<< Kakovo budushee nashei Vselennoi? | Oglavlenie | Pri chem zhe tut strunnaya teoriya? >>
Chto bylo do Bol'shogo Vzryva?
Vse fakty govoryat o tom, chto Bol'shoi Vzryv byl-taki. Edinstvennoe, chto mozhno sprosit' dlya utochneniya ili dlya opredeleniya bolee chetkih granic mezhdu fizikoi i metafizikoi, tak eto chto zhe bylo do Bol'shogo Vzryva?
Fiziki opredelyayut granicy fiziki opisyvaya ih teoreticheski i potom sravnivaya rezul'taty svoih predpolozhenii s nablyudatel'nymi dannymi. Nasha Vselennaya, kotoruyu my nablyudaem, ochen' horosho opisyvaetsya kak ploskoe prostranstvo s plotnost'yu, ravnoi kriticheskoi, temnoi materiei i kosmologicheskoi postoyannoi, dobavlennym k nablyudaemomu veshestvu, kotoraya budet rasshiryat'sya vechno.
Esli my prodolzhim etu model' nazad v proshloe, kogda kogda Vselennaya byla ochen' goryachei i ochen' plotnoi, dominirovalo v nei izluchenie, to neobhodimo ponyat' fiziku elementarnyh chastic, kotoraya rabotala togda, pri teh plotnostyah energii. Ponimanie fiziki elementarnyh chastic s tochki zreniya eksperimentov ochen' ploho pomogayut uzhe pri energiyah poryadka masshtaba elektroslabogo ob'edineniya, i fiziki-teoretiki razrabatyvayut modeli, vyhodyashie za ramki Standartnoi Modeli fiziki elementarnyh chastic, takie, kak Teorii Bol'shogo Ob'edineniya, supersimmetrichnye, strunnye modeli, kvantovaya kosmologiya.
Takie rasshireniya Standartnoi modeli neobhodimy iz-za treh ser'eznyh problem Bol'shogo Vzryva:
1. problema ploskostnosti
2. problema gorizonta
3. problema kosmologicheskih magnitnyh monopolei
Problema ploskostnosti
Sudya po rezul'tatam nablyudenii, v nashei Vselennoi plotnost' energii vsego veshestva, vklyuchaya temnuyu materiyu i kosmologicheskuyu postoyannuyu, s horoshei tochnost'yu ravna kriticheskoi, iz chego sleduet, chto prostranstvennaya krivizna dolzhna byt' ravna nulyu. Iz uravnenii Einshteina sleduet, chto lyuboe otklonenie ot ploskostnosti v rasshiryayusheisya Vselennoi, zapolnennoi tol'ko obychnym veshestvom i izlucheniem, tol'ko uvelichivaetsya s rasshireniem Vselennoi. Takim obrazom, dazhe ochen' nebol'shoe otklonenie ot ploskostnosti v proshlom dolzhno byt' ochen' bol'shim seichas. Po rezul'tatam nablyudenii seichas otklonenie ot ploskostnosti (esli ono est') ochen' malo, to znachit v proshlom, na pervyh stadiyah Bol'shogo Vzryva ono bylo eshe na mnogo poryadkov men'she.
Pochemu Bol'shoi Vzryv nachalsya s takim mikroskopicheskim otkloneniem ot ploskoi geometrii prostranstva ? Eta problema nazyvaetsya problemoi ploskostnosti kosmologii Bol'shogo Vzryva.
Nezavisimo ot fiziki, kotoraya predshestvovala Bol'shomu Vzryvu, ona perevela Vselennuyu v sostoyanie s nulevoi prostranstvennoi kriviznoi. Takim obrazom, fizicheskoe opisanie togo, chto predshestvovalo Bol'shomu Vzryvu, dolzhno reshit' problemu ploskostnosti.
Problema gorizonta
Kosmicheskoe mikrovolnovoe izluchenie predstavlyaet soboi ohlazhdennye ostatki izlucheniya, kotoroe "glavenstvovalo" vo Vselennoi vo vremya radiacionno-dominirovannoi stadii Bol'shogo Vzryva. Nablyudeniya kosmicheskogo mikrovolnovogo fonovogo izlucheniya pokazyvayut, chto ono udivitel'no odinakovo vo vseh napravleniyah, ili, kak govoryat, eto ochen' horosho izotropnoe teplovoe izluchenie. Temperatura etogo izlucheniya sostavlyaet 2.73 gradusa Kel'vina. Anizotropiya etogo izlucheniya ochen' mala.
Izluchenie mozhet byt' takim odnorodnym tol'ko v odnom sluchae - esli fotony ochen' horosho "peremeshany", ili nahodyatsya v teplovom ravnovesii, posredstvom stolknovenii. I eto vse predstavlyaet soboi problemu dlya modeli Bol'shogo Vzryva. Chasticy, kotorye stalkivayutsya, ne mogut peredavat' informaciyu so skorost'yu bol'she, chem skorost' sveta. No v rasshiryayusheisya Vselennoi, v kotoroi my zhivem, fotony, dvizhushiesya so skorost'yu sveta, ne uspevayut doletet' ot odnogo "kraya" Vselennoi do drugogo za vremya, neobhodimoe dlya formirovaniya nablyudaemoi izotropii teplovogo izlucheniya. Razmer gorizonta predstavlyaet soboi rasstoyanie, kotoroe mozhet proiti foton; Vselennaya zhe pri etom rasshiryaetsya.
Segodnyashnii razmer gorizonta vo Vselennoi slishkom mal dlya ob'yasneniya izotropii reliktovogo izlucheniya, dlya togo, chtoby ona formirovalas' estestvennym obrazom putem perehoda v teplovoe ravnovesie. Eto i est' problema gorizonta.
Problema reliktovyh magnitnyh monopolei
Kogda my na Zemle eksperimentiruem s magnitami, u nih vsegda est' dva polyusa, Severnyi i Yuzhnyi. I esli razrezat' magnit popolam, to v rezul'tate ne budet u nas magnit s tol'ko Severnym i magnit s tol'ko Yuzhnym polyusami. A budut u nas dva magnita u kazhdogo iz kotoryh budet po dva polyusa - Severnomu i Yuzhnomu.
Magnitnym monopolem byl by takoi magnit, u kotorogo byl by tol'ko odin polyus. No magnitnyh monopolei nikto nikogda ne videl. Pochemu zhe?
Etot sluchai dovol'no sil'no otlichaetsya ot sluchaya elektricheskogo zaryada, gde mozhno legko razdelit' zaryady na polozhitel'nyi i otricatel'nyi tak, chto na odnom krayu budut tol'ko polozhitel'nye, a na drugom tol'ko otricatel'nye.
Sovremennye teorii tipa teorii Bol'shogo Ob'edineniya, superstrunnyh teorii predskazyvayut sushestvovanie magnitnyh monopolei, a v sovokupnosti s teoriei otnositel'nosti poluchaetsya, chto v processe Bol'shogo Vzryva ih dolzhno proizvodit'sya ochen' mnogo, nastol'ko, chto ih plotnost' mozhet prevysit' nablyudaemuyu plotnost' v tysyachu milliardov raz.
Odnako poka eksperimentatory ne nashli ni odnogo.
Eto tretii motiv iskat' vyhod za predelami Bol'shogo Vzryva - nam neobhodimo ob'yasnit', chto zhe proishodilo vo Vselennoi kogda ta byla ochen' malen'koi i ochen' goryachei.
Inflyacionnaya Vselennaya?
Veshestvo i izluchenie gravitacionno prityagivayutsya, tak chto v maksimal'no simmetrichnom prostranstve, zapolnennom materiei, gravitaciya neizbezhno zastavit rasti i uplotnyat'sya lyubye neodnorodnosti materii. Imenno etim putem vodorod iz formy gaza pereshel v formu zvezd i galaktik. No energiya vakuuma obladaet ochen' sil'nym vakuumnym davleniem, i eto davlenie vakuuma soprotivlyaetsya gravitacionnomu kollapsu, effektivno deistvuya kak ottalkivayushaya gravitacionnaya sila, antigravitaciya. Davlenie vakuuma razglazhivaet neodnorodnosti, i delaet prostranstvo bolee ploskim i odnorodnym v processe rasshireniya.
Takim obrazom, odnim iz vozmozhnyh reshenii problemy ploskostnosti bylo by takoe, pri kotorom nasha Vselennaya prohodila by cherez stadiyu, na kotoroi dominirovala by plotnost' energii vakuuma (i, takim obrazom, ego davlenie). Esli eta stadiya imela mesto byt' do radiacionno-dominirovannoi stadii, to k nachalu evolyucii na radiacionno-dominirovannoi stadii Vselennaya uzhe dolzhna byla byt' ploskoi s ochen' vysokoi stepen'yu, nastol'ko ploskoi, chtoby posle rosta vozmushenii na radiacionno-dominirovannoi stadii i stadii dominirovaniya veshestva nyneshnyaya ploskostnost' Vselennoi udovletvoryala nablyudatel'nym dannym.
Reshenie problemy ploskostnosti takogo tipa bylo predlozheno v 1980g. kosmologom Alanom Gusom (Alan Guth). Model' zhe nazyvaetsya Inflyacionnoi Vselennoi. V ramkah inflyacionnoi modeli nasha Vselennaya v samom nachale svoei evolyucii predstavlyaet soboi rasshiryayushiisya puzyr' chistoi energii vakuuma, bezo vsyakogo inogo veshestva ili izlucheniya. Posle bystrogo perioda rasshireniya, ili inflyacii, i bystrogo ohlazhdeniya, potencial'naya energiya vakuuma perehodit v kineticheskuyu energiyu rozhdayushihsya chastic i izluchenie. Vselennaya opyat' nagrevaetsya i my poluchaem nachalo standartnogo Bol'shogo Vzryva.
Takim obrazom, inflyacionnaya stadiya, predshestvovavshaya Bol'shomu Vzryvu, mozhet ob'yasnit', kak Bol'shoi Vzryv mozhet nachat'sya s takoi ravnoi nulyu s takoi vysokoi tochnost'yu prostranstvennoi kriviznoi, takoi, chto Vselennaya vse eshe ostaetsya ploskoi.
Inflyacionnye modeli takzhe reshayut i problemu gorizonta. Davlenie vakuuma uskoryaet rasshirenie prostranstva vo vremeni, takim obrazom, foton mozhet proiti znachitel'no bol'shee rasstoyanie, nezheli vo Vselennoi, zapolnennoi veshestvom. Inymi slovami, sila prityazheniya, deistvuyushaya so storony veshestva na svet, v nekotorom smysle zamedlyaet ego, tak zhe, kak ono zamedlyaet i rasshirenie prostranstva. Na inflyacionnoi stadii, rasshirenie prostranstva uskoryaetsya vakuumnym davleniem kosmologicheskoi postoyannoi, chto privodit k tomu, chto svet dvizhetsya bystree, poskol'ku i samo prostranstvo rasshiryaetsya bystree.
Esli v istorii nashei Vselennoi deistvitel'no byla inflyacionnaya stadiya, predshestvovavshaya radiacionno-dominirovannoi stadii, to k koncu inflyacii svet mog oboiti vsyu Vselennuyu. Takim obrazom, izotropiya reliktovogo izlucheniya bol'she ne yavlyaetsya problemoi Bol'shogo Vzryva.
Inflyacionnaya model' reshaet takzhe i problemu magnitnyh monopolei, poskol'ku v teoriyah, v kotoryh oni voznikayut, dolzhen byt' odin monopol' na puzyr' vakuumnoi energii. A eto oznachaet, chto odin monopol' na vsyu Vselennuyu.
Vot pochemu teoriya inflyacionnoi Vselennoi naibolee populyarna sredi kosmologov kak teoriya togo, chto predshestvovalo Bol'shomu Vzryvu.
Kak rabotaet inflyaciya?
Energiya vakuuma, kotoraya dvizhet bystroe rasshirenie Vselennoi vo vremya inflyacionnoi stadii, beretsya iz skalyarnogo polya, kotoroe poyavlyaetsya v rezul'tate spontannogo narusheniya simmetrii v ramkah nekotoryh obobshennyh teorii elementarnyh chastic, takih, kak Teoriya Velikogo Ob'edineniya ili strunnaya teoriya.
Eto pole inogda nazyvayut inflatonom. Srednee znachenie inflatona pri temperature T eto velichina v minimume ego potenciala pri temperature T. Polozhenie etogo minimuma menyaetsya s izmeneniem temperatury, kak pokazano na animacii vyshe.
Dlya temperatury T vyshe nekotoroi kriticheskoi temperatury Tcrit, minimumom potenciala budet ego nol'. No pri umen'shenii temperatury potencial nachinaet izmenyat'sya i poyavlyaetsya vtoroi minimum s nenulevoi temperaturoi. Takoe povedenie nazyvayut fazovym perehodom, takzhe, kak par ohlazhdaetsya i kondensiruetsya v vodu. Dlya vody kriticheskaya temperatura Tcrit dlya etogo fazovogo perehoda ravna 100 gradusov Cel'siya chto ekvivalentno 373 gradusam Kel'vina.
Dva minimuma v potenciale otrazhayut dve vozmozhnye fazy sostoyaniya polya inflatona vo Vselennoi pri temperature, ravnoi kriticheskoi. Odnoi faze otvechaet minimum polya f=0, a drugaya faza predstavlena vakuumnoi energiei esli v osnovnom sostoyanii f=f0.
V sootvetstvii s inflyacionnoi model'yu, pri kriticheskoi temperature v prostranstvo-vremya nachinaet perehodit' iz odnogo minimuma v drugoi pod deistviem etogo fazovogo perehoda. No etot process neravnomeren, i vsegda ostayutsya regiony, v kotoryh staryi "lozhnyi" vakuum ostaetsya eshe dolgoe vremya. Eto nazyvaetsya superohlazhdeniem, iz analogii s termodinamikoi. Eti regiony s lozhnym vakuumom rasshiryayutsya eksponencial'no bystro i vakuumnaya energiya etogo lozhnogo vakuuma yavlyaetsya s horoshei tochnost'yu postoyannoi (kosmologicheskoi postoyannoi) vo vremya etogo rasshireniya. Etot process i nazyvaetsya inflyaciei i imenno on i reshaet problemy ploskostnosti, gorizonta i monopolei.
Etot region s lozhnym vakuumom rasshiryaetsya do teh por, poka rozhdayushiesya i slivayushiesya puzyri novoi fazy s f=f0 zapolnyat vsyu Vselennuyu i takim obrazom ne zavershat inflyaciyu estestvennym obrazom. Potencial'naya energiya vakuuma perehodit v kineticheskuyu energiyu rozhdayushihsya chastic i izluchenie, i Vselennaya prodolzhaet evolyucionirovat' soglasno modeli Bol'shogo Vzryva, opisannoi vyshe.
Testiruemye predskazaniya?
Vsegda priyatno, kogda est' predskazaniya teorii, kotorye mozhno neposredstvenno proverit', i u inflyacionnoi teorii est' predskazaniya po povodu vozmushenii plotnosti, kotorye nashli otrazheniya v kosmicheskom mikrovolnovom izluchenii. Inflyacionnyi puzyr' sostoit iz rasshiryayushegosya s uskoreniem vakuuma. V etom uskoryayushemsya vakuume temperaturnye vozmusheniya skalyarnogo polya ochen' maly i primerno odinakovy na vseh masshtabah, poetomu mozhno skazat', chto vozmusheniya imeyut Gaussovo raspredelenie. Eto predskazanie udovletvoryaet nyneshnim nablyudatel'nym dannym i budet eshe bolee nadezhno provereno v budushih eksperimentah, svyazannyh s reliktovym izlucheniem.
Takim obrazom, resheny vse problemy?
No nesmotrya na predskazaniya, o kotoryh shla rech' vyshe i ih podtverzhdeniya, inflyaciya, opisannaya vyshe vse eshe daleka ot ideal'noi teorii. Inflyacionnuyu stadiyu ne tak prosto ostanovit', a problema monopolei podnimaetsya v fizike ne tol'ko v svyazi s inflyaciei. Mnogie predpolozheniya, ispol'zuemye v teorii, takie, kak vysokaya nachal'naya temperatura pervichnoi fazy ili edinost' inflyacionnogo puzyrya vyzyvayut mnogo voprosov i nedoumenii, tak chto naravne s inflyaciei razrabatyvayutsya i al'ternativnye teorii.
Nyneshnie inflyacionnye modeli uzhe daleko ushli ot iznachal'nyh predpolozhenii ob odnoi inflyacii, kotoraya dala zhizn' odnoi Vselennoi. V nyneshnih inflyacionnyh modelyah ot "osnovnoi" Vselennoi mogut "otpochkovyvat'sya" novye Vselennye i uzhe v nih budet proishodit' inflyaciya. Takoi process nazyvayut vechnoi inflyaciei.
No pri chem zdes' strunnaya teoriya, sprosite vy? Ob etom v sleduyushei chasti.
<< Kakovo budushee nashei Vselennoi? | Oglavlenie | Pri chem zhe tut strunnaya teoriya? >>
|
Publikacii s klyuchevymi slovami:
Kosmologiya - superstruny - teoriya strun
Publikacii so slovami: Kosmologiya - superstruny - teoriya strun | |
Sm. takzhe:
Vse publikacii na tu zhe temu >> | |
Mneniya chitatelei [35]
Astrometriya
-
Astronomicheskie instrumenty
-
Astronomicheskoe obrazovanie
-
Astrofizika
-
Istoriya astronomii
-
Kosmonavtika, issledovanie kosmosa
-
Lyubitel'skaya astronomiya
-
Planety i Solnechnaya sistema
-
Solnce