Поскольку реликтовое излучение — самая старая вещь, которую мы можем видеть, как мы можем знать наверняка, что произошло до реликтового излучения?

Вы совершенно правы в том, что мы не можем видеть, что происходило до реликтового излучения (это время известно как рекомбинация ), но в физике это не является чем-то необычным. Например, мы не можем видеть, что происходит при столкновениях в Большом адронном коллайдере. Все, что мы можем видеть, это обломки, вылетающие из столкновений. Но мы понимаем задействованную физику, поэтому, измеряя свойства обломков, мы можем рассчитать, что произошло при столкновении. Так был открыт бозон Хиггса. Его не наблюдали напрямую, но его существование было доказано точными измерениями частиц, которые мы можем обнаружить.

И то же самое относится и ко Вселенной. Реликтовое излучение — это обломки, вылетевшие из Большого взрыва, поэтому, измерив свойства реликтового излучения, мы можем рассчитать, что происходило время от времени до рекомбинации.

Очевидный вопрос заключается в том, откуда мы знаем, что наши расчеты верны. Мы подходим к этому, пытаясь вычислить одно и то же по-разному. Например, бозоны Хиггса можно обнаружить несколькими способами, и если бы эти разные измерения давали разные массы бозона Хиггса, мы бы знали, что по крайней мере некоторые из наших расчетов должны быть ошибочными. Это сложнее для вселенной, поскольку у нас есть только одна вселенная, а создание вселенной — это не эксперимент, который мы можем повторить. Но мы все еще можем перепроверить различные расчеты и, по крайней мере, убедиться, что они непротиворечивы, что именно и делается.

Рекомбинация произошла примерно через 370 000 лет после Большого взрыва, и на самом деле физические свойства Вселенной в это время легко понять. Плотность и температура находятся в диапазоне, который мы можем воссоздать в лаборатории, поэтому мы можем напрямую исследовать свойства плазмы в этих условиях. Действительно, даже во время нуклеосинтеза , который произошел всего через несколько минут после Большого взрыва, мы все еще хорошо понимаем физику из эксперимента.

Например, вы указываете время$10^{-12}$секунд после Большого взрыва, и это время обычно считается концом электрослабой эпохи . С этого момента взаимодействия между частицами во Вселенной происходят при энергиях, которые можно исследовать на коллайдерах, поэтому мы можем экспериментально определить, что будет происходить с этого момента. Кстати температура в это время была больше похожа на$10^{15}$К, чем$10^{12}$К.

Но, безусловно, верно, что когда мы возвращаемся к Большому взрыву, наступает момент, когда плотность и температура превышают все, что мы можем исследовать экспериментально, и мы можем быть менее уверены в том, что тогда произошло. Это все еще активная область исследований.

Это не самая старая вещь, которую мы можем видеть.

Большинство ядер водорода, гелия и дейтерия, которые сейчас находятся во Вселенной, были созданы в период времени от нескольких секунд до примерно 15 минут после Большого взрыва.

Обилие этих ядер во Вселенной является прямым исследованием физических условий и эволюции этих условий во времени в эпоху первичного нуклеосинтеза.

Единственным важным свободным параметром в стандартной модели Большого взрыва, когда речь идет об этих содержаниях, является отношение барионов к фотонам, которое, в свою очередь, можно найти по флуктуациям космического микроволнового фона, сформировавшегося сотни тысяч лет спустя.

Существует полное соответствие в оценках первичных содержаний He и D. Поразительно именно в случае D, где первичное содержание весьма чувствительно к условиям нуклеосинтеза, и первичное содержание может быть точно оценено.

Однако, кроме этого, есть факт, что нам не нужно что-то видеть, чтобы знать, что произошло. Космический микроволновый фон и его флуктуации являются следствием событий, произошедших в более ранние времена. Если кто-то не хочет отказываться от физических рассуждений, то нетрудно признать, что космический микроволновый фон и его изменяющаяся со временем температура (которая была измерена) являются очень убедительным доказательством того, что Вселенная была намного плотнее и горячее в прошлом, с все физические последствия, которые могут возникнуть.

Конечно, вы можете зайти слишком далеко. Есть детали самой физики, плохо изученные до$10^{-12}$s, хотя такие вещи, как отношение барионов к фотонам, измеренное в реликтовом излучении, кодируют загадочную асимметрию материи/антиматерии и позволяют ее исследовать; даже если его нельзя "увидеть".

Но пост$10^{-12}$s физика разумно понята, поэтому, если у нас есть хорошее представление об условиях в течение нескольких секунд после Большого взрыва (из первичного нуклеосинтеза) и через несколько сотен тысяч лет после Большого взрыва (из реликтового излучения) , то мы можем разумно экстраполировать обратно на$10^{-12}$с.

Точно так же, если вы следуете последней части траектории запущенного снаряда, вполне разумно измерить эту траекторию и проследить ее обратно, чтобы определить, где находилась пусковая площадка.

Интересный вопрос! Посмотрим, смогу ли я пролить свет на аналогию. Кстати, я буду ссылаться на ответ Джона по пунктам.

Изучение или исследование в области астрономии очень похоже на уголовное расследование. У вас есть преступление, вы ищете улики, которые используются для восстановления событий преступления. Здесь у нас есть преступление, конструкция вселенной, с разбросанными тут и там уликами. Одной из очень известных подсказок является CMB, и самая старая подсказка, которую мы можем найти (или нашли, подробнее об этом позже). Как говорит нам Джон, мы можем воссоздать эту подсказку и посмотреть, что за этим последует. Естественная дедукция. Но можем ли мы работать в обратном направлении от этой подсказки, ведущей к преступлению?

Работая в обратном направлении, нам нужен метод, который создает CMB. У нас есть теория, что в какой-то момент материя была связана со светом, Вселенная была непрозрачной, и ровно через 380 000 лет они разъединились, и свет, наконец, смог свободно путешествовать по Вселенной, и это то, что мы видим как реликтовое излучение. Это верно? Возможно, и Шерлок скажет вам, что по балансу вероятностей это более вероятно, чем возможно, потому что спектр черного тела и анизотропия реликтового излучения, предсказанные этой теорией, очень точно совпадают с наблюдаемыми. Мы сделали очень важный шаг!

Теперь, как получилось, что они разъединились? Поскольку в это время происходила «рекомбинация», электроны и протоны образовывали водород, прозрачный для света. Вуаля!

Но до этого? Нуклеосинтез, мы знаем это еще раз, баланс вероятности и эксперименты. До этого? Образование протонов и нейтронов и других составных субатомных частиц. И, наконец, перед этим мы ожидаем CvB (Космический нейтринный фон), когда нейтрино отделяются от материи. Мы пытаемся наблюдать за CvB, чтобы убедиться, что мы на правильном пути.

Идем дальше назад...

Здесь мы имеем, как снова упоминает Джон, конец электрослабой эпохи. Поскольку он упоминает об этом, пойдем и посмотрим, не сможем ли мы проследить это еще дальше. Здесь мы сталкиваемся с проблемой. Есть несколько способов достичь этого этапа. Что правильно?

Вот аналогия, которая говорит нам, что мы можем сделать прямо сейчас. В заметках Ватсона о Шерлоке говорится: «Я чуть не ошибся, предположив, что вы печатаете на машинке. Конечно, очевидно, что это музыка. однако одухотворенность лица ... которую пишущая машинка не создает. Эта дама - музыкант ».

Наша подсказка в том, что мы должны достичь конца электрослабой эпохи, это наш "лопатовидный кончик пальца". И поэтому мы создаем теории, наши «пишущие машинки» и «музыканты», которые все это предсказывают. Но нам не хватает нашей «духовности лица», и это то, что мы пытаемся найти, и то, что Джон упоминает как «активную область исследований».

Есть одна вещь, которая приходит на ум. Существует теория, утверждающая, что Вселенная возникла как столкновение двух «бран», а не как внезапная инфляция из точки энергии (или неопределенности, что опять-таки спорно). Исследователи говорят, что могут установить это, наблюдая за гравитационными волнами, образовавшимися во время этого события. Если они достаточно мягкие, то вызывает доверие первая теория, если нет, то вторая.

Так работает астрономия. Расследование преступления.