Теория происхождения Вселенной трещит по швам
У Вселенной было начало. Но с чего она началась? Чем стала в начале? Мы знаем, что все началось с довольно быстрого расширения и закончилось появлением большого количества галактик, сделанных из маленьких частиц. Но что было до этого?
Какими были законы физики, когда все началось? Известные физики Джеймс Хартл и Стивен Хокинг предложили несколько ответов на эти вопросы несколько десятилетий назад. Новая работа другой группы физиков проанализировала популярную интерпретацию геометрии Большого Взрыва Хокинга и Хартла и столкнулась с некоторыми неприятностями. Эти результаты проливают свет на проблему начала Вселенной. Новое препятствие, которое придется преодолевать всем теориям будущего.
«Мы попытались провести более строгий расчет и получили другое решение», говорит Джоб Фельдбрюгге, резидент-аспирант Института Периметра. «Теория, которую мы используем, проливает новый свет на существующую теорию и показывает, что она может не работать так, как мы ожидали».
Обычно ученые пытаются понять начало Вселенной, вглядываясь в законы гравитации Эйнштейна, названные общей теорией относительности, и проигрывая их в обратном порядке. В конце концов, они хотят дойти до того момента, когда Вселенная была очень маленькой. Но самые интересные вопросы возникают на тему того, как выглядела юная Вселенная, была ли достаточно малой, чтобы подчиняться законам квантовой механики, которая управляет мельчайшими частицами, атомами и фотонами.
Есть несколько способов начать Вселенную, подобную нашей. Может быть, подумали Хокинг и Хартл, эта конденсированная Вселенная была всего лишь одной точкой в пространстве со специальным квантовым состоянием, так называемой волновой функцией, которая описывает все это языком квантовой механики. Затем появилось время. Философии и религии нужно много рассуждать на эту тему, но математикам нужна просто ручка и бумага. Эта точечная Вселенная развивалась на основе математики общей теории относительности с изначальными свойствами квантовой механики, встроенной в ее структуру. Таким образом, эти крошечные случайные флуктуации энергии в пространстве должны были в процессе быстрого расширения — инфляции — превратиться в крупномасштабные разницы плотности, которые мы наблюдаем у современной Вселенной, с галактиками и пустотами. Теория Хокинга и Хартла была одним из нескольких способов обозначить начало Вселенной без сингулярности, точки нулевого объема и бесконечной массы, в которой не было особого смысла. Другие идеи, вроде тех, что предлагал Александр Виленкин, не подразумевали этой изначальной сингулярности.
Новая статья, которая недавно появилась на сервере препринтов arXiv, вводит проблему. При расчетах в математике Хокинга, Хартлса и Виленкина новая команда не получила крошечных квантовых флуктуаций, необходимых для создания сегодняшней Вселенной. Вместо этого эти флуктуации гигантские и создают вселенную, совершенно непохожую на нашу.
«Расчеты, которые мы произвели, приводят к сильным гравитационным волнам после Большого Взрыва», говорит Фельдбрюгге — огромным колебаниям в форме самого пространства-времени. «Это не могло привести к вселенной как сегодня. Расчеты противоречат тому, что мы видим».
Хартла не особо беспокоят результаты команды Фельдбрюгге. «В космологии у нас пока слишком мало данных по сравнению с тем, что могло бы быть», говорит он. «Поэтому мы делаем все возможное, поддерживая часть теории, которая лучше всего удовлетворяет наши наблюдения». Он считает новую работу очередной попыткой перевернуть игру, предложив больше информации и другой математический путь, по которому могут следовать ученые. «Исследователи вправе выбирать, гнаться им за этой идеей или за другой».
Его команда также недавно опубликовала другую работу, пересматривающую его собственную математику, и продемонстрировала, почему его теория все еще работает.
И все же математика Фельдбрюгге и его команды, похоже, показывает, что гладкое появление вселенной без какой-либо сингулярности «не вариант». Их математика прямо оспаривает Хартла и Хокинга.
Связывание квантовой механики и общей теории относительности для объяснения начала Вселенной не является ни чем-то новым, ни проблемой, близкой к разрешению. По сути, это одна из основных проблем, которую пытаются решить физики-теоретики, учитывая ее важность для понимания происхождения Вселенной, когда оба набора законов применяются в одном и том же масштабе, и важность для черных дыр, в которых гравитация настолько сильная, что свет не может ее покинуть.
Но самое главное в том, что Фельдбрюгге не считает, что вселенная, начинающаяся с законов квантовой механики и относительности, могла создать небольшие флуктуации, которые приведут к такой вселенной, как наша — он думает, что должно быть что-то еще. «Непонятно, какое решение станет окончательным вариантом», говорит он.
Мнения физиков по этому вопросу самые разные. Пол Штейнхардт, профессор физики в Принстонском университете, говорит, что уже существуют альтернативные пути, позволяющие избежать проблем в новой работе, а также и других жалоб на модель Хокинга — Хартла. Эта так называемая безграничная модель требует некоторых математических обходных решений для создания вселенной вроде нашей.
«Какая альтернатива? Отскок без сингулярности», говорит он, ссылаясь на модель, которую он разрабатывает вместе с космологом-теоретиком из Принстона Анной Идджас. Согласно этой модели, вселенная коллапсирует и затем разворачивается в нашу собственную вселенную, задолго до того, как можно начинать задумываться об эффектах квантовой механики.
Сабина Хоссенфельдер, научный сотрудник Франкфуртского института перспективных исследований, не уверена в новых результатах. «Единственное, что я могу заключить, это что мы не знали, как началась вселенная до того, как была написана эта работа. И мы не узнали этого после того, как эта работа вышла в свет». Теоретики серьезно относятся к математике и проделывали эти расчеты со временем и пространством задолго до того, как их подтвердят телескопы. Единственный способ узнать наверняка, что происходит, это эксперименты.
Сегодня большинство этих теорий могут быть подтверждены или опровергнуты наблюдениями старейшего света, который до нас доходит, космического микроволнового фона. Ученые надеются, что выводы из их теорий позволят выделить важные сигнатуры из этих данных.
Можно ли проверить работу Фельдбрюгге и его команды? Они ведь только начали. Очевидно, на проверку уйдет много времени. Ученым нужно в конечном итоге создать вселенную, которая будет походить на нашу. Но детали этого процесса пока не определены.
Источник
Ученые: до нашей Вселенной что-то существовало
Американские ученые описали неоднородности реликтового космического излучения, возникшего непосредственно после зарождения Вселенной. В связи с этим авторы считают, что наша Вселенная возникла в результате распада предыдущей. Результаты опубликованы в журнале Physical Review Letters.
Согласно общепринятой теории Большого взрыва, Вселенная началась с сингулярности — состояния, в котором вся материя и энергия были сжаты в одну точку. Затем космос расширился до огромных размеров. Но теория Большого взрыва не объясняет, что было до сингулярности, поэтому это состояние невозможно описать с точки зрения законов физики и математики.
Ученые из Университета штата Пенсильвания придерживаются другой точки зрения: гипотезы Большого отскока, согласно которой наша расширяющаяся Вселенная возникла из сверхсжатой массы вселенной предыдущей фазы. Для описания этого состояния они используют универсальный математический аппарат, объединяющий квантовую механику и теорию относительности.
В новом исследовании ученые доказывают, что с точки зрения петлевой квантовой космологии описание инфляции устраняет две основные аномалии в распределении реликтового излучения.
Используя космологию квантовой петли, мы естественным образом разрешили две из этих аномалий, что позволяет избежать потенциального кризиса. Присутствие этих аномалий говорит о том, что мы живем в исключительной Вселенной.
Донхуи Чжон, автор исследования
Авторы считают, что неоднородности реликтового излучения являются результатом неизбежных квантовых флуктуаций в ранней Вселенной. Во время ускоренной фазы расширения, про которую мы уже упоминали, эти изначально крошечные флуктуации растягивались под воздействием силы тяжести, отражаясь в наблюдаемых неоднородностях.
Выводы американских ученых могут подтвердить или опровергнуть новые спутниковые миссии, такие как LiteBIRD и Cosmic Origins Explorer: они нацелены на обнаружение следов первичных гравитационных волн на фоне реликтового излучения.
Источник
Что находится на краю Вселенной?
В 2019 году это обычная эмоция — желать по четыре-пять раз на дню отправиться не то, чтобы в космос, но на самый край света, как можно дальше, чтобы избавиться от дурного наваждения или плохой погоды, задерживающегося поезда или тесных брюк, таких заурядных на Земле вещей. Но что будет ждать вас на этой космологической границе? Что это вообще такое — край света, край Вселенной — что мы там увидим? Это граница или бесконечность вообще?
Давайте спросим у ученых.
Что находится на краю света
Шон Кэрролл, профессор физики Калифорнийского технологического института
«Насколько мы знаем, у Вселенной нет границ. У наблюдаемой Вселенной есть край — предел того, что мы можем увидеть. Это связано с тем, что свет движется с конечной скоростью (один световой год в год), поэтому, когда мы смотрим на далекие вещи, мы вглядываемся назад во времени. В самом конце мы видим, что происходило почти 14 миллиардов лет, остаточное излучение Большого Взрыва. Это космический микроволновый фон, который окружает нас со всех стороны. Но это не физическая «граница», если уж так посудить.
Поскольку мы можем видеть лишь настолько далеко, мы не знаем, на что похожи вещи за пределами нашей наблюдаемой Вселенной. Та вселенная, которую мы видим, довольно однородна в больших масштабах и, возможно, так будет продолжаться буквально всегда. В качестве альтернативы вселенная могла бы свернуться в сферу или тор. Если это так, вселенная будет ограничена по общему размеру, но все равно не будет иметь границы, точно так же, как круг не имеет начала или конца.
Также возможно, что вселенная неоднородна за пределами того, что мы можем видеть, и что условия сильно отличаются от места к месту. Эту возможность представляет космологическая мультивселенная. Мы не знаем, существует ли мультивселенная в принципе, но поскольку не видим ни то, ни другое, разумно было бы сохранять непредвзятость».
Джо Данкли, профессор физики и астрофизических наук в Принстонском университете
«Да все то же самое!
Окей, на самом деле мы не считаем, что у вселенной есть граница или край. Мы думаем, что она либо продолжается бесконечно во всех направлениях, либо оборачивается вокруг себя, так что она не является бесконечно большой, но все равно не имеет краев. Представьте поверхность пончика: у нее нет границ. Может быть, вся вселенная такая (но в трех измерениях — у поверхности пончика всего два измерения). Это значит, что вы можете отправиться на космическом корабле в любом направлении, и если будете путешествовать достаточно долго, вернетесь туда, откуда начали. Нет края.
Но есть также то, что мы называем наблюдаемой вселенной, которая является частью пространства, которую мы можем реально видеть. Край этого места находится там, откуда свету не хватило времени, чтобы добраться до нас с начала существования вселенной. Мы можем увидеть только такой край, а за ним, вероятно, будет все то же самое, что мы видим вокруг: сверхскопления галактик, в каждой из которых миллиарды звезд и планет».
Поверхность последнего рассеяния
Джесси Шелтон, доцент кафедры физики и астрономии Университета Иллинойса в Урбана-Шампейн
«Все зависит от того, что вы подразумеваете под краем вселенной. Поскольку скорость света ограничена, чем дальше и дальше в космос мы смотрим, тем дальше и дальше назад во времени мы заглядываем — даже когда смотрим на соседнюю галактику Андромеду, мы видим не то, что происходит сейчас, а что происходило два с половиной миллиона лет назад, когда звезды Андромеды излучали свет, попавший в наши телескопы только сейчас. Самый старый свет, который мы можем увидеть, пришел из самых дальних глубин, поэтому, в некотором смысле, край вселенной — это самый древний свет, который нас достиг. В нашей вселенной это космический микроволновый фон — едва заметное, продолжительное послесвечение Большого Взрыва, которое отмечает момент, когда Вселенная остыла достаточно, чтобы позволить сформироваться атомам. Это называется поверхностью последнего рассеяния, поскольку отмечает место, где фотоны перестали прыгать между электронами в горячей, ионизированной плазме и начали вытекать через прозрачное пространство, на миллиарды световых лет в нашу сторону. Таким образом, можно сказать, что край вселенной — это поверхность последнего рассеяния.
Что находится на краю вселенной прямо сейчас? Ну, мы не знаем — и не можем узнать, нам пришлось бы ждать, пока свет, испущенный там сейчас и идущий к нам, пролетит много миллиардов лет в будущем, но поскольку вселенная расширяется все быстрее и быстрее, мы вряд ли увидим новый край вселенной. Можем лишь догадываться. На крупных масштабах наша вселенная выглядит по большей части одинаковой, куда ни глянь. Велики шансы, что если бы вы оказались на краю наблюдаемой вселенной сегодня, вы увидели бы вселенную, которая плюс-минус похожа на нашу собственную: галактики, больше и малые, во всех направлениях. Я думаю, что край вселенной сейчас это попросту еще больше вселенной: больше галактик, больше планет, больше живых существ, задающихся таким же вопросом».
Вселенная не плоская
Майкл Троксель, доцент физики в Университете Дьюка
«Несмотря на то, что Вселенная, вероятно, бесконечна в размерах, на самом деле существует не один практический «край».
Мы думаем, что Вселенная на самом деле бесконечно — и у нее нет границ. Если бы Вселенная была «плоской» (как лист бумаги), как показали наши тесты с точностью до процента, или «открытой» (как седло), то она действительно бесконечна. Если она «закрыта», как баскетбольный мяч, то она не бесконечна. Однако, если вы зайдете достаточно далеко в одном направлении, вы в конечном итоге окажетесь там, откуда начали: представьте, что вы движетесь на поверхности шара. Как однажды сказал хоббит по имени Бильбо: «Убегает дорога вперед и вперед…». Снова и снова.
Подписывайтесь на наш канал в Яндекс Дзен. Там можно найти много всего интересного, чего нет даже на нашем сайте.
У Вселенной есть «край» для нас — даже два. Это связано с частью общей теории относительности, которая гласит, что все вещи (включая свет) во Вселенной имеют ограничение скорости — 299 792 458 м/с — и этот предел скорости сохраняется всюду. Наши измерения также говорят нам, что Вселенная расширяется во всех направлениях, причем расширяется все быстрее и быстрее. Это значит, что когда мы наблюдаем объект, который очень далеко от нас, свету от этого объекта нужно время, чтобы добраться до нас (расстояние, деленное на скорость света). Хитрость заключается в том, что поскольку пространство расширяется, пока свет идет к нам, расстояние, которое должен пройти свет, также увеличивается с течением времени на пути к нам.
Итак, первое, что вы могли бы спросить: на каком самом дальнем расстоянии мы могли бы наблюдать свет от объекта, если бы он был испущен в самом начале существования Вселенной (которой около 13,7 миллиарда лет). Оказывается, это расстояние — 47 миллиардов световых лет (световой год примерно в 63 241 раз больше расстояния между Землей и Солнцем), и называется космологическим горизонтом. Можно поставить вопрос несколько иначе. Если бы мы отправили сообщение со скоростью света, на каком расстоянии мы могли бы его получить? Это еще интереснее, потому что скорость расширения Вселенной в будущем возрастает.
Оказывается, что даже если это послание будет лететь вечно, оно сможет добраться только до тех, кто находится сейчас на расстоянии 16 миллиардов световых лет от нас. Это называется «горизонт космических событий». Однако самая дальняя планета, которую мы могли наблюдать, находится в 25 тысячах световых лет, поэтому мы все равно могли бы поприветствовать всех, кто живет в этой Вселенной на сегодняшний момент. А вот самое дальнее расстояние, на котором наши нынешние телескопы могли бы различить галактику, составляет около 13,3 миллиарда световых лет, поэтому мы не видим, что находится на краю вселенной. Никто не знает, что находится на обоих краях».
Эбигейл Вирегг, доцент Института космологической физики им. Кавила при Чикагском университете
«Используя телескопы на Земле, мы смотрим на свет, исходящий из отдаленных мест Вселенной. Чем дальше находится источник света, тем больше времени требуется, чтобы этот свет попал сюда. Поэтому, когда вы смотрите на отдаленные места, вы смотрите на то, на что были похожи эти места, когда был рожден увиденный вами свет — а не на то, как эти места выглядят сегодня. Вы можете продолжать смотреть дальше и дальше, что будет соответствовать продвижению дальше и дальше назад во времени, пока не увидите нечто, что существовало спустя несколько тысячелетий после Большого Взрыва. До этого вселенная была настолько горячей и плотной (задолго до того, как появились звезды и галактики!), что любой свет во вселенной ни за что не мог зацепиться, его нельзя увидеть современными телескопами. Это и есть край «наблюдаемой вселенной» — горизонт — потому что за ним ничего не разглядеть. Время идет, этот горизонт меняется. Если бы вы могли посмотреть на Вселенную с другой планеты, вы вероятно увидели бы то же самое, что видим мы на Земле: ваш собственный горизонт, ограниченный временем, которое прошло с момента Большого Взрыва, скоростью света и расширением вселенной.
Космический корабль SpaceShip будет вмешать до 100 пассажиров, но до конца Вселенной он точно не долетит.
Как выглядит то место, которое соответствует земному горизонту? Мы не знаем, потому что можем увидеть это место таким, каким оно было сразу после Большого Взрыва, а не каким оно стало сегодня. Но все измерения показывают, что вся видимая вселенная, включая край наблюдаемой вселенной, выглядит примерно одинаково, так же, как и наша локальная вселенная сегодня: со звездами, галактиками, скоплениями галактик и огромным пустым пространством.
Мы также думаем, что вселенная намного больше той части вселенной, которую мы сегодня можем увидеть с Земли, и что у самой вселенной нет «края» как такового. Это просто расширяющееся пространство-время».
У вселенной нет границ
Артур Косовский, профессор физики Питтсбургского университета
«Одним из самых фундаментальных свойств вселенной является ее возраст, который, согласно различным измерениям, мы сегодня определяем как 13,7 миллиарда лет. Поскольку мы также знаем, что свет распространяется с постоянной скоростью, это означает, что луч света, который появился в ранние времени, прошел к сегодняшнему дню определенное расстояние (назовем это «расстоянием до горизонта» или «расстоянием Хаббла»). Поскольку ничто не может двигаться быстрее скорости света, расстояние Хаббла будет самым дальним расстоянием, которое мы когда-либо сможем наблюдать в принципе (если не обнаружим какой-либо способ обойти теорию относительности).
Чтобы не пропустить ничего интересного из мира высоких технологий, подписывайтесь на наш новостной канал в Telegram. Там вы узнаете много нового.
У нас есть источник света, идущий к нам почти с расстояния Хаббла: космическое микроволновое фоновое излучение. Мы знаем, что у вселенной не существует «края» на расстоянии до источника микроволнового излучения, которое находится почти на целой дистанции Хаббла от нас. Поэтому мы обычно предполагаем, что вселенная намного больше, чем нам собственный наблюдаемый объем Хаббла, и что настоящий край, который может существовать, находится намного дальше, чем мы когда-либо могли наблюдать. Возможно, это неверно: возможно, край вселенной находится сразу за дистанцией Хаббла от нас, а за ним — морские чудища. Но поскольку вся наблюдаемая нами вселенная везде относительно одинакова и однородна, такой поворот был бы очень странным.
Боюсь, у нас никогда не будет хорошего ответа на этот вопрос. У Вселенной может вообще не быть края, а если он и есть, то будет достаточно далеко, чтобы мы его никогда не увидели. Нам остается постигать лишь ту часть Вселенной, которую мы действительно можем наблюдать».
А у вас есть предположения, что находится на краю Вселенной? Расскажите в нашем чате в Телеграме.
Источник