Проблема горизонта
Инфляция не только объясняла факты, свидетельствующие о том, что
Вселенная плоская, — она также решила проблему горизонта. Эта
проблема основана на простом понимании того, что ночное небо ка-
жется относительно однородным, в какую бы точку вы ни смотрели.
Если вы повернете голову на 180°, то увидите, что Вселенная одно-
родна, хотя только что видели сегменты Вселенной, разделенные де-
сятками миллиардов световых лет. Мощнейшие телескопы не могут
обнаружить каких-либо заметных отклонений в этой однородности.
Наши космические спутники показали, что космическое фоновое
микроволновое излучение также распределено чрезвычайно одно-
родно. В какую бы точку космоса мы ни проникли, температура фо-
нового излучения меняется не более чем на одну тысячную градуса.
Но в этом-то и проблема, поскольку скорость света является
конечным скоростным пределом во Вселенной. За время жизни
Вселенной свет или информация никоим образом не могли пройти
расстояние от одной части ночного неба к другой. Если взять, ска-
жем, микроволновое излучение, видимое в одном направлении, то
оно путешествовало более 13 млрд лет с момента Большого Взрыва.
Но если мы повернем голову на 180°, то увидим такое же микровол-
новое излучение, которое тоже пропутешествовало более 13 млрд
лет. Поскольку эти излучения имеют одну и ту же температуру, это
означает, что они находились в термальном контакте еще в начале
времен. Но различные точки в ночном небе, разделенные расстояни-
ем в 26 миллиардов световых лет, с момента Большого Взрыва нико-
им образом не могли обменяться информацией.
Ситуация выглядит еще хуже, если взглянуть на небо через
380000 лет после Большого Взрыва, когда впервые образовалось
микроволновое фоновое излучение. Если мы взглянем на противо-
положные точки небесной сферы (не простым глазом, естественно),
то увидим, что излучение почти однородно. Но, согласно расчетам в
рамках теории Большого Взрыва, между этими противоположными
точками лежит расстояние в 90 миллионов световых лет (из-за кос-
мического расширения после взрыва). Но свет никак не мог пройти
90 миллионов световых лет за 380 000 лет. Информация должна была
бы двигаться со скоростью, намного превышающей скорость света, а
это невозможно.
По справедливости, Вселенная должна бы казаться довольно
комковатой, при этом одна ее часть находилась бы слишком дале-
ко от другой, чтобы они могли контактировать между собой. Как
может Вселенная казаться настолько однородной, когда у света
просто-напросто не было достаточно времени, чтобы перенести и
распространить информацию из одной части Вселенной в другую?
(Принстонский физик Роберт Дик назвал эту проблему «проблемой
горизонта», поскольку горизонт — самая отдаленная точка, кото-
рую мы можем видеть, самая отдаленная точка, до которой может
распространяться свет.)
Однако Гут понял, что инфляция дает ключ к разрешению и
этой проблемы. Он сделал следующий вывод: наша Вселенная, ви-
димо, была крошечным язычком изначального огненного облака.
Температура и плотность этого язычка были однородны. Но инфля-
ция внезапно расширила этот язычок однородного вещества в 10 50
раз, со скоростью, намного превышающей скорость света, а потому
видимая сегодня Вселенная кажется столь однородной. Так что ноч-
ное небо и микроволновое излучение кажутся столь однородными
из-за того, что видимая Вселенная была когда-то крошечным, но од-
нородным язычком изначального облака пламени, который внезапно
расширился, образовав Вселенную.
Источник
Проблема горизонта — Horizon problem
Проблема горизонта (также известная как проблема гомогенности ) является космологической тонкой настройкой проблемы в Большом Взрыве модели Вселенной . Он возникает из-за сложности объяснения наблюдаемой однородности причинно- несвязанных областей пространства в отсутствие механизма, который задает одинаковые начальные условия повсюду. Впервые на это указал Вольфганг Риндлер в 1956 году.
Наиболее распространенное решение — космическая инфляция . Также было предложено объяснение в терминах переменной скорости света .
СОДЕРЖАНИЕ
Задний план
Астрономические расстояния и горизонты частиц
Расстояния до наблюдаемых объектов в ночном небе соответствуют временам в прошлом. Мы используем световой год (расстояние, которое свет может пройти за один земной год), чтобы описать эти космологические расстояния. Галактика размером в десять миллиардов световых лет кажется нам такой, какой она была десять миллиардов лет назад, потому что свету потребовалось столько времени, чтобы добраться до наблюдателя. Если посмотреть на галактику, находящуюся на расстоянии десяти миллиардов световых лет в одном направлении, а другое — в противоположном, то общее расстояние между ними составит двадцать миллиардов световых лет. Это означает, что свет от первого еще не достиг второго, потому что Вселенной всего около 13,8 миллиарда лет. В более общем смысле есть части Вселенной, которые видимы для нас, но невидимы друг для друга, за пределами соответствующих горизонтов частиц друг друга .
Распространение причинно-следственной информации
В принятых релятивистских физических теориях никакая информация не может перемещаться быстрее скорости света . В этом контексте «информация» означает «любое физическое взаимодействие». Например, тепло естественным образом перетекает из более горячей области в более холодную, и с точки зрения физики это один из примеров обмена информацией. Учитывая приведенный выше пример, две рассматриваемые галактики не могли обмениваться какой-либо информацией; они не находятся в причинном контакте . Таким образом, при отсутствии общих начальных условий можно было бы ожидать, что их физические свойства будут разными, и в более общем плане, что Вселенная в целом будет иметь различные свойства в причинно несвязанных областях.
Проблема горизонта
Вопреки этому ожиданию, наблюдения космического микроволнового фона (CMB) и обзоры галактик показывают, что наблюдаемая Вселенная почти изотропна , что, согласно принципу Коперника , также подразумевает однородность . Обзоры неба CMB показывают, что температуры CMB согласованы на уровне, где есть разница между наблюдаемой температурой в области неба и средней температурой неба . Эта координация подразумевает, что все небо и, следовательно, вся наблюдаемая Вселенная должны были быть причинно связаны достаточно долго, чтобы Вселенная пришла в тепловое равновесие. Δ Т / Т ≈ 10 — 5 , <\ displaystyle \ Delta T / T \ приблизительно 10 ^ <- 5>,> 
Δ Т <\ displaystyle \ Delta T> Т <\ displaystyle T>
Согласно модели Большого взрыва, когда плотность расширяющейся Вселенной падала, она в конечном итоге достигла температуры, при которой фотоны выпадали из теплового равновесия с веществом; они отделились от электронно-протонной плазмы и начали беспрепятственно перемещаться по Вселенной. Этот момент времени называется эпохой рекомбинации , когда электроны и протоны стали связаны с образованием электрически нейтрального водорода; без свободных электронов, которые могли бы рассеять фотоны, фотоны начали свободно перемещаться. Сейчас они наблюдаются как CMB. Эта эпоха наблюдается через реликтовое излучение. Поскольку мы наблюдаем реликтовое излучение как фон для объектов с меньшим красным смещением, мы описываем эту эпоху как переход Вселенной от непрозрачного к прозрачному. CMB физически описывает «поверхность последнего рассеяния», которая нам кажется поверхностью или фоном, как показано на рисунке ниже.
Обратите внимание, что на следующих диаграммах мы используем конформное время . Конформное время описывает количество времени, которое потребуется фотону, чтобы пройти от места нахождения наблюдателя до самого дальнего наблюдаемого расстояния (если бы Вселенная прекратила расширяться прямо сейчас).
Считается, что расщепление или последнее рассеяние произошло примерно через 300 000 лет после Большого взрыва или при красном смещении примерно . Мы можем определить как приблизительный угловой диаметр Вселенной, так и физический размер горизонта частиц, существовавшего в то время. z р е c ≈ 1100 <\ displaystyle z_
Расстояние по угловому диаметру , выраженное в красном смещении z, описывается как . Если предположить плоскую космологию, то d А ( z ) знак равно р ( z ) / ( 1 + z ) <\ Displaystyle d_ (z) = r (z) / (1 + z)>
р ( z ) знак равно ∫ т е м т 0 d т / а ( т ) знак равно ∫ а е м 1 d а / а 2 ЧАС ( а ) знак равно ∫ 0 z d z / ЧАС ( z ) . <\ displaystyle r (z) = \ int \ limits _
Эпоха рекомбинации произошла в эпоху доминирования материи во Вселенной, поэтому мы можем аппроксимировать H (z) следующим образом: Собирая все вместе, мы видим, что расстояние по угловому диаметру или размер наблюдаемой Вселенной для красного смещения составляет, ЧАС 2 ( z ) ≈ Ω м ЧАС 0 2 ( 1 + z ) 3 . <\ displaystyle H ^ <2>(z) \ приблизительно \ Omega _ z р е c ≈ 1100 <\ displaystyle z_
р ( z ) знак равно ∫ 0 z d z / ЧАС ( z ) знак равно 1 Ω м ЧАС 0 ∫ 0 z d z / ( 1 + z ) 3 / 2 знак равно 2 Ω м ЧАС 0 ( 1 — 1 1 + z ) <\ displaystyle r (z) = \ int \ limits _ <0>^ .
Поскольку мы можем приблизить , z ≫ 1 <\ displaystyle z \ gg 1> р ( z ) ≈ 2 Ω м ЧАС 0 <\ displaystyle r (z) \ приблизительно <\ гидроразрыва <2><<\ sqrt <\ Omega _
d А ( z ) ≈ 2 Ω м ЧАС 0 / ( 1 + z ) <\ displaystyle d_ (z) \ приблизительно <\ frac <2><<\ sqrt <\ Omega _
d А ( 1100 ) ≈ 14 M п c <\ displaystyle d_ (1100) \ приблизительно 14 \ Mpc>
Горизонт частиц описывает максимальное расстояние легкие частицы могли бы путешествовал к наблюдателю , учитывая возраст Вселенной. Мы можем определить сопутствующее расстояние для возраста Вселенной во время рекомбинации, используя r (z), полученное ранее,
d час о р , р е c ( z ) знак равно ∫ 0 т ( z ) d т / а ( т ) знак равно ∫ z ∞ d z / ЧАС ( z ) ≈ 2 Ω м ЧАС 0 [ 1 1 + z ] z ∞ ≈ 2 Ω м ЧАС 0 1 1 + z <\ displaystyle d_
Чтобы получить физический размер горизонта частиц , D <\ displaystyle D>
D ( z ) знак равно а ( z ) d час о р , р е c знак равно d час о р , р е c ( z ) / ( 1 + z ) <\ Displaystyle D (z) = a (z) d_
D ( 1100 ) ≈ 0,03 ≈ 2 d е грамм р е е s <\ Displaystyle D (1100) \ приблизительно 0,03 \ приблизительно 2 \ градуса>
Мы ожидаем, что любая область реликтового излучения в пределах 2 градусов углового разнесения находится в причинном контакте, но при любом масштабе более 2 ° обмена информацией не должно было быть.
Области реликтового излучения, разделенные более чем на 2 °, лежат вне горизонтов частиц друг друга и причинно разобщены. Проблема горизонта описывает тот факт, что мы видим изотропию температуры реликтового излучения по всему небу, несмотря на то, что все небо не находится в причинном контакте для установления теплового равновесия. Обратитесь к диаграмме временного пространства справа для визуализации этой проблемы.
Если Вселенная началась с даже немного разных температур в разных местах, реликтовое излучение не должно быть изотропным, если нет механизма, выравнивающего температуру к моменту разделения. На самом деле, СРК имеет ту же температуру во всем небе, 2,726 ± 0,001 K .
Инфляционная модель
Теория космической инфляции попыталась решить эту проблему, постулируя 10 -32- секундный период экспоненциального расширения в первую секунду истории Вселенной из-за взаимодействия скалярного поля. Согласно инфляционной модели, Вселенная увеличилась в размерах более чем в 10 22 раза из небольшой и причинно-связанной области, находящейся почти в равновесии. Затем инфляция быстро расширила Вселенную, изолируя близлежащие области пространства-времени, вырастая их за пределы причинного контакта, эффективно «фиксируя» однородность на больших расстояниях. По сути, инфляционная модель предполагает, что Вселенная полностью находилась в причинном контакте в очень ранней Вселенной. Затем инфляция расширяет эту вселенную примерно на 60 электронных складок (коэффициент масштабирования a увеличивается на e60). Мы наблюдаем CMB после того, как инфляция произошла в очень большом масштабе. Он поддерживал тепловое равновесие до такого большого размера из-за быстрого расширения в результате надувания.
Одним из следствий космической инфляции является то, что анистропии Большого взрыва, вызванные квантовыми флуктуациями , уменьшаются, но не устраняются полностью. Различия в температуре космического фона сглаживаются космической инфляцией, но они все еще существуют. Теория предсказывает спектр анизотропии микроволнового фона, который в основном согласуется с наблюдениями WMAP и COBE .
Однако одной силы тяжести может быть достаточно, чтобы объяснить эту однородность.
Теории переменной скорости света
Космологические модели, использующие переменную скорость света , были предложены для решения проблемы горизонта и обеспечения альтернативы космической инфляции . В моделях VSL фундаментальная константа c , обозначающая скорость света в вакууме, больше в ранней Вселенной, чем ее нынешнее значение, эффективно увеличивая горизонт частиц во время разделения в достаточной степени, чтобы учесть наблюдаемую изотропию реликтового излучения.
Источник