Проблема горизонта - Horizon problem

Эта статья посвящена астрономической "проблеме горизонта". По проблеме, связанной с искусственным интеллектом, см. Эффект горизонта.

Когда мы смотрим на CMB оно произошло от 46 миллиардов сопутствующий световых лет далеко. Однако, когда был испущен свет, Вселенная была намного моложе (300 000 лет). В то время свет достигал бы только меньших кругов. Две точки, указанные на диаграмме, не смогли бы контактировать друг с другом, потому что их сферы причинно-следственной связи не пересекаются.

В проблема горизонта (также известный как проблема однородности) это космологический тонкая настройка проблема в Большой взрыв модель вселенная. Возникает из-за сложности объяснения наблюдаемой однородности причинно разрозненные области пространства при отсутствии механизма, устанавливающего везде одни и те же начальные условия. Впервые на это указал Вольфганг Риндлер в 1956 г.^[1]

Наиболее распространенное решение - космическая инфляция. Объяснение с точки зрения переменная скорость света также был предложен.

Задний план

Астрономические расстояния и горизонты частиц

Расстояния до наблюдаемых объектов на ночном небе соответствуют временам в прошлом. Мы используем световой год (расстояние, которое свет может пройти за один земной год), чтобы описать эти космологические расстояния. Галактика размером в десять миллиардов световых лет кажется нам таким, каким он был десять миллиардов лет назад, потому что свету потребовалось столько времени, чтобы добраться до наблюдателя. Если посмотреть на галактику, находящуюся на расстоянии десяти миллиардов световых лет в одном направлении, а другое - в противоположном, то общее расстояние между ними составит двадцать миллиардов световых лет. Это означает, что свет от первого еще не достиг второго, потому что Вселенной всего около 13,8 миллиарда лет. В более общем смысле есть части Вселенной, которые видимы нам, но невидимы друг для друга, за пределами соответствующих друг другу. горизонты частиц.

Распространение причинно-следственной информации

В принятых релятивистских физических теориях нет Информация может путешествовать быстрее, чем скорость света. В этом контексте «информация» означает «любое физическое взаимодействие». Например, тепло естественным образом перетекает из более горячей области в более холодную, и с точки зрения физики это один из примеров обмена информацией. Учитывая приведенный выше пример, две рассматриваемые галактики не могли обмениваться какой-либо информацией; они не в причинный контакт. Таким образом, при отсутствии общих начальных условий можно было бы ожидать, что их физические свойства будут разными, и в более общем плане, что Вселенная в целом будет иметь различные свойства в причинно несвязанных областях.

Проблема горизонта

Вопреки этому ожиданию, наблюдения космический микроволновый фон (CMB) и обзоры галактик показать, что наблюдаемая Вселенная почти изотропный, который через Принцип Коперника, также подразумевает однородность.^[2] Обзоры неба CMB показывают, что температуры CMB согласованы с уровнем ${\displaystyle \Delta T/T\approx 10^{-5},}$ где ${\displaystyle \Delta T}$ это разница между наблюдаемой температурой в области неба и средней температурой неба. ${\displaystyle T}$. Эта координация подразумевает, что все небо и, следовательно, все наблюдаемая вселенная, должно быть, были причинно связаны достаточно долго, чтобы Вселенная пришла в тепловое равновесие.

Согласно модели Большого взрыва, поскольку плотность расширение Вселенная упала, она в конечном итоге достигла температуры, при которой фотоны выпадали из тепловое равновесие с материей; Oни развязанный из электронно-протонного плазма и началось бесплатная потоковая передача через Вселенную. Этот момент времени называют эпохой Рекомбинация, когда электроны и протоны стали обязаны образовывать электрически нейтральный водород; без свободных электронов, которые могли бы рассеять фотоны, фотоны начали течь свободно. Сейчас они наблюдаются как CMB. Эта эпоха наблюдается через CMB. Поскольку мы наблюдаем реликтовое излучение как фон для объектов с меньшим красным смещением, мы описываем эту эпоху как переход Вселенной от непрозрачного к прозрачному. CMB физически описывает «поверхность последнего рассеяния», которая нам кажется поверхностью или фоном, как показано на рисунке ниже.

Обратите внимание, мы используем конформное время на следующих диаграммах. Конформное время описывает количество времени, которое потребуется фотону, чтобы пройти от места нахождения наблюдателя до самого дальнего наблюдаемого расстояния (если бы Вселенная перестала расширяться прямо сейчас).

Синий кружок - это поверхность реликтового излучения, которую мы наблюдаем во время последнего рассеяния. Желтые линии показывают, как фотоны рассеивались до эпохи рекомбинации и свободно текли после. В настоящее время наблюдатель сидит в центре. Для Справка.

Считается, что разделение или последнее рассеяние произошло примерно через 300000 лет после Большого взрыва или при красном смещении примерно ${\displaystyle z_{rec}\approx 1100}$. Мы можем определить как приблизительный угловой диаметр Вселенной, так и физический размер горизонта частиц, существовавшего в то время.

В расстояние по угловому диаметру, в терминах красного смещения z, описывается ${\displaystyle d_{A}(z)=r(z)/(1+z)}$. Если предположить плоский космология тогда,

${\displaystyle r(z)=\int \limits _{t_{em}}^{t_{0}}dt/a(t)=\int \limits _{a_{em}}^{1}da/a^{2}H(a)=\int \limits _{0}^{z}dz/H(z).}$

Эпоха рекомбинации произошла в эпоху доминирования вещества во Вселенной, поэтому мы можем аппроксимировать H (z) как ${\displaystyle H^{2}(z)\approx \Omega _{m}H_{0}^{2}(1+z)^{3}.}$ Собирая все вместе, мы видим, что расстояние по угловому диаметру или размер наблюдаемой Вселенной для красного смещения ${\displaystyle z_{rec}\approx 1100}$ является,

${\displaystyle r(z)=\int \limits _{0}^{z}dz/H(z)={\frac {1}{{\sqrt {\Omega _{m}}}H_{0}}}\int \limits _{0}^{z}dz/(1+z)^{3/2}={\frac {2}{{\sqrt {\Omega _{m}}}H_{0}}}(1-{\frac {1}{\sqrt {1+z}}})}$.

поскольку ${\displaystyle z\gg 1}$, мы можем приблизить ${\displaystyle r(z)\approx {\frac {2}{{\sqrt {\Omega _{m}}}H_{0}}}}$,

${\displaystyle d_{A}(z)\approx {\frac {2}{{\sqrt {\Omega _{m}}}H_{0}}}/(1+z)}$

${\displaystyle d_{A}(1100)\approx 14\ Mpc}$

В горизонт частиц описывает максимальное расстояние, которое световые частицы могли бы пройти до наблюдателя, учитывая возраст Вселенной. Мы можем определить сопутствующее расстояние для возраста Вселенной во время рекомбинации, используя r (z), полученное ранее,

${\displaystyle d_{hor,rec}(z)=\int \limits _{0}^{t(z)}dt/a(t)=\int \limits _{z}^{\infty }dz/H(z)\approx {\frac {2}{{\sqrt {\Omega _{m}}}H_{0}}}\left[{\frac {1}{\sqrt {1+z}}}\right]_{z}^{\infty }\approx {\frac {2}{{\sqrt {\Omega _{m}}}H_{0}}}{\frac {1}{\sqrt {1+z}}}}$

Эта пространственно-временная диаграмма показывает, как световые конусы для двух частиц света, расположенных на некотором расстоянии друг от друга во время последнего рассеяния (ls), не пересекаются (т.е. они причинно не связаны). По горизонтальной оси отложено сопутствующее расстояние, по вертикальной оси - конформное время, а единицы измерения скорости света равны 1. Для Справка.

Чтобы получить физический размер горизонта частиц ${\displaystyle D}$,

${\displaystyle D(z)=a(z)d_{hor,rec}=d_{hor,rec}(z)/(1+z)}$

${\displaystyle D(1100)\approx 0.03\approx 2\ degrees}$

Мы ожидаем, что любая область реликтового излучения в пределах 2 градусов углового разделения находится в причинном контакте, но при любом масштабе более 2 ° обмена информацией не должно было быть.

Области реликтового излучения, разделенные более чем на 2 °, лежат вне горизонтов частиц друг друга и причинно не связаны. Проблема горизонта описывает тот факт, что мы видим изотропию в температуре реликтового излучения по всему небу, несмотря на то, что все небо не находится в причинном контакте для установления теплового равновесия. Обратитесь к диаграмме временного пространства справа для визуализации этой проблемы.

Если Вселенная началась даже с немного разными температурами в разных местах, реликтовое излучение не должно быть изотропным, если нет механизма, который выравнивает температуру к моменту разделения. В действительности, CMB имеет одинаковую температуру на всем небе, 2,726 ± 0,001 К.^[3]

Инфляционная модель

Дальнейшая информация: Инфляция (космология)

Эта пространственно-временная диаграмма показывает, как инфляция изменяет световые конусы для двух частиц света, находящихся на некотором расстоянии друг от друга во время последнего рассеяния (ls), чтобы позволить им пересечься. В этом случае они находятся в причинном контакте и могут обмениваться информацией друг с другом. По горизонтальной оси отложено сопутствующее расстояние, по вертикальной оси - конформное время, а единицы измерения скорости света равны 1. Для Справка.

Теория космической инфляции попыталась решить эту проблему, предложив 10⁻³²-второй период экспоненциального расширения в первую секунду истории Вселенной из-за взаимодействия скалярных полей.^[4] Согласно инфляционной модели, Вселенная увеличилась в размерах более чем в 10 раз.²², из небольшой и причинно-связанной области, почти равновесной.^[5] Затем инфляция быстро расширила Вселенную, изолируя близлежащие области пространства-времени, увеличивая их за пределами причинного контакта, эффективно «фиксируя» однородность на больших расстояниях. По сути, инфляционная модель предполагает, что Вселенная полностью находилась в причинном контакте в очень ранней Вселенной. Затем инфляция расширяет эту вселенную примерно на 60 электронных складок (коэффициент масштабирования a увеличивается на e60). Мы наблюдаем CMB после того, как инфляция произошла в очень большом масштабе. Он поддерживал тепловое равновесие до такого большого размера из-за быстрого расширения в результате надувания.

Одним из следствий космической инфляции является то, что анистропии в Большом взрыве из-за квантовые флуктуации уменьшаются, но не устраняются полностью. Различия в температуре космического фона сглаживаются космической инфляцией, но они все еще существуют. Теория предсказывает спектр анизотропии микроволнового фона, который в основном согласуется с наблюдениями от WMAP и COBE.^[6]

Однако одной силы тяжести может быть достаточно, чтобы объяснить эту однородность.^[7]

Теории переменной скорости света

Дальнейшая информация: переменная скорость света

А переменная скорость света (VSL) космологическая модель была предложена независимо Жан-Пьер Пети в 1988 г.^{[8][9][10][11]} Джон Моффат в 1992 г.^[12] и команда из двух человек Андреас Альбрехт и Жоао Магуэйо в 1998 году^{[13][14][15][16][17][18]} объяснить проблему горизонта космология и предложить альтернативу космическая инфляция. В моделях VSL фундаментальная постоянная c, обозначая скорость света в вакууме больше в ранняя вселенная чем его текущая стоимость, эффективно увеличивая горизонт частиц во время развязки достаточно, чтобы учесть наблюдаемую изотропию реликтового излучения.

Маленькая модель

В модели VSL Пети вариация скорость света c сопровождает совместные вариации всех физические константы в сочетании с пространством и временем масштабные коэффициенты изменяется, так что все уравнения и измерения этих констант остаются неизменными в ходе эволюции Вселенной. В Уравнения поля Эйнштейна остаются инвариантными за счет удобных совместных вариаций c и г в Гравитационная постоянная Эйнштейна. Согласно этой модели, космологический горизонт растет подобно R, пространственному масштабу, что обеспечивает однородность первозданной Вселенной, которая соответствует данным наблюдений. Поздняя модель ограничивает вариацию констант более высокой плотность энергии ранней Вселенной, в самом начале эпоха с преобладанием радиации где пространство-время отождествляется с пространственной энтропией с метрика конформно плоский.^[19][20]

Смотрите также

• Проблема плоскостности
• Магнитный монополь

внешние ссылки

Для упрощенного резюме и обзора различных горизонтов космологии см. Различные горизонты в космологии

использованная литература

1. Карриган, Ричард А .; Трауэр, В. Питер (1983). Магнитные монополи. Дои:10.1007/978-1-4615-7370-8. ISBN  978-1-4615-7372-2.
2. http://ned.ipac.caltech.edu/level5/Peacock/Peacock3_1.html
3. Фиксен, Д. Дж. (2009). «Температура космического микроволнового фона». Астрофизический журнал. 707 (2): 916–920. arXiv:0911.1955. Bibcode:2009ApJ ... 707..916F. Дои:10.1088 / 0004-637X / 707/2/916. S2CID  119217397.
4. Экспозиция по инфляционной космологии, Гэри Скотт Уотсон, факультет физики, Университет Брауна
5. Реммен, Грант Н .; Кэрролл, Шон М. (2014). «Сколько электронных складок следует ожидать от масштабной инфляции?». Физический обзор D. 90 (6): 063517. arXiv:1405.5538. Bibcode:2014ПхРвД..90ф3517Р. Дои:10.1103 / PhysRevD.90.063517. ISSN  1550-7998. S2CID  37669055.
6. Старкман, Гленн Д. и Доминик Дж. Шварц; Scientific American (требуется подписка)
7. Фаджман, Дэвид (22 сентября 2020 г.). «Гравитация вызывает однородность Вселенной».
8. Дж. П. Пети (1988). «Интерпретация космологической модели с переменной скоростью света» (PDF). Мод. Phys. Lett. А. 3 (16): 1527–1532. Bibcode:1988MPLA .... 3.1527P. CiteSeerX  10.1.1.692.9603. Дои:10.1142 / S0217732388001823. Архивировано из оригинал (PDF) на 2015-02-03. Получено 2014-12-24.
9. Дж. П. Пети (1988). «Космологическая модель с переменной скоростью света: интерпретация красных смещений» (PDF). Мод. Phys. Lett. А. 3 (18): 1733–1744. Bibcode:1988MPLA .... 3.1733P. CiteSeerX  10.1.1.692.9067. Дои:10.1142 / S0217732388002099. Архивировано из оригинал (PDF) в 2014-07-18. Получено 2014-12-24.
10. J.P. Petit; М. Витон (1989). «Калибровочная космологическая модель с переменной скоростью света. Сравнение с данными наблюдений QSO» (PDF). Мод. Phys. Lett. А. 4 (23): 2201–2210. Bibcode:1989MPLA .... 4.2201P. Дои:10.1142 / S0217732389002471. Архивировано из оригинал (PDF) на 2015-02-04. Получено 2014-12-24.
11. П. Миди; Дж. П. Пети (1989). «Масштабно-инвариантная космология» (PDF). Int. J. Mod. Phys. D (8): 271–280. Архивировано из оригинал (PDF) в 2014-07-17. Получено 2014-12-24.
12. Дж. Моффат (1993). «Сверхсветовая Вселенная: возможное решение проблемы начального значения в космологии». Int. J. Mod. Phys. D. 2 (3): 351–366. arXiv:gr-qc / 9211020. Bibcode:1993IJMPD ... 2..351M. Дои:10.1142 / S0218271893000246. S2CID  17978194.
13. Дж. Д. Барроу (1998). «Космологии с переменной скоростью света». Физический обзор D. 59 (4): 043515. arXiv:Astro-ph / 9811022. Bibcode:1999ПхРвД..59д3515Б. Дои:10.1103 / PhysRevD.59.043515. S2CID  119374406.
14. А. Альбрехт; Дж. Магуэйо (1999). «Изменяющаяся во времени скорость света как решение космологических загадок». Phys. Rev. D59 (4): 043516. arXiv:Astro-ph / 9811018. Bibcode:1999ПхРвД..59д3516А. Дои:10.1103 / PhysRevD.59.043516. S2CID  56138144.
15. Дж. Магуэйо (2000). «Ковариантные и локально лоренц-инвариантные теории переменной скорости света». Phys. Rev. D62 (10): 103521. arXiv:gr-qc / 0007036. Bibcode:2000ПхРвД..62дж3521М. Дои:10.1103 / PhysRevD.62.103521. S2CID  56377853.
16. Дж. Магуэйо (2001). «Звезды и черные дыры в различной скорости света теории». Phys. Rev. D63 (4): 043502. arXiv:Astro-ph / 0010591. Bibcode:2001ПхРвД..63д3502М. Дои:10.1103 / PhysRevD.63.043502. S2CID  119062022.
17. Дж. Магуэйо (2003). «Новые теории переменной скорости света». Rep. Prog. Phys. 66 (11): 2025–2068. arXiv:astro-ph / 0305457. Bibcode:2003об / ч ... 66.2025M. Дои:10.1088 / 0034-4885 / 66/11 / R04. S2CID  15716718.
18. Дж. Магуэйо (2003). Быстрее скорости света: история научного предположения. Массачусетс: Книжная группа Персей. ISBN  978-0-7382-0525-0.
19. J.P. Petit; П. Миди; Ф. Ландшит (2001). «Двойная материя против темной материи» (PDF). "Где дело?" (См. Разделы 14 и 15 стр. 21–26). Int. Конф. на Астр. & Cosm. Архивировано из оригинал (PDF) на 2015-02-04. Получено 2014-12-24.
20. J.P. Petit; Дж. Д'Агостини (2007). «Бигравитация: биметрическая модель Вселенной с переменными константами, включая VSL (переменная скорость света)». arXiv:0803.1362 [Physics.gen-ph ].