18.11.2018
Теория космической инфляции Хокинга

Последняя теория Хокинга

Рейтинг:  5 / 5

Звезда активнаЗвезда активнаЗвезда активнаЗвезда активнаЗвезда активна
 

Незадолго до своей смерти физик Стивен Хокинг вместе с коллегой Томасом Хертогом разработали новую модель едва ли не самой большой загадки в космологии – космической инфляции.

Она описана в статье «Блестящий выход из вечной инфляции?» (A smooth exit from eternal inflation?), опубликованной 2 мая в «Journal of High Energy Physics». В ней ученые аргументируют, что инфляция (или экспоненциальное расширение Вселенной) должна происходить значительно равномернее, чем утверждают распространенные ныне теории. То есть маловероятно, что вокруг нас существует множество удивительно разнообразных миров, отметил в статье Стивен Хокинг. Он скончался 14 марта, не дождавшись публикации.

Космическая инфляция – неотъемлемая часть теории Большого взрыва, что представляет собой фундаментальную звено современной космологии. Согласно ей, примерно 14 миллиардов лет назад произошел взрыв, из которого и родился современный Вселенная.

Идея про космическую инфляцию вошла в науку в 80-ых годах ХХ века благодаря работам американского физика Алана Гута. Согласно его предположению, перед Большим взрывом космическое пространство заполняла материя с необычным свойством – вместо того, чтобы притягиваться в результате гравитации, она отталкивалась, через что космос подвергался очень быстрому расширению.

Весь космос в начале был размером с атомное ядро водорода. И в результате инфляции он за крошечные доли секунды достиг размера грейпфрута. Части той странной материи, что расширяла пространство, были неустойчивы. За 10-32 секунды они распадались на более стабильные частицы – сегодня мы их знаем как то, из чего состоит материя и излучение.

Это и могло стать той эксплозией, которую называют Большим взрывом, считал Алан Гут. А когда не хватило этой материи, которая расталкивала пространство, инфляция угасла. С тех пор пространство расширяется импульсивно, более-менее в том темпе, который можно заметить сегодня.

Теория одноразовой инфляции способна объяснить многие черты Вселенной, которые казались лишь стечением обстоятельств. Прежде всего, почему космос равномерный и имеет подобную температуру, количество и расположение галактик – и это независимо от того, насколько далеко мы в него заглянем. Если предположить, что сначала инфляция была бешеной, то все становится на свои места: то, что мы видим вплоть до самого дальнего горизонта, – это увеличение небольшого фрагмента, который внутри не очень отличался. Эти мелкие различия сохранились по сей день, но сам размер фрагментов очень увеличился.

Однако как эта космическая инфляция происходила и что ее питало, до сих пор остается невыясненным. Противоречиво и то, насколько равномерной была взрывная сила.

Кроме того, теория инфляции имеет одну слабину: темп расширения пространства значительно больше, чем время распада странной материи, что питает инфляцию. То есть, при этой инфляции ничто не может существовать в течение длительного времени. Даже если в одном участке частицы странной материи распались и инфляция прекратилась, то соседние участки должны были бы за это время увеличить свой объем вдвое. Со временем и по соседству частицы распадались, инфляция прекращалась – и в океане общей инфляции появлялись пузырьки нормальной материи, или же другие вселенные. Однако инфляция продолжала расширять пространство, создавая место для следующих миров.

Космическая инфляцияПервым, кто заметил это свойство инфляции, был Андрей Линде, физик из Стэнфордского университета. Он обнаружил: если теория инфляции верна, то наш мир – один из многих, пузырь, появляется вместе с другими.

Это процесс вечной инфляции, в результате которого расцветают новые миры, которые творят глобальный мультимир или мультиверсум. По этому сценарию наша Вселенная должна быть лишь одной из многих космических пузырей, в которых инфляция закончилась раньше. В других, недоступных для нас сферах, инфляция продолжается до сих пор.

«Распространенная теория так называемой вечной инфляции предполагает, что наша Вселенная – это бесконечный фрактал: состоит из мозаики разных карманных вселенных, которые разделены "океаном", что все еще расширяется экспоненциально, – пояснил Стивен Хокинг на одной конференции в конце 2017 года. – Поскольку локальные законы физики и химии в карманных вселенных отличаются, вместе они образуют своеобразный мультиверсум».

Соответственно, одни из этих миров пустые, другие заполнены черными дырами, еще какие – то- только проникающим излучением. По словам Хокинга, он никогда не был фаном такого мультиверсуму, потому что если шкала различий между отдельными мирами большое или даже бесконечное, то и теорию вечной инфляции невозможно ни проверить, ни доказать. Ведь в таком случае между разными мирами мультиверсуму нет зависимости. Они отделены морем инфляции, их разделяют расстояния, луч света никогда не преодолеет. То есть мы никогда не сможем что-то о них узнать или даже доказать их существование, считал ученый.

Поэтому Хокинг и его коллега Томас Хертог (Thomas Hertog) с Левенського католического университета усомнились в идее вечной инфляции. В статье, написанной еще до смерти Хокинга и опубликованной лишь 2 мая, ученые объясняют, почему существование многих разных вселенных-пузырей маловероятно.

«В таком мультиверсуме все может произойти. И проблема заключается в том, что эта гипотеза практически не дает нам никаких указаний или прогнозов относительно нашей собственной Вселенной, то есть относительно того, что мы должны лицезреть в нашей собственной, локальной пузырьке пространства, – пояснил профессор Хертог. – Зато наша теория может это поправить».

В своей гипотезе оба ученые использовали техники, заимствованные из теории струн (в частности голографический принцип). Согласно их подсчетам, идея мультиверсума противоречит закону, который должен действовать на переходе от квантовых процессов инфляции в классической физике в нормальном космосе. То есть глобальная структура мультиверсума, которая следует из квантовой инфляции, не может быть бесконечной и очень разнородной.

«Проблема обычного сценария и, что он предполагает существование своеобразной фоновой Вселенной, развивающейся по правилам Эйнштейновой общей теории относительности. Квантовые эффекты должны были бы быть только его колебаниями, – пояснил Хертог. – Но динамика вечной инфляции стирает грань между классической физикой и квантовой физикой».

Что взамен происходит при инфляции, Хокинг и Хентог вычислили с помощью собственной теории голографической Вселенной. Согласно ей, трехмерную физику нашего космоса можно описать проекцией крошечных двумерных элементов. «Нам нужно лишь голографическое уравнения, чтобы изучить вечную инфляцию в, так сказать, игрушечной Вселенной», – написали Хокинг и Хертог.

Их результат: вопреки современным сценариям, инфляция приводит к значительно меньшим колебаниям в большом масштабе. «Мы выяснили, что амплитуды (...) экспоненциально маленькие, – сообщили физики. – На основании этого мы пришли к выводу, что вечная инфляция продуцирует Вселенные, которые преимущественно являются однородными».

«Наши результаты порождают сомнения относительно распространенной идеи, что вечная инфляция создает в большой степени неоднородны миры с мозаичной структурой пузырьков-звеньев, разделенных инфляционными зонами, – объяснили ученые. – Наш космос – фрактальная структура». Исследователи считают, что космос – это ряд гораздо более простых, меньших и однородных вселенных.

Если их предположение подтвердится, вероятность существования параллельных миров резко уменьшится. «До сих пор мы не наткнулись ни на один другой мир, – написал Хокинг. – А наши результаты подтверждают значительное уменьшение мультиверсума, поэтому диапазон возможных параллельных вселенных также стал существенно меньшим».

До сих пор ни космическую инфляцию, ни ее точный ход доказать невозможно. Гипотетический сигнал этого экспоненциального расширения в космическом фоновом излучении чуть позже оказался ошибочным – вместо инфляционных колебаний ученые измерили сигнал космической пыли.

Теорию Хокинга и Хертога можно будет проверить благодаря исследованию гравитационных волн. Ученые надеются, что в будущем эксперименты станут проще благодаря космической обсерватории LISA, и однажды удастся зафиксировать пережитки гравитационных волн, которые высвободились при космической инфляции. Современным детекторы Ligo и Virgo это пока не по силам.

  1. Последние
  2. Популярные
Загрузка...

Новости технологий сегодня

Самые популярные метки