Космология сегодня, или Шекспир был не прав!

[gimmley]

Космология сегодня, или Шекспир был не прав!

Из ничего не выйдет ничего.

Вильям Шекспир, "Король Лир"

"В начале было Слово, и Слово было у Бога, и Слово было Бог." Кому неизвестна эта космологическая гипотеза! Однако, современная космология - наука о Вселенной - иначе описывает физические процессы в ранней Вселенной. В начале - около 14 миллиардов лет назад1 - не было ничего, что, впрочем, никак не помешало этому "ничего" породить Вселенную. С точки зрения здравого смысла сделанное утверждение кажется абсурдным, с философской - замечательной основой для рассуждений о связи понятий "Ничто" и "Нечто", а с физической не содержит ничего парадоксального, поскольку квантовые процессы изучаются физикой без малого сто лет.

Итак, Вселенная появилась "из ничего" (в этом смысле и справедливо утверждение, вынесенное в заглавие статьи) как результат квантового процесса, внятное описание которого в значительной мере затруднено тем, что для этого необходима еще весьма далекая от завершения квантовая теория гравитации. Поскольку на этом этапе эволюции время является квантовым (если в такой ситуации вообще уместно говорить о времени), Вселенной можно условно приписать возраст равный планковскому 2 - 10-43 секунды!

Не только возраст, но и все прочие характерные параметры новорожденной Вселенной характеризуются планковскими величинами. Так, размер Вселенной составляет менее чем микроскопическое значение ~10-33 см, а характерная энергия колоссальна - около 1019 ГэВ, что на 17 порядков выше, чем достижимо на самых мощных современных ускорителях. Физическим носителем этой энергии могло бы быть фундаментальное скалярное поле в некотором (хаотическом) квантовом состоянии. Количественное описание процессов, протекающих в ранней Вселенной, становится возможным позднее, когда вследствие расширения Вселенной плотность энергии понижается на несколько порядков, гравитация становится классической, и квантовые флуктуации космологического скалярного поля перестают препятствовать его классической эволюции.

На следующем этапе квантовую картину мира сменяет инфляционная. В ходе космологической инфляции происходит быстрое увеличение объема Вселенной, что, в отличие от увеличения денежной массы при инфляции в экономике, является крайне полезным и помогает разрешить многие важнейшие космологические проблемы.

Почему Вселенная так велика? Темп ее роста определяется эволюцией безразмерного масштабного фактора a, который во Вселенной без инфляции увеличивается за время ее жизни в ~1030 раз 3. Умножая планковскую длину на эту величину, получаем ожидаемый размер Вселенной ~10-3 см (более аккуратные вычисления дают 10-2 см), что немного даже по человеческим масштабам, а при сравнении с космологическими объектами (характерный размер галактики ~1 Мпк, размер скопления галактик ~10 Мпк, размер сверхскоплений примерно равен расстоянию между ними ~100 Мпк 4), является ничтожной величиной.

Почему полная плотность Вселенной близка к критическому значению кр=3Н02/(8G) (где Н0 - постоянная Хаббла, G - гравитационная постоянная)? Парадоксально, но этот вопрос волновал ученых задолго до того, как развитие технологии сделало его по-настоящему острым. Поэтому, когда в результате анализа данных по анизотропии реликтового излучения на угловом масштабе ~1о выяснилось, что с точностью 10% плотность материи во Вселенной равняется критической, это не стало сенсацией.

И, наконец, почему Вселенная однородна (на больших масштабах) и изотропна? В самом деле, предполагаемый размер причинно-связной области во Вселенной без инфляционной стадии равнялся бы 10-2 см, что слишком мало для объяснения реально наблюдаемой высокой степени однородности и изотропии Вселенной на больших (>100 Мпк) масштабах.

Почему так велики наблюдаемые возмущения плотности? Если их источником являются квантовые процессы, то в рамках космологической модели без инфляции характерный размер возмущений плотности был бы мал (не более все той же величины 10-2 см), а возмущения плотности на больших масштабах не могли бы вырасти до наблюдаемых величин за все время существования Вселенной. 5

Не вдаваясь в детали, суть космологической инфляции можно сформулировать следующим образом: на раннем этапе эволюции Вселенной существовала стадия ускоренного расширения (вторая производная масштабного фактора по времени положительна ). Физической причиной существования такой стадии является все то же скалярное поле (инфлатон), чье уравнение состояния имеет вид +p~0, где - его плотность энергии, а р - давление. Хотя по человеческим меркам инфляционная стадия Вселенной была очень короткой, динамика роста масштабного фактора, обусловленная эволюцией скалярного поля, обеспечила растяжение всех масштабов в ~1010000 раз! Таким образом, наблюдаемая Вселенная (размером ~5000 Мпк) оказывается лишь малой частью огромного мира, и проблема размера Вселенной оказывается решенной. Поскольку размер Вселенной так велик, наблюдатель не может различить космологические модели с различной кривизной - подобно тому, как не замечают шарообразности Земли ползающие вокруг родного муравейника муравьи (или бегающие по квартире тараканы). Крупномасштабная однородность и изотропия Вселенной также получают естественное объяснение: расширяющаяся Вселенная разносит пики возмущений плотности, эффективно сглаживая неоднородности для наблюдателя с ограниченным полем зрения.

Легко решается и четвертая из упомянутых космологических проблем - ускоряющаяся Вселенная не только весьма эффективно стимулирует рост возмущений плотности 6, но и переносит их в большие (галактические) масштабы. И не только возмущения плотности! В сходных процессах участвуют и гравитационные волны, являющиеся одним из важных предсказаний Общей Теории Относительности. Основное отличие космологических гравитационных волн от волн астрофизической природы состоит в разной характерной длине волны. Для космологических гравитационных волн она равна размеру Вселенной, а для астрофизических - размеру излучающего их космического объекта или системы объектов, то есть во много раз меньше. Различие в длине волны приводит к различным методикам наблюдения гравитационных волн. О свойствах первичных гравитационных волн можно судить по анизотропии и поляризации реликтового излучения (мы будем подробнее обсуждать эту тему в части, посвященной наблюдательным данным), для исследования астрофизических гравитационных волн в настоящее время строятся специальные детекторы.

Единственным "тонким" местом изложенной теории является само предположение о существовании скалярного поля. Хотя с теоретической точки зрения оно является более простым, чем векторное или спинорное, тем не менее, современной физике неизвестно ни одного примера такого поля (в отличие от большого числа различных векторных и спинорных полей). Впрочем, и эта трудность может быть разрешена в рамках неэнштейновских теорий гравитации (например, теории гравитации в мире с числом измерений больше 4).

Важно заметить, что хотя физические процессы в ранней Вселенной протекают при очень высоких плотностях энергии (характерное значение зависит от конкретной модели инфляции, но не превышает ~1014 ГэВ), температура среды остается равной нулю (поле есть, а частиц нет!). Традиционная плазма возникает позднее, в конце следующего этапа - когда скалярное поле распадается на частицы, и происходит рождение вещества.

Эволюционируя, скалярное поле постепенно уменьшается и в некоторый момент времени начинает осциллировать вблизи нуля, порождая другие (безмассовые) скалярные поля. Малоизученные и потому особенно трудные для популяризации процессы термализации приводят к тому, что когерентность возмущений безмассового поля нарушается, и происходит рождение частиц, продуктом распада которых, в свою очередь, и является традиционная плазма - "море" фотонов и постоянно рождающихся и аннигилирующих пар "частица-античастица". При этом значительная часть энергии инфлатона переходит тепловую энергию горячей плазмы.

На радиационно-доминированной стадии расширения Вселенной температура плазмы падает, и происходит целый ряд интереснейших физических процессов, из которых мы упомянем здесь только те, что важны для космологии.

На радиационно-доминированной стадии возникает барионная асимметрия Вселенной. Существование симметрии в свойствах частиц и античастиц долгое время служило аргументом того, что во Вселенной присутствует равное количество вещества и антивещества. Соприкасаясь, вещество и антивещество аннигилируют - превращаются в поток фотонов с некоторой характерной частотой (зависящей от массы аннигилирующих частиц), который при достаточно высокой интенсивности может быть детектирован земными приборами. Вскоре после начала исследований было выявлено, что по крайней мере в ближайшей окрестности нашей галактики антиматерии нет, и, следовательно, антивещество распределено неоднородно. Этот результат породил гипотезу о "барионных островах" в море из антиматерии, однако, дальнейшие исследования не выявили признаков антивещества во всей наблюдаемой Вселенной.

Наблюдаемое отсутствие антивещества привело, в свою очередь, к появлению гипотезы о барионной асимметрии Вселенной. Впервые это идея была высказана известным советским ученым А.Д.Сахаровым, который предположил, что причиной такой асимметрии является разная скорость распада некоторых тяжелых частиц, участвующих в реакциях, приводящих к рождению барионов и антибарионов. Современной альтернативой этому механизму является образование барионной асимметрии в ходе фазового перехода.

Другой процесс, протекающий на радиационно-доминированной стадии состоит в выделении из космологической плазмы стабильных частиц. Пока температура плазмы высока, процессы рождения и уничтожения компенсируют друг друга, и плотность числа частиц остается равновесной. Когда же энергия фотонов в плазме становится меньше энергии покоя некоторого сорта частиц, рождение последних прекращается. (Этот процесс протекает сначала для более, а потом для менее массивных частиц.) Кроме того, процессы взаимодействия замедляются и из-за уменьшения концентрации частиц вследствие общего расширения Вселенной. Последней частицей, выделяющейся из плазмы, является самая легкая из известных сегодня частиц - нейтрино.

Еще одним важным физическим процессом, протекающим на радиационно- доминированной стадии, является первичный нуклеосинтез. Многочисленные исследования показали, что в результате первичных ядерных реакций барионное вещество во Вселенной примерно на 75% состоит из водорода, около 24% сосредоточено в гелии, и менее 1% приходится на первичный литий. Количественное соотношение различных изотопов этих самых легких химических элементов зависит от полной плотности барионов во Вселенной - b 7. Наиболее чувствителен к b легкий изотоп водорода - дейтерий (D~10-5), что позволяет использовать его для определения космологической плотности барионов: bh2~0.02, где h - постоянная Хаббла, выраженная в единицах 100 км сек-1 Мпк-1.

Важным свойством радиационно-доминированной стадии является гравитационная стабильность Вселенной относительно роста флуктуаций, что приводит к тому, что рожденные в ходе инфляции возмущения плотности на радиационно-доминированной стадии не растут и присутствуют в мире как "гравитирующие звуковые волны", распространяющиеся в релятивистской плазме с постоянной амплитудой.

По мере расширения Вселенной плотность энергии вещества убывает как куб масштабного фактора, но плотность энергии излучения убывает еще быстрее - как четвертая степень. Поэтому, с некоторого момента времени (примерно через 300 тысяч лет после рождения Вселенной), во Вселенной начинает доминировать вещество. При этом давление в плазме падает и перестает препятствовать росту возмущений плотности, приводящему к образованию галактик. Вскоре после момента равенства энергии излучения и вещества температура плазмы уменьшается настолько, что уже не может препятствовать объединению протонов и электронов в атомы водорода - происходит рекомбинация. В дальнейшем излучение и вещество эволюционируют независимо друг от друга, а оставшиеся после рекомбинации фотоны наблюдаются как реликтовое излучение, чей спектр полностью согласуется с описанным нами сценарием.

На этом мы завершим краткое описание процессов, протекающих от рождения Вселенной до нашего времени

п.с. так любопытно, а что за пределами вселенной если они есть??? А ведь должно!!! И не суждено нам узнать!! :plach: :plach: :plach:

[Sadix]

п.с. так любопытно, а что за пределами вселенной если они есть??? А ведь должно!!! И не суждено нам узнать!!

Судя по всему вы читали Ландафшица, особливо т.2. Там на этот счет высказанна хорошая гипотеза

Откуда вы взяли эту статью, gimmley?

Изменено 19 апреля, 2004 пользователем Sadix

[gimmley]

сорри я не разместил линк. Статья дана не полностью, дальше идут специфические вычисления понятные не каждому

вот линк

http://www.scientific.ru/

а эта гипотеза есть в электронном виде. Я до сих пор сужу по статьям в Вокруг Света... )