Предыдущая публикация
Запал Большого взрыва
Поле инфлатона - это гипотетическое скалярное поле, которое, как предполагается, вызвало космическую инфляцию в самой ранней вселенной.
Согласно одному из сценариев космологов, ранняя Вселенная была бурной и хаотичной средой, в результате чего величина инфляционного поля в разных точках пространства должна была испытывать дикие флуктуации, напоминающие собой поверхность кипящей воды. Чтобы сгенерировать отталкивающую гравитацию и запустить взрыв, нам нужна небольшая область пространства, в которой величина инфляции однородна (или почти однородна, с учетом квантовых флуктуаций). Но отыскать такую однородную область среди хаотических неровностей — все равно что вскипятить чан воды и отыскать на ее бурлящей поверхности плоский участок. Вы такого никогда не видели. Не потому, что это невозможно, а потому, что это чрезвычайно маловероятно. Чтобы все точки на кусочке поверхности бурлящей случайным образом воды в чане в какой-то момент оказались на одной и той же высоте, образовав плоскую упорядоченную, однородную низкоэнтропийную конфигурацию, потребовалось бы поразительное совпадение. Такое же поразительное совпадение потребовалось бы и для того, чтобы дико колеблющееся инфляционное поле приобрело, пусть даже в пределах маленькой области пространства, одинаковое значение. А без объяснения того, как возникла эта особая, упорядоченная, однородная низкоэнтропийная конфигурация, физики испытывают глубокое беспокойство. Пытаясь избавиться от дискомфорта, некоторые исследователи полагаются на простое наблюдение: если ждать достаточно долго, случится даже самый невероятный из всех вариантов. Трясите и бросайте 100 монет раз за разом, и в конце концов у вас выпадет 100 орлов. Не стоит ждать такого результата с нетерпением, но когда-нибудь это произойдет. По аналогии можно утверждать, что в хаотичной среде, где величина инфляции бешено колеблется, рано или поздно — по чистой случайности — возникнет крохотная область, в которой случайные флуктуации, поднимающие величину поля здесь и опускающие там, выровняются, в результате чего поле станет одинаковым во всей области. Для этого требуется статистическая удача, которая приведет к большему порядку и, следовательно, более низкой энтропии, но иногда такое случается. Не часто. Но не беспокойтесь. Поскольку все эти махинации должны были происходить в доисторический период — до стремительного расширения пространства, которое мы называем Большим взрывом, — свидетелей у них не было, никто не наблюдал за процессом, сложа руки и постукивая ногой по полу в ожидании запуска процесса инфляционного расширения. Так что инфляционная прелюдия могла продолжаться сколько угодно, это не имеет значения. И только когда случился все же статистический выброс (возникла однородная область инфляционного поля), ситуация изменилась: сработал запал Большого взрыва, запустилось расширение пространства и началось космологическое представление.
Хотя все это не дает ответов на самые фундаментальные вопросы происхождения (пространства, времени, полей, математики и так далее), становится понятно, как хаотичная среда может породить особые, упорядоченные, однородные низкоэнтропийные условия, необходимые для инфляции. Когда крохотное зернышко пространства делает наконец статистически маловероятный прыжок к низкой энтропии, в дело вступает отталкивающая гравитация, которая превращает его в стремительно расширяющуюся Вселенную, — начинается Большой взрыв.
Это не единственная гипотеза того, как мог состояться Большой взрыв.
Хотя все это не дает ответов на самые фундаментальные вопросы происхождения (пространства, времени, полей, математики и так далее), становится понятно, как хаотичная среда может породить особые, упорядоченные, однородные низкоэнтропийные условия, необходимые для инфляции. Когда крохотное зернышко пространства делает наконец статистически маловероятный прыжок к низкой энтропии, в дело вступает отталкивающая гравитация, которая превращает его в стремительно расширяющуюся Вселенную, — начинается Большой взрыв.
Это не единственная гипотеза того, как мог состояться Большой взрыв.
Андрей Дмитриевич Линде - российско-американский физик-теоретик и профессор..
Андрей Линде, один из пионеров инфляционной космологии, как-то пошутил, что на каждую тройку исследователей приходится по крайней мере девять мнений на этот счет. Так что поиски более определенного ответа на вопрос о том, как небольшая область пространства стала однородно заполненной инфляционным полем, запустив таким образом взрыв расширения пространства, нам следует оставить для будущих исследований — теоретических и наблюдательных. Пока же просто будем считать, что ранняя Вселенная тем или иным способом перешла в такую высокоупорядоченную низкоэнтропийную конфигурацию, инициировав взрыв и дав нам таким образом возможность заявить, что остальное — история.
За одну миллиардную миллиардной миллиардной доли секунды после Большого взрыва отталкивающая гравитация растянула крохотную область пространства необычайно сильно — возможно, до гораздо больших размеров, чем расстояние до самых далеких объектов, доступных для самых совершенных телескопов. Пространство осталось заполненным инфляционным полем, но еще через крохотную долю секунды изменилось и это. Подобно энергии на поверхности расширяющегося мыльного пузыря, энергия в расширяющейся инфляционной области пространства держится на волоске. Она неустойчива. Как мыльный пузырь рано или поздно лопнет, превратив свою энергию в россыпь крохотных капелек мыльной воды, инфляционное поле со временем тоже «лопнуло» — разрушилось, превратив свою энергию в россыпь частиц.
Мы не знаем наверняка, какие это были частицы, но можем сказать с уверенностью, что это не были обычные составляющие вещества, которые изучают в старших классах школы. Но в течение всего нескольких минут по всему пространству прокатился каскад стремительных преобразований частиц: тяжелые частицы рассыпались на веер более легких, частицы с сильным сродством соединялись в тесные конгломераты; и в результате эта первичная баня превратилась в смесь протонов, нейтронов и электронов — строительных блоков знакомого нам вещества (и, что тоже вполне возможно, во множество других, более экзотических частиц, таких как темная материя, о чем свидетельствует долгая история астрономических наблюдений.
Таким образом, через короткое время после Большого взрыва Вселенная оказалась заполнена горячим, почти однородным туманом из частиц — как знакомых нам, так и неизвестных, — носившихся по продолжающему расширяться пространству.
Я добавил к характеристике «однородный» оговорку «почти», потому что квантовые флуктуации инфляционного поля не только сформировали температурные вариации послесвечения Большого взрыва, но и гарантировали, что, когда инфляция спадет, концентрация образовавшихся частиц тоже будет слегка различаться в пространстве — чуть выше здесь, чуть ниже там и так далее. Эти вариации сыграют ключевую роль в том, что произойдет следом: в крайне важном процессе образования комковатых структур вроде звезд и галактик. Область, которая оказалась чуть плотнее соседних, становится источником чуть более сильного гравитационного притяжения и, соответственно, втягивает в себя чуть большую часть окружающих частиц. Так эта область становится еще плотнее, дает еще более сильное гравитационное притяжение и втягивает еще больше вещества. Возникает эффект снежного кома в отношении гравитации, в результате которого
За одну миллиардную миллиардной миллиардной доли секунды после Большого взрыва отталкивающая гравитация растянула крохотную область пространства необычайно сильно — возможно, до гораздо больших размеров, чем расстояние до самых далеких объектов, доступных для самых совершенных телескопов. Пространство осталось заполненным инфляционным полем, но еще через крохотную долю секунды изменилось и это. Подобно энергии на поверхности расширяющегося мыльного пузыря, энергия в расширяющейся инфляционной области пространства держится на волоске. Она неустойчива. Как мыльный пузырь рано или поздно лопнет, превратив свою энергию в россыпь крохотных капелек мыльной воды, инфляционное поле со временем тоже «лопнуло» — разрушилось, превратив свою энергию в россыпь частиц.
Мы не знаем наверняка, какие это были частицы, но можем сказать с уверенностью, что это не были обычные составляющие вещества, которые изучают в старших классах школы. Но в течение всего нескольких минут по всему пространству прокатился каскад стремительных преобразований частиц: тяжелые частицы рассыпались на веер более легких, частицы с сильным сродством соединялись в тесные конгломераты; и в результате эта первичная баня превратилась в смесь протонов, нейтронов и электронов — строительных блоков знакомого нам вещества (и, что тоже вполне возможно, во множество других, более экзотических частиц, таких как темная материя, о чем свидетельствует долгая история астрономических наблюдений.
Таким образом, через короткое время после Большого взрыва Вселенная оказалась заполнена горячим, почти однородным туманом из частиц — как знакомых нам, так и неизвестных, — носившихся по продолжающему расширяться пространству.
Я добавил к характеристике «однородный» оговорку «почти», потому что квантовые флуктуации инфляционного поля не только сформировали температурные вариации послесвечения Большого взрыва, но и гарантировали, что, когда инфляция спадет, концентрация образовавшихся частиц тоже будет слегка различаться в пространстве — чуть выше здесь, чуть ниже там и так далее. Эти вариации сыграют ключевую роль в том, что произойдет следом: в крайне важном процессе образования комковатых структур вроде звезд и галактик. Область, которая оказалась чуть плотнее соседних, становится источником чуть более сильного гравитационного притяжения и, соответственно, втягивает в себя чуть большую часть окружающих частиц. Так эта область становится еще плотнее, дает еще более сильное гравитационное притяжение и втягивает еще больше вещества. Возникает эффект снежного кома в отношении гравитации, в результате которого
формируются комки вещества размером все больше и больше. Достаточно немного подождать, порядка сотен миллионов лет, и из гравитационных «снежных комьев» получатся агломерации частиц настолько массивные, настолько сжатые и настолько горячие, что в них запустятся ядерные процессы, породив таким образом звезды. Именно квантовая неопределенность, усиленная инфляционным растягиванием и сконцентрированная эффектом гравитационных «снежных комьев», привела к появлению тех светящихся точек, что усеивают ночное небо.
Брайан Грин
Брайан Грин
Следующая публикация
Правила группы "Астрономия и Космос"
Комментарии 8
Что они курят
Никто и никогда не узнает правды.
Это не дано знать человеку.