Біз көріп отырған жұлдыздар мен галактикалар әрдайым бола бермейді, және біз қаншалықты алысқа барсақ, Ғалам керемет тегіс болады, бірақ оған қол жеткізуге болатын тегістіктің шегі болады, әйтпесе бізде болмас еді. құрылымы бүгінде. Мұның бәрін түсіндіру үшін бізге Биг Бенгке модификация қажет: космологиялық инфляция. (NASA, ESA, және A. Feild (STScI))

Неліктен біздің Ғалам мүлдем тегіс емес?

Егер ол болса, біз мұнда болмас едік. Бірақ ғылыми дәлел бар, ол керемет түрде расталды.

Біздің Ғаламды зерттегенде, планеталарды, жұлдыздарды, галактикаларды және оларды бөлетін кең ғарыштық қуыстарды қарап отырсақ, «тегіс» дегеніміз - бұл ақылға келген алғашқы сөз емес. Ғаламдық орасан зор ғаламтор - бұл ғаламшардағы ең үлкен заттардың бірі, Жер сияқты планета орташа деңгейден 1030 есе тығыз. Ғалам әрдайым бұлай бола бермейтін немесе қазіргі кездегідей пайда болмас еді. Ол кемелсіз, тегіс болып туылуы керек еді, онда кемшіліктер 100000-да бірнеше бөліктен тұрды немесе алғашқы галактиканы қалыптастыру үшін жүздеген миллион жылдар қажет болмас еді. Бұл кішкентай кемшіліктер өте маңызды еді, немесе біз қазіргі кездегі құрылымды қалыптастырмас едік! Мұның қалай болғанын ғасырлар бойы түсінбегеннен кейін, космологияның ең даулы теорияларының бірі - инфляция жауап берді. Біздің өлшеуіміз бұрын-соңды болмаған дәлдікке қол жеткізгенде, оның болжамдары керемет болып шығады.

Кеңейтіліп жатқан Әлемнің көрнекі тарихы Үлкен жарылыс деп аталатын ыстық және тығыз күйді және құрылымның өсуі мен қалыптасуын қамтиды. Алайда, біз көріп отырған құрылымды алу үшін Ғалам кемелсіз болып туыла алмады (NASA / CXC / M. Weiss).

Ғарыштық инфляцияға сәйкес, ыстық Биг Бенг кеңістік пен уақыттың бастамасы емес, жай ыстық, тығыз, тез дамып келе жатқан ерте күй болды. Бұл ғарыштық инфляция, Әлем ғаламға материя мен сәулелену арқылы емес, Үлкен жарылысты орнатқан ғарышқа тән энергиямен үстемдік ететін кезең болды. Бұл инфляциялық кезең ғарыштың экспоненциалды кеңеюімен сипатталды, онда Ғалам екі еселеніп, содан кейін төрт есе, содан кейін сегіздікпен және т.б. 10–33 секунттан кейін, аймақтық жолдар теориясынан алынған теориялық жолдың өлшемі қазіргі Ғаламнан гөрі кеңірек болады. Басқаша айтқанда, ғарыштық инфляция бұрын болғанның бәрін алады және оны шынымен де, шынымен де, тегіс әрі тегіс етіп созады.

Инфляция кеңістікті экспоненциалды түрде кеңейтуге әкеледі, нәтижесінде кез-келген бұрын иілген немесе тегіс емес кеңістік тегіс болып көрінуі мүмкін. Егер ғаламның қисық сызығы мүлде болса, онда оның қисықтық радиусы біз байқағаннан жүздеген есе үлкен болады. (Э. Зигель (L); Нед Райттың космология бойынша оқулығы (R))

Бұл, бір қарағанда, үлкен проблема тудыратын сияқты. Егер инфляция кеңістікті тегіс, біркелкі және тегіс етіп созса, кемелділіктен олай болса, біз бүгін қалайша безендірілген Ғаламға жеттік? Ньютонның да, Эйнштейннің де ауырлық теориялары жетілмегендікке қарсы тұрақсыз болып табылады, яғни егер сіз мүлдем тегіс Ғаламнан бастасаңыз, уақыт өте келе кемшіліктер көбейіп, құрылымға айналасыз. Егер сіз мінсіз тегістіктен бастасаңыз, онда ешқандай кемшіліктер жоқ, сіз мәңгі тегіс болып қала бересіз. Бірақ бұл біз байқайтын Әлеммен байланысты емес; ол материя тығыздығындағы жетілмегендіктен туылуы керек еді.

Біздің Ғаламдағы галактикалар бүгінде көрінетін бітелетін / кластерлік үлгісінің картасы. Қабылдау талабы материя / энергия тығыздығында бастапқы кемшіліктер бар. (Грег Бэкон / STScI / NASA Goddard ғарыштық ұшу орталығы)

Сондықтан инфляцияның бұл қарапайым көрінісі толық болмауы керек. Бұл кемшіліктерді тудырудың бір тәсілі болуы керек, әйтпесе Әлем біз көргендей болмас еді. Бірақ Әлемнің маңызды қасиеті және инфляция ең керемет жолдармен құтқарылады. Көріп отырсыз ба, бос кеңістік өздігінен тегіс емес және тегіс емес, керісінше, ең кішкентай масштабта кванттық ауытқуларды көрсетеді.

Кванттық вакуумдағы виртуалды бөлшектерді көрсететін кванттық өріс теориясын визуализациялау. Бос кеңістікте болса да, бұл вакуумдық энергия нөлге тең болмайды. (Дерек Лейнвебер)

Мұны көптеген жолдармен қарауға болады: ғарыш энергиясының өзіне тән белгісіздік; вакуумдық тербелістер ретінде; немесе пайда болған және пайда болған бөлшектерге қарсы параллель жұптардың жиынтығы ретінде. Бірақ сіз оны қалай қарасаңыз да, бір нәрсе анық болып қалады: егер сіз Әлемнің энергия тығыздығын өлшеп, оған өте ұсақ және түйіршікті таразыларда қарап отырсаңыз, онда ол кеңістіктегі бірқалыпты және тұрақты емес екенін көресіз. немесе уақытты, егер сіз одан барлық заттар мен сәулелерді алып тастасаңыз да. Ғарыштық матаның өзіне тән кванттық ауытқулар бар.

Алғашқы Әлемнің кванттық ауытқулары үлкен, әр түрлі және кішкентай масштабта маңызды болатын кванттық көбіктен тұратын сурет. (NASA / CXC / M. Weiss)

Әдетте, бұл ауытқулар орташа есеппен бір-бірін жоққа шығарады, сондықтан сіз жай ғана ғарыштың өзіне тән оңтайлы нөлдік энергияға ие боласыз. Бірақ инфляция кезінде бұл кванттық ауытқулар ортаға шығуға мүмкіндік бермейді, өйткені кеңістік өзі осы экспоненциалды жылдамдықпен кеңейеді!

Оның орнына не болады, бұл ауытқулар Әлем бойынша созылып жатыр, сондықтан кванттық ауытқу идеясы бұдан былай өте аз шкаламен шектеледі. Секундына аз уақыт бөлетін уақыт шкалаларында бұл кванттық әсерлер жұлдыз, галактика немесе тіпті ғаламды қамтитын таразылардағы энергияның ауытқуы болуы мүмкін!

Инфляция кезінде пайда болатын кванттық ауытқулар бүкіл әлем бойынша созылады, бірақ сонымен бірге олар жалпы энергия тығыздығының ауытқуын тудырады, бұл бізге Ғаламда қалған нөлдік емес кеңістіктің қисықтық мөлшерін қалдырады. Бұл өрістердің ауытқуы алғашқы Әлемде тығыздықтың жетілмеуін тудырады, содан кейін біз ғарыштық микротолқын фонында кездесетін температураның өзгеруіне әкеледі. (Э. Зигель / Галактикадан тыс)

Инфляция жалғасқан сайын жаңа кванттық ауытқулар пайда болады, нәтижесінде қосымша масштабтағы тербелістер үлкен масштабтан асып түседі. Бұл инфляцияның жалғасуы кезінде ауытқулардың үлгісін және барлық мөлшердегі кездейсоқ аймақтарды құрайды, олар шамадан тыс және шамадан тыс энергия тығыздығына ие.

Содан кейін белгісіз уақыттан кейін инфляция аяқталады. Бұл орын алған кезде ғарышқа тән барлық энергия материяға, антиматорға және сәулеге айналады. Инфляция аяқталған кезде, Үлкен жарылыс басталып, Ғалам заттарға толады.

Шардың биік бетке сырғып кетуіне ұқсастығы - инфляция сақталған кезде, құрылым қираған және босатқан кезде энергия бөлшектерге айналады. (Е. Зигель)

Алғашында энергия жағынан басталуы қиын болған аймақтарда инфляция кезіндегі кванттық ауытқуларға байланысты бұл жерлерде орташа мөлшерден гөрі біршама көп зат, антиматор және радиация пайда болады. Ауырлығы аз аймақтарда орташа аз зат, антима және радиация пайда болады. Шамадан тыс және шамадан тыс бұл спектр нәтижесінде Әлемде температура жағынан біршама салқын және ыстық аймақтар пайда болуы керек.

Орташа деңгейден сәл тығызырақ кеңістік аудандары көтерілу үшін үлкен гравитациялық потенциалды скважиналарды жасайды, демек, сол аймақтардан шығатын сәулелер біздің көзімізге түскен сайын суық болып көрінеді. Керісінше, шамадан тыс аймақтар ыстық нүктелер сияқты болады, ал орташа орташа тығыздығы бар аймақтарда орташа орташа температура болады. (Э. Зигель / Галактикадан тыс)

Ғалам біраз уақыт болғаннан кейін, кеңейіп, салқындағаннан кейін гравитация жұмыс істей бастайды. Бұл олардың орташа деңгейден қай бағытта болғанын көрсетеді. Аздап ыстық аймақтары қиынырақ болған сайын, тығыз аймақтарға өз проблемаларын жеңілдетеді. Салқындатылған аймақтар, шамадан тыс болғандықтан, шамадан тыс немесе орташа тығыздығы жоғары аймақтарға қарағанда заттарды тиімдірек тартады.

Жоғарыда келтірілген логикаға сәйкес барлық нәрсені тарту үшін жұмыс жасайтын гравитация мен тым тез тығыздалатын аймақтарға қарсы бағытталған радиация арасында күрделі тепе-теңдік бар. Бұл ғарыштық микротолқын фонында көрінетін гравитация, радиация және инфляциядан болатын алғашқы ауытқулар арасындағы күштердің өзара әрекеті.

ЦМ-дегі ауытқулар инфляция нәтижесінде пайда болған алғашқы тербелістерге негізделген. Атап айтқанда, үлкен таразылардағы (сол жақта) «жалпақ бөлік» инфляциясыз ешқандай түсініктеме бермейді, алайда ауытқулардың мәні ғаламның инфляция соңында жеткен максималды энергия шкаласын шектейді. Бұл Планк шкаласынан әлдеқайда төмен (NASA / WMAP Science Team)

Бастапқы тербелістер орта есеппен алғанда 1-ден 30,000-ға тең болатын болуы керек, сондықтан біз Үлкен жарылыстың сол жақ жарқылында байқайтын тербелістерге келеміз. Бұл ауытқулар кейінірек Ғалам бейтарап болып, радиация электрондардың шашырауын тоқтатқаннан кейін, біз Ғаламда көріп отырған ауқымды құрылымды алу үшін өседі. Уақыт өте келе бұл жұлдыздардың, галактикалардың, кластерлердің және оларды бөлетін үлкен ғарыштық қуыстардың гравитациялық өсуіне әкеледі.

Ғаламға егжей-тегжейлі қарау оның материктен емес, материядан жасалынғанын, қара материя мен қараңғы энергия қажет екенін және біз осы құпиялардың кез-келгенін білмейтінімізді көрсетеді. Алайда, ЦМ-дегі тербелістер, масштабты құрылымның қалыптасуы мен арақатынасы және гравитациялық линзаның заманауи бақылаулары ғарыштық инфляциядан басталған бірдей көріністі көздейді. (Крис Блейк және Сэм Мурфилд)

Егер ғалам кемелсіз болып дүниеге келсе, қазіргі кездегідей үлкен өлшемдермен де, кішкентайлармен де құрылымды алу мүмкін болмас еді. Біздің бақылауларымыз барлық масштабтарда бірдей мөлшердегі ауытқулар болатындығын және Әлем осылай туылуы керек екенін талап етеді. 1970-ші жылдардың аяғы мен 1980-жылдардың басында инфляция алғаш рет айтылған кезде, бұл тербелістердің қалай пайда болатынын білу мүмкін болмады; бұл инфляцияның ондаған жылдар бойы расталмайтындығы туралы болжам болды! Мұндағы растау өте керемет, өйткені басқа ешқандай теорияда бұл тербелістерді тудыратын әдіс жоқ, және бақылаулар инфляцияны болжаған деңгейге сәйкес келді, COBE, WMAP сияқты жер серіктері, ал жақында Планк мәліметтерді қайтарды.

Инфляция кезінде пайда болатын кванттық тербелістер бүкіл әлем бойынша созылады, ал инфляция аяқталған кезде олар тығыздықтың ауытқуына айналады. Бұл уақыт өте келе қазіргі уақытта Әлемдегі кең көлемді құрылымға, сондай-ақ ЦМ-да байқалған температураның өзгеруіне әкеледі. (E. Siegel, ESA / Planck және CMB зерттеулеріндегі DoE / NASA / NSF ведомствоаралық жұмыс тобынан алынған суреттермен)

Нәтижесі - соншалықты тартымды және деректерге сәйкес келетін балама жоқ. Инфляция - бұл Үлкен жарылысты орнатудың немесе біз алдын-ала біліп отырған мәселелердің шешімін табудың себебі емес; ол Ғаламда біз ежелден бастап қазіргі заманға дейін не күтуімізге болатынын сандық болжаулар жасады және бақылаулар оны растады. Инфляция және оның кванттық табиғаты - ғаламның бүгінде тегіс болмауының себебі, және бұл өте жақсы нәрсе. Онсыз біздің өмір сүруіміз ешқашан мүмкін емес еді.

Bang-дан басталады, қазір Forbes-те және Patreon қолдаушыларының арқасында ортада қайта шығарылды. Этан «Галактикадан тыс» және «Трекнология» атты екі кітаптың авторы: Трикордан бастап Warp Drive-қа дейінгі Star Trek туралы ғылым.