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 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