Двадцатый век: 1979 и "...до Большого Взрыва..."
Оригинал: http://scienceblogs.com/startswithabang/2009/07/the_last_100_years_1979_and_be.php
Мы прошли большой путь по двадцатому веку и теперь имеем сформированную картину Вселенной. От островной галактики управляемой законами Ньютоновской гравитации и классического электромагнетизма, мы пришли к открытию теории относительности, расширению Вселенной, необходимости существования черной материи, к большому взрыву, синтезу элементов в звездах и к прогулке по Луне. К 70-м годам, мы стали обладателями сказочной картины развития Вселенной.
Была лишь одна "маленькая" проблема: А что стало причиной Большого Взрыва? Мы знаем законы гравитации и квантовой механики, что Вселенная конечна во времени, что она расширяется, охлаждается и купается в реликтовом излучении . В целом, мы могли быть уверены, что галактики и скопления галактик выглядели именно так, как они должны и единственной космологической проблемой оставался вопрос о темной материи удерживающей скопления и галактики вместе.
Но при ближайшем рассмотрении, выявился еще один ряд проблем. Во-первых, "остаточное свечение" от Большого Взрыва было одной и той же температуры по всей Вселенной. Почему? Если посмотреть в одном направлении в пространство, то там вы обнаружите температуру 2.725 Кельвина и это будет наблюдаться даже на расстоянии 46 миллиардов световых лет. А если посмотреть в противоположном, на те же 46 миллиардов световых лет, температура так же будет 2.725 Кельвина. Но как? Ведь эти места в пространстве никогда не были в контакте? А чтобы температура выравнялась всегда нужно время: именно поэтому люди на заднем сиденье жалуются на отсутствие кондиционера летом! Даже сегодня мы знаем, что разница температур в двух частях неба всего лишь несколько сотен тысячных градуса.
Так что, вот первая проблема. Почему Вселенная имеет одну и ту же температуру во всех своих точках?
Но это еще не все. Если вы посмотрите со стороны, то Земля выглядит несколько плоской, неправда ли? Мы знаем, что она имеет форму сферы, но видим ее плоской, так как можем воспринять лишь часть ее поверхности. А что насчет Вселенной? Тут мы можем вообразить три варианта форм для нее: плоская, сферообразная или форму седла.
Мы обнаруживаем не только то, что Вселенная плоская, а то, что она настолько плоская, что возвращаясь в ранние стадии большого взрыва, она должна была быть плоскость в соотношении 1 часть к 10^51! Это просто невероятно, как бросить дротик в планету Земля и попасть в нужный атом.
Кроме того, имелись другие проблемы, такие как:
* Что создало те маленькие гравитационные несовершенства, что позволили звездам, галактикам, скоплениям галактик образоваться?
* Почему, если Вселенная была так горяча в начале, нет никаких свидетельств этого(к примеру, магнитный монополь)?
* Как это соотносится с тем фактом, что Вселенная была горяча, сдавлена и расширялась?
Над этими проблемами работали многие люди, сделавшие в нее большой вклад. Но один физик из MIT, разгадал эти загадки:
Инфляционная модель Вселенной была предложена Аланом Гутом в конце 1979 и к тому времени, как она вышла в статье в начале 1980, практически каждый космолог на Земле работал над ней.
Вот, что значилось в модели инфляции Гута. Начнем с совершенно произвольной Вселенной. Может быть некоторые ее части расширяются, может некоторые закрепились, может какие-то горячие, а другие холодные. Но в одном(может быть, микроскопическом) месте вы получаете удобные условия для расширения(инфляции). Инфляция захватывает этот один крошечный кусочек пространства и расширяет его, как шланг под высоким давлением раздувает бесконечно растягивающийся воздушный шар. Независимо от того, как Вселенная выглядела до расширения, даже после доли секунды ее инфляции, Вселенная будет плоско растянутой, пустой, расширяющейся в геометрической прогрессии и нестабильной.
Экспонциональное расширение дает ответ на большинство поставленных вопросов. Температура может одной и той же в любом месте, так как инфляция начавшаяся в крошечной точке, из которой и развилась наша Вселенная, могла быть достаточно равномерной для этого. Вселенная плоская, поскольку инфляция вытянула ее. (Посмотрите на это шар, с точки зрения муравья, если не верите).
А те маленькие недостатки, что приводят к появлению звезд, галактик и кластеров появляются очень интересным способом. Пустое пространство, в соответствие с квантовой механикой, не такое уж и пустое. Крохотные пары частиц и античастиц, волн и антиволн постоянно впрыгивают в и выпрыгивают из пространства. Но в экспонционально расширяющейся Вселенной, пространство между ними растягивается так быстро, что они не могут найти друг друга снова, чтобы аннигилировать, и это создает некоторые различия в плотности, что существуют по сей день.
Но, пожалуй самое замечательное в инфляции то, что она нестабильна! Это экспонционально расширяющееся пространство наполнено этой таинственной энергией, но учитывая E=mc^2, мы можем преобразовать эту энергию в материю! И это именно то, что происходит. Эта нестабильная энергия преобразуется в фотоны, кварки, электроны, нейтрино и во все виды материи, антиматерии, в которые это физически возможно. К концу инфляции, мы получаем Вселенную в которой:
1. в любой точке одна и та же температура,
2. обязательно плоскую (или неразличимо плоскую),
3. лишенную, всех этих сумасшедших вещей, что возможно существовали до инфляции,
4. с крошечными семенами иной плотности, рассеянными на всех уровнях, и
5. горячую, плотную, полную материи и расширяющуюся!
И она описывала Большой Взрыв, почти в точности, так как нам требовалось.
Инфляция - широкая область знания и Алан Гут не единственный кто работал над ней, но он был первым и единственным, кто объяснил, как инфляция решает все эти проблемы. Мне посчастливилось встретиться с Аланом Гутом и он очень скромный и приятный человек. Я так же встречал других важных людей, что работали над инфляцией, таких как Андрей Линде, Алексей Старобинский и Пол Штейнхард. Они не скромны и открыто хватаются за славу, когда дело касается похвал за теорию инфляции. Но не делайте ошибок: Это идея Гута и только Гута. Ватсон не изобретал телефон, Гилберт не открывал общую теорию относительности и за эту идею, Гут заслуженно получил Нобелевскую премию. И тот факт, что ему приходится делить ее с некоторыми больше политическими(нежели научно) заслужившими признания людьми, заставляет меня чувствовать себя в неприятно.
Но все же, по мне,Алан Гут получил приз, которого он заслуживает: звание первооткрывателя инфляции, самого важного научного открытия его десятилетия, честь объяснения причин Большого Взрыва!
Мы прошли большой путь по двадцатому веку и теперь имеем сформированную картину Вселенной. От островной галактики управляемой законами Ньютоновской гравитации и классического электромагнетизма, мы пришли к открытию теории относительности, расширению Вселенной, необходимости существования черной материи, к большому взрыву, синтезу элементов в звездах и к прогулке по Луне. К 70-м годам, мы стали обладателями сказочной картины развития Вселенной.
Была лишь одна "маленькая" проблема: А что стало причиной Большого Взрыва? Мы знаем законы гравитации и квантовой механики, что Вселенная конечна во времени, что она расширяется, охлаждается и купается в реликтовом излучении . В целом, мы могли быть уверены, что галактики и скопления галактик выглядели именно так, как они должны и единственной космологической проблемой оставался вопрос о темной материи удерживающей скопления и галактики вместе.
Но при ближайшем рассмотрении, выявился еще один ряд проблем. Во-первых, "остаточное свечение" от Большого Взрыва было одной и той же температуры по всей Вселенной. Почему? Если посмотреть в одном направлении в пространство, то там вы обнаружите температуру 2.725 Кельвина и это будет наблюдаться даже на расстоянии 46 миллиардов световых лет. А если посмотреть в противоположном, на те же 46 миллиардов световых лет, температура так же будет 2.725 Кельвина. Но как? Ведь эти места в пространстве никогда не были в контакте? А чтобы температура выравнялась всегда нужно время: именно поэтому люди на заднем сиденье жалуются на отсутствие кондиционера летом! Даже сегодня мы знаем, что разница температур в двух частях неба всего лишь несколько сотен тысячных градуса.
Так что, вот первая проблема. Почему Вселенная имеет одну и ту же температуру во всех своих точках?
Но это еще не все. Если вы посмотрите со стороны, то Земля выглядит несколько плоской, неправда ли? Мы знаем, что она имеет форму сферы, но видим ее плоской, так как можем воспринять лишь часть ее поверхности. А что насчет Вселенной? Тут мы можем вообразить три варианта форм для нее: плоская, сферообразная или форму седла.
Мы обнаруживаем не только то, что Вселенная плоская, а то, что она настолько плоская, что возвращаясь в ранние стадии большого взрыва, она должна была быть плоскость в соотношении 1 часть к 10^51! Это просто невероятно, как бросить дротик в планету Земля и попасть в нужный атом.
Кроме того, имелись другие проблемы, такие как:
* Что создало те маленькие гравитационные несовершенства, что позволили звездам, галактикам, скоплениям галактик образоваться?
* Почему, если Вселенная была так горяча в начале, нет никаких свидетельств этого(к примеру, магнитный монополь)?
* Как это соотносится с тем фактом, что Вселенная была горяча, сдавлена и расширялась?
Над этими проблемами работали многие люди, сделавшие в нее большой вклад. Но один физик из MIT, разгадал эти загадки:
Инфляционная модель Вселенной была предложена Аланом Гутом в конце 1979 и к тому времени, как она вышла в статье в начале 1980, практически каждый космолог на Земле работал над ней.
Вот, что значилось в модели инфляции Гута. Начнем с совершенно произвольной Вселенной. Может быть некоторые ее части расширяются, может некоторые закрепились, может какие-то горячие, а другие холодные. Но в одном(может быть, микроскопическом) месте вы получаете удобные условия для расширения(инфляции). Инфляция захватывает этот один крошечный кусочек пространства и расширяет его, как шланг под высоким давлением раздувает бесконечно растягивающийся воздушный шар. Независимо от того, как Вселенная выглядела до расширения, даже после доли секунды ее инфляции, Вселенная будет плоско растянутой, пустой, расширяющейся в геометрической прогрессии и нестабильной.
Экспонциональное расширение дает ответ на большинство поставленных вопросов. Температура может одной и той же в любом месте, так как инфляция начавшаяся в крошечной точке, из которой и развилась наша Вселенная, могла быть достаточно равномерной для этого. Вселенная плоская, поскольку инфляция вытянула ее. (Посмотрите на это шар, с точки зрения муравья, если не верите).
А те маленькие недостатки, что приводят к появлению звезд, галактик и кластеров появляются очень интересным способом. Пустое пространство, в соответствие с квантовой механикой, не такое уж и пустое. Крохотные пары частиц и античастиц, волн и антиволн постоянно впрыгивают в и выпрыгивают из пространства. Но в экспонционально расширяющейся Вселенной, пространство между ними растягивается так быстро, что они не могут найти друг друга снова, чтобы аннигилировать, и это создает некоторые различия в плотности, что существуют по сей день.
Но, пожалуй самое замечательное в инфляции то, что она нестабильна! Это экспонционально расширяющееся пространство наполнено этой таинственной энергией, но учитывая E=mc^2, мы можем преобразовать эту энергию в материю! И это именно то, что происходит. Эта нестабильная энергия преобразуется в фотоны, кварки, электроны, нейтрино и во все виды материи, антиматерии, в которые это физически возможно. К концу инфляции, мы получаем Вселенную в которой:
1. в любой точке одна и та же температура,
2. обязательно плоскую (или неразличимо плоскую),
3. лишенную, всех этих сумасшедших вещей, что возможно существовали до инфляции,
4. с крошечными семенами иной плотности, рассеянными на всех уровнях, и
5. горячую, плотную, полную материи и расширяющуюся!
И она описывала Большой Взрыв, почти в точности, так как нам требовалось.
Инфляция - широкая область знания и Алан Гут не единственный кто работал над ней, но он был первым и единственным, кто объяснил, как инфляция решает все эти проблемы. Мне посчастливилось встретиться с Аланом Гутом и он очень скромный и приятный человек. Я так же встречал других важных людей, что работали над инфляцией, таких как Андрей Линде, Алексей Старобинский и Пол Штейнхард. Они не скромны и открыто хватаются за славу, когда дело касается похвал за теорию инфляции. Но не делайте ошибок: Это идея Гута и только Гута. Ватсон не изобретал телефон, Гилберт не открывал общую теорию относительности и за эту идею, Гут заслуженно получил Нобелевскую премию. И тот факт, что ему приходится делить ее с некоторыми больше политическими(нежели научно) заслужившими признания людьми, заставляет меня чувствовать себя в неприятно.
Но все же, по мне,Алан Гут получил приз, которого он заслуживает: звание первооткрывателя инфляции, самого важного научного открытия его десятилетия, честь объяснения причин Большого Взрыва!