Вселенная как бесплатный обед

На то, чтобы новая теория стала общепризнанной, обычно требуются годы, если не десятилетия. Физики могут восхищаться красотой идеи, но признают ее лишь тогда, когда предсказания теории подтверждаются экспериментами или астрономическими наблюдениями. Это вдвойне верно в отношении космологии, где наблюдателям всегда было тяжело угнаться за воображением теоретиков, и теория Большого взрыва иллюстрирует это не хуже других. Перез прочтением желательно ознакомится с

Статьи Александра Фридмана при жизни оставались незамеченными, а работа Георгия Гамова едва ли не игнорировалась на протяжении более чем десятилетия. Какой контраст со встречей, оказанной теории инфляции!

Почти 40 работ по новой теории было опубликовано в течение года после выхода первой статьи Гута. Еще через год их число выросло до 2оо и оставалось на уровне около 200 статей в год в течение всего следующего десятилетия. Казалось, будто люди бросили все, чем они занимались, и принялись работать над инфляционной теорией.

С чем связан такой молниеносный успех? Отчасти его можно объяснить социологическими причинами. Физики, занимающиеся элементарными частицами, только что завершили разработку теорий сильного и электрослабого взаимодействий. И эта небольшая армия неожиданно обнаружила, что ей нечем заняться. Все новые идеи в физике частиц были связаны с чрезвычайно высокими энергиями. Не было никакой надежды проверить эти теории на существующих ускорителях, и прогресс застопорился. Единственным ускорителем, который мог разогнать частицы до требуемых энергий, оказался Большой взрыв, и физики элементарных частиц все чаще присматривались к космологии как к испытательному полигону для новых идей. В начале 1980-х годов начался массовый переход из физики элементарных частиц в космологию. Переведшие были новичками в этой сфере и искали интересные задачи для применения своих сил.

Именно на этом фоне Гут предложил свою идею инфляции и дал физикам в точности то, что они искали. Особенно помогла незавершенность его теории. Когда вы полностью решаете важную проблему, работа может вызывать восхищение, но индустрию на ней не построишь. Инфляция, напротив, была лишь наброском теории с многочисленными пробелами, которые предстояло заполнить. Она предлагала множество задач для работы и самим ученым, и их аспирантам.

Раст Глинер, Старобинский и Линде в СССР, Кацухико Сато (KatsuhikoSato) в Японии и Роберт Брут (RobertBrout), Франсуа Энглер (FrancoisEnglert) и Эдгар Гунзиг ItdgardGunzig) в Бельгии — все они рассматривали возможность периода экспоненциального расширения в ранней Вселенной. Сато был также в курсе проблемы Хищного выхода.

Однако помимо социологии продолжительная популярность инфляции связана с привлекательностью и силой самой этой идеи. В каком-то смысле инфляция похожа на дарвиновскую теорию эволюции. Обе теории предлагали объяснение того, что прежде считалось необъяснимым. Сфера научного исследования, тем самым, значительно расширялась. В обоих случаях объяснение было чрезвычайно привлекательным, а убедительных альтернатив никто не предложил.
Другая параллель с Дарвином состоит в том, что в то время, когда Гут предложил идею инфляции, она уже носилась в воздухе. Главное достижение Гута состояло в ясном понимании того, чем хороша инфляция, и, тем самым, в создании мотивации для решения проблемы изящного выхода и других трудностей инфляционного сценария.

Вселенная как бесплатный обед

До сих пор мы предполагали, что начальной точкой инфляции была маленькая замкнутая Вселенная со скалярным полем в состоянии ложного вакуума на вершине энергетического холма. Но эти предположения не являются обязательными. Вместо этого мы можем начать с небольшого кусочка ложного вакуума в бесконечной вселенной. Такое начало тоже приводит к инфляции, но несколько неожиданным способом.

Вспомните, ложный вакуум имеет огромное натяжение, которое вызывает его отталкивающую гравитацию. Если он заполняет все пространство, то натяжение повсюду одинаково и нет никаких физических проявлений, кроме гравитационных. Но если он окружен истинным вакуумом, натяжение внутри не уравновешивается никакой внешней силой и заставляет кусочек ложного вакуума сжиматься. Можно подумать, что натяжению противостоит отталкивающая гравитация, но на самом деле это не так.

Рис. 1.2 Раздувающийся шар ложного вакуума (темный), соединенный с внешним пространством "кротовой норой" и видимый извне как черная дыра.

Анализ, основанный на общей теории относительности Эйнштейна, показывает, что гравитационное отталкивание является чисто внутренним. Так что, если вы принесете кусочек ложного вакуума, чтобы продемонстрировать на лекции, предметы не будут отталкиваться от него, как на рисунке 1.1. Вместо этого они станут притягиваться. Снаружи от ложного вакуума сила гравитации проявляется как обычное тяготение. Результат зависит от размеров кусочка.

Кротовая нора, или также «червоточина» (последнее является дословным переводом англ. wormhole) — гипотетическая топологическая особенность пространства-времени, представляющая собой в каждый момент времени «туннель» в пространстве. Область вблизи самого узкого участка кротовины называется «горловиной».

Кротовые норы делятся на «внутри-мировые» (англ. intra-universe) и «меж-мировые» (англ. inter-universe) в зависимости от того, можно ли соединить её входы кривой, не пересекающей горловину (на рисунке изображена внутри-мировая кротовая нора).

Различают также проходимые (англ. traversable) и непроходимые кротовины. К последним относятся те туннели, которые коллапсируют слишком быстро для того, чтобы наблюдатель или сигнал (имеющие скорость не выше световой) успели добраться от одного входа до другого. Классический пример непроходимой кротовины — пространство Шварцшильда, а проходимой — кротовины Морриса-Торна.

Общая теория относительности (далее — ОТО) не опровергает существование таких туннелей. Для существования проходимой кротовой норы необходимо, чтобы она была заполнена экзотической материей, создающей сильное гравитационное отталкивание и препятствующей схлопыванию норы. Решения типа кротовых нор возникают в различных вариантах квантовой гравитации, хотя до полного исследования вопроса ещё очень далеко.

Проходимая внутри-мировая кротовая нора даёт гипотетическую возможность путешествий во времени, если, например, один из её входов движется относительно другого, или если он находится в сильном гравитационном поле, где течение времени замедляется.

Если он меньше некоторой критической величины, побеждает натяжение, и кусочек съеживается, как растянутая резинка. Затем, после нескольких колебаний, он распадается на элементарные частицы. Если размер больше критического, побеждает отталкивающая гравитация, и тогда ложный вакуум начинает раздуваться. В ходе этого процесса он искривляет пространство наподобие воздушного шарика. Этот эффект проиллюстрирован на рисунке 1.2 для случая сферической области ложного вакуума. Показано только два пространственных измерения, так что сферическая граница области представлена окружностью. Натяжение влечет границу внутрь, к центру сферы, и это приводит к уменьшению объема ложного вакуума. Но это сокращение совершенно ничтожно по сравнению с экспоненциальным расширением внутренней части.

Расширяющийся шар соединен с внешним пространством узкой "кротовой норой". Снаружи она видна как черная дыра, и внешний наблюдатель никогда не сможет подтвердить или опровергнуть, что внутри этой черной дыры скрывается огромная раздувающаяся вселенная. Аналогично, наблюдатель, который появится внутри раздувающейся вселенной-пузыря, увидит только крошечную часть всего пространства и никогда не узнает, что его вселенная имеет границу, за которой имеется другая большая вселенная.

Поскольку судьба сферы из ложного вакуума так радикально зависит от того, превышает ли ее радиус критическое значение, важно знать, чему же оно равно. Ответ зависит от плотности энергии вакуума: чем больше плотность энергии, тем меньше критический радиус. Для электрослабого вакуума он составляет около i миллиметра, а для вакуума Великого объединения — в 10 триллионов раз меньше. Это все, что нужно для создания Вселенной! Воистину, совершенно бесплатный обед. Ну, или почти бесплатный.

Отрывок из книги А. Виленкина "Many Worlds in One: The Search for Other Universes"

10 Марта 2011, 3:40    Den    14169    8

Комментарии (8):

Timi  •  27 April, 10:42

Цитата статьи:

"Снаружи она видна как черная дыра, и внешний наблюдатель никогда не сможет подтвердить или опровергнуть, что внутри этой черной дыры скрывается огромная раздувающаяся вселенная"

Как это перекликается с моим подходом к нашей Вселенной !! ...

Хоть это и не совсем то, но во всяком случее ....

den  •  27 April, 15:31

К Timi от 27 April, 10:42

Может эта статья Вас ещё больше порадует http://www.modcos.com/articles.php?id=11

Timi  •  27 April, 22:41

К den от 27 April, 15:31

Спасибо den, посмотрел статью по ссылке, но для меня пока голографические принципы, подЪходы к Мироустройству, не находят внутреннего отклика, внутренней подЪдержки, не укладываются в картину Мира, существующую у меня как отправная точка отчёта при начале мысле_процесса.

Слишком этот подход не естесственый в моём понимании.

Про себя:

Если есть понятие и принятие какого-то процесса_явления на уровне внутренней моей логики рассуждений, то и все мат. навороты, все мат. приёмы познаются на толко на одном естественном  стремлении к знанию.

Но при отЪторжении или хотя бы не принятии логики развития, логики начальных условий процесса_явления, то всё моё существо противится... и, как результат сего непринятия, всегда нахожу не логичные, не корректные, спорные мат. навороты мат. выводы.

Я могу себе это позволить. Все интересующие меня вопросы на сём прекрасном сайте не являются для меня жизненными и принципиальными в этом смысле.

Это для меня просто интересная тематика для тренировки серого вещества (во всяком случае в рамках сегодняшнего контекста я понимаю это примерно так).

 

den  •  28 April, 1:47

К Timi от 27 April, 22:41

То есть Ваша картина мира идёт в разрез с научной?

Timi  •  28 April, 12:25

К den от 28 April, 1:47

Для меня научные выводы не есть догма.

Я, естесственным образом, оставляю для себя право:-

Принять или не принять те или иные выводы конкретных мыслителей от науки.

Также считаю:

Сама постановка такого вопроса крайне неуместна (в ней "зашит" отрицательный контекст). А, смею заметить, что в обоснованном (хотя бы на уровне внутренней логики Миро_восприятия) сомнении как раз и возникают революционные идеи_открытия_прорывы.

Так было и будет всегда!! Поскольку научная точка зрения есть не результат простого голосования большинства..., ВСЕГДА есть тот, кто первым говорит:

Ребята!, да не так же ВСЁ ЭТО, а ВОТ ТАК!!!

Мои принципы просты:

1. Абсолютного знания не существует (постулат о бесконечности свойств_характеристик любого реального обЪекта_явления).

2. Мироустройство имеет абсолютный приоритет над наукой (как следствие из 1).

3. Всю инф. пропускать через фильтр_логику с учётом принципа бритвы Оккама и первого прямого следствия из оного.

4. Мы, люди, имеем право на ошибку.

Этот набор принципов хоть и обязательный (для меня, во всяком случае), но, конечно же не полный.

В нём (в наборе) самом "зашито" несколько противоречий при экстраполяции сего подхода на всех мыслителей от науки. Нет принципов, сдерживающих от безудержного взрыва фантазий, нет критерия научной дисциплины (в смысле норм и условий принятия и упорядочивания знаний). Нет критерия сложности в обЪяснениях ...

Над этим я думаю, думаю постоянно, но пока ...

 

den  •  28 April, 21:32

К Timi от 28 April, 12:25

За отрицательный контекст простите, я его не подозревал, с наметенными Вами принципами я в принципе тоже согласен.

astethy  •  15 June, 9:53
Электромагнитная энергия вакуума бесконечна, но при рассмотрении любого процесса, например, испускания фотона атомом, $A*=A +\gamma$, эта бесконечность сокращается. Если процесс происходит в объеме $V$ и плотность энергии вакуума обозначена $\epsilon_V$, то уравнение сохранения (полной) энергии $E_{tot}$ имеет вид $$E_{tot}=const=\epsilon_VV+E_{A*}==\epsilon_VV +E_A+E_\gamma.$$ Независимо от того, равна нулю или конечна, или бесконечна величина $\epsilon_V$, получим закон сохранения энергии в обычной форме $E_{A*}=E_A+E_\gamma$.
Updagma  •  21 June, 5:17

Физика в ТэВ-области энергий может кардинально отличаться от той физики, к которой мы привыкли. Например, не исключено, что масштаб порядка 1 ТэВ -это не только электрослабый, но и гравитационный масштаб. Такое возможно в моделях с дополнительными пространственными измерениями большого размера, в которых связь планковского масштаба с фундаментальным гравитационным масштабом зависит от объёма дополнительных измерений, так что фундаментальный масштаб может быть значительно меньше, чем $M_{Pl}$

Если в экспериментах на LHC будет действительно обнаружено, что фундаментальный гравитационный масштаб энергий находится в ТэВ-области, то произойдёт настоящий прорыв как в физике частиц, так и в космологии. С точки зрения физики частиц, такой прорыв будет связан с возможностью исследовать на коллайдерах квантовую гравитацию и её высокоэнергетическое расширение (каковым, возможно, является теория суперструн). С точки зрения космологии, такое открытие приведёт к пересмотру многих представлений о ранней Вселенной. Например, необходимо будет рассматривать инфляцию (если на ней настаивать) в режиме низких плотностей энергии или в режиме квантовой гравитации; максимальная температура на обычной горячей стадии будет ограничена величиной порядка 1 ТэВ, так что тёмная материя и барионная асимметрия должны будут образовываться либо при сравнительно низких температурах, либо в квантово-гравитационном режиме. Необычайно интересным представляется исследование космологии в условиях сильных квантово-гра-витационных эффектов на основе поступающих коллай-дерных данных. Эта перспектива, пожалуй, является слишком радужной, чтобы быть реалистичной.

Более вероятно, что на LHC будет обнаружено что-то совсем новое, о чём теоретики и не догадывались. Или, наоборот, будет обнаружено настолько мало, что необходимо будет всерьёз вставать на точку зрения антроп-ного принципа. В любом случае, результаты экспериментов на LHC существенно дополнят наши представления о физике, и космология здесь - не исключение.

Только зарегистрированные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите или зарегистрируйтесь пожалуйста.