A modern kozmológiai fogalmak áttekintése, a tér
Holger új előadása
A modern kozmológiai fogalmak áttekintése
Bemutatunk egy áttekintést a modern kozmológiai fogalmakról - megbeszéljük a Big Bang modell által teremtett nehézségeket és lehetséges megoldásaikat az inflációs elmélet keretein belül. Különös figyelmet fordítanak az örökös infláció modelljére. Az antropikus elv problémájáról is beszélünk.
1. A klasszikus Big Bang modell és annak problémái
Sok éven át az univerzum változatlan maradt. Ennek fő oka a newtoni modell statikus jellege (nem is beszélve a korábbi természeti-filozófiai fogalmakról). Az egyetlen probléma az Olbers paradoxon volt: ha a csillagok egyenletesen oszlanak el az Univerzumban (és az Univerzum végtelen), akkor miért nem egyenletesen világít az ég?
A világegyetem dinamikájának kérdése először komolyan merült fel, miután Einstein a gravitációs mező egyenleteit vonta le. Kiderült, hogy van a formája
amely nem ismeri el a helyhez kötött megoldást (amely időben nem változik). Ezekben az egyenletekben RMN - Ricci tenzor jellemző a tér görbülete, R - skalárgörbületét, ez a tárgyak épített a metrikus tenzor GMN (ez a tenzor tény a fő jellemzője a geometria, ez jellemzi a gravitációs mezőt, mint ahogy egy vektor potenciál jellemzi az elektromágneses mező ) és TMN - az energia-impulzus tenzor anyag (nulla az üres térben). Annak érdekében, hogy ez még mindig lehetséges stacionárius megoldás, az úgynevezett kozmológiai távú ben vezették be egyenletben jellemezve kozmológiai állandó Λ, majd (1) egyenlet formájában,
Az Einstein egyenleteinek tipikus izotróp oldata megfelel a következő metrikusnak (vagyis a távolság infinitezimális négyzetének) a téridőben [1, 2]:
a () - léptéktényező (vagyis amelynek sugara 3-gömb egy adott idő alatt), T, R, θ, φ - koordináták tér-idő, és f (r) - függvénye a gömb sugarának. A metrikus tenzor (amely felírható 4 × 4 mátrix négy dimenzióban), ebben az esetben (a gömbi koordináta-rendszerben) a következő, nem-zéró komponenseket: GTT = -1, GRR = 2 (t) f (r), gθθ = 2 (t) r 2. gφφ = 2 (t) R 2 sin 2 θ, az összes többi komponens nulla. Megjegyezzük, hogy a sík felület metrikus tenzor azonos koordináta rendszerben nem nulla komponensek GTT = -1, GRR = 1, gθθ = R 2 gφφ = r 2 sin 2 θ (matematikailag szigorú meghatározása metrikus tenzor képviseli, például a [2 ]).
Ahhoz, hogy az üres tér Einstein egyenlet egy kozmológiai állandó 1924 úgy döntött, hogy a holland asztrofizikus Willem de Sitter, akik kimutatták, hogy a világegyetem tágul exponenciálisan pozitív Λ: a (t) = a (0) exp () (szigorúan véve, ez - a megoldás sík tér-idő, a nem-zéró görbület-oldat helyett a kitevő lesz jelen akár a hiperbolikus koszinusz, hiperbolikus szinusz vagy, azonban, ha egy nagy tágulási t időpontban ismét csökkent exponenciálisan). A negatív görbületi Λ negatív értéke az Univerzum összeomlásához vezethet [2]. Ennek eredményeképpen az első szokatlan következtetésre jutunk - az üres tér még mindig nem áll.
Most az idő elfelejtjük a kozmológiai állandó, és próbálja megoldani az Einstein-egyenletek, ha ez nulla. Kiderült, hogy ebben az esetben, hogy a világegyetem tágul. Ez skálázható megoldás először talált a jeles honfitársa AA Friedman 1922-ben, így már minden joga azt mondani, hogy büszkék kozmológia - a tudományunk (ebben a tekintetben is emlékszem, ezt a nevet AD Linde - az úttörő inflációs az univerzum tágulását, amit úgy lent). Ebből következik, ezt a döntést, amely a forma
ahol k a tér görbületének jele, azaz +1 a pozitív görbülethez, 0 a nulla és a -1 $ a negatív görbülethez; Ez a megoldás már vált a klasszikus és részletesen elemzett könyvében Landau és Lifshitz, „Field Theory” [3]) korlátlan univerzum tágul, amikor a sűrűség alatt van egy bizonyos kritikus érték egyenlő ρ0 =, ahol H - Hubble állandó. Ez az állandó határozzuk meg a vörös eltolódás a spektrumok galaxisok szerint a megfigyelések, a távolabb egy galaxis, annál alacsonyabb a frekvencia, amelynél a maximális annak sugárzás. Ez természetesen értendő, mint egy megnyilvánulása a Doppler-effektus - a sugárzási frekvenciát megfigyelő kibocsátott recesszív tárgya mindig kisebb, mint ha ugyanazt a tárgyat nyugalmi, és a sebesség v eltávolítása re galaxisok, amely meghatározza a Doppler-effektus társított távolságban annak R mind v = hr. Tény, H, valószínűleg attól függ, a kor az evolúció a világegyetem, most ez körülbelül 100 km / (c × MPC), és az értéke tH = 1 / H≈15 × 10 9 éves kor van egy első közelítésben az univerzum annak expanziós (a másik, a pontosabb becslések körülbelül azonos sorrendű értéket adnak). Tekintettel a tulajdonságai oldatok egyenletek Einstein skálafaktor egy () az idő-függő: a határ az alacsony sűrűségű (sűrűség a világegyetem és valóban nagyon alacsony, és összehasonlítható a kritikus annak érdekében, azaz körülbelül egyenlő 10 -30 g / cm 3) úgy kapjuk meg, egy (t)
t 2/3. amely megfelel az anyag túlsúlyának a világegyetemben. A kezdeti tágítási periódusban egy (t)
t 1/2. ami megfelel a sugárzás túlsúlyának a világegyetemben [2]. Általánosságban elmondható, hogy az univerzum állapotának általános egyenlete megegyezik
ahol p - nyomás, ρ - sűrűség, W - a paraméter jellemző halmazállapot (ez 0 por, vagyis van egy elhanyagolható sebességgel anyag és a sugárzás számára 1/3 -1 vákuum leírt nemnulla kozmológiai állandó) és, általában, a (t))
t - vákuum esetén exponenciális növekedés figyelhető meg (de Sitter oldat).
Mint már mondottuk, ha az átlagos sűrűsége anyag a világegyetemben kisebb, mint a kritikus értéket, akkor a bővítmény lesz végtelen (a skála faktor nő korlátozás nélkül), ez a forgatókönyv megfelel a negatív görbület. Ha az átlagos sűrűsége kritikus, akkor a skála faktor aszimptotikusan hajlamos véges határt, ez a forgatókönyv megfelel nulla görbületű, ha az átlagos sűrűség meghaladja a kritikus értéket, a bővítés egy bizonyos ponton meg kell engednie összehúzódás ez a forgatókönyv megfelel pozitív görbület.
Megfigyelések azt mutatják, hogy közel áll hozzánk a törvények a világegyetem, megoldásával nyerhető Friedmann elégedve. A legtöbb átütő siker a Friedmann elmélet a világegyetem tágulásának volt a kísérleti felfedezése az elmélet megjósolta CMB, amely-ben alakult a korai szakaszában a terjeszkedés, és azóta a hőmérsékletet folyamatosan csökkent, és most már állni 2,7 K. Azonban, amint azt látni fogjuk, a dinamikáját tanulmányozza a távolabbi területek A helyzet világosan különbözik a világegyetemben. Emellett megoldások Friedman gyengén meghatározott a t = 0 időpillanatban ( „Start Time”) - hivatalosan ebben az esetben, a világegyetem préseljük egy pont a végtelen sűrűségű (skálafaktor egyenlő nullával, amint azt az arányos függését a fenti). A természetes kérdés - mi történik ezen a ponton? Végül is a végtelen sűrűség fizikailag értelmetlennek tűnik, és azonkívül, miért kezdődött meg a kiterjesztés? És egy másik kérdés - hogyan kell figyelembe venni a kvantumhatásokat (ami nagymértékben megváltoztathatja a képet).
Ezekben a kérdésekben, valamint számos egyéb (például, hogy miért az átlagos sűrűsége anyag a világegyetemben olyan közel van a kritikus, ezért az Univerzum homogén és izotróp egy nagyszabású, miért számít uralja antianyag) megfelel az inflációs elmélet a táguló univerzum által kifejlesztett másik kiemelkedő honfitársa - AD Linde [3].
2. Az univerzum inflációs bővülése
Az univerzum bővítésének inflációs elméletének jelentése a következő. Mint már említettük, a gravitáció - ez kvantummező által leírt metrikus tenzor. A mező értéke vákuumban (a közhiedelemmel ellentétben, a kvantum vákuum - nem egy állam, ahol „semmi”, és az állam a legalacsonyabb energia). Mint tudjuk, a kvantummechanika, az energia egy fizikai rendszer változhat az értéke delta t ideig, amíg a feltétel t × AE órán át. Ezért vákuumban mindig megjelenik egy rövid időre, és eltűnnek konfigurációját virtuális részecskék, kvantum fluktuáció mezők, stb Ezek miatt a ingadozások könnyen előfordulhat „labda”, az állam (elsősorban az energia sűrűsége), eltér a környező tér (vákuum), amelynek átmérője körülbelül Planck hossz (LPL =) - Planck hossza képviseli a jellemző mérete az ilyen ingadozások - és így a nagyon triviális dinamika, amely megnyilvánul a szokatlan állapotegyenlet - a „labda”, hogy exponenciálisan növekszik: a (t)
e kt. Ez a rendkívül gyors bővülése (összehasonlítva az expanziós arány, a következő megoldásai Friedmann) nevezték inflációs expanziós (amint azt a [3], amelyben a tágulási 10 -35 másodperces skálafaktor megnövekedett nagyon meredeken -, és ha, szerint egy első változata az inflációs modellben, a növekedés 29 nagyságrenddel, a 10 -33 cm-10 -4 cm, a megadott becslés a [3] rendelkezik a növekedés 60.000 megrendelések, úgy, hogy a homogén részében a világegyetem átmérője 10 cm 60.000, és egyes becslések ad okot nem több nem kevesebb, mint "infláció" latinul: "infláció", "infláció" (például az infláció a gazdaságban "pumpálja" a forgalomban lévő pénzösszeget), és a "labdát" ami a mi terület a világegyetem, az is rendkívül gyors meghosszabbított (és egzotikus részecskék, mint a Dirac monopólusokkal - részecskék mágneses töltés - csakúgy, mint minden más egyenetlenségeket találták magukat a „felület”, „labda”, azaz exponenciálisan sokkal miatt nagyon gyors expanzió). Ez a kiterjesztés egy szuperkönnyű, ennek eredményeként a tágulási esemény horizonton, ami körülveszi a régió a világegyetem (most kb 10 28 cm), ezért nem látjuk ami mögötte van (azaz ha nem vagyunk minden oldalon fekete lyukkal körülvéve). Továbbá, a növekvő sugarú, természetesen, a görbület csökken, és mivel a terjeszkedés nagyon erős, akkor a görbület a megfigyelhető univerzum közel nulla (a nagyobb sugara a labdát, a kisebb a görbülete). Ezután, a fázisátalakulás történt (a változás a jog, állapotának leírásakor a, mint például, hogy a víz a jég állapotban, és a folyékony állapotban alá különböző egyenletek állami), mivel a hőmérséklet-csökkenés a világegyetem egy bizonyos határ alatti, és azóta az univerzum tágulását úgy írta le a másik, „klasszikus (Vagyis Friedmann) a (4) egyenletet, és az [1] -ben leírt összes következményét (lassuló expanzió stb.).
A fázisátmenet általános mechanizmusa a következő. Mint tudjuk, a vákuum - egy állam a legalacsonyabb energia (a területen, valamint a részecskék, akkor van értelme beszélni a potenciális és kinetikus energiáját, mi jobban érdekli a potenciális energia kinetikus energia mindig nem negatív, ez függ a származékok a mezőket és állandó mezők egyenlő nullával). A φ mező lehetséges energiájának tipikus alakja [4:]
Ha tehát csak egy a lehetséges energia minimális, vagy - két (folyamat véletlenszerű kiválasztás a két minimumot hívják spontán szimmetriasértés, ebben az esetben a szimmetria van törve relatív helyett φ → -φ; ténylegesen felhasznált modellek megfelelő egyesítésének alapvető kölcsönhatások hasonló módon megsérti az elektromágneses és a gyenge kölcsönhatásokért felelős területek közötti szimmetriát). Ezért, ha a hőmérséklet emelkedik minimumok szerkezete változik egy kritikus hőmérsékleten történik ugrásszerű átmenetet az állapotban, amelyben a potenciális energia profil változások - azaz a a hőmérsékletet csökkentjük hirtelen megszűnik legalább a minimális, illetve hirtelen megváltozik a kép a energiaszintek, amelyeket meg kell mérni az alacsony - és az egész dinamikáját elméletet.
A fázisátalakulás 10 -35 másodperc rendszerint társítja az a tény, hogy ezentúl ott barion aszimmetria, vagyis az uralkodó anyag felett antianyag (antianyag részecskék kozmikus sugárzás, hanem annyi, mint a csillagok, galaxisok, stb antianyag senki nézte) . Ez annak a következménye, az aszimmetria barion közelmúltban észlelt megsértése C és a CP szimmetria, ami akkor fordul elő nagyon magas energiák, azaz ennek eredményeként a specifikus reakciók részecskék képződnek egy lényegesen nagyobb valószínűsége, mint antirészecskéje (C-szimmetria invariancia helyettesítő részecskék antirészecskéje és a CP-szimmetria - viszonylag egyidejű helyettesítő részecskék antirészecskéje és a tér reflexió) és sérti a törvény megőrzése barionszám (barionok nevezett részecskék tagjai három kvark, mint a protonok és a neutronok, korábban úgy vélték, hogy a barionszám, vagyis száma barionok mínusz száma a antirészecskéi, mindig mentésre, azonban ez normál kijelző alos rossz - túró bomlások fedezték eredményeként, amely a kvarkok átalakulni leptonok, és barionszám nem konzervált). [2] Való lehűtés után még mindig alacsonyabb hőmérsékletek az ezt követő fázisátalakulások fordulnak elő, ami az egyik, amely vannak protonok és a neutronok, majd ingadozása a sűrűség (vagyis a sűrűsége az anyag koncentrációja, ami minden esetben elegendően nagy térfogatú univerzumban) képződését eredményezi a csillagok és galaxisok valamint a bolygórendszereket és mindent, ami ott van.
Így keretében inflációs kozmológia képes megoldani a problémát, a szingularitás (sőt, annak a ténynek köszönhető, hogy van dolgunk az ingadozások, amelyek mérete a sorrendben a Planck-hossz, „pont” egyszerűen nincs tárgy) és a barion aszimmetria problémáját. Gyakorlatilag tiszta és miért az univerzum homogén, izotróp - egyszerűen azért, mert a szimmetria a megoldást (azaz a szimmetria a bővülő „labda”). Számos nehezebb tűnt, hogy megoldja a problémát, a közelség sűrűsége az univerzum a kritikus (a megoldáshoz szükség bonyolultabb érvelés az inflációs modell, amely nagyjából csökken a tényt, hogy a bővítés a világegyetem anyag sűrűsége nőtt rovására szintézise részecskék és antirészecskéi, és az energia sűrűsége által okozott görbület (ami a korai szakaszban nagyon nagy, és van egy mínusz jel, és, sőt, éppen azért, mert negatív görbületű bővíthető) csökkent abszolút értékben, ennek eredményeként, egy bizonyos ponton az és gyakorlatilag nem kiegyenlítettek egymással, lásd [2]). Az egyik legszebb következménye inflációs kozmológia - a koncepció az úgynevezett örök infláció [5.6]. E szerint a gondolat, nem a mi univerzum (vagyis nem a mi „labda”) mindig létezik valahol a területen nagy sűrűségű kielégítő inflációs állapotegyenlet, ezért az inflációs bővülő - bár egy információs üzenet velük továbbra is lehetetlen, mivel a fénysebességnél nagyobb sebességgel haladnak el tőlünk (mint bárki más, a "labdánk" előtt). Ennek eredményeként, ott van a gondolat, hogy létezik az úgynevezett multiverzum (multiverzum) [7], amely a feltételezések szerint kell alkalmazni, hogy megoldja a különböző problémákat, mint például a tanulmány az antropikus elv, vagy magyarázatot, hogy miért az értékek az alapvető állandók van ilyen (lásd. Vita [8] ) - elvileg, körülbelül ugyanazt a dolgot, és azt mondta, a fogalom a öngyógyító az univerzum [3], amely szerint a határon bármely „infliruyuschey” terület miatt ingadozási fog bekövetkezni sűrűségű koncentrációja, amelyek során új „inf iruyuschie „mezőben. Meg kell jegyezni, hogy ez a koncepció számos motivációja triviális eredő húrelmélet [9] (különösen néhány ilyen megállapítások vezet az a tény, hogy csak a különbség-paramétert adhat okot mintegy 10.120 különböző univerzumok).