Циклическая модель

Циклическая модель (или осциллирующая модель ) — это любая из нескольких космологических моделей , в которых Вселенная следует бесконечным или неопределенным самоподдерживающимся циклам. Например, теория колеблющейся Вселенной, кратко рассмотренная Альбертом Эйнштейном в 1930 году, предполагала, что Вселенная следует за вечной серией колебаний, каждое из которых начинается с Большого взрыва и заканчивается Большим сжатием ; Тем временем Вселенная будет расширяться в течение определенного периода времени, прежде чем гравитационное притяжение материи заставит ее схлопнуться обратно и подвергнуться отскоку .

Обзор

В 1920-х годах физики-теоретики, в первую очередь Альберт Эйнштейн , рассматривали возможность циклической модели Вселенной как (вечной) альтернативы модели расширяющейся Вселенной . В 1922 году Александр Фридман представил теорию осциллирующей Вселенной. Однако работа Ричарда К. Толмана в 1934 году показала, что эти ранние попытки потерпели неудачу из-за проблемы цикличности: согласно Второму закону термодинамики , энтропия может только увеличиваться. Это означает, что последующие циклы становятся длиннее и крупнее. Если экстраполировать назад во времени, то циклы, предшествующие нынешнему, становятся все короче и меньше, снова достигая кульминации в Большом взрыве и, таким образом, не заменяя его. Эта загадочная ситуация сохранялась в течение многих десятилетий до начала 21 века, когда недавно обнаруженный компонент темной энергии дал новую надежду на последовательную циклическую космологию. В 2011 году пятилетнее исследование 200 000 галактик, охватывающее 7 миллиардов лет космического времени, подтвердило, что «темная энергия разносит нашу Вселенную на части с возрастающей скоростью».

Одной из новых циклических моделей является бранная космологическая модель сотворения Вселенной , основанная на более ранней экпиротической модели. Его предложили в 2001 году Пол Стейнхардт из Принстонского университета и Нил Турок из Кембриджского университета . Теория описывает вселенную, которая взрывается не один раз, а неоднократно с течением времени. Теория потенциально может объяснить, почему отталкивающая форма энергии, известная как космологическая постоянная , ускоряющая расширение Вселенной, на несколько порядков меньше, чем предсказывает стандартная модель Большого взрыва .

Другая циклическая модель, основанная на понятии фантомной энергии, была предложена в 2007 году Лаурисом Баумом и Полом Фрэмптоном из Университета Северной Каролины в Чапел-Хилл .

Другие циклические модели включают конформную циклическую космологию и петлевую квантовую космологию .

The Steinhardt–Turok model

Основная статья: Экпиротическая вселенная

В этой циклической модели две параллельные орбифолдные плоскости или М-браны периодически сталкиваются в многомерном пространстве. Видимая четырехмерная вселенная лежит на одной из этих бран . Столкновения соответствуют переходу от сжатия к расширению, или Большому Сжатию, за которым сразу же следует Большой Взрыв . Материя и излучение, которые мы видим сегодня, возникли во время последнего столкновения по схеме, продиктованной квантовыми флуктуациями, возникшими до бран. Спустя миллиарды лет Вселенная достигла того состояния, которое мы наблюдаем сегодня; через дополнительные миллиарды лет он в конечном итоге снова начнет сокращаться. Темная энергия соответствует силе между бранами и играет решающую роль в решении проблем монополя , горизонта и плоскостности . Более того, циклы могут продолжаться бесконечно в прошлом и будущем, а решением является аттрактор , поэтому он может предоставить полную историю Вселенной.

Как показал Ричард К. Толман , более ранняя циклическая модель потерпела неудачу, потому что Вселенная подверглась бы неизбежной термодинамической тепловой смерти . Однако новая циклическая модель позволяет избежать этого, поскольку в каждом цикле происходит чистое расширение, предотвращающее энтропии нарастание . Однако в модели остаются серьезные открытые вопросы. Главный из них заключается в том, что сталкивающиеся браны не понимаются теоретиками струн, и никто не знает, будет ли масштабно-инвариантный спектр разрушен большим сжатием. Более того, как и в случае с космической инфляцией общий характер сил (в экпиротическом сценарии — силы между бранами), необходимых для создания вакуумных флуктуаций , хотя известен , кандидата из физики элементарных частиц не существует .

Модель Баума – Фрэмптона

Эта более поздняя циклическая модель 2007 года предполагает экзотическую форму темной энергии, называемую фантомной энергией . который обладает отрицательной кинетической энергией и обычно приводит к гибели Вселенной в Большом Разрыве . Это условие достигается, если во Вселенной доминирует темная энергия с космологическим состояния уравнением параметра $w$ удовлетворяющее условию $w\equiv {\frac {p}{\rho }}<-1$, для плотности энергии ${\rho }$ и давление р. Напротив, Стейнхардт-Турок предполагают $w{\geq }-1$. В модели Баума-Фрэмптона септиллионная (или меньше) секунды (т. е. 10 ⁻²⁴ секунд или меньше) перед потенциальным Большим Разрывом происходит разворот, и в качестве нашей Вселенной сохраняется только один причинный участок. Общий патч не содержит кварков , лептонов или носителей силы ; только темная энергия – и ее энтропия тем самым исчезает. Адиабатический процесс сжатия этой гораздо меньшей Вселенной происходит с постоянной нулевой энтропией и без материи, включая черные дыры , которые распались перед разворотом.

Идея о том, что Вселенная «возвращается пустой», является центральной новой идеей этой циклической модели и позволяет избежать многих трудностей, с которыми сталкивается материя в фазе сжатия, таких как чрезмерное структурообразование , распространение и расширение черных дыр , а также прохождение фазовых переходов. такие как КХД и восстановление электрослабой симметрии. Любой из них будет иметь тенденцию вызывать нежелательный преждевременный отскок, просто чтобы избежать нарушения второго закона термодинамики . Состояние $w<-1$ может быть логически неизбежным в поистине бесконечно циклической космологии из-за проблемы энтропии. Тем не менее, для подтверждения последовательности подхода необходимо провести множество дополнительных технических расчетов. Хотя модель заимствует идеи из теории струн , она не обязательно связана со струнами или более высокими измерениями , однако такие умозрительные устройства могут обеспечить наиболее быстрые методы исследования внутренней согласованности . Стоимость $w$ в модели Баума – Фрэмптона можно сделать сколь угодно близким к -1, но оно должно быть меньше.

Другие циклические модели

• Конформная циклическая космология , основанная на общей теории относительности — теория Роджера Пенроуза , в которой Вселенная расширяется до тех пор, пока вся материя не распадется и не превратится в свет — поэтому во Вселенной нет ничего, что имело бы какую-либо связанную с ней шкалу времени или расстояния. Это позволяет ему стать тождественным Большому взрыву и начать следующий цикл.
• Петлевая квантовая космология , предсказывающая наличие «квантового моста» между сжимающимися и расширяющимися космологическими ветвями.

См. также

Физические космологии:

• Большой отскок
• Конформная циклическая космология

Религия:

• Бхавачакра
• Циклы времени в индуизме
• Вечное возвращение
• Историческое повторение
• Калачакра
• Колесо времени

Дальнейшее чтение

• Стейнхардт, П.Дж.; Турок, Н. (2007). Бесконечная Вселенная . Нью-Йорк, Нью-Йорк: Даблдей. ISBN  978-0-385-50964-0 .
• Толман, Р.К. (1987) [1934]. Теория относительности, термодинамика и космология . Нью-Йорк: Дувр. ISBN  978-0-486-65383-9 . ЛЦН   34032023 .
• Баум, Л.; Фрэмптон, штат Пенсильвания (2007). «Поворот в циклической космологии». Письма о физических отзывах . 98 (7): 071301. arXiv : hep-th/0610213 . Бибкод : 2007PhRvL..98g1301B . doi : 10.1103/PhysRevLett.98.071301 . ПМИД   17359014 . S2CID   17698158 .
• Дике, Р.Х.; Пиблс, PJE; Ролл, ПГ; Уилкинсон, Д.Т. (1965). «Космическое излучение черного тела». Астрофизический журнал . 142 : 414. Бибкод : 1965ApJ...142..414D . дои : 10.1086/148306 . ISSN   0004-637X .
• С.В. Хокинг и Г.Ф.Р. Эллис, Крупномасштабная структура пространства-времени (Кембридж, 1973).
• Пенроуз, Роджер (2010). Циклы времени: необычайный новый взгляд на Вселенную . Лондон: Голова Бодли . ISBN  978-0-224-08036-1 .

Внешние ссылки

• Пол Дж. Стейнхардт , факультет физики Принстонского университета
• Пол Х. Фрэмптон , факультет физики и астрономии, Университет Северной Каролины в Чапел-Хилл
• «Циклическая Вселенная»: разговор с Нилом Тьюроком
• Роджер Пенроуз — Модель циклической Вселенной