Вложение | Размер |
---|---|
potapov_i._mayak_bolshogo_vzryva.docx | 921.76 КБ |
Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение средняя общеобразовательная школа № 5 г. Охи
МАЯК БОЛЬШОГО ВЗРЫВА
НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ РАБОТА
Научная конференция учащихся «Новые имена»
Выполнил: учащийся 11 класса
МБОУ СОШ №5 г. Охи
Потапов Илья
Руководитель: учитель физики высшей квалификационной категории
Тимошенко Нурия Махамат – Галиевна
г. Оха
2015 год
ОГЛАВЛЕНИЕ
Стр.
ПРИЛОЖЕНИЕ В ГЕНЕРАЦИЯ КВАНТОВЫХ ФЛУКТУАЦИЙ 15
1. ВВЕДЕНИЕ
Тема моей исследовательской работы «Маяк Большого Взрыва»
АКТУАЛЬНОСТЬ ИССЛЕДОВАНИЯ
Долгосрочная судьба Вселенной, в которой мы живем, всегда волновала воображение человечества. За два последних десятилетия космология сделала огромный скачок вперед, так что теперь мы понимаем нашу Вселенную гораздо лучше, чем раньше.
Космология занимается, главным образом, предысторией Вселенной. Теория Большого взрыва успешно описывает зарождение Вселенной. Последние результаты астрономических наблюдений подводят под нее прочную научную основу.
Сегодня под «Стандартной моделью» вселенной понимается модель, отвечающая концепции Большого взрыва из состояния сингулярности, прошедшая стадию инфляции (раздува). Сингулярность – состояние сверхплотного вещества перед Большим взрывом.
Основное положение теории Большого Взрыва заключается в том, что около 13,7 млрд. лет назад она возникла из бесконечно малой области размером 10-33 см3, при плотности вещества в ней 1093 г/см3 с бесконечно большой температурой около 1032К. Это состояние называется сингулярностью.
Объект исследования – физические процессы, характерные для ранней Вселенной при помощи гравитационных волн, рожденных в первые моменты после Большого взрыва.
Предмет исследования - гравитационные волны как инструмент исследования ранней Вселенной.
Гипотеза исследования - если будут обнаружены гравитационные волны, то человечество получит подтверждение того факта, что инфляция действительно была и сможет глубже понять квантовые процессы, которые породили инфляцию.
Цель исследования:
Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи:
Задачи исследования:
В ходе теоретического исследования я узнал, что в марте 2014 г. группа ученых, работающих на микроволновом телескопе на Южном полюсе, сообщила об обнаружении гравитационных волн, рожденных в первые мгновения после Большого взрыва. Если открытие будет подтверждено, то ученые получат возможность исследовать уникальные физические процессы на стыке теории относительности и квантовой теории. Ученые смогут с определенностью сказать, как зародился наш мир. Кроме того, окажется возможным связать в единое целое лучшие теории квантового мира с лучшими теориями гравитации, описывающими массивные тела в космосе, основанными на общей теории относительности Эйнштейна.
И, наконец, можно будь представить убедительные доказательства существования иных миров.
Нам не придется долго ждать: скоро станет известно, действительно ли перед нами маяк ранней Вселенной, ведущий к ее неразгаданным тайнам. Быть может, удастся получить косвенные свидетельства существования мультивселенной — бесконечного пространства с бесконечным набором отдельных вселенных.
2. РАСШИРЯЮЩАЯСЯ ВСЕЛЕННАЯ.
Я выяснил, что расширение Вселенной впервые было обнаружено американским астрофизиком Эдвином Хабблом в 1929 г. С помощью крупнейшего в то время телескопа он определил расстояния до ближайших галактик. Хаббл установил, что для каждой галактики скорость ее удаления тем больше, чем больше расстояние до нее. Впоследствии, открытую закономерность назвали законом Хаббла, а коэффициент пропорциональности «скорость-расстояние» Н получил название «постоянной Хаббла».
Это открытие не было полной неожиданностью: ранее его предсказал советский ученый Александр Фридман, применив уравнение общей теории относительности Эйнштейна для описания эволюции однородной изотропной Вселенной. Из решений, полученных им, следовало, Вселенная на самых ранних стадиях своей эволюции могла находиться в неустойчивом вакуумоподобном состоянии, обладающем большой плотностью энергии. При этом Вселенная, согласно уравнениям Эйнштейна, должна была расширяться экспоненциально. Наша Вселенная действительно по данным астрономических наблюдений расширяется. Из закона Хаббла следует, что расширение «стартовало» ~1/H лет назад для всех галактик одновременно. Этот момент начала расширения называют Большим Взрывом.
С помощью телескопа Hubble определена величина постоянной Хаббла: 74±4 км/с на Мпк. Зная ее, можно рассчитать возраст Вселенной от начала расширения — он составляет 13,7±0,2 млрд. лет, что хорошо согласуется с возрастом старейших звезд Галактики.
Если рассматривать состояние материи, двигаясь во времени обратно к Большому Взрыву, обратив ход часов для экстраполяции этого движения в прошлое, при t 0 размеры сколь угодно большой области Вселенной стремятся к нулю. То есть, вся материя, которая теперь доступна для наблюдений, исходно была собрана в точке бесконечно малых размеров, меньше размеров атома. Плотность материи и температура в ней были бесконечными. Это так называемая космологическая сингулярность, состояние материи в которой не описывается законами физики. Такой сценарий расширения называют «стандартной моделью Большого Взрыва», а сингулярность — ее «неустранимой» проблемой.
На слайде показана модель эволюции Вселенной согласно современным представлениям. В левой части этого рисунка показан момент Большого Взрыва, после которого имел место период стремительного расширения (инфляции). Излучение, рожденное в последовавшую затем эпоху, называется реликтовым.
Открытие реликтового излучения в 1964 г. стало окончательным доказательством нестационарной модели Вселенной, теоретически предсказанной Фридманом и экспериментально подтвержденной Хабблом.
Высокая изотропность и однородность реликтового излучения указывает на существование еще одной важной стадии расширения Вселенной — т.е. «инфляции».
В 1980 г. молодой физик Алан Гус размышлял над этими двумя парадоксами и нашел решение: наша Вселенная могла стремительно раздуться сразу же после Большого взрыва. Гус пришел к модели, которую назвал «инфляционной», размышляя о ключевом разделе физики элементарных частиц, а именно о спонтанном нарушении симметрии в стандартной модели и о последовательном обособлении физических взаимодействий при таких нарушениях.
Имеется доказательство, что спонтанное нарушение симметрии имело место во Вселенной, по крайней мере, один раз. Согласно теории электрослабого взаимодействия, два фундаментальных физических взаимодействия — электромагнитное и слабое — предстают перед нами различными из-за некоего «катаклизма» в ранней Вселенной. Когда-то давно эти взаимодействия были единым целым.
Вселенная с расширением охлаждалась. Когда Вселенной было от роду несколько миллионных долей от одной миллионной доли секунды, 10-12 с, то произошел фазовый переход, который изменил природу пустого пространства-времени. Вселенная не была на самом деле пустой, она была заполнена особым фоновым полем. Это фоновое поле, известное как поле Хиггса, было «выработано» всей Вселенной.
В квантовой физике каждая элементарная частица является квантом некоторого поля и, наоборот, каждому полю соответствует своя частица-квант. Наиболее известный пример: электромагнитное поле и его квант фотон.
Я выяснил, зачем нужно новое поле Хиггса, и каковы его ожидаемые свойства. Краткий ответ состоит в том, что симметрии теории микромира запрещают элементарным частицам иметь массы, а новое поле нарушает эти симметрии и обеспечивает существование масс частиц. Сила слабого взаимодействия и электромагнитная сила начинают обладать разными свойствами, нарушая симметрию, которая объединяла их. Эта удивительная модель была подтверждена на Большом адронном коллайдере (БАК) в CERN в 2012 г. с открытием бозона Хиггса.
Открытие бозона Хиггса на БАК показывает, что его энергетическое поле присутствует в каждой точке Вселенной и придает массу элементарным частицам. Суперсимметрия действует как стабилизатор вакуума. Более тяжелый бозон Хиггса предполагает стабильную Вселенную, тогда как более легкий в конечном итоге предполагает ее гибель. Примечательно, что измеренная масса бозона Хиггса приходится ровно на грань, что предполагает долгоживущий, но в итоге все же нестабильный вакуум.
Итак, я выяснил, что открытие бозона Хиггса предрекло судьбу Вселенной. Вселенная лопнет. Еще одним подтверждением этого факта являются расчеты, сделанные после того, как физики определили массу бозона Хиггса (126 гигаэлектронвольт). Подставив ее в свои формулы, американский физик-теоретик Джозеф Ликкен также пришел к выводу, что Вселенную убьет случайное событие. Например, «пузырек» образовавшейся новой Вселенной, который начнет расти и уничтожит все вокруг. Правда, произойдет это очень не скоро – через несколько десятков миллиардов лет. К тому моменту Земли уже не будет. Через 4,5 миллиардов лет ее поглотит раздувшееся Солнце. Что произойдет с разумом, неизвестно. Ликкен подчеркнул, если бы масса бозона Хиггса отличалась от определенной всего на несколько процентов, будущее Вселенной было бы более радужным.
Так же как и в случае поля Хиггса, нарушающее симметрию гипотетическое поле должно порождать экзотические и очень массивные частицы, гораздо больше, чем масса хиггсовской частицы. Фактически это означает, что для прямого поиска соответствующих экспериментальных подтверждений необходимо создать ускоритель в 10 млрд. раз мощнее, чем БАК. Требующая такой проверки теория носит название теории великого объединения, поскольку она дает единое описание трем типам физических взаимодействий, исключая только гравитационное.
Спонтанное нарушение симметрии в ранней Вселенной могло бы, по мнению Гуса, решить все проблемы стандартной теории Большого взрыва, если бы только поле, отвечающее за такое нарушение симметрии, смогло хотя бы короткий промежуток времени побыть в метастабильном состоянии.
Поле, вызывающее фазовые переходы в теории великого объединения, могло бы передать энергию в окружающее пространство. Во время краткого периода инфляции эта энергия могла создать гравитационное отталкивание, которое заставило Вселенную расширяться экспоненциально быстро. Благодаря этому расширению к сегодняшнему моменту Вселенная могла увеличить свой размер на 25 порядков за промежуток времени 10-36 с. Такое стремительное расширение может обеспечить наблюдаемую сегодня плоскостность и изотропию Вселенной, успешно разрешив два обсуждаемых выше парадокса.
Для того чтобы доказать, была ли инфляция, необходимо исследовать физические процессы, характерные для тех далеких времен. Оказывается, гравитационные волны предоставляют ученым такую возможность.
Гравитационные волны были предсказаны Альбертом Эйнштейном. Самые хорошие кандидаты, чьей колоссальной мощности должно быть достаточно для регистрации гравитационных волн, — это системы двух сливающихся черных дыр. Но исследование таких катастрофических астрофизических феноменов пока к успеху не привели. К счастью, Вселенная может предложить более мощный источник гравитационных волн — флуктуирующие квантовые поля, рожденные в первые моменты после Большого взрыва.
Когда Вселенная была очень молода, до начала инфляционной стадии, она была упакована в объем, много меньший размеров атома. На таких крошечных масштабах доминировали законы квантовой физики. Согласно квантовой теории, на очень малых масштабах все квантово-механические поля флуктуируют.
В то время, когда Гус предложил свою инфляционную модель, советские физики А.А. Старобинский, В. Муханов, В.А. Рубаков и другие показали, что во время инфляции всегда образуется гравитационно-волновой фон, а интенсивность гравитационных волн определяется энергией, заключенной в инфляционном поле. Обнаружив гравитационные волны, идущие от инфляционной стадии, мы получим подтверждение факта, что инфляция действительно была, а также сможем глубже понять квантовые процессы, которые породили инфляцию.
Источником гравитационных волн, по инфляционной теории, являются квантовые возмущения, или квантовые флуктуации. И в данном случае это квантовые флуктуации гравитационного поля пространства-времени.
Обнаружить гравитационные волны может помочь космическое микроволновое фоновое излучение. Это реликтовое излучение образовалось в ранней Вселенной, когда та остыла настолько, что протоны захватили электроны, сформировав нейтральные атомы, а фотоны смогли распространяться свободно. Вселенная стала прозрачной для излучения, и это первое, самое старое реликтовое излучение сейчас доступно наблюдениям. Если гравитационные волны существовали в больших масштабах в то время, когда родилось реликтовое излучение (Вселенной тогда было 380 тыс. лет), то его следы могут «отпечататься» на этом излучении. Температура реликтового излучения была бы чуть выше по одним направлениям и чуть ниже по другим — за счет того, что крупномасштабные гравитационные волны немного растягивали пространство в одном направлении и немного сжимали в другом, то есть должна наблюдаться характерная анизотропия реликтового излучения, которая может быть обнаружена. Кроме того, гравитационные волны служат причиной рассеяния фотонов реликтового излучения на электронах, в результате чего реликтовое излучение становится поляризованным.
Поляризация представляется в виде так называемых электрических Е - и магнитных В-мод. В-мода, имеющая закрученный вид, ассоциируется с гравитационными волнами. Е-моду могут порождать другие источники.
За прошедшее десятилетие было разработано много экспериментов, как наземных, так и космических, предназначенных для поиска гравитационных волн, этого «святого Грааля» инфляции.
Поскольку наблюдатели уже измерили температурные флуктуации космического микроволнового излучения, исследователи представляют свои результаты в терминах отношения сигнала возможной поляризации от гравитационных волн к величине измеренного сигнала температурных флуктуаций. В литературе это отношение обозначается буквой r.
Новые результаты
Европейское космическое агентство миссии Р1апск объявило, что, согласно их измерениям, допустимый интервал для величины r меняется от нуля (что соответствует отсутствию гравитационных волн) до 0,13. Весь научный мир был взбудоражен сенсацией в марте 2014 г., когда команда расположенного на Южном полюсе эксперимента по изучению космической внегалактической поляризации (ВICЕР2) объявила об обнаружении r порядка 0,2, повысив предел, полученный Р1апск. Это означало, что гравитационные волны существуют.
Таким образом, инфляция — это уже не фантазия и не абстрактная математическая теория, а реальное фундаментальное свойство нашего мира. Более того, это свойство теперь доступно экспериментальному изучению.
Инфляция должна вызываться инфлатонным полем. Результат BICEP2 — подтверждение того, что это поле существует.
Наличие этого поля и измеренная интенсивность гравитационных волн намекают на то, что существует Новая физика на масштабе порядка 1016 ГэВ. Этот энергетический масштаб до боли напоминает теоретически предсказанный масштаб Великого объединения, то есть объединения сильного, слабого и электромагнитного взаимодействия в рамках единой теории.
И гравитационное поле, и инфлатонное поле тоже испытывают квантовые флуктуации, которые инфляция раздувает до огромных размеров. Без квантовых флуктуаций гравитационного поля не было бы сильных первичных гравитационных волн. Поэтому результат BICEP2 можно считать экспериментальным подтверждением квантовой гравитации, пусть и косвенным.
Понимание истоков нашего мира и корректная постановка вопроса, откуда вообще взялась наша Вселенная, — вот цели исследования инфляционного расширения ранней Вселенной при помощи гравитационных волн.
Характерным свойством инфляции выступает то, что, однажды начавшись, она никогда не должна закончиться и будет раздувать и раздувать Вселенную до бесконечности. При этом никогда не сформируется наблюдаемая нами картина — материя и излучение, не успев толком сформироваться, будут стремительно разлетаться, размазываться. Не будет ни галактик, ни звезд, ни планет, а только стремительно расширяющееся пустое пространство. Такой инфляционный сценарий абсолютно не удовлетворяет наблюдательным данным.
Профессор Стэндфордского университета Андрей Линде нашел способ избежать этой проблемы. Он показал, что, как только в какой-нибудь небольшой области пространства после экспоненциального расширения завершится фазовый переход, эта область окажется в состоянии вместить всю наблюдаемую нами сегодня Вселенную. В оставшемся пространстве инфляция может продолжаться вечно. Кое-где будут образовываться небольшие области, где фазовый переход завершился. В каждой такой области, абсолютно и навсегда изолированной от всех других стремительным инфляционным расширением, может происходить свой Большой взрыв с последующим формированием вселенной, в чем-то аналогичной нашей. Это так называемая модель «вечной инфляции». В ней наша Вселенная — часть гораздо большей структуры, которая может быть бесконечной по объему и может содержать любое сколь угодно большое количество не связанных друг с другом вселенных, уже сформированных, формирующихся или тех, которые только будут формироваться. Более того, физические законы в каждом из этого множества миров могут быть очень разными, поскольку фазовые переходы могут происходить разными путями.
Такая гипотеза носит название гипотезы мультивселенной, в которой нашей Вселенной отводится равноправное место в бесконечном наборе других миров. Эта гипотеза может легко объяснить, почему параметры нашей Вселенной именно такие, а не другие, — в противном случае не было бы нас, чтобы задать такой вопрос. Рассуждения такого рода принадлежат разновидности так называемого антропного принципа.
Однако если эксперимент В1СЕР2 (а также БАК и другие эксперименты) позволят исследовать феномены инфляции и великого объединения, то окажется возможным однозначно определить фундаментальные физические законы, управляющие ранней Вселенной при сверхвысоких энергиях и в сверхмалых масштабах. Быть может, будет подтвержден предложенный Линде механизм вечной инфляции. В этом случае мы, хотя никогда не сможем увидеть другие миры, будем знать наверняка, что они все-таки существуют, — подобно тому, как наши предшественники в начале XX в. знали о существовании атома, хотя и не видели его.
Результатом эксперимента (ВICЕР2) отношение получилось r порядка 0,2, что превысило ожидания. Это означало, что гравитационные волны существуют. Следовательно, инфляционная теория верна. Гипотеза подтверждена.
Не все так радужно, как хотелось бы. Дело в том, что межгалактическая космическая пыль может вносить свой вклад в поляризацию микроволновых волн. Станция работала на одной частоте. Для окончательной уверенности в результатах, необходимо повторить эксперимент на разных частотах, чтобы отсеять вклад пыли в поляризацию реликтового излучения.
Наблюдения и эксперименты по исследованию поляризации реликтового излучения и интерпретация данных продолжаются — и мы не знаем, чем это закончится. Наблюдения и эксперименты по исследованию поляризации реликтового излучения и интерпретация данных продолжаются — и мы не знаем, чем это закончится. Но разве не в такой азартной погоне за тайнами мироздания заключалась и заключается привлекательность науки?
Факт обнаружения гравитационных свойств с такими свойствами, как предсказывает инфляционная теория, на самом деле означает, что гравитацию можно квантовать, используя такой же аппарат квантования, как для всех остальных частиц, полей, процессов, которые мы знаем. Гравитация тоже квантовая наука. Но описывать взаимодействие в рамках квантового подхода нужно не так, как мы это делаем для всех остальных полей, и это очень важно. Это значимое утверждение для физики, для построения квантовой теории гравитации в дальнейшем.
Пока не построена теория квантовой гравитации. Пока мы не умеем описывать взаимодействие в рамках квантовой теории. Но тот факт, что обнаружены гравитационные волны с такими свойствами, как предсказывает инфляционная теория, говорит о том, что гравитацию квантовать-таки можно, используя такой же аппарат квантования, который мы используем для всех остальных частиц, полей, процессов, которые мы знаем. Гравитация тоже квантовая наука. Но описывать взаимодействие в рамках этого квантового подхода нужно как-то по-другому, не так, как мы это делаем для всех остальных полей. Это важное утверждение как для физики в целом, так и в частности для построения квантовой теории гравитации в дальнейшем.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
ПРИЛОЖЕНИЕ А Модель эволюции вселенной
ПРИЛОЖЕНИЕ Б КОСМИЧЕСКОЕ МИКРОВОЛНОВОЕ ФОНОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ
ПРИЛОЖЕНИЕ В Генерация квантовых флуктуаций
Старинная английская баллада “Greensleeves” («Зеленые рукава»)
Что есть на свете красота?
10 осенних мастер-классов для детей
Кто самый сильный?
Басня "Две подруги"