Или, если бы она была идеально гладкой, могли бы у нас быть звезды и галактики к сегодняшнему дню?
“Сначала ты должен проверить мой дом. Он вроде как отстойный, но гораздо менее отстойный, чем, например, твой дом. - Принцесса Пупырчатого космоса, Adventure Time
Когда вы думаете о Вселенной, вы, конечно же, не думаете о ней как о гладком, однородном месте. В конце концов, такая глыба, как планета Земля, ужасно отличается от бездны пустого космоса! Тем не менее, в самых больших масштабах Вселенная довольно гладкая, а в ранние времена она была гладкой даже в меньших масштабах. Это то, о чем я уже упоминал ранее, и для «Спросите Итана» на этой неделе я выбрал представленный вопрос jlnance, который хочет знать:
У меня есть вопрос о том, что вы пару раз заявляли при обсуждении CMB. В частности, утверждение о том, что если бы Вселенная была идеально однородной после Большого взрыва, структура никогда бы не сформировалась. Я понимаю концепцию. Что меня интересует, так это возможно ли с точки зрения квантовой механики иметь идеально однородную Вселенную? А если нет, то возможно ли было бы иметь более однородную вселенную, чем та, с которой мы начинали, и привело бы это к вселенной, похожей на ту, что мы имеем сейчас, только на то, чтобы до нее добраться, потребуется больше времени?
Давайте начнем с того, что мы имеем сегодня во Вселенной.
На близких масштабах у нас есть плотные сгустки материи: звезды, планеты, луны, астероиды и люди. Между ними огромные расстояния пустого пространства, населенного также более рассеянными сгустками материи: межзвездным газом, пылью и плазмой, которые представляют собой либо остатки мертвых и умирающих звезд, либо будущие местоположения звезд, которые еще не родились.. И все это связано вместе в нашей великой галактике: Млечном Пути.
В больших масштабах галактики могут существовать изолированно (галактиками поля), они могут быть связаны вместе в небольшие группы всего по несколько человек (как наша собственная локальная группа), или они могут существовать в больших количествах, сгруппированных вместе, содержащие сотни или даже тысячи крупных. Если мы посмотрим на еще большие масштабы, мы обнаружим, что скопления и группы структурированы вдоль гигантских нитей, некоторые из которых простираются на многие миллиарды световых лет через космос. А между ними? Гигантские пустоты: малоплотные области с небольшим количеством галактик и звезд или вообще без них.
Но если мы начнем смотреть в еще больших масштабах - в масштабах десятков миллиардов световых лет - мы обнаружим, что любая конкретная область пространства, на которую мы смотрим, очень похожа на любую другую область пространства. Та же плотность, та же температура, то же количество звезд и галактик, те же типы галактик и т. д.
В самом большом масштабе ни одна часть нашей Вселенной не является более или менее особенной, чем любая другая часть Вселенной. Различные регионы пространства, кажется, обладают одними и теми же общими свойствами, где бы и куда бы мы ни посмотрели.
Но наша Вселенная началась вовсе не с этих гигантских комков и пустот. Когда мы смотрим на самую раннюю «детскую картинку» нашей Вселенной - «Космический микроволновый фон», - мы обнаруживаем, что плотность молодой Вселенной была одинаковой на всех масштабах абсолютно везде. И когда я говорю то же самое, я имею в виду, что мы измерили, что температура была 3 К во всех направлениях, затем 2,7 К, затем 2,73 К, а затем 2,725 К. Это было очень, очень однородно везде.
Наконец, в 1990-х годах мы обнаружили, что были некоторые области, которые были чуть более плотными, чем в среднем, и некоторые, которые были чуть менее плотными, чем в среднем: примерно на 80-90 микрокельвинов. Вселенная была в среднем очень, очень однородной в первые дни своего существования, где отклонения от идеальной однородности составляли всего 0,003% или около того.
На этом детском снимке со спутника Planck показаны отклонения от идеальной однородности, где красные «горячие точки» соответствуют областям с низкой плотностью, а синие «холодные точки» соответствуют областям с повышенной плотностью: тем, которые будут превращаются в богатые звездами и галактиками области космоса. Вселенная нуждалась в этих несовершенствах - этих избыточных и недостаточных плотностях - для того, чтобы структура вообще сформировалась.
Если бы оно было совершенно однородным, ни одна область пространства не притягивала бы больше материи, чем любая другая, и поэтому с течением времени не происходило бы гравитационного роста. Тем не менее, если вы начнете даже с этих небольших несовершенств - нескольких частей из 100 000, с которых началась наша Вселенная , - то к тому времени, когда пройдет от 50 до 100 миллионов лет, мы сформировали первые звезды во Вселенной. К тому времени, когда прошло несколько сотен миллионов лет, мы сформировали первые галактики. К тому времени, когда прошло немногим более полумиллиарда лет, мы сформировали так много звезд и галактик, что видимый свет может свободно путешествовать по Вселенной, не сталкиваясь с нейтральной материей, блокирующей свет. И к тому времени, когда прошло много миллиардов лет, у нас есть глыбы и скопления галактик, которые мы узнаем сегодня.
Итак, с этой настройкой, как насчет вопроса Джима? Можно ли создать Вселенную без флуктуаций? Ответ: не, если вы создаете Вселенную так, как была создана наша. Видите ли, наша наблюдаемая Вселенная возникла в результате горячего Большого взрыва, когда Вселенная внезапно наполнилась горячим, плотным морем материи, антиматерии и излучения.
Энергия для горячего Большого Взрыва пришла из конца инфляции - где энергия, присущая самому пространству, была преобразована в материю и излучение - во время процесса, известного как космический повторный нагрев. Но Вселенная не нагревается до одинаковой температуры во всех местах, потому что во время инфляции происходили квантовые флуктуации, которые распространялись по всей Вселенной! Это корень того, откуда появились эти сверхплотные и недостаточно плотные области.
Если у вас есть богатая материей и излучением Вселенная, имеющая инфляционное происхождение, и законы физики, которые мы знаем, у вас будут эти флуктуации, которые приведут к сверхплотным и пониженным областям.
Но что определило их величину? Могли ли они быть меньше?
Ответ да: если бы инфляция происходила на более низких масштабах энергии или если бы инфляционный потенциал имел свойства, отличные от тех, которые он должен иметь' если бы я имел, эти колебания могли бы быть намного, намного меньше. Они могли быть не только в десять раз меньше, но и в сотню, тысячу, миллион, миллиард или даже меньше, чем у нас!
Это крайне важно, потому что формирование космической структуры занимает много времени. В нашей Вселенной, чтобы перейти от этих первоначальных флуктуаций к тому моменту, когда мы впервые сможем их измерить (реликтовое излучение), требуются сотни тысяч лет. Чтобы перейти от реликтового излучения к моменту, когда гравитация позволила сформироваться первым звездам Вселенной, требуется около ста миллионов лет.
Но перейти от тех первых звезд во Вселенную, где доминирует темная энергия - та, где никакая новая структура не сформируется, если вы уже не связаны гравитацией - это не такой уж большой скачок. Чтобы Вселенная начала ускоряться, требуется всего около 7,8 миллиарда лет после Большого взрыва, а это означает, что если бы начальные флуктуации были намного меньше, то мы не сформировали бы первые звезды, скажем, через десять миллиардов лет после Большого взрыва., сочетание небольших флуктуаций с темной энергией гарантирует, что мы вообще никогда не получим звезд.
Насколько малы должны были быть эти колебания? Ответ удивителен: всего в несколько сотен раз меньше, чем есть на самом деле! Если бы «шкала» этих флуктуаций реликтового излучения (ниже) имела числа в масштабе десятков, а не нескольких тысяч, нашей Вселенной повезло бы, что к сегодняшнему дню в ней была бы хотя бы одна звезда или галактика, и она бы определенно не похожа на ту Вселенную, которая у нас есть на самом деле.
Если бы не темная энергия - если бы все, что у нас было, это материя и излучение - то за достаточное время мы могли бы сформировать структуру во Вселенной, какими бы малыми ни были эти первоначальные флуктуации. Но эта неизбежность ускоренного расширения придает нашей Вселенной ощущение безотлагательности, которого в противном случае у нас не было бы, и делает абсолютно необходимым, чтобы величина средних флуктуаций была по крайней мере около 0.00001% от средней плотности, чтобы иметь Вселенную с какими-либо заметными связанными структурами.
Сделайте ваши флуктуации меньше, и вы получите Вселенную вообще без ничего. Но поднимите эти колебания до «огромного» уровня 0,003%, и у вас не будет проблем с получением Вселенной, которая выглядит точно так же, как наша.
Наша Вселенная должна была родиться с комками, но если бы инфляция была другой, массы этих комков тоже были бы совсем другими. Гораздо меньше, и не было бы никакой структуры вообще. Гораздо больше, и у нас могла бы быть Вселенная, катастрофически заполненная черными дырами с очень, очень раннего времени.
Чтобы дать нам Вселенную, которую мы имеем сегодня, потребовалось чрезвычайно удачное стечение обстоятельств, и, к счастью для нас, то, что нам дали, выглядит как раз то, что нам нужно.
Есть вопрос или предложение для Ask Ethan? Отправьте его сюда на рассмотрение.
Оставляйте свои комментарии на нашем форуме и поддержите Starts With A Bang на Patreon!