Duże odbicie - Big Bounce

W przypadku innych zastosowań zobacz The Big Bounce (ujednoznacznienie) .
Część serii na
Kosmologia fizyczna
Obraz pełnego nieba uzyskany z danych sondy Planck
Wczesny wszechświat
Tła
Ekspansja  · Przyszłość
Komponenty  · Struktura
składniki
Struktura
Eksperymenty
Naukowcy
Historia przedmiotu

Big Bounce to Hipotetyczna model kosmologiczny na pochodzenie znanego wszechświata . Pierwotnie był sugerowany jako faza modelu cyklicznego lub interpretacji oscylacyjnego Wszechświata Wielkiego Wybuchu , gdzie pierwsze kosmologiczne wydarzenie było wynikiem załamania się poprzedniego wszechświata. Wycofano się z poważnych rozważań na początku lat osiemdziesiątych, po tym , jak teoria inflacji pojawiła się jako rozwiązanie problemu horyzontu , który pojawił się w wyniku postępów w obserwacjach ujawniających wielkoskalową strukturę Wszechświata. Na początku XXI wieku niektórzy teoretycy stwierdzili, że inflacja jest problematyczna i niefalsyfikowalna, ponieważ jej różne parametry można dostosowywać do dowolnych obserwacji, tak że właściwości obserwowalnego Wszechświata są kwestią przypadku. Alternatywne zdjęcia, w tym Big Bounce, mogą stanowić przewidywalne i możliwe do sfalsyfikowania rozwiązanie problemu horyzontu i są aktywnie badane od 2017 roku.

Rozszerzanie i kurczenie

Koncepcja Big Bounce przewiduje Wielki Wybuch jako początek okresu ekspansji, który następuje po okresie kurczenia się. Z tego punktu widzenia można by mówić o Big Crunch, po którym następuje Big Bang lub prościej Big Bounce . Sugeruje to, że moglibyśmy żyć w dowolnym miejscu w nieskończonej sekwencji wszechświatów lub odwrotnie, obecny wszechświat może być pierwszą iteracją. Jeśli jednak warunek fazy interwału „między odbiciami”, uważany za „hipotezę pierwotnego atomu”, zostanie wzięty w pełną przygodność, takie wyliczenie może być pozbawione sensu, ponieważ warunek ten może reprezentować osobliwość w czasie w każdym przypadku, jeśli taki nieustanny zwrot był absolutny i niezróżnicowany.

Główną ideą teorii kwantowej Wielkiego Odbicia jest to, że gdy gęstość zbliża się do nieskończoności, zmienia się zachowanie pianki kwantowej . Wszystkie tak zwane fundamentalne stałe fizyczne , w tym prędkość światła w próżni, nie muszą pozostawać stałe podczas Wielkiego Zgrzytu , zwłaszcza w przedziale czasowym mniejszym niż ten, w którym pomiar może nigdy nie być możliwy (jedna jednostka czasu Plancka , z grubsza 10 -43 sekund), rozciągające się albo z przedziału punkt przegięcia.

Historia

Modele Big Bounce były popierane głównie ze względów estetycznych przez kosmologów, w tym Willema de Sittera , Carla Friedricha von Weizsäckera , George'a McVittie i George'a Gamowa (którzy podkreślali, że „z fizycznego punktu widzenia musimy całkowicie zapomnieć o okresie przedupadkowym”).

Na początku lat osiemdziesiątych postępująca precyzja i zakres kosmologii obserwacyjnej ujawniły, że wielkoskalowa struktura Wszechświata jest płaska , jednorodna i izotropowa , co później zaakceptowano jako Zasadę Kosmologiczną, którą można zastosować w skali przekraczającej około 300 milionów lat świetlnych. . Uznano, że konieczne jest znalezienie wyjaśnienia, w jaki sposób odległe regiony wszechświata mogą mieć zasadniczo identyczne właściwości, nigdy nie będąc w komunikacji podobnej do światła. Zaproponowano rozwiązanie jako okres wykładniczej ekspansji przestrzeni we wczesnym wszechświecie, jako podstawę dla tego, co stało się znane jako teoria inflacji . Po krótkim okresie inflacji wszechświat nadal się rozszerza, ale w wolniejszym tempie.

Przedmiotem intensywnych badań teoretycznych stały się różne sformułowania teorii inflacji i ich szczegółowe implikacje. Wobec braku atrakcyjnej alternatywy wiodącym rozwiązaniem problemu horyzontu stała się inflacja. Na początku XXI wieku niektórzy teoretycy stwierdzili, że inflacja jest problematyczna i niefalsyfikowalna, ponieważ jej różne parametry można dostosowywać do dowolnych obserwacji, co jest znane jako problem dostrajania. Ponadto stwierdzono, że inflacja jest nieuchronnie wieczna , tworząc nieskończoność różnych wszechświatów o typowo różnych właściwościach, tak że właściwości obserwowalnego wszechświata są kwestią przypadku. Alternatywna koncepcja obejmująca Big Bounce została pomyślana jako przewidywalne i falsyfikowalne możliwe rozwiązanie problemu horyzontu i jest przedmiotem aktywnych badań od 2017 roku.

Wyrażenie „Big Bounce” pojawiło się w literaturze naukowej w 1987 roku, kiedy po raz pierwszy zostało użyte w tytule pary artykułów (w języku niemieckim) w Stern und Weltraum przez Wolfganga Priestera i Hansa-Joachima Blome'a. Pojawiła się ponownie w 1988 roku w Big Bang, Big Bounce Iosifa Rozentala , poprawionym anglojęzycznym tłumaczeniu książki w języku rosyjskim (pod innym tytułem) oraz w artykule z 1991 roku (w języku angielskim) autorstwa Priester and Blome in Astronomy and Astrophysics . (Zwrot najwyraźniej pochodzi jako tytuł powieści autorstwa Elmore Leonarda w 1969 roku, wkrótce po zwiększenie świadomości społecznej na temat Big Bang modelu z tego odkrycia kosmicznego mikrofalowego promieniowania tła przez Penziasa i Wilson w 1965 roku)

Idea istnienia dużego odbicia we wczesnym wszechświecie znalazła szerokie poparcie w pracach opartych na pętli kwantowej grawitacji . W kosmologii kwantowej pętli , gałęzi pętli kwantowej grawitacji, duże odbicie zostało odkryte po raz pierwszy w lutym 2006 r. dla modeli izotropowych i jednorodnych przez Abhay Ashtekara , Tomasza Pawłowskiego i Parampreeta Singha z Pennsylvania State University . Ten wynik został uogólniony na różne inne modele przez różne grupy i obejmuje przypadek krzywizny przestrzennej, stałej kosmologicznej, anizotropii i kwantowych niejednorodności Focka.

Martin Bojowald , adiunkt fizyki na Uniwersytecie Stanowym w Pensylwanii , opublikował w lipcu 2007 roku badanie, w którym szczegółowo opisano prace związane nieco z pętlową grawitacją kwantową, która twierdziła, że ​​matematycznie rozwiązuje czas przed Wielkim Wybuchem, co nadałoby nową wagę wszechświatowi oscylacyjnemu i Wielkiemu Teorie odbicia.

Jednym z głównych problemów teorii Wielkiego Wybuchu jest to, że w momencie Wielkiego Wybuchu występuje osobliwość o zerowej objętości i nieskończonej energii. Zwykle interpretuje się to jako koniec fizyki, jaką znamy; w tym przypadku z ogólnej teorii względności . Dlatego oczekuje się, że efekty kwantowe staną się ważne i unikną osobliwości.

Jednak badania w kosmologii kwantowej pętli miały wykazać, że wcześniej istniejący wszechświat zapadł się nie do punktu osobliwości, ale do punktu przed tym, w którym kwantowe efekty grawitacji stają się tak silnie odpychające, że wszechświat odskakuje, tworząc nowy Oddział. Podczas tego upadku i odbicia ewolucja jest jednolita.

Bojowald twierdzi również, że niektóre właściwości wszechświata, który zapadł się, tworząc nasz, również można określić. Niektórych właściwości poprzedniego wszechświata nie da się jednak określić z powodu pewnego rodzaju zasady nieoznaczoności. Wynik ten został zakwestionowany przez różne grupy, które pokazują, że ze względu na ograniczenia wahań wynikające z zasady niepewności, istnieją silne ograniczenia dotyczące zmiany względnych fluktuacji w całym odbiciu.

Chociaż istnienie dużego odbicia nadal nie zostało wykazane w przypadku pętli kwantowej grawitacji , solidność jego głównych cech została potwierdzona dokładnymi wynikami i kilkoma badaniami obejmującymi symulacje numeryczne z wykorzystaniem obliczeń o wysokiej wydajności w kosmologii kwantowej pętli .

W 2003 roku Peter Lynds przedstawił nowy model kosmologiczny, w którym czas jest cykliczny. W jego teorii nasz Wszechświat w końcu przestanie się rozszerzać, a następnie kurczyć. Zanim stał się osobliwością, jak można by się spodziewać po teorii czarnej dziury Hawkinga, wszechświat odbijałby się. Lynds twierdzi, że osobliwość naruszałaby drugie prawo termodynamiki, a to powstrzymuje wszechświat przed ograniczaniem osobliwości. Wielkiego Kryzysu można by uniknąć dzięki nowemu Wielkiemu Wybuchowi. Lynds sugeruje, że dokładna historia wszechświata byłaby powtarzana w każdym cyklu w wiecznym cyklu . Niektórzy krytycy twierdzą, że chociaż wszechświat może być cykliczny, wszystkie historie byłyby wariantami. Teoria Lyndsa została odrzucona przez fizyków głównego nurtu z powodu braku modelu matematycznego stojącego za jej rozważaniami filozoficznymi.

W 2006 roku zaproponowano, że zastosowanie technik pętli kwantowej grawitacji w kosmologii Wielkiego Wybuchu może prowadzić do odbicia, które nie musi być cykliczne.

W 2010 roku Roger Penrose rozwinął ogólną teorię względności, którą nazywa „ konformalną cykliczną kosmologią ”. Teoria wyjaśnia, że ​​wszechświat będzie się rozszerzał, aż cała materia rozpadnie się i zostanie ostatecznie zamieniona w światło. Ponieważ nic we wszechświecie nie miałoby czasu ani czasu powiązana z nim skala odległości staje się identyczna z Wielkim Wybuchem, co z kolei skutkuje rodzajem Wielkiego Zgrzytu, który staje się kolejnym Wielkim Wybuchem, utrwalając w ten sposób kolejny cykl.

W 2011 roku Nikodem Popławski wykazał, że nieosobliwe Big Bounce pojawia się naturalnie w teorii grawitacji Einsteina-Cartana -Sciamy-Kibble'a. Teoria ta rozszerza ogólną teorię względności poprzez usunięcie ograniczenia symetrii połączenia afinicznego i uznanie jego antysymetrycznej części, tensora torsyjnego , za zmienną dynamiczną. Minimalne sprzężenie między skręcaniem a spinorami Diraca generuje interakcję spin-spin, która jest istotna w materii fermionowej przy ekstremalnie wysokich gęstościach. Taka interakcja odwraca niefizyczną osobliwość Wielkiego Wybuchu, zastępując ją odskokiem przypominającym wierzchołek o skończonym minimalnym współczynniku skali, przed którym wszechświat się kurczył. Scenariusz ten wyjaśnia również, dlaczego obecny Wszechświat w największych skalach wydaje się przestrzennie płaski, jednorodny i izotropowy, stanowiąc fizyczną alternatywę dla kosmicznej inflacji.

W 2012 roku pomyślnie skonstruowano nową teorię nieosobliwego dużego odbicia w ramach standardowej grawitacji Einsteina. Teoria ta łączy w sobie zalety odbijania się materii i kosmologii ekpirotycznej . W szczególności, słynna niestabilność BKL, polegająca na tym, że jednorodne i izotropowe rozwiązanie kosmologiczne jest niestabilne wobec wzrostu naprężeń anizotropowych, została rozwiązana w tej teorii. Co więcej, zaburzenia krzywizny zasiane w skurczu materii są w stanie utworzyć widmo pierwotnej mocy o niemal niezmiennej skali, a tym samym zapewniają spójny mechanizm wyjaśniający obserwacje kosmicznego mikrofalowego tła (CMB).

Kilka źródeł twierdzi, że odległe supermasywne czarne dziury, których duże rozmiary są trudne do wyjaśnienia tak szybko po Wielkim Wybuchu, takie jak ULAS J1342+0928 , mogą być dowodem na Wielkie Odbicie, przy czym te supermasywne czarne dziury powstały przed Wielkim Odbiciem.

Zobacz też

Bibliografia

  1. ^ B Brandenberger Robert; Piotr, Patryk (2017). „Kosmologie odbijające: postęp i problemy”. Podstawy fizyki . 47 (6): 797–850. arXiv : 1603.05834 . Kod Bibcode : 2017FoPh...47..797B . doi : 10.1007/s10701-016-0057-0 . ISSN  0015-9018 . S2CID  118847768 .
  2. ^ Kragh, Helge (1996). Kosmologia . Princeton, NJ: Princeton University Press . Numer ISBN 978-0-691-00546-1.
  3. ^ McKee, Maggie (25 września 2014). „Genialny: Paul J. Steinhardt – fizyk z Princeton o tym, co jest nie tak z teorią inflacji i jego poglądem na Wielki Wybuch” . Nautilus (17). NautilusThink Inc . Źródło 31 marca 2017 .
  4. ^ Steinhardt, Paul J.; Turok, Neil (2005). „Model cykliczny uproszczony”. Nowe recenzje astronomii . 49 (2–6): 43–57. arXiv : astro-ph/0404480 . Kod Bibcode : 2005NewAR..49...43S . doi : 10.1016/j.newar.2005.01.003 . ISSN  1387-6473 . S2CID  16034194 .
  5. ^ Lehners, Jean-Luc; Steinhardt, Paul J. (2013). „Wyniki Plancka 2013 wspierają cykliczny wszechświat”. Przegląd fizyczny D . 87 (12): 123533. arXiv : 1304.3122 . Kod Bib : 2013PhRvD..87l3533L . doi : 10.1103/PhysRevD.87.123533 . ISSN  1550-7998 . S2CID  76656473 .
  6. ^ Overduin, James; Hansa-Joachima Blome'a; Josef Hoell (czerwiec 2007). „Wolfgang Priester: od wielkiego odbicia do zdominowanego przez wszechświata”. Naturwissenschaften . 94 (6): 417–429. arXiv : astro-ph/0608644 . Kod Bibcode : 2007NW.....94..417O . doi : 10.1007/s00114-006-0187-x . PMID  17146687 . S2CID  9204407 .
  7. ^ Ashtekar, Abhay; Pawłowski, Tomasz; Singh, Parampreet (2006-04-12). „Kwantowa natura Wielkiego Wybuchu” . Fizyczne listy kontrolne . 96 (14): 141301. arXiv : gr-qc/0602086 . Kod bib : 2006PhRvL..96n1301A . doi : 10.1103/PhysRevLett.96.141301 . PMID  16712061 . S2CID  3082547 .
  8. ^ Ashtekar, Abhay; Singh, Parampreet (2011-11-07). „Loop Quantum Cosmology: Raport o stanie”. Grawitacja klasyczna i kwantowa . 28 (21): 213001. arXiv : 1108.0893 . Kod Bibcode : 2011CQGra..28u3001A . doi : 10.1088/0264-9381/28/21/213001 . ISSN  0264-9381 . S2CID  119209230 .
  9. ^ Bojowald, Marcin (2007). „Co wydarzyło się przed Wielkim Wybuchem?” . Fizyka przyrody . 3 (8): 523–525. Kod Bibcode : 2007NatPh...3..523B . doi : 10.1038/nphys654 .
  10. ^ Corichi, Alejandro; Singh, Parampreet (2008-04-23). „Kwantowe odbicie i kosmiczne przywołanie” . Fizyczne listy kontrolne . 100 (16): 161302. arXiv : 0710,4543 . Kod bib : 2008PhRvL.100p1302C . doi : 10.1103/PhysRevLett.100.161302 . PMID  18518182 . S2CID  40071231 .
  11. ^ Kamiński, Wojciech; Pawłowski, Tomasz (2010-04-15). „Kosmiczne przywołanie i rozpraszający obraz pętli kosmologii kwantowej” . Przegląd fizyczny D . 81 (8): 084027. arXiv : 1001.2663 . Kod bib : 2010PhRvD..81h4027K . doi : 10.1103/PhysRevD.81.084027 . S2CID  44771809 .
  12. ^ Ashtekar, Abhay; Corichi, Alejandro; Singh, Parampreet (2008). „Solidność kluczowych cech kosmologii kwantowej pętli”. Przegląd fizyczny D . 77 (2): 024046. arXiv : 0710,3565 . Kod bib : 2008PhRvD..77b4046A . doi : 10.1103/PhysRevD.77.024046 . S2CID  118674251 .
  13. ^ David Adam (14 sierpnia 2003). „Dziwna historia Petera Lyndsa” . Opiekun .
  14. ^ „Penn State Badacze patrzą poza narodziny wszechświata” . Nauka Dziennik . 17 maja 2006 r.Odnosząc się do Ashtekar, Abhay; Pawłowski, Tomasz; Singh, Parmpreet (2006). „Kwantowa natura Wielkiego Wybuchu”. Fizyczne listy kontrolne . 96 (14): 141301. arXiv : gr-qc/0602086 . Kod bib : 2006PhRvL..96n1301A . doi : 10.1103/PhysRevLett.96.141301 . PMID  16712061 . S2CID  3082547 .
  15. ^ Penrose R. (2010). Cykle czasu: niezwykłe nowe spojrzenie na wszechświat. Losowy Dom
  16. ^ Popławski, NJ (2012). „Niesingularna kosmologia o dużym odbiciu od sprzężenia spinor-skręt”. Przegląd fizyczny D . 85 (10): 107502. arXiv : 1111,4595 . Kod bib : 2012PhRvD..85j7502P . doi : 10.1103/PhysRevD.85.107502 . S2CID  118434253 .
  17. ^ Cai, Yi-Fu; Damiena Eassona; Roberta Brandenbergera (2012). „Ku niesingularnej kosmologii odbijającej”. Journal of Cosmology i Astroparticle Physics . 2012 (8): 020. arXiv : 1206.2382 . Kod bib : 2012JCAP...08..020C . doi : 10.1088/1475-7516/2012/08/020 . S2CID  118679321 .
  18. ^ Landau, Elżbieta; Bañados, Eduardo (6 grudnia 2017). „Znaleziono: najdalsza czarna dziura” . NASA . Źródło 6 grudnia 2017 . „Ta czarna dziura stała się znacznie większa niż oczekiwaliśmy w zaledwie 690 milionów lat po Wielkim Wybuchu, co podważa nasze teorie na temat powstawania czarnych dziur” – powiedział współautor badania Daniel Stern z NASA Jet Propulsion Laboratory w Pasadenie w Kalifornii.
  19. ^ Jamie Seidel (7 grudnia 2017). „Czarna dziura u zarania dziejów podważa nasze zrozumienie tego, jak powstał wszechświat” . Wiadomości Corp Australia . Źródło 9 grudnia 2017 . Osiągnął swój rozmiar zaledwie 690 milionów lat po punkcie, za którym nie ma już nic. Najbardziej dominująca teoria naukowa ostatnich lat opisuje ten punkt jako Wielki Wybuch – spontaniczną erupcję rzeczywistości, jaką znamy, z kwantowej osobliwości. Ale ostatnio na znaczeniu zyskuje inny pomysł: wszechświat przechodzi okresowe rozszerzanie się i kurczenie, co skutkuje „Wielkim odbiciem”. Przewiduje się, że istnienie wczesnych czarnych dziur będzie kluczową wskazówką, czy pomysł może być słuszny. Ten jest bardzo duży. Aby osiągnąć swój rozmiar — 800 milionów razy większą masę niż nasze Słońce — musiało połknąć mnóstwo rzeczy. ... O ile rozumiemy, wszechświat po prostu nie był wtedy wystarczająco stary, aby stworzyć takiego potwora.
  20. ^ Pracownicy Youmagazine (8 grudnia 2017). „Czarna dziura, która jest bardziej starożytna niż Wszechświat” (po grecku). Ty Magazine (Grecja) . Źródło 9 grudnia 2017 . Ta nowa teoria, która przyjmuje, że Wszechświat przechodzi okresowe rozszerzanie się i kurczenie, nazywa się „Wielkim Odbiciem”

Dalsza lektura

Zewnętrzne linki