Предложена новая теория эволюции Вселенной
Физики из США и Южной Кореи описали возможный сценарий эволюции Вселенной после Большого взрыва, отличающийся от общепринятого в настоящее время наукой. Согласно этому сценарию, на Большом адронном коллайдере (БАКе) в ЦЕРНе новые элементарные частицы обнаружить уже не удастся. Также альтернативный сценарий позволяет решить проблему иерархии масс. Исследование опубликовано на сайте arXiv.org.
Квантовая пена (в представлении художника)
© Diomedia
Теория получила название Nnaturalness. Она определена на масштабах энергий порядка электрослабого взаимодействия, после разделения электромагнитного и слабого взаимодействий. Это было спустя примерно десять в минус тридцать второй — десять в минус двенадцатой секунд после Большого взрыва. Тогда, по мнению авторов новой концепции, во Вселенной существовала гипотетическая элементарная частица — рехитон (или рехеатон, от английского reheaton), распад которой привел к формированию наблюдаемой сегодня физики.
По мере того как Вселенная становилась более холодной (уменьшалась температура материи и излучения) и плоской (геометрия пространства приближалась к евклидовой), рехитон распался на множество других частиц. Они сформировали почти не взаимодействующие друг с другом группы частиц, практически идентичные по видовому набору, но отличающиеся массой бозона Хиггса, а значит, и собственными массами.
Число таких групп частиц, которые, по мнению ученых, существуют в современной Вселенной, достигает нескольких тысяч триллионов. К одному из таких семейств относятся и описываемая Стандартной моделью (СМ) физика и наблюдаемые в экспериментах на БАКе частицы и взаимодействия. Новая теория позволяет отказаться от суперсимметрии, которую до сих пор пытаются безуспешно найти, и решает проблему иерархии частиц.
В частности, если масса образовавшегося в результате распада рехитона бозона Хиггса мала, то масса остальных частиц будет велика, и наоборот. Именно это решает проблему электрослабой иерархии, связанную с большим разрывом между экспериментально наблюдаемыми массами элементарных частиц и масштабами энергий ранней Вселенной. Например, вопрос о том, почему электрон массой 0,5 мегаэлектронвольта почти в 200 раз легче мюона с теми же квантовыми числами, отпадает сам собой — во Вселенной есть точно такие же наборы частиц, где это различие проявляется не так сильно.
По новой теории, наблюдаемый в экспериментах на БАКе бозон Хиггса — самая легкая частица подобного типа, образовавшаяся в результате распада рехитона. С более тяжелыми бозонами связаны другие группы пока еще не обнаруженных частиц — аналоги открытых сегодня и хорошо изученных лептонов (не участвующих в сильном взаимодействии) и адронов (участвующих в сильном взаимодействии).
Нима Аркани-Хамед
© EP Departement / CERN
Новая теория не отменяет, но делает не столь необходимым введение суперсимметрии, предполагающей удвоение (как минимум) числа известных элементарных частиц за счет наличия суперпартнеров. Например, для фотона — фотино, кварка — скварк, хиггса — хиггсино и так далее. Спин суперпартнеров должен на полуцелое число отличаться от спина исходной частицы.
Математически частица и суперчастица объединяются в одну систему (супермультиплет); все квантовые параметры и массы частиц и их партнеров в точной суперсимметрии совпадают. Считается, что в природе суперсимметрия нарушена, и поэтому масса суперпартнеров значительно превышает массу их частиц. Для обнаружения суперсимметричных частиц и понадобились мощные ускорители вроде БАКа.
Если суперсимметрия или какие-либо новые частицы или взаимодействия и существуют, то, по мнению авторов нового исследования, они могут быть открыты на масштабах десяти тераэлектронвольт. Это почти на границе возможностей БАКа, и если предложенная теория верна, обнаружение там новых частиц крайне маловероятно.
Версии СМ
© arXiv.org
Сигнал вблизи 750 гигаэлектронвольт, который мог указывать на распад тяжелой частицы на два гамма-фотона, о чем ученые коллабораций CMS (Compact Muon Solenoid) и ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS), работающих на БАКе, сообщали в декабре 2015 года и марте 2016 года, признан статистическим шумом. После 2012 года, когда стало известно об открытии в ЦЕРНе бозона Хиггса, новых фундаментальных частиц, предсказываемых расширениями СМ, не выявлено.
Канадский и американский ученый иранского происхождения Нима Аркани-Хамед, предложивший новую теорию, в 2012 году получил премию «Фундаментальная физика». Награда была учреждена в том же году российским бизнесменом Юрием Мильнером.
Поэтому возникновение теорий, в которых необходимость в суперсимметрии отпадает, ожидаемо. «Есть много теоретиков, в том числе я, считающих, что сейчас совершенно уникальное время, когда мы решаем важные и системные вопросы, а не касающиеся деталей какой-либо очередной элементарной частицы», — сказал ведущий автор нового исследования, физик Нима Аркани-Хамед из Принстонского университета (США).
Его оптимизм разделяют не все. Так, физик Мэтт Страсслер из Гарвардского университета полагает надуманным математическое обоснование новой теории. Между тем Падди Фокс из Национальной ускорительной лаборатории Энрико Ферми в Батавии (США) считает, что новую теорию удастся проверить в ближайшие десять лет. По его мнению, частицы, образованные в группе с каким-либо тяжелым бозоном Хиггса, должны оставить свои следы на реликтовом излучении — древней микроволновой радиации, предсказываемой теорией Большого взрыва.
Источник
Как образовалась Вселенная
Что же такое Вселенная? Если емко, то это сумма всего существующего. Это все время, пространство, материя и энергия, образовавшиеся и расширяющиеся вот уже 13.8 миллиардов лет. Никто не может точно сказать, насколько обширны просторы нашего мира и пока нет точных предсказаний финала.
Определение Вселенной
Само слово «Вселенная» происходит от латинского «universum». Впервые его использовал Цицерон, а уже после него оно стало общепринятым у римских авторов. Понятие обозначало мир и космос. На тот момент люди в этих словах видели Землю, все известные живые существа, Луну, Солнце, планеты (Меркурий, Венера, Марс, Юпитер и Сатурн) и звезды.
Иногда вместо «Вселенная» используют «космос», которое с греческого переводится как «мир». Кроме того, среди терминов фигурировали «природа» и «все».
В современном понятии вмещают все, что существует во Вселенной – наша система, Млечный Путь и прочие структуры. Также сюда входят все виды энергии, пространство-время и физические законы.
Одним из основных вопросов, которые не выходят из сознания человека, всегда был и является вопрос: «как появилась Вселенная?». Конечно же, однозначного ответа на данный вопрос нет, и вряд ли будет получен в скором времени, однако наука работает в этом направлении и формирует некую теоретическую модель зарождения нашей Вселенной.
Теории происхождения Вселенной
Креационизм: все создал Господь Бог
Среди всех теорий о происхождении Вселенной эта появилась самой первой. Очень хорошая и удобная версия, которая, пожалуй, будет иметь актуальность всегда. Кстати, многие ученые физики, несмотря на то что наука и религия часто представляются понятиями противоположными, верили в Бога.
Например, Альберт Эйнштейн говорил:
«Каждый серьезный естествоиспытатель должен быть каким-то образом человеком религиозным. Иначе он не способен себе представить, что те невероятно тонкие взаимозависимости, которые он наблюдает, выдуманы не им.»
Теория Большого Взрыва (модель горячей Вселенной)
Пожалуй, самая распространенная и наиболее признанная модель происхождения нашей Вселенной. Отвечает на вопрос — каким образом образовались химические элементы и почему распространённость их именно такая, какая сейчас наблюдается.
Согласно этой теории, около 14 миллиардов назад, пространства и времени не было, а вся масса вселенной была сосредоточена в крохотной точке с невероятной плотностью – в сингулярности. Однажды из-за возникшей в ней неоднородности, произошел так называемый Большой Взрыв. И с тех пор Вселенная постоянно расширяется и остывает.
Теория Большого взрыв
Первые 10 -43 секунды после Большого Взрыва называют этапом квантового хаоса. Природа мироздания на этом этапе существования не поддается описанию в рамках известной нам физики. Происходит распад непрерывного единого пространства-времени на кванты.
Спустя 10 000 лет энергия вещества постепенно превосходит энергию излучения и происходит их разделения. Вещество начинает доминировать над излучением, возникает реликтовый фон.
Теория Большого Взрыва тверже встала на ноги после открытия космологического красного смещения и реликтового излучения. Два этих явления — самые весомые доводы в пользу правильности теории.
Также разделение вещества с излучением значительно усилило изначальные неоднородности в распределении вещества, в результате чего начали образовываться галактики и сверхгалактики. Законны Вселенной пришли к тому виду, в котором мы наблюдаем их сегодня.
Модель расширяющейся Вселенной
Сейчас доподлинно известно, что Галактики и иные космические объекты удаляются друг от друга, а значит, Вселенная расширяется.
Модель расширяющейся Вселенной описывает сам факт расширения. В общем случае не рассматривается, когда и почему Вселенная начала расширяться. В основе большинства моделей лежит общая теория относительности и её геометрический взгляд на природу гравитации.
Красное смещение – это наблюдаемое для далеких источников понижение частот излучения, которое объясняется отдалением источников (галактик, квазаров) друг от друга. Данный факт свидетельствует о том, что Вселенная расширяется.
Реликтовое излучение – это как бы отголоски большого взрыва. Ранее Вселенная представляла собой горячую плазму, которая постепенно остывала. Еще с тех далеких времен во Вселенной остались так называемые блуждающие фотоны, которые образуют фоновое космическое излучение. Ранее при более высоких температурах Вселенной данное излучение было гораздо мощнее. Сейчас же его спектр соответствует спектру излучения абсолютно твердого тела с температурой всего 2,7 Кельвин.
Теория эволюции крупномасштабных структур
Как показывают данные по реликтовому фону, в момент отделения излучения от вещества Вселенная была фактически однородна, флуктуации вещества были крайне малыми, и это представляет собой значительную проблему.
Вторая проблема — ячеистая структура сверхскоплений галактик и одновременно сфероподобная — у скоплений меньших размеров. Любая теория, пытающаяся объяснить происхождение крупномасштабной структуры Вселенной, в обязательном порядке должна решить эти две проблемы.
Современная теория формирования крупномасштабной структуры, как впрочем и отдельных галактик, носит названия «иерархическая теория».
Суть — вначале галактики были небольшие по размеру (примерно как Магеллановы облака ), но со временем они сливаются, образуя всё большие галактики.
В последнее время верность теории поставлена под вопрос.
Теория струн
Эта гипотеза в некоторой степени опровергает Большой взрыв в качестве начального момента возникновения элементов открытого космоса.
Согласно теории струн, Вселенная существовала всегда. Гипотеза описывает взаимодействие и структуру материи, где существует определенный набор частиц, которые делятся на кварки, бозоны и лептоны. Говоря простым языком, эти элементы являются основой мироздания, поскольку их размер настолько мал, что деление на другие составляющие стало невозможным.
Отличительной чертой теории о том, как образовалась Вселенная, становится утверждение о вышеупомянутых частицах, которые представляют собой ультрамикроскопические струны, которые постоянно колеблются. Поодиночке они не имеют материальной формы, являясь энергией, которая в совокупности создает все физические элементы космоса.
Примером в данной ситуации послужит огонь: глядя на него, он кажется материей, однако он неосязаем.
Хаотическая теория инфляции — теория Андрея Линде
Согласно данной теории существует некоторое скалярное поле, которое неоднородно во всем своем объеме. То есть в различных областях вселенной скалярное поле имеет разное значение. Тогда в областях, где поле слабое – ничего не происходит, в то время как области с сильных полем начинают расширяться (инфляция) за счет его энергии, образуя при этом новые вселенные.
Такой сценарий подразумевает существование множества миров, возникших неодновременно и имеющих свой набор элементарных частиц, а, следовательно, и законов природы.
Теория Ли Смолина
Эта теория достаточно известна и предполагает, что Большой Взрыв не является началом существования Вселенной, а – лишь фазовым переходом между двумя ее состояниями. Так как до Большого Взрыва Вселенная существовала в форме космологической сингулярности, близкой по своей природе к сингулярности черной дыры, Смолин предполагает, что Вселенная могла возникнуть из черной дыры.
Эволюция Вселенной
Как происходил процесс развития и эволюции Вселенной? В течение следующих миллиардов лет гравитация заставила более плотные области притягиваться. В этом процессе формировались газовые облака, звезды, галактические структуры и прочие небесные объекты.
Этот период именуют Структурной Эпохой, так как именно в этот временной отрезок зарождалась современная Вселенная. Видимое вещество распределялось на различные формирования (звезды в галактики, а те в скопления и сверхскопления).
Что было до появления Вселенной
Сложно представить время за 13,7 миллиардов лет до сегодняшнего дня, когда вся Вселенная представляла собой сингулярность. Согласно теории Большого взрыва, один из главных претендентов на роль объяснения того, откуда появилась Вселенная и вся материя в космосе — все было сжато в точку, меньшую, чем субатомная частица. Но если это еще можно принять, задумайтесь вот о чем: что же было до того, как случился Большой взрыв?
Этот вопрос современной космологии уходит корнями еще в четвертое столетие нашей эры. 1600 лет назад теолог Августин Блаженный как и один из лучших физиков 20 века Альберт Эйнштейн пытались понять природу до сотворения Вселенной. Они пришли к выводу , что просто не было никакого «до».
В настоящее время человеком выдвигаются различные теории.
Теория Мультивселенной
Что если наша Вселенная является потомком другой, старшей Вселенной? Некоторые астрофизики полагают, что пролить свет на эту историю поможет реликтовое излучение, оставшееся от большого взрыва.
Согласно этой теории, в первые мгновения своего существования Вселенная начала чрезвычайно быстро расширяться. Также теория объясняет температуру и плотность флуктуаций реликтового излучения и подсказывает, что эти флуктуации должны быть одинаковыми.
Но, как выяснилось, нет. Последние исследования дали понять, что Вселенная на самом деле однобока, и в некоторых областях флуктуаций больше, чем в других. Некоторые космологи считают, что это наблюдение подтверждает, что у нашей Вселенной была «мать»(!)
В теории хаотической инфляции эта идея приобретает размах: бесконечный прогресс инфляционных пузырьков порождает обилие вселенных, и каждая из них порождает еще больше инфляционных пузырьков в огромном количестве Мультивселенных.
Теория белых и черных дыр
Тем не менее, существуют модели, которыми пытаются объяснить образование сингулярности до большого взрыва. Если вы думаете о черных дырах как о гигантских мусоросборниках, они являются главными кандидатами первоначального сжатия, поэтому наша расширяющаяся Вселенная вполне может быть белой дырой — выходным отверстием черной дыры, и каждая черная дыра в нашей Вселенной может вмещать в себя отдельную вселенную.
Большой скачок
Другие ученые считают, что в основе формирования сингулярности лежит цикл под названием «большой скачок», в результате которого расширяющаяся вселенная в итоге коллапсирует сама в себя, порождая другую сингулярность, которая, опять же, порождает другой большой взрыв.
Этот процесс будет вечным, и все сингулярности и все схлопывания не будут представлять собой ничего другого, кроме как переход в другую фазу существования Вселенной.
Теория циклической Вселенной
Последнее объяснение, которое мы рассмотрим, использует идею циклической Вселенной, порожденной теорией струн. Она предполагает, что новая материя и потоки энергии появляются каждые триллионы лет, когда две мембраны или браны, лежащие за пределами наших измерений, сталкиваются между собой.
Что было до Большого взрыва? Вопрос остается открытым. Может быть, ничего. Может, другая Вселенная или другая версия нашей. Может, океан Вселенных, в каждой из которых — свой набор законов и констант, диктующих природу физической реальности.
Проблемы современных моделей рождения и эволюции Вселенной
Многие теории, касающиеся Вселенной в последнее время сталкиваются с проблемами, как теоретического, так и, что более важно, наблюдательного характера:
- Вопрос о форме Вселенной является важным открытым вопросом космологии. Говоря математическим языком, перед нами стоит проблема поиска трёхмерного пространственного сечения Вселенной, то есть такой фигуры, которая наилучшим образом представляет пространственный аспект Вселенной.
- Неизвестно, является ли Вселенная глобально пространственно плоской, то есть применимы ли законы Евклидовой геометрии на самых больших масштабах.
- Также неизвестно, является ли Вселенная односвязной или многосвязной. Согласно стандартной модели расширения, Вселенная не имеет пространственных границ, но может быть пространственно конечна.
- Существуют предположения, что Вселенная изначально родилась вращающейся. Классическим представлением о зарождении является идея об изотропности Большого взрыва, то есть о распространении энергии одинаково во все стороны. Однако появилась и получила некоторое подтверждение конкурирующая гипотеза о наличии изначального момента вращения Вселенной.
Видео
Источник