Lawrence M. Krauss. A Universe from Nothing / Лоуренс Краусс. Вселенная из ничего.: Chapter 6: The Free Lunch at the End of the Universe

Глава 6: Бесплатный обед на Краю Вселенной

Dration 19.01.14 в 20:47

Космос большой.

cosinus 20.01.14 в 17:09

Действительно большой.

cosinus 20.01.14 в 17:09

Вы просто не поверите, насколько он необычайно, умопомрачительно большой.

cosinus 20.01.14 в 17:13

Я имею в виду, вам может казаться, что от вашего дома до аптеки далеко, но это просто ерунда в сравнении с космосом.

cosinus 20.01.14 в 17:24

- ДУГЛАС АДАМС, "Путеводитель по Галактике для путешествующих автостопом"

cosinus 20.01.14 в 17:24

Я полагаю, что одно из двух - это не так уж плохо.

Dration 19.01.14 в 20:49

Мы, космологи, догадывались (и в конечном итоге это оказалось правдой), что Вселенная плоская, так что мы не были сильно смущены шокирующим фактом, что пустой космос действительно содержит энергию, и к тому же вполне достаточно энергии, чтобы оказывать влияние на расширение Вселенной.

Dration 19.01.14 в 20:49

Существование этой энергии было невероятно, но еще более невероятен тот факт, что этой энергии недостаточно для того, чтобы сделать Вселенную непригодной для жизни.

Dration 19.01.14 в 20:49

Ведь если бы энергия космоса соответствовала первоначальным предположениям, которые я описал ранее, коэффициент расширения был бы столь велик, что все, что мы сейчас наблюдаем во Вселенной, мгновенно скрылось бы за горизонтом.

Dration 19.01.14 в 20:51

Вселенная стала бы холодной и темной гораздо раньше, чем Солнце и наша Земля смогли бы сформироваться.

Dration 19.01.14 в 20:52

Из всех причин полагать, что Вселенная была плоской, пожалуй, самая простая для понимания является результатом факта, что было хорошо известно, что Вселенная почти плоская.

cosinus 20.01.14 в 17:37

Даже в прежние годы, до обнаружения темной материи, известное количество видимого вещества внутри и вокруг галактик составляло, возможно, 1 процент от общего количества материи, необходимой, чтобы дать плоскую Вселенную.

cosinus 20.01.14 в 17:45

Сейчас 1 процент может показаться не так много, но возраст нашей Вселенная очень большой, миллиарды лет.

cosinus 20.01.14 в 17:49

Если предположить, что гравитационные эффекты материи или излучения влияют на прогрессирующее расширение, как мы, физики, всегда думали, то, если Вселенная не абсолютно плоская, по мере расширения она становится все менее и менее плоской.

cosinus 20.01.14 в 17:54

Если она открытая, скорость расширения растет более быстрыми темпами, чем это было бы для плоской Вселенной, раздвигая материю все дальше и дальше друг от друга по сравнению с тем, что было бы в противном случае, уменьшая суммарную плотность и очень быстро давая бесконечно малую часть плотности, необходимой, чтобы привести к плоской Вселенной.

cosinus 20.01.14 в 18:00

Если она закрытая, то это быстрее замедляет расширение и, в конечном итоге, приводит к тому, что она вновь сожмется.

cosinus 20.01.14 в 18:02

Все это время плотность сначала уменьшается более медленными темпами, чем для плоской Вселенной, а затем, когда Вселенная коллапсирует обратно, плотность начинает увеличиваться.

cosinus 20.01.14 в 18:05

Опять же, отклонение от плотности, ожидаемой для плоской Вселенной, со временем увеличивается.

cosinus 20.01.14 в 18:07

Вселенная увеличилась в размерах почти в триллион раз, когда ее возраст был 1 секунда.

cosinus 20.01.14 в 18:09

Если бы в это ранний момент плотность Вселенной не была практически точно такой, как ожидается от плоской Вселенной, а составляла бы, скажем, только 10 процентов плотности, необходимой для плоской Вселенной в то время, то сегодня плотность нашей Вселенной отличалась бы от плотности плоской Вселенной по меньшей мере в триллион раз.

cosinus 21.01.14 в 08:05

Это гораздо больше, чем всего лишь в 100 раз, отличающие плотность видимого вещества во Вселенной от плотности, которая бы представляла плоскую Вселенную сегодня.

cosinus 21.01.14 в 08:10

Эта проблема была хорошо известна уже в 1970-е годы, и ее стали называть "проблемой плоскостности".

cosinus 21.01.14 в 08:15

Рассматриваемая геометрия Вселенной подобна воображаемому карандашу, балансирующему вертикально на кончике на столе.

cosinus 21.01.14 в 08:20

Малейший дисбаланс, в ту или другую сторону, и он быстро опрокинется.

cosinus 21.01.14 в 08:21

Так же и для плоской Вселенной.

cosinus 21.01.14 в 08:22

Малейшее отклонение от плоскостности быстро нарастает.

cosinus 21.01.14 в 08:23

Таким образом, как Вселенная может быть почти плоской сегодня, если бы не была абсолютно плоской?

cosinus 21.01.14 в 08:28

Ответ прост: сегодня она должна быть практически плоской!

cosinus 21.01.14 в 08:29

Этот ответ на самом деле не настолько прост, потому что он вызывает вопрос: "Как начальные условия сговорились, чтобы получить плоскую Вселенную?

cosinus 21.01.14 в 08:31

Есть два ответа на этот второй, более сложный вопрос.

cosinus 21.01.14 в 08:33

Первый восходит к 1981 году, когда молодой физик-теоретик и исследователь-постдок из Стэнфордского университета, Алан Гут, размышлял о проблеме плоскостности и двух других связанных с ней проблемах стандартной картины Большого Взрыва: так называемой проблеме горизонта и проблеме монополя.

cosinus 21.01.14 в 08:39

Нас здесь интересует только первая, так как проблема монополя лишь усугубляет как проблему плоскостности, так и проблему горизонта.

cosinus 21.01.14 в 08:41

Проблема горизонта связана с тем, что космическое микроволновое фоновое излучение чрезвычайно однородно.

cosinus 21.01.14 в 08:42

Небольшие отклонения температуры, которые я описал выше, представляют собой вариации плотности материи и излучения в прошлом, когда Вселенной было несколько сотен тысяч лет, менее чем 1 часть на 10000, если сравнивать с в остальном однородным фоном плотности и температуры.

cosinus 21.01.14 в 08:46

Поэтому, хотя я сфокусировал внимание на малых отклонениях, возникал более глубокий, более актуальный вопрос: "Как Вселенная изначально стала такой однородной?"

cosinus 21.01.14 в 08:49

В конце концов, если вместо прежнего снимка космического микроволнового фонового излучения (где колебания температуры в несколько частей на 100 000 отображаются разными цветами) я покажу температурную карту неба в микроволновом диапазоне в линейном масштабе (с вариациями в оттенках, отображающими вариации температуры, скажем, примерно ± 0, 03 градуса [Кельвина] соответствует средней фоновой температуре около 2,72 градусов выше абсолютного нуля или вариации 1 части на 100 относительно среднего), карта будет выглядеть следующим образом:

cosinus 21.01.14 в 09:07

Сравните это изображение, которое не содержит ничего примечательного в плане структуры, с аналогичной проекцией поверхности Земли, с лишь слегка большей чувствительностью, с цветовыми вариациями, представляющими вариации относительно среднего радиуса примерно 1 части на 500:

cosinus 21.01.14 в 09:11

Из этого следует, что Вселенная, в больших масштабах, невероятно однородна. Как такое может быть?

cosinus 21.01.14 в 09:14

Что ж, можно было бы просто предположить, что в древние времена ранняя Вселенная была горячей, плотной, и пребывала в тепловом равновесии.

cosinus 21.01.14 в 09:15

Это означает, что все горячие точки охлаждались бы, а холодные пятна нагревались бы, пока первичный бульон не достиг бы одинаковой температуры на всем своем протяжении.

cosinus 21.01.14 в 09:18

Однако, как я указывал ранее, когда Вселенной было несколько сотен тысяч лет, свет мог пройти лишь несколько сотен тысяч световых лет, что составляет небольшой процент от того, что сейчас представляет собой вся наблюдаемая Вселенная (это прошлое расстояние представляло бы собой угол всего лишь около 1 градуса на карте всей микроволновой фоновой поверхности последнего рассеяния, наблюдаемого сегодня).

cosinus 21.01.14 в 09:29

Поскольку Эйнштейн говорит нам, что никакая информация не может распространяться быстрее света, согласно стандартной картине Большого Взрыва нет просто никакой возможности, чтобы часть того, что сейчас является наблюдаемой Вселенной, в то время влияла бы на существование и температуру других частей на угловых масштабах, больше чем примерно 1 градус.

cosinus 21.01.14 в 09:35

Таким образом, невозможно, чтобы газ на этих масштабах мог бы быть со временем термализован, чтобы привести повсеместно к такой равномерной температуре!

cosinus 21.01.14 в 09:39

Физик-ядерщик Гут размышлял о процессах, которые могли происходить в ранней Вселенной, и которые могли быть важными для понимания этой проблемы, когда придумал для них абсолютно блестящее объяснение.

cosinus 21.01.14 в 09:45

Если, когда Вселенная охлаждалась, она переживала какую-то переходную фазу, например, когда вода замерзает в лед или железная болванка при охлаждении приобретает магнитные свойства, то могла быть решена не только проблема горизонта, но также проблема плоскостности (и, если на то пошло, проблема монополя).

cosinus 21.01.14 в 09:51

Если вы любите пить по-настоящему холодное пиво, с вами, возможно, случалось такое: вы берете холодную бутылку пива из холодильника и, когда ее открываете и снижаете давление внутри, пиво вдруг замерзает полностью, и при этом может даже треснуть бутылка.

cosinus 21.01.14 в 09:57

Это происходит потому, что при высоком давлении предпочтительным низкоэнергетическим состоянием пива является жидкая форма, а как только давление выпускается, предпочтительным низкоэнергетическим состоянием пива становится твердое состояние.

cosinus 21.01.14 в 10:01

Во время фазового перехода может высвобождаться энергия, потому что низкоэнергетическое состояние в одной фазе может иметь более низкую энергию, чем низкоэнергетическое состоянии в другой фазе.

cosinus 21.01.14 в 10:04

Когда такая энергия выделяется, ее называют "скрытой теплотой".

cosinus 21.01.14 в 10:05