Готовый перевод String Theory for Dummies / Теория струн для «чайников»: Using Inflation to Solve the Universe’s Problems of Flatness and Horizon

Использование инфляции для решения проблем плоскостности и горизонта вселенной

В то время как учёные пытались понять вселенную, оставалось две главные проблемы: проблема плоскостности и проблема горизонта.

Для решения этих проблем теория большого взрыва была модифицирована инфляционной теорией, которая утверждает, что краткое время после создания вселенная быстро расширялась.

В настоящее время принципы, лежащие в основе инфляционной теории, оказывают серьёзное влияние на то, как теория струн выглядит в глазах многих физиков, что станет ясно в главе 14.

Эти две проблемы можно сформулировать следующим образом:

• Проблема горизонта: космическое микроволновое фоновое излучение во всех направления имеет практически одну и ту же температуру.

• Проблема плоскостности: вселенная, по-видимому, имеет плоскую геометрию.

Проблемы вселенной: слишком далеко и слишком плоско

Проблема горизонта (также иногда называемая проблемой однородности) заключается в том, что не имеет значения, в каком направлении вы будете смотреть на вселенную - по сути вы увидите одно и то же (см. рис. 9-3).

Температура реликтового излучения по всей вселенной, согласно измерениям очень высокой точности, практически одна и та же во всех направлениях.

Такого и впрямь не должно быть, если подумать об этом более тщательно.

Если вы смотрите в космос в каком-либо направлении, на самом деле вы смотрите в прошлое.

Свет, который достигает ваших глаз (или телескопа), передвигается со скоростью света, так что он был испущен годы назад.

Это значит, что существует граница в 14 миллиардов (приблизительно) световых лет во всех направлениях.

(Фактически граница расположена дальше, так как пространство расширяется, но в рамках данного примера это можно проигнорировать.)

Если что-то и находится дальше этой черты, то для нас нет никакой возможности получить об этом информацию.

Так что вы подыскали мощный телескоп и теперь можете смотреть на реликтовое излучение, произведённое 14 миллиардов световых лет назад (назовём это точкой А).

Если теперь вы взглянете на расстояние в 14 миллиардов световых лет в противоположном направлении (назовём это точкой B), то увидите точно такое же реликтовое излучение.

Вполне нормально, что вы будете считать, что всё космическое микроволновое фоновое излучение во вселенной как-то рассеялось по всей вселенной, подобно распространению тепла от раскалённой печки.

Каким-то образом существует связь тепловой информации в точках А и B.

Но точки A и B находятся на расстоянии в 28 миллиардов световых лет, а это значит, так как никакой сигнал не может распространяться быстрее скорости света, что нет способа, как эти точки могли бы сообщиться друг с другом за всё время существования вселенной.

Как получилось, что они имеют одинаковую температуру, если тепло не может быть передано между ними?

Это и есть проблема горизонта.

Проблема плоскостности имеет дело с геометрией нашей вселенной, которая, как кажется (особенно в связи с последними данными космического аппарата WMAP), является плоской, как изображено на рис. 9-2.

Плотность материи и скорость расширения вселенной кажутся практически идеально сбалансированными даже спустя 14 миллиардов лет, когда незначительные возмущения должны были бы уже значительно вырасти.

И так как этого не случилось, физикам требуется объяснение, почему начальные незначительные возмущения не усилились во много раз.

Существовали ли вообще возмущения?

Разрастались ли они в крупномасштабные возмущения?

Случилось ли что-то такое, что сгладило их?

Проблема плоскостности ищет причину того, почему вселенная имеет такую идеально выглядящую плоскую геометрию.

Быстрое раннее расширение содержит решение

В 1980 г. астрофизик Алан Гут предложил инфляционную теорию для решения проблем горизонта и плоскостности (хотя позднее потребовались уточнения, сделанные Андреем Линде, Андреасом Альбрехтом, Полом Стейнхардтом и другими, чтобы теория заработала).

Согласно этой модели, расширение вселенной на ранней стадии существования происходило намного быстрее, чем мы наблюдаем сегодня.

Оказывается, что инфляционная теория решает как проблему плоскостности, так и проблему горизонта (по крайней мере удовлетворяюще для большинства космологов и астрофизиков).

Проблема горизонта решается следующим образом: вначале различные области, которые мы наблюдаем, находились достаточно близко друг к другу для взаимодействия, однако во время инфляции пространство расширялось так быстро, что эти близкие регионы были разбросаны по всей видимой вселенной.

Проблема плоскостности решается, так как процесс инфляции фактически делает вселенную плоской.

Представьте не надутый воздушный шарик, на котором есть все виды складок и других неровностей.

Когда шарик надувается, поверхность разглаживается.

Согласно инфляционной теории, то же самое происходит и с тканью вселенной.

Вдобавок к решению проблем горизонта и плоскостности, инфляция также предоставляет основу для структуры, которую мы сегодня видим во вселенной.

Крошечные вариации энергии в процессе инфляции, как просто объясняется принципом квантовой неопределённости, становятся источником для скопления материи, в конце концов превращаясь в галактики и скопления галактик.

Одна из проблем инфляционной теории заключается в том, что точный механизм, который стал причиной начала - а затем и конца - периода инфляции, неизвестен.

Многие технические стороны инфляционной теории остаются без ответа, хотя модели включают в себя скалярное поле, названное инфляционным полем и соответствующее теоретической частице под названием инфлатон.

Большинство космологов сегодня полагают, что некая форма инфляции, вероятно, имела место в ранней вселенной.

Некоторые разновидности этой модели и альтернативные ей предлагаются приверженцами теории струн и другими физиками.

Два создателя теории инфляции, Андреас Альбрехт и Пол Дж. Стейнхардт, также работали над альтернативными теориями.

В главе 14 можно увидеть экпиротический сценарий Стейнхардта, а в главе 19 - космологическую теорию Альбрехта с переменной скоростью света.

Внимание! Этот перевод, возможно, ещё не готов.
Его статус: перевод редактируется

Переведено на Нотабеноиде
http://notabenoid.org/book/38781/145387

Переводчики: ilves_ArtO