Если он произошёл миллиарды лет назад, что он всё ещё тут делает?
Мы любим признавать только то, что уже сияет, хотя благороднее поддерживать свет до того, как он начнёт сиять, а не после
— Дежан Стоянович
Иногда самые простые вопросы влекут за собой глубочайшие ответы, и дают возможность глубоко зарыться в тему восприятия ткани Вселенной. На этой неделе, перебрав ваши вопросы и предложения, я не мог пройти мимо прекрасного, но прямого вопроса от Джозефа Макфарланда, который хочет знать:
Почему мы продолжаем обнаруживать космическое фоновое излучение? То, что мы продолжаем бесконечно наблюдать космическое фоновое излучение, спустя миллиарды лет после его возникновения – это доказательство инфляции, или того, что Вселенная искривлена сама на себя (конечна, но безгранична)? Или, если эти факторы не влияют, какие могут быть объяснения?
Давайте задумаемся над историей Вселенной.
Конкретно, давайте поразмыслим, почему мы вообще можем обнаруживать космическое фоновое излучение. История начинается в момент Большого взрыва, или, точнее, во время горячего Большого взрыва.
Горячий Большой взрыв случился примерно 13,8 миллиарда лет назад, когда Вселенная впервые вышла из инфляционного состояния – такого, где вся энергия была присуща самому пространству – и превратилась в материю, антиматерию и излучение. Можно представить себе инфляцию как нестабильное поле, как шарик на вершине холма, который затем скатывается с него в долину.
Пока шар на вершине, пространство расширяется с экспоненциальной скоростью. Когда он скатился, и начинает колебаться взад и вперёд, энергия пространства превращается в материю, антиматерию и излучение: процесс, известный как повторный нагрев.
Затем Вселенная продолжает расширяться, но, поскольку она наполнена материей, антиматерией и излучением, скорость расширения не может оставаться такой же большой. Скорость, согласно ОТО, привязана к плотности энергии Вселенной, то есть к количеству энергии, приходящемуся на единицу объёма.
Когда у нас была ситуация с энергией, присущей самому пространству, то при расширении Вселенной просто добавлялось дополнительное пустое пространство, и плотность энергии оставалась такой же. Но теперь у нас во Вселенной есть много всякой всячины и плотность становится меньше по мере расширения. В случае излучения, длина волны света так же увеличивается, поэтому Вселенная становится не только менее плотной, но и более холодной.
Расширяясь и охлаждаясь, от невероятно горячего, плотного, однородного, быстро расширяющегося состояния до холодного, комковатого, медленно расширяющегося состояния, Вселенная сталкивается со множеством важных событий:
- Основные симметрии, присутствующие при высоких энергиях, нарушаются, что приводит к возникновению таких вещей, как масса покоя частиц.
- Вселенная охлаждается настолько, что фотоны перестают спонтанно формировать пары материя/антиматерия. Лишняя антиматерия аннигилирует, и остаётся лишь одна частица материи на 1 400 000 000 фотонов.
- Сила и частота взаимодействий падают настолько, что нейтрино перестают взаимодействовать со всем остальным во Вселенной
- Температура фотонов падает достаточно для того, чтобы могли сформироваться стабильные ядра атомов.
- Температура падает ещё немного – в миллион раз – и вот уже формируются нейтральные атомы.
- После этого регионы с повышенной плотностью превращаются в звёзды, галактики и кластеры, и появляется современная Вселенная, а энергия фотонов продолжает падать благодаря продолжающемуся расширению.
Предпоследний шаг, насчёт нейтральных атомов, как раз и обозначает появление космического микроволнового излучения (КМИ). До того все атомы ионизированы, то есть лишь положительно заряженные ядра и свободные электроны, плавающие в море фотонов. Но у фотонов чрезвычайно большое поперечное сечение рассеяния с электронами, то есть они очень часто сталкиваются.
Только когда Вселенная охлаждается достаточно и становится нейтральной, фотоны перестают встречаться со свободными электронами и «видят» лишь нейтральные стабильные атомы. А поскольку атомы поглощают фотоны с особыми частотами, и при этом частота у большинства существующих фотонов не такая, эти атомы, по сути, прозрачны почти для всех фотонов Вселенной!
Из-за того, что Вселенная расширялась и охлаждалась очень долго, можно взять наше положение в пространстве, зафиксировать его и огорчиться тому, что весь свет со времени Большого взрыва из окружающих нас районов проходил мимо нас на протяжении 13,8 млрд. лет.
Все звёзды, галактики, крупномасштабные структуры, газовые облака, космические пустоты, расположенные на расстояниях в тысячи, миллионы, миллиарды, и даже десятки миллиардов лет от нас, видели свой свет от КМИ уже очень давно.
Тем не менее, возвращаясь к вопросу, мы всё ещё видим КМИ, соответствующее сегодня той сфере, что находится на расстоянии 45,3 млрд. световых лет от нас. То, что мы всё ещё видим КМИ, означает, что Большой взрыв случился везде одновременно, в районе космоса радиусом не менее 45,3 млрд. световых лет, с нашей точки зрения.
И то, что КМИ во всех направлениях не только существует, но и имеет сходную температуру, означает, в контексте инфляционной Вселенной, что расширившийся объём наблюдаемой Вселенной изначально занимал не более 10-29 м (или меньше, чем одна триллионная от 1% размера фотона), и вырос не меньше, чем в 10 000 000 000 000 000 000 000 раз.
Размер той части Вселенной, которая видна нам сегодня в качестве наблюдаемой Вселенной, изначально мог быть меньше 10-29 м, и количество раз, в которое он расширился, может быть сколь угодно больше, чем 1022. Верхнего предела для этого не существует.
Когда мы смотрим на КМИ, на его однородность и небольшие флуктуации и видим, что в его картине нет повторяющихся участков (т.е. Вселенная не проявляет закрытой топологии), мы можем заключить из этого, что Большой взрыв произошёл везде одновременно в большом регионе – с нашей точки зрения.
Также это знание даёт нам нижнюю границу длительности и масштаба инфляции – о которой мы и так знаем очень много – и связывает её с обозримой Вселенной. КМИ всё ещё с нами, поскольку Большой взрыв, случившийся в конце инфляции, произошёл в огромном регионе пространства, уж точно не меньшем, чем наблюдаемая нами Вселенная, содержащая КМИ. Скорее всего, этот регион ещё больше, и не только все наблюдатели во всей Вселенной видят примерно одно и то же КМИ, но и мы будем продолжать его видеть (хоть и с красным смещением) в будущем.
Спасибо за прекрасный вопрос, и надеюсь, что объяснение было сделано понятно для вас и для остальных. Присылайте мне ваши вопросы и предложения для следующих статей.
Комментарии (19)
f1inx
21.07.2016 13:35Термин «Температура фотонов» «слегка антифизичен» (особенно при отсутствии элементарных частиц с ненулевой массой покоя). Лучше говорить плотность энергии. А фраза температура фотонов уменьшилась вообще ставит меня в тупик.
GoldJee
21.07.2016 14:50Возможно, речь об их средней энергии.
f1inx
21.07.2016 17:53-1Нет о плотности энергии (т.е. средней энергии на единицу объема).
Средняя энергия не учитывает «плотности упаковки фотонов» (по сути «расстояния» между ними)f1inx
22.07.2016 12:23Вот минусующему популярно про сечение реакции и далее по ссылкам: http://elementy.ru/LHC/HEP/measures/cross-section
Вероятность события реакции поглощения фотона частицей зависит в первую очередь от их количества в единице объема, во вторую очередь от распределения энергий фотонов.
Mad__Max
21.07.2016 18:03+1Это не плотность энергии. Плотность энергии (количество энергии на единицу объема/площади) — это величина зависящая как от количества фотонов и их энергии.
А тут речь о их количестве не идет, а только о средней энергии одного фотона и их % распределении по энергиям(частотам/длиннам волн). В случае реликтового излучения вся эта зависимость идеально описывается излучением абсолютно черного тела нагретого до соответствующей температуры. И одним единственным числом (температурой) можно сразу описать и среднюю энергию фотона и энергию на которую приходится максимум фотонов и вообще все их распределение по энергиям/частотам.
В общем температура тут имеет точно такой же физическим смысл как обычная температура материи — она характеризуют распределение частиц составляющих объект по энергии приходящейся на 1 частицу. Разница только в том, что в случае имеющих массу частиц это кинетическая энергия зависящая от их скорости, а для безмассовых фотонов эта энергия зависит от их частоты.f1inx
21.07.2016 19:25Спектральный состав излучения черного тела однозначно соответствует его температуре. Но применять это к периоду инфляции мягко говоря странно. А также считать что спектральный состав фотонов меняется без взаимодействия с веществом тоже мягко говоря странно.
Реликтового излучение возникло через 379 000 лет после Большого Взрыва при первичной рекомбинации уже в горячую эпоху большого взрыва. поэтому его спектр и соответствует излучению черного тела.Mad__Max
22.07.2016 00:16+2А к инфляции тут как раз температуру никто и не применял. Она тут упоминается только описании процессов БВ уже после завершения инфляции и перехода к обычному расширению пространства.
ArkturTierry
21.07.2016 14:39>что фотоны перестают спонтанно формировать пары материя/антиматерия. Лишняя антиматерия аннигилирует
С чем она аннигилирует?
По прежнему непонятно, почему видимая нам вселенная состоит по преимуществу из вещества, если на начальном этапе формирования вселенной появлялись пары частица-античастица. Ведь получается, что раз вероятность появления античастиц равна вероятности появления частиц, то и половина вещества во вселенной должна состоять из одних, а половина из других. Но мы этого пока не наблюдаем.f1inx
21.07.2016 17:59+1В настоящее время большинство физиков согласно с тем, что в результате нарушения СР?симметрии во Вселенной в первые мгновения эволюции частиц образовалось несколько больше, чем античастиц – примерно одна частица на 10^9 пар частица-античастица. В итоге после аннигиляции осталось небольшое количество частиц.
«Лишняя антиматерия» скорее всего артефакт перевода.ArkturTierry
22.07.2016 12:35Как бы да, но нет. Просто это объяснение всего лишь задвигает проблему глубже. Почему возникло нарушение СР-симметрии? НЕХ и ТНБ не вариант объяснения тоже) Есть гипотеза, что некоторой части вселенной наоборот преобладает антивещество, но эти области от нас слишком далеко, чтобы мы могли регистрировать непосредственно поток античастиц из этих областей. А фотоны что для вещества, что для антивещества одни и те же. Так что эта гипотеза тоже не имеет экспериментального подтверждения. Ждем-с.)
f1inx
22.07.2016 13:53Само по себе нарушение СР-симметрии доказано экспериментально в нескольких экспериментах.
Теории объясняющей эти эффекты согласующейся с опытами нету.
Поэтому согласен, что Это вполне возможно не единственная причина преобладания наблюдаемого вещества над антивеществом.
black_semargl
23.07.2016 18:02ИМХО, частицы состоящие из пары кварк-антикварк не могут быть отнесены ни к веществу ни к антивеществу.
Так что хоть симметрия у них и нарушается, непонятно почему кварков во вселенной больше чем антикварков.
kauri_39
21.07.2016 19:47-4А почему бы не допустить такую картину. Начался Большой взрыв — ускоренное расширение только что образованного пространства (эфира, вакуума). Энергетическая плотность вакуума (плотность эфира) снижается, и из фотонов начинают образовываться кварки/антикварки, электроны/позитроны.
Вопрос: почему они не образуются раньше? Потому что в сверхплотном эфире до БВ энергия фотонов максимальна, что мешает им создавать системы — кварки и антикварки. Эти системы просто распадались бы от перегрева.
Отсюда может следовать и ответ на вопрос о барионной асимметрии Вселенной. В первичном эфире одни системы фотонов выживали лучше других, например, благодаря направлению внутренних обменных процессов. Выжившие системы мы называем кварками, а которые распались — антикварками. То есть тотальной аннигиляции не потребовалось — только для ликвидации остатков недораспавшихся антикварков.
Теперь насчёт реликтового излучения. Его фотоны конечно снижали свою частоту при снижении плотности расширяющегося эфира (вакуума). Только эта плотность снижалась недолго, космологическая постоянная действовала уже тогда. Откуда же столь низкое падение частоты РИ? Вокруг нас?
Правильно, вокруг нас — пришлые фотоны, остывшие за время путешествия к нам от сферы последнего рассеяния. Которая улетела от нас далеко за сферу Хаббла. И продолжает улетать из-за космологического расширения (при сохранении плотности расширяющейся среды). То есть расширяющаяся среда удаляется от нас, а волны РИ летят к нам — во встречном потоке своего носителя. От этого их длина растёт, а частота падает — до микроволнового диапазона. Почему бы и нет?
andruhov
Во как совпало, а я как раз слушаю подкаст на ту же самую тему.
Вообще, послушайте «Ask a Spaceman» — отличный англоязычный подкаст про космос, весёлый и познавательный.
kolka_bes
А есть такой подкаст на русском?
Constans
Вот что-то похожее tbbt.beardycast.com