<< Яке майбутнє нашого Всесвіту? | Зміст | При чому ж тут струнна теорія? >>
Всі факти говорять про те, що Великий Вибух був-таки. Єдине, що можна запитати для уточнення або для визначення більш чітких меж між фізикою і метафізикою, так це що ж було до Великого Вибуху?
Фізики визначають межі фізики описуючи їх теоретично і потім порівнюючи результати своїх припущень з даними спостережень. Наш Всесвіт, яку ми спостерігаємо, дуже добре описується як плоске простір з щільністю, рівною критичної, темною матерією і космологічної сталої, доданим до спостережуваного речовини, яка буде розширюватися вічно.
Якщо ми продовжимо цю модель тому в минуле, коли коли Всесвіт був дуже гарячий і дуже щільною, домінувало в ній випромінювання, то необхідно зрозуміти фізику елементарних частинок, яка працювала тоді, при тих щільності енергії. Розуміння фізики елементарних частинок з точки зору експериментів дуже погано допомагають вже при енергіях порядку масштабу електрослабкої об'єднання, і фізики-теоретики розробляють моделі, що виходять за рамки Стандартної Моделі фізики елементарних частинок, такі, як Теорії Великого Об'єднання, суперсиметричні, струнні моделі, квантова космологія.
Такі розширення Стандартної моделі необхідні через трьох серйозних проблем Великого Вибуху:
1. проблема площинності
2. проблема горизонту
3. проблема космологічних магнітних монополів
проблема площинності
Судячи з результатів спостережень, в нашому Всесвіті щільність енергії всього речовини, включаючи темну матерію і космологічні постійну, з хорошою точністю дорівнює критичної, з чого випливає, що просторова кривизна повинна бути дорівнює нулю. З рівнянь Ейнштейна випливає, що будь-яке відхилення від площинності у Всесвіті, заповнений лише звичайною речовиною і випромінюванням, тільки збільшується з розширенням Всесвіту. Таким чином, навіть дуже невелике відхилення від площинності в минулому має бути дуже великим зараз. За результатами спостережень зараз відхилення від площинності (якщо воно є) дуже мало, то значить в минулому, на перших стадіях Великого Вибуху воно було ще на багато порядків менше.
Чому Великий Вибух почався з таким мікроскопічним відхиленням від плоскої геометрії простору? Ця проблема називається проблемою площинності космології Великого Вибуху.
Незалежно від фізики, яка передувала Великому Вибуху, вона перевела Всесвіт в стан з нульовою просторової кривизною. Таким чином, фізичний опис того, що передувало Великому Вибуху, має вирішити проблему площинності.
проблема горизонту
Космічне мікрохвильове випромінювання являє собою охолоджені залишки випромінювання, яке "мало зверхність" у Всесвіті під час радіаційно-домінувало стадії Великого Вибуху. Спостереження космічного мікрохвильового фонового випромінювання показують, що воно дивно однаково в усіх напрямках, або, як кажуть, це дуже добре изотропное теплове випромінювання. Температура цього випромінювання становить 2.73 градуса Кельвіна. Анізотропія цього випромінювання дуже мала.
Випромінювання може бути таким однорідним тільки в одному випадку - якщо фотони дуже добре "перемішані", або знаходяться в тепловій рівновазі, за допомогою зіткнень. І це все є проблемою для моделі Великого Вибуху. Частинки, які стикаються, не можуть передавати інформацію зі швидкістю більше, ніж швидкість світла. Але у Всесвіті, в якій ми живемо, фотони, які рухаються зі швидкістю світла, не встигають долетіти від одного "краю" Всесвіту до іншого за час, необхідний для формування спостерігається изотропии теплового випромінювання. Розмір горизонту є відстань, яке може пройти фотон; Всесвіт же при цьому розширюється.
Сьогоднішній розмір горизонту у Всесвіті занадто малий для пояснення изотропии реліктового випромінювання, для того, щоб вона формувалася природним чином шляхом переходу в теплову рівновагу. Це і є проблема горизонту.
Проблема реліктових магнітних монополів
Коли ми на Землі експериментуємо з магнітами, у них завжди є два полюси, Північний і Південний. І якщо розрізати магніт навпіл, то в результаті не буде в нас магніт з тільки Північним і магніт з тільки Південним полюсами. А будуть у нас два магніти у кожного з яких буде по два полюси - Північного та Південного.
Магнітним монополії був би такий магніт, у якого був би тільки один полюс. Але магнітних монополів ніхто ніколи не бачив. Чому ж?
Цей випадок досить сильно відрізняється від випадку електричного заряду, де можна легко розділити заряди на позитивний і негативний так, що на одному краю будуть тільки позитивні, а на іншому тільки негативні.
Сучасні теорії типу теорій Великого Об'єднання, суперструн теорій пророкують існування магнітних монополів, а в сукупності з теорією відносності виходить, що в процесі Великого Вибуху їх повинно проводитися дуже багато, настільки, що їх щільність може перевищити спостережувану щільність в тисячу мільярдів разів.
Однак поки експериментатори не знайшли жодного.
Це третій мотив шукати вихід за межами Великого Вибуху - нам необхідно пояснити, що ж відбувалося у Всесвіті коли та була дуже маленькою і дуже гарячою.
Інфляційна Всесвіт?
Речовина і випромінювання гравітаційно притягуються, так що в максимально симетричному просторі, заповненому матерією, гравітація неминуче змусить рости і ущільнюватися будь неоднорідності матерії. Саме цим шляхом водень з форми газу перейшов в форму зірок і галактик. Але енергія вакууму володіє дуже сильним вакуумним тиском, і цей тиск вакууму пручається гравітаційному колапсу, ефективно діючи як відразлива гравітаційна сила, антигравітація. Тиск вакууму розгладжує неоднорідності, і робить простір більш плоским і однорідним в процесі розширення.
Таким чином, одним з можливих рішень проблеми площинності було б таке, при якому наша Всесвіт проходила б через стадію, на якій домінувала б щільність енергії вакууму (і, таким чином, його тиск). Якщо ця стадія мала місце бути до радіаційно-домінувало стадії, то до початку еволюції на радіаційно-домінувало стадії Всесвіт вже повинна була бути плоскою з дуже високим ступенем, настільки плоскою, щоб після зростання збурень на радіаційно-домінувало стадії і стадії домінування речовини нинішня площинність Всесвіту задовольняла наглядовою даними.
Рішення проблеми площинності такого типу було запропоновано в 1980 р. космологом Аланом Гусом (Alan Guth). Модель же називається інфляційного Всесвіту. В рамках інфляційної моделі наш Всесвіт на самому початку своєї еволюції є розширюється міхур чистої енергії вакууму, без жодного іншого речовини або випромінювання. Після швидкого періоду розширення, або інфляції, і швидкого охолодження, потенційна енергія вакууму переходить в кінетичну енергію народжуються частинок і випромінювання. Всесвіт знову нагрівається і ми отримуємо початок стандартного Великого Вибуху.
Таким чином, інфляційна стадія, що передувала Великому Вибуху, може пояснити, як Великий Вибух може початися з такою рівною нулю з такою високою точністю просторової кривизною, такий, що Всесвіт все ще залишається плоскою.
Інфляційні моделі також вирішують і проблему горизонту. Тиск вакууму прискорює розширення простору в часі, таким чином, фотон може пройти значно більшу відстань, ніж у Всесвіті, заповненої речовиною. Іншими словами, сила тяжіння, що діє з боку речовини на світло, в деякому сенсі уповільнює його, так само, як воно уповільнює і розширення простору. На інфляційної стадії, розширення простору прискорюється вакуумним тиском космологічної сталої, що призводить до того, що світло рухається швидше, оскільки і сам простір розширюється швидше.
Якщо в історії нашого Всесвіту дійсно була інфляційна стадія, що передувала радіаційно-домінувало стадії, то до кінця інфляції світло міг обійти весь Всесвіт. Таким чином, изотропия реліктового випромінювання більше не є проблемою Великого Вибуху.
Інфляційна модель вирішує також і проблему магнітних монополів, оскільки в теоріях, в яких вони виникають, повинен бути один монополь на міхур вакуумної енергії. А це означає, що один монополь на весь Всесвіт.
Ось чому теорія інфляційної Всесвіту найбільш популярна серед космологів як теорія того, що передувало Великому Вибуху.
Як працює інфляція?
Енергія вакууму, яка рухає швидке розширення Всесвіту під час інфляційної стадії, береться з скалярного поля, яке з'являється в результаті спонтанного порушення симетрії в рамках деяких узагальнених теорій елементарних частинок, таких, як Теорія Великого Об'єднання або струнна теорія.
Це поле іноді називають інфлатонним. Середнє значення інфлатонним при температурі T це величина в мінімумі його потенціалу при температурі T. Положення цього мінімуму змінюється зі зміною температури, як показано на анімації вище.
Для температури T вище деякої критичної температури Tcrit, мінімумом потенціалу буде його нуль. Але при зменшенні температури потенціал починає змінюватися і з'являється другий мінімум з ненульовий температурою. Така поведінка називають фазовим переходом, також, як пара охолоджується і конденсується в воду. Для води критична температура Tcrit для цього фазового переходу дорівнює 100 градусів Цельсія що еквівалентно 373 градусам Кельвіна.
Два мінімуму в потенціалі відображають дві можливі фази стану поля інфлатонним у Всесвіті при температурі, яка дорівнює критичної. Однією фазі відповідає мінімум поля f = 0, а інша фаза представлена вакуумної енергією якщо в основному стані f = f 0.
Відповідно до інфляційної моделлю, при критичній температурі в простір-час починає переходити з одного мінімуму в інший під дією цього фазового переходу. Але цей процес нерівномірний, і завжди залишаються регіони, в яких старий "помилковий" вакуум залишається ще довгий час. Це називається суперохолодження, з аналогії з термодинамікою. Ці регіони з хибним вакуумом розширюються експоненціально швидко і вакуумна енергія цього помилкового вакууму є з хорошою точністю постійної (космологічної сталої) під час цього розширення. Цей процес і називається інфляцією і саме він і вирішує проблеми площинності, горизонту і монополів.
Цей регіон з хибним вакуумом розширюється до тих пір, поки народжуються і зливаються бульбашки нової фази з f = f 0 заповнять весь Всесвіт і таким чином не завершать інфляцію природним чином. Потенційна енергія вакууму переходить в кінетичну енергію народжуються частинок і випромінювання, і Всесвіт продовжує еволюціонувати відповідно до моделі Великого Вибуху, описаної вище.
Тестовані передбачення?
Завжди приємно, коли є передбачення теорії, які можна безпосередньо перевірити, і у інфляційної теорії є передбачення з приводу збурень густини, які знайшли відображення в космічному мікрохвильовому випромінюванні. Інфляційний міхур складається з розширення з прискоренням вакууму. У цьому прискорюється вакуумі температурні обурення скалярного поля дуже малі і приблизно однакові на всіх масштабах, тому можна сказати, що обурення мають Гаусове розподіл. Це пророцтво задовольняє нинішнім наглядовою даними і буде ще більш надійно перевірено в майбутніх експериментах, пов'язаних з реліктовим випромінюванням.
Таким чином, вирішені всі проблеми?
Але незважаючи на передбачення, про які йшла мова вище і їх підтвердження, інфляція, описана вище все ще далека від ідеальної теорії. Інфляційну стадію не так просто зупинити, а проблема монополів піднімається у фізиці не тільки в зв'язку з інфляцією. Багато припущення, що використовуються в теорії, такі, як висока початкова температура первинної фази або єдиного інфляційного міхура викликають багато питань і непорозумінь, так що нарівні з інфляцією розробляються і альтернативні теорії.
Нинішні інфляційні моделі вже далеко пішли від початкових припущень про одну інфляції, яка дала життя однієї Всесвіту. У нинішніх інфляційних моделях від "основної" Всесвіту можуть "відбруньковуватися" нові Всесвіти і вже в них буде відбуватися інфляція. Такий процес називають вічної інфляцією.
Але при чому тут струнна теорія, запитаєте ви? Про це в наступній частині.
<< Яке майбутнє нашого Всесвіту? | Зміст | При чому ж тут струнна теорія? >>
Єдине, що можна запитати для уточнення або для визначення більш чітких меж між фізикою і метафізикою, так це що ж було до Великого Вибуху?
Чому Великий Вибух почався з таким мікроскопічним відхиленням від плоскої геометрії простору?
Чому ж?
Інфляційна Всесвіт?
Як працює інфляція?
Тестовані передбачення?
Таким чином, вирішені всі проблеми?
Але при чому тут струнна теорія, запитаєте ви?