Nawet okresowy Wielki Wybuch może zacząć się na czas

W 1965 otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki Roger Penrose Opublikowany teoria co wskazuje, że Równania z teorii ogólna teoria względności ZEinstein dorozumiane, że plikupadek Siła grawitacyjna wystarczająco masywnej gwiazdy musi koniecznie prowadzić do osobliwościczas, przestrzeń otoczony przez horyzont zdarzeń a zatem wewnątrz a Czarna dziura. Przed nim uważano, że wydarzenie to jest wynikiem doskonałych rozwiązań równań Einsteina. W 1969 opublikowany z Stephen Hawking Ulepszona wersja teorii stworzonej przez tego ostatniego, która zastosowała metody matematyczne i idee Penrose’a do relatywistycznej kosmologii, aby wykazać, że to samo zjawisko wystąpiło podczas Wielkiego Wybuchu.. Można już uznać, że wiele rozwiązań równań Einsteina opisuje a Wszechświat W ekspansji było to poniekąd równoważne, poprzez odwrócenie kierunku upływu czasu, do tego, który opisuje gwiazdę w kolapsie grawitacyjnym.

Tak więc, w bardzo ogólnych warunkach, równania Einsteina wskazywały, że przestrzeń i czas mają początek, początek, podczas którego gęstość i temperatura ich zawartości, a także krzywizna czasoprzestrzeni dążą do nieskończoności, gdy zbliżamy się do chwilowego zera. .

Ale już, w ówczesnych umysłach Hawkinga i jego kolegów, musiało to być po prostu produktem niekwantowej manipulacji czasoprzestrzenią i być może po prostu równaniami Einsteina. Możliwe jest już rozważenie różnych równań, które rządzą zakrzywioną czasoprzestrzenią i kiedy wielkość Wszechświat Na początku rozszerzenia był zauważalnie znacznie mniejszy, a jego zawartość powinna zachowywać się jak a kukurydza Kwant. Teraz wiemy bardzo dobrze, że prawa Mechanika kwantowa Zapewnij dokładnie określony rozmiar atomu, tłumiąc wszelkie zapadanie się jego warstwElektrony w jej istocie. W rzeczywistości pod koniec lat sześćdziesiątych Bryce DeWitt położył podwaliny pod kwantową teorię grawitacji stosowaną w kosmologii.

Pracuje kosmologia Ilość do naśladowania, np. te z Stephen Hawking a ostatnio od Carlo Rovelliprzyjrzy się problematyce poruszanej przez Aleksandra Friedmana w latach 20. i 30. XX wieku, George Lemaitre A przede wszystkim Richard Tolman.

W rękach tych ludzi stało się jasne, że równania Einsteina zawierają wzorce wszechświatów, w których ekspansja przestrzeni ostatecznie zwalnia, zanim się odwróci, przywracając jej zawartość do nieskończonej gęstości. Wtedy może rozpocząć się nowa faza ekspansji, a zatem można sądzić, że natura „wybrała” zamanifestowanie się w formie okresowej kosmologii bez początku ani końca, zawsze oscylującej pomiędzy wielka eksplozja i jeden wielki kryzys – Stosowanie terminów, które pojawią się dopiero po II wojnie światowej i są teraz znane ogółowi społeczeństwa.

Termodynamika Wielkiego Wybuchu

Ale na początku lat trzydziestych ubiegłego wieku pojawił się Amerykanin Richard Tolman, w którym rozpoczął swoją karierę chemia Fizyka, zanim stała się światowym autorytetem w Mechanika statystycznazarówno klasyczne, jak i kwantowe, oraz in Względność, ustalili refleksje, które pokazałyby, że istnieje potencjalny problem w termodynamice relatywistycznej kosmologii okresowej. To był problem, który pogarszał się po tym, jak się dowiedział promieniowanie kosmiczne w 1965 roku.

Rzeczywiście, Tolmanowi udało się przekazać prawa termodynamiki, a zwłaszcza te ściśle powiązane w zakrzywionej czasoprzestrzeni relatywistycznej kosmologii.entropia, jedna z podstawowych funkcji stanu termodynamiki. Wynikało wówczas ostatecznie, że w każdej nowej fazie kosmologii cyklicznej entropia jej zawartości była in kwestia Promieniowanie musi wzrosnąć (można to oszacować mierząc stosunek liczby fotonów do liczby) bariony w widzialnym wszechświecie, a także z zawartością czarnej dziury). Trudno było pogodzić to z obserwacją, że mierzona dzisiaj entropia jest nie tylko skończona, ale bardzo daleka od maksimum, jeśli pomyśleć, że w przeszłości i przyszłości istnieje nieskończona liczba cykli, jak wyjaśniła Nagroda Nobla. Stephen Weinberg Pod koniec jego słynnej książki Pierwsze trzy minuty wszechświata.

Pytanie o to, co dzieje się z entropią cyklicznych wszechświatów i co myśli o tym Tolman, jest bardziej złożone niż to, co właśnie wyjaśnił, ale nadal zastanawiamy się nad trudnościami, jakie stwarza. Kilka lat temu słynny kosmolog i fizyczny Teoretyk Paul Steinhardt ponownie rozważył te pytania ze swoim kolegą Anna Egas.

Naukowcy opublikowali artykuły na arXiv obejmujące domenę numeryczną, Jak bozon Higgsaoraz równania rządzące interakcją między tym polem a ekspansją widzialnego wszechświata. To pole skalarne jest czasami nazywane istotamoże służyć do opisu charakteru ciemna energia Pozwala, aby przyspieszenie ekspansji wszechświata zmieniło się w spowolnienie wraz ze skurczem.

To samo w sobie nie jest nowe, ale w podobnych scenariuszach zbadanych do tej pory następuje faza regresji, a duże odbicie Jak mówimy po angielsku, faza skurczu doprowadziła do intensywności deska I na krótko przed dotarciem do niego, kiedy a połączenie Podczas tej fazy powstały czarne dziury. To połączenie mogłoby uniemożliwić odbicie, a przede wszystkim przejście przez etap kwantowy powinno spowodować rozpoczęcie kolejnego etapu z bardzo wysokim stanem entropii w obserwowalnym wszechświecie, czego nie zaobserwowano.

Kosmologia okresowa bez odbić kwantowych

Anna Egas i Paul J. Steinhardt Następnie wykazali, że w ich standardowym modelu pola skurcz zatrzymuje się, zanim osiągnie gęstość Plancka i wszechświat ponownie się nawróci. Odbija się jednak z większym współczynnikiem ekspansji niż w poprzednim etapie, podczas gdy czynnik ten okresowo oscyluje, przywracając swoje wartości we wcześniejszych modelach kosmologii cyklicznej.

W ten sposób dodatkowa entropia generowana przez poprzednią fazę zostaje w jakiś sposób zmiękczona i wypchnięta z tzwkosmiczny horyzont. Dla obserwatora poniżej tego horyzontu nie ma już ciągłego wzrostu w każdej fazie ekspansji obserwowanego wszechświata i nie ma już rozbieżności między zmierzoną entropią a nieskończonym starożytnym wszechświatem o nieskończonej liczbie cykli w przeszłości.

Ale dwóch innych kosmologów z Uniwersytetu w Buffalo w Stanach Zjednoczonych, William Kenny i Nina K. Stein, właśnie wrzucili kamień do stawu. Według nich, jak wyjaśniają w ogólnodostępnym poście na arXivnawet okresowy wszechświat Ijjasa i Steinhardta musiał mieć początek w czasie z początkową osobliwością.

Obaj badacze wymyślili logikę, którą przedstawił już kilka lat temu Arvind Burd, Alan Guth i Alexander Vilenkininspirowane teoriami Penrose’a i Hawkinga, które pokazały, że nawet słynna teoria inflacji, która miała również umożliwić uniknięcie początkowej osobliwości i zadawania pytań o koncepcję początku wszechświata, nie mogła, w w rzeczywistości obejść się bez tych dwóch pomysłów.

Technicznie jest to prezentacja teorii związanej z tzw. geodezyjną zupełnością czasoprzestrzeni. Te geodezyjne są drogami, którymi muszą podążać promienie świetlne i cząstki materii pod wyłącznym wpływem krzywizny czasoprzestrzeni. William Kinney i Nina K. Stein, a także Arvind Purdy, Alan H. Guth, Alexander Vilenkin do konkluzji, że geodezji w kosmologii Egasa i Steinhardta nie da się określić zmienną mogącą osiągnąć nieskończoność, co w języku geometrii różniczkowej pokazano, że geodezja ta nie była w przeszłości ukończona.

Dlatego w komunikacie prasowym Uniwersytetu w Buffalo Kenny wyjaśnia, co następuje: W przeszłości ludzie tworzyli odbijające się wszechświaty, aby uczynić wszechświat nieskończonym, ale pokazujemy, że jeden z nowszych typów tych modeli nie działa. W tym nowym typie modelu, który zajmuje się zagadnieniami entropii, chociaż wszechświat ma cykle, musiał mieć początek. »

Z następującym wyszczególnieniem: Niestety, od prawie 100 lat wiadomo, że te okresowe wzorce nie działają, ponieważ chaos lub entropia narasta we wszechświecie z biegiem czasu, więc każdy cykl różni się od poprzedniego. To naprawdę nie jest okresowe. Niedawny model cykliczny omija problem narastania entropii, sugerując, że wszechświat rozszerza się z każdym cyklem, osłabiając w ten sposób entropię. Rozciąga wszystko, aby pozbyć się kosmicznych struktur, takich jak czarne dziury, które przywracają wszechświat do pierwotnego, jednorodnego stanu, zanim zacznie się kolejne odbicie.

Krótko mówiąc, pokazaliśmy, że rozwiązując problem entropii, tworzysz sytuację, w której wszechświat musi mieć początek. Nasze dowody ogólnie pokazują, że każdy cykliczny wzór, który usuwa entropię przez rozciąganie, musi mieć swój początek. »

Kenny przyznaje jednak: Nasz dowód nie dotyczy A Model okresowy zaproponowany przez Rogera Penrose’a, w którym wszechświat rozszerza się w nieskończoność z każdym cyklem. Pracujemy nad tym problemem. »