Предложена модель Вселенной без Большого взрыва
Вселенная, возможно, существовала всегда — это следует из новой гравитационной модели, которая использует квантовые поправки для соответствия результатам эйнштейновской общей теории относительности. Эта модель также даёт объяснение тёмной материи и тёмной энергии, разом решая сразу несколько проблем современной физики.
В настоящее время считается, что возраст Вселенной в соответствии со общей теорией относительности (ОТО) составляет 13,8 млрд лет. Предполагается, что в начальный момент времени всё вещество было сосредоточено в точке с бесконечной плотностью — сингулярности. После того, как эта точка начала расширяться, то есть с момента Большого взрыва, и начинается история жизни Вселенной.
Несмотря на то, что существование сингулярности Большого взрыва прямо и неизбежно следует из ОТО, отдельные учёные рассматривают её как проблемный аспект теории, поскольку математика может объяснить лишь то, что происходило после — но не до сингулярности.
Ахмед Фараг Али (Ahmed Farag Ali) из Университета Бенха, Египет, и его коллега Шаурья Дас (Saurya Das) из Университета Летбриджа, Канада, в своей работе показали, как сингулярность Большого взрыва может быть устранена в рамках созданной ими новой модели. Согласно предложенной теории, наша Вселенная не имеет ни начала, ни конца.
Физики подчёркивают, что предложенные ими квантовые поправочные члены не привлекались специально для того, чтобы устранить сингулярность Большого взрыва. Работа основана на идеях физика-теоретика Давида Бома, который, начиная с 1950-х годов, изучал возможности для замены классических геодезических кривых на квантовые траектории. Али и Дас применили некоторые бомовские траектории к уравнению, созданному в тех же 50-х физиком Амалом Кумаром Райчаудхури (Amal Kumar Raychaudhuri) из Калькуттского университета, Индия. Райчаудхури был преподавателем Шаурьи Даса, когда тот был студентом этого вуза в 1990-х годах.
Используя уравнение Райчаудхури с квантовыми поправками, Али и Дас вывели модифицированные, с учётом квантовых поправок, уравнения Фридмана, описывающие расширение и эволюцию Вселенной. Получившаяся модель содержит элементы как квантовой теории, так и общей теории относительности, хотя и не является полноценной теорией квантовой гравитации. Однако авторы ожидают, что результаты их работы останутся в силе, когда — и, разумеется, если — полная квантовая теория гравитации будет разработана.
Помимо того, что модель не предсказывает сингулярности Большого взрыва, она не предусматривает и Большого сжатия. В ОТО одним из возможных сценариев окончания жизни Вселенной является обратное сжатие её в одну точку с бесконечной плотностью.
Отсутствие сингулярностей в модели объясняется ключевым различием между геодезическими кривыми в классической механике и бомовскими траекториями. Классические геодезические кривые пересекаются друг с другом, и точки, в которых они сходятся, являются сингулярностями. Бомовские траектории, напротив, никогда не пересекаются, поэтому при решении уравнений сингулярностей не возникает.
С точки зрения космологии, предложенные квантовые поправки могут быть рассмотрены как космологический свободный член, который исключает необходимость тёмной энергии, и радиационная поправка. Эти дополнения обеспечивают конечный размер Вселенной и таким образом придают ей бесконечное время жизни. Оценки, сделанные на основе модели, хорошо соответствуют современным измерениям космологической постоянной и плотности Вселенной.
С точки зрения физики, модель описывает Вселенную, заполненную квантовой жидкостью. Учёные предполагают, что эта жидкость может состоять из гравитонов — гипотетических частиц с нулевой массой, которые отвечают за передачу гравитационных сил.
В другой работе Дас вместе с Раджатом Бхадури (Rajat Bhaduri) из канадского Университета Мак-Мастер пошли ещё дальше. Опираясь на описанную выше модель, они показали, что гравитоны могут образовывать конденсат Бозе — Эйнштейна при температурах, которые существуют во Вселенной во все эпохи её жизни.
Вдохновлённые потенциалом модели, авторы намерены изучить её более тщательно. В будущей работе они планируют принять во внимание малые негомологичные и анизотропные возмущения. Впрочем, как полагают учёные, на общие итоги это повлиять не должно.
Источник
Какой была Вселенная до горячей стадии
Физики-теоретики из Института ядерных исследований РАН построили модель ранней Вселенной без Большого взрыва. Соответствующий научный результат готовится к публикации в журнале Journal of Cosmology and Astroparticle Physics. Ученые сделали шаг вперед на пути к теоретическому описанию Вселенной с отскоком.
Группа физиков в составе академика Валерия Рубакова и молодых кандидатов наук Виктории Волковой и Сергея Миронова излагает взгляды на происходившее во Вселенной так: сегодня нам многое известно про Вселенную не только теоретически, но и с экспериментальной точки зрения. Благодаря современным астрономическим и астрофизическим наблюдениям мы с уверенностью можем говорить, что наша Вселенная сегодня расширяется медленно и имеет сравнительно небольшую температуру. В начале эволюции она расширялась очень быстро и была горячей, с температурой порядка одного миллиарда градусов, а может, и выше.
Более того, сегодня мы с уверенностью можем сказать, что эта «горячая стадия» в ранней Вселенной не была самой первой. Хотя Вселенная и считается однородной, на малых масштабах она все же такой не является: в ней есть, например, галактики и другие более крупные и мелкие структуры. Эти структуры во Вселенной появились благодаря так называемым первичным неоднородностям в веществе. Вообще, все, что есть во Вселенной, в некотором смысле «живое»; в любой среде есть небольшие отклонения от среднего фона — флуктуации. Первичные неоднородности и есть эти флуктуации, которые появились во Вселенной на самых ранних этапах ее эволюции. Свойства этих первичных неоднородностей сегодня известны из наблюдательных данных о распределении и свойствах галактик, а также из наблюдений реликтового излучения. Реликтовое излучение — электромагнитное излучение, то есть фотоны, которые присутствовали во Вселенной в самые горячие эпохи, а с некоторого момента стали распространяться свободно, тем самым сохраняя на себе отпечаток среды, заполнявшей Вселенную при сравнительно высоких температурах.
Любопытно, что свойства первичных неоднородностей многое говорят об их происхождении, и здесь становится ясно, что эти неоднородности появились до горячей стадии, то есть был еще какой-то предшествующий этап. Что это за этап?
Существует несколько версий, что предшествовало горячей стадии. Одна из самых популярных гипотез — теория об инфляционном расширении. Предполагается, что во время инфляции Вселенная «раздувалась» с немыслимой скоростью, с микроскопических до гигантских размеров за доли секунды. Первичные возмущения в этой модели — это флуктуации вакуума, которые на этом этапе быстро росли и дорастали до нужной величины к моменту перехода на горячую стадию. У инфляционной модели есть свои характерные признаки — например, она предсказывает генерацию реликтовых гравитационных волн (это своего рода «рябь» в пространстве, возмущение геометрии). Реликтовые гравитационные волны пока не обнаружены, то есть наблюдательных данных сегодня не хватает, чтобы подтвердить или опровергнуть теорию инфляции. Это дает свободу теоретикам рассматривать альтернативные сценарии и механизмы.
Один из таких альтернативных сценариев — Вселенная с отскоком. Эта модель предполагает, что еще намного раньше горячей стадии Вселенная была почти такая же, как сегодня, с небольшой плотностью заполняющего ее вещества, но с существенным отличием: она сжималась. Это сжатие продолжалось какое-то время, плотность вещества во Вселенной увеличивалась по мере сжатия, и в некоторый момент происходил отскок — остановка сжатия и начало расширения Вселенной с последующим выходом на стандартную горячую стадию. В такой модели с отскоком есть свои механизмы генерации первичных возмущений на стадии сжатия, и возмущения обладают необходимым набором базовых свойств, согласующихся с известными наблюдательными данными. В то же время предсказания моделей с отскоком отличаются от инфляционных в тонких деталях, которые пока экспериментально не проверены, но в будущем будут доступны проверке.
Привлекательная особенность модели с отскоком — отсутствие так называемого Большого взрыва, точки сингулярности, с которой начинается эволюция Вселенной в общепринятой на сегодня модели. Действительно, смена сжатия расширением может происходить, когда плотность вещества во Вселенной достигает достаточно больших, но все же конечных значений. Тем самым проблема начальной сингулярности в моделях с отскоком решается. Однако модели с отскоком имеют свои характерные сложности: такая нетривиальная динамика со сменой сжатия расширением возможна, если во Вселенной присутствует вещество с довольно экзотическими свойствами, которыми привычная и известная нам материя не обладает. Теоретики тем не менее придумали такую хитрую среду, которая подходит на роль этого экзотического вещества: эта среда взаимодействует с гравитационным полем не так, как обычная окружающая нас материя.
Но на этом трудности не закончились: чтобы сказать, что модель Вселенной с отскоком построена, необходимо убедиться, что решение гравитационных уравнений, которое описывает, как Вселенная сжимается, а потом расширяется, устойчиво. Устойчивость решения означает, что при небольшом отклонении от этого решения Вселенная не рушится, не взрывается и не схлопывается в сингулярность, а плавно возвращается к своей траектории развития и продолжает эволюционировать, как было задумано.
Тут можно представить себе шарик, скатывающийся по наклонному желобу, и шарик, скатывающийся по наклонному ребру. Первый шарик может без существенных последствий отклоняться в направлениях, перпендикулярных направлению его движения вдоль желоба. Напротив, для второго шарика даже малые отклонения вбок от направления его скатывания чреваты падением с ребра и уходом с исходной траектории движения.
Устойчивые модели Вселенной с отскоком, в которых решается проблема Большого взрыва, были предложены сравнительно недавно — в частности, коллективом Института ядерных исследований РАН (ИЯИ РАН). В таких моделях, как уже сказано, необходимо предположить, что Вселенная заполнена специфической средой — например, некоторым скалярным полем, чье взаимодействие с гравитацией не описывается Общей теорией относительности Альберта Эйнштейна. Процедура построения модели предполагает решение полевых уравнений для выбранной теории и последующий анализ решения на предмет его соответствия искомой физической картине, а именно смене эпохи сжатия стадией расширения.
В статье, о которой идет речь, физики-теоретики Виктория Волкова, Сергей Миронов и Валерий Рубаков взяли построенную ими же устойчивую модель с отскоком и усложнили ее, добавив в экзотическую среду, заполняющую Вселенную и обеспечивающую отскок, дополнительную материю, но со стандартными свойствами. Такое усложнение — закономерный шаг, если ставить перед собой цель построить реалистичную модель Вселенной с отскоком, где, вообще говоря, одновременно присутствуют разные типы материи. Из предыдущей работы
А. Викмана, Д. Иссона и И. Савицкого (JCAP 07 (2013) 014) по этой теме было известно, что добавление стандартной материи в системы с упрощенной версией упомянутой выше экзотической среды приводит к возникновению волн в этой среде, которые распространяются со скоростями, превышающими скорость света. Это проблема, потому что в нормальной ситуации скоростей больше скорости света не бывает.
Что удивительно, результат исследований оказался ровно противоположным: при добавлении обычной материи в модель, о которой идет речь, никаких сверхсветовых сигналов не возникает. Для того чтобы выяснить это, было изучено поведение малых отклонений от решения с использованием стандартных методов теории возмущений. Разгадка заключается в различии тонких свойств экзотической среды, которая использовалась и в предыдущей, и в этой работе.
Не менее интересным выглядит и другой результат исследователей из ИЯИ РАН: если в систему добавить вещество, в котором волны распространяются со скоростью, равной или близкой к скорости света (такая материя — не экзотика), то в системе действительно появляются волны, распространяющиеся со скоростью выше скорости света. Причем этот результат не зависит от того, описывает модель отскок во Вселенной или нет; он справедлив для теорий с такой экзотической средой в общем случае. Данное обстоятельство вновь указывает, что в теориях с этой средой все устроено еще более хитро, чем предполагали ученые.
Этот результат может иметь далекоидущие последствия для данного класса теорий в целом и в частности для перспектив построить на их базе реалистичную и, что главное, жизнеспособную модель Вселенной без Большого взрыва.
Источник
Что, если Большого взрыва не было, а Вселенная существовала всегда
Примерно 13,8 миллиардов лет назад произошло событие, положившее начало бытию и породившее все многообразие Вселенной. Это событие было названо Большим взрывом. Сегодня это самая популярная модель образования Вселенной, однако в научных кругах можно встретить и иное мнение, согласно которому Большого взрыва никогда не было, а Вселенная существовала всегда, как бы парадоксально это не звучало.
Сомнения в истинности общепринятого взгляда на рождение Вселенной появились не просто так, они стали следствием несоответствий общей теории относительности с реальностью.
Если верить теории относительности, расширение Вселенной должно замедляться со временем, но вместо этого расширение только набирает обороты. Чтобы объяснить этот парадокс, астрофизики «придумали» темную энергию — таинственную силу, препятствующую силе гравитации. Эта новая математическая модель оказалось настолько удачной, что в околонаучном мире многими стала восприниматься не как гипотеза, а как некая пока что недоказанная данность. В отличие от обывателей, ученые гораздо яснее осознают зыбкость построений, но все же проявляют сдержанность, когда дело касается выдвижения новых гипотез о происхождении Вселенной.
А вот популяризаторы науки ведут себя более непринужденно. Так, известный автор научно-популярной литературы Эрик Лернер в своей книге «Большой взрыв, которого не было» высказал мнение, что теория Большого взрыва является одним и самых больших заблуждений в современной космологии.
К таким выводам независимый исследователь пришел, изучая реакции синтеза гелия, дейтерия и лития. В доказательство своей точки зрения Лернер приводит пример с количеством лития, которого в старых звездах намного меньше, чем должно быть согласно теории нуклеосинтеза Большого взрыва.
Кстати, гелия в этих звездах в два раза меньше, чем должно быть, и это опять же не соответствует упомянутой выше теории. В общем, по мнению Лернера, ни литий, ни гелий не могли появится в результате остывания порожденной Большим взрывом первичной материи, поскольку этих веществ должно быть гораздо больше. Как и следовало ожидать, модель Лернера подверглась жесткой критике, причем по большей части справедливой, но свое влияние на научные круги она все же оказала.
Более правдоподобной выглядит гипотеза Большого отскока
Согласно этой гипотезе, Вселенная циклически расширяется и сжимается, достигая некой критической точки. При этом одни из сторонников этой гипотезы считают, что таких циклов было много, и что они уходят в бесконечность прошлого; другие предполагают, что в истории мира имел место всего лишь один отскок, когда бесконечная во времени и пространстве Вселенная сжалась до точки сингулярности.
То есть то, что сейчас принимают за точку отсчета времени и пространства, есть только одна из итераций бесконечного цикла. Сейчас Вселенная находится во второй фазе — фазе расширения, которая так же будет длиться вечно с той лишь разницей, что ее временной вектор направлен в будущее.
Возможно, какая-то из этих или других альтернативных гипотез происхождения Вселенной и подтвердится, в корне изменив взгляд на картину мира, но пока что самой математически верной остается классическая теория Большого взрыва, подкорректированная гипотезой существования темной энергии.
Что же касается прочих построений, сбрасывать их со счетов однозначно не стоит, так как они могут оказаться как нельзя кстати, если доказательств существования скрытой энергии так и не будет найдено.
Источник