Ф. Дергачев
Черная дыра с массой Вселенной
Так что же разогрело Вселенную?
«Хотя одним инфляционным полем не объяснить эпохальное событие, без которого не возникли бы ни звёзды, ни окружающие их планеты, ни населяющие одну из них люди, во взаимодействии с ещё одним фактором разогрев Вселенной в период после инфляционного расширения всё же может стать более понятным.
В первые доли секунды после Большого взрыва Вселенная испытала сильнейшее экспоненциальное расширение - и в итоге имеет диаметр порядка 93 млрд световых лет при истории длиной всего в 13 млрд лет. Этот процесс, называемый инфляцией, должен был оставить космос довольно охлаждённым, ведь плотность распределения материи в нём упала в немыслимое количество раз.
 |
| Второй красный круг от центра обозначает период резкого расширения Вселенной, после которого и последовал загадочный разогрев. (Иллюстрация NASA.) |
А вот уже через 10−35 с после Большого взрыва фотоны носились посреди среды, нагретой до десятка миллиардов кельвинов. О том, как это получилось, теория инфляции прямо не говорит. В 1980-х теоретики выдвигали предположения, что скалярное инфлатонное поле (квантом которого [инфлатоном] может быть небезызвестный бозон Хиггса), собственно и составляющее инфляцию, после почти мгновенного раздувания Вселенной начало распадаться на фотоны, постепенно разогрев Вселенную и породив ситуацию, когда на место холодной пустоты пришла сравнительно горячая среда. Однако все применённые тогда модели показали, что этот процесс просто не мог быть достаточно быстрым, чтобы создать всю ту материю, что мы видим сегодня.
Джон Гиблин (John Giblin) из Колледжа Кеньона (США) вместе с коллегами рассмотрел возможность несколько иного сценария, который вполне может привести к картине, наблюдаемой во Вселенной нынче. Исследователи предположили, что инфлатонное поле справилось с разогревом Вселенной и образованием наблюдаемой материи не в одиночку, а в резонансном взаимодействии с каким-то вторым полем - или уже известным, или некоей новинкой (в теоретическом смысле), ещё не рассмотренной современной физикой.
При таком резонансном взаимодействии полей силы накладывающихся колебаний обоих могло хватить для сверхбыстрого распада бозонов Хиггса или других инфлатонов и образования массы частиц, с последующим нагревом Вселенной. Чтобы проверить это предположение, учёные провели моделирование, в котором с гипотетическим инфлатонным полем взаимодействовало хорошо известное поле электромагнитное, что после неизбежного резонанса вело к прямому образованию фотонов.
Моделирование также показало, что, ограничиваясь лишь этим механизмом резонанса, инфлатонное поле могло конвертировать 96% своей энергии в фотоны за относительно небольшое время. Казалось бы, речь идёт о временах, почти на 14 млрд лет предшествовавших делам очаковским и покоренью Крыма, что делает все эти построения сравнительно малодоступными для подтверждения.
Между тем модель вполне проверяема из нынешней эпохи: если фотоны и впрямь получили энергию от инфлатонного поля во взаимодействии с полем электромагнитным, это должно оставить следы в первоначальных линиях магнитного поля, пронизывавшего космос сразу после вышеописанных событий, и в принципе подлежащие выявлению даже сегодня. С другой стороны, если последующие наблюдения таких следов не выявят, это будет означать не то, что инфлатонное поле не взаимодействовало с каким-то другим полем вообще, но лишь отсутствие взаимодействия именно с электромагнитным полем.
Препринт рассмотренной работы можно полистать на сайте arXiv.
Подготовлено по материалам NewScientist». (20 июня 2013 года, 20:20). http://compulenta.computerra.ru/veshestvo/fizika/10007447/
При таком резонансном взаимодействии полей силы накладывающихся колебаний обоих могло хватить для сверхбыстрого распада бозонов Хиггса или других инфлатонов и образования массы частиц, с последующим нагревом Вселенной. Чтобы проверить это предположение, учёные провели моделирование, в котором с гипотетическим инфлатонным полем взаимодействовало хорошо известное поле электромагнитное, что после неизбежного резонанса вело к прямому образованию фотонов.
Моделирование также показало, что, ограничиваясь лишь этим механизмом резонанса, инфлатонное поле могло конвертировать 96% своей энергии в фотоны за относительно небольшое время. Казалось бы, речь идёт о временах, почти на 14 млрд лет предшествовавших делам очаковским и покоренью Крыма, что делает все эти построения сравнительно малодоступными для подтверждения.
Между тем модель вполне проверяема из нынешней эпохи: если фотоны и впрямь получили энергию от инфлатонного поля во взаимодействии с полем электромагнитным, это должно оставить следы в первоначальных линиях магнитного поля, пронизывавшего космос сразу после вышеописанных событий, и в принципе подлежащие выявлению даже сегодня. С другой стороны, если последующие наблюдения таких следов не выявят, это будет означать не то, что инфлатонное поле не взаимодействовало с каким-то другим полем вообще, но лишь отсутствие взаимодействия именно с электромагнитным полем.
Препринт рассмотренной работы можно полистать на сайте arXiv.
Подготовлено по материалам NewScientist». (20 июня 2013 года, 20:20). http://compulenta.computerra.ru/veshestvo/fizika/10007447/
Cosmic preheating baked planets, stars and people
«To cook up planets, stars and people, the universe had to be preheated.
In the first slivers of a second after the big bang, the universe expanded exponentially in a process called inflation, leaving the cosmos empty and cold. "Inflation is a flash-freezer," says John Giblin of Kenyon College in Gambier, Ohio. A few minutes later, energetic photons were zipping through a dense cauldron of radiation at a searing 1010 kelvin, the first stage in a cascade of events that gave rise to the matter we have today. So where did all the heat come from?
The energy that drove inflation is one option, but it would have been trapped in a field when the process ended. In the 1980s, physicists suggested that this "inflaton field" decayed into radiation, infusing the universe with heat. But models show the process would have been too slow to make all the matter we see.
Another way to get at the trapped energy is to introduce a second field – either a known kind or a theoretical newcomer – that could couple to the inflaton field. The resulting resonance would let energy shake free from the inflaton field and form energetic particles, similar to the way sound waves at a resonant frequency can make glass vibrate until it breaks.
These models, called preheating, were better at releasing radiation, but only got about half of the energy required out of the field.
Giblin and his student J. Tate Deskins have produced the most efficient preheating model yet by finding a way to couple the inflaton to the electromagnetic field. This dumps energy directly into photons.
Their simulations show that the inflaton field could deposit 96 per cent of its energy into photons this way (arxiv.org/abs/1305.7226v1). That is enough to ensure that the early universe is dominated by radiation, as predicted, says Giblin.
Alan Guth of the Massachusetts Institute of Technology says if photons received the inflaton energy, they could have left a pattern in primordial magnetic fields, offering a way to test the model». (19 June 2013). http://www.newscientist.com/article/mg21829224.100-cosmic-preheating-baked-planets-stars-and-people.html
Приведенные публикации не только не убеждают, но, наоборот, добавляют скептицизм в отношении модных гипотез. Высказывание: «Вселенная испытала сильнейшее экспоненциальное расширение - и в итоге имеет диаметр порядка 93 млрд световых лет при истории длиной всего в 13 млрд лет» означает констатацию того факта, что расширение после Большого взрыва происходило со скоростью, в несколько раз превышающей скорость света, что, в свою очередь, грубо нарушает законы физики.
«В теории Большого взрыва вызывает вопросы т.н. «инфляционная космология», восхищающая теоретиков красотой математических моделей, но, по моему мнению, скрывающая очередную бездну в космологии.
Не могу избавиться от ощущения, что в реальности никакого экспоненциального расширения через 10^–36 секунды после Большого взрыва не было».
(Пол Стейнхарт (Paul Steinhardt) – директор Центра теоретической науки в Принстоне, член Национальной академии наук, лауреат премии им. П. Дирака (2002) за вклад в развитие теории космологической инфляции).
«В теории, представляющей собой основу всей современной космологии, возможно, скрыты глубокие противоречия.
Основные положения:
Идея космологической инфляции настолько глубоко укоренилась в сознании ученых, что принимается как доказанная. Согласно этой концепции, ранняя Вселенная подверглась резкому экспоненциальному расширению, которое и определило глобальную однородность и плоскостность нашего современного мира.
Однако основатели и некоторые разработчики теории инфляции полагают, что эта концепция может быть изначально ошибочна.
Для начала инфляции Вселенная должна обладать маловероятными условиями. Кроме того, инфляция происходит вечно, производя бесконечное количество разнообразных миров, из чего следует, что эта теория не может давать точных предсказаний.
Активно ведутся научные споры. Диапазон предложений – от поправок к теории инфляции до замены ее на другую концепцию». (Источник: журнал «В мире науки», № 6 за 2011 год).
(Пол Стейнхарт (Paul Steinhardt) – директор Центра теоретической науки в Принстоне, член Национальной академии наук, лауреат премии им. П. Дирака (2002) за вклад в развитие теории космологической инфляции).
«В теории, представляющей собой основу всей современной космологии, возможно, скрыты глубокие противоречия.
Основные положения:
Идея космологической инфляции настолько глубоко укоренилась в сознании ученых, что принимается как доказанная. Согласно этой концепции, ранняя Вселенная подверглась резкому экспоненциальному расширению, которое и определило глобальную однородность и плоскостность нашего современного мира.
Однако основатели и некоторые разработчики теории инфляции полагают, что эта концепция может быть изначально ошибочна.
Для начала инфляции Вселенная должна обладать маловероятными условиями. Кроме того, инфляция происходит вечно, производя бесконечное количество разнообразных миров, из чего следует, что эта теория не может давать точных предсказаний.
Активно ведутся научные споры. Диапазон предложений – от поправок к теории инфляции до замены ее на другую концепцию». (Источник: журнал «В мире науки», № 6 за 2011 год).
[Последние изменения внесены 12 ноября 2014 года]
[Книга в работе...]
На эту тему:
«Апология необъяснимого». Часть 6. «Экстраполяция космологических процессов»
Суть инфляции
ОтветитьУдалить«При попытке дать представление о сущности начального периода жизни Вселенной приходится оперировать такими сверхмалыми и сверхбольшими числами, что наше воображение с трудом их воспринимает. Попробуем воспользоваться некоей аналогией, чтобы понять суть процесса инфляции. Представим себе покрытый снегом горный склон, в который вкраплены разнородные мелкие предметы - камешки, ветки и кусочки льда. Кто-то, находящийся на вершине этого склона, сделал небольшой снежок и пустил его катиться с горы. Двигаясь вниз, снежок увеличивается в размерах, так как на него налипают новые слои снега со всеми включениями. И чем больше размер снежка, тем быстрее он будет увеличиваться. Очень скоро из маленького снежка он превратится в огромный ком. Если склон заканчивается пропастью, то он полетит в нее с все более увеличивающейся скоростью. Достигнув дна, ком ударится о дно пропасти и его составные части разлетятся во все стороны (кстати, часть кинетической энергии кома при этом пойдет на нагрев окружающей среды и разлетающегося снега).
Теперь опишем основные положения теории, используя приведенную аналогию. Прежде всего физикам пришлось ввести гипотетическое поле, которое было названо «инфлатонным» (от слова «инфляция»). Это поле заполняло собой все пространство (в нашем случае - снег на склоне). Благодаря случайным колебаниям оно принимало разные значения в произвольных пространственных областях и в различные моменты времени. Ничего существенного не происходило, пока случайно не образовалась однородная конфигурация этого поля размером более 10^-33 см. Что же касается наблюдаемой нами Вселенной, то она в первые мгновения своей жизни, по-видимому, имела размер 10^-27 см. Предполагается, что на таких масштабах уже справедливы основные законы физики, известные нам сегодня, поэтому можно предсказать дальнейшее поведение системы. Оказывается, что сразу после этого пространственная область, занятая флуктуацией (от лат. fluctuatio - «колебание», случайные отклонения наблюдаемых физических величин от их средних значений), начинает очень быстро увеличиваться в размерах, а инфлатонное поле стремится занять положение, в котором его энергия минимальна (снежный ком покатился). Такое расширение продолжается всего 10^-35 секунды, но этого времени оказывается достаточно для того, чтобы диаметр Вселенной возрос как минимум в 10^27 раз и к окончанию инфляционного периода наша Вселенная приобрела размер примерно 1 см. Инфляция заканчивается, когда инфлатонное поле достигает минимума энергии - дальше падать некуда. При этом накопившаяся кинетическая энергия переходит в энергию рождающихся и разлетающихся частиц, иначе говоря, происходит нагрев Вселенной. Как раз этот момент и называется сегодня Большим взрывом...»
(Окончание)
Удалить«Гора, о которой говорилось выше, может иметь очень сложный рельеф - несколько разных минимумов, долины внизу и всякие холмы и кочки. Снежные комья (будущие вселенные) непрерывно рождаются наверху горы засчет флуктуаций поля. Каждый ком может скатиться в любой из минимумов, породив при этом свою вселенную со специфическими параметрами Причем вселенные могут существенно отличаться друг от друга. Свойства нашей Вселенной удивительнейшим образом приспособлены к тому, чтобы: ней возникла разумная жизнь. Другим вселенным, возможно, повезло меньше.
Еще раз хотелось бы подчеркнуть, что описанный процесс рождения Вселенной «практически из ничего» опирается на строго научные расчеты. Тем не менее у всякого человека, впервые знакомящегося с инфляционным механизмом, описанным выше, возникает немало вопросов…
Область, занятая инфлатонным полем, разрасталась со скоростью, существенно большей скорости света, однако это нисколько не противоречит теории относительности Эйнштейна. Быстрее света не могут двигаться лишь материальные тела, а в данном случае двигалась воображаемая, нематериальная граница той области, где рождалась Вселенная (примером сверхсветового движения является перемещение светового пятна по поверхности Луны при быстром вращении освещающего ее лазера). Причем окружающая среда совсем не сопротивлялась расширению области пространства, охваченного все более быстро разрастающимся инфлатонным полем, поскольку ее как бы не существует для возникающего Мира. Общая теория относительности утверждает, что физическая картина, которую видит наблюдатель, зависит от того, где он находится и как движется. Так вот, описанная выше картина справедлива для «наблюдателя», находящегося внутри этой области. Причем этот наблюдатель никогда не узнает, что происходит вне той области пространства, где он находится. Другой «наблюдатель», смотрящий на эту область снаружи, никакого расширения вовсе не обнаружит. В лучшем случае он увидит лишь небольшую искорку, которая по его часам исчезнет почти мгновенно. Даже самое изощренное воображение отказывается воспринимать такую картину. И все-таки она, по-видимому, верна. По крайней мере, так считают современные ученые, черпая уверенность в уже открытых законах Природы, правильность которых многократно проверена.
Надо сказать, что это инфлатонное поле и сейчас продолжает существовать и флуктуировать. Но только мы, внутренние наблюдатели, не в состоянии этого увидеть - ведь для нас маленькая область превратилась в колоссальную Вселенную, границ которой не может достигнуть даже свет.
Итак, сразу после окончания инфляции гипотетический внутренний наблюдатель увидел бы Вселенную, заполненную энергией в виде материальных частиц и фотонов. Если всю энергию, которую мог бы измерить внутренний наблюдатель, перевести в массу частиц, то мы получим примерно 10^80 кг. Расстояния между частицами быстро увеличиваются из-за всеобщего расширения. Гравитационные силы притяжения между частицами уменьшают их скорость, поэтому расширение Вселенной после завершения инфляционного периода постепенно замедляется». («Научный взгляд на сотворение Вселенной». 13 октября 2009). http://planetologia.ru/sun/146-scientific-view-of-the-creation-of-the-universe.html
Ученые: бозоны Хиггса могли разрушить Вселенную, но спасла гравитация
ОтветитьУдалить"Взаимодействие частиц Хиггса и гравитации обеспечило стабильность существования Вселенной в ранний период после Большого взрыва, считает международная группа ученых, опубликовавшая результаты своей работы в "Physical Review Letters".
После открытия в 2012 году бозона Хиггса, отвечающего за массу всех частиц, ученые попытались учесть его в ускорении расширения Вселенной, и в итоге пришли к парадоксальному выводу, что появление бозона Хиггса неминуемо должно было привести Вселенную к полной нестабильности и распаду. Для объяснения, почему же этого не произошло, появились различные теории, предполагающие наличие какой-то новой физики, но команда европейских исследователей предположила, что есть более простые причины того, почему в итоге Вселенная не развалилась.
В новом исследовании, опубликованном в "Physical Review Letters", ученые описывают, как гравитация позволила обеспечить стабильность, необходимую для выживания Вселенной в ранний период расширения.
Согласно выводам ученых, даже слабого взаимодействия между бозонами Хиггса и гравитацией могло быть достаточно для сохранения Вселенной от распада.
"Стандартная модель в физике элементарных частиц до сих пор не дает ответ на вопрос, почему Вселенная не развалилась после Большого взрыва. Наше исследование исследует последние неизвестные параметры в стандартной модели - взаимодействие между частицами Хиггса и гравитацией. Даже относительно небольшого значения достаточно, чтобы объяснить выживание Вселенной без какой-либо новой физики", - приводятся в статье слова профессора Артту Раджанти из Department of Physics at Imperial College London". (19.11.2014). http://ria.ru/space/20141119/1034200837.html
Из-за чего Хокинг и 32 космолога поссорились с противниками инфляционной модели Вселенной. Известные ученые поспорили из-за теории Большого взрыва
ОтветитьУдалить"33 космолога с мировым именем стали на защиту инфляционной модели Вселенной, согласно которой на раннем этапе Большого взрыва Вселенная ускоренно расширялась при температуре выше 1028 Кельвинов. Этот короткий период расширения в мире науки принято называть инфляцией. Ранее в журнале Scientific American трое ученых – Пол Стейнхардт, Абрахам Леб и Анна Ийас – раскритиковали эту теорию, по сути назвав ее ненаучной, пишет "Газета.ру". https://www.gazeta.ru/science/news/2017/05/12/n_10038059.shtml
Среди космологов, которые вступили в полемику с учеными, значатся имена всемирно известного астрофизика Стивена Хокинга и основоположника инфляционной модели Алана Гута. Основным аргументов космологов в защиту инфляции является то, что эта теория основана на различных моделях, которые в течение последних 37 лет были подтверждены экспериментальным путем.
Аргументы ученых, которые отрицают инфляционную модель Вселенной
(полный текст статьи: "Cosmic Inflation Theory Faces Challenges" (By Anna Ijjas, Paul J. Steinhardt, Abraham Loeb on February 1, 2017). https://www.scientificamerican.com/article/cosmic-inflation-theory-faces-challenges/ )
- Инфляция предполагает, что Вселенная была заполнена с высокой плотностью энергии, которая гравитационно является самоотталкивающей, тем самым повышая расширение и заставляя его ускоряться. Важно отметить, что этот критический компонент, называемый инфляционной энергией, является чисто гипотетическим; у нас нет прямых доказательств того, что он существует.
- За последние 35 лет существует сотня предложений, что может являться инфляционной энергий, каждая из которых генерирует очень разные темпы инфляции и очень разные общие суммы растяжения. Таким образом, очевидно, что инфляция не является точной теорией. Это очень гибкая структура, которая включает в себя множество возможностей.
- Можно ли предсказать число и расположение галактик в пространстве? Степень, в которой пространство искривлено и деформировано? Количество вещества или другие формы энергии, что составляют текущую вселенную? Ответ - нет. Инфляция является такой гибкой идеей, что любой исход возможен. Может ли инфляция объяснить, почему большой взрыв произошел, или как был создан первоначальный участок пространства, который в конечном итоге превратился во Вселенную? Ответ, опять же, нет.
- Хотя космологи впервые наблюдали горячие и холодные пятна при помощи спутника в 1992 году, и с большим количеством последующих экспериментов, они не нашли никаких признаков космических гравитационных волн, ожидаемых от инфляции.
- Инфляционная космология не может быть оценена с помощью научного метода. Ожидаемый результат инфляции можно легко изменить, если менять начальные условия, форму кривой инфляционной плотности энергии, или же просто отметить, что это приводит к вечной инфляции и мультивселенной..."
Из-за чего Хокинг и 32 космолога поссорились с противниками инфляционной модели Вселенной. Известные ученые поспорили из-за теории Большого взрыва. (Окончание)
Удалить...Контраргументы космологов
(полный текст статьи: "A Cosmic Controversy" ("A Scientific American article about the theory of inflation prompted a reply from a group of 33 physicists, along with a response from the article’s authors". Credit: "Scientific American", February 2017). https://blogs.scientificamerican.com/observations/a-cosmic-controversy/#reply )
- Никто не оспаривает тот факт, что инфляция стала доминирующей парадигмой в космологии. В настоящее время существует более 14000 статей в научной литературе, написанных более чем 9 000 различными учеными, которые используют слово "инфляция" или "инфляционный" в их названиях или рефератах. Утверждая, что инфляционная космология лежит вне научного метода, ученые игнорируют исследования не только всех авторов этого письма, но и значительного контингента научного сообщества.
- Инфляция не является единственной теорией, а классом моделей, основанных на схожих принципах. Некоторые из стандартных инфляционных моделей исключены точными эмпирическими данными, но многие модели в этом классе подтверждены экспериментальным путем.
- Стандартные инфляционные модели предсказывают, что Вселенная должна иметь критическую плотность массы (то есть, она должна быть геометрически плоской), Начиная с 1992 года многочисленные эксперименты подтвердили, что эти предсказания точно описывают нашу вселенную. Средняя плотность массы Вселенной была измерена с точностью около половины процента, и это прекрасно согласуется с предсказанием инфляции. Когда была впервые предложена инфляция, средняя плотность массы была неопределенной, по крайней мере, в три раза, так что это впечатляющий успех.
- В 2016 году спутниковая команда Планка (сотрудничество около 260 авторов) обобщила свои выводы, говоря, что "результаты Планка демонстрируют убедительные доказательства в пользу простых инфляционных моделей." Так что, если инфляция непроверяема, почему есть так много ее испытаний с таким замечательным успехом?
- Ученые утверждают, что инфляция непроверяема, поскольку она ведет к вечной инфляции и мультивселенной. Тем не менее, хотя возможность мультивселенной является активной областью исследования, эта возможность никоим образом не мешает эмпирической проверяемости инфляции. Обе теории остаются в области эмпирической науки.
- Тот факт, что наши знания о Вселенной еще не завершены не дают права игнорировать впечатляющий эмпирический успех стандартных инфляционных моделей.
Полемика ученых продолжается. Авторы скандального исследования уже дали ответ, в котором заявили, что космологи должны пересмотреть свою теорию в контексте достижений современной науки.
СПРАВКА КП
Теория Большого взрыва
Это общепринятая космологическая модель, описывающая раннее развитие нашей Вселенной. Она предполагает, что раньше Вселенная была маленькой и горячей, с тех пор она расширяется и остывает. Теория инфляции описывает физическое состояние и расширение Вселенной на ранней стадии Большого взрыва. Ее суть заключается в том, что внутри быстро расширяющейся горячей Вселенной небольшой участок пространства охлаждался и начинал расширяться сильнее. Это произошло приблизительно через 10^−42 секунд после момента Большого взрыва и завершился через 10−36 секунд после момента Большого взрыва". (12 мая 2017, 14:20). http://kp.ua/life/575564-yz-za-cheho-khokynh-y-32-kosmoloha-possorylys-s-protyvnykamy-ynfliatsyonnoi-modely-vselennoi