Большой отскок: новые данные ставят под сомнение теорию Большого взрыва
Пол Стейнхардт, один из создателей теории возникновения Вселенной в результате Большого взрыва, сейчас сам критикует ее. Он предлагает альтернативную модель — модель отскока, в которой Большой взрыв — не начало времени, а лишь последний из множества повторяющихся циклических процессов сжатия и расширения Вселенной. Подробнее об этой концепции рассказывает Quanta Magazine.
Общепринятая теория возникновения Вселенной звучит примерно так: около 14 миллиардов лет назад из ниоткуда материализовалась огромная масса энергии, всплеск которой в одно мгновение раздул Вселенную, как воздушный шар. В результате быстрого расширения кривизна разгладилась, а материя перемешалась, и сформировалась Вселенная в своем нынешнем виде — плоская и гладкая. Скопления частиц образовали галактики и звезды, но все они — лишь крошечные пятнышки на преимущественно однородном полотне космоса.
Эта теория, которая в учебниках обычно называется инфляционной моделью Вселенной , согласуется со всеми проводившимися до сих пор наблюдениями и пользуется доверием большинства космологов. Но не всех.
Пол Стейнхардт, один из авторов инфляционной модели, стал одним из главных ее критиков. Он отмечает, что, согласно этой модели, в большинстве областей пространства-времени расширение не прекратится никогда, поэтому неизбежно должна возникнуть мультивселенная с бесконечным количеством карманных вселенных, в одной из которых мы живем.
Стейнхардт и его коллеги приступили к разработке другого сценария возникновения нашей Вселенной, взяв за основу циклическую модель, согласно которой Вселенная проходит через последовательные стадии расширения и сжатия.
Их цель — доказать, что наша плоская и однородная Вселенная могла возникнуть и без взрыва.
Чтобы достичь своей цели, Стейнхардт и его коллеги объединились с учеными, занимающимися компьютерным моделированием. Они проанализировали, как меняется структура Вселенной при коллапсировании, и обнаружили, что модель сжатия работает лучше, чем модель расширения: как бы ни выглядела Вселенная до сжатия, коллапсирование сглаживает любые изначальные неровности.
Сужение горизонта
Последним плодом совместной работы Стейнхардта, Анны Ийас из Института гравитационной физики Общества Макса Планка и других ученых стала новая модель циклической Вселенной — экпиротическая модель , согласно которой Вселенная обновляется без коллапсирования.
Чтобы представить себе расширение и сжатие, можно вообразить Вселенную в виде шара.
Говоря об изменении размера Вселенной, как правило, упоминают лишь параметр масштабного фактора , тогда как второй параметр — радиус Хаббла (максимальное расстояние, на котором мы можем видеть объекты во Вселенной) — обходят вниманием. Общая теория относительности допускает изменение этих двух параметров независимо друг от друга, и, что самое главное, изменение любого из них приводит к плоской форме Вселенной.
Представьте, что вы сидите на воздушном шаре. Инфляционная Вселенная — это надувающийся шар. В ней пространство разглаживается и уплощается вследствие расширения. В циклической же Вселенной разглаживание происходит в период сжатия. На этом этапе шар незначительно сдувается, а область обзора сокращается очень сильно. Вы как будто смотрите через увеличительное стекло, которое становится всё более и более мощным. Радиус Хаббла уменьшается, поэтому окружающее пространство становится всё более однообразным.
По версии Стейнхардта и его коллег, Вселенная в течение примерно триллиона лет расширяется под влиянием некоего всепроникающего поля, под которым мы сегодня понимаем темную энергию. Когда это энергетическое поле становится разреженным, пространство постепенно начинает сжиматься. В течение миллиардов лет масштабный фактор уменьшается — частицы сближаются друг с другом, а радиус Хаббла сужается. Сжатие Вселенной перезаряжает энергетическое поле, которое затем нагревает пространство и испаряет его атомы. Происходит отскок — и начинается новый цикл.
В модели отскока микроскопический радиус Хаббла обеспечивает гладкость и плоскостность Вселенной. Инфляция раздувает многочисленные неровности, порождая мультивселенную, тогда как медленное сжатие устраняет их.
В результате получаем Вселенную без начала и конца — и никакой сингулярности, и никакой мультивселенной.
От любой Вселенной к нашей
Один из самых трудных моментов как в инфляционной модели, так и в модели отскока — это доказать, что их энергетические поля могут создать правильную структуру Вселенной.
Ийас и Стейнхардт критикуют инфляционную модель за то, что она работает только при определенных условиях. Они тщательно изучили все сценарии, которые можно рассчитать на бумаге.
А недавно, используя компьютерные симуляции (Ийас и Стейнхардт описали их в двух препринтах, опубликованных в июне), команда подвергла стресс-тесту свою модель медленного сжатия с группой маленьких вселенных, которую нельзя было испытать никаким другим способом.
Адаптировав под свои цели код, разработанный физиком-теоретиком из Принстонского университета Франсом Преториусом, команда исследовала искривленные и комковатые поля; поля, движущиеся в неправильном направлении; и даже поля, разные части которых движутся в противоположных направлениях.
Почти по всех случаях в результате сжатия образовывалась такая же скучная Вселенная, как наша.
Космолог из Оксфордского университета Кэти Клаф, которая занимается численным решением уравнений Эйнштейна, называет новые симуляции «исчерпывающими». Но добавляет, что такой анализ стал возможен только недавно, поэтому полный спектр условий, которые могут выполняться инфляционной моделью, всё еще не исследован.
Отношение к модели Ийас и Стейнхардта остается неоднозначным. Большинство космологов сходятся во мнении, что инфляционная модель по-прежнему не опровергнута.
«На данный момент модель медленного сжатия не может составить конкуренцию инфляционной модели», — говорит космолог из Нью-Йоркского университета Григорий Габададзе.
В дальнейших планах команды Стейнхардта — симулировать сам отскок. У Ийас уже готова одна модель отскока, которую она планирует в скором времени испытать в компьютерной симуляции. Члены команды надеются, что, совместив стадии сжатия и расширения, им удастся определить уникальные характеристики «отскакивающей» Вселенной, которые затем смогут подтвердить в ходе наблюдений астрономы.
Команда еще не описала все детали циклической Вселенной без взрыва и сжатия, не говоря уже о том, чтобы доказать, что мы в ней живем. Но Стейнхардт убежден, что в скором времени его модель станет жизнеспособной альтернативой мультивселенной.
«Препятствия, которых я больше всего опасался, уже преодолены», — утверждает он.
Источник
Как и куда расширяется вселенная?
Я думаю многие слышали о том, что Вселенная расширяется. У моих читателей возникает множество вопросов связанных с этим. В этой статье я постарался ответить на наиболее типичные из них.
Как работает расширение вселенной?
Когда мы смотрим на отдаленные объекты, мы можем заметить, что они отдаляются от нас, при этом чем дальше от нас находится объект, тем быстрее он отдаляется. К примеру объекты находящиеся от нас на расстоянии 13.8 миллиардов световых лет ( сфера Хаббла ) отдаляются от нас со скоростью света, а объекты находящиеся еще дальше – отдаляются быстрее скорости света!
Казалось бы происходит нарушение теории относительности, которая запрещает сверхсветовое движение, но на самом деле это не так. Так отдаленные галактики отдаляются от нас не за счет собственного движения, а за счет того, что между нами и ними пространство расширяется настолько быстро, что для расстояние увеличивается быстрее скорости света.
Почему отдаленные галактики удаляются быстрее?
Потому, что пространство расширяется везде и повсеместно равномерно во всех точках. К примеру если во вселенной каждый метр пространства увеличится на 1 сантиметр за 1 секунду, то тогда объекты расположенные на расстоянии 1 километр друг от друга отдалятся за 1 секунду друг от друга на 10 метров. А на расстоянии 100 километров — на 1000 метров. А на расстоянии 1000 километров — на 10 000 метров и так далее — чем больше расстояние между объектами, тем больше пространства между ними возникает за единицу времени.
Почему все галактики удаляется от нас? Значит ли это, что мы находимся в центре расширения? В центре вселенной? Нет, не значит. Так как пространство расширяется повсеместно и равномерно то какую бы галактику вы не выбрали, как точку обзора, из нее все будет выглядеть так, как будто это она находится в центре расширения, но по сути никакого центра расширения просто нет.
На расстоянии примерно 46.5 миллиардов световых лет находится граница наблюдаемой вселенной. Все что находится за ней мы никогда не сможем увидеть. Просто потому, что фотоны испущенные объектами находящимися за границей наблюдаемой вселенной никогда не достигнут нас — пространство между ними и нами будет возникать быстрее, чем фотоны будут успевать преодолевать его. Это расстояние еще называют горизонтом частиц .
Куда расширяется вселенная?
Теперь возникает следующий вопрос – куда же расширяется вселенная? Ответ на него донельзя прозаичен – никуда. Все дело в том, что вселенная бесконечна и не имеет границ. Более того вселенная всегда была бесконечна, даже в момент Большого Взрыва. Когда физик или астроном говорит, что в момент большого взрыва вселенная была сжата до микроскопического размера речь идет о размерах наблюдаемой вселенной, а не всей вселенной.
Источник
Спросите Итана: откуда нам известно, что расширяется именно пространство?
Существует большой набор научных доказательств, поддерживающих картину расширения Вселенной и Большой взрыв. А вот вопрос конечности или бесконечности Вселенной пока не решён
Если вы посмотрите на любые окружающие вас объекты Вселенной, и увидите, что все они будут двигаться в сторону от вас, что вы решите? Может, что у вас есть отталкивающая сила? Или что ткань пространства расширяется? Что вы находитесь в центре произошедшего когда-то взрыва и всё разлетается в стороны от его центра? Все эти и некоторые другие варианты могут казаться разумными, но учёные почему-то всё время говорят о «расширяющейся Вселенной», будто бы другие альтернативы не годятся. Почему? Наш читатель спрашивает об этом:
Откуда нам известно, что расширяется пространство? По отношению к чему? Красное смещение разлетающихся галактик могло бы быть и в бесконечном пространстве, а не обязательно в расширяющемся.
Ответ на этот вопрос вытекает непосредственно из наблюдений за Вселенной.
Пространство-время вблизи нашего местоположения искривлено из-за гравитационного воздействия Солнца и других масс
Один из самых невероятных фактов, связанных с Эйнштейновской Общей теорией относительности – лидирующей теорией гравитации – заключается в том, что она связывает пространство-время и материю с энергией. Материя и энергия сообщают пространству-времени, как нужно искривиться; пространство-время говорит материи, как двигаться. Если мы узнаем, как распределена вся материя и энергия во Вселенной в какой-то момент времени, и узнаем, как они движутся, мы сможем воссоздать кривизну пространства-времени и его эволюцию в течение жизни Вселенной.
Двумерный срез регионов повышенной (красный) и пониженной (синий/чёрный) плотности в нашем участке Вселенной. Линии и стрелочки показывают направление пекулярных скоростей, но всё это также вписывается в ткань расширяющегося пространства
Наблюдая за галактиками Вселенной, мы видим, что на самые близкие к нам галактики больше всего влияет гравитационная динамика других соседних галактик. Млечный путь и Андромеда направляются навстречу друг другу, другие галактики местной группы в итоге также сольются с нами. Остальные галактики притягиваются в другим близлежащим массам – крупным галактикам, галактическим группам и скоплениям. В любом относительно небольшом участке пространства, размером от нескольких миллионов до десятков миллионов световых лет, массы этого пространства определяют, как именно будут двигаться галактики.
Ультрадальний снимок Вселенной показывает, как галактики движутся в направлении от нас с экстремально большими скоростями. На таких расстояниях галактик больше, они выглядят меньше по размеру и менее развитыми, и удаляются от нас с большим красным смещением по сравнению с соседними с нами
На крупных масштабах всё происходит не так. Мелкомасштабные движения, известные, как пекулярные скорости, могут достигать нескольких тысяч километров в секунду. Но они накладываются на более сильный эффект, который можно увидеть только на более крупных масштабах: чем дальше от нас галактика, тем быстрее она от нас отдаляется.
Красное смещение вызывается не просто удалением галактик от нас, а тем, что пространство между нами и галактиками смещает свет в красную часть спектра, пока он перемещается к нам от отдалённой точки пространства.
Это эмпирическое наблюдение известно, как закон Хаббла, и постулирует, что наблюдаемая скорость убегания от нас галактики пропорциональна расстоянию от неё до нас. Константа пропорциональности известна как постоянная Хаббла, и её довольно точно измерили, получив значение порядка 70 (км/с)/Мпк [66,93 ± 0,62 (км/с)/Мпк – данные 2016 года / прим. перев.] с погрешностью в 3-4 (км/с)/Мпк – зависит от того, как измерять.
Зависимость красного смещения от расстояния до далёких галактик. У не попадающих на линию точек разница в скорости объясняется пекулярными скоростями, но они отвечают лишь за небольшое отклонение от общего расширения. Первичные данные, изучавшиеся Эдвином Хабблом, и впервые использовавшиеся для демонстрации расширения Вселенной, уместились в красный прямоугольник слева внизу.
Но отчего так происходит? Почему всё убегает друг от друга, если не имеет гравитационной связи? Вернёмся к основам ОТО, к тому самому откровению, которое испытал Эйнштейн перед публикацией своей наиболее мощной идеи.
Выдвинув свою ОТО, Эйнштейн быстро понял, что у неё имеется последствие, которое ему не нравится: Вселенная, повсеместно наполненная материей, была бы нестабильна и подвержена гравитационному коллапсу. Эйнштейн решил этот поправить, введя невидимую расталкивающую силу, предотвращавшую коллапс, космологическую константу. Другие поняли, что, если не учитывать эту константу, можно получить Вселенную, не статичную во времени – в ней сама ткань пространства будет расширяться или сжиматься.
Аналогия расширения Вселенной на примере шарика с монетками. Отдельные структуры (монетки) не расширяются, но расстояния между ними увеличиваются.
Исправление Эйнштейна не работала. Космологическая константа приводила к нестабильной Вселенной: участки с повышенной плотностью должны были схлопнуться, а с пониженной – разбежаться. Во Вселенной, работающей по законам ОТО, не могло быть статичного пространства-времени, пока она заполнена материей. Наша Вселенная выглядит для нас гомогенной и изотропной. Важность двух этих свойств заключается в следующем:
- Гомогенность означает, что Вселенная повсюду одинаковая.
- Изотропность означает, что Вселенная одинакова по всем направлениям.
В комплексе они говорят о том, что Вселенной присуще равномерное распределение материи и энергии, во всех местах и направлениях. А раз так, и удалённые галактики убегают от нас тем быстрее, чем дальше находятся, у нас остаётся очень мало вариантов объяснения происходящего.
Вселенная, подчиняющаяся законам относительности, и изотропно и гомогенно заполненная материей и излучением, не может быть статичной. Она должна расширяться или сжиматься, в зависимости от содержимого и его количества.
Эта ситуация могла развиться благодаря разным факторам, среди которых:
- «Усталость» света, идущего от удалённых галактик, и потеря им энергии во время движения через пространство.
- Быстрое движение, в результате которого самые быстрые из движущихся галактик оказались со временем самыми отдалёнными.
- Первоначальный взрыв, расталкивающий галактики дальше от нас.
- Расширение пространства-времени.
Но лишь последний вариант подтверждается полным набором данных, поддерживающих как ОТО, так и астрофизическое распределение и свойства всех наблюдаемых галактик.
Разница между объяснением красного смещения только через движение галактик (пунктир) и предсказаниями ОТО (сплошная) для расстояний в расширяющейся Вселенной. С нашими наблюдениями однозначно совпадают лишь предсказания ОТО.
Довольно быстро стало понятно – ещё в 1930-х – что тут двух вариантов быть не может: Вселенная в самом деле расширяется. Это помог подтвердить тот факт, что красное смещение объекта очень хорошо совпадало с расчётным, полученным через расстояние, и с наблюдаемой скоростью расширения, вне зависимости от расстояния до объекта.
Но тому есть ещё больше доказательств. Если бы Вселенная расширялась, можно было бы ожидать наблюдения ещё нескольких явлений. Мы бы увидели, что чем дальше заглядываем в удалённое прошлое, тем плотнее становится материя Вселенной. Мы бы увидели, что скопления галактик оказываются плотнее, чем сегодня. Мы бы увидели, что спектр света от объектов со свойствами абсолютно чёрного тела таким бы и оставался, и не испытывал сдвига в энергии. А ещё мы бы увидели, что температура реликтового излучения раньше была выше, чем сегодняшние 2,7 К.
Исследование от 2011 года (красные точки) даёт наилучшие на сегодня доказательства того, что температура реликтового излучения в прошлом была выше. Спектральные и температурные свойства пришедшего издалека света подтверждают тот факт, что мы живём в расширяющемся пространстве.
Все эти свидетельства совместно учат нас тому, что Вселенная расширяется, и именно в этом причина красного смещения. Это не движение, не уставший свет, не результат взрыва. Само пространство расширяется, и та часть Вселенной, что мы можем видеть и изучать, со временем становится всё больше и больше. И хотя прошло всего 13,8 млрд лет с момента Большого взрыва, самые удалённые объекты, от которых до нас дошёл свет, сейчас удалены от нас уже на 46 млрд световых лет.
Наблюдаемая часть Вселенной простирается на 46 млрд световых лет во всех направлениях с нашей точки зрения, но за этими пределами определённо существует гораздо больше пространства, точно такое же, как наше,- возможно, даже бесконечное количество.
А что находится за этими пределами? Мы почти уверены, что там есть ещё больше «Вселенной», но свету оттуда просто не хватило времени, чтобы дойти до нас. Ненаблюдаемая Вселенная, расположенная за пределами наблюдаемой, может быть конечной или бесконечной; нам это просто неизвестно. Но даже если она уже бесконечная, она всё равно может расширяться! С расширением Вселенной мы просто умножаем её размер на множитель роста, поэтому если она изначально была конечной, она останется конечной (просто больше по размеру), а если она была бесконечной, она останется бесконечной. Мы уверены, что Вселенная меняется, расширяется и растягивается – и все эти эффекты непротиворечивы и неоспоримы. Но что находится за пределами наблюдаемой Вселенной? Мы работаем над тем, чтобы это выяснить. Как обычно, в науке есть ещё много того, что нужно сделать!
Источник