Scale владетел на вселената
В предишна статия (TRV №79), върху приноса на Андрея Dmitrievicha Saharova в космологията, като се минаха около барионен асиметрията на вселената и своята пионерска работа по тази тема. Сега ние говорим за по-рано, също е пионер работа, която е теоретично прогнозира ефект, по-късно получава името "Сахаров" трептения. И двамата работят в известна степен, преди време, и двете от които са основава отчасти на неправилни предположения, но все пак е вярно по принцип, двамата имаха-дълбока промяна през следващите десетилетия.
разпределението на материята в днешната Вселена е нехомогенна на скали до около 100 Mpc (300 милиона светлинни години). Тя изглежда като гигантски замразен вид пяна схема се използва за инсталиране на Windows: почти празни блистери (така наречените кухини) и стената. Къде е тази структура? Ясно е, че това е - в резултат на гравитационен нестабилност - същият, който причинява облаци от космически газ и прах, да се кондензира в звезди. Много преди отваряне Ya. Б. Зелдович теоретично показа тази структура, която гравитационната нестабилност в началото на Вселената да се получи пяна (припокриване "палачинки" в терминология Зелдович колеги) в резултат на растеж на смущения първоначалната плътност неясни е само неговия обхват. Реалната картина се проследи само до края на 80-те години, когато "пяна", изготвен на триизмерни карти Според проучването на галактични купа. Но основната Остава открит въпросът какво от първоначалните сътресения кондензирани "пяна" на мащабна структура на Вселената?
Предположения АД в този документ, са както следва:
- сътресения първоначалната плътност в началото на Вселената са естеството на квантовата колебания. Това предположение беше и все още е в основата на космологията.
От първите моменти на физиката
Какво се случва с първични нарушения по време на разширяването на вселената? Те стават акустични вълни, разпространяващи се със скоростта на звука, които участват в общото разширяване. Добре известно е, каква е скоростта на звука в много ранната Вселена: а / √ (3), където в - скоростта на светлината. Това е резултат от т.нар ултра уравнението на състоянието, когато налягането в средата е равна на една трета от плътността на енергията, р = ε / 3. Последното включва енергията почивка на частиците, така че газ с ниска плътност от студени и поради това бавно, частици по-малки от плътността на енергията на налягането и скоростта на звука е много по-малка от скоростта на светлината. Обратно, "ultrarelativistic уравнение на състоянието се появява, когато средни частици се движат със скорост близо до скоростта на светлината.
В горещите вселена ultrarelativistic уравнение на състоянието се провежда за дълго време - около 300 000 години .. Първата фракция на вторият се подкрепя от факта, че всички частици, които се движат в почти скоростта на светлината поради високата температура. След това температурата пада така че протони не са относителни (движат значително по-бавна от скоростта на светлината). Въпреки това, те не горят, унищожена с антипротони, броят им намалява с девет порядъци (вж. Предишната статия в TRV-Н № 79). По-нататък в секунда във Вселената е доминиран от фотони и безмасовите леки електрони и позитрони. Последният също унищожи помежду си, когато те станат нерелативистката, с електроните също е една милиардна част от бившите им номера. Освен това, в една вселена, доминирана от фотони на енергийна плътност. Протони и тежки все пак, но един милиард пъти по-малък - много фотони подкрепят ultrarelativistic състояние около 300 хиляди години .. . В същото време, в 370 хиляди години след Големия взрив, имаше още един важен момент, но това - по-късно.
В студения Вселената работи напълно различна физика, която също осигурява ultrarelativistic уравнение на състоянието, но само първата част от секундата. Това е чисто квантово-механичен ефект се основава на принципа на изключване Паули, който забранява двете протони или два електроните да бъде в същата квантово-механично състояние.
Същият принцип не дава всички електроните в един атом да седне на по-ниско ниво на енергия. гъста Принципът на газ Паули също води електрони, за да се използват и от различни енергии (по-точно, посоката на инерцията, която също е от значение).
Ако температурата е равно на нула, частиците равномерно запълване на обема на сфера в инерция пространство. Такива частици се наричат газ дегенеративен Ферми газ и максималната енергия на частицата, под който цялото количество се напълва фаза, - енергията на Ферми. Колкото по-голяма плътност, толкова по-висока енергията на Ферми. Ако Ферми енергия е много по почивка енергия на частиците, имаме р = ε / 3 дори при нулева температура.
Фиг. 1. Карта CMB колебания космически кораб WMAP, получена след изваждане на фона и дипол компонент. Последното се дължи основно на ефекта на Доплер върху движението на Слънчевата система. Предистория изважда дължи основно на Галактиката и индивидуални извън- галактични източници. Колебанията в сравнение със средното ниво на CMB ниско - само 10 -5 от порядъка на величина. Снимка: "Троицки вариант"
След част от секундата след началото на студения разширението на Вселената става по-малко от Ферми енергия на масата на протон, и скоростта на звука намалява почти до нула.
Като цяло, по отношение на акустиката, началните етапи на разширяване на топла и студена вселена качествено подобни: уравнението на състояние е същото като скоростта на звука е един и същ, и тук и там е преход към нерелативистката уравнение на състоянието, но в много по-различен път.
стоящи вълни
Така бяха първите квантови флуктуации първичните плътност. Те започнаха да се разпространи из цялата вселена като звукови вълни със скорост, сравнима със скоростта на светлината.
Всякакви колебания подчинявайки линейни диференциални уравнения, дали звук или светлина, лесно може да се разпространи и в различни дължини на вълните и да изглежда индивидуално, какво се случва с всеки един от тях.
За да започнете, нека приемем, че определена вселена изведнъж се появи, като цяло са хомогенни, но с сътресения местните плътност? и то не се разширява (това вътрешно смесена картина, но ние го използвам само за илюстрация). Първоначално хетерогенност, ако те са били хаотично (случайно) ще се превърне в вълни с различна дължина на сгъване в една хаотична картина. Спектърът на тези вълни в произволно време приблизително повтаря спектъра на първоначалното смущение, хаоса е хаоса. Но може би по-интересна ситуация: стоящи вълни могат да бъдат.
Пример за постоянните вълни - вибрации на низ на китара. Целият низ в един момент да бъде поправена чрез една четвърт период максимално извити, а след това отново напълно отстранени и т. Н. В случай низ "stoyachest" трептения предоставяните фиксирани цели. Друг пример: стоящи вълни в близост до бетонна стена кей на пристанището. По подобен начин, в едно и също място след това има високи вълни, водната повърхност се заглажда. Няма по фиксиран край, но там е отразена вълна, която се сумира с насрещно движещи се дава стоящи вълни.
Оказва се, че можете да получите на Постоянен звукови вълни в цялата вселена. Най-простият възможност (макар и не единствен) - изискват всички първоначални сътресения във вселената е статична, т.е., началната скорост на въпроса те са нула ... Тогава всички получените вълни могат да бъдат разделени в противоположни симетрични двойка плоски вълни - вълни в кея на стената, и сумата ще даде това стоящи вълни, синхронен затихване и расте в цялото пространство. За да тествате този себе си, достатъчно познания по обща физика и способността да се разлага на косинус на сумата от два ъгъла (вж. Карето).
Какъв е модела на звуковите колебания на плътност във вселената в случай на постоянни вълни? На него все още ще изглежда хаотична око, но ако се построи спектър от колебанията плътност в пространството (за тази цел е необходимо да се съставят карта на средна плътност във вселената е подложена на преобразуване на Фурие), а след това разкри удивителното: тя е периодична!
Всички карти първоначалните смущения могат да бъдат разширени в серия Фурие, чиито членове ще бъде под формата на плоски вълни: Ск COS (XK + φk), където х - координират, к - вълна вектор φk - фаза. Разтвор на уравнението на вълната за звукови вибрации е добре известно: всеки член на разширение ще съответства на равнина вълните: Ск COS (XK - T + φk). Ето о - честотни вълни трептения, които се свързани с вектора на вълната през скорост V звук: V = к о.
Ако скоростта на материала първоначално е нула, първоначалните сътресения са статични, т.е.. Д., те не зависят от времето. В този случай, вълните могат да бъдат групирани в симетрични двойки с противоположно насочени вълни вектори: 0.5 Ск COS (XK - TV + φk) + 0.5 Ск COS (-xk - телевизор - φk) (т.е. Ck = Ck φk = ... - φk).
Всъщност, удар т = 0, ние получаваме първоначалното разширяване, докато диференциране по отношение на времето, ние получаваме нула при Т = 0. Накрая, разширяване на косинуса на сумата от два ъгъла получа заставане форма вълна Ск COS (XK + φk) COS (TV), т. F . вълна амплитуда с определена честота ще варира синхронно и периодично през пространството.
Spectrum хомогенностите зависимост от техния размер L е пропорционална защото (π срещу T / L), където T - възрастта на Вселената (приемайки, че скоростта на звука V е независим от времето). От тази връзка можете да се изчисли възрастта на тяхната вселена! Въпреки това, нашето искане, че всички сътресения първоначалната плътност са статични в статична вселена изобретен от нас, от това не следва.
Както е случаят в разширяваща се вселена? Основните разлики са, както следва:
- Всяка вълна ще участва в разширяването, и дължината му и честотата ще се промени.
вълни замразяване
налягането на течността във Вселената, рано или късно в известно време T0 става много по-малко от скоростта на енергийна плътност и звук сравнително бързо пада на поръчката. Акустични вълни са замразени нехомогенности плътност, където те се втвърди по същество едновременно - независимо от дължината на вълната. И тази снимка замразени вълни могат да се опитат да видите, ако по някакъв начин успяват да извадите картата с нередностите и да го постави в редовете на Фурие.
Какво трябва да видя? "Втвърдяване" все още не е мигновен, така че вълните имат време средно, а скоростта на звука намалява. Следователно, кратко дължина на вълната част на спектъра ще бъде неизразителен, липсват някои функции. А по-дълги вълни, които са успели да направят точно от една-две-три-четири вибрации с раждането на Вселената, ще бъдат показани в спектъра под формата на ясни върхове, разделени от пропуски. Дори и по-дълги вълни, които не са извършили никакво колебание, отново осигуряват плавна част от спектъра, лишена от функции. Именно този модел, наречен "Сахаров" трептения. Вярно е, че това е термин, използван е не всички, сега тя е по-често се използва като синоним на "акустични трептения".
Когато има замразяване, и до каква степен трябва да се появи? В едно изпълнение на студено вселената, както вече бе посочено, скоростта на звука капки през части от секундата. В същото време най-максимално дълга дължина на вълната в спектъра на хомогенностите обхваща много материал за масата на малките звезди.
Hot модел дава още една изненада - картина на Вселената възраст от 370 хиляди години -. Просто епохата, когато Вселената е била промяната на уравнение на състоянието и скоростта на звука падна. Факт е, че през това време температурата спадна свят, така че електроните се рекомбинира с протони в водородни атоми, и вселената става прозрачна за светлината. Тази светлина се дължи на разширяването на вселената се превръща в радио вълни - известната реликва микровълновото излъчване.
Усмивката на Вселената
Ако А. Д. Сахаров видя ъглов мощност спектър от хармоници на космическия микровълнов фон! (Той е показан на фиг. 2). Я. Б. Zeldovichu също не е имал възможност да го види, но много от тях са пряко ангажирани в развитието на теорията оцелели.
Силата на науката най-ясно се проявява не когато може да се обясни по-рано необяснимо ефект, и когато някой се прогнозира нещо необикновено, и след това да го намеря лично. Важни примери от този вид в историята не толкова. Учебник пример - откриването на Нептун "на върха на химикалка."
Фиг. 2. В резултат на разширяването на карта CMB показано на фиг. 1, ъгловите хармоници (multipoles). Твърдият крива - монтиране на теоретичната резултата, който е чувствителен към такива параметри на вселената, кривината на пространството, средната гъстота на материя и тъмната материя. Снимка: "Троицки вариант"
Сахаров колебания в някои отношения много "по-хладни", на първо място своя извънземно - невзрачен мащаб, невъобразимо малки и невъобразимо огромните. Седейки човек пише с невероятна брой формула: възраст на Вселената - 10 -43 секунди -10 плътност от 98 грама на см 3, че някои от тях се опитват да се заключи. Когато вярата, че в такъв мащаб, изобщо работи нашата логика, която се прилага за тях законите, получени от човека? От гледна точка на аутсайдер, учен в този случай е била пълна с абстракции, фантазии на парите на данъкоплатците. В резултат на това значително усилие човек носи на хартията, разпределението на някои от колебанията на плътност във вселената трябва да бъде описан от известно колебание на функцията на Бесел.
Чрез десетилетия хората започнат космически кораб с точност приемник на микровълнови радиовълни, излъчвана преди милиарди години. И вижте тази радиация карти същото това вибриращо функция на Бесел!
Наблюдение на факта на акустичните колебания - е само началото. Оказва се, че те са по-добре от всичко друго, помага да се измери с редица параметри на нашата Вселена, включително неговата възраст и геометрия. Това е приблизително една и съща, тъй като, ако на картата на ранната вселена ще види мащабна линия с подразделения в Mpc, и то не само линия - часовете и цялата "метеорологична станция", с различни показания на уредите.
Например, височината над субстрат главния връх осигурява оценка на плътността на материята във Вселената; пиковете "чувстват" на геометрията на пространството. Последното свойство не е трудно да се разбере. Дължината на акустична вълна, уловени в не повече от 370 хиляди години след Големия взрив, тя е фиксирана, а ъгълът, под който се вижда днес, зависи от нашето триизмерно евклидово пространство, или не. Това е така, защото измервания на позициите на върховете, че пространството е всъщност евклидовата: сумата от ъглите на триъгълник е 180 ° в него, дори и да е триъгълник със страни в размер на десетки милиарди светлинни години.
трептения на Сахаров - не само водят до космологията - има още една далечна супернови, галактични купа гравитационното леща. Но това е далеч от най-надеждна подкрепа.
Казахме на всичко за две научни статии Андрея Dmitrievicha Saharova. Това е само една малка част от това, което той е направил в живота си. Въпреки това, дори и на двете творби могат да се видят по силата на този човек: те не само решава някои проблеми. В тези дела, и да реши проблем, който не е бил видян от време на време.