bigbang

Теория «большого взрыва» и ее проблемы

Согласно стандартной теории «большого взрыва», вселенная родилась в некоторый момент t = 0 приблизительно 15 миллиардов лет назад, в состоянии бесконечно высокой температуры T и плотности ρ (космологическая особенность). Конечно, мы не можем говорить о бесконечной температуре и плотности. Обычно предполагается, что стандартное описание вселенной с точки зрения пространства и времени становится возможным, когда ее плотность опускается ниже так называемой плотности Планка 1094 г/см3. Температура расширяющейся вселенной постепенно уменьшалась, и наконец появилась относительно холодная вселенная, где мы живем теперь.

Эта теория была чрезвычайно успешна в объяснении различных особенностей нашего мира. Однако пятнадцать лет назад физики поняли, что она порождает многие сложные проблемы. Например, стандартная теория «большого взрыва», соединенная с современной теорией элементарных частиц, предсказывает существование большого количества супертяжелых устойчивых частиц, несущих магнитный заряд: магнитные монополи. У этих объектов есть типичная масса в 1016 раз больше чем у протона. Согласно стандартной теории «большого взрыва», монополи должны были появиться на очень ранних стадиях развития вселенной, и они должны теперь встречаться столь же часто, как и протоны. В таком случае средняя плотность во вселенной была бы приблизительно на 15 порядков выше, чем ее текущая средняя плотность (приблизительно 10-29 г/см3). Это вынудило физиков более внимательно рассмотреть основные предположения стандартной космологической теории. И мы нашли, что многие из этих предположений очень подозрительны.

Главная проблема космологии «большого взрыва» – самое существование большого взрыва. Можно задаться вопросом, что было перед большим взрывом? Откуда появилась вселенная? Если пространство-время не существовало раньше момента 0, как все это появилось из ничего? Что первично: вселенная или законы, определяющие ее развитие? Когда мы родились, законы, определяющие наше развитие, были записаны в генетическом коде наших родителей. Но где были записаны законы физики, когда не было никакой вселенной?

Эта проблема космологической особенности все еще остается самой трудной проблемой современной космологии. Однако, как мы скоро увидим, мы можем теперь посмотреть на неё с другой точки зрения. Давайте зададим намного более простой вопрос. В школе нам преподают, что две параллельных линии никогда не пересекаются. Однако Общая теория относительности говорит нам, что наша вселенная изогнута. Вселенная может быть открытой, когда параллельные линии отклоняются друг от друга, или она может быть закрыта, и затем параллельные линии пересекают друг друга как линии меридиана на земном шаре. Единственный естественный параметр длины в Общей теории относительности – длинна Планка lp = 10-33 см. Поэтому можно ожидать, что наше пространство будет очень изогнутым с типичным радиусом искривления приблизительно 10-33 см. Однако мы видим, что наша вселенная примерно плоская в масштабе 1028 см, радиусе заметной части вселенной. Результаты наших наблюдений отличаются от наших теоретических ожиданий больше чем на 60 порядков!

Давайте зададим другой наивный вопрос: Почему на Земле так много различных людей? Да, Земля большая, таким образом она может разместить много людей. Но почему Земля настолько большая? Фактически, она очень маленькая по сравнению с целой вселенной. Почему вселенная настолько большая? Давайте рассматривать вселенную типичного размера lp с плотностью Планка, просто появившуюся из большого взрыва. Можно вычислить, сколько частиц такая вселенная должна была содержать. И ответ довольно неожиданный: целая вселенная должна содержать всего одну частицу, возможно десять частиц, но не 1088 частиц, которые содержатся в той части вселенной, которую мы видим теперь. Это – противоречие 88 порядка…

Стандартное предположение теории «большого взрыва» – то, что все части вселенной начали свое расширение одновременно, во время t = 0. Но как различные части вселенной могли синхронизировать начало своего расширения, если у них не было времени для этого? Кто дал команду?

Наша вселенная  чрезвычайно однородна. На протяжении 1010 световых лет ее плотность отклоняется от прекрасной однородности меньше, чем на одну стотысячную. В течение долгого времени ни у кого не было идеи, почему вселенная так гомогенна. Иногда у тех, у кого нет хороших идей, есть принципы. Одним из краеугольных камней стандартной космологии был «космологический принцип», что вселенная должна быть гомогенной. Однако это мало помогает, так как вселенная содержит звезды, галактики и другие важные отклонения от однородности. Нам необходимо решить две различных проблемы. Прежде всего, мы должны объяснить, почему наша вселенная гомогенна; и затем мы должны предложить механизм появления некоторых галактик.

Все эти проблемы чрезвычайно трудные. Именно поэтому очень важно, что большинство этих проблем можно решить в контексте одной простой теории развития вселенной – инфляционной теории.

КОММЕНТАРИИ