Циклическая модель

Космологические модели, включающие неопределенные, самоподдерживающиеся циклы

Циклическая модель (или колебательная модель ) — это любая из нескольких космологических моделей , в которых Вселенная следует бесконечным или неопределенным самоподдерживающимся циклам. Например, теория колебательной Вселенной, кратко рассмотренная Альбертом Эйнштейном в 1930 году, теоретизировала Вселенную, следующую за вечной серией колебаний, каждое из которых начинается Большим взрывом и заканчивается Большим сжатием ; в промежутке времени Вселенная будет расширяться в течение некоторого периода времени, прежде чем гравитационное притяжение материи заставит ее снова схлопнуться и совершить отскок .

Обзор

В 1920-х годах физики-теоретики, в первую очередь Альберт Эйнштейн , рассматривали возможность циклической модели Вселенной как (вечную) альтернативу модели расширяющейся Вселенной . В 1922 году Александр Фридман представил теорию осциллирующей Вселенной. ^[1] Однако работа Ричарда К. Толмена в 1934 году показала, что эти ранние попытки потерпели неудачу из-за циклической проблемы: согласно второму закону термодинамики , энтропия может только увеличиваться. ^[2] Это подразумевает, что последовательные циклы становятся длиннее и больше. Экстраполируя назад во времени, циклы до настоящего становятся короче и меньше, снова достигая кульминации в Большом взрыве и, таким образом, не заменяя его. Эта загадочная ситуация сохранялась в течение многих десятилетий до начала 21-го века, когда недавно обнаруженный компонент темной энергии дал новую надежду на последовательную циклическую космологию. ^[3] В 2011 году пятилетнее исследование 200 000 галактик, охватывающее 7 миллиардов лет космического времени, подтвердило, что «темная энергия разъединяет нашу вселенную со все возрастающей скоростью». ^{[4] [5]}

Одной из новых циклических моделей является модель бранной космологии создания Вселенной , полученная из более ранней экпиротической модели. Она была предложена в 2001 году Полом Стейнхардтом из Принстонского университета и Нилом Туроком из Кембриджского университета . Теория описывает вселенную, которая взрывается не один раз, а многократно с течением времени. ^{[6] [7]} Теория потенциально может объяснить, почему отталкивающая форма энергии, известная как космологическая постоянная , которая ускоряет расширение Вселенной, на несколько порядков меньше, чем предсказывает стандартная модель Большого взрыва .

Другая циклическая модель, основанная на понятии фантомной энергии, была предложена в 2007 году Лаурисом Баумом и Полом Фрэмптоном из Университета Северной Каролины в Чапел-Хилл . ^[8]

Другие циклические модели включают конформную циклическую космологию и петлевую квантовую космологию .

Модель Стейнхардта–Турока

В этой циклической модели две параллельные плоскости орбифолда или М-браны периодически сталкиваются в пространстве более высокого измерения. ^[9] Видимая четырехмерная вселенная лежит на одной из этих бран . Столкновения соответствуют обращению от сжатия к расширению, или Большому сжатию, за которым немедленно следует Большой взрыв . Материя и излучение, которые мы видим сегодня, были созданы во время самого последнего столкновения по схеме, продиктованной квантовыми флуктуациями, созданными до бран. Через миллиарды лет вселенная достигла состояния, которое мы наблюдаем сегодня; через дополнительные миллиарды лет она в конечном итоге снова начнет сжиматься. Темная энергия соответствует силе между бранами и играет решающую роль в решении проблем монополя , горизонта и плоскостности . Более того, циклы могут продолжаться бесконечно в прошлое и будущее, а решение является аттрактором , поэтому оно может предоставить полную историю вселенной.

Как показал Ричард К. Толман , более ранняя циклическая модель потерпела неудачу, потому что Вселенная подверглась бы неизбежной термодинамической тепловой смерти . ^[2] Однако более новая циклическая модель обходит это, имея чистое расширение в каждом цикле, предотвращая накопление энтропии . Однако в модели остаются основные открытые вопросы. Главным из них является то, что сталкивающиеся браны не поняты струнными теоретиками, и никто не знает, будет ли масштабно-инвариантный спектр разрушен большим сжатием. Более того, как и в случае с космической инфляцией , хотя общий характер сил (в экпиротическом сценарии сила между бранами), необходимых для создания вакуумных флуктуаций , известен, нет кандидата из физики элементарных частиц . ^[10]

Модель Баума–Фрэмптона

Эта более поздняя циклическая модель 2007 года предполагает экзотическую форму темной энергии, называемую фантомной энергией , ^{[8] [11]} которая обладает отрицательной кинетической энергией и обычно приводит к тому, что вселенная заканчивается Большим Разрывом . Это условие достигается, если во вселенной доминирует темная энергия с космологическим уравнением параметра состояния , удовлетворяющим условию , для плотности энергии и давления p. Напротив, Стейнхардт–Турок предполагает . В модели Баума–Фрамптона за септиллионную (или менее) секунды (т. е. за 10 ⁻²⁴ секунды или менее) до предполагаемого Большого Разрыва происходит поворот, и только один причинный участок сохраняется как наша вселенная. Общий участок не содержит кварка , лептона или носителя силы ; только темная энергия — и ее энтропия, таким образом, исчезает. Адиабатический процесс сжатия этой гораздо меньшей Вселенной происходит при постоянной исчезающей энтропии и без какой-либо материи, включая черные дыры , которые распались до разворота. ${\displaystyle w}$ ${\displaystyle w\equiv {\frac {p}{\rho }}<-1}$ ${\displaystyle {\rho }}$ ${\displaystyle w{\geq }-1}$

Идея о том, что Вселенная «возвращается пустой», является центральной новой идеей этой циклической модели и позволяет избежать многих трудностей, с которыми сталкивается материя в фазе сжатия, таких как чрезмерное образование структуры , распространение и расширение черных дыр , а также прохождение фазовых переходов, таких как переходы КХД и восстановление электрослабой симметрии. Любой из них будет иметь сильную тенденцию производить нежелательный преждевременный отскок, просто чтобы избежать нарушения второго закона термодинамики . Условие может быть логически неизбежным в действительно бесконечно циклической космологии из-за проблемы энтропии. Тем не менее, для подтверждения согласованности подхода необходимо множество технических резервных вычислений. Хотя модель заимствует идеи из теории струн , она не обязательно привязана к струнам или к более высоким измерениям , однако такие спекулятивные устройства могут обеспечить наиболее быстрые методы исследования внутренней согласованности . Значение в модели Баума–Фрэмптона может быть сделано произвольно близким к, но должно быть меньше, чем −1. ${\displaystyle w<-1}$ ${\displaystyle w}$

Другие циклические модели

• Конформная циклическая космология — общая теория относительности, основанная на теории Роджера Пенроуза , в которой Вселенная расширяется до тех пор, пока вся материя не распадется и не превратится в свет, — поэтому во Вселенной нет ничего, что имело бы какую-либо шкалу времени или расстояния, связанную с ней. Это позволяет ей стать идентичной Большому взрыву, тем самым начиная следующий цикл.
• Петлевая квантовая космология , которая предсказывает «квантовый мост» между сжимающимися и расширяющимися космологическими ветвями.

Смотрите также

Физические космологии:

• Большой отскок
• Конформная циклическая космология

Религия:

• Бхавачакра
• Циклы времени в индуизме
• Вечное возвращение
• Историческая повторяемость
• Калачакра
• Колесо времени

Ссылки

1. "Вселенная Фридмана | Расширяющаяся Вселенная, Большой взрыв и темная энергия | Britannica". www.britannica.com . Получено 24.09.2023 .
2. Tolman, RC (1987) [1934]. Относительность, термодинамика и космология . Нью-Йорк: Довер. ISBN 978-0-486-65383-9. LCCN  34032023.
3. Фрэмптон, PH (2006). «О циклических вселенных». arXiv : astro-ph/0612243 .
4. "Темная энергия разрывает вселенную на части: исследователь эволюции галактики НАСА обнаружил, что темная энергия отталкивает". ScienceDaily . Получено 22 августа 2023 г.
5. Mandelbaum, Rachel; Blake, Chris; Bridle, Sarah; Abdalla, Filipe B.; Brough, Sarah; Colless, Matthew; Couch, Warrick; Croom, Scott; Davis, Tamara ; Drinkwater, Michael J.; Forster, Karl; Glazebrook, Karl; Jelliffe, Ben; Jurek, Russell J.; Li, I-hui; Madore, Barry; Martin, Chris; Pimbblet, Kevin; Poole, Gregory B.; Pracy, Michael; Sharp, Rob; Wisnioski, Emily; Woods, David; Wyder, Ted (2011). «The WiggleZ Dark Energy Survey: Direct constraints on blue galaxy intrinsic alignings at middle-edge redshifts». Monthly Notices of the Royal Astronomical Society . 410 (2): 844–859. arXiv : 0911.5347 . Библиографический код : 2011MNRAS.410..844M. doi : 10.1111/j.1365-2966.2010.17485.x . S2CID  36510728.
6. Steinhardt, PJ; Turok, N. (2002). "Космическая эволюция в циклической Вселенной". Physical Review D. 65 ( 12): 126003. arXiv : hep-th/0111098 . Bibcode : 2002PhRvD..65l6003S. doi : 10.1103/PhysRevD.65.126003. S2CID  1342094.
7. Steinhardt, PJ; Turok, N. (2001). «Циклическая модель Вселенной». Science . 296 (5572): 1436–1439. arXiv : hep-th/0111030 . Bibcode :2002Sci...296.1436S. doi :10.1126/science.1070462. PMID  11976408. S2CID  1346107.
8. Baum, Lewis; Frampton, PH (2008). «Энтропия сжимающейся Вселенной в циклической космологии». Modern Physics Letters A . 23 (1): 33–36. arXiv : hep-th/0703162 . Bibcode :2008MPLA...23...33B. doi :10.1142/S0217732308026170. S2CID  719844.
9. Steinhardt, PJ; Turok, N. (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. S2CID  16034194.
10. Войт, Питер (2006). Даже не неправильно . Лондон: Random House . ISBN 978-0-09-948864-4.
11. Baum, L.; Frampton, PH (2007). «Поворот в циклической космологии». Physical Review Letters . 98 (7): 071301. arXiv : hep-th/0610213 . Bibcode : 2007PhRvL..98g1301B. doi : 10.1103/PhysRevLett.98.071301. PMID  17359014. S2CID  17698158.

Дальнейшее чтение

• Стейнхардт, П.Дж.; Турок, Н. (2007). Бесконечная Вселенная . Нью-Йорк, Нью-Йорк: Даблдей. ISBN 978-0-385-50964-0.
• Толмен, Р. К. (1987) [1934]. Относительность, термодинамика и космология . Нью-Йорк: Довер. ISBN 978-0-486-65383-9. LCCN  34032023.
• Baum, L.; Frampton, PH (2007). «Поворот в циклической космологии». Physical Review Letters . 98 (7): 071301. arXiv : hep-th/0610213 . Bibcode : 2007PhRvL..98g1301B. doi : 10.1103/PhysRevLett.98.071301. PMID  17359014. S2CID  17698158.
• Dicke, RH; Peebles, PJE; Roll, PG; Wilkinson, DT (1965). "Космическое излучение черного тела". The Astrophysical Journal . 142 : 414. Bibcode : 1965ApJ...142..414D. doi : 10.1086/148306. ISSN  0004-637X.
• С. В. Хокинг и Г. Ф. Р. Эллис, Крупномасштабная структура пространства-времени (Кембридж, 1973).
• Пенроуз, Роджер (2010). Циклы времени: необычайно новый взгляд на вселенную . Лондон: The Bodley Head . ISBN 978-0-224-08036-1.

Внешние ссылки

• Пол Дж. Стейнхардт, физический факультет, Принстонский университет
• Пол Х. Фрэмптон, кафедра физики и астрономии, Университет Северной Каролины в Чапел-Хилл
• «Циклическая Вселенная»: беседа с Нилом Туроком
• Роджер Пенроуз — Циклическая модель Вселенной