Hola, residenti di Khabro! Hè pussibule di parlà di moda, fede o fantasia in a scienza fundamentale ?
L'universu ùn hè micca interessatu in a moda umana. A scienza ùn pò esse interpretata cum'è a fede, perchè i postulati scientifichi sò constantemente sottumessi à stretti testi sperimentali è sò scartati appena u dogma cumencia à cunflittu cù a realità objetiva. È a fantasia generalmente trascura i fatti è a logica. Tuttavia, u grande Roger Penrose ùn vole micca ricusà cumplettamente questi fenomeni, perchè a moda scientifica pò esse u mutore di u prugressu, a fede appare quandu una tiuria hè cunfirmata da esperimenti veri, è senza un volu di fantasia ùn si pò capisce tutte e stranezze di u nostru. Universu.
In u capitulu "Moda", ampararete nantu à a teoria di corde, a teoria più di moda di l'ultimi decennii. "Faith" hè dedicatu à i principii nantu à quale a meccanica quantistica si trova. È "Fantasy" cuncerna nunda di menu chè teorii di l'urìgine di l'Universu cunnisciutu da noi.
3.4. Paradossu di u Big Bang
Facemu prima a quistione di l'osservazioni. Chì evidenza diretta ci hè chì tuttu l'Universu osservabile era una volta in un statu estremamente cumpressu è incredibbilmente caldu chì seria coherente cù a stampa di Big Bang presentata in a Sezione 3.1? L'evidenza più convincente hè a radiazione di fondu di microondas cosmica (CMB), qualchì volta chjamata big bang. A radiazione CMB hè ligera, ma cù una longa d'onda assai longa, cusì hè cumplitamenti impussibile di vede cù i vostri ochji. Questa luce si versa nantu à noi da tutti i lati estremamente uniforme (ma soprattuttu incoherente). Rapprisenta a radiazione termale cù una temperatura di ~ 2,725 K, vale à dì più di dui gradi sopra u zero assolutu. Si crede chì u "glimmer" osservatu hè urigginatu in un Universu incredibbilmente caldu (~ 3000 K à quellu tempu) circa 379 000 anni dopu à u Big Bang - durante l'era di l'ultima dispersione, quandu l'Universu diventò prima trasparente à a radiazione elettromagnetica (ancu se questu ùn hè micca accadutu in tuttu durante u Big Bang). esplusione; stu avvenimentu si faci in u primu 1/40 000 di l'età tutale di l'Universu - da u Big Bang à l'oghje). Dapoi l'ultima era di scattering, a durata di sti onde di luce hà aumentatu apprussimatamente quant'è l'Universu stessu s'hè allargatu (per un fattore di circa 1100), cusì chì a densità di l'energia hè diminuita cusì radicalmente. Dunque, a temperatura osservata di u CMB hè solu 2,725 K.
U fattu chì sta radiazione hè essenzialmente incoherente (vale à dì, termale) hè impressiunamente cunfirmatu da a natura stessa di u so spettru di freccia, mostra in Fig. 3.13. L'intensità di a radiazione à ogni frequenza specifica hè tracciata verticalmente nantu à u graficu, è a freccia aumenta da manca à diritta. A curva cuntinuu currisponde à u spettru di u corpu negru di Planck discutitu in a Section 2.2 per una temperatura di 2,725 K. I punti nantu à a curva sò dati da l'osservazioni specifiche per i quali sò furniti bars d'errore. À u listessu tempu, i bars d'errore sò aumentati 500 volte, postu chì altrimente ùn saria micca solu impussibile di cunsiderà, ancu à a diritta, induve l'errori righjunghjenu u so massimu. L'accordu trà a curva teorica è i risultati d'osservazione hè simplicemente notevuli - forsi u megliu accordu cù u spettru termale truvatu in a natura.
Tuttavia, chì indica sta coincidenza ? U fattu chì avemu cunsideratu un statu chì, apparentemente, era assai vicinu à l'equilibriu termodinamicu (chì hè per quessa chì u terminu incoherente hè statu usatu prima). Ma chì cunclusione seguita da u fattu chì l'Universu novu creatu era assai vicinu à l'equilibriu termodinamicu ? Riturnemu à Fig. 3.12 da a sezione 3.3. A regione di grana grossa più estesa serà (per definizione) assai più grande di qualsiasi altra regione, è serà tipicamente cusì grande in relazione à l'altri chì li farà assai nani tutti ! L'equilibriu termodinamicu currisponde à un statu macroscòpicu, à quale, presumibbilmente, ogni sistema prima o dopu vene. Calchì volta hè chjamatu a morte termale di l'Universu, ma in questu casu, stranu, duvemu esse parlatu di a nascita termale di l'Universu. A situazione hè cumplicata da u fattu chì l'Universu nascitu era in espansione rapida, cusì u statu chì avemu cunsideratu hè in realtà non-equilibrium. Tuttavia, l'espansione in questu casu pò esse cunsiderata essenzialmente adiabatica - stu puntu hè statu apprezzatu cumplettamente da Tolman in u 1934 [Tolman, 1934]. Questu significa chì u valore di l'entropia ùn hà micca cambiatu durante l'espansione. (Una situazione simile à questu, quandu l'equilibriu termodinamicu hè mantinutu per via di l'espansione adiabatica, pò esse descrittu in u spaziu di fasi cum'è un inseme di regioni di ugguali volumi cù una partizione di granu grossu, chì si differenzianu da l'altri solu in volumi specifichi di l'Universu. Pudemu assume chì stu statu primariu era carattarizatu da una entropia massima - malgradu l'espansione!).
Apparentemente, simu di fronte à un paradossu eccezziunale. Sicondu l'argumenti presentati in a Sezione 3.3, a Siconda Legge esige (è hè, in principiu, spiegata da) u Big Bang per esse un statu macroscòpicu cù entropia estremamente bassa. Tuttavia, l'osservazioni CMB parenu indicà chì u statu macroscòpicu di u Big Bang era carattarizatu da l'entropia colossale, forsi ancu u massimu pussibule. Induve andemu cusì seriamente sbagliatu?
Eccu una spiegazione cumuna per stu paradossu: si assume chì, postu chì l'Universu nascitu era assai "picculu", puderia esse qualchì limite à l'entropia massima, è u statu di equilibriu termodinamicu, chì apparentemente era mantinutu à quellu tempu, era simpricimenti un entropia di livellu limite pussibule à quellu tempu. Tuttavia, questa hè a risposta sbagliata. Una tale stampa puderia currisponde à una situazione completamente diversa, in quale a dimensione di l'Universu dependerà di qualchì limitazione esterna, per esempiu, cum'è in u casu di un gasu chì si trova in un cilindru cù un pistone sigillatu. In questu casu, a pressione di u pistone hè furnita da qualchì mecanismu esternu, chì hè furnutu cù una fonte esterna (o outlet) di energia. Ma sta situazione ùn hè micca appiicata à l'Universu cum'è un sanu, chì a geometria è l'energia, cum'è a so "taglia generale", sò determinate solu da a struttura interna è sò guvernati da l'equazioni dinamiche di a teoria generale di a relatività di Einstein (cumpresu equazioni chì descrizanu u statu di a materia; vede rùbbriche 3.1 è 3.2). In tali cundizioni (quandu l'equazioni sò cumpletamente deterministichi è invarianti in quantu à a direzzione di u tempu - vede a sezione 3.3), u voluminu tutale di u spaziu di fasa ùn pò micca cambià cù u tempu. Si assume chì u spaziu di fasi P stessu ùn deve micca "evoluzione"! Tutta l'evoluzione hè simplicemente descritta da u locu di a curva C in u spaziu P è in questu casu rapprisenta l'evoluzione cumpleta di l'Universu (vede a sezione 3.3).
Forsi u prublema diventerà più chjaru s'ellu si cunsiderà e tappe più tardi di u colapsu di l'Universu, quandu si avvicina à u Big Crash. Rappelons le modèle de Friedman pour K > 0, Λ = 0, montré dans la Fig. 3.2a in a sezione 3.1. Avemu cridutu avà chì i disturbi in stu mudellu nascenu da a distribuzione irregulare di a materia, è in certi parti i colapsu lucali sò digià accaduti, lascendu i buchi neri in u so locu. Allora duvemu suppone chì dopu à questu certi buchi neri si fusioneranu l'un à l'altru è chì u colapsu in una singularità finale serà un prucessu estremamente cumplessu, chì ùn hà quasi nunda in cumunu cù u Big Crash strettamente simmetricu di u Friedmann simmetricu idealmente sfericu. mudellu prisentatu in Fig. 3.6 a. À u cuntrariu, in termini qualitativi, a situazione di colapsu serà assai più reminiscente di u mess colossale mostratu in Fig. 3.14 a; a singularità risultante chì nasce in questu casu pò, in una certa misura, esse coherente cù l'ipotesi BCLM mintuvata à a fine di a sezione 3.2. U statu di colapsamentu finali averà una entropia inimaginabile, ancu s'è l'Universu si ridurrà à una piccula dimensione. Ancu s'è stu mudellu di Friedmann (spatially closed) ricollapsing ùn hè micca cunsideratu cum'è una rapprisintazioni plausible di u nostru Universu, i stessi cunsiderazioni s'applicanu à l'altri mudelli Friedmann, cù o senza una constante cosmologica. A versione di colapsing di qualsiasi tali mudellu, sperienze disturbi simili à causa di a distribuzione irregulare di a materia, deve torna torna in un caosu all-consuming, una singularità cum'è un pirtusu neru (Fig. 3.14 b). Invertendu u tempu in ognuna di sti stati, ghjunghjemu à una pussibile singularità iniziale (potenziale Big Bang), chì hà, per quessa, entropia colossale, chì cuntradisce l'assunzione fatta quì nantu à u "tettu" di l'entropia (Fig. 3.14 c).
Quì devo passà à pussibulità alternative chì sò ancu qualchì volta cunsiderate. Certi teorichi suggerenu chì a seconda lege deve in qualchì modu inverte in tali mudelli colapsanti, cusì chì l'entropia tutale di l'universu diventerà progressivamente più chjuca (dopu à a massima espansione) cum'è u Big Crash avvicina. In ogni casu, una tale stampa hè soprattuttu difficiuli di imaginà in a presenza di buchi neri, chì, una volta chì si formanu, si cumincianu à travaglià per aumentà l'entropia (chì hè assuciata à l'asimetria di u tempu in u locu di i coni cero vicinu à l'orizzonte di l'avvenimentu). vede Fig. 3.9). Questu hà da cuntinuà in u futuru distante - almenu finu à chì i buchi neri s'evaporanu sottu l'influenza di u mecanismu Hawking (vede rùbbriche 3.7 è 4.3). In ogni casu, sta pussibilità ùn invalida micca l'argumenti presentati quì. Ci hè un altru prublema impurtante chì hè assuciatu cù mudelli di colapsing cusì cumplessi è chì i lettori stessi puderanu avè pensatu: i singularità di i buchi neri ùn ponu micca esse in tuttu simultaneamente, cusì quandu avemu invertitu u tempu, ùn averemu micca un Big Bang, chì succede "tuttu è subitu". In ogni casu, questu hè precisamente una di e pruprietà di l'ipotesi (micca pruvata, ma cunvinta) di una forte censura cosmica [Penrose, 1998a; PkR, rùbbrica 28.8], secondu chì, in u casu generale, una tale singularità serà spacelike (sezione 1.7), è per quessa pò esse cunsideratu un avvenimentu unicu. Inoltre, a priscinniri di a quistione di a validità di l'ipotesi di a censura cosmica forte, sò cunnisciuti assai suluzioni chì satisfacenu sta cundizione, è tutte l'opzioni (quandu allargate) avarà valori d'entropia relativamente altu. Questu reduce assai preoccupazioni nantu à a validità di i nostri risultati.
Dunque, ùn truvamu micca evidenza chì, datu i picculi dimensioni spaziali di l'Universu, ci saria necessariamente un certu "tettu bassu" di entropia pussibule. In principiu, l'accumulazione di materia in forma di buchi neri è a fusione di singularità di "buchi neri" in un unicu caosu singulari hè un prucessu chì hè perfettamente coherente cù a seconda lege, è questu prucessu finali deve esse accumpagnatu da un aumentu colossale. in entropia. U statu finali di l'Universu, "picculu" per i normi geomettichi, pò avè una entropia inimaginable, assai più altu ch'è in i tempi relativamente primi di un tali mudellu cosmologicu colapsatu, è a miniatura spaziale stessu ùn stabilisce micca un "tettu" per u valore massimu. d'entropia, ancu s'ellu un tali "tettu" (quandu invierte u flussu di u tempu) puderia spiegà solu perchè l'entropia era estremamente bassa durante u Big Bang. In fatti, una tale stampa (Fig. 3.14 a, b), chì generalmente rapprisenta u colapsu di l'Universu, suggerisce una suluzione à u paradossu: perchè durante u Big Bang ci era eccezziunale entropia bassa cumparatu à ciò chì puderia esse, malgradu u fattu chì l'esplosione era calda (è un tali statu duveria avè l'entropia massima). A risposta hè chì l'entropia pò aumentà radicalmente si sò permessi grandi deviazioni da l'uniformità spaziale, è u più grande aumentu di stu tipu hè assuciatu cù l'irregularità precisamente per l'emergenza di i buchi neri. In cunseguenza, un Big Bang spazialmente omogeneu puderia avè veramente, relativamente parlante, entropia incredibbilmente bassa, malgradu u fattu chì u so cuntenutu era incredibbilmente caldu.
Unu di i pezzi più convincenti di evidenza chì u Big Bang era daveru abbastanza homogeneità spaziale, coherente cù a geometria di u mudellu FLRU (ma micca coherente cù u casu assai più generale di una singularità disordinata illustrata in Fig. 3.14c), torna torna. da RI, ma sta volta cù a so homogeneità angulare piuttostu cà a so natura termodinamica. Questa homogeneità si manifesta in u fattu chì a temperatura di u RI hè praticamente a stessa in ogni puntu di u celu, è i deviazioni da l'homogeneità ùn sò micca più di 10-5 (aghjustatu per u picculu effettu Doppler assuciatu à u nostru muvimentu attraversu a materia circundante). ). Inoltre, ci hè quasi uniformità universale in a distribuzione di galaxies è altre materia; Cusì, a distribuzione di baryons (vede Section 1.3) in scala abbastanza grande hè carattarizata da una homogeneità significativa, ancu s'ellu ci sò anomalii notevuli, in particulare i vuoti chjamati, induve a densità di a materia visibile hè radicali più bassu di a media. In generale, pò esse sustinutu chì l'homogeneità hè più altu più in u passatu di l'Universu chì guardemu, è RI hè l'evidenza più antica di a distribuzione di a materia chì pudemu osservà direttamente.
Sta stampa hè coherente cù a vista chì in i primi fasi di u so sviluppu l'Universu era veramente estremamente homogeneu, ma cù densità ligeramente irregulari. À u tempu (è sottu a influenza di varii tipi di "friction" - prucessi chì rallentanu i movimenti relative), sti irregularità di densità s'intensificanu sottu à l'influenza di a gravità, chì hè coherente cù l'idea di a massa graduale di a materia. À u tempu, u clumping aumenta, risultatu in a furmazione di stelle; si raggruppanu in galassie, ognuna di e quali sviluppa un pirtusu nìuru massivu in u centru. In ultimamente, questu aggregazione hè duvuta à l'effettu inevitabbile di a gravità. Tali prucessi sò daveru assuciati cù un forte aumentu di l'entropia è dimustranu chì, tenendu in contu a gravità, quella bola brillanti primordiale, di quale solu RI ferma oghje, puderia avè luntanu da l'entropia massima. A natura termale di sta bola, cum'è evidenza da u spettru di Planck mostratu in Fig. 3.13, dice solu questu: se cunsideremu l'Universu (in l'era di l'ultimu scattering) solu cum'è un sistema custituitu da a materia è l'energia chì interagiscenu cù l'altri, allora pudemu assume chì era veramente in equilibriu termodinamicu. Tuttavia, s'è no pigghiamu ancu in contu l'influenzi gravitational, u ritrattu cambia dramaticamente.
Se imaginemu, per esempiu, un gasu in un cuntainer sigillatu, allora hè naturali di assume chì hà da ghjunghje à a so entropia massima in quellu statu macroscòpicu quandu hè distribuitu uniformemente in tuttu u cuntinuu (Fig. 3.15 a). In questu rispettu, s'assumiglia à una bola calda chì hà generatu RI, chì hè uniformemente distribuitu in u celu. In ogni casu, si rimpiazzà e molécule di gasu cù un vastu sistema di corpi cunnessi l'un à l'altru da a gravità, per esempiu, stiddi individuali, avete una stampa completamente diversa (Fig. 3.15 b). A causa di l'effetti gravitazionali, e stelle seranu distribuite in modu irregulare, in forma di clusters. In ultimamente, a più grande entropia serà ottenuta quandu numerose stelle colapsanu o si uniscenu in i buchi neri. Ancu s'è stu prucessu pò piglià assai tempu (ancu si serà facilitatu da a frizione per via di a prisenza di gas interstellare), videremu chì in fine, quandu a gravità domina, l'entropia hè più altu, u menu uniformemente a materia hè distribuita in u sistema. .
Tali effetti ponu esse tracciati ancu à u livellu di l'esperienza di ogni ghjornu. Puderia dumandà: quale hè u rolu di a Siconda Legge à mantene a vita nantu à a Terra ? Spessu si pò sente chì campemu nantu à stu pianeta grazia à l'energia ricevuta da u Sole. Ma questu ùn hè micca una dichjarazione cumplettamente vera si cunsiderà a Terra in tuttu, postu chì quasi tutta l'energia ricevuta da a Terra durante u ghjornu si evapora prestu in u spaziu, in u celu di notte scura. (Di sicuru, u equilibriu esatta serà ligeramente aghjustatu da fatturi cum'è u riscaldamentu glubale è u riscaldamentu di u pianeta per via di a decadenza radiuattiva.) Altrimenti, a Terra diventerà sempri più calda è diventeranu inhabitable in pochi ghjorni! In ogni casu, i fotoni ricivuti direttamente da u sole anu una freccia relativamente alta (sò cuncentrati in a parti gialla di u spettru), è a Terra emette fotoni di freccia assai più bassa in u spettru infrared in u spaziu. Sicondu a formula di Planck (E = hν, vede a sezione 2.2), ognuna di i fotoni chì arrivanu da u Sole individualmente hà una energia assai più altu ch'è i fotoni emessi in u spaziu, per quessa, per ottene l'equilibriu, assai più fotoni duveranu abbandunà a Terra chì ghjunghjenu ( vede Fig. 3.16). Sè arrivanu menu fotoni, allora l'energia entrante averà menu gradi di libertà è l'energia in uscita avarà più, è per quessa, secondu a formula di Boltzmann (S = k log V), i fotoni entranti avaranu assai menu entropia cà l'entropia in uscita. . Utilizemu l'energia di bassa entropia cuntenuta in e piante per calà a nostra entropia: manghjemu e piante o erbivori. Hè cusì chì a vita nantu à a Terra sopravvive è prospera. (Apparentemente, sti pinsamenti sò stati formulati prima chjaramente da Erwin Schrödinger in u 1967, quandu hà scrittu u so libru rivoluzionariu Life as It Is [Schrödinger, 2012]).
U fattu più impurtante nantu à stu equilibriu di bassa entropia hè questu: U Sun hè un locu caldu in un celu cumpletamente scuru. Ma cumu sò tali cundizioni? Parechji prucessi cumplessi anu ghjucatu un rolu, cumpresi quelli assuciati cù reazzioni termonucleari, etc., ma u più impurtante hè chì u Sun esiste in tuttu. È hè ghjuntu perchè a materia solare (cum'è a materia chì forma altre stelle) hà sviluppatu attraversu un prucessu di aggregazione gravitazionale, è tuttu principia cù una distribuzione relativamente uniforme di gasu è materia scura.
Quì ci vole à mintuvà una sustanza misteriosa chjamata materia scura, chì apparentemente custituisce u 85% di u cuntenutu materiale (non-Λ) di l'Universu, ma hè rilevatu solu da l'interazzione gravitazionale, è a so cumpusizioni hè scunnisciuta. Oghje avemu solu piglià sta materia in contu quandu stima a massa tutale, chì hè necessariu quandu calculate qualchi quantità numerica (vede rùbbriche 3.6, 3.7, 3.9, è per ciò chì più impurtante rolu teoricu materia scura pò ghjucà, vede rùbbrica 4.3). Indipendentemente da u prublema di a materia scura, vedemu quantu hè impurtante a natura di bassa entropia di a distribuzione uniforme originale di a materia hà pruvatu à esse per a nostra vita. A nostra esistenza, cum'è l'avemu capitu, dipende da a riserva gravitazionale di bassa entropia chì hè caratteristica di a distribuzione uniforme iniziale di a materia.
Quì venemu à un aspettu rimarchevule - in fattu, fantasticu - di u Big Bang. U misteru ùn si trova micca solu in cumu hè accadutu, ma ancu in u fattu chì era un avvenimentu d'entropia estremamente bassu. Inoltre, ciò chì hè rimarchevule ùn hè micca tantu sta circustanza cum'è u fattu chì l'entropia era bassu solu in un rispettu specificu, à dì: i gradi gravitazionali di libertà eranu, per una certa ragione, completamente suppressi. Questu hè in forte cuntrastu cù i gradi di libertà di a materia è di a radiazione (elettromagnetica), postu chì parevanu esse massimamente eccitati in un statu caldu cù entropia massima. In u mo parè, questu hè forse u misteru cosmologicu più prufondu, è per una certa ragione ferma sempre sottovalutatu!
Hè necessariu di stà in più detail nantu à quantu era speciale u statu di u Big Bang è chì entropia pò esse in u prucessu di aggregazione gravitazionale. In cunsiquenza, avete prima bisognu di capisce ciò chì l'entropia incredibile hè veramente inherente à un pirtusu neru (vede Fig. 3.15 b). Discuteremu stu prublema in a sezione 3.6. Ma per avà, andemu à un altru prublema ligatu à e seguenti, pussibulità abbastanza prubabile: dopu tuttu, l'Universu pò esse in realtà esse spazialmente infinitu (cum'è in u casu di mudelli FLRU cù K). 0, vede a rùbbrica 3.1) o almenu a maiò parte di l'Universu pò esse micca direttamente observable. In cunsiquenza, avvicinamu u prublema di l'orizzonti cosmologichi, chì discuteremu in a sezione dopu.
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