время. Но правдоподобная гипотеза состоит в том, что физический мир состоит из супа из короткоживущих элементарных частиц, включая кварки, строительные блоки протонов и нейтронов. Было и вещество, и «антивещество» примерно в равных количествах: у каждого типа частиц материи, таких как кварк, есть компаньон из антивещества, «зеркальное отражение», который почти идентичен себе, отличаясь только одним аспектом. Однако материя и антиматерия аннигилируют во вспышке энергии при встрече, а это означает, что эти частицы постоянно создавались и уничтожались.

Но как вообще появились эти частицы? Квантовая теория поля говорит нам, что даже вакуум, предположительно соответствующий пустому пространству-времени, наполнен физической активностью в виде флуктуаций энергии. Эти флуктуации могут привести к тому, что частицы выскочат наружу, но вскоре после этого исчезнут. Это может показаться математической причудой, а не реальной физикой, но такие частицы были обнаружены в бесчисленных экспериментах.

Вакуум пространства-времени кишит частицами, которые постоянно создаются и уничтожаются, по-видимому, «из ничего». Но, возможно, все это на самом деле говорит нам о том, что квантовый вакуум (несмотря на свое название) — это нечто, а не ничто. Философ Дэвид Альберт незабываемо критиковал теории Большого Взрыва, которые обещают таким образом получить что-то из ничего.

Моделирование флуктуаций квантового вакуума в квантовой хромодинамике.
Викимедиа/Ахмед Нейтрон

Предположим, мы спросим: откуда возникло само пространство-время? Затем мы можем повернуть часы еще дальше назад, в действительно древнюю «планковскую эпоху» — период настолько ранний в истории Вселенной, что наши лучшие физические теории рушатся. Эта эра наступила всего через одну десятимиллионную триллионной триллионной триллионной доли секунды после Большого Взрыва. В этот момент само пространство и время стали подвержены квантовым флуктуациям. Физики обычно работают отдельно с квантовой механикой, управляющей микромиром частиц, и с общей теорией относительности, применимой в больших космических масштабах. Но чтобы по-настоящему понять эпоху Планка, нам нужна полная теория квантовой гравитации, объединяющая их.

У нас до сих пор нет идеальной теории квантовой гравитации, но есть попытки — например, теория струн и петлевая квантовая гравитация. В этих попытках обычное пространство и время обычно рассматриваются как возникающие, как волны на поверхности глубокого океана. То, что мы воспринимаем как пространство и время, является продуктом квантовых процессов, действующих на более глубоком, микроскопическом уровне, — процессов, которые не имеют особого смысла для нас, существ, укоренившихся в макроскопическом мире.

В эпоху Планка наше обычное понимание пространства и времени рушится, поэтому мы больше не можем полагаться и на наше обычное понимание причины и следствия. Несмотря на это, все кандидаты в теории квантовой гравитации описывают нечто физическое, что происходило в эпоху Планка — некий квантовый предшественник обычного пространства и времени. Но откуда , откуда ?

Даже если причинно-следственная связь больше не применима обычным образом, все еще возможно объяснить один компонент Вселенной эпохи Планка с точки зрения другого. К сожалению, к настоящему времени даже наша лучшая физика не может полностью дать ответы. Пока мы не продвинемся дальше к «теории всего», мы не сможем дать какой-либо окончательный ответ. Самое большее, что мы можем с уверенностью сказать на данном этапе, это то, что физика до сих пор не нашла подтвержденных случаев возникновения чего-либо из ничего.

Циклы почти из ничего

Чтобы по-настоящему ответить на вопрос, как что-то могло возникнуть из ничего, нам нужно было бы объяснить квантовое состояние всей Вселенной в начале эпохи Планка. Все попытки сделать это остаются весьма спекулятивными. Некоторые из них взывают к сверхъестественным силам, как дизайнер. Но другие возможные объяснения остаются в сфере физики — например, мультивселенная, содержащая бесконечное число параллельных вселенных, или циклические модели вселенной, рождающиеся и возрождающиеся снова.

Нобелевский лауреат 2020 года по физике Роджер Пенроуз предложил одну интригующую, но противоречивую модель циклической Вселенной, получившую название «конформная циклическая космология». Пенроуз был вдохновлен интересной математической связью между очень горячим, плотным и маленьким состоянием Вселенной, каким оно было во время Большого взрыва, и чрезвычайно холодным, пустым, расширенным состоянием Вселенной, каким оно будет в далеком будущем. . Его радикальная теория, объясняющая это соответствие, состоит в том, что эти состояния становятся математически идентичными, если довести их до предела. Каким бы парадоксальным это ни казалось, полное отсутствие материи могло породить всю материю, которую мы видим вокруг себя в нашей Вселенной.

С этой точки зрения Большой Взрыв возникает практически из ничего. Это то, что остается, когда вся материя во Вселенной поглощается черными дырами, которые, в свою очередь, испаряются в фотоны — теряются в пустоте. Таким образом, вся вселенная возникает из чего-то, что, если смотреть с другой физической точки зрения, настолько близко, насколько это вообще возможно, ни к чему. Но это ничто по-прежнему является своего рода чем-то. Это все еще физическая вселенная, хотя и пустая.

Как одно и то же состояние может быть холодной и пустой Вселенной с одной точки зрения и горячей и плотной вселенной с другой? Ответ заключается в сложной математической процедуре, называемой «конформным масштабированием», геометрическом преобразовании, которое фактически изменяет размер объекта, но оставляет его форму неизменной.

Пенроуз показал, как холодное пустое состояние и горячее плотное состояние могут быть связаны таким изменением масштаба, чтобы они совпадали в отношении формы их пространства-времени, хотя и не в отношении их размеров. По общему признанию, трудно понять, как два объекта могут быть таким образом идентичными, когда они имеют разные размеры, но Пенроуз утверждает, что размер как понятие теряет смысл в таких экстремальных физических условиях.

В конформно-циклической космологии направление объяснения идет от старого и холодного к молодому и горячему: существует горячее плотное состояние из-за холодное пустое состояние. Но это «потому что» не является общеизвестным — причина, за которой во времени следует ее следствие. В этих экстремальных состояниях не только размер перестает иметь значение, но и время. Холодное пустое состояние и горячее плотное состояние находятся на разных временных линиях. Холодное пустое состояние будет продолжаться вечно с точки зрения наблюдателя в его собственной временной геометрии, но горячее плотное состояние, которое оно порождает, эффективно населяет новую собственную временную линию.

Это может помочь понять, что горячее плотное состояние возникает из холодного пустого состояния каким-то не причинным образом. Возможно, нам следует сказать, что горячее плотное состояние возникает из , или основывается на , или реализуется посредством в холодном, пустом состоянии. Это отчетливо метафизические идеи, которые широко исследовались философами науки, особенно в контексте квантовой гравитации, где обычная причина и следствие, кажется, несовместимы. В пределах наших знаний физику и философию становится трудно разделить.

Экспериментальное свидетельство?

Конформная циклическая космология предлагает некоторые подробные, хотя и спекулятивные ответы на вопрос, откуда произошел наш Большой Взрыв. Но даже если видение Пенроуза подтвердится грядущим прогрессом космологии, можно подумать, что мы все равно не ответили бы на более глубокий философский вопрос — вопрос о том, откуда взялась сама физическая реальность. Как возникла вся система циклов?
Затем мы, наконец, приходим к чистому вопросу о том, почему существует что-то, а не ничто — один из самых больших вопросов метафизики.

Но здесь мы сосредоточимся на объяснениях, которые остаются в сфере физики. Есть три общих варианта более глубокого вопроса о том, как начались циклы. Это не могло иметь никакого физического объяснения. Или могут быть бесконечно повторяющиеся циклы, каждый из которых представляет собой вселенную сам по себе, с начальным квантовым состоянием каждой вселенной, объясняемым какой-то особенностью вселенной ранее. Или может быть один-единственный цикл и одна-единственная повторяющаяся вселенная, причем начало этого цикла объясняется какой-то особенностью его собственного конца. Последние два подхода избегают необходимости в каких-либо беспричинных событиях, и это придает им особую привлекательность. Ничто не осталось бы необъясненным физикой.

Продолжающиеся циклы различных вселенных в конформной циклической космологии.
Роджер Пенроуз

Пенроуз предвидит последовательность бесконечных новых циклов по причинам, отчасти связанным с его собственной предпочтительной интерпретацией квантовой теории. В квантовой механике физическая система существует в суперпозиции множества различных состояний одновременно и случайно «выбирает одно», когда мы его измеряем. Для Пенроуза каждый цикл включает в себя случайные квантовые события, происходящие по-разному, то есть каждый цикл будет отличаться от предыдущих и последующих. На самом деле это хорошая новость для физиков-экспериментаторов, потому что она может позволить нам взглянуть на старую Вселенную, которая породила нашу, через слабые следы или аномалии в остаточном излучении Большого взрыва, наблюдаемом спутником «Планк».

Пенроуз и его сотрудники полагают, что они уже могли обнаружить эти следы, приписывая закономерности в данных Планка излучению сверхмассивных черных дыр в предыдущей Вселенной. Однако заявленные ими наблюдения были оспорены другими физиками, и жюри остается в силе.

Карта космического микроволнового фонового излучения.
ЕКА и коллаборация Planck

Бесконечные новые циклы — ключ к собственному видению Пенроуза. Но есть естественный способ преобразовать конформно-циклическую космологию из многоцикловой в одноцикловую форму. Тогда физическая реальность состоит в единственном цикле вокруг Большого Взрыва до максимально пустого состояния в далеком будущем – и затем снова по кругу до того же Большого Взрыва, порождающего снова и снова ту же Вселенную.

Последняя возможность согласуется с другой интерпретацией квантовой механики, получившей название многомировой интерпретации. Интерпретация многих миров говорит нам, что каждый раз, когда мы измеряем систему, находящуюся в суперпозиции, это измерение не выбирает состояние случайным образом. Вместо этого результат измерения, который мы видим, — это всего лишь одна из возможностей — та, которая разыгрывается в нашей собственной вселенной. Все результаты других измерений разыгрываются в других вселенных в мультивселенной, фактически отрезанных от нашей собственной. Таким образом, как бы мала ни была вероятность того, что что-то произойдет, если вероятность этого не равна нулю, то это произойдет в каком-то квантовом параллельном мире. Есть такие же люди, как и вы, в других мирах, которые выиграли в лотерею, или были унесены в облака странным тайфуном, или спонтанно воспламенились, или сделали все три одновременно.

Некоторые считают, что такие параллельные вселенные также можно наблюдать в космологических данных как отпечатки, вызванные столкновением другой вселенной с нашей.

Квантовая теория многих миров дает новый взгляд на конформно-циклическую космологию, хотя и не тот, с которым согласен Пенроуз. Наш Большой Взрыв может быть возрождением одной единственной квантовой мультивселенной, содержащей бесконечное множество различных вселенных, происходящих вместе. Случается все возможное — потом это происходит снова, и снова, и снова.

Древний миф

Для философа науки видение Пенроуза завораживает. Это открывает новые возможности для объяснения Большого Взрыва, выводя наши объяснения за рамки обычных причин и следствий. Поэтому это отличный пример для изучения различных способов, которыми физика может объяснить наш мир. Он заслуживает большего внимания со стороны философов.

Для любителя мифов видение Пенроуза прекрасно. В излюбленной Пенроузом многоцикловой форме он обещает бесконечные новые миры, рожденные из пепла их предков. В своей одноцикловой форме это поразительное современное повторение древней идеи уробороса, или мирового змея. В скандинавской мифологии змей Ёрмунганд — дитя ловкого обманщика Локи и великанши Ангрбоды. Ёрмунганд пожирает собственный хвост, и созданный круг поддерживает баланс мира. Но миф об уроборосе был задокументирован во всем мире, в том числе еще в Древнем Египте.

Уроборос на гробнице Тутанхамона.
Джехути/Викимедиа

Уроборос единой циклической вселенной поистине величественен. В его чреве находится наша собственная вселенная, а также все странные и чудесные альтернативные возможные вселенные, допускаемые квантовой физикой. сто тысяч миллионов миллиардов триллионов градусов Цельсия. Даже Локи, оборотень, был бы впечатлен.

---

Чтобы получить важные ответы на все вопросы жизни, присоединяйтесь к сотням тысяч людей, которые ценят научно обоснованные новости, подписавшись на нашу рассылку новостей . Вы можете отправить нам свои важные вопросы по электронной почте [email protected], и мы постараемся найти исследователя или эксперта по этому делу.

Другие важные вопросы жизни:

• Счастье: удовлетворенность важнее целей и задач?

• Сможем ли мы жить в мире без правил?

• Смерть: может ли наш последний момент быть эйфоричным?

• Природа: люди вышли за рамки естественного мира и нужны ли они нам?

• Любовь: это просто мимолетный кайф, вызванный химическими веществами мозга?

Римская миссия НАСА может рассказать нам, разорвется ли Вселенная на части в будущем

Римский космический телескоп Нэнси Грейси НАСА не будет запущен до 2027 года, и он не начнет работать до некоторого времени после этого. Но это не мешает взволнованным ученым мечтать о своей новой игрушке и обо всем, что она может делать. Кто может их винить?

В новом исследовании подробно изучается мощность римского космического телескопа, чтобы выяснить, может ли он помочь нам ответить на один из самых важных вопросов о Вселенной. Вопрос?

Будет ли Вселенная продолжать расширяться и разорвется на части в Большом Разрыве?

НАСА еще не завершило проект миссии римского телескопа. Все еще есть возможности для настройки, и это исследование представляет собой попытку изучить, как они могут настроить его для достижения наилучших результатов.

Исследование «Спектроскопическое исследование высоких широт на римском космическом телескопе Нэнси Грейс», опубликованное в «Астрофизическом журнале». Ведущий автор — Юн Ван, старший научный сотрудник Калифорнийского технологического института/IPAC в Пасадене, Калифорния. В наборе инструментов римского телескопа будет несколько инструментов, и это исследование посвящено спектроскопии и тому, как она будет отображать историческое расширение Вселенной.

«Наше исследование прогнозирует, что спектроскопическое исследование Романа позволит науке, и показывает, как различные корректировки могут оптимизировать его конструкцию», — сказал ведущий автор Ван.

Широкоугольный инфракрасный обзорный телескоп НАСА (WFIRST) теперь называется Космическим телескопом Нэнси Грейс Роман в честь первого начальника отдела астрономии НАСА. Кредиты: НАСА

Роман проведет широкомасштабное исследование высоких широт (HLWAS). Высокоширотная спектроскопическая съемка (HLSS) — это спектроскопическая часть HLWAS, описанная в этом исследовании. HLWAS — одна из основных научных целей телескопа, наряду с новыми подходами к науке об экзопланетах. HLSS — это крупномасштабный точный обзор миллионов галактик возрастом в миллиарды лет. Основная цель Обзора — изучить вселенское расширение за всю историю Вселенной. HLSS настолько глубок и широк, что позволит проводить исследования, недоступные другим существующим телескопам.

«Хотя это исследование предназначено для изучения космического ускорения, оно также даст ключ к разгадке многих других дразнящих тайн», — сказал Ван. «Это поможет нам понять первое поколение галактик, позволит нам нанести на карту темную материю и даже раскрыть информацию о структурах, которые намного ближе к дому, прямо в нашей местной группе галактик».

Поле зрения Римского космического телескопа превзойдет поле зрения Хаббла. (Никакого неуважения к почтенному Хабблу, Несущему Знания.) Изображение предоставлено: NASA/GSFC/JPL 9.0006 HLSS Романа относится к универсальному расширению, темной энергии и общей теории относительности Эйнштейна (TGR). Очевидно, что все это глубокие и подробные темы, и они не уместятся в двух словах размером с Kurzgesagt, но вот как они сочетаются друг с другом.

В 1915 году, когда Эйнштейн впервые представил свой TGR, никто не думал, что Вселенная расширяется. TGR удалось объяснить то, что не могла объяснить ньютоновская гравитация. Но у него был недостаток. Сам Эйнштейн понял, что его теория предсказывала, что статическая Вселенная нестабильна, и она должна либо расширяться, либо сжиматься, чтобы быть стабильной. Но он отверг это и сам себя подставил, введя для компенсации пресловутую теперь «космологическую постоянную». Он использовал его, чтобы противодействовать влиянию гравитации и добиться статичности Вселенной. Позднее Эйнштейн назвал это своей величайшей ошибкой.

Затем, в 1920-х годах, астрономы обнаружили, что Вселенная расширяется. Прощай, космологическая постоянная. Выдающуюся роль в открытии сыграл американский астроном Эдвин Хаббл, и правило, описывающее расширение, называется законом Хаббла. (Врезка: бельгийский ученый и священник Жорж Леметр ранее работал над расширением, но опубликовал свою работу в малоизвестном журнале. Теперь закон Хаббла все чаще называют законом Хаббла-Леметра.) Они обнаружили, что все галактики удаляются друг от друга. другие, за очень редким исключением. Вселенная расширяется.

Расширение Вселенной было и остается загадкой. У ученых есть замещающее название для силы, которая должна управлять расширением: темная энергия.

Долгое время космологи считали, что расширение замедляется. Но оказывается, это неправда.

В 1998 году ученые обнаружили, что скорость расширения Вселенной увеличивается. Этого не должно быть, потому что гравитация всей материи должна замедлять расширение. С этим открытием космологическая постоянная вернулась в игру. Теперь это самое простое объяснение ускоряющегося расширения. Космологическая постоянная представлена ​​греческой заглавной буквой лямбда: ?.

На этом изображении показано ускорение расширения Вселенной. Время течет снизу вверх. Изображение предоставлено: Энн Фейлд (STScI) – http://hubblesite.org/newscenter/archive/releases/2001/09/image/g/ ИЛИ http://science.nasa.gov/astrophysics/focus-areas/what -is-dark-energy/, Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=37294788

Было бы неплохо, если бы бесконечные гадания о судьбе Вселенной закончились? Разве не было бы забавно узнать, чем закончится Вселенная? (Лоуренс Краусс так думает.) Было бы так же весело, как узнать, что вызвало ее начало. Представьте, насколько популярными вы были бы на коктейльных вечеринках.

Это подводит нас к римскому телескопу и его высокоширотному спектроскопическому обзору. HLSS может рассказать нам о будущем расширения Вселенной и о том, будет ли Вселенная продолжать расширяться все быстрее и быстрее и закончится Большим разрывом.

В своей статье авторы разъясняют общую цель Обзора. Есть два вопроса верхнего уровня:

1. Вызвано ли космическое ускорение новым энергетическим компонентом или нарушением общей теории относительности (ОТО) в космологических масштабах?
2. Если причиной является новый энергетический компонент, является ли его плотность энергии постоянной в пространстве и времени, или он развивался на протяжении истории Вселенной?

В этом нет никакой магии. В каком-то смысле здесь задействована грубая сила. Чем большую часть Вселенной вы сможете измерить и чем точнее вы сможете ее измерить, тем точнее будут ваши выводы. Это стоит за стремлением к созданию более крупных и точных телескопов, таких как Римский космический телескоп. Ответы на наши вопросы сложнее и труднее найти.

В статье авторы представляют эталонный проект HLSS. HLSS римлянина охватит почти 2000 квадратных градусов или около 5% неба примерно за семь месяцев. Это значительное улучшение по сравнению с другими телескопами, такими как Хаббл. «Прямо сейчас с такими телескопами, как Хаббл, мы можем исследовать десятки галактик с большим красным смещением. С Романом мы сможем отобрать тысячи», — объяснил Рассел Райан, астроном из STScI.

«Хотя Роман мог провести неглубокую и обширную съемку, сравнимую с евклидовой, примерно за 1 год наблюдения, предлагаемая здесь более глубокая съемка лучше дополняет другие съемки и более эффективно использует возможности более широкой апертуры Романа», бумажные состояния. «В расчете на единицу времени наблюдений «Роман» является чрезвычайно эффективным объектом для безщелевых спектроскопических исследований, поэтому он имеет хорошие возможности для реагирования на события в экспериментальной космологии с настоящего момента до запуска миссии в середине 2020-х годов».

Новое исследование показывает, что HLSS Романа должен точно измерить 10 миллионов галактик, когда Вселенной было от трех до шести миллиардов лет. Астрономы будут использовать эти данные для составления карты крупномасштабной структуры Вселенной.

Космологи уже нанесли на карту крупномасштабную структуру, но HLSS Римского телескопа продвинет это картографирование на шаг вперед. HLSS расскажет нам о расстояниях примерно до двух миллионов галактик, когда Вселенной было всего два-три миллиарда лет. Это никогда не делалось раньше, и это будут новые данные.

Все сводится к тому, чтобы как можно точнее измерить как можно больше вещей. Если Римский телескоп сможет привнести новую глубину и широту в наше понимание крупномасштабной структуры Вселенной с течением времени, мы сможем понять историю расширения Вселенной. Тогда, может быть, мы наконец получим ответ.

«Роман определит историю расширения Вселенной, чтобы проверить возможные объяснения ее очевидного ускоряющегося расширения, включая темную энергию и модификацию гравитации Эйнштейна», — пишут авторы в своей статье. «Роман определит историю роста крупнейших структур во Вселенной, чтобы проверить возможные объяснения ее очевидного ускоряющегося расширения, включая темную энергию и модификацию эйнштейновской гравитации…»

Это видео растворяется между всей коллекцией кубов красного смещения за 55 секунд. По мере расширения Вселенной плотность галактик внутри каждого куба уменьшается с 528 000 в первом кубе до 80 в последнем. Диаметр каждого куба составляет около 100 миллионов световых лет. Галактики собрались вдоль обширных струй газа, разделенных огромными пустотами, пенообразной структурой, эхом отразившейся в современной Вселенной в больших космических масштабах. Эта визуализация показывает количество и скопление смоделированных галактик разного космического возраста, в диапазоне от 4% до 43% от текущего возраста Вселенной в 13,8 миллиардов лет. Каждый куб представляет фиксированный объем пространства, около 100 миллионов световых лет на сторону. В последовательности расширение Вселенной быстро снижает плотность галактик. Каждый куб показывает конкретное космологическое красное смещение от 9до 1, с более ранними кубами, окрашенными в более красные оттенки.

Последнее предложение описывает, где мы сейчас находимся. Вселенная расширяется, и расширение ускоряется. Этого не должно быть, потому что гравитация всей материи во Вселенной должна тормозить это расширение. Ускорение означает, что теория гравитации Эйнштейна не совсем верна. Или это означает, что нам нужно добавить во Вселенную новую энергетическую составляющую: Темную Энергию.

Как объясняется в его TGR, гравитация Эйнштейна точна до определенной степени. Так было и с Ньютоном, пока мы не смогли наблюдать большие части Вселенной. Гравитация Ньютона точно описывает то, что происходит с гравитацией в локальных масштабах, а гравитация Эйнштейна точно объясняет, что происходит в еще большем масштабе. Но сейчас мы противостоим всей Вселенной, и наше понимание неадекватно.

Это исследование моделирует то, что римлянин может привнести в проблему. Обширные и глубокие трехмерные изображения Вселенной, сделанные Римским телескопом, — это новая возможность провести различие между ведущими теориями, пытающимися объяснить космическое ускорение: модифицированной теорией гравитации или темной энергией.

Наука может только победить. Любой результат сближает нас.

«Чтобы пролить свет на неизвестную природу космического ускорения, нам необходимо измерить две свободные функции времени: историю космического расширения и скорость роста крупномасштабной структуры», — пишут авторы. «Они могут сказать нам, меняется ли темная энергия со временем и является ли она неизвестным компонентом энергии (например, космологической постоянной) или следствием модификации общей теории относительности как теории гравитации».

<Нажмите, чтобы увеличить> На этом рисунке показано, как работает космологическое красное смещение и как оно дает информацию об эволюции Вселенной. Вселенная расширяется, и это расширение растягивает свет, путешествующий в пространстве. Чем больше он растянулся, тем больше красное смещение и расстояние, которое прошел свет. В результате нам нужны телескопы с инфракрасными детекторами, чтобы увидеть свет от первых, самых далеких галактик. Изображение предоставлено: NASA, ESA, Leah Hustak (STScI)

«Мы можем рассчитывать на новую физику в любом случае — узнаем ли мы, что космическое ускорение вызвано темной энергией, или мы обнаружим, что нам нужно изменить теорию гравитации Эйнштейна», — сказал Ван. «Роман проверит обе теории одновременно».

Авторы отмечают, что их эталонный HLSS является примером того, как можно было бы реализовать широкомасштабную спектроскопическую съемку в высоких широтах на Романе.