conducător scara universului
Intr-un articol anterior (TRV №79), privind contribuția Andreya Dmitrievicha Saharova în cosmologie, a fost vorba despre asimetria baryon a universului și activitatea sa de pionierat asupra acestui subiect. Acum vorbim despre mai devreme, este de pionierat, de asemenea, locul de muncă, care a fost prezis teoretic efect, mai târziu a primit numele de „oscilațiile Saharov“. Ambele lucrează într-o anumită măsură, înainte de timp, ambele din care s-au bazat în parte pe presupuneri incorecte, dar cu toate acestea adevărate, în principiu, cei doi au avut o dezvoltare de anvergură în deceniile următoare.
distribuția materiei în universul de astăzi este neomogen pe scări până la aproximativ 100 Mpc (300 de milioane de ani lumină). Se pare ca un circuit de tip gigant congelat spumă folosit pentru a instala ferestre: aproape goale (blistere asa numitele goluri) și perete. În cazul în care a făcut această structură? Este clar că este - rezultatul instabilității gravitaționale - același lucru care provoacă nori de gaz cosmic și praf condenseze în stele. Mult timp înainte de deschiderea Ya. B. Zeldovich arătat teoretic această structură că instabilitatea gravitațională din Universul timpuriu pentru a da o spumă (suprapunere „clatite“ în terminologia colegii Zeldovich), ca urmare a creșterii perturbațiilor inițiale densitate neclare a fost doar domeniul său de aplicare. Imaginea reală este trasată doar până la sfârșitul anilor '80, când „spuma“ desenat pe hărțile tridimensionale Conform studiului de clustere de galaxii. Dar problema principală rămâne: ce a perturbațiilor inițiale condensate „spuma“ de structura pe scară largă a universului?
presupuneri AD în această lucrare sunt după cum urmează:
- Perturbațiile inițiale de densitate din universul timpuriu sunt de natura fluctuațiilor cuantice. Această ipoteză a fost și este la baza cosmologiei.
Din primele momente ale fizicii
Ce se întâmplă cu tulburările primare în timpul expansiunii universului? Ei devin undele acustice se deplasează cu viteza sunetului, care participă la expansiunea totală. Este bine cunoscut, care este viteza sunetului în univers foarte devreme: a / √ (3), unde c - viteza luminii. Acesta este rezultatul așa-numita ecuatia ultra stare atunci când presiunea din mediul respectiv este egală cu o treime din densitatea de energie, p = ε / 3. Acesta din urmă include energia de repaus a particulelor, astfel încât gazul de joasă densitate din particule reci și, prin urmare, lent, mult mai mici decât densitatea de energie de presiune și viteza sunetului este mult mai mică decât viteza luminii. Pe de altă parte, "ecuatia ultrarelativiste de stat se produce atunci când particulele medii se deplaseze cu o viteză apropiată de viteza luminii.
În universul ecuația ultrarelativiste fierbinte de stat este ținut pentru o lungă perioadă de timp - aproximativ 300000 ani .. Prima fracțiune de secundă este susținută de faptul că toate particulele se deplasează la aproape viteza luminii datorită temperaturii ridicate. Apoi, temperatura scade, astfel încât protonii sunt non-relativiste (se deplasează în mod substanțial mai mică decât viteza luminii). Cu toate acestea, ei arde, anihilat cu antiprotoni, numărul acestora a scăzut cu nouă ordine de mărime (a se vedea. Articolul anterior din TRV-H № 79). Mai mult, în secunde în univers este dominat de fotoni și electroni și pozitroni de lumină fără masă. Acestea din urmă, de asemenea, anihila reciproc, atunci când acestea devin non-relativistă, cu electronii, de asemenea, este o miliardime de numere lor anterioare. Mai mult, într-un univers dominat de fotoni de densitate de energie. Protonii și grea, deși, dar un miliard de ori mai mici - mulți fotoni sprijin din partea statului ultrarelativiste circa 300000 ani .. . În același timp, în 370 de mii de ani după Big Bang, a existat un alt eveniment important, dar acest lucru - mai târziu.
In universul rece functioneaza fizica complet diferite, care prevede, de asemenea, ecuația ultrarelativiste de stat, ci doar prima fracțiune de secundă. Acesta este un efect pur cuantic-mecanică, se bazează pe principiul de excluziune, care interzice cei doi protoni sau doi electroni să fie în aceeași stare cuantică-mecanică.
Același principiu nu dă tuturor electronilor dintr-un atom să se așeze la un nivel de energie mai mic. Densa Principiul lui Pauli de gaz provoacă, de asemenea, electronii să fie împărtășită de diferite energii (mai precis, direcția impuls, care este de asemenea important).
Dacă temperatura este egală cu zero, particulele în mod uniform umple volumul unei sfere în spațiu impuls. Astfel de particule sunt numite gaz Fermi degenerate-gaz, iar energia maximă a particulei sub care întregul volum este umplut fază, - energia Fermi. Cu cât densitatea, cea mai mare energia Fermi. Dacă energia Fermi este mult mai repaus a particulelor de energie, avem p = ε / 3 temperatură chiar și la zero.
Fig. 1. Harta CMB fluctuații spațiale WMAP obținute după scăderea de fond și componenta dipol. Aceasta din urmă se datorează în principal efectului Doppler asupra mișcării sistemului solar. Context scăzut în principal din cauza Galaxy și sursele extragalactice individuale. Fluctuațiile în comparație cu nivelul mediu al CMB redus - doar 10 -5 din ordinul de mărime. Imagine: „varianta Troitsky“
După o fracțiune de secundă după începerea expansiunii rece a universului devine mai mică decât energia Fermi a masei de protoni, iar viteza sunetului scade aproape la zero.
În general, în ceea ce privește acustica, etapele inițiale ale expansiunii universului cald și rece calitativ similar: ecuația de stare este aceeași ca viteza sunetului este aceeași, iar aici și există o tranziție la ecuația non-relativistă stat, dar într-un timp foarte diferit.
undele stationare
Deci, au fost primele fluctuații cuantice de densitate primordiale. Ei au început să se răspândească prin univers ca undele sonore la o viteză comparabilă cu viteza luminii.
Oscilațiile supunându ecuații diferențiale liniare, fie de sunet sau lumină, poate fi ușor extins la diferite lungimi de unda si arata individual, ceea ce se întâmplă la fiecare dintre ele.
Pentru a începe, să presupunem că un anumit univers dintr-o dată a apărut, în general, fiind omogen, dar cu densitate perturbațiile locale? și nu se extinde (amestecat intern de imagine, dar o folosim doar pentru ilustrare). eterogenitate inițială în cazul în care acestea au fost haotic (aleatoriu) se va transforma în valuri de diferite lungimi de pliere într-o imagine haotică. Spectrul acestor valuri într-un timp arbitrar repetă aproximativ spectrul perturbației inițiale, haosul este haos. Dar poate mai interesant situație: în picioare valuri pot fi.
Un exemplu de undele staționare - vibrații ale unui șir de caractere pe o chitară. Întregul șir la un moment dat este redresată printr-o perioadă sfert maxim îndoit, iar apoi din nou complet rectificat și m. N. În cazul în care șirul „stoyachest“ oscilații prevăzute capete fixe. Un alt exemplu: valuri în picioare în apropierea cheiului zid de beton în port. În mod similar, în același loc, atunci există valuri mari, suprafata apei este netezită. Nu există nici un scop fix, dar există un val reflectat, care este însumată cu sens opus dă valuri în picioare.
Se pare că puteți obține un sunet valuri în picioare în întregul univers. Cea mai simplă posibilitate (deși nu singurul) - cere ca toate perturbatii inițiale din univers era statică, adică, viteza inițială a materiei au fost zero, ... Apoi, toate valurile rezultate pot fi împărțite în opuse pereche simetrică a undelor plane - valuri în dig de perete, iar suma va da în picioare valuri, fading sincron și crescând în întreg spațiul. Pentru a testa acest lucru eu însumi, suficiente cunoștințe de fizică generală și capacitatea de a descompune cosinusul suma a două unghiuri (a se vedea. Caseta).
Care este modelul de fluctuațiile sonore ale densității în univers, în cazul undelor în picioare? Pe tot va parea ochiul haotic, dar dacă vă construi un spectru de fluctuațiile de densitate în spațiu (în acest scop, este necesar să cartografieze densitatea medie în univers este supus transformării Fourier), apoi a dezvăluit un lucru uimitor: este periodică!
Orice carte de perturbațiile inițială poate fi extins într-o serie Fourier, ai cărei membri vor fi sub formă de unde plane: cos Ck (xk + φk), unde x - coordonate, k - val vector φk - faza. Soluția de rezolvare a ecuației undei de vibrații sonore este bine cunoscut: fiecare membru al expansiunii se va potrivi undele plane: cos Ck (xk - t + φk). Aici v - oscilații undelor de frecvență, care este asociat cu vectorul de undă prin sunet viteza v: v = k v.
În cazul în care viteza materialului inițial este zero, perturbatiilor inițiale sunt statice, adică. E., Ei nu depind de timp. În acest caz, undele pot fi grupate în perechi simetrice cu vectori orientate opus val: 0.5 cos Ck (xk - tv + φk) + 0.5 cos Ck (-xk - TV - φk) (adică Ck = Ck φk = ... - φk).
Într-adevăr, punând t = 0, obținem expansiunea inițială, în timp de diferențiere în raport cu timpul, obținem zero la t = 0. În final, extinderea cosinusul suma a două unghiuri obțină în picioare cos formă val Ck (xk + φk) cos (tv), m. F .-amplitudinii undei cu o anumită frecvență va varia în mod sincron și periodic în întregul spațiu.
neomogenități Spectrum în funcție de mărimea L lor este proporțională cu cos (π v T / L), unde T - vârsta universului (presupunând că viteza sunetului v este independentă de timp). Din această relație, puteți estima vârsta universului lor! Cu toate acestea, cererea noastră că toate perturbațiile inițiale de densitate au fost statice într-un univers static inventat de noi, nu urmează.
Așa cum este cazul într-un univers în expansiune? Principalele diferențe sunt după cum urmează:
- Fiecare val va participa la extinderea, iar lungimea sa și frecvența se va schimba.
înghețare valuri
Presiunea fluidului din univers, mai devreme sau mai târziu, într-un timp T0 devine mult mai mică decât viteza de densitate de energie și sunet relativ repede scade la comanda. Undele acustice sunt congelate neomogenitati densitate, în care acestea se solidifică substanțial simultan - indiferent de lungime de undă. Și această imagine înghețată valuri pot încerca pentru a vedea dacă cumva gestiona pentru a elimina cardul nereguli și se pune într-o serie Fourier.
Ce ar trebui să vedem? „Vindecarea“ încă nu este instantanee, astfel încât valurile au timp în medie, în timp ce viteza sunetului scade. Prin urmare, o parte scurtă lungime de undă a spectrului va fi featureless, lipsit de unele caracteristici. O lungime de undă mai lungi, care au reușit să facă exact unu-doi-trei-vibrații cu ambarcațiune cu patru nașterea universului, va fi prezentat în spectrul sub forma unor vârfuri clare, separate prin lipsuri. Chiar și lungimi de undă mai lungi, care nu a comis nici o ezitare, da din nou o parte buna a spectrului, lipsit de caracteristici. Este acest model numit „oscilații Saharov“. Adevărat, a fost termenul utilizat nu este tot, acum este mai des folosit sinonim cu „oscilații acustice“.
Atunci când există congelare, și în ce măsură ar trebui să apară? Într-o variantă de realizare a universului rece, așa cum sa menționat deja, viteza sunetului scade prin fracțiuni de secundă. În același timp, cel mai maximă lungime de undă lungă în spectrul de neomogenitati acoperă o mulțime de materiale despre masa de stele mici.
Modelul Hot oferă o altă surpriză - imagine a vârstei universului de 370 de mii de ani -. Doar atunci când era universul a fost schimbarea ecuația de stare și viteza sunetului a scăzut. Faptul este că în acest timp temperatura a scăzut universul astfel încât electronii sunt recombinate cu protoni din atomi de hidrogen, iar universul a devenit transparent la lumină. Această lumină se datorează expansiunii universului transformat în unde radio - celebrul radiații relicvă cu microunde.
Zâmbetul Universului
În cazul în care A. D. a văzut spectrul Saharov de putere unghiulară a armonicilor CMB! (El este prezentat în Fig. 2.) Ya. B. Zeldovichu, de asemenea, nu a avut ocazia să-l văd, dar multe sunt implicate direct în dezvoltarea teoriei supraviețuit.
Puterea științei se manifestă cel mai clar atunci când nu se poate explica efectul inexplicabil anterior, iar atunci când cineva prezice ceva extraordinar, și apoi găsi personal. exemple majore de acest gen din istoria nu atât de mult. Un exemplu de manual - descoperirea lui Neptun „pe vârful unui stilou.“
Fig. 2. Rezultatul expansiunii hărții CMB prezentată în Fig. 1, armonicele unghiulare (multipoles). Solidul curba - montarea rezultatul teoretic care este sensibil la astfel de parametri ai universului, curbura spațiului, densitatea medie a materiei și materia întunecată. Imagine: „varianta Troitsky“
oscilațiile Saharov în unele moduri mult mai „reci“, în primul rând sale extra-terestre - unpresentable scară ca inimaginabil de mici și mari inimaginabil. Stând persoană scrie cu numere incredibile cu formula: vârsta universului - 10 -43 secunde -10 densitate de 98 de grame pe cm 3 ca unii dintre ei încearcă să deducă. În cazul în care credința că pe o astfel de scară, la toate lucrează logica noastră care se aplică acestora legile derivate de om? Din perspectiva unui outsider, un om de știință în acest caz, a fost plina de abstracțiuni, fantezii pe banii contribuabililor. Ca urmare, un efort considerabil o persoană aduce la hârtie, distribuirea unora dintre fluctuațiile de densitate în univers ar trebui să fie descris de o anumită funcție Bessel oscilant.
Prin decenii oamenii lansa o nava spatiala cu un receptor de precizie a undelor radio cu microunde emise de miliarde de ani în urmă. Și aceasta radiație maps aceeași funcție oscilant Bessel!
Observarea faptului oscilațiilor acustice - este doar începutul. Se pare că acestea sunt mai bune decât orice altceva, ajută la măsurarea unui număr de parametri ai universului nostru, inclusiv vârsta sa, și geometria. Aceasta este aproximativ la fel, ca și în cazul în care pe o hartă a universului timpuriu ar vedea bar la scară cu diviziuni în Mpc, și nu numai linia - orele și întreaga „stația meteo“, cu lecturi distincte pe cadranele.
De exemplu, înălțimea deasupra vârfului principal substrat oferă o estimare a densității materiei în univers, iar pozițiile de vârf „simt“ a geometriei spațiului. Această din urmă proprietate nu este greu de înțeles. Lungimea undei acustice, prins într-un număr maxim de 370 de mii de ani după Big Bang, este fixat, iar unghiul la care este vizibil astazi, depinde de spatiul nostru euclidian tridimensional sau nu. Aceasta se datorează faptului că măsurătorile pozițiilor picurilor care spațiul este, de fapt euclidiene: suma unghiurilor unui triunghi este de 180 ° în ea, chiar dacă acesta este un triunghi cu laturile în zeci de miliarde de ani lumină.
oscilațiile Sakharov - nu duce doar la cosmologie - există încă un supernove îndepărtate, clusterele de galaxii, lentilă gravitațională. Dar acest lucru este de departe sprijinul cel mai de încredere.
Am spus totul despre cele două lucrări științifice Andreya Dmitrievicha Saharova. Aceasta este doar o mică parte din ceea ce a făcut în viața lui. Cu toate acestea, chiar și pe cele două lucrări pot fi văzute pe puterea acestui om: ei nu a rezolvat doar unele probleme. În aceste lucrări, și a rezolvat o problemă care nu a fost văzut într-un timp.