Гипотеза Большого Отскока — это космологическая модель происхождения известной Вселенной . Первоначально это было предложено как фаза циклической модели или интерпретации 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 в результате достижений в наблюдениях, раскрывающих крупномасштабную структуру Вселенной.
Было обнаружено, что инфляция неизбежно вечна , создавая бесконечность различных вселенных с типично разными свойствами, что позволяет предположить, что свойства наблюдаемой Вселенной являются вопросом случая. [5] Альтернативная концепция, включающая «Большой отскок», была задумана как прогнозируемое и фальсифицируемое возможное решение проблемы горизонта. [6] Расследование продолжалось по состоянию на 2022 год. [7] [8] [9] [10]
Концепция «Большого отскока» рассматривает Большой взрыв как начало периода расширения , последовавшего за периодом сжатия. [11] С этой точки зрения можно 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» — считающееся «гипотезой первобытного атома» — принять во внимание в полной случайности, такое перечисление может оказаться бессмысленным, поскольку это условие может представлять собой сингулярность во времени в каждом случае, если такие вечные повторы (циклы) были абсолютными и недифференцированными.
Основная идея квантовой теории Большого Отскока заключается в том, что по мере приближения плотности 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 никогда не будет возможным (одна единица планковского времени , примерно 10 −43 секунды), охватывающих или заключающих в скобки точку перегиба.
Модели Большого Отскока были одобрены в основном по эстетическим соображениям космологами, в том числе Виллемом де Ситтером , Карлом Фридрихом фон Вайцзеккером , Джорджем МакВитти и Джорджем Гамовым (которые подчеркивали, что «с физической точки зрения мы должны полностью забыть о периоде перед коллапсом»). [12]
К началу 1980-х годов растущая точность и масштабы наблюдательной космологии показали, что крупномасштабная структура Вселенной плоская , однородная и изотропная . Это открытие позже было принято в качестве космологического принципа , применимого в масштабах, превышающих примерно 300 миллионов световых. годы . Это побудило космологов искать объяснение проблеме горизонта , которая задавалась вопросом, как отдаленные области Вселенной могут иметь одинаковые свойства, даже не находясь в светоподобной связи. Решением было предложено стать периодом экспоненциального расширения пространства в ранней Вселенной, что легло в основу того, что стало известно как теория инфляции . После короткого периода инфляции Вселенная продолжает расширяться более медленными темпами.
Различные формулировки теории инфляции и их подробные следствия стали предметом интенсивного теоретического изучения. Без убедительной альтернативы инфляция стала основным 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 журнале Stern und Weltraum Вольфганга Пристера и Ханса-Иоахима Бломе. [13] Оно вновь появилось в 1988 году в книге Иосифа Розенталя « Большой взрыв, большой отскок» , переработанном английском переводе русской книги (под другим названием), а также в англоязычной статье Пристера и Блома в журнале « Астрономия и астрономия» 1991 года. Астрофизика . Эта фраза возникла как название романа Элмора Леонарда в 1969 году, вскоре после того , как возросла осведомленность общественности о модели Большого взрыва после открытия Пензиасом и Уилсоном космического микроволнового фона 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 , ответвлении петлевой квантовой гравитации, большой отскок был впервые обнаружен в феврале 2006 года для изотропных и однородных моделей Абхаем Аштекаром , Томашом Павловски и Парампритом Сингхом из Университета штата Пенсильвания . [14] Этот результат был обобщен на различные другие модели различными группами и включает случай пространственной кривизны, космологической постоянной, анизотропии и квантованных по Фоку неоднородностей. [15]
Мартин Бойовальд , доцент кафедры физики в Университете штата Пенсильвания, в июле 2007 года опубликовал исследование, подробно описывающее работу, связанную с петлевой квантовой гравитацией, в которой утверждалось, что он математически определил время до Большого взрыва, что придало бы новый вес колебательной Вселенной и Большому Отскоку. теории. [16]
Одна из главных проблем теории Большого взрыва заключается в том, что в момент Большого взрыва существует сингулярность с нулевым объемом и бесконечной энергией. Обычно это интерпретируется как распад физики в том виде, в каком мы ее знаем; в данном случае теории общей относительности . Вот почему можно ожидать, что квантовые эффекты станут важными и позволят избежать сингулярности.
Однако исследования в области петлевой квантовой космологии имели целью показать, что ранее существовавшая Вселенная коллапсирует не до сингулярности, а до точки, в которой квантовые эффекты гравитации становятся настолько сильными отталкивающими, что Вселенная отскакивает назад, образуя новую ветвь. На протяжении всего этого коллапса и отскока эволюция унитарна.
Бойовальд также утверждал, что можно определить некоторые свойства Вселенной, которая сжалась и образовала нашу; однако другие свойства невозможно определить из-за некоторого принципа неопределенности . Этот результат оспаривался различными группами, которые показывают, что из-за ограничений на колебания, вытекающих из принципа неопределенности, существуют сильные ограничения на изменение относительных колебаний поперек отскока. [17] [18]
Хотя существование Большого Отскока еще предстоит продемонстрировать с помощью петлевой квантовой гравитации, надежность его основных особенностей 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 должен быть циклическим. [20]
В 2010 году Роджер Пенроуз выдвинул основанную на общей теории относительности теорию, 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 имеет связанной с ним шкалы времени или расстояния, Вселенная становится идентичной Большому взрыву, что приводит к своего рода Большому сжатию, которое становится следующим Большим взрывом, тем самым увековечивая следующий цикл. [21]
В 2011 году Никодем Поплавский показал, что неособый Большой отскок естественным образом возникает в теории гравитации Эйнштейна – Картана – Шиамы – Киббла. [22] Эта теория расширяет общую теорию относительности, снимая ограничение симметрии аффинной связи и рассматривая ее антисимметричную часть, тензор кручения , как динамическую переменную. Минимальная связь между кручением и спинорами Дирака порождает спин-спиновое взаимодействие, которое существенно в фермионной материи при чрезвычайно высоких плотностях. Такое взаимодействие позволяет избежать нефизической сингулярности Большого взрыва, заменяя ее отскоком, подобным каспу, при конечном минимальном масштабном коэффициенте, до которого Вселенная сжималась. Этот сценарий также объясняет, почему нынешняя Вселенная в крупнейших масштабах кажется пространственно плоской, однородной и изотропной, обеспечивая физическую альтернативу космической инфляции.
В 2012 году новая теория неособого Большого Отскока была построена в рамках стандартной гравитации Эйнштейна. [23] Эта теория сочетает в себе преимущества отскока материи и экпиротической космологии . В частности, в однородном и изотропном фоновом космологическом решении неустойчивость БКЛ неустойчива к росту анизотропного напряжения, что разрешается в этой теории. Более того, возмущения кривизны, возникающие при сжатии материи, могут формировать 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 вскоре после Большого взрыва, такие как ULAS J1342+0928 , [24] , могут быть свидетельством Большого отскока, поскольку эти сверхмассивные черные дыры образовались до Большого взрыва. Большой отскок. [25] [26]
«Эта черная дыра выросла намного больше, чем мы ожидали, всего через 690 миллионов лет после Большого взрыва, что бросает вызов нашим теориям о том, как формируются черные дыры», — сказал соавтор исследования Дэниел Стерн из Лаборатории реактивного движения НАСА в Пасадене, Калифорния.
Он достиг 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: Вселенная периодически расширяется и сжимается, что приводит к «большому отскоку».
Было предсказано, что ранние черные дыры станут ключевым индикатором того, верна ли эта идея.
Этот очень большой.
Чтобы достичь своего размера — в 800 миллионов раз больше массы нашего Солнца — ему пришлось поглотить много материала.
... Насколько мы понимаем, Вселенная в то время была недостаточно старой, чтобы породить такого монстра.
Эта новая теория, признающая, что Вселенная периодически расширяется и сжимается, называется «Большой отскок».
