Что было до Большого взрыва и откуда взялось время?

[Monopole]

Что было до Большого взрыва и откуда взялось время?
19.04.06 | Физика, Игорь Иванов | Комментарии (22)

В теории квантовой гравитации привычное нам гладкое и непрерывное пространство на сверхмалых масштабах оказывается структурой с очень сложной геометрией (изображение с сайта www.aei.mpg.de)

Вопросы, вынесенные в заголовок, обычно физиками не обсуждаются, поскольку общепринятой теории, способной на них ответить, пока нет. Однако недавно в рамках петлевой квантовой гравитации всё же удалось проследить эволюцию упрощенной модели Вселенной назад во времени, вплоть до момента Большого взрыва, и даже заглянуть за него. Попутно выяснилось, как именно в этой модели возникает время.

Наблюдения за Вселенной показывают, что и на самых больших масштабах она вовсе не неподвижна, а эволюционирует с течением времени. Если на основе современных теорий проследить эту эволюцию назад во времени, то окажется, что наблюдаемая ныне часть Вселенной была раньше горячее и компактнее, чем сейчас, а начало ей дал Большой взрыв — некий процесс возникновения Вселенной из сингулярности: особой ситуации, для которой современные законы физики неприменимы.

Физиков такое положение вещей не устраивает: им хочется понять и сам процесс Большого взрыва. Именно поэтому сейчас предпринимаются многочисленные попытки построить теорию, которая была бы применима и к этой ситуации. Поскольку в первые мгновения после Большого взрыва самой главной силой была гравитация, считается, что достичь этой цели возможно только в рамках непостроенной пока квантовой теории гравитации.

Одно время физики надеялись, что квантовая гравитация будет описана с помощью теории суперструн, но недавний кризис суперструнных теорий поколебал эту уверенность. В такой ситуации больше внимания стали привлекать иные подходы к описанию квантовогравитационных явлений, и в частности, петлевая квантовая гравитации.

Именно в рамках петлевой квантовой гравитации недавно был получен очень впечатляющий результат. Оказывается, из-за квантовых эффектов начальная сингулярность исчезает. Большой взрыв перестает быть особой точкой, и удается не только проследить его протекание, но и заглянуть в то, что было до Большого взрыва. Краткое описание этих результатов было недавно опубликовано в статье A. Ashtekar, T. Pawlowski, P. Singh, Physical Review Letters, 96, 141301 (12 April 2006), доступной также как gr-qc/0602086, а их подробный вывод изложен в вышедшем на днях препринте этих же авторов gr-qc/0604013.

Петлевая квантовая гравитация принципиально отличается от обычных физических теорий и даже от теории суперструн. Объектами теории суперструн, к примеру, являются разнообразные струны и многомерные мембраны, которые, однако, летают в заранее приготовленном для них пространстве и времени. Вопрос о том, как именно возникло это многомерное пространство-время, в такой теории не решишь.

В петлевой теории гравитации главные объекты — маленькие квантовые ячейки пространства, определенным способом соединенные друг с другом. Законом их соединения и их состоянием управляет некоторое поле, которое в них существует. Величина этого поля является для этих ячеек неким «внутренним временем»: переход от слабого поля к более сильному полю выглядит совершенно так, как если бы было некое «прошлое», которое бы влияло на некое «будущее». Закон этот устроен так, что для достаточно большой вселенной с малой концентрацией энергии (то есть далеко от сингулярности) ячейки как бы «сплавляются» друг с другом, образуя привычное нам «сплошное» пространство-время.

Авторы статьи утверждают, что всего этого уже достаточно, чтобы решить задачу о том, что происходит со вселенной при приближении к сингулярности. Решения полученных ими уравнений показали, что при экстремальном «сжатии» вселенной пространство «рассыпается», квантовая геометрия не позволяет уменьшить его объем до нуля, неизбежно происходит остановка и вновь начинается расширение. Эту последовательность состояний можно отследить как вперед, так и назад во «времени», а значит, в этой теории до Большого взрыва с неизбежностью присутствует «Большой хлопок» — коллапс «предыдущей» вселенной. При этом свойства этой предыдущей вселенной не теряются в процессе коллапса, а однозначно передаются в нашу Вселенную.

Описанные вычисления опираются, правда, на некоторые упрощающие предположения о свойствах универсального поля. По-видимому, общие выводы сохранятся и без таких предположений, но это еще нуждается в проверке. Будет крайне интересно проследить за дальнейшим развитием этих идей.

См. также:
Абэй Аштекар, один из создателей теории петлевой квантовой гравитации, уделяет много времени как популяризации этой конкретной теории, так и квантовой гравитации вообще. На его сайте можно найти список научно-популярных статей и лекций, адресованных широкой аудитории.

Игорь Иванов

[Monopole]

Originally Posted by M_access

Dumajesh objasnenije <Slabajoj anizotropii reliktovovo izluchenija> privedet k korennomu peresmotru kartini mira???

ili v statje prosto preuvelichivajut pro <peresmotr kartini mira> ???

A sam ti kak dumajesh
ot chevo voznikajet eta slabaja nizotropija???

Я ничего не могу сказать, поскольку не являюсь профессионалом в этой области. Из самых общих ринципов можно предположить, что тут может играть роль так называемая темная энергия или космологическая постоянная, то есть энергия и кривизна самого пространства-времени в отсуствии всякого вещества, возможно из-за наличия этой энергии, пространство расширяется не вполне однородно, может какието участки расширяются несколько быстрее, этим и может быть обусловлено легкая анизотропия реликтового фона, причем в "маленьких" масштабах этой неоднородности быт не должно, иначе весь фундамент современной физики, который многократноти с большой точностью проверен на опыте, рухнет. Этот эффект проявляется только в масштабах всей Вселенной.

[gaglik]

Originally Posted by Monopole

Действительно, новейшие наблюдения свидетельствуют о том, что реликтовое излучение имеет определенную очень слабую анизотропию. Сейчас делаются попытки объяснить ее и в рамках теории инфляции и привлекая "темную энергию", но никому и в голову не приходила отказаться от концепции Большого Взрыва !

The CMB anisotropy is not only understood withing the inflational model, but in fact the latest WMAP results still say that the lambdaCDM model (the one which has the "dark energy", "dark matter" and an inflaton field) is still the best fit, while throwing out quite a bit of other models. To rephrase - the big bang/inflation theory has become even more supported by the (quite) recent experiments.

As for where the anisotropy comes from - it comes from quantum fluctuations of the inflaton field.

BTW, if you're interested in different models of dark energy and/or matter, I'll be happy to discuss them.

[Monopole]

Originally Posted by gaglik

The CMB anisotropy is not only understood withing the inflational model, but in fact the latest WMAP results still say that the lambdaCDM model (the one which has the "dark energy", "dark matter" and an inflaton field) is still the best fit, while throwing out quite a bit of other models. To rephrase - the big bang/inflation theory has become even more supported by the (quite) recent experiments.

As for where the anisotropy comes from - it comes from quantum fluctuations of the inflaton field.

BTW, if you're interested in different models of dark energy and/or matter, I'll be happy to discuss them.

Well, indeed the most realistic scenarion for CMB anisotropy appearance conciests in the quantum fluctiation of some scaral field(s), which played essential role at early stages of the hystory of the Universe. At now these fields could express themself in the values of fundamental constatns, like gravitational constant etc. Roughtly speaking, now these fields are frozen, or, at least, could be responsible for the antigravitation on extremally large scales, giving an acceleration to the expanding Univerese. The fact of accelerating expantion of the Universe was established very recently with rather grate validity.

[gaglik]

Originally Posted by Monopole

Well, indeed the most realistic scenarion for CMB anisotropy appearance conciests in the quantum fluctiation of some scaral field(s), which played essential role at early stages of the hystory of the Universe. At now these fields could express themself in the values of fundamental constatns, like gravitational constant etc. Roughtly speaking, now these fields are frozen, or, at least, could be responsible for the antigravitation on extremally large scales, giving an acceleration to the expanding Univerese. The fact of accelerating expantion of the Universe was established very recently with rather grate validity.

Ok, before I get there - I just realized I made a mistake - the main anistropy actually comes from much simpler effect - acoustic fluctuations of the photon-baryon plasma, and the peaks in the CMB correspond to specific modes of it. Note that what you see in the CMB anistropy are actually seeds for galaxy creation!

So nevermind inflaton fluctuations which are I'm afraid quite unrelated (some people were trying to see signatures in the CMB observations but I don't think they have seen anything distinctly "inflatonic" yet).

As for the idea of having physical constants fixed by values of fields - that's a beautiful idea (although not directly related to inflation), and I think the first realization of that idea was seen in supersymmetric theories, and then eventually in string theory ALL of the constants were replaced by (expectation) values of fields.

Finally the dark energy (antigravitation as you call it) may or may not be sourced by the same inflaton field. Basically any scalar field can be responsible for it (except that we don't measure any ) - it creates an effective cosmological constant. Or it could just be a cosmological constant, except that current theories predict a value that's about hmm.. 10^60 times larger.. There is another really pretty idea for it that's circulating around - it could be that there are super- (or sub-)Hubble (>= than size of visible universe) scale perturbations to the metric that actualy create this effect - so nothing but the beloved GR creating that effect dynamically..

[GreenCross]

Блин, ну и нашпарили Прям августовский путч каой-то.

[TigrOm]

http://www.flashtoons.org/vedimovie.php?id=114

[Ektich]

Originally Posted by TigrOm

http://www.flashtoons.org/vedimovie.php?id=114

ROFL! долго и до боли!

[Thorn bird]

...........
P.S. Это чтобы разбавить безостановочный напор мужского гения.

[Lareg]

Всем привет! Ребята, а ссылочку на работы с использованием и/или описанием Бюроканского радиотелескопа может кто-нибудь дать?

[M_access]

Ix net v Inete

[Monopole]

Originally Posted by Lara_80

Всем привет! Ребята, а ссылочку на работы с использованием и/или описанием Бюроканского радиотелескопа может кто-нибудь дать?

Сейчас он уже давно не работает, насколько я знаю. И вообще, Бюраканская обсерватория находится в полном упадке.

[Astro]

Originally Posted by Monopole

Сейчас он уже давно не работает, насколько я знаю. И вообще, Бюраканская обсерватория находится в полном упадке.

Hmm, Vadim jan radioteleskopa v Byurakanskoi observatorii netu! Visheupomyanuti teleskop naxoditca poblizosti sela Orgov i ne yavlyaetca nikokoi chast'yu Byurakanskoi observatorii.

Ya ne govoryu chto v Byurakanskoi Observatory nauka dvijetca polnim xodom, no tam lyudi rabotayut i delayut ochen' daje normal'nuyu nauku po mejdunarodnim standartam. Tam kajdi god provodyatca Mejdunarodnie konferencii, letnie shkoli i prochee. A v 2007-om budet dovol'no-taki bolshoe zborische nauchnix rabuotnikov iz vsei Evropi (JENAM 2007).

[Lareg]

Originally Posted by Astro

Hmm, Vadim jan radioteleskopa v Byurakanskoi observatorii netu! Visheupomyanuti teleskop naxoditca poblizosti sela Orgov i ne yavlyaetca nikokoi chast'yu Byurakanskoi observatorii.

Жаль, а я думала, что БАО имеет все-таки отношение к радиотелескопу в Оргове.
У меня еще один вопрос, скорее всего, к Astro. SCORPIO, установленный в БАО, – это вот тот первый, сделанный Афанасьевым и Моисеевым? или это уже копия?

[Astro]

Originally Posted by Lara_80

Жаль, а я думала, что БАО имеет все-таки отношение к радиотелескопу в Оргове.
У меня еще один вопрос, скорее всего, к Astro. SCORPIO, установленный в БАО, – это вот тот первый, сделанный Афанасьевым и Моисеевым? или это уже копия?

Delo v tom chto official'no eto dva razlichnix instituta. No v BAO est' lyudi kotorie znayut tam lyudei da i rabotali tam. Tak-chto esli sprosit' v BAO to tam oni navernyaka pomogut posetit' Orgovski Radioteleskop.

Naschot SCORPIO: Zdes' ya boyus' oshebitca poskol'ku ya tam ne rabotayu uje 6 let. Mugu konechno dat' koordinati zaveduyuchego teleskopa kotori tochno vsyo skajet (eto uje na PM) Posmotri escho http://www.bao.am i navernoe mojno posmotret' syuda http://www.sao.ru/~vmoisav/scorpio/scorpio.html i sravnit'

[M_access]

Velikij RadioOpticheskij teleskop () Tipa Heruni