Произошел ли Большой взрыв в какой-то момент?

Простой ответ: нет, Большой взрыв не произошел в какой-то момент. Наоборот, это произошло повсюду во Вселенной одновременно. Последствия этого включают:

• У Вселенной нет центра: Большой взрыв не произошел в какой-то точке, поэтому во Вселенной нет центральной точки , из которой она расширяется.

• Вселенная не расширяется ни во что: поскольку Вселенная не расширяется подобно огненному шару, вне Вселенной нет пространства, в которое она расширяется.

В следующем разделе я набросаю примерное описание того, как это может быть, а затем более подробное описание для более решительных читателей.

Упрощенное описание Большого Взрыва

Представьте, что мы измеряем нашу текущую Вселенную, рисуя сетку с интервалом в 1 световой год. Хотя, очевидно, мы не можем этого сделать, вы можете легко представить себе, что поместите Землю в (0, 0), Альфу Центавра в (4,37, 0) и отметите все звезды на этой сетке. Главное, что эта сетка бесконечна$^1$т.е. нет точки, где вы не можете расширить сетку дальше.

Теперь отмотаем время назад на 7 миллиардов лет после Большого взрыва, то есть примерно на полпути назад. Наша сетка теперь имеет интервал в полсветового года, но она по-прежнему бесконечна — у нее все еще нет края. Среднее расстояние между объектами во Вселенной уменьшилось наполовину, а средняя плотность увеличилась в несколько раз.$2^3$.

Теперь вернитесь к 0,0000000001 секунды после Большого взрыва. Это число не имеет особого значения; это просто должно быть очень маленьким. Наша сетка теперь имеет очень маленькое расстояние, но оно по-прежнему бесконечно. Как бы близко мы ни подошли к Большому Взрыву, у нас все еще есть бесконечная сетка, заполняющая все пространство. Возможно, вы слышали научно-популярные программы, описывающие Большой взрыв как происходящее повсюду , и именно это они имеют в виду. Вселенная не сжалась до точки во время Большого взрыва, просто расстояние между любыми двумя случайно выбранными точками пространства-времени сократилось до нуля.

Таким образом, во время Большого взрыва мы имеем очень странную ситуацию, когда расстояние между каждой точкой во Вселенной равно нулю, но Вселенная по-прежнему бесконечна. Тогда общий размер Вселенной$0 \times \infty$, который не определен. Вы, вероятно, думаете, что это не имеет смысла, и на самом деле большинство физиков согласны с вами. Большой взрыв — это сингулярность , и большинство из нас не думает, что сингулярности существуют в реальной Вселенной. Мы ожидаем, что некий эффект квантовой гравитации станет важным по мере того, как мы приближаемся к Большому взрыву. Однако на данный момент у нас нет работающей теории квантовой гравитации, чтобы точно объяснить, что происходит.

$^1$мы предполагаем, что Вселенная бесконечна — подробнее об этом в следующем разделе

Только для решительных читателей

Чтобы узнать, как Вселенная развивалась в прошлом и что с ней произойдет в будущем, мы должны решить уравнения общей теории относительности Эйнштейна для всей Вселенной. Решение, которое мы получаем, — это объект, называемый метрическим тензором , который описывает пространство-время для Вселенной.

Но уравнения Эйнштейна являются уравнениями в частных производных и, как следствие, имеют целое семейство решений. Чтобы получить решение, соответствующее нашей вселенной, нам нужно указать некоторые начальные условия . Тогда возникает вопрос, какие начальные условия использовать. Итак, если мы посмотрим на Вселенную вокруг нас, мы заметим две вещи:

1. если мы усредним в больших масштабах, Вселенная будет выглядеть одинаково во всех направлениях, то есть она изотропна.

2. если мы усредняем по большим масштабам, Вселенная везде одинакова, т. е. однородна .

Вы могли бы разумно указать, что Вселенная не выглядит очень однородной, поскольку в ней есть галактики с высокой плотностью, беспорядочно разбросанные в пространстве с очень низкой плотностью. Однако если мы усредним масштабы, превышающие размеры сверхскоплений галактик, мы получим постоянную среднюю плотность. Кроме того, если мы обратимся к тому времени, когда был испущен космический микроволновый фон (380 000 лет после Большого взрыва и задолго до того, как начали формироваться галактики), мы обнаружим, что Вселенная однородна примерно до$1$часть в$10^5$, что довольно однородно.

Итак, в качестве начальных условий укажем, что Вселенная однородна и изотропна, и при этих предположениях уравнение Эйнштейна имеет (относительно!) простое решение. Действительно, это решение было найдено вскоре после того, как Эйнштейн сформулировал общую теорию относительности, и было открыто несколькими разными людьми независимо друг от друга. В результате решение славится метрикой Фридмана–Лемэтра–Робертсона–Уокера , хотя обычно вы видите ее сокращенной до метрики FLRW или иногда метрики FRW (почему Леметр пропускает, я не уверен).

Помните сетку, которую я описал для измерения Вселенной в первом разделе этого ответа, и как я описал сужение сетки по мере того, как мы возвращались во времени к Большому взрыву? Ну, метрика FLRW делает это количественным. Если$(x, y, z)$является некоторой точкой на нашей сетке, то текущее расстояние до этой точки определяется теоремой Пифагора:

Метрика FLRW говорит нам о том, что расстояние изменяется со временем в соответствии с уравнением:

куда$a(t)$это функция, называемая [коэффициентом масштабирования]. Мы получаем функцию масштабного коэффициента, когда решим уравнения Эйнштейна. К сожалению, у него нет простой аналитической формы, но он был рассчитан в ответах на предыдущие вопросы. Какова была плотность Вселенной, когда она была всего лишь размером с нашу Солнечную систему? и Как параметр Хаббла меняется с возрастом Вселенной? . Результат:

В настоящее время значение масштабного фактора принято равным единице, поэтому, если мы вернемся назад во времени и Вселенная сожмется, мы получим$a(t) < 1$, и наоборот, в будущем по мере расширения Вселенной имеем$a(t) > 1$. Большой взрыв происходит потому, что если мы вернемся в прошлое,$t = 0$коэффициент масштабирования$a(0)$равен нулю. Это дает нам замечательный результат, что расстояние до любой точки во Вселенной$(x, y, z)$является:

поэтому расстояние между каждой точкой во Вселенной равно нулю. Плотность вещества (плотность излучения ведет себя по-другому, но не будем об этом говорить) определяется выражением:

куда$\rho_0$- плотность в текущий момент времени, поэтому плотность в нулевое время бесконечно велика. В это время$t = 0$метрика FLRW становится сингулярной.

Никто из моих знакомых не думает, что Вселенная действительно стала сингулярной в результате Большого взрыва. Это не современное мнение: первым, кого я знаю, кто публично возражал, был Фред Хойл , и он предложил теорию стационарного состояния , чтобы избежать сингулярности. В наши дни принято считать, что какой-то эффект квантовой гравитации предотвратит сингулярность геометрии, хотя, поскольку у нас нет работающей теории квантовой гравитации, никто не знает, как это может работать.

Итак, в заключение: Большой взрыв — это нулевой предел времени метрики FLRW, и это время, когда расстояние между каждой точкой во Вселенной становится равным нулю, а плотность достигает бесконечности. Должно быть ясно, что мы не можем связать Большой взрыв с одной пространственной точкой, потому что расстояние между всеми точками было равно нулю, поэтому Большой взрыв произошел во всех точках пространства. Вот почему обычно говорят, что Большой взрыв произошел повсюду.

В приведенном выше обсуждении я несколько раз небрежно называл вселенную бесконечной , но на самом деле я имел в виду, что у нее не может быть края. Помните, что наше исходное предположение состоит в том, что Вселенная однородна, то есть она везде одинакова. Если это так, то у Вселенной не может быть края, потому что точки на краю будут отличаться от точек, удаленных от края. Однородная вселенная должна быть либо бесконечной, либо замкнутой, т.е. иметь пространственную топологию 3-сферы. Недавние результаты Планка показывают, что кривизна равна нулю в пределах ошибки эксперимента, поэтому, если Вселенная замкнута, масштаб должен быть намного больше, чем наблюдаемая Вселенная.

Моя точка зрения проще и наблюдательнее.

Наблюдения говорят, что текущее состояние наблюдаемой Вселенной расширяется: т.е. все скопления галактик удаляются от нашей галактики и друг от друга.

Простейшая функция, соответствующая этому наблюдению, — это функция, описывающая взрыв в четырехмерном пространстве, именно так в наш мир пришел Большой взрыв .

Есть специалисты по взрывоопасным обломкам, которые могут реконструировать точку, где произошел взрыв в трехмерном пространстве. В четырех измерениях функция, описывающая расширение пространства, также приводит к выводу, что существует начало Вселенной, от которого мы отсчитываем время после Большого Взрыва.

Модель BB выжила, модифицированная, чтобы соответствовать наблюдению однородности (квантовые флуктуации до 10 ^-32 секунд) и наблюдению, что измеряемое нами расширение кажется ускоряющимся (открытие конуса на картинке).

^{Источник}

Обратите внимание, что на картинке нулевые точки «Большого взрыва» «размыты». Это связано с тем, что до 10 ^-32 секунд, когда ожидается, что квантово-механические эффекты будут преобладать, не существует окончательной теории, объединяющей как общую теорию относительности, так и квантовую механику. Существует эффективное квантование гравитации, но теория не предлагает твердой модели.

Таким образом, экстраполяция математической модели, полученной из полностью классических уравнений, на область, где «происхождение» Вселенной было, где, как мы знаем , необходимо квантово-механическое решение, не оправдана.

Возьмем пример потенциала вокруг точечного заряда. Классический электродинамический потенциал имеет вид$\frac{1}{r}$, а это значит, что при$r=0$потенциал бесконечен. Однако мы знаем, что на расстояниях, меньших фермиевского , квантово-механические эффекты берут верх: даже если электрон представляет собой точечный заряд, бесконечностей не существует. Точно так же можно ожидать, что окончательная квантованная гравитация, объединенная с моделью других сил, будет избегать бесконечности, оправдывая нечеткость в начале координат, показанную на изображении BB.

В заключение, в решении классической релятивистской механики Большого взрыва была «сингулярность начальной точки», которая по мере расширения Вселенной из четырехмерного взрыва является предком на временной шкале каждой точки в нашей современной Вселенной. . Аналогия с поверхностью воздушного шара полезна: точки двумерной поверхности можно экстраполировать в исходную «точку», когда начинается расширение ветром, но все точки были там в начале.

Необходимость квантово-механического решения для расстояний менее 10 ^ -32, требуемая чрезвычайной однородностью космического микроволнового фонового излучения , подтверждает, что для начала необходимы квантово-механические эффекты, которые сделают начало нечетким. Физики все еще работают над квантованием гравитации, чтобы экстраполировать то, что «на самом деле произошло» .

Приложение Джерольда Брозера

Есть еще две иллюстрации:

• Nature Research: Box: Хронология инфляционной Вселенной , nature.com, 15 апреля 2009 г.

_{(источник: nature.com )}

• Институт астрофизики элементарных частиц и космологии Кавли (KIPAC): инфляция , Стэнфордский университет, 31 июля 2012 г.

Изменить, так как вопрос был сделан дубликатом выше:

Была ли сингулярность при Большом взрыве черной дырой? [дубликат]

Сингулярности черных дыр исходят из решений общей теории относительности и в целом описывают очень большие массы, искажающие пространство-время, и имеют горизонт, после которого ничего не выходит, и все заканчивается сингулярностью, детали зависят от используемой метрики. Вы видите выше в изображении истории вселенной, что описание в предыдущем предложении не подходит вселенной. Галактики и скопления галактик удаляются друг от друга, что привело к модели Большого взрыва, и, более того, расширение ускоряется, как видно на изображении.

Таким образом, математика Большого взрыва не следует математике черных дыр.

Ответ заключается в том, что мы не знаем. Почему? Потому что теория гравитации, которую мы имеем и используем, ОТО, имеет особенность. Вещи, которые должны быть конечными в физической теории, такие как плотность, становятся бесконечными. А теории с сингулярностью просто неверны, они нуждаются в модификации, и эта модификация необходима не только в самой сингулярности, но уже в каком-то окружении этой сингулярности.

Кроме того, мы уже знаем по независимым причинам, что модификация необходима: потому что, если смотреть иногда$10^{-44}$Спустя время после сингулярности становится важной квантовая гравитация, которая является неизвестной теорией.

И у нас также есть эмпирические доказательства того, что самая тривиальная модель, основанная на хорошо зарекомендовавших себя теориях (ОТО с СМ для материи) не работает: это так называемая проблема горизонта. Для ее решения требуется некоторое ускоренное расширение в очень ранней Вселенной. Можно предложить модели, которые приводят к такому расширению на основе теории частиц, теорий, обычно называемых «инфляцией» (имхо, очень вводящих в заблуждение, как я объясню здесь ), но они обычно используют спекулятивные расширения СМ, такие как ТВО, суперсимметрия, струны и т. д. . Таким образом, неизвестны даже детали теории частиц, которая дала бы инфляцию.

Таким образом, несмотря на то, что теория Большого взрыва хорошо известна, если подумать о том, что все было так же плотно, как внутри Солнца, и я бы сказал надежно, если так же плотно, как внутри нейтронной звезды, у нас не так много оснований полагать, что теории остаются применимыми. для гораздо более высоких плотностей и уж точно не для плотности, становящейся бесконечной.

С чисто математической точки зрения ничего нельзя сказать и о самой сингулярности. Если рассматривать, например, метрику в самых обычных координатах FLRW$ds^2=d\tau^2-a^2(\tau)(dx^2+dy^2+dz^2)$, то особенность была бы целым$\mathbb{R}^3$. Предел расстояния между точками был бы равен нулю (именно поэтому обычно предпочитают картину с точечной особенностью). С другой стороны, предел того, на что одна точка, движущаяся к сингулярности, может причинно повлиять в своем будущем, остается (без инфляции) небольшой областью, которая никоим образом не стремится покрыть всю вселенную, что гораздо лучше соответствует целому.$\mathbb{R}^3$космическая сингулярность.

В дополнение к тому, что сказали другие, позвольте мне объяснить простую аналогию расширения Вселенной.

Рассмотрим воздушный шар, поверхность которого считается Вселенной. Нарисуем на шарике точки, которые символизируют галактики. Теперь надуйте воздушный шар. Все галактики начнут отделяться друг от друга. Теперь предположим, что вы находитесь в одной из галактик. Вы будете наблюдать, как все галактики удаляются от вас, и придете к выводу, что находитесь в центре вселенной. Это то, что наблюдала бы каждая галактика. Вот почему нет центра расширения Вселенной.

Надеюсь, вам понравилась моя аналогия.

Взрыв, который вы видели, на самом деле представляет собой четырехмерное представление Вселенной. Если мы представляем вселенную в 4D, то Большой взрыв произошел в точке и расширяется как полая сфера. Но в 3D Большой взрыв должен был произойти в каждой точке Вселенной и расширяться во всех направлениях. Эта интерпретация использует модель Вселенной Фридмана.

[Редакционное примечание: этот ответ должен был быть комментарием к комментарию @good_ole_ray к ответу Джона Ренни , но ограничение на комментарий в 600 символов ... вы знаете.]

Re " галактики кажутся удаляющимися от общего центра "

«общий центр» более уместен, чем может показаться на первый взгляд.

Конечно, это не тот центр, который 99 % людей понимают как таковой: единая точка, окруженная другими точками, крайние точки которых находятся на идеально равном расстоянии от центра, т. е. такими вещами, как сфера, шар, шар, шар или чаша пустотелая или нет не имеет значения.

Центр, о котором я здесь говорю, настолько «общий», в смысле «совместный», потому что все существующие точки в нашей вселенной являются этим центром.

Это легче понять, если представить себе молодую вселенную, вначале довольно маленькую. Тогда это больше походило на точку, которую мы знаем из нашей повседневной жизни.

Но оно развивалось, расширялось и расширялось таким образом, что между любыми двумя точками (или единицами пространства) возникала другая точка (или единица пространства). Такое «раздвигание» первых двух точек (или единиц пространства) друг от друга.

И это происходит с 13,7 млрд лет, в любой точке Вселенной, так что точек, которые когда-то были одной , теперь много. Или, другими словами: любая из точек теперь далеко-далеко от каждой из других точек, которые когда-то были в том же положении. Но они все еще центр, потому что они когда-то были центром. Это их свойство изменилось не потому, что они двигались не из-за собственного движения, а потому, что между ними возникло новое пространство.

И почему это? Потому что Большой взрыв не был взрывом в обычном смысле. Так как не было пространства, в которое что-то могло бы взорваться. Пространство и время, если уж на то пошло, начали существовать только после Большого взрыва.

Это также происходит медленно в небольших масштабах. Последнее значение параметра Хаббла равно$71_{-3.0}^{+2.4} \frac {km}{Mpc \cdot s}$что довольно мало в небольшом масштабе (если считать а.е. [~ 150 млн км] маленьким - но по сравнению с астрономическими размерами это все равно крошечный):

Таким образом, (теоретическое) увеличение среднего расстояния между Солнцем и Землей из-за расширения Вселенной можно рассчитать как

Но поскольку это происходило так долго, то прежний малый масштаб стал крупномасштабным везде, кроме окрестности нашей галактики (точнее, вблизи любой [субъективной] точки наблюдения во Вселенной). И знайте, что это относится только к самому пространству. Это не значит, что земля на самом деле отдаляется от солнца или что вы постоянно удаляетесь от своих любимых, и наоборот. Помните, что есть гравитация , самое слабое из четырех фундаментальных взаимодействий по своим факторам .

но самый безжалостный, когда дело доходит до масс.

" галактики кажутся удаляющимися от общего центра " также не верно для всех галактик, наблюдаемых с любой точки наблюдения. Спектральные линии галактики Андромеды , например, смещены в синий цвет. Это означает, что она находится достаточно близко к нам, поэтому ее собственное движение к нам больше, чем отклонение от нас, вызванное расширением Вселенной:

                 Андромеда ($300 ± 4 \frac {km}{s}$)
                ←---------------------------------------------------------        ⊙                                                   ␣ ---→                  Скорость расширения на 2,5 м световых лет, расстояние до Андромеды (~


$54.42 \frac {km}{s}$)

Легенда: - ≙$10 \frac {km}{s}$

[Последнее примечание редактора: Ну, это было чуть больше 600 символов.]

PS: @good_ole_ray Я надеюсь, у вас будет возможность прочитать это, прежде чем оно будет помечено как неуместное или даже хуже, потому что оно на самом деле не отвечает на исходный вопрос.

Наша лучшая теория для моделирования космологии — это ОТО. Теперь уравнения ОТО поддерживают либо ограниченную, либо неограниченную вселенную. Выбор между ними означал бы установление определенных граничных условий.

Сам Эйнштейн изначально выбрал неограниченную, статичную Вселенную, потому что, по его мнению, это отражало космологические предположения того времени: пространство бесконечно и почти не меняется. Для этого в 1917 г., всего через два года после открытия ОТО, он ввел в ОТО новый термин — космологическую постоянную. Это произвело космологическое давление, которое противодействовало гравитации, что привело к статической Вселенной.

Однако Фридман в 1922 г., предполагая однородность и изотропность пространства, показал, что тогда из ОТО следует, что пространственная метрика должна иметь постоянную кривизну, а значит, либо сфера (3d-поверхность 4d-шара), либо гиперболическое пространство, либо плоское пространство. . Последние два пространства-времени неограниченны, но первое ограничено. Он также показал, что это пространство-время было динамическим и, следовательно, либо сжималось, либо расширялось во времени, либо имело некоторую комбинацию того и другого, и вывел уравнение для масштабного фактора. Эйнштейн, однако, не желал принять взгляд Фридмана на эволюционирующую вселенную и отклонил его работу.

Так вот, в 1912 году Весто Слайфер обнаружил, что свет от галактик смещен в красную сторону, что означает, что все они удаляются с точки зрения Земли и с разной скоростью. В то время не было известно, что они являются галактиками, и на самом деле считалось, что вся Вселенная состоит только из Млечного Пути. Ранее высказывались предположения о том, что Вселенная может быть намного больше, чем предполагалось, прежде всего Кантом, опубликовавшим такое предположение в 1755 году в своей «Всеобщей истории природы и теории неба» .

Именно Хаббл, откалибровав расстояния с использованием переменных цефеид, десять лет спустя показал, что эти астрономические тела находятся слишком далеко, чтобы быть частью Млечного Пути, и являются самостоятельными галактиками. Внезапно Вселенная стала намного больше. А затем, в 1929 году, объединив свои наблюдения с наблюдениями Слайфера, он вывел то, что когда-то называлось законом Хаббла, а теперь называется законом Хаббла-Леметра, связывающим воедино расстояние звезды от Земли и величину красного смещения ее света. смещено мимо.

Оказалось, что открытие Хаббла уже было предсказано бельгийским священником и физиком-теоретиком Леметром двумя годами ранее, в 1927 году, в его статье «Однородная Вселенная с постоянной массой и увеличивающимся радиусом с учетом радиальной скорости внегалактических туманностей» . В этой работе Леметр расширил космологию Фридмана, хотя его работа была выполнена независимо, по сути, путем выбора расширяющейся сферической метрики Фридмана. Эйнштейн, все еще придерживаясь своего видения статической Вселенной, также отверг эту работу, заявив, что «ваши расчеты верны, но ваша физика ужасна». Именно теорию Леметра, особенно после того, как он также выдвинул теорию о «первобытном атоме», из которого возникла Вселенная, Фред Хойл пренебрежительно назвал «теорией Большого взрыва».

Теперь, во время Большого Взрыва, все расстояния сокращаются до нуля, а сферическая Вселенная Леметра сжимается до точки, точки бесконечной плотности и температуры. На этой картинке легко увидеть, что Большой Взрыв произошел везде, сразу, просто потому, что везде есть лишь точка. Более того, это также наводит на мысль о том, что само пространство-время «создается». В то время как сам Леметр выбрал замкнутую вселенную — поверхность сферы, Фридман показал, что возможна открытая вселенная, либо плоская, либо гиперболический гиперболоид. Возможен ли и здесь Большой Взрыв, время, когда расстояния между точками приближались к нулю, а плотность и температура приближались к бесконечности? Ну да: возьмем бесконечное пространство пространства с некой фиксированной плотностью массы и уменьшим вдвое расстояния, тогда плотность будет в кубе. По итерации, мы видим, что плотность быстро увеличивается до бесконечности. Таким образом, даже в открытой Вселенной, где пространство-время простирается бесконечно, возможен Большой взрыв. В данном случае это началось везде и сразу.

Но что это означает для топологии пространства-времени? Втиснули ли мы каким-то образом бесконечное пространство-время в точку? Нет. Существует топологическое свойство, называемое компактностью, которое не зависит от метрики (иногда называемой геометрией, потому что для геометрии требуется измерение расстояний и углов, и именно метрика позволяет это делать). Сфера компактна, но и гиперболический гиперболоид, и плоское пространство некомпактны. Однако в момент Большого Взрыва, а точнее, по мере нашего приближения к нему, расстояния между всеми точками приближаются к нулю. Итак, геометрически кажется, что это пространство-время приближается к точке, но на самом деле это не так. Независимо от того, насколько близки точки, если мы уйдем достаточно далеко, что мы можем сделать в открытом пространстве-времени, мы обнаружим, что расстояния между точками становятся заметными.

Только во время Большого взрыва метрика становится равной нулю и утверждает, что все точки имеют нулевое расстояние между собой. Итак, геометрически точка, но в то же время некомпактная. Это странно. И на что это действительно указывает, так это на вероятность появления здесь новой физики. Кроме того, следует напомнить, что ОТО не имеет дела с невырожденными метриками. На самом деле метрики по определению невырождены.