Спросите Итана №10: Почему Вселенная повсюду одинакова

http://scienceblogs.com/startswithabang/2013/11/09/ask-ethan-10-why-is-the-universe-the-same-everywhere/
  • Перевод
image

Одна из самых трагичных человеческих черт – склонность откладывать жизнь. Мы все мечтаем о волшебном розовом саде за горизонтом, вместо того, чтобы наслаждаться розами, цветущими за нашим окном.

Дейл Карнеги.


Читатель спрашивает:
Я не очень разобрался в космической инфляции и проблеме горизонта. Мне кажется, ты уже рассказывал об этом, но я хотел бы услышать побольше деталей.

Вернёмся к началу.

image

Это – ваша Вселенная. Она простирается настолько далеко, насколько самые мощные телескопы могут заглянуть во всех направлениях. Они видят десятки тысяч галактик, разбросанных на расстояниях в десятки миллиардов световых лет во все стороны, куда бы мы не посмотрели. На крупном масштабе всё примерно такое же – плотности, температуры, типы стар и галактик, металличность звёзд (относительная концентрация элементов тяжелее гелия), и т.д. Всё, что мы видим – это чем дальше мы смотрим, тем более молодые вещи мы видим, и тем быстрее они удаляются от нас.

image

Всё это связано с расширением и эволюцией Вселенной. Три главных наших доказательства в контексте Общей теории относительности:

хаббловское расширение Вселенной – красное смещение связано с расстоянием до галактики
существование и свойства космического микроволнового фонового излучения (КМФИ) – почти безупречно однородное море излучения абсолютно чёрного тела во всех направлениях, с температурой чуть выше абсолютного нуля
изобилие лёгких элементов – водорода, дейтерия, гелия (гелия 3 и 4) и лития в молодой вселенной, до образования звёзд

говорят нам о том, что Вселенная эволюционировала и расширялась из более горячего и плотного состояния, и что в текущем состоянии она находится уже примерно 13.8 миллиардов лет. Долго, но не бесконечно. Эта парадигма известна как «Большой взрыв».

image

Но есть одна проблемка. 13.8 миллиардов лет Вселенная расширялась согласно законам ОТО, то есть скорость расширения пространства определялась набором изначальных условий и энергетическим содержанием вселенной (обычная материя, тёмная материя, излучение, нейтрино, тёмная энергия, пространственная кривизна, и т.д.). С этим всё хорошо – проблема состоит в том, что Вселенная однородна и имеет примерно одни и те же свойства во всех направлениях, куда бы мы не посмотрели.

image

Плотности и свойства кластеров галактик с одной стороны Вселенной идентичны тем, что с другой – как бы вы не делили Вселенную на части. Это должно быть странно, разве нет?

Ведь с момента Большого взрыва информация не могла передаваться быстрее скорости света. Мы можем видеть кусок Вселенной размером в 46 миллиардов световых лет потому, что на это расстояние смог пропутешествовать свет в расширяющейся Вселенной за последние 13,8 млрд. лет. Поэтому, если мы посмотрим в одну сторону на 23 миллиарда световых лет, а потом в другую сторону – мы можем ожидать, что эти два участка не будут связаны друг с другом.

Всё ещё непонятно? Приведу аналогию.

image

Представьте кипячение воды в кастрюле. Вы греете её снизу, и вода вскипает во всех местах одновременно. Между верхней и нижней частями воды нет разницы температур. Почему так?

Вы греете кастрюлю снизу, но вода нагревается везде. Это оттого, что её молекулы передвигаются, сталкиваются друг с другом и делятся своей энергией. Вода снизу обменивается энергией и информацией с водой сверху, и время, необходимое на этот обмен, гораздо меньше времени, необходимого для закипания.

Но это не всегда так.

image

На этой фотке лава стекает из действующего вулкана в океан. Когда лава, нагретая выше 1000 °C, соприкасается с водой, та сразу кипит. Но океан велик, а скорость распространения тепла конечна. Не слишком далеко от этого места температура воды уже практически не будет меняться из-за лавы. С практической точки зрения эти регионы разделены друг с другом, они не обмениваются информацией или свойствами.

Было бы странно, если бы разъединённые друг с другом регионы, которые не вступают в контакт друг с другом и не обмениваются информацией, имели одинаковую температуру. Но во Вселенной именно так всё и происходит.

image

Космическое микроволновое фоновое излучение (КМФИ) излучалось, когда Вселенной было всего 380000 лет, и в то время свет мог переместиться не более, чем на миллион световых лет в любом направлении. Если бы вы заполнили микроволновое небо кругами радиусом в миллион световых лет, вам бы потребовалось более десяти миллиардов независимых регионов, чтобы заполнить всё, что мы видим. И тем не менее, у этих регионов, не связанных друг с другом, температура, спектр и плотность одинаковые с точностью в 99,99%.

image

Эта проблема, когда регионы, не контактировавшие друг с другом, почему-то имеют идентичные свойства, называется проблемой горизонта.

Её можно решить следующим образом: может, у этих регионов и не было времени для обмена информацией друг с другом, но что, если после Большого взрыва они уже имели одинаковые свойства?

image

В общем, это и есть расширение: то, что случилось до Большого взрыва, что не только его подготовило, но и подготовило начальные условия, которые есть у нашей Вселенной. Взяли крохотный регион (возможно, бесконечно малый), расширили его экспоненциально, и он растянулся до размеров, больших, чем наблюдаемая Вселенная, при этом установив следующие правила:

любая материя, частицы, энергия или топологические дефекты, существовавшие в этом регионе до расширения, настолько уменьшаются в плотности, что останется не более одной такой частицы во всей Вселенной (решается проблема монополей)
какая бы кривизна у пространства ни была до расширения, расширение так её растягивает, что её становится не отличить от плоского пространства (решается проблема плоской вселенной)
какие бы вариации температуры и плотности в разных регионах космоса не существовали до расширения, наша обозреваемая Вселенная произошла от одного небольшого региона. Поэтому у Вселенной температура и плотность повсюду одинаковы (решается проблема горизонта)
квантовые флуктуации, происходившие во время расширения, привели к чёткому набору предсказаний флуктуации температуры и плотности в обозримой части Вселенной

image

Если же отбросить инфляционную теорию, то придётся замести три остальные проблемы (монополи, плоскую вселенную и горизонт) и одно предсказание (о спектре флуктуаций температуры и плотности Вселенной) под ковёр, и сказать: «Это просто начальные условия Большого взрыва», чтобы заставить вашу модель работать.

Или можно признать инфляционную модель – как простой, элегантный и непосредственный способ решения всех этих проблем.

image

Вот почему наша Вселенная, насколько мы знаем, одинаковая везде и во всех направлениях.
Метки:
Поделиться публикацией
Комментарии 31
  • +2
    А как же войды? А галактические стены?
    • +5
      В утверждение об однородности Вселенной забыли добавить часть, что однородность наблюдается в достаточно больших объёмах пространства. Иначе можно было бы сказать: «А как же дырка между Землёй и Луной, Вселенная не однородна!»
      • +1
        Это конечно верно, но в соответствии с имеющимися знаниями о мироустройстве — на масштабах, на которых наблюдаются войды — она должна быть однородной. Ан нет, войды все-таки наблюдаются, мне кажется что в статье не стоило упускать момент, что на самом деле все не совсем так, как должно было бы быть по расчетам. И с галактическими стенами та же фигня — на тех расстояниях, на которых они наблюдаются — расчеты показывают, что исходя из известного времени образования вселенной и происходящих процессов — они не должны были успеть образоваться(ну т.е. в принципе могут, но не так рано), а они — наличествуют. А то вот так в популяризаторстве — упускают некоторые моменты для цельности картины, а потом рождаются версии о «заговоре ученых»
        • +1
          Она однородна на масштабах 100 МПк, размер войдов — 30МПк. Насколько мне известный эти самые войды Millenium Simulation хорошо моделирует. Но вот только к его механизму формирования галактик есть вопросы…
          • 0
            А эти стены уже тоже:
            ru.wikipedia.org/wiki/%D0%92%D0%B5%D0%BB%D0%B8%D0%BA%D0%B0%D1%8F_%D1%81%D1%82%D0%B5%D0%BD%D0%B0_%D0%93%D0%B5%D1%80%D0%BA%D1%83%D0%BB%D0%B5%D1%81_%E2%80%94_%D0%A1%D0%B5%D0%B2%D0%B5%D1%80%D0%BD%D0%B0%D1%8F_%D0%9A%D0%BE%D1%80%D0%BE%D0%BD%D0%B0
            ?
            • 0
              Ну пока обе великие стены можно объяснить игрой случая, хотя вопросы к стандартной космологической модели накапливаются
              • 0
                Ну как я понял — само по себе образование стен вполне вероятно, но основной вопрос к тому, что они не могли образоваться так рано от точки Большого Взрыва, согласно современным знаниям.
                • +1
                  Прочел первоисточник: arxiv.org/abs/1401.0533 Итог они обнаружили концетрацию гамму всплесков с z~2. Если принять в качестве предположения, что предшественник ГВ объект звездной массы, то я вот так сразу не скажу почему они там возникнуть не могут.

                  Хотя это можно трактовать так: буть эти стены сформированы гравитационным взаимодействием, то тогда в этой потенциальной яме должно скопиться много горячего газа, который должен быть в ту эпоху. И как следствие мы должны были это увидеть в реликтовом фоне. Но этого не видно.
    • +6
      Статья интересная, спасибо. Но не стоит переводить научные статьи, не зная терминологии той области, к которой эта статья относится. До меня только после четвёртого прочтения дошло, что «чёрное дело» это не какой-то новый для меня термин, а банальная тёмная материя… Не ожидал от вас таких косяков.
      • –1
        Это «черное тело» было. Просто опечатка.
      • –1
        В рамках концепции нерасширяющейся гиперпространственной вселенной в виде 4-хмернорной сферы (где в качестве 4-го не время — а 4-е пространственное измерение) — красное смещение может быть вызвано кривизной вселенной в 4-м измерении, а не разбеганием после большого взрыва. Это решает проблему анизотропии и горизонта. 13.8LY это просто горизонт. Можно высчитать радиус 4-хмерной сферы, при этом 3D вселенная (проекция 4D сферы — суть 3-х мерная вселенная в которой мы живем) получается огромной. Радиус получается порядка 3.94x10 в 24 степени световых лет (высчитан на основе красного смещения самого далекого гамма-квазара). Эффект красного свечения связан с тем, что вероятнее всего фотоны «путешествуют» не только в нашей оптической среде, но и в 4-м измерении и кривизна 4-го измерения (которую мы не чувствуем и воспринимаем нашу вселенную как «плоскую») воздействует на них так же как на лазер в одномодовом оптоволокне, если его искривлять. Проверить предположение легко — исходя из того, что масса и кривизна 4-го измерения связаны — более массивные объекты из одного и того же вещества — должны быть более красными. Но нужен очень чувствительный спектограф.
        • НЛО прилетело и опубликовало эту надпись здесь
          • 0
            Из нашей вселенной могут родится только двухмерные вселенные внутри чёрных дыр. Мы же скорее всего проекция внутри гипер-черной дыры, которая находится в гипер-вселенной или «standalone». Если мы внутри гипер-черной дыры, то наша вселенная может подрастать в результате подъедания соседнего вещества гипер-вселенной. Если мы сами по себе вселенная, замкнутая система — то должно быть постоянство. Проверить можно, если допустить, что частицы обладающие массой — колеблются в 4-м измерении. Возможно из-за этого и происходят квантовые эффекты.
            • 0
              кстати возможно недостающая масса и черная энергия — частично находится в гипере (выглядеть это может как пустое место, но с огромной массой). поэтому галактики не разлетаются и формирование рукавов происходит из-за этого. Возможно центры галактик желтее (оранжевей) как раз из-за того, что центральные звезды «проваливают» ее центр в 4-м измерении. Думаю мы имеем «теневого» близнеца галактики, находящегося в гипере и скрепляющего галактику воедино.
            • 0
              Не является ли большой взрыв — взрывом большой чёрной дыры, в которую превратилась предыдущая вселенная? Ведь прошлая вселенная могла постепенно превратиться во множество чёрных дыр (которых и сейчас больше половины материи), который затем соеденились в одну мега чёрную дыр, а далее — произошёл большой взрыв. В вики пишут что начиная с некоторого момента плотности вселенной она начнёт сжиматься. Также известно ведь что точка большого взрыва была сингулярна, и внутри чёрной дыры тоже сингулярность.
              • 0
                А ещё есть веские доказательства что большого взрыва не было, уж очень сильно это отклоняется от эмпирических данных, получаемых с телескопов.
                • +1
                  Существование, большого взрыва, т.е. высокой концентрация энергии в малом объеме, подтверждается высокой однородностью реликтового фона, где неоднородности не коррелируют с внешними источниками, увеличением температуры оного же с ростом красного смещения и хим составом Вселенной(ради последнего изначально он и был введен, реликтовый фон был уже предсказан)
                  • 0
                    Не в малом объеме. Взорвалось все и везде и расширялось само в себя. Ну, по крайней мере такая интерпретация на данный момент.
                    • 0
                      Ну можно и так сказать, но «все и везде» было ооочень маленьких объемов
                      • 0
                        Каких «маленьких»? Все — оно и обозначает все, оно не может быть «маленьким».
                        • 0
                          Точно неизвестно, минимальный размер, с которого начинают хоть как-то известные законы физики — планковский( ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9F%D0%BB%D0%B0%D0%BD%D0%BA%D0%BE%D0%B2%D1%81%D0%BA%D0%B8%D0%B9_%D0%BE%D0%B1%D1%8A%D1%91%D0%BC ). Это гораздо меньше самой маленькой элементарной частицы сейчас
                          • 0
                            Я не про это говорю вам, я про то что представление о «большом взрыве» как о «взрыве» и тем более как о «взрыве из точки» — неверно.
                • 0
                  Так вселенная расширяется со скоростью большей скорости света. Следовательно скорость роста чёрной дыры меньше скорости их удаления друг от друга, то есть они никогда не сольются все вместе. Или я что-то путаю?
                  • +1
                    Это смотря на каком расстоянии. На маленьком расстоянии расширение почти незаметно. За радиусом Хаббла — уже быстрее скорости света.

                    Вообще, тот кто первым заюзал название Большой Взрыв, сделал большую бяку для понимания термина неподготовленными людьми. По факту, это был не взрыв чего-то в пространстве, а «взрывное» очень быстрое расширение границ вселенной, что повлекло за собой снижение плотности энергии и остывание её в материю, «кристализацию» и слипание в вещество. Потому и однородность.

                • 0
                  какие бы вариации температуры и плотности в разных регионах космоса не существовали до расширения, наша обозреваемая Вселенная произошла от одного небольшого региона
                  Или мы видим однородную картину потому, что БВ случился прямо здесь! :-)
                  • 0
                    Космическое микроволновое фоновое излучение (КМФИ) излучалось, когда Вселенной было всего 380000 лет, и в то время свет мог переместиться не более, чем на миллион световых лет в любом направлении. Если бы вы заполнили микроволновое небо кругами радиусом в миллион световых лет, вам бы потребовалось более десяти миллиардов независимых регионов, чтобы заполнить всё, что мы видим. И тем не менее, у этих регионов, не связанных друг с другом, температура, спектр и плотность одинаковые с точностью в 99,99%.

                    Интересно с какого перепугу сравнивается «пробег» света за 380 тыс. лет, с размером видимой вселенной которого она достигла за 14 миллиардов лет?
                    Вселенная же постоянно расширялась все эти 14 миллиардов лет. Вполне можно предположить, что от момента возникновения (t = 0) и до точки времени t = 380 тыс. лет (разделения материи и излучения) видимый сейчас участок вселенной был достаточно мал по размеру, чтобы его «содержимое» успело относительно равномерно «перемешаться» за счет взаимодействий не превышающих скорость света.
                    • 0
                      А как именно расширяется пространство?

                      Я так понимаю может быть два пути:
                      1) Когда нарисованные кружки на надувном шарике увеличатся в размере с надутием шарика (т.е. расширяется само пространство-время, становясь как бы более разреженным)
                      2) Кружки останутся того же размера, но увеличится расстояние между ними (откуда-то берется дополнительное пространство-время)
                      • 0
                        На самом деле оба два. Действительно расширяется все. Кружки становятся более разряженными, но из-за крайне медленного протекания процесса, связанная система успевает релаксировать и становится меньше. Таким образом реализуется второй вариант.

                        А откуда берется пространство время — это хитрое свойство бесконечности. Пространство и время непрерывны, т.е. в нем количество точек бесконечно. А в любом бесконечном множестве, если вы выбросите, например, каждую вторую точку, то получится множество, где количество точек («мощность множества») равно исходному.
                      • 0
                        Но не получается ли тогда, если плотность пространства-времени так сказать уменьшается, а его размер увеличивается для нас, то и скорость света возможно ранее имела иное значение, чем сейчас? То есть скорость света на протяжении этих 14 млрд лет не являлась константой?
                        • 0
                          Ну всё же почему бы не допустить, что при искривлении пространства в 4-м измерении длина волны пропорционально расстоянию увеличивается?
                          Простой опыт. возьмем прямую трубку и пустим по ней шарик с муравьём внутри. А потом сделаем следующий опыт — согнем трубку по дуге.
                          Что в первом, что втором опыте — муравей считает, что проходит одинаковое расстояние по прямой трубке, только во втором случае, он начинает испытывать некую силу, направленную в сторону. и муравья начинает волшебным способом притягивать к одной из стенок. Это дает ему уверенность, что его прямая трубка искривлена в ином измерении. Еще ему дает уверенность что его мир искривлен то, что он видит горизонт, т.е. не видит выхода из трубки (если она достаточна длинна, или имеет сильное искривление)
                          Продолжим опыт, замените трубку на пружину. теперь муравей видит, что пружина согнута по дуге — исходя из того, что между витками пружины с той стороны куда его прижимает во время движения появляются растянутые витки пружины. При этом максимальное расстояние между витками с точки зрения муравья — находится прямо над ним. чем дальше к горизонту — тем витки становятся ближе друг к другу с точки зрения муравья, причем это пропорциональная зависимость.
                          Не наблюдаем ли мы подобный эффект «растяжения» света из-за кривизны нашей вселенной в ином измерении, а не разбегание галактик в следствии БВ?

                          Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.