Big Bounce - Big Bounce

The Big Bounce je hypotetický kosmologický model původu známého vesmíru . Původně byla navržena jako fáze cyklického modelu nebo interpretace oscilačního vesmíru velkého třesku , kde první kosmologická událost byla důsledkem kolapsu předchozího vesmíru. Počátkem 80. let ustoupila od seriózního zvažování poté, co se teorie inflace ukázala jako řešení problému horizontu , který vyplynul z pokroků v pozorováních odhalujících rozsáhlou strukturu vesmíru. Na počátku dvacátých let minulého století bylo podle některých teoretiků inflace problematická a nekontrolovatelná, protože její různé parametry bylo možné upravit tak, aby odpovídaly jakémukoli pozorování, takže vlastnosti pozorovatelného vesmíru jsou věcí náhody. Alternativní obrázky včetně Big Bounce mohou poskytnout prediktivní a falsifikovatelné možné řešení problému horizontu a jsou od roku 2017 v aktivním vyšetřování.

Rozšíření a smrštění

Koncept Big Bounce předpokládá velký třesk jako začátek období expanze, které následovalo po období kontrakce. V tomto pohledu by se dalo hovořit o Big Crunch následovaném Big Bang , nebo jednodušeji, Big Bounce . To naznačuje, že bychom mohli žít v jakémkoli bodě v nekonečné posloupnosti vesmírů, nebo naopak současný vesmír by mohl být úplně první iterací. Pokud je však podmínka intervalové fáze „mezi odrazy“, považovaná za „hypotézu prvotního atomu“, vzata do plné kontingence, takový výčet může být bezvýznamný, protože tato podmínka by mohla představovat singularitu v čase v každém případě, pokud by taková věčná návrat byl absolutní a nediferencovaný.

Hlavní myšlenkou kvantové teorie Big Bounce je, že jak se hustota blíží nekonečnu, mění se chování kvantové pěny . Všechny takzvané základní fyzikální konstanty , včetně rychlosti světla ve vakuu, nemusí zůstat během Velké krize konstantní , zvláště v časovém intervalu menším, než ve kterém nemusí být měření nikdy možné (jedna jednotka Planckova času , zhruba 10 −43 sekund) pokrývající nebo ohraničující inflexní bod.

Dějiny

Kosmologové včetně Willem de Sitter , Carl Friedrich von Weizsäcker , George McVittie a George Gamow (kteří zdůraznili, že „z fyzického hlediska musíme úplně zapomenout na období před kolapsem“) schválili modely velkého odrazu.

Počátkem osmdesátých let postupující přesnost a rozsah pozorovací kosmologie odhalily, že rozsáhlá struktura vesmíru je plochá , homogenní a izotropní , což je nález, který byl později přijat jako kosmologický princip a který se má používat v měřítcích přesahujících zhruba 300 milionů světelných let. . Bylo uznáno, že je nutné najít vysvětlení, jak vzdálené oblasti vesmíru mohou mít v podstatě identické vlastnosti, aniž by kdy byly ve světelné komunikaci. Bylo navrženo řešení jako období exponenciální expanze prostoru v raném vesmíru, jako základ pro to, co se stalo známé jako teorie inflace . Po krátkém inflačním období se vesmír nadále rozpíná, ale pomaleji.

Různé formulace inflační teorie a jejich podrobné implikace se staly předmětem intenzivního teoretického studia. Při absenci přesvědčivé alternativy se hlavním řešením problému horizontu stala inflace. Na počátku dvacátých let minulého století bylo podle některých teoretiků inflace problematická a neomylná v tom, že její různé parametry lze upravit tak, aby odpovídaly jakýmkoli pozorováním, což je situace známá jako problém doladění. Kromě toho bylo zjištěno, že inflace je nevyhnutelně věčná a vytváří nekonečno různých vesmírů s typicky odlišnými vlastnostmi, takže vlastnosti pozorovatelného vesmíru jsou věcí náhody. Alternativní koncept zahrnující Big Bounce byl koncipován jako prediktivní a padělatelné možné řešení problému horizontu a od roku 2017 je v aktivním vyšetřování.

Fráze „Big Bounce“ se objevila ve vědecké literatuře v roce 1987, kdy byla poprvé použita v názvu dvojice článků (v němčině) v Stern und Weltraum od Wolfganga Priestera a Hanse-Joachima Bloma. Znovu se objevil v roce 1988 v Iosif Rozental's Big Bang, Big Bounce , revidovaném anglickém překladu knihy v ruském jazyce (pod jiným názvem) a v článku z roku 1991 (v angličtině) od Priester and Blome in Astronomy and Astrophysics . (Fráze zřejmě vznikl jako titul románu podle Elmore Leonard v roce 1969, krátce poté, co se jí zvýšit informovanost veřejnosti o Big Bang modelu se na objevu vesmírného mikrovlnného pozadí pomocí Penzias a Wilson v roce 1965.)

Myšlenka existence velkého odrazu ve velmi raném vesmíru našla různorodou podporu v pracích založených na kvantové gravitaci smyčky . Ve smyčkové kvantové kosmologii , větvi smyčkové kvantové gravitace, byl velký odraz poprvé objeven v únoru 2006 pro izotropní a homogenní modely od Abhay Ashtekar , Tomasz Pawlowski a Parampreet Singh na Pennsylvania State University . Tento výsledek byl zobecněn na různé jiné modely různými skupinami a zahrnuje případ prostorového zakřivení, kosmologické konstanty, anizotropií a Fockových kvantizovaných nehomogenit.

Martin Bojowald , odborný asistent fyziky na Pensylvánské státní univerzitě , publikoval v červenci 2007 studii, která podrobně popisuje práci poněkud související se smyčkovou kvantovou gravitací, která tvrdila, že matematicky vyřeší dobu před Velkým třeskem, což by dalo novou váhu oscilačnímu vesmíru a Velkému Odrazit teorie.

Jedním z hlavních problémů teorie velkého třesku je, že v okamžiku Velkého třesku existuje singularita nulového objemu a nekonečné energie. To je normálně interpretováno jako konec fyziky, jak ji známe; v tomto případě z teorie obecné relativity . Proto se očekává, že kvantové efekty se stanou důležitými a vyhnou se singularitě.

Výzkum ve smyčkové kvantové kosmologii však údajně ukázal, že dříve existující vesmír se zhroutil, nikoli do bodu singularity, ale do bodu před tím, kdy se kvantové efekty gravitace staly tak silně odpudivými, že se vesmír odrazil zpět a vytvořil nový větev. Během tohoto kolapsu a odrazu je evoluce unitární.

Bojowald také tvrdí, že lze určit i některé vlastnosti vesmíru, které se zhroutily a vytvořily ten náš. Některé vlastnosti předchozího vesmíru však nelze určit kvůli nějakému principu nejistoty. Tento výsledek zpochybnily různé skupiny, které ukazují, že v důsledku omezení fluktuací vyplývajících z principu nejistoty existují silná omezení změny relativních fluktuací napříč odrazem.

Zatímco existenci velkého odrazu je třeba ještě prokázat pomocí kvantové gravitace smyčky , robustnost jejích hlavních vlastností byla potvrzena pomocí přesných výsledků a několika studií zahrnujících numerické simulace využívající vysoce výkonné výpočty ve smyčkové kvantové kosmologii .

V roce 2003 Peter Lynds předložil nový kosmologický model, ve kterém je čas cyklický. Podle jeho teorie se náš vesmír nakonec přestane rozpínat a pak se smršťuje. Před tím, než se z Hawkingovy teorie černých děr stane singularita, se vesmír odrazí. Lynds tvrdí, že singularita by porušila druhý termodynamický zákon a to brání vesmíru v ohraničení singularity. Velkému třesku by se nový nový třesk vyhnul. Lynds navrhuje, aby se přesná historie vesmíru opakovala v každém cyklu ve věčném opakování . Někteří kritici tvrdí, že zatímco vesmír může být cyklický, historie by byla všechny varianty. Lyndsovu teorii mainstreamoví fyzici zavrhli pro nedostatek matematického modelu, který by stál za jejími filozofickými úvahami.

V roce 2006 bylo navrženo, že aplikace technik kvantové gravitace smyčky na kosmologii Velkého třesku může vést k odrazu, který nemusí být cyklický.

V roce 2010 Roger Penrose rozvinul obecnou teorii založenou na relativitě, kterou nazývá „ konformní cyklická kosmologie “. Teorie vysvětluje, že vesmír se bude rozpínat, dokud se veškerá hmota nerozkládá a nakonec se nezmění na světlo. Protože nic ve vesmíru by nemělo čas nebo měřítko vzdálenosti, které je s ním spojeno, stává se totožné s velkým třeskem, což následně vede k typu velkého tíhnutí, které se stává dalším velkým třeskem, a tím udržuje další cyklus.

V roce 2011 Nikodem Popławski ukázal, že v gravitační teorii Einstein-Cartan -Sciama-Kibble se přirozeně objevuje nesingulární Big Bounce . Tato teorie rozšiřuje obecnou relativitu odstraněním omezení symetrie afinního spojení a její antisymetrickou část, torzní tenzor , jako dynamickou proměnnou. Minimální vazba mezi torzními a Diracovými spinory vytváří interakci spin-spin, která je významná ve fermionické hmotě při extrémně vysokých hustotách. Taková interakce odvrací nefyzickou singularitu Velkého třesku a nahrazuje ji odrazem podobným hrotu při konečném minimálním faktoru měřítka, před kterým se vesmír stahoval. Tento scénář také vysvětluje, proč se současný vesmír v největších měřítcích jeví jako prostorově plochý, homogenní a izotropní, což představuje fyzickou alternativu ke kosmické inflaci.

V roce 2012 byla v rámci standardní Einsteinovy ​​gravitace úspěšně zkonstruována nová teorie nesingulárního velkého odrazu. Tato teorie kombinuje výhody odrazu hmoty a ekpyrotické kosmologie . V této teorii je řešena zejména slavná nestabilita BKL, že homogenní a izotropní kosmologické řešení pozadí je nestabilní vůči růstu anizotropního napětí. Navíc poruchy zakřivení naočkované v kontrakci hmoty jsou schopny vytvořit téměř prvotní spektrum invariantní prapůvodní energetické spektrum a poskytují tak konzistentní mechanismus pro vysvětlení pozorování kosmického mikrovlnného pozadí (CMB).

Několik zdrojů tvrdí, že vzdálené supermasivní černé díry, jejichž velkou velikost je těžké vysvětlit tak brzy po Velkém třesku, jako je ULAS J1342+0928 , mohou být důkazem velkého odrazu , kdy se tyto supermasivní černé díry vytvářejí před velkým odskokem.

Viz také

Reference

  1. ^ a b Brandenberger, Robert; Peter, Patrick (2017). „Skákací kosmologie: pokrok a problémy“. Základy fyziky . 47 (6): 797–850. arXiv : 1603.05834 . Bibcode : 2017FoPh ... 47..797B . doi : 10,1007/s10701-016-0057-0 . ISSN  0015-9018 . S2CID  118847768 .
  2. ^ Kragh, Helge (1996). Kosmologie . Princeton, New Jersey: Princeton University Press . ISBN 978-0-691-00546-1.
  3. ^ McKee, Maggie (25. září 2014). „Geniální: Paul J. Steinhardt - Princetonský fyzik o tom, co je špatného na teorii inflace a jeho pohledu na Velký třesk“ . Nautilus (17). NautilusThink Inc . Citováno 31. března 2017 .
  4. ^ Steinhardt, Paul J .; Turok, Neil (2005). „Cyklický model zjednodušený“. Nové recenze astronomie . 49 (2–6): 43–57. arXiv : astro-ph/0404480 . Bibcode : 2005NovýAR..49 ... 43S . doi : 10.1016/j.newar.2005.01.003 . ISSN  1387-6473 . S2CID  16034194 .
  5. ^ Lehners, Jean-Luc; Steinhardt, Paul J. (2013). „Výsledky Planck 2013 podporují cyklický vesmír“. Physical Review D . 87 (12): 123533. arXiv : 1304.3122 . Bibcode : 2013PhRvD..87l3533L . doi : 10,1103/PhysRevD.87.123533 . ISSN  1550-7998 . S2CID  76656473 .
  6. ^ Overduin, James; Hans-Joachim Blome; Josef Hoell (červen 2007). „Wolfgang Priester: od velkého odrazu do vesmíru ovládaného Λ“. Naturwissenschaften . 94 (6): 417–429. arXiv : astro-ph/0608644 . Bibcode : 2007NW ..... 94..417O . doi : 10,1007/s00114-006-0187-x . PMID  17146687 . S2CID  9204407 .
  7. ^ Ashtekar, Abhay; Pawlowski, Tomasz; Singh, Parampreet (2006-04-12). „Kvantová povaha velkého třesku“ . Fyzické revizní dopisy . 96 (14): 141301. arXiv : gr-qc/0602086 . Bibcode : 2006PhRvL..96n1301A . doi : 10,1103/PhysRevLett.96.141301 . PMID  16712061 . S2CID  3082547 .
  8. ^ Ashtekar, Abhay; Singh, Parampreet (2011-11-07). „Smyčka kvantové kosmologie: Zpráva o stavu“. Klasická a kvantová gravitace . 28 (21): 213001. arXiv : 1108.0893 . Bibcode : 2011CQGra..28u3001A . doi : 10,1088/0264-9381/28/21/213001 . ISSN  0264-9381 . S2CID  119209230 .
  9. ^ Bojowald, Martin (2007). „Co se stalo před Velkým třeskem?“ . Fyzika přírody . 3 (8): 523–525. Bibcode : 2007NatPh ... 3..523B . doi : 10,1038/nphys654 .
  10. ^ Corichi, Alejandro; Singh, Parampreet (2008-04-23). „Quantum Bounce and Cosmic Recall“ . Fyzické revizní dopisy . 100 (16): 161302. arXiv : 0710.4543 . Bibcode : 2008PhRvL.100p1302C . doi : 10.1103/PhysRevLett.100.161302 . PMID  18518182 . S2CID  40071231 .
  11. ^ Kamiński, Wojciech; Pawłowski, Tomasz (2010-04-15). „Kosmické odvolání a rozptylující obraz smyčkové kvantové kosmologie“ . Physical Review D . 81 (8): 084027. arXiv : 1001.2663 . Bibcode : 2010PhRvD..81h4027K . doi : 10,1103/PhysRevD.81.084027 . S2CID  44771809 .
  12. ^ Ashtekar, Abhay; Corichi, Alejandro; Singh, Parampreet (2008). „Robustnost klíčových vlastností smyčkové kvantové kosmologie“. Physical Review D . 77 (2): 024046. arXiv : 0710.3565 . Bibcode : 2008PhRvD..77b4046A . doi : 10,1103/PhysRevD.77.024046 . S2CID  118674251 .
  13. ^ David Adam (14. srpna 2003). „Podivný příběh Petera Lyndse“ . The Guardian .
  14. ^ „Výzkumníci z Penn State hledí za zrozením vesmíru“ . Věda denně . 17. května 2006.S odkazem na Ashtekar, Abhay; Pawlowski, Tomasz; Singh, Parmpreet (2006). „Kvantová povaha velkého třesku“. Fyzické revizní dopisy . 96 (14): 141301. arXiv : gr-qc/0602086 . Bibcode : 2006PhRvL..96n1301A . doi : 10,1103/PhysRevLett.96.141301 . PMID  16712061 . S2CID  3082547 .
  15. ^ Penrose, R. (2010). Cykly času: mimořádný nový pohled na vesmír. Náhodný dům
  16. ^ Poplawski, New Jersey (2012). „Nesmyslná kosmologie s velkým odrazem od spínané torzní vazby“. Physical Review D . 85 (10): 107502. arXiv : 1111,4595 . Bibcode : 2012PhRvD..85j7502P . doi : 10,1103/PhysRevD.85.107502 . S2CID  118434253 .
  17. ^ Cai, Yi-Fu; Damien Easson; Robert Brandenberger (2012). „Směrem k nonsingulární skákající kosmologii“. Journal of Cosmology and Astroparticle Physics . 2012 (8): 020. arXiv : 1206,2382 . Bibcode : 2012JCAP ... 08..020C . doi : 10,1088/1475-7516/2012/08/020 . S2CID  118679321 .
  18. ^ Landau, Elizabeth; Bañados, Eduardo (6. prosince 2017). „Nalezeno: Nejvzdálenější černá díra“ . NASA . Vyvolány 6 December je 2017 . „Tato černá díra se zvětšila mnohem více, než jsme očekávali, pouze za 690 milionů let po Velkém třesku, což zpochybňuje naše teorie o tom, jak se černé díry tvoří,“ řekl spoluautor studie Daniel Stern z Jet Propulsion Laboratory NASA v kalifornské Pasadeně.
  19. ^ Jamie Seidel (7. prosince 2017). „Černá díra na úsvitu času zpochybňuje naše chápání toho, jak vesmír vznikl“ . News Corp Austrálie . Vyvolány 9 December je 2017 . Svého rozměru dosáhl pouhých 690 milionů let po bodu, za kterým už nic není. Nejdominantnější vědecká teorie posledních let popisuje tento bod jako Velký třesk - spontánní výbuch reality, jak ji známe z kvantové singularity. V poslední době ale získává na váze další myšlenka: že vesmír prochází periodickými expanzemi a kontrakcemi - což má za následek „Big Bounce“. A existence raných černých děr byla předpovězena jako klíčová informace o tom, zda tato myšlenka může být platná. Tenhle je hodně velký. Aby dosáhlo své velikosti - 800 milionůkrát větší hmotnosti než naše Slunce - muselo spolykat spoustu věcí. ... Pokud tomu rozumíme, vesmír v té době prostě nebyl dost starý na to, aby generoval takové monstrum.
  20. ^ Zaměstnanci Youmagazine (8. prosince 2017). „Černá díra, která je starobylejší než vesmír“ (v řečtině). Váš časopis (Řecko) . Vyvolány 9 December je 2017 . Tato nová teorie, která akceptuje, že vesmír prochází periodickými expanzemi a kontrakcemi, se nazývá „Big Bounce“

Další čtení

externí odkazy