Содержание
Вселенная, существовавшая до Большого взрыва, была устроена как корзинка подсолнуха / Наука / Независимая газета
Круги в реликтовом излучении, возникшие, согласно Пенроузу и Гурзадяну, при столкновении черных дыр, произошедшем в предыдущем эоне. Иллюстрация NASA
Нобелевская премия по физике – 2020 вручена профессору Оксфорда Роджеру Пенроузу «за открытие, согласно которому общая теория относительности надежно предсказывает рождение черных дыр». Считая необходимым отметить это событие, вкратце расскажем о, пожалуй, самой революционной теории этого выдающегося математического физика и столь же выдающегося популяризатора точных наук.
Пенроузом совместно с армянским физиком-теоретиком из Еревана Ваагном Гурзадяном была предложена модель Вселенной, которая Большим взрывом не начиналась. Согласно конформной циклической космологии, предложенной этими физиками, Вселенная не началась с Большого взрыва, а проходит бесконечную последовательность циклов, названных Пенроузом эонами.
Каждый эон завершается Большим взрывом, в котором пространство «временно» исчезает, после чего начинается следующий эон.
При переходе из одного эона в другой пространство – а с ним и различие между громадным и маленьким – исчезает. Сохраняются только углы. Такое преобразование в математике называется конформным. Теория Пенроуза–Гурзадяна основана на анализе карты реликтового излучения, возникшего в ходе Большого взрыва, в которой, по их убеждению, круги разного размера являются сигналами из Вселенной, существовавшей в предыдущем эоне.
Конформные преобразования являются частью курса функций комплексного переменного, изучаемого в университетах. Сегодня такие преобразования можно строить с помощью компьютеров, написав функцию, не трогая карандаша и бумаги.
Теория конформной циклической космологии отличается от стандартной на сегодняшний день модели Вселенной, согласно которой до Большого взрыва Вселенной не было.
А также от теории множественных вселенных, согласно которой, для того чтобы объяснить установленный факт – вещество, а тем более жизнь может существовать только при крайне маловероятном наборе значений констант физики, – предполагается, что вселенных превеликое множество. Для последней, кроме того чтобы как-нибудь объяснить возможность существования химических элементов, планет, звезд и жизни, в настоящее время никаких экспериментальных оснований нет.
Обратим внимание на другую, неожиданную сторону формальной связи между конформной вселенной Пенроуза с тем, что осуществляется в мире живого. А именно… с корзинкой подсолнуха, состоящей из семечек.
С точки зрения математики семечки в подсолнухе упорядочены в результате конформного преобразования квадратной сетки. Образующие цветок подсолнуха отрезки искривлены с сохранением прямых углов между соседними семечками. При этом искривлены таким образом, что между спиралеобразными видимыми фигурами, направленными по и против часовой стрелки, имеется симметрия.
Образующие конформное преобразование в корзинке подсолнуха семечки расходятся от центральной точки, которая, если бы головка подсолнуха была строго математическим конформным преобразованием, являлась бы сингулярностью. Похожая – но завернутая в три измерения – структура заполнения кедровой шишки ее составными частями (орешками, семенами). При этом возникают спирали – правая и левая, – имеющие сходную структуру, но расположенные в подсолнухе в двух, а в шишке – в трех измерениях.
Так почему же семечки кукурузы и орешки в кедровой шишке растут настолько изысканно? В чем эволюционное преимущество расположения семечек, получаемого в результате преобразования, используемого в теории функций комплексного переменного, в сравнении с прямоугольной сеткой? Мысль о том, что такая вычурная структура была создана кем-то умышленно, для собственного эстетического удовольствия, которое помимо него оценить может только человеческий взор, атеистический разум отринет как ненаучную.
Но если не это, то что? Почему конформное преобразование оказывается в биологии и, если верить Пенроузу, в космологии столь же важным, как двойная спираль? Вопросы, которые даже без получения ответа на них завораживают.
Такая вот довольно неожиданная аналогия между теорией конформной вселенной, созданной лауреатом премии по физике этого года, и структурами, возникающими in vivo. Какое именно конформное преобразование реализуется в подсолнухе? Определение этой функции – хорошая задача для дипломной работы студента, специализирующегося в области математической биологии. Каким образом в геноме подсолнуха осуществляется кодирование конформного преобразования, упорядочивающего расположение семечек, – вопрос намного более фундаментальный, он может стать темой для получения ученой степени в любом университете.
Аналогия между устройством Вселенной, конформное преобразование в которой делает космологию циклической, имеет и более общие основания в мире живого, чем частный случай подсолнуха.
А именно – рост костей. Они растут с сохранением форм, а значит, и углов, включая плавное изменение кривизны, начиная с младенческого возраста и кончая взрослой особью. Таким, в частности, является рост костей эндоскелета Homo sapiens. Каким образом конформное преобразование костей кодируется в геноме с сохранением их формы – проблема абсолютно фундаментальная. Решение этой проблемы исключительно важно и достойно самых высоких научных премий, включая Нобелевскую.
Нью-Йорк
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
|
В соединении с наблюдательными данными
Рождение и аннигиляция
Доминирование излучения
Оказалось, что она в пределах точности
Ученые говорят, что что-то могло происходить до Большого взрыва
Взрывы и отскоки
5 ноября Виктор Тангерманн 5 ноября Виктор Тангерманн
Международная группа исследователей предполагает, что наше понимание происхождения нашей Вселенной, возможно, нуждается в некоторых обновлениях.
Как подробно описано в новой статье, опубликованной на этой неделе в The Astrophysical Journal Letters , они говорят, что Вселенная могла начаться с «Большого скачка», а не с Большого взрыва.
Другими словами, космос мог быть рожден после окончания предыдущей космологической фазы — отскока — а не в результате экспоненциального расширения пространства-времени до существования.
«Теория инфляции была выдвинута для объяснения различных проблем тонкой настройки так называемой модели горячего Большого взрыва», — заявил первый автор Санни Ваньоцци, астрофизик из Кембриджского университета. «Это также объясняет происхождение структуры в нашей Вселенной в результате квантовых флуктуаций».
Но, как утверждает Ваньоцци, у нас все еще есть шанс доказать ошибочность теории, несмотря на то, что мы можем исключить «индивидуальные инфляционные модели».
В документе утверждается, что мы должны еще глубже исследовать космический микроволновый фон (CMB), некоторые из электромагнитных остатков, относящихся к самым ранним стадиям Вселенной.
Космический аппарат Planck Европейского космического агентства начал измерения реликтового излучения еще в 2013 году, и результаты сразу же показались исследователям немного подозрительными.
«Когда были объявлены результаты со спутника Planck, они были представлены как подтверждение космической инфляции», — сказал в своем заявлении астроном из Гарвардского университета Ави Леб, который также работал над этим документом. «Однако некоторые из нас утверждали, что результаты могут показывать прямо противоположное».
Но пока мы не увидим, что Вселенная была сразу после предполагаемого Большого Взрыва, мы не узнаем наверняка.
«Реальный край наблюдаемой Вселенной находится на расстоянии, на котором любой сигнал мог пройти со скоростью света за 13,8 миллиарда лет, прошедших с момента рождения Вселенной», — сказал Леб. «В результате расширения Вселенной этот край в настоящее время находится на расстоянии 46,5 миллиардов световых лет».
«Сферический объем в пределах этой границы подобен археологическим раскопкам, сосредоточенным на нас: чем глубже мы входим в него, тем более ранний слой космической истории мы открываем, вплоть до Большого взрыва, который представляет наш последний горизонт ,» добавил он. «Что лежит за горизонтом, неизвестно».
Короче говоря, мы должны копнуть глубже, чтобы изучить природу Вселенной сразу после ее создания.
Но даже если бы мы увидели мельком, нам было бы трудно предсказать, что было до этого .
«Правильное понимание того, что было до этого, требует предсказательной теории квантовой гравитации, которой у нас нет», — сказал Леб.
Но эта реальность не остановила исследователей. Они предполагают, что нам следует искать фон космического гравитона, который состоит из свободно перемещающихся гравитонов, гипотетических элементарных частиц, которые могли бы объяснить гравитационные взаимодействия.
Исследователи предполагают, что ЦГБ мог существовать сразу после создания Вселенной. Согласно теории Большого Взрыва, CGB должен был быть разбавлен до такой степени, что его больше нельзя было обнаружить.
Таким образом, если бы исследователи были , чтобы обнаружить его, они могли бы полностью исключить Большой Взрыв как теорию.
Однако для обнаружения CGB потребуются чрезвычайно сложные технологии, которых пока просто не существует, но это не мешает им думать на несколько шагов вперед.
ПОДРОБНЕЕ: Можно ли исключить космическую инфляцию? [Кембриджский университет]
Больше о Большом Взрыве: Данные JWST настолько невероятны, что даже те, кто построил его, ставят под сомнение предыдущую науку
Поделиться этой статьей
Что было до Большого Взрыва? — Журнал The Universemagazine Space Tech
Согласно общепринятой теории Большого Взрыва, Вселенная образовалась из бесконечно плотного крошечного шара материи. Этот вселенский взрыв породил первые элементарные частицы, из которых затем образовались звезды и галактики. Но новые исследования в области теоретической физики недавно открыли возможное окно в очень раннюю Вселенную. По мнению теоретиков, может быть, не так уж и «рано».
Недавняя гипотеза предполагает, что наша Вселенная находится в одной из итераций цикла «взрыв-отскок». Фото: Unsplash
Недавняя гипотеза предполагает, что наша Вселенная находится на одной из итераций цикла «взрыв-отскок», который длится вечно. И, возможно, это только первый его цикл. Конечно, прежде чем физики решат отказаться от теории Большого взрыва в пользу цикла «взрыв-отскок», эти теоретические предсказания должны пройти проверку наблюдательными проверками.
Недостающая часть пазла
У ученых есть идеальная картина очень ранней Вселенной, известная нам как Теория Большого Взрыва. В этой модели давным-давно Вселенная была намного меньше, намного горячее и намного плотнее, чем сегодня. В тот ранний период 13,8 миллиарда лет назад все элементы, которые делают нас такими, какие мы есть, сформировались примерно в первые несколько минут жизни Вселенной. И все это родилось из компактного шара бесконечной плотности, размером с персик, и температуры более квадриллиона градусов.
Инфографика, показывающая эволюцию Вселенной от Большого Взрыва. Фото: Astrosprint
Удивительно, но эта фантастическая история подтверждается всеми современными наблюдениями. Астрономы сделали все, от наблюдения за остаточным электромагнитным излучением молодой Вселенной до измерения распространенности легчайших элементов. И они обнаружили, что все наблюдения совпадают с предсказаниями Большого Взрыва. Насколько мы можем судить, это точный портрет нашей ранней Вселенной. Но картина Большого взрыва неполна — отсутствует часть головоломки. И эта часть — самые ранние мгновения Вселенной. Это довольно большая часть.
Отсутствие современной физики для понимания Вселенной
Проблема в том, что физика, которую мы используем для понимания ранней Вселенной, представляет собой удивительно сложную мешанину из общей теории относительности и физики частиц высоких энергий. Но он может привести нас только к определенному пределу, прежде чем он рухнет. По мере того, как мы пытаемся погружаться все глубже и глубже в первые мгновения нашего космоса, математика становится все более и более сложной. Если мы пытаемся решить ее, она становится все более и более сложной, вплоть до того момента, когда она просто… заканчивается.
Главный признак, который нам еще предстоит исследовать, — это наличие «сингулярности». Это точка бесконечной плотности в начале Большого Взрыва. Если мы примем это за чистую монету, это говорит нам о том, что в какой-то момент Вселенная была сжата в бесконечно маленькую, бесконечно плотную точку. Это явно абсурд. На самом деле все говорит нам о том, что для решения этой проблемы нужна новая физика — наш нынешний набор инструментов для понимания Вселенной просто недостаточно хорош.
Чтобы спасти положение, нам нужна новая физика. Что-то, что может справиться с гравитацией и другими силами при сверхвысоких энергиях. И это именно то, за что претендует теория струн — физическая модель, способная справиться с гравитацией и другими силами в сочетании со сверхвысокими энергиями. Именно эта теория может объяснить самые ранние моменты Вселенной.
Что такое экпиротический сценарий?
Одной из самых ранних концепций теории струн является «Экпиротическая Вселенная», происходящая от греческого слова «огонь» или «пламя». В этом сценарии событие, известное нам как Большой взрыв, было вызвано чем-то еще, что произошло до него — Большой взрыв был не началом, а частью большего процесса.
Развитие экпиротического сценария привело к теории, опять же мотивированной теорией струн, под названием «циклическая космология». Удивительно, но идее постоянно повторяющейся Вселенной тысячи лет, и она предшествует современной физике. Но теория струн дала этой идее солидное математическое обоснование. Циклическая Вселенная движется именно так, как вы можете себе представить: она постоянно «прыгает» между Большими взрывами и Большим коллапсом. Вероятно, это происходит вечно и одинаково, как в прошлом, так и в будущем.
Что было до Большого Взрыва?
Ранние версии циклической модели почти не совпадали с наблюдениями. Главным препятствием было совпадение с нашими наблюдениями космического микроволнового фона — ископаемого света, оставшегося с тех времен, когда Вселенной было всего 380 тысяч лет. Ученым было трудно описать физику формирующегося космоса — картина просто рушилась.