Bugungi kunda ko'rayotgan yulduzlar va galaktikalar har doim ham mavjud emas edi va biz orqaga qaytsak, olamni mukammal silliqlashtirishga yaqinroq bo'ladi, ammo biz erishgan silliqlik chegarasi bor, aks holda bizda bunday narsalar bo'lmaydi. tuzilishi bugungi kunda Bularning barchasini tushuntirish uchun biz Katta Portlashga o'zgartirish kiritishni talab qilamiz: kosmologik inflyatsiya. (NASA, ESA va A. Feild (STScI))

Nima uchun bizning olamimiz mukammal darajada tekis emas?

Agar u bo'lsa, biz bu erda bo'lmas edik. Ammo ilmiy javob juda ajoyib bo'lib chiqdi.

Olamimizni tekshirib, sayyoralar, yulduzlar, galaktikalar va ularni ajratib turgan ulkan kosmik bo'shliqlarga nazar tashlaganimizda, "silliq" degani xayolga kelgan birinchi so'z emas. Ulkan kosmik to'r - koinotda tasavvur qilinadigan eng kichkina narsalardan biri bo'lib, Yer kabi sayyora o'rtacha darajadan 1030 baravar zichroqdir. Ammo olam har doim ham bu mavhum bo'lmagan yoki u bugungi ko'rinishda paydo bo'lgan emas. U deyarli mukammal darajada tug'ilib tug'ilishi kerak edi, bu erda nomukammalliklar 100000 dagi bir necha qismlardan iborat edi yoki birinchi galaktikalarni hosil qilish uchun yuz millionlab yillar kerak bo'lmagan bo'lar edi. Ammo bu mayda nomukammalliklar hayotiy ahamiyatga ega edi yoki biz bugun ko'rib turgan tuzilmani shakllantirmasdik! Bu qanday sodir bo'lganini asrlar osha anglamaganimizdan so'ng, kosmologiyaning eng munozarali nazariyalaridan biri inflyatsiya bu savolga javob berdi. Endi bizning o'lchovlarimiz misli ko'rilmagan aniqlikka erishganligi sababli, uning bashoratlari juda ajoyib.

Kengayib boruvchi olamning vizual tarixi Katta portlash deb nomlanuvchi issiq va zich holatni va keyinchalik strukturaning o'sishi va shakllanishini o'z ichiga oladi. Ammo, biz ko'rib turgan tuzilishga ega bo'lish uchun olam mukammal silliq tug'ilib bo'lmas edi (NASA / CXC / M. Weiss).

Kosmik inflyatsiyaga ko'ra, Katta Portlash fazo va vaqtning boshlanishi emas edi, ammo u shunchaki issiq, zich, tez rivojlanayotgan erta holat edi. Bu kosmik inflyatsiya edi, bu olam materiya va nurlanish orqali emas, balki Katta portlashni o'rnatgan kosmosning o'ziga xos energiya orqali hukmronlik qilgan fazoviy inflyatsiya edi. Ushbu inflyatsiya davri koinotning ekspansional kengayishi bilan ajralib turdi, bu erda olam ikki baravar, keyin to'rt marta, so'ngra sakkizburchak (va hokazo) kattalashib borar edi. 10–33 sekunddan so'ng, tor nazariyasidan olingan nazariy ipning o'lchamlari bugungi koinotga qaraganda kattaroq miqyosga ko'tarilishi kerak edi. Boshqacha qilib aytganda, kosmik inflyatsiya oldindan mavjud bo'lgan narsalarni oladi va uni chinakam, chinakam va mukammal tekis va silliq qiladi.

Inflyatsiya kosmosning eksponental ravishda kengayishiga olib keladi, bu juda tez paydo bo'lishi mumkin, oldindan mavjud bo'lgan har qanday egri yoki silliq bo'lmagan bo'shliq tekis ko'rinishga olib keladi. Agar koinot umuman biron bir egri chiziqqa ega bo'lsa, uning egri radiusi biz kuzatadigan narsadan yuz baravar katta. (E. Sigel (L); Ned Raytning kosmologiya bo'yicha qo'llanmasi (R))

Bu, birinchi qarashda, ulkan muammo tug'diradiganga o'xshaydi. Agar inflyatsiya bo'shliqni tekis, bir tekis va silliq, bir-biridan ajralib turadigan darajada kamaytirsa, unda biz qanday qilib bugungi kunda koinotdagi olamga etib keldik? Nyuton va Eynshteynning tortishish nazariyalari nomukammallikka qarshi turg'un emas, demak, agar siz deyarli mukammal bo'lmagan olamni boshlasangiz, vaqt o'tishi bilan nomukammallik o'sib boradi va siz tuzilishga ega bo'lasiz. Ammo agar siz mukammal silliqlikdan boshlasangiz, unda hech qanday nuqson yo'q, siz abadiy silliq qolasiz. Ammo bu umuman olganda biz koinot bilan aloqani uzmaymiz; u materiya zichligidagi nomukammallik bilan tug'ilishi kerak edi.

Bugungi kunda bizning Koinotimizdagi galaktikalar to'planib borayotgan / to'plangan naqsh xaritasi. Bunga erishish uchun talab materiya / energiya zichligida dastlabki kamchiliklar mavjud. (Greg Bekon / STScI / NASA Goddard kosmik parvoz markazi)

Shu sababli inflyatsiyaning sodda ko'rinishi to'liq bo'lmasligi kerak. Ushbu kamchiliklarni yuzaga keltiradigan biron bir usul bo'lishi kerak, aks holda olam biz ko'rgan kabi bo'lmaydi. Ammo olamning muhim xususiyati va inflyatsiya eng ajoyib usulda qutqariladi. Ko'ryapsizmi, bo'shliq o'zi mukammal tekis va silliq emas, aksincha eng kichik o'lchovlarda kvant tebranishlarini namoyish etadi.

Kvant vakuumidagi virtual zarralarni ko'rsatadigan kvant maydoni nazariyasini hisoblashning vizualizatsiyasi. Bo'sh joylarda ham, bu vakuum energiyasi nolga teng emas. (Derek Leinweber)

Bunga ko'p jihatdan qarash mumkin: kosmosning o'ziga xos energiya uchun o'ziga xos noaniqlik; vakuum tebranishlari sifatida; yoki mavjud bo'lmagan zarrachalarga qarshi zarralar juftlari to'plami sifatida. Ammo unga qanday qarashingizdan qat'iy nazar, bitta narsa ravshan: agar siz koinotning energiya zichligini o'lchasangiz va unga juda mayda va donador tarozilarda qarasangiz, u kosmosda bir tekis va doimiy bo'lmaganligini ko'rasiz. yoki vaqt, agar siz undan barcha materiya va nurlanishni olib tashlagan bo'lsangiz ham. Kosmosning o'zi to'qima uchun xos bo'lgan kvant tebranishlari mavjud.

Kvant tebranishlari katta, o'zgaruvchan va eng kichik o'lchovlarda muhim bo'lgan kvant ko'pikidan iborat bo'lgan dastlabki olam tasviri. (NASA / CXC / M. Weiss)

Odatda, bu tebranishlar o'rtacha hisobda bir-birini bekor qiladi va shuning uchun siz shunchaki kosmosning o'ziga xos bo'lgan nol nuqtali energiya bilan to'lasiz. Ammo inflyatsiya davrida bu kvant tebranishlari o'rtacha qiymatdan chiqib ketishga imkon bermaydi, chunki kosmosning o'zi bu eksponent nisbati bo'yicha kengaymoqda!

Buning o'rniga, nima sodir bo'ladi, bu tebranishlar olam bo'ylab tarqaladi va shuning uchun kvant tebranish g'oyasi endi juda kichik miqyosda cheklangan. Vaqt soniyalarining atigi bir necha soniyasi bo'lgan vaqt o'lchovlarida bu kvant effektlari yulduz, galaktik yoki hatto koinotni qamrab oluvchi miqyosdagi energiyaning tebranishlariga qadar cho'zilishi mumkin!

Inflyatsiya paytida yuzaga keladigan kvant tebranishlari haqiqatdan ham koinot bo'ylab cho'zilib ketadi, ammo ular umumiy energiya zichligining tebranishini keltirib chiqaradi va bugungi kunda koinotda nolga teng bo'lmagan bo'shliq egri qoladi. Ushbu dalgalanmalar dastlabki olamda zichlik nomukammalligini keltirib chiqaradi va keyinchalik kosmik mikroto'lqinli fonda biz duch keladigan harorat o'zgarishiga olib keladi. (E. Sigel / Galaktika ortida)

Inflyatsiya davom etar ekan, yangi kvant miqyosidagi tebranishlar vujudga kelmoqda, natijada kattaroq kattaliklarga nisbatan qo'shimcha kichikroq miqyosdagi tebranishlar yuzaga kelmoqda. Bu inflyatsiya davom etar ekan, tebranishlar va har xil o'lchamdagi energiya zichligiga ega bo'lgan tasodifiy hududlarni yaratishda davom etadi.

Keyin, aniq bo'lmagan vaqtdan keyin inflyatsiya tugaydi. Va bu sodir bo'lganda, kosmosga xos bo'lgan barcha energiya materiya, antimateriya va radiatsiyaga aylanadi. Inflyatsiya tugashi bilan Katta Portlash boshlanadi va Olam narsalar bilan to'ldiriladi.

Yuqori sirt ustida suzuvchi sharning o'xshashligi inflyatsiya saqlanib qolganda, strukturaning qulashi va chiqishi energiyaning zarrachalarga aylanishini anglatadi. (E. Sigel)

Ammo dastlab energiya jihatidan juda qiyin bo'lgan mintaqalarda inflyatsiya paytida sodir bo'lgan miqdordagi tebranishlar tufayli bu joylarda o'rtacha miqdordan ozroq ko'proq materiya, antimateriya va nurlanish paydo bo'ladi. Kamroq bo'lgan hududlarda u erda o'rtacha bir oz kamroq materiya, antimateriya va nurlanish paydo bo'ladi. Va haddan tashqari og'irlik va haddan tashqari og'irlikdagi bu spektr natijasida olamda harorat va harorat jihatidan juda salqin va issiq mintaqalar paydo bo'lishi kerak.

O'rta darajadan bir oz zichroq bo'lgan joylar chiqib ketish uchun katta tortishish potentsial quduqlarini yaratadi, ya'ni bu hududlardan chiqadigan yorug'lik bizning ko'zimizga tushishi bilan sovuqroq bo'ladi. Aksincha, zich mintaqalar issiq nuqtalarga o'xshaydi, o'rtacha zichligi yuqori bo'lgan hududlar o'rtacha o'rtacha haroratga ega bo'ladi. (E. Sigel / Galaktika ortida)

Olam biroz vaqt atrofida bo'lganidan keyin, kengayib va ​​soviganidan so'ng, gravitatsiya ishlashga kirishadi. Bu o'rtacha qiymatdan chetga chiqqan yo'nalishda bo'lgan tebranishlarni kuchaytiradi. Biroz qizigan mintaqalar, zichroq hududlarga osonlikcha voz kechishadi. Sovuq mintaqalar haddan tashqari ko'p bo'lganligi sababli, ular zichroq yoki o'rtacha zichlikka ega mintaqalarga qaraganda materiyani ko'proq jalb qiladi.

Yuqoridagi mantiqqa ko'ra hamma narsani jalb qilish uchun harakat qiladigan gravitatsiya va juda tez zichroq bo'lgan mintaqalarga qarshi orqaga qaytadigan nurlanish o'rtasida murakkab muvozanat mavjud. Bu kosmik mikroto'lqinli fonda biz ko'rib turgan qoqinish, tebranish va kamchiliklarni keltirib chiqaradigan tortishish, radiatsiya va inflyatsiyaning dastlabki tebranishlari o'rtasidagi kuchlarning o'zaro to'qnashuvi.

MBMBdagi tebranishlar inflyatsiya natijasida yuzaga kelgan dastlabki tebranishlarga asoslangan. Xususan, katta shkalalardagi (tekislikda) inflyatsiyasiz hech qanday tushuntirishlar mavjud emas, ammo tebranishlar darajasi olam inflatsiya oxirida erishgan maksimal energiya shkalasini cheklaydi. Bu Plank shkalasidan ancha past. (NASA / WMAP Science Team)

Dastlabki tebranishlar o'rtacha hisobda 1 qismdan 30,000 yoki undan yuqori qiymatga ega bo'lishi kerak edi, biz Katta portlashning chap tomondagi nurlanishida kuzatadigan tebranishlarga etib boramiz. Bu tebranishlar keyinchalik Koinot neytral holatga kelganidan va radiatsiya elektronlarning tarqalishini to'xtatgandan so'ng, biz hozirgi koinotda ko'rilayotgan keng ko'lamli tuzilmani hosil qilish uchun o'sib boradi. Vaqt o'tishi bilan, bu yulduzlar, galaktikalar, klasterlar va ularni ajratib turadigan ulkan kosmik bo'shliqlarning gravitatsion o'sishiga olib keladi.

Olamni batafsil ko'rib chiqish shuni ko'rsatadiki, u materiyaga qarshi emas, materiyadan yaratilgan, qorong'u materiya va qorong'u energiya talab qilinadi va biz bu sirlarning qaysi biri kelib chiqishi haqida bilmaymiz. Ammo KMB-ning tebranishi, keng ko'lamli tuzilishning shakllanishi va o'zaro bog'liqligi, shuningdek, kosmik inflyatsiyadan kelib chiqqan holda, tortishish ob'ektivining zamonaviy kuzatuvi hammasi bir xil ko'rinishga qaratilgan. (Kris Bleyk va Sem Murfild)

Agar koinot mukammal darajada silliq tug'ilib tug'ilsa, bugungi kunda mavjud bo'lgan kattaliklarda ham, kichiklarda ham aniq tuzilishni topishning iloji bo'lmaydi. Bizning kuzatishlarimiz, har qanday miqyosda bir xil kattalikdagi dalgalanmalar mavjudligini va olam shu tarzda tug'ilishni talab qiladi. 1970-yillarning oxiri va 1980-yillarning boshlarida inflyatsiya birinchi marta aniqlanganda, bu tebranishlar qanday oqibatlarga olib kelishini bilishning iloji yo'q edi; Bu inflyatsiya o'nlab yillar davomida tekshirib bo'lmaydigan darajaga etganligi haqidagi bashorat edi! Ammo bu erda tasdiq juda ajoyib, chunki boshqa hech qanday tebranishlarda bu tebranishlarni keltirib chiqaradigan usul yo'q va kuzatishlar inflyatsiya bashorat qilgan narsaga mos keladi, o'zgarmas tarzda COBE, WMAP singari yo'ldoshlar va yaqinda Plank o'z ma'lumotlarini qaytarib berdi.

Inflyatsiya paytida yuzaga keladigan kvant tebranishlari olam bo'ylab cho'zilib ketadi va inflyatsiya tugashi bilan ular zichlikdagi tebranishlarga aylanadi. Bu vaqt o'tishi bilan bugungi kunda koinotdagi keng ko'lamli tuzilishga, shuningdek CMBda kuzatilgan haroratning o'zgarishiga olib keladi. (E. Siegel, CMB tadqiqotlari bo'yicha ESA / Plank va DoE / NASA / NSF idoralararo ishchi guruhidan olingan rasmlar bilan)

Natija shunchalik jozibali va ma'lumotlarga mos keladigan alternativa yo'q bo'lgan voqea. Inflyatsiya Katta Portlashni boshlash yoki biz oldindan bilgan muammolarni hal qilish bilan bog'liq bo'lgan narsa emas; u biz koinotda mavjud bo'lishimiz mumkin bo'lgan narsalarga, ya'ni qadimgi zamonlardan zamonaviylarga qadar miqdoriy bashoratlar qildi va kuzatishlar buni tasdiqladi. Inflyatsiya va uning kvant tabiati, bugungi kunda olam mukammal silliq bo'lmasligining sababi va bu juda yaxshi narsa. Busiz biz hech qachon mavjud bo'la olmasdik.

Portlash bilan boshlanadi, endi Forbesda va Patreon tarafdorlari tufayli O'rta nashrda qayta nashr etiladi. Ethan "Galaktikadan tashqari" va "Treknologiya" nomli ikkita kitobning muallifi: Tricorders dan Warp Drive-ga qadar Star Trek haqidagi fan.