Наша наблюдаемая Вселенная конечна, как и объем информации в ней. Вот то, что мы, возможно, никогда не узнаем.
“Несмотря на свое название, теория большого взрыва на самом деле вовсе не теория взрыва. На самом деле это всего лишь теория последствий взрыва». -Алан Гут
Итак, вы, наконец, понимаете, из-за чего весь этот шум, когда дело доходит до происхождения нашей Вселенной. У истории, которую вы слышали, есть название: Большой Взрыв. И самое главное, что говорит нам Большой Взрыв, это то, что Вселенная была горячее, плотнее и расширялась быстрее в прошлом.
Чем дальше в прошлое, тем ближе друг к другу все было, тем выше по температуре (и короче по длине волны) было все излучение, и - конечно - тем моложе была Вселенная.
Мы можем возвращаться все дальше и дальше в далекое прошлое, в те времена, когда не существовало органических молекул, когда тяжелые элементы, необходимые для их образования (и каменистых планет), еще не появились. существования, и даже еще раньше, до того, как сформировались первые галактики или звезды. Если мы пойдем достаточно рано, произойдет нечто особенное.
В какой-то момент было достаточно жарко, чтобы нейтральные атомы не могли даже сформироваться; как только электрон найдет атомное ядро, появится фотон достаточно высокой энергии и ионизирует составляющие атома.
На самом деле, можно вернуться еще дальше, в то время, когда было горячее и плотнее, и сами атомные ядра не могли образовываться, создавая просто море протонов и нейтронов, как любая частица, сталкивающаяся с ядро разбило бы его на отдельные барионы.
В еще более горячем и плотном состоянии протоны и нейтроны распадаются на кварки и глюоны, столкновения при достаточно высоких энергиях позволят спонтанно создавать равные количества материи и антиматерии, а энергия, температура, плотность, и скорость расширения будет значительно увеличиваться.
Но не бесконечно; мы можем вернуться только на конечное количество времени в прошлое, и это потому, что то, что мы считаем «нашей Вселенной», не началось с сингулярности 13,8 миллиарда лет назад, а началось, когда предыдущая стадия - космическая инфляция - подошла к концу.
Инфляция - это период времени, когда Вселенная экспоненциально расширялась. Вместо того, чтобы быть заполненной материей, антиматерией, излучением и крошечной частицей энергии, присущей самому пространству (сегодняшняя темная энергия), в энергетическом содержании Вселенной полностью преобладала энергия, присущая космосу. Пространство экспоненциально расширялось, возникающие квантовые флуктуации, которые обычно остаются локализованными в нашей Вселенной сегодня, распространяются по всей Вселенной и вызывают небольшие несовершенства плотности энергии, которые пронизывают нашу наблюдаемую Вселенную.
Когда инфляция закончилась, эта энергия - через процесс, называемый повторным нагревом - , была передана из космоса в материю/антиматерию/излучение, и вот где горячий Большой взрыв происходит от! Флуктуации породили небольшие неравномерности в плотности вещества/антивещества/излучения, и именно отсюда возникла вся космическая структура во Вселенной , галактики, звезды и мы .
Итак, зная это, давайте поговорим о том, как работает инфляция.
Согласно Планку, спутнику, который измеряет флуктуации космического микроволнового фона, самые простые модели медленной инфляции лучше всего подходят для данных. Я могу представить инфляцию как очень специфический тип холма: когда вы находитесь на вершине холма, тогда и происходит инфляция; когда вы скатываетесь с холма в долину, именно тогда заканчивается инфляция, происходит повторное нагревание и происходит горячий Большой взрыв, с которого начинается наша известная Вселенная.
Этот тип графика представляет потенциал поля, вызывающего инфляцию. (Вертикальная ось связана с энергией, горизонтальная ось произвольна.) Сразу скажу:
- Мы не знаем, является ли поле истинным квантовым полем, и в этом случае с ним должна быть связана частица: инфлатон, который мы не обнаружили.
- Выше я смоделировал инфляцию как скалярное поле. Это не обязательно должно быть скалярное поле; это может быть спинорное, векторное или тензорное поле, но для простоты мы моделируем его как скаляр.
- Нет причин, чтобы поле начиналось с плоской части; в принципе, она могла начаться где угодно. Но чтобы инфляция работала, она должна начинаться с плоской части.
На самом деле, чтобы инфляция работала должным образом, центральная плоская часть этого потенциала должна быть очень плоской.
Перевернутая парабола, показанная синим цветом выше, недостаточно плоская. Инфляции нужно достаточно времени, чтобы растянуть Вселенную - растянуть ее, растянуть так, чтобы везде была одинаковая температура, хорошо растянуть - и только тогда она сможет скатиться вниз, перевести энергию в материю/антиматерию/излучение и создать Вселенная, какой мы ее знаем!
Теперь, данные в нашей Вселенной - на основе изучения структуры, но наиболее убедительно на основе данных Планка - говорят нам, что либо именно это (или что-то до сих пор неотличимое от этого) действительно произошло.
Большой вопрос, на который мы хотели бы получить научный ответ, заключается в следующем: как?
Как возникла инфляция? Одна из ошеломляющих вещей, связанных с инфляцией - «и ее великой силой, и ее великой тайной» - это тот факт, что инфляция стирает любую информацию, которая существовала о Вселенной до инфляцииВерно, за исключением последних 10^(-20)-to-10^(-36) секунд инфляции (в зависимости от выбранных вами точных параметров модели), сегодня в нашей Вселенной нет информации о том, что произошло до что.
Если мы хотим говорить о том, что произошло раньше, например, на более ранних стадиях инфляции, гипотетически, что (если что-то) было до инфляции, или что (если что-то) вызвало инфляцию, мы должны полагаться только на теорию в этот момент. Есть те, кто вскидывает руки и кричит, что эта проблема непреодолима; Я говорю, давайте, по крайней мере, отдадим должное, где это должно быть: два способа, как мы знаем, что это может работать!
Первый - если потенциал изменил форму по мере старения Вселенной во время инфляции (вверху, слева). Есть много потенциалов, которые делают это во многих разделах физики, особенно когда энергия системы падает со временем. (Что и происходит в эволюционирующей во времени Вселенной, в которой доминирует материя/излучение!) Но это не данность. Что часто называют гораздо более вероятным, так это то, что когда Вселенная имела более высокую энергию в более раннее время, разные области пространства имели разные значения потенциала, поскольку они были неразличимы. Это похоже на то, как если бы вы залили график (вверху справа) какой-то жидкостью, которая заполнила бы его до толстой пунктирной линии.
В большинстве регионов, если уровень энергии (уровень пунктирной линии) упадет, инфляции не произойдет или произойдет неправильный тип инфляции. Вы не получите инфляцию, если находитесь над долинами, вы получите неправильный тип, если вы находитесь рядом с высокими краями, но вы получите правильный тип, если вы находитесь рядом с центром.
Но вы, вероятно, получите правильный тип? Да,да, вы. Вот почему.
Когда область Вселенной подвергается экспоненциальному расширению, это создает больше Вселенной в каждой области, которая расширяется экспоненциально. Регионы, которые расширяются любым другим способом, захлебываются. Вот пример: если вы начнете с области пространства-времени с преобладанием излучения и с определенным количеством энергии, объем занимаемого ею пространства будет расти со временем в соответствии с последовательностью:
1, 2.8, 5.2, 8, 11.2, …
С другой стороны, если та же самая область является пространством-временем с преобладанием инфляции и точно таким же количеством энергии, то объем занимаемого ею пространства растет в соответствии с этой последовательностью:
1, 8, 64, 512, 4096, …
Вы видите, что обе последовательности уходят в бесконечность, но одна из них уходит в бесконечность намного быстрее, чем другая! Итак, теперь давайте вернемся к нашему потенциалу.
Если вы находитесь на плоской части потенциала, вы катитесь по ней медленно, поэтому вы проводите там больше времени, так что даже если крошечная, крошечная часть вашей первоначальной Вселенной начинается с плоской часть, по прошествии гораздо, гораздо меньшего, чем даже одна секунда, теперь 99,9+% Вселенной, которая существует после инфляции, существует там, где была медленно катящаяся часть потенциала.
Но это при условии, что инфляция является классическим полем, а я только что сказал вам, что, вероятно, это не так. Вероятно, это квантовое поле. Что делает историю намного интереснее.
Потому что квантовые поля распространяются во времени! Это означает, что некоторые из новых областей, которые создаются из-за этого эффекта квантового расширения, на самом деле будут иметь инфлатонное поле выше на плоской части, чем раньше; в этом вся прелесть медленно развивающегося плоского потенциала!
Так что инфляция не просто происходит «скорее вероятно, чем нет», как мы думаем, инфляция длится вечность, и 99,999999999…% регионов Вселенной, где инфляция заканчивается, будут выглядеть точно так же, как наша!
У этих вещей есть несколько забавных названий: идея о том, что поле могло начаться где угодно (диаграмма с черной пунктирной линией над потенциалом), известна как хаотическая инфляция, а идея о том, что инфлатон квантовое поле, распространяющееся и сохраняющееся вечность, известно как внеземная инфляция. Для тех из вас, кто интересуется политикой Нобелевских премий, весьма вероятно, что именно поэтому, если Нобелевская премия когда-либо будет присуждена за инфляцию, она достанется Алану Гуту и Андрею Линде как двум теоретикам; Гут за изобретение идеи, Линде за хаотичное и вечное развитие инфляции, возможно (спекулятивно?) П. И. Планка получает третий слот.
Что произошло с окончанием инфляции, это мы прекрасно понимаем.
Но действительно ли инфляция существовала целую вечность в прошлом? Было ли государство до инфляции? Сингулярность? Вакуум Банча-Дэвиса, из которого возникла инфляция? Информации, позволяющей узнать ответы на эти вопросы, вероятно не существует в нашей Вселенной
На данный момент это не только то, что мы знаем, это все, что, как мы думаем, мы можем знать. Все, что было до инфляции , включая всю информацию о том, как (и была ли) инфляция началась , стирается в нашей Вселенной по самой природе инфляции. Информация в нашей Вселенной конечна как по количеству, так и по времени. Что бы ни случилось раньше, может навсегда остаться в прошлом.
Оставляйте свои комментарии на нашем форуме и поддержите Starts With A Bang на Patreon!