Вечная инфляция — Eternal inflation
Вечная инфляция — это гипотетическая модель инфляционной Вселенной , которая сама по себе является результатом или расширением теории Большого взрыва .
Согласно вечной инфляции, инфляционная фаза расширения Вселенной длится вечно на большей части Вселенной. Поскольку регионы расширяются экспоненциально быстро, большая часть объема Вселенной в любой момент времени раздувается. Таким образом, вечная инфляция порождает гипотетически бесконечную мультивселенную , в которой только незначительный фрактальный объем останавливает инфляцию.
Пол Стейнхардт , один из первых исследователей инфляционной модели, представил первый пример вечной инфляции в 1983 году, а Александр Виленкин показал, что он является общим.
В статье Алана Гута 2007 года «Вечная инфляция и ее последствия» говорится, что при разумных предположениях «Хотя инфляция в целом вечна в будущем, она не вечна в прошлом». Гут подробно рассказал, что было известно об этом предмете в то время, и продемонстрировал, что вечная инфляция по-прежнему считается вероятным результатом инфляции, спустя более 20 лет после того, как вечная инфляция была впервые введена Стейнхардтом.
СОДЕРЖАНИЕ
Обзор
Развитие теории
Инфляция, или теория инфляционной Вселенной, изначально была разработана как способ преодолеть несколько оставшихся проблем с тем, что в противном случае считалось успешной теорией космологии, моделью Большого взрыва.
В 1979 году Алан Гут представил инфляционную модель Вселенной, чтобы объяснить, почему Вселенная плоская и однородная (что относится к плавному распределению материи и излучения в больших масштабах). Основная идея заключалась в том, что Вселенная пережила период быстро ускоряющегося расширения через несколько мгновений после Большого взрыва. Он предложил механизм, вызывающий инфляцию: энергия ложного вакуума . Гут ввел термин «инфляция» и был первым, кто обсудил теорию с другими учеными всего мира.
Первоначальная формулировка Гута была проблематичной, поскольку не существовало последовательного способа положить конец инфляционной эпохе и создать горячую, изотропную , однородную Вселенную, наблюдаемую сегодня. Хотя ложный вакуум мог распадаться на пустые «пузыри» «истинного вакуума», которые расширялись со скоростью света, пустые пузыри не могли объединиться, чтобы повторно нагреть Вселенную, потому что они не могли угнаться за остающейся надувающейся Вселенной.
В 1982 году эта « проблема изящного выхода » была независимо решена Андреем Линде и Андреасом Альбрехтом и Полом Стейнхардтом, которые показали, как положить конец инфляции, не создавая пустых пузырей, а вместо этого получить горячую расширяющуюся Вселенную. Основная идея заключалась в том, чтобы иметь непрерывный «медленный» или медленный переход от ложного вакуума к истинному без образования пузырьков. Усовершенствованная модель получила название «новая инфляция».
В 1983 году Пол Стейнхардт первым показал, что эта «новая инфляция» не должна заканчиваться везде. Вместо этого он может закончиться только конечным участком или горячим пузырем, полным материи и излучения, и эта инфляция продолжается в большей части Вселенной, создавая на своем пути горячий пузырь за горячим. Александр Виленкин показал, что при правильном учете квантовых эффектов это действительно характерно для всех новых моделей инфляции.
Используя идеи, предложенные Стейнхардтом и Виленкиным, Андрей Линде в 1986 году опубликовал альтернативную модель инфляции, в которой эти идеи были использованы для подробного описания того, что стало известно как теория хаотической инфляции или вечная инфляция.
Квантовые флуктуации
Новая инфляция не создает идеально симметричной Вселенной из-за квантовых флуктуаций во время инфляции. Колебания вызывают различие энергии и плотности вещества в разных точках пространства.
Квантовые колебания в поле гипотетической инфляции вызывают изменения в скорости расширения, которые ответственны за вечную инфляцию. Те регионы с более высоким уровнем инфляции расширяются быстрее и доминируют во Вселенной, несмотря на естественную тенденцию прекращения инфляции в других регионах. Это позволяет инфляции продолжаться вечно, порождая вечную инфляцию в будущем. В качестве упрощенного примера предположим, что во время инфляции естественная скорость распада поля инфлатона мала по сравнению с эффектом квантовой флуктуации. Когда мини-вселенная раздувается и «самовоспроизводится», скажем, в двадцать причинно-несвязанных мини-вселенных, равных по размеру исходной мини-вселенной, возможно, девять из новых мини-вселенных будут иметь больше, чем меньше, среднее значение поля инфлатона, чем исходная мини-вселенная, потому что они надувались из областей исходной мини-вселенной, где квантовая флуктуация подтолкнула значение инфлатона вверх больше, чем медленная скорость затухания инфляции снизила значение инфлатона. Первоначально существовала одна мини-вселенная с заданным значением инфлатона; теперь есть девять мини-вселенных, которые имеют немного большее значение инфлатона. (Конечно, есть также одиннадцать мини-вселенных, где значение инфлатона немного ниже, чем оно было изначально.) Каждая мини-вселенная с большим значением поля инфлатона перезапускает аналогичный цикл приблизительного самовоспроизведения внутри себя. (Мини-вселенные с более низкими значениями инфлатона также могут воспроизводиться, если их значение инфлатона не достаточно мало, чтобы область выпала из инфляции и прекратила самовоспроизведение.) Этот процесс продолжается бесконечно; девять мини-вселенных с высоким уровнем инфлатона могут превратиться в 81, затем 729 . Таким образом, существует вечная инфляция.
В 1980 году в Советском Союзе Вячеслав Муханов и Геннадий Чибисов предложили квантовые флуктуации в контексте модели модифицированной гравитации Алексея Старобинского как возможные семена для формирования галактик.
В контексте инфляции квантовые флуктуации впервые были проанализированы на трехнедельном семинаре Наффилда 1982 года по очень ранней Вселенной в Кембриджском университете. Средняя сила колебаний была сначала рассчитана четырьмя группами, работавшими отдельно в течение семинара: Стивеном Хокингом ; Старобинский; Гут и Со-Юнг Пи; и Джеймс М. Бардин , Пол Стейнхардт и Майкл Тернер .
Первые расчеты, проведенные в Nuffield Workshop, были сосредоточены только на средних колебаниях, величина которых слишком мала, чтобы повлиять на инфляцию. Однако, начиная с примеров, представленных Стейнхардтом и Виленкиным, позже было показано, что та же самая квантовая физика порождает случайные большие флуктуации, которые увеличивают темп инфляции и поддерживают инфляцию вечно.
Дальнейшие разработки
Анализируя данные спутника Planck от 2013 года, Анна Иджас и Пол Стейнхардт показали, что простейшие инфляционные модели из учебников были исключены, а оставшиеся модели требуют экспоненциально более точных начальных условий, большего количества настраиваемых параметров и меньшей инфляции. Более поздние наблюдения Planck, опубликованные в 2015 году, подтвердили эти выводы.
Статья Кохли и Хаслама в 2014 году поставила под сомнение жизнеспособность теории вечной инфляции, проанализировав теорию хаотической инфляции Линде, в которой квантовые флуктуации моделируются как гауссовский белый шум. Они показали, что в этом популярном сценарии вечная инфляция на самом деле не может быть вечной, а случайный шум приводит к тому, что пространство-время заполняется сингулярностями. Это было продемонстрировано, показывая, что решения уравнений поля Эйнштейна расходятся за конечное время. Таким образом, в их статье сделан вывод, что теория вечной инфляции, основанная на случайных квантовых флуктуациях, не будет жизнеспособной теорией, и возникающее в результате существование мультивселенной «все еще остается открытым вопросом, который потребует гораздо более глубокого исследования».
Инфляция, вечная инфляция и мультивселенная
В 1983 году было показано, что инфляция может быть вечной, что приведет к мультивселенной, в которой пространство разбивается на пузыри или пятна, свойства которых различаются от участка к участку, охватывая все физические возможности.
Пол Стейнхардт, создавший первый пример вечной инфляции, в конце концов стал ярым и ярым противником этой теории. Он утверждал, что мультивселенная представляет собой крах теории инфляции, потому что в мультивселенной возможен любой исход, поэтому инфляция не дает никаких прогнозов и, следовательно, не поддается проверке. Следовательно, утверждал он, инфляция не является ключевым условием научной теории .
Однако и Линде, и Гут продолжали поддерживать теорию инфляции и мультивселенную. Гут заявил:
Трудно построить модели инфляции, которые не привели бы к мультивселенной. Это не невозможно, поэтому я думаю, что определенно необходимо провести исследования. Но большинство моделей инфляции действительно приводят к мультивселенной, и свидетельства инфляции подталкивают нас к серьезному восприятию идеи мультивселенной.
По словам Линде, «можно изобрести модели инфляции, которые не допускают мультивселенную, но это сложно. Каждый эксперимент, повышающий доверие к теории инфляции, приближает нас к намекам на то, что мультивселенная реальна».
В 2018 году покойные Стивен Хокинг и Томас Хертог опубликовали статью, в которой потребность в бесконечной мультивселенной исчезает, поскольку Хокинг описывает, что их теория дает вселенные, которые «достаточно гладкие и глобально конечные». Теория использует голографический принцип для определения «плоскости выхода» из вневременного состояния вечной инфляции, вселенные , которые генерируются на плоскости, описываются с использованием переопределения не краевой волновой функции, на самом деле теория требует границ на начало времени. Проще говоря, Хокинг говорит, что их открытия «подразумевают значительное сокращение мультивселенной», что, как указывает Кембриджский университет, делает теорию «предсказуемой и проверяемой» с использованием гравитационно-волновой астрономии .
Источник
Инфляционная модель Вселенной
Инфляционная модель Вселенной – научная космологическая теория о законе и состоянии расширения Вселенной на раннем этапе Большого взрыва. В отличие от стандартной модели горячей Вселенной, данная теория предполагает ускоренный период расширения Вселенной на раннем этапе при температуре выше 10 28 Кельвинов.
Общие сведения
Инфляционная модель Вселенной была разработана относительно недавно. Еще в 30-х годах 20 века ученые знали, что наша Вселенная непрестанно расширяется. Важную роль в этом сыграло открытие закона Хаббла, который указывал на данный факт. Ученые поняли, что процессу расширения Вселенной предшествовало свое начало. По этой причине они решили, применяя физико-математические законы, теоретически воссоздать процесс формирования Вселенной и понять, что именно послужило толчком к ее расширению.
Создавая теорию формирования Вселенной, ученые столкнулись с рядом вопросом, например: почему во Вселенной так мало антивещества, если оно должно состоять с веществом в примерно равных пропорциях; как получилось, что температура всех областей Вселенной примерно одинакова, если отдельные ее части никак не могли контактировать друг с другом; почему Вселенная обладает именно такой массой и энергией, которая способна замедлить хаббловское расширение и многое другое. Занимаясь поиском ответов на эти вопросы, ученые вывели стандартную модель горячей Вселенной, которая гласит, что в самом начале своего зарождения Вселенная была очень плотной и горячей, и в ней существовало единое поле взаимодействия между всеми частицами. Впоследствии, когда Вселенная расширилась и остыла, это поле распалось на электромагнитное, гравитационное, сильное и слабое взаимодействие, которое позволили частицам, из которых состояла первобытная Вселенная, объединяться в атомы и другие сложные структуры.
В 1981 году американский ученый Алан Гут понял, что выделение сильных взаимодействий из единого поля, а также фазовый переход первобытного вещества Вселенной из одного состояния в другое произошел примерно через 10 –35 секунды после рождения Вселенной. Этот период можно условно назвать «первоначальной кристаллизацией Вселенной» или «экстренным расширением Вселенной». В чем-то этот процесс напоминает процедуру замерзания воды и превращения ее в лед. Всем известно, что вода при замерзании расширяется. Алану Гут предположил, что на самом начальном этапе формирования Вселенной произошло ее скачкообразное расширение, благодаря которому Вселенная за крохотные доли секунды расширилась в 50 раз. Свою теорию ученый назвал инфляционной моделью Вселенной (инфляция от англ. Inflate – раздувать, накачивать). При помощи этой модели можно объяснить, почему Вселенная обладает такой массой и энергией, которая позволяет замедлить хаббловское расширение, а также, почему температура всех областей нашей Вселенной примерно одинакова.
Проблема крупномасштабной однородности и изотропности Вселенной
Распределение энергии во Вселенной
Хаббловское расстояние совпадает с размерами наблюдаемой нами Вселенной. Это говорит нам о том, что из-за конечности возраста нашей Вселенной и скорости света можно наблюдать сейчас только те области Вселенной, которые находятся на равном или меньшем расстоянии горизонта наблюдений.
В планковскую эпоху Большого взрыва (самая ранняя стадия развития Вселенной) в наблюдаемой Вселенной состояло около 10 90 областей, взаимодействие и причинная связь между которыми отсутствовала. Схожесть начальных условий в таком огромном количестве областей считалась маловероятной. Даже в более поздние периоды Большого взрыва проблема схожести начальных условий в несвязанных причинно областях остается.
Материалы по теме
Коротко о теории струн
Например, в эпоху рекомбинации приходящие к нам с близких направлений фотоны реликтового излучения должны были содействовать с областями первичной плазмы, между которыми за все время их существования не успела установиться причинная связь. Другими словами, можно было рассчитывать на значительную анизотропность реликтового излучения, но наблюдения показывают, что оно изотропно, причем в достаточно высокой степени.
Проблема плоской Вселенной
Согласно последним научным данным плоскость Вселенной весьма близка к критической плоскости, при которой кривизна пространства равна нулю. Согласно научной гипотезе, отклонение плотности Вселенной от критической плотности должно увеличиваться в процессе течения времени. Для объяснения пространственной кривизны Вселенной в рамках стандартной модели, необходимо принять отклонение ее плотности в планковскую эпоху.
Говоря максимально простым языком, стандартная модель горячей Вселенной не способна объяснить плоскость Вселенной, в то время, как инфляционная модель Вселенной позволяет это сделать. Ее постулаты гласят, что неважно насколько сильно было искривлено пространство нашей Вселенной в миг ее инфляционного расширения – по окончанию этого расширения ее пространство оказалось почти полностью прямым. Кривизна пространства, согласно общей теории относительности, зависит от количества энергии и материи, которые в нем находятся. По этой причине в нашей Вселенной находится достаточно материи, чтобы уравновесить хаббловское расширение.
Проблема крупномасштабной структуры Вселенной
Крупномасштабная структура Вселенной
Иерархическая модель крупномасштабного распределения материи во Вселенной представляет собой следующую вертикаль: сверхскопления галактик – скопление галактик – галактики.
Материалы по теме
Войды – огромные пустоты Вселенной
Для образования такой четкой иерархической структуры из малых флуктуаций плотности, нужна определенная форма спектра и амплитуда первичных возмущений. Все эти параметры приходится принимать в рамках стандартной модели.
Критика инфляционной теории
Главным критиком инфляционной модели Вселенной выступает английский астрофизик, сэр Роджер Пенроуз. Он утверждает, что хотя инфляционная модель Вселенной является весьма успешной и интересной теорией, однако у нее есть некоторые недостатки. К примеру, данная теория не предлагает никаких веских фундаментальных обоснований того, что на доинфляционной стадии возмущения плотности должны быть настолько малыми, чтобы после инфляции возникла наблюдаемая степень однородности Вселенной.
Еще одно слабое место инфляционной теории, по словам ученого, это ее объяснение пространственной кривизны. Согласно научной гипотезе, во время инфляции пространственная кривизна сильно уменьшается, однако в то же время ничто не мешало пространственной кривизне иметь настолько большое значение, чтобы проявлять себя и на современном этапе развития Вселенной.
Экспериментальные подтверждения инфляционной модели Вселенной
Карта реликтового излучения
Не так давно, в 2014 году был проведен эксперимент, по результатам которого ученым удалось получить косвенные подтверждения инфляционной модели Вселенной. Этим подтверждением в частности послужила поляризация реликтового излучения. Ученые посчитали, что она могла быть вызвана первичными гравитационными колебаниями.
Однако в более позднем опубликованном результате схожего эксперимента от 19 сентября 2014 года, который был проведен коллективом других астрономов при помощи космической обсерватории-спутника «Планк» показал, что результат вышеназванного эксперимента можно отнести к влиянию не первичных гравитационных колебаний, а межгалактической пыли. Таким образом, ученым еще предстоит доказать на опыте инфляционную модель Вселенной.
‘ alt=»yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7 — Инфляционная модель Вселенной» title=»Инфляционная модель Вселенной»>
Похожие статьи
Понравилась запись? Расскажи о ней друзьям!
Источник