Спросите Итана 101: почему Вселенная оказалась неравномерной?

https://medium.com/starts-with-a-bang/ask-ethan-101-did-the-universe-need-to-be-born-lumpy-bc80f2a0fdec#.cwem4vktu
  • Перевод

Иначе говоря, если бы она была идеально ровной, появились бы к сегодняшнему дню звёзды и галактики?


Сначала глянь на мой домик. Он, конечно, так себе, но гораздо менее так себе, чем твой домик.
— Лампи, космическая принцесса, «Время приключений»

Представляя себе Вселенную, вы наверняка не думаете, что она вся гладкая и однородная. Такой комок, как планета Земля, явно отличается от космической пустоты! Но на больших масштабах Вселенная довольно гладкая, а в более ранние времена он была гладкой и на меньших масштабах. Я уже говорил об этом, и на этой неделе я выбрал из заданных вами вопросов следующий:

У меня вопрос по поводу того, что вы заявляли несколько раз во время обсуждения реликтового излучения. Конкретно насчёт того, что если бы вселенная была идеально равномерной после большого взрыва, то структура бы не сформировалась. Я понимаю концепцию. Но что мне интересно, с точки зрения квантовой механики, возможно ли, чтобы вселенная была идеально однородной? А если нет, было бы возможно иметь на старте более равномерную вселенную, которая в результате привела бы к тому, что мы имеем сейчас, просто это заняло бы больше времени?

Давайте посмотрим на нашу сегодняшнюю Вселенную.



На ближайших масштабах у нас имеются сгустки вещества: звёзды, планеты, луны, астероиды, люди. Между ними огромные пустые пространства, населённые более разреженными сгустками: межзвёздным газом, пылью и плазмой, представляющими собой либо остатки мёртвых и умирающих звёзд, либо будущие места, на которых должны будут появиться звёзды. И всё это связано вместе в нашей великой галактике Млечный путь.



На больших масштабах галактики могут существовать в изоляции (полевые галактики), могут быть связаны вместе в небольшие группы (как наша локальная группа галактик), или же существовать в больших скоплениях, состоящих из сотен и тысяч больших галактик. Посмотрев на ещё более крупные масштабы, мы обнаружим, что скопления и группы располагаются вдоль гигантских нитей, некоторые из которых протянулись на многие миллиарды световых лет космоса. А между ними? Гигантские пустоты, войды: разреженные районы, в которых совсем нет, или же есть очень мало галактик и звёзд.



Взгляд на ещё более крупные масштабы, от десятков миллиардов световых лет в поперечника, покажет, что любой район космоса выглядит очень похожим на любой другой. Та же плотность, та же температура, то же количество звёзд и галактик, те же типы галактик, и т.п.

На самых крупных масштабах ни один участок Вселенной не выглядит особенным относительно других. Разные районы космоса, судя по всему, обладают теми же основными свойствами, что и все остальные.



Но в начале нашей Вселенной не было этих гигантских комков и пустот. Если посмотреть на «младенческую фотографию» Вселенной – реликтовое излучение (РИ) – мы обнаружим, что плотность юной Вселенной была одинаковой на всех масштабах буквально везде. И когда я говорю «одинаковой», я имею в виду, что согласно измерениям температура по всем направлениям была 2 К, затем 2,7 К, затем 2,73 К, затем 2,725 К. Она на самом деле была однородной везде.

Наконец, к 1990-м мы обнаружили, что некоторые районы были лишь чуточку плотнее среднего, а другие – чуточку разреженнее среднего – на 80-90 микрокельвинов. Вселенная в ранние дни в среднем была очень однородной, и отклонения от этого составляли не более 0,003%.



Младенческое фото со спутника Planck показывает отклонения от идеальной однородности, где красные «горячие точки» соответствуют разреженным регионам, а синие «холодные» – плотным: тем, что затем вырастут в регионы, богатые звёздами и галактиками. Вселенной необходимы были эти несовершенства – эти места повышенной и пониженной плотности – для того, чтобы структуры могли сформироваться.

Если бы она была идеально равномерной, никакой из районов космоса не смог бы привлечь больше вещества, чем любой другой, и гравитационного роста не произошло бы. Но даже если начать с очень малых несовершенств – несколько частей на 100 000 – тогда через 50-100 миллионов лет у нас сформируются первые звёзды. Через несколько сотен миллионов лет появятся первые галактики. Чуть больше, чем через полмиллиарда лет появится так много звёзд и галактик, что видимый свет сможет путешествовать по Вселенной, не сталкиваясь с блокирующим его нейтральным веществом. Через много миллиардов лет появятся сгустки и скопления галактик, известные нам сегодня.



Вернёмся с этими знаниями к вопросу Джима. Можно ли создать Вселенную без флюктуаций? Ответ: нет, если создать её так, как она была создана. Видимая часть Вселенной произошла от Большого взрыва, когда Вселенная внезапно заполнилась горячим и плотным морем вещества, антивещества и излучения.

Энергия горячего Большого взрыва взялась из окончания инфляции – тогда энергия, присущая самому пространству, превратилась в материю и излучение – в процессе, известном, как вторичный космический нагрев. Вселенная не нагрелась до одинаковой температуры во всех местах, поскольку во время инфляции существовали квантовые флюктуации, растянувшиеся по Вселенной! Это корень появления плотных и разреженных районов.



Если взять Вселенную, богатую материей и излучением, произошедшую в результате инфляции и подчиняющуюся известным нам законам физики, то мы получим именно такие флюктуации, ведущие к появлению плотных и разреженных регионов.

Но что определяет их размер? Могли бы они быть меньше?

Ответ: да, могли бы. Если бы инфляция происходила при меньших энергиях, или потенциал инфляции обладал другими свойствами, эти флюктуации могли бы быть очень сильно меньше. Не просто в десять раз меньше, а в сто, в тысячу, миллион и даже миллиард раз меньше, чем наши!



Это чрезвычайно важно, поскольку формирование космических структур занимает очень много времени. В нашей Вселенной переход от начальных флюктуаций до того времени, когда мы смогли их измерить (РИ), занимает сотни тысяч лет. Для перехода от РИ до момента, когда гравитация способствует формированию первых звёзд, требуется сотня миллионов лет.

Но переход от первых звёзд до Вселенной, в которой доминирует тёмная энергия – и в которой не будет никаких новых структур, только те, что уже связаны гравитацией – не такой большой. Вселенной нужно порядка 7,8 миллиарда лет от Большого взрыва до начала ускорения. Значит, если бы изначальные флюктуации были гораздо меньше, настолько, что первые звёзды в первые десять миллиардов лет после Большого взрыва не сформировались бы, то комбинация этих небольших флюктуаций с тёмной энергией однозначно привела бы к тому, что звёзды бы вообще не появились.



Насколько небольшими должны быть такие флюктуации? Ответ вас удивит – всего лишь в несколько сотен раз меньше, чем наши! Если бы цифры этих флюктуаций на графике ниже (РИ) были бы в районе десятков, а не нескольких тысяч, вселенной повезло бы, если бы сегодня в ней была хотя бы одна звезда или галактика, и она бы точно выглядела бы не так, как наша Вселенная.



Если бы не тёмная энергия – если бы у нас были только материя и излучение – тогда, при наличии достаточного времени, мы могли бы сформировать структуры, вне зависимости от размера начальных флюктуаций. Но неизбежность расширения с ускорением придаёт некоторую срочность, которой в ином случае бы не было, и делает абсолютно необходимым, чтобы величина средних флюктуаций была не менее 0,00001% средней плотности, для того, чтобы во вселенной существовали какие-либо заметные связанные структуры.

Сделайте флюктуации меньше, и во вселенной вообще ничего не будет. Поднимите их до «огромного» уровня в 0,003%, и у вас не будет проблем с созданием вселенной, похожей на нашу.



Наша Вселенная родилась с неравномерностями, но если бы инфляция была другой, то и массы этих комочков должны были быть другими. Сильно меньше – и в результате не получится никаких структур. Сильно больше – и вселенная была бы катастрофически переполнена чёрными дырами, сформировавшимися очень рано.

Чтобы получить такую вселенную, какая есть у нас сегодня, должна была случиться очень удачная комбинация обстоятельств, и к счастью, наша Вселенная, судя по всему, как раз такая, как нужно.
  • +12
  • 9,4k
  • 6
Поделиться публикацией
Никаких подозрительных скриптов, только релевантные баннеры. Не релевантные? Пиши на: adv@tmtm.ru с темой «Полундра»

Зачем оно вам?
Реклама
Комментарии 6
  • +1
    И мы-яркое тому доказательство (С)
    • 0
      Здесь отличная симуляция (40 сек.) участия тёмной материи в гравитационном сгущении барионной материи для образования первых звёзд. Но точно такое же звёздообразование будет происходить, если оставить лишь тёмную энергию — расширяющееся пространство и понимать гравитацию как частичное поглощение материей этого пространства. Тогда расширяющееся пространство будет служить конвейером, поставляющим отдельные атомы к их более массивным скоплениям, возникшим изначально. Пространство в частицах материи выводится в 5 измерение, количество атомов в их скоплениях постоянно растёт, в итоге масса последних достигает критической, и они превращаются в звёзды.
      Такая схема укрупнения изначальных скоплений материи действует всё время. Именно поэтому, в частности, в ближнем космосе нет нужного количества карликовых галактик, предсказанного LCDM-моделью. Первые более массивные галактики просто не дали им образоваться. Они притянули к себе с помощью поглощаемого ими пространства почти все отдельные атомы — строительный материал для их образования.
      Тот же «конвейер пространства», направленный к чёрным дырам в центрах галактик, сдерживает от разбегания из галактических дисков их быстро вращающиеся звёзды. А в скоплениях галактик он сдерживает галактики, быстро вращающиеся вокруг общего центра масс. В войдах плотность эфира (энергетически плотного вакуума) максимальна, поэтому и скорость его расширения — скорость движения этого «конвейера» — больше.
      Эфир постоянно и повсеместно пополняется новыми эфиронами из 5 измерения, что и вызывает его расширение. Незнание этого механизма создаёт проблему тёмной энергии и космологической постоянной. А незнание природы гравитации, основанной на выводе материей эфира в 5 измерение, не позволяет разработать её квантовое описание и вынуждает вводить тёмную энергию для объяснения части наблюдаемых феноменов.
      В будущем все эти проблемы обязательно решатся. Уже сейчас в создании симуляций чёрных дыр используют показанный механизм гравитации. Физическая наука ещё не накопила достаточных точных данных для перехода к новому пониманию мира. Это очень инертный процесс. Есть силы, которые содействуют инерции, а есть, которые противодействуют, это нормально.
      • +1
        Лампи, космическая принцесса, «Время приключений»

        Ее зовут Lupmy Space Princess, т. е. Принцесса пупырчатого измерения. В оригинале ее имя сокращают до LSP, никто не называет ее Lumpy. В переводе можно встретить "Принцесса Пупырка" — не очень точно, но распространено.

        • 0
          Прежде всего извиняюсь за ошибку в формуле-образе в комментарии выше. Расширяющееся пространство следует сравнивать не с конвейером, а с транспортёрной лентой — за его транспортировку менее массивной материи (отдельных атомов, материала для карликовых галактик) к более массивной материи (к газообразным скоплениям атомов, к массивным галактикам). Поскольку более массивная материя поглощает пространство с большей скоростью, чем менее массивная. И поэтому более пустое, свободное от материи пространство — эфир/вакуум — имеет большую плотность и скорость расширения. Такое взаимодействие материи и пространства избавляет от необходимости введения тёмной материи.

          Я попробовал проверить эти взаимодействия математикой. Результат отрицательный, но не окончательный. По образованию я не физик, а океанолог, и наверное где-то ошибся в расчётах. Может, недовольные здесь моей «теорией» физики укажут на ошибки? На астрофоруме и на dxdy успел забаниться.

          Суть проверки такова. Если понимать космологическое и гравитационное красное смещение как следствие движения фотонов к наблюдателю во встречном потоке эфира (энергетически плотного вакуума), то эти смещения должны одинаково зависеть от скорости этого потока.
          Рассчитаем гравитационное смещение для фотонов, летящих от поверхности Земли к орбите спутника, где их регистрируют. Формула для его расчёта такова:

          Z = GM/c^2r — GM/c^2R

          G — гравитационная постоянная, равна 6,674*10^-11 м^3 с^2 кг^-1.
          M — масса Земли, равна 6*10^24 кг.
          c^2 — скорость света в квадрате, равна 9*10^10 км^2/с^2.
          r — радиус Земли, равен 6370 км, откуда были излучены фотоны.
          R — высота спутника, где были поглощены фотоны (20000 км), плюс земной радиус, равна 26370 км.

          В результате умножений, делений и вычитания получилось безразмерное число (примерно) 5*10^-10.

          Такое гравитационное красное смещение частоты будет у фотонов, которые поднимаются навстречу потока эфира, текущего с ускорением свободного падения с высоты 20000 км.
          Скорость такого потока находим по формуле V^2 = 2gh, где g — ускорение свободного падения у поверхности Земли, равно 9,8 м/с^2, h — высота, с которой началось падение, равна 20000 км.
          Скорость получается примерно 20 км/с, но она явно завышена минимум в два раза. Думаю, она не может быть больше первой космической скорости (8 км/с), но это не суть важно.

          Теперь вычисляем, какое космологическое красное смещение Z' будет на такой скорости движения расширяющегося пространства. Поскольку скорость втекающего в Землю эфира гораздо меньше скорости света (20 км/с << 300000 км/c), то формула такова: Z' = V/c.
          Значение Z' примерно равно 6*10^-5.
          Оно в 100000 раз больше гравитационного смещения при движении эфира с той же скоростью.

          Такое расхождение смещений может указывать на ошибочность проверяемой теории. А можно считать её временно нерешённой проблемой расхождения смещений. Радует, что это расхождение меньше, чем в значениях космологической постоянной, рассчитанных согласно верных по отдельности теорий — ОТО и КТП. Там значения расходятся на 120 порядков, у меня — на 5 порядков.

          Возможно, расхождение смещений объясняется тем, что космологический эфир равномерно плотный во всех точках прохождения фотонов. И поэтому он, двигаясь им навстречу, равномерно смещает их частоту. А в гравитационном потоке плотность эфира меняется — от меньшей внизу, до большой вверху. Поднимаясь вверх от массивного тела, во всё более плотный эфир, фотоны должны синеть, ведь при этом ускоряется ход атомных часов, который задаёт частота фотонов. Но поскольку они летят всё же в встречном потоке эфира, то их частота в итоге снижается, они краснеют, но в гораздо меньшей мере. Есть ли возможность вычислить эту меру? Никто не хочет замахнуться на нашего, понимаете ли, Эйнштейна?
          • 0
            Удивительная способность автора излагать разливать воду на целую статью, когда можно было изложить те же мысли в двух строчках. Не первый раз замечаю.
            По теме: интересно, а как образование структур во Вселенной сочетается с законом неубывания энтропии?
            • 0
              «К счастью, наша Вселенная, как раз такая, как нужно», куда ни кинь всюду один клин, «антропный принцип». Положение, что, не просто квантовые флуктуации, а именно и к счастью которые нужно, породили макроструктуры галактик, звезд и планет, каким-то боком подводит нас к самой главной тайны Вселенной, появлению жизни. Очевидно, что рано или поздно надо будет как-то объяснять, как с бесконечно малой вероятностью атомы С, Н, О, А на в общем-то холодной планете могли соединиться в нуклеотиды, а те с еще меньшей вероятностью в РНК да еще с необъяснимым внутренним механизмом самокопирования. Мы не знаем, что такое «квантовая флуктуация», а тем более их «вероятность», мы лишь признаем их как «данность» этого мира.

              Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.