Andrey Dmitrievich Linde, Stanford University (USA), Professor. 10. Juni 2007, Moskau, FIAN
Zuerst muss ich sagen, dass ich ein wenig schüchtern bin. Ich habe viele Male in diesem Saal gesprochen. Zuerst habe ich hier studiert, und als alles begann, war ich Student an der Moskauer Universität, ich kam für Seminare hierher, bei FIAN. Und jedes Mal, wenn ich in diesen Seminaren saß, war es schmerzhaft, ich war furchtbar interessant und auch unglaublich schwierig. Alles, was gesagt wurde, habe ich verstanden, gut, ungefähr zehn Prozent. Ich dachte, wahrscheinlich, ich, na, so ein Idiot, ich verstehe nichts mehr, die Physik wird nicht aus mir herauskommen ... Aber ich wollte wirklich, ich ging weiter. Ich habe immer noch diese zehn Prozent Verständnis: Im Grunde verstehe ich in den Seminaren, die ich besuche, ungefähr zehn Prozent. Und dann habe ich hier meinen ersten Bericht gemacht. Ich habe den Leuten ins Gesicht gesehen, und ich hatte den Eindruck, dass sie auch zehn Prozent verstehen. Und dann verschwanden meine Minderwertigkeitskomplexe, teilweise aufgrund von wenigstens. Ein bisschen ist wahrscheinlich noch geblieben ... Warum sage ich das? Das Thema ist recht komplex. Und wenn zehn Prozent klar sind, dann sind Sie auf dem richtigen Weg.
Worüber ich jetzt sprechen werde, hängt mit der Theorie des inflationären Universums zusammen. Inflationäres Universum, auf Russisch hieß es „aufblasendes Universum“, aber der Standardname ist „inflationär“. BEI In letzter Zeit es gab einen solchen Begriff - "Multi-Vers". Dies ist ein Begriff, der das Wort "Universum" ersetzt. Also statt einem Universum - viele Universen auf einmal in einem. Nun, auf Russisch ist die vielleicht angemessenste Übersetzung „das vielseitige Universum“. Und darüber werde ich jetzt sprechen.
Aber zuerst eine allgemeine Einführung in die Kosmologie im Allgemeinen. Woher kam die inflationäre Kosmologie (warum wurde sie benötigt)? Was davor war (die Urknalltheorie). Zunächst einige biografische Informationen. Das Alter des Universums, gemäß den neuesten beobachteten Daten... Wenn ich über das Alter spreche, sage ich jedes Mal, und irgendwo in meiner Seele setze ich ein kleines Komma, dass ich darauf zurückkommen und dann sagen sollte, dass das Universum es tatsächlich kann unendlich alt sein. Nun, was die Leute das Alter des Universums nennen, ist etwa 13,7 Milliarden Jahre genau auf … vielleicht besser als 10 %. Jetzt wissen die Leute das ganz genau. Die Größe des beobachtbaren Teils des Universums... Was bedeutet "beobachtbar"? Nun, Licht ist seit 13,7 Milliarden Jahren zu uns gereist, also multiplizieren Sie das mit der Lichtgeschwindigkeit und Sie erhalten die Entfernung, aus der wir jetzt Dinge sehen. Ich sage das, aber in meiner Seele wird sofort wieder ein Komma gesetzt: Tatsächlich ist dies nicht so. Weil wir um ein Vielfaches weiter sehen, weil jene Objekte, die uns vor 13,7 Milliarden Jahren Licht geschickt haben, jetzt weiter von uns entfernt sind. Und wir sehen Licht von ihnen, und sie sind weiter entfernt, also sehen wir in Wirklichkeit mehr als die Lichtgeschwindigkeit multipliziert mit der Zeit der Existenz des Universums.
Weiter. Die durchschnittliche Dichte eines Stoffes beträgt ca. 10 -29 g / cm 3. Sehr wenig. Aber wir leben an dem Ort, an dem es kondensiert ist ... Das Gewicht des beobachtbaren Teils des Universums beträgt mehr als 10 50 Tonnen. Gewicht zum Zeitpunkt der Geburt ... aber das ist das Interessanteste. Als das Universum geboren wurde, wenn man vom Moment des Urknalls an mitzählt, so ungefähr die Zeit t = 0 , dann muss sein Gewicht unendlich sein. Wenn Sie von einem anderen Moment aus zählen, nennt man das Planck-Moment. Das Planck-Moment ist ein Moment von 10 hoch minus Potenz ... Nun, manchmal werde ich noch an die Tafel schreiben ... Also, t Planck ist ungefähr 10 minus dreiundvierzig Sekunden ( t p ~ 10–43 s). Dies ist der Punkt, an dem wir das Universum zum ersten Mal in Bezug auf die normale Raumzeit betrachten können, denn wenn wir Objekte in kürzeren Zeiten oder in Entfernungen kleiner als der Planck-Entfernung (das sind 10 -33 cm ), - Wenn wir eine kleinere Entfernung nehmen, dann schwankt die Raumzeit bei kleineren Entfernungen so stark, dass sie nicht gemessen werden können: Die Lineale biegen sich, die Uhr dreht sich, irgendwie nicht gut ... Daher beginnt die normale Betrachtung ab diesem Moment. Und in diesem Moment hatte das Universum ein ungewöhnlich großes Gewicht. Ich werde Ihnen sagen, welche - ein wenig später. Und was das inflationäre Universum tat: Wir lernten zu erklären, wie man das gesamte Universum aus weniger als einem Milligramm Materie gewinnen kann. Alles, was wir jetzt sehen ...
Und los geht's, vorläufige Daten. Die einfachsten Modelle des Universums, die in den Lehrbüchern stehen, sind die drei möglichen Friedman-Modelle. Das erste ist ein geschlossenes Universum, [das zweite] ist ein offenes Universum und [das dritte] ist ein flaches Universum. Diese Bilder sind nur Beispiele. Die Bedeutung ist wie folgt.
Hier die einfachste Möglichkeit- Flaches Universum. Die Geometrie eines flachen Universums ist die gleiche wie die Geometrie eines flachen Tisches, d.h. parallele Linien bleiben parallel und schneiden sich nie. Was ist der Unterschied, wie unterscheidet es sich von einem flachen Tisch? Die Tatsache, dass, wenn ich zwei parallele Linien habe... zum Beispiel, zwei Lichtstrahlen parallel zueinander verlaufen... Das Universum dehnt sich aus, also obwohl sie parallel sind, zwei Lichtstrahlen, bewegen sie sich bedingt voneinander weg auf die Tatsache, dass sich das gesamte Universum ausdehnt. Daher ist es nicht ganz korrekt, so zu sagen, dass die Geometrie eines flachen Tisches ist. Das Universum ist eine Kurve im vierdimensionalen Sinne. Im dreidimensionalen Sinne ist es flach.
Ein geschlossenes Universum ist wie geometrische Eigenschaftenüber die Oberflächeneigenschaften einer Kugel. Das heißt, wenn ich zwei parallele Linien am Äquator habe, dann schneiden sie sich am Nord- und Südpol. Parallele Linien dürfen sich schneiden. Und wir leben gewissermaßen auf der Oberfläche der Kugel, wie ein Floh, der um den Globus kriecht. Aber die Analogie ist auch oberflächlich – im doppelten Sinne. Unser Universum ist wie eine dreidimensionale Kugel in einem vierdimensionalen Raum. Man muss Bilder zeichnen, aber in Wirklichkeit nur Analogien ... Und außerdem dehnt es sich aus. Wenn wir vom Äquator zum Nordpol gehen wollen, haben wir nicht genug Zeit - ein solches Universum kann zusammenbrechen, oder wir werden nicht dorthin gelangen, weil es sich zu schnell ausdehnt.
Das offene Universum ähnelt in seinen Eigenschaften den Eigenschaften eines Hyperboloids, das heißt, wenn ich zwei parallele Linien am Hals des Hyperboloids beginne, beginnen sie zu divergieren und treffen sich nie.
Es gibt drei Hauptmodelle. Sie wurden vor ziemlich langer Zeit, in den 20er Jahren des letzten Jahrhunderts, von Friedman vorgeschlagen, und Einstein mochte sie nicht sehr. Das hat mir nicht gefallen, weil das alles der Ideologie zu widersprechen schien, mit der die Menschen dieser Zeit erzogen wurden. Die Ideologie war, dass das Universum schließlich ein Koordinatensystem ist, na ja, Koordinaten, sie dehnen sich nicht aus, es ist nur ein Gitter. Die Menschen in Europa haben immer geglaubt – am Anfang glaubten sie –, dass das Universum endlich und statisch ist. Es ist endlich, weil Gott unendlich ist und das Universum kleiner als Gott ist, also muss es endlich sein, aber statisch ... nun, was soll es tun - ein Koordinatensystem ... Dann gaben sie die erste Annahme auf und sagten dass Gott nicht viel verlieren würde, wenn er dem Universum eines seiner Attribute gibt und es unendlich macht, aber es wurde immer noch angenommen, dass es statisch ist.
Die Expansion des Universums war eine seltsame Eigenschaft, gegen die lange gekämpft wurde, bis man sah, dass es sich tatsächlich ausdehnt. Das bedeutet, dass das, was in den letzten Jahren passiert ist, experimentell nicht in ist theoretische Physik, sondern in der experimentellen Kosmologie. Es stellte sich zweierlei heraus. Wir beginnen mit dem zweiten. 1998 sahen die Menschen, dass sich das Universum jetzt mit beschleunigter Geschwindigkeit ausdehnt. Was bedeutet beschleunigt? Nun, hier dehnt es sich mit einer gewissen Geschwindigkeit aus. In der Tat ist das ein bisschen falsch ...
Also hier a ist der Maßstab des Universums a mit einem Punkt ( å ) ist die Expansionsrate des Universums, a mit Punkt teilen durch a (å /a) ist hier a, zum Beispiel die Entfernung von einer Galaxie zur anderen, nennen wir es einen Buchstaben a. Und das ( å /a) ist die Geschwindigkeit, mit der Galaxien voneinander weglaufen. Hier ist dieses Ding å /a= H) ist die Hubble-Konstante, sie hängt tatsächlich von der Zeit ab. Wenn dieses Ding mit der Zeit abnimmt, bedeutet das nicht, dass das Universum aufhört sich auszudehnen. Die Erweiterung bedeutet das a mit einem Punkt größer als Null ( å > 0). Aber was die Leute jetzt entdeckt haben, ist, dass sich dieses Regime jetzt asymptotisch einer Konstante nähert ( å /a= H → const), also nicht nur a mit einem Punkt ist positiv, aber das ist ihre Beziehung, sie tendiert zu einer Konstante. Und wenn es Differentialgleichung aufgelöst, stellt sich heraus, dass sich der Skalenfaktor des Universums ungefähr wie folgt asymptotisch verhält: a ~ e H t- Das Universum wird sich exponentiell ausdehnen, was vorher nicht sehr erwartet wurde. Das heißt, dies ist eine beschleunigte Expansion des Universums, und früher stellte sich nach der Standardtheorie heraus, dass das Universum langsamer expandieren sollte.
Hier ist die Entdeckung der letzten neun Jahre. Zuerst dachten die Leute, naja, irgendwo ein experimenteller Fehler, etwas anderes, dann fingen sie an, sie mit anderen Worten zu bezeichnen - die kosmologische Konstante, Vakuumenergie, dunkle Energie ... Also, das ist kürzlich passiert. Die Theorie, über die ich jetzt sprechen werde, ist inflationäre Kosmologie. Es geht davon aus (und jetzt scheint es immer mehr, dass es wahrscheinlich die richtige Annahme war, wir wissen es immer noch nicht genau - es gibt konkurrierende Theorien, obwohl ich sie dort nicht mag, aber daher sind dies Standpunkte ) - aber es scheint, was ist das das Richtige, - was in frühes Universum Anscheinend expandierte auch das Universum mit einer beschleunigten Geschwindigkeit. Außerdem mit einer viel größeren Beschleunigung als der, mit der es sich jetzt ausdehnt - um viele zehn Größenordnungen größere Beschleunigung. Diese beiden Entdeckungen ... anscheinend sollte versucht werden, sie irgendwie zu interpretieren.
Also, die Bilder, die oft gleichzeitig gezeichnet werden ... Hier (sehen Sie sich dieses rote Bild jetzt nicht an) ist ein Standardbild aus einem Lehrbuch. Wenn das Universum geschlossen ist – das heißt, die Geometrie ähnelt der Geometrie einer Kugel, der Oberfläche einer Kugel – dann entsteht es aus einer Singularität und verschwindet in einer Singularität, es hat eine endliche Lebensdauer. Wenn es flach ist, dann entsteht es aus einer Singularität und dehnt sich ins Unendliche aus. Ist er geöffnet, so bewegt er sich ebenfalls mit konstanter Geschwindigkeit weiter.
Was sich herausstellte, was ich gerade über diese dunkle Energie gesagt habe, die kosmologische Konstante, die Beschleunigung des Universums - es stellte sich heraus, dass sie sich so verhält. Und es stellte sich heraus, dass sie sich so verhält, was auch immer es ist- offen, geschlossen, flach ... Generell ist das in solchen Fällen so eine Sache. Wenn wir jetzt Astronomie-Lehrbücher aufschlagen, veröffentlichen sie im Grunde immer noch diese drei Bilder hier, und damit sind wir in den letzten Jahren aufgewachsen. Daher war die Existenz des letzteren eine bemerkenswerte Entdeckung, und sie hängt mit der Tatsache zusammen, dass die Menschen glaubten, dass es im Vakuum, in der Leere, eine Energiedichte ungleich Null gibt. Sie ist sehr klein: Sie liegt in der gleichen Größenordnung wie die Energiedichte der Materie im Universum – 10–29 g/cm 3 . Und wenn ich mir diese Leute manchmal vorstelle, sage ich: "Schau, das sind Leute, die die Energie gemessen haben ... nichts." Also, hier ist die rote Linie.
Das allgemeine Bild der Energieverteilung ... Wenn ich "Energie" oder "Materie", "Substanz" sage, meine ich dasselbe, denn wie wir wissen, E gleich Mc Quadrat ( E = MC 2), das heißt, diese beiden Dinge sind proportional zueinander ... Es gibt dunkle Energie ...
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Der Gesamthaushalt an Energie und Materie im Universum wird durch einen solchen Kuchen dargestellt: Etwa 74 % sind dunkle Energie. Was es ist, weiß niemand. Entweder ist das die Energie des Vakuums, oder es ist die Energie eines sich langsam ändernden, gleichmäßig verteilten, speziellen Skalarfeldes – dazu später mehr. Nun, hier ist es separater Teil, sie krümelt nicht. Was meine ich damit? Sie verirrt sich nicht in Galaxien. Dunkle Materie (etwa 22 % des Gesamtbudgets) ist etwas, das sich verklumpt, das wir aber nicht sehen. Etwas, das sich in Galaxien verirren kann, das wir aber nicht sehen können, leuchtet nicht. Und etwa 4-5% sind "normale" Materie. Hier ist das Budget all unserer Angelegenheiten.
Und da draußen gibt es Geheimnisse. Warum sind sie von derselben Größenordnung, diese Mengen, und warum sitzt so viel von dieser Art von Energie im Nichts? Wie kam es überhaupt dazu, dass wir so stolz dachten, dass alles vom gleichen Typ sei wie wir, aber sie gaben uns nur vier Prozent ... Also ...
Jetzt - inflationäres Universum. Bisher gibt es nur einen Hinweis, damit klar ist, wovon ich spreche, und erst dann beginnt der Fall. Inflation ist, was es ist. Hier ist, was in den vorherigen Bildern zu sehen war, dass das Universum begann und sich ausdehnte, und denken Sie daran, der Bogen war in diese Richtung gekrümmt ... Wenn ich jetzt zurückgehe, werde ich Ihnen das alles zeigen ... Sie sehen , alle Bögen - sie waren so gekrümmt. Die Inflation ist ein Stück der Flugbahn, die gewissermaßen vor dem Urknall existierte, bevor der Bogen begann, sich so zu biegen. Dies ist die Zeit, in der sich das Universum exponentiell ausdehnte und das Universum mit Beschleunigung expandierte. Es konnte anfangs sehr klein sein, und dann gab es eine Phase sehr schneller Expansion, dann wurde es heiß, und dann geschah alles, was in den Lehrbüchern stand: dass das Universum heiß war, wie eine heiße Kugel explodierte - das war alles nach dem Stadium des Aufblasens, und während des Aufblasens könnten überhaupt keine Partikel vorhanden sein. Hier ist eine Referenz.
Warum war das alles nötig? Und dann, dass sich die Leute vor 25 Jahren – schon etwas länger – mit der Urknall-Theorie befasst und andere Fragen gestellt haben. Ich werde die Fragen auflisten.
Was ist passiert, als nichts war? Es ist klar, dass die Frage sinnlos ist, warum sie stellen ... Das Lehrbuch von Landau und Lifshitz sagt, dass die Lösung der Einsteinschen Gleichungen nicht im negativen Zeitbereich fortgesetzt werden kann, daher ist es sinnlos zu fragen, was vorher passiert ist. Es macht keinen Sinn, aber alle Leute haben trotzdem gefragt.
Warum ist das Universum homogen und isotrop? Frage: Warum eigentlich? Was bedeutet homogen? Nun, wenn wir neben uns schauen, ist unsere Galaxie nicht homogen. Neben uns ist das Sonnensystem - große Inhomogenitäten. Aber wenn wir uns die Größe des gesamten Teils des Universums ansehen, den wir derzeit beobachten, diese 13 Milliarden Lichtjahre, dann hat das Universum rechts und links von uns im Durchschnitt die gleiche Dichte, mit einer Genauigkeit von etwa ein Zehntausendstel, und noch besser als das. Also hat jemand es poliert, warum ist es so einheitlich? Und zu Beginn des letzten Jahrhunderts wurde dies wie folgt beantwortet. Es gibt dieses Ding namens "kosmologisches Prinzip": dass das Universum homogen sein muss.
Ich habe immer gescherzt, dass Leute, die keine guten Ideen haben, manchmal Prinzipien haben. Dann habe ich damit aufgehört, weil sich herausstellte, dass dieses Prinzip vor allem von Albert Einstein eingeführt wurde. Es war nur so, dass die Menschen es damals nicht wussten und immer noch in vielen Büchern über Astronomie über das kosmologische Prinzip diskutieren - dass das Universum homogen sein muss, weil ... nun, hier ist es homogen!
Auf der anderen Seite wissen wir, dass die Grundsätze - die müssen dann auch vollkommen stimmen. Dort kennen Sie nicht die Person, die nimmt klein Bestechungsgelder, er kann nicht als Mann mit Prinzipien bezeichnet werden. Unser Universum war ein wenig heterogen - es hat Galaxien, sie sind für uns notwendig, also müssen wir irgendwo verstehen, woher die Galaxien kommen.
Warum begannen sich alle Teile des Universums gleichzeitig auszudehnen? Dieser Teil ist das Universum, und dieser Teil ist das Universum, sie haben nicht miteinander gesprochen, als das Universum gerade anfing, sich auszudehnen. Trotz der Tatsache, dass die Größe des Universums klein war, muss die Person, die hier lebt – nun, eine imaginäre Person – diesen Teil kennen, damit ein Teil des Universums weiß, dass der andere sich auszudehnen begann begann zu expandieren. . Und dafür müsste er ein Signal von dieser Person erhalten. Und das würde Zeit brauchen, also konnten sich die Menschen in keiner Weise einigen, besonders im unendlichen Universum, dass, hurra, wir müssen anfangen zu expandieren, sie haben es bereits zugelassen ... Deshalb begannen alle Teile des Universums damit gleichzeitig erweitern...
Warum ist das Universum flach? Was jetzt experimentell bekannt ist, ist, dass das Universum fast flach ist, dh parallele Linien, die sich im beobachtbaren Teil des Universums nicht schneiden. Meint, warum Ist das Universum so flach? In der Schule wird uns beigebracht, dass sich parallele Linien nicht schneiden, aber an der Universität heißt es, dass das Universum geschlossen werden kann, und dass sie sich schneiden können. Warum also hatte Euklid recht? Weiß nicht…
Warum gibt es so viel im Universum Elementarteilchen? In dem Teil des Universums, den wir beobachten, gibt es mehr als 10 87 Elementarteilchen. Die Standardantwort darauf war, dass das Universum groß ist, weshalb... warum ist sie so groß? Und ich sammle es manchmal so: Warum kamen so viele Leute zum Vortrag? - aber weil so viele Leute in Moskau sind... - warum sind so viele Leute in Moskau? - und Moskau ist nur ein Teil von Russland, und es gibt viele Menschen in Russland, einige kamen zum Vortrag ... - warum gibt es so viele Menschen in Russland und noch mehr in China? Im Allgemeinen leben wir nur auf einem Planeten, und wir haben viele Planeten darin Sonnensystem, und jetzt werden noch mehr Planeten im Universum gefunden, und Sie wissen, dass es 10 11 Sterne in unserer Galaxie gibt, und deshalb gibt es irgendwo Planeten, irgendwo gibt es Menschen, einige von ihnen kamen zum Vortrag ... Warum Gibt es so viele Sterne in unserer Galaxie? Wissen Sie, wie viele Galaxien es in unserem Teil des Universums gibt? Ungefähr 10 11 -10 12 Galaxien und in jeder von ihnen 10 11 Sterne, Planeten umkreisen sie, und einige Leute kamen zum Vortrag. Warum haben wir so viele Galaxien? Nun, weil das Universum groß ist ... Also ... und hier enden wir.
Und wenn wir zum Beispiel das Universum nehmen – ein typisches geschlossenes Universum, das die einzig typische Größe hätte, die es gibt Allgemeine Theorie Relativitätstheorie zusammen mit Quantenmechanik, - 10–33 cm, Ausgangsgröße. Also, um Materie auf die sehr begrenzte Dichte zu komprimieren, die nur möglich ist (dies ist die sogenannte Planck-Dichte, ρ-Planck-Dichte), beträgt ungefähr 10 94 g / cm 3 ... Warum ist sie begrenzt? Es ist nicht einschränkend in dem Sinne, dass es unmöglich ist, fortzufahren, sondern in dem Sinne, dass, wenn Sie Materie auf eine solche Dichte komprimieren, das Universum so stark zu schwanken beginnt, dass es unmöglich ist, es auf normale Weise zu beschreiben. Das heißt, wenn wir Materie auf die höchste Dichte nehmen und komprimieren, ein geschlossenes Universum natürlicher Größe hineinstellen und dort die Anzahl der Elementarteilchen zählen, stellt sich heraus, dass es darin enthalten ist eines Elementarteilchen. Vielleicht zehn Elementarteilchen. Und wir brauchen 10 87 . Deshalb es echtes Problem- wo, warum gibt es so viele elementarteilchen?
Damit ist die Sache noch nicht zu Ende. Woher kam all die Energie im Universum? Ich habe es vorher nicht einmal für mich selbst so formuliert, bis ich nach Schweden zu einem Nobelsymposium eingeladen wurde, das sich der Energie widmete ... das heißt, dort versammelten sich Leute, die mit der Ölförderung oder etwas anderem zu tun haben. Und sie gaben mir die Gelegenheit, diese Konferenz zu eröffnen, und der erste Bericht... Ich konnte nicht verstehen, was sie von mir wollen? Ich beschäftige mich nicht mit Ölförderung, ich beschäftige mich nicht mit Solarenergie und Windenergie, was kann ich über Energie im Allgemeinen sagen? Nun, ich habe den Bericht dann damit begonnen, dass ich sagte: Weißt du, woher die Energie im Universum kam? Wissen Sie, wie viel Energie wir haben? Lass uns zählen.
Die Energie der Materie im Universum ist nicht erhalten. Erstes Paradoxon. Wir wissen, dass Energie gespart wird, aber das ist nicht richtig. Denn wenn wir zum Beispiel nehmen, wir füllen Gas in eine Kiste und lassen die Kiste expandieren... Hier ist eine Kiste – das ist unser Universum, lassen wir die Kiste expandieren. Gas - es übt Druck auf die Wände der Box aus. Und wenn sich die Kiste ausdehnt, wirkt dieses Gas an den Wänden der Kiste, und daher verliert das Gas seine Energie, wenn sich die Kiste ausdehnt. Weil er die Arbeit macht, ist alles in Ordnung, es herrscht ein Energiegleichgewicht. Aber die einzige Tatsache ist, dass während der Expansion des Universums die Gesamtenergie des Gases abnimmt. Denn es gibt eine Standardgleichung: Energieänderung gleich minus Druck mal Volumenänderung ( dE = –PdV). Das Volumen des Universums wächst, der Druck ist positiv, also nimmt die Energie ab.
Hier in allen normalen Modellen des Universums, denen, die mit der Urknalltheorie in Verbindung gebracht wurden, nahm die Gesamtenergie des Universums ab. Wenn es jetzt 10 50 Tonnen sind, wie viel war es dann am Anfang? Weil die Energie nur verschwendet wird. Also, dann hätte es am Anfang mehr sein sollen. Jemand musste dieses Universum mit viel mehr Energie erschaffen, als es jetzt tut. Andererseits muss etwas bewahrt werden. Und wo wird diese Energie während der Expansion des Universums verbraucht? Es wird dafür ausgegeben, dass sich die Größe des Universums ändert, dass sich das Universum mit einer bestimmten Geschwindigkeit ausdehnt. Es gibt eine Energie, die in der Geometrie des Universums verborgen ist. Es gibt eine Energie, die mit der Schwerkraft verbunden ist. Und so Gesamtsumme die Energie der Materie und Gravitationsenergie, es wird gespeichert. Aber nur, wenn Sie den Gesamtbetrag berechnen. Es gibt verschiedene Zählweisen – und wieder wird dort ein Komma gesetzt – aber bei einer bestimmten Zählweise ist die Gesamtsumme der Energie von Materie und Schwerkraft einfach gleich Null. Das heißt, die Energie der Materie wird durch die Energie der Gravitationswechselwirkung kompensiert, also gibt es Null. Und deshalb, ja, es hat bei Null angefangen, es wird bei Null enden, alles bleibt erhalten, aber nur dieses Erhaltungsgesetz, es ist nicht sehr nützlich für uns. Er erklärt uns nicht, woher eine so große Energie kam. Also wie viel?
Hier hätte nach der Theorie des Urknalls die Gesamtmasse der Materie am Anfang, als das Universum geboren wurde, 10 80 Tonnen überschreiten müssen, was schon viel ist. Das ist ziemlich viel... Und wenn ich das alles sogar direkt von der Singularität aus zähle, dann müsste es einfach unendlich viel Materie im Universum geben. Und dann stellt sich die Frage: Woher hat uns jemand diese unendliche Menge an Materie gegeben, wenn es vor dem Moment der Entstehung des Universums nichts gab? Zuerst war nichts, und dann wurde es plötzlich, und zwar so viel, dass es sogar irgendwie ein bisschen seltsam war. Das heißt, wer könnte das getan haben?.. Aber die Physiker wollten die Frage nicht so formulieren, und sie wollen es jetzt nicht.
Daher kann es gut sein, dass eine Theorie gefunden wurde, die es erlaubt, zumindest im Prinzip zu erklären, wie all dies hätte geschehen können, ausgehend von einem Stück des Universums mit einer anfänglichen Materiemenge von weniger als einem Milligramm. Nun, wenn ich darüber rede, denke ich das normale Person Ich dachte, wenn so etwas schon lange gesagt wurde oder wenn wir nicht gleichzeitig Gleichungen geschrieben haben und so weiter ...
Ich erinnere mich, als ich hierher zum Senior Researcher eskortiert wurde, riefen sie mich an und fingen an, mich zu fragen: „Was machst du?“ Und ich fing an, ihnen zu sagen, dass ich mich hier insbesondere damit befasse verschiedene Teile Es kann sich herausstellen, dass die Gesetze der Physik für das Universum unterschiedlich sein können: Teilweise gibt es elektromagnetische Wechselwirkungen, teilweise - nicht ... Sie sagten mir: "Nun, das ist zu viel!" Aber der ältere wissenschaftliche wurde immerhin gegeben. Dies ist die eigentliche Theorie des vielseitigen Universums, von der ich Ihnen erzählen werde.
Jetzt kommen wir zur Sache, zur Theorie der inflationären Kosmologie. Zuerst das einfachste Modell. Das einfachste Modell sieht so aus. Hier haben Sie ein Skalarfeld, dessen Energie proportional zum Quadrat des Skalarfelds ist. Die ersten einfachsten Worte – und schon hier stellt sich die Frage: Was ist ein Skalarfeld? Manche wissen es, manche nicht. Einige wissen, dass in der Schweiz ein riesiger Beschleuniger gebaut wird, um das Higgs-Teilchen zu finden. Das Higgs-Teilchen ist ein Teilchen, das sozusagen ein Anregungsquant ist spezieller Typ skalares Feld. Das heißt, die Menschen nutzen diese Felder seit langem, mehr als dreißig Jahren. Aber die intuitive Bedeutung ist am einfachsten mit Hilfe einer Analogie zu verstehen. Hier, hier sind 220 Volt im Netz. Wenn es nur 220 Volt gäbe und es keine Null gäbe, wäre das ganze Universum mit 220 Volt gefüllt, dann gäbe es keinen Strom, es würde nirgendwo fließen, weil es einfach ein anderer Vakuumzustand wäre. Amerika hat 110 Volt. Das gleiche - wenn es nur 110 Volt wären, würde nichts fließen ... Wenn Sie eine Seite mit einer Hand greifen, die andere Hand mit der anderen, dann würden Sie genau dort getötet, weil die Potentialdifferenz das ist, was ... Ich muss aufhören …
Gut. Ein konstantes Skalarfeld ist also ein Analogon desselben Feldes. Dies ist keine exakte Analogie, sondern eine ungefähre Analogie. Was ist ein Vektorfeld? Vektorfeld - zum Beispiel elektromagnetisch. Sie hat Größe und Richtung. Was ist ein Skalarfeld? Es hat eine Größe, aber keine Richtung. Das ist der ganze Unterschied, das heißt, es ist viel einfacher als das elektromagnetische Feld. Es hat keine Richtung, es ist ein Lorentzscher Skalar. Lorentzscher Skalar - das bedeutet Folgendes. Wenn Sie relativ dazu laufen, werden Sie nicht spüren, dass Sie laufen: Es hat sich nichts geändert. Wenn Sie sich umdrehen, ändert sich auch nichts, Sie werden nicht spüren, dass Sie sich umdrehen. Es sieht aus wie ein Vakuum, wenn es sich nicht bewegt, wenn es konstant ist. Aber nur das ist ein besonderes Vakuum, weil es potentielle Energie haben kann. Dies ist seine erste Eigenschaft. Und zweitens, wenn man in verschiedenen Teilen des Universums ein unterschiedliches Vakuum hat, dann gibt es auch unterschiedliche Gewichte von Elementarteilchen, unterschiedliche Eigenschaften, also davon, ob dieses skalare Feld existiert oder nicht, hängen a) die Eigenschaften der Elementarteilchen ab und b) die Vakuumenergiedichte im Universum, so dass dies im Prinzip wichtige Sache. Und so einfachste Theorie, für die die Energie dieses Skalarfeldes proportional zu seinem Quadrat ist.
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Schauen wir uns die Gleichungen an. Ich werde jetzt keine Gleichungen lösen, aber ich zeige sie, also keine Angst ... Die erste ist eine leicht vereinfachte Einstein-Gleichung, die besagt: Das ist die Expansionsrate des Universums dividiert durch die Größe, dies ist das Quadrat der Hubble-Konstante, und sie ist proportional zur Energiedichte der Materie im Universum. Und jetzt möchte ich alles vernachlässigen - da, Gas, alles ... lassen Sie nur das Skalarfeld. Und hier wäre es notwendig, die Gravitationskonstante zu schreiben, es gibt immer noch acht Pi mal drei ...
Vergessen wir jetzt die Gravitationskonstante. Leute, die diese Wissenschaft betreiben, sagen: Nun, nehmen wir die Gravitationskonstante gleich eins, die Lichtgeschwindigkeit gleich eins, die Plancksche Konstante gleich eins, und wenn alles gelöst ist, werden wir es wieder in die Lösung einfügen, um es einfacher zu machen ...
Das ist also eine leicht vereinfachte Gleichung von Einstein, ich habe auch ein paar Terme von dort weggeworfen, die selbst von dort weggeworfen werden, nachdem das Universum beginnt, schnell wegzublasen. Dies ist die Bewegungsgleichung für ein Skalarfeld. Schau dir den Schwanz jetzt nicht an. Das ist die Beschleunigung des Skalarfeldes, und das zeigt die Kraft, mit der das Feld in seine minimale Energie stürzen will. Und zur Verdeutlichung vergleichen Sie dies mit der Gleichung für einen harmonischen Oszillator. Nochmals, schauen Sie nicht auf dieses Mitglied. Dies ist die Beschleunigung des harmonischen Oszillators, proportional zur Rückstellkraft. Das heißt, die Kraft, die das Oszillatorfeld zu einem Punkt zieht x= 0, und das ist seine Beschleunigung. Und wir wissen, wie es endet. Der Oszillator schwingt so. Und wenn wir einen solchen Begriff hinzufügen, x mit einem Punkt. Dies ist die Geschwindigkeit des Oszillators. Das heißt, wenn wir es in diese Richtung bewegen, wird klar, dass dies wie eine Kraft ist, die es dem Oszillator nicht erlaubt, sich schnell zu bewegen. Es ist, als würde man ein Pendel in Wasser stecken, das Wasser stoppt seine Schwingung und es schwingt immer langsamer. Als ob die Kraft der Reibung oder Viskosität.
Es stellt sich heraus, dass das Universum auch einen ähnlichen Begriff hat, der die Gleichung für ein Skalarfeld beschreibt. Die Gleichung sieht genau gleich aus. Und dieses Mitglied ist diesem ähnlich. Es stellt sich heraus, dass im Universum der Reibungseffekt auftritt, wenn sich das Universum schnell ausdehnt. Hier ist ein Trick. Gehen wir nun zurück zum vorherigen Bild.
Dann ist das Skalarfeld da, dann hat das Skalarfeld wenig Energie, das Universum dehnt sich langsam aus, es gibt keine Reibung. Wenn das Skalarfeld hier ist, dann ist die Energie sehr groß. Wenn die Energie sehr groß ist, schauen wir uns an, was im nächsten Bild passiert.
Die Energie ist sehr groß, die Hubble-Konstante ist groß, der Reibungskoeffizient ist groß. Wenn der Reibungskoeffizient groß ist, rollt das Skalarfeld sehr langsam ab. Rollt das Skalarfeld sehr langsam nach unten, dann bleibt es lange Zeit nahezu konstant. Wenn es fast konstant bleibt, löse ich diese Gleichung: a mit Punkt drauf a(å /a) ist nahezu konstant. Und ich habe Ihnen bereits gesagt, was die Lösung sein wird. Wenn ein a mit Punkt drauf a(å /a) fast konstant ist, dann ist dies eine Exponentiallösung, die einfachste Differentialgleichung. Und in diesem Fall beginnt das Universum sich exponentiell auszudehnen.
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Die Logik ist folgende: Wenn sehr wichtig Skalarfeld φ, hohe Expansionsgeschwindigkeit des Universums, großer Reibungskoeffizient, das Feld φ rollt sehr langsam ab. Wenn wir eine Differentialgleichung mit einer Konstanten lösen, erhalten wir eine exponentielle Expansion, das ist Inflation. Alles ist sehr einfach.
Vorher musste man überhaupt leiden, um es zu durchdenken, um alles auf ein einfaches zu reduzieren. Tatsächlich begann alles mit einem viel komplexeren. Zum ersten Mal begann Aljoscha Starobinsky 1979 hier in Russland, Ideen dieser Art zum Ausdruck zu bringen. Seine Version dieser Theorie basierte auf der Quantengravitation mit gewissen Korrekturen – konforme Anomalien, die Theorie war sehr komplex, es war nicht klar, wie und wo man anfangen sollte, aber die Theorie war trotzdem damals innerhalb der Sowjetunion sehr populär, das war sie als „Starobinsky-Modell“ bezeichnet. Aber ein wenig kompliziert, es war nicht klar, was sein Zweck war. Er wollte das Problem der Singularität lösen, aber es hat nicht funktioniert...
Danach entstand die sogenannte alte Inflationstheorie, die 1981 von Alan Guth vom MIT vorgeschlagen wurde – jetzt ist er am MIT, und er war früher am SLAC neben Stanford. Er schlug vor, dass das Universum von Anfang an in seiner Energie in einem Zustand eines falschen Vakuums gefangen ist, sich nirgendwohin bewegt, die Energie dort konstant ist, sich zu diesem Zeitpunkt exponentiell ausdehnt und dieses falsche Vakuum dann mit einem Krach auseinanderfällt. Blasen bilden sich, sie kollidieren ... Warum war das notwendig? Und sein Wunsch war es, diese Liste von Problemen zu lösen, die ich Ihnen vorhin geschrieben habe: Warum ist das Universum homogen, warum ist es isotrop, warum ist es so groß – sein Ziel war dies. Und das war das Verdienst seiner Arbeit. Nicht weil er ein Modell vorgeschlagen hat – seine Theorie hat nicht funktioniert, sondern weil er sagte, dass es großartig wäre, so etwas zu machen, und dann werden wir all diese Probleme auf einmal lösen. Und sein Modell funktionierte nicht, weil das Universum nach der Kollision der Blasen so inhomogen und isotrop wurde, dass es sozusagen nicht einmal nötig war, es zu versuchen ...
Danach waren wir alle in einer seelischen Krise, weil die Idee so angenehm, so schön war, und ich hatte ein Magengeschwür, vielleicht aus Ärger darüber, dass es unmöglich war, es hat einfach nicht geklappt. Und dann fand ich heraus, wie man das macht, was ich die neue Inflationstheorie nannte, und dann kam ich auf diese einfache chaotische Inflationssache, die am einfachsten war. Und dann wurde klar, dass wir nicht über irgendeinen Trick sprechen, sondern alles so einfach sein kann wie die Theorie eines harmonischen Oszillators.
Aber warum das alles notwendig ist, habe ich nicht gesagt. Aber wieso. Während der Inflation, während dieser Phase, während ich nach unten rollte, konnte sich das Universum um so viele Male ausdehnen. Dies ist in den einfachsten Modellen. Was bedeutet diese Zahl? Nun, jetzt werde ich Ihnen sagen, was es bedeutet. Ein Beispiel aus der Arithmetik. Die kleinste Skala ist 10–33 cm, ich multipliziere sie mit zehn, und dann werden hier so viele Nullen gezeichnet - egal wie viele Nullen. Nun stellt sich die Frage: Was ist das Produkt? Und die Antwort ist, dass es hier dasselbe ist - es bedeutet, dass 10-33 nicht mehr geschrieben werden kann, das ist eine Kleinigkeit. Das bedeutet, dass sich das Universum als so riesig herausstellt. Wie viel sehen wir jetzt? Diese 13 Milliarden Jahre, multipliziert mit der Lichtgeschwindigkeit, sind ungefähr 10 28 cm, aber egal was - Zentimeter oder Millimeter, egal was. Das Wichtigste ist, dass dies, naja, unvergleichlich kleiner ist als dieses.
Das heißt, unser beobachtbarer Teil des Universums – wir sind irgendwo hier. ( Kannst du es jetzt abbezahlen?) Das Universum begann sich auszudehnen, schwoll an, schwoll an, schwoll an, und wir leben sozusagen auf der Oberfläche dieses riesigen Globus. Und deshalb scheinen parallele Linien parallel zu sein, deshalb hat niemand diesen Nord- und Südpol gesehen. Deshalb hat unser Teil des Universums, irgendwo hier, irgendwo von hier angefangen, von fast einem Punkt, und deshalb sind alle anfänglichen Eigenschaften hier, nun, sie sind nebeneinander, sie waren ungefähr gleich. Hier sind sie also gleich.
Warum ist das Universum so homogen? Stellen Sie sich vor, Sie hätten den Himalaya genommen und ihn so oft auseinandergerissen. Das bedeutet, dass niemand mit einem Rucksack dorthin gehen wird, weil es so viel braucht, um vom Tal zum Berg zu gehen. Es wird eine ebene Fläche geben. Deshalb ist unser Universum so flach, so homogen, in alle Richtungen gleich.
Warum isotrop? Was ist isotrop? Nun, es sieht aus wie eine Kugel, in alle Richtungen gleich, aber es könnte wie eine Gurke sein. Aber wenn ich eine Gurke so oft aufblase – und wir leben auf ihrer Haut – dann wird sie in alle Richtungen gleich sein, also wird das Universum in alle Richtungen gleich. Das heißt, auf diese Weise lösen wir die meisten Probleme, die wir hatten. Warum ist das Universum so groß? Und hier ist der Grund! Wie viele Elementarteilchen gibt es? Aber so viel! Dafür haben wir genug...
Das heißt, wir wissen immer noch nicht, woher das alles kam, wir können das Problem der anfänglichen Singularität nicht so einfach lösen – wir werden ein wenig weiter darauf eingehen – aber deshalb wurde diese Theorie benötigt.
Andererseits könnte sich herausstellen, dass wir ein wenig nachgearbeitet haben. Denn wenn der Himalaya vollständig abgeflacht ist, dann wird das gesamte Universum so flach und homogen sein, dass es wirklich schlecht sein wird, dort zu leben, dann werden wir keine Galaxien von irgendwoher nehmen.
Aber es stellte sich heraus, dass es möglich ist, Galaxien aufgrund von Quantenfluktuationen zu erzeugen. Und das haben Chibisov und Mukhanov hier bei FIAN gesagt. Sie studierten das Starobinsky-Modell und sahen, dass dort, wenn man sich die Quantenfluktuationen des Weltraums ansieht, und sich dann anschaut, was während der Expansion des Universums passiert, sie durchaus Galaxien entstehen lassen können. Und wir haben sie uns angeschaut und gedacht: Worüber redet ihr hier? Sie sprechen von Quantenfluktuationen und wir sprechen von Galaxien! Sie sind echt ... Und das hat sich dann herausgestellt. Dies war bereits der Zeitpunkt, an dem wir all dies in die Sprache eines Skalarfelds übersetzten und so weiter ... Gut gemacht, im Allgemeinen, Leute! Daran hätte man denken sollen!
Das Universum funktioniert wie ein Laser, aber statt eines Laserfeldes erzeugt es Galaxien. Das ist, was passiert. Nehmen wir ein Skalarfeld, zuerst hochfrequente Quantenfluktuationen. Quantenfluktuationen gibt es immer. Hier in diesem Auditorium gibt es in kleinen Abständen Quantenfluktuationen. Es ist gut, dass Sie mir zwei Stunden gegeben haben, ich würde es nicht beenden ... In zwei Stunden werde ich wahrscheinlich fertig sein ...
Quantenfluktuationen existieren also jetzt genau hier, aber sie oszillieren die ganze Zeit; Sie können sie nur nicht sehen, sie sind uns nicht wichtig. Aber nehmen Sie an, dass es während der schnellen Expansion des Universums eine solche Quantenfluktuation gegeben hat. Es dehnte sich mit der Ausdehnung des Universums aus. Wenn es genug gedehnt ist - erinnern Sie sich an die skalare Feldgleichung, in der sich dieser gepunktete 3Hφ-Term befindet? Gleichung, Reibungsterm. Als Sie ein Kurzwellenfeld hatten, wusste es nichts von Reibung, weil es mit einer solchen Energie schlug, dass es durch Reibung nicht gestoppt werden konnte. Und dann, als es sich streckte, verlor es seine Energie und spürte plötzlich, dass sich das Universum ausdehnt, dass es Reibung gab, und so erstarrte es. Es gefror und dehnte sich weiter aus und dehnte das Universum aus.
Danach streckten sie sich vor dem Hintergrund dieser hier gezeichneten Fluktuation aus, die früher sehr kurzwellig, energetisch usw. waren, sahen, dass sich das Universum ausdehnte, spürten Reibung und erstarrten - dagegen den Hintergrund jener Schwankungen, die zuvor eingefroren waren.
Danach expandierte das Universum weiter und neue Fluktuationen erstarrten und das Universum expandierte exponentiell. Und was ist in der Folge passiert? Dass all diese Schwankungen zu einer großen Größe anschwollen.
Was das ist, erkläre ich jetzt: Es ist das Ergebnis von Berechnungen, die gewissermaßen das Auftreten von Schwankungen und deren weitere Entwicklung simulieren. Ich werde erklären, was es sein wird, was es ist. Der Punkt ist folgender. Dass wir diese Quantenfluktuationen genommen haben. Sie sind gefroren. Das Universum ist exponentiell inhomogen geworden großen Umfang. Diese Inhomogenitäten sind ich t, hundert ich t, hundert ich t… Dann endete die Inflation. Dann - dieser Teil des Universums sieht diesen Teil des Universums noch nicht. Und dann verging die Zeit, und sie sahen sich. Und als sie es sahen, sagte dieser Teil des Universums: „Ah, ich habe weniger Energie und du hast mehr Energie; Komm schon, alle Steine von mir werden in diese Richtung fliegen, weil die Schwerkraft hier stärker ist. Und diese Schwankungen tauen auf. Das heißt, sie waren zunächst eingefroren - aufgrund der schnellen Expansion des Universums. Und dann, als sich die beiden Teile des Universums sahen, erstarrten diese Schwankungen, und das ist buchstäblich ... laut Baron Münchhausen.
Ich weiß nicht, als Kind bringt man einem das jetzt bei, liest man dort Baron Münchhausen? Wir wurden gelesen. Als er durch Russland reiste. Obwohl er ein deutscher Lügner war, reiste er durch Russland, in Sibirien. Sie jagten. Und es war so ein schrecklicher Frost, dass er, als er seine Freunde zu einem Treffen rufen wollte, „tu-tu-tu-tu!“ sagte, aber nichts geschah, weil der Ton in der Hupe erstarrte. Nun, es war kalt, er hat eine Höhle in den Schnee gegraben, wie ein erfahrener Mensch, sich dort begraben ... Am nächsten Morgen hört er plötzlich: „Tu-tutu-tutu!“. Was ist passiert? Der Ton verblasst. Denn am Morgen erschien die Sonne, alles, der Schnee schmolz und das Geräusch verstummte ...
Hier ist es genauso: Zuerst erstarrten die Quantenfluktuationen, breiteten sich über weite Strecken aus, und dann, als es um die Entstehung von Galaxien ging, erstarrten sie, und die Inhomogenitäten sammelten sich und wurden zu einer Galaxie.
Zuerst haben wir mit Quantenfluktuationen angefangen. Dann haben wir sie schnell riesig gemacht. Und als wir sie groß gemacht haben, haben wir sie tatsächlich klassisch gemacht. Damals schwankten sie nicht, verschwanden nicht, sie erstarrten, sie waren groß. Hier ist dieser Trick – wie man aus etwas Quanten etwas Klassisches macht.
Das also zeigt der Film. Wenn wir mit etwas fast Homogenem beginnen, wie jetzt, und dann diese Sinuskurven hier hinzufügen ... Jedes neue Bild zeigt ein exponentiell großes Universum. Aber der Computer konnte nicht expandieren, also haben wir die Bilder komprimiert. Tatsächlich müssen Sie verstehen, dass jedes Bild einem exponentiell größeren und größeren Universum entspricht. Und die Wellenlängen all dieser Werte sind in dem Moment, in dem sie erzeugt werden, alle ungefähr gleich. Und dann strecken sie sich, aber hier sieht man nicht, dass das eine gesunde Sinuskurve ist. Es scheint, dass dies eine Spitze ist, dort ist der Turm scharf ... Das liegt einfach daran, dass der Computer sie komprimiert hat.
Eine andere Sache ist auch nicht sichtbar: dass an den Stellen, an denen das Skalarfeld zufällig sehr hoch gesprungen ist, an dieser Stelle die Energie des Skalarfelds so groß ausfällt, dass sich das Universum an dieser Stelle noch viel schneller auszudehnen beginnt als es hier ausgebaut. Und deshalb, wenn es richtig wäre, ein Bild zu zeichnen - nun, es ist nur so, dass ein Computer es nicht kann, und es ist nicht die Schuld des Computers, es ist nur so eine Physik: Sie können sich einen gekrümmten Raum nicht gelegt vorstellen In unserem Raum ist es nur krumm, wie eine gekrümmte Oberfläche, es gelingt nicht immer, also kann hier nichts getan werden - Sie müssen nur verstehen, dass dies die Spitzen sind, was bedeutet, dass die Größe von hier nach hier viel ist Übergröße von hier nach hier. Das ist eigentlich eine gesunde Blase.
Dies ist, was ... - auch der Vorteil der russischen Bildung - was wir herausfanden, als wir an der Universität in der Praxis für militärische Angelegenheiten waren: dass die Entfernung entlang einer geraden Linie viel länger ist als die Entfernung entlang einer Kurve, wenn die Eine gerade Linie geht neben dem Offizier vorbei ... Wenn Sie hier in einer geraden Linie in die Nähe dieses Gipfels gehen, werden Sie ihn nie erreichen, weil die Entfernung immer größer wird. Gekrümmter Raum kann auf zwei Arten betrachtet werden. Das erste – wir können über die Expansion des Universums sprechen, und das zweite – wir können über die Verdichtung des Menschen sprechen. Der Mensch ist das Maß aller Dinge. Wenn Sie von hier aus gehen und in die Nähe des Gipfels gelangen, dann können Sie sagen, dass Ihre Schritte immer kleiner und kleiner und kleiner werden und es Ihnen daher schwer fällt, zu gehen. Es ist ein anderes Verständnis davon, was die Blase hier ist – es ist nur ein Ort, an dem Sie selbst im Vergleich zum Universum schrumpfen. Das sind fast gleichwertige Dinge.
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Woher wissen wir das alles? Woher wissen wir, dass das alles wahr ist? Nun, um ehrlich zu sein, wussten wir von Anfang an, dass das stimmt. Weil, nun, die Theorie war so schön, sie erklärte alles so einfach, dass danach nicht einmal experimentelle Beweise wirklich benötigt wurden, weil das Universum, nun ja ... groß ist? - Groß. Parallele Linien schneiden sich nicht? - Nicht schneiden ... Und so weiter. Es gab keine andere Erklärung.
Daher sind hier sozusagen die experimentellen Daten. Aber die Menschen wollen doch nicht einfach so, sondern sie wollen etwas anderes vorhersagen, was wir nicht wussten, und es bestätigt haben. Und eine der Vorhersagen sind diese Quantenfluktuationen... Es wäre schön, sie am Himmel zu sehen, aber wir haben sie nicht gesehen. Und nacheinander wurden verschiedene Systeme gestartet, Satelliten, der erste bemerkenswerte Satellit war Kobe (COBE), der Anfang der 90er Jahre gestartet wurde, und Menschen erhielten erst letztes Jahr dafür den Nobelpreis. Folgendes haben sie gesehen. Sie sahen, dass die Mikrowellenstrahlung, die uns von verschiedenen Seiten des Universums erreicht, leicht anisotrop ist.
Jetzt werde ich erklären, was auf dem Spiel steht. Mitte der 60er Jahre sahen die Menschen, dass Strahlung mit einer Temperatur von etwa 2,7 K auf die Erde kam, so ähnlich, Radiowellen, sehr energiearm, aber von allen Seiten. Dann erkannten sie, was es war. Das Universum war heiß, als es explodierte. Dann, als es sich ausdehnte, verloren diese Photonen ihre Energie, und als sie uns erreichten, kamen sie so tot an, mit wenig, wenig Energie. Und von allen Seiten war die gleiche Energie - 2,7 K. Temperatur ist ein Maß für Energie. Dann fingen sie an, genauer hinzusehen und sahen, dass in dieser Richtung die Temperatur 2,7 betrug ein Plus etwa 10 -3 mehr, aber in dieser Richtung 2,7 Minus- weitere 10 -3 . Und warum ist das so? Und zwar aus folgendem Grund: Weil sich die Erde im Verhältnis zum gesamten Universum bewegt. Und da ist genau diese Rotverschiebung. In der Richtung, in die wir uns bewegen, wird der Himmel dort blauer, die Photonen kommen etwas energischer herein. Und von dort, wo wir uns bewegen, werden sie etwas röter. Es war ein einfacher Effekt. Und wir haben sofort verstanden, wie schnell wir uns in Bezug auf die CMB bewegen, alles war einfach.
Und dann wollten die Leute wissen, ob es noch eine andere Struktur gibt? Und so starteten sie Satelliten, einer davon ist Kobe, und hier auf dem Bild ist WMAP gezeichnet, so ein Satellit. Und ein Bild, das sozusagen die Evolution im Laufe der Zeit zeigt.
Zuerst gab es den Urknall, dann diese Beschleunigung des Universums - Inflation, dann gab es Quantenfluktuationen, die erstarrten, dann führten diese erstarrten Quantenfluktuationen zur Entstehung einer kleinen Struktur im Universum. Zu dieser Zeit war das Universum sehr heiß. Es war so heiß, dass uns die Signale einfach nicht erreichten, so wie die Sonne hier für uns undurchsichtig ist: Es ist sehr heiß, sodass wir nur wenige hundert Kilometer tief in die Sonne sehen können. Hier…
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Und dann wurde das Universum plötzlich für gewöhnliche Strahlung transparent, weil sich Elektronen mit Protonen zu Atomen verbanden, und dann, als das Universum mehr oder weniger neutral wurde, begann Licht zu uns durchzudringen. Und hier sehen wir die Strahlung, die von diesem Moment an vergangen ist. Und diese Satelliten, sie schauten und maßen die Temperatur von verschiedene Punkte im Universum mit einer Genauigkeit von 10 -5 K. Stellen Sie sich vor, dass es im Labor schwierig wäre, dort eine Temperatur von einem Grad Kelvin zu erreichen. Die Menschen haben die Temperatur des Universums gemessen, 2,7 K plus, danach gibt es viele Zeichen, und dann haben sie die Ungenauigkeiten dieser Temperatur mit einer Genauigkeit von 10 -5 gemessen. Nun, Science-Fiction! Ich habe nie geglaubt, dass es möglich ist, aber dann habe ich angefangen, meinen experimentellen Freunden zu vertrauen, weil wir wissen, dass wir Theoretiker sind, aber es stellt sich heraus, dass Experimentatoren ...
Also, hier haben sie so kleine Punkte am Himmel gemessen, diese kleinen Punkte – sie sind hier gemalt. Wir wissen, dass dort, wo die Energie mehr ist, dies die Blauverschiebung ist, wo die Energie weniger ist, dies die Rotverschiebung ist, aber hier ist das Gegenteil der Fall. Die Menschen, die diese Karte koloriert haben, haben verstanden, dass die Psychologie der Menschen nicht so funktioniert. Es ist immer noch nicht sichtbares Licht, das ist Radioemission, also nicht rot, nicht weiß, keine. Also malten sie es künstlich. Und das ist, was rot ist, das ist zu verstehen, was dort heiß ist. Und wo es blau ist, ist es zu verstehen, dass es kalt ist. Also malten sie das genaue Gegenteil. Aber es spielt keine Rolle. Das Wichtigste ist, dass diese Flecken am Himmel auf 10 -5 genau sind.
Wenn man sich ein Stück dieses Himmels genauer anschaut, dann ist das das Bild, das sich hier ergibt. Hier sind die Flecken. Was ist das? Und das ist es. Diese Quantenfluktuationen des Skalarfeldes sind entstanden, haben sich über den ganzen Himmel ausgebreitet, sind dort erstarrt, haben ein wenig die Geometrie des Universums und die dortige Materiedichte verändert, dadurch die Temperatur verändert Relikte Strahlung, die zu uns kommt, und daher sind diese Temperatur, diese Inhomogenitäten ein Foto jener Quantenfluktuationen, die in den letzten Stadien der Inflation entstanden sind - entstanden und erstarrten. Das heißt, wir sehen jetzt den gesamten Himmel, und dieser gesamte Himmel ist wie eine Fotoplatte, die Quantenfluktuationen darstellt, die im Endstadium der Inflation bei etwa 10–30 s entstanden sind. Wir sehen ein Foto von dem, was 10 bis 30 Sekunden nach dem Urknall passiert ist. Nun, Wunder, was soll ich sagen!
Wir sehen dieses Foto nicht nur – wir haben seine spektralen Eigenschaften untersucht. Das heißt, diese Flecken haben bei großen Winkelgrößen eine Intensität, bei kleinen Winkelgrößen haben sie eine andere Intensität. Wir haben das Spektrum dieser Schwankungen berechnet und festgestellt, dass das Spektrum so aussieht: Schwarze Punkte sind das, was dieser WMAP-Satellit experimentell sieht. Seitdem sind auch andere Ergebnisse erschienen, die in diesen Bereich hineinreichen, aber ich habe jetzt nicht damit begonnen, sie hier vorzustellen. Aber die rote Linie sind die theoretischen Vorhersagen des einfachsten Modells des inflationären Universums, und die schwarzen Punkte sind das, was experimentell sichtbar ist.
Hier gibt es einige Anomalien. Bei großen Winkeln sind die größten Abstände klein. Hier l- Was hier, hier, auf dieser Achse steht, ist die Anzahl der Harmonischen. Das heißt, je mehr l, je mehr Harmonische, desto kleiner der Winkel. Bei kleinen Winkeln hervorragende Übereinstimmung mit experimentellen Daten. Bei hohen Winkeln passiert etwas nicht ganz Deutliches. Aber vielleicht liegt das einfach an Ungenauigkeiten, weil uns nur ein Stück des Universums gegeben ist: Wir studieren Statistiken, und wir haben Statistiken - wie haben Sie einmal eine Münze geworfen, welche Art von Statistiken brauchen Sie? Man muss es hundertmal werfen, um zu sehen, was bei 50/50 passiert ist. Daher sind die Statistiken bei großen Winkeln nicht sehr genau. Trotzdem fallen ein paar Punkte heraus - es gibt ein gewisses Problem, was hier passiert. Es gibt einige Anisotropien im Universum, die wir im großen Maßstab noch nicht erklären können. Tatsache ist jedoch, dass alle anderen Punkte, wie sich herausstellt, perfekt passen. Und so ist die Übereinstimmung zwischen Theorie und Experiment sehr beeindruckend.
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Ich entschied für mich, dass ich mir einen Weg einfallen lassen sollte, um die Veränderung des Weltbildes weiter zu erklären einfache Sprache. Und das Bild der Welt ... Nun, ich bin noch nicht bei dieser Theorie des vielseitigen Universums angelangt. Das ist noch ein einfaches Bild ... So. Das Bild der Welt verändernd, sieht es so aus. Dass wir auf der Erde sitzen und uns umsehen. Und jetzt umgeben von dieser Kristallkugel. Wir können nichts weiter sehen, aber es gibt Sterne, Planeten… Und wir wissen, dass wir unsere Kosmologie als Zeitmaschine benutzen.
Wenn wir dort die Sonne nehmen und betrachten, sehen wir die Sonne, wie sie vor ein paar Minuten war. Schauen wir uns die fernen Sterne an. Wir werden die Sterne sehen, wie sie vor vielen Jahren, vor Hunderten von Jahren, vor Tausenden von Jahren waren.
Wenn wir noch weiter gehen, dann werden wir diesen Ort sehen, wo das Universum gerade heiß wurde, und damals kamen Photonen zu uns, das sehen diese Satelliten, hier haben wir dieses kosmische Feuer gesehen. Und dann ist das Universum undurchsichtig. Weiter, näher an diesen Urknall, der vor diesen 13 Milliarden Jahren stattfand, können wir uns nicht nähern. Aber natürlich, wenn wir zum Beispiel Neutrinos verwenden würden, die zu diesem Zeitpunkt emittiert werden – wir wissen, dass wir Neutrinos bekommen können, die aus dem Zentrum der Sonne kommen – könnten wir Neutrinos bekommen, die näher an diesem Urknall emittiert wurden . Jetzt sehen wir nur, was ungefähr 400.000 Jahre nach dem Urknall war. Na ja, immer noch … verglichen mit 13 Milliarden sind vierhunderttausend ziemlich gut … Aber wenn es Neutrinos gäbe, könnten wir viel näher kommen. Wenn es Gravitationswellen gäbe, könnten wir dem Urknall sehr nahe kommen, bis buchstäblich zu dieser Zeit vom Urknall.
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Was sagt die Inflation aus? Und die Inflation sagt das. Dass dieses ganze Feuer tatsächlich kosmisch ist, entstand nach der Inflation, und hier gibt es eine exponentiell große Menge an Raum, als das gesamte Universum nur mit einem Skalarfeld gefüllt war, als es keine Teilchen gab, und selbst wenn, dann ihre Dichte würde ständig exponentiell abnehmen, weil sich das Universum exponentiell ausdehnt.
Daher spielt es überhaupt keine Rolle, was es vor der Inflation war. Das Universum hier war praktisch leer, und die Energie saß in diesem Skalarfeld. Und danach – erinnern Sie sich an dieses Bild: Das Skalarfeld ging nach unten, nach unten, nach unten, dann allmählich, als es den Boden erreichte, wurde die Hubble-Konstante klein – es begann zu oszillieren, zu diesem Zeitpunkt erzeugte es aufgrund seiner Schwingungen normal Angelegenheit. Während dieser Zeit wurde das Universum heiß. Zu dieser Zeit entstand dieses Feuer. Und wir dachten früher, dass dieses Feuer vom Anfang der Welt sei. Wir waren wie Wölfe, die Angst haben, über das Feuer zu springen, wir wussten, dass dies der Anfang der Welt ist.
Es stellt sich jetzt heraus, dass wir, um zu erklären, warum dieses Feuer so gleichmäßig verteilt war, eine Bühne brauchten, die alles ausgleicht. Und das ist die Inflationsphase.
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Und dann kannst du weit, weit über diesen Ort im Himmel hinausgehen, denn das Universum ist so groß, da war so viel. Und wenn wir weiter gehen, werden wir diese Orte sehen, an denen Quantenfluktuationen auftreten, die Galaxien entstehen lassen. Und wir werden jene Orte sehen, an denen diese Schwankungen so groß sind, dass sie neue Teile des Universums entstehen ließen, die sich schnell ausdehnten und die erzeugt wurden und entstehen und jetzt. Das Universum erzeugt sich aufgrund dieser Quantenfluktuationen selbst, nicht nur Galaxien, sondern große Teile von sich selbst. Und es wird zu einem unendlichen und sich selbst reproduzierenden Universum.
Aber neben all dem gibt es noch einen weiteren Effekt. Ich habe Ihnen also vom Universum erzählt, in dem es ein Skalarfeld nur eines Typs gibt. Ein Skalarfeld mit so einem einfachen Potential... Wir wissen, dass wir, wenn wir die Theorie der Elementarteilchen vollständig beschreiben wollen, viele Skalarfelder brauchen. Beispielsweise gibt es in der Theorie der elektroschwachen Wechselwirkungen ein Higgs-Feld. Und das Higgs-Feld macht alle Teilchen unseres Körpers schwer. Das heißt, Elektronen erwerben Massen, Protonen erwerben Massen, Photonen erwerben keine Massen. Andere Teilchen nehmen Massen an. Je nach Skalarfeld nehmen sie unterschiedliche Massen an.
Aber das ist nicht das Ende der Angelegenheit. Es gibt auch die Grand-Unification-Theorie, in der eine andere Art von Skalarfeld entsteht. Das ist ein anderes Feld. Wenn es nicht da wäre, dann gäbe es keinen grundlegenden Unterschied zwischen Leptonen und Baryonen, dann könnten Protonen leicht in Positronen zerfallen, es gäbe keinen Unterschied zwischen Materie und Antimaterie. Um zu erklären, was dort passiert ist, wie sich diese Dinge voneinander getrennt haben, musste noch ein Skalarfeld eingeführt werden … Im Prinzip kann es viele dieser Skalarfelder geben. Wenn Sie sich die einfachste Theorie - supersymmetrisch - die Theorie der Großen Vereinigung ansehen, stellt sich heraus, dass die darin enthaltene potentielle Energie so gezeichnet wird ...
Nun, das ist eigentlich auch ein ungefähres Bild. Dies ist ein Feld, das eigentlich eine Matrix ist. Und jetzt, bei einem Wert dieses Feldes, gibt es keine Verletzung der Symmetrie zwischen den schwachen und starken elektromagnetischen Wechselwirkungen, es gibt keinen Unterschied zwischen Leptonen und Baryonen. Es gibt noch einen anderen Feldwert, bei dem wir eine spezielle Art der Symmetriebrechung überhaupt nicht sehen. Es gibt ein drittes Minimum, in dem gerade die Physik unserer Welt liegt. Tatsächlich müssen wir noch unser Skalarfeld schreiben, und wenn wir alles zusammen schreiben, dann gibt es ein Dutzend solcher Minima. Sie alle haben in erster Näherung die gleiche Energie, und wir leben nur in einem dieser Minima.
Und dann stellt sich die Frage: Wie sind wir in dieses Minimum gekommen? Und im sehr frühen Universum, als die Temperatur heiß war, gab es nur dieses Minimum. Und es tauchte das Problem auf: Wie sind wir dann in dieses Minimum eingedrungen, denn im frühen Universum, in Übereinstimmung mit der Theorie, die wir hier zusammen mit David Abramovich Kirzhnits entwickelt haben, der diese Idee in seinem Kopf hatte, über die Tatsache, dass in Im frühen Universum wird die Symmetrie zwischen allen Wechselwirkungen wiederhergestellt. Und dann sollten wir hier sitzen. Wie sind wir dann hierher gekommen? Und der einzige Weg dorthin könnten wir durch Quantenfluktuationen erreichen, die während der Inflation erzeugt wurden.
Aber auch dieses Skalarfeld sprang und fror auch ein. Und es könnte zu diesem Minimum springen, zu diesem springen, zurückspringen. Wenn es dann in eines dieser Minima sprang, in den Teil des Universums, in dem wir dieses Minima getroffen haben, begann es exponentiell groß zu werden. Dieses hier begann exponentiell groß zu werden, dieses hier... Und das Universum zerbrach in eine exponentiell große Anzahl von Teilen von exponentiell großer Größe. Mit allen möglichen Arten von Physik in jedem von ihnen.
Was bedeutet das? Das erstens kann es viele Skalarfelder geben. Zweitens kann es viele verschiedene Minima geben. Und danach, je nachdem, wo wir hinkamen, könnte das Universum exponentiell in große Teile zerfallen große Gebiete, von denen jedes aufgrund all seiner Eigenschaften - lokal - so aussieht riesiges Universum. Jeder von ihnen ist riesig. Wenn wir darin leben, werden wir nicht wissen, dass andere Teile des Universums existieren. Und die Gesetze der Physik werden dort effektiv anders sein.
Das ist in der Tat das Gesetz der Physik – es mag dasselbe sein, Sie haben dieselbe Theorie – aber es ist dasselbe wie Wasser, das flüssig, gasförmig, fest sein kann. Aber Fische können nur in flüssigem Wasser leben. Wir können nur in diesem Minimum leben. Deshalb leben wir dort. Nicht weil diese Teile des Universums nicht existieren, sondern weil wir nur hier leben können. So entsteht dieses Bild, das „vielseitiges Universum“ oder „Multiversum“ statt „Universum“ genannt wird.
Andere Sprache. Wir wissen, dass unsere Eigenschaften durch den genetischen Code bestimmt werden – den Code, den wir von unseren Eltern geerbt haben. Wir wissen auch, dass Mutationen existieren. Mutationen passieren, wenn etwas Seltsames passiert. Wann kosmische Strahlung wenn etwas mit der Chemie nicht stimmt - nun, Sie wissen besser als ich, was nötig ist, um Mutationen zu bewirken. Und wir wissen auch, dass hier alles eine riesige Anzahl von Arten ist - es war notwendig, dass diese Mutationen sein.
Während der Expansion des Universums gab es also auch Mutationen. Sie haben das Universum, auch wenn es von Anfang an in einem Minimum war, dann begann es von einem Minimum zum anderen zu springen und brach ein verschiedene Typen Universum. Und dieser Mechanismus der Quantenfluktuationen, der das Universum von einem Ort, von einem Zustand in einen anderen versetzt hat - man kann ihn nennen ... das kann man den Mechanismus kosmischer Mutationen nennen.
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(Leider ist hier natürlich ein Teil dessen, was ich zeigen wollte, nicht sichtbar. Naja, in Worten...) Landschaft. Diese Terminologie entstand, weil sich diese Terminologie, dieses Bild, im Kontext der Stringtheorie als sehr wichtig herausstellte. Als Spitzenkandidat für eine Theorie aller Kräfte spricht man seit langem von der Stringtheorie. Ich bin an dieser Stelle leider "schwebend"... Obwohl ich einer der Co-Autoren dieses Bildes bin, das hier ist. Das heißt, viele Jahre lang wussten die Menschen nicht, wie man unseren vierdimensionalen Raum mit Hilfe der Stringtheorie beschreibt.
Tatsache ist, dass die Stringtheorie am einfachsten im zehndimensionalen Raum formuliert werden kann. Aber in einem zehndimensionalen Raum sind sechs Dimensionen überflüssig, man muss sie irgendwie loswerden. Die Idee ist, dass sie irgendwie zu einer kleinen Kugel komprimiert werden müssen, damit niemand sie sieht, damit niemand in sechs Richtungen gehen kann, und wir würden nur vier große Dimensionen sehen – drei Räume und eine Zeit. Und so würden wir in diesen drei räumlichen Dimensionen gehen und denken, dass unser Universum dreidimensional plus ein Mal ist, aber in Wirklichkeit würden irgendwo im Herzen des Universums Informationen gespeichert, dass es einen proletarischen Ursprung hat – zehndimensional. Und sie möchte auch zehndimensional werden. In der Stringtheorie hat sich also immer herausgestellt, dass es zehndimensional sein will, und bis vor kurzem wussten sie nicht, wie man es vierdimensional macht, lassen Sie es normal. In allen Fällen stellte sich heraus, dass dieser Zustand instabil ist.
Seit Mitte der 1970er Jahre arbeiten Physiker daran theoretische Modelle Die großartige Vereinigung der drei fundamentalen Kräfte – stark, schwach und elektromagnetisch. Viele dieser Modelle führten zu dem Schluss, dass kurz nach dem Urknall sehr massive Teilchen mit einer einzigen magnetischen Ladung in Hülle und Fülle produziert worden sein müssen. Als das Alter des Universums 10 -36 Sekunden erreichte (nach einigen Schätzungen sogar etwas früher), trennte sich die starke Wechselwirkung von der elektroschwachen und erlangte ihre Unabhängigkeit. Dabei wurden im Vakuum punktförmige topologische Defekte gebildet, deren Masse um 10 15 - 10 16 größer ist als die Masse des noch nicht existierenden Protons. Als sich wiederum die elektroschwache Kraft in die schwache Kraft und die elektromagnetische Kraft aufspaltete und echter Elektromagnetismus auftauchte, nahmen diese Defekte magnetische Ladungen an und begannen zu werden neues Leben- in Form von magnetischen Monopolen.
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Die Trennung grundlegender Wechselwirkungen in unserem frühen Universum lag in der Natur Phasenübergang. Bei sehr hohen Temperaturen wurden die grundlegenden Wechselwirkungen kombiniert, aber beim Abkühlen unter die kritische Temperatur trat keine Trennung auf [dies kann mit der Unterkühlung von Wasser verglichen werden]. An diesem Punkt überstieg die mit der Vereinigung verbundene Energie des Skalarfeldes die Temperatur des Universums, was das Feld mit negativem Druck ausstattete und eine kosmologische Inflation verursachte. Das Universum begann sich sehr schnell auszudehnen, und im Moment des Symmetriebruchs (bei einer Temperatur von etwa 10 28 K) nahmen seine Abmessungen um das 10 50-fache zu. Das mit der Vereinigung von Wechselwirkungen verbundene Skalarfeld verschwand und seine Energie wurde in eine weitere Expansion des Universums umgewandelt. |
HEISSER GEBURTSTAG |
Dieses schöne Modell stellte die Kosmologie vor ein unangenehmes Problem. "Nördliche" magnetische Monopole vernichten sich, wenn sie mit "südlichen" kollidieren, aber ansonsten sind diese Teilchen stabil. Aufgrund der Masse im Nanogrammbereich, die nach den Maßstäben der Mikrowelt riesig ist, waren sie kurz nach der Geburt gezwungen, auf nicht-relativistische Geschwindigkeiten abzubremsen, sich im Weltraum zu verteilen und bis in unsere Zeit zu überleben. Ihre Stromdichte sollte nach dem Standard-Urknallmodell ungefähr der von Protonen entsprechen. Aber in diesem Fall wäre die Gesamtdichte der kosmischen Energie mindestens eine Billiarde Mal höher als die tatsächliche.
Alle Versuche, Monopole zu entdecken, sind bisher gescheitert. Wie die Suche nach Monopolen in zeigt Eisenerze und Meerwasser, das Verhältnis ihrer Zahl zur Zahl der Protonen 10 -30 nicht überschreitet. Entweder existieren diese Teilchen in unserer Region des Alls gar nicht oder es sind so wenige, dass die Instrumente sie trotz eindeutiger magnetischer Signatur nicht registrieren können. Auch astronomische Beobachtungen bestätigen dies: Das Vorhandensein von Monopolen soll sich auswirken Magnetfelder unsere Galaxie, aber dies wurde nicht entdeckt.
Natürlich kann man davon ausgehen, dass es nie Monopole gegeben hat. Einige Modelle der Vereinheitlichung grundlegender Wechselwirkungen schreiben ihr Aussehen nicht wirklich vor. Aber die Probleme des Horizonts und des flachen Universums bleiben bestehen. Zufällig sah sich die Kosmologie in den späten 1970er Jahren ernsthaften Hindernissen gegenüber, die eindeutig neue Ideen erforderten, um sie zu überwinden.
NEGATIVER DRUCK
Und diese Ideen ließen nicht lange auf sich warten. Die wichtigste war die Hypothese, wonach es im Weltraum neben Materie und Strahlung ein skalares Feld (oder Felder) gibt, das Unterdruck erzeugt. Diese Situation erscheint paradox, tritt aber ein Alltagsleben. Ein Überdrucksystem, wie z. B. ein komprimiertes Gas, verliert Energie, wenn es sich ausdehnt und abkühlt. Ein elastisches Band hingegen befindet sich in einem Unterdruckzustand, da es sich im Gegensatz zu einem Gas nicht ausdehnt, sondern zusammenzieht. Wenn ein solches Band schnell gedehnt wird, erwärmt es sich und Wärmeenergie wird steigen. Wenn sich das Universum ausdehnt, sammelt das negative Druckfeld Energie, die, wenn sie freigesetzt wird, Teilchen und Lichtquanten erzeugen kann.
FLACHES PROBLEM |
Astronomen sind seit langem davon überzeugt, dass der aktuelle Weltraum, wenn er deformiert ist, eher moderat ist. |
FLACHES PROBLEM |
Der Unterdruck kann einen anderen Wert haben. Aber da ist ein Sonderfall wenn sie gleich der kosmischen Energiedichte mit umgekehrtem Vorzeichen ist. In diesem Szenario bleibt diese Dichte bei der Ausdehnung des Weltraums konstant, da der Unterdruck die wachsende „Verdünnung“ von Teilchen und Lichtquanten kompensiert. Aus den Friedmann-Lemaitre-Gleichungen folgt, dass sich das Universum in diesem Fall exponentiell ausdehnt.
Die exponentielle Expansionshypothese löst alle drei oben genannten Probleme. Angenommen, das Universum entstand aus einer winzigen "Blase" aus stark gekrümmtem Raum, die eine Transformation durchmachte, die den Raum mit Unterdruck ausstattete und ihn so zwang, sich exponentiell auszudehnen. Natürlich wird das Universum nach dem Verschwinden dieses Drucks zu seiner früheren "normalen" Ausdehnung zurückkehren.
LÖSUNG VON PROBLEMEN
Wir nehmen an, dass der Radius des Universums vor Erreichen der Exponentiallänge nur wenige Größenordnungen größer war als die Planck-Länge, 10 -35 m. Wenn es in der Exponentialphase beispielsweise 1050-mal wächst, dann wird es bis zu seinem Ende Tausende von Lichtjahren erreichen. Was auch immer der Unterschied zwischen dem Raumkrümmungsparameter von Eins vor Beginn der Ausdehnung sein mag, am Ende wird er um das 10- bis 100-fache abnehmen, das heißt, der Raum wird vollkommen flach!
Das Problem der Monopole wird auf ähnliche Weise gelöst. Wenn die topologischen Defekte, die zu ihren Vorläufern wurden, vor oder sogar während der exponentiellen Expansion entstanden sind, sollten sie sich bis zu ihrem Ende um gigantische Entfernungen voneinander entfernen.Seitdem hat sich das Universum erheblich ausgedehnt und die Dichte der Monopole ist fast auf gesunken Null. Berechnungen zeigen, dass selbst wenn wir einen kosmischen Würfel mit einer Kante von einer Milliarde Lichtjahren untersuchen, dann dort mit der höchste Grad Wahrscheinlichkeit gibt es keinen einzigen Monopol.
Die exponentielle Expansionshypothese schlägt auch eine einfache Lösung des Horizontproblems vor. Nehmen wir an, dass die Größe der Keimblase, die den Grundstein für unser Universum gelegt hat, den Weg, den das Licht nach dem Urknall zurücklegen musste, nicht überschritten hat. In diesem Fall konnte darin ein thermisches Gleichgewicht hergestellt werden, das die Temperaturgleichheit im gesamten Volumen sicherstellte, die während der exponentiellen Expansion erhalten blieb. Eine solche Erklärung ist in vielen Lehrbüchern der Kosmologie vorhanden, aber Sie können darauf verzichten.
AUS EINER BLASE
Um die Wende der 1970er und 1980er Jahre betrachteten mehrere Theoretiker, der erste von ihnen war der sowjetische Physiker Alexei Starobinsky, Modelle der frühen Entwicklung des Universums mit einer kurzen Phase exponentieller Expansion. 1981 veröffentlichte der Amerikaner Alan Guth eine Arbeit, die die Idee in den Vordergrund rückte. Er verstand als Erster, dass eine solche Erweiterung (höchstwahrscheinlich bis zur Altersgrenze von 10 -34 s) das von ihm anfangs behandelte Problem der Monopole beseitigt und den Weg zur Auflösung von Inkonsistenzen mit flacher Geometrie und dem Horizont weist. Guth nannte diese Expansion schön kosmologische Inflation, und der Begriff hat sich allgemein durchgesetzt.
DORT, ÜBER DEM HORIZON |
DAS PROBLEM DES HORIZONTS IST MIT DER RELIKTSTRAHLUNG VERBUNDEN, VON DEREN PUNKT DES HORIZONS SIE KOMMT, IHRE TEMPERATUR IST MIT EINER GENAUIGKEIT VON 0,001% KONSTANTE. |
FLACHES PROBLEM |
Aber Guths Modell hatte noch einen gravierenden Nachteil. Es ermöglichte die Entstehung vieler inflationärer Gebiete, die miteinander kollidierten. Dadurch entstand ein hochgradig ungeordneter Kosmos mit einer inhomogenen Materie- und Strahlungsdichte, die sich von der realen völlig unterscheidet. Platz. Doch schon bald zeigten Andrei Linde vom Physikalischen Institut der Akademie der Wissenschaften (FIAN) und wenig später Andreas Albrecht und Paul Steinhardt von der University of Pennsylvania, dass, wenn man die skalare Feldgleichung ändert, alles aufgeht. Von hier aus folgte ein Szenario, nach dem unser gesamtes beobachtbares Universum aus einer Vakuumblase entstand, die durch unvorstellbar große Entfernungen von anderen inflationären Regionen getrennt war.
CHAOTISCHE INFLATION
1983 gelang Andrey Linde ein weiterer Durchbruch, als er die Theorie der chaotischen Inflation entwickelte, die es ermöglichte, sowohl die Zusammensetzung des Universums als auch die Homogenität der kosmischen Mikrowellen-Hintergrundstrahlung zu erklären. Während der Inflation werden alle vorherigen Inhomogenitäten im Skalarfeld so stark gedehnt, dass sie praktisch verschwinden. In der Endphase der Inflation beginnt dieses Feld schnell in der Nähe seines Minimums zu oszillieren. potenzielle Energie. Dabei werden Teilchen und Photonen in Hülle und Fülle geboren, die intensiv miteinander wechselwirken und eine Gleichgewichtstemperatur erreichen. Am Ende der Inflation haben wir also ein flaches heißes Universum, das sich dann gemäß dem Urknall-Szenario ausdehnt. Dieser Mechanismus erklärt, warum wir heute kosmische Mikrowellen-Hintergrundstrahlung mit winzigen Temperaturschwankungen beobachten, die auf Quantenfluktuationen in der ersten Phase der Existenz des Universums zurückzuführen sind. Somit löste die Theorie der chaotischen Inflation das Horizontproblem ohne die Annahme, dass sich das embryonale Universum vor Beginn der exponentiellen Expansion in einem thermischen Gleichgewichtszustand befand.
Nach Lindes Modell muss die Verteilung von Materie und Strahlung im Raum nach dem Aufblasen einfach nahezu vollkommen homogen sein, mit Ausnahme von Spuren primärer Quantenfluktuationen. Diese Schwankungen führten zu lokalen Dichteschwankungen, die schließlich zu Galaxienhaufen und Leerstellen im Weltraum führten, die sie trennten. Ganz wichtig ist, dass die Fluktuationen ohne inflationäres „Stretching“ zu schwach wären und nicht zu Embryonen von Galaxien werden könnten. Im Allgemeinen hat der Inflationsmechanismus eine äußerst mächtige und universelle kosmologische Kreativität – wenn Sie so wollen, erscheint er als universeller Demiurg. Der Titel dieses Artikels ist also keineswegs übertrieben.
Auf Skalen in der Größenordnung von Hundertsteln der Größe des Universums (jetzt sind es Hunderte von Megaparsecs) war und ist seine Zusammensetzung homogen und isotrop. Auf der Skala des gesamten Kosmos verschwindet jedoch die Homogenität. Die Inflation hört in einem Bereich auf und beginnt in einem anderen, und so weiter bis ins Unendliche. Dies ist ein sich selbst reproduzierender, endloser Prozess, der zu einer verzweigten Reihe von Welten führt – dem Multiversum. Dort lassen sich die gleichen physikalischen Grundgesetze in unterschiedlichen Formen realisieren – zum Beispiel können innernukleare Kräfte und die Ladung eines Elektrons in anderen Universen anders ausfallen als bei uns. Dieses fantastische Bild wird derzeit sowohl von Physikern als auch von Kosmologen ernsthaft diskutiert.
KAMPF DER IDEEN
„Die Hauptideen des Inflationsszenarios wurden vor drei Jahrzehnten formuliert“, erklärt Andrey Linde, einer der Autoren der inflationären Kosmologie, Professor an der Stanford University. - Danach bestand die Hauptaufgabe darin, realistische Theorien auf der Grundlage dieser Ideen zu entwickeln, aber nur die Kriterien für Realismus änderten sich mehr als einmal. In den 1980er Jahren war die vorherrschende Meinung, dass die Inflation anhand von Grand-Unification-Modellen verstanden werden könne. Dann schmolzen die Hoffnungen und die Inflation wurde im Kontext der Theorie der Supergravitation und später der Theorie der Superstrings interpretiert. Dieser Weg erwies sich jedoch als sehr schwierig. Erstens verwenden diese beiden Theorien extrem komplexe Mathematik, und zweitens sind sie so arrangiert, dass es sehr, sehr schwierig ist, mit ihrer Hilfe ein Inflationsszenario umzusetzen. Daher war der Fortschritt hier eher langsam. Im Jahr 2000 haben drei japanische Wissenschaftler im Rahmen der Theorie der Supergravitation mit erheblichen Schwierigkeiten ein Modell der chaotischen Inflation erhalten, das ich fast 20 Jahre zuvor entwickelt hatte. Drei Jahre später haben wir in Stanford eine Arbeit geschrieben, die die grundsätzliche Möglichkeit der Konstruktion inflationärer Modelle mit Hilfe der Superstring-Theorie aufzeigte und auf ihrer Grundlage die Vierdimensionalität unserer Welt erklärte. Insbesondere haben wir herausgefunden, dass man auf diese Weise einen Vakuumzustand mit einer positiven kosmologischen Konstante erreichen kann, was notwendig ist, um Inflation auszulösen. Unser Ansatz wurde von anderen Wissenschaftlern erfolgreich entwickelt und trug wesentlich zum Fortschritt der Kosmologie bei. Es ist nun klar, dass die Superstring-Theorie die Existenz einer gigantischen Anzahl von Vakuumzuständen zulässt, die die exponentielle Expansion des Universums hervorrufen.
Jetzt sollten wir einen weiteren Schritt machen und die Struktur unseres Universums verstehen. Diese Arbeiten werden durchgeführt, aber sie stoßen auf große technische Schwierigkeiten, und das Ergebnis ist noch nicht klar. In den letzten zwei Jahren haben meine Kollegen und ich an einer Familie von Hybridmodellen gearbeitet, die sowohl auf Superstrings als auch auf Supergravitation setzen. Es gibt Fortschritte, wir können bereits viele reale Dinge beschreiben. Zum Beispiel sind wir dem Verständnis nahe, warum die Vakuumenergiedichte jetzt so niedrig ist, die nur dreimal so hoch ist wie die Dichte von Teilchen und Strahlung. Aber es ist notwendig, weiterzumachen. Wir sind gespannt auf die Ergebnisse der Beobachtungen des Planck-Weltraumobservatoriums, das die spektralen Eigenschaften des CMB mit sehr hoher Auflösung misst. Es ist möglich, dass die Messwerte ihrer Instrumente ganze Klassen von Inflationsmodellen unters Messer legen und einen Anreiz für die Entwicklung alternativer Theorien geben.
Die inflationäre Kosmologie weist eine Reihe bemerkenswerter Errungenschaften auf. Sie sagte die flache Geometrie unseres Universums voraus, lange bevor Astronomen und Astrophysiker diese Tatsache bestätigten. Bis Ende der 1990er Jahre glaubte man, dass bei voller Berücksichtigung aller Materie im Universum der Zahlenwert des Parameters Ω 1/3 nicht überschreitet. Erst die Entdeckung der Dunklen Energie stellte sicher, dass dieser Wert praktisch gleich Eins ist, wie aus dem Inflationsszenario hervorgeht. Schwankungen in der Temperatur der Reliquienstrahlung wurden vorhergesagt und ihr Spektrum im Voraus berechnet. Ähnliche Beispiele viel. Versuche, die Inflationstheorie zu widerlegen, wurden wiederholt unternommen, aber niemandem gelang es. Darüber hinaus hat sich laut Andrei Linde in den letzten Jahren das Konzept einer Pluralität von Universen entwickelt, deren Entstehung als wissenschaftliche Revolution bezeichnet werden kann: „Trotz seiner Unvollständigkeit wird es Teil der Kultur einer neuen Generation von Physikern und Kosmologen.“
AUF EINEM STANDARD MIT EVOLUTION
„Das inflationäre Paradigma wurde jetzt in einer Vielzahl von Optionen implementiert, unter denen es keinen anerkannten Führer gibt“, sagt Alexander Vilenkin, Direktor des Instituts für Kosmologie an der Tufts University. - Es gibt viele Modelle, aber niemand weiß, welches richtig ist. Daher kann man von einigen dramatischen Fortschritten in sprechen letzten Jahren, Ich würde nicht. Und ja, es gibt viele Komplikationen. Beispielsweise ist nicht ganz klar, wie man die Wahrscheinlichkeiten von Ereignissen vergleicht, die von einem bestimmten Modell vorhergesagt werden. BEI ewiges Universum jedes Ereignis muss unendlich oft eintreten. Um also Wahrscheinlichkeiten zu berechnen, muss man Unendlichkeiten vergleichen, was sehr schwierig ist. Es gibt auch ein ungelöstes Problem des Beginns der Inflation. Höchstwahrscheinlich können Sie nicht darauf verzichten, aber es ist noch nicht klar, wie Sie sich ihm nähern können. Und doch hat das inflationäre Weltbild keine ernsthaften Konkurrenten. Ich würde es mit Darwins Theorie vergleichen, die zunächst auch viele Ungereimtheiten aufwies. Sie hatte jedoch keine Alternative und gewann am Ende die Anerkennung der Wissenschaftler. Es scheint mir, dass das Konzept der kosmologischen Inflation alle Schwierigkeiten perfekt bewältigen wird.“
Unmittelbar nach seiner Geburt expandierte das Universum unglaublich schnell.
Astrophysiker wissen bereits seit den 1930er Jahren, dass sich das Universum nach dem Gesetz von Hubble ausdehnt, also seinen Anfang in hatte bestimmten Augenblick in der Vergangenheit. Die Aufgabe der Astrophysiker sah daher äußerlich einfach aus: alle Stadien der Hubble-Expansion in umgekehrter Chronologie zu verfolgen, in jedem Stadium die entsprechenden physikalischen Gesetze anzuwenden und diesen Weg bis zum Ende - genauer gesagt bis zum Anfang - zu gehen - um genau zu verstehen, wie alles passiert ist.
In den späten 1970er Jahren blieben jedoch mehrere Probleme ungelöst. grundlegende Probleme mit dem frühen Universum verbunden, nämlich:
- Das Problem der Antimaterie. Nach den Gesetzen der Physik haben Materie und Antimaterie die gleiche Existenzberechtigung im Universum ( cm. Antiteilchen), aber das Universum besteht fast ausschließlich aus Materie. Warum ist es passiert?
- Horizontproblem. Entsprechend der kosmischen Hintergrundstrahlung ( cm. Urknall) können wir feststellen, dass die Temperatur des Universums überall ungefähr gleich ist, aber seine einzelnen Teile (Galaxienhaufen) konnten nicht in Kontakt sein (wie sie sagen, sie waren draußen Horizont einander). Wie kam es dazu, dass sich zwischen ihnen ein thermisches Gleichgewicht einstellte?
- Das Problem der Raumbegradigung. Das Universum scheint genau die Masse und Energie zu haben, die benötigt werden, um die Hubble-Expansion zu verlangsamen und zu stoppen. Warum hat das Universum ausgerechnet diese eine?
Der Schlüssel zur Lösung dieser Probleme war die Vorstellung, dass das Universum unmittelbar nach seiner Geburt sehr dicht und sehr heiß war. Alle Materie darin war eine glühende Masse aus Quarks und Leptonen ( cm. Standardmodell), die keine Möglichkeit hatten, sich zu Atomen zu verbinden. Arbeitet in modernes Universum verschiedene Kräfte(wie elektromagnetische u Gravitationskräfte) entsprach dann einem einzelnen Kraftfeld Wechselwirkung ( cm. universelle Theorien). Aber als sich das Universum ausdehnte und abkühlte, zerfiel das hypothetische einheitliche Feld in mehrere Kräfte ( cm. frühes Universum).
1981 US-amerikanischer Physiker Alan Guth erkannte, dass die Trennung starker Wechselwirkungen von einem einheitlichen Feld, die etwa 10 -35 Sekunden nach der Geburt des Universums geschah (man denke nur - das sind 34 Nullen und eine nach dem Komma!), ein Wendepunkt in seiner Entwicklung war . passiert Phasenübergang Materie von einem Zustand in einen anderen auf der Skala des Universums - ein Phänomen, das der Umwandlung von Wasser in Eis ähnelt. Und so wie beim Gefrieren von Wasser seine sich zufällig bewegenden Moleküle plötzlich „ergreifen“ und eine strenge kristalline Struktur bilden, so fand unter dem Einfluss der freigesetzten starken Wechselwirkungen eine sofortige Umordnung statt, eine Art „Kristallisation“ der Materie im Universum.
Wer einmal Wasserrohre oder Autokühler bei strengem Frost platzen gesehen hat, wird es tun, sobald das Wasser darin zu Eis wird eigene Erfahrung weiß, dass sich Wasser beim Gefrieren ausdehnt. Alan Guth konnte zeigen, dass bei der Trennung der starken und schwachen Wechselwirkungen im Universum etwas Ähnliches passiert – eine sprungartige Expansion. Diese Erweiterung heißt inflationär, um ein Vielfaches schneller als die übliche Hubble-Erweiterung. In etwa 10 -32 Sekunden expandierte das Universum um 50 Größenordnungen - es war kleiner als ein Proton und wurde so groß wie eine Grapefruit (zum Vergleich: wenn Wasser gefriert, dehnt es sich nur um 10 % aus). Und diese schnelle inflationäre Expansion des Universums beseitigt zwei der drei oben genannten Probleme und erklärt sie direkt.
Lösung Probleme bei der Raumbegradigung Das folgende Beispiel veranschaulicht dies am besten: Stellen Sie sich ein Koordinatengitter vor, das auf einer dünnen elastischen Karte gezeichnet ist, die dann zufällig zerknittert wird. Wenn wir jetzt diese zerknitterte elastische Karte nehmen und kräftig schütteln, wird sie wieder flach und die Koordinatenlinien darauf werden wiederhergestellt, egal wie sehr wir sie beim Zerknittern verformt haben. Ganz gleich, wie gekrümmt der Raum des Universums zu Beginn seiner inflationären Expansion war, die Hauptsache ist, dass sich der Raum am Ende dieser Expansion als vollständig gerade herausstellte. Und da wir aus der Relativitätstheorie wissen, dass die Krümmung des Weltraums von der darin enthaltenen Menge an Materie und Energie abhängt, wird klar, warum es im Universum gerade genug Materie gibt, um die Hubble-Expansion auszugleichen.
Erklärt das Inflationsmodell und Horizontproblem, wenn auch nicht so direkt. Aus der Theorie der Schwarzkörperstrahlung wissen wir, dass die von einem Körper abgegebene Strahlung von seiner Temperatur abhängt. So können wir aus den Emissionsspektren entfernter Teile des Universums ihre Temperatur bestimmen. Solche Messungen lieferten erstaunliche Ergebnisse: Es stellte sich heraus, dass an jedem beobachtbaren Punkt im Universum die Temperatur (mit einem Messfehler von bis zu vier Dezimalstellen) gleich ist. Wenn wir vom Modell der üblichen Hubble-Expansion ausgehen, dann sollte sich die Materie unmittelbar nach dem Urknall zu weit gestreut haben, als dass sich die Temperaturen ausgleichen könnten. Nach dem Inflationsmodell blieb die Materie des Universums bis zum Zeitpunkt t = 10 -35 Sekunden viel kompakter als während der Hubble-Expansion. Das ist extrem kurzer Zeitraum es reichte völlig aus, um ein thermisches Gleichgewicht herzustellen, das im Stadium der inflationären Expansion nicht gestört wurde und bis heute erhalten ist.
US-amerikanischer Physiker, Spezialist für Elementarteilchen und Kosmologie. Geboren in New Brunswick, New Jersey. Promotion erhielt er am Massachusetts Institute of Technology, wohin er 1986 zurückkehrte und Professor für Physik wurde. Guth entwickelte seine Theorie der inflationären Expansion des Universums noch an der Stanford University, während er an der Theorie der Elementarteilchen arbeitete. Bekannt für seine Rezension des Universums als „endlose Selbstmontage-Tischdecke“.
Die allgemein akzeptierte Theorie des Urknalls hat viele Probleme bei der Beschreibung des frühen Universums. Auch wenn wir die Fremdheit des singulären Zustands beiseite lassen, der niemandem zugänglich ist physikalische Erklärung, es gibt nicht weniger Lücken. Und das gilt es zu berücksichtigen. Manchmal führen kleine Ungereimtheiten zur Ablehnung der ganzen Theorie. Daher erscheinen in der Regel ergänzende und unterstützende Theorien, die dazu dienen, Engpässe zu klären und die Spannung der Situation zu lösen. In diesem Fall spielt die Inflationstheorie diese Rolle. Mal sehen, was das Problem ist.
Materie und Antimaterie haben Gleichberechtigung zur Existenz. Wie kann man dann erklären, dass das Universum fast ausschließlich aus Materie besteht?
Anhand der Hintergrundstrahlung wurde festgestellt, dass die Temperatur im Universum ungefähr gleich ist. Aber seine Einzelteile durften sich während der Expansion nicht berühren. Wie wurde dann das thermische Gleichgewicht hergestellt?
Warum ist die Masse des Universums gerade so groß, dass es die Hubble-Expansion verlangsamen und stoppen kann?
1981 stellte der amerikanische Physiker und Kosmologe Alan Harvey Guth, außerordentlicher Professor an der University of Massachusetts, mathematische Probleme Teilchenphysiker schlugen vor, dass zehn hoch minus fünfunddreißig Sekunden nach dem Urknall superdichte und heiße Materie, die hauptsächlich aus Quarks und Leptonen besteht, einen Quantenübergang ähnlich der Kristallisation durchmachte. Dies geschah, als starke Wechselwirkungen von dem einheitlichen Feld getrennt wurden. Alan Guth konnte zeigen, dass es bei Trennung der starken und schwachen Wechselwirkung zu einer abrupten Expansion kommt, wie in eiskaltem Wasser. Diese Expansion, die um ein Vielfaches schneller war als die von Hubble, wurde als inflationär bezeichnet.
In etwa zehn bis minus zweiunddreißig Grad einer Sekunde expandierte das Universum um 50 Größenordnungen – es war kleiner als ein Proton, es wurde so groß wie eine Grapefruit. Wasser dehnt sich übrigens nur um 10 % aus. Diese rasche inflationäre Expansion löst zwei der drei identifizierten Probleme. Die Ausdehnung gleicht die Krümmung des Raums aus, die von der Menge an Materie und Energie darin abhängt. Und es verletzt nicht das thermische Gleichgewicht, das zu Beginn der Inflation Zeit hatte, sich zu entwickeln. Das Problem der Antimaterie erklärt sich aus der Tatsache, dass Erstphase Formation entstanden ein paar gewöhnliche Teilchen mehr. Nach der Vernichtung entstand ein Stück gewöhnlicher Materie, aus der die Substanz des Universums entstand.
Inflationäres Modell der Entstehung des Universums.
Das Protouniversum war mit einem Skalarfeld gefüllt. Zuerst war es homogen, aber es traten Quantenfluktuationen auf und Inhomogenitäten traten darin auf. Bei der Anhäufung dieser Inhomogenitäten kommt es zu einer Verdünnung mit Vakuumbildung. Das Skalarfeld hält die Spannung aufrecht und die resultierende Blase wird größer und größer und dehnt sich in alle Richtungen aus. Der Prozess verläuft exponentiell, für einen sehr eine kurze Zeit. Dabei spielen die Ausgangseigenschaften des Feldes eine entscheidende Rolle. Wenn die Kraft zeitlich konstant ist, kann sich die anfängliche Vakuumblase für einen Zeitraum von zehn bis minus sechsunddreißig Grad einer Sekunde auf zehn bis sechsundzwanzig Grad der Zeit ausdehnen. Und das stimmt mit der Relativitätstheorie überein, wir redenüber die Bewegung des Raumes selbst in verschiedene Seiten.
Als Ergebnis stellte sich heraus, dass es keine Explosion gab, sondern eine sehr schnelle Inflation und Expansion der Blase unseres Universums. Der Begriff Inflation kommt vom englischen inflate – aufpumpen, aufblasen. Aber das Vakuum expandierte, woher kamen die Energie und die Materie, die die Sterne und Galaxien bildeten? Und warum wird angenommen, dass das Universum heiß war? Kann Leere Hochtemperatur sein?
Wenn die Blase des Universums gedehnt wird, beginnt sie, Energie anzusammeln. Aufgrund des Phasenübergangs steigt die Temperatur stark an. Am Ende der Inflationsperiode erweist sich das Universum als sehr heiß, was vermutlich auf die Singularität zurückzuführen ist. Das Vakuum erhielt Energie durch die Krümmung des Raumes. Gravitation ist nach Einstein nicht die Anziehungskraft zwischen zwei Massen, sondern die Krümmung des Raumes. Wenn der Raum gekrümmt ist, hat er bereits Energie, auch wenn er keine Masse hat. Jede Energie krümmt den Raum. Was die Galaxien in verschiedene Richtungen treibt und was wir dunkle Energie nennen, ist Teil des Skalarfelds. Und das gewünschte Higgs-Feld wird durch dieses skalare Feld erzeugt.
Zu den Kritikern der Inflationstheorie gehört Sir Roger Pentrose, ein englischer Mathematiker, Experte auf dem Gebiet der Allgemeinen Relativitätstheorie und Quantentheorie, Leiter des Fachbereichs Mathematik Universität Oxford. Er glaubte, dass alle Argumente zur Inflation an den Haaren herbeigezogen und nicht beweisbar seien. Das heißt, es gibt ein Problem von Anfangswerten. Wie kann man beweisen, dass die Inhomogenitäten im frühen Universum so groß waren, dass sie zu der heute beobachteten homogenen Welt führen konnten? Und wenn es anfangs eine große Krümmung gab, sollten ihre Restphänomene zum jetzigen Zeitpunkt beobachtet werden.
Studien im Rahmen des Supernova Cosmology Project haben jedoch gezeigt, dass Inflation derzeit in einem späten Stadium der Entwicklung des Universums beobachtet wird. Der Faktor, der dieses Phänomen verursacht, wird dunkle Energie genannt. Derzeit sind Lindes Ergänzungen zur Inflationstheorie in Form einer chaotischen Inflation vorgenommen worden. Man sollte es nicht überstürzen, die Theorie des inflationären Universums wird immer noch der Kosmologie dienen.
Information:
Okun L. B. "Leptonen und Quarks", M., Nauka, 1981
www.cosmos-journal.ru
V. V. Kazyutinsky
Inflationäre Kosmologie: Theorie und wissenschaftliches Weltbild*
Jetzt gibt es eine neue grundlegende Revision des Wissens über das Universum als Ganzes, d.h. das größte Fragment des Weltganzen, das die Wissenschaft mit den jeweils verfügbaren Mitteln isolieren kann. Diese Überarbeitung betrifft zwei konzeptionelle Ebenen: 1) Konstruktion neuer kosmologischer Theorien; 2) Veränderungen im Block „Welt als Ganzes“ im wissenschaftlichen Bild der Welt (SCM).
Moderne Veränderungen in der Kosmologie leisten einen extrem großen, aber immer noch unzureichend gewürdigten Beitrag zur modernen NCM, ganz zu schweigen von dem ideologischen Interesse, das sie vertreten. Ihre Essenz ist eine Rückkehr zu ausgedrückte Sprache Nicht-klassische physikalische Ideen eine unendliche Zahl Welten, die Unendlichkeit von Raum und Zeit, die Unendlichkeit der Prozesse der Evolution und Selbstorganisation im Universum (Metauniversum), von denen einige vom Standpunkt der Wissenschaft als für immer abgelehnt galten.
Die Theorie des expandierenden Universums war ein außergewöhnlich effektives Forschungsprogramm. Es ermöglichte die Lösung einer Reihe von Problemen im Zusammenhang mit der Struktur und Entwicklung unserer Metagalaxie, einschließlich der frühen Stadien ihrer Entwicklung. Zum Beispiel, herausragende Leistung war die Theorie des "heißen Universums" G.A. Gamov, bestätigt durch die Entdeckung der kosmischen Mikrowellen-Hintergrundstrahlung im Jahr 1965. Zahlreiche Alternativen zu Friedmanns Kosmologie haben sich als nicht überzeugend erwiesen.
Gleichzeitig war die Theorie des expandierenden Universums selbst mit einer Reihe von Problemen konfrontiert ernsthafte Probleme. Einige davon waren sozusagen „technischer“ Natur. Etwas entmutigend ist zum Beispiel, dass es trotz intensiver Forschung noch nicht gelungen ist, ein hinreichend adäquates Modell der expandierenden Metagalaxie im Rahmen der Theorie von A. A. Fridman zu konstruieren, da die für die Konstruktion eines solchen Modells notwendigen bekannten Fakten entweder nicht vorhanden sind genau genug oder widersprüchlich. Andere Probleme sind grundlegender. Als „Damoklesschwert“ über Kosmologen schwebt seit langem das „Massenparadoxon“, wonach sich 90-95% der Masse der Metagalaxie in einem unsichtbaren Zustand befinden sollen, dessen Natur noch unklar ist. Moderne Entwicklung Die Theorie des expandierenden Universums führte zu einer Reihe von noch ernsteren Problemen, die im Wesentlichen die Grenzen der Theorie klar zeigten, ihre Unfähigkeit, diese Probleme ohne signifikante konzeptionelle Veränderungen zu bewältigen. Besonders viel Ärger brachte die Theorie des Problems am meisten Anfangsstadien Entwicklung des Universums. Das Singularitätsproblem ist bekannt: Wenn der Radius des Universums invertiert wird, d.h. unserer Metagalaxie auf Null, viele Parameter wurden unendlich. Es stellte sich als unklar heraus physikalische Bedeutung die Frage: was war „vor“ der Singularität (manchmal wurde diese Frage selbst für bedeutungslos erklärt, da die Zeit, wie Augustinus argumentierte, zusammen mit dem Universum entstand. (Aber Antworten wie: „vorher“ gab es keine Zeit und daher die Frage selbst falsch gestellt wurde, waren viele Kosmologen nicht sehr zufrieden.) Die Theorie in ihrer Nicht-Quantenversion konnte den Grund nicht erklären, der den Urknall, die Expansion des Universums, verursachte. Darüber hinaus gibt es eine beeindruckende Liste von mehr als ein Dutzend andere Probleme, mit denen A. A. Fridmans Theorie nicht fertig werden konnte. Hier sind nur einige davon: 1) Das Problem der Flachheit (oder räumlichen Euklidischen) des Universums: die Nähe der Krümmung des Raums zu Null, die sich durch Ordnungen unterscheidet Größenordnung aus „theoretischen Erwartungen“; 2) das Problem der Größe des Universums: Aus theoretischer Sicht wäre es natürlicher zu erwarten, dass unser Universum nicht mehr als ein paar Elementarteilchen enthält und nach modernen Schätzungen nicht 10 88 - ein weiteres riesiges Diskrepanz zwischen theoretischen Erwartungen und Beobachtungen! 3) Horizontproblem: genug entfernte Punkte in unserem Universum hatten noch keine Zeit zur Interaktion und können keine gemeinsamen Parameter haben (wie z
Dichte, Temperatur usw.). Aber unser Universum, die Metagalaxie, weigert sich trotz der Unmöglichkeit, im großen Maßstab überraschend homogen zu sein Verursachung zwischen seinen abgelegenen Gebieten.
Jetzt, nachdem die inflationäre Kosmologie sie lösen konnte die meisten Diese Probleme, die Schwierigkeiten der relativistischen Kosmologie, werden oft und sogar irgendwie sehr gerne aufgeführt. Aber in den 60-70er Jahren waren sogar ihre Erwähnungen sehr zurückhaltend und dosiert, besonders angesichts von Nefridmans Forschungsprogramme. Erstens erinnerten sich viele noch daran tragisches Schicksal relativistische Kosmologie, die nicht nur in unserem Land ideologischen Angriffen ausgesetzt ist. Zweitens herrschte allgemeine Einigkeit darüber, dass nahe dem „Anfang“ die entscheidende Rolle zu spielen beginnt Quanteneffekte. Daraus folgte, dass eine weitere Weitergabe neuer Erkenntnisse aus der Elementarteilchenphysik und der Quantenfeldtheorie notwendig ist. Die Diskussion kosmologischer Probleme auf NCM-Ebene führte zu sehr interessanten Schlussfolgerungen. Zwei Grundprinzipien wurden vorgebracht, die eine starke "progressive Verschiebung" in der Kosmologie verursachten.
1) Das Prinzip der Quantengeburt des Universums. Kosmologische Singularität ist ein unausweichliches Merkmal der konzeptuellen Struktur Quantenkosmologie. Aber in der Quantenkosmologie ist dies nur eine grobe Annäherung, die durch das Konzept der spontanen Vakuumfluktuationen ersetzt werden muss (Tryon, 1973).
2) Das Inflationsprinzip, wonach kurz nach Beginn der Expansion des Universums der Prozess seiner exponentiellen Inflation stattfand. Sie dauerte etwa 10 -35 s, aber während dieser Zeit sollte die Schwellungsregion, in den Worten von A. D. Linde, "unvorstellbare Größen" erreichen. Gemäß einigen Inflationsmodellen wird die Größe des Universums (in cm) 10 hoch 10 12 erreichen, d.h. Werte, die um viele Größenordnungen größer sind als die Entfernungen zu den entferntesten Objekten im beobachtbaren Universum.
Die erste Version der Inflation wurde 1979 von A.A. Starobinsky betrachtet, dann erschienen nacheinander drei Szenarien des sich aufblähenden Universums: das Szenario von A. Gus (1981), das sogenannte neue Szenario (A.D. Linde, A. Albrecht, P.J. . Steinhardt, 1982), das chaotische Inflationsszenario (A.D. Linde, 1986). Das Szenario der chaotischen Inflation geht davon aus, dass der Mechanismus, der die schnelle Inflation des frühen Universums erzeugt, auf Skalarfelder zurückzuführen ist, die eine Schlüsselrolle spielen
in der Elementarteilchenphysik und in der Kosmologie. Skalare Felder im frühen Universum können beliebige Werte annehmen; daher der Name, chaotische Blähungen.
Bloat erklärt viele der Eigenschaften des Universums, die Friedmanns Kosmologie vor unlösbare Probleme stellten. Zum Beispiel ist der Grund für die Expansion des Universums die Wirkung von Antigravitationskräften im Vakuum. Nach der inflationären Kosmologie muss das Universum flach sein. A.D. Linde hält diese Tatsache sogar für eine durch Beobachtungen bestätigte Vorhersage der inflationären Kosmologie. Auch die Synchronisation des Verhaltens entfernter Regionen des Universums ist kein Problem.
Die Theorie des sich aufblähenden Universums führt (bisher auf hypothetischer Ebene) gravierende Veränderungen in den Block „die Welt als Ganzes“ des NCM ein.
1. In voller Übereinstimmung mit der philosophischen Analyse des Konzepts „das Universum als Ganzes“, die zu dem Schluss führte, dass es „alles Existierende“ aus der Sicht einer bestimmten kosmologischen Theorie oder eines bestimmten Modells ist (und nicht in absoluten Sinn), erweiterte die Theorie den Umfang dieses Konzepts im Vergleich zur relativistischen Kosmologie auf beispiellose Weise. gemeinsamer Punkt Ansicht, dass unsere Metagalaxie das gesamte Universum ist, wurde aufgegeben. In der inflationären Kosmologie wird das Konzept des Metaversums eingeführt, während der Begriff "Miniuniversen" für die Regionen der Metagalaxie-Skala vorgeschlagen wird. Jetzt wird das Metauniversum aus Sicht der inflationären Kosmologie als "alles, was existiert" und die Metagalaxie als ihr lokales Gebiet betrachtet. Aber es ist möglich, dass, wenn es erstellt wird Einheitliche Theorie körperliche Wechselwirkungen(ETT, TVO), dann wird der Umfang des Konzepts des Universums als Ganzes noch einmal erheblich erweitert (oder verändert).
2. Friedmans Theorie basierte auf dem Prinzip der Einheitlichkeit des Universums (Metagalaxie). Während die inflationäre Kosmologie die Tatsache der großräumigen Homogenität des Universums mit Hilfe des Inflationsmechanismus erklärt, führt sie gleichzeitig ein neues Prinzip ein – die extreme Heterogenität des Metaversums. Quantenfluktuationen, die mit der Entstehung von Miniversen verbunden sind, führen zu Unterschieden physikalische Gesetze und Bedingungen, Dimensionen der Raumzeit, Eigenschaften von Elementarteilchen und anderen extra-metagalaktischen Objekten. Muss ich Sie daran erinnern, dass das Prinzip der unendlichen Vielfalt materielle Welt, insbesondere seine physische Formen- das ist eine ziemlich alte philosophische Idee, die nun in der Kosmologie neue Bestätigung findet.
3. Das Metauniversum als eine Ansammlung vieler Miniuniversen, die aus Schwankungen des Raum-Zeit-"Schaums" entstehen, ist offensichtlich unendlich, hat keinen Anfang und kein Ende in der Zeit (I. D. Novikov nannte es "das ewig junge Universum", ohne zu ahnen, dass diese Metapher war Anfang des 20. Jahrhunderts wurde von K. E. Tsiolkovsky erfunden, der die Theorie des Hitzetods des Universums kritisierte).
4. Die Theorie des expandierenden Universums betrachtet die Prozesse der kosmischen Evolution auf eine wesentlich andere Weise als die von Friedmann. Sie weist die Vorstellung zurück, dass das gesamte Universum vor 10 9 Jahren aus einem singulären Zustand hervorgegangen ist. Dies ist gerade das Zeitalter unseres Mini-Universums, der Metagalaxie, die aus dem Vakuum-"Schaum" hervorgegangen ist. Folglich gab es „vor“ dem Beginn der Expansion der Metagalaxie ein Vakuum, das die moderne Wissenschaft als eine der physikalischen Formen der Materie betrachtet. Aber noch bevor diese Schlussfolgerung im kosmologischen Kontext gezogen wurde, wurde die Relativität und keineswegs die Absolutheit und der völlig natürliche und nicht transzendente Charakter der Expansion aus philosophischen Überlegungen gerechtfertigt. So entpuppt sich das Konzept der „Erschaffung der Welt“, das einst in den Texten von A. A. Fridman und unzählige Male – in theologischen, philosophischen und eigentlich kosmologischen Werken fast das ganze 20. Jahrhundert über – zu finden war, als nichts weiter als eine Metapher das folgt nicht aus dem Wesen der inflationären Kosmologie. Das Metaversum kann sich der Theorie zufolge überhaupt als stationär herausstellen, obwohl die Evolution der darin enthaltenen Miniuniversen durch die Urknalltheorie beschrieben wird.
A.D. Linde führte das Konzept der ewigen Inflation ein, das beschreibt evolutionärer Prozess, weiter als Kettenreaktion. Wenn das Metaversum mindestens eine ballonartige Region enthält, wird es kontinuierlich neue ballonartige Regionen hervorbringen. Es erscheint eine verzweigte Struktur aus Mini-Universen, ähnlich einem Fraktal.
5. Die inflationäre Kosmologie hat ein völlig neues Verständnis des Singularitätsproblems ermöglicht. Der im Rahmen des relativistischen Standardmodells auf der Grundlage der klassischen Beschreibungs- und Erklärungsmethode unumstößliche Begriff der Singularität ändert seine Bedeutung in der quantenmechanischen Beschreibungs- und Erklärungsmethode der inflationären Kosmologie erheblich. Es stellt sich heraus, dass es keineswegs notwendig ist anzunehmen, dass es einen einzigen Anfang der Welt gegeben hat, obwohl diese Annahme auf einige Schwierigkeiten stößt. Aber laut A. D. Linde wird das in den Szenarien der chaotischen Inflation des Universums „besonders deutlich
Anstelle der Tragödie der Geburt der ganzen Welt aus einer Singularität, vor der nichts existierte, und ihrer anschließenden Verwandlung ins Nichts, haben wir es mit einem endlosen Prozess der gegenseitigen Transformation von Phasen zu tun, in denen Quantenschwankungen der Metrik klein sind oder umgekehrt groß. Daraus folgt, dass die neuerdings unerschütterliche Schlussfolgerung über die Existenz einer allgemeinen kosmologischen Singularität zu Beginn der Expansion an Glaubwürdigkeit verliert. Es besteht keine Notwendigkeit zu behaupten, dass alle Teile des Universums gleichzeitig begannen, sich auszudehnen. Die Singularität wird in der Theorie des expandierenden Universums durch eine Quantenfluktuation des Vakuums ersetzt.
6. Im gegenwärtigen Stadium ihrer Entwicklung revidiert die inflationäre Kosmologie frühere Vorstellungen über den Hitzetod des Universums. A.D. Linde spricht von einem „sich selbst reproduzierenden aufblähenden Universum“, d.h. Prozess endloser Selbstorganisation. Miniversen kommen und gehen, aber diese Prozesse haben kein einziges Ende.
7. Das anthropische Prinzip (AP) spielt sowohl in der relativistischen als auch in der inflationären Kosmologie eine bedeutende Rolle. Es verbindet die fundamentalen Parameter unseres Universums, der Metagalaxie, die Parameter der Elementarteilchen und die Tatsache der menschlichen Existenz in der Metagalaxie. Die für das Erscheinen des Menschen notwendigen kosmologischen Bedingungen umfassen die folgenden: Das Universum (Metagalaxie) muss ausreichend groß, flach und homogen sein. Diese Eigenschaften ergeben sich aus der Theorie des expandierenden Universums. Es ist unmöglich, die Einheitlichkeit seiner Struktur und Eigenschaften innerhalb der von Beobachtungen abgedeckten Region zu erklären, ohne den Inflationsprozess im frühen Universum einzubeziehen.
Es ist leicht zu erkennen, dass die philosophischen Grundlagen der inflationären Kosmologie getrennte Ideen und Bilder miteinander verflochten, die aus verschiedenen philosophischen Systemen übersetzt wurden. Beispielsweise hat die Idee einer unendlichen Anzahl von Welten eine lange philosophische Tradition seit der Zeit von Leukipp, Demokrit, Epikur, Lukrez. Besonders tiefgehend wurde sie von Nikolaus von Kues und Giordano Bruno entwickelt. Die Idee der aristotelischen Metaphysik von der Verwandlung des potentiell Möglichen in das Wirkliche wirkte sich nicht nur auf die quantenmechanische Beschreibungs- und Erklärungsmethode der inflationären Kosmologie aus, sondern entpuppt sich – auf paradoxe Weise! - Vorgänger evolutionäre Ideen diese Theorie. Es ist paradox, weil Aristoteles selbst das Universum als das einzige betrachtete und die Entstehung und Zerstörung als betrachtete Erdprozesse, zugeschrieben der Unveränderlichkeit des Himmels in
Zeit und Schließung im Raum. Aber die von ihm geäußerten Vorstellungen über potentielles und tatsächliches Sein wurden entgegen den Ansichten des Aristoteles auf das unendliche Metaversum übertragen. Sie finden auch den Einfluss von Platons Ideen in den philosophischen Grundlagen der inflationären Kosmologie. Sie lässt sich jedenfalls bis zu den Neuplatonikern der Renaissance zurückverfolgen.
Einige Forscher (z. B. A. N. Pavlenko) glauben, dass die inflationäre Kosmologie als eine neue Etappe in der modernen Revolution in der Wissenschaft des Universums betrachtet werden sollte, da sie nicht nur ein neues NCM schafft, sondern auch zu einer Überarbeitung einiger Ideale führt und Wissensnormen (z. B. ideale Wissensbeweise, die auf innertheoretische Faktoren reduziert werden). Als Prognose oder Experteneinschätzung ist eine solche Sichtweise akzeptabel, wenn wir jedoch die folgenden Umstände berücksichtigen.
Natürlich ist die Entwicklung einer Theorie, die unser Wissen über die Welt grundlegend verändert und schwerwiegende ideologische Konsequenzen hat, ein notwendiges Zeichen für ein bestimmtes Stadium. wissenschaftliche Revolution. Dieses Merkmal sollte jedoch durch eine Begründung ergänzt werden. neue Theorie, ihre Geständnisse zu wissenschaftliche Gemeinschaft, die auch in der Struktur der revolutionären Verschiebung enthalten ist. Durch die Radikalität, mit der die inflationäre Kosmologie (insbesondere die Variante der chaotischen Inflation) das Weltbild revidiert, übertrifft sie die Theorie von A. A. Fridman deutlich. In der Gemeinschaft der Kosmologen begann sie zu verwenden großer Einfluss, die jedoch nicht sofort hergestellt wurde. In der ersten Hälfte der 1980er Jahre galten verschiedene Szenarien für die Quantengeburt des Universums aus dem Vakuum als konkurrenzfähig, darunter auch die inflationäre Kosmologie. Dies war auf erhebliche Mängel der ersten Bloat-Szenarien zurückzuführen. Erst nach dem Aufkommen des chaotischen Inflationsszenarios gelang ein Durchbruch in der Erkenntnis der neuen Kosmologie. Dennoch bleibt das Problem der Begründung dieser kosmologischen Theorie vorerst offen, gerade weil sie nicht den derzeit akzeptierten Idealen und Standards evidenzbasierten Wissens entspricht (andere Universen sind grundsätzlich nicht beobachtbar). Die Hoffnungen auf eine Änderung dieser Ideale in absehbarer Zeit (Abschaffung der „Fremdbegründungspflicht“) sind noch gering. Genau genommen kann die potentiell in der inflationären Kosmologie verkörperte Revolution stattfinden oder auch nicht. Bisher kann man nur auf seine Entwicklung hoffen, wobei andere unerwartete und noch nicht absehbare Wendungen in diesem Bereich nicht vollständig ausgeschlossen sind.
Die soziokulturelle Assimilation der inflationären Kosmologie enthält einen merkwürdigen Punkt. Das Neue ist seinem Wesen nach äußerst revolutionär Kosmologische Theorie verursachte nicht viel "Boom". Seit dem Erscheinen der ersten Version dieser Theorie sind ungefähr 20 Jahre vergangen, aber sie ging fast nicht über einen ziemlich engen Kreis von Spezialisten hinaus, wurde nicht zu einer Quelle philosophischer Diskussionen und ähnelte nicht einmal entfernt heftigen Kämpfen um die Theorie von Copernicus , die schon vor der Veröffentlichung seiner unsterblichen Abhandlung die Gemüter erregte, oder um die Theorie von A.A. Fridman. Dieser auffällige Umstand bedarf einer Erklärung.
Möglicherweise ist der Hauptgrund leider das nachlassende Interesse an naturwissenschaftlichen, insbesondere physikalischen und mathematischen Kenntnissen, das intensiv durch ersetzt wird andere Art Surrogate, die oft unermesslich mehr Aufregung hervorrufen als die allerersten Klasse wissenschaftliche Errungenschaften. Jetzt finden nur noch wenige Entdeckungen der Wissenschaft, die einen direkten Zusammenhang mit den Problemen der menschlichen Existenz finden, eine Antwort.
Außerdem ist die inflationäre Kosmologie extrem komplexe Theorie, was auch Fachleuten benachbarter Physikgebiete und erst recht Nichtfachleuten nicht ganz klar ist und schon deshalb außerhalb des Rahmens dieser Interessen liegt.
Schließlich wurzelte die Idee eines einzigen und endlichen Universums in der Zeit zu tief in der Kultur, hatte zu viel Einfluss auf sie. starker Einfluss leicht einer Theorie Platz machen, die eindeutig lange verworfenen kosmologischen Mustern ähnelt.
Die Fortschritte in der Kosmologie gehen jedoch weiter und die kommenden Jahre werden wahrscheinlich zu zuverlässigeren Schätzungen der Theorie des inflationären Universums führen.
Literatur
1. Linde A.D. Physik der Elementarteilchen und inflationäre Kosmologie. M., 1990.
2. Kazyutinsky V.V. Das Konzept von "Universum" // Unendlichkeit und das Universum. M., 1969.
3. Kazyutinsky V.V. Die Idee des Universums // Philosophie und Weltanschauungsprobleme moderne Wissenschaft. M., 1981.
