Saluton, loĝantoj de Khabro! Ĉu eblas paroli pri modo, kredo aŭ fantazio en fundamenta scienco?
La universo ne interesiĝas pri homa modo. Scienco ne povas esti interpretita kiel kredo, ĉar sciencaj postulatoj estas konstante submetitaj al strikta eksperimenta testado kaj estas forĵetitaj tuj kiam dogmo komencas konflikti kun objektiva realeco. Kaj fantazio ĝenerale neglektas kaj faktojn kaj logikon. Tamen, la granda Roger Penrose ne volas tute malakcepti tiujn fenomenojn, ĉar scienca modo povas esti la motoro de progreso, kredo aperas kiam teorio estas konfirmita per realaj eksperimentoj, kaj sen flugo de fantazio oni ne povas kompreni ĉiujn strangaĵojn de nia. Universo.
En la ĉapitro "Modo", vi lernos pri teorio de kordoj, la plej moda teorio de la lastaj jardekoj. "Fido" estas dediĉita al la dogmoj sur kiuj staras kvantuma mekaniko. Kaj "Fantazio" koncernas nenion malpli ol teorioj pri la origino de la Universo konataj al ni.
3.4. Paradokso de Praeksplodo
Ni unue levu la demandon de observoj. Kia rekta indico ekzistas, ke la tuta observebla Universo iam estis en ekstreme kunpremita kaj nekredeble varma stato, kiu kongruus kun la bildo de Praeksplodo prezentita en Sekcio 3.1? La plej konvinka indico estas la kosma mikroonda fona radiado (CMB), foje nomita la praeksplodo. CMB-radiado estas malpeza, sed kun tre longa ondolongo, do estas tute neeble vidi ĝin per viaj okuloj. Ĉi tiu lumo verŝas sur nin de ĉiuj flankoj ege egale (sed plejparte nekohere). Ĝi reprezentas termikan radiadon kun temperaturo de ~2,725 K, tio estas, pli ol du gradojn super absoluta nulo. La observita "brilo" verŝajne originis de nekredeble varma Universo (~3000 K en tiu tempo) proksimume 379 jarojn post la Praeksplodo - dum la epoko de la lasta disvastigo, kiam la Universo unue iĝis travidebla al elektromagneta radiado (kvankam tio tute ne okazis dum la Praeksplodo).eksplodo; tiu evento okazas en la unua 000/1 de la tuta aĝo de la Universo - de la Praeksplodo ĝis la nuntempo). Ekde la lasta disvastigepoko, la longeco de tiuj lum-ondoj pligrandiĝis proksimume tiom kiom la Universo mem disetendiĝis (per faktoro de proksimume 40), tiel ke la energidenseco malpliiĝis same radikale. Tial, la observita temperaturo de la CMB estas nur 000 K.
La fakto ke tiu radiado estas esence nekohera (t.e., termika) estas impone konfirmita per la naturo mem de sia frekvenca spektro, montrita en Fig. 3.13. La radia intenseco ĉe ĉiu specifa frekvenco estas punktskribita vertikale sur la grafeo, kaj la frekvenco pliiĝas de maldekstre dekstren. La kontinua kurbo egalrilatas al la Planck-nigra korpospektro diskutita en Sekcio 2.2 por temperaturo de 2,725 K. La punktoj sur la kurbo estas datenoj de specifaj observaĵoj por kiuj erarstangoj estas disponigitaj. Samtempe, la eraraj stangoj estas pliigitaj 500 fojojn, ĉar alie ili simple estus neeble konsideri, eĉ dekstre, kie la eraroj atingas sian maksimumon. La interkonsento inter la teoria kurbo kaj la observaj rezultoj estas simple rimarkinda - eble la plej bona interkonsento kun la termika spektro trovita en naturo.
Tamen, kion indikas ĉi tiu koincido? La fakto, ke ni konsideras staton, kiu ŝajne estis tre proksima al termodinamika ekvilibro (pro tio oni antaŭe uzis la terminon nekohera). Sed kia konkludo sekvas el la fakto, ke la nove kreita Universo estis tre proksima al termodinamika ekvilibro? Ni revenu al Fig. 3.12 el sekcio 3.3. La plej vasta krudgrajna regiono estos (laŭ difino) multe pli granda ol iu ajn alia tia regiono, kaj tipe estos tiom granda relative al la aliaj, ke ĝi ege pligrandigos ilin ĉiujn! Termodinamika ekvilibro respondas al makroskopa stato, al kiu, supozeble, iu sistemo baldaŭ venos. Kelkfoje ĝi nomiĝas termika morto de la Universo, sed ĉi-kaze, strange, ni devus paroli pri la termika naskiĝo de la Universo. La situacio estas komplikita pro la fakto, ke la novnaskita Universo rapide disetendiĝis, do la stato, kiun ni konsideras, estas fakte neekvilibra. Tamen, la ekspansio en ĉi tiu kazo povas esti konsiderita esence adiabata - tiu punkto estis plene aprezita fare de Tolman reen en 1934 [Tolman, 1934]. Tio signifas ke la entropiovaloro ne ŝanĝiĝis dum vastiĝo. (Situacio simila al tio, kiam termodinamika ekvilibro estas konservita pro adiabata ekspansio, povas esti priskribita en faza spaco kiel aro de egal-volumenaj regionoj kun krud-grajna sekcio, kiuj diferencas unu de la alia nur en specifaj volumoj de la Universo. Ni povas supozi, ke ĉi tiu primara stato estis karakterizita per maksimuma entropio - malgraŭ la ekspansio!).
Ŝajne, ni estas antaŭ escepta paradokso. Laŭ la argumentoj prezentitaj en Sekcio 3.3, la Dua Leĝo postulas (kaj estas, principe, klarigita per) la Praeksplodo esti makroskopa ŝtato kun ekstreme malalta entropio. Tamen, CMB-observaĵoj ŝajnas indiki ke la makroskopa stato de la Praeksplodo estis karakterizita per kolosa entropio, eble eĉ la maksimumo ebla. Kien ni tiel serioze eraras?
Jen unu ofta klarigo por tiu paradokso: oni supozas ke, ĉar la novnaskita Universo estis tre "malgranda", povus ekzisti iu limo al la maksimuma entropio, kaj la stato de termodinamika ekvilibro, kiu ŝajne estis konservita en tiu tempo, estis simple limnivelentropio ebla tiutempe. Tamen ĉi tio estas la malĝusta respondo. Tia bildo povus respondi al tute alia situacio, en kiu la grandeco de la Universo dependus de iu ekstera limo, ekzemple, kiel en la kazo de gaso kiu estas enhavita en cilindro kun sigelita piŝto. En ĉi tiu kazo, la piŝta premo estas provizita de iu ekstera mekanismo, kiu estas ekipita per ekstera fonto (aŭ elirejo) de energio. Sed ĉi tiu situacio ne validas por la Universo kiel tutaĵo, kies geometrio kaj energio, same kiel ĝia "totala grandeco", estas determinitaj nur per la interna strukturo kaj estas regitaj per la dinamikaj ekvacioj de la ĝenerala relativeco de Einstein (inkluzive de la ekvacioj priskribantaj la staton de materio; vidu sekciojn 3.1 kaj 3.2). Sub tiaj kondiĉoj (kiam la ekvacioj estas tute determinismaj kaj senvariaj rilate al la direkto de tempo - vidu sekcion 3.3), la totala volumeno de faza spaco ne povas ŝanĝiĝi laŭlonge de la tempo. Oni supozas, ke la faza spaco P mem ne devus "evolui"! Ĉiu evoluo estas simple priskribita per la loko de la kurbo C en spaco P kaj ĉi-kaze reprezentas la kompletan evoluon de la Universo (vidu sekcion 3.3).
Eble la problemo fariĝos pli klara, se ni konsideras la postajn stadiojn de la kolapso de la Universo, kiam ĝi alproksimiĝas al la Granda Kraŝo. Memoru la modelon de Friedman por K > 0, Λ = 0, montrita en Fig. 3.2a en sekcio 3.1. Ni nun kredas, ke la perturboj en ĉi tiu modelo estiĝas de la malregula distribuo de materio, kaj en kelkaj partoj lokaj kolapsoj jam okazis, lasante nigrajn truojn en ilia loko. Tiam ni devus supozi, ke post tio kelkaj nigraj truoj kunfandiĝos unu kun la alia kaj ke la kolapso en finan neordinaraĵon montros esti ekstreme kompleksa procezo, havante preskaŭ nenion komunan kun la strikte simetria Granda Kraŝo de la ideale sfera simetria Friedmann. modelo prezentita en Fig. 3.6 a. Male, kvalite, la kolapso-situacio multe pli rememorigos la kolosa malordo montrita en Fig. 3.14 a; la rezulta unuopaĵo kiu ekestas en ĉi tiu kazo povas, iagrade, esti kongrua kun la BCLM-hipotezo menciita ĉe la fino de sekcio 3.2. La fina kolapsa stato havos neimageblan entropion, kvankam la Universo ŝrumpos reen al eta grandeco. Kvankam ĉi tiu speciala (spacie fermita) refaliĝanta Friedmann-modelo ne estas nuntempe konsiderata kiel kredinda reprezentado de nia propra Universo, la samaj konsideroj validas por aliaj Friedmann-modeloj, kun aŭ sen kosmologia konstanto. La kolapsa versio de iu tia modelo, spertanta similajn perturbojn pro la neegala distribuo de materio, devus denove iĝi tute konsumanta kaoso, unuopaĵo kiel nigra truo (Fig. 3.14 b). Inversante tempon en ĉiu el ĉi tiuj statoj, ni atingos eblan komencan unuopaĵon (ebla Granda Eksplodo), kiu havas, sekve, kolosan entropion, kiu kontraŭdiras la supozon faritan ĉi tie pri la "plafono" de entropio (Fig. 3.14 c).
Ĉi tie mi devas pluiri al alternativaj eblecoj, kiuj ankaŭ foje estas konsiderataj. Kelkaj teoriuloj sugestas ke la dua leĝo devas iel inversigi sin en tiaj kolapsantaj modeloj, tiel ke la totala entropio de la universo iĝos laŭstadie pli malgranda (post maksimuma vastiĝo) kiam la Granda Kraŝo alproksimiĝas. Tamen, tian bildon estas speciale malfacile imagi en la ĉeesto de nigraj truoj, kiuj, post kiam ili formiĝas, ili mem komencos labori por pliigi entropion (kiu estas asociita kun la tempomalsimetrio en la loko de nulaj konusoj proksime de la eventohorizonto, vidu Fig. 3.9). Ĉi tio daŭros en malproksima estonteco - almenaŭ ĝis nigraj truoj vaporiĝos sub la influo de la Hawking-mekanismo (vidu sekciojn 3.7 kaj 4.3). Ĉiukaze ĉi tiu ebleco ne nuligas la ĉi tie prezentitajn argumentojn. Estas alia grava problemo, kiu estas asociita kun tiaj kompleksaj kolapsaj modeloj kaj pri kiu la legantoj mem eble pensis: la neordinaraĵoj de nigraj truoj eble tute ne aperos samtempe, do kiam ni inversigas la tempon, ni ne ricevos Praeksplodon, kio okazas "ĉio kaj tuj". Tamen, ĉi tio estas ĝuste unu el la ecoj de la (ankoraŭ ne pruvita, sed konvinka) hipotezo de forta kosma cenzuro [Penrose, 1998a; PkR, sekcio 28.8], laŭ kiu, en la ĝenerala kazo, tia unuopaĵo estos spacsimila (sekcio 1.7), kaj tial povas esti konsiderata kiel unufoja evento. Krome, sendepende de la demando pri la valideco de la forta kosma cenzura hipotezo mem, multaj solvoj estas konataj, kiuj kontentigas ĉi tiun kondiĉon, kaj ĉiuj tiaj opcioj (kiam vastigitaj) havos relative altajn entropiajn valorojn. Ĉi tio multe reduktas zorgojn pri la valideco de niaj trovoj.
Sekve, ni ne trovas indicon ke, surbaze de la malgrandaj spacaj dimensioj de la Universo, ekzistus nepre certa "malalta plafono" de ebla entropio. Principe, la amasiĝo de materio en la formo de nigraj truoj kaj la kunfandado de "nigra truo" neordinaraĵoj en ununuran unuopan kaoson estas procezo perfekte kongrua kun la dua leĝo, kaj ĉi tiu fina procezo devas esti akompanata de kolosa pliiĝo. en entropio. La fina stato de la Universo, "eta" laŭ geometriaj normoj, povas havi neimageblan entropion, multe pli altan ol en la relative fruaj stadioj de tia kolapsa kosmologia modelo, kaj spaca miniaturo mem ne starigas "plafonon" por la maksimuma valoro. de entropio, kvankam tia "plafono" (dum inversigo de la fluo de tempo) povis ĵus klarigi kial entropio estis ekstreme malalta dum la Praeksplodo. Fakte, tia bildo (Fig. 3.14 a, b), kiu ĝenerale reprezentas la disfalon de la Universo, sugestas solvon de la paradokso: kial dum la Praeksplodo estis escepte malalta entropio kompare al kio povus esti, malgraŭ la fakto ke la eksplodo estis varma (kaj tia stato devus havi maksimuman entropion). La respondo estas ke entropio povas pliigi radikale se grandaj devioj de spaca unuformeco estas permesitaj, kaj la plej granda pliiĝo de ĉi tiu speco estas asociita kun neregulaĵoj pro ĝuste la apero de nigraj truoj. Sekve, space homogena Praeksplodo ja povus havi, relative parolante, nekredeble malaltan entropion, malgraŭ tio, ke ĝia enhavo estis nekredeble varma.
Unu el la plej konvinkaj pruvoj, ke la Praeksplodo estis ja sufiĉe space homogena, kongrua kun la geometrio de la FLRU-modelo (sed ne kongrua kun la multe pli ĝenerala kazo de malorda neordinaraĵo ilustrita en Fig. 3.14c), denove venas. de RI, sed ĉi-foje kun ĝia angula homogeneco prefere ol ĝia termodinamika naturo. Ĉi tiu homogeneco manifestiĝas en la fakto, ke la temperaturo de la RI estas preskaŭ la sama en iu ajn punkto de la ĉielo, kaj devioj de homogeneco ne estas pli ol 10–5 (alĝustigitaj por la malgranda Dopplera efiko asociita kun nia movado tra la ĉirkaŭa materio. ). Krome, estas preskaŭ universala unuformeco en la distribuado de galaksioj kaj aliaj materioj; Tiel, la distribuado de barionoj (vidu Sekcion 1.3) sur sufiĉe grandaj skaloj estas karakterizita per grava homogeneco, kvankam estas rimarkindaj anomalioj, precipe la tielnomitaj malplenoj, kie la denseco de videbla materio estas radikale pli malalta ol la mezumo. Ĝenerale, oni povas argumenti ke homogeneco estas pli alta ju pli en la pasintecon de la Universo ni rigardas, kaj RI estas la plej malnova indico de la distribuado de materio kiun ni povas rekte observi.
Ĉi tiu bildo kongruas kun la opinio, ke en la fruaj stadioj de sia evoluo la Universo estis ja ege homogena, sed kun iomete neregulaj densecoj. Kun la tempo (kaj sub la influo de diversaj specoj de "frikcio" - procezoj, kiuj malrapidigas relativajn movojn), ĉi tiuj densecaj neregulaĵoj plifortiĝis sub la influo de gravito, kiu kongruas kun la ideo de laŭgrada amasiĝo de materio. Kun la tempo, la amasiĝo pliiĝas, rezultigante la formadon de steloj; ili grupiĝas en galaksiojn, ĉiu el kiuj evoluigas masivan nigran truon en la centro. Finfine, ĉi tiu amasiĝo ŝuldiĝas al la neevitebla efiko de gravito. Tiaj procezoj estas ja asociitaj kun forta pliiĝo de entropio kaj pruvas ke, konsiderante graviton, tiu praa brilanta pilko, de kiu nur RI restas hodiaŭ, povus havi malproksime de la maksimuma entropio. La termika naturo de tiu pilko, kiel konstatite per la Planck-spektro montrita en Fig. 3.13, diras nur ĉi tion: se ni konsideras la Universon (en la epoko de la lasta disvastigo) simple kiel sistemon konsistantan el materio kaj energio interrilatantaj inter si, tiam oni povas supozi, ke ĝi efektive estis en termodinamika ekvilibro. Tamen, se ni ankaŭ konsideras gravitajn influojn, la bildo draste ŝanĝiĝas.
Se ni imagas, ekzemple, gason en hermetika ujo, tiam estas nature supozi, ke ĝi atingos sian maksimuman entropion en tiu makroskopa stato kiam ĝi estas egale distribuita tra la ujo (Fig. 3.15 a). Ĉi-rilate, ĝi similos varman pilkon, kiu generis RI, kiu estas egale distribuita tra la ĉielo. Tamen, se oni anstataŭigas gasajn molekulojn per vasta sistemo de korpoj ligitaj unu al la alia per gravito, ekzemple unuopaj steloj, oni ricevas tute alian bildon (Fig. 3.15 b). Pro gravitaj efikoj, steloj estos distribuitaj malegale, en formo de aretoj. Finfine, la plej granda entropio estos atingita kiam multaj steloj kolapsas aŭ kunfandiĝas en nigrajn truojn. Kvankam ĉi tiu procezo povas daŭri longan tempon (kvankam ĝi estos faciligita per frotado pro la ĉeesto de interstela gaso), ni vidos ke finfine, kiam gravito dominas, la entropio estas pli alta, des malpli unuforme la materio estas distribuita en la sistemo. .
Tiaj efikoj povas esti spuritaj eĉ ĉe la nivelo de ĉiutaga sperto. Oni povus demandi: kia estas la rolo de la Dua Leĝo por konservi la vivon sur la Tero? Ofte oni povas aŭdi, ke ni vivas sur ĉi tiu planedo danke al la energio ricevita de la Suno. Sed ĉi tio ne estas tute vera aserto, se ni konsideras la Teron kiel tuton, ĉar preskaŭ la tuta energio ricevita de la Tero dumtage baldaŭ denove vaporiĝas en la spacon, en la malluman noktan ĉielon. (Kompreneble, la preciza ekvilibro estos iomete ĝustigita de faktoroj kiel mondvarmiĝo kaj la varmiĝo de la planedo pro radioaktiva disfalo.) Alie, la Tero simple fariĝus ĉiam pli varma kaj fariĝus neloĝebla ene de kelkaj tagoj! Tamen, fotonoj ricevitaj rekte de la Suno havas relative altan frekvencon (ili estas koncentritaj en la flava parto de la spektro), kaj la Tero elsendas multe pli malaltfrekvencajn fotonojn en la infraruĝa spektro en la spacon. Laŭ la formulo de Planck (E = hν, vidu sekcion 2.2), ĉiu el la fotonoj alvenantaj de la Suno individue havas multe pli altan energion ol la fotonoj elsenditaj en la spacon, tial, por atingi ekvilibron, multe pli da fotonoj devas forlasi la Teron ol alveni ( vidu Fig. 3.16). Se alvenas malpli da fotonoj, tiam la alvenanta energio havos malpli da gradoj de libereco kaj la eliranta energio havos pli, kaj tial, laŭ la formulo de Boltzmann (S = k log V), la alvenantaj fotonoj havos multe malpli da entropio ol la elirantaj. . Ni uzas la malalt-entropian energion enhavitan en plantoj por malaltigi nian propran entropion: ni manĝas plantojn aŭ herbovorulojn. Tiel la vivo sur la Tero pluvivas kaj prosperas. (Ŝajne, ĉi tiuj pensoj unue estis klare formulitaj de Erwin Schrödinger en 1967, kiam li verkis sian revolucian libron Life as It Is [Schrödinger, 2012]).
La plej grava fakto pri ĉi tiu malalt-entropia ekvilibro estas jena: La Suno estas varma punkto en tute malluma ĉielo. Sed kiel estiĝis tiaj kondiĉoj? Multaj kompleksaj procezoj ludis rolon, inkluzive de tiuj asociitaj kun termonukleaj reagoj ktp., sed la plej grava afero estas, ke la Suno entute ekzistas. Kaj ĝi estiĝis ĉar la suna materio (kiel la materio, kiu formas aliajn stelojn) disvolviĝis per procezo de gravita amasiĝo, kaj ĉio komenciĝis per relative unuforma distribuado de gaso kaj malluma materio.
Ĉi tie ni devas mencii misteran substancon nomitan malluma materio, kiu ŝajne konsistigas 85% de la materia (ne-Λ) enhavo de la Universo, sed ĝi estas detektita nur per gravita interago, kaj ĝia konsisto estas nekonata. Hodiaŭ ni nur konsideras ĉi tiun aferon dum taksado de la totala maso, kiu estas bezonata kiam oni kalkulas kelkajn nombrajn kvantojn (vidu sekciojn 3.6, 3.7, 3.9, kaj por kia pli grava teoria rolo povas ludi malluma materio, vidu sekcion 4.3). Sendepende de la malhela materio-temo, ni vidas kiom grava la malalt-entropia naturo de la origina unuforma distribuado de materio pruvis esti por niaj vivoj. Nia ekzisto, kiel ni komprenas ĝin, dependas de la malalt-entropia gravita rezervo kiu estas karakterizaĵo de la komenca unuforma distribuado de materio.
Ĉi tie ni venas al rimarkinda—fakte, fantazia—aspekto de la Praeksplodo. La mistero kuŝas ne nur en kiel ĝi okazis, sed ankaŭ en la fakto, ke ĝi estis ekstreme malalta entropia evento. Cetere, kio estas rimarkinda ne tiom tiu ĉi cirkonstanco, kiom la fakto, ke entropio estis malalta nur en unu specifa rilato, nome: la gravitaj gradoj de libereco estis, ial, tute subpremitaj. Tio estas en akra kontrasto al la gradoj da libereco de materio kaj (elektromagneta) radiado, ĉar ili ŝajnis esti maksimume ekscititaj en varma ŝtato kun maksimuma entropio. Laŭ mi, ĉi tio estas eble la plej profunda kosmologia mistero, kaj ial ĝi ankoraŭ restas subtaksita!
Necesas pli detale pli detale pri kiom speciala estis la stato de la Praeksplodo kaj kia entropio povas ekesti en la procezo de gravita amasiĝo. Sekve, vi unue devas rimarki, kia nekredebla entropio estas efektive propra en nigra truo (vidu Fig. 3.15 b). Ni diskutos ĉi tiun aferon en la sekcio 3.6. Sed nun, ni iru al alia problemo rilata al la sekva, sufiĉe verŝajna ebleco: finfine, la Universo povas efektive montriĝi space senfina (kiel en la kazo de FLRU-modeloj kun K. 0, vidu sekcion 3.1) aŭ almenaŭ la plej granda parto de la Universo eble ne estas rekte observebla. Sekve, ni alproksimiĝas al la problemo de kosmologiaj horizontoj, kiun ni diskutos en la sekva sekcio.
» Pliaj detaloj pri la libro troveblas ĉe
»
»
Por Khabrozhiteley 25% rabato uzante kuponon - Nova Scienco
Post pago de la papera versio de la libro, elektronika libro estos sendita retpoŝte.
fonto: www.habr.com