 |
Астронет: Patricia Schwarz/CalTech Перевод "Официального Сайта Теории Суперструн" http://variable-stars.ru/db/msg/1199352/cosmo/cosmo4.html |
<< Каково будущее нашей Вселенной? | Оглавление | При чем же тут струнная теория? >>
Что было до Большого Взрыва?
Все факты говорят о том, что Большой Взрыв был-таки. Единственное, что можно спросить для уточнения или для определения более четких границ между физикой и метафизикой, так это что же было до Большого Взрыва?
Физики определяют границы физики описывая их теоретически и потом сравнивая результаты своих предположений с наблюдательными данными. Наша Вселенная, которую мы наблюдаем, очень хорошо описывается как плоское пространство с плотностью, равной критической, темной материей и космологической постоянной, добавленным к наблюдаемому веществу, которая будет расширяться вечно.
Если мы продолжим эту модель назад в прошлое, когда когда Вселенная была очень горячей и очень плотной, доминировало в ней излучение, то необходимо понять физику элементарных частиц, которая работала тогда, при тех плотностях энергии. Понимание физики элементарных частиц с точки зрения экспериментов очень плохо помогают уже при энергиях порядка масштаба электрослабого объединения, и физики-теоретики разрабатывают модели, выходящие за рамки Стандартной Модели физики элементарных частиц, такие, как Теории Большого Объединения, суперсимметричные, струнные модели, квантовая космология.
Такие расширения Стандартной модели необходимы из-за трех серьезных проблем Большого Взрыва:
1. проблема плоскостности
2. проблема горизонта
3. проблема космологических магнитных монополей
Проблема плоскостности
Судя по результатам наблюдений, в нашей Вселенной плотность энергии всего вещества, включая темную материю и космологическую постоянную, с хорошей точностью равна критической, из чего следует, что пространственная кривизна должна быть равна нулю. Из уравнений Эйнштейна следует, что любое отклонение от плоскостности в расширяющейся Вселенной, заполненной только обычным веществом и излучением, только увеличивается с расширением Вселенной. Таким образом, даже очень небольшое отклонение от плоскостности в прошлом должно быть очень большим сейчас. По результатам наблюдений сейчас отклонение от плоскостности (если оно есть) очень мало, то значит в прошлом, на первых стадиях Большого Взрыва оно было еще на много порядков меньше.
Почему Большой Взрыв начался с таким микроскопическим отклонением от плоской геометрии пространства ? Эта проблема называется проблемой плоскостности космологии Большого Взрыва.
Независимо от физики, которая предшествовала Большому Взрыву, она перевела Вселенную в состояние с нулевой пространственной кривизной. Таким образом, физическое описание того, что предшествовало Большому Взрыву, должно решить проблему плоскостности.
Проблема горизонта
Космическое микроволновое излучение представляет собой охлажденные остатки излучения, которое "главенствовало" во Вселенной во время радиационно-доминированной стадии Большого Взрыва. Наблюдения космического микроволнового фонового излучения показывают, что оно удивительно одинаково во всех направлениях, или, как говорят, это очень хорошо изотропное тепловое излучение. Температура этого излучения составляет 2.73 градуса Кельвина. Анизотропия этого излучения очень мала.
Излучение может быть таким однородным только в одном случае - если фотоны очень хорошо "перемешаны", или находятся в тепловом равновесии, посредством столкновений. И это все представляет собой проблему для модели Большого Взрыва. Частицы, которые сталкиваются, не могут передавать информацию со скоростью больше, чем скорость света. Но в расширяющейся Вселенной, в которой мы живем, фотоны, движущиеся со скоростью света, не успевают долететь от одного "края" Вселенной до другого за время, необходимое для формирования наблюдаемой изотропии теплового излучения. Размер горизонта представляет собой расстояние, которое может пройти фотон; Вселенная же при этом расширяется.
Сегодняшний размер горизонта во Вселенной слишком мал для объяснения изотропии реликтового излучения, для того, чтобы она формировалась естественным образом путем перехода в тепловое равновесие. Это и есть проблема горизонта.
Проблема реликтовых магнитных монополей
Когда мы на Земле экспериментируем с магнитами, у них всегда есть два полюса, Северный и Южный. И если разрезать магнит пополам, то в результате не будет у нас магнит с только Северным и магнит с только Южным полюсами. А будут у нас два магнита у каждого из которых будет по два полюса - Северному и Южному.
Магнитным монополем был бы такой магнит, у которого был бы только один полюс. Но магнитных монополей никто никогда не видел. Почему же?
Этот случай довольно сильно отличается от случая электрического заряда, где можно легко разделить заряды на положительный и отрицательный так, что на одном краю будут только положительные, а на другом только отрицательные.
Современные теории типа теорий Большого Объединения, суперструнных теорий предсказывают существование магнитных монополей, а в совокупности с теорией относительности получается, что в процессе Большого Взрыва их должно производиться очень много, настолько, что их плотность может превысить наблюдаемую плотность в тысячу миллиардов раз.
Однако пока экспериментаторы не нашли ни одного.
Это третий мотив искать выход за пределами Большого Взрыва - нам необходимо объяснить, что же происходило во Вселенной когда та была очень маленькой и очень горячей.
Инфляционная Вселенная?
Вещество и излучение гравитационно притягиваются, так что в максимально симметричном пространстве, заполненном материей, гравитация неизбежно заставит расти и уплотняться любые неоднородности материи. Именно этим путем водород из формы газа перешел в форму звезд и галактик. Но энергия вакуума обладает очень сильным вакуумным давлением, и это давление вакуума сопротивляется гравитационному коллапсу, эффективно действуя как отталкивающая гравитационная сила, антигравитация. Давление вакуума разглаживает неоднородности, и делает пространство более плоским и однородным в процессе расширения.
Таким образом, одним из возможных решений проблемы плоскостности было бы такое, при котором наша Вселенная проходила бы через стадию, на которой доминировала бы плотность энергии вакуума (и, таким образом, его давление). Если эта стадия имела место быть до радиационно-доминированной стадии, то к началу эволюции на радиационно-доминированной стадии Вселенная уже должна была быть плоской с очень высокой степенью, настолько плоской, чтобы после роста возмущений на радиационно-доминированной стадии и стадии доминирования вещества нынешняя плоскостность Вселенной удовлетворяла наблюдательным данным.
Решение проблемы плоскостности такого типа было предложено в 1980г. космологом Аланом Гусом (Alan Guth). Модель же называется Инфляционной Вселенной. В рамках инфляционной модели наша Вселенная в самом начале своей эволюции представляет собой расширяющийся пузырь чистой энергии вакуума, безо всякого иного вещества или излучения. После быстрого периода расширения, или инфляции, и быстрого охлаждения, потенциальная энергия вакуума переходит в кинетическую энергию рождающихся частиц и излучение. Вселенная опять нагревается и мы получаем начало стандартного Большого Взрыва.
Таким образом, инфляционная стадия, предшествовавшая Большому Взрыву, может объяснить, как Большой Взрыв может начаться с такой равной нулю с такой высокой точностью пространственной кривизной, такой, что Вселенная все еще остается плоской.
Инфляционные модели также решают и проблему горизонта. Давление вакуума ускоряет расширение пространства во времени, таким образом, фотон может пройти значительно большее расстояние, нежели во Вселенной, заполненной веществом. Иными словами, сила притяжения, действующая со стороны вещества на свет, в некотором смысле замедляет его, так же, как оно замедляет и расширение пространства. На инфляционной стадии, расширение пространства ускоряется вакуумным давлением космологической постоянной, что приводит к тому, что свет движется быстрее, поскольку и само пространство расширяется быстрее.
Если в истории нашей Вселенной действительно была инфляционная стадия, предшествовавшая радиационно-доминированной стадии, то к концу инфляции свет мог обойти всю Вселенную. Таким образом, изотропия реликтового излучения больше не является проблемой Большого Взрыва.
Инфляционная модель решает также и проблему магнитных монополей, поскольку в теориях, в которых они возникают, должен быть один монополь на пузырь вакуумной энергии. А это означает, что один монополь на всю Вселенную.
Вот почему теория инфляционной Вселенной наиболее популярна среди космологов как теория того, что предшествовало Большому Взрыву.
Как работает инфляция?
Энергия вакуума, которая движет быстрое расширение Вселенной во время инфляционной стадии, берется из скалярного поля, которое появляется в результате спонтанного нарушения симметрии в рамках некоторых обобщенных теорий элементарных частиц, таких, как Теория Великого Объединения или струнная теория.
Это поле иногда называют инфлатоном. Среднее значение инфлатона при температуре T это величина в минимуме его потенциала при температуре T. Положение этого минимума меняется с изменением температуры, как показано на анимации выше.
Для температуры T выше некоторой критической температуры Tcrit, минимумом потенциала будет его ноль. Но при уменьшении температуры потенциал начинает изменяться и появляется второй минимум с ненулевой температурой. Такое поведение называют фазовым переходом, также, как пар охлаждается и конденсируется в воду. Для воды критическая температура Tcrit для этого фазового перехода равна 100 градусов Цельсия что эквивалентно 373 градусам Кельвина.
Два минимума в потенциале отражают две возможные фазы состояния поля инфлатона во Вселенной при температуре, равной критической. Одной фазе отвечает минимум поля f=0, а другая фаза представлена вакуумной энергией если в основном состоянии f=f0.
В соответствии с инфляционной моделью, при критической температуре в пространство-время начинает переходить из одного минимума в другой под действием этого фазового перехода. Но этот процесс неравномерен, и всегда остаются регионы, в которых старый "ложный" вакуум остается еще долгое время. Это называется суперохлаждением, из аналогии с термодинамикой. Эти регионы с ложным вакуумом расширяются экспоненциально быстро и вакуумная энергия этого ложного вакуума является с хорошей точностью постоянной (космологической постоянной) во время этого расширения. Этот процесс и называется инфляцией и именно он и решает проблемы плоскостности, горизонта и монополей.
Этот регион с ложным вакуумом расширяется до тех пор, пока рождающиеся и сливающиеся пузыри новой фазы с f=f0 заполнят всю Вселенную и таким образом не завершат инфляцию естественным образом. Потенциальная энергия вакуума переходит в кинетическую энергию рождающихся частиц и излучение, и Вселенная продолжает эволюционировать согласно модели Большого Взрыва, описанной выше.
Тестируемые предсказания?
Всегда приятно, когда есть предсказания теории, которые можно непосредственно проверить, и у инфляционной теории есть предсказания по поводу возмущений плотности, которые нашли отражения в космическом микроволновом излучении. Инфляционный пузырь состоит из расширяющегося с ускорением вакуума. В этом ускоряющемся вакууме температурные возмущения скалярного поля очень малы и примерно одинаковы на всех масштабах, поэтому можно сказать, что возмущения имеют Гауссово распределение. Это предсказание удовлетворяет нынешним наблюдательным данным и будет еще более надежно проверено в будущих экспериментах, связанных с реликтовым излучением.
Таким образом, решены все проблемы?
Но несмотря на предсказания, о которых шла речь выше и их подтверждения, инфляция, описанная выше все еще далека от идеальной теории. Инфляционную стадию не так просто остановить, а проблема монополей поднимается в физике не только в связи с инфляцией. Многие предположения, используемые в теории, такие, как высокая начальная температура первичной фазы или единость инфляционного пузыря вызывают много вопросов и недоумений, так что наравне с инфляцией разрабатываются и альтернативные теории.
Нынешние инфляционные модели уже далеко ушли от изначальных предположений об одной инфляции, которая дала жизнь одной Вселенной. В нынешних инфляционных моделях от "основной" Вселенной могут "отпочковываться" новые Вселенные и уже в них будет происходить инфляция. Такой процесс называют вечной инфляцией.
Но при чем здесь струнная теория, спросите вы? Об этом в следующей части.
<< Каково будущее нашей Вселенной? | Оглавление | При чем же тут струнная теория? >>