Космология, мейнстрим.
Что-то часто на глаза стали попадаться люди, имеющие представление о происхождении вселенной разной степени диковинности и фрикообразности.
В зависимости от фантазий излагающего.
Поэтому подумалось: а не рассказать ли мне коротенько о той модели, по поводу которой сейчас есть в общем и целом научный консенсус (а еще меня на эту мысль навела книжка астрофизика Бориса Штерна, которая мне недавно попалась на глаза. Буду тырить из нее куски, которые мне особенно понравились).
По аналогии со Стандартной Моделью физики частиц ее принято называть Стандартной Космологической Моделью, она же ΛCDM.
В отличие от физики частиц, которая уперлась в энергетический тупик на БАКе, в космологии сейчас с экспериментальными данными полный порядок: поступают и будут поступать.
Соответственно, тут работает главный механизм проверки теорий - экспериментальная проверка предсказаний теории.
Не постфактумное объяснение экспериментальных данных, а именно проверка численных предсказаний, сделанных еще до получения этих данных.
Тут у современной космологии все очень неплохо.
Вот например такая картинка - зависимость была предсказана заранее (подробнее об этой картинке в следующих постах, я их несколько штук на эту тему планирую написать).
Или, к примеру, крупномасштабная структура вселенной: модель / наблюдения.
Есть и ряд других предсказаний, которые оправдались уже не в первом, а во втором приближении.
Итак, ΛCDM - космология с Λ-членом, холодной темной материей и инфляцией.
Но начну с конца, так забавнее. С четвертого (современного) поколения инфляционной модели. Которая избавлена от недостатков более ранних моделей (о них тоже позже).
Для начала упражнение на воображение: итак, "вечная инфляция" (фигурный копипаст из книги Штерна).
=========================
В роли внешнего сверхъестественного наблюдателя
Пожертвуем одним из пространственных измерений и вспомним про модель вселенной в виде надуваемого шарика. Двумерное пространство вселенной - поверхность шарика. Себя представим находящимися в дополнительном измерении, взирающими на это со стороны благодаря сверхъестественным способностям, без всяких ограничений в скорости сигнала. Мы видим уже не шарик, но по сути - бесконечную плоскость, до которой этот шарик раздулся. Пусть плоскость будет цветной: цвет будет обозначать величину инфлатона. Самое сильное поле пусть будет представлено фиолетовым, менее сильное - синим и т.д. по спектру.
Плоскость продолжает растягиваться. Затормозим время в 1038 раз, чтобы успеть что-нибудь рассмотреть. Тогда расстояние между любыми двумя точками будет удваиваться за 10 с. Мы увидим желтые и красные пятна всевозможных размеров и форм на синем фоне, которые постепенно образуются то здесь, то там. Желтые пятна растут медленнее, чем разлетаются друг от друга. Синие и фиолетовые промежутки между ними растут быстрее, но на синем появляются новые желтые пятна.
Что происходит с пятнами теплых оттенков? Величина поля в них продолжает с какого-то момента необратимо падать (есть критическое значение, ниже которого она уже не может расти из-за квантовых флуктуаций) - всё быстрее, пока поле-инфлатон не «выгорает», передав свою энергию частицам. Изобразим области с «выгоревшим» полем белым цветом. Появление белого пятна - очередной большой взрыв - рождение вселенной. Несмотря на слово «взрыв», рост каждого белого пятна начинает сильно отставать от общего расширения - переходит на степенной режим.
Мы определенным образом преобразовали время, но не указали пространственный масштаб. Его можно и не указывать - картинка будет той же самой и на микронах, и на парсеках, она близка к фрактальной - не в математическом (дробная размерность), а в «обывательском» смысле: самоподобие в широком диапазоне масштабов (чтобы получить фрактал в строгом математическом смысле, можно нарисовать, например, линии уровня инфлатона). Свойство фрактальности имеет то же происхождение, что и плоский спектр первичных космологических неоднородностей: скорость растяжения пространства много больше скорости изменения инфлатона. На масштабах квантовых флуктуаций (10-27 см) никакой фрактальности нет, там есть выделенный размер, с которым рождается большинство неоднородностей. Допустим, мы видим картинку с разрешением один микрон и полем зрения метр или с разрешением метр и полем зрения тысяча километров, тогда в первом случае мы видим неоднородности, начавшие раздуваться в среднем на 2·10-36 с позже (если характерное время удвоения 10-37 с), только и всего. Даже за время обычной инфляции никаких глобальных изменений за такое время не произойдет, не говоря о вечной.
До сих пор мы для простоты рассматривали картину вечной инфляции как подвижную расцвеченную плоскость (напомним, плоскость отображает трехмерное пространство, одной координатой которого мы пожертвовали для наглядности). При более внимательном рассмотрении эта картина становится неадекватной, и нам придется усложнить ее, чтобы сделать шаг к большей достоверности.
Представим себе фиолетовое пятно очень сильного поля, окруженное синим фоном более слабого. Фиолетовое растягивается быстрей, чем синее, поэтому диаметр пятна должен расти быстрее, чем его окружность. Это означает, что пространство в масштабе фиолетового пятна искривляется.
Представить себе кривизну трехмерного пространства мы не можем, но с двумерным проще, поскольку природа дала нам объемное воображение. Мы можем представить кривизну, изгибая его в третьем измерении, которое недоступно для двумерных наблюдателей, живущих в этом двумерном пространстве. Для математического описания и формулировок физических законов дополнительное измерение не нужно - только для нашего воображения.
Итак, воспользуемся третьим измерением и представим, что на синем фоне вверх выпячивается фиолетовый бугор. Разница в скорости расширения синего и фиолетового не так уж и велика, но если вспомнить, что эти скорости стоят в экспоненте, фиолетовый бугор начнет превращаться в гигантский пузырь, горловина которого будет тоже расти, но с отставанием. Далее, на поверхности этого пузыря возникнут новые выступы и пузыри, и вечная инфляция предстанет в виде безудержно пузырящейся пленки, с ускорением расширяющееся во все стороны уже трехмерного пространства. Картина при этом остается фрактальной уже и в трех измерениях. Напомним, третье измерение введено нами для наглядности, но тут уже и оно перестает помогать нашему воображению. Сразу представляется коллизия: пузыри не умещаются в трехмерии и наезжают друг на друга - на самом деле ничего подобного не происходит, это лишь дефект нашего представления.
Таким образом, перед нами открывается картина вечной инфляции в виде растущих и множащихся пузырей разных размеров. На раздувающихся пузырях образуются пятна сильного поля, выдувающиеся в новые пузыри, которые расширяются быстрее. Каждый пузырь со временем превратится во вселенную, пройдя через стадию большого взрыва, но до этого от него ответвятся новые пузыри с сильным полем. Образуется бесконечная сеть сложной топологии, которая растет по экспоненциальному закону.
И так во веки веков.
Новые вселенные продолжают образовываться здесь и там. Они разносятся в стороны, порождают новые и т.д. В широком поле зрения мы видим мириады вселенных. Каков их размер и возраст? Возраст подавляющего большинства порядка 10-34 с или меньше. Доля старых вселенных катастрофически мала: расстояние между вселенными типа нашей удвоилось 1054 раз и составляет 1010 (всё равно чего - сантиметров или парсек). Тем не менее, число старых вселенных тоже огромно - таков закон инфляции. Что касается размера рождающихся вселенных - тут разброс может быть каким угодно: наша родилась диаметром не менее метра (на момент Большого взрыва), а верхний предел может быть любым.
Через миллиарды лет картина не изменится: все новорожденные вселенные, упомянутые выше, созреют и будут разнесены на гигантские расстояния - в каких-то из них возникнет жизнь. За это время число вселенных опять удвоится 1054 раз и т.д.
Мы попытались решить очень сложную для нашего воображения задачу. Насколько это решение оказалось удачным, сильно зависит от индивидуального восприятия читателя. Облегчающим обстоятельством является то, что задача, по крайней мере, на данном уровне рассмотрения (дальше будет хуже), описывается довольно простой математикой.
По-видимому, эта сильно упрощенная умозрительная модель вечной инфляции - крайний рубеж, на котором наше воображение еще на что-то способно. Скорее всего, реальная картина гораздо сложней. Топологические курьезы, которые там могут возникать, представить невозможно. Однако математика давно работает с понятиями, которые невозможно представить, поэтому наука не собирается отступать на этом рубеже.
В роли внутреннего наблюдателя
Итак, в роли внешнего наблюдателя, стоящего вне пространства и законов физики, мы видим грандиозный вечный акт творения экспоненциально растущего числа вселенных. Теперь лишим себя одной из сверхъестественных возможностей - видеть пространство всё сразу «извне» - и представим, что, тем не менее, можем телепортироваться внутрь разных мест пространства. Если мы телепортировались в область идущей инфляции, нам нужно уменьшиться до околопланковских размеров, иначе разорвет. Ничего интересного мы не увидим - горизонт будет составлять 10-27 см, всё разлетается, всё всюду одинаково с точностью до квантовых флуктуаций. Фактически мы лишены возможности передвигаться: к сверхъестественному свойству двигаться быстрее света не прибегаем, а свет в масштабе всей грандиозной картины движется очень медленно. Однако если подождать, будет интересно. Рано или поздно поле ослабнет, потом катастрофически быстро передаст свою энергию частицам. Несмотря на то, что инфляция вечная, для каждого конкретного наблюдателя это произойдет обязательно, причем довольно быстро: вечность в инфляции для него закрыта. Как это объяснить?
В каждой точке пространства вероятность изменения поля-инфлатона вниз (т.е. в сторону меньших значений) больше, чем вверх, поскольку есть общий плавный дрейф поля вниз и наложенные на него случайные квантовые флуктуации, равновероятные в обе стороны. У тех флуктуаций, что подбросили поле вверх, больше перспектива, но попасть в них трудней. Это легче представить на примере лабиринта.
Допустим, мы на входе в бесконечный ветвящийся лабиринт. В каждом ветвлении ход разделяется на шесть ходов, четыре из которых заканчиваются тупиком с ловушкой, из которой нет хода назад, а два ведут дальше к новому ветвлению. Лабиринт бесконечен, и число открытых ходов растет по экспоненте. Но если путник при каждом ветвлении выбирает ход случайно (а в процессе инфляции судьбой наблюдателя в данной точке управляет именно случайность), он довольно скоро окажется в ловушке. Вероятность пройти до второго ветвления 1/3, до третьего - 1/9 и т.д., вероятность пройти дальше экспоненциально убывает, несмотря на то, что число открытых ходов экспоненциально растет.
В случае с космологической инфляцией роль тупика с ловушкой играет большой взрыв. Наблюдатель увидит, как поле спадает и возникают частицы огромных энергий, - он попал в новую горячую вселенную, расширяющуюся по закону Фридмана, уже с торможением, а не с ускорением. Горизонт станет расти, температура частиц падать. Если подождать еще, откроется большая однородная вселенная, но вероятность увидеть внутри горизонта какие-нибудь родовые дефекты, типа кротовой норы в пространство с другой биографией, исчезающе мала.
Телепортировавшись в произвольную зрелую вселенную, мы не знаем заранее, какой пейзаж встретим и будут ли там звезды и галактики - это может зависеть от ряда случайных факторов, которые обсуждаются ниже.
Наверняка нарисованная картина вечной инфляции в чем-то неверна и заведомо неполна. Отчасти это проблема воображения, отчасти - сложности всевозможных проистекающих явлений. Особенно сложные вещи будут происходить в тех местах, где поле заброшено вверх до таких величин, что плотность его энергии стала порядка планковской. Об этом будет сказано ниже в несколько другом контексте.
=============================
Как прошла проверка воображения?
Дальше я планирую серию постов в виде отдельных зарисовок: как появлялись и кристаллизировались разные аспекты этой стандартной космологической модели. Там были прямо драматические моменты, когда все ждали результатов наблюдений и все висело на волоске. Забегая вперед, хочу отметить: одну из главных ролей (а местами и главную роль) в этой истории сыграли наши ученые, из школы Зельдовича. Она была общепризнанным научным лидером в космологии, люди русский язык специально из-за нее учили. Вот бы чем гордиться надо, на самом-то деле. Но это так, к слову. Поговорим про контраст крупномаштабной структуры, развитие галактик и их скоплений из квантовых флуктуаций, почему без темной энергии не сходятся концы с концами, эволюцию моделей инфляции, роль темной материи в формировании структуры вселенной, термодинамику вселенной и прочие интересные вещи.
Но я вряд ли потяну систематическое изложение, так что все будет в режиме зарисовок.
Продолжение следует.
В зависимости от фантазий излагающего.
Поэтому подумалось: а не рассказать ли мне коротенько о той модели, по поводу которой сейчас есть в общем и целом научный консенсус (а еще меня на эту мысль навела книжка астрофизика Бориса Штерна, которая мне недавно попалась на глаза. Буду тырить из нее куски, которые мне особенно понравились).
По аналогии со Стандартной Моделью физики частиц ее принято называть Стандартной Космологической Моделью, она же ΛCDM.
В отличие от физики частиц, которая уперлась в энергетический тупик на БАКе, в космологии сейчас с экспериментальными данными полный порядок: поступают и будут поступать.
Соответственно, тут работает главный механизм проверки теорий - экспериментальная проверка предсказаний теории.
Не постфактумное объяснение экспериментальных данных, а именно проверка численных предсказаний, сделанных еще до получения этих данных.
Тут у современной космологии все очень неплохо.
Вот например такая картинка - зависимость была предсказана заранее (подробнее об этой картинке в следующих постах, я их несколько штук на эту тему планирую написать).
Или, к примеру, крупномасштабная структура вселенной: модель / наблюдения.
Есть и ряд других предсказаний, которые оправдались уже не в первом, а во втором приближении.
Итак, ΛCDM - космология с Λ-членом, холодной темной материей и инфляцией.
Но начну с конца, так забавнее. С четвертого (современного) поколения инфляционной модели. Которая избавлена от недостатков более ранних моделей (о них тоже позже).
Для начала упражнение на воображение: итак, "вечная инфляция" (фигурный копипаст из книги Штерна).
=========================
В роли внешнего сверхъестественного наблюдателя
Пожертвуем одним из пространственных измерений и вспомним про модель вселенной в виде надуваемого шарика. Двумерное пространство вселенной - поверхность шарика. Себя представим находящимися в дополнительном измерении, взирающими на это со стороны благодаря сверхъестественным способностям, без всяких ограничений в скорости сигнала. Мы видим уже не шарик, но по сути - бесконечную плоскость, до которой этот шарик раздулся. Пусть плоскость будет цветной: цвет будет обозначать величину инфлатона. Самое сильное поле пусть будет представлено фиолетовым, менее сильное - синим и т.д. по спектру.
Плоскость продолжает растягиваться. Затормозим время в 1038 раз, чтобы успеть что-нибудь рассмотреть. Тогда расстояние между любыми двумя точками будет удваиваться за 10 с. Мы увидим желтые и красные пятна всевозможных размеров и форм на синем фоне, которые постепенно образуются то здесь, то там. Желтые пятна растут медленнее, чем разлетаются друг от друга. Синие и фиолетовые промежутки между ними растут быстрее, но на синем появляются новые желтые пятна.
Что происходит с пятнами теплых оттенков? Величина поля в них продолжает с какого-то момента необратимо падать (есть критическое значение, ниже которого она уже не может расти из-за квантовых флуктуаций) - всё быстрее, пока поле-инфлатон не «выгорает», передав свою энергию частицам. Изобразим области с «выгоревшим» полем белым цветом. Появление белого пятна - очередной большой взрыв - рождение вселенной. Несмотря на слово «взрыв», рост каждого белого пятна начинает сильно отставать от общего расширения - переходит на степенной режим.
Мы определенным образом преобразовали время, но не указали пространственный масштаб. Его можно и не указывать - картинка будет той же самой и на микронах, и на парсеках, она близка к фрактальной - не в математическом (дробная размерность), а в «обывательском» смысле: самоподобие в широком диапазоне масштабов (чтобы получить фрактал в строгом математическом смысле, можно нарисовать, например, линии уровня инфлатона). Свойство фрактальности имеет то же происхождение, что и плоский спектр первичных космологических неоднородностей: скорость растяжения пространства много больше скорости изменения инфлатона. На масштабах квантовых флуктуаций (10-27 см) никакой фрактальности нет, там есть выделенный размер, с которым рождается большинство неоднородностей. Допустим, мы видим картинку с разрешением один микрон и полем зрения метр или с разрешением метр и полем зрения тысяча километров, тогда в первом случае мы видим неоднородности, начавшие раздуваться в среднем на 2·10-36 с позже (если характерное время удвоения 10-37 с), только и всего. Даже за время обычной инфляции никаких глобальных изменений за такое время не произойдет, не говоря о вечной.
До сих пор мы для простоты рассматривали картину вечной инфляции как подвижную расцвеченную плоскость (напомним, плоскость отображает трехмерное пространство, одной координатой которого мы пожертвовали для наглядности). При более внимательном рассмотрении эта картина становится неадекватной, и нам придется усложнить ее, чтобы сделать шаг к большей достоверности.
Представим себе фиолетовое пятно очень сильного поля, окруженное синим фоном более слабого. Фиолетовое растягивается быстрей, чем синее, поэтому диаметр пятна должен расти быстрее, чем его окружность. Это означает, что пространство в масштабе фиолетового пятна искривляется.
Представить себе кривизну трехмерного пространства мы не можем, но с двумерным проще, поскольку природа дала нам объемное воображение. Мы можем представить кривизну, изгибая его в третьем измерении, которое недоступно для двумерных наблюдателей, живущих в этом двумерном пространстве. Для математического описания и формулировок физических законов дополнительное измерение не нужно - только для нашего воображения.
Итак, воспользуемся третьим измерением и представим, что на синем фоне вверх выпячивается фиолетовый бугор. Разница в скорости расширения синего и фиолетового не так уж и велика, но если вспомнить, что эти скорости стоят в экспоненте, фиолетовый бугор начнет превращаться в гигантский пузырь, горловина которого будет тоже расти, но с отставанием. Далее, на поверхности этого пузыря возникнут новые выступы и пузыри, и вечная инфляция предстанет в виде безудержно пузырящейся пленки, с ускорением расширяющееся во все стороны уже трехмерного пространства. Картина при этом остается фрактальной уже и в трех измерениях. Напомним, третье измерение введено нами для наглядности, но тут уже и оно перестает помогать нашему воображению. Сразу представляется коллизия: пузыри не умещаются в трехмерии и наезжают друг на друга - на самом деле ничего подобного не происходит, это лишь дефект нашего представления.
Таким образом, перед нами открывается картина вечной инфляции в виде растущих и множащихся пузырей разных размеров. На раздувающихся пузырях образуются пятна сильного поля, выдувающиеся в новые пузыри, которые расширяются быстрее. Каждый пузырь со временем превратится во вселенную, пройдя через стадию большого взрыва, но до этого от него ответвятся новые пузыри с сильным полем. Образуется бесконечная сеть сложной топологии, которая растет по экспоненциальному закону.
И так во веки веков.
Новые вселенные продолжают образовываться здесь и там. Они разносятся в стороны, порождают новые и т.д. В широком поле зрения мы видим мириады вселенных. Каков их размер и возраст? Возраст подавляющего большинства порядка 10-34 с или меньше. Доля старых вселенных катастрофически мала: расстояние между вселенными типа нашей удвоилось 1054 раз и составляет 1010 (всё равно чего - сантиметров или парсек). Тем не менее, число старых вселенных тоже огромно - таков закон инфляции. Что касается размера рождающихся вселенных - тут разброс может быть каким угодно: наша родилась диаметром не менее метра (на момент Большого взрыва), а верхний предел может быть любым.
Через миллиарды лет картина не изменится: все новорожденные вселенные, упомянутые выше, созреют и будут разнесены на гигантские расстояния - в каких-то из них возникнет жизнь. За это время число вселенных опять удвоится 1054 раз и т.д.
Мы попытались решить очень сложную для нашего воображения задачу. Насколько это решение оказалось удачным, сильно зависит от индивидуального восприятия читателя. Облегчающим обстоятельством является то, что задача, по крайней мере, на данном уровне рассмотрения (дальше будет хуже), описывается довольно простой математикой.
По-видимому, эта сильно упрощенная умозрительная модель вечной инфляции - крайний рубеж, на котором наше воображение еще на что-то способно. Скорее всего, реальная картина гораздо сложней. Топологические курьезы, которые там могут возникать, представить невозможно. Однако математика давно работает с понятиями, которые невозможно представить, поэтому наука не собирается отступать на этом рубеже.
В роли внутреннего наблюдателя
Итак, в роли внешнего наблюдателя, стоящего вне пространства и законов физики, мы видим грандиозный вечный акт творения экспоненциально растущего числа вселенных. Теперь лишим себя одной из сверхъестественных возможностей - видеть пространство всё сразу «извне» - и представим, что, тем не менее, можем телепортироваться внутрь разных мест пространства. Если мы телепортировались в область идущей инфляции, нам нужно уменьшиться до околопланковских размеров, иначе разорвет. Ничего интересного мы не увидим - горизонт будет составлять 10-27 см, всё разлетается, всё всюду одинаково с точностью до квантовых флуктуаций. Фактически мы лишены возможности передвигаться: к сверхъестественному свойству двигаться быстрее света не прибегаем, а свет в масштабе всей грандиозной картины движется очень медленно. Однако если подождать, будет интересно. Рано или поздно поле ослабнет, потом катастрофически быстро передаст свою энергию частицам. Несмотря на то, что инфляция вечная, для каждого конкретного наблюдателя это произойдет обязательно, причем довольно быстро: вечность в инфляции для него закрыта. Как это объяснить?
В каждой точке пространства вероятность изменения поля-инфлатона вниз (т.е. в сторону меньших значений) больше, чем вверх, поскольку есть общий плавный дрейф поля вниз и наложенные на него случайные квантовые флуктуации, равновероятные в обе стороны. У тех флуктуаций, что подбросили поле вверх, больше перспектива, но попасть в них трудней. Это легче представить на примере лабиринта.
Допустим, мы на входе в бесконечный ветвящийся лабиринт. В каждом ветвлении ход разделяется на шесть ходов, четыре из которых заканчиваются тупиком с ловушкой, из которой нет хода назад, а два ведут дальше к новому ветвлению. Лабиринт бесконечен, и число открытых ходов растет по экспоненте. Но если путник при каждом ветвлении выбирает ход случайно (а в процессе инфляции судьбой наблюдателя в данной точке управляет именно случайность), он довольно скоро окажется в ловушке. Вероятность пройти до второго ветвления 1/3, до третьего - 1/9 и т.д., вероятность пройти дальше экспоненциально убывает, несмотря на то, что число открытых ходов экспоненциально растет.
В случае с космологической инфляцией роль тупика с ловушкой играет большой взрыв. Наблюдатель увидит, как поле спадает и возникают частицы огромных энергий, - он попал в новую горячую вселенную, расширяющуюся по закону Фридмана, уже с торможением, а не с ускорением. Горизонт станет расти, температура частиц падать. Если подождать еще, откроется большая однородная вселенная, но вероятность увидеть внутри горизонта какие-нибудь родовые дефекты, типа кротовой норы в пространство с другой биографией, исчезающе мала.
Телепортировавшись в произвольную зрелую вселенную, мы не знаем заранее, какой пейзаж встретим и будут ли там звезды и галактики - это может зависеть от ряда случайных факторов, которые обсуждаются ниже.
Наверняка нарисованная картина вечной инфляции в чем-то неверна и заведомо неполна. Отчасти это проблема воображения, отчасти - сложности всевозможных проистекающих явлений. Особенно сложные вещи будут происходить в тех местах, где поле заброшено вверх до таких величин, что плотность его энергии стала порядка планковской. Об этом будет сказано ниже в несколько другом контексте.
=============================
Как прошла проверка воображения?
Дальше я планирую серию постов в виде отдельных зарисовок: как появлялись и кристаллизировались разные аспекты этой стандартной космологической модели. Там были прямо драматические моменты, когда все ждали результатов наблюдений и все висело на волоске. Забегая вперед, хочу отметить: одну из главных ролей (а местами и главную роль) в этой истории сыграли наши ученые, из школы Зельдовича. Она была общепризнанным научным лидером в космологии, люди русский язык специально из-за нее учили. Вот бы чем гордиться надо, на самом-то деле. Но это так, к слову. Поговорим про контраст крупномаштабной структуры, развитие галактик и их скоплений из квантовых флуктуаций, почему без темной энергии не сходятся концы с концами, эволюцию моделей инфляции, роль темной материи в формировании структуры вселенной, термодинамику вселенной и прочие интересные вещи.
Но я вряд ли потяну систематическое изложение, так что все будет в режиме зарисовок.
Продолжение следует.