Halo warga Khabro! Apa bisa ngomong babagan fashion, iman utawa fantasi ing ilmu dhasar?
Semesta ora kasengsem ing fashion manungsa. Ilmu ora bisa diinterpretasikake minangka iman, amarga postulat ilmiah terus-terusan diuji eksperimen sing ketat lan dibuwang sanalika dogma wiwit konflik karo kasunyatan objektif. Lan fantasi umume nglirwakake fakta lan logika. Nanging, Roger Penrose sing gedhe ora pengin nolak fénoména kasebut, amarga fashion ilmiah bisa dadi mesin kemajuan, iman katon nalika teori dikonfirmasi kanthi eksperimen nyata, lan tanpa fantasi, siji ora bisa ngerti kabeh keanehan kita. Semesta.
Ing bab "Fashion", sampeyan bakal sinau babagan teori string, teori paling modis ing dekade pungkasan. "Iman" darmabakti kanggo prinsip sing ana ing mekanika kuantum. Lan "Fantasi" ora kurang saka teori asal-usul Alam Semesta sing kita kenal.
3.4. Big Bang Paradox
Ayo kita nimbang pitakonan saka pengamatan. Apa bukti langsung yen kabeh Semesta sing bisa diamati biyen ana ing kahanan sing dikompres lan panas banget sing bakal konsisten karo gambar Big Bang sing ditampilake ing Bagean 3.1? Bukti sing paling kuat yaiku radiasi latar mburi gelombang mikro kosmik (CMB), kadhangkala disebut big bang. Radiasi CMB entheng, nanging kanthi dawa gelombang sing dawa banget, mula ora bisa dideleng kanthi mripat. Cahya iki nyebarake kita saka kabeh sisih kanthi merata (nanging umume ora cocog). Iku nggambarake radiasi termal kanthi suhu ~2,725 K, yaiku, luwih saka rong derajat ing ndhuwur nol absolut. "glimmer" sing diamati diyakini asale saka Semesta sing panas banget (~ 3000 K wektu iku) kira-kira 379 taun sawisé Big Bang - nalika jaman panyebaran pungkasan, nalika Semesta pisanan dadi transparan kanggo radiasi elektromagnetik (sanajan iki ora kelakon ing kabeh nalika Big Bang). bledosan; acara iki dumadi ing 000/1 pisanan saka total umur Universe - saka Big Bang nganti saiki). Wiwit jaman panyebaran pungkasan, dawa gelombang cahya iki saya tambah kira-kira kaya Universe dhewe sing nggedhekake (kanthi faktor kira-kira 40), saéngga kapadhetan energi wis suda kanthi radikal. Mulane, suhu sing diamati ing CMB mung 000 K.
Kasunyatan manawa radiasi iki pancen ora koheren (yaiku termal) dikonfirmasi kanthi spektrum frekuensi, sing ditampilake ing Fig. 3.13. Intensitas radiasi ing saben frekuensi tartamtu diplot vertikal ing grafik, lan frekuensi mundhak saka kiwa menyang tengen. Kurva sing terus-terusan cocog karo spektrum blackbody Planck sing dibahas ing Bagean 2.2 kanggo suhu 2,725 K. Titik ing kurva kasebut minangka data saka pengamatan khusus sing kasedhiya bar kesalahan. Ing wektu sing padha, bar kesalahan tambah 500 kaping, amarga yen ora, padha mung mokal kanggo nimbang, malah ing sisih tengen, ngendi kasalahan tekan maksimum. Persetujuan antarane kurva teoretis lan asil observasi mung luar biasa-mbok menawa persetujuan paling apik karo spektrum termal sing ditemokake ing alam.
Nanging, apa sing nuduhake kebetulan iki? Kasunyatan bilih kita nganggep negara sing, ketoke, cedhak banget karo keseimbangan termodinamika (mulane istilah incoherent digunakake sadurunge). Nanging apa kesimpulan saka kasunyatan sing mentas digawe Semesta cedhak banget karo keseimbangan termodinamika? Ayo bali menyang Fig. 3.12 saka bagean 3.3. Wilayah kasar sing paling jembar bakal (kanthi definisi) luwih gedhe tinimbang wilayah liyane, lan biasane bakal dadi gedhe banget dibandhingake karo wilayah liyane sing bakal dadi kerdil kabeh! Keseimbangan termodinamika cocog karo negara makroskopik, sing, bisa uga, sistem apa wae bakal cepet utawa mengko. Kadhangkala diarani pati termal Semesta, nanging ing kasus iki, cukup aneh, kita kudu ngomong babagan lair termal Semesta. Kahanan kasebut rumit amarga kasunyatane Semesta sing anyar lair kanthi cepet berkembang, mula negara sing kita pikirake pancen ora seimbang. Nanging, ekspansi ing kasus iki bisa dianggep minangka adiabatik - titik iki diapresiasi kanthi lengkap dening Tolman ing taun 1934 [Tolman, 1934]. Iki tegese nilai entropi ora owah sajrone ekspansi. (Kahanan sing padha karo iki, nalika keseimbangan termodinamika dijaga amarga ekspansi adiabatik, bisa diterangake ing ruang fase minangka sakumpulan wilayah volume sing padha karo partisi kasar, sing beda-beda mung ing volume tartamtu saka Semesta. Kita bisa nganggep yen negara utama iki ditondoi kanthi entropi maksimal - sanajan ekspansi!).
Ketoke, kita ngadhepi paradoks sing luar biasa. Miturut argumen sing diwenehake ing Bagean 3.3, Hukum Kapindho mbutuhake (lan, ing prinsip, diterangake dening) Big Bang dadi negara makroskopik kanthi entropi sing sithik banget. Nanging, pengamatan CMB katon nuduhake yen kahanan makroskopik Big Bang ditondoi kanthi entropi kolosal, bisa uga paling maksimal. Ngendi kita salah banget?
Ing ngisor iki minangka panjelasan umum kanggo paradoks iki: dianggep, amarga Semesta bayi sing anyar banget "cilik", bisa uga ana watesan kanggo entropi maksimum, lan kahanan keseimbangan termodinamika, sing katon dijaga ing wektu kasebut, yaiku. mung entropi tingkat watesan sing bisa ditindakake ing wektu kasebut. Nanging, iki jawaban sing salah. Gambar kasebut bisa cocog karo kahanan sing beda-beda, ing ngendi ukuran Semesta bakal gumantung ing sawetara kendala eksternal, contone, kaya gas sing ana ing silinder kanthi piston sing disegel. Ing kasus iki, tekanan piston diwenehake dening sawetara mekanisme eksternal, sing dilengkapi karo sumber eksternal (utawa stopkontak) energi. Nanging kahanan iki ora ditrapake kanggo Semesta sacara sakabehe, sing geometri lan energi, uga "ukuran sakabèhé", ditemtokake mung dening struktur internal lan diatur dening persamaan dinamis saka teori relativitas umum Einstein (kalebu persamaan sing njlèntrèhaké kahanan materi; deleng bagean 3.1 lan 3.2). Ing kahanan kaya mengkono (nalika persamaan rampung deterministik lan invariant babagan arah wektu - deleng bagean 3.3), volume total spasi fase ora bisa diganti liwat wektu. Dianggep manawa ruang fase P dhewe ora kudu "berkembang"! Kabeh evolusi mung diterangake kanthi lokasi kurva C ing spasi P lan ing kasus iki nggambarake evolusi lengkap Alam Semesta (pirsani bagean 3.3).
Mbok menawa masalah bakal dadi luwih cetha yen kita nimbang orane tumrap sekolah mengko saka ambruk Semesta, nalika nyedhak Big Crash. Elinga model Friedman kanggo K > 0, Λ = 0, ditampilake ing Fig. 3.2 a ing bagean 3.1. Saiki kita yakin manawa gangguan ing model iki muncul saka distribusi materi sing ora teratur, lan ing sawetara bagean, ambruk lokal wis kedadeyan, ninggalake bolongan ireng ing panggonane. Banjur kita kudu nganggep yen sawise iki sawetara bolongan ireng bakal gabung karo siji liyane lan ambruk dadi singularitas pungkasan bakal dadi proses sing rumit banget, meh ora ana sing padha karo Big Crash simetris saka Friedmann simetris bundher. model ditampilake ing Fig. 3.6 a. Kosok baline, ing istilah kualitatif, kahanan ambruk bakal luwih kaya kekacoan kolosal sing ditampilake ing Fig. 3.14 a; singularity asil sing njedhul ing kasus iki bisa, kanggo sawetara ombone, konsisten karo hipotesis BCLM kasebut ing mburi bagean 3.2. Kahanan pungkasan sing ambruk bakal duwe entropi sing ora bisa dibayangake, sanajan Semesta bakal nyusut maneh dadi ukuran cilik. Senadyan model Friedmann sing recollapsing tartamtu (katutup spasial) iki saiki ora dianggep minangka perwakilan sing bisa dipercaya saka Semesta kita dhewe, pertimbangan sing padha ditrapake kanggo model Friedmann liyane, kanthi utawa tanpa konstanta kosmologis. Versi ambruk saka model apa wae, ngalami gangguan sing padha amarga distribusi materi sing ora rata, kudu maneh dadi kekacauan kabeh, singularitas kaya bolongan ireng (Gbr. 3.14 b). Kanthi mbalikke wektu ing saben negara kasebut, kita bakal bisa nggayuh singularitas awal (potensial Big Bang), sing nduweni entropi kolosal, sing mbantah asumsi sing digawe ing kene babagan "langit-langit" entropi (Gambar 3.14 c).
Ing kene aku kudu pindhah menyang kemungkinan alternatif sing uga kadhangkala dianggep. Sawetara ahli teori nyaranake manawa hukum kapindho kudu mbalikke dhewe ing model sing ambruk, supaya total entropi alam semesta bakal saya cilik (sawise ekspansi maksimal) nalika Big Crash nyedhaki. Nanging, gambar kaya mengkono iku utamané angel mbayangno ing ngarsane bolongan ireng, kang, yen padha kawangun, dhewe bakal miwiti kanggo bisa kanggo nambah entropi (kang digandhengake karo wektu asimetri ing lokasi nul cones cedhak cakrawala acara, lan ing wektu sing padha ora asimetri ing lokasi cones nul cedhak cakrawala acara. ndeleng Fig. 3.9). Iki bakal terus menyang mangsa adoh - paling nganti bolongan ireng nguap ing pengaruh saka mekanisme Hawking (ndeleng bagean 3.7 lan 4.3). Ing kasus apa wae, kemungkinan iki ora mbatalake argumen sing diwenehake ing kene. Ana masalah penting liyane sing ana gandhengane karo model ambruk sing rumit lan sing bisa dipikirake dening para pamaca dhewe: singularitas bolongan ireng bisa uga ora muncul bebarengan, saengga nalika mbalikke wektu, kita ora bakal entuk Big Bang. sing kedadeyan "kabeh lan langsung". Nanging, iki minangka salah sawijining sifat hipotesis (durung kabukten, nanging ngyakinake) saka sensor kosmik sing kuwat [Penrose, 1998a; PkR, bagean 28.8], miturut sing, ing kasus umum, singularitas kasebut bakal kaya spasi (bagean 1.7), lan mulane bisa dianggep minangka acara sepisan. Menapa malih, preduli saka pitakonan saka validitas hipotesis censorship kosmik kuwat dhewe, akeh solusi dikenal sing gawe marem kondisi iki, lan kabeh opsi kuwi (nalika ditambahi) bakal duwe nilai entropi relatif dhuwur. Iki banget nyuda kuwatir babagan validitas temuan kita.
Mulane, kita ora nemokake bukti yen, amarga dimensi spasial cilik saka Semesta, mesthine bakal ana "langit-langit rendah" tartamtu saka kemungkinan entropi. Ing asas, akumulasi materi ing wangun bolongan ireng lan gabungan saka "bolongan ireng" singularitas dadi siji kekacauan tunggal minangka proses sing cocog banget karo hukum kapindho, lan proses pungkasan iki kudu diiringi peningkatan kolosal. ing entropi. Kahanan pungkasan Universe, "cilik" miturut standar geometris, bisa uga duwe entropi sing ora bisa dibayangake, luwih dhuwur tinimbang ing tahap awal model kosmologi sing ambruk, lan miniatur spasial dhewe ora nyetel "langit-langit" kanggo nilai maksimum. saka entropi, sanajan "langit-langit" kuwi (nalika mbalikke aliran wektu) mung bisa nerangake apa entropi banget kurang nalika Big Bang. Nyatane, gambar kasebut (Gambar 3.14 a, b), sing umume nggambarake ambruk Semesta, menehi solusi kanggo paradoks: kenapa nalika Big Bang ana entropi sing sithik banget dibandhingake karo apa sing bisa kedadeyan, sanajan ana kasunyatan sing bledosan panas (lan negara kuwi kudu entropi maksimum). Jawaban iki yaiku entropi bisa nambah kanthi radikal yen diijini panyimpangan gedhe saka keseragaman spasial, lan paningkatan paling gedhe saka jinis iki digandhengake karo irregularities amarga muncule bolongan ireng. Akibate, Big Bang sing homogen kanthi spasial bisa uga nduweni entropi sing rada kurang, sanajan isine panas banget.
Salah sawijining bukti sing paling kuat yen Big Bang pancen cukup homogen sacara spasial, konsisten karo geometri model FLRU (nanging ora konsisten karo kasus sing luwih umum saka singularitas sing ora teratur sing digambarake ing Fig. 3.14c), maneh teka. saka RI, nanging wektu iki kanthi homogenitas sudut tinimbang sifat termodinamika. Homogenitas iki diwujudake kanthi nyatane yen suhu RI meh padha ing sembarang titik ing langit, lan panyimpangan saka homogeneitas ora luwih saka 10-5 (diatur kanggo efek Doppler cilik sing ana hubungane karo gerakan kita liwat materi lingkungan. ). Kajaba iku, ana keseragaman meh universal ing distribusi galaksi lan materi liyane; Mangkono, distribusi baryon (pirsani Bagean 1.3) kanthi skala sing cukup gedhe ditondoi kanthi homogeneitas sing signifikan, sanajan ana anomali sing katon, utamane sing diarani void, ing ngendi kepadatan materi sing katon luwih murah tinimbang rata-rata. Umumé, bisa diarani manawa homogeneitas luwih dhuwur tinimbang jaman kepungkur saka Semesta sing kita deleng, lan RI minangka bukti paling tuwa babagan distribusi materi sing bisa langsung diamati.
Gambar iki konsisten karo panemu yen ing tahap awal perkembangane, Semesta pancen homogen banget, nanging kanthi kepadatan sing rada ora teratur. Sajrone wektu (lan ing pangaribawa saka macem-macem "gesekan" - pangolahan sing alon mudhun gerakan relatif), irregularities Kapadhetan intensified ing pengaruh gravitasi, kang konsisten karo idea saka clumping bertahap saka materi. Swara wektu, clumping mundhak, asil ing tatanan lintang; padha klompok menyang galaksi, saben kang develops bolongan ireng massive ing tengah. Pungkasane, clumping iki amarga efek gravitasi sing ora bisa dihindari. Pangolahan kasebut pancen digandhengake karo paningkatan entropi sing kuat lan nduduhake yen, kanthi gravitasi, bal sing mencorong primordial, sing mung RI saiki, bisa adoh saka entropi maksimum. Sifat termal bal iki, minangka bukti saka spektrum Planck ditampilake ing Fig. 3.13, ngandika mung iki: yen kita nimbang Semesta (ing jaman buyar pungkasan) mung minangka sistem dumadi saka materi lan energi sesambungan karo saben liyane, banjur kita bisa nganggep yen iku bener ing keseimbangan termodinamika. Nanging, yen kita uga njupuk menyang akun pengaruh gravitasi, gambar diganti dramatically.
Yen kita mbayangno, contone, gas ing wadhah sing disegel, mula wajar yen bakal tekan entropi maksimal ing negara makroskopik kasebut nalika disebarake kanthi rata ing wadhah kasebut (Fig. 3.15 a). Ing babagan iki, bakal kaya bal panas sing ngasilake RI, sing disebarake merata ing langit. Nanging, yen sampeyan ngganti molekul gas karo sistem jembar awak disambungake kanggo saben liyane dening gravitasi, contone, lintang individu, sampeyan njaluk gambar temen beda (Fig. 3.15 b). Amarga efek gravitasi, lintang-lintang bakal disebarake kanthi ora rata, ing wangun kluster. Pungkasane, entropi paling gedhe bakal digayuh nalika akeh lintang ambruk utawa gabung dadi bolongan ireng. Senajan proses iki bisa njupuk wektu dawa (sanajan bakal difasilitasi dening gesekan amarga ana gas antarbintang), kita bakal weruh yen pungkasanipun, nalika gravitasi ndominasi, entropi luwih dhuwur, kurang seragam materi disebarake ing sistem. .
Efek kasebut bisa dilacak sanajan ing tingkat pengalaman saben dina. Siji bisa takon: apa peran Hukum Kapindho kanggo njaga urip ing Bumi? Sampeyan bisa kerep krungu manawa kita manggon ing planet iki amarga energi sing ditampa saka Srengenge. Nanging iki dudu pratelan sing bener yen kita nganggep Bumi minangka sakabehe, amarga meh kabeh energi sing ditampa dening Bumi ing wayah awan enggal nguap maneh menyang angkasa, menyang langit wengi sing peteng. (Mesthi, imbangan pas bakal rada diatur dening faktor kayata pamanasan global lan panas planet amarga bosok radioaktif.) Yen ora, Bumi mung bakal dadi tambah panas lan ora bisa dienggoni ing sawetara dina! Nanging, foton sing ditampa langsung saka Srengenge nduweni frekuensi sing relatif dhuwur (konsentrasi ing bagian kuning saka spektrum), lan Bumi ngetokake foton frekuensi sing luwih murah ing spektrum infra merah menyang antariksa. Miturut rumus Planck (E = hν, pirsani bagean 2.2), saben foton sing teka saka Srengéngé sacara individu nduweni energi sing luwih dhuwur tinimbang foton sing dipancarake menyang antariksa, mula, kanggo nggayuh keseimbangan, luwih akeh foton sing kudu ninggalake Bumi tinimbang teka ( ndeleng Fig. 3.16). Yen luwih sithik foton teka, mula energi sing mlebu bakal duwe derajat kebebasan sing luwih sithik lan energi sing metu bakal luwih akeh, mula, miturut rumus Boltzmann (S = k log V), foton sing mlebu bakal duwe entropi sing luwih sithik tinimbang sing metu. . Kita nggunakake energi kurang entropi sing ana ing tetanduran kanggo ngedhunake entropi kita dhewe: kita mangan tetanduran utawa herbivora. Mangkene carane urip ing Bumi bisa urip lan berkembang. (Ketoke, pikirane iki pisanan dirumusake kanthi jelas dening Erwin Schrödinger ing taun 1967, nalika dheweke nulis buku revolusioner Life as It Is [Schrödinger, 2012]).
Kasunyatan sing paling penting babagan keseimbangan entropi rendah iki yaiku: Srengenge minangka titik panas ing langit sing peteng banget. Nanging kepiye kahanan kasebut muncul? Akeh pangolahan rumit sing duwe peran, kalebu sing ana gandhengane karo reaksi termonuklir, lan liya-liyane, nanging sing paling penting yaiku Srengenge ana. Lan muncul amarga materi solar (kaya materi sing mbentuk bintang liyane) berkembang liwat proses clumping gravitasi, lan kabeh diwiwiti kanthi distribusi gas lan materi peteng sing relatif seragam.
Ing kene kita kudu nyebutake zat misterius sing diarani materi peteng, sing katon 85% saka materi (non-Λ) isi Semesta, nanging dideteksi mung dening interaksi gravitasi, lan komposisi kasebut ora dingerteni. Dina iki kita mung njupuk prakara iki menyang akun nalika ngira massa total, kang dibutuhake nalika ngetung sawetara jumlah numerik (ndeleng bagean 3.6, 3.7, 3.9, lan kanggo apa peran teori luwih penting materi peteng bisa muter, ndeleng bagean 4.3). Preduli saka Jeksa Agung bisa ngetokake peteng prakara, kita ndeleng carane penting alam kurang-entropi saka distribusi seragam asli materi wis buktiaken kanggo urip kita. Orane kita, kaya sing kita ngerteni, gumantung saka cadangan gravitasi entropi rendah sing minangka karakteristik distribusi seragam awal materi.
Ing kene kita teka menyang aspek Big Bang sing luar biasa - nyatane, fantastis. Misteri dumunung ora mung ing kedaden, nanging uga ing kasunyatan sing iku acara entropi banget kurang. Menapa malih, ingkang nggumunake dudu kahanan iki, nanging kasunyatane yen entropi mung sithik ing babagan tartamtu, yaiku: derajat kebebasan gravitasi, sakperangan alesan, ditindhes. Iki kontras banget karo derajat kebebasan materi lan radiasi (elektromagnetik), amarga padha katon bungah banget ing kahanan panas kanthi entropi maksimal. Ing mratelakake panemume, iki mbok menawa misteri kosmologi paling jero, lan sakperangan alesan isih tetep underestimated!
Sampeyan kudu luwih rinci babagan kepiye kahanan Big Bang lan apa entropi sing bisa kedadeyan ing proses clumping gravitasi. Patut, pisanan sampeyan kudu éling apa entropi luar biasa bener gawan ing bolongan ireng (ndeleng Fig. 3.15 b). Kita bakal ngrembug masalah iki ing bagean 3.6. Nanging saiki, ayo pindhah menyang masalah liyane sing ana hubungane karo kemungkinan ing ngisor iki: sawise kabeh, Semesta bisa uga dadi tanpa wates spasial (kaya ing model FLRU karo K. 0, deleng bagean 3.1) utawa paling ora umume Semesta ora bisa diamati kanthi langsung. Mulane, kita nyedhaki masalah cakrawala kosmologis, sing bakal kita bahas ing bagean sabanjure.
» Rincian liyane babagan buku bisa ditemokake ing
»
»
Kanggo Khabrozhiteley diskon 25% nggunakake kupon - Ilmu Anyar
Sawise mbayar versi kertas buku kasebut, buku elektronik bakal dikirim liwat e-mail.
Source: www.habr.com