Доказательство существования Вселенной до Большого взрыва

https://medium.com/starts-with-a-bang/evidence-of-the-universe-from-before-the-big-bang-25c5d719187b#.9ec8yf1ew
  • Перевод

Как характерная черта, основанная на наблюдении космической инфляции, может провозгласить научную революцию века (18 марта 2014 года)


Несмотря на название, Теория большого взрыва – это вообще не теория взрыва. Это теория последствий взрыва.
— Алан Гут


Когда вы представляете себе начало Вселенной, вы, наверно, думаете о горячем, плотном состоянии, наполненном материей и излучением, которое невероятно быстро расширяется и охлаждается (и, кстати, так всё и было). Но чего нельзя сделать – так это экстраполировать назад до произвольно горячего и плотного состояния. Вы можете думать, что без проблем пройдёте назад по времени, до «сингулярности» с бесконечными температурой и плотностью, когда вся энергия Вселенной была сжата в единую точку – но это не соответствует действительности.



Одна из замечательных особенностей Вселенной состоит в том, что излучение, зародившееся в то время, всё ещё существует. Оно претерпевало отражения от заряженных частиц во времена Вселенной, бывшей юной, горячей и ионизированной (а это продлилось в течение 380 000 лет). Когда Вселенная стала электрически нейтральной (когда материя впервые сформировала нейтральные атомы), оставшееся от Большого взрыва излучение устремилось по прямой, не прерываемое этой нейтральной материей.



По мере расширения Вселенной — из-за того, что энергия излучения определяется длиной волны – эти длина волны растягивалась вместе с расширением пространства, а энергия с тех пор весьма сильно упала. Но это очень помогает нам, поскольку даёт материал для наблюдений.



И если бы мы могли увидеть и измерить эти волны, они дали бы нам окошко для заглядывания в раннюю Вселенную! И вот, в 1960-х, Арно Пензиас и Роберт Уилсон обнаружили это остаточное свечение от Большого взрыва – излучение, равномерно идущее во всех направлениях, всего лишь на несколько градусов выше абсолютного нуля – и в нём учёные сразу узнали микроволновое космическое фоновое излучение, которое так долго искали!



Спустя 50 лет мы добились невероятного прогресса. Мы смогли не только измерить энергетический спектр этого излучения, но и измерить присущие ему крошечные флуктуации температуры, а так же их масштабы, их взаимосвязь между собой и как это все относится к эволюции Вселенной.




В частности, мы узнали, как выглядела Вселенная в возрасте 380 000 лет, из чего она сделана, и как взаимодействующая материя повлияла на излучение на его пути к нашим глазам длиною в 13,8 миллиардов лет.

Но есть ещё кое-что, что может дать нам информацию об этих вещах: мы можем изучать не только энергию и температуру света, но и его поляризацию. Дайте-ка я поясню.



По сути, свет – это электромагнитная волна. Значит, он состоит из колеблющихся электрических и магнитных полей, перпендикулярных друг другу, у него есть особая длина волны (определяемая энергией), и он распространяется со скоростью света.

Пролетая мимо заряженных частиц, отражаясь от поверхности, взаимодействуя с другими электромагнитными явлениями, электрические и магнитные поля реагируют с окружающей их средой.



Изначально полученный свет должен быть неполяризованным, но огромное количество вещей приводит к его поляризации самыми разными способами. Иначе говоря, свет, который обычно имеет случайно ориентированные электрические и магнитные поля, может испытать взаимодействия, в результате которых у них появится предпочтительная ориентация. И вот она уже сможет рассказать нам очень много познавательных вещей про то, с кем свет взаимодействовал за свою историю.



Эффект поляризации фонового микроволнового излучения впервые открыли в прошлом десятилетии при помощи спутника WMAP, а от обсерватории «Планк» в будущем ожидают ещё лучших результатов (но этот тип исследований, надо отметить, очень сложен в реализации). Поляризация, благодаря которой свет выглядит «радиальным», называется Е-модой поляризации (для электрических полей), а та, из-за которой свет «закручен», называется B-модой поляризации (для магнитных полей).



Большинство наблюдаемых эффектов произошло из-за миллиардов световых лет материи, которую прошёл насквозь свет; мы называем это «передним планом». Ему пришлось пройти весь путь во всех направлениях со времён эры излучения, чтобы дойти сегодня до наших глаз.



Но крохотная, малюсенькая часть поляризации должна была дойти до нас с более ранних времён. Видите ли, до Большого взрыва – до того, как Вселенную вообще можно было бы описать, как горячую, плотную, и наполненную материей и излучением – Вселенная просто экспоненциально расширялась; это был период космической инфляции. В это время во Вселенной господствовала энергия, присущая самому пустому пространству – энергия в количестве гораздо большем, чем присутствует в ней сегодня.



В это время квантовые флуктуации – присущие самому пространству – растягивались по Вселенной, и обеспечивали изначальные флуктуации плотности, которые породили сегодняшнюю Вселенную.

Но только в регионах, где закончилась инфляция, и где эта энергия, присущая пространству, преобразовывается в материю и излучение, и случается Большой взрыв.



И в этих регионах – где закончилась инфляция – у нас получается Вселенная, гораздо большая, чем наблюдаемый её участок. Это и есть идея мультивселенной, и именно поэтому мы считаем, что, скорее всего, живём в ней.



А что насчёт самой этой инфляции? Можем ли мы что-нибудь узнать о ней?

Вы можете решить, что квантовые флуктуации – и посеянные ими флуктуации плотности – это всё, что у нас есть. И до недавнего времени я бы вам так и сказал. Но в теории инфляция порождает и гравитационные волны, которые мы до сих пор не могли обнаружить. LISA, космическая антенна лазерного интерферометра (проект, отодвинутый в лучшем случае в 2030-е), был нашей лучшей надеждой на прямое обнаружение волн.



Но и без LISA гравитационные волны можно обнаружить непрямым методом. Хотя гравитационные волны и свет передвигаются с одинаковой скоростью, свет замедляется при проходе через среду. Это происходит даже в такой разреженной среде, как межгалактическое и межзвёздное пространство! А поскольку гравитационные волны не замедляются – на них влияет только кривизна пространства-времени – они обгоняют свет и сами приводят к поляризации!



Вообще, именно деформации пространства-времени на определённых масштабах растягивают волны света определённым образом, когда они путешествуют от Большого взрыва и до наших глаз.



Конкретно, характерные признаки гравитационных волн должны проявиться, как B-мода поляризации, и они должны оставить специфический рисунок на больших масштабах.

Хотя в обсерватории «Планк» должны это увидеть и подтвердить, его опередила команда, работающая на Южном полюсе: BICEP2!



На масштабах порядка 1,5 градусов B-мода поляризации весьма очевидна, и её уже объявляли открытой, правда со значимостью 2,7σ (примечание: на данных масштабах значимость составляет 5,2σ, но им надо убедить всех, что этот уровень обнаружения не появился благодаря комбинации переднего плана и систематики). 2,7σ означает, что существует 2% шанс того, что это обнаружение ложное, и исчезнет с получением большего количества данных. Но в мире науки это довольно большая вероятность, поэтому пока не стоит считать это открытие свершившимся фактом.



Если открытие выдержит проверку, это будет весьма серьёзным событием. Именно это нам надо измерить, и не только для того, чтобы узнать, была ли инфляция (скорее всего, она была), но чтобы узнать, какая из моделей инфляции описывает Вселенную?

«Планк», выпустив первые результаты в прошлом году, не обнаружил вообще ничего.



Существует несколько общих типов инфляции, которые могли произойти: в частности, если значение r в указанных графиках окажется равным нулю, это будет в пользу модели «малых полей», а если он окажется чем-то огромным (например, 0,2, судя по этим результатам), это будет доказательством модели «больших полей».



Однозначный ли это результат? Нет. Нам нужна гораздо лучшая статистика, чтобы объявить это открытием – мы не можем принять эти результаты и объявить: «да, это изначальные гравитационные волны, оставшиеся со времени до инфляции», так как нам нужны доказательства получше. 2,7σ – это неплохо, но в жестоком мире физики нам нужен подтверждённый результат в 5σ. Мусорная корзина истории физики полна «открытий» с 3σ, которые исчезли с поступлением новых данных.

Мы знаем, что инфляция была; истоки структуры во Вселенной – её сегодняшний внешний вид, её вид 13,8 миллиардов лет назад, и в любом месте в промежутке – уже рассказал нам об этом. Но есть возможность, и первые намёки, что гравитационные волны также могли остаться. И если выяснится, что мы действительно их увидели, мы должны будем получить подтверждение этому в следующие несколько лет. Но если наблюдение перейдёт в разряд незначительных по мере сбора данных, это не будет означать, что модель инфляции неправильная – только, что не она производит самые сильные B-моды.



Это пока ещё не «открытие», но намёк, что мы могли наткнуться на что-то удивительное: первый намёк на то, как родилась наша Вселенная. Если он окажется верным, это будет открытие столетия. Но если новые данные опровергнут его – что вполне может произойти – это не значит, что модель инфляции неправильная; это значит, что гравитационные волны от инфляции меньше, чем предсказывали самые оптимистичные модели.

Но будет оно реальным или нет, мы всё равно узнаем ещё немного о том, как появилась вся наша Вселенная.

Обновление: в комментариях к оригинальной статье читатели сообщали, что в работе упоминается значимость больше, чем 5σ. В частности, они смотрят на определённый участок угловой шкалы, где они и в самом деле видят сигнал со значимостью в 5.2σ.



Может ли фокусировка быть за это в ответе? Это единственный компонент, который можно вычеркнуть – если я, конечно, правильно понял работу – со значимостью всего лишь в 2.7σ.

Смотрите сами.



Значимость результата не выше, чем у самого вероятного из источников неопределённости, и если даже r и может быть равен нулю, очень важно исключить эту возможность. В работе её, возможно, исключили, но мне не показалось, что это было сделано чётко и ясно. Тем не менее, мне очень интересно, как это всё будет развиваться! Если они исключат фокусировку так же, как и синхротронную эмиссию, ограничение в 5σ будет выполнено, и это уже будет означать Нобелевку!

Более позднее примечание к статье, написанной 18 марта 2014 года:

17 марта 2014 года учёные из Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики объявили о обнаружении B-моды на уровне r = 0,2. Однако, более поздний анализ (опубликован 19 сентября 2014), проведённый другой группой исследователей с использованием данных обсерватории «Планк», показал, что результат BICEP2 можно полностью отнести на счёт галактической пыли.
Поделиться публикацией
Ой, у вас баннер убежал!

Ну. И что?
Реклама
Комментарии 24
  • –15
    Мне как-то кажется, что большой взрыв, это на самом деле взрыв одной звезды (по аналогии со сверхновыми). Размер этой звезды настолько велик, что из её частиц и создались все наши галактики (как ученые и говорят). И кажется, что таких «огромных» звезд в пространстве множество. Они тоже имеют свои системы, галактики. Но размеры там пока нам не постижимы…
    • +9
      Проблема в том, что звезда — это просто лэйбл, который мы используем для обозначения объекта, имеющего определенные свойства, и большой взрыв имеет несколько другие свойства.

      Вы не учли максимальный размер при котором звезда может впринципе существовать. На месте звезды такого большого размера появилась бы черная дыра — еще один лэйбл, использумый людьми, которым мы обозначаем предмет с определенными свойствами. И опять же, большой взрыв не имеет свойств черной дыры, а следовательно мы не можем называть его черной дырой, так же, он не имеет свойств звезды, и поэтому мы не можем его называть звездой. Язык существует для класификации объектов и явлений, и называть 2 разных объекта, имеющих разные свойства — это не решение.

      Ах, да, к тому же, большой взрыв это на самом деле «не взрыв» в привычном людям смысле, так просто исторически сложилось, поэтому взрыв звезды, находящейся во вселенной, нельзя сравнивать с «большим взрывом», т.к. взрыв имеет свои свойства, который бы мы легко идентифицировали, просто посмотрев на вселенную и заметив характерные взрыву черты… Но увы, не все так просто
      • +2

        Наверно это уже много раз разжевали для тех кто физику пропускал, но почему большой взрыв не имеет свойств чёрной дыры? Выглядит ведь очень похоже: вся масса звезды падает в одну точку, а там при достижении какого то хитрого, ещё не открытого, предела начинается взрыв, но поскольку пространство внутри чёрноё дыры уже искривилось очень хитрым образом (на d3 была интересная статья на эту тему), взрыв этот снаружи не виден.

        • 0
          Это случайно не «белая дыра»?
        • –1
          Физики вообще любят давать абстрактным понятиям совершенно не подходящие названия, вводя людей в заблуждение. Какому умнику, к примеру, пришло в голову назвать некоторые параметры кварков «цветом» и «ароматом»? Вот так читают люди научно-популярные статьи, и начинают думать, будто кварки действительно окрашены…
          И такого в физике полно. Просто с потолка берут первое попавшееся слово и «вешают» на вновь открытую характеристику.
          • +6
            Те, кто читает статью о кварках, обычно имеют представление о том, что понятие цвета к ним не применимо.
            Если какая-то статья — совсем уж научпоп для самых маленьких, то там скорее всего будет упоминание, о том, что такое «цвет» и «аромат» применительно к кваркам.

            Вообще, если в науке сложилась какая-то терминология, то обычно кому нужно она вполне понятна и удобна.

            А можете привести ещё примеры, когда на вновь открытую характеристику вешали слово «с потолка»? Если вы говорите, что таких примеров полно, то вам не составит труда привести ещё хотя бы три-четыре.
        • +8
          Умозаключения в физике (да и любой науке) бессмысленны чуть более, чем полностью, и даже вредны. Философия осталась в Древней Греции. Есть статистические данные и математическая не противоречащая модель. Развлекайтесь.
          • +2
            сложно развлекаться, когда всё то, что пытаются объяснить формулами, на самом деле понимает только компьютер, на котором запущена конкретная симуляция. Мозг немного уже слаб для того, чтобы видеть картину в целом, из-за этого мы и делаем абстракции, когда можем.
        • 0
          image

          Но только в регионах, где закончилась инфляция, и где эта энергия, присущая пространству, преобразовывается в материю и излучение, и случается Большой взрыв.


          Согласно этой модели, мы имеем «мультивсленные», разделенные «пустым пространством», где инфляция продолжается?

          И есть ли у этих «регионов», где инфляция закончилась, какие-то границы?

          P.S. Понимаю, звучит тупо, с учетом расширения самого пространства.
          • +2
            Есть такая модель непрерывной инфляции. Инфляция вызывается скалярным полем (никто не знает, что это), чем выше потенциал поля, тем сильнее инфляция, раздувание происходит постоянно и практически. Но в силу квантовых колебаний поля иногда, крайне редко, возникают области, где потенциал существенно ниже. В одной из таких областей развилась наша Мультивселенная. Чёткой границы вроде бы быть не должно, просто инфляция спадает до нуля на некотором промежутке (который сам по себе тоже продолжает раздуваться от немыслимой скорости «на внешней границе» до почти нулевой на внутренней границе нашей Мультивселенной). Это всё вилами по воде писано, но если так, то за пределы нашей Мультивселенной нам не выбраться дважды никак — первый раз, потому что нельзя выбраться за пределы нашей Вселенной (так как свет не обогнать), второй раз — так как при приближении к границе любой объект разорвёт инфляция.
          • 0
            Нет, это не глупо; это действительно хороший вопрос — как разделить участки с инфляцией от участков без них. Вероятнее, стоит гоорить об участках с большей или меньшей скоростью инфляции.
          • +5
            Показанное на этой картинке разложение по мультиполям является одним из ярчайших проявлений человеческой мысли. Андрей Дмитриевич Сахаров в начале 1960-х годов, пользуясь лишь ручкой и бумагой вывел теорию (красная линия), которая через 50 лет с поразительной точностью (<1/10000) была потверждена в эксперименте на спутнике (синие точки).
            image
            • +9
              А где доказательство из заголовка?
              • +7
                Половина поста — ни о чем… Грав волны давно открыты LIGO, a BICEP 2 — оказался совсем не тем. В чем смысл перевода научно-популярой статьи двухлетней давности, когда наука двигается столь быстро?
                • 0
                  Да, в позапрошлом году тоже упоминал про BICEP2. С тех пор, к сожалению, заметного прогресса не последовало.
                  • НЛО прилетело и опубликовало эту надпись здесь
                  • 0
                    Я понимаю(или мне только так кажется) логику происхождения мультивселенной(умозаключение о том, что обоснованность существования энергии равна обоснованности существования отсутствия энергии), но не понимаю причин по которой пустое пространство между вселенными должно постоянно увеличиваться. Кто-нибудь может пояснить?
                    • 0
                      см. https://geektimes.ru/post/277202/#comment_9358694 — это одна из гипотез, гипотеза «непрерывной инфляции»
                      • 0
                        У меня было представление о том, что гипотеза «непрерывной инфляции» касается лишь этой Вселенной и, возможно, параллельных, но не думал что существуют подобные гипотезы касательно всего массива вселенных(мультивселенной).
                    • 0
                      Надо бы ещё добавить примечание к статье.

                      «Но в теории инфляция порождает и гравитационные волны, которые мы до сих пор не могли обнаружить. LISA, космическая антенна лазерного интерферометра (проект, отодвинутый в лучшем случае в 2030-е), был нашей лучшей надеждой на прямое обнаружение волн.»

                      ru.wikipedia.org/wiki/Открытие_гравитационных_волн
                      • 0
                        Но таки сколь типична статья. Ибо её суть: «Сделаем, замерим и проверим то-то и если подтвердится, то вот это верно, а если нет — это всё равно верно, просто добавим костылей в формулировку». И таки да, статья давно устарела.
                        • +1
                          остаточное свечение от Большого взрыва – излучение, равномерно идущее во всех направлениях, всего лишь на несколько градусов выше абсолютного нуля


                          Нет, нет, нет. Излучение не измеряется в градусах Цельсия или Кельвина. "Температура излучения" — это характеристика длины волны, а длина волны измеряется в метрах.

                          "На несколько градусов выше абсолютного нуля" — это излучение с такой длиной волны, на которой некое абсолютно черное тело, имеющее указанную температуру, излучает больше, чем на других длинах.

                          Для реликового излучения это 1.9 мм, что соответствует частоте 160,4 ГГц (микроволновое излучение).
                          • НЛО прилетело и опубликовало эту надпись здесь

                            Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

                            Самое читаемое