Лекция
Привет, Вы узнаете о том , что такое космология, Разберем основные их виды и особенности использования. Еще будет много подробных примеров и описаний. Для того чтобы лучше понимать что такое космология, вакуум , настоятельно рекомендую прочитать все из категории Астрономия.
В начале 80-х годов особую популярность приобрели теории типа КалуцыКлейна, согласно которым размерность нашего пространства больше 4-х, но
часть измерений “скомпактифицировано”, так что мы не можем двигаться в соответствующих направлениях.
С конца 1984 года была развита теория суперструн, согласно которой основным
объектом теории являются не точечные элементарные частицы, а струноподобные образования очень малого размера.
Успехи теории горячей Вселенной, основанной на однородной модели Вселенной Фридмана, постепенно привели к убеждению, что Вселенная всюду устроена так же как и в окрестностях Солнечной системы. Это убеждение находится в
полном соответствии с наблюдательными данными.
Анализ таблиц элементарных частиц и свойств наблюдаемой части Вселенной
не оставляет ощущения безусловной гармонии. Почему Вселенная почти однородна и в то же время в ней есть такие неоднородности, как планеты, звезды,
галактики? Эти вопросы наводят на вопрос, мог ли наш мир быть создан по
другому.
Согласно современным единым теориям элементарных частиц свойства наблюдаемого мира связаны с тем, каким именно образом нарушается симметрия между разными типами взаимодействий и какой из многих возможных вариантов
компактификации исходного многомерного пространства осуществляется в
окружающей нас части Вселенной.
Первоначально подразумевалось, что выбор типа нарушения симметрии и выбор способа компактификации должны происходить одинаково во всей Вселенной. Однако дальнейшее изучение этого вопроса показало, что в рамках сценария раздувающейся Вселенной гипотеза о таком единообразии может быть неверна.
Наиболее простым и естественным сценарием раздувающейся Вселенной сейчас представляется сценарий хаотического раздувания. Раздувание может осуществляться в обычной теории массивного скалярного поля ϕ, характеризуемого массой m, где потенциальная энергия V(ϕ) поля ϕ при больших ϕ растет как
любая степень поля V(ϕ) ~ ϕ
n
.
Поведение Вселенной зависит от первоначального распределения классического
поля ϕ, и в простейшей теории массивного скалярного поля ϕ с V(ϕ) = mϕ
2
/2
оно может быть описано при помощи кривой:
Область начальных значений является запрещенной. Квантовые флуктуации метрики столь велики, что
говорить о классическом пространстве - времени нельзя.
В областях пространства, в которых
поле изначально находилось в интервале Mp<ϕ 2
/m, процесс
уменьшения поля идет очень медV
ϕ
mMp
3
m
2Mp
2
Mp
4
0
Mp Mp√(Mp/m) Mp
2
/m
ленно. Вселенная в это время расширяется экспотенциально.
Эта стадия называется стадией раздувания.
В простейших моделях за время раздувания размер Вселенной вырастает в 10100
000 - 1010 000 000 000 раз!
Когда поле уменьшается до ϕ ~ Mp, где Mp ~ 10-5
г. - планковская масса, оно
начинает быстро колебаться вблизи минимума V(ϕ), и при наличии взаимодействия этого поля с другими физическими полями накопившаяся в нем энергия
переходит в тепло, т.е. Вселенная становится горячей.
В области Mp√(Mp/m)< ϕ < Mp
2
/m за счет квантовых эффектов генерируются
неоднородности поля с очень большой длиной волны, причем амплитуда этих
неоднородностей, возникающих за характерное время ∆t~H-1
, больше, чем общее уменьшение поля ϕ за это же время из-за “скатывания” поля к минимуму
V(ϕ). В результате за время ∆t~H-1 общий объем Вселенной увеличивается в e3
раз (из-за раздувания), и почти в половине этого объема поле ϕ не уменьшается,
а растет, причем скорость раздувания Вселенной в областях с увеличившимся
полем ϕ тоже увеличивается.
Это приводит к тому, что большая часть объема Вселенной, в которой изначально была хотя бы одна область с ϕ > Mp√(Mp/m) находится сейчас в состоянии с максимально возможным полем ϕ и продолжает раздуваться. В этих областях расширение Вселенной никогда не кончается, т.е. Вселенная существует
вечно. С другой стороны, те области Вселенной, в которых поле ϕ становится
меньше, чем ϕ ~ Mp√(Mp/m), через некоторое время перестают раздуваться,
приобретая размер l>10100000 см. В одной из таких областей мы и живем.
Важной особенностью этого сценария являются сильные флуктуации метрики и
всех других физических полей в большей части объема Вселенной, в которой
сейчас ϕ ~ Mp
2
/m. Эти флуктуации приводят к разбиению нашей Вселенной на
экспотенциально большие области со всеми возможными типами
вакуум ных
состояний и со всеми возможными типами компактификации “лишних” измерений. В каждой из таких областей свойства пространства - времени и низкоэнергетическая физика элементарных частиц будут различными.
В некоторых из этих областей размерность пространства - времени может быть
отлична от четырех, вместо слабых, сильных и электромагнитных взаимодействий могут существовать взаимодействия совершенно других типов с другими
константами связи.
Таким образом, согласно этому сценарию, глобальная геометрия нашего мира
кардинально отличается от геометрии мира Фридмана. Вселенная оказывается
состоящей как бы из отдельных фридмановских мини-вселенных с разными
свойствами и жизнь нашего типа может возникнуть в части мини-вселенных,
условия в которых достаточно хороши для этого (антропный принцип). Планеты и атомы нашего типа могут возникать только в трех-мерном пространстве.
Силы тяготения в пространствах с другим числом измерений слишком быстро
убывают с расстоянием и планетные системы неустойчивы.
F ~ 1/RN-1
Эволюция Вселенной не имеет единого (сингулярного) начала. Свойства пространства-времени и законы взаимодействия элементарных частиц в каждом
“пузыре” - мини-вселенной могут быть различны.
Каждая область мини-вселенной (домен) имеет размеры ~10 млрд св лет и превышает размеры наблюдаемой нами Вселенной.
Термин вакуум в современной физике используется в двух смыслах. Первый -
наиболее распространенный - соответствует весьма разреженным газам. Второй
соответствует состоянию, в котором полностью отсутствуют реальные частицы.
В этом случае физический вакуум соответствует конденсату частиц с целым
спином (бозонов). Об этом говорит сайт https://intellect.icu . Такой конденсат вследствие квантовых эффектов характеризуется следующими свойствами:
1. Он соответствует минимуму в энергетической зависимости системы от функции ϕ, определяющей ее состояние.
2. При существовании реальных частиц конденсат стремится “затащить” их к
себе, а не “вытолкнуть”, как это имеет место в реальных газах. Поэтому физический вакуум характеризуется экзотическим уравнением состояния
p = - ε.
Вакуумное состояние испытывает непрерывные и противоположные воздействия. С одной стороны, свойства бозонного конденсата таковы, что он стремится
удержать все содержащиеся в нем частицы, а с другой - уравнение состояния
определяет его нестабильность. Эти полярные свойства вакуума приводят к тому, что для образования реальных частиц из вакуума необходимо затратить
энергию и довольно значительную. С другой стороны вакуум непрерывно порождает виртуальные частицы, время жизни которых очень мало, например, для
электронов t = 10-22
с.
Виртуальные частицы наблюдать непосредственно нельзя, однако, их существование проявляется во взаимодействии с реальными частицами. Можно сказать, что вакуум непрерывно “кипит”, но не “выкипает”. Наиболее известный
вакуумный эффект - сдвиг энергетических уровней в атоме водорода, обусловленный взаимодействием движущихся атомарных электронов с виртуальными
частицами вакуума (эффект Лэмба - Резерфорда).
Вакуум - абслютно однородная Среда, характеризуемая своей плотностью энергии и гравитационными характеристиками. Поэтому он эквивалентен по своим
свойствам введенному Эйнштейном в уравнения ОТО Λ - члену.
Современные представления о вакууме позволяют по иному взглянуть на проблему сингулярности и первые мгновения существования Вселенной после
Большого взрыва.
Вселенная возникает в результате возмущения вакуума. Энергия вакуума переходит в реальные частицы, которые, взаимодействуя между собой, порождают
барионную ассиметрию. Не все вакуумные возмущения могут преодолеть потенциальный барьер и развиться в мини-вселенные. Спустя 10-35 с после своего
возникновения мини-вселенные переходят во фридмановский режим. После
этого Вселенная расширяется согласно разработанной модели Большого Взрыва.
При плотности Вселенной больше критической, расширение сменится сжатием,
плотность будет увеличиваться и достигнет планковской. В этом малом объеме
(~10-10см) будет находиться вакуумообразная материя, которая может вызвать к
жизни новую мини-вселенную. И этот процесс будет продолжаться непрерывно
и бесконечно. При переходе от одной мини-вселенной к другим аналогичным
объектам вовсе не обязательно, чтобы фундаментальные постоянные (константы, число взаимодействий, размерность пространства, массы частиц) повторялись. Каждая новая вселенная может иметь свою размерность и свойства констант.
Со времен Евклида Вселенная мыслилась трехмерной. СТО Эйнштейна использует в качестве геометрической структуры четырехмерное псевдоевклидово
пространство событий. Интервал между двумя близкими событиями выражается следующим образом:
ds2
= c2
dt2
- dx2
- dy2
- dz2
.
Время входит в определение физического пространства, являясь собственным
для каждой системы отсчета. Длина отрезка и промежутка времени зависят от
взаимного движения систем отсчета. Структура физического пространства задается метрикой евклидова типа, фиксированной вне всякой зависимости от каких-либо материальных взаимодействий.
В ОТО свойства пространства - времени не задаются наперед, а определяются
для каждого конкретного случая в зависимости от материальных обстоятельств.
При этом учитываются поля тяготения.
ds2
= gikdxi
dxk
,
где i,k = 0,1,2,3; gik = gik(x0
,x
1
,x
2
,x
3
).
На метрику пространства влияют физические процессы. В рамках ОТО тела
деформируют пространство. Фундаментальный смысл геометризации тяготения состоит в том, что пространство и время как формы бытия материи находят
свое непосредственное представление в объективной реальности физического
поля универсального (гравитационного) взаимодействия и сами по себе (без
поля) существовать не могут. На место абстрактного пространства Ньютона
встает поле тяготения, которое образует физическую структуру пространства и
проявляется своим удерживающим действием на все материальные объекты.
Всякая индивидуализированная частица изменяет гравитационное поле, а поле
влияет на ее движение.
В начале ХХ столетия многие физики хотели создать единую теорию взаимодействий, объединяющую электромагнитное и гравитационное взаимодействия.
Т. Калуца предложил в 1921 году провести это объединение, постулируя, что
пространство - время имеет не четыре измерения, а пять. Экспериментальные
данные свидетельствуют о четырехмерности, но для успеха объединения не
имеют значения размеры пятого измерения пространственно-временного континуума. Попыткой построить единую теорию занимался Эйнштейн в последние годы жизни.
В 70-х годах интерес к многомерной физике оживился. Возникло понимание
того, что в единой теории поля могут быть устранены квантовомеханические
расходимости и аномалии. В простейшем варианте объединенной теории помимо четырехмерного пространства-времени возникает семимерное компактное
пространство, которое можно для некоторой наглядности отождествить с семимерной сферой.
Фундаментальная физика, соответствующая объединенному взаимодействию,
формируется на планковских величинах (l = 10-33
см.) Эта величина совпадает с
тем критическим расстоянием, на котором теряет смысл квантовая электродинамика. Поэтому естественно предположить, что размеры семимерной компактной сферы совпадают по порядку величины с планковским расстоянием и поэтому не проявляются непосредственно при исследовании физической геометрии.
Некоторый прогресс в этом вопросе наметился после введения идеи суперструн.
В основе этой идеи лежит представление о том, что основным элементом физи-
ческой геометрии является не точка, а одномерное образование - струна. Суперструна - прообраз истинно элементарных частиц (электронов и кварков). Ранее
полагали, что такие частицы имеют нулевые размеры, теперь же - планковские.
В теории суперструн удалось ликвидировать многие расходимости. Размерность, которой соответствует непротиворечивая теория суперструн равна 506.
Из этого числа четыре относятся к пространственно - временному континууму,
а остальные соответствуют компактному объему с планковскими размерами. В
момент образования Метагалактики (15 - 20 млрд лет назад) все пространственные размерности, кроме трех, компактифицировались, уменьшились до
планковских размеров. Сейчас на больших расстояниях (вплоть до размеров
Метагалактики) пространство евклидово и трехмерно, на очень малых, планковских, геометрия многомерна и неевклидова.
Новая теория должна включать как обязательный элемент переменность фундаментальных постоянных - масс, размерности пространства, констант взаимодействий. Непосредственные наблюдения и современная
космология свидетельствуют, что начиная со времени расширения Метагалактики (~1с)
константы не менялись. Следовательно, значения фундаментальных постоянных могли фиксироваться на очень малых временах, когда возникали минивселенные. Следовательно, полная единая теория элементарных частиц и теория возникновения мини-вселенных - два разных аспекта одного явления. Истинная и полная теория - синтез космологии и теории элементарных частиц.
Разнообразие и сложность физических систем, из которых состоит наблюдаемая
Вселенная, столь поразительны, что задача открытия простых законов, способных описать все эти системы, кажется безнадежной.
Если бы природа выбрала иную последовательность чисел в фундаментальных
постоянных, мир был бы другим.
Такие важные структурные единицы как звезды типа Солнца своими свойствами обязаны маловероятным совпадениям чисел, которые построены на фундаментальных постоянных, относящимся к разным разделам физики.
Начальные параметры ранней Вселенной были согласованы с поразительной
точностью. При совсем незначительном изменении начальных параметров Вселенная не смогла бы стать такой, какой мы ее наблюдаем. Вещество структурировалось бы совсем другим способом.
В 1930-х годах Эддингтон и Дирак были поражены любопытным и неожиданным совпадением некоторых очень больших чисел, рассчитанных исходя из
атомной физики и космологии. Создается впечатление, что Вселенная приведена какими-то способами в равновесие.
Вселенная устроена иерархически и состоит из многих структурных единиц, от
атомов до скоплений галактик. Ничто во Вселенной не находится в покое. Везде
присутствует противоборство сил. Сила гравитации стремится объединить рассеянное вещество. В веществе происходит противоборство между силой гравитации и другими силами. Гравитация одержала верх в таких малых объектах,
как звезды и планеты. Плотность вещества в них в 1030 раз выше, чем во Вселенной. Более крупные системы - галактики и их скопления - избежали гравитационного коллапса, потому что вращаются и движутся друг относительно
друга. Гравитационному коллапсу противостоят центробежные силы. Падению
скоплений галактик друг на друга мешает непрерывное расширение Вселенной
в целом, так что каждое скопление постоянно удаляется от своих соседей.
Скорость удаления двух типичных галактик, находящихся на определенном
расстоянии друг от друга характеризуется постоянной Хаббла.
Например, две галактики, расстояние между которыми 1 Мпс удаляются друг от
друга со скоростью 50 км/с.
Расмерность H - скорость, деленная на расстояние, обратна размерности времени. Следовательно величина, обратная H дает фундаментальную единицу времени, определяющую изменение космологических параметров. Величина H-1
приблизительно равна 1010 лет. Из этого следует, что это время назад крупномасштабная структура Вселенной должна была сильно отличаться от современной, а галактики располагались значительно ближе друг к другу. Скорость космологического расширения постепенно замедляется. Значит ранее она была
значительно выше, чем теперь.
Приблизительно 18 млрд лет назад Вселенная имела бесконечно большую плотность и расширялась бесконечно быстро.
Время Хаббла с точность до множителя 3/2 равно возрасту Вселенной. Значит
постоянная Хаббла не является постоянной.
Чем менее был объем Вселенной, тем быстрее она расширялась, тем выше была
скорость разбегания вещества.
Плотность энергии вещества Вселенной определяет полную силу гравитации
Вселенной. При высокой плотности замедление расширения идет более быстрыми темпами. Если же плотность ρ больше критической ρcr, то со временем
расширение прекратится и сменится сжатием, ведущим к катастрофическому
коллапсу. Если ρ значительно превышает ρcr, то это обращение протекает быстрее. Если же плотность энергии очень низка, то сила гравитации Вселенной мала и расширение протекает беспрепятственно. Чем ниже плотность энергии, тем
быстрее в ходе расширения происходит разрежение вещества.
Если ρ очень близко к ρcr, то Вселенная либо когда-нибудь сколлапсирует, либо
будет вечно расширяться.
Чтобы Вселенная приобрела современную структуру при данной плотности вещества, ее расширение должно происходить с вполне определенной скоростью.
Если эта скорость мала, то Вселенная после короткой стадии расширения начнет сжиматься и сколлапсирует. С другой стороны, в случае слишком быстрого
начального расширения сгустки вещества разлетались бы друг от друга с большой скоростью и вскоре стали бы изолированными и не способными группироваться в галактики. В действительности начальное расширение происходило
как раз с такой скоростью, что в результате возникла ситуация, лежащая между
описанными альтернативами.
28.5 Антропный принцип.
Обычно в физике наблюдатель не принимается во внимание. Анализ свойств
наблюдаемой Вселенной привел к выявлению взаимосвязи между существованием наблюдателя и конкретных физических законов.
В существующем мире очень много совпадений и случайных соотношений, без
которых невозможно было бы существование Вселенной в наблюдаемом виде.
При малом изменении свойств элементарных частиц во Вселенной или никогда
бы не образовались звезды и галактики, или образовались бы сразу сверхмассивные тела, которые начали бы катастрофически коллапсировать.
При нарушении некоторых резонансных соотношений в ядерных реакциях было
бы невозможно создание углерода в недрах звезд или при создании, он сразу бы
выгорал в кислород. И в первом и во втором случае не смогла бы развиться углеродная жизнь.
Ф.Хойл пишет, что “Если бы вы хотели образовать углерод и кислород примерно в равных количествах в ходе звездного нуклеосинтеза, то должны были бы
задать два уровня резонансов, причем именно там, где эти уровни и найдены...
Здравая интерпретация фактов дает возможность предположить, что в физике, а
также в химии и биологии экспериментировал “сверхинтеллект” и что в природе нет слепых сил, заслуживающих внимания”.
Эти и другие факты привели ученых к созданию антропного принципа.
Слабый антропный принцип: “То, что мы предполагаем наблюдать, должно
удовлетворять условиям, необходимым для присутствия человека в качестве
наблюдателя” Б.Картер.
Сильный антропный принцип: “Вселенная должна быть такой, чтобы в ней на
некотором этапе эволюции мог существовать наблюдатель”.
Этот принцип утверждает, что Вселенная приспособлена для существования
жизни и как законы физики, так и начальные условия развития подстраиваются
таким образом, чтобы гарантировать появление и эволюцию жизни. Этот принцип совпадает с религиозным мировоззрением, что Бог сотворил мир для человека.
Принцип поставил на научную основу вопрос: почему наш мир устроен таким,
каким мы его наблюдаем?
Принцип целесообразности: “Законы физики не только достаточны, но и необходимы для создания и длительного существования основных связанных и устойчивых состояний: атомных ядер, атомов, звезд и галактик” .
Незначительное изменение численного значения фундаментальных постоянных
приводит к радикальному изменению физической структуры Метагалактики.
Такая подстройка численного значения фундаментальных постоянных к сложной структуре Метагалактики приводит к необходимости допустить существование многих мини-вселенных с разным набором фундаментальных констант.
Исследование, описанное в статье про космология, подчеркивает ее значимость в современном мире. Надеюсь, что теперь ты понял что такое космология, вакуум и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания, то не стесняйся, пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории Астрономия
Ответы на вопросы для самопроверки пишите в комментариях, мы проверим, или же задавайте свой вопрос по данной теме.
Комментарии
Оставить комментарий
Астрономия
Термины: Астрономия