Как функция, основанная на наблюдении за космической инфляцией, может положить начало научной революции века (18 марта 2014 г.
)
Несмотря на свое название, Теория Большого Взрыва вовсе не является теорией взрыва.Когда вы представляете себе начало Вселенной, вы, вероятно, думаете о горячем, плотном состоянии, наполненном материей и излучением, которое невероятно быстро расширяется и охлаждается (и, кстати, именно это и произошло).Это теория последствий взрыва.
— Алан Гут
Но чего вы не можете сделать, так это экстраполировать обратно в сколь угодно горячее и плотное состояние.
Вы можете подумать, что легко можете вернуться во времени в «сингулярность» с бесконечной температурой и плотностью, когда вся энергия Вселенной была сжата в одну точку – но это не так.
Одна из замечательных особенностей Вселенной заключается в том, что излучение, возникшее в то время, все еще существует. Он испытывал отражения от заряженных частиц, когда Вселенная была молодой, горячей и ионизированной (и это продолжалось 380 000 лет).
Когда Вселенная стала электрически нейтральной (когда материя впервые образовала нейтральные атомы), излучение, оставшееся от Большого взрыва, устремилось наружу по прямой линии, не прерываясь этой нейтральной материей.
По мере расширения Вселенной – поскольку энергия излучения определяется длиной волны – эти длины волн растягивались вместе с расширением пространства, и с тех пор энергия значительно упала.
Но это нам очень помогает, потому что дает материал для наблюдений.
И если бы мы могли увидеть и измерить эти волны, они открыли бы нам окно в раннюю Вселенную! Итак, в 1960-х годах Арно Пензиас и Роберт Уилсон обнаружили это остаточное свечение от Большого взрыва — излучение, распространяющееся равномерно во всех направлениях, всего на несколько градусов выше абсолютного нуля, — и учёные сразу же распознали в нём микроволновое космическое фоновое излучение, которое искали в 1960-х годах.
так долго! 
Спустя 50 лет мы добились невероятного прогресса.
Нам удалось не только измерить энергетический спектр этого излучения, но и измерить присущие ему крошечные колебания температуры, а также их масштаб, их связь друг с другом и то, как все это связано с эволюцией Вселенной.
В частности, мы узнали, как выглядела Вселенная в возрасте 380 000 лет, из чего она состояла и как взаимодействующая материя влияла на излучение во время его путешествия к нашим глазам длиной в 13,8 миллиардов лет.
Но есть еще кое-что, что может дать нам информацию об этих вещах: мы можем изучать не только энергию и температуру света, но и его поляризацию.
Позволь мне объяснить.
По сути, свет — это электромагнитная волна.
Это означает, что оно состоит из колеблющихся электрического и магнитного полей, перпендикулярных друг другу, имеет определенную длину волны (определяемую энергией) и движется со скоростью света.
Пролетая мимо заряженных частиц, отражаясь от поверхности, взаимодействуя с другими электромагнитными явлениями, электрические и магнитные поля вступают в реакцию с окружающей их средой.
Полученный свет изначально должен быть неполяризованным, но огромное количество факторов вызывает его поляризацию различными способами.
Другими словами, свет, который обычно имеет беспорядочно ориентированные электрические и магнитные поля, может испытывать взаимодействия, которые заставляют его иметь предпочтительную ориентацию.
И теперь она сможет рассказать нам много познавательного о том, с кем взаимодействовал свет на протяжении своей истории.
Эффект поляризации фонового микроволнового излучения был впервые обнаружен в прошлом десятилетии с помощью спутника WMAP, а от обсерватории «Планк» в будущем ожидаются еще лучшие результаты (однако такого рода исследования, следует отметить, очень сложно реализовать).
Поляризация, которая делает свет «радиальным», называется поляризацией E-моды (для электрических полей), а та, которая делает свет «искаженным», называется поляризацией B-моды (для магнитных полей).
Большинство наблюдаемых эффектов было связано с материей на миллиарды световых лет, через которую прошел свет; мы называем это «передним планом».
Со времен радиации ему пришлось пройти весь путь во всех направлениях, чтобы достичь наших глаз сегодня.
Но крошечная, крошечная часть поляризации, должно быть, дошла до нас из более ранних времен.
Видите ли, до Большого взрыва – до того, как Вселенную можно было даже назвать горячей, плотной и наполненной материей и излучением – Вселенная просто расширялась по экспоненте; это был период космической инфляции.
В это время во Вселенной господствовала энергия, присущая самому пустому пространству – энергия в количествах, гораздо больших, чем то, что присутствует в ней сегодня.
За это время квантовые флуктуации, присущие самому пространству, распространились по Вселенной и обеспечили первоначальные флуктуации плотности, которые породили сегодняшнюю Вселенную.
Но только в регионах, где инфляция закончилась и где эта энергия, присущая космосу, преобразуется в материю и излучение, происходит Большой Взрыв.
И в этих регионах – где инфляция закончилась – мы получаем Вселенную, намного большую, чем наблюдаемая ее часть.
В этом заключается идея мультивселенной, и именно поэтому мы думаем, что, скорее всего, живем в ней.
А как насчет самой инфляции? Можем ли мы узнать о ней что-нибудь?
Вы можете подумать, что квантовые флуктуации – и флуктуации плотности, которые они порождают – это все, что у нас есть.
И до недавнего времени я бы вам так сказал.
Но теоретически инфляция порождает и гравитационные волны, которые нам пока не удалось обнаружить.
LISA, космическая антенна лазерного интерферометра (проект, отложенный в лучшем случае на 2030-е годы), была нашей главной надеждой на прямое обнаружение волн.
Но даже без LISA гравитационные волны можно обнаружить косвенно.
Хотя гравитационные волны и свет движутся с одинаковой скоростью, свет замедляется при прохождении через среду.
Это происходит даже в такой разреженной среде, как межгалактическое и межзвездное пространство! А поскольку гравитационные волны не замедляются – на них влияет только искривление пространства-времени – они обгоняют свет и сами приводят к поляризации! 
В общем, именно деформации пространства-времени в определенных масштабах определенным образом растягивают световые волны по мере их прохождения от Большого взрыва к нашим глазам.
В частности, характерные признаки гравитационных волн должны проявляться в виде поляризации B-моды и оставлять определенный узор в больших масштабах.
Хотя обсерватория Планк должна увидеть и подтвердить это, она была побеждена командой, работающей на Южном полюсе: BICEP2! 
На масштабах около 1,5 градусов поляризация B-моды очень очевидна, и она уже объявлена открытой, хотя и со значимостью 2,7σ (примечание: на этих масштабах значимость 5,2σ, но надо убедить всех, что этот уровень обнаружения не появился из-за сочетания авансцены и систематики).
2,7σ означает, что существует 2% вероятность того, что это обнаружение окажется ложным и исчезнет при получении большего количества данных.
Но в мире науки это достаточно высокая вероятность, поэтому пока не следует считать это открытие свершившимся фактом.
Если открытие выдержит критику, это будет очень серьезное событие.
Это то, что нам нужно измерить, не просто для того, чтобы выяснить, была ли инфляция (скорее всего, была), а для того, чтобы выяснить, какая модель инфляции описывает Вселенную? Планк, когда в прошлом году опубликовал свои первые результаты, вообще ничего не обнаружил.
Существует несколько общих типов инфляции, которые могут возникнуть: в частности, если значение r на приведенных выше графиках окажется равным нулю, это будет в пользу модели «малой маржи», а если оно окажется чем-то вроде огромные (например, 0,2, судя по этим результатам), это будет свидетельством модели «больших полей».
Это явный результат? Нет. Нам нужна гораздо лучшая статистика, чтобы объявить это открытием — мы не можем принять эти результаты и заявить: «Да, это первичные гравитационные волны, оставшиеся со времен до инфляции», потому что нам нужны более убедительные доказательства.
2,7σ — это неплохо, но в жестоком мире физики нужен подтвержденный результат 5σ.
Свалка истории физики полна 3σ «открытий», исчезнувших с приходом новых данных.
Мы знаем, что была инфляция; Происхождение структуры Вселенной – ее внешний вид сегодня, ее появление 13,8 миллиарда лет назад и повсюду между ними – уже рассказали нам об этом.
Но существует вероятность и первые намеки на то, что гравитационные волны также могут остаться.
И если окажется, что мы действительно их видели, подтверждение этому мы должны получить в ближайшие несколько лет. Но если наблюдение становится незначительным по мере сбора данных, это не означает, что модель инфляции неверна – просто она не создает самые сильные B-моды.
Это еще не «открытие», но это намек на то, что мы, возможно, наткнулись на что-то удивительное: первый намек на то, как родилась наша Вселенная.
Если оно окажется верным, это будет открытие века.
Но если новые данные опровергают это — что вполне может случиться — это не означает, что модель инфляции неверна; это означает, что гравитационные волны инфляции меньше, чем предсказывали самые оптимистичные модели.
Но независимо от того, реально это или нет, мы все равно узнаем немного больше о том, как возникла вся наша Вселенная.
Обновление: в комментариях к оригинальной статье читатели сообщили, что в статье упоминается значимость, превышающая 5σ.
В частности, они смотрят на конкретную область угловой шкалы, где действительно видят сигнал со значимостью 5,2σ.
Может ли фокус быть ответственным за это? Это единственная составляющая, которую можно исключить - если я, конечно, правильно понял работу - со значимостью всего 2,7σ.
Посмотреть на себя.
Значимость результата не превышает значимость наиболее вероятного источника неопределенности, и хотя r может быть нулевым, очень важно исключить такую возможность.
Возможно, это и исключили из работы, но мне не показалось, что это сделано четко и четко.
Однако мне очень интересно, как это все будет развиваться! Если исключить как фокусировку, так и синхротронное излучение, предел 5σ будет достигнут, а это уже будет означать Нобелевскую премию! Более позднее примечание из статьи, написанной 18 марта 2014 года: 17 марта 2014 года ученые Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики объявили об открытии B-моды на уровне r = 0,2. Однако более поздний анализ (опубликованный 19 сентября 2014 г.
), проведенный другой группой исследователей с использованием данных обсерватории Планк, показал, что результат BICEP2 можно полностью отнести на счет галактической пыли.
Теги: #астрономия #Популярная наука #физика #вселенная #спросите Итана #большой взрыв #космическая инфляция
-
Услуги По Обработке И Управлению Данными
19 Oct, 24 -
Car2Car — Сервис Для Общения Водителей
19 Oct, 24 -
Sup Выходит На Связь
19 Oct, 24
