Halo warga Khabro! Naha mungkin pikeun ngobrol ngeunaan fashion, iman atanapi fantasi dina élmu dasar?
Alam semesta teu kabetot dina fashion manusa. Élmu teu bisa diinterpretasi salaku iman, sabab postulates ilmiah terus subjected kana nguji ékspérimén ketat tur dipiceun pas dogma mimiti konflik kalawan realitas obyektif. Jeung lamunan umumna neglects duanana fakta jeung logika. Sanajan kitu, hébat Roger Penrose teu hayang sagemblengna nampik fenomena ieu, sabab fashion ilmiah bisa jadi mesin kamajuan, iman muncul nalika téori dikonfirmasi ku percobaan nyata, sarta tanpa hiber lamunan urang moal bisa ngarti sagala oddities urang. jagat raya.
Dina bab "Fashion", anjeun bakal diajar ngeunaan téori string, téori paling fashionable dekade panganyarna. "Iman" didédikasikeun kana prinsip anu aya dina mékanika kuantum. Sareng "Implengan" henteu langkung seueur tibatan téori asal-usul Alam Semesta anu dipikanyaho ku urang.
3.4. Big Bang Paradox
Hayu urang mimiti ngangkat sual observasi. Naon bukti langsung aya yén sakabéh Alam Semesta observasi éta sakali dina kaayaan pisan dikomprés sarta incredibly panas nu bakal konsisten jeung gambar Big Bang dibere dina Bagéan 3.1? Bukti anu paling kuat nyaéta radiasi latar gelombang mikro kosmik (CMB), sok disebut big bang. Radiasi CMB hampang, tapi kalayan panjang gelombang anu panjang pisan, janten teu mungkin pikeun ningali ku panon anjeun. Cahaya ieu tuang ka urang tina sagala sisi pisan merata (tapi lolobana incoherently). Éta ngagambarkeun radiasi termal kalayan suhu ~2,725 K, nyaéta, langkung ti dua darajat di luhur nol mutlak. "Kilauan" anu dititénan dipercaya asalna tina Alam Semesta anu luar biasa panas (~ 3000 K dina waktos éta) kirang langkung 379 taun saatos Big Bang - salami jaman paburencay terakhir, nalika Alam Semesta mimiti transparan kana radiasi éléktromagnétik (sanajan ieu teu kajadian pisan salila Big Bang). ledakan; kajadian ieu lumangsung dina mimiti 000/1 tina total umur Alam Semesta - ti Big Bang nepi ka kiwari). Saprak jaman paburencay panungtungan, panjang gelombang cahaya ieu ngaronjat kira-kira saloba Alam Semesta sorangan geus ngalegaan (ku faktor ngeunaan 40), ku kituna dénsitas énergi geus turun sarua radikal. Ku alatan éta, suhu observasi tina CMB ngan 000 K.
Kanyataan yén radiasi ieu dina dasarna incoherent (nyaéta, termal) ieu impressively dikonfirmasi ku pisan alam spéktrum frékuénsi na, ditémbongkeun dina Gbr. 3.13. Inténsitas radiasi dina unggal frékuénsi husus diplot vertikal dina grafik, sarta frékuénsi nambahan ti kénca ka katuhu. Kurva kontinyu pakait jeung spéktrum blackbody Planck dibahas dina Bagéan 2.2 pikeun suhu 2,725 K. Titik dina kurva mangrupa data tina observasi husus nu bar kasalahan disadiakeun. Dina waktos anu sami, bar kasalahan ningkat 500 kali, sabab upami henteu, éta ngan saukur teu mungkin dipertimbangkeun, bahkan di sisi katuhu, dimana kasalahanna ngahontal maksimal. Kasapukan antara kurva téoritis jeung hasil observasi ngan saukur luar biasa-panginten perjangjian pangalusna jeung spéktrum termal kapanggih di alam.
Nanging, naon anu nunjukkeun kabeneran ieu? Kanyataan yén urang nganggap kaayaan anu, katingalina, caket pisan sareng kasatimbangan termodinamika (éta naha istilah incoherent dianggo sateuacana). Tapi naon kacindekan kieu tina kanyataan yén Alam Semesta karek dijieun éta deukeut pisan ka kasatimbangan termodinamika? Hayu urang balik deui ka Gbr. 3.12 tina bagian 3.3. Wewengkon kasar-grain anu paling éksténsif bakal (ku harti) langkung ageung tibatan daérah anu sanés, sareng biasana bakal langkung ageung relatif ka anu sanés anu bakal ngaleutikan sadayana! Kasaimbangan termodinamika pakait jeung kaayaan makroskopis, nu, presumably, sistem naon sooner atanapi engké bakal datang. Kadangkala kacida disebut maot termal Alam Semesta, tapi dina hal ieu, cukup Oddly, urang kudu ngawangkong ngeunaan kalahiran termal Alam Semesta. Kaayaan ieu pajeulit ku kanyataan yén Alam Semesta anu anyar lahir gancang-gancang ngembang, ku kituna kaayaan anu urang anggap saleresna nonequilibrium. Sanajan kitu, ékspansi dina hal ieu bisa dianggap dasarna adiabatic - titik ieu pinuh ngaapresiasi ku Tolman deui dina 1934 [Tolman, 1934]. Ieu ngandung harti yén nilai éntropi teu robah salila ékspansi. (Kaayaan anu sami sareng ieu, nalika kasatimbangan termodinamika dijaga kusabab ékspansi adiabatik, tiasa dijelaskeun dina rohangan fase salaku sakumpulan daérah volume anu sami sareng partisi kasar, anu béda-béda ngan ukur dina volume khusus Alam Semesta. Urang bisa nganggap yén kaayaan primér ieu dicirikeun ku éntropi maksimum - sanajan ékspansi!).
Tétéla, urang nyanghareupan hiji paradoks luar biasa. Numutkeun argumen anu diwakilan dina Bagéan 3.3, Hukum Kadua ngabutuhkeun (sareng, prinsipna, dijelaskeun ku) Big Bang janten kaayaan makroskopis kalayan éntropi anu rendah pisan. Sanajan kitu, observasi CMB sigana nunjukkeun yén kaayaan makroskopis Big Bang dicirikeun ku éntropi kolosal, malah mungkin maksimum mungkin. Dimana urang balik jadi serius salah?
Ieu mangrupikeun katerangan umum pikeun paradoks ieu: dianggap yén, saprak Alam Semesta anu nembe lahir éta "leutik" pisan, tiasa aya sababaraha wates pikeun éntropi maksimal, sareng kaayaan kasatimbangan termodinamika, anu katingalina dijaga dina waktos éta, nyaéta. ngan ukur éntropi tingkat wates anu mungkin dina waktos éta. Nanging, ieu mangrupikeun jawaban anu salah. Gambar sapertos kitu tiasa pakait sareng kaayaan anu béda-béda, dimana ukuran Alam Semesta bakal gumantung kana sababaraha konstrain éksternal, contona, dina kasus gas anu dikandung dina silinder sareng piston anu disegel. Dina hal ieu, tekanan piston disadiakeun ku sababaraha mékanisme éksternal, nu dilengkepan sumber éksternal (atawa outlet) énergi. Tapi kaayaan ieu henteu dilarapkeun ka Alam Semesta sacara gembleng, anu géométri jeung énergi, kitu ogé "ukuranana sakabéhna," ditangtukeun solely ku struktur internal tur diatur ku persamaan dinamis tina téori umum rélativitas Einstein (kaasup persamaan ngajéntrékeun kaayaan zat; tingali bagian 3.1 jeung 3.2). Dina kaayaan sapertos kitu (nalika persamaan lengkep deterministik sareng invarian ngeunaan arah waktos - tingali bagian 3.3), volume total rohangan fase henteu tiasa robih kana waktosna. Hal ieu dianggap yén spasi fase P sorangan teu kudu "berevolusi"! Sadaya évolusi ngan saukur dijelaskeun ku lokasi kurva C dina rohangan P sareng dina hal ieu ngagambarkeun évolusi lengkep Alam Semesta (tingali bagian 3.3).
Panginten masalahna bakal langkung jelas upami urang nganggap tahap ahir runtuhna Alam Semesta, nalika ngadeukeutan Kacilakaan Besar. Ngelingan model Friedman pikeun K > 0, Λ = 0, ditémbongkeun dina Gbr. 3.2 a dina bagian 3.1. Urang ayeuna yakin yén gangguan dina modél ieu timbul tina distribusi henteu teratur zat, sarta di sababaraha bagian collapses lokal geus lumangsung, ninggalkeun black hole di tempat maranéhanana. Teras urang kedah nganggap yén saatos ieu sababaraha liang hideung bakal ngahiji sareng anu runtuh janten singularitas ahir bakal janten prosés anu rumit pisan, ampir teu aya anu umum sareng kacilakaan Big anu simetris tina Friedmann simetris anu idéal. model dibere dina Gbr. 3.6 a. Sabalikna, dina watesan kualitatif, kaayaan runtuhna bakal leuwih reminiscent tina mess kolosal ditémbongkeun dina Gbr. 3.14 a; singularitas hasilna anu timbul dina hal ieu bisa, nepi ka extent sababaraha, saluyu jeung hipotesa BCLM disebutkeun dina tungtung bagian 3.2. Kaayaan ahir runtuhna bakal gaduh éntropi anu teu kabayang, sanaos Alam Semesta bakal ngaleutikan deui ka ukuran anu alit. Sanaos model Friedmann anu kapungkur (katutup sacara spasial) ieu ayeuna henteu dianggap minangka representasi anu masuk akal tina Alam Semesta urang sorangan, pertimbangan anu sami dilarapkeun ka model Friedmann anu sanés, nganggo atanapi tanpa konstanta kosmologis. Versi runtuh tina sagala model kitu, ngalaman gangguan sarupa alatan distribusi henteu rata zat, kudu deui robah jadi rusuh sagala-consuming, a singularity kawas black hole (Gbr. 3.14 b). Ku ngabalikeun waktos di unggal nagara ieu, urang bakal ngahontal hiji kamungkinan singularity awal (poténsi Big Bang), nu boga, sasuai, éntropi kolosal, nu contradicts asumsi dijieun di dieu ngeunaan "siling" éntropi (Gbr. 3.14 c).
Di dieu kuring kudu ngaléngkah ka kemungkinan alternatif anu ogé kadang dianggap. Sababaraha ahli téori nyarankeun yén hukum kadua kudu kumaha bae ngabalikeun sorangan dina model runtuhna misalna, ku kituna total éntropi alam semesta bakal jadi progressively leutik (sanggeus ékspansi maksimum) nalika Big Crash ngadeukeutan. Sanajan kitu, gambar misalna hiji utamana hésé ngabayangkeun ku ayana black hole, nu, sakali maranéhna ngabentuk, bakal sorangan ngawitan dianggo pikeun ngaronjatkeun éntropi (anu pakait jeung asimétri waktos di lokasi enol congcot deukeut cakrawala acara, sarta dina waktu nu sarua jeung asimétri waktu nu tangtu. tingali Gbr. 3.9). Ieu bakal diteruskeun ka masa depan anu jauh - sahenteuna dugi liang hideung menguap dina pangaruh mékanisme Hawking (tingali bagian 3.7 sareng 4.3). Dina naon waé, kamungkinan ieu henteu ngabatalkeun argumen anu disayogikeun di dieu. Aya deui masalah penting anu aya hubunganana sareng modél runtuh anu rumit sareng anu ku pamiarsa nyalira panginten: singularitas liang hideung tiasa waé henteu timbul sakaligus, janten nalika urang ngabalikeun waktos, urang moal nampi Big Bang. anu lumangsung "sadayana sareng langsung". Sanajan kitu, ieu persis salah sahiji sipat (teu acan kabuktian, tapi ngayakinkeun) hipotesa sénsor kosmis kuat [Penrose, 1998a; PkR, bagian 28.8], numutkeun nu, dina kasus umum, singularity sapertos bakal spasilike (bagian 1.7), sarta ku kituna bisa dianggap hiji acara sakali. Leuwih ti éta, paduli sual validitas tina hipotesa sénsor kosmis kuat sorangan, loba solusi dipikawanoh nu nyugemakeun kaayaan ieu, sarta sakabeh pilihan sapertos (lamun dimekarkeun) bakal mibanda nilai éntropi rélatif luhur. Ieu greatly ngurangan kasalempang validitas papanggihan urang.
Sasuai, urang teu manggihan bukti yen, dibere dimensi spasial leutik Alam Semesta, aya merta bakal "langit low" tangtu éntropi mungkin. Sacara prinsip, akumulasi zat dina bentuk black hole jeung merging of "black hole" singularities kana hiji rusuh tunggal mangrupakeun prosés anu sampurna konsisten jeung hukum kadua, sarta prosés final ieu kudu dibarengan ku paningkatan kolosal. dina éntropi. Kaayaan ahir Alam Semesta, "leutik" ku standar géométri, bisa boga éntropi nu teu bisa dibayangkeun, jauh leuwih luhur ti dina tahap rélatif mimiti model kosmologis runtuhna misalna, sarta miniatur spasial sorangan teu nyetel "siling" pikeun nilai maksimum. tina éntropi, sanajan kitu "langit-langit" (lamun ngabalikeun aliran waktu) ngan bisa ngajelaskeun naha éntropi éta pisan low salila Big Bang. Kanyataanna, gambar kitu (Gbr. 3.14 a, b), nu umumna ngagambarkeun runtuhna Alam Semesta, nunjukkeun solusi pikeun paradoks: naha salila Big Bang aya éntropi exceptionally low dibandingkeun naon bisa geus, sanajan kanyataan yén ledakan éta panas (jeung kaayaan kitu kudu boga éntropi maksimum). Jawabanna nyaéta éntropi tiasa ningkat sacara drastis upami panyimpangan ageung tina keseragaman spasial diidinan, sareng kanaékan pangageungna tina jinis ieu pakait sareng irregularities disababkeun ku mecenghulna black hole. Balukarna, Big Bang anu homogen sacara spasial memang bisa mibanda, rélatif diomongkeun, éntropi incredibly low, sanajan kanyataan yén eusina éta incredibly panas.
Salah sahiji bukti anu paling pikaresepeun yén Big Bang memang rada homogen sacara spasial, konsisten sareng géométri modél FLRU (tapi henteu konsisten sareng kasus anu langkung umum ngeunaan singularitas karusuhan anu digambarkeun dina Gbr. 3.14c), datang deui. ti RI, tapi waktos ieu kalawan homogénitas sudut na, teu mibanda sipat termodinamika na. Homogénitas ieu diwujudkeun dina kanyataan yén suhu RI praktis sarua dina sagala titik di langit, sarta simpangan tina homogénitas henteu leuwih ti 10-5 (disaluyukeun pikeun éfék Doppler leutik pakait sareng gerakan urang ngaliwatan zat sabudeureun. ). Sajaba ti éta, aya uniformity ampir universal dina distribusi galaksi jeung zat séjén; Ku kituna, sebaran baryons (tingali Bagéan 1.3) dina skala cukup badag dicirikeun ku homogénitas signifikan, sanajan aya anomali noticeable, hususna nu disebut voids, dimana dénsitas zat katempo radikal leuwih handap rata. Sacara umum, éta bisa pamadegan yén homogénitas leuwih luhur salajengna kana kaliwat Alam Semesta urang tingali, sarta RI mangrupa bukti pangkolotna distribusi zat nu urang bisa langsung niténan.
Gambar ieu saluyu sareng pandangan yén dina tahap awal perkembangannya, Alam Semesta memang pisan homogen, tapi kalayan kapadetan anu rada henteu teratur. Kana waktu (jeung dina pangaruh rupa-rupa "gesekan" - prosés nu ngalambatkeun gerak relatif), irregularities dénsitas ieu inténsif dina pangaruh gravitasi, nu konsisten jeung gagasan clumping bertahap zat. Kana waktu, clumping naek, hasilna formasi béntang; aranjeunna ngagolongkeun kana galaksi, nu masing-masing ngamekarkeun black hole masif di tengahna. Pamustunganana, clumping ieu téh alatan éfék dilawan gravitasi. Prosés sapertos kitu memang pakait sareng kanaékan kuat dina éntropi sarta demonstrate yén, nyokot kana akun gravitasi, yén bola bersinar primordial, nu ngan RI tetep kiwari, bisa boga jauh ti éntropi maksimum. Sifat termal bola ieu, sakumaha dibuktikeun ku spéktrum Planck ditémbongkeun dina Gbr. 3.13, nyebutkeun ngan kieu: lamun urang nganggap Alam Semesta (dina jaman paburencay panungtungan) saukur salaku sistem nu diwangun ku zat jeung énergi interaksi saling, teras urang bisa nganggap yén éta sabenerna dina kasatimbangan termodinamika. Sanajan kitu, lamun urang ogé tumut kana akun pangaruh gravitasi, gambar robah nyirorot.
Lamun urang ngabayangkeun, contona, gas dina wadahna disegel, mangka lumrah mun nganggap yén éta bakal ngahontal éntropi maksimum dina éta kaayaan makroskopis lamun eta disebarkeun merata sakuliah wadahna (Gbr. 3.15 a). Dina hal ieu, éta bakal nyarupaan bal panas anu dihasilkeun RI, anu disebarkeun merata sakuliah langit. Sanajan kitu, lamun ngaganti molekul gas jeung sistem vast awak disambungkeun ka silih ku gravitasi, contona, béntang individu, anjeun meunang gambar lengkep beda (Gbr. 3.15 b). Kusabab pangaruh gravitasi, béntang bakal disebarkeun henteu rata, dina bentuk klaster. Pamustunganana, éntropi panggedéna bakal dihontal nalika seueur béntang runtuh atanapi ngahiji kana liang hideung. Sanajan prosés ieu butuh waktu lila (sanajan bakal difasilitasi ku gesekan alatan ayana gas antarbintang), urang bakal nempo yén pamustunganana, nalika gravitasi ngadominasi, éntropi nu leuwih luhur, nu kirang seragam zat disebarkeun dina sistem. .
Épék sapertos kitu tiasa dilacak bahkan dina tingkat pangalaman sapopoé. Anu tiasa naroskeun: naon peran Hukum Kadua dina ngajaga kahirupan di Bumi? Anjeun mindeng bisa ngadéngé yén urang hirup di planét ieu berkat énergi narima ti Panonpoé. Tapi ieu sanés pernyataan anu leres upami urang nganggap Bumi sacara gembleng, sabab ampir sadaya énergi anu ditampi ku Bumi dina waktos beurang enggal-enggal nguap deui ka luar angkasa, kana langit wengi anu poék. (Tangtu, kasaimbangan pasti bakal rada disaluyukeun ku faktor saperti pemanasan global jeung pemanasan planét alatan buruk radioaktif). Sanajan kitu, foton nu narima langsung ti Panonpoé boga frékuénsi rélatif luhur (aranjeunna kentel dina bagian konéng tina spéktrum), sarta Bumi ngaluarkeun foton frékuénsi leuwih handap dina spéktrum infra red kana spasi. Numutkeun rumus Planck (E = hν, tingali bagian 2.2), unggal foton anu datang ti Panonpoé masing-masing gaduh énergi anu langkung luhur tibatan foton anu dipancarkeun ka luar angkasa, janten, pikeun ngahontal kasaimbangan, langkung seueur foton anu kedah ninggalkeun Bumi tibatan anu sumping ( tingali Gbr. 3.16). Upami langkung sakedik foton anu sumping, maka énérgi anu asup bakal gaduh darajat kabébasan anu langkung saeutik sareng énergi anu kaluar bakal langkung seueur, sareng ku kituna, nurutkeun rumus Boltzmann (S = k log V), foton anu asup bakal gaduh éntropi anu langkung handap tibatan anu kaluar. . Urang ngagunakeun énérgi low-éntropi dikandung dina tutuwuhan pikeun nurunkeun éntropi urang sorangan: urang dahar tutuwuhan atawa hérbivora. Ieu kumaha kahirupan di Bumi salamet sareng mekar. (Tétéla, pamikiran ieu mimiti jelas dirumuskeun ku Erwin Schrödinger dina 1967, nalika manéhna nulis buku revolusioner Life as It Is [Schrödinger, 2012]).
Kanyataan pangpentingna ngeunaan kasaimbangan éntropi low ieu: Panonpoé mangrupakeun titik panas dina langit lengkep poék. Tapi kumaha kaayaan kitu timbul? Loba prosés kompléks maénkeun peran, kaasup nu pakait sareng réaksi térmonuklir, jsb, tapi hal pangpentingna nyaéta yén Panonpoé aya pisan. Sarta eta timbul alatan zat surya (kawas zat nu ngabentuk béntang lianna) dimekarkeun ngaliwatan prosés clumping gravitasi, sarta eta sadayana dimimitian ku sebaran rélatif seragam gas jeung zat poék.
Di dieu urang kudu nyebut zat misterius disebut materi poék, nu tétéla nyieun nepi ka 85% tina bahan (non-Λ) eusi Alam Semesta, tapi kauninga ngan ku interaksi gravitasi, sarta komposisi na teu kanyahoan. Dinten ieu kami ngan nyandak hal ieu kana akun nalika estimasi massa total, nu diperlukeun nalika ngitung sababaraha jumlah numeris (tingali bagian 3.6, 3.7, 3.9, sarta naon peran teoritis leuwih penting bisa maénkeun masalah poék, tingali bagian 4.3). Paduli masalah masalah poék, urang tingali kumaha pentingna alam low-éntropi tina distribusi seragam aslina zat geus kabuktian pikeun kahirupan urang. Ayana urang, sakumaha urang ngartos eta, gumantung kana low-éntropi cadangan gravitasi nu mangrupakeun ciri tina sebaran seragam awal zat.
Di dieu urang datang ka luar biasa - kanyataanna, hebat - aspék Big Bang. Misteri éta henteu ngan ukur kumaha kajadianana, tapi ogé kanyataan yén éta mangrupikeun acara éntropi anu rendah pisan. Leuwih ti éta, anu luar biasa lain kaayaan ieu salaku kanyataan yén éntropi éta low ngan dina hiji hal husus, nyaéta: derajat gravitasi kabebasan éta, pikeun sababaraha alesan, sagemblengna diteken. Ieu kontras pisan jeung darajat kabébasan zat jeung (éléktromagnétik) radiasi, sabab kaciri bungah maksimum dina kaayaan panas jeung éntropi maksimum. Dina pamanggih kuring, ieu meureun misteri kosmologis deepest, sarta pikeun sababaraha alesan masih tetep underestimated!
Perlu diémutan langkung rinci ngeunaan kumaha khususna kaayaan Big Bang sareng naon éntropi anu tiasa timbul dina prosés clumping gravitasi. Sasuai, Anjeun mimitina kudu sadar naon éntropi luar biasa sabenerna alamiah dina black hole (tingali Gbr. 3.15 b). Urang bakal ngabahas masalah ieu dina bagian 3.6. Tapi pikeun ayeuna, hayu urang balikkeun ka masalah anu sanés anu aya hubunganana sareng ieu, kamungkinan anu lumayan: saatosna, Alam Semesta saleresna tiasa janten spasial tanpa wates (sapertos dina kasus model FLRU sareng K. 0, tingali bagian 3.1) atawa sahenteuna sabagéan ageung Alam Semesta bisa jadi teu langsung observasi. Sasuai, urang ngadeukeutan masalah cakrawala kosmologis, anu bakal dibahas dina bagian salajengna.
» Rincian langkung seueur ngeunaan buku tiasa dipendakan di
»
»
Pikeun Khabrozhiteley diskon 25% ngagunakeun kupon - Élmu Anyar
Kana mayar versi kertas tina buku, hiji buku éléktronik bakal dikirim ku e-mail.
sumber: www.habr.com