Большой Взрыв и инфляционная теория ранней Вселенной доклад 22нояб 2021г

1.

Большой Взрыв и инфляционная стадия расширения
Вселенной
Семенец Н.В. 22.11.2021г
Астроклуб СПАГО, г.СПетербург

2.

3.

Карта реликтового излучения

4.

Крупномасштабная структура Вселенной

5.

6.

7.

8.

Инфляционная модель Вселенной – научная космологическая теория о законе и
состоянии расширения Вселенной на раннем этапе Большого взрыва. В отличие от
стандартной модели горячей Вселенной, данная теория предполагает ускоренный
период расширения Вселенной на раннем этапе при температуре выше
1028 Кельвинов.

9.

По современным представлениям, наблюдаемая нами сейчас Вселенная возникла 13,799 ± 0,021 млрд лет
назад из некоторого начального сингулярного состояния и с тех пор непрерывно расширяется и
охлаждается. Согласно известным ограничениям по применимости современных физических теорий,
наиболее ранним моментом, допускающим описание, считается момент Планковской эпохи с
температурой примерно 1032 К (Планковская температура) и плотностью около 1093 г/см³ (Планковская
плотность). Ранняя Вселенная представляла собой высокооднородную и изотропную среду с необычайно
высокой плотностью энергии, температурой и давлением. В результате расширения и охлаждения во
Вселенной произошли фазовые переходы, аналогичные конденсации жидкости из газа, но применительно
к элементарным частицам.
Пла́нковская эпо́ха — продолжалась от нуля до 10−43 секунд. В эту эпоху вещество Вселенной
имело планковскую энергию (1019 ГэВ), планковский радиус (10−35 м).
Считается, что благодаря исключительно малым размерам Вселенной квантовые эффекты гравитации
преобладали над физическими взаимодействиями, а силы гравитации были сопоставимы по величине с
другими фундаментальными взаимодействиями и все силы могли быть объединены. Вследствие
невероятно высокой температуры и плотности вещества Вселенной, это состояние было неустойчивым, и
в процессе развития, известного как нарушение симметрии, возникли привычные нам проявления
фундаментальных сил, в частности гравитационное взаимодействие отделилось от остальных
фундаментальных взаимодействий.

10.

В период времени от нуля до 10−43 секунд после Большого взрыва происходили процессы рождения
Вселенной из сингулярности. Считается, что при этом температура и плотность вещества Вселенной были
близки к планковским значениям. Законченная физическая теория этого этапа отсутствует. По окончании
этого этапа гравитационное взаимодействие отделилось от прочих, и наступила Эпоха Великого
объединения.

11.

Приблизительно через 10−42 секунд после момента Большого взрыва фазовый переход
вызвал экспоненциальное расширение Вселенной. Данный период получил название Космической
инфляции и завершился через 10−36 секунд после момента Большого взрыва.

12.

http://www.andrei-linde.com/images
ВСЕЛЕННАЯ КАНДИНСКОГО (НАЧАЛО
ВСЕЛЕННАЯ КАНДИНСКОГО
МОДЕЛИРОВАНИЯ)
(ПОЗДНИЕ СТАДИИ
МОДЕЛИРОВАНИЯ)

13.

ВЗРЫВАЮЩАЯСЯ ВСЕЛЕННАЯ

14.

СЕРИЯ ИЗ 4-Х ИЗОБРАЖЕНИЙ САМОВОСПРОИЗВОДЯЩЕЙСЯ
ВСЕЛЕННОЙ С ОДНИМ СКАЛЯРНЫМ ПОЛЕМ
(«ЗОЛОТЫЕ ХОЛМЫ КАЛИФОРНИИ»).
http://www.andrei-linde.com/images

15.

КЛАССИЧЕСК
ОЕ ОПИСАНИЕ
ТЕОРИИ
ИНФЛЯЦИИ:
ПОСЛЕДНИЙ
РЫВОК РОСТА

16.

После окончания этого периода строительный материал Вселенной представлял собой кварк-глюонную
плазму. По прошествии некоторого времени температура упала до значений, при которых стал возможен
следующий фазовый переход, называемый бариогенезисом. На этом этапе кварки и глюоны объединились
в барионы, такие как протоны и нейтроны. При этом одновременно происходило асимметричное
образование как материи, которая превалировала, так и антиматерии, которые взаимно аннигилировали,
превращаясь в электромагнитное излучение.
Дальнейшее падение температуры привело к следующему фазовому переходу — образованию
физических сил и элементарных частиц в их современной форме. После чего наступила эпоха
нуклеосинтеза, при которой протоны, объединяясь с нейтронами, образовали ядра дейтерия, гелия-4 и
ещё нескольких лёгких изотопов. После дальнейшего падения температуры и расширения Вселенной
наступил следующий переходный момент, при котором гравитация стала доминирующей силой. Через 380
тысяч лет после Большого взрыва температура снизилась настолько, что стало возможным существование
атомов водорода (до этого процессы ионизации и рекомбинации протонов с электронами находились в
равновесии).
После эры рекомбинации материя стала прозрачной для излучения, которое, свободно распространяясь в
пространстве, дошло до нас в виде реликтового излучения.

17.

Проблема начальной сингулярности
Экстраполяция наблюдаемого расширения Вселенной назад во времени приводит, при
использовании общей теории относительности и некоторых других альтернативных теорий гравитации,
к бесконечной плотности и температуре в конечный момент времени в прошлом. Кривизна пространствавремени достигает неопределённо большого значения. Это состояние называется космологической
сингулярностью (часто космологическую сингулярность образно называют «рождением» Вселенной).
Невозможность избежать сингулярности в космологических моделях общей теории относительности была
доказана, в числе прочих теорем о сингулярностях, Р. Пенроузом и С. Хокингом в конце 1960-х годов.
Теория Большого взрыва не даёт никакой возможности говорить о чём-либо, что предшествовало этому
моменту (потому что наша математическая модель пространства-времени в момент Большого взрыва
теряет применимость, при этом теория вовсе не отрицает возможность существования чего-либо до
Большого взрыва). Это сигнализирует о недостаточности описания Вселенной классической общей
теорией относительности.
Насколько близко к сингулярности можно экстраполировать известную физику, является предметом
научных дебатов, но практически общепринято, что допланковскую эпоху рассматривать известными
методами нельзя. Проблема существования сингулярности в данной теории является одним из стимулов
построения квантовой и других альтернативных теорий гравитации, которые стараются разрешить эту
проблему.

18.

Существует несколько гипотез о возникновении видимой части Вселенной:
•по мнению некоторых учёных (в числе которых Стивен Хокинг, Лоуренс Краусс и Майкл Мартин),
Вселенная могла возникнуть из ничего («области», где отсутствует материя, пространство и время)
посредством «квантовых флуктуаций»
•теория А. Линде о том, что Вселенная бесконечна и заполнена очень плотной энергией, а наша видимая
часть возникла расширением (инфляцией) небольшой части в «пузырёк» (как возникают пузырьки в
плотном сыре);
•теория Ли Смолина о том, что вселенные возникают от взрыва «сингулярности» внутри чёрных дыр;
•экпиротический сценарий — теория Нейла Турока о рождении вселенных в результате столкновения
«бран» (многомерных мембран в теории струн)

19.

20.

21.

22.

23.

ЭТО ДОЛЖНО БЫЛО БЫТЬ ТАК
НЕ ОЧЕНЬ-ТО ХОРОША

24.

БЕЗДНА БЕСКОНЕЧНОСТИ
Считается, что теория инфляции дает точные предсказания о строении нашей Вселенной, подтверждаемые
наблюдениями. Действительно ли это так? Раз начавшись, инфляция продолжается за счет эволюции
квантовых флуктуации. Как только инфляция заканчивается, рождается замкнутый мир, подобный нашему,
который продолжает расширяться. Наш мир не типичен, существует большое количество более молодых
вселенных. Фактически образуется бесконечное число миров с бесконечным разнообразием свойств. Все, что
может реализоваться, реализуется в одном из миров. Теория, которая предсказывает все, не предсказывает
ничего

25.

Серии фигур красного, синего и зеленого цветов показывают эволюцию другого скалярного поля, которое
имеет три различных минимума плотности потенциальной энергии. В областях, где поле инфлатона велико
(оно представлено высотой гор), второе поле сильно колеблется. В областях, где поле инфлатона мало,
второе поле релаксирует около одного из трех минимумов его плотности потенциальной энергии,
показанных соответственно красным, синим и зеленым цветами. Каждый такой домен имеет
экспоненциально большой размер. Если второе поле отвечает за нарушение симметрии в теории, то
законы физики низких энергий внутри областей разного цвета различны. В глобальном масштабе
Вселенная выглядит не как расширяющийся шар, а как огромный фрактал, состоящий из экспоненциально
больших доменов, постоянно образующихся во время инфляции.

26.

Инфляцио́нная моде́ль Вселе́нной (лат. inflatio «вздутие») — гипотеза о физическом состоянии и законе
расширения Вселенной на ранней стадии Большого взрыва (при температуре выше 1028 K),
предполагающая период ускоренного по сравнению со стандартной моделью горячей
Вселенной расширения.
Первый вариант теории был предложен в 1981 году Аланом Гутом, однако ключевой вклад в её создание
внесли советские астрофизики Алексей Старобинский, Андрей Линде, Вячеслав Муханов и ряд других.

27.

Разрешение проблем модели горячей Вселенной в рамках инфляционной модели
Благодаря крайне высоким темпам расширения на инфляционной стадии разрешается проблема
крупномасштабной однородности и изотропности Вселенной: весь наблюдаемый объём Вселенной
оказывается результатом расширения единственной причинно-связанной области доинфляционной эпохи.
На инфляционной стадии радиус пространственной кривизны увеличивается настолько, что современное
значение плотности автоматически оказывается весьма близким к критическому, то есть разрешается
проблема плоской Вселенной.
В ходе инфляционного расширения должны возникать флуктуации плотности с такой амплитудой и
формой спектра (т. н. плоский спектр возмущений), что в результате возможно последующее развитие
флуктуаций в наблюдаемую структуру Вселенной при сохранении крупномасштабной однородности и
изотропности, то есть разрешается проблема крупномасштабной структуры Вселенной.
Критика инфляционной модели
Модель космической инфляции вполне успешна, но не необходима для рассмотрения космологии. У
неё имеются противники, в числе которых можно назвать Роджера Пенроуза, а также одного из её
разработчиков и бывшего сторонника Пола Стейнхардта. Аргументы противников сводятся к тому, что
решения, предлагаемые инфляционной моделью, являются лишь «заметанием сора под ковёр».
Например, никаких фундаментальных обоснований того, что возмущения плотности на
доинфляционной стадии должны быть именно такими малыми, чтобы после инфляции возникала
наблюдаемая степень однородности, эта теория не предлагает. Аналогичная ситуация и с
пространственной кривизной: она очень сильно уменьшается при инфляции, но ничто не мешало ей до
инфляции иметь настолько большое значение, чтобы всё-таки проявляться на современном этапе
развития Вселенной. Все эти сложности носят название «проблемы начальных значений». Также пока
не обнаружены реликтовые гравитационные волны, предсказываемые теорией инфляции и служащие
дополнительным источником горячих и холодных пятен реликтового излучения

28.

Реликтовые гравитационные волны и поляризация реликтового излучения
Из инфляционной модели следует, что должны существовать реликтовые (первичные) гравитационные
волны всех длин до громадной — равной размеру Вселенной в её нынешнем состоянии. Вопрос их
существования может быть однозначно решён по особенностям поляризации реликтового излучения.
Если их обнаружат, инфляционная модель будет окончательно подтверждена.
В 2014 году были получены косвенные доказательства инфляционной модели — поляризация
реликтового излучения, которая могла быть вызвана первичными гравитационными волнами. Однако,
более поздний анализ (опубликован 19 сентября 2014), проведённый другой группой исследователей с
использованием данных обсерватории «Планк», показал, что результат можно полностью отнести на
счёт галактической пыли.
По состоянию на 2019 год реликтовые гравитационные волны не обнаружены, и инфляционная модель
остаётся хорошей гипотезой

29.

30.

Известно шесть кварков: up (верхний), down (нижний), strange (странный), charm (очарованный), bottom (прелестный), top (истинный).
Названия кварков для удобства сокращают до одной буквы: u, d, s, c, b, t. Протон состоит из двух u-кварков и одного d-кварка, а нейтрон
— из одного u-кварка и двух d-кварков. Кварки всегда объединены в пары (поколения): u-d, s-c, b-t. Поколения ничем не отличаются друг
от друга, кроме массы: каждое следующее поколение тяжелее предыдущего. Тяжелые частицы к концу периода существования всегда
распадаются на более легкие, третье поколение (bottom — top) преимущественно распадается на второе (strange — charm), а второе — на
первое (up — down).
Наша Вселенная создана из четырех частиц первого поколения: кварков up и down и двух лептонов — электрона и нейтрино. Частицы
других поколений были открыты в космических лучах и на ускорителях. Но частицы других поколений не образуют других миров,
поскольку очень быстро распадаются на частицы первого поколения и не образуют атомов, составленных из этих частиц.

31.

Эпоха великого объединения разделение взаимодействий. В период времени от с до с нарушается
симметрия четырех взаимодействий. Возникает своего рода фазовый переход: гравитационное
взаимодействие становится независимым от остальных в диапазоне температур от К до К. Три остальных
взаимодействия — сильное, слабое и электромагнитное — при этих температурах рассматриваются
теорией Великого объединения как единое (сильное и электрослабое) взаимодействие.

32.

33.

34.

35.

36.

37.

Будущее Вселенной

38.

39.

40.

Андрей Линде: Последние версии инфляционной теории утверждают, что
Вселенная выглядит не как единый расширяющийся огненный шар,
описываемый теорией большого взрыва, а как огромный растущий фрактал. Он
состоит из множества надувных шаров, которые производят новые шары,
которые, в свою очередь, производят новые шары до
бесконечности. Следовательно, эволюция Вселенной не имеет конца и может не
иметь начала. После инфляции Вселенная делится на разные экспоненциально
большие области, внутри которых свойства элементарных частиц и даже
измерения пространства-времени могут быть разными. Таким образом,
Вселенная выглядит как мультивселенная, состоящая из множества вселенных,
в каждой из которых действуют разные законы физики низких энергий.

41.

Why The Multiverse Isn’t Just Madness
(2017г)

42.

https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%91%D0%BE%D0%BB%D1%8C%D1%88%D0%BE%D0%B9_%D0%B2%
D0%B7%D1%80%D1%8B%D0%B2
https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%98%D0%BD%D1%84%D0%BB%D1%8F%D1%86%D0%B8%D0%BE%D0%B
D%D0%BD%D0%B0%D1%8F_%D0%BC%D0%BE%D0%B4%D0%B5%D0%BB%D1%8C_%D0%92%D1%81%
D0%B5%D0%BB%D0%B5%D0%BD%D0%BD%D0%BE%D0%B9
https://spacegid.com/inflyatsionnaya-model-vselennoy.html
http://www.modcos.com/articles.php?id=120
https://www.slideshare.net/OrlovIO/2011-8860224
http://www.jinr.ru/posts/oiyai-na-postnauke-5-zagadok-fiziki-elementarnyh-chastits/
https://www.sciencefriday.com/articles/why-the-multiverse-isnt-just-madness/
http://www.andrei-linde.com/movies