Сингулярность и момент творения

Реликтовое излучение в основном фиксирует эпоху примерно через 380 000 лет после начала стандартной тепловой истории, когда нейтральные атомы стали многочисленными, а рассеяние фотонов резко ослабло. Это не изображение нулевого момента времени. Его фотоны уже принадлежали гораздо более древней радиационной среде.[1]

В теории относительности свободно падающие частицы и свет движутся по траекториям, называемым геодезическими. Пространство-время является геодезически неполным, если некоторые такие траектории нельзя продолжить в его пределах, хотя их естественный параметр траектории имеет конечную протяжённость. Для массивной частицы этим параметром может быть её собственное прошедшее время.[5]

Это точнее, чем определять сингулярность как «место бесконечной плотности». В знакомых примерах кривизна может расходиться, но теоремы о сингулярностях в общем случае этого не устанавливают. Также они не указывают на маленький материальный объект, находящийся где-то внутри обычного пространства-времени.[5]

Почему физики всерьёз относятся к этим результатам

Теоремы о сингулярностях показывают, что неполные траектории могут возникать при выполнении широких геометрических, причинных и энергетических предположений, без требования идеальной симметрии. Они выявляют существенное ограничение классических описаний. Их выводы остаются обусловленными этими предположениями; они не являются доказательством возникновения из ничего.[6]

Стандартная однородная модель описывает расширение с помощью масштабного фактора a(t). Расстояния между фиксированными сопутствующими точками растут вместе с ним. Ни одна точка не обязана быть центром, и для этого изменения геометрии не требуется окружающее пустое пространство.[7]

Пространственно бесконечная модель остаётся бесконечной в каждый момент времени, когда a положительно, даже если конечные расстояния сокращаются при движении в прошлое. Поэтому меньший масштабный фактор не означает, что всё пространство занимало одну обычную точку. Предел a = 0 не является регулярным пространственным срезом.[7]

Наша наблюдаемая Вселенная - это область, ограниченная информацией, которая может до нас дойти. Она не показывает общую протяжённость пространства. Граница наблюдаемого нами не является физической стеной, а карта с центром в нас не делает нас центром космоса.[8]

Общая теория относительности описывает гравитацию через гладкую геометрию пространства-времени. Квантовая физика описывает материю и её флуктуации. При достаточно экстремальных масштабах мы ожидаем, что описание, учитывающее квантовое поведение самой гравитации, станет необходимым.[9]

Это характерные физические масштабы, а не наблюдения Вселенной в те эпохи. «Планковская эпоха» - это обозначение неопределённого режима в экстраполированной истории, а не независимо измеренного интервала с известными событиями по обе стороны.[11]

Полезная физика не заканчивается на одной чёткой границе

Гравитацию уже можно рассматривать как квантовую эффективную теорию поля при низких энергиях, получая контролируемые поправки к классическим предсказаниям. Однако этот успех не даёт полного описания при сколь угодно высоких энергиях. Задача состоит в том, чтобы расширить наше понимание до режимов, где разложение по низким энергиям больше ненадёжно.[9]

Инфляция предполагает ранний период ускоренного расширения. В знакомой модели потенциальная энергия медленно меняющегося скалярного поля вызывает это поведение. Она даёт способ увеличить ранее связанную область и уменьшить относительную значимость пространственной кривизны.[12]

В распространённых моделях после этого разогрев передаёт энергию поля частицам, в конечном итоге формируя горячую плазму. Детали зависят от поля и его взаимодействий. Ни время начала инфляции, универсальное для всех моделей, ни уникальная температура разогрева не были измерены.[13]

Что показывает неполнота в прошлом — и чего она не показывает

Теорема Борде-Гута-Виленкина рассматривает истории, удовлетворяющие условию положительного среднего расширения вдоль определённых путей. При выполнении её предпосылок эти пути не могут продолжаться произвольно далеко в прошлое в рамках данного описания. Результат не задаёт физическое состояние бесконечной плотности и не устанавливает абсолютный первый момент для каждой возможной космологии.[14]

Неполная расширяющаяся область может потребовать продолжения или иной физики. Например, предшествующая фаза сжатия меняет вопрос об истории расширения. Эти возможности необходимо оценивать как конкретные модели; сама теорема не выбирает ни одну из них и не доказывает невозможность всех остальных.[14]

Квантовый отскок заменяет продолжающееся сжатие к классической сингулярности расширением при ненулевом минимальном масштабе. В конкретных однородных моделях петлевой квантовой космологии эффекты квантовой геометрии порождают такое поведение. Эти расчёты свидетельствуют о математике моделей, а не являются наблюдением предшествующей Вселенной.[15]

Предложение Хартла-Хокинга об отсутствии границ использует иной подход: оно задаёт квантовое состояние посредством построения, включающего геометрии без начальной границы привычного типа. Его не следует представлять как обычные часы, просто показывающие более раннюю дату. Его математическая реализация и наблюдательные следствия требуют дополнительных предположений.[17]

Вечная инфляция описывает другую возможность, при которой инфляция продолжается в одних областях, а в других завершается. Продолжающееся расширение в будущее не определяет, насколько далеко простирается история в прошлое. Мультивселенная остаётся теоретической возможностью в некоторых моделях, а не установленным наблюдением.[18]

Полезные модели должны связывать свою физику ранней Вселенной с наблюдаемыми величинами: статистикой первичных возмущений, возможными сигналами гравитационных волн или последующей тепловой историей. Предложение, позволяющее избежать бесконечности, всё равно должно объяснять Вселенную, которую мы действительно наблюдаем.[19]

Первичные гравитационные волны могли бы открыть дополнительное окно в условия очень ранней Вселенной. Характерный сигнал их поляризации в реликтовом излучении пока не установлен. Даже будущее обнаружение потребовало бы интерпретации в рамках модели; измеренный сигнал не означал бы автоматически установления абсолютного момента сотворения.[19]

Эксперименты на Земле также проверяют отдельные аспекты тепловой картины. Столкновения тяжёлых ионов создают краткоживущую кварк-глюонную материю и позволяют изучать её свойства. Они исследуют состояние, имеющее отношение к физике ранней Вселенной; они не воссоздают всю космологическую картину или начало пространства-времени.[20]

«Что произошло до Большого взрыва?» может означать несколько разных вопросов. До горячей плазмы? До предполагаемой инфляционной фазы? До самого времени? Первые два вопроса могут иметь смысл в определённых моделях. Последний требует выяснить, имеет ли время границу, продолжение или более глубокое описание.[14], [17]

Космология может сопоставлять предлагаемые сценарии с наблюдениями. Вопросы о том, почему вообще возможны какие-либо законы или существование, выходят дальше, в область философии. То, что уравнение становится неполным, само по себе не отвечает на них.

Великое начало

1. Сингулярность и момент сотворения · Вы здесь
2. Квантовые флуктуации и инфляция
3. Нуклеосинтез Большого взрыва
4. Материя и антиматерия
5. Охлаждение и формирование фундаментальных частиц
6. Реликтовое микроволновое излучение (CMB)
7. Тёмная материя
8. Тёмная энергия
9. Рекомбинация и первые атомы
10. Тёмные века и первые структуры
11. Реионизация: конец тёмных веков