16 ноември 2019
Категории
  •  Космос
  •  Физика
  •  Науки за земята
  •  Биология
  •  Медицина
  •  Говорят медиците
  •  Математика
  •  Научни дискусии
  •  Разни
FACEBOOK

Как да си направим Вселена в лаборатория

| ПОСЛЕДНА ПРОМЯНА 12 юли 2015 в 10:5693310

Kогато физиците изчислили енергията, необходима, за да започне Големия взрив, си задали въпроса какво би станало, ако съсредоточат същата енергия в една точка в лабораторията си?

"Възможно ли е да концентрираме достатъчно енергия, за да започнат мини-версии на Големия взрив?" - пита Андрей Линде от Станфордския институт, един от създателите на концепцията за инфлационната Вселена.

Андрей Линде казва, че ако се научим как да създаваме бебета вселени, "може би ще е време да се намери отново Бог, но като по-сложно същество, отколкото като просто създател на Вселената."

Инфлационната Вселена

През 1981 г., Алън Гът (Alan Guth) от MIT и Андрей Линде предлагат "теорията за инфлационната Вселена". Според тази теория, Големия взрив е започнал с фаза на високоскоростно разширение, още по-бързо от колкото се е смятало по-рано.

Концепцията на инфлационната вселена решава почти всички хронични проблеми на космологията - обяснява, например, защо Вселената е толкова еднаква.

Наистина, съществуват галактики, звезди и други нееднородности. Но ако погледнем онази част от Вселената, която се намира в границите на видимостта на съвременните телескопи и анализираме средната плътност на разпределение на веществото в космически мащаби, ще се окаже, че тя е еднородна във всички посоки с точност до 10–5.

Но защо е толкова хомогенна Вселената, въпреки че след Големия взрив е не имало достатъчно време, така че далечните ѝ части да са били в контакт? Отговорът на тази загадка, според теорията за инфлацията е фактът, че цялата видима Вселена е създадена от малко и относително еднородно "късче" от пространство-времето.

Основната разлика на сценария, който предлага Гът, с традиционната теория на Големия Взрив е описанието на раждането на Вселената във времето от първите 10–35 до 10–32 секунди. Гът предполага, че по това време Вселената е била в т. нар. състояние на "лъжлив" вакуум, при което плътността на нейната енергия е била изключително голяма. Затова разширяването е протекло по-бързо, отколкото според теорията на Големия Взрив. Тъкмо този стадий на експоненциално бързо разширяване е наречен инфлация (раздуване) на Вселената. След това лъжливият вакуум се разпада и неговата енергия преминава в енергия на обикновената материя.

Картина на Jacek Yerka

Представете си бент, който задържа водата в един язовир - това е "лъжливият вакуум". Бентът поддържа нивото на водата и тя е в покой, но съществува друго енергийно състояние, което е по-ниско и ако стената се пропука, водата ще изтече и ще се стабилизира на едно по-ниско ниво. Така и лъжливият вакуум поради някаква причина се дестабилизира, ще загуби равновесие, "ще се излее" и стабилизира на по-ниско ниво на "истински вакуум".

"Лъжливият" вакуум е локален минимум, той не е най-ниското енергийно състояние, въпреки че може да остане стабилен за известно време. Енергията му е по-висока от състоянието на истинския вакуум (основно състояние), но потенциалната бариера предотвратява прехода.

Така преминаването е възможно само при квантово тунелиране.

Това тунелиране може да бъде причинена от квантови флуктуации или създаването на по-високоенергийни частици.

Линде през 1981 г. предлага вариант на модела на Гът, според който експоненциалното разширяване не завършва веднага след образуването на мехурите, а продължава вече вътре в тях. В рамките на този сценарий се счита, че наблюдаемата част на Вселената се съдържа вътре в един от мехурите.

Линде представя теорията за хаотичната инфлация като нов сценарий за произхода на Вселената.

Скаларното поле (инфлатон)

За да се разбере идеята, лежаща в основата на теорията за хаотичната инфлация на Линде, трябва да се въведе понятието скаларно поле.

Полето може да се определи от единична стойност като температурата, т.е скаларно поле или за определянето му да са необходими и други стойности, определящи направлението във всяка точка – векторно поле.

Скаларно полеВекторно поле
Скаларни и векторни полета Скаларни и векторни полета
Скаларното поле се определя във всяка точка само от една стойност. На схемата стойността на полето е пропорционална на площта на кръгчетата. Векторното поле се характеризира и с величина, и с направление. На схемата е нзобразено със стрелки.

Ако имаме някаква течност, със скалярно поле бихме могли да опишем температурата й, ...

а с векторно поле - скоростта на тази течност.

В квантово-полевите теории, въздействието на полето може да бъде представено от виртуална частица. Броят на компонентите на полето се определя от броя на различните ориентации на частицата, което от своя страна зависи от ъгловия момент на спина.

Така, ако си представим постоянното скаларно поле като водата в езеро, ако няма разлика в нивата на водата, то тя ще е спокойна, т.е. няма да има разлика в потенциалите на скаларното поле. Скаларното поле съществува около нас, но не го виждаме, подобно на жаби, които се взират в блатото, но не виждат нищо, докате не помръдне.

Скаларното поле се проявява се в това, че частиците получават маса, взаимодействайки си с него. Полето на Хигс е скаларно поле. От това поле Вселената черпи енергия за разширението си, при това невероятно огромна енергия.

А това е схема на най-простото скаларно поле, чиято плътност на потенциалната енергия е пропорционална на квадрата на неговата стойност.

1. Пространствено-времева пяна
2. Слаби квантови пространствено-времеви флуктуации
3. Oще по-ниска енерия
4. Инфлацията завършва
  1. Пространствено-времева пяна", район с трайни квантови колебания.
  2. Квантовите пространствено-времеви флуктуации са по-слаби, но флуктуациите на скаларното са силни и техни скокове все още могат да доведат до вечно самовъзпроизвеждане на инфлационата Вселена.
  3. При още по-ниска енерия, флуктуациите на скаларното поле са по-слаби подобно на топче в течност с висок вискозитет.
  4. Инфлацията завършва, когато топчето (скаларното поле) стигне до дъното на чашата, то започва леко да се колебае (да осцилира) около равновесното положение, около минимума на потенциалната му енергия и Вселената се нагрява.

Движещата сила за инфлацията е физическият вакуум - началното скаларно поле. Инфлацията продължава, докато интензитетът на това поле се намалява до минимум. 

Използваме аналогия на пуснато в чаша топче. Когато топчето е достатъчно нависоко, потенциалната му енергия е голяма. То може да се търкаля надолу, освобождавайки енергия във вид на кинетична енергия. А скаларното поле преминава "надолу", освобождавайки енергия в разширението на Вселената. Когато скаларното поле осцилира, то губи енергия, отдавайки я във форма на елементарни частици. Тези частици си взаимодействат една с друга, докато не достигнат топлинно равновесие, съответстващо на стандартния модел на горещата Вселена. Важно е да се отбележи, че макар физичните процеси в ранната Вселена да протичат при много високи плътности на енергия ( ~1014 GeV), температурата на средата остава 0 (поле има, но частици няма). Традиционната плазма възниква по-късно, когато скаларното поле се разпада на частици и се ражда веществото.

Да си направим Вселена

 "Но напоследък ни гризе още една мисъл: може да се създава Вселена не само в компютрите, но и в лаборатория! Трябва само да се свие материята така силно, че квантовите флуктуации да задействат инфлационен взрив. Оценките показват, че даже милиграм вещество е достатъчно за възникване на нова вечно самовъзпроизвеждаща се Вселена! Разбира се, това е фантазия на теоретици, и ние не знаем дали е възможен такъв път. Теорията на квантовите флуктуации е много сложна, и да се предскажат количествено, как ще тръгне процеса, засега е невъзможно… А ако се получи, то какво да правим с тази нова Вселена?… Как да се свържем с нейните жители?… А може би, и нашия Космос е създаден от някакви любители на подобни експерименти?… Някога ще си отговорим на тези въпроси". - пише Линде тези вълнуващи думи, дали повод и за тази статия.

Рецепта за Вселена

Излиза, че при подходящи условия, ако концентрирате достатъчно енергия в една-единствена точка, ще се образуват спонтанно съвсем малки мехурчета пространство-време - свръхмикроскопични флуктуации на скаларното поле. Но ако мехурчетата бъдат прекалено малки, те ще изчезнат обратно в пространствено-времевата пяна. Ако мехурчетата бъдат достатъчно големи, ще могат да се разширят така, че да се превърнат в цяла вселена. 

Флуктуациите на скаларното поле може да доведат до експоненциален ръст на геометричните размери на зародишите на бъдещите вселени, процесът продължава с последователното разделяне на фундаменталните сили, раждането на маса, гама-лъчи, елементарни частици и т.н. до познатия ни свят. Ако тези условия се реализират в експеримент, то е възможно в лаборатория да създадем ембрион на нова Вселена.

Току-що направената Вселената трябва да има гравитация, която е с отрицателна потенциална енергия. Това означава, че сумата от гравитационната енергия и положителна енергия на новородените частици може да бъде близо до нулата. Затова младата Вселена може да се създаде с не много голяма енергия. А за да не изчезне скоропостижно малкият ембрион на бъдещата Вселената, трябва да се разшири с бързо нарастваща скорост. Увеличаващата размерите си нова Вселена за сметка вече на вътрешните си ресурси, ще формира собствено пространство и скоро ще се оттегли зад хоризонта на събитията, завинаги изчезвайки от погледа на породилата я цивилизация.

За експериментаторите раждането на тази нова вселена може да не изглежда кой знае колко впечатляващо, не повече от взрива на 500-килотонова атомна бомба. Ще изглежда така, сякаш едно малко мехурче е изчезнало от Вселената, оставяйки след себе си слаба ядрена експлозия. 

Фундаменталните физични свойства на създадената Вселена зависят от комбинацията на налягане, температура и интензивността на скаларното поле, която са избрали експериментаторите. Те могат да създадат свят с максимално благоприятни условия за възникване на разумен живот. Някои допускат, че нашата Вселена е образувана по този начин.

Еволюция на Вселените

Експериментаторите - създатели на вселени, могат да им дадат същите като нашите физически константи  - например масите на елементарните частици, големините на четирите фундаментални сили. Но ако се направят бебета-вселени, които се различават малко по отношение на своите фундаментални константи, те ще могат да еволюират с течение на времето, като всяко поколение вселени ще се различава малко от предишното.

Тази идея изказва Мичио Каку в книгата си "Физика на невъзможното":

"Ако решим, че фундаменталните константи са „ДНК“-то на една вселена, това означава, че някаква форма на интелигентен живот може би ще бъде в състояние да създаде бебе-вселена с малко по-различно ДНК. Накрая вселените ще еволюират и онези от тях, които са се размножили, ще са тези, които са разполагали с най-качествено „ДНК“, позволило процъфтяването на форми на интелигентен живот.

Физикът Едуард Харисън, уповавайки се на предишна идея, лансирана от Лий Смолин, предлага идеята за „естествен подбор“ между вселените. Вселените, които господстват в мултивселената, са точно тези, които притежават най-качественото ДНК, което е съвместимо със създаването на високоразвити цивилизации, които на свой ред създават още бебета-вселени. „Оцеляването на най-приспособения“ — това означава просто оцеляването на вселените, при които има най-благоприятни условия за създаването на високоразвити цивилизации.

Ако тази представа е вярна, това ще обясни защо фундаменталните константи на Вселената са „настроени фино“ да допуснат съществуването на живот. Това означава само че вселените с желани фундаментални константи, съвместими с живота, са вселените, които се размножават в мултивселената."

Послания от създателите

Според Андрей Линде, единствената разумна цел за осъществяване на подобен проект е експеримент, при който на бъдещите обитатели на новата вселена да се предадат знания, която да дадат тласък на техния интелектуален и технологичен прогрес: "Именно така постъпват родителите, оставяйки в наследство жизнения си опит."

Подобно послание не може да се напише на обвивката на бъдещата Вселена. Инфлационното разширение ще разтегли евентуалните знаци до гигантски размери и ще станат неясни. Информацията може да се закодира във физическите параметри на бъдещата Вселена.

"Ако исках да отправя съобщение до обитателите на създадената от мен Вселена," - разказа Андрей Линде, - щях да го запиша в локалните закони на физиката. И за предаване на дълго и смислено послание, ще трябва да се направят тези закони достатъчно сложни. Например, трябва да се погрижим масите на електрона, протона и неутрона да са в нетривиални съотношения, разгадаването на които ще бъде голямо предизвикателство за бъдещите физици. Затова е възможно, ние, без да подозираме, да се опитваме да дешифрираме кодираното послание от свръхразумни, но, разбира се, не божествени създатели на нашия свят."

А защо не?

Източници:

Многоликата Вселена, Андрей Линде (pdf), списание "Светът на Физиката"

Вселенная своими руками: Теория инфлатонов, Алексей Левин

Физика на невъзможното,  Мичио Каку

Космология 10.1 Метагалактика

 “The Self-Reproducing Inflationary Universe”, А.Линде


Препоръчани материали

Няма коментари към тази новина !

 
Още от : Физика
10 ноември 2019 в 10:20
10 ноември 2019 в 10:200
Всички текстове и изображения публикувани в OffNews.bg са собственост на "Офф Медия" АД и са под закрила на "Закона за авторското право и сродните им права". Използването и публикуването на част или цялото съдържание на сайта без разрешение на "Офф Медия" АД е забранено.