Большой отскок - Big Bounce

Чтобы узнать о других значениях, см . Большой скачок (значения) .
Часть серии по
Физическая космология
Изображение полного неба, полученное по данным космического корабля Planck
Ранняя вселенная
Фоны
Расширение  · Будущее
Компоненты  · Структура
Компоненты
Состав
Эксперименты
Ученые
История темы

Большой Отскок является гипотетической космологической моделью для происхождения известной вселенной . Первоначально это было предложено как фаза циклической модели или осциллирующей интерпретации Вселенной Большого Взрыва , где первое космологическое событие было результатом коллапса предыдущей Вселенной. Она перестала серьезно рассматриваться в начале 1980-х годов после того, как теория инфляции возникла как решение проблемы горизонта , которая возникла в результате достижений в наблюдениях, раскрывающих крупномасштабную структуру Вселенной. В начале 2000-х годов некоторые теоретики обнаружили, что инфляция проблематична и не поддается опровержению, поскольку ее различные параметры могут быть скорректированы в соответствии с любыми наблюдениями, так что свойства наблюдаемой Вселенной являются случайностью. Альтернативные изображения, включая Большой отскок, могут предоставить прогнозируемое и фальсифицируемое возможное решение проблемы горизонта , и с 2017 года они активно исследуются.

Расширение и сжатие

Концепция большого отскока рассматривает Большой взрыв как начало периода расширения, который следует за периодом спада. С этой точки зрения можно говорить о большом сжатии, за которым следует большой взрыв , или, проще говоря, о большом отскоке . Это говорит о том, что мы могли бы жить в любой точке бесконечной последовательности вселенных, или, наоборот, текущая вселенная может быть самой первой итерацией. Однако, если условие фазы интервала «между отскоками», рассматриваемое как «гипотеза первобытного атома», принимается в полную силу, такое перечисление может быть бессмысленным, потому что это условие может представлять сингулярность во времени в каждом случае, если такое постоянное Возврат был абсолютным и недифференцированным.

Основная идея квантовой теории большого отскока состоит 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, чем тот, в котором измерения никогда не будут возможны (одна единица планковского времени , примерно 10 -43 секунды), охватывая или ограничивая точку перегиба.

История

Космологи, в том числе Виллем де Ситтер , Карл Фридрих фон Вайцзеккер , Джордж МакВитти и Джордж Гамов , одобряли модели большого отскока в основном из эстетических соображений (которые подчеркнули, что «с физической точки зрения мы должны полностью забыть о периоде предколлапса»).

К началу 1980-х годов прогрессирующая точность и масштабы наблюдательной космологии показали, что крупномасштабная структура Вселенной плоская , однородная и изотропная. Это открытие позже было принято в качестве космологического принципа для применения в масштабах, превышающих примерно 300 миллионов световых лет. . Было признано, что необходимо найти объяснение тому, как далекие регионы Вселенной могут иметь по существу идентичные свойства, никогда не находясь в светоподобной связи. Было предложено решение - период экспоненциального расширения пространства в ранней Вселенной в качестве основы для того, что стало известно как теория инфляции . После короткого инфляционного периода Вселенная продолжает расширяться, но с меньшей скоростью.

Различные формулировки теории инфляции и их подробные последствия стали предметом интенсивного теоретического изучения. В отсутствие убедительной альтернативы инфляция стала основным решением проблемы горизонта. В начале 2000-х годов некоторые теоретики сочли инфляцию проблематичной и необъяснимой в том смысле, что ее различные параметры можно было корректировать в соответствии с любыми наблюдениями - ситуация, известная как проблема точной настройки. Более того, было обнаружено, что инфляция неизбежно вечна , создавая бесконечное количество разных вселенных с типично разными свойствами, так что свойства наблюдаемой Вселенной являются случайностью. Альтернативная концепция, включающая большой отскок, была задумана как предсказуемое и фальсифицируемое возможное решение проблемы горизонта и активно исследуется с 2017 года.

Фраза «Big Bounce» появилась в научной литературе в 1987 году, когда она впервые была использована в названии пары статей (на немецком языке) Вольфганга Пристера и Ханса-Иоахима Бломе в Stern und Weltraum . Он снова появился в 1988 году в книге Иосифа Розенталя Big Bang, Big Bounce , переработанном английском переводе русскоязычной книги (под другим названием) и в статье 1991 года (на английском языке) Пристера и Блома в области астрономии и астрофизики . (Фразу , видимо , возникла как название романа по Элмору Леонарду в 1969 году, вскоре после того, как повышение уровня информированности общественности о Большом Взрыве модели с открытием в космическом микроволновом фоне по Пензиасу и Уилсон в 1965 г.)

Идея существования большого отскока в очень ранней Вселенной нашла разнообразную поддержку в работах, основанных на петлевой квантовой гравитации . В петлевой квантовой космологии , ветвь петлевой квантовой гравитации, большой скачок был впервые обнаружен в феврале 2006 года, для изотропных и однородных моделях Аштекар , Томаш Павловского и Parampreet Сингх в Университете штата Пенсильвания . Этот результат был обобщен на различные другие модели различными группами и включает случай пространственной кривизны, космологической постоянной, анизотропии и квантованных неоднородностей Фока.

Мартин Бойовальд , доцент кафедры физики Университета штата Пенсильвания , в июле 2007 года опубликовал исследование, в котором подробно описывалась работа, в некоторой степени относящаяся к петлевой квантовой гравитации, которая утверждала, что математически решает время до Большого взрыва, что придаст новый вес колебательной Вселенной и Большому взрыву. Теории отказов.

Одна из основных проблем теории Большого взрыва заключается в том, что в момент Большого взрыва существует сингулярность нулевого объема и бесконечной энергии. Обычно это интерпретируется как конец известной нам физики; в данном случае общей теории относительности . Вот почему ожидается, что квантовые эффекты станут важными и позволят избежать сингулярности.

Однако исследования в петлевой квантовой космологии имели целью показать, что существовавшая ранее Вселенная схлопнулась не до точки сингулярности, а до точки, предшествующей этому, когда квантовые эффекты гравитации становятся настолько сильно отталкивающими, что Вселенная отскакивает назад, образуя новую ветвь. На протяжении всего этого коллапса и отскока эволюция происходит унитарно.

Бойовальд также утверждает, что можно определить некоторые свойства Вселенной, которая сжалась, чтобы сформировать нашу. Однако некоторые свойства предшествующей вселенной невозможно определить из-за какого-то принципа неопределенности. Этот результат оспаривается различными группами, которые показывают, что из-за ограничений на колебания, проистекающих из принципа неопределенности, существуют сильные ограничения на изменение относительных колебаний при отскоке.

Хотя существование большого отскока еще предстоит продемонстрировать с помощью петлевой квантовой гравитации , надежность ее основных характеристик была подтверждена с использованием точных результатов и нескольких исследований, включающих численное моделирование с использованием высокопроизводительных вычислений в петлевой квантовой космологии .

В 2003 году Питер Линдс выдвинул новую космологическую модель, в которой время циклично. Согласно его теории, наша Вселенная в конечном итоге перестанет расширяться, а затем сжимается. Прежде чем стать сингулярностью, как и следовало ожидать из теории черной дыры Хокинга, Вселенная должна подпрыгнуть. Линдс утверждает, что сингулярность нарушила бы второй закон термодинамики, и это мешает Вселенной быть ограниченной сингулярностями. Большого сжатия можно было бы избежать с новым Большим взрывом. Линдс предполагает, что точная история Вселенной будет повторяться в каждом цикле в вечном повторении . Некоторые критики утверждают, что, хотя Вселенная может быть циклической, все истории будут вариантами. Теория Линдса была отвергнута ведущими физиками из-за отсутствия математической модели, лежащей в основе ее философских соображений.

В 2006 году было предложено, что применение методов петлевой квантовой гравитации к космологии Большого взрыва может привести к отскоку, который не обязательно должен быть циклическим.

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 будет иметь времени или шкала расстояний, связанная с ним, становится идентичной Большому взрыву, что в свою очередь приводит к типу Большого сжатия, которое становится следующим большим взрывом, таким образом, увековечивая следующий цикл.

В 2011 году Никодем Поплавский показал, что неособый Большой отскок естественным образом появляется в теории гравитации Эйнштейна-Картана- Скиамы-Киббла. Эта теория расширяет общую теорию относительности, удаляя ограничение симметрии аффинной связности и рассматривая ее антисимметричную часть, тензор кручения , как динамическую переменную. Минимальная связь между кручением и спинорами Дирака порождает спин-спиновое взаимодействие, которое важно в фермионной материи при чрезвычайно высоких плотностях. Такое взаимодействие предотвращает нефизическую сингулярность Большого взрыва, заменяя ее отскоком в виде каспа с конечным минимальным масштабным фактором, до которого Вселенная сжималась. Этот сценарий также объясняет, почему нынешняя Вселенная в самых больших масштабах кажется пространственно плоской, однородной и изотропной, обеспечивая физическую альтернативу космической инфляции.

В 2012 году новая теория неособого большого отскока была успешно построена в рамках стандартной теории гравитации Эйнштейна. Эта теория сочетает в себе преимущества отскока материи и экпиротической космологии . В частности, в этой теории разрешается знаменитая неустойчивость БКЛ, заключающаяся в том, что однородное и изотропное фоновое космологическое решение неустойчиво к росту анизотропного напряжения. Более того, возмущения кривизны, вызванные сжатием материи, способны формировать почти масштабно-инвариантный первичный спектр мощности и, таким образом, обеспечивают последовательный механизм для объяснения наблюдений космического микроволнового фона (CMB).

Некоторые источники утверждают, что далекие сверхмассивные черные дыры , большие размеры которых трудно объяснить так скоро после Большого взрыва, такие как ULAS J1342 + 0928 , могут быть свидетельством Большого отскока, причем эти сверхмассивные черные дыры образовались до Большого отскока.

Смотрите также

использованная литература

  1. ^ a b Бранденбергер, Роберт; Питер, Патрик (2017). «Прыгающие космологии: успехи и проблемы». Основы физики . 47 (6): 797–850. arXiv : 1603.05834 . Bibcode : 2017FoPh ... 47..797B . DOI : 10.1007 / s10701-016-0057-0 . ISSN  0015-9018 . S2CID  118847768 .
  2. ^ Краг, Хельге (1996). Космология . Принстон, Нью-Джерси: Издательство Принстонского университета . ISBN 978-0-691-00546-1.
  3. ↑ Макки, Мэгги (25 сентября 2014 г.). «Гениально: Пол Дж. Стейнхардт - физик из Принстона о том, что не так с теорией инфляции, и его взгляд на Большой взрыв» . Наутилус (17). NautilusThink Inc . Проверено 31 марта 2017 года .
  4. ^ Steinhardt, Пол Дж .; Турок, Нил (2005). «Циклическая модель упрощенная». Новые обзоры астрономии . 49 (2–6): 43–57. arXiv : astro-ph / 0404480 . Bibcode : 2005NewAR..49 ... 43S . DOI : 10.1016 / j.newar.2005.01.003 . ISSN  1387-6473 . S2CID  16034194 .
  5. ^ Ленерс, Жан-Люк; Стейнхардт, Пол Дж. (2013). «Результаты Planck 2013 поддерживают циклическую вселенную». Physical Review D . 87 (12): 123533. arXiv : 1304.3122 . Bibcode : 2013PhRvD..87l3533L . DOI : 10.1103 / PhysRevD.87.123533 . ISSN  1550-7998 . S2CID  76656473 .
  6. ^ Overduin, Джеймс; Ханс-Иоахим Бломе; Йозеф Хоэлл (июнь 2007 г.). «Вольфганг Пристер: от большого скачка к вселенной, где доминирует Λ». Naturwissenschaften . 94 (6): 417–429. arXiv : astro-ph / 0608644 . Bibcode : 2007NW ..... 94..417O . DOI : 10.1007 / s00114-006-0187-х . PMID  17146687 . S2CID  9204407 .
  7. ^ Аштекар, Абхай; Павловский, Томаш; Сингх, Парамприт (12 апреля 2006 г.). «Квантовая природа Большого взрыва» . Письма с физическим обзором . 96 (14): 141301. arXiv : gr-qc / 0602086 . Bibcode : 2006PhRvL..96n1301A . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.96.141301 . PMID  16712061 . S2CID  3082547 .
  8. ^ Аштекар, Абхай; Сингх, Парамприт (2011-11-07). "Петлевая квантовая космология: отчет о состоянии". Классическая и квантовая гравитация . 28 (21): 213001. arXiv : 1108.0893 . Bibcode : 2011CQGra..28u3001A . DOI : 10.1088 / 0264-9381 / 28/21/213001 . ISSN  0264-9381 . S2CID  119209230 .
  9. ^ Bojowald, Martin (2007). "Что произошло до Большого взрыва?" . Физика природы . 3 (8): 523–525. Bibcode : 2007NatPh ... 3..523B . DOI : 10.1038 / nphys654 .
  10. ^ Коричи, Алехандро; Сингх, Парамприт (23 апреля 2008 г.). «Квантовый отскок и космическое воспоминание» . Письма с физическим обзором . 100 (16): 161302. arXiv : 0710.4543 . Bibcode : 2008PhRvL.100p1302C . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.100.161302 . PMID  18518182 . S2CID  40071231 .
  11. ^ Камински, Войцех; Павловский, Томаш (15.04.2010). «Космический отзыв и картина рассеяния петлевой квантовой космологии» . Physical Review D . 81 (8): 084027. arXiv : 1001.2663 . Bibcode : 2010PhRvD..81h4027K . DOI : 10.1103 / PhysRevD.81.084027 . S2CID  44771809 .
  12. ^ Аштекар, Абхай; Коричи, Алехандро; Сингх, Парамприт (2008). «Устойчивость ключевых особенностей петлевой квантовой космологии». Physical Review D . 77 (2): 024046. arXiv : 0710.3565 . Bibcode : 2008PhRvD..77b4046A . DOI : 10.1103 / PhysRevD.77.024046 . S2CID  118674251 .
  13. ↑ Дэвид Адам (14 августа 2003 г.). «Странная история Питера Линдса» . Хранитель .
  14. ^ "Исследователи штата Пенсильвания смотрят за пределы рождения Вселенной" . Science Daily . 17 мая 2006 г.Ссылаясь на Аштекар, Абхай; Павловский, Томаш; Сингх, Пармприт (2006). «Квантовая природа Большого взрыва». Письма с физическим обзором . 96 (14): 141301. arXiv : gr-qc / 0602086 . Bibcode : 2006PhRvL..96n1301A . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.96.141301 . PMID  16712061 . S2CID  3082547 .
  15. ^ Пенроуз, Р. (2010). Циклы времени: необычайно новый взгляд на вселенную. Случайный дом
  16. ^ Поплавский, штат Нью - Джерси (2012). «Неособая космология большого отскока от спинорно-торсионного взаимодействия». Physical Review D . 85 (10): 107502. arXiv : 1111.4595 . Bibcode : 2012PhRvD..85j7502P . DOI : 10.1103 / PhysRevD.85.107502 . S2CID  118434253 .
  17. ^ Цай, И-Фу; Дэмиен Иссон; Роберт Бранденбергер (2012). «К неособой подпрыгивающей космологии». Журнал космологии и физики астрономических частиц . 2012 (8): 020. arXiv : 1206.2382 . Bibcode : 2012JCAP ... 08..020C . DOI : 10.1088 / 1475-7516 / 2012/08/020 . S2CID  118679321 .
  18. ^ Ландау, Элизабет; Банядос, Эдуардо (6 декабря 2017 г.). «Найдено: Самая далекая черная дыра» . НАСА . Проверено 6 декабря +2017 . «Эта черная дыра стала намного больше, чем мы ожидали, всего за 690 миллионов лет после Большого взрыва, что ставит под сомнение наши теории о том, как образуются черные дыры», - сказал соавтор исследования Дэниел Стерн из Лаборатории реактивного движения НАСА в Пасадене, Калифорния.
  19. ↑ Джейми Зайдель (7 декабря 2017 г.). «Черная дыра на заре времени бросает вызов нашему пониманию того, как была сформирована Вселенная» . News Corp Australia . Проверено 9 декабря 2017 . 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, как мы ее знаем, из квантовой сингулярности. Но в последнее время набирает вес еще одна идея: Вселенная периодически расширяется и сжимается, что приводит к «Большому отскоку». И существование ранних черных дыр было предсказано как ключевой показатель того, может ли эта идея быть верной. Этот очень большой. Чтобы достичь своего размера - в 800 миллионов раз больше массы, чем наше Солнце, - оно должно было проглотить много вещей. ... Насколько мы понимаем, вселенная в то время просто не была достаточно старой, чтобы породить такого монстра.
  20. ^ Youmagazine персонала (8 декабря 2017). «Черная дыра, более древняя, чем Вселенная» (по-гречески). You Magazine (Греция) . Проверено 9 декабря 2017 . Эта новая теория, которая допускает, что Вселенная переживает периодические расширения и сжатия, называется «Большой отскок».

дальнейшее чтение

внешние ссылки