Модель Большого Отскока: Происхождение Вселенной

Введение

Модель происхождения Вселенной

Гипотеза Большого отскока – это космологическая модель происхождения известной Вселенной. Изначально она была предложена как фаза циклической модели или осциллирующей интерпретации Большого взрыва, где первое космологическое событие стало результатом коллапса предыдущей вселенной. В начале 1980-х годов эта гипотеза перестала рассматриваться всерьез после появления теории инфляции как решения проблемы горизонта, возникшей в связи с прогрессом в наблюдениях, выявивших крупномасштабную структуру Вселенной. Было установлено, что инфляция неизбежно вечна, порождая бесконечное множество различных вселенных с, как правило, различными свойствами, что указывает на то, что свойства наблюдаемой вселенной зависят от случайности. Альтернативная концепция, включающая Большой отскок, была разработана как предсказуемое и фальсифицируемое возможное решение проблемы горизонта. Исследования продолжались по состоянию на 2022 год.

Расширение и сжатие

Концепция Большого отскока рассматривает Большой взрыв как начало периода расширения, последовавшего за периодом сжатия. В рамках этой концепции можно говорить о "Большом сжатии", за которым следует "Большой взрыв", или, проще говоря, "Большой отскок". Эта концепция предполагает, что мы можем существовать в любой точке бесконечной последовательности вселенных, или, наоборот, текущая Вселенная может быть самой первой итерацией. Однако, если условие фазы "между отскоками" – рассматриваемое как "гипотеза о первобытном атоме" – принимается во внимание в полной мере, подобный перечень может оказаться бессмысленным, поскольку это условие может представлять собой сингулярность во времени в каждом случае, если бы такие вечные повторения (циклы) были абсолютными и неразличимыми. Основная идея квантовой теории Большого отскока заключается в том, что по мере приближения плотности к бесконечности изменяется поведение квантовой пены. Все так называемые фундаментальные физические константы, включая скорость света в вакууме, не обязаны оставаться постоянными во время Большого сжатия, особенно в интервале времени, меньшем того, в котором измерение может быть принципиально невозможно (одна единица времени Планка, приблизительно 10−43 секунды), охватывающем или заключающем в себе точку перегиба.

История

Модели Большого отскока были одобрены в основном на эстетических основаниях космологами, включая Виллема де Ситтера, Карла Фридриха фон Вайцзекера, Джорджа МакВитти и Джорджа Гамова (который подчеркнул, что "с физической точки зрения мы должны полностью забыть о предколлапсном периоде"). К началу 1980-х годов, растущая точность и масштаб наблюдательной космологии показали, что крупномасштабная структура Вселенной плоская, однородная и изотропная, что впоследствии было принято как космологический принцип, применимый к масштабам, превышающим примерно 300 миллионов световых лет. Это побудило космологов искать объяснение проблеме горизонта, которая ставила под вопрос, как далёкие области Вселенной могли обладать идентичными свойствами, никогда не находясь в причинно-следственной связи. Решением было предложено период экспоненциального расширения пространства в ранней Вселенной, который лёг в основу теории инфляции. После кратковременного инфляционного периода Вселенная продолжает расширяться с меньшей скоростью. Различные формулировки теории инфляции и их детальные последствия стали предметом интенсивного теоретического изучения. В отсутствие убедительной альтернативы инфляция стала ведущим решением проблемы горизонта. Фраза "Большой отскок" впервые появилась в научной литературе в 1987 году, когда она была использована в названии пары статей (на немецком языке) в журнале Stern und Weltraum Вольфганга Пристера и Ганса Йоахима Блома. В 1988 году она появилась в книге Иосифа Розенталя "Большой взрыв, Большой отскок" – пересмотренном переводе на английский язык русскоязычной книги (под другим названием), а также в статье на английском языке 1991 года, написанной Пристером и Бломом для журналов Astronomy and Astrophysics. Фраза впервые возникла как название романа Элмора Леонарда в 1969 году, вскоре после повышения осведомленности общественности о модели Большого взрыва с открытием космического микроволнового фона Пензиасом и Уилсоном в 1965 году. Идея существования Большого отскока в очень ранней Вселенной нашла разнообразную поддержку в работах, основанных на петлевой квантовой гравитации. В петлевой квантовой космологии, ветви петлевой квантовой гравитации, Большой отскок был впервые обнаружен в феврале 2006 года для изотропных и однородных моделей Абхаем Аштекаром, Томасом Павловским и Парампритом Сингхом из Университета штата Пенсильвания. Этот результат был обобщён на различные другие модели разными группами и включает в себя случай пространственной кривизны, космологической постоянной, анизотропий и квантованных неоднородностей Фока. Мартин Божовальд, доцент физики в Университете штата Пенсильвания, опубликовал исследование в июле 2007 года, в котором подробно описывается работа, связанная с петлевой квантовой гравитацией, утверждающая, что математически решена проблема времени до Большого взрыва, что придаст новый вес осциллирующей Вселенной и теории Большого отскока. Одна из главных проблем теории Большого взрыва заключается в том, что в момент Большого взрыва существует сингулярность нулевого объёма и бесконечной энергии. Это обычно интерпретируется как нарушение известных законов физики, в данном случае – теории общей относительности. Именно поэтому можно ожидать, что квантовые эффекты станут важными и позволят избежать сингулярности. Однако исследования в области петлевой квантовой космологии показали, что ранее существовавшая Вселенная коллапсирует не в сингулярность, а в точку, где квантовые эффекты гравитации становятся настолько сильными, что Вселенная отскакивает назад, формируя новую ветвь. На протяжении всего этого коллапса и отскока эволюция является унитарной. Божовальд также утверждал, что некоторые свойства Вселенной, которая коллапсировала, чтобы сформировать нашу, могут быть определены; однако другие свойства не определимы из-за принципа неопределённости. Этот результат был оспорен различными группами, которые показали, что из-за ограничений на флуктуации, вытекающих из принципа неопределённости, существуют строгие ограничения на изменение относительных флуктуаций в процессе отскока. Хотя существование Большого отскока ещё предстоит продемонстрировать в рамках петлевой квантовой гравитации, устойчивость его основных особенностей была подтверждена с использованием точных результатов и нескольких исследований, включающих численное моделирование с использованием высокопроизводительных вычислений в петлевой квантовой космологии. В 2006 году было предложено, что применение методов петлевой квантовой гравитации к космологии Большого взрыва может привести к отскоку, который не обязательно является циклическим. В 2010 году Роджер Пенроуз выдвинул теорию, основанную на общей теории относительности, которую он назвал "конформной циклической космологией". Эта теория объясняет, что Вселенная будет расширяться до тех пор, пока вся материя не распадётся и в конечном итоге не превратится в свет. Поскольку ничто во Вселенной не будет связано с масштабом времени или расстояния, Вселенная станет идентичной Большому взрыву, что приведёт к типу Большого сжатия, который станет следующим Большим взрывом, тем самым увековечивая следующий цикл. В 2011 году Никодем Поплавский показал, что сингулярный Большой отскок естественным образом возникает в теории гравитации Эйнштейна–Картана–Шиама–Киббла. Эта теория расширяет общую теорию относительности, снимая ограничение на симметрию аффинного соединения и рассматривая её антисимметричную часть, тензор кручения, как динамическую переменную. Минимальное взаимодействие между кручением и спинорами Дирака генерирует спин-спиновое взаимодействие, которое существенно для фермионной материи при чрезвычайно высоких плотностях. Такое взаимодействие позволяет избежать нефизической сингулярности Большого взрыва, заменяя её отскоком, похожим на выступ, в конечном минимальном масштабе, перед которым Вселенная сжималась. Этот сценарий также объясняет, почему современная Вселенная в самых больших масштабах кажется пространственно плоской, однородной и изотропной, предоставляя физическую альтернативу космической инфляции. В 2012 году была построена новая теория сингулярного Большого отскока в рамках стандартной гравитации Эйнштейна. Эта теория сочетает в себе преимущества теории отскока материи и экпиротической космологии. В частности, в однородном и изотропном космологическом решении неустойчивость БКЛ нестабильна к росту анизотропного напряжения, которое разрешается в этой теории. Кроме того, возмущения кривизны, зарождающиеся при сжатии материи, могут сформировать почти масштабно-инвариантный первичный спектр мощности и, таким образом, обеспечить согласованный механизм для объяснения наблюдений космического микроволнового фона (CMB). Некоторые источники утверждают, что далёкие сверхмассивные чёрные дыры, большой размер которых трудно объяснить вскоре после Большого взрыва, такие как ULAS J1342+0928, могут быть свидетельством Большого отскока, при этом эти сверхмассивные чёрные дыры формируются до Большого отскока.

Big Bounce models were endorsed on largely aesthetic grounds by cosmologists including Willem de Sitter, Carl Friedrich von Weizsäcker, George McVittie, and George Gamow (who stressed that "from the physical point of view we must forget entirely about the precollapse period"). By the early 1980s, the advancing precision and scope of observational cosmology had revealed that the large scale structure of the universe is flat, homogeneous, and isotropic, a finding later accepted as the cosmological principle to apply at scales beyond roughly 300 million light years. This led cosmologists to seek an explanation to the horizon problem, which questioned how distant regions of the universe could have identical properties without ever being in light like communication. A solution was proposed to be a period of exponential expansion of space in the early universe, which formed the basis of what became known as inflation theory. Following the brief inflationary period, the universe continues to expand at a slower rate. Various formulations of inflation theory and their detailed implications became the subject of intense theoretical study. Without a compelling alternative, inflation became the leading solution to the horizon problem. The phrase "Big Bounce" appeared in scientific literature in 1987, when it was first used in the title of a pair of articles (in German) in Stern und Weltraum by Wolfgang Priester and Hans Joachim Blome. It reappeared in 1988 in Iosif Rozental's Big Bang, Big Bounce, a revised English language translation of a Russian language book (by a different title), and in a 1991 English language article by Priester and Blome in Astronomy and Astrophysics. The phrase originated as the title of a novel by Elmore Leonard in 1969, shortly after increased public awareness of the Big Bang model with of the discovery of the cosmic microwave background by Penzias and Wilson in 1965. The idea of the existence of a big bounce in the very early universe has found diverse support in works based on loop quantum gravity. In loop quantum cosmology, a branch of loop quantum gravity, the big bounce was first discovered in February 2006 for isotropic and homogeneous models by Abhay Ashtekar, Tomasz Pawlowski, and Parampreet Singh at Pennsylvania State University. This result has been generalized to various other models by different groups, and includes the case of spatial curvature, cosmological constant, anisotropies, and Fock quantized inhomogeneities. Martin Bojowald, an assistant professor of physics at Pennsylvania State University, published a study in July 2007 detailing work related to loop quantum gravity that claimed to mathematically solve the time before the Big Bang, which would give new weight to the oscillatory universe and Big Bounce theories. One of the main problems with the Big Bang theory is that there is a singularity of zero volume and infinite energy at the moment of the Big Bang. This is normally interpreted as a breakdown of physics as we know it; in this case, of the theory of general relativity. This is why one expects quantum effects to become important and avoid a singularity. However, research in loop quantum cosmology purported to show that a previously existing universe collapses not to a singularity, but to a point where the quantum effects of gravity become so strongly repulsive that the universe rebounds back out, forming a new branch. Throughout this collapse and bounce, the evolution is unitary. Bojowald also claimed that some properties of the universe that collapsed to form ours can be determined; however, other properties are not determinable due to some uncertainty principle. This result has been disputed by different groups, which show that due to restrictions on fluctuations stemming from the uncertainty principle, there are strong constraints on the change in relative fluctuations across the bounce. While the existence of the Big Bounce has still to be demonstrated from loop quantum gravity, the robustness of its main features has been confirmed using exact results and several studies involving numerical simulations using high performance computing in loop quantum cosmology. In 2006, it was proposed that the application of loop quantum gravity techniques to Big Bang cosmology can lead to a bounce that need not be cyclic. In 2010, Roger Penrose advanced a general relativity based theory which he called the "conformal cyclic cosmology". The theory explains that the universe will expand until all matter decays and ultimately turns to light. Since nothing in the universe would have any time or distance scale associated with it, the universe becomes identical with the Big Bang, resulting in a type of Big Crunch that becomes the next Big Bang, thus perpetuating the next cycle. In 2011, Nikodem Popławski showed that a nonsingular Big Bounce appears naturally in the Einstein–Cartan–Sciama–Kibble theory of gravity. This theory extends general relativity by removing a constraint of the symmetry of the affine connection and regarding its antisymmetric part, the torsion tensor, as a dynamical variable. The minimal coupling between torsion and Dirac spinors generates a spin spin interaction which is significant in fermionic matter at extremely high densities. Such an interaction avoids the unphysical Big Bang singularity, replacing it with a cusp like bounce at a finite minimum scale factor, before which the universe was contracting. This scenario also explains why the present Universe at the largest scales appears spatially flat, homogeneous, and isotropic, providing a physical alternative to cosmic inflation. In 2012, a new theory of a nonsingular Big Bounce was constructed within the frame of standard Einstein gravity. This theory combines the benefits of matter bounce and ekpyrotic cosmology. Particularly, in the homogeneous and isotropic background cosmological solution, the BKL instability is unstable to the growth of anisotropic stress, which is resolved in this theory. Moreover, curvature perturbations seeded in matter contraction can form a nearly scale invariant primordial power spectrum and thus provide a consistent mechanism to explain the cosmic microwave background (CMB) observations. A few sources argue that distant supermassive black holes whose large size is hard to explain so soon after the Big Bang, such as ULAS J1342+0928, may be evidence for a Big Bounce, with these supermassive black holes being formed before the Big Bounce.

Критики

Согласно исследованию, опубликованному в журнале Physical Review Letters 23 мая, Большой отскок должен был оставить отпечаток в реликтовом излучении, известном как космический микроволновой фон (КМФ). Однако, сравнение наблюдений, выполненных спутником "Планк", с смоделированным КМФ в сценарии однократного отскока Вселенной не выявило характерного сигнала этого отскока.