הספר "אופנה, אמונה, פנטזיה והפיזיקה החדשה של היקום"

שלום תושבי חברו! האם אפשר לדבר על אופנה, אמונה או פנטזיה במדע יסוד?

היקום לא מתעניין באופנה אנושית. לא ניתן לפרש את המדע כאמונה, משום שהנחות מדעיות נתונות כל הזמן לבדיקות ניסיוניות קפדניות ומושלכות ברגע שהדוגמה מתחילה להתנגש עם המציאות האובייקטיבית. והפנטזיה בדרך כלל מזניחה גם עובדות וגם היגיון. עם זאת, רוג'ר פנרוז הגדול אינו רוצה לדחות לחלוטין את התופעות הללו, מכיוון שאופנה מדעית יכולה להיות מנוע הקידמה, אמונה מופיעה כאשר תיאוריה מאושרת על ידי ניסויים אמיתיים, וללא מעוף של פנטזיה אי אפשר להבין את כל המוזרויות שלנו עוֹלָם.

בפרק "אופנה" תלמדו על תורת המיתרים, התאוריה האופנתית ביותר של העשורים האחרונים. "אמונה" מוקדש לעקרונות שעליהם עומדת מכניקת הקוונטים. ו"פנטזיה" נוגע ללא פחות מאשר תיאוריות על מקור היקום המוכרות לנו.

3.4. פרדוקס המפץ הגדול

תחילה נעלה את שאלת התצפיות. איזו עדות ישירה יש לכך שהיקום הנצפה כולו היה פעם במצב דחוס וחם להפליא שיתאים לתמונת המפץ הגדול המוצגת בסעיף 3.1? העדות המשכנעת ביותר היא קרינת הרקע הקוסמית של המיקרוגל (CMB), הנקראת לפעמים המפץ הגדול. קרינת CMB היא קלה, אך בעלת אורך גל ארוך מאוד, כך שממש בלתי אפשרי לראות אותה בעיניים. האור הזה נשפך עלינו מכל עבר בצורה שווה ביותר (אך בעיקר באופן לא קוהרנטי). הוא מייצג קרינה תרמית עם טמפרטורה של ~2,725 K, כלומר, יותר משתי מעלות מעל האפס המוחלט. מאמינים כי מקור ה"נצנוץ" שנצפה ביקום חם להפליא (~3000 K באותה תקופה) כ-379 שנים לאחר המפץ הגדול - בעידן הפיזור האחרון, כאשר היקום הפך לראשונה שקוף לקרינה אלקטרומגנטית (אם כי זה לא קרה בכלל במהלך המפץ הגדול) פיצוץ; אירוע זה מתרחש ב-000/1 הראשונים של הגיל הכולל של היקום - מהמפץ הגדול ועד היום). מאז עידן הפיזור האחרון, אורכם של גלי האור הללו גדל בערך כמו שהיקום עצמו התרחב (בערך של כ-40), כך שצפיפות האנרגיה ירדה באופן קיצוני באותה מידה. לכן, הטמפרטורה הנצפית של ה-CMB היא רק 000 K.

העובדה שקרינה זו אינה קוהרנטית במהותה (כלומר, תרמית) מאוששת באופן מרשים מעצם טבעו של ספקטרום התדרים שלה, המוצג באיור. 3.13. עוצמת הקרינה בכל תדר ספציפי משורטטת בצורה אנכית על הגרף, והתדר עולה משמאל לימין. העקומה הרציפה מתאימה לספקטרום הגוף השחור של פלאנק שנדון בסעיף 2.2 עבור טמפרטורה של 2,725 K. הנקודות על העקומה הן נתונים מתצפיות ספציפיות שעבורן מסופקים פסי שגיאה. יחד עם זאת, פסי השגיאה גדלים פי 500, שכן אחרת פשוט לא ניתן יהיה לשקול אותם, אפילו בצד ימין, היכן שהשגיאות מגיעות למקסימום. ההסכמה בין העקומה התיאורטית לתוצאות התצפית היא פשוט יוצאת דופן - אולי ההסכמה הטובה ביותר עם הספקטרום התרמי שנמצא בטבע.

עם זאת, על מה צירוף מקרים זה מעיד? העובדה שאנו שוקלים מצב שככל הנראה היה קרוב מאוד לשיווי משקל תרמודינמי (ולכן נעשה שימוש קודם במונח לא קוהרנטי). אבל איזו מסקנה נובעת מהעובדה שהיקום החדש שנוצר היה קרוב מאוד לשיווי משקל תרמודינמי? נחזור לתמונה. 3.12 מסעיף 3.3. אזור גס-גרגירים הנרחב ביותר יהיה (בהגדרה) גדול בהרבה מכל אזור אחר כזה, ובדרך כלל יהיה גדול כל כך ביחס לאחרים שהוא יגמד בהרבה את כולם! שיווי משקל תרמודינמי מתאים למצב מקרוסקופי, שאליו, ככל הנראה, כל מערכת תגיע במוקדם או במאוחר. לפעמים זה נקרא המוות התרמי של היקום, אבל במקרה הזה, באופן מוזר, אנחנו צריכים לדבר על הלידה התרמית של היקום. המצב מסובך בשל העובדה שהיקום הנולד התרחב במהירות, כך שהמצב שאנו שוקלים למעשה אינו שיווי משקל. אף על פי כן, ההרחבה במקרה זה יכולה להיחשב אדיאבטית במהותה - נקודה זו הוערכה במלואה על ידי טולמן עוד ב-1934 [טולמן, 1934]. המשמעות היא שערך האנטרופיה לא השתנה במהלך ההתרחבות. (מצב דומה לזה, כאשר שיווי משקל תרמודינמי נשמר עקב התפשטות אדיאבטית, ניתן לתאר במרחב הפאזה כקבוצה של אזורים בעלי נפח שווה עם מחיצה גסה, הנבדלים זה מזה רק בנפחים ספציפיים של היקום אנו יכולים להניח שמצב ראשוני זה התאפיין באנטרופיה מקסימלית - למרות ההתפשטות!).

ככל הנראה, אנו עומדים בפני פרדוקס יוצא דופן. על פי הטיעונים המובאים בסעיף 3.3, החוק השני מחייב (והוא מוסבר עקרונית על ידי) המפץ הגדול להיות מצב מקרוסקופי עם אנטרופיה נמוכה ביותר. עם זאת, נראה כי תצפיות CMB מצביעות על כך שהמצב המקרוסקופי של המפץ הגדול התאפיין באנטרופיה ענקית, אולי אפילו המקסימלית האפשרית. איפה אנחנו טועים כל כך ברצינות?

הנה הסבר נפוץ אחד לפרדוקס זה: ההנחה היא שמכיוון שהיקום שנולד היה "קטן" מאוד, יכול להיות שיש גבול כלשהו לאנטרופיה המקסימלית, ומצב שיווי המשקל התרמודינמי, שנשמר ככל הנראה באותה תקופה, היה פשוט אנטרופיה ברמת הגבלה אפשרית באותו זמן. עם זאת, זו התשובה השגויה. תמונה כזו יכולה להתאים למצב שונה לחלוטין, שבו גודל היקום יהיה תלוי באילוץ חיצוני כלשהו, ​​למשל, כמו במקרה של גז הכלול בצילינדר עם בוכנה אטומה. במקרה זה, לחץ הבוכנה מסופק על ידי מנגנון חיצוני כלשהו, ​​המצויד במקור (או שקע) חיצוני של אנרגיה. אבל מצב זה אינו חל על היקום בכללותו, אשר הגיאומטריה והאנרגיה שלו, כמו גם "גודלו הכללי", נקבעים אך ורק על ידי המבנה הפנימי ונשלטים על ידי המשוואות הדינמיות של תורת היחסות הכללית של איינשטיין (כולל משוואות המתארות את מצב החומר; ראה סעיפים 3.1 ו-3.2). בתנאים כאלה (כאשר המשוואות דטרמיניסטיות לחלוטין ואינווריאנטיות ביחס לכיוון הזמן - ראה סעיף 3.3), הנפח הכולל של מרחב הפאזה אינו יכול להשתנות לאורך זמן. ההנחה היא שמרחב הפאזה P עצמו לא צריך "להתפתח"! כל האבולוציה מתוארת בפשטות על ידי מיקומה של עקומה C במרחב P ובמקרה זה מייצגת את האבולוציה השלמה של היקום (ראה סעיף 3.3).

אולי הבעיה תתברר יותר אם ניקח בחשבון את השלבים המאוחרים של קריסת היקום, כאשר הוא מתקרב להתרסקות הגדולה. זכור את מודל פרידמן עבור K > 0, Λ = 0, המוצג באיור. 3.2א בסעיף 3.1. כעת אנו מאמינים שההפרעות במודל זה נובעות מהתפלגות לא סדירה של החומר, ובחלקים מסוימים כבר התרחשו קריסות מקומיות, שהותירו חורים שחורים במקומם. אז עלינו להניח שאחרי זה כמה חורים שחורים יתמזגו זה עם זה ושההתמוטטות לייחודיות סופית תתברר כתהליך מורכב ביותר, שאין לו כמעט שום דבר במשותף עם ההתרסקות הגדולה הסימטרית בהחלט של פרידמן הסימטרי האידיאלי. הדגם המוצג באיור. 3.6 א. להיפך, במונחים איכותיים, מצב הקריסה יזכיר הרבה יותר את הבלגן הקולוסאלי שמוצג באיור. 3.14 א; הייחודיות הנובעת מכך המתעוררת במקרה זה עשויה, במידה מסוימת, להיות עקבית עם השערת BCLM המוזכרת בסוף סעיף 3.2. למצב הקריסה הסופי תהיה אנטרופיה בלתי נתפסת, למרות שהיקום יתכווץ בחזרה לגודל זעיר. למרות שמודל פרידמן המתמוטט (סגור מרחבית) המסוים הזה אינו נחשב כיום לייצוג סביר של היקום שלנו, אותם שיקולים חלים על מודלים אחרים של פרידמן, עם או בלי קבוע קוסמולוגי. הגרסה המתמוטטת של כל דגם כזה, שחווה הפרעות דומות עקב חלוקה לא אחידה של החומר, אמורה להפוך שוב לכאוס מכולל הכל, ייחודיות כמו חור שחור (איור 3.14 ב). על ידי היפוך הזמן בכל אחד מהמצבים הללו, נגיע לסינגולריות ראשונית אפשרית (המפץ הגדול הפוטנציאלי), שיש לה, בהתאם, אנטרופיה קולוסאלית, הסותרת את ההנחה שהועלתה כאן לגבי "תקרת" האנטרופיה (איור 3.14 ג').

כאן אני חייב לעבור לאפשרויות חלופיות שגם נשקלות לפעמים. כמה תיאורטיקנים טוענים שהחוק השני חייב איכשהו להפוך את עצמו במודלים קורסים כאלה, כך שהאנטרופיה הכוללת של היקום תלך וקטנה בהדרגה (לאחר התפשטות מקסימלית) ככל שההתרסקות הגדולה תתקרב. עם זאת, קשה לדמיין תמונה כזו במיוחד בנוכחות חורים שחורים, שברגע שהם נוצרים, יתחילו בעצמם לפעול להגברת האנטרופיה (הקשורה לאסימטריה בזמן במיקום אפס קונוסים ליד אופק האירועים, ראה איור 3.9). זה יימשך אל העתיד הרחוק - לפחות עד שיתאדו חורים שחורים בהשפעת מנגנון הוקינג (ראה סעיפים 3.7 ו-4.3). בכל מקרה, אפשרות זו אינה מבטלת את הטיעונים המובאים כאן. ישנה בעיה חשובה נוספת הקשורה למודלים קורסים מורכבים כל כך ואשר הקוראים עצמם אולי חשבו עליה: יתכן שהייחודיות של חורים שחורים לא יצוצו כלל בו-זמנית, כך שכאשר נהפוך את הזמן, לא נקבל מפץ גדול, מה שקורה "הכל ומיד". עם זאת, זהו בדיוק אחד המאפיינים של ההשערה (עדיין לא הוכחה, אך משכנעת) של צנזורה קוסמית חזקה [Penrose, 1998a; פכ"ר סעיף 28.8], לפיו, במקרה הכללי, ייחוד כזה יהיה חלל (סעיף 1.7), ולכן ניתן לראות בו אירוע חד פעמי. יתרה מכך, ללא קשר לשאלת תקפותה של השערת הצנזורה הקוסמית החזקה עצמה, ידועים פתרונות רבים העונים על תנאי זה, ולכל האפשרויות הללו (כשהן מורחבות) יהיו ערכי אנטרופיה גבוהים יחסית. זה מפחית מאוד את החששות לגבי תקפות הממצאים שלנו.

לפיכך, איננו מוצאים ראיות לכך שבהתחשב בממדים המרחביים הקטנים של היקום, תהיה בהכרח "תקרה נמוכה" מסוימת של אנטרופיה אפשרית. באופן עקרוני, הצטברות החומר בצורה של חורים שחורים והתמזגות יחודיות "חור שחור" לכאוס יחיד הוא תהליך התואם לחלוטין את החוק השני, ותהליך סופי זה חייב להיות מלווה בעלייה עצומה. באנטרופיה. המצב הסופי של היקום, "זעיר" בסטנדרטים גיאומטריים, עשוי להיות בעל אנטרופיה בלתי נתפסת, גבוהה בהרבה מאשר בשלבים המוקדמים יחסית של מודל קוסמולוגי כה מתמוטט, והמיניאטורה המרחבית עצמה אינה מציבה "תקרה" לערך המקסימלי. של אנטרופיה, למרות ש"תקרה" כזו (כאשר הופכים את זרימת הזמן) יכולה רק להסביר מדוע האנטרופיה הייתה נמוכה ביותר במהלך המפץ הגדול. למעשה, תמונה כזו (איור 3.14 א, ב), המייצגת בדרך כלל את קריסת היקום, מציעה פתרון לפרדוקס: מדוע במהלך המפץ הגדול הייתה אנטרופיה נמוכה במיוחד בהשוואה למה שיכול היה להיות, למרות העובדה שהפיצוץ היה חם (ולמצב כזה צריכה להיות אנטרופיה מקסימלית). התשובה היא שהאנטרופיה יכולה לגדול באופן קיצוני אם מתירות סטיות גדולות מאחידות מרחבית, והעלייה הגדולה ביותר מסוג זה קשורה לאי-סדירות הנובעת בדיוק מהופעת חורים שחורים. כתוצאה מכך, למפץ גדול הומוגנית מבחינה מרחבית אכן יכולה להיות, יחסית, אנטרופיה נמוכה להפליא, למרות העובדה שתכולתו הייתה חמה להפליא.

אחת הראיות המשכנעות ביותר לכך שהמפץ הגדול אכן היה הומוגני למדי מבחינה מרחבית, עקבית עם הגיאומטריה של מודל FLRU (אך לא עולה בקנה אחד עם המקרה הכללי הרבה יותר של ייחוד מופרע המוצג באיור 3.14c), שוב מגיעה. מ-RI, אבל הפעם עם ההומוגניות הזוויתית שלו ולא האופי התרמודינמי שלו. הומוגניות זו באה לידי ביטוי בעובדה שהטמפרטורה של ה-RI כמעט זהה בכל נקודה בשמיים, והסטיות מההומוגניות הן לא יותר מ-10-5 (מותאם לאפקט הדופלר הקטן הקשור לתנועה שלנו דרך החומר שמסביב. ). בנוסף, ישנה אחידות כמעט אוניברסלית בתפוצת הגלקסיות וחומר אחר; לפיכך, התפוצה של בריונים (ראה סעיף 1.3) בקנה מידה גדול למדי מאופיינת בהומוגניות משמעותית, אם כי יש חריגות ניכרות, במיוחד מה שנקרא חללים, שבהם צפיפות החומר הנראה נמוכה באופן קיצוני מהממוצע. באופן כללי, ניתן לטעון שההומוגניות גבוהה יותר ככל שאנו מסתכלים יותר אל עבר היקום, ו-RI היא העדות העתיקה ביותר להתפלגות החומר שאנו יכולים לצפות בה ישירות.

תמונה זו עולה בקנה אחד עם הדעה שבשלבים המוקדמים של התפתחותו היקום אכן היה הומוגני ביותר, אך עם צפיפות מעט לא סדירה. עם הזמן (ובהשפעת סוגים שונים של "חיכוך" - תהליכים המאטים את התנועות היחסיות), אי סדרים בצפיפות אלו התגברו בהשפעת כוח הכבידה, מה שעולה בקנה אחד עם הרעיון של התקבצות הדרגתית של החומר. עם הזמן, הגושים גוברים, וכתוצאה מכך היווצרות כוכבים; הם מתקבצים לגלקסיות, שכל אחת מהן מפתחת חור שחור מאסיבי במרכז. בסופו של דבר, הגיבוש הזה נובע מההשפעה הבלתי נמנעת של כוח הכבידה. תהליכים כאלה אכן קשורים לעלייה חזקה באנטרופיה ומוכיחים כי בהתחשב בכוח הכבידה, אותו כדור זוהר קדמוני, שרק RI נותר ממנו כיום, יכול להיות רחוק מהאנטרופיה המקסימלית. האופי התרמי של כדור זה, כפי שמעיד ספקטרום פלאנק המוצג באיור. 3.13, אומר רק את זה: אם ניקח בחשבון את היקום (בעידן הפיזור האחרון) פשוט כמערכת המורכבת מחומר ואנרגיה המקיימים אינטראקציה זה עם זה, אז נוכל להניח שהוא היה למעשה בשיווי משקל תרמודינמי. עם זאת, אם ניקח בחשבון גם השפעות כבידה, התמונה משתנה באופן דרמטי.

אם נדמיין, למשל, גז במיכל אטום, אז טבעי להניח שהוא יגיע לאנטרופיה המקסימלית שלו באותו מצב מקרוסקופי כשהוא מפוזר באופן שווה בכל המיכל (איור 3.15 א'). מבחינה זו, הוא ידמה לכדור חם שיצר RI, אשר מופץ באופן שווה על פני השמים. עם זאת, אם מחליפים מולקולות גז במערכת עצומה של גופים המחוברים זה לזה באמצעות כוח הכבידה, למשל כוכבים בודדים, מקבלים תמונה שונה לחלוטין (איור 3.15 ב). עקב השפעות כבידה, כוכבים יתפזרו בצורה לא אחידה, בצורה של צבירים. בסופו של דבר, האנטרופיה הגדולה ביותר תושג כאשר כוכבים רבים יקרסו או יתמזגו לחורים שחורים. למרות שתהליך זה עשוי להימשך זמן רב (למרות שהוא יקל על ידי חיכוך עקב נוכחות גז בין כוכבי), נראה שבסופו של דבר, כאשר כוח המשיכה שולט, האנטרופיה גבוהה יותר, ככל שהחומר מתפזר בצורה פחות אחידה במערכת .

ניתן לאתר תופעות כאלה אפילו ברמת החוויה היומיומית. אפשר לשאול: מה תפקידו של החוק השני בשמירה על החיים על פני כדור הארץ? לעתים קרובות ניתן לשמוע שאנו חיים על הפלנטה הזו הודות לאנרגיה המתקבלת מהשמש. אבל זו לא אמירה אמיתית לחלוטין אם ניקח בחשבון את כדור הארץ כמכלול, שכן כמעט כל האנרגיה שמקבלת כדור הארץ במהלך היום מתאדה במהרה שוב לחלל, אל שמי הלילה האפלים. (כמובן, האיזון המדויק יותאם מעט על ידי גורמים כמו התחממות כדור הארץ והתחממות כדור הארץ עקב התפרקות רדיואקטיבית.) אחרת, כדור הארץ פשוט יתחמם יותר ויותר והופך בלתי ראוי למגורים תוך מספר ימים! עם זאת, לפוטונים המתקבלים ישירות מהשמש יש תדירות גבוהה יחסית (הם מרוכזים בחלק הצהוב של הספקטרום), וכדור הארץ פולט פוטונים בתדר נמוך בהרבה בספקטרום האינפרא אדום לחלל. על פי הנוסחה של פלאנק (E = hν, ראה סעיף 2.2), לכל אחד מהפוטונים המגיעים מהשמש בנפרד יש אנרגיה גבוהה בהרבה מהפוטונים הנפלטים לחלל, לכן, כדי להשיג איזון, הרבה יותר פוטונים חייבים לעזוב את כדור הארץ מאשר להגיע ( ראה איור 3.16). אם יגיעו פחות פוטונים, אזי לאנרגיה הנכנסת יהיו פחות דרגות חופש ולאנרגיה היוצאת יהיו יותר, ולכן, לפי הנוסחה של בולצמן (S = k log V), לפוטונים הנכנסים תהיה הרבה פחות אנטרופיה מאשר ליוצאים. . אנו משתמשים באנרגיה בעלת האנטרופיה הנמוכה הכלולה בצמחים כדי להוריד את האנטרופיה שלנו: אנו אוכלים צמחים או אוכלי עשב. כך החיים על פני כדור הארץ שורדים ומשגשגים. (ככל הנראה, מחשבות אלו נוסחו לראשונה על ידי ארווין שרדינגר ב-1967, כשכתב את ספרו המהפכני "חיים כפי שהם" [שרדינגר, 2012]).

העובדה החשובה ביותר לגבי מאזן האנטרופיה הנמוך הזה היא זו: השמש היא נקודה חמה בשמים חשוכים לחלוטין. אבל איך נוצרו תנאים כאלה? תהליכים מורכבים רבים מילאו תפקיד, כולל אלה הקשורים לתגובות תרמו-גרעיניות וכו', אך הדבר החשוב ביותר הוא שהשמש קיימת בכלל. וזה התעורר בגלל שחומר שמש (כמו החומר שיוצר כוכבים אחרים) התפתח בתהליך של התקבצות כבידה, והכל התחיל בחלוקה אחידה יחסית של גז וחומר אפל.

כאן עלינו להזכיר חומר מסתורי בשם חומר אפל, המהווה ככל הנראה 85% מהתוכן החומרי (שאיננו Λ) של היקום, אך הוא מזוהה רק על ידי אינטראקציה כבידה, והרכבו אינו ידוע. היום אנחנו רק לוקחים את העניין הזה בחשבון כשאומדים את המסה הכוללת, הדרושה בעת חישוב כמה כמויות מספריות (ראה סעיפים 3.6, 3.7, 3.9, ולאיזה תפקיד תיאורטי חשוב יותר יכול למלא חומר אפל, ראה סעיף 4.3). ללא קשר לסוגיית החומר האפל, אנו רואים כמה חשובה טבע האנטרופיה הנמוכה של התפלגות החומר המקורית האחידה לחיינו. קיומנו, כפי שאנו מבינים אותו, תלוי במאגר הכבידה הנמוך באנטרופיה האופיינית לפיזור האחיד הראשוני של החומר.

כאן אנו מגיעים להיבט מדהים - למעשה, פנטסטי - של המפץ הגדול. התעלומה טמונה לא רק איך זה קרה, אלא גם בעובדה שזה היה אירוע אנטרופיה נמוך במיוחד. יתרה מכך, מה שמדהים הוא לא כל כך הנסיבות הללו אלא העובדה שהאנטרופיה הייתה נמוכה רק במובן ספציפי אחד, כלומר: דרגות הכבידה של החופש הודחקו לחלוטין, משום מה. זאת בניגוד חד לדרגות החופש של החומר והקרינה (אלקטרומגנטית), שכן נראה היה שהם נרגשים בצורה מקסימלית במצב חם עם אנטרופיה מקסימלית. לדעתי, זו אולי התעלומה הקוסמולוגית העמוקה ביותר, ומשום מה היא עדיין נותרה מוזלת!

יש צורך להתעכב ביתר פירוט על כמה מיוחד היה מצבו של המפץ הגדול ואיזו אנטרופיה יכולה להיווצר בתהליך של גושים כבידתיים. בהתאם לכך, תחילה עליך להבין איזו אנטרופיה מדהימה טבועה בעצם בחור שחור (ראה איור 3.15 ב). נדון בסוגיה זו בסעיף 3.6. אבל לעת עתה, הבה נפנה לבעיה נוספת הקשורה לאפשרות הבאה, די סבירה: אחרי הכל, היקום עשוי למעשה להתברר כאינסופי מבחינה מרחבית (כמו במקרה של דגמי FLRU עם K 0, ראה סעיף 3.1) או לפחות רוב היקום לא ניתן לצפייה ישירה. בהתאם, אנו ניגשים לבעיית האופקים הקוסמולוגיים, עליה נדון בחלק הבא.

» פרטים נוספים על הספר ניתן למצוא בכתובת אתר האינטרנט של ההוצאה לאור
» תוכן העניינים
» קטע

עבור Khabrozhiteley 25% הנחה באמצעות קופון - מדע חדש

בתשלום גרסת הנייר של הספר ישלח ספר אלקטרוני במייל.

מקור: www.habr.com