Инфляционная стадия расширения Вселенной

Сразу после зарождения Вселенная расширялась невероятно быстро.

С 30-х годов XX века астрофизики уже знали, что, согласно закону Хаббла, Вселенная расширяется, а значит, она имела свое начало в определенный момент в прошлом. Задача астрофизиков, таким образом, внешне выглядела простой: отследить все стадии хаббловского расширения в обратной хронологии, применяя на каждой стадии соответствующие физические законы, и, пройдя этот путь до конца — точнее, до самого начала, — понять, как именно всё происходило.

В конце 1970-х годов, однако, оставались нерешенными несколько фундаментальных проблем, связанных с ранней Вселенной, а именно:

  • Проблема антивещества. Согласно законам физики, вещество и антивещество имеют равное право на существование во Вселенной (см. Античастицы), однако Вселенная практически полностью состоит из вещества. Почему так произошло?
  • Проблема горизонта. По фоновому космическому излучению (см. Большой взрыв) мы можем определить, что температура Вселенной везде примерно одинакова, однако отдельные ее части (скопления галактик) не могли находиться в контакте (как принято говорить, они были за пределами горизонта друг друга). Как же получилось, что между ними установилось тепловое равновесие?
  • Проблема распрямления пространства. Вселенная, судя по всему, обладает именно той массой и энергией, которые необходимы для того, чтобы замедлить и остановить хаббловское расширение. Почему из всех возможных масс Вселенная имеет именно такую?

Ключом к решению этих проблем послужила идея, что сразу после своего рождения Вселенная была очень плотной и очень горячей. Всё вещество в ней представляло собой раскаленную массу кварков и лептонов (см. Стандартная модель), у которых не было никакой возможности объединиться в атомы. Действующим в современной Вселенной различным силам (таким, как электромагнитные и гравитационные силы) тогда соответствовало единое поле силового взаимодействия (см. Универсальные теории). Но когда Вселенная расширилась и остыла, гипотетическое единое поле распалось на несколько сил (см. Ранняя Вселенная).

В 1981 году американский физик Алан Гут осознал, что выделение сильных взаимодействий из единого поля, случившееся примерно через 10–35 секунды после рождения Вселенной (только задумайтесь — это 34 нуля и единица после запятой!), стало поворотным моментом в ее развитии. Произошел фазовый переход вещества из одного состояния в другое в масштабах Вселенной — явление, подобное превращению воды в лед. И как при замерзании воды ее беспорядочно движущиеся молекулы вдруг «схватываются» и образуют строгую кристаллическую структуру, так под влиянием выделившихся сильных взаимодействий произошла мгновенная перестройка, своеобразная «кристаллизация» вещества во Вселенной.

Кто видел, как лопаются водопроводные трубы или трубки автомобильного радиатора на сильном морозе, стоит только воде в них превратиться в лед, тот на собственном опыте знает, что вода при замерзании расширяется. Алану Гуту удалось показать, что при разделении сильных и слабых взаимодействий во Вселенной произошло нечто подобное — скачкообразное расширение. Это расширение, которое называется инфляционным, во много раз быстрее обычного хаббловского расширения. Примерно за 10–32 секунды Вселенная расширилась на 50 порядков — была меньше протона, а стала размером с грейпфрут (для сравнения: вода при замерзании расширяется всего на 10%). И это стремительное инфляционное расширение Вселенной снимает две из трех вышеназванных проблем, непосредственно объясняя их.

Решение проблемы распрямления пространства нагляднее всего демонстрирует следующий пример: представьте координатную сетку, нарисованную на тонкой эластичной карте, которую затем смяли как попало. Если теперь взять и сильно встряхнуть эту смятую в комок эластичную карту, она снова примет плоский вид, а координатные линии на ней восстановятся, независимо от того, насколько сильно мы деформировали ее, когда скомкали. Аналогичным образом, не важно, насколько искривленным было пространство Вселенной на момент начала ее инфляционного расширения, главное — по завершении этого расширения пространство оказалось полностью распрямленным. А поскольку из теории относительности мы знаем, что кривизна пространства зависит от количества материи и энергии в нем, становится понятно, почему во Вселенной находится ровно столько материи, сколько необходимо, чтобы уравновесить хаббловское расширение.

Объясняет инфляционная модель и проблему горизонта, хотя не так прямо. Из теории излучения черного тела мы знаем, что излучение, испускаемое телом, зависит от его температуры. Таким образом, по спектрам излучения удаленных участков Вселенной мы можем определить их температуру. Такие измерения дали ошеломляющие результаты: оказалось, что в любой наблюдаемой точке Вселенной температура (с погрешностью измерения до четырех знаков после запятой) одна и та же. Если исходить из модели обычного хаббловского расширения, то вещество сразу же после Большого взрыва должно было разлететься слишком далеко, чтобы температуры могли уравняться. Согласно же инфляционной модели, вещество Вселенной до момента t = 10–35 секунды оставалось гораздо более компактным, чем при хаббловском расширении. Этого чрезвычайно краткого периода было вполне достаточно, чтобы установилось термическое равновесие, которое не было нарушено на стадии инфляционного расширения и сохранилось до сих пор.

Инфляционная гипотеза не снимает проблемы антивещества, но эту проблему можно объяснить, обратившись к другим процессам, происходившим в то же время. Обнаруживаются интересные вещи: при бурном образовании элементарных частиц в ранней Вселенной примерно на 100 000 001 обычных частиц пришлось 100 000 000 античастиц. В следующую долю секунды частицы и античастицы, объединившись в пары, аннигилировали друг друга с гигантским выбросом энергии — масса превратилась в излучение. После такой «прополки» во Вселенной остался лишь жалкий клочок обычной материи. Вот из этого «космического мусора» и состоит вся известная нам сегодня Вселенная.

См. также:
Закон Хаббла
Алан Харви ГУТ
Alan Harvey Guth, р. 1947

Американский физик, специалист в области элементарных частиц и космологии. Родился в Нью-Брюнсвике, штат Нью-Джерси. Докторскую степень получил в Массачусетском технологическом институте, куда в 1986 году и вернулся, став профессором физики. Свою теорию инфляционного расширения Вселенной Гут разработал еще в Стэнфордском университете, занимаясь теорией элементарных частиц. Известен его отзыв о Вселенной как о «бескрайней скатерти-самобранке».


22
Показать комментарии (22)
Свернуть комментарии (22)

  • socratus-0  | 25.01.2006 | 16:30 Ответить
    Антимир их жители и квант света.
    Физики обнаружили античастицы.
    Если есть античастицы, значит есть и антимир.
    Каков он этот Антимир?
    Чем его жители занимаются?
    * * *
    В книге " Эволюция физики " Эйнштейн и Инфельд писали:
    "Мы имеем законы, но не знаем, каково то тело отсчета,
    к которому следует их отнести, и все наше физическое построение
    оказывается возведенным на песке".
    Они правы.
    1)Мы знаем законы и формулы идеального газа,
    но не знаем, к какой системе отсчета они относятся.
    Умнейший Г.Гамов писал:'Идеальный газ формируется из молекул - точек, которые, конечно, не существуют в природе... '
    Смешно. Формулы и законы справедливы, а частицы, их создающие,
    отсутствуют.
    Метафизика. То, чего нет, создает реальность.
    2)Мы знаем законы и формулы SRT, но не знаем, что представляет собой отрицательное четырех - размерное пространство.
    3) Квантовая теория утверждает, что в Вакууме из виртуальных частиц рождаются реальные частицы. Но что такое Вакуум - никто не объясняет.
    Сказать, что Вакуум обладает самым низким энергетическим состоянием,
    все равно что сказать :' мертвый человек обладает самым низким энергетическим состоянием'.
    Сказать, что Гравитация не исчезает, а только бесконечно приближается к нулю,
    все равно что сказать :'мы не умираем, а только приближаемся к смерти'.
    Но наши кладбища говорят о другом.
    Они говорят - Смерть вещь реальная.
    А физики не хотят признать Закона Смерти, этого реального факта.
    Как же, пренебрегая очевидным фактом, можно понять Реальность?
    * * *
    НО если есть Антимир, то, как мы можем его познать?
    Как мы можем взаимодействовать с ним?
    Чтобы вырваться из объятий Земли ракета должна развить скорость
    11,2 km/sec. А чтобы путешествовать в Антимир надо лететь со скоростью кванта света. Но никто, кроме самого квант света,
    не обладает такой скоростью.
    Он единственный, кто способен посетить Антимир.
    Что же квант света может рассказать нам об Антимире?

    * * *
    Если у вас есть время и желание, то подробности на сайте:
    http://www.socratus.com
    Ответить
    • socratus-0 > socratus-0 | 19.04.2006 | 17:26 Ответить
      Эпохи и системы отсчета.
      1
      Птоломей считал, что система отсчета, связанная с Землей
      является абсолютной.
      2.
      Коперник доказал, что система отсчета, связанная с Солнцем
      является абсолютной.
      3.
      Потом стали считать, что система отсчета, связанная с далекими звездами
      является абсолютной.
      4.
      Теперь считают, что система отсчета, связанная с реликтовым излучением
      Т=2,7К является абсолютной.
      5.
      Но Т=2,7К не является постоянным коэффициентом.
      Это реликтовое излучение продолжает расширяться и уменьшатся
      и, следовательно, приблизительно через 20 миллиардов лет достигнет
      Т=0К.
      * * *
      Из теории относительности мы знаем, что 'время' понятие относительное.
      Поэтому, дорогой читатель, пока ты читал эти строки, время сжалось
      до нуля t=0 и Т=0К уже наступило.
      Ответить
    • PavelS > socratus-0 | 13.06.2006 | 01:38 Ответить
      >Проблема распрямления пространства. Вселенная, судя по всему, >обладает именно той массой и энергией, которые необходимы для того, >чтобы замедлить и остановить хаббловское расширение.

      Устарело... Сейчас открыто явление природы под названием "тёмная энергия". И расширяться вселенная будет вечно.
      Ответить
      • alexsmail > PavelS | 24.09.2006 | 03:14 Ответить
        Устарело, но по другой причине. В 90-ых годах XX века, было открыто, что Вселенная не только расширяется, но расширяется с ускорением.
        Также, в статье приводится, что темперетура во всех участках Вселенной одинакова. Это тоже устарело. Несколько лет назад были обнаружини флуктуации в реликтовом излучении, говорящие о различиях в температуре на начальных стадиях формирования Вселенной. Именно, этими флуктуациями и пытаются объяснить победы вещества над антивеществом.
        Ответить
        • Prototoy > alexsmail | 17.12.2012 | 21:39 Ответить
          Почему все верят в ускорение расширения? Около масс, таких как звёзды и тем более галактики время замедляется. А в межгалактическом пространстве взаимодействие масс минемально. Там нет абсолютно гравитации как и в центре чёрной дыры. Возможно преодолевая такие места с нулевой гравитацией и ускореным течением времени свет и меняет спектр.
          З.Ы. Моё мнение что чёрные дыры всегда остаются на своём месте и они одно целое. Они не смещаются относителтно друг друга. Так как нет времени то взглянув с "поверхности" чёрной дыры я бы увидел не вселеную вокруг неё а вселенную уже в ней. В самом центре чёрной дыры точка с абсолютной невесомостью и стало быть безконечно быстрым течением времени.
          З.Ы.Ы. Интересный вопрос. Если наша солнечная система и другие звёзды поблизости создала сверхновая и у нас есть тяжёлые металы. Значит гдето рядом осталась чёрная дыра после сверхновой? Или же солнечная система вращаясь вокруг центра галактики каждые 250 мил. лет проходит мимо этой чёрной дыры.
          Ответить
  • tracert  | 23.05.2007 | 22:03 Ответить
    А, что если с ускорением расширяется не только пространство во вселенной, но и элементарные частицы вещества, только мы этого не замечаем? По примитивной аналогии: мы едим в "идеальном" поезде не ощущаем ни встряски, ни скорости, тем не менее, мы едем и ни чего не чувствуем, мы часть этого поезда. В один прекрасный или не очень прекрасный момент мы достигнем критической точки в этом процессе расширения вещества. И вот тогда все известные нам 'наши' физические законы перестанут иметь какой-либо смысл...
    PS: По крайней мере, для нас с Вами.
    PPS: Возможно, нам крупно повезло и мы живем пока еще в нашей 'метастабильной' вселенной.
    Ответить
    • malkor > tracert | 15.02.2013 | 17:00 Ответить
      Очень похоже на то. Если пространство расширяется как резиновая оболочка надуваемого шарика, то две любые (произвольные) точки на этой поверхности отодвигаются друг от друга. Тут важно понимать, что сами эти точки не разбегаются в стороны от какого-то общего центра как, скажем, от эпицентра взрыва. Аналогия с шариком здесь очень уместна т.к. двухмерные объекты (эти самые точки на поверхности шарика) и сама поверхность шарика никак не связана с центром шарика!!! Последние вычесления космологической постоянной ускорения (лямбда-члена Эйнштейна), говорят о том, что на каждый 1 Мегапарсек (3 000 000 световых лет) скорость расширения пространства равна примерно 75 км в секунду. Это значит, что две галактики находящиеся друг от друга на расстоянии 1 Мегапарсек удаляются (по сути их растягивает) друг от друга с такой скоростью. Поэтому на больших расстояниях для двух точек это ускорение ощутимей. Соответственно, на малых (скажем, в размерах Солнечной системы) ускорение практически не заметно. Но то, что любая область пространства подвержена расширению - сегодня вне сомнения. Так что на атомном уровне объекты также удаляются друг друга со скоростью прямо прапорциональной масштабу в котором действуейт это ускорение
      Ответить
  • Fm53  | 08.03.2008 | 20:14 Ответить
    Думаю, недалеко то время, когда мы с улыбкой поймем всю нелепость нелепой гипотезы (которую горячие головы уже считают теорией) именуемой БВ.
    Инфляционщикам следовало бы как то мотивировать замедление скорости расширения вещества после первоначального "рывка" до размеров грейпфрута.
    Приведенная аналогия с замерзающей водой неудачная. Лучше бы вспомнили о полимерной оболочке водородной бомбы, которая под действием излучения инициирующего взрыва резко испаряется и подымает давление до "нужного".
    Ответить
    • strelijrili > Fm53 | 14.12.2009 | 00:01 Ответить
      Поймут немногие,хотя бы потому, что эта гепотеза является детищем папаши теории относительности, а уж его СМИ никогда в обиду не дадут. Наука погрязла в политике(((

      Поклонники теории зарождения вселенной в результате большого взрыва до сих пор не в состоянии ответить на два простых вопроса:
      1.Что они подразумевают под вселенной?
      Если это совокупность космических явлений, ДОСТУПНЫХ для нашего наблюдения, то это вовсе не вселенная, а скорее мегагалактика.
      Если же это еще и то, что лежит за пределами наших возможностей созерцания космоса, то сия теория уже не состоятельна.
      2. Если вселенная возникла из взрыва, то должено быть известно место этого взрыва, то есть центр вселенной- точка отсчета всех координат.
      Центр вселенной не установлен, но сопоставить эти факты у сторонников теории, видимо, ума не хватает.
      Ответить
      • a_b > strelijrili | 23.12.2009 | 20:23 Ответить
        Кросспостинг :(
        Загляните, пожалуйста, в комментарии к "Большому взрыву", есть пара вопросов Вам.
        Ответить
  • Oleg Zh  | 09.03.2012 | 16:48 Ответить
    Почему все вещество вселенной сразу не стало черной дырой? Ведь к тому были все предпосылки и идеальные условия.
    Ответить
  • Leonid460802  | 29.11.2012 | 13:54 Ответить
    Обнаруживаются интересные вещи: при бурном образовании элементарных частиц в ранней Вселенной примерно на 100 000 001 обычных частиц пришлось 100 000 000 античастиц. В следующую долю секунды частицы и античастицы, объединившись в пары, аннигилировали друг друга с гигантским выбросом энергии — масса превратилась в излучение и где оно сейчас это излучение, если этот эффект был бы, то все небо светилось бы.
    Ответить
    • Prototoy > Leonid460802 | 17.12.2012 | 22:39 Ответить
      А почему не один к одному? Почему вообще "античастицы", понятием античастицы и тёмная материя объясняют эффект который не могут понять но видят. Почему бы не зародиться вселенной из одной самой маленькой, самой незначитьльной частицы? Она могла появиться или нет. Но она появилась. И в первое "мгновение" появления не имела времени и пространства. В первое мгновение она существовала везде и всегда, нигде и никогда. Всё построено на принцепе 1-0, да-нет.
      Почему частица появилась? А почему бы ей не появиться?
      Ответить
      • devegala > Prototoy | 25.05.2013 | 01:56 Ответить
        Извините, за безграммотность, Вы не увлеклись компами или же с ними, пока ещё ни один аподик не может решить задачи, что дважды два=четыре, а теперь сколько возможно перебрать и попаду в четвёрку, там ещё до кучи в минус. Что-то нас смутило во фразе"один к одному", уж простите, как-то скучно,1-0. Вы не допускаете мысли, что мы-человеки ещё малы и искренно шатаемся по детской.
        Ответить
    • rak > Leonid460802 | 10.01.2013 | 16:47 Ответить
      Так оно и светится... Только за 13,8 млрд лет в процессе расширения Вселенной температура его упала до ~4K, это и есть микроволновый фон.
      Ответить
  • vibobita  | 22.05.2013 | 10:08 Ответить
    -если мы видим галактику на расстоянии 11млрд.св лет от нас,получается,что мы видим ее какой она была,и где она была и с какой скоростью она двигалась 11млрд.лет назад.
    Следовательно скорость обьектов (нашей вселенной) увеличивается не в связи с пространственной удаленностью ,а в связи с временной удаленностью(в прошлое).
    Если так, то изменяется «официальная» картина вселенной.
    -вселенная намного старше
    -скорость разбега обьектов не увеличивается ,а уменьшается с увеличением возраста и,соответственно,уменьшениеем удаления,ведь чем ближе к нам галактика ,тем дальше по времени она находится от начала(большого взрыва) и тем меньше у нее скорость.
    -судя по ближнему окружению нашей галактики,где мы наблюдаем современное состояние нашей вселенной, расширение благополучно закончилось и,может быть уже наблюдаются элементы начала сжатия.
    -отпадает потребность в так называемой темной энергии.
    -и т.д. и т.п.
    Все это очень хорошо и складно .Но по видимому ,как любой дилетант я где-то допустил ну ма-алюсенькую ошибочку,или большой ляп,после которого все мои заумные рассуждения сами знаете кому под хвост.

    интересно где?
    Ответить
    • a_b > vibobita | 26.08.2013 | 20:12 Ответить
      >Но по видимому ,как любой дилетант я где-то допустил ну ма-алюсенькую ошибочку
      Респект, без шуток. Это сомнение дорогого стоит.
      >интересно где?
      Ну, как-то странно отказывать ученым в простой сообразительности. Конечно, "все учтено могучим ураганом" и "официальная картина" вселенной построена уже с учетом этого перенесения в прошлое.
      Ответить
      • vibobita > a_b | 27.08.2013 | 10:04 Ответить
        Наверное "детские" вопросы самые сложные для современной науки.
        На многих форумах на этот примитивный вопрос ни разу не получил простого и внятного ответа.
        Ответить
        • Pacheko > vibobita | 21.06.2016 | 23:32 Ответить
          Похоже, и не получите! Я тоже искал хотя бы упоминание о том, что световой год - это не только расстояние, но и время. И НИГДЕ нет даже намёка на такой подход к тому же закону Хаббла.
          Ответить
  • particles  | 20.10.2013 | 08:23 Ответить
    Наблюдение сверхновых типа Ia показало, что космологическое красное смещение для удалённых галактик не совпадает с вычислениями по эффекту Доплера (теория Большого взрыва), а подчиняется экспоненциальному закону затухающих колебаний, где постоянная Хаббла представляет показатель затухания электромагнитных колебаний. Т.е. постоянная Хаббла - это квантовая величина, на которую уменьшается частота фотона за один период колебания. Чтобы определить, насколько уменьшилась частота фотона, надо постоянную Хаббла умножить на число совершенных колебаний, что полностью соответствует результатам, полученным современным методом "стандартных свеч" (Нобелевская премия за 2011 год).
    Доклад в МГУ "Квантовый закон Хаббла":
    http://alemanow.narod.ru/hubble.htm
    Ответить
  • kap100  | 26.12.2013 | 19:39 Ответить
    Я создал теорию, в которой не существует не только ускоренного, но вообще какого либо расширения Пространства. А наблюдаемые явления есть результат УСКОРЕННОГО ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ФОТОНА с падением его частоты от пройденного расстояния. И всё становится на места без каких-либо парадоксов и фантазий наподобие антигравитаций, тёмной энергии и большого взрыва. Моя теория здесь: http://www.admiral-odessa.com.ua/theory_ru.html
    Ответить
  • vcher  | 29.04.2014 | 11:11 Ответить
    Каким же это образом и под влиянием чего частицы и античастицы так странно объединились, чтобы взаимоуничтожиться, и куда делась образовавшаяся при этом энергия? Что за белиберда происходит во Вселенной! Bо сколько раз скорость частиц при Big Bang превышала скорость света? И вообще, как из ничего могло образоваться столько много всякого, включая нас? Одни вопросы, ага!
    Ответить
Написать комментарий
Элементы

© 2005-2017 «Элементы»