Може ли универзумот што се шири навистина да биде фатаморгана?

Назад во 1920-тите, се случија два развоја рамо до рамо кои го отворија патот за нашето модерно разбирање на Универзумот. На теоретска страна, можевме да изведеме дека ако ги почитувате законите на општата релативност и имате Универзум кој е (во просек) рамномерно исполнет со материја и енергија, вашиот универзум не може да биде статичен и стабилен, но мора или да се прошири или да пропадне. На набљудувачката страна, почнавме да идентификуваме галаксии надвор од Млечниот Пат и брзо утврдивме дека (во просек) колку подалеку се забележани, толку побрзо се забележува дека се оддалечуваат од нас.

Едноставно со спојување на теоријата и набљудувањето, се роди идејата за проширување на Универзумот и оттогаш е со нас. Нашиот стандарден модел на космологија - вклучувајќи го Биг Бенг, космичка инфлација, формирање на космичка структура и темна материја и темна енергија - сето тоа е изградено врз основната основа на Универзумот што се шири.

Но, дали Универзумот што се шири е апсолутна неопходност или има начин да се заобиколи? Во еден интересен нов труд кој неодамна доби одреден публицитет , теоретскиот физичар Лукас Ломбризер тврди дека Универзумот што се шири може да се „трансформира“ со манипулирање со равенките на општата релативност. Во неговото сценарио, набљудуваната космичка експанзија би била само фатаморгана. Но, дали ова се спротивставува на науката што веќе ја знаеме? Ајде да истражиме.

Шематска анимација на континуиран зрак светлина што се распрснува со призма. Ако сте имале ултравиолетови и инфрацрвени очи, би можеле да видите дека ултравиолетовата светлина се наведнува дури и повеќе од виолетовата/сината светлина, додека инфрацрвената светлина би останала помалку свиткана од црвената светлина. Брзината на светлината е константна во вакуум, но различни бранови должини/бои на светлината патуваат со различни брзини низ медиум. Ова може да се објасни соодветно преку слика на светлина како бранова или зраци.

Одвреме-навреме, препознаваме дека постојат повеќе различни начини да се погледне истиот феномен. Ако овие два начина се физички еквивалентни, тогаш разбираме дека нема разлика меѓу нив и кој од нив ќе го изберете е едноставно прашање на личен избор.

• Во науката за оптика, на пример, можете или да ја опишете светлината како бран (како Хајгенс) или како зрак (како што направи Њутн), и под повеќето експериментални околности, двата описа даваат идентични предвидувања.
• Во науката за квантната физика, каде што квантните оператори дејствуваат на квантните бранови функции, можете или да опишете честички со бранова функција која еволуира и со непроменливи квантни оператори, или можете да ги задржите честичките непроменети и едноставно да дозволите квантните оператори да се развиваат.
• Или, како што често се случува во релативноста на Ајнштајн, можете да замислите дека двајца набљудувачи имаат часовници: еден на земја и еден на воз во движење. Можете да го опишете ова подеднакво добро со две различни сценарија: ако земјата е „во мирување“ и гледање на возот како ги доживува ефектите од временското проширување и контракцијата на должината додека е во движење, или возот „во мирување“ и гледање на набљудувачот. на теренот доживуваат временско проширување и контракција на должината.

Како што подразбира самиот збор „роднина“, овие сценарија, ако даваат идентични предвидувања едно на друго, тогаш едното е подеднакво валидно како и другото.

Еден револуционерен аспект на релативистичкото движење, изнесен од Ајнштајн, но претходно изграден од Лоренц, Фицџералд и други, е дека предметите кои брзо се движат се чини дека се собираат во просторот и се шират во времето. Колку побрзо се движите во однос на некој што е во мирување, толку поголеми се вашите должини се чини дека се намалуваат, додека толку повеќе се чини дека времето се шири за надворешниот свет. За набљудувач на земја, возот се собира и времето во него се шири; за набљудувач во возот, надворешниот свет доживува контракција на должината и временско проширување.

Последното сценарио, во релативноста, ни сугерира дека можеби сме заинтересирани да го извршиме она што математичарите го нарекуваат координатна трансформација. Веројатно сте навикнати да размислувате за координатите на ист начин како што Рене Декарт размислувал пред околу 400 години: како мрежа, каде што сите насоки/димензии се нормални една на друга и имаат исти скали за должина кои се применуваат подеднакво за сите оски. Веројатно дури и научивте за овие координати на часовите по математика во училиште: Декартови координати.

Но, декартовските координати не се единствените кои се корисни. Ако се занимавате со нешто што го има она што го нарекуваме аксијална симетрија (симетрија околу една оска), можеби ќе претпочитате цилиндрични координати. Ако се занимавате со нешто што е исто во сите правци околу центарот, можеби ќе има повеќе смисла да користите сферични координати. И ако се занимавате не само со просторот, туку и со простор-времето - каде што димензијата „време“ се однесува на фундаментално различен начин од димензиите на „просторот“ - ќе имате многу подобро време ако користите хиперболични координати за поврзување просторот и времето еден на друг.

Она што е одлично за координатите е ова: тие се само избор. Сè додека не ја менувате основната физика зад системот, вие сте апсолутно слободни да работите во кој било координатен систем што сакате да го опишете што и да размислувате во Универзумот.

Штом ќе го поминете прагот за да формирате црна дупка, сè во хоризонтот на настани се спушта до сингуларност која е, најмногу, еднодимензионална. Ниту една 3Д структура не може да преживее недопрена. Сепак, една интересна координатна трансформација покажува дека секоја точка во внатрешноста на оваа црна дупка мапира 1-на-1 со точка однадвор, зголемувајќи ја математички интересната можност дека внатрешноста на секоја црна дупка доведува до создавање бебешки универзум во внатрешноста на тоа.

Постои очигледен начин да се обидете да го примените ова на Универзумот што се шири. Конвенционално, го забележуваме фактот дека растојанијата во врзаните системи, како што се атомските јадра, атоми, молекули, планети, па дури и ѕвездени системи и галаксии, не се менуваат со текот на времето; можеме да ги користиме како „владетел“ за подеднакво добро мерење на растојанијата во секој даден момент. Кога ќе го примениме тоа на Универзумот како целина, бидејќи гледаме далечни (неврзани) галаксии како се оддалечуваат една од друга, заклучуваме дека Универзумот се шири и работиме на мапирањето како стапката на проширување се менувала со текот на времето.

Па, зошто да не го направиме очигледното и да ги превртиме тие координати: да ги задржиме растојанијата помеѓу (неврзаните) галаксии во Универзумот, и едноставно нашите „владетели“ и сите други врзани структури да се намалуваат со текот на времето?

Можеби изгледа како несериозен избор да се направи, но честопати, во науката, само со менување на начинот на кој гледаме на проблемот, можеме да откриеме некои карактеристики за него кои беа нејасни во старата перспектива, но стануваат јасни во новата. Нè тера да се запрашаме - и ова е она што Ломбризер го истражуваше во својот нов труд - што би заклучиле за некои од најголемите загатки од сите доколку ја прифатиме оваа алтернативна перспектива?

Овој фрагмент од симулација за формирање структура со средна резолуција, со намалена експанзија на Универзумот, претставува милијарди години гравитациски раст во Универзум богат со темна материја. Забележете дека филаментите и богатите кластери, кои се формираат на пресекот на филаментите, се појавуваат првенствено поради темната материја; нормалната материја игра само мала улога. Меѓутоа, колку е поголема вашата симулација, толку повеќе структурата од помал обем е суштински потценета и „измазнета“.

Така, наместо стандардниот начин на гледање на космологијата, наместо тоа, можете да го формулирате вашиот универзум како статичен и непроширен, за сметка на тоа да имате:

• масите,
• должини,
• и временски размери,

сите се менуваат и се развиваат. Бидејќи целта е да се задржи структурата на Универзумот константна, не можете да имате проширен, закривен простор во кој има несовршености со зголемена густина, и затоа тие еволутивни ефекти треба да се кодираат на друго место. Масовните скали би морале да се развиваат низ време-просторот, како и скалите на растојанието и временските размери. Сите тие ќе треба да се развиваат заедно на точно таков начин што, кога ќе ги споите за да го опишете универзумот, тие се надополнија на „обратна“ на нашата стандардна интерпретација.

Алтернативно, можете да ја задржите и структурата на Универзумот константна, како и скалите на масата, скалите на должината и временските скалила, но на сметка на тоа што основните константи во вашиот Универзум коеволуираат заедно на таков начин што целата динамика на Универзумот се кодираат на нив.

Можеби ќе се обидете да се расправате против која било од овие формулации, бидејќи нашата конвенционална перспектива има поинтуитивна смисла. Но, како што споменавме претходно, ако математиката е идентична и не постојат забележливи разлики помеѓу предвидувањата што ги прави која било перспектива, тогаш сите тие имаат еднаква важност кога се обидуваме да ги примениме во Универзумот.

Различни нивоа на енергија и правила за избор за транзиции на електрони во атом на железо. Има само специфичен сет на бранови должини што може да се емитираат или апсорбираат за кој било атом, молекула или кристална решетка. Иако секој атом има уникатен спектар на енергии, сите атоми споделуваат одредени квантни својства.

Сакате да го објасните космичкото црвено поместување? Можеш на оваа нова слика, но на поинаков начин. На стандардната слика:

• атомот претрпува атомска транзиција,
• емитира фотон со одредена бранова должина,
• тој фотон патува низ универзумот што се шири, што предизвикува негово поместување на црвено додека патува,
• а потоа, кога набљудувачот ќе го прими, сега има подолга бранова должина од истата атомска транзиција во лабораторијата на набљудувачот.

Но, единственото набљудување што можеме да го направиме се случува во лабораторија: каде што можеме да ја измериме набљудуваната бранова должина на примениот фотон и да ја споредиме со брановата должина на лабораториски фотон.

Може да се појави и затоа што масата на електронот еволуира, или затоа што Планковата константа (T63;) еволуира, или затоа што (бездимензионалната) константа со фина структура (или некоја друга комбинација на константи) се развива. Она што го мериме како црвено поместување може да се должи на различни фактори, од кои сите не се разликуваат еден од друг кога ќе го измерите црвеното поместување на тој далечен фотон. Вреди да се напомене дека оваа преформулација, доколку се прошири правилно, ќе го даде истиот тип на црвено поместување и за гравитационите бранови.

Како што се надува балонот, сите монети залепени на неговата површина ќе изгледаат како да се оддалечуваат една од друга, при што „подалечните“ монети се повлекуваат побрзо од помалку оддалечените. Секоја светлина ќе се префрли на црвено, бидејќи нејзината бранова должина „се протега“ до подолги вредности додека ткаенината на балонот се шири. Колку и да е добра оваа аналогија, сепак, има некои сериозни фундаментални ограничувања, а други објаснувања може да го предизвикаат истиот феномен на поместување на црвено.

Слично на тоа, би можеле да преформулираме како структурата расте во Универзумот. Нормално, на стандардната слика, започнуваме со малку прегуста област на просторот: каде густината во овој регион е малку над космичката средина. Потоа, со текот на времето:

• оваа гравитациска пертурбација преференцијално привлекува повеќе материја кон неа отколку околните региони,
• предизвикувајќи просторот во тој регион да се шири побавно од космичкиот просек,
• и како што густината расте, таа на крајот го преминува критичниот праг предизвикувајќи услови каде што е гравитациски врзана,
• а потоа почнува гравитационо да се собира, каде што прераснува во парче космичка структура како ѕвездено јато, галаксија или уште поголема колекција на галаксии.

Меѓутоа, наместо да ја следите еволуцијата на космичката прекумерна густина или на полето на густина во некоја смисла, можете да го замените со комбинација од скали на маса, скали на далечина и временски скали кои се развиваат наместо тоа. (Слично, Планковата константа, брзината на светлината и гравитациската константа би можеле да еволуираат, алтернативно, наместо тоа.) Она што го гледаме како „растечка космичка структура“ може да биде резултат не на космички раст, туку на овие параметри кои фундаментално се менуваат со текот на времето , оставајќи ги набљудувачите (како структурите и нивните набљудувани големини) непроменети.

Регионите родени со типична или „нормална“ прекумерна густина ќе пораснат да имаат богати структури во нив, додека недоволно густите „празни“ региони ќе имаат помала структура. Сепак, во раната структура од мал размер доминираат регионите со највисока густина (овде означени како „ретки“), кои растат најголеми најбрзо и се видливи во детали само за симулации со највисока резолуција.

Ако го прифатите овој пристап, колку и да изгледа непријатно, можете да се обидете да ги реинтерпретирате некои од моментално необјаснивите својства што изгледа дека ги поседува нашиот Универзум. На пример, тука е проблемот со „космолошката константа“, каде поради некоја причина, Универзумот се однесува како да е исполнет со поле со постојана енергетска густина својствена за вселената: енергетска густина што не се разредува или менува во вредноста како Универзумот. се проширува. Ова не беше важно одамна, но се чини дека е важно сега само затоа што густината на материјата е разредена под одреден критичен праг. Не знаеме зошто просторот треба да ја има оваа густина на енергија не-нулта, или зошто треба да ја земе вредноста што е во согласност со нашата набљудувана темна енергија. Во стандардната слика, тоа е само необјаснета мистерија.

Илустрација за тоа како густината на зрачењето (црвено), неутриното (испрекината), материјата (сина) и темната енергија (испрекината) се менуваат со текот на времето. Во новиот модел предложен пред неколку години, темната енергија ќе биде заменета со цврстата црна крива, која досега не се разликува, набљудувачки, од темната енергија што ја претпоставуваме. Почнувајќи од 2023 година во вселената што се шири, темната енергија може да отстапи од „константа“ за околу ~ 7% во равенката на состојбата; повеќе е премногу цврсто ограничен од податоците.

Тие можат да ја реинтерпретираат темната материја како геометриски ефект на масите на честички кои се зголемуваат на конвергиран начин во раните времиња. Тие можат наизменично да ја реинтерпретираат темната енергија како геометриски ефект бидејќи масите на честичките, во доцните времиња, се зголемуваат на различен начин. И, сосема возбудливо, може да има врски помеѓу поинаков начин за реинтерпретација на темната материја - каде што космичката експанзија е преформулирана како скаларно поле кое завршува и се однесува како познат кандидат за темна материја, аксионот - и спојките помеѓу полето што предизвикува експанзија и материјата во нашиот Универзум воведува повреда на КП: една од клучните состојки потребни за генерирање на асиметрија материја-антиматерија во нашиот Универзум.

Размислувањето за проблемот на овој начин води до голем број интересни потенцијални последици, и во оваа рана фаза на „песочник“, не треба да обесхрабруваме никого да го прави токму овој тип на математичко истражување. Ваквите мисли некогаш може да бидат дел од која било теоретска основа што ќе нè однесе надвор од добро воспоставената сегашна стандардна слика на космологијата.

Сепак, постои причина што повеќето современи космолози кои се занимаваат со физичкиот универзум во кој го населуваме не се замараат со овие размислувања, кои се интересни од гледна точка на чистата Општа релативност: лабораторијата исто така постои, и додека овие преформулации се во ред за космички размери, тие целосно се судираат со она што го набљудуваме овде на Земјата.

Кога се формира атом на водород, тој има еднаква веројатност спиновите на електронот и протонот да бидат порамнети и анти-порамнети. Ако тие се противпорамнети, нема да се случат дополнителни транзиции, но ако се порамнети, тие можат квантен тунел во таа пониска енергетска состојба, испуштајќи фотон со многу специфична бранова должина на многу специфични и прилично долги временски размери. Прецизноста на оваа транзиција е измерена на подобра од 1 дел во трилион и не варира во текот на многуте децении што е познато, ограничувајќи ги можните варијации на Планковата константа, брзината на светлината, масата на електрон или нивна комбинација.

Размислете, на пример, идејата дека или:

• фундаменталните својства на честичките, како што се масите, полнежите, должините или времетраењето се менуваат,
• или основните константи, како што се брзината на светлината, Планковата константа или гравитациската константа се менуваат.

Нашиот универзум, забележливо, е стар само 13,8 милијарди години. Веќе неколку децении правиме високопрецизни мерења на квантните системи во лабораторија, при што најдобрите прецизни мерења откриваат својства на материјата до околу 1,3 делови во десет трилиони . Ако се менуваат или својствата на честичките или основните константи, тогаш би се менувале и нашите лабораториски мерења: според овие преформулации, во временска рамка од ~ 14 години (од 2009 година или така), би забележале варијации во набљудуваните својства на овие добро измерени кванти кои се илјадници пати поголеми од нашите најстроги ограничувања: од околу 1 дел на милијарда.

• Електронскиот магнетен момент, на пример, беше измерен со многу висока прецизност во 2007 и 2022 година, и покажа помала варијација од 1 дел во трилион (границите на прецизноста на претходното мерење) меѓу нив, покажувајќи дека константата на фина структура не е променета.
• Транзицијата на водород со спин-флип , што резултира со емисиона линија со прецизна бранова должина од 21,10611405416 сантиметри, има несигурност од само 1,4 делови на трилион и не е променета откако првпат беше забележана во 1951 година. (Иако ние Со текот на времето го измерив подобро.) Тоа покажува дека константата на Планк не се променила.
• И експериментот Eötvös , кој ја мери еквивалентноста на инерцијалната маса (на која не влијае гравитациската константа) и гравитационата маса (што е) покажа дека овие два „типа“ на маса се еквивалентни на извонреден 1-дел-на- квадрилион од 2017 година.

Принципот на еквивалентност смета дека не треба да има разлика помеѓу гравитациското забрзување и забрзувањето поради која било друга сила во Универзумот. Бидејќи едната е зависна од гравитациската константа, а другата не е, тестирањето на принципот на еквивалентност, направено најпрецизно од сателитот МИКРОСКОП до 1 дел од 10^15, е начин да се ограничат временските варијации во гравитациската константа.

Ова е извонредна карактеристика за нашиот Универзум според стандардниот начин на гледање на нештата: истите закони на физиката што важат овде на Земјата важат секаде на друго место во Универзумот, на сите локации и времиња низ нашата космичка историја. Перспективата применета на Универзумот што пропаѓа овде на Земјата е многу помалку интересна од онаа што успешно се применува во целиот опсег на физички интересни системи. Ако конвенционалниот универзум што се шири, исто така, се согласува со физиката на Земјата и алтернативата за неа добро го опишува поголемиот Универзум, но не успее овде на Земјата, не можеме да кажеме дека Универзумот што се шири е фатаморгана. На крајот на краиштата, физиката овде на Земјата е најреалното и најдобро измереното и најдобро тестирано сидро што го имаме за да утврдиме што е всушност реално.

Тоа не значи дека списанијата што објавуваат ваков тип на шпекулативно истражување - Classical and Quantum Gravity , Journal of High-Energy Physics или Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, да наведеме неколку - не се реномирани и квалитетни; тие се. Тие се само ниши списанија: многу повеќе се заинтересирани за овие типови на истражувања во рана фаза отколку за конфронтација со нашата експериментално и опсервациско управувана реалност. Во секој случај, продолжете да играте во песокот и да истражувате алтернативи на стандардните космолошки (и физика на честички) слики на реалноста. Но, не се преправајте дека исфрлањето на целата реалност е остварлива опција. Единствената „фатаморгана“ овде е идејата дека нашата набљудувана, измерена реалност е некако неважна кога станува збор за разбирање на нашиот Универзум.