Rebound des Universums: das Gegenteil einer Großen Explosion

Die Menschen immer fasziniert die beiden wichtigsten Theorien über den Ursprung des Universums. «In einer von Ihnen das Universum entsteht in einem einzigen Moment der Schöpfung (wie in иудеохристианской und brasilianischen Kosmogonie)», schrieb Kosmologen Mario Novello und Santiago Perez-Берглиффа im Jahr 2008. In ein anderes — «das Universum ist ewig und besteht aus einer endlosen Reihe von Zyklen (wie in der Kosmogonie der Babylonier und ägypter)». Die Trennung in der modernen kosmologie «in irgendeiner Weise ein echo hallte космогоническим Mythen», schrieb Kosmologen.

Kann es scheinen, dass eine Besondere Konfrontation in den letzten Jahrzehnten nicht war. Big Bang Theory, ein Standard-Thema in den Schulbüchern und Fernsehsendungen, genießt starken Rückhalt bei den modernen Kosmologen. Das Bild des ewigen Universums wurde bevorzugt etwa hundert Jahre zurück, verlor aber die Unterstützung, wenn die Astronomen sahen, dass der Kosmos expandiert und er war klein und einfach 14 Milliarden Jahren. In der beliebtesten modernen Version dieser Theorie ist der Urknall begann mit der sogenannten «kosmischen Inflation» — platzen der exponentiellen Expansion, in deren Verlauf die unendlich kleine Stück Raum-Zeit in eine riesige aufgebläht, flach, makroskopische Kosmos, der seitdem weiter ausgebaut.

Heute, mit einer ursprünglichen Zutat (инфлатонное Feld), inflationäre Modelle reproduzieren viele bekannte Details des Kosmos. Aber als die Geschichte des Ursprungs der Theorie der Inflation verliert in vielerlei Hinsicht: es ist unklar, was Ihr vorangegangen ist und war vor. Viele Theoretiker glauben, dass инфлатонное Feld muss natürlich passen mehr in die vollen, wenn auch noch unbekannte, Theorie von der Entstehung der Zeit.

In den letzten Jahren immer mehr Kosmologen vorsichtig geworden Alternative zu überarbeiten. Man sagt, dass der Urknall könnte... Großer Sprungkraft. Einige Kosmologen bevorzugen das Bild zu sehen, in dem das Universum zyklisch ausdehnt und zusammenzieht wie eine einfache, Bouncing Wann immer schrumpft bis zu einer bestimmten Größe; andere mutmaßen, dass der Kosmos prallte nur einmal — und er wurde schrumpft bis Rückstoß im Laufe der unendlich langen Zeit und wird erweitert auf unbestimmte Zeit danach. In jedem Modell die Zeit fließt weiter in die Vergangenheit und die Zukunft ohne Ende.

Mit der modernen Wissenschaft ist die Hoffnung zulassen, diese alte Diskussion. In den kommenden Jahren die Teleskope müssen eine überzeugende Nachweis der kosmischen Inflation. Während der ersten heftigen Wachstums — wenn er war — Quanten-Wellen im Gewebe der Raum-Zeit musste ausstrecken und отпечататься in Form von kleinen Verwirbelungen in der Polarisation des alten Licht — kosmischen Mikrowellen-hintergrund. Experimente mit Beteiligung von modernen und zukünftigen Teleskopen suchen diese Aufregungen. Wenn Sie nicht finden für die nächsten Jahrzehnte, das wird auch nicht bedeuten, dass die Theorie der Inflation falsch ist (schließlich sind diese Wirbel können zu stumpf), aber es stärkt die Position der kosmologie Rückstoß, nach dem diese Verwirbelungen nicht sein sollte.

Mehrere Gruppen von Wissenschaftlern gleichzeitig haben Bemerkenswerte Fortschritte. Im letzten Jahr der Physik kennzeichneten zwei neue Varianten einen möglichen Rebound. Eines der Modelle, die in der Arbeit, die im Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, vorgestellt wurde Anna Идджас der Columbia University, in Fortsetzung Ihrer bisherigen Arbeit zusammen mit космологом Paul Штейнхардтом. Unerwartet, aber eine andere neue Lösung mit den Abpraller, angenommen zur Veröffentlichung in Physical Review D, wurde gebeten, Peter Graham, David Kaplan und Сурджитом Рахендраном, Troika bekannten Wissenschaftler, die sich mit mehr Fragen der Teilchenphysik und hatten keine Beziehung zur Gemeinschaft der Kosmologen Rückstoß.

Im Allgemeinen ist diese Frage eine neue Bedeutung im Jahr 2001, als Штейнхардт und noch drei космолога erklärt, dass die Zeit des langsamen Kompression in der Geschichte des Universums erklären kann, ist seine außergewöhnliche Glätte und die Ebene, die wir heute sehen, auch nach dem Rückstoß — ohne die Notwendigkeit, die Inflation.

Makellose Einfachheit des Universums, die Tatsache, dass kein Bereich des Himmels enthält nicht mehr Materie als andere, und dass der Raum so flach ist, wie können Teleskope sehen, alles ist überraschend und unerklärlich. Damit der Raum war so homogen, wie es ist, Experten glauben, dass, wenn der Kosmos wurde Zentimeter im Durchmesser, es hatte die gleiche Dichte überall in einem Teil der 100 000. Aber mit dem Wachstum der kleinen Größen, Materie und Energie mussten sofort комковаться und verzerren Raum-Zeit. Warum sind unsere Teleskope nicht sehen, das Universum, die zerstörte Schwerkraft?

«Inflation kam aus der Idee, dass die Glätte und die Ebene des Universums — das ist Wahnsinn», sagt der Kosmologe Neil Turk, Direktor des Instituts für theoretische Physik Umkreis in Waterloo, Ontario, und Koautor von 2001 zum Thema Kompression des kosmischen geschrieben Штейнхардтом, Justin Khoury und Burt Оврутом. Nach dem Szenario der Inflation, die Region mit der Größe Zentimeter kam während der inflationären Expansion noch eine kleinere Region — kleinen Fleck, nicht größer als eine триллионной von триллионной Bruchteil eines Zentimeters. Ausbreitend in einer flachen und glatten инфлатонном Feld, dieses Fleckchen sollte nicht durch starke Fluktuationen von Raum und Zeit und dauerte im großen und glatten Universum wie unseres. Raman Сундрум, theoretischer Physiker von der Universität von Maryland, sagte, dass die Inflation in ihm mag die «eingebaute Fehlertoleranz». Wenn Sie während der Phase des explosiven Wachstums war Energiespeicher, die Sie verzerrteRaum-Zeit an einem bestimmten Ort, diese Konzentration sollte schnell expandieren.

Aber wo genau es ist unglaublich kleinen Fleck und warum es war so glatt und flach, weiß niemand. Theoretiker fanden viele mögliche Optionen aktivieren инфлатонное Feld in die Theorie der Saiten, auf deren Grundlage erstellt werden kann Quantentheorie der Gravitation. Aber solange keine Fakten weder für noch gegen diese Ideen.

Die Kosmische Inflation hat auch eine umstrittene Folge. Die Theorie, die in den 1980er Jahren von Alan Гутом, Andrei Linde, Alexei Старобинским und Штейнхардтом, führt fast automatisch zu der Hypothese, die besagt, dass unser Universum ist zufällig eine Blase in einem unendlichen Meer мультивселенных. Sobald die Inflation beginnt, werden die Berechnungen zeigen, dass es für ewig bleiben und nur stellenweise, in «Taschen», in denen dann gedeihen die Universen nach Art unserer. Die Möglichkeit, ewig expandierenden während der Inflation, Multiversum sagt, was genau unsere Blase kann für immer unverständlich bleiben, da alles mögliche passiert im Multiversum unendlich viele Male. Natürlich verursacht eine solche Schlussfolgerung Brechmittel drängen von Experten. Es ist schwer vorstellbar, dass unser Universum möglicherweise nur eines von vielen. Штейнхардт und er nannte die Idee «Unsinn».

Diese Haltung teilweise motivierte ihn und andere Forscher beschäftigen nachlassender Amplitude nach oben springt. «Im Modell Rebound keine Periode der Inflation», sagt der Türke. Stattdessen fügten Sie der Kompressionsphase vor der Großen Explosion, erklärt unser homogenen Universum. «Da das Gas in Ihrem Raum völlig homogen, weil die Luftmoleküle stoßen und vermischten sich, und das Universum war groß und langsam zusammengeschrumpft, das gab Ihr Zeit разгладиться».

Obwohl die ersten Modelle сжимающейся des Universums waren kompliziert und ungenau, viele Wissenschaftler überzeugt sind von der Grundidee: dass eine langsame Kompression erklären kann viele Eigenschaften unseres expandierenden Universums. «Und dann die engen Flaschenhals war der Rebound. Die Menschen sind sich einig, dass die Umstellung in eine Phase der Kompression sehr interessant, aber nicht in diesem Fall, wenn Sie nicht können, gehen Sie in die Phase der Erweiterungen».

Rebound — es ist nicht leicht. In den 1960er Jahren der britische Physiker Roger Penrose und Stephen Hawking bewiesen eine Reihe von sogenannten «Theoreme über Singularität», die zeigen, dass in einem sehr Allgemeinen Bedingungen die Kompression von Materie und Energie unweigerlich in einer unendlich dichten Punkt — Singularität. Diese Theoreme kaum Leistung aufnehmen können, wie geballt das Universum, in dem Materie, Raum-Zeit und Energie nach innen zu klappen, vermeidet bis zum Zusammenbruch der Singularität — die klassische Theorie der Gravitation und Raumzeit von Albert Einstein nicht mehr funktionieren und anfangen zu arbeiten in dem die Regeln der Quantengravitation. Warum schrumpfenden Universum entkommen kann das Schicksal der massiven Sterne, die sterben, schrumpft in einen Punkt, und wird zu einem schwarzen Loch?

Beide vorgeschlagenen Modelle Rückstoß verwenden Zwischenräume in теоремах über Singularität sind diejenigen, die viele Jahre schien тупиковыми. Kosmologen Rebound vor langer Zeit erkannt, dass Bounces können möglich sein, wenn das Universum enthielt die Substanz mit negativer Energie (oder andere Quellen des Unterdrucks), die der Gravitation entgegengewirkt und abgestoßen würden alle. Wissenschaftler haben versucht, diese Lücke seit Anfang der 2000er Jahre, aber immer wieder kamen auf die Tatsache, dass die Zugabe von Zutaten mit negativer Energie macht Sie Modelle des Universums instabil, weil die Quanten-Fluktuationen der positiven und negativen Energien können spontan geboren werden im Vakuum des Weltraums mit null Energie. Im Jahr 2016 der russische Kosmologe Valery Рубаков und seine Kollegen sogar bewiesen Theorem, die aussortiert eine große Klasse von Mechanismen Rückstoß.

Dann Идджас fand Rückstoß Mechanismus, der das umgehen kann und das ist eine Ausnahme. Ein wichtiger Bestandteil in Ihrem Modell — ein einfaches Wesen, «skalaren Feld», die sich im Prinzip könnte ins Spiel kommen, wenn das Universum duckte sich und Energie wurde hochkonzentrierter. Skalaren Feld verstecken konnte sich in einem Gravitationsfeld, so dass zu einem übermäßigen Druck auf das Universum, verhindert die Kompression und Dehnung der Raum-Zeit. Die Arbeit Идджас — «beste versuchen zu zügeln, alle möglichen Instabilität und eine wirklich stabile Modell mit dieser besonderen Art von Substanzen», sagt Jean-LUC Лейнерс, Kosmologe-Theoretiker aus dem Institut für Gravitations-Physik max-Planck-in Deutschland, der auch schon über Variationen Rebound.

Graham, Kaplan und Рахендран stellten Ihre Idee nicht-die einzigartige Rebound in препринте auf der Website arxiv.org im September 2017. Sie begannen Ihre Arbeit mit der Frage, könnte die frühe Phase der Kompression in der Geschichte des Universums zu erklären, der Wert der kosmologischen Konstante — auffallend kleine Zahl, die definiert die Anzahl der dunklen Energie, eingenähten Stoff der Raumzeit, die Energie, die treibt ускоряющееся Expansion des Universums.

Die Arbeit an den schwierigsten Teil — der Rebound — drei Wissenschaftler nutzte die zweite, weitgehend vergessene Hintertür in теоремах Singularität. Sie schöpfte Inspiration aus der seltsamen Modell des Universums vorgeschlagen Logiker Kurt Геделем im Jahr 1949, als er zusammen mit Einstein arbeitete am Institut for Advanced Study in Princeton. Gödel nutzte die Gesetze der Allgemeinen Relativitätstheorie für die Erstellung der Theorie des rotierenden Universums, Rotation hielt Sie dem von der gravitationskollaps genau so wie die Bahn der Erde nicht gibt, es fallen aufDie Sonne. Gödel besonders betont die Tatsache, dass es ein rotierendes Universum erlaubt «geschlossene времениподобные Kurven», D. H. im wesentlichen die Schleifen der Zeit. Bis zu seinem Tod glaubte er, dass das Universum dreht sich genau wie vermutet sein Modell. Heute wissen die Gelehrten, dass es nicht so ist; andernfalls bestimmte Richtung und Ordnung im Kosmos wäre anderen vorzuziehen. Aber Graham Unternehmen und wunderten sich über die kleine, verwirbelt Raumdimensionen, die im Weltraum existieren können, wie die sechs zusätzlichen Dimensionen, постулируемых der String-Theorie. Kann schrumpfenden Universum in diesen Richtungen zu drehen?

Stellen Sie sich vor, dass es nur eine dieser gedrehten zusätzlichen Dimensionen zu winzigen Kreis in jedem Punkt des Raumes. Wie sagt Graham, «in jedem Punkt des Raumes eine zusätzliche Richtung, in die Sie ziehen können, die vierte räumliche Dimension, aber Sie passieren nur eine kleine Strecke und wieder in den Ort, von dem angefangen die Bewegung». Wenn der kompakten zusätzliche Messungen werden mindestens drei, während eine Kompression von Materie und Energie des Universums kann beginnen Spinnen in Ihnen, und die Messungen selbst werden swooshes mit Materie und Energie. Rotation in den zusätzlichen Dimensionen kann plötzlich Rebound einleiten. «Alles ist eine Substanz, die musste Singularität schrumpfen, wegen der Rotation in den zusätzlichen Dimensionen nicht rein», sagt Graham. «Alle diese Substanz sollte in einem Punkt schrumpfen, aber stattdessen es fliegt Fort.»

Die Arbeit der Wissenschaftler zog die Aufmerksamkeit der Menschen jenseits der Grenze des normalen Kreis Kosmologen Rebound. Sean Carroll, Physiker des California Institute of Technology, gehört zu Ihr skeptisch, aber nennt die Idee «sehr klug». Er glaubt, dass es wichtig ist, alternativen zu entwickeln traditionellen Geschichte der Inflation, um zu verstehen, wie viel besser die Theorie der Inflation Aussehen würde im Vergleich — vor allem wenn ausgeführt werden Teleskope der neuen Generation. Er glaubt auch, dass, wenn Alternative Theorien werden mindestens 5% Chance auf Erfolg, es lohnt sich. Und diese Arbeit ist keine Ausnahme.