29.6: Інфляційний Всесвіт

Last updated
Save as PDF

Page ID: 78578

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Цілі навчання

До кінця цього розділу ви зможете:

Опишіть дві важливі властивості Всесвіту, які проста модель Великого вибуху не може пояснити
Поясніть, чому ці дві характеристики Всесвіту можуть бути враховані, якщо настав період стрімкої експансії (інфляції) Всесвіту відразу після Великого вибуху
Назвіть чотири сили, які контролюють всі фізичні процеси у Всесвіті.

Гаряча модель Великого вибуху, яку ми описували, надзвичайно успішна. Вона припадає на розширення Всесвіту, пояснює спостереження КМБ, і правильно пророкує достаток світлових елементів. Як з'ясовується, дана модель також передбачає, що в природі повинно бути рівно три типи нейтрино, і це пророкування було підтверджено експериментами з високоенергетичними прискорювачами. Однак ми поки не можемо розслабитися. Ця стандартна модель Всесвіту не пояснює всіх спостережень, які ми зробили щодо Всесвіту в цілому.

Проблеми зі стандартною моделлю великого вибуху

Існує ряд характеристик Всесвіту, які можна пояснити лише шляхом подальшого розгляду того, що могло статися до викиду CMB. Одна з проблем стандартної моделі Великого вибуху полягає в тому, що вона не пояснює, чому щільність Всесвіту дорівнює критичній щільності. Зрештою, щільність маси могла бути настільки низькою, а вплив темної енергії настільки високим, що розширення було б занадто швидким, щоб взагалі утворити будь-які галактики. Як варіант, могло бути так багато матерії, що Всесвіт вже почав би скорочуватися задовго до цього. Чому Всесвіт збалансований так точно на ножовому краю критичної щільності?

Ще одна головоломка - чудова одноманітність Всесвіту. Температура CMB однакова приблизно 1 частина в 100 000 скрізь, де ми дивимося. Такої однаковості можна було б очікувати, якби всі частини видимого Всесвіту контактували в певний момент часу і мали час прийти до тієї ж температури. Таким же чином, якщо ми покладемо трохи льоду в склянку теплої води і почекаємо деякий час, лід розтане, а вода охолоне, поки вони не стануть однаковою температурою.

Однак, якщо ми приймемо стандартну модель Великого вибуху, всі частини видимого Всесвіту не контактували в будь-який час. Найшвидше, що інформація може переходити з однієї точки в іншу - це швидкість світла. Існує максимальна відстань, яку світло може пройти з будь-якої точки з моменту початку Всесвіту - це відстань, яку світло міг би подолати з тих пір. Ця відстань називається відстанню горизонту цієї точки, тому що все далі знаходиться «нижче її горизонту» - не в змозі контактувати з нею. Одна область простору, відокремлена більшою, ніж відстань горизонту від іншої, була повністю ізольована від неї протягом усієї історії Всесвіту.

Якщо ми вимірюємо CMB у двох протилежних напрямках на небі, ми спостерігаємо області, які були значно за межами горизонту один одного на момент випромінювання CMB. Ми можемо бачити обидва регіони, але вони ніколи не могли бачити один одного. Чому ж тоді їх температури так точно такі ж? Згідно зі стандартною моделлю Big Bang, вони ніколи не змогли обмінюватися інформацією, і немає ніяких причин у них повинні бути однакові температури. (Це трохи схоже на те, що одяг, який носять усі учні у двох школах у різних куточках світу, стає однаковим, без того, щоб студенти ніколи не контактували.) Єдине пояснення, яке ми могли б запропонувати, було просто те, що Всесвіт якось почав бути абсолютно рівномірним (це все одно, що сказати, що всі студенти народилися, як однаковий одяг). Вченим завжди незручно, коли вони повинні звернутися до спеціального набору початкових умов, щоб врахувати побачене.

Інфляційна гіпотеза

Деякі фізики припустили, що ці фундаментальні характеристики космосу - його площинність і однорідність - можна пояснити, якщо незабаром після Великого вибуху (і до викиду CMB) Всесвіт зазнав раптового збільшення розмірів. Модельний всесвіт, в якому відбувається це швидке, раннє розширення, називається інфляційним всесвітом. Інфляційний всесвіт ідентичний Всесвіту Великого вибуху протягом усього часу після перших 10 ^—30 секунд. До цього модель передбачає, що був короткий період надзвичайно швидкого розширення або інфляції, протягом якого масштаби Всесвіту збільшилися приблизно в 1050 разів більше, ніж передбачали стандартні моделі Великого вибуху (рис.\(\PageIndex{1}\)).

альт — Малюнок\(\PageIndex{1}\) Розширення Всесвіту. Цей графік показує, як змінюється масштабний коефіцієнт спостережуваного Всесвіту з часом для стандартної моделі Великого вибуху (червона лінія) та для інфляційної моделі (синя лінія). (Зверніть увагу, що шкала часу внизу надзвичайно стиснута.) Під час інфляції регіони, які були дуже маленькими і контактували один з одним, раптово підірвалися, щоб бути набагато більшими і поза горизонтом один одного відстані. Дві моделі однакові для всіх часів після ^10-30 секунд.

До (і під час) інфляції всі частини Всесвіту, які ми зараз можемо бачити, були настільки малі і близькі один до одного, що вони могли обмінюватися інформацією, тобто відстань горизонту включала весь Всесвіт, який ми зараз можемо спостерігати. До (і під час) інфляції був достатній час для спостережуваного Всесвіту, щоб гомогенізувати себе і прийти до тієї ж температури. Потім інфляція значно розширила ці регіони, так що багато частин Всесвіту зараз знаходяться за горизонтом один одного.

Ще однією привабливістю інфляційної моделі є її передбачення того, що щільність Всесвіту повинна бути в точності дорівнює критичній щільності. Щоб зрозуміти, чому це так, пам'ятайте, що кривизна просторучасу тісно пов'язана з щільністю речовини. Якби Всесвіт почався з якоїсь кривизни свого просторучасу, однією аналогією для неї може бути шкіра повітряної кулі. Період інфляції був еквівалентний підриву повітряної кулі до величезних розмірів. Всесвіт стала настільки великою, що з нашої точки зору ніякої кривизни не повинно бути видно (рис.\(\PageIndex{2}\)). Таким же чином, поверхня Землі настільки велика, що вона виглядає рівною для нас незалежно від того, де ми знаходимося. Розрахунки показують, що Всесвіт без кривизни - це та, яка має критичну щільність. Всесвіти з щільністю, вищою або нижчою за критичну щільність, демонстрували б помітну кривизну. Але ми побачили, що спостереження CMB, які показують, що Всесвіт має критичну щільність, виключають можливість того, що простір значно викривлений.

Великі уніфіковані теорії

Хоча інфляція є інтригуючою ідеєю і широко прийнятою дослідниками, ми не можемо безпосередньо спостерігати за подіями так рано у Всесвіті. Умови на момент інфляції були настільки екстремальними, що ми не можемо відтворити їх у наших лабораторіях або високоенергетичних прискорювачах, але вчені мають деякі уявлення про те, якою могла бути Всесвіт. Ці ідеї називаються «грандіозними уніфікованими теоріями» або НУТ.

У моделям GUT сили, з якими ми знайомі тут, на Землі, включаючи гравітацію та електромагнетизм, поводилися зовсім інакше в екстремальних умовах раннього Всесвіту, ніж сьогодні. У фізичній науці термін сила використовується для опису всього, що може змінити рух частинки або тіла. Одне з чудових відкриттів сучасної науки полягає в тому, що всі відомі фізичні процеси можна описати через дію всього чотирьох сил: гравітації, електромагнетизму, сильної ядерної сили і слабкої ядерної сили (табл.\(\PageIndex{1}\)).

Малюнок\(\PageIndex{1}\): Сили природи
Сила	Відносна сила сьогодні	Діапазон дії	Важливі програми
Гравітація	1	Весь Всесвіт	Рухи планет, зірок, галактик
Електромагнетизм	10 ³⁶	Весь Всесвіт	Атоми, молекули, електрика, магнітні поля
Слабка ядерна сила	10 ³³	10 ^—17 метрів	Радіоактивний розпад
Сильна ядерна сила	10 ³⁸	10 ^—15 метрів	Існування атомних ядер

Гравітація, мабуть, найзнайоміша сила, і, безумовно, здається сильною, якщо зістрибнути з високої будівлі. Однак сила тяжіння між двома елементарними частинками - скажімо, двома протонами - на сьогоднішній день є найслабшою з чотирьох сил. Електромагнітизм, який включає як магнітні, так і електричні сили, утримує атоми разом і виробляє електромагнітне випромінювання, яке ми використовуємо для вивчення Всесвіту, набагато сильніше, як ви можете бачити на малюнку\(\PageIndex{1}\). Слабка ядерна сила лише слабка в порівнянні зі своїм сильним «двоюрідним братом», але насправді вона набагато сильніше гравітації.

І слабкі, і сильні ядерні сили відрізняються від перших двох сил тим, що вони діють лише на дуже малих відстанях - тих, які можна порівняти з розміром атомного ядра або менше. Слабка сила бере участь в радіоактивному розпаді і в реакціях, які призводять до вироблення нейтрино. Сильна сила утримує протони і нейтрони разом в атомному ядрі.

Фізики задавалися питанням, чому у Всесвіті чотири сили - чому б не 300 або, бажано, лише одна? Важлива підказка походить від назви електромагнітної сили. Довгий час вчені вважали, що сили електрики та магнетизму розділені, але Джеймс Клерк Максвелл (див. Розділ «Радіація та спектри») зміг об'єднати ці сили - показати, що вони є аспектами одного і того ж явища. Таким же чином багато вчених (включаючи Ейнштейна) задавалися питанням, чи можна об'єднати чотири сили, які ми зараз знаємо. Фізики фактично розробили НУТ, які об'єднують три з чотирьох сил (але не гравітацію).

У цих теоріях сильні, слабкі та електромагнітні сили не є трьома незалежними силами, а натомість є різними проявами або аспектами того, що насправді є єдиною силою. Теорії передбачають, що при досить високих температурах буде тільки одна сила. Однак при більш низьких температурах (як у Всесвіті сьогодні) ця єдина сила змінилася на три різні сили (рис.\(\PageIndex{3}\)). Подібно до того, як різні гази або рідини замерзають при різних температурах, можна сказати, що різні сили «вимерзають» від єдиної сили при різних температурах. На жаль, температури, при яких три сили діяли як одна сила, настільки високі, що їх неможливо досягти ні в одній лабораторії на Землі. Тільки ранній Всесвіт, часом до 10 ^—35 секунди, був досить гарячим, щоб об'єднати ці сили.

Багато фізиків думають, що гравітація також була об'єднана з трьома іншими силами при ще більш високих температурах, і вчені намагалися розробити теорію, яка поєднує в собі всі чотири сили. Наприклад, в теорії струн точкові частинки матерії, які ми обговорювали в цій книзі, замінюються одновимірними об'єктами, які називаються рядками. У цій теорії нескінченно малі струни, які мають довжину, але не висоту або ширину, є будівельними блоками, що використовуються для побудови всіх форм матерії та енергії у Всесвіті. Ці рядки існують в 11-мірному просторі (не 4-вимірному простору/часу, з яким ми знайомі). Струни вібрують у різних розмірах, і залежно від того, як вони вібрують, вони розглядаються в нашому світі як матерія або гравітація або світло. Як ви можете собі уявити, математика теорії струн дуже складна, і теорія залишається неперевіреною експериментами. Навіть найбільші прискорювачі частинок на Землі не досягають достатньо високої енергії, щоб показати, чи застосовується теорія струн до реального світу.

Теорія струн цікава вченим, оскільки в даний час це єдиний підхід, який, здається, має потенціал об'єднання всіх чотирьох сил для отримання того, що фізики назвали «Теорією всього». ¹ Теорії найраніших фаз Всесвіту повинні враховувати як квантову механіку, так і гравітацію, але на найпростішому рівні гравітація і квантова механіка несумісні. Загальна теорія відносності, наша найкраща теорія гравітації, говорить про те, що руху об'єктів можна точно передбачити. Квантова механіка говорить, що ви можете лише обчислити ймовірність (шанс) того, що об'єкт щось зробить. Теорія струн є спробою вирішити цей парадокс. Математика, яка лежить в основі теорії струн, елегантна і красива, але залишається зрозуміти, чи буде вона робити прогнози, які можна перевірити спостереженнями в ще не розроблених, високоенергетичних прискорювачах на Землі або спостереженнями раннього Всесвіту.

Найбільш ранній період в історії Всесвіту від часу нуля до 10 ^—43 секунди називається планковским часом. Всесвіт був неймовірно гарячим і щільним, і теоретики вважають, що в цей час квантові ефекти гравітації домінували у фізичних взаємодіях, і, як ми щойно обговорювали, у нас немає перевіреної теорії квантової гравітації. Інфляція, як передбачається, відбулася дещо пізніше, коли Всесвіт був між, можливо, ^10-35 і 10 ^—33 секундами, а температура становила 10 ²⁷ до 10 ²⁸ К. Це швидке розширення відбулося, коли три сили (електромагнітні, сильні та слабкі) вважали, що вони уніфіковані, і саме тоді застосовні GUTs.

Після інфляції Всесвіт продовжував розширюватися (але повільніше) і охолоджуватися. Важлива віха була досягнута, коли температура знизилася до 10 ¹⁵ К, а Всесвіт був ^10-10 секунд. У цих умовах всі чотири сили були окремими і окремими. Високоенергетичні прискорювачі частинок можуть досягати подібних умов, і тому теорії історії Всесвіту з цього моменту мають міцну основу в експериментах.

Поки що у нас немає прямих доказів того, якими були умови в епоху інфляції, а представлені тут ідеї є спекулятивними. Дослідники намагаються розробити деякі експериментальні тести. Наприклад, квантові коливання в дуже ранньому Всесвіті спричинили б зміни щільності та створили гравітаційні хвилі, які, можливо, залишили виявлений відбиток на CMB. Виявлення такого відбитка зажадає спостережень з обладнанням, чутливість якого поліпшена в порівнянні з тим, що ми маємо сьогодні. Зрештою, однак, це може дати підтвердження того, що ми живемо у Всесвіті, який колись переживав епоху швидкої інфляції.

Якщо ви типові для студентів, які читають цю книгу, ви, можливо, виявили це коротке обговорення темної матерії, інфляції та космології трохи розчаровує. Ми запропонували проблиски теорій та спостережень, але підняли більше запитань, ніж відповіли. Що таке темна матерія? Що таке темна енергія? Інфляція пояснює спостереження за рівністю і однорідністю університету, але чи сталося це насправді? Ці ідеї стоять на передньому краї сучасної науки, де прогрес майже завжди призводить до нових головоломок, і потрібно набагато більше роботи, перш ніж ми зможемо чітко бачити. Майте на увазі, що минуло менше століття з тих пір, як Хаббл продемонстрував існування інших галактик. Прагнення зрозуміти, як з'явився Всесвіт галактик, буде тримати астрономів зайняті ще довгий час.

Резюме

Модель Big Bang не пояснює, чому CMB має однакову температуру в усіх напрямках. Це також не пояснює, чому щільність Всесвіту настільки близька до критичної щільності. Ці спостереження можна пояснити, якщо Всесвіт пережив період стрімкої експансії, яку вчені називають інфляцією, приблизно через 10 ^—35 секунд після Великого вибуху. Нові грандіозні уніфіковані теорії (НУТ) розробляються для опису фізичних процесів у Всесвіті до і в той час, коли сталася інфляція.

Виноски

³ Ця назва стала назвою фільму про фізика Стівена Хокінга в 2014 році.

Глосарій

великі уніфіковані теорії: (НУТ) фізичні теорії, які намагаються описати чотири сили природи як різні прояви однієї сили

інфляційний всесвіт: теорія космології, в якій передбачається, що Всесвіт зазнав фази дуже швидкого розширення, коли Всесвіт був близько 10—35 секунди; після цього періоду швидкого розширення стандартні Big Bang і інфляційні моделі ідентичні