Космология

В марте 2013 года ЦЕРН заявил, что бозон Хиггса ими точно наблюдался, что считают подтверждением Стандартной модели элементарных частиц (которая описывает все взаимодействия кроме гравитации), однако продолжаются споры о том, то ли они наблюдали, что было надо, так как ряд альтернативных теорий описывают такой же бозон без Стандартной модели (которую я планирую изложить подробнее позже).

Космос – 8. Темная энергия

Термин введен, чтобы объяснить расширение Вселенной с ускорением (данные получены в конце 1990-х), то есть, данной концепции лет десять, она довольно сырая еще. Экспериментально еще не обнаруженная, концепция объясняет какие-то наблюдения, которые не укладывались в старую концепцию.

Имеется два объяснения "темной энергии" (ТЭ):

1. Любой объем пространства имеет энергию по своей природе, то есть ТЭ – это энергия вакуума, и при таком понимании она тождественна космологической постоянной ОТО. То есть пустота сама по себе увлекает вещество: если есть вещество, оно, естественно, пытается заполнить пустое пространство, и потому пустота, фактически, разрушает вещество, которое в ней расширяется с ускорением, пытаясь ее заполнить. Данное объяснение сейчас преобладает.

2. Квитэссенция. В данном случае ТЭ – это скалярное поле, плотность ее соответственно может меняться в разных точках ПВК (при первом объяснении – отрицательное давление вакуума постоянно во всех точках).

Именно ТЭ ответственна за расширение, поскольку темная материя, наоборот, ему препятствует. Ускорение расширения Вселенной началось порядка 5 миллиардов лет назад (что примерно совпадает с периодом формирования Земли и Солнца). До этого расширение замедлялось благодаря гравитационному действию темной материи и барионной материи (барионная материя – это то, что я называю "светлой" материей). Плотность барионной материи в расширяющейся Вселенной уменьшается быстрее, чем плотность тёмной энергии. В конце концов, темная энергия начинает преобладать.

Постулируемые свойства ТЭ:

1. Антигравитация (действует противоположно гравитации, которая, наоборот, стремится собрать вещество обратно в одной точке).

2. Равномерно распределена (по гипотезе №1) или нет (по гипотезе №2).

3. Взаимодействует с материей только через свои антигравитационные качества и никаким другим способом.

4. Низкая плотность (порядка 10-29 г/см³), что препятствует ее экспериментальной фиксации.

5. Несмотря на низкую плотность, заполняет все пространство, и поэтому составляет порядка 70% всей энергии во Вселенной, и, в конце концов, именно она и убьет всю Вселенную.

В связи с мутным характером темной энергии, на самом деле, о будущем вселенной определенно ничего не знают, потому что если источник неизвестен, непонятно, будет ли она действовать также в будущем или нет, ведь не установлены причинно-следственные связи. Если также будет действовать, то она, в конце концов, разорвет все атомы, а если не будет, то вообще хрен ее знает, что случится.

Космос – 9. Темная материя

Несколько менее темная вещь, чем темная энергия. Как и ТЭ, распознается только по ее гравитационному действию, не взаимодействует ни с какими другими полями.

Признаки:

1. Взаимодействует со светлой материей, притягивая ее.

2. По плотности во много раз больше барионной материи.

3. Составляет 25% Вселенной.

4. Может, в принципе, наблюдаться методами гравитационного линзирования (то есть косвенно, а непосредственно ее не наблюдали).

Именно темная материя (ТМ) организует макроструктуру Вселенной; то есть галактики – это такие скопления мирового черного говна, в которое воткнуты немногочисленные светящиеся звезды, составляющие небольшой процент от массы любой галактики. То есть "из тел архонтов".

В 2012 году получены экспериментальные данные, что в районе Солнца ее практически нет, так что нет шансов, что это будут когда-либо наблюдать на Земле, оно, в основном, тусуется в центре галактики, обеспечивая ее требуемую массивность.

В отличие, опять же, от ТЭ, есть много гипотез о том, чем бы это могло быть, так как оно имеет хотя бы массу, а массу можно измерить, и, таким образом, есть какие-то свойства, от которых могут отталкиваться теоретики.

Основные предположения:

1. Что это, в принципе, барионное вещество, но оно по каким-то причинам взаимодействует только гравитационно. Малопопулярная гипотеза, потому что она не вписывается в модель БЗ и совсем не подтверждается наблюдениями.

2. Что это – какие-то частицы, которых мы еще не знаем (гипотетическую частицу ТМ называют также WIMP):

а) легкие нейтрино (маловероятно);

б) тяжелые нейтрино (более вероятно, так как у нее большая плотность);

в) аксионы (гипотетические нейтральные псевдоскалярные частицы);

г) суперсимметричные частицы – фотино, гравитино, хиггсино, а также снейтрино, вино и зино. Ничто из этой компании никогда не наблюдалось, это просто часть очередной неподтвержденной физической теории.

Если это – частицы, то, в принципе, можно попробовать получить их в ускорителях, чем сейчас усердно и занимаются. В 2009-2013 гг. имелась масса сообщений, что точно нашли частицы ТМ с высокой вероятностью, но пока это, вроде бы, не общепринято:

http://en.wikipedia.org/wiki/Weakly_interacting_massive_particles

Основные ее гипотетические виды:

1. Горячая ТМ: энергия частиц превышает их массу.

2. Холодная ТМ: с массами частиц более 30 КэВ. Скорее всего, именно холодная преобладает.

3. Теплая ТМ: с массой частиц около 1 КэВ.

Вполне возможно, что там – смесь различных частиц, то есть могут оказаться верными несколько предположений одновременно.

На самом деле, про "скрытую массу" довольно много говорили еще с начала 20-го века, вне всякой связи с ОТО и БЗ, то есть, даже если ОТО и БЗ – ложные теории (подвергаются интенсивной критике в последнее время), вполне возможно, что за феноменом, который сейчас обозначают как ТМ, и стоит что-то реальное.

Космос – 10. Сингулярность

Собирался написать еще про критику теории Большого Взрыва, но, почитав, убедился, что она, в принципе, совпадает с критикой ОТО и других основ современной физики, а об этом уже было сказано. Если парадигма современной физики верна, то Большой Взрыв был. Этот факт доказал в 1967 году известный паралитик Стивен Хокинг. То есть preliminary course можно считать законченным и переходить уже к хронологическому описанию мира.

То, что существовало непосредственно перед взрывом, хотя не было еще ни времени, ни пространства, все-таки как-то описывается, и в терминах ОТО это является видом гравитационной сингулярности. То есть это точка, в которой величины, описывающие гравитационное поле, становятся бесконечными или неопределенными, и другим примером подобного является черная дыра. Однако, в отличие от черной дыры, сингулярность, из которой произошла наша Вселенная, была так называемой "голой сингулярностью", то есть, если бы был внешний наблюдатель, он мог бы эту точку наблюдать, а черную дыру саму по себе в принципе наблюдать невозможно (только ее окружение).

Описания космологической сингулярности, хотя и даются, получаются довольно противоречивыми:

1. Времени не было.

2. Пространство было бесконечно малым.

3. Плотность была бесконечной.

4. Температура была бесконечной (кстати, это противоречит свойству №3).

5. Упорядоченность была максимальной, а вся последующая история Вселенной – это последовательная победа хаоса над порядком. На самом деле, не совсем понятно, как может быть упорядоченность максимальной, когда ничего, по сути, не было, и тем более при бесконечной температуре.

В общем, описание "сингулярности" мне сильно напоминает описание иудейского Бога, которое обычно делается либо с помощью противоречивых, либо с помощью "бесконечных" (и потому ничего конкретного не означающих) атрибутов. Спрашивается, зачем мы горели на кострах инквизиции – чтобы потом опять водрузить в начале мира нечто богословское? Ватикан, кстати, официально одобрил теорию БЗ, видимо, там тоже почувствовали что-то родное. Теперь это – официальная католическая картина мира, подобно тому, как система Птолемея в средневековье.

Космос – 11. Планковская эпоха

Самый первый момент, в который бомбанул космический пукан. Чтобы его замерить, наталкиваются на ограничения ОТО, которые популярно описаны в клипе внизу. Минимально возможный промежуток времени – это планковское время:

Соответственно, планковское время продолжалось от нуля до 10-43 секунд. Параметры Вселенной в конце планковского времени:

Энергия ~ 1019 ГэВ.

Плотность ~ 1097 кг/м³.

Размер мира ~ 1035 м.

Температура ~ 1032 К.

Ну, то есть, что-то такое кошмарно маленькое и горячее, но все же описываемое в каких-то конкретных цифрах, в отличие от сингулярности.

Структурных частиц еще вообще никаких не было, была некая единая энергия, которая к концу этого времени начала разделяться на гравитационную и негравитационную. Поскольку единой теории всех взаимодействий до сих пор нет, как это все выглядело, тоже неизвестно, и в ускорителях промоделировать это тоже не могут (там же энергии ебошит столько, сколько сейчас есть во всем мире).

В то же время, имеются какие-то наблюдения и эксперименты, относящиеся к состояниям, намного более поздним, чем планковская эпоха, и на базе этих наблюдений пытаются моделировать и самое первое мгновение, но пока все еще очень смутно.

Поскольку они взаимодействие без частиц сейчас не мыслят, то считают, что какие-то частицы тогда уже были, но какие – абсолютно не понятно, тем более, что частица гравитации до сих пор не найдена.

Космос – 12. Эпоха Великого Объединения

Вторая фаза развития Вселенной продолжалась от 10-43 до 10-35 с, то есть была в 100.000.000 раз длиннее, чем первая фаза (описанная в главе "Космос-11").

В начале фазы все взаимодействия были едиными, именно поэтому она так и называется, но название немного неверно, так как именно в точке начала ЭВО гравитация отделилась от прочих взаимодействий. То есть в ЭВО имелись 1) гравитация и 2) все прочие взаимодействия, которые пока не отличались.

В связи с отсутствием в то время структурных частиц никакой массы ни у чего еще не было, и вообще не было вещества.

Предположительно, в конце ЭВО мир имел следующие характеристики:

Энергия 1014 ГэВ.

Температура 1027 K.

Плотность 1074 г/см³.

Сведений о размерах мира я не нашел, но они были не намного выше, чем в планковскую эпоху, так как радикальное расширение мира (инфляция) началось несколько позже. Скорей всего, выше на порядки, но мир в целом оставался, с нашей точки зрения, микроскопическим.

Связанные топики касаются гравитации, о ней уже было, в принципе, почти во всех главах, но теперь – подробно и прицельно. Планируется в ближайшее время обсудить:

1. Закон всемирного тяготения (здесь, соответственно, будет что-то вроде "гравитации в физике Ньютона").

2. Гравитационное излучение в ОТО и его поиски.

3. Квантовая теория гравитации.

4. Гравитон и его предполагаемые свойства.

5. Петлевая квантовая гравитация.

6. Теория Лиси.

Теорий гравитации очень много, и это – одна из ключевых проблем физики в настоящее время, так что, если читатели предложат какие-то еще узловые точки про гравитацию, то можно будет их добавить. Теория струн уже была, поэтому ее не надо.

Космос – 13. Закон всемирного тяготения

Считается, что ньютоновские представления справедливы при обычных скоростях и не очень маленьких размерах объектов.

Основной закон:

F= G * (m1*m2)/R2

То есть сила тяготения прямо пропорциональна массам объектов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними (что связано с тем, что в классических представлениях поля распространяются по сфере, и там получается, что сила распределяется по окружности, и там в формулу, поэтому, попадает квадрат радиуса).

Коэффициент при переменных измерен экспериментально и равен 6,67384(80) *10-11.

Общая картинка выглядит так, что любое тело по кругу распространяет вокруг себя некое влияние (поле), которое измеряется гравитационным потенциалом. Это влияние, в классических представлениях, распространяется через пустое пространство и никаких частиц для передачи себя не требует.

Траектория материальной точки в гравитационном поле, создаваемом много большей по массе материальной точкой, подчиняется законам Кеплера, что на практике означает, что маленькое тело вокруг очень большого движется по эллипсу или по гиперболе. Законы Кеплера, на самом деле, были экспериментально получены до Ньютона, хотя сейчас математически выводятся из законов Ньютона.

Все эти представления входят в ОТО как ее частный случай, поэтому экспериментальные подтверждения закона тяготения считаются также и подтверждениями ОТО.

В совокупности с математическим анализом, законов Ньютона полностью хватало для объяснения всего происходящего на небе, вплоть до появления ОТО.

Роликов на Youtube очень много; тема относится к базовым физическим представлениям, и именно они и должны быть у каждого, а не поповская дребедень, которую в последнее время всем пытаются навязать.

Космос – 14. Гравитационное излучение

Важная концепция ОТО, которую я еще не описывал.

Поскольку гравитация – это, с точки зрения ОТО, искривление ПВК, то она распространяется как волна со скоростью света. Массивный предмет – это что-то вроде камня, кинутого в ПВК как в воду, поэтому естественно, что вокруг него идут круги по воде, это и есть, типа, гравитация. Экспериментально, как и многого из того, что предсказывает ОТО, этих волн не обнаружено. Важно знать, что, по классическим представлениям, гравитация – это поле, тогда как, согласно ОТО, это – волна в ПВК.

Предсказываемые максимальные амплитуды гравитационных волн очень малы – 10-18 – 10-23. Считается, что гравитационная волна является поперечной, квадрупольной и описывается двумя независимыми компонентами, расположенными под углом 45° друг к другу (имеет два направления поляризации).

Гравитационную волну излучает любая движущаяся ускоренно материя. Чем больше масса материи или ее ускорение, тем больше должна быть амплитуда волны. Однако, по законам Ньютона, на всякое действие есть противодействие, и потому, дескать, гравитационные волны взаимно гасятся. Наибольшие волны соответственно порождают сталкивающиеся галактики и нейтронные звезды (очень массивные и очень быстро движутся). При гравитационном излучении теряется энергия, и поэтому все двойные объекты рано или поздно сталкиваются и схлопываются в один. То есть, например, Земля, в принципе, находится в состоянии падения на Солнце, но, так как излучение очень слабое, никогда не упадет, потому что тогда Солнце еще раньше взорвется, о чем в перспективе будет отдельная тема.

Космос – 15. Квантовая теория гравитации.

Сюда относятся всякие попытки описать гравитацию с позиций квантовой парадигмы. При этом обычно пытаются совместить квантовую механику и ОТО, но это плохо получается. Математически суть противоречий в том, что квантовая механика описывает ситуацию дискретно, а ПВК, по Эйнштейну, непрерывно. То есть, чтобы описывать ОТО в терминах КМ (квантовой механики), нужно, чтобы как время, так и пространство являлись тоже квантами, что невозможно описать в терминах имеющейся геометрии (топологии). Кроме того, из-за слабости гравитации затруднены какие-либо эксперименты с ней на нужном для построения квантовой теории уровне. Итак, математически это не описывается, экспериментально это тоже не проверяется, но единую теорию построить очень хочется, что мы сейчас и имеем – есть много чисто теоретических выкладок, как бы все это могло быть.

Основные возможные варианты:

1. Теория струн (про нее уже было).

2. Петлевая квантовая гравитация (будет отдельный пост).

Множество других подходов:

1. Акустическая метрика и другие аналоговые модели гравитации.

2. Асимптоматическая безопасность.

3. Причинная динамическая триангуляция.

4. Теория полей групп.

5. MacDowell–Mansouri действие.

6. Некоммутативная геометрия.

7. Исчисление Регге.

8. Сверхжидкий вакуум, или теория BEC вакуума.

9. Супергравитация.

10. Твистор-модели.

Космос – 16. Гравитон

Гипотетическая частица гравитации, ее существование предполагается еще с 1934 года, но она до сих пор не найдена. В связи с господством квантовой теории поля она просто должна быть, иначе теория неверна. Должна иметь спин = 2 и два направления поляризации (согласно свойствам гравитационного излучения, выше описанным). Не должна иметь массы (так как гравитация распространяется на бесконечное расстояние) и, в общем, сильно должна напоминать фотон. Должна, в принципе, излучаться черными дырами (иначе как они тогда тянут все в себя со страшной силой?)

Поскольку любое поле, создаваемое бозоном со спином 2, по свойствам будет неотличимо от гравитационного, то, если такой бозон будет найден, будут считать, что нашли гравитон.

Существуют некоторые расчеты, по которым никакой детектор в принципе не может обнаружить этой частицы, потому что она очень слабо взаимодействует с материей. Например, детектор с массой Юпитера, не пропускающий никаких частиц, расположенный на близкой орбите нейтронной звезды (самый плотный вид звезд) будет определять 1 гравитон за 10 лет, даже если он ни одного не пропустит (то есть будет работать со стопроцентной эффективностью, чего не бывает). И даже в этом случае нельзя будет отличить гравитон от нейтрино, потому что необходимый щит для фильтрации нейтрино неизбежно свернется в черную дыру.

В настоящее время, тем не менее, ведутся попытки наблюдения гравитационного излучения (о чем было в соответствующей главе). В случае если такое излучение будет обнаружено, по его свойствам можно будет определить некоторые свойства гравитона. Например, если скорость гравитации ниже скорости света, то у гравитона есть масса. Есть некоторые косвенные данные, по которым оно действительно несколько меньше скорости света, то есть гравитон все же массивен. Тогда гравитация не распространяется бесконечно, как свет.

Данная частица крайне популярна в фантастике, где все летает и прыгает как раз на основе гравитонов. В частности, поскольку во времена "Стар Трека" была крайне популярна физика элементарных частиц, "гравитоны" там не сходят с языка героев при описании всяких двигателей и других устройств будущего.

Если гравитоны когда-либо возникли, то это было в Эпоху Великого Объединения непосредственно после Большого Взрыва.

Космос – 17. Петлевая квантовая гравитация (ПКГ).

Еще одна новая теория гравитации, она развивается с восьмидесятых годов прошлого века. Представляет собой попытку экспансии квантовой механики на ОТО. Как я уже говорил, они не согласуются, так вот, в данном случае теория построена так, что если что-то в ОТО не квантовое, то тем хуже для ОТО. То есть, конечно, принимается, что пространство и время состоят из дискретных частей, эти части между собой связаны, и только на больших масштабах кажутся непрерывным ПВК. То есть для больших размеров правильна ОТО, а для маленьких – КМ.

Была, конечно, создана некая специфическая математика для описания; вообще говоря, все эти теории в связи с отсутствием экспериментальной их проверки – это, скорее, теории в математике, чем в физике, что характерно и для излагаемой теории.

Минимальный возможный объем (квант пространства) – это планковская длина (10-33 см), а минимальный квант времени – планковское время (уже было описано).

Кванты пространства-времени описываются некими графами (спиновыми сетями), что позволяет описывать также нужные для соответствия с ОТО искривления пространства-времени.

"Отдельные узлы и ребра диаграмм представляют собой чрезвычайно малые области пространства: типичный узел соответствует объему около одной длины Планка в кубе, а линия – площади порядка одной длины Планка в квадрате. Но, в принципе, спиновая сеть может быть неограниченно большой и сколь угодно сложной. Если бы мы могли изобразить детальную картину квантового состояния нашей Вселенной (т.е. геометрию ее пространства, искривленного и перекрученного тяготением галактик, черных дыр и пр.), то получилась бы гигантская спиновая сеть невообразимой сложности, содержащая приблизительно 10184 узлов".

Перемещение материи, таким образом, описывается как трансформация спиновой сети, при которых изменяется связность графов. То есть, по сути, мир – это такая сетка, а иллюзия видимых и движущихся объектов возникает, когда узлы меняют способ связи между ними: какие-то нити разрываются, какие-то появляются. Эти изменения – вероятностные, причем в данной теории были выведены формулы для вычисления квантовой вероятности шагов спиновой сети, то есть, для предсказания вероятности всего, что происходит в мире.

Поскольку во времени эти "нити" как бы изгибаются, то там они выглядят как "петли", отсюда название теории, а сам процесс мирового движения во времени описывается как "спиновая пена". Пена изменяется дискретно с промежутком в один квант времени (планковское время). То есть, типа, хоп – и все неподвижно, одно состояние пространства, потом хоп – и прошел один квант времени, т.е. пена поменяла связность, и опять все неподвижно. На отдельном срезе мир не меняется, так как его изменение – дискретно.

Одним из следствий из данной теории является то, что до Большого Взрыва происходило сжатие Вселенной, а взрыв являлся именно следствием большого схлопывания.

В случае если пространство и время непрерывны, приходится вводить многочисленные дополнительные измерения (как в теории струн), то есть ПКГ все-таки выглядит как нечто более похожее на то, к чему мы привыкли, собственно, поэтому это, если не ошибаюсь, и есть основной конкурент теории струн в настоящее время.

Космос – 18. Теория Лиси (ТЛ)

Последний сюжет про гравитацию.

Другое название этого – "Исключительно простая теория всего". Основано, как и большинство современных теорий, на специфической топологии.

Предполагает наличие пяти фундаментальных полей:

1. Кванты электрослабых полей W и B, из которых по теории Вайнберга – Салама (стандартной модели) получаются промежуточные бозоны W+, W-, Z0 и фотон A.

2. Цветные глюоны g, являющиеся переносчиками сильных взаимодействий.

3. Спиновая частица w.

4. Частица e, фрейм.

5. Компания бозонов Хиггса f.

Гравитация, по Лиси, не является фундаментальным взаимодействием, но образуется комбинациями частиц еf и ew, то есть гравитон у него – это не одна частица, а две, да еще и сложных.

То есть из четырех известных взаимодействий у него три сведены в два (объединено электрическое и слабое), а четвертое, самое малоизвестное, гравитация, наоборот, разбито на три взаимодействия.

Математический аппарат для описания того, как из всего этого получается наблюдаемый мир – алгебра Ли на четырёхмерном многообразии. Взаимодействия полей рассматриваются как самодействие поля с некоммутативными образующими.

Пишут, что теория элегантная, но всего многообразия наблюдаемых элементарных частиц не объясняет.

Космос – 19. Инфляционная эпоха

Проходила в период с 10-35 до 10-31 секунд от Большого Взрыва. Началось образование материи, что привело к тому, что Вселенная экспоненциально увеличивала свой радиус на много порядков. Образование материи описывается также как фазовый переход. Произошла первичная квантовая флуктуация, то есть вещество образовывалось неоднородным, что и привело к тому, что Вселенная имеет крупномасштабную структуру – галактики, скопления галактик и так далее (сейчас составлена довольно подробная трехмерная карта Вселенной).

Возникли кварки и глюоны, то есть, собственно, сильное взаимодействие, и немедленно начали объединяться в адроны (бариогенезис).

Во время бариогенезиса возникла барионная асимметрия Вселенной – наблюдающаяся асимметрия между материей и антиматерией, в результате которой после совместной аннигиляции материи и антиматерии осталось какое-то количество материи, из которой теперь все и состоит. Если бы не антиматерия, то там было бы вещества еще на десятки таких же Вселенных, в принципе.

К концу периода мир, по сути, уже похож на наш – есть три взаимодействия и элементарные частицы, и есть даже какая-то неоднородность (флюктуация), но он все еще значительно плотнее самой плотной звезды. В этом ужасно плотном состоянии мир состоит из своего рода жидкости из кварков, антикварков и глюонов.