Halló, Khabro íbúar! Er hægt að tala um tísku, trú eða fantasíu í grunnvísindum?
Alheimurinn hefur ekki áhuga á mannlegri tísku. Ekki er hægt að túlka vísindi sem trú, vegna þess að vísindalegar forsendur eru stöðugt undir ströngum tilraunaprófum og þeim er hent um leið og kenningar fara að stangast á við hlutlægan veruleika. Og fantasíur vanrækja almennt bæði staðreyndir og rökfræði. Engu að síður vill hinn mikli Roger Penrose ekki hafna þessum fyrirbærum algjörlega, vegna þess að vísindatískan getur verið mótor framfara, trú birtist þegar kenning er staðfest með raunverulegum tilraunum og án fantasíuflugs getur maður ekki skilið allt það undarlega í okkar Alheimur.
Í „Tísku“ kaflanum munt þú læra um strengjafræði, smartustu kenningu síðustu áratuga. „Trú“ er tileinkað þeim kenningum sem skammtafræðin stendur á. Og „fantasía“ varðar ekkert minna en kenningar um uppruna alheimsins sem við vitum um.
3.4. Big Bang Paradox
Við skulum fyrst velta upp spurningunni um athuganir. Hvaða beinar sannanir eru fyrir því að allur alheimurinn sem hægt er að sjá hafi einu sinni verið í mjög þjappuðu og ótrúlega heitu ástandi sem væri í samræmi við myndina Miklahvell sem sýnd er í kafla 3.1? Sannfærandi sönnunargögnin eru geimgeislun í örbylgjuofni (CMB), stundum kölluð miklihvellur. CMB geislun er létt, en með mjög langa bylgjulengd, þannig að það er algjörlega ómögulegt að sjá hana með augunum. Þetta ljós hellist yfir okkur frá öllum hliðum ákaflega jafnt (en að mestu leyti ósamhengislaust). Það táknar varmageislun með hitastig upp á ~2,725 K, það er meira en tveimur gráðum yfir algjöru núlli. Talið er að „glimmerið“ sem sést hafi átt uppruna sinn í ótrúlega heitum alheimi (~3000 K á þeim tíma) um það bil 379 árum eftir Miklahvell - á tímum síðustu dreifingar, þegar alheimurinn varð fyrst gegnsær fyrir rafsegulgeislun (þótt þetta gerðist alls ekki við Miklahvell).sprenging; þessi atburður gerist á fyrstu 000/1 af heildaraldri alheimsins - frá Miklahvell til dagsins í dag). Frá síðasta dreifingartímabili hefur lengd þessara ljósbylgna aukist um það bil jafn mikið og alheimurinn sjálfur hefur stækkað (um stuðul um 40), þannig að orkuþéttleiki hefur minnkað jafn róttækt. Þess vegna er hitastig CMB aðeins 000 K.
Sú staðreynd að þessi geislun er í meginatriðum ósamhengi (þ.e. hitauppstreymi) er áhrifamikil staðfest af eðli tíðnisviðs hennar, sýnt á mynd. 3.13. Geislunarstyrkur á hverri tiltekinni tíðni er teiknaður lóðrétt á línuritið og tíðnin eykst frá vinstri til hægri. Samfelldi ferillinn samsvarar Planck svartkropparrófinu sem fjallað er um í kafla 2.2 fyrir hitastig upp á 2,725 K. Punktarnir á ferlinum eru gögn úr sérstökum athugunum sem villustikur eru gefnar upp fyrir. Jafnframt er villustikunum fjölgað 500 sinnum, því annars væri einfaldlega ómögulegt að taka tillit til þeirra, jafnvel hægra megin, þar sem villurnar ná hámarki. Samræmið á milli fræðilegu ferilsins og athugunarniðurstaðna er einfaldlega merkilegt - kannski besta samræmi við varma litrófið sem finnast í náttúrunni.
En hvað bendir þessi tilviljun til? Sú staðreynd að við erum að íhuga ástand sem virðist vera mjög nálægt varmafræðilegu jafnvægi (þess vegna var hugtakið ósamhengi notað fyrr). En hvaða niðurstaða leiðir af þeirri staðreynd að nýstofnaður alheimur var mjög nálægt hitaaflfræðilegu jafnvægi? Snúum okkur aftur að mynd. 3.12 úr kafla 3.3. Umfangsmesta grófkorna svæðið mun (samkvæmt skilgreiningu) vera miklu stærra en nokkurt annað slíkt svæði, og mun venjulega vera svo stórt miðað við hin að það mun dverga þeim öllum verulega! Hitaaflfræðilegt jafnvægi samsvarar stórsæju ástandi, sem væntanlega mun hvaða kerfi sem er fyrr eða síðar koma til. Stundum er það kallað varmadauði alheimsins, en í þessu tilfelli ættum við, einkennilega nóg, að vera að tala um hitauppstreymi alheimsins. Ástandið er flókið vegna þess að nýfæddi alheimurinn var að stækka hratt, þannig að ástandið sem við erum að íhuga er í rauninni ójafnvægi. Engu að síður getur stækkunin í þessu tilfelli talist í meginatriðum óþolinmóð - þetta atriði var að fullu metið af Tolman aftur árið 1934 [Tolman, 1934]. Þetta þýðir að óreiðugildið breyttist ekki við stækkun. (Svipað ástandi og þessu, þegar hitaaflfræðilegu jafnvægi er viðhaldið vegna þenslulausrar útþenslu, er hægt að lýsa í fasarými sem mengi af jafnstórum svæðum með grófkorna skiptingu, sem eru aðeins frábrugðin hvert öðru í tilteknu rúmmáli alheimsins Við getum gert ráð fyrir að þetta frumástand hafi einkennst af hámarks óreiðu - þrátt fyrir stækkun!).
Svo virðist sem við stöndum frammi fyrir óvenjulegri þversögn. Samkvæmt rökunum sem settar eru fram í kafla 3.3, krefst annað lögmálið (og er í grundvallaratriðum útskýrt af) Miklahvell að vera stórsæja ástand með afar litla óreiðu. Hins vegar virðast CMB athuganir benda til þess að stórsæja ástand Miklahvells hafi einkennst af gríðarlegri óreiðu, kannski mestu mögulegu. Hvar förum við svona alvarlega úrskeiðis?
Hér er ein algeng skýring á þessari þversögn: það er gert ráð fyrir að þar sem nýfæddi alheimurinn var mjög „lítill“ gætu verið einhver takmörk fyrir hámarks óreiðu, og ástand varmafræðilegs jafnvægis, sem greinilega var haldið á þeim tíma, var einfaldlega takmörkun óreiðu sem er möguleg á þeim tíma. Hins vegar er þetta rangt svar. Slík mynd gæti samsvarað allt öðrum aðstæðum, þar sem stærð alheimsins myndi ráðast af einhverjum ytri takmörkunum, til dæmis eins og þegar um er að ræða gas sem er í strokki með lokuðum stimpli. Í þessu tilviki er stimplaþrýstingurinn veittur af einhverjum ytri vélbúnaði, sem er búinn ytri orkugjafa (eða innstungu). En þetta ástand á ekki við um alheiminn í heild, þar sem rúmfræði hans og orka, sem og „heildarstærð“ hans, ræðst eingöngu af innri uppbyggingu og stjórnast af kraftmiklum jöfnum almennrar afstæðiskenningar Einsteins (þ. jöfnur sem lýsa ástandi efnis, sjá kafla 3.1 og 3.2). Við slíkar aðstæður (þegar jöfnurnar eru algjörlega ákveðnar og óbreytanlegar með tilliti til stefnu tímans - sjá kafla 3.3) getur heildarrúmmál fasarýmis ekki breyst með tímanum. Gert er ráð fyrir að fasarýmið P sjálft eigi ekki að „þróast“! Allri þróun er einfaldlega lýst með staðsetningu ferilsins C í rými P og táknar í þessu tilviki heildarþróun alheimsins (sjá kafla 3.3).
Kannski verður vandamálið skýrara ef við skoðum síðari stig hruns alheimsins, þegar hann nálgast Stóra Hrunið. Mundu eftir Friedman líkaninu fyrir K > 0, Λ = 0, sýnt á mynd. 3.2a í kafla 3.1. Við teljum nú að truflunirnar í þessu líkani stafi af óreglulegri dreifingu efnis og sums staðar hafa staðbundin hrun þegar átt sér stað og skilið eftir svarthol í stað þeirra. Þá ættum við að gera ráð fyrir því að eftir þetta muni nokkur svarthol renna saman og að hrunið í endanlega eintölu muni reynast afar flókið ferli sem á nánast ekkert sameiginlegt með stranglega samhverfu Big Crash hins fullkomlega kúlulaga samhverfa Friedmann. líkan sem sýnt er á mynd. 3.6 a. Þvert á móti, í eigindlegu tilliti, mun hrunástandið minna miklu meira á hið gríðarlega klúður sem sýnt er á mynd. 3.14 a; Einkennin sem myndast í þessu tilviki getur að einhverju leyti verið í samræmi við BCLM tilgátuna sem nefnd er í lok kafla 3.2. Endanlegt hrunástand mun hafa ólýsanlega óreiðu, jafnvel þó að alheimurinn muni minnka aftur niður í pínulitla stærð. Þó að þetta tiltekna (rýmislega lokaða) Friedmann líkan sem hrynur aftur saman sé ekki talið trúverðug framsetning á okkar eigin alheimi eins og er, þá eiga sömu sjónarmið við um önnur Friedmann líkan, með eða án heimsfræðilegs fasta. Hrun útgáfa hvers konar líkans, sem upplifir svipaða truflun vegna ójafnrar dreifingar efnis, ætti aftur að breytast í allsherjar glundroða, sérstöðu eins og svarthol (mynd 3.14 b). Með því að snúa við tímanum í hverju þessara ríkja náum við hugsanlegum upphafssingularity (mögulegum Miklahvell), sem hefur því gríðarlega óreiðu, sem stangast á við þá forsendu sem hér er gerð um „þak“ óreiðu (Mynd 3.14 c).
Hér verð ég að víkja að öðrum möguleikum sem eru líka stundum íhugaðir. Sumir fræðimenn benda til þess að annað lögmálið verði einhvern veginn að snúa sér við í slíkum hrunlíkönum, þannig að heildar óreiðu alheimsins verði smám saman minni (eftir hámarksþenslu) þegar Stóra hrunið nálgast. Hins vegar er sérstaklega erfitt að ímynda sér slíka mynd í nærveru svarthola, sem, þegar þau myndast, munu sjálf byrja að vinna að því að auka óreiðu (sem tengist ósamhverfu tíma í staðsetningu núllkeilna nálægt sjóndeildarhring viðburða, sjá mynd 3.9). Þetta mun halda áfram inn í fjarlæga framtíð - að minnsta kosti þar til svarthol gufa upp undir áhrifum Hawking vélbúnaðarins (sjá kafla 3.7 og 4.3). Í öllu falli ógildir þessi möguleiki ekki þau rök sem hér eru sett fram. Það er annað mikilvægt vandamál sem tengist svo flóknum hrunlíkönum og sem lesendurnir sjálfir hafa kannski hugsað um: sérstæður svarthola geta alls ekki komið upp samtímis, þannig að þegar við snúum tímanum til baka fáum við ekki Miklahvell, sem gerist „allt og strax“. Hins vegar er þetta einmitt einn af eiginleikum hinnar (ekki sannaða, en sannfærandi) tilgátu um sterka kosmíska ritskoðun [Penrose, 1998a; PkR, kafli 28.8], samkvæmt því, í almennu tilviki, verður slíkur sérstæður rýmislíkur (kafli 1.7), og getur því talist einskiptisviðburður. Þar að auki, burtséð frá spurningunni um réttmæti hinnar sterku kosmísku ritskoðunartilgátu sjálfrar, eru margar lausnir þekktar sem uppfylla þetta skilyrði, og allir slíkir valkostir (þegar þeir eru stækkaðir) munu hafa tiltölulega hátt óreiðugildi. Þetta dregur verulega úr áhyggjum um réttmæti niðurstaðna okkar.
Í samræmi við það finnum við engar vísbendingar um að miðað við litla rýmisstærð alheimsins, þá væri endilega ákveðið „lágt þak“ á mögulegri óreiðu. Í grundvallaratriðum er uppsöfnun efnis í formi svarthola og sameining „svarthols“ eintölu í eina eintölu ringulreið ferli sem er fullkomlega í samræmi við annað lögmálið og þessu lokaferli verður að fylgja gríðarleg aukning í óreiðu. Lokaástand alheimsins, „pínulítið“ miðað við rúmfræðilega mælikvarða, kann að hafa ólýsanlega óreiðu, miklu hærri en á tiltölulega fyrstu stigum slíks hrynjandi heimsfræðilegs líkans, og staðbundin smámynd setur ekki „þak“ fyrir hámarksgildi af óreiðu, þó að slíkt "þak" (þegar tímastreymi er snúið við) gæti bara útskýrt hvers vegna óreiðu var mjög lág á Miklahvell. Reyndar bendir slík mynd (mynd 3.14 a, b), sem almennt táknar hrun alheimsins, til lausnar á þversögninni: hvers vegna á Miklahvell var óvenjulega lítil óreiðu miðað við það sem hefði getað verið, þrátt fyrir að staðreynd að sprengingin var heit (og slíkt ástand ætti að hafa hámarks óreiðu). Því er til að svara að óreiðu getur stóraukist ef mikil frávik frá staðbundinni einsleitni eru leyfð og mesta aukningin af þessu tagi tengist óreglum sem stafa einmitt af tilkomu svarthola. Þar af leiðandi gæti staðbundna einsleitur Miklihvell sannarlega haft, tiltölulega séð, ótrúlega lága óreiðu, þrátt fyrir að innihald hans væri ótrúlega heitt.
Ein af sannfærandi sönnunargögnum um að Miklihvellur hafi örugglega verið nokkuð einsleitur í rýminu, í samræmi við rúmfræði FLRU líkansins (en ekki í samræmi við mun almennara tilvikið um röskun eintölu sem sýnd er á mynd 3.14c), kemur aftur. frá RI, en að þessu sinni með skörpum einsleitni frekar en varmafræðilegu eðli. Þessi einsleitni kemur fram í því að hitastig RI er nánast það sama hvar sem er á himninum og frávik frá einsleitni eru ekki meira en 10–5 (leiðrétt fyrir litlu Doppler áhrifunum sem tengjast hreyfingu okkar í gegnum nærliggjandi efni ). Auk þess er nánast alhliða einsleitni í dreifingu vetrarbrauta og annars efnis; Þannig einkennist útbreiðsla baryóna (sjá kafla 1.3) á nokkuð stórum mælikvarða af verulegri einsleitni, þó áberandi frávik séu, einkum svokölluð tómarúm, þar sem þéttleiki sýnilegs efnis er róttækt lægri en meðaltalið. Almennt má færa rök fyrir því að einsleitni sé meiri eftir því sem við lítum lengra inn í fortíð alheimsins og RI er elsta sönnunargagnið um dreifingu efnis sem við getum fylgst beint með.
Þessi mynd er í samræmi við þá skoðun að á fyrstu stigum þróunar sinnar hafi alheimurinn vissulega verið afar einsleitur en með örlítið óreglulegan þéttleika. Með tímanum (og undir áhrifum ýmiss konar „núnings“ - ferla sem hægja á hlutfallslegum hreyfingum), ágerðust þessar þéttleikaóreglur undir áhrifum þyngdaraflsins, sem er í samræmi við hugmyndina um smám saman klumpun efnis. Með tímanum eykst klumpurinn sem leiðir til myndunar stjarna; þær flokkast í vetrarbrautir sem hver um sig myndar gríðarstórt svarthol í miðjunni. Að lokum er þessi klumpun vegna óumflýjanlegra áhrifa þyngdaraflsins. Slík ferli eru sannarlega tengd sterkri aukningu á óreiðu og sýna fram á að, að teknu tilliti til þyngdaraflsins, gæti þessi frumskínandi bolti, sem aðeins RI er eftir í dag, verið langt frá hámarks óreiðu. Hitaeðli þessarar kúlu, eins og sést af Planck litrófinu sem sýnt er á mynd. 3.13, segir aðeins þetta: ef við lítum á alheiminn (á tímum síðustu dreifingar) einfaldlega sem kerfi sem samanstendur af efni og orku sem hafa samskipti sín á milli, þá getum við gert ráð fyrir að hann hafi í raun verið í varmafræðilegu jafnvægi. Hins vegar, ef við tökum líka tillit til áhrifa þyngdarafls, breytist myndin verulega.
Ef við ímyndum okkur til dæmis gas í lokuðu íláti, þá er eðlilegt að gera ráð fyrir að það nái hámarks óreiðu í því stórsæja ástandi þegar það er jafnt dreift um ílátið (mynd 3.15 a). Að þessu leyti mun það líkjast heitum bolta sem myndaði RI, sem er jafnt dreift um himininn. Hins vegar, ef þú skiptir gassameindum út fyrir stórt kerfi líkama sem tengjast hver öðrum með þyngdarafl, til dæmis einstökum stjörnum, færðu allt aðra mynd (mynd 3.15 b). Vegna þyngdaráhrifa munu stjörnur dreifast ójafnt, í formi þyrpinga. Á endanum verður mesta óreiðin þegar fjölmargar stjörnur hrynja saman eða renna saman í svarthol. Þrátt fyrir að þetta ferli geti tekið langan tíma (þótt það verði auðveldað af núningi vegna nærveru millistjörnugass), munum við sjá að þegar þyngdarafl ræður ríkjum er óreiðun meiri, því ójafnara dreifist efnið í kerfinu .
Slík áhrif má rekja jafnvel á stigi hversdagslegrar reynslu. Spyrja má: hvert er hlutverk seinni lögmálsins við að viðhalda lífi á jörðinni? Þú getur oft heyrt að við búum á þessari plánetu þökk sé orkunni frá sólinni. En þetta er ekki alveg sönn staðhæfing ef við lítum á jörðina sem eina heild, þar sem nánast öll orkan sem jörðin fær á daginn gufar fljótlega upp aftur út í geiminn, inn í dimma næturhimininn. (Auðvitað verður nákvæmlega jafnvægið stillt örlítið af þáttum eins og hlýnun jarðar og hitun plánetunnar vegna geislavirkrar rotnunar.) Annars myndi jörðin einfaldlega verða sífellt heitari og verða óbyggileg innan fárra daga! Ljóseindir sem berast beint frá sólu hafa hins vegar tiltölulega háa tíðni (þær eru einbeitt í gula hluta litrófsins) og jörðin gefur frá sér mun lægri tíðni ljóseindir í innrauða litrófinu út í geiminn. Samkvæmt formúlu Plancks (E = hν, sjá kafla 2.2) hefur hver ljóseind sem kemur frá sólinni fyrir sig miklu meiri orku en ljóseindir sem senda frá sér út í geiminn, því til að ná jafnvægi verða mun fleiri ljóseindir að fara frá jörðinni en koma ( sjá mynd 3.16). Ef færri ljóseindir berast, þá mun innkomandi orkan hafa færri frelsisgráður og útgangsorkan mun hafa fleiri, og þess vegna, samkvæmt formúlu Boltzmann (S = k log V), munu innkomandi ljóseindir hafa mun minni óreiðu en þær sem fara út. . Við notum lágorkuorkuna sem er í plöntum til að lækka okkar eigin óreiðu: við borðum plöntur eða grasbíta. Þannig lifir og dafnar líf á jörðinni. (Svo virðist sem þessar hugsanir hafi fyrst verið skýrt mótaðar af Erwin Schrödinger árið 1967, þegar hann skrifaði byltingarkennda bók sína Life as It Is [Schrödinger, 2012]).
Mikilvægasta staðreyndin um þetta lága óreiðujafnvægi er þessi: Sólin er heitur reitur á alveg dimmum himni. En hvernig urðu slíkar aðstæður til? Mörg flókin ferli spiluðu hlutverki, þar á meðal þau sem tengjast hitakjarnahvörfum o.s.frv., en það mikilvægasta er að sólin sé yfirhöfuð til. Og það varð til vegna þess að sólefni (eins og efnið sem myndar aðrar stjörnur) þróaðist í gegnum þyngdaraflið og allt byrjaði með tiltölulega jafnri dreifingu gass og hulduefnis.
Hér þarf að minnast á dularfullt efni sem kallast hulduefni, sem virðist vera 85% af efnisinnihaldi (ekki Λ) alheimsins, en það greinist aðeins með þyngdaraflvirkni og samsetning þess er óþekkt. Í dag tökum við bara tillit til þessa máls þegar við áætlum heildarmassann, sem þarf við útreikning á tölulegum stærðum (sjá kafla 3.6, 3.7, 3.9, og um hvaða mikilvægara fræðilega hlutverk dökkt efni getur gegnt, sjá kafla 4.3). Burtséð frá hulduefnismálinu, sjáum við hversu mikilvægt lágorkueðli upprunalegu samræmdu dreifingarinnar hefur reynst vera fyrir líf okkar. Tilvera okkar, eins og við skiljum hana, er háð þyngdarforðanum með lágorku sem er einkennandi fyrir upphaflega samræmda dreifingu efnis.
Hér komum við að merkilega — í rauninni stórkostlega — þætti Miklahvells. Leyndardómurinn liggur ekki aðeins í því hvernig það gerðist, heldur einnig í þeirri staðreynd að þetta var afar lágt óreiðuatburður. Þar að auki, það sem er merkilegt er ekki svo mikið þessar aðstæður heldur sú staðreynd að óreiðu var lítil aðeins í einu ákveðnu tilliti, nefnilega: þyngdaraflsgráður frelsis voru af einhverjum ástæðum algjörlega bældar niður. Þetta er í mikilli andstöðu við frelsisgráður efnis og (rafsegul)geislunar, þar sem þau virtust vera hámarksspennt í heitu ástandi með hámarks óreiðu. Að mínu mati er þetta kannski dýpsta heimsfræðilega ráðgátan og af einhverjum ástæðum er hún enn vanmetin!
Nauðsynlegt er að fjalla nánar um hversu sérstakt ástand Miklahvells var og hvaða óreiðu getur myndast við þyngdaraflið. Í samræmi við það þarftu fyrst að átta þig á því hvaða ótrúlega óreiðu er í raun og veru fólgin í svartholi (sjá mynd 3.15 b). Við munum ræða þetta mál í kafla 3.6. En í bili skulum við snúa okkur að öðru vandamáli sem tengist eftirfarandi, nokkuð líklegum möguleika: þegar öllu er á botninn hvolft, getur alheimurinn í raun reynst vera staðbundinn óendanlegur (eins og í tilviki FLRU módel með K 0, sjá kafla 3.1) eða að minnsta kosti megi ekki sjá beinlínis megnið af alheiminum. Í samræmi við það nálgumst við vandamál heimsfræðilegs sjóndeildarhrings, sem við munum ræða í næsta kafla.
» Nánari upplýsingar um bókina má finna á
»
»
Fyrir Khabrozhiteley 25% afslátt með afsláttarmiða - Ný vísindi
Við greiðslu á pappírsútgáfu bókarinnar er rafbók send með tölvupósti.
Heimild: www.habr.com