41Стр.Низ
ЧТЕНИЕ (5B)
• прежде, чем прочитать проход, прочитайте его заголовок и скажите, что Вы знаете о проблеме. Обсудите проблему со своими партнерами. Тогда прочитайте проход и И факты, поддерживающие Ваши идеи.
СКОЛЬКО ИЗМЕРЕНИЙ СУЩЕСТВУЕТ?
Это обычно считается само собой разумеющимся,что есть три измерения места и единственное измерение времени. Таким образом, любому случаю, который происходит где-нибудь во вселенной,можно назначить местоположение в месте, используя три координаты и местоположение во время, используя один. физики *But и математики изучили гипотетические миры, в которых больше или меньше измерений существуют, и таким образом вопросы возникают относительно того, строго правильна ли обычная вера о нашем мире, и если так, можем ли мы найти любую причину для этого являющийся истинным. Например, мы могли бы рассмотреть возможность, что есть действительно четыре измерения места, но что по некоторым причинам, у всех явлений, которые мы обычно наблюдаем, есть та же самая ценность для одной из космических координат.
Было известно в течение столетия что, если бы размерность места была кроме три, и если бы свободное движение было возможно во всех измерениях таким же образом, то некоторые из известных законов физики не получали бы. Обратный квадратный закон Ньютона для силы силы тяжести - один такой. Этот аргумент дает дополнительные свидетельские показания, что место является фактически трехмерным, но не объясняет, почему это так. * Кроме того, это не исключает возможность
41Стр.Низ
42стр.
у того нашего мира есть больше чем ожидаемое число измерений, но что большинство явлений ограничено в том, как они могут измениться по дополнительному измерению.
Наш подход к вопросу должен рассмотреть, как пространство и время с различными числами измерений могло бы вести себя. Например, можно было бы найти, что размерность пространства и времени может самостоятельно подвергнуться развитию, и что ценности, знакомые нам, являются существующим результатом того развития. Такой подход вовлек бы отношения между числом измерений и другими физическими количествами, такими как температура вселенной. Через эти отношения размерность была бы определена этими другими количествами. Так как размерность обычно берется, чтобы быть целым числом, для измерения не могло бы быть возможно исчезнуть через развитие. *Instead, что могло бы случиться через развитие, - то, что некоторые дополнительные измерения могли стать подавленными в сравнениях с другими. Наша существующая картина расширения вселенной делает эту идею намного более вероятной,чем это было однажды. Так как все было однажды намного ближе вместе, чем это теперь, мы можем предположить, что есть действительно более измерения, чем мы думаем. Расширение вселенной, возможно, имело место асимметрично, так, чтобы в одном из измерений было небольшое или никакое расширение, и масштаб расстояний в том измерении все еще был бы столь же маленьким, как это было в начале вселенной.
Если бы эта идея правильна, она означала бы, что действительно есть больше чем знакомое число измерений. *It интригует, чтобы думать,что могло бы быть возможно найти немного технологический, означает находить и изучать обычно недоступные измерения. Очень вероятно некоторые явления были бы различны во вселенной с больше чем четырьмя измерениями, даже если бы не было никакой симметрии между различными измерениями. Это представляло бы большой интерес, чтобы идентифицировать такие явления и видеть, могут ли они наблюдаться.
Исследования *Theoretical показали что, если общая теория относительности настроена в пространстве-времени больше чем четырех измерений, и если степени дополнительных измерений сделаны маленькими и связанными как цилиндр, то получающаяся теория описывает не только силу тяжести, но также и электромагнетизм и другие области, которые были введены, чтобы описать податомные частицы. Дополнительные измерения в этом случае связаны не с пространством и временем, а с внутренним symmetries. Физики активно пытаются объединить пространство-время symmetries и внутренний symmetries таким образом.
Если бы другие измерения действительно существуют, мы все еще хотели бы объяснить точное число еще через некоторые основные принципы. В типе теории, только описанной, общее количество измерений было бы связано через внутреннюю симметрию с числом квантовых областей, которые существуют. Но мы должны все еще должны быть понять, почему точно четыре измерения расширились, в то время как другие оставались маленькими. вопрос о *The размерности пространства-времени готов для более серьезного исследования.
42стр.
47стр.
THE UNIVERSE IS A HONEYCOMB
What does our Universe look like? Does it conform to the popularly held concept of a black abyss with islands of galaxies dispersed through it with no boundaries or shape? Apparently, it does not. "The Universe has a clear-cut structure," says astronomer D.Sc. Jaan Einasto, who heads the sector of the physics of galaxies at the Institute of Astrophysics and Atmospheric Physics of the Estonian Academy of Sciences. Imagine a honeycomb! This is not a hypothesis! Einasto says he has the evidence to prove it. What do we know about the Universe? First, it came into being as a result of the "Big Bang" some 20 billion years ago. This creation was a fantastically quick, but precisely accurate process. In moments, the composition of all matter was formed: electrons, neutrons, protons, barions and other particles. Through subsequent expansion, this matter, which originally was in a state of superdense and superhot plasma, cooled and condensed into the galaxies, stars and planets... . Second, the "Big Bang" process continues. We are still living in an expanding Universe. This is proved by the galaxies "running" away in different directions.
What was there before the bang, before this "beginning of all beginnings"? Science still has no answer, because all the known laws of physics only became meaningful instants after the bang.
What is in store? Shall we continue to infinitely expand, or will the Universe, at some point, begin to contract again? The answer lies hidden in the matter contained in the Universe.
What does the "honeycomb" have to do with the Universe? — The structure of the Universe discovered explains a great deal. At the beginning and in the first stage of expansion, matter was distributed uniformly. Scientists came to understand this in the 60s, when the relic electromagnetic radiation which remained since the blast was discovered. This radiation originally had the same temperature as matter and, therefore, expanded along with it. But now it has cooled off, just as matter itself, and the temperature of this radiation (weak radiowaves) that pierces space is the same everywhere — something about 3° Kelvin (approximately —270°C). In other words uniformity is a major property of the Universe.
And yet, at the very beginning, there were some processes which led to the formation of stars, galaxies, accumulations, i.e. to the condensation of matter. These non-uniformities show that a pattern something like a gigantic honeycomb with a diameter of 100-200 megaparsec (a megaparsec is 30 million light years) has been created. The "walls" of the cells are made of accumulations of galaxies, and where they meet, the accumulations are more numerous and the radiation in the X-range is more intensive. In other words, the comb is a real structure.
How is it that the freely moving galaxies evolved into this particular formation? Is this chance occurrence?—The "rigidity" of the structure indicates
47стр.
48стр.
that the "combs" themselves appeared initially and then galaxies. How can this paradox be explained? — Most likely the "combs" came into being when the galaxies were still in their gaseous state. To use an analogy, imagine two gas bubbles expanding towards each other. The more they expand, the greater the compression between them. At a certain moment they collide. This is when a certain flat formation originates between them, which Academician Yakov Zel'dovich called a "pancake" in his hypothesis which led to the idea of the cellular structure of the Universe. The joining of a multitude of these "pancakes" represents the walls of the gigantic "combs" in which the galaxies have accumulated.
If there are "combs", one would assume there should be "honey"? Could it be that all the matter of the Universe went into the "walls" and the cells themselves are empty? — There is no visible matter there. But it is very difficult to conceive of a physical process which would absolutely cleanse these tremendous cavities of everything. So, perhaps, we just don't see this substance. We have to assume the existence of some invisible mass whose attraction influences the movement of galaxies, thus maintaining the structure of the "combs". This mass should be many times greater than the visible matter in the areas of accumulation, i.e. in the "walls". The density of the "invisible" substance should also be far higher.
Do scientists mean the neutrinos? — Yes, they do. Until recently it has been believed that the neutrino has no rest mass and moves with the speed of light, without interacting with anything in its path. But the sensational findings of a group of investigators led by V. Lyubimov (the Institute of Experimental and Theoretical Physics) show that the rest mass of the neutrino is larger than zero. This means that the neutrino, which literally floods the Universe is, regardless of its negligible mass, the principal matter of the Universe and hence the principal part of its entire mass. The conventional matter in the Universe comprises but only three per cent. It is most likely that the "combs" themselves and the entire cellular structure of the Universe is the result of their force of gravity.
The future of the Universe is in its structure. We have to know whether it is finite. Within a "finite" Universe, the galaxies, after thousands of millions of years have passed, will inevitably begin a reverse process, and expansion will give way to contraction. Our Universe will again become a "dot" and everything will be repeated. And so on for ever and ever...
48стр.
47стр.
ВСЕЛЕННАЯ - СОТЫ
На что похожа наша Вселенная? Это соответствует обычно проведенному понятию черной пропасти с островами галактик, рассеянных через это без границ или формы? Очевидно, это не делает." У Вселенной есть четкая структура," говорит астроном D.Sc. Jaan Einasto, кто возглавляет сектор физики галактик в Институте Астрофизики и Атмосферной Физики эстонской Академии Наук. Вообразите соты! Это не гипотеза! Einasto говорит, что у него есть свидетельство, чтобы доказать это. Что мы знаем о Вселенной? Во-первых, это возникло в результате "Большого взрыва" приблизительно 20 миллиардов лет назад. Это создание было фантастически быстрым, но точно точным процессом. В моментах был сформирован состав всего вопроса: электроны, нейтроны, протоны, barions и другие частицы. Через последующее расширение, этот вопрос, который первоначально был в состоянии суперплотной и супергорячей плазмы, охлажденной и сжатой в галактики, звезды и планеты. Во-вторых, процесс "Большого взрыва" продолжается. Мы все еще живем в расширяющейся Вселенной. Это доказано галактиками ", бегущими" далеко в различных указаниях.
Что было там перед ударом, перед этим "началом всех начал"? У науки все еще нет никакого ответа, потому что все известные законы физики только стали значащими моментами после удара.
Что ожидает? Мы продолжим бесконечно расширяться, или будет, Вселенная, в некоторый момент, начинает заключать контракт снова? Ложь ответа, скрытая в вопросе, содержится во Вселенной.
Что "соты" имеют отношение ко Вселенной? — Структура обнаруженной Вселенной объясняет много. Вначале и в первой стадии расширения, вопрос был распределен однородно. Ученые приехали, чтобы понять это в 60-ых, когда пережиток электромагнитная радиация, которая оставалась начиная со взрыва, был обнаружен. Эта радиация первоначально имела ту же самую температуру как вопрос и, поэтому, расширилась наряду с этим. Но теперь это остыло, так же, как вопрос непосредственно, и температура этой радиации (слабый radiowaves), который проникает, место - то же самое всюду — кое-что приблизительно 3 ° Келвина (приблизительно—270°C). Другими словами однородность - главная собственность Вселенной.
И все же, в самом начале, были некоторые процессы, которые привели к формированию звезд, галактик, накоплений, то есть к уплотнению вопроса. Эти неоднородности показывают, что образец кое-что как гигантские соты с диаметром 100-200 мегапарсек (мегапарсек - 30 миллионов световых годов) было создано. "Стены" ячеек сделаны из накоплений галактик, и где они встречаются, накопления являются более многочисленными, и радиация в X-диапазоне более интенсивна. Другими словами, гребенка - реальная структура.
Как получается, что свободно движущиеся галактики развились в это специфическое формирование? Это случайное возникновение? - "жесткость" структуры указывает
47стр.
48стр.
то, что "сами гребенки" появились первоначально и затем галактики. Как этот парадокс может быть объяснен? — Наиболее вероятно "гребенки" возникли, когда галактики были все еще в их газообразном состоянии. Чтобы использовать аналогию, вообразите два газовых пузыря, расширяющиеся друг к другу. Чем больше они расширяются, тем больший сжатие между ними. В определенный момент они сталкиваются. Это - то, когда определенное плоское формирование происходит между ними, которых Академик Яков Zel'dovich назвал "блином" в его гипотезе, которая привела к идее клеточной структуры Вселенной. Присоединение множества этих "блинов" представляет стены гигантских "гребенок", в которых накопились галактики.
Если бы есть "гребенки", можно было бы предположить, что должен быть "мед"? Могло случиться так, что весь вопрос Вселенной вошел в "стены", и сами ячейки пусты? — Там нет никакого видимого вопроса. Но очень трудно забеременеть физического процесса, который абсолютно чистил бы эти огромные впадины всего. Так, возможно, мы только не видим это вещество. Мы должны принять существование некоторой невидимой массы, привлекательность которой влияет на движение галактик, таким образом поддерживая структуру "гребенок". Эта масса должна быть много раз больше чем видимый вопрос в областях накопления, то есть в "стенах". Плотность "невидимого" вещества должна также быть намного выше.
Ученые подразумевают neutrinos? — Да, они делают. До недавнего времени полагалось, что нейтрино не имеет никакой массы отдыха и перемещается со скоростью света, не взаимодействуя ни с чем в его пути. Но сенсационные результаты группы исследователей во главе с V. Lyubimov (Институт Экспериментальной и Теоретической Физики) показывает, что остальные масса нейтрино больше чем ноль. Это означает, что нейтрино, которое буквально затопляет Вселенную, независимо от ее незначительной массы, основного вопроса Вселенной и следовательно основной части ее всей массы. Обычный вопрос во Вселенной включает, но только три процента. Это наиболее вероятно, что "гребенки" непосредственно и вся клеточная структура Вселенной - результат их силы силы тяжести.
Будущее Вселенной находится в ее структуре. Мы должны знать, конечно ли это. В пределах "конечной" Вселенной, галактики, после того, как тысячи миллионов лет прошли, неизбежно начнет обратный процесс, и расширение уступит сокращению. Наша Вселенная снова станет "точкой", и все будет повторено. И так далее навсегда и когда-либо...
48стр.
50стр.
SCENARIO 1. A FINITE SMALL UNIVERSE
The universe can only be finite if there is enough matter inside it to curve space-time so that it closes on itself. We do not know whether there is enough matter to do this. * We do know that the amount of visible matter is at least one-tenth as much as we calculate is necessary for this to happen — and that there may be enough matter that is presently invisible to make up the difference.
Some of this invisible matter may exist in the form of neutrinos, neutral particles that interact only very weakly. Neutrinos exist in the universe in large enough numbers so that if they have a small mass they could provide enough energy density to close the Universe. *The same may be true about other, presently unknown, subatomic particles.
If there is enough matter present to make the universe finite then there is also enough to cause the expansion to eventually stop and be replaced by a contraction. If this is the actual condition in our universe then we would like to know when this changeover will occur. We cannot say this precisely, because of lack of information about the actual amount of matter in the universe, but we can say that it will not happen for a long time, probably at least as long as the time since the Big Bang — 10 to 15 billion years.
*It is usually assumed that the size of a finite universe would only be a few times larger than the size of that part we are presently aware of, about 1023 kilometers in radius. Yet there is no good reason for believing this either on the basis of observation or of theoretical cosmology. If it were true, then the universe would begin contracting at a time in the future that is not much longer than it has already lived, so that our universe could be said to be middle-aged.
In this scenario, which I call the finite small universe, the future of the universe does not depend much on the details of particle physics. We know that nothing much can happen to change the properties and distribution of the subatomic particles in the universe over the next few tens of billions of years, until the density of matter becomes very high through the prolonged contraction of space-time. For example, we know that if protons are unstable, their lifetime is at least 1020 times greater than the present age of the universe, so that in the scenario under discussion, very few protons would have time to decay before
50стр.
51стр.
the universe contracts back to the Big Crunch. Even the behaviour of much larger constituents of the universe, such as many stars and galaxies, would remain pretty much as they are now during the remaining expansion time for
the universe.
The study of particle physics as it relates to the future of the finite small universe is interesting only at two points: when the expansion is reversing to a collapse, and when the collapse reaches its final stages.
Long before the collapse reaches its final stages, any of the large material structures such as stars, planets and their inhabitants that exist in the current universe will have been destroyed by the increase in temperature and density that will take place during the period of contraction. Perhaps the most significant question about any finite universe is whether there is some way that intelligent beings could avoid being caught up in the eventual Crunch. Even optimistic writers, such as the American physicist Freeman Dyson, have asserted that this is probably hopeless. Yet I think that even in this scenario, the ultimate future for intelligence may not be completely bleak (мрачный). The basis for my optimism is the notion that the space-time that we inhabit is not all there is, a view that a number of physicists have considered seriously, both for finite and infinite space-times. *For example, it is intellectually irresistible to think of a finite universe as embedded in some larger universe, with a higher number of dimensions, just as the two-dimensional, finite surface of the earth lies in three-dimensional space. *Indeed, the mathematical description of a finite universe makes use of such an embedding into a five-dimensional space-time. This approach to the idea of extra dimensions is different from the one discussed previously, because here the extra dimensions are not tiny in extent. *Conceivably, both types of extra dimensions might exist. If there are large extra dimensions we are free to speculate that other realms lie in this larger universe, and that their evolution need not parallel that of our own.
At present, this is no more than a science-fiction plot. However, if there are more dimensions than those we know, or four-dimensional space-times in addition to the one we inhabit, then 1 think it very likely that there are physical phenomena that provide connections between them. *It seems plausible that if intelligence persists in the universe, it will, in much less time than the many billions of years before the Big Crunch, find out whether there is anything to this speculation, and if so how to take advantage of it.
51стр.
50стр.
СЦЕНАРИЙ 1. КОНЕЧНАЯ МАЛЕНЬКАЯ ВСЕЛЕННАЯ
Вселенная может только быть конечной, если есть достаточно вопроса в ней,чтобы изогнуть пространство-время так, чтобы она закрылась на себе. Мы не знаем, есть ли достаточно вопроса, чтобы сделать это. * Мы действительно знаем, что количество видимого вопроса - по крайней мере одна десятая столько, сколько мы вычисляем, необходимо для этого, чтобы случиться — и что может быть достаточно вопроса, который теперь невидим,чтобы составить различие.
Часть этого невидимого вопроса может существовать в форме neutrinos, нейтральные частицы, которые взаимодействуют только очень слабо. Neutrinos существуют во вселенной в достаточно больших числах так, чтобы, если у них есть маленькая масса, они могли бы обеспечить достаточную плотность энергии, чтобы закрыть Вселенную. *The то же самое может быть верным о другом, теперь неизвестных, податомных частицах.
Если есть достаточно подарка вопроса, чтобы сделать вселенную конечной тогда есть также достаточно, чтобы заставить расширение в конечном счете останавливаться и заменяться сокращением. Если бы это - фактическое условие в нашей вселенной тогда, мы хотели бы знать, когда это переключение произойдет. Мы не можем сказать это точно, из-за нехватки информации о фактическом количестве вопроса во вселенной, но мы можем сказать, что это не будет случаться в течение долгого времени, вероятно по крайней мере пока время начиная с Большого взрыва — 10 лет.
*It обычно принимается, что размер конечной вселенной только был бы несколько раз большим чем размер той части, о которой мы теперь знаем,в радиусе. Все же нет никакой хорошей причины для веры этому или на основе наблюдения или теоретической космологии. Если бы это было верно, то вселенная начала бы заключать контракт за один раз в будущем, которое не намного более длинно, чем это уже жило, так, чтобы наша вселенная, как могли говорить,была средних лет.
В этом сценарии, который я называю конечной маленькой вселенной, будущее вселенной не зависит очень от деталей физики элементарных частиц. Мы знаем, что ничто очень, может случиться, не изменяет свойства и распределение податомных частиц во вселенной по следующим немногим десяткам миллиардов лет, пока плотность вопроса не становится очень высокой через длительное сокращение пространства-времени. Например, мы знаем, что, если протоны непостоянны, их целая жизнь чем существующий возраст вселенной, так, чтобы в сценарии при обсуждении, у очень немногих протонов было бы время, чтобы распасться прежде
50стр.
51стр.
вселенная заключает контракт назад к Большому Хрусту. Даже поведение намного больших элементов вселенной, такой так много звезд и галактик, осталось бы в значительной степени, поскольку они теперь в течение остающегося времени расширения для
вселенная.
Исследование физики элементарных частиц, поскольку это имеет отношение с будущим конечной маленькой вселенной, интересно только в двух пунктах: когда расширение полностью изменяет к краху, и когда крах достигает своих заключительных стадий.
Прежде, чем крах достигает своих заключительных стадий, любая из больших материальных структур,таких как звезды, планеты и их жители, которые существуют в текущей вселенной,будет разрушена увеличением температуры и плотности, которая будет иметь место во время периода сокращения. Возможно самый существенный вопрос о любой конечной вселенной - есть ли некоторый способ, которым интеллектуальные существа могли избежать схватываться в возможном Хрусте. Даже оптимистические авторы, такие как американский Почетный гражданин физика Dyson, утверждали, что это вероятно безнадежно. Все же я думаю, что даже в этом сценарии, окончательное будущее для разведки, возможно, не полностью холодно (мрачный). Основание для моего оптимизма - понятие, что пространство-время, которое мы населяем, не является всем, что есть, представление, что многие физики рассмотрели серьезно, и в течение конечных и бесконечных космических времен. Пример *For, это интеллектуально непреодолимо, чтобы думать о конечной вселенной как вложенной в небольшое количество большей вселенной, с более высоким числом измерений, так же, как двумерная, конечная поверхность земной лжи в трехмерном месте. *Indeed, математическое описание конечной вселенной использует такое вложение в пятимерное пространство-время. Этот подход к идее дополнительных измерений отличается от того, обсужденного ранее, потому что здесь дополнительные измерения не являются крошечными в степени. *Conceivably, оба типа дополнительных измерений могли бы существовать. Если есть большие дополнительные измерения, мы свободны размышлять, что другие царства лежат в этой большей вселенной, и что их развитие не должно быть параллельным этому собственный.
В настоящее время, это - не больше, чем заговор научной фантастики. Однако, если есть более измерения чем те, мы знаем, или четырехмерные космические времена в дополнение к тому, который мы населяем, тогда 1 думают это очень вероятно, что есть физические явления, которые обеспечивают связи между ними. *It кажется вероятным, что, если разведка сохраняется во вселенной, это будет, в намного меньшее количество времени чем много миллиардов лет перед Большим Хрустом, узнайте, есть ли что-нибудь к этому предположению, и раз так как использовать в своих интересах это.
51стр.
55стр.
CHAOTIC INFLATION
Since 1980, cosmologists have modified considerably their theories of the earliest stages of the evolution of the Universe. This modification is based upon the so-called "inflationary" Universe scenario. The most promising version of this idea — "chaotic inflation" is described below by Andrei Linde, one of the architects of the new model.
The essence of the inflationary hypothesis is that we live in a single domain of the Universe, a region corresponding to one crystal domain, which has expanded so much ("inflated") that the domain walls are far beyond the range of our telescopes. The few monopoles present in the original small volume of the Universe that has been blown up to the scale of 1028 cannot play a significant role in the evolution of our local bubble of space-time, so that the concept removes the monopole problem. But how and why did the Universe as we know inflate in this way?
The first version of the inflationary Universe was suggested by Allan Guth (MIT, USA) in July 1980. His scenario was based on the idea of high-temperature phase transitions, which provided the energy for a rapid burst of expansion early in the life of the Universe. Like water giving up its latent heat of fusion as it freezes, those phase transitions, Guth suggested, might give up energy, which went to make the Universe expand exponentially for a short time. But as Guth himself pointed out at the time, this early version of inflation predicted an extremely inhomogeneous state for the Universe after the phase transition.
In October 1981, I put forward an improved version of the inflation idea, which, for obvious reasons, became known as the "new inflationary scenario". This resolved some of the difficulties in Guth's original version. This new inflationary scenario caused a stir among cosmologists and physicists, and was very widely discussed. New inflation resolved many of the large discrepancies between the predictions of field theory and the observations of the real Universe, and suggested that we were on the right way towards an understanding of the Universe birth. But even this variation proved impossible to reconcile completely with the most realistic theories of elementary particles developed. In 1983, however, I was able to resolve most of those remaining difficulties with another variation of the inflationary scenario, called "chaotic inflation". This abandons the idea that high-temperature phase transitions provided the push behind the inflation in the very early Universe. In my opinion this scenario is much simpler and more natural than other versions of the inflationary Universe.
55 стр.
55стр.
ХАОТИЧЕСКАЯ ИНФЛЯЦИЯ
С 1980, космологи изменили значительно свои теории самых ранних стадий развития Вселенной. Эта модификация основана на так называемом "инфляционном" сценарии Вселенной. Самая многообещающая версия этой идеи — "хаотическая инфляция" описана ниже Андреем Linde, одним из архитекторов новой модели.
Сущность инфляционной гипотезы - то, что мы живем в единственной области Вселенной, область, соответствующая одной кристаллической области, которая расширилась так ("раздутый"), что стены области далеко вне диапазона наших телескопов. Немного монополей представляют в оригинальном маленьком объеме Вселенной, которая была унесена до масштаба 1028, не может играть существенную роль в развитии нашего местного пузыря пространства-времени, так, чтобы понятие удалило проблему монополя. Но как и почему сделал Вселенную, поскольку мы знаем, раздувают таким образом?
Первая версия инфляционной Вселенной была предложена Алланом Guth (Массачуссетский технологический институт, США) в июле 1980. Его сценарий был основан на идее высокотемпературных переходов фазы, которые обеспечили энергию для быстрого взрыва расширения рано в жизни Вселенной. Как вода, бросая ее скрытую высокую температуру сплава, поскольку подмораживает, те переходы фазы, предложенный Guth, мог бы бросить энергию, которая пошла, чтобы заставить Вселенную расшириться по экспоненте в течение короткого времени. Но поскольку сам Guth указал в то время, эта ранняя версия инфляции предсказала чрезвычайно неоднородное государство для Вселенной после перехода фазы.
В октябре 1981, я выдвигал улучшенную версию идеи инфляции, которая, по очевидным причинам, стала известной как "новый инфляционный сценарий". Это решило некоторые из трудностей в оригинальной версии Guth's. Этот новый инфляционный сценарий вызвал движение среди космологов и физиков, и был очень широко обсужден. Новая инфляция решила многие из больших несоответствий между предсказаниями полевой теории и наблюдениями за реальной Вселенной, и предположила, что мы были на правильном пути к пониманию рождения Вселенной. Но даже это изменение оказалось невозможным урегулировать полностью с самыми реалистическими теориями элементарных развитых частиц. В 1983, однако, я был в состоянии решить большинство из трудности с остающимися с другим изменением инфляционного сценария, названного "хаотическая инфляция". Это оставляет идею, что высокотемпературные переходы фазы обеспечили толчок позади инфляции в очень ранней Вселенной. По моему мнению этот сценарий является намного более простым и более естественным чем другие версии инфляционной Вселенной.
55стр.
56стр.
Order out of Chaos
According to the unified theories of particle physics, the Universe is filled with many types of uniform, homogeneous scalar fields. The nature of each
field is determined by the position of a minimum in its potential energy function, the field rolling down to its minimum as the Universe cooled. But at the very
early stages of the Universe evolution, when none of the fields had yet had time to roll down into its minimum state, each field could be homogeneous and have a different value in different parts of the Universe. In that split second after the moment of creation, there had not been enough time for the field to become homogeneous. This is what I refer to as a "chaotic" distribution of the field and it has interesting and unexpected consequences.
If the field in one region is initially almost homogeneous and is far from its equilibrium state (that is, it has a large potential energy) then it "rolls down" into the minimum very slowly. But as the Universe expands, the energy density of all the particles in the Universe decreases very rapidly. So, the total energy density of the cooling Universe quickly becomes equal to the slowly changing potential energy of the scalar field.
According to the general theory of relativity, the rate at which the Universe expands depends on the energy density of the matter that fills the Universe. If the energy density is constant (or changes very slowly) then the equations tell us that the Universe must expand with ever increasing speed, exponentially.
This period of inflation is longer if the field started out further away from its minimum value, because it takes longer to roll down to the minimum. The simplest theories of the scalar field suggest that during the exponential expansion the size of the Universe was blown up by a factor of 101000000, and that the largest domain must have grown from the region originally filled with the field that was in a state furthest away from its equilibrium value.
When the field rolls down to its minimum value it oscillates to and fro about the minimum and energy from the oscillating field is converted into elementary particles. By the time the oscillation has damped itself out, the Universe (or a particular domain) has been filled with hot particles and the subsequent evolution of that domain can be described adequately by the standard model of the hot big bang. The only difference is that there was a phase of exponential expansion inflating a tiny seed of the Universe by a factor of 101000000, before the outburst from the hot big bang itself. But this small difference leads to very important consequences.
Suppose, for example, that the exponentially expanding domain started out very curved. After expanding 101000000 times, however, the geometry of space inside such a domain scarcely differs from the Euclidean geometry of flat space, just as the surface of a balloon expanded by a similar amount would look very much like the surface of a flat plane. Similarly, any irregularities are smoothed away by the expansion (inflation) so that the domain becomes very
…(продолжение 2 строчки.)
57стр.
56стр.
Заказ из Хаоса
Согласно объединенным теориям физики элементарных частиц, Вселенная заполнена многими типами однородных, гомогенных скалярных областей. Природа каждого
область определена положением минимума в его потенциальной функции энергии, область, катящаяся вниз к его минимуму как охлажденная Вселенная. Но в очень
ранние стадии развития Вселенной, когда ни у одной из областей еще не было времени, чтобы катиться вниз в его минимальное государство, каждая область, могли быть гомогенными и иметь различную ценность в различных частях Вселенной. В той доле секунды с момента создания не было достаточного количества времени для области, чтобы стать гомогенным. Это - то, что я именую как "хаотическое" распределение области, и у нее есть интересные и неожиданные последствия.
Если область в одной области является первоначально почти гомогенной и является далекой от ее состояния равновесия (то есть, у этого есть большая потенциальная энергия), тогда, это "катится вниз" в минимум очень медленно. Но поскольку Вселенная расширяется, плотность энергии всех частиц в уменьшениях Вселенной очень быстро. Так, плотность полной энергии охлаждающейся Вселенной быстро становится равной медленно изменяющейся потенциальной энергии скалярной области.
Согласно общей теории относительности, норма, по которой расширяется Вселенная, зависит от плотности энергии вопроса, который заполняет Вселенную. Если плотность энергии является постоянной (или изменяется очень медленно), тогда, уравнения говорят нам, что Вселенная должна расшириться с когда-либо увеличивающейся скоростью, по экспоненте.
Этот период инфляции более длинен, если область начиналась еще дальше от ее минимальной ценности, потому что это занимает больше времени катиться вниз к минимуму. Самые простые теории скалярной области предполагают, что во время показательного расширения размер Вселенной был взорван фактором 101000000, и что наибольшая область, должно быть, росла от области, первоначально заполненной областью, которая была в государстве дальше всего далеко от его ценности равновесия.
Когда область катится вниз к ее минимальной ценности, она колеблется туда и сюда о минимуме, и энергия от колеблющейся области преобразована в элементарные частицы. К тому времени, когда колебание заглушило себя, Вселенная (или специфическая область) была заполнена горячими частицами, и последующее развитие той области может быть описано соответственно стандартной моделью горячего большого взрыва. Единственное различие - то, что была фаза показательного расширения, раздувающего крошечное семя Вселенной фактором 101000000, перед вспышкой от горячего большого взрыва непосредственно. Но это маленькое различие приводит к очень важным последствиям.
Предположите, например, что по экспоненте расширяющаяся область начиналась очень кривой. После расширения 101000000 раз, однако, геометрия места в такой области едва отличается от Евклидовой геометрии плоского места, так же, как поверхность воздушного шара, расширенного подобным количеством, очень походила бы на поверхность плоского самолета. Точно так же любые неисправности сглажены расширением (инфляция) так, чтобы область стала очень
… (продолжение 2 строчки).
57стр.
58стр.
SCENARIO 2. A LARGE FINITE UNIVERSE
From what we presently know about cosmology, it is possible that the Universe is finite but immensely larger than we can observe at this time. This possibility would require that the density of energy in the Universe be slightly larger than the amount needed to cause the Universe to close.
If this is the actual situation, the Universe will continue to expand for very much longer than it has already existed. Although it will eventually stop and begin to contract, our current space-time is in its infancy. The long-term future of the Universe would then depend on the behaviour of matter, so that such a Universe is of more interest to physicists than that of Scenario 1.
In a large finite Universe, very slow processes that could change the character of the matter in the Universe would have time to act during the long period of expansion. * Physicists have identified a number of such hypothetical processes, all of which act over time scales that are much greater than the present age of the Universe, but which could be considered short compared to its ultimate life span. One such process is the decay of protons into fighter particles, which, if it occurs, would require at least 1031 years on the average. *Another possibility is that quantum mechanical effects will lead relatively small bits of matter to spontaneously collapse into black holes. It is difficult to make precise estimates of how much time such an event would take, but it is likely to take extremely long, much longer even than for protons to decay. Some matter will end up in black holes more quickly, as gravity makes some stars and galaxies collapse.
*Although the ultimate fate of the black holes is unknown, as they slowly evaporate, most of the matter that was caught in them will be transformed into radiation by the process conceived ofby Hawking. Therefore, whether or not
58стр.
59стр.
isolated protons decay into lighter particles, if the Universe continues to expand for long enough, much of the matter presently in it will ultimately be changed into photons and any other massless particles that may exist.
There is still another possibility; which is relevant if the Universe contains large numbers of neutrinos and antineutrinos, or other weakly interacting particles with small mass. Like electrons and positrons, these neutrinos and antineutrinos can, when they collide, convert into photons, a process known as annihilation. Although the rate at which this happens is low, if the Universe lives long enough, many neutrinos and antineutrinos will annihilate. *There is a theory that the energy density of these weakly interacting particles produces the gravity that holds galaxies and clusters of galaxies together. *If this is true, then their annihilation could lead to the instability of galaxies, the most characteristic objects in our present Universe. It seems likely, then, that the most familiar objects in the present Universe, from atoms through galactic clusters, are not eternal. They will disappear in the future, if the Universe lives long enough.
This scenario should not surprise us. If the most important constituents of the present Universe are destined to disappear, they will surely be replaced by something new. From what we know of the past evolution of the Universe this has happened several times in the past as the Universe went from one dominated by many distinct particle species to one dominated by photons to one dominated by protons.
Some physicists have tried to describe the Universe that would develop after the protons have decayed or the black holes have swallowed up matter as we know it. These considerations would apply either to the large finite Universe of the present scenario (so long as it is still expanding) or to the next scenario, in which the Universe is finite and expands for ever. The analysis is not complete, but it suggests that some forms of matter other than photons would persist (continue to act) in such a future Universe.
The protons that are present in our Universe would decay into positrons. These positrons can annihilate with the electrons already present to yield photons. * However, the extent to which this happens depends on the rate of expansion of the Universe, which by increasing the average distance between particles, decreases the chance of annihilation. The analyses that have been given suggest that many of the positrons will find themselves too far away from an electron to annihilate. Consequently, some positrons, and an equal number of electrons, will remain indefinitely. The same appears to be true for neutrinos of finite mass, if there are any such particles. In any event, these particles that remain could form more complex stable structures, bound together by gravity or electromagnetism. These structures will be immensely larger than the familiar atoms, indeed, some may be larger than the present observable Universe!
How complex these structures can become is an unsolved problem. It is difficult to analyse it in detail, because of the extreme disparity in scale between the structures that are familiar to us and anything that may evolve in the late
59стр.
58стр.
СЦЕНАРИЙ 2. БОЛЬШАЯ КОНЕЧНАЯ ВСЕЛЕННАЯ
Из того, что мы теперь знаем о космологии, возможно, что Вселенная конечна, но очень больше, чем мы можем наблюдать в это время. Эта возможность потребовала бы, чтобы плотность энергии во Вселенной была немного большей, чем количество должно было заставить Вселенную закрываться.
Если это будет фактической ситуацией, то Вселенная продолжит расширяться для очень дольше, чем это уже существовало. Хотя это в конечном счете остановится и начнет заключать контракт, наше текущее пространство-время находится в своем младенчестве. Долгосрочное будущее Вселенной тогда зависело бы от поведения вопроса, так, чтобы такая Вселенная представляла больше интереса для физиков чем тот из Сценария 1.
В большой конечной Вселенной у очень медленных процессов, которые могли изменить характер вопроса во Вселенной, будет время, чтобы действовать в течение длительного периода расширения. * Физики идентифицировали многие такие гипотетические процессы, все из которых действуют в течение долгого времени весы, которые намного больше чем существующий возраст Вселенной, но которые можно было считать короткими по сравнению с ее окончательной продолжительностью жизни. Один такой процесс - распад протонов в частицы борца, которые, если это происходит, потребовали бы по крайней мере 1031 года в среднем. возможность *Another состоит в том, что квант механические эффекты принудит относительно маленькие биты вопроса спонтанно разрушаться в черные дыры. Трудно сделать точные оценки того, сколько времени такой случай занял бы, но это, вероятно, будет брать чрезвычайно долго, намного дольше даже чем для протонов, чтобы распасться. Некоторый вопрос закончится в черных дырах более быстро, поскольку сила тяжести делает немного краха звезд и галактик.
*Although окончательная судьба черных дыр неизвестна, как они медленно, испаряются, большая часть вопроса, который был пойман в них, будет преобразована в радиацию задуманной Распродажей ofby процесса. Поэтому, действительно ли