stringtranslate.com

Большой отскок

Гипотеза Большого отскока — это космологическая модель происхождения известной Вселенной . Первоначально она была предложена как фаза циклической модели или интерпретации колебательной Вселенной Большого Взрыва , где первое космологическое событие было результатом коллапса предыдущей Вселенной. [1] [2] [3] [4] Она отошла от серьезного рассмотрения в начале 1980-х годов после того, как теория инфляции появилась как решение проблемы горизонта , которая возникла из достижений в наблюдениях, раскрывающих крупномасштабную структуру Вселенной.

Было обнаружено, что инфляция неизбежно вечна , создавая бесконечность различных вселенных с типично разными свойствами, предполагая, что свойства наблюдаемой вселенной являются делом случая. [5] Альтернативная концепция, которая включала Большой отскок, была задумана как предсказательное и фальсифицируемое возможное решение проблемы горизонта. [6] Исследования продолжались по состоянию на 2022 год. [7] [8] [9] [10]

Расширение и сжатие

Концепция Большого отскока рассматривает Большой взрыв как начало периода расширения , который последовал за периодом сжатия. [11] С этой точки зрения можно было бы говорить о « Большом сжатии », за которым следует «Большой взрыв» или, проще говоря, «Большой отскок». Эта концепция предполагает, что мы можем существовать в любой точке бесконечной последовательности вселенных, или наоборот, текущая вселенная может быть самой первой итерацией. Однако, если условие интервальной фазы «между отскоками» — рассматриваемое как «гипотеза первичного атома» — принимается в полной случайности, такое перечисление может быть бессмысленным, поскольку это условие могло бы представлять собой сингулярность во времени в каждом случае, если бы такие вечные повторения (циклы) были абсолютными и недифференцированными.

Основная идея квантовой теории Большого отскока заключается в том, что по мере того, как плотность стремится к бесконечности, поведение квантовой пены меняется. Все так называемые фундаментальные физические константы , включая скорость света в вакууме, не обязательно должны оставаться постоянными во время Большого сжатия, особенно в интервале времени, меньшем того, в котором измерение может быть никогда невозможным (одна единица планковского времени , примерно 10−43 секунды ), охватывающем или заключающем в скобки точку перегиба.

История

Модели Большого отскока были одобрены в основном по эстетическим соображениям космологами, включая Виллема де Ситтера , Карла Фридриха фон Вайцзеккера , Джорджа Маквитти и Джорджа Гамова (который подчеркивал, что «с физической точки зрения мы должны полностью забыть о периоде, предшествовавшем коллапсу»). [12]

К началу 1980-х годов прогрессирующая точность и масштаб наблюдательной космологии показали, что крупномасштабная структура Вселенной является плоской , однородной и изотропной , открытие, которое позже было принято в качестве космологического принципа для применения в масштабах свыше примерно 300 миллионов световых лет . Это побудило космологов искать объяснение проблеме горизонта , которая задавалась вопросом, как отдаленные области Вселенной могли иметь идентичные свойства, не находясь при этом в светоподобной коммуникации. Решением было предложено рассматривать период экспоненциального расширения пространства в ранней Вселенной, который лег в основу того, что стало известно как теория инфляции . После краткого инфляционного периода Вселенная продолжает расширяться более медленными темпами.

Различные формулировки теории инфляции и их подробные импликации стали предметом интенсивного теоретического изучения. Без убедительной альтернативы инфляция стала ведущим решением проблемы горизонта.

Фраза «Большой отскок» появилась в научной литературе в 1987 году, когда она впервые была использована в названии пары статей (на немецком языке) в Stern und Weltraum Вольфганга Пристера и Ганса-Иоахима Бломе. [13] Она вновь появилась в 1988 году в книге Иосифа Розенталя «Большой взрыв, Большой отскок» , переработанном англоязычном переводе русскоязычной книги (под другим названием), и в англоязычной статье 1991 года Пристера и Бломе в Astronomy and Astrophysics . Фраза возникла как название романа Элмора Леонарда в 1969 году, вскоре после повышения осведомленности общественности о модели Большого взрыва с открытием космического микроволнового фона Пензиасом и Уилсоном в 1965 году.

Идея существования большого отскока в очень ранней Вселенной нашла разнообразную поддержку в работах, основанных на петлевой квантовой гравитации . В петлевой квантовой космологии , ветви петлевой квантовой гравитации, большой отскок был впервые обнаружен в феврале 2006 года для изотропных и однородных моделей Абхаем Аштекаром , Томашем Павловски и Парампритом Сингхом в Университете штата Пенсильвания . [14] Этот результат был обобщен на различные другие модели различными группами и включает случай пространственной кривизны, космологической постоянной, анизотропии и неоднородностей, квантованных Фоком. [15]

Мартин Бойовальд , доцент кафедры физики в Университете штата Пенсильвания, опубликовал в июле 2007 года исследование, в котором подробно описывалась работа, связанная с петлевой квантовой гравитацией, в которой утверждалось, что математически решено время до Большого взрыва, что придало бы новый вес теориям осциллирующей Вселенной и Большого отскока. [16]

Одна из главных проблем теории Большого взрыва заключается в том, что в момент Большого взрыва существует сингулярность нулевого объема и бесконечной энергии. Обычно это интерпретируется как крах физики, какой мы ее знаем; в данном случае — общей теории относительности . Вот почему можно ожидать, что квантовые эффекты станут важными и позволят избежать сингулярности.

Однако исследования в области петлевой квантовой космологии подразумевали демонстрацию того, что ранее существовавшая вселенная коллапсирует не до сингулярности, а до точки, где квантовые эффекты гравитации становятся настолько сильными отталкивающими, что вселенная отскакивает обратно, образуя новую ветвь. На протяжении этого коллапса и отскока эволюция является единой.

Бойовальд также утверждал, что некоторые свойства вселенной, которая сколлапсировала, чтобы сформировать нашу, могут быть определены; однако другие свойства не определяются из-за некоторого принципа неопределенности . Этот результат оспаривался различными группами, которые показывают, что из-за ограничений на флуктуации, вытекающих из принципа неопределенности, существуют сильные ограничения на изменение относительных флуктуаций через отскок. [17] [18]

Хотя существование Большого отскока еще предстоит продемонстрировать с помощью петлевой квантовой гравитации, надежность его основных характеристик была подтверждена с использованием точных результатов [19] и нескольких исследований, включающих численное моделирование с использованием высокопроизводительных вычислений в петлевой квантовой космологии.

В 2006 году было высказано предположение, что применение методов петлевой квантовой гравитации к космологии Большого взрыва может привести к отскоку, который не обязательно будет циклическим. [20]

В 2010 году Роджер Пенроуз выдвинул теорию, основанную на общей теории относительности, которую он назвал « конформной циклической космологией ». Теория объясняет, что Вселенная будет расширяться до тех пор, пока вся материя не распадется и в конечном итоге не превратится в свет. Поскольку ничто во Вселенной не будет иметь какой-либо шкалы времени или расстояния, связанной с ним, Вселенная становится идентичной Большому взрыву, что приводит к типу Большого сжатия, которое становится следующим Большим взрывом, таким образом увековечивая следующий цикл. [21]

В 2011 году Никодем Поплавский показал, что несингулярный Большой отскок естественным образом появляется в теории гравитации Эйнштейна–Картана –Сиамы–Киббла. [22] Эта теория расширяет общую теорию относительности, устраняя ограничение симметрии аффинной связи и рассматривая ее антисимметричную часть, тензор кручения , как динамическую переменную. Минимальная связь между спинорами кручения и Дирака порождает спин-спиновое взаимодействие, которое существенно в фермионной материи при чрезвычайно высоких плотностях. Такое взаимодействие избегает нефизической сингулярности Большого взрыва, заменяя ее отскоком в виде каспа при конечном минимальном масштабном факторе, до которого Вселенная сжималась. Этот сценарий также объясняет, почему нынешняя Вселенная в самых больших масштабах кажется пространственно плоской, однородной и изотропной, предоставляя физическую альтернативу космической инфляции.

В 2012 году была построена новая теория несингулярного Большого отскока в рамках стандартной гравитации Эйнштейна. [23] Эта теория объединяет преимущества отскока материи и экпиротической космологии . В частности, в однородном и изотропном фоновом космологическом решении неустойчивость BKL нестабильна к росту анизотропного напряжения, что разрешается в этой теории. Более того, возмущения кривизны, зародившиеся при сжатии материи, могут образовывать почти масштабно-инвариантный первичный спектр мощности и, таким образом, обеспечивать последовательный механизм для объяснения наблюдений космического микроволнового фона (CMB).

Некоторые источники утверждают, что далекие сверхмассивные черные дыры , большой размер которых трудно объяснить так скоро после Большого взрыва, такие как ULAS J1342+0928 [24], могут быть доказательством Большого отскока, поскольку эти сверхмассивные черные дыры образовались до Большого отскока. [25] [26]

Критики

Согласно исследованию, опубликованному в Physical Review Letters в мае 2023 года, Большой отскок должен был оставить следы в изначальном свете, известном как космический микроволновый фон (CMB), но сравнение наблюдений, проведенных спутником Planck, с смоделированным CMB в случае, если Вселенная отскочила сама от себя только один раз, не выявило этой конкретной сигнатуры отскока. [27]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Abelev, B.; Adam, J.; Adamová, D.; Aggarwal, MM; Aglieri Rinella, G.; Agnello, M.; Agostinelli, A.; Agrawal, N.; Ahammed, Z.; Ahmad, N.; Ahmed, I.; Ahn, SU; Ahn, SA; Aimo, I.; Aiola, S. (2014-11-10). "Beauty production in pp collisions at s=2.76 TeV measured via semi-electronic decays" (PDF) . Physics Letters B . 738 : 97–108. doi : 10.1016/j.physletb.2014.09.026 . ISSN  0370-2693. S2CID  119489459.
  2. ^ Новелло, М.; Берглиаффа, С. Э. Перес (2008-07-01). «Отскакивающие космологии». Physics Reports . 463 (4): 127–213. arXiv : 0802.1634 . Bibcode : 2008PhR...463..127N. doi : 10.1016/j.physrep.2008.04.006. ISSN  0370-1573. S2CID  119274449.
  3. ^ Финелли, Фабио; Бранденбергер, Роберт (2002-05-15). "Генерация масштабно-инвариантного спектра адиабатических флуктуаций в космологических моделях с фазой сжатия". Physical Review D. 65 ( 10): 103522. arXiv : hep-th/0112249 . Bibcode : 2002PhRvD..65j3522F. doi : 10.1103/PhysRevD.65.103522. S2CID  7262222.
  4. ^ Аштекар, Абхай; Павловски, Томаш; Сингх, Парамприт (2 октября 2006 г.). «Квантовая природа большого взрыва: улучшенная динамика». Physical Review D. 74 ( 8): 084003. arXiv : gr-qc/0607039 . Bibcode : 2006PhRvD..74h4003A. doi : 10.1103/PhysRevD.74.084003. S2CID  34651070.
  5. ^ Макки, Мэгги (25 сентября 2014 г.). «Гениалистично: Пол Дж. Стейнхардт — физик из Принстона о том, что не так с теорией инфляции, и его взгляд на Большой взрыв». Nautilus . № 17. NautilusThink Inc. Архивировано из оригинала 23 января 2017 г. Получено 31 марта 2017 г.
  6. ^ Steinhardt, Paul J.; Turok, Neil (2005). «Упрощенная циклическая модель». New Astronomy Reviews . 49 (2–6): 43–57. arXiv : astro-ph/0404480 . Bibcode : 2005NewAR..49...43S. doi : 10.1016/j.newar.2005.01.003. ISSN  1387-6473. S2CID  16034194.
  7. ^ Ijjas, Anna; Steinhardt, Paul J. (10 января 2022 г.). «Энтропия, черные дыры и новая циклическая вселенная». Physics Letters B . 824 : 136823. arXiv : 2108.07101 . Bibcode : 2022PhLB..82436823I. doi : 10.1016/j.physletb.2021.136823 .
  8. ^ Вуд, Чарли (4 августа 2020 г.). «Моделирование большого отскока бросает вызов Большому взрыву». Журнал Quanta .
  9. ^ Lehners, Jean-Luc; Steinhardt, Paul J. (2013). «Результаты Planck 2013 подтверждают циклическую вселенную». Physical Review D. 87 ( 12): 123533. arXiv : 1304.3122 . Bibcode : 2013PhRvD..87l3533L. doi : 10.1103/PhysRevD.87.123533. ISSN  1550-7998. S2CID  76656473.
  10. ^ Бранденбергер, Роберт; Питер, Патрик (2017). «Отскакивающие космологии: прогресс и проблемы». Foundations of Physics . 47 (6): 797–850. arXiv : 1603.05834 . Bibcode :2017FoPh...47..797B. doi :10.1007/s10701-016-0057-0. ISSN  0015-9018. S2CID  118847768.
  11. ^ Крейг, Дэвид Дж. (2018). «Был ли Большой взрыв действительно Большим отскоком?». Columbia Magazine . Columbia University . Получено 3 июля 2023 г.
  12. ^ Краг, Хельге (1996). Космология. Принстон, Нью-Джерси: Princeton University Press . ISBN 978-0-691-00546-1.
  13. ^ Овердюин, Блом и Хоелл 2007
  14. ^ Аштекар, Абхай; Павловски, Томаш; Сингх, Парамприт (12 апреля 2006 г.). «Квантовая природа Большого взрыва». Physical Review Letters . 96 (14): 141301. arXiv : gr-qc/0602086 . Bibcode : 2006PhRvL..96n1301A. doi : 10.1103/PhysRevLett.96.141301. ISSN  0031-9007. PMID  16712061. S2CID  3082547.
  15. ^ Аштекар, Абхай; Сингх, Парамприт (2011-11-07). "Петлевая квантовая космология: отчет о состоянии". Классическая и квантовая гравитация . 28 (21): 213001. arXiv : 1108.0893 . Bibcode : 2011CQGra..28u3001A. doi : 10.1088/0264-9381/28/21/213001. ISSN  0264-9381. S2CID  119209230.
  16. ^ Bojowald, Martin (2007). «Что произошло до Большого взрыва?». Nature Physics . 3 (8): 523–525. Bibcode : 2007NatPh...3..523B. doi : 10.1038/nphys654 .
  17. ^ Corichi, Alejandro; Singh, Parampreet (2008-04-23). ​​"Quantum Bounce and Cosmic Recall". Physical Review Letters . 100 (16): 161302. arXiv : 0710.4543 . Bibcode : 2008PhRvL.100p1302C. doi : 10.1103/PhysRevLett.100.161302. PMID  18518182. S2CID  40071231.
  18. ^ Камински, Войцех; Павловски, Томаш (2010-04-15). "Космический отзыв и картина рассеяния петлевой квантовой космологии". Physical Review D. 81 ( 8): 084027. arXiv : 1001.2663 . Bibcode : 2010PhRvD..81h4027K. doi : 10.1103/PhysRevD.81.084027. S2CID  44771809.
  19. ^ Аштекар, Абхай; Коричи, Алехандро; Сингх, Парамприт (2008). «Надежность ключевых особенностей петлевой квантовой космологии». Physical Review D. 77 ( 2): 024046. arXiv : 0710.3565 . Bibcode : 2008PhRvD..77b4046A. doi : 10.1103/PhysRevD.77.024046. ISSN  1550-7998. S2CID  118674251.
  20. ^ «Исследователи из Пенсильванского университета смотрят дальше рождения Вселенной». Science Daily . 17 мая 2006 г.Ссылаясь на (Аштекар и др., 2006)
  21. ^ Пенроуз, Роджер (2011). Циклы времени: необычайно новый взгляд на вселенную (1-е изд.). Нью-Йорк: Альфред А. Кнопф. ISBN 978-0-224-08036-1. OCLC  676726661.
  22. ^ Поплавский, Никодем (2012). «Несингулярная космология большого отскока из спинорно-торсионной связи». Physical Review D. 85 ( 10): 107502. arXiv : 1111.4595 . Bibcode : 2012PhRvD..85j7502P. doi : 10.1103/PhysRevD.85.107502. ISSN  1550-7998. S2CID  118434253.
  23. ^ Cai, Yi-Fu; Easson, Damien A; Brandenberger, Robert (2012). «Towards a nonsingular bouncing cosmology». Журнал космологии и астрочастичной физики . 2012 (8): 020. arXiv : 1206.2382 . Bibcode : 2012JCAP...08..020C. doi : 10.1088/1475-7516/2012/08/020. ISSN  1475-7516. S2CID  118679321.
  24. ^ Ландау, Элизабет; Баньядос, Эдуардо (6 декабря 2017 г.). «Найдено: Самая далекая черная дыра». NASA . Получено 6 декабря 2017 г. .«Эта черная дыра стала намного больше, чем мы ожидали, всего за 690 миллионов лет после Большого взрыва, что ставит под сомнение наши теории о том, как образуются черные дыры», — сказал соавтор исследования Дэниел Стерн из Лаборатории реактивного движения НАСА в Пасадене, Калифорния.
  25. ^ Seidel, Jamie (7 декабря 2017 г.). «Черная дыра на заре времен бросает вызов нашему пониманию того, как образовалась Вселенная». News Corp Australia . Получено 9 декабря 2017 г. Она достигла своего размера всего через 690 миллионов лет после точки, за которой нет ничего. Самая доминирующая научная теория последних лет описывает эту точку как Большой взрыв — спонтанное извержение реальности, какой мы ее знаем, из квантовой сингулярности. Но в последнее время набирает вес другая идея: что Вселенная проходит через периодические расширения и сжатия — в результате чего происходит «Большой отскок». Ранние черные дыры, как было предсказано, являются ключевым показателем того, может ли эта идея быть верной. Эта очень большая. Чтобы достичь ее размера — в 800 миллионов раз больше массы нашего Солнца — она должна была поглотить много всего. ... Насколько мы понимаем, Вселенная в то время была недостаточно стара, чтобы породить такого монстра.
  26. ^ "Черная дыра, которая древнее Вселенной" (на греческом). Журнал You (Греция). 8 декабря 2017 г. Получено 9 декабря 2017 г. Эта новая теория, которая признает, что Вселенная проходит через периодические расширения и сжатия, называется "Большой отскок"
  27. ^ van Tent, Bartjan; Delgado, Paola CM; Durrer, Ruth (2023-05-09). «Ограничение биспектра из отскакивающих космологий с помощью Planck». Physical Review Letters . 130 (19): 191002. arXiv : 2212.05977 . Bibcode : 2023PhRvL.130s1002V. doi : 10.1103/PhysRevLett.130.191002. ISSN  0031-9007.

Дальнейшее чтение

Внешние ссылки