Теория о вселенной: 5 научных теорий строения Вселенной, которые кажутся безумием — Look At Me

Содержание

5 научных теорий строения Вселенной, которые кажутся безумием — Look At Me

Люди всегда пытались понять, что такое Вселенная и как она устроена, но точного ответа нет до сих пор. В надежде услышать правдоподобную догадку мы обращаемся к фантастам, но часто те лишь пересказывают на разный лад концепции мультивселенной и параллельных миров. Тем временем учёные проверяют теории, которые поначалу кажутся полным безумием.

Вселенная — голограмма

Мы привыкли воспринимать мир в трёх измерениях. Однако учёные из Национальной лаборатории имени Энрико Ферми при министерстве энергетики США предположили, что Вселенная — это голограмма, то есть только кажется объёмной, а на самом деле она плоская. Согласно их гипотезе, пространство-время можно представить в виде мельчайших блоков подобно картинке с экрана, состоящей из пикселей. Каждый из этих блоков настолько крохотный, что ещё меньшие длины попросту не имеют физического смысла.

Директор лаборатории Крэйг Хоган и его коллеги пытаются доказать, что пространство-время — квантовая система, как материя и энергия, и образована волнами. Для этого они собрали установку под названием голометр. Голометр испускает два мощных лазерных луча, которые то сходятся, то расходятся. Если их яркость будет колебаться, то это подтвердит, что колеблется и пространство-время, а значит, оно обладает свойствами двухмерной волны. Эксперимент начался минувшим летом и продлится примерно год. Как это отразится на человечестве, трудно сказать. Однако если догадка физиков из Фермилаба верна, то объём информации во Вселенной конечен, следовательно, у всего, что мы можем измерить, помыслить и сделать, есть предел.

Квантовая пена


как ткань Вселенной

Пространство-время кажется непрерывным и гладким, но, вполне вероятно, на микроуровне оно устроено совсем иначе. В 1955 году физик Джон Уилер предложил концепцию квантовой пены. Эта концепция держится на предположении, что наряду с обычными частицами существуют виртуальные частицы, которые образуются из энергии и аннигилируют в согласии с принципом неопределённости Гейзенберга. Эти процессы порождают квантовые флуктуации, отчего пространство-время искривляется в масштабе планковских величин.

Концепция квантовой пены рисует поразительные картины: например, мельчайшие чёрные дыры и кротовые норы, полученные от взаимодействия виртуальных частиц, — и может пригодиться, чтобы объяснить рождение Вселенной и её строение. Впрочем, доказать или опровергнуть её пока не удалось — некоторые учёные сомневаются, что виртуальные частицы вообще существуют. 

Наша Вселенная — результат столкновения трёхмерных миров

Модель, предложенная Полом Стайнхардтом и Нилом Туроком, напоминает теорию Большого взрыва, но исключает сам Большой взрыв. Исследователи соглашаются, что Вселенная расширяется и остывает последние 15 миллиардов лет, но считают, что перед этим не было никакой сингулярности.

По их мнению, сначала Вселенная была холодной и почти пустой, а высокие, но конечные температуру и плотность ей придало столкновение двух трёхмерных миров — бран, двигавшихся вдоль ещё одного, скрытого измерения. В разных точках столкновение случилось не единовременно, потому Вселенная неоднородна, — именно так смогли появиться галактики.

Экпиротическая модель основана на положениях теории струн, поэтому предполагает существование других миров. Правда, мы не можем их наблюдать, поскольку частицы и свет туда не проникают. В 2002 году Стайнхардт и Турок расширили свою модель и назвали её циклической. Согласно ей, после столкновения браны разделяются, а потом снова сходятся, — и так до бесконечности.

Пространство-время — сверхтекучая жидкость

Ключевая задача современной физики — устранить противоречия между общей теорией относительности и квантовой механикой. Некоторые исследователи считают, что избавиться от них поможет концепция, согласно которой пространство-время — это сверхтекучая жидкость. Физик Тед Джейкобсон сравнил пространство-время с водой. Отдельные молекулы воды не обладают её свойствами, но тем не менее их задают. Стефано Либерати и Лука Маччоне решили проверить гипотезу на квантах света. Они предположили, что пространство-время ведёт себя как жидкость только в особых случаях, например, с фотонами большой энергии. Такие фотоны должны терять энергию на длинных расстояниях подобно затухающим волнам в других средах. 

Либерати и Маччоне следили за излучением от остатка сверхновой в Крабовидной туманности, расположенной в 6,5 тыс. световых лет от Земли. Они не обнаружили отклонений и заключили, что жидкостные эффекты пространства-времени либо чрезвычайно слабы, либо вообще не существуют. Но если бы фотоны действительно потеряли энергию, это означало бы, что скорость света в вакууме непостоянна, а это противоречит общей теории относительности. Либерати и Маччоне не стали отбрасывать концепцию. Впрочем, даже сторонники идеи, что пространство-время — это сверхтекучая жидкость, не очень-то надеются найти подтверждение.

Вселенные


в чёрных дырах

Люди, за исключением братьев Ноланов, не знают, что находится внутри чёрных дыр. По мнению Никодема Поплавского, они ведут в другие вселенные. Эйнштейн полагал, что упавшее в чёрную дыру вещество сжимается в сингулярность. Согласно уравнениям Поплавского, на другом конце чёрной дыры расположена белая дыра — объект, из которого материя и свет только исторгаются. Эта пара образует кротовую нору, и всё, попадая туда с одной стороны и выходя с другой, образует новый мир. В начале 1990-х годов физик Ли Смолин предложил похожую и в чём-то более странную гипотезу: он тоже верил во вселенные по ту сторону черной дыры, но думал, что они подчиняются закону наподобие естественного отбора: воспроизводятся и мутируют в ходе эволюции.

Теория Поплавского может прояснить несколько «тёмных» мест в современной физике: например, откуда взялась космологическая сингулярность до Большого взрыва и гамма-всплески на краю нашей Вселенной, или почему Вселенная не сферическая, а, судя по всему, плоская. Критики учёного указывают, что природа первичного мира, из которого произошли все другие вселенные, всё равно остаётся загадкой. Впрочем, даже скептикам не кажется, что гипотеза Поплавского менее правдоподобна, чем догадка Эйнштейна насчёт сингулярности.

изображения via NASA’s Marshall Space Flight Center/Flickr, 1ms, Sweetie187/Flickr, Adam Evans/Flickr

10 сумасбродных теорий о природе нашей Вселенной / Хабр

Почему наша Вселенная именно такая? Учёные перебрали уже множество способов объяснить природу нашего мира, поэтому в процессе родилось несколько довольно безумных идей.

Почему наша Вселенная именно такая? За много лет учёные перебрали уже множество способов объяснить природу нашего мира и предсказать его будущее. Вот несколько их самых странных идей.

1. Космология бран



Мы принимаем трёхмерность Вселенной как нечто само собой разумеющееся – ведь мы можем двигаться только в одном из трёх перпендикулярных направлений.

Однако некоторые теории говорят о наличии ещё одного пространственного измерения, которое мы не способны воспринимать напрямую, существующего ещё в одном перпендикулярном направлении. Это пространство высших измерений называется “

балк

“, а наша Вселенная в таком случае – это трёхмерная

мембрана

, или «брана», плавающая внутри него.

Звучит сложно, однако космология бран решает сразу несколько проблем физики. К примеру, физики-теоретики Лиза Рэндал из Гарварда и Раман Сандрам из Мэрилендского университета предложили вариант космологии бран, объясняющий асимметрию субатомных частиц существованием других бран, параллельных нашей. Однако теория не просто должна объяснять известные нам факты – она должна делать предсказания, которые можно было бы проверить экспериментально. В случае с моделью Рэндал-Сандрама можно было бы измерить гравитационные волны, испускаемые чёрными дырами, связывающими разные браны между собой.

2. Большой шлепок


В далёком будущем галактики так сильно разлетятся друг от друга, что свет от одной из них никогда не дойдёт до другой. Когда постареют и умрут все звёзды, настанет время, в котором не будет ни света, ни тепла. Вселенная будет тёмной, холодной и пустой. Звучит, как конец всего – но по одной из теорий это будет начало следующей Вселенной в бесконечно повторяющемся цикле. Помните космологию бран? Так вот, это произойдёт, когда одна холодная пустая брана сталкивается с другой – а это рано или поздно случится. Космологи Нил Турок и Пол Стейнхардт считают, что в таком столкновении появится столько энергии, что она сможет породить новую Вселенную. Они назвали это «экпиротической» теорией, хотя физик Митио Каку придумал ей другой, запоминающийся термин – «Большой шлепок».

3. Заполненный плазмой космос


Множество учёных придерживается теории Большого взрыва, а поддерживают её два главных наблюдения: расширение Вселенной и реликтовое излучение. Сразу после Большого взрыва Вселенная была гораздо меньше и горячее сегодняшней, и заполнена сияющей плазмой, похожей на внутренности нашего Солнца. Конец этой сверхгорячей фазы мы всё ещё наблюдаем в виде моря излучения, заполняющего весь космос. Миллиарды лет расширения Вселенной охладили это излучение до -270°C, однако радиотелескопы всё равно его обнаруживают.

Реликтовое излучение по всем направлениям выглядит практически одинаково, чего нельзя объяснить другими теориями, кроме постоянного расширения Вселенной. Многие учёные считают, что Вселенная претерпела краткий период чрезвычайно быстрой «инфляции» в первую долю секунды после Большого взрыва, быстро раздувшись от субатомных размеров до нескольких световых лет.

4. Голографическая Вселенная


Представьте себе двумерную голограмму, защищающую документ от подделок. Это двумерный объект, в котором закодировано трёхмерное изображение. Согласно одной из теорий вся трёхмерная Вселенная может быть закодирована на её двумерной границе. Это не так круто, как жить в симуляции, но зато эту теорию можно проверить – в работе 2017 года было показано, что она соответствует наблюдаемым закономерностям реликтового излучения.

5. Стационарная Вселенная


Пока наилучшей нашей догадкой о зарождении Вселенной является Большой взрыв. В прошлом она была плотнее, а в будущем станет разреженнее. Не всем учёным это понравилось, поэтому они придумали, как можно сохранить плотность даже в расширяющейся Вселенной. Для этого необходимо постоянно создавать материю со скоростью в три атома водорода на кубический метр за миллион лет. Но эта модель потеряла популярность после открытия реликтового излучения, объяснить которое просто у неё не получилось.

6. Мультивселенная


В общепринятой картине Большого взрыва для объяснения однородности реликтового излучения необходимо постулировать всплеск сверхбыстрого расширения Вселенной на ранней стадии существования, инфляцию. Некоторые учёные считают, что когда Вселенная выпала из фазы инфляции, она была всего лишь небольшим пузырьком в огромном море расширяющегося пространства. По этой теории «вечной инфляции», предложенной Полом Стейнхардтом, в других местах инфляционного моря постоянно появляются другие пузыри-вселенные, и весь этот набор представляет собой “мультивселенную”.

Что ещё страннее, нет причин, по которым в других вселенных должны быть такие же законы физики, что и в нашей – в некоторых может быть более сильная гравитация, или другая скорость света. Хотя наблюдать напрямую другие вселенные мы не можем, одна из них в принципе может столкнуться с нашей. Некоторые учёные даже предположили, что «холодное пятно» в реликтовом излучении – это след одного из таких столкновений.

7. Мы ошиблись с гравитацией


Теории вселенной полагаются на точное понимание гравитации – единственное из взаимодействий, имеющее значение на больших масштабах. Однако некоторые астрономические наблюдения одна лишь гравитация не объясняет. Если измерить скорость звёзд, расположенных на краю галактики, окажется, что они двигаются слишком быстро для того, чтобы оставаться на орбите – если к центру галактики их притягивала бы одна лишь гравитация. Также и скопления галактик удерживает вместе, судя по всему, более сильное взаимодействие, чем одна только гравитация всей видимой материи.

Этому есть два объяснения. Большинство учёных склоняются к тому, что во Вселенной существует невидимая тёмная материя, обеспечивающая недостающую гравитацию. Диссидентской альтернативой этому является мнение о том, что мы неправильно понимаем гравитацию, и должны заменить её теорию “модифицированной ньютоновской динамикой” (МОНД). Такое предложение было сделано в 2002 году в журнале Annual Review of Astronomy and Astrophysics. МОНД и тёмная материя соответствуют наблюдениям, но их ещё предстоит доказать. Требуется провести больше экспериментов.

8. Сверхтекучее пространство-время


Даже если у пространства есть всего три измерения, есть и четвёртое – в виде времени. Поэтому мы можем представить себе Вселенную, существующую в четырёхмерном пространстве-времени. По некоторым теориям, например, по предложенной Стефано Либерати из Международной школы передовых исследований и Лукой Маччионе из Университета Людвига Максимилиана, и опубликованной в журнале Physics Review Letters, это не просто абстрактная система отсчёта, содержащая такие физические объекты, как звёзды и галактики. Оно само по себе является физической субстанцией, чем-то вроде океана. И как вода состоит из молекул, пространство-время по этой теории на более глубоком уровне реальности состоит из микроскопических частиц, до которых могут дотянуться наши инструменты.

По этой теории пространство-время представляет собой сверхжидкость с нулевой вязкостью. Одно из странных свойств таких жидкостей заключается в том, что их нельзя заставить вращаться как единое целое – как делает обычная жидкость, если её помешать. Сверхтекучие жидкости разбиваются на крохотные водовороты – и, возможно, в нашем пространстве-времени именно так образовывались галактики.

9. Теория симуляции


Пока что все теории исходили от учёных – но вот вам одна от философов. Если вся информация о Вселенной поступает в наш мозг посредством наших чувств и данных с научных инструментов, как доказать, что всё это – не хитроумная иллюзия? Вся Вселенная может оказаться сверхсложной компьютерной симуляцией. Эту идею популяризовали фильмы про «Матрицу», однако некоторые философы относятся к ней очень серьёзно. Однако эта теория не может называться научной, потому что её нельзя ни доказать, ни опровергнуть.

10. Эгоизм космических масштабов


В законах физики содержится набор фундаментальных констант, определяющих силу гравитации, электромагнетизма и субатомных сил. Насколько нам известно, они могут иметь любые величины – однако если бы они хоть немного отличались от известных нам, Вселенная была бы совершенно другой. И, что важнее для нас, жизнь в известном нам виде тоже не могла бы существовать. Некоторые люди считают это свидетельством того, что Вселенную осознанно разработали так, чтобы в ней могла развиться жизнь, похожая на человека – т.н. эгоцентричная антропная теория, которую Ник Бустрём предложил в своей книге “Антропная предвзятость”.

Теория большого взрыва

Одна из версий возникновения нашей Вселенной — теория Большого взрыва. В ее основе лежит простая мысль — у Вселенной было начало. Т&Р вместе с автором подкаста «Теория Большой Бороды» Антоном Поздняковым простыми словами объясняют теорию и рассказывают, как происходил «взрыв».

В чем суть теории Большого Взрыва

Теория Большого Взрыва — это космологическая модель, которая описывает ранние стадии развития Вселенной. В ее основе лежит мысль, которая до недавнего времени была совсем не очевидной — у нашей Вселенной было начало.

В начале 20 века астрономы обнаружили, что удаленные от нас галактики разлетаются в разные стороны. Из этого следует, что наша Вселенная не статична, а расширяется. И если с течением времени происходит расширение, то когда-то в прошлом оно должно было начаться. Именно момент, с которого началось расширение Вселенной, сейчас и называют «Большим взрывом». По современным подсчетам, произошло это 13.8 миллиардов лет назад.

Говорить о том, что было до Большого Взрыва, не совсем корректно. По современным физическим представлениям, сама концепция времени, в нашем понимании, тогда не существовала. Не было ни «до», ни «после», ни «во время». Теория Большого Взрыва же описывает ранние стадии расширения Вселенной, то есть события, происходившие непосредственно после Большого Взрыва.

Как происходил Большой Взрыв

Все процессы после Большого Взрыва были обусловлены тем, что Вселенная постепенно остывала и становилась все менее плотной. Как мы знаем, температура — это мера движения частиц. Температура падает — частицы замедляются. Чем медленнее двигаются частицы, тем проще им друг с другом соединяться. По мере остывания Вселенной сначала отдельно летающие кварки смогли объединиться в протоны, нейтроны и другие адроны и лептоны. Затем уже полученные частицы, продолжая замедляться, начали формировать первые ядра привычных нам атомов.

Период формирования первых атомов во Вселенной называется первичным нуклеосинтезом. Продолжался он примерно 20 минут после Большого Взрыва. В этот период вся Вселенная была разогрета до состояния, которое мы сегодня наблюдаем внутри звезд. В этот период в основном формировались ядра водорода и гелия в соотношении 3 к 1. Такие доли водорода и гелия, двух самых распространенных элементов во Вселенной, мы наблюдаем до сих пор.

Один из самых часто задаваемых вопросов — где именно произошел Большой Взрыв? Ведь если был взрыв, должен быть и эпицентр. Но на самом деле это заблуждение, которое происходит из не совсем корректного термина «взрыв». Дело в том, что у нашей Вселенной нет центра (примерно как нельзя обозначить центр на поверхности сферы). Правильнее представлять, что Большой Взрыв произошел сразу везде, во всех точках Вселенной одновременно.

После того, как закончился первичный нуклеосинтез, и новые ядра атомов уже почти не формировались, Вселенная все еще оставалась горячей настолько, что вещество в ней находилось в состоянии плазмы. В ней электроны летали отдельно от ядер. И благодаря свободно летающим электронам в этот период Вселенная была непрозрачной для света. Фотоны постоянно сталкивались с электронами и не могли лететь прямо, как будто их закрыли в зеркальном лабиринте. Поэтому же, кстати, вы не можете их видеть сквозь лампу дневного света или сквозь наше Солнце. Они тоже состоят из плазмы, и поэтому непрозрачны.

Вселенная продолжала остывать, и спустя примерно 300 000 лет после Большого Взрыва температура опустилась достаточно, чтобы электроны могли присоединиться к ядрам атомов, и, как следствие, Вселенная стала прозрачной. Этот момент называется рекомбинацией. Фотоны, которыми было наполнено все вокруг, больше не видели препятствий в виде электронов и смогли лететь прямо. При чем сразу отовсюду и во все стороны.

Собственно, именно те фотоны, которые были «освобождены» в момент рекомбинации, мы видим и сегодня. Спустя более чем 13 миллиардов лет они долетают до нас в виде реликтового излучения — микроволнового космического фона, который мы регистрируем с помощью современных телескопов.

Обнаружение реликтового излучения — одно из главных подтверждений Теории Большого Взрыва. Важной его особенностью является однородность. Оно одинаковое независимо от того, в какую сторону мы посмотрим. Это также косвенно подтверждает, что у Вселенной нет некого выделенного направления. Куда бы мы не посмотрели, на больших масштабах Вселенная одинакова во всех направлениях.

Сегодня существует множество подтверждений Теории Большого Взрыва. Мы наблюдаем расширение Вселенной и видим, как формировались галактики и межгалактические структуры на разных этапах эволюции Вселенной, наблюдаем предсказанное соотношение гелия и водорода в последней. Все они сходятся с текущими представлениями о ранних этапах формирования Вселенной, которые и описывает ТБВ.

В самой теории есть неточности, которые нужно будет устранять дальнейшими более точными и подробными астрономическими наблюдениями и разработкой более совершенных физических моделей. Но то количество независимых перекрестных данных, которые уже есть на руках у современной космологии, позволяют нам с уверенностью говорить о том, что Большой Взрыв, ставший отправной точкой расширения Вселенной, действительно произошел, и все вокруг нас — это его прямые последствия.

Подробнее о теории Большого взрыва можно узнать в выпуске подкаста «Теория Большой Бороды». Его ведущий простыми словами рассказывает о науке и космосе, общается с гостями из научного мира, разбирает концепты из мира scifi.

Если Большого взрыва не было – Наука – Коммерсантъ

Физики-теоретики из Института ядерных исследований РАН построили модель ранней Вселенной без Большого взрыва. Соответствующий научный результат готовится к публикации в журнале Journal of Cosmology and Astroparticle Physics. Ученые сделали шаг вперед на пути к теоретическому описанию Вселенной с отскоком.

Группа физиков в составе академика Валерия Рубакова и молодых кандидатов наук Виктории Волковой и Сергея Миронова излагает взгляды на происходившее во Вселенной так: сегодня нам многое известно про Вселенную не только теоретически, но и с экспериментальной точки зрения. Благодаря современным астрономическим и астрофизическим наблюдениям мы с уверенностью можем говорить, что наша Вселенная сегодня расширяется медленно и имеет сравнительно небольшую температуру. В начале эволюции она расширялась очень быстро и была горячей, с температурой порядка одного миллиарда градусов, а может, и выше.

Более того, сегодня мы с уверенностью можем сказать, что эта «горячая стадия» в ранней Вселенной не была самой первой. Хотя Вселенная и считается однородной, на малых масштабах она все же такой не является: в ней есть, например, галактики и другие более крупные и мелкие структуры. Эти структуры во Вселенной появились благодаря так называемым первичным неоднородностям в веществе. Вообще, все, что есть во Вселенной, в некотором смысле «живое»; в любой среде есть небольшие отклонения от среднего фона — флуктуации. Первичные неоднородности и есть эти флуктуации, которые появились во Вселенной на самых ранних этапах ее эволюции. Свойства этих первичных неоднородностей сегодня известны из наблюдательных данных о распределении и свойствах галактик, а также из наблюдений реликтового излучения. Реликтовое излучение — электромагнитное излучение, то есть фотоны, которые присутствовали во Вселенной в самые горячие эпохи, а с некоторого момента стали распространяться свободно, тем самым сохраняя на себе отпечаток среды, заполнявшей Вселенную при сравнительно высоких температурах.

Любопытно, что свойства первичных неоднородностей многое говорят об их происхождении, и здесь становится ясно, что эти неоднородности появились до горячей стадии, то есть был еще какой-то предшествующий этап. Что это за этап?

Существует несколько версий, что предшествовало горячей стадии. Одна из самых популярных гипотез — теория об инфляционном расширении. Предполагается, что во время инфляции Вселенная «раздувалась» с немыслимой скоростью, с микроскопических до гигантских размеров за доли секунды. Первичные возмущения в этой модели — это флуктуации вакуума, которые на этом этапе быстро росли и дорастали до нужной величины к моменту перехода на горячую стадию. У инфляционной модели есть свои характерные признаки — например, она предсказывает генерацию реликтовых гравитационных волн (это своего рода «рябь» в пространстве, возмущение геометрии). Реликтовые гравитационные волны пока не обнаружены, то есть наблюдательных данных сегодня не хватает, чтобы подтвердить или опровергнуть теорию инфляции. Это дает свободу теоретикам рассматривать альтернативные сценарии и механизмы.

Один из таких альтернативных сценариев — Вселенная с отскоком. Эта модель предполагает, что еще намного раньше горячей стадии Вселенная была почти такая же, как сегодня, с небольшой плотностью заполняющего ее вещества, но с существенным отличием: она сжималась. Это сжатие продолжалось какое-то время, плотность вещества во Вселенной увеличивалась по мере сжатия, и в некоторый момент происходил отскок — остановка сжатия и начало расширения Вселенной с последующим выходом на стандартную горячую стадию. В такой модели с отскоком есть свои механизмы генерации первичных возмущений на стадии сжатия, и возмущения обладают необходимым набором базовых свойств, согласующихся с известными наблюдательными данными. В то же время предсказания моделей с отскоком отличаются от инфляционных в тонких деталях, которые пока экспериментально не проверены, но в будущем будут доступны проверке.

Привлекательная особенность модели с отскоком — отсутствие так называемого Большого взрыва, точки сингулярности, с которой начинается эволюция Вселенной в общепринятой на сегодня модели. Действительно, смена сжатия расширением может происходить, когда плотность вещества во Вселенной достигает достаточно больших, но все же конечных значений. Тем самым проблема начальной сингулярности в моделях с отскоком решается. Однако модели с отскоком имеют свои характерные сложности: такая нетривиальная динамика со сменой сжатия расширением возможна, если во Вселенной присутствует вещество с довольно экзотическими свойствами, которыми привычная и известная нам материя не обладает. Теоретики тем не менее придумали такую хитрую среду, которая подходит на роль этого экзотического вещества: эта среда взаимодействует с гравитационным полем не так, как обычная окружающая нас материя.

Но на этом трудности не закончились: чтобы сказать, что модель Вселенной с отскоком построена, необходимо убедиться, что решение гравитационных уравнений, которое описывает, как Вселенная сжимается, а потом расширяется, устойчиво. Устойчивость решения означает, что при небольшом отклонении от этого решения Вселенная не рушится, не взрывается и не схлопывается в сингулярность, а плавно возвращается к своей траектории развития и продолжает эволюционировать, как было задумано.

Тут можно представить себе шарик, скатывающийся по наклонному желобу, и шарик, скатывающийся по наклонному ребру. Первый шарик может без существенных последствий отклоняться в направлениях, перпендикулярных направлению его движения вдоль желоба. Напротив, для второго шарика даже малые отклонения вбок от направления его скатывания чреваты падением с ребра и уходом с исходной траектории движения.

Устойчивые модели Вселенной с отскоком, в которых решается проблема Большого взрыва, были предложены сравнительно недавно — в частности, коллективом Института ядерных исследований РАН (ИЯИ РАН). В таких моделях, как уже сказано, необходимо предположить, что Вселенная заполнена специфической средой — например, некоторым скалярным полем, чье взаимодействие с гравитацией не описывается Общей теорией относительности Альберта Эйнштейна. Процедура построения модели предполагает решение полевых уравнений для выбранной теории и последующий анализ решения на предмет его соответствия искомой физической картине, а именно смене эпохи сжатия стадией расширения.

В статье, о которой идет речь, физики-теоретики Виктория Волкова, Сергей Миронов и Валерий Рубаков взяли построенную ими же устойчивую модель с отскоком и усложнили ее, добавив в экзотическую среду, заполняющую Вселенную и обеспечивающую отскок, дополнительную материю, но со стандартными свойствами. Такое усложнение — закономерный шаг, если ставить перед собой цель построить реалистичную модель Вселенной с отскоком, где, вообще говоря, одновременно присутствуют разные типы материи. Из предыдущей работы

А. Викмана, Д. Иссона и И. Савицкого (JCAP 07 (2013) 014) по этой теме было известно, что добавление стандартной материи в системы с упрощенной версией упомянутой выше экзотической среды приводит к возникновению волн в этой среде, которые распространяются со скоростями, превышающими скорость света. Это проблема, потому что в нормальной ситуации скоростей больше скорости света не бывает.

Что удивительно, результат исследований оказался ровно противоположным: при добавлении обычной материи в модель, о которой идет речь, никаких сверхсветовых сигналов не возникает. Для того чтобы выяснить это, было изучено поведение малых отклонений от решения с использованием стандартных методов теории возмущений. Разгадка заключается в различии тонких свойств экзотической среды, которая использовалась и в предыдущей, и в этой работе.

Не менее интересным выглядит и другой результат исследователей из ИЯИ РАН: если в систему добавить вещество, в котором волны распространяются со скоростью, равной или близкой к скорости света (такая материя — не экзотика), то в системе действительно появляются волны, распространяющиеся со скоростью выше скорости света. Причем этот результат не зависит от того, описывает модель отскок во Вселенной или нет; он справедлив для теорий с такой экзотической средой в общем случае. Данное обстоятельство вновь указывает, что в теориях с этой средой все устроено еще более хитро, чем предполагали ученые.

Этот результат может иметь далекоидущие последствия для данного класса теорий в целом и в частности для перспектив построить на их базе реалистичную и, что главное, жизнеспособную модель Вселенной без Большого взрыва.

Было ли у Вселенной начало и есть ли у нее смысл? Отрывок из “Уравнения бога” Митио Каку

В современной физике реальность описывают две теории: квантовая теория говорит об электромагнитном, слабом и сильном взаимодействиях, а общая теория относительности — о гравитации. Проблема в том, что они не согласуются, — требуется другая теория. В “Уравнении Бога: В поисках теории всего” Митио Каку рассказывает, как ученые оказались в нынешнем положении и как пытаются из него выбраться. Через труды Ньютона, Максвелла, Эйнштейна он подводит к одному из возможных выходов — теории струн: элегантному, умопомрачительному и почти мистическому математическому построению, фундамент которого он сам и заложил полвека назад (возможно, поэтому альтернативные теории всего в книге упоминаются вскользь). Что если теория струн верна и что вообще может дать теория всего? Об этом Каку рассуждает в приведенном отрывке.

Моя собственная точка зрения

Вселенная — замечательно красивое, упорядоченное и простое место. Мне кажется невероятно удивительным то, что все известные законы физической Вселенной можно изложить на одном-единственном листе бумаги.

На этом листе, конечно, найдется место для теории относительности Эйнштейна. Стандартная модель сложнее, ее зоопарк элементарных частиц занимает большую часть листа. Вместе они могут описать все в известной нам Вселенной, начиная с того, что находится внутри протона, и заканчивая самыми далекими уголками видимого пространства.

С учетом предельной ограниченности этого листа бумаги трудно не прийти к мысли о том, что все было спланировано заранее, что в элегантности Вселенной видна рука какого-то космического дизайнера. Для меня именно это служит сильнейшим аргументом в пользу существования Бога.

На эту тему

Но краеугольным камнем наших представлений об окружающем мире является наука, которая основана в конечном итоге на вещах проверяемых, воспроизводимых, опровержимых. Этим все сказано. В таких дисциплинах, как литературоведение, со временем все усложняется. Специалисты вечно гадают, что на самом деле хотел сказать Джеймс Джойс тем или иным пассажем. Но физика движется в противоположном направлении — чем дальше, тем она становится проще, оказываясь в итоге следствием пригоршни уравнений. Мне кажется, это замечательно. Но ученые зачастую не спешат признавать, что на свете может существовать что-то помимо царства науки.

Например, невозможно опровергнуть отрицательное утверждение.

Представьте, что мы хотим опровергнуть существование единорогов. Даже если мы прочешем большую часть поверхности Земли и не обнаружим ни одного единорога, всегда остается вероятность того, что единороги живут на каком-то неизвестном острове или в тайной пещере. Таким образом, опровергнуть существование единорогов невозможно. Это означает, что даже через сто лет люди по-прежнему будут спорить о существовании Бога и смысле Вселенной. Дело в том, что эти концепции непроверяемы и, следовательно, неразрешимы. Они находятся вне царства обычной науки.

Аналогично, даже если мы во время путешествий в открытом космосе никогда не встречали Бога, всегда остается возможность его существования где-то там, где мы еще не бывали.

Поэтому я агностик. Мы пока лишь очень поверхностно изучили Вселенную, и было бы слишком самоуверенно делать заявления о ее природе в целом, недоступной нашим инструментам.

Не стоит также забывать, что любому исследователю придется рано или поздно столкнуться с тезисом св. Фомы Аквинского о необходимости существования Перводвижителя. Иными словами, откуда все взялось? Даже если Вселенная началась именно так, как говорит теория всего, то откуда взялась сама теория всего?

На мой взгляд, она существует потому, что это единственная математически непротиворечивая теория. Все остальные теории изначально имеют недостатки и противоречия. По моему мнению, если начать с любой другой теории, то в конечном итоге можно доказать, что 2 + 2 = 5, иначе говоря, эти альтернативные теории внутренне противоречивы.

На эту тему

Напомню, что на пути к признанию теорию всего ожидает множество препятствий. Когда мы вводим в какую-нибудь теорию квантовые поправки, она обычно рушится: в ней возникают бесконечные расходимости или ее первоначальную симметрию губят аномалии. Я убежден, что существует, возможно, всего одно решение для данных ограничений, способное привести теорию в порядок, исключив все прочие возможности. Наша Вселенная не может существовать в пятнадцати измерениях, поскольку такая вселенная страдала бы от фатальных недостатков. (В десятимерной теории струн, когда мы вычисляем квантовые поправки, они часто содержат множитель (D – 10), где D — размерность пространства-времени. Очевидно, если принять D = 10, то эти неприятные аномалии исчезнут. Если же не приравнять D десяти, то мы получим другую вселенную, полную противоречий, где нарушается математическая логика. Точно так же при введении мембран и вычислениях в рамках M-теории мы получаем нежелательные слагаемые, содержащие множитель (D – 11). Следовательно, в рамках теории струн существует только одна внутренне непротиворечивая вселенная, где 2 + 2 = 4, и существует она в десяти или одиннадцати измерениях.)

Таким образом, это и есть возможный ответ на вопрос, поднятый Эйнштейном в процессе поиска теории всего: был ли у Бога при создании Вселенной выбор? Уникальна ли наша Вселенная или есть много форм ее существования?

Если мои мысли верны, то выбора никакого нет. Существует лишь одно уравнение, способное описать нашу Вселенную, потому что все остальные математически несостоятельны.

Так что финальное уравнение Вселенной уникально и единственно. Решений у него может быть бесконечное множество, но само уравнение единственно.

Это проливает свет еще на один вопрос: почему в мире вообще существует хоть что-то, а не сплошное ничто?

В квантовой теории нет такой вещи, как абсолютное ничто. Мы видели, что абсолютной черноты не существует, так что черные дыры на самом деле серые и должны испаряться. Аналогично при поиске решения квантовой теории мы обнаруживаем, что минимальная энергия не равна нулю. Так, невозможно достичь абсолютного нуля, поскольку атомы в самом низком квантовом энергетическом состоянии все же испытывают колебания. (Точно так же, согласно квантовой механике, невозможно достичь нулевой энергии квантово-механически, поскольку у вас все равно останется энергия нулевой точки, то есть минимальные квантовые колебания. Состояние нулевых колебаний нарушило бы принцип неопределенности, поскольку нулевая энергия означает состояние нулевой неопределенности, которое запрещено. )

На эту тему

Итак, откуда же взялся Большой взрыв? Вероятнее всего, это была квантовая флуктуация в Ничто. Даже Ничто, или чистый вакуум, непрерывно пенится частицами вещества и антивещества, которые возникают парами в вакууме, а затем вновь исчезают в том же вакууме. Именно так из ничего возникло нечто.

Хокинг, как мы говорили, называл это пространственно-временной пеной, имея в виду пену из крохотных пузырьковых вселенных, непрерывно выскакивающих из вакуума и вновь исчезающих в нем. Мы не видим этой пространственно-временной пены, потому что каждый пузырек много меньше любого атома. Но время от времени один из этих пузырьков не растворяется вновь в вакууме, а расширяется, пока не начнется инфляционный процесс и не возникнет целая вселенная.

Так почему существует не ничто, а нечто? Потому что первоначально наша Вселенная возникла из квантовых флуктуаций в Ничто. В отличие от бесчисленных других пузырьков, наша Вселенная вырвалась из пространственно-временной пены и продолжила расширение.

Было ли у Вселенной начало?

Даст ли наша теория всего ответ на вопрос о смысле жизни? Много лет назад я видел странный плакат, выпущенный одним обществом медитации. На нем были изображены уравнения супергравитации в их полной математической красоте, при этом от каждого члена шла стрелочка с надписью “мир”, “покой”, “единство”, “любовь” и т. п.

Иными словами, смысл жизни был встроен в уравнения теории всего.

Лично я считаю, что вряд ли математический член какого бы то ни было уравнения физики можно приравнивать к любви или счастью.

Однако я убежден, что у теории всего найдется что сказать о смысле Вселенной. В детстве меня воспитывали в протестантской вере, хотя родители мои были буддистами. Эти две великие религии — христианство и буддизм — придерживаются противоположных точек зрения в отношении Создателя. В христианстве Бог создал мир в какой-то определенный момент времени. Католический богослов и физик Жорж Леметр, один из архитекторов теории Большого взрыва, считал, что теория Эйнштейна не противоречит Книге Бытия.

На эту тему

В буддизме Бога как такового нет. Вселенная там не имеет ни начала, ни конца. Существует лишь вневременная нирвана.

Как можно соединить эти две диаметрально противоположные точки зрения? Вселенная либо имела начало, либо нет. Промежуточные варианты невозможны.

Но на самом деле теория мультивселенной позволяет нам взглянуть на это противоречие совершенно по-новому.

Возможно, наша Вселенная все же имела начало, как сказано в Библии. Но, возможно, Большие взрывы происходят все время, согласно инфляционной теории, порождая целую ванну пузырьковых вселенных. Возможно, эти вселенные расширяются в гораздо более обширной области — своеобразной нирване гиперпространства. Так что наша Вселенная имеет начало и представляет собой трехмерный пузырь, плавающий в гораздо более обширном пространстве одиннадцатимерной нирваны, в которой постоянно возникают и другие вселенные.

Таким образом, идея мультивселенной позволяет соединить креационистскую мифологию христианства с нирваной буддизма в единую теорию, совместимую с известными физическими законами.

Смысл в конечной Вселенной

В конечном итоге, я уверен, мы создаем во Вселенной свой собственный смысл.

Слишком просто и легко оглядываться на некоего гуру, спустившегося с горных высей и принесшего нам смысл Вселенной. Чтобы понять и оценить смысл жизни, необходимо прилагать усилия. Если преподнести его в готовом виде, теряется всякая идея смысла. Смысл жизни, доступный даром, потерял бы свое смысловое наполнение. Все, что имеет смысл, добывается в результате борьбы и жертв и стоит того, чтобы за него сражаться.

Но трудно утверждать, что Вселенная имеет смысл, если сама она когда-нибудь умрет. Физика в каком-то смысле вынесла Вселенной смертный приговор.

На эту тему

Несмотря на все высокоученые дискуссии о смысле и цели Вселенной, все это может оказаться бесполезным, поскольку наша Вселенная обречена на гибель в ходе Большого замерзания. Согласно второму закону термодинамики, все в замкнутой системе должно со временем распасться, заржаветь или рассыпаться. Естественный порядок вещей — увядание и со временем прекращение существования. Все на свете неизбежно должно умереть, когда умрет сама Вселенная. Так что, какой бы смысл мы ни приписывали Вселенной, ее смерть унесет его с собой.

Но опять же, возможно, слияние квантовой теории с теорией относительности даст нам лазейку и позволит Вселенной уцелеть. Как было сказано выше, второй закон термодинамики рано или поздно обрекает вселенную в замкнутой системе на гибель. Ключевое слово здесь замкнутая. В открытой вселенной, куда энергия может поступать извне, можно обратить действие второго закона вспять.

Так, бытовой кондиционер, на первый взгляд, нарушает второй закон термодинамики, поскольку вбирает в себя хаотический теплый воздух и охлаждает его. Но кондиционер получает энергию извне, от компрессора, и потому не является замкнутой системой. Аналогично жизнь на Земле, на первый взгляд, нарушает второй закон термодинамики, потому что всего за девять месяцев превращает гамбургеры и картошку фри в младенца — а это настоящее чудо.

Так почему жизнь на Земле возможна? Потому что у нас имеется внешний источник энергии — Солнце. Земля не является замкнутой системой, а солнечный свет позволяет нам извлекать энергию Солнца и получать с ее помощью пищу, необходимую для питания малыша. Так что во втором законе термодинамики имеется лазейка. Солнечный свет делает возможными эволюцию и развитие от низших форм к высшим.

Точно так же можно использовать кротовые норы, чтобы открыть проход в другую вселенную. Судя по всему, наша Вселенная замкнута. Но не исключено, что однажды, возможно перед лицом смерти Вселенной, наши потомки сумеют воспользоваться своими громадными научными знаниями, чтобы накопить достаточно положительной энергии и открыть туннель в пространстве и времени, а затем при помощи отрицательной энергии (и квантового эффекта Казимира) стабилизировать его. Когда-нибудь наши потомки овладеют планковской энергией — энергией, при которой пространство и время становятся нестабильными, — и воспользуются мощными технологиями, чтобы покинуть нашу умирающую Вселенную.

Таким образом квантовая гравитация, вместо того чтобы оставаться упражнением в математике одиннадцатимерного пространства-времени, становится космической межпространственной спасательной шлюпкой, позволяющей разумной жизни обойти второй закон термодинамики и переместиться в какую-нибудь гораздо более теплую вселенную.

Так что теория всего — больше чем просто красивая математическая теория. В конечном итоге она может оказаться нашим единственным спасением.

Известный физик предположил, что нашу вселенную могли создать в лаборатории

Американский астрофизик Ави Лёб (Avi Loeb) привлёк внимание общественности, опубликовав в журнале Scientific American статью со смелым предположением: что, если наша Вселенная была создана в лаборатории?

Ави Лёб — безусловно неординарная личность. Руководитель Института теории и вычислений Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики, член Совета президента США по науке и технологиям уже не раз поражал как научное сообщество, так и широкий круг любителей астрономии своим неординарным подходом к исследованию космоса и места человека в нём.

В этот раз астрофизик предложил рассмотреть с новой точки зрения загадку сотворения мира.

Даже далёкие от науки люди знают, что наша вселенная была рождена в ходе Большого взрыва. Но что же было до него? Что спровоцировало это рождение всего из ничего?

В научной литературе ранее озвучивалось множество разных предположений о происхождении космоса. Так, Вселенная могла появиться в результате флуктуации вакуума или из-за коллапса материи внутри чёрной дыры. А может быть, расширение и сжатие Вселенной носит циклический характер. Ещё есть антропный принцип, несколько весьма любопытных выводов теории струн и гипотеза мультивселенной. А вот с бесконечным разнообразием вселенных всё не так просто.

Лёб в своей статье рассуждает о наименее изученной из существующих гипотез происхождения всего того, что мы наблюдаем: наша вселенная могла быть создана в лаборатории развитой технологической цивилизации.

“Поскольку наша вселенная имеет плоскую геометрию с нулевой чистой энергией, развитая цивилизация могла бы разработать технологию, которая создала бы дочернюю вселенную из ничего посредством квантового туннелирования”, пишет он.

Звучит это предположение, безусловно, захватывающе.

Эта гипотеза происхождения мира объединяет религиозные представления о творце со светскими представлениями о квантовой гравитации.

Лёб предполагает, что некая передовая цивилизация могла создать технологию “производства” дочерних вселенных. В таком случае можно предположить, что и в нашей вселенной может появиться достаточно развитая цивилизация, способная породить новую “плоскую” вселенную.

Подобная система напоминает биологическую и так же, как биологическая, гипотетически позволяет разным поколениям высокоразвитых цивилизаций “передавать генетический материал” далее в этом бесконечном цикле создания.

С этой точки зрения автор статьи предлагает оценивать технологический уровень цивилизаций не по тому, сколько энергии они используют, как это было предложено в 1964 году Николаем Кардашёвым.

Вместо этого Лёб предлагает измерять уровень развития цивилизации её способностью воспроизводить астрофизические условия, которые привели к её существованию. Кстати, в 2018 году учёные Земли фактически воспроизвели Большой взрыв в ультрахолодном веществе.

По такой оценочной космической шкале человеческая цивилизация относится к классу C, так как мы пока ещё не можем воссоздать условия, пригодные для жизни на нашей планете в случае смерти нашего солнца.

Возможно, наше положение в этом рейтинге даже ниже, поскольку мы бездумно разрушаем естественную среду обитания на Земле, ускоряя изменение климата. По такому принципу человечество вполне можно отнести уже к классу D.

Цивилизация класса B, в свою очередь, может регулировать условия в своей среде обитания так, чтобы быть независимой от своей звезды-хозяина (в нашем случае, Солнца). Цивилизация, относящаяся к классу А, способна воссоздать космические условия, которые привели к её существованию, а именно создать в лаборатории дочернюю вселенную.

Поэтому Лёб заключает, что человечеству важно позволить себе предположение, что где-то во Вселенной есть цивилизации, гораздо более развитые, чем наша.

При этом рассуждения учёного остаются теоретическими и слабо подтверждёнными какими-либо исследованиями. Что, впрочем, всегда отличало футурологов.

Сегодня физики усердно трудятся над поиском тёмной энергии и тёмной материи, строят сложные теоретические модели, разбираются с загадками строения самых малых составляющих нашего мира. Трудятся, не покладая рук, чтобы получить хотя бы крупицу информации о великой тайне создания Вселенной.

При этом скудные данные, которые получают учёные в ходе кропотливых многолетних исследований, из года в год привлекают меньше общественного внимания, чем громкие заявления некоторых учёных в СМИ.

Однако нельзя отрицать и того факта, что такие “мечтатели” как Лёб вносят большой вклад в развитие научной мысли. Ведь бывает и такое, что одна смелая идея прокладывает дорогу для больших научных и технологических свершений.

Поэтому идеи Ави Лёба хоть и не относятся к области чистой науки, однако могут сослужить добрую службу в качестве вдохновения для дальнейших научных достижений.

Ранее мы рассказывали о проекте Лёба, посвящённому поиску инопланетных цивилизаций. Писали мы и о более ранних исследованиях учёного: поиске чёрных дыр, возникших в первые минуты после Большого взрыва, и предположении о том, что тёмная материя может иметь электрический заряд.

Больше новостей из мира науки вы найдёте в разделе “Наука” на медиаплатформе “Смотрим”.

Эволюция вселенной | Понятия и категории

ЭВОЛЮЦИЯ ВСЕЛЕННОЙ – термин, принятый для обозначения теорий возникновения и развития Вселенной. Современная картина Вселенной возникла только в XX в., когда американский астроном Э. Хаббл показал, что кроме нашей Галактики существует много других галактик, разделенных пустым пространством. Измеряя светимость звезд известного тепла, которые находятся в этих галактиках, Хаббл измерил расстояние до них. В 1929 г. Хаббл сделал второе, еще более важное открытие: все линии спектра этих звезд оказались сдвинутыми в сторону красного конца, причем величина этого смещения оказалась пропорциональной расстоянию до галактики (красное смещение). Смещение длин волн к красному концу спектра согласно эффекту Доплера означает, что источник излучения удаляется от нас, и, следовательно, чем дальше находится галактика, тем быстрее она удаляется.

Экспериментальный результат, полученный Хабблом, в 1922 г. был предсказан русским физиком А. А. Фридманом. Ему удалось придать уравнениям общей теории относительности, незадолго до этого опубликованной А. Эйнштейном, такую форму, из которой следовало, что Вселенная не может быть статичной, а должна расширяться. Из модели Фридмана следовало, что должен существовать начальный момент расширения Вселенной — это момент, когда ее радиус обращается в нуль, а плотность вещества становится бесконечно большой. Данное состояние называется сингулярностью. Такой результат противоречит всему физическому опыту. Этот парадокс объясняют тем, что общая теория относительности, положенная в основу модели Фридмана, становится неверной при очень малых масштабах пространства и времени — так называемых планковских длине и времени (10-33 [десять в минус тридцать третьей степени]. см и 10-43 [десять в минус сорок третьей степени] с соответственно).

В. Бааде, А.Сэндейдж и другие астрономы, продолжая исследования Хаббла, показали, что увеличение скорости разлета галактик с расстоянием составляет 15 км/с на миллион световых лет. Эта величина получила название постоянной Хаббла. Зная ее, нетрудно было подсчитать время, когда Вселенная начала расширяться — это произошло около 15 —20 млрд лет назад. Отсюда следует еще один важный вывод: если время существования Вселенной умножить на скорость света, то мы получим величину, называемую горизонтом событий. Поскольку в соответствии с теорией относительности невозможна передача сигналов со скоростью, превышающей световую, никакое событие, находящееся за пределами этого горизонта, не может оказать на нас никакого влияния. Горизонт событий — это фактическая граница нашей расширяющейся Вселенной.

Ученик Фридмана Г. Гамов показал, что ранняя Вселенная была не только очень плотной, но и очень горячей, а потому ярко светилась (модель Большого Взрыва). Испущенный на этой стадии ансамбль горячих фотонов должен был расширяться вместе со Вселенной, а по законам идеального газа одновременно и охлаждаться. В 1965 г. американские физики А. Пензиас и Р. Вильсон обнаружили вызванное этим эффектом микроволновое излучение, идущее из глубин Вселенной. Это так называемое реликтовое излучение, испускаемое наиболее удаленными областями Вселенной. Его открытие явилось подтверждением теорий Фридмана и Гамова.

Теория Большого Взрыва в наиболее ранних стадий возникновения Вселенной — предмет исследований современной космологии. Известные физические законы на этих стадиях теряют свою силу. Долгое время оставалось неясным, почему при Большом Взрыве были преодолены силы гравитации, которые должны были бы препятствовать разлету больших масс вещества. Только в 1970 г. была доказана теорема Р. Пенроуза — С. Хокинга, из которой следовало, что, возникнув из сингулярности, Вселенная неизбежно должна расширяться. С тем чтобы продвинуться дальше в понимании процессов, приведших к возникновению Вселенной, физики поставили задачу объединения квантовой механики и общей теории относительности. Не исключено, что при учете квантовых эффектов сингулярность может исчезнуть.

Новые возможности для анализа начальных стадий возникновения Вселенной связаны с исследованием физического, или квантового, вакуума. Есть основания предполагать, что Вселенная возникла как результат фазового перехода физического вакуума, энергия которого при этом перешла в обычное вещество и кинетическую энергию расширяющейся Вселенной.

Если о ранней молодости Вселенной мы знаем довольно много, то о ее последующей эволюции известно значительно меньше. Мы не знаем, есть ли у эволюционирующей Вселенной конец или она будет существовать неограниченно долго. Если средняя плотность вещества во Вселенной выше некоторого критического значения, то, достигнув максимальных размеров, она затем под действием сил тяготения начнет сжиматься. В этом случае через миллиарды лет Вселенную ждет гибель в катастрофическом коллапсе (Большой Хлопок). Если же плотность меньше критической, то Вселенную ожидает вечное расширение. Согласно современным оценкам, плотность вещества во Вселенной близка к критической и, следовательно, ее судьбу пока невозможно предсказать однозначно.

Литература:

Розенталь И.Л. Геометрия. Динамика. Вселенная. М., 1987;

Вайнберг Г. Первые три минуты. М., 1981;

Хокинг С. От Большого Взрыва до черных дыр. М., 1990.

Словарь философских терминов. Научная редакция профессора В.Г. Кузнецова. М., ИНФРА-М, 2007, с. 684-645.

Топ-10 самых странных космологических теорий

Стивен Баттерсби

Может ли пространство-время быть «сверхтекучим» веществом, разбросанным вращающимися вихрями?

(Изображение: Forex/Rex Features)

Космология — одна из самых творческих и причудливых областей науки. Исследуйте некоторые из самых странных идей в этой эксклюзивной функции

.

1. Сталкивающиеся браны

Может ли наша вселенная быть мембраной, плавающей в пространстве более высокого измерения, постоянно врезающейся в соседнюю вселенную? Согласно ответвлению теории струн, называемому миром бран, существуют большие дополнительные измерения пространства, и, хотя гравитация может проникать в них, мы ограничены нашей собственной вселенной «бран» только с тремя измерениями. Нил Турок из Кембриджского университета в Великобритании и Пол Стейнхардт из Принстонского университета в Нью-Джерси, США, выяснили, как мог произойти Большой взрыв, когда наша вселенная яростно столкнулась с другой. Эти столкновения повторяются, время от времени производя новый Большой взрыв, поэтому, если циклическая модель Вселенной верна, космос может быть бессмертным.

2. Развивающиеся вселенные

Когда материя сжимается до предельной плотности в центре черной дыры, она может отскочить назад и создать новую вселенную-ребенка.Законы физики у потомства могут незначительно и случайным образом отличаться от родительских, поэтому вселенные могут развиваться, предполагает Ли Смолин из Института периметра в Ватерлоо, Канада. Вселенные, в которых много черных дыр, имеют много детей, поэтому в конечном итоге они начинают доминировать в населении мультивселенной. Если мы живем в типичной Вселенной, то в ней должны существовать физические законы и константы, оптимизирующие образование черных дыр. Пока неизвестно, соответствует ли наша Вселенная этим требованиям.

3. Сверхтекучее пространство-время

Одна из самых диковинных новых теорий космологии состоит в том, что пространство-время на самом деле представляет собой сверхтекучую субстанцию, текущую с нулевым трением. Тогда, если Вселенная вращается, сверхтекучее пространство-время было бы рассеяно вихрями, по словам физиков Павла Мазура из Университета Южной Каролины и Джорджа Чаплайна из лаборатории Лоуренса Ливермора в Калифорнии, и эти вихри могли бы породить такие структуры, как галактики. Мазур предполагает, что наша Вселенная могла родиться в коллапсирующей звезде, где сочетание звездной материи и сверхтекучего пространства могло породить темную энергию, силу отталкивания, ускоряющую расширение Вселенной.

4. Вселенная Златовласки

Почему Вселенная обладает свойствами, которые «как раз подходят» для возникновения жизни? Поработайте с несколькими физическими константами, и у нас не будет ни звезд, ни материи, или вселенная, которая существует лишь мгновение ока. Один из ответов — антропный принцип: Вселенная, которую мы видим, должна быть гостеприимной, иначе нас не было бы здесь, чтобы наблюдать за ней. В последнее время эта идея набрала силу, потому что теория инфляции предполагает, что может существовать бесконечное множество вселенных, а теория струн намекает, что они могут иметь почти бесконечный набор различных свойств и физических законов.Но многие космологи отвергают антропный принцип как ненаучный, потому что он не делает проверяемых предсказаний.

5. Гравитация простирается

Возможно, темная материя на самом деле не является «вещью» — это может быть просто вводящее в заблуждение название странного поведения гравитации. Теория под названием MOND (модифицированная ньютоновская динамика) предполагает, что гравитация не исчезает так быстро, как предсказывают современные теории. Эта более сильная гравитация может выполнять роль темной материи, удерживая вместе галактики и скопления, которые в противном случае разлетелись бы. Новая формулировка МОНД, согласующаяся с теорией относительности, возродила интерес к этой идее, хотя она может и не соответствовать образцу пятен на космическом микроволновом фоне.

6. Космический призрак

Три загадки современной космологии могут быть заключены в одном призрачном присутствии. После внесения поправок в общую теорию относительности Эйнштейна группа физиков обнаружила странное вещество, выделяющееся из их новой теории, «призрачный конденсат». Она может создавать гравитационное отталкивание, вызывающее космическую инфляцию во время Большого взрыва, а позже она может генерировать более спокойное ускорение, приписываемое темной энергии.Более того, если это скользкое вещество слипнется, оно может образовать темную материю.

7. Это маленькая вселенная

Рисунок пятен на космическом микроволновом фоне имеет подозрительный недостаток: на удивление мало больших пятен. Одно из возможных объяснений состоит в том, что Вселенная мала — настолько мала, что когда создавалось микроволновое излучение, она просто не могла вместить эти большие капли. Если это так, то пространство должно было бы каким-то образом обернуться вокруг себя. Возможно, самое странное предположение состоит в том, что Вселенная имеет форму воронки с одним узким концом и одним расширяющимся концом, похожим на раструб трубы.Изогнутая назад кривизна пространства в этой модели также растянет любые меньшие микроволновые пятна из круглых пятен в маленькие эллипсы, которые действительно наблюдаются.

8. Быстрый свет

Почему противоположные стороны Вселенной выглядят одинаково? Это загадка, потому что крайности сегодняшней видимой Вселенной никогда не должны были соприкасаться. Даже в первые моменты Большого взрыва, когда эти области были намного ближе друг к другу, не было достаточно времени, чтобы свет — или что-то еще — путешествовало от одного к другому.Не было времени, чтобы температура и плотность выровнялись; и все же они даже. Одно решение: раньше свет двигался намного быстрее. Но для того, чтобы это заработало, может потребоваться радикальный пересмотр теории относительности Эйнштейна.

9. Стерильные нейтрино

Темная материя может состоять из самых неуловимых частиц, которые когда-либо можно было представить, — стерильных нейтрино. Они являются гипотетическими более тяжелыми родственниками обычных нейтрино и будут взаимодействовать с другим веществом только за счет силы гравитации, что делает их практически невозможными для обнаружения.Но они могут иметь подходящие свойства, чтобы быть «теплой» темной материей, жужжащей со скоростью несколько километров в секунду, образуя большие сгустки темной материи, отмеченные недавними наблюдениями. Стерильные нейтрино также могли способствовать формированию звезд и черных дыр в ранней Вселенной, а также давать толчки, заставляющие нейтронные звезды летать вокруг нашей галактики.

10. В Матрице

Возможно, наша вселенная не реальна. Философ Ник Бостром заявил, что мы, вероятно, живем внутри компьютерной симуляции.Если когда-нибудь станет возможным смоделировать сознание, то, вероятно, будущие цивилизации попытаются это сделать, возможно, много раз. Большинство воспринимаемых вселенных будут смоделированными, так что есть вероятность, что мы находимся в одной из них. В таком случае, возможно, все эти космологические странности, такие как темная материя и темная энергия, являются просто заплатами, наклеенными, чтобы скрыть ранние несоответствия в нашей симуляции.

Еще по этим темам:

Большой взрыв | Управление научной миссии

 

Астрономы объединяют математические модели с наблюдениями, чтобы разработать работающие теории о том, как возникла Вселенная.Математические основы теории Большого взрыва включают общую теорию относительности Альберта Эйнштейна наряду со стандартными теориями элементарных частиц. Сегодня космические аппараты НАСА, такие как космический телескоп Хаббл и космический телескоп Спитцер, продолжают измерять расширение Вселенной. Одной из целей уже давно было решить, будет ли Вселенная расширяться вечно или же она когда-нибудь остановится, развернется и рухнет в «Большом сжатии?»

Фоновое излучение

Согласно физическим теориям, если бы мы посмотрели на Вселенную через секунду после Большого Взрыва, то увидели бы море нейтронов, протонов, электронов, антиэлектронов (позитронов), фотонов, температурой 10 миллиардов градусов. и нейтрино.Затем, с течением времени, мы увидим, как Вселенная остывает, нейтроны либо распадаются на протоны и электроны, либо соединяются с протонами, образуя дейтерий (изотоп водорода). По мере того как он продолжал охлаждаться, он в конечном итоге достигал температуры, при которой электроны объединялись с ядрами, образуя нейтральные атомы. До того, как произошла эта «рекомбинация», Вселенная была бы непрозрачной, потому что свободные электроны заставили бы свет (фотоны) рассеиваться так же, как солнечный свет рассеивается каплями воды в облаках.Но когда свободные электроны поглощались, образуя нейтральные атомы, Вселенная внезапно становилась прозрачной. Те же самые фотоны — послесвечение Большого взрыва, известное как космическое фоновое излучение — можно наблюдать и сегодня.

Миссии по изучению фонового космического излучения

НАСА запустило две миссии для изучения космического фонового излучения, сделав «детские снимки» Вселенной всего через 400 000 лет после ее рождения. Первым из них был Cosmic Background Explorer (COBE).В 1992 году команда COBE объявила, что они нанесли на карту изначальные горячие и холодные точки в космическом фоновом излучении. Эти пятна связаны с гравитационным полем в ранней Вселенной и формируют зародыши гигантских скоплений галактик, простирающихся на сотни миллионов световых лет по всей Вселенной. Эта работа принесла доктору Джону Мазеру из НАСА и Джорджу Ф. Смуту из Калифорнийского университета Нобелевскую премию по физике 2006 года.

Второй миссией по изучению космического фонового излучения был зонд Wilkinson Microware Anisotropy Probe (WMAP).Обладая значительно улучшенным разрешением по сравнению с COBE, WMAP провел обзор всего неба, измеряя разность температур микроволнового излучения, которое почти равномерно распределено по Вселенной. На картинке показана карта неба, где горячие области отмечены красным цветом, а более холодные — синим. Объединив это свидетельство с теоретическими моделями Вселенной, ученые пришли к выводу, что Вселенная «плоская», а это означает, что в космологических масштабах геометрия пространства удовлетворяет правилам евклидовой геометрии (т. г., параллельные линии никогда не пересекаются, отношение длины окружности к диаметру равно пи и т. д.).

Третья миссия, Планк, возглавляемая Европейским космическим агентством при значительном участии НАСА, была. запущен в 2009 году. Планк создает самые точные карты микроволнового фонового излучения. С помощью инструментов, чувствительных к изменениям температуры в несколько миллионных долей градуса, и картографируя все небо в 9 диапазонах длин волн, он измеряет колебания температуры реликтового излучения с точностью, установленной фундаментальными астрофизическими пределами.

 

«Детская картинка» Вселенной. Карта WMAP температуры микроволнового фонового излучения показывает крошечные вариации (несколько микроградусов) в фоновом режиме 3K. Горячие точки показаны красными, холодные — темно-синими.

 

Инфляция

Одна проблема, возникшая из первоначальных результатов COBE и сохраняющаяся с данными WMAP с более высоким разрешением, заключалась в том, что Вселенная была слишком однородной. Как могли кусочки Вселенной, которые никогда не соприкасались друг с другом, прийти к равновесию при одной и той же температуре? Однако эту и другие космологические проблемы можно было бы решить, если бы сразу после Большого взрыва был очень короткий период, когда Вселенная испытала невероятный всплеск расширения, называемый «инфляцией».«Для того чтобы эта инфляция имела место, Вселенная во время Большого взрыва должна была быть заполнена нестабильной формой энергии, природа которой еще неизвестна. Какова бы ни была ее природа, инфляционная модель предсказывает, что эта изначальная энергия была бы неравномерно распределены в пространстве из-за некоего квантового шума, возникшего, когда Вселенная была чрезвычайно мала, эта картина должна была быть перенесена на материю Вселенной и проявиться в фотонах, которые начали свободно утекать в момент рекомбинации.В результате мы ожидали увидеть и видим такого рода паттерн на изображениях Вселенной COBE и WMAP.

Но все это оставляет без ответа вопрос о том, что приводило в движение инфляцию. Одна из трудностей при ответе на этот вопрос заключается в том, что инфляция закончилась задолго до рекомбинации, и поэтому непрозрачность Вселенной до рекомбинации, по сути, является завесой, опущенной над этими интересными очень ранними событиями. К счастью, есть способ наблюдать за Вселенной, в котором вообще не участвуют фотоны.Гравитационные волны, единственная известная форма информации, которая может дойти до нас неискаженной с момента Большого взрыва, могут нести информацию, которую мы не можем получить никаким другим способом. НАСА и ЕКА рассматривают несколько миссий, которые будут искать гравитационные волны эпохи инфляции.

Темная энергия

В течение многих лет после Хаббла и COBE картина Большого Взрыва постепенно прояснялась. Но в 1996 году наблюдения очень далеких сверхновых потребовали резкого изменения картины.Всегда предполагалось, что материя Вселенной замедляет скорость ее расширения. Масса создает гравитацию, гравитация создает притяжение, притяжение должно замедлять расширение. Но наблюдения сверхновых показали, что расширение Вселенной не замедляется, а ускоряется. Что-то, не похожее на материю и не на обычную энергию, раздвигает галактики. Эту «вещь» окрестили темной энергией, но дать ей имя — значит не понять ее. Является ли темная энергия типом динамической жидкости, до сих пор неизвестной физике, или же это свойство вакуума пустого пространства, или это какая-то модификация общей теории относительности, пока неизвестно.

Недавние открытия
Дата Дискавери
10 ноября 2021 г. Черные дыры могут рассказать нам о скорости расширения Вселенной
3 июня 2020 г. Хаббл сделал удивительную находку в ранней Вселенной
апрель 2020 г. Расширение Вселенной не может быть одинаковым во всех направлениях
8 января 2020 г. Космические увеличительные стекла дают независимую меру расширения Вселенной
16 июля 2019 г. Новое измерение постоянной Хаббла добавляет к тайне скорости расширения Вселенной
25 апреля 2019 г. Тайна скорости расширения Вселенной раскрывается благодаря новым данным Хаббла
17 апреля 2019 г. Первый тип молекулы во Вселенной наконец найден
14 февраля 2019 г. Где Вселенная прячет недостающую массу?
17 июля 2018 г. От почти идеальной вселенной к лучшему из обоих миров
12 июля 2018 г. Хаббл и Гайя объединяются для разгадки космической загадки
21 июня 2018 г. Хаббл доказывает правоту Эйнштейна в галактических масштабах
22 февраля 2018 г. Окно в космическое прошлое — PLCK G004.5-19,5
20 апреля 2017 г. Хаббл наблюдает первые несколько изображений индикатора расстояния взрыва
20 февраля 2017 г. Астрономическое сотрудничество
26 января 2017 г. Космические линзы подтверждают обнаружение более быстрого, чем ожидалось, расширения Вселенной
2 июня 2016 г. Вселенная расширяется быстрее, чем ожидалось

Темная энергия, Темная материя | Управление научной миссии

В начале 1990-х относительно расширения Вселенной было известно одно.У него может быть достаточно плотности энергии, чтобы остановить расширение и повторное сжатие, у него может быть настолько низкая плотность энергии, что он никогда не перестанет расширяться, но гравитация наверняка замедлит расширение с течением времени. Конечно, замедление не наблюдалось, но теоретически Вселенная должна была замедлиться. Вселенная полна материи, и сила притяжения притягивает всю материю. Затем наступил 1998 год, когда космический телескоп Хаббла (HST) провел наблюдения очень далеких сверхновых, которые показали, что давным-давно Вселенная на самом деле расширялась медленнее, чем сегодня.Так что расширение Вселенной не замедляется из-за гравитации, как все думали, а ускоряется. Этого никто не ожидал, никто не знал, как это объяснить. Но что-то было причиной этого.

В конце концов теоретики придумали три вида объяснений. Возможно, это был результат давно отвергнутой версии теории гравитации Эйнштейна, которая содержала то, что называлось «космологической постоянной». Возможно, это был какой-то странный энергетический флюид, заполнявший пространство. Может быть, что-то не так с теорией гравитации Эйнштейна, и новая теория могла бы включать какое-то поле, создающее это космическое ускорение.Теоретики до сих пор не знают, каково правильное объяснение, но они дали решению имя. Ее называют темной энергией.

Что такое темная энергия?

Неизвестно больше, чем известно. Мы знаем, сколько существует темной энергии, потому что знаем, как она влияет на расширение Вселенной. В остальном это полная загадка. Но это важная загадка. Оказывается, примерно 68% Вселенной — это темная энергия. Темная материя составляет около 27%. Остальное — все на Земле, все, что когда-либо наблюдалось всеми нашими инструментами, вся обычная материя — составляет менее 5% Вселенной. Если подумать, может быть, ее вообще не следует называть «нормальной» материей, поскольку она представляет собой очень маленькую часть Вселенной.

На этой диаграмме показаны изменения скорости расширения с момента рождения Вселенной 15 миллиардов лет назад. Чем более пологая кривая, тем выше скорость расширения. Кривая заметно изменилась около 7,5 миллиардов лет назад, когда объекты во Вселенной начали разлетаться с большей скоростью. Астрономы предполагают, что более высокая скорость расширения связана с таинственной темной силой, которая раздвигает галактики.

Авторы и права: NASA/STSci/Энн Фейлд


Одно из объяснений темной энергии состоит в том, что это свойство пространства. Альберт Эйнштейн был первым, кто понял, что пустое пространство — это не ничто. Пространство обладает удивительными свойствами, многие из которых только начинают понимать. Первое свойство, которое обнаружил Эйнштейн, заключается в том, что возможно появление большего пространства. Затем одна версия теории гравитации Эйнштейна, версия, содержащая космологическую постоянную, делает второе предсказание: «пустое пространство» может обладать собственной энергией.Поскольку эта энергия является свойством самого пространства, она не будет растворяться по мере расширения пространства. По мере того, как появляется больше пространства, появляется больше этой энергии пространства. В результате эта форма энергии заставит Вселенную расширяться все быстрее и быстрее. К сожалению, никто не понимает, почему космологическая постоянная вообще должна существовать, не говоря уже о том, почему она должна иметь именно то значение, которое вызывает наблюдаемое ускорение Вселенной.

На этом изображении показано распределение темной материи, галактик и горячего газа в ядре сливающегося скопления галактик Abell 520.Результат может бросить вызов основным теориям темной материи.


Другое объяснение того, как пространство приобретает энергию, исходит из квантовой теории материи. В этой теории «пустое пространство» на самом деле заполнено временными («виртуальными») частицами, которые постоянно образуются, а затем исчезают. Но когда физики попытались подсчитать, сколько энергии это дало бы пустому пространству, ответ оказался неверным — во многом неверным. Число получилось в 10 120 раза больше. Это 1 со 120 нулями после него.Трудно получить такой плохой ответ. Итак, загадка продолжается.

Другое объяснение темной энергии заключается в том, что это новый вид динамической энергетической жидкости или поля, нечто, что заполняет все пространство, но что-то, чье влияние на расширение Вселенной противоположно влиянию материи и обычной энергии. Некоторые теоретики назвали это «квинтэссенцией» в честь пятого элемента греческих философов. Но если ответом является квинтэссенция, мы все еще не знаем, на что она похожа, с чем взаимодействует и почему существует.Итак, загадка продолжается.

Последняя возможность состоит в том, что теория гравитации Эйнштейна неверна. Это повлияет не только на расширение Вселенной, но и на поведение обычной материи в галактиках и скоплениях галактик. Этот факт позволил бы решить, является ли решение проблемы темной энергии новой теорией гравитации или нет: мы могли бы наблюдать, как галактики объединяются в скопления. Но если окажется, что нужна новая теория гравитации, что это будет за теория? Как она могла бы правильно описать движение тел в Солнечной системе, как это делает теория Эйнштейна, и при этом дать нам другое предсказание для Вселенной, которое нам нужно? Есть теории-кандидаты, но ни одна из них не убедительна.Итак, загадка продолжается.

Чтобы сделать выбор между возможностями темной энергии — свойством пространства, новой динамической жидкостью или новой теорией гравитации — необходимо больше данных, лучших данных.

Что такое темная материя?

Сопоставив теоретическую модель состава Вселенной с объединенным набором космологических наблюдений, ученые пришли к описанному выше составу: ~68% темной энергии, ~27% темной материи, ~5% обычной материи. Что такое темная материя?

Мы гораздо более уверены в том, чем не является темная материя, чем в том, чем она является. Во-первых, он темный, а это означает, что он не в форме звезд и планет, которые мы видим. Наблюдения показывают, что во Вселенной слишком мало видимой материи, чтобы составить 27%, требуемые наблюдениями. Во-вторых, это не темные облака обычной материи, материи, состоящей из частиц, называемых барионами. Мы знаем это, потому что могли бы обнаруживать барионные облака по поглощению ими проходящего через них излучения.В-третьих, темная материя — это не антиматерия, потому что мы не видим уникальных гамма-лучей, возникающих при аннигиляции антиматерии с материей. Наконец, мы можем исключить большие черные дыры размером с галактику, исходя из того, сколько гравитационных линз мы видим. Высокие концентрации вещества отклоняют свет, проходящий рядом с ними, от объектов, находящихся дальше, но мы не видим достаточного количества событий линзирования, чтобы предположить, что такие объекты составляют требуемый вклад темной материи в 25%.

На этом новом составном изображении Abell 2744 запечатлено одно из самых сложных и драматических столкновений между скоплениями галактик, которые когда-либо наблюдались.Синим цветом показана карта концентрации общей массы (в основном темной материи).


Однако на данный момент все еще есть несколько жизнеспособных возможностей темной материи. Барионная материя все еще могла бы составлять темную материю, если бы вся она была связана с коричневыми карликами или небольшими плотными кусками тяжелых элементов. Эти возможности известны как массивные компактные гало-объекты, или «МАЧО». Но наиболее распространенная точка зрения состоит в том, что темная материя вовсе не барионная, а состоит из других, более экзотических частиц, таких как аксионы или вимпы (слабо взаимодействующие массивные частицы).

Исследователи были удивлены, когда обнаружили галактику NGC 1052-DF2, в которой отсутствует большая часть, если не вся темная материя.

 
Недавние открытия

Принстон – Физика – Новая теория предлагает альтернативу Большому взрыву

Принстон Университет

25 апреля 2002 г.

Новая теория предлагает альтернативу Большому взрыву

Новая теория Вселенной предполагает, что пространство и время возможно, не началось с большого взрыва, но, возможно, всегда существовал в бесконечном цикле расширения и возрождения.

Принстонский физик Пол Стейнхардт и Нил Турок из Кембриджский университет описал предложенную ими теорию в Статья опубликована 25 апреля в интернет-издании Наука.

Теория предполагает, что в каждом цикле Вселенная пополняется горячей, плотной материей и излучением, что начинает период расширения и остывания как у стандартного картина большого взрыва. Через 14 миллиардов лет расширение Вселенная ускоряется, как астрономы недавно наблюдаемый.Через триллионы лет материя и радиация почти полностью рассеиваются, и расширение останавливается. Энергетическое поле, которое пронизывает вселенную, создает новые материя и излучение, которое перезапускает цикл.

Новая теория дает возможные ответы на несколько давние проблемы с моделью большого взрыва, которая доминировал в области космологии на протяжении десятилетий. Он обращается, например, мучительный вопрос о том, что могло бы иметь срабатывает или приходит “до” начала времени.

Идея также воспроизводит все удачные объяснения обеспечивается стандартной картинкой, но нет прямого доказательства, чтобы сказать, что правильно, сказал Стейнхардт, профессор физики. «Я не устраняю ни одного из них в на этом этапе, — сказал он. — Мне интересно, что мы теперь есть вторая возможность, которая находится на полюсах отдельно от стандартная картина во многих отношениях, и мы можем иметь способность различать их экспериментально в процессе ближайшие годы.”

Первоначально предложенная модель Вселенной Большого взрыва более 60 лет назад, была разработана для объяснения широкого диапазон наблюдений за космосом. Главный элемент Текущая модель, добавленная в 1980-х годах, — это теория «инфляция», период сверхбыстрого расширения, который произошел в первую секунду после Большого взрыва. Этот инфляционный период имеет решающее значение для объяснения потрясающая «гладкость» и однородность Вселенной наблюдаемых астрономами, а также для объяснения крошечных рябь в космосе, которая привела к образованию галактик.

Ученые также были вынуждены увеличить стандарт теория с компонентом, называемым «темной энергией», для объяснения недавнее открытие, что расширение Вселенной ускорение.

Новая модель заменяет инфляцию и темную энергию единое энергетическое поле, которое колеблется таким образом, чтобы иногда вызывают расширение, а иногда вызывают застой. В в то же время, она продолжает объяснять все, что происходит в настоящее время. наблюдаемые явления космоса так же подробно, как и теория большого взрыва.

Поскольку новая теория требует меньшего количества компонентов и встраивает их с самого начала, это более «экономично», сказал Штейнхардт, один из руководителей создания теория инфляции.

Еще одним преимуществом новой теории является то, что она автоматически включает предсказание будущего хода Вселенной, потому что она проходит через определенные повторяющиеся циклы, длящиеся, возможно, триллионы лет каждый.Большой Модель взрыва/инфляции не имеет встроенного предсказания относительно долгосрочное будущее; точно так же, как инфляция и темнота энергия возникла непредсказуемо, мог возникнуть другой эффект, который изменит текущий курс расширения.

Циклическая модель влечет за собой множество новых концепций, которые Турок и Стейнхардт разработала за последние несколько лет с Джастином Хури, аспирант Принстона, Берт Оврут из Университет Пенсильвании и Натан Зайберг из Институт перспективных исследований.

“Эта работа Пола Стейнхардта и Нила Турока необычайно захватывающим и представляет собой первый новый большой идея в космологии более чем за два десятилетия”, – сказал Иеремия Острикер, профессор астрофизики в Принстоне и Плюмианский профессор астрономии и экспериментальной философии в Кембридже.

“Они нашли простое объяснение наблюдаемому тот факт, что Вселенная в больших масштабах выглядит для нас одинаково влево-вправо, вверх-вниз — казалось бы, очевидное и естественное состояние, которое фактически не поддается объяснению десятилетия.”

Сэр Мартин Рис, научный сотрудник Королевского общества в Кембридж, отметил, что физика относительно ключевых свойств расширяющейся Вселенной остаются «предположениями и до сих пор не коренится в эксперименте или наблюдении».

“За последние 20 лет было много идей”, сказал Рис. «Стейнхардт и Турок привнесли новую творческую спекуляция. Их работа подчеркивает, насколько мы возможно, придется отказаться от концепций здравого смысла и превзойти нормальные представления о пространстве и времени, чтобы сделать реальным прогресс.

“Эта работа дополняет растущее число спекулятивных исследование, которое намекает на то, что физическая реальность может охватывают гораздо больше, чем просто последствия «нашего» большого бах.”

Теория циклической вселенной представляет собой комбинацию стандартные физические понятия и идеи из зарождающихся области теории струн и М-теории, амбициозные усилия по разработке единой теории всех физических сил и частицы.Хотя эти теории коренятся в сложных математике, они предлагают убедительную графическую картину циклическая теория Вселенной.

Согласно этим теориям, Вселенная будет состоять из двух бесконечно большие параллельные листы, как два листа бумаги разделены микроскопическим расстоянием. Это расстояние является дополнительное, или пятое измерение, которое нам не очевидно. В наша текущая фаза в истории Вселенной, листы расширяются во всех направлениях, постепенно расширяясь и рассеивая всю материю и энергию, которые они содержат.После триллионов лет, когда они станут практически пустыми, они вступают в «застойный» период, в котором они перестают растягиваться и, вместо этого начните двигаться навстречу друг другу пятым измерение претерпевает коллапс.

Листы встречаются и “отскакивают” друг от друга. Влияние заставляет листы заряжаться необычайно горячим и плотная материя, которая обычно ассоциируется с большим хлопнуть. После того, как листы расходятся, они возобновляют расширение, растекание материи, которая охлаждает и сливается в звезды и галактики, как в нашем настоящем вселенная.

Листы, или браны, как их называют физики, не параллельных вселенных, а являются гранями одного и того же вселенной, причем одна содержит всю обычную материю, которую мы знаю, а другой, содержащий «мы не знаем, что», сказал Стейнхардт. Можно предположить, сказал он, что материал называется темной материей, которая, как широко распространено мнение, составляет значительная часть Вселенной, находится на этом другом брана. Два листа взаимодействуют только под действием силы тяжести, с массивным объекты на одном листе, тянущие материю на другом, это то, что темная материя делает с обычной материей.

Все движения и свойства этих листов возникают естественно из базовой математики модели, отметил Штейнхардт. В отличие от модели большого взрыва, в котором темная энергия была добавлена ​​просто для объяснения текущие наблюдения.

Стейнхардт и Турок продолжают совершенствовать теорию и ищут теоретические или экспериментальные идеи, которые могли бы предпочесть одну идею другой.

“Эти парадигмы настолько далеки друг от друга, насколько вы можете себе представить в с точки зрения природы времени, — сказал Стейнхардт. — С другой стороны, с точки зрения того, что они предсказывают о Вселенной, они максимально приближены к тому, что вы можете измерить, поэтому далеко.

“Но мы также знаем, что при более точных наблюдениях что может быть возможно в следующем десятилетии или около того, вы можете различать их. Это захватывающая ситуация, которую мы находим сами в.Интересно обсудить, какие из них вам нравятся больше, но я действительно думаю, что природа будет окончательным арбитром здесь.”

Для получения дополнительной информации и графической анимации циклический сценарий, см. http://feynman.princeton.edu/~steinh/

Ранняя вселенная | ЦЕРН

Большой взрыв

В 1929 году американский астроном Эдвин Хаббл обнаружил, что расстояния до далеких галактик пропорциональны их красному смещению.Красное смещение возникает, когда источник света удаляется от наблюдателя: видимая длина волны света растягивается за счет эффекта Доплера в сторону красной части спектра. Наблюдение Хаббла подразумевало, что далекие галактики удалялись от нас, поскольку самые далекие галактики имели самые высокие видимые скорости. Если галактики удаляются от нас, рассуждал Хаббл, то когда-то в прошлом они должны были сгруппироваться близко друг к другу.

Открытие Хаббла стало первым наблюдательным подтверждением теории Вселенной Жоржа Леметра о Большом взрыве, предложенной в 1927 году.Леметр предположил, что Вселенная расширилась взрывным образом из чрезвычайно плотного и горячего состояния и продолжает расширяться сегодня. Последующие расчеты датировали этот Большой взрыв примерно 13,7 миллиарда лет назад. В 1998 году две группы астрономов, работавших независимо друг от друга в Беркли, штат Калифорния, заметили, что сверхновые — взрывающиеся звезды — удаляются от Земли с ускорением. Это принесло им Нобелевскую премию по физике в 2011 году. Физики предполагали, что материя во Вселенной замедлит скорость своего расширения; гравитация в конечном итоге заставила бы Вселенную вернуться к своему центру. Хотя теория Большого взрыва не может описать, какими были условия в самом начале существования Вселенной, она может помочь физикам описать самые ранние моменты после начала расширения.

Происхождение

В первые мгновения после Большого взрыва Вселенная была чрезвычайно горячей и плотной. Когда Вселенная остыла, условия стали как раз подходящими для образования строительных блоков материи — кварков и электронов, из которых мы все состоим. Несколько миллионных долей секунды спустя кварки объединились, чтобы произвести протоны и нейтроны.В течение нескольких минут эти протоны и нейтроны объединились в ядра. По мере того как Вселенная продолжала расширяться и остывать, все становилось все медленнее. Потребовалось 380 000 лет, чтобы электроны застряли на орбитах вокруг ядер, сформировав первые атомы. В основном это были гелий и водород, которые до сих пор являются самыми распространенными элементами во Вселенной. Нынешние наблюдения показывают, что первые звезды образовались из газовых облаков примерно через 150–200 миллионов лет после Большого взрыва. С тех пор более тяжелые атомы, такие как углерод, кислород и железо, постоянно образуются в недрах звезд и катапультируются по всей Вселенной в виде захватывающих звездных взрывов, называемых сверхновыми.

Но звезды и галактики не рассказывают всей истории. Астрономические и физические расчеты предполагают, что видимая Вселенная представляет собой лишь небольшую часть (4%) того, из чего на самом деле состоит Вселенная. Очень большая часть Вселенной, на самом деле 26%, состоит из неизвестного типа материи, называемой «темной материей». В отличие от звезд и галактик, темная материя не излучает никакого света или электромагнитного излучения, поэтому мы можем обнаружить ее только благодаря ее гравитационным эффектам.

Еще более загадочная форма энергии, называемая «темной энергией», составляет около 70% массы и энергии Вселенной.О ней известно еще меньше, чем о темной материи. Эта идея проистекает из наблюдения, что все галактики, кажется, удаляются друг от друга с ускорением, что подразумевает наличие некой невидимой дополнительной энергии.

Происхождение Вселенной: М-теория

М-теория, ранее известная как Струны

Стандартная модель

В стандартной модели физики элементарных частиц частицы рассматриваются как точки, движущиеся в пространстве и очерчивающие линию, называемую мировой линией.Чтобы принять во внимание различные взаимодействия, наблюдаемые в природе, необходимо предоставить частицам больше степеней свободы, чем только их положение и скорость, такие как масса, электрический заряд, цвет (который является «зарядом», связанным с сильным взаимодействием) или спин. .

Стандартная модель была разработана в рамках так называемой квантовой теории поля (КТП), которая дает нам инструменты для построения теорий, согласующихся как с квантовой механикой, так и со специальной теорией относительности.С помощью этих инструментов были построены теории, которые с большим успехом описывают три из четырех известных взаимодействий в Природе: электромагнетизм, сильное и слабое ядерные взаимодействия. Кроме того, было достигнуто очень успешное объединение между электромагнетизмом и слабым взаимодействием (теория электрослабого взаимодействия), и были выдвинуты многообещающие идеи, чтобы попытаться включить сильное взаимодействие. Но, к сожалению, четвертое взаимодействие, гравитация, прекрасно описанное общей теорией относительности (ОТО) Эйнштейна, кажется, не вписывается в эту схему.Всякий раз, когда кто-то пытается применить правила КТП к ОТО, он получает бессмысленные результаты. Например, сила между двумя гравитонами (частицами, которые опосредуют гравитационные взаимодействия) становится бесконечной, и мы не знаем, как избавиться от этой бесконечности, чтобы получить физически разумные результаты.

Теория струн

В теории струн мириады типов частиц заменены одним фундаментальным строительным блоком — «струной». Эти струны могут быть закрытыми, как петли, или открытыми, как волос.По мере того, как струна движется во времени, она очерчивает трубку или лист, в зависимости от того, закрыта она или открыта. Кроме того, струна может свободно вибрировать, а разные формы колебаний струны представляют разные типы частиц, поскольку разные моды рассматриваются как разные массы или вращения.

Одна мода вибрации, или «нота», делает струну похожей на электрон, другая — на фотон. Существует даже мода, описывающая гравитон, частицу, несущую силу гравитации, что является важной причиной того, что теории струн уделяется так много внимания.Дело в том, что мы можем понять взаимодействие двух гравитонов в теории струн так, как не могли в КТП. Бесконечностей нет! И гравитация — это не то, что мы добавляем вручную. В теории струн должно быть и . Итак, первым великим достижением теории струн стало создание непротиворечивой теории квантовой гравитации, напоминающей ОТО на макроскопических расстояниях. Более того, теория струн также обладает необходимыми степенями свободы для описания других взаимодействий! В этот момент возникла большая надежда на то, что Теория струн сможет объединить все известные силы и частицы вместе в единую «Теорию всего».

От строк к суперструнам

Известные в природе частицы классифицируются по их спину на бозоны (целочисленный спин) или фермионы (нечетный полуцелочисленный спин). К первым относятся силы, например, фотон, несущий электромагнитную силу, глюон, несущий сильное ядерное взаимодействие, и гравитон, несущий гравитационную силу. Последние составляют материю, из которой мы состоим, подобно электрону или кварку.Первоначальная теория струн описывала только частицы, которые были бозонами, и, следовательно, была бозонной теорией струн . Он не описывал фермионов. Так, например, кварки и электроны не были включены в теорию бозонных струн.

Введя Суперсимметрию в теорию бозонных струн, мы можем получить новую теорию, описывающую как силы, так и материю, составляющие Вселенную. Это теория суперструн . Есть три различные теории суперструн, которые имеют смысл, т.е.е. не обнаруживают математических противоречий. В двух из них основным объектом является замкнутая струна, а в третьей открытые струны являются строительными блоками. Кроме того, смешивая лучшие черты бозонной струны и суперструны, мы можем создать две другие непротиворечивые теории струн — теории гетеротических струн.

Однако это изобилие теорий струн было загадкой: Если мы ищем теорию всего, иметь пять из них — это смущение богатства! К счастью, нас спасла М-теория.

Дополнительные размеры…

Одно из самых замечательных предсказаний теории струн состоит в том, что пространство-время имеет десять измерений! На первый взгляд, это можно рассматривать как причину вообще отвергнуть теорию, поскольку очевидно, что у нас есть только три пространственных измерения и одно временное. Однако если мы предположим, что шесть из этих измерений очень плотно свернуты, то мы можем никогда не узнать об их существовании. Кроме того, наличие этих так называемых компактных измерений очень полезно, если Теория струн должна описывать Теорию Всего. Идея состоит в том, что тогда степени свободы, подобные электрическому заряду электрона, возникнут просто как движение в сверхкомпактных направлениях! Принцип, согласно которому компактные размеры могут привести к объединению теорий, не нов, он восходит к 1920-м годам, начиная с теории Калуцы и Клейна. В каком-то смысле теория струн является окончательной теорией Калуцы-Клейна.

Для простоты обычно предполагается, что дополнительные измерения расположены на шести окружностях. Для реалистичных результатов они рассматриваются как обернутые математическими разработками, известными как многообразия Калаби-Яу и орбифолды.

М-теория

Помимо того, что вместо одной существует пять разных, здоровых теорий струн (три суперструны и две гетеротические струны), при изучении этих теорий была еще одна трудность: у нас не было инструментов для исследования теории по всем возможным значениям параметров в теории. Каждая теория была похожа на большую планету, о которой мы знали только маленький остров где-то на планете. Но за последние четыре года были разработаны методы для более тщательного изучения теорий, другими словами, для путешествия по морям на каждой из этих планет и поиска новых островов.И только потом стало понятно, что эти пять теорий струн на самом деле являются островами на одной планете, а не на разных! Таким образом, существует лежащая в основе теория, по которой все теории струн являются лишь различными аспектами. Это называлось М-теория . М может обозначать Мать всех теорий или Тайну, потому что планета, которую мы называем М-теорией, до сих пор в значительной степени не исследована.

Существует еще третья возможность М в М-теории. Один из островов, который был найден на планете М-теории, соответствует теории, живущей не в 10, а в 11 измерениях.Кажется, это говорит нам о том, что М-теорию следует рассматривать как 11-мерную теорию, которая выглядит 10-мерной в некоторых точках своего пространства параметров. Фундаментальным объектом такой теории могла бы быть Мембрана, а не струна. Подобно соломинке для питья, видимой на расстоянии, мембраны будут выглядеть как струны, если мы скрутим 11-е измерение в маленький круг.

Черные дыры в М-теории

Черные дыры изучались в течение многих лет как конфигурации пространства-времени в Общей теории относительности, соответствующие очень сильным гравитационным полям.Но поскольку мы не можем построить непротиворечивую квантовую теорию на основе ОТО, возникло несколько загадок, касающихся микроскопической физики черных дыр. Один из самых интригующих был связан с энтропией черных дыр. В термодинамике энтропия — это величина, которая измеряет количество состояний системы, которые выглядят одинаково. Очень неубранная комната имеет большую энтропию, так как можно передвинуть что-то на полу из одной стороны комнаты в другую и никто не заметит из-за беспорядка – это равнозначные состояния.В очень опрятном помещении если что-то изменить, это будет заметно, так как у всего есть свое место. Итак, мы связываем энтропию с беспорядком. Черные дыры имеют огромный беспорядок. Однако никто не знал, какие состояния связаны с энтропией черной дыры. Последние четыре года принесли большой ажиотаж в этой области. Методы, аналогичные тем, которые использовались для поиска островов М-теории, позволили нам точно объяснить, какие состояния соответствуют беспорядку некоторых черных дыр, и объяснить с помощью фундаментальной теории термодинамические свойства, которые были выведены ранее с использованием менее прямых аргументов.

Многие другие проблемы все еще остаются открытыми, но применение теории струн к изучению черных дыр обещает стать одной из самых интересных тем на ближайшие несколько лет.

Что означала бы эта циклическая модель Вселенной для Большого Взрыва?

Это одна из интерпретаций. Но есть и другие, возникшие из тех же битов информации, которые ученые могут наблюдать и измерять в реальной жизни , то есть в наблюдательной астрономии. Информация из реальной жизни имеет решающее значение, если ученые хотят использовать модели для реальных предсказаний будущего нашего космоса.

«Космология — это своего рода командная работа, вам нужны люди, сосредоточенные на действительно прагматичных и наблюдательных вещах, и вам нужны люди, которые занимаются научной фантастикой», — говорит Леонардо Джани, научный сотрудник Университета Квинсленда в Австралии, чьи исследования сосредоточены на альтернативные модели Вселенной помимо стандартной модели. «Вот как это происходит».

Что мы знаем наверняка

Теоретическая астрофизика основана на обоснованных догадках, которые формируются на основе тех немногих вещей, которые мы делаем знаем наверняка.Нечто, называемое космическим микроволновым фоном (CMB), вносит большой вклад в эту наблюдаемую информацию. Реликтовое излучение состоит из следов радиации, оставшихся от ранней фазы Вселенной. Радиотелескопы могут уловить его, а затем преобразовать волны в своего рода теплокарту.

Это изображение фактически показывает нам, как содержимое Вселенной было распределено примерно через 400 000 лет после Большого Взрыва — это самый ранний наблюдаемый снимок Вселенной, лишенной звезд, солнечных систем и галактик.Все было ближе друг к другу и почти однородно, за исключением крошечных флуктуаций, которые стали материей, формирующей звезды и галактики. Это изображение служит доказательством того, что Вселенная изначально собиралась вместе и расширилась до того места, где она находится сегодня.

Мы также знаем, что Вселенная продолжает расширяться, и даже можем в какой-то степени измерить, насколько быстро она это делает. Реликтовое излучение также служит подтверждением того, что более ранняя версия Вселенной была очень горячей, а наша эра намного холоднее.

Проблемы с нашей текущей моделью

Стейнхардт говорит, что с инфляционной моделью возникает ряд проблем, которая сама расширила и скорректировала предыдущие модели, возникшие из теории Большого взрыва. Инфляционная модель должна была объяснить, почему, например, Вселенная кажется такой однородной в огромном масштабе без одних и тех же начальных условий. Но, говорит Стейнхардт, инфляционная модель дает так много возможностей, что сама модель становится менее полезной.

Предыдущие модели, говорит Стейнхардт, не исключают неверных предсказаний о космосе. «Как будто я пришел объяснить вам, почему небо голубое, но потом, когда вы внимательно посмотрите на мою теорию, «О! Моя теория могла бы также предсказать красный, зеленый, горошек, полосатый, случайный [цвет]», — говорит Стейнхардт.«А потом вы говорите: «Хорошо, что хорошего в этой теории?»

Тогда есть проблема сингулярности. Теория инфляции, утверждает Стейнхардт, также застревает в точке «до» Большого взрыва, потому что, согласно ей, — это ничто до него. «Фундаментальная философская проблема Большого взрыва заключается в том, что есть после, но нет до», — говорит Стейнхардт. «Точно так же мы не знаем «единственных раз» вещей, которые произошли в истории».

Математически Большой взрыв выглядит так, как будто он произошел из неопределенного состояния — чего-то, что не объясняется законами физики общей теории относительности Эйнштейна.Это также называется «сингулярностью». Для Стейнхардта — но не для всех — это математический эквивалент красного флага. «Мы все учились в школе, что когда вы получаете один больше нуля за ответ, у вас проблемы, потому что это бессмысленный ответ. Вы сделали ошибку.”

В родственной проблеме также есть некоторые трудности в согласовании теории инфляции с теорией струн и квантовой механикой, говорит Стейнхардт. Если бы модель правильно описывала Вселенную, другие общепризнанные физические концепции согласовывались бы с ней.Вместо этого Стейнхардт говорит, что они не в ладах. «Когда кто-то думает о космологии, вы часто затрагиваете области мышления, которые довольно далеки, либо с точки зрения астрономии, либо с точки зрения фундаментальной физики, и видите, подходят ли они друг другу?» Циклическая модель, по его словам, помогает в этом.

Циклическая модель и ее побочные эффекты

Циклическая модель Вселенной предназначена для решения некоторых, казалось бы, неразрешимых проблем моделей Большого взрыва и инфляции. «Это позволяет нам выйти за пределы Большого взрыва, но без каких-либо магических философских вопросов», — говорит Стефон Александер, профессор физики в Университете Брауна и соавтор инфляционной модели Вселенной, основанной на теории струн.«Потому что время всегда существовало в прошлом».

Ученые предложили циклическую модель, которая может работать математически несколькими способами. Модель циклической Вселенной Стейнхардта и Турока — одна из них. Его основные принципы таковы: Большой взрыв не был началом времени; ей предшествовала предыдущая фаза с многочисленными циклами сжатия и расширения, которые повторяются бесконечно; и ключевой период, определяющий форму нашей Вселенной, был прямо перед так называемым взрывом. Там вы найдете период медленного сокращения, называемый Большим сжатием.

Итак, вместо начала времени, возникающего из ничего, циклическая модель допускает длительный период времени в преддверии. Она претендует на решение тех же проблем, что и инфляционная теория, но идет еще дальше. Во-первых, существование времени до Большого сжатия устраняет проблему сингулярности — это неопределенное число. Он также использует теорию струн и квантовые флуктуации.

Как и LCDM, циклическая модель также будет учитывать темную энергию, ненаблюдаемую силу, которая, по мнению ученых, стоит за ускоряющимся расширением Вселенной.Но в модели Стенхардта и Турока все становится немного больше похоже на научную фантастику: две идентичные плоскости, или «браны» (в теории струн это объект, который может иметь любое количество измерений) сходятся вместе и расширяются друг от друга. Мы можем наблюдать три измерения нашего плана, но не дополнительные измерения другого. Темная энергия — это одновременно сила, ведущая браны к столкновению, с разделением между ними. Затем следует расширение самих бран, и темная энергия снова сближает их, когда они становятся настолько плоскими и гладкими, насколько это возможно.

Джани, исследователь, не так уверен из-за некоторых допущений, которые эта модель привносит из теории струн. Ему нравится еще одна циклическая модель Роджера Пенроуза, физика-теоретика из Оксфорда, который предложил то, что сам Пенроуз назвал «возмутительно новым взглядом» на вселенную. «Я был совершенно поражен этим», — сказал Джани.

Трудно уложить в голове: В далеком-далеком будущем нашу солнечную систему и галактику поглотят черные дыры, которые съедят всю остальную массу во вселенной, а потом через невообразимое количество времени останутся только черные дырки будут.В конце концов, существуют только фотоны, которые не имеют массы и, следовательно, энергии или частоты, согласно принятым нами законам физики.

Измерения масштаба, объясняет Пенроуз, больше не применимы на данном этапе, но форма Вселенной остается. Он утверждает, что в момент Большого взрыва, когда частицы настолько горячие и расположены близко друг к другу, что также движутся почти со скоростью света, они также теряют свою массу. Это создает те же условия при Большом Взрыве, что и холодная, далекая Вселенная будущего.Их масштаб уже не актуален, и одно может порождать другое. Далекое будущее и Большой Взрыв становятся одним и тем же.

Опровержение моделей

В конечном счете, то, что люди могут наблюдать за нашей вселенной, ограничено. Вот почему теории Вселенной никогда не бывают полными. Они уравновешивают маленький кусочек Вселенной, который мы можем наблюдать, математическими моделями и теориями, чтобы заполнить остальное. Итак, в космологии ученые ищут наблюдаемые явления, которые опровергают их модели, и снова переделывают свои теории, чтобы они соответствовали проблеме.

Но по мере того, как наша технология быстро развивается, наблюдения, подтверждающие или опровергающие ту или иную модель, поступают все чаще. «В этой работе стоит сделать все эти предположения, потому что мы подходим к моменту, когда эти данные поступят», — говорит Джани. Одно такое наблюдение могло бы дать убедительную поддержку либо циклической модели, либо подтвердить более общепринятую инфляционную теорию.

Оставить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.