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]
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.
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]
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]
«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.
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.
новая теория, которая признает, что Вселенная проходит через периодические расширения и сжатия, называется "Большой отскок"
{{cite journal}}
: CS1 maint: DOI inactive as of April 2024 (link)