Kaixo, Khabro bizilagunak! Posible al da oinarrizko zientzian modaz, fedeaz edo fantasiaz hitz egitea?
Unibertsoari ez zaio giza moda interesatzen. Zientzia ezin da fede gisa interpretatu, postulatu zientifikoak etengabe proba esperimental zorrotzak jasaten dituztelako eta dogma errealitate objektiboarekin gatazkan hasten den bezain pronto baztertzen direlako. Eta fantasiak, oro har, gertaerak eta logika alde batera uzten ditu. Hala ere, Roger Penrose handiak ez ditu fenomeno hauek erabat baztertu nahi, moda zientifikoa aurrerapenaren motor izan daitekeelako, fedea agertzen da benetako esperimentuek teoria bat berresten dutenean, eta fantasiazko hegaldirik gabe ezin dira gure bitxikeria guztiak ulertu. Unibertsoa.
"Moda" kapituluan, soken teoria ezagutuko duzu, azken hamarkadetako teoria modan dagoena. "Fedea" mekanika kuantikoaren oinarriei eskainita dago. Eta "Fantasia" ezagutzen ditugun Unibertsoaren jatorriari buruzko teoriei baino ez dagokio.
3.4. Big Bang Paradoxa
Goazen lehenik behaketen auzia. Zer ebidentzia zuzen dago Unibertso behagarri osoa 3.1 atalean aurkeztutako Big Bang-aren irudiarekin koherentea izango zen egoera oso konprimitu eta izugarri beroan egon zela? Ebidentzia sinesgarriena mikrouhin-hondoko erradiazio kosmikoa (CMB) da, batzuetan big bang deitua. CMB erradiazioa argia da, baina uhin-luzera oso luzekoa, beraz, guztiz ezinezkoa da begiekin ikustea. Argi honek alde guztietatik isurtzen gaitu oso uniformeki (baina gehienetan inkoherenteki). ~2,725 K-ko tenperatura duen erradiazio termikoa adierazten du, hau da, zero absolututik bi gradu baino gehiagokoa. Behatutako "distira" unibertso izugarri bero batean sortu zela uste da (~ 3000 K garai hartan) Big Bang-etik 379 urtera, gutxi gorabehera, azken dispertsioaren garaian, Unibertsoa lehen aldiz erradiazio elektromagnetikoarekiko garden bihurtu zenean (nahiz eta hau ez zen batere gertatu Big Bang-ean).leherketa;gertaera hau Unibertsoaren adin osoaren lehen 000/1ean gertatzen da -Big Bang-etik gaur egunera arte). Azken sakabanaketa garaiaz geroztik, argi-uhin horien luzera Unibertsoa bera hedatu den bezainbeste handitu da gutxi gorabehera (40 faktore inguru), beraz, energia-dentsitatea modu erradikalean murriztu da. Beraz, behatutako CMBren tenperatura 000 K baino ez da.
Erradiazio hori funtsean inkoherentea dela (hau da, termikoa) ikusgarria da bere maiztasun-espektroaren izaerak, irudian erakusten dena. 3.13. Maiztasun zehatz bakoitzean erradiazio-intentsitatea bertikalki marraztuta dago grafikoan, eta maiztasuna ezkerretik eskuinera handitzen da. Kurba jarraitua 2.2 atalean aztertutako Planck-en gorputz beltzaren espektroari dagokio 2,725 K-ko tenperaturarako. Kurbako puntuak errore-barrak ematen diren behaketa zehatzetako datuak dira. Aldi berean, errore-barrak 500 aldiz handitzen dira, bestela ezinezkoa izango litzatekeelako eskuinaldean ere akatsak maximoa iristen diren kontuan hartzea. Kurba teorikoaren eta behaketaren emaitzen arteko adostasuna nabarmena da, agian naturan aurkitutako espektro termikoarekin adostasunik onena.
Hala ere, zer adierazten du kasualitate horrek? Izan ere, itxuraz oreka termodinamikotik oso gertu zegoen egoera bat kontuan hartzen ari garela (horregatik erabili zen lehenago inkoherente terminoa). Baina zer ondorio ateratzen da sortu berria den Unibertsoa oreka termodinamikotik oso gertu zegoela? Itzuli gaitezen irudira. 3.12 ataleko 3.3. Ale lodiko eskualderik zabalena (definizioz) horrelako beste edozein eskualde baino askoz ere handiagoa izango da, eta normalean besteekiko hain handia izango da, non denak ikaragarri txikituko dituela! Oreka termodinamikoa egoera makroskopiko bati dagokio, eta, ustez, edozein sistema iritsiko da lehenago edo beranduago. Batzuetan Unibertsoaren heriotza termikoa deitzen zaio, baina kasu honetan, bitxia bada ere, Unibertsoaren jaiotza termikoaz hitz egin beharko genuke. Egoera zaila da jaioberriaren Unibertsoa azkar hedatzen ari zelako, beraz, kontuan hartzen ari garen egoera orekarik gabekoa da. Hala ere, kasu honetan hedapena funtsean adiabatikotzat har daiteke; puntu hori guztiz aintzat hartu zuen Tolmanek 1934an [Tolman, 1934]. Horrek esan nahi du hedapenean entropiaren balioa ez dela aldatu. (Honen antzeko egoera, oreka termodinamikoa hedapen adiabatikoari esker mantentzen denean, fase-espazioan deskriba daiteke bolumen berdineko erregio-multzo gisa, partizio lodi batekin, elkarrengandik desberdinak Unibertsoaren bolumen zehatzetan soilik. . Egoera primario honek entropia maximoa izan zuela pentsa dezakegu - hedapena izan arren!).
Dirudienez, aparteko paradoxa baten aurrean gaude. 3.3 atalean aurkeztutako argudioen arabera, Bigarren Legeak eskatzen du (eta, printzipioz, horren bidez azaltzen da) Big Bang-a egoera makroskopikoa izatea entropia oso baxua duena. Hala ere, CMB-ren behaketek Big Bang-aren egoera makroskopikoa entropia kolosala izan zela adierazten dute, agian ahalik eta gehiena ere. Nora goaz hain gaizki?
Hona hemen paradoxa honen azalpen arrunt bat: suposatzen da, Unibertso jaioberria oso “txikia” zenez, entropia maximoaren mugaren bat egon zitekeela, eta oreka termodinamikoaren egoera, itxuraz garai hartan mantentzen zena, zela. une horretan posible den muga-mailako entropia besterik ez. Hala ere, erantzun okerra da hau. Irudi hori guztiz bestelako egoera bati dagokio, non Unibertsoaren tamaina kanpoko mugaren baten araberakoa izango litzatekeen, adibidez, pistoi estanpatua duen zilindro batean dagoen gas baten kasuan bezala. Kasu honetan, pistoiaren presioa kanpoko mekanismo batek ematen du, kanpoko energia iturri (edo irteera) batekin hornituta dagoena. Baina egoera hori ez zaio Unibertsoari bere osotasunean aplikatzen, zeinaren geometria eta energia, baita bere “tamaina orokorra” barne-egiturak soilik zehazten dituena eta Einsteinen erlatibitate-teoria orokorraren ekuazio dinamikoek (barne materiaren egoera deskribatzen duten ekuazioak; ikus 3.1 eta 3.2 atalak). Baldintza horietan (ekuazioak guztiz deterministikoak eta denboraren norabidearekiko aldaezinak direnean - ikus 3.3 atala), fase-espazioaren bolumen osoa ezin da denboran zehar aldatu. Suposatzen da fase-espazioak berak ez duela "eboluzionatu" behar! Eboluzio guztia C kurbak P espazioan duen kokapenarekin deskribatzen da eta kasu honetan Unibertsoaren bilakaera osoa adierazten du (ikus 3.3 atala).
Beharbada, arazoa argiago geratuko da Unibertsoaren kolapsoaren azken faseak kontuan hartzen baditugu, Istripu Handira hurbiltzen ari denean. Gogoratu Friedman-en eredua K > 0, Λ = 0, irudian ageri dena. 3.2a 3.1 atalean. Orain uste dugu eredu honetako asaldurak materiaren banaketa irregularretik sortzen direla, eta zenbait tokitan tokiko kolapsoak jada gertatu dira, zulo beltzak haien lekuan utziz. Orduan suposatu beharko genuke honen ondoren zulo beltz batzuk bata bestearekin bat egingo dutela eta azken berezitasun batean kolapsoa prozesu oso konplexua izango dela, Friedmann simetriko idealaren esferikoaren Big Crash hertsiki simetrikoarekin ia ezer komunean ez duela. irudian aurkezten den eredua. 3.6 a. Aitzitik, termino kualitatiboetan, kolapso-egoerak askoz gehiago gogoraraziko du irudian agertzen den nahaspila izugarria. 3.14 a; kasu honetan sortzen den singulartasuna, neurri batean, 3.2 atalaren amaieran aipatutako BCLM hipotesiarekin koherentea izan daiteke. Azken kolapso-egoerak imajinaezina den entropia izango du, Unibertsoa tamaina txiki batera murriztuko den arren. Friedmann-en eredu zehatz (espazialki itxia) birkolapsoa gaur egun gure Unibertsoaren irudikapen sinesgarritzat hartzen ez den arren, gogoeta berdinak aplikatzen zaizkie Friedmann-en beste eredu batzuei, konstante kosmologiko batekin edo gabe. Horrelako edozein ereduren kolapso-bertsioak, materiaren banaketa irregularraren ondorioz antzeko asaldurak jasaten dituenak, berriro kontsumitzen duen kaos bihurtu beharko luke, zulo beltz baten moduko berezitasun bat (3.14 b. irudia). Egoera horietako bakoitzean denbora alderantzikatuz, hasierako singularitate posible batera iritsiko gara (Big Bang potentziala), eta, horren arabera, entropia kolosala duena, entropiaren “sabaiari” buruz hemen egiten den hipotesiarekin kontraesanean dagoena (3.14 c. irudia).
Hemen batzuetan kontuan hartzen diren aukera alternatiboetara pasatu behar dut. Teoriko batzuek iradokitzen dute bigarren legeak nolabait alderantzikatu behar duela halako kolapso ereduetan, beraz, unibertsoaren entropia osoa pixkanaka txikiagotuko da (gehieneko hedapenaren ondoren), Big Crash hurbildu ahala. Hala ere, irudi hori bereziki zaila da zulo beltzen presentzian imajinatzea, eta, behin eratuta, entropia handitzeko lanean hasiko dira (gertaera-horizontetik gertu dauden zero konoen kokalekuan denbora asimetriarekin lotuta dagoena, ikus 3.9. irudia). Horrek etorkizun urrunean jarraituko du - Hawking mekanismoaren eraginez zulo beltzak lurrundu arte behintzat (ikus 3.7 eta 4.3 atalak). Nolanahi ere, aukera horrek ez ditu baliogabetzen hemen aurkezten diren argudioak. Bada beste arazo garrantzitsu bat kolapso eredu konplexuekin lotzen dena eta irakurleek beraiek pentsatu izana: baliteke zulo beltzen berezitasunak aldi berean ez sortzea, beraz, denbora alderantzikatzen dugunean, ez dugu Big Bang bat lortuko, “guztiak eta berehala” gertatzen dena. Hala ere, horixe da, hain zuzen ere, zentsura kosmiko indartsuaren (oraindik frogatu gabe, baina sinesgarria den) hipotesiaren propietateetako bat [Penrose, 1998a; PkR, 28.8 atala], zeinaren arabera, kasu orokorrean, halako singulartasun bat espazio-itxurakoa izango da (1.7 atala), eta, beraz, behin-behineko gertaeratzat har daiteke. Gainera, zentsura kosmiko indartsuaren hipotesiaren beraren baliozkotasunaren galdera edozein dela ere, baldintza hori betetzen duten irtenbide asko ezagutzen dira, eta aukera horiek guztiek (zabaldutakoan) entropia balio nahiko handiak izango dituzte. Horrek asko murrizten du gure aurkikuntzen baliozkotasunari buruzko kezka.
Horren arabera, ez dugu aurkitzen Unibertsoaren dimentsio espazial txikiak kontuan hartuta, nahitaez entropia posiblearen "sabai baxu" bat egongo litzatekeenik. Printzipioz, zulo beltzen formako materia metatzea eta “zulo beltza” singularitateak kaos bakar bakarrean batzea bigarren legearekin guztiz koherentea den prozesu bat da, eta azken prozesu honekin igoera kolosala izan behar da. entropian. Unibertsoaren azken egoerak, estandar geometrikoen arabera "txiki-txikia", imajinaezina den entropia izan dezake, kolapsatzen ari den eredu kosmologikoaren hasierako faseetan baino askoz ere handiagoa, eta miniatura espazialak berak ez du balio maximorako "sabaia" ezartzen. entropia, nahiz eta halako "sabai" batek (denbora-fluxua iraultzean) entropia Big Bang-ean entropia oso baxua zergatik izan zen azal lezakeen. Izan ere, halako irudi batek (3.14 a, b. irudiak), orokorrean Unibertsoaren kolapsoa adierazten duena, paradoxaren konponbidea iradokitzen du: zergatik Big Bang-ean entropia oso baxua izan zen izan zitekeenarekin alderatuta, nahiz eta Izan ere, leherketa beroa izan zela (eta egoera horrek entropia maximoa izan beharko luke). Erantzuna da entropia erradikalki handitu daitekeela uniformetasun espazialaren desbideratze handiak onartzen badira, eta mota honetako igoerarik handiena irregulartasunekin lotzen da, hain zuzen, zulo beltzak agertzearen ondorioz. Ondorioz, Big Bang espazialki homogeneo batek benetan entropia ikaragarri baxua izan lezake, bere edukia izugarri beroa izan arren.
Big Bang-a espazioan nahiko homogeneoa zela dioen froga sinesgarrienetako bat, FLRU ereduaren geometriarekin bat datorrena (baina 3.14c irudian azaltzen den singulartasun desordenatuaren kasu askoz orokorragoarekin koherentea ez dena), berriro dator. RItik, baina oraingoan bere izaera termodinamikoa baino bere homogeneotasun angeluarrarekin. Homogeneotasun hori zeruko edozein puntutan RIren tenperatura ia berdina dela adierazten da, eta homogeneotasunarekiko desbideratzeak ez dira 10-5 baino gehiago (inguruko materian zehar egiten dugun mugimenduarekin lotutako Doppler efektu txikiagatik egokituta). ). Gainera, galaxien eta bestelako materiaren banaketan ia uniformetasun unibertsala dago; Horrela, barionen banaketa (ikus 1.3 atala) nahiko eskala handietan homogeneotasun nabarmena du ezaugarri, nahiz eta anomaliak nabariak diren, hutsuneak deiturikoak bereziki, non materia ikusgaiaren dentsitatea batez bestekoa baino arras baxuagoa den. Oro har, esan daiteke homogeneotasuna handiagoa dela unibertsoaren iraganera zenbat eta gehiago begiratu, eta RI da zuzenean beha dezakegun materiaren banaketaren frogarik zaharrena.
Irudi hau bat dator bere garapenaren hasierako faseetan Unibertsoa oso homogeneoa zela, baina dentsitate apur bat irregularrekin. Denborarekin (eta "marruskadura" mota ezberdinen eraginez - mugimendu erlatiboak moteltzen dituzten prozesuak), dentsitate-irregulartasun horiek areagotu egin ziren grabitatearen eraginez, hau da, materia pixkanaka biltzearen ideiarekin bat datorrena. Denborak aurrera egin ahala, multzokatzea areagotu egiten da, eta ondorioz izarrak sortzen dira; galaxietan multzokatzen dira, eta horietako bakoitzak zulo beltz masibo bat garatzen du erdialdean. Azken batean, bilketa hori grabitatearen eragin saihestezinari zor zaio. Prozesu horiek, hain zuzen, entropia handitze handiarekin lotzen dira eta frogatzen dute, grabitatea kontuan hartuta, bola distiratsu nagusi horrek, gaur egun RI bakarrik geratzen dena, entropia maximotik urrun egon litekeela. Bola honen izaera termikoa, irudian agertzen den Planck-en espektroak erakusten duen bezala. 3.13, hau bakarrik dio: Unibertsoa (azken sakabanaketaren garaian) materia eta energiaz osatutako sistema bat besterik ez bezala hartzen badugu, orduan benetan oreka termodinamikoan zegoela pentsa genezake. Dena den, grabitazio-eraginak ere kontuan hartzen baditugu, irudia izugarri aldatzen da.
Esaterako, gas bat ontzi itxi batean imajinatzen badugu, orduan naturala da egoera makroskopiko horretan bere entropia maximoa lortuko duela pentsatzea ontzi osoan uniformeki banatuta (3.15 a. irudia). Alde horretatik, RI sortu zuen bola bero baten antza izango du, zeruan uniformeki banatuta dagoena. Hala ere, gas molekulak grabitatearen bidez elkarri lotutako gorputz-sistema zabal batekin ordezkatzen badituzu, adibidez, izar indibidualak, irudi guztiz ezberdina lortuko duzu (3.15 b. irudia). Grabitazio-eraginak direla eta, izarrak modu irregularrean banatuko dira, kumulu moduan. Azken batean, entropia handiena izar ugari erori edo zulo beltzetan bat egiten dutenean lortuko da. Prozesu honek denbora luzea izan dezakeen arren (nahiz eta izarrarteko gasa egotearen ondorioz marruskadurak erraztuko duen), ikusiko dugu, azken batean, grabitatea nagusitzen denean, entropia handiagoa dela, materia sisteman zenbat eta uniformeki gutxiago banatuko dela. .
Horrelako ondorioak eguneroko esperientzia mailan ere aurki daitezke. Baten batek galde lezake: zein da Bigarren Legeak Lurrean bizia mantentzeko duen eginkizuna? Askotan entzun daiteke planeta honetan bizi garela Eguzkitik jasotako energiari esker. Baina hau ez da guztiz egiazko baieztapena Lurra bere osotasunean hartzen badugu, egunez Lurrak jasotzen duen ia energia guztia laster lurruntzen baita berriro espaziora, gaueko zeru ilunera. (Noski, balantze zehatza zertxobait egokituko da, hala nola, berotze globala eta planetaren berokuntza desintegrazio erradioaktiboaren ondorioz.) Bestela, Lurra gero eta beroago bihurtuko litzateke eta egun gutxiren buruan bizi ezina bihurtuko litzateke! Hala ere, Eguzkitik zuzenean jasotako fotoiek maiztasun nahiko altua dute (espektroaren zati horian kontzentratzen dira), eta Lurrak espektro infragorrian askoz maiztasun baxuagoko fotoiak igortzen ditu espaziora. Planck-en formularen arabera (E = hν, ikus 2.2 atala), Eguzkitik banaka iristen diren fotoi bakoitzak espaziora igortzen diren fotoiek baino askoz energia handiagoa dute, beraz, oreka lortzeko, Lurretik iristen baino askoz fotoi gehiago irten behar dira ( ikus 3.16. irudia). Fotoi gutxiago iristen badira, sarrerako energiak askatasun gradu gutxiago izango du eta irteerako energiak gehiago, eta, beraz, Boltzmannen formularen arabera (S = k log V), sarrerako fotoiek irteerakoek baino askoz entropia txikiagoa izango dute. . Landareek duten entropia baxuko energia gure entropia jaisteko erabiltzen dugu: landareak edo belarjaleak jaten ditugu. Horrela bizirik irauten du eta hazten da Lurreko bizitza. (Itxuraz, pentsamendu horiek Erwin Schrödingerrek 1967an formulatu zituen argi eta garbi, Life as It Is [Schrödinger, 2012] liburu iraultzailea idatzi zuenean).
Entropia baxuko balantze honen datu garrantzitsuena hau da: Eguzkia puntu beroa da zeru guztiz ilunean. Baina nola sortu ziren halako baldintzak? Prozesu konplexu askok izan zuten zeresana, erreakzio termonuklearrei lotutakoak barne, etab., baina garrantzitsuena Eguzkia existitzen dela da. Eta eguzki-materia (beste izarrak eratzen dituen materia bezala) grabitazio-multzotze prozesu baten bidez garatu zelako sortu zen, eta dena gasaren eta materia ilunaren banaketa nahiko uniforme batekin hasi zen.
Hemen materia iluna izeneko substantzia misteriotsu bat aipatu behar dugu, itxuraz Unibertsoaren eduki materialaren (ez-Λ) % 85 osatzen duena, baina elkarrekintza grabitatorioaren bidez soilik detektatzen da, eta bere osaera ezezaguna da. Gaur egun, gai hau kontuan hartu besterik ez dugu masa osoa kalkulatzeko orduan, beharrezkoa dena zenbakizko kantitate batzuk kalkulatzerakoan (ikus 3.6, 3.7, 3.9 atalak, eta materia ilunak zer eginkizun teoriko garrantzitsuagoa izan dezakeen ikusteko, ikus 4.3 atala). Materia ilunaren arazoa edozein dela ere, ikusten dugu materiaren jatorrizko banaketa uniformearen entropia baxuko izaerak zein garrantzitsua den gure bizitzarako. Gure existentzia, guk ulertzen dugun moduan, materiaren hasierako banaketa uniformearen ezaugarri den entropia baxuko grabitate-erreserbaren araberakoa da.
Hemen Big Bang-aren alderdi aipagarri batera iritsiko gara, hain zuzen, fantastikoa. Misterioa nola gertatu zen ez ezik, entropia oso baxuko gertaera bat izan zenean ere datza. Gainera, aipagarria ez da zirkunstantzia hori, baizik eta entropia aspektu zehatz batean bakarrik baxua izatea, hots: askatasun-gradu grabitatorioak, arrazoiren bategatik, guztiz ezabatu ziren. Hau materiaren eta erradiazio (elektromagnetikoen) askatasun-mailen kontraste handia da, entropia maximoarekin egoera beroan maximo kitzikatuta zeudelako. Nire ustez, hau da agian misterio kosmologikorik sakonena, eta arrazoiren batengatik oraindik gutxietsita jarraitzen du!
Big Bang-aren egoera zein berezia izan zen eta zer entropia sor daitekeen grabitazio-multzokapen-prozesuan zehatzago sakondu behar da. Horren arabera, lehenik eta behin konturatu behar duzu zer entropia sinestezina den benetan zulo beltz batek (ikus 3.15 b. irudia). Gai hau 3.6 atalean aztertuko dugu. Baina, oraingoz, itzul gaitezen ondoko aukerarekin erlazionatutako beste arazo batera, nahiko litekeena den aukerarekin: azken finean, Unibertsoa benetan espazialki infinitua izan daiteke (K-rekin FLRU ereduen kasuan bezala). 0, ikus 3.1 atala) edo, gutxienez, Unibertsoaren zatirik handiena ez da zuzenean behatu. Horren arabera, hurrengo atalean aztertuko dugun horizonte kosmologikoen arazoari helduko diogu.
» Liburuari buruzko xehetasun gehiago hemen aurki daitezke
»
»
Khabrozhiteleyrentzat % 25eko deskontua kupoia erabiliz - Zientzia Berria
Liburuaren paperezko bertsioa ordaintzean, liburu elektroniko bat bidaliko da posta elektronikoz.
Iturria: www.habr.com