Виленкин 5 кл контрольные работы: Контрольные работы по математике за 5 класс к учебнику Виленкина

«Замечательный тур по современной космологии, остроумно направленный одним из самых одаренных практиков в этой области. Приятно читать ». — Марио Ливио, старший научный сотрудник Научного института космического телескопа, а также автор недавней работы «Уравнение, которое не может быть решено»

«Алекс Виленкин исследует тончайшие явления, формирующие космос, чтобы получить самые грандиозные последствия. Это замечательный материал — фантастический и трогательный по своему содержанию — но это не фантастика и не научная фантастика.Космический портрет Виленкина указывает на логическую возможность множественности вселенных, событий и жизней и заставляет задуматься о нашем собственном значении в этом море бесконечных возможностей ». — Жанна Левин, профессор физики и астрономии Барнард-колледжа Колумбийского университета и автор книги «Как Вселенная получила свои пятна»

«« Многие миры в одном »Алекса Виленкина — одна из лучших научных книг, которые я когда-либо читал. Виленкин не только один из великих пионеров в области современной космологии, но также он исключительно ясен, замечательно остроумен и часто полон мудрости.- Леонард Сасскинд, профессор физики Стэнфордского университета Феликса Блоха и автор книги «Космический ландшафт: теория струн и иллюзия разумного замысла».

«Неужели наша Вселенная — лишь одна из многих? Алекс Виленкин — ваш любезный, но авторитетный и вполне серьезный проводник по этой смелой идее на переднем крае космологической науки. Он заставляет удивительные мысли звучать как разумные шаги вперед в серьезном предприятии. Многие миры в одном откроет ваш разум для экспоненциально расширяющихся вселенных, которые могут находиться за пределами нашей собственной.»- Роберт П. Киршнер, профессор науки Клоуза Гарвардского университета и автор книги« Экстравагантная вселенная: взрывающиеся звезды, темная энергия и ускоряющийся космос »

Алекс Виленкин — профессор физики в Университете Тафтса, где он также является директором Института космологии Тафтса. Автор более 150 научных работ по космологии, он внес в эту область ряд новых идей.

ABRSM: Класс скрипки 5

Музыканты учатся играть на музыкальном инструменте, чтобы изучить и исполнить репертуар, поэтому в основе экзамена лежат пьесы — кандидатов просят представить по три в каждом классе.Репертуар учебных программ состоит из трех списков, в которых исследуются различные традиции и стили, начиная с эпохи Возрождения и до наших дней.

Выбор по одной пьесе из каждого списка дает кандидатам возможность провести сбалансированный отбор и продемонстрировать ряд навыков. В этой программе пьесы в целом сгруппированы в списки по характеристикам музыки:

• Элементы списка А, как правило, перемещаются быстрее и требуют технической ловкости
• Произведения списка B более лиричны и предполагают выразительную игру.
• Произведения списка C отражают широкий спектр музыкальных традиций, стилей и характеров.

Большинство произведений требует аккомпанемента, поскольку взаимодействие с другими музыкантами является важным музыкальным навыком, но есть также возможности выбрать сольные произведения и развить уверенность в игре без аккомпанемента.

Мы надеемся, что, предложив такое разнообразие в программе, кандидаты найдут музыку, которая их вдохновляет, и что им понравится учиться и выступать.

Элемент 5, класс

Кандидаты выбирают три фигуры, по одной из каждого списка (A, B и C) — по 30 баллов.Полные требования и информация к деталям поясняются после списков.

Список A

Список Б

Список C

Требования к скрипке и информация: Пьесы

Планирование программы : Кандидаты должны выбрать по одному произведению из каждого из трех списков (A, B и C).На экзамене кандидаты должны сообщить экзаменатору, какие произведения они исполняют, и они могут использовать для этого программу экзамена и форму текущего заказа.

Были предприняты все усилия, чтобы представить широкий спектр репертуара, который подходил бы кандидатам разного возраста, происхождения и интересов и привлекал их. Некоторые пьесы могут не подходить для каждого кандидата по техническим причинам или из-за более широкого контекста (исторический, культурный, предмет более крупной работы, из которой они взяты, тексты аранжировки песни и т. Д.). Пьесы следует тщательно обдумать на предмет их соответствия каждому человеку, что может потребовать консультации между учителями и родителями / опекунами. Учителя и родители / опекуны также должны проявлять осторожность, разрешая младшим кандидатам проводить исследования в Интернете (см. Www.nspcc.org.uk/onlinesafety).

Аккомпанемент : Живое фортепиано или струнный аккомпанемент (где указана опция) требуется для всех произведений, кроме тех, которые опубликованы в качестве этюдов или произведений без сопровождения (в приведенных выше списках они помечены как СОЛО).

В начальных классах – 3 кандидаты могут исполнять некоторые или все свои произведения под струнный аккомпанемент. Пьесы, которые публикуются как дуэты (или только со струнным аккомпанементом), в приведенных выше списках помечаются как DUET. Пьесы, опубликованные с опциями фортепианного и струнного аккомпанемента, помечаются в приведенных выше списках PF / VN и могут исполняться на экзамене с любым аккомпанементом.

Кандидаты должны предоставить своих аккомпаниаторов, которые могут находиться в экзаменационной комнате только в сопровождении.Преподаватель кандидата может сопровождать (экзаменаторы не будут). При необходимости аккомпаниатор может упростить любую часть аккомпанемента, если результат будет музыкальным. Запрещается записывать аккомпанемент.

Музыка для экзамена и выпуски : везде, где программа включает аранжировку или транскрипцию (отображается как «arr.» Или «trans.» В списке программ), на экзамене должно использоваться издание, указанное в программе. Для всех других произведений редакции указаны только для ознакомления, и кандидаты могут использовать любое издание по своему выбору (напечатанное, распечатанное или загружаемое).Подробные сведения о поиске музыки для экзамена см. В разделе Получение музыки для экзамена.

Интерпретация оценки : Печатные редакционные предложения, такие как аппликатура, поклон, метрономные отметки, изготовление украшений и т. Д., Не требуют строгого соблюдения. Независимо от того, содержит ли произведение музыкальное сопровождение или нет, кандидатам рекомендуется интерпретировать партитуру музыкально и стилистически. Оценка экзаменатора будет определяться тем, как контроль высоты звука, времени, тона, формы и исполнения способствует общему музыкальному результату.

Вибрато : Использование и управление вибрато, а также его влияние на тон и форму будут приниматься во внимание экзаменаторами, которые будут оценивать общий музыкальный результат. Пьесы, которые в значительной степени зависят от вибрато для их полного музыкального эффекта, как правило, не появляются в программе до 5 класса.

Повторы : Если в программе не указано иное, следует соблюдать все указания da capo и dal segno, но другие повторы (включая такты в первый раз) не должны воспроизводиться, если они не очень короткие (т.е. несколько баров).

Каденции и туттисы : Каденции не должны воспроизводиться, если в программе не указано иное. Аккомпаниаторам следует вырезать длинные оркестровые фрагменты тутти.

Исполнение по памяти : Кандидаты могут исполнять любое свое произведение по памяти; при этом они должны убедиться, что копия музыки доступна для экзаменатора. За игру по памяти дополнительных оценок не начисляется.

Перелистывание страниц : Экзаменаторы будут понимать, если перелистывание страниц приводит к нарушению непрерывности во время работы, и это не повлияет на оценку.Кандидаты (и концертмейстеры) могут использовать дополнительную копию музыки или фотокопию части пьесы (но см. «Фотокопии» ниже) для облегчения перелистывания страниц. Кандидаты и концертмейстеры 6–8 классов могут привести на экзамен переводчика, если нет решения для особенно неудобного перелистывания страниц (предварительное разрешение не требуется; переводчик может быть учителем кандидата). Эксперты не могут помочь с перелистыванием страниц.

Фотокопии : Изготовление с несанкционированных фотокопий (или других видов копий) изданий, защищенных авторским правом, запрещено.ABRSM может удержать результат экзамена, если есть доказательства использования незаконной копии (или копий). В Великобритании копии могут использоваться в определенных ограниченных обстоятельствах — для получения полной информации см. Кодекс добросовестной практики MPA на сайте www.mpaonline.org.uk. Во всех остальных случаях необходимо подать заявку правообладателю до того, как будет сделана какая-либо копия, и на экзамен необходимо предоставить доказательства разрешения.

Что было до Большого взрыва?

Это самый фундаментальный вопрос космологии: как возникла Вселенная?

Вопрос предполагает, что у Вселенной была фактическая отправная точка, но с таким же успехом можно предположить, что Вселенная всегда была и всегда будет.В этом случае не было бы никакого начала — просто постоянно развивающаяся история, на которую мы лишь мельком наблюдаем.

«У нас есть очень веские доказательства того, что был Большой взрыв, так что вселенная в том виде, в каком мы его знаем, почти наверняка возникла около 14 миллиардов лет назад. Но было ли это абсолютным началом или что-то было до этого? » — спрашивает Александр Виленкин, космолог из Университета Тафтса недалеко от Бостона. Это похоже на вопрос, на который никогда нельзя дать истинного ответа, потому что каждый раз, когда кто-то предлагает решение, кто-то может продолжать задавать раздражающий вопрос: что произошло до этого?

Но теперь Виленкин говорит, что у него есть убедительные доказательства: у Вселенной было отчетливое начало, хотя он не может точно определить время.По его словам, после 35 лет оглядки назад он обнаружил, что до нашей Вселенной не было ничего, вообще ничего, даже самого времени.

За всю свою карьеру, включая более 20 лет, которые он возглавлял Институтом космологии Тафтса, Виленкин выдвинул ряд безумных, ослепительных идей, хотя со стороны он не выглядит ни диким, ни ослепляющим. 64-летний профессор мягок, аккуратен и скромного телосложения. Он одевается аккуратно, в нейтральных, сдержанных тонах, которые не привлекают к нему внимания.

Несмотря на сдержанную манеру, граничащую с покорностью, Виленкин — творческая сила, которая постоянно находила способы разорвать туман, окружающий некоторые из самых трудных ситуаций, которые только можно вообразить, — триумфы, которые снискали ему уважение ученых всего мира. «Алекс — очень оригинальный и глубокий мыслитель, который внес важный и глубокий вклад в наши представления о сотворении Вселенной», — говорит космолог из Стэнфорда Андрей Линде.

Но этой блестящей карьеры могло и не случиться.Виленкин родился в Советском Союзе в 1949 году и вырос в украинском городе Харькове. Он увлекся космологией в средней школе, прочитав о Большом взрыве в книге сэра Артура Эддингтона. Эта «одержимость» происхождением Вселенной, говорит Виленкин, «никогда не покидала меня. Я чувствовал, что если вы могли бы поработать над этим вопросом, который может быть самым интригующим из всех, почему вы бы решили работать над чем-то еще? »

Будучи студентом Харьковского национального университета, Виленкин говорит, что ему посоветовали «заняться настоящей физикой», а не заниматься своей первой любовью, космологией.Хотя он был отличником, он не мог поступить в аспирантуру по физике, потому что, как он подозревает, КГБ внесло его в черный список за отказ стать государственным информатором. Вместо этого Виленкин был вынужден взять на себя ряд обыденных работ. Какое-то время он преподавал в вечерней школе для взрослых, но оставил эту должность, потому что в его обязанности входило ходить в дома отсутствующих, многие из которых были алкоголиками, и пытаться затащить их в школу — занятие незавидное.

Около полутора лет работал ночным сторожем, в том числе в Харьковском зоопарке.Чтобы защитить животных (на которых иногда охотились ради пропитания), ему дали ружье, которое он не умел использовать и, к счастью, никогда не стрелял. Когда у него было время в течение этих долгих ночей, Виленкин изучал физику, занятие, которое включало чтение четырехтомного собрания сочинений Альберта Эйнштейна. Его уволили с этого несбыточного задания, когда кто-то решил — возможно, на основании его выбора материала для чтения — что он слишком квалифицирован для выполнения поставленной задачи.

Поскольку его перспективы трудоустройства казались мрачными, он решил эмигрировать в Соединенные Штаты; он полагал, что начал мыть посуду, пытаясь прорваться в академическую среду.Но для выхода из Советского Союза требовался тщательно продуманный план: евреям, таким как он, разрешалось поехать в Израиль в небольшом количестве, определяемом квотой, но сначала нужно было получить приглашение от израильских родственников. У Виленкина там не было реальных родственников, поэтому он связался с другом, который знал людей в Израиле, и в конце концов нашел кого-то — незнакомого ему человека — достаточно любезного, чтобы написать письмо от его имени.

После того, как пришло письмо, он год ждал визу, но это было дорого. Прежде чем Виленкин и его жена смогли уехать, их родители должны были дать согласие на переезд.За разрешение родители его жены потеряли работу в лаборатории. Его отец, профессор университета, позже тоже потерял работу. Традиционной остановкой по пути в Израиль была Вена, но оттуда Виленкин, его жена и годовалая дочь вместо этого отправились в Рим, прибыв туда в 1976 году. Они встретились с представителями консульства США в Риме и, после трехмесячного ожидания, наконец получил визу в США.

Назад к Большому взрыву

Осенью 1977 года Виленкин получил докторскую степень в Case Western Reserve, где он должен был изучать электрические свойства нагретых металлов.Тем не менее, он нашел время, чтобы теоретизировать о вращающихся черных дырах и их загадочных магнитных полях. Год спустя ему повезло, когда Тафтс предложил ему одну годичную должность гостя. Он рискнул, погрузившись в космологию, которую в то время считали маргинальной.

Это скоро изменится. В конце 1979 года постдок из Стэнфорда по физике по имени Алан Гут предложил объяснение взрывной силы, лежащей в основе Большого взрыва. Интеллектуальный скачок Гута был основан на теориях физики элементарных частиц, которые утверждали, что при чрезвычайно высоких энергиях — гораздо более высоких, чем когда-либо можно было бы достичь в лаборатории — особое состояние материи перевернет гравитацию с ног на голову, сделав ее отталкивающей, а не силой притяжения.

Кусочек космоса, содержащий крошечный кусочек этой необычной материи, мог отталкиваться с такой силой, что буквально взорвался. Гут предположил, что такая огромная вспышка спровоцировала Большой взрыв, стремительно увеличив Вселенную до такой степени, что она увеличилась вдвое, по крайней мере, в 100 раз. Этот скачок экспоненциального роста, называемый космической инфляцией, был кратковременным, однако длился всего лишь крошечные доли секунды, потому что отталкивающий материал быстро распался, оставив позади более знакомые формы материи и энергии, которые сегодня заполняют Вселенную.

Идея одновременно решила ряд космологических загадок. Он объяснил, откуда произошел «взрыв» Большого взрыва и как космос стал таким большим. Быстрая инфляция во всех направлениях также объяснила, почему Вселенная, которую мы сейчас наблюдаем, настолько однородна, и почему температура фонового излучения, оставшегося от этого первичного взрыва, одинакова на каждом участке неба и составляет одну сотую тысячную. Инфляция также возродила космологию, дав таким теоретикам, как Виленкин, много поводов для размышлений — и вдобавок немного большей респектабельности.

Бесконечная история

К 1982 году, через пару лет после прорыва Гута, Виленкин осознал собственное осознание: процесс инфляции должен быть вечным, а это означает, что однажды начавшись, он никогда полностью не прекратится. Инфляция может внезапно закончиться в одном регионе пространства, таком как тот, который мы населяем, но она продолжится в другом месте, вызывая нескончаемую серию больших взрывов. Каждый взрыв будет соответствовать рождению отдельной «карманной» вселенной, которую можно представить в виде расширяющегося пузыря — одного из бесчисленных пузырей, плавающих внутри «мультивселенной», как ее иногда называют.

По мнению Виленкина, вечная природа инфляции проистекает из двух конкурирующих свойств космического топлива — материала, отталкивающего гравитацию, который заставляет Вселенную быстро расширяться. С одной стороны, материал был нестабильным, как радиоактивные вещества, и поэтому был обречен на распад. С другой стороны, материал расширялся гораздо быстрее, чем разлагался, поэтому, даже если распад может остановить инфляцию в одних регионах, безудержный рост продолжится в других.

(Источник: Роен Келли / Discover)

В качестве аналогии Виленкин предлагает сгусток бактерий, который хочет продолжать размножаться и расти, в то время как антитела, убивающие бактерии, пытаются остановить этот рост.Если бактерии размножаются намного быстрее, чем уничтожаются, они будут быстро размножаться и распространяться, даже если их размножение может быть затруднено в некоторых районах. Как бы то ни было, в конечном итоге инфляция (или рост бактерий) никогда не заканчивается сразу везде и всегда происходит в какой-то части мультивселенной — даже когда вы читаете этот журнал.

Чтобы лучше понять этот феномен, Виленкин в 1986 году объединился с аспирантом Тафтса Мукундой Арьялом над компьютерным моделированием, которое показало, как может выглядеть вечно надувающаяся Вселенная.В их моделировании надувающиеся области или пузыри начинались с малого и неуклонно росли, в то время как пространство между пузырями также увеличивалось. Каждый пузырь, представляющий мини-вселенную, подобную нашей, был окружен более мелкими пузырями, которые, в свою очередь, были окружены еще более мелкими пузырьковыми вселенными.

Дорога в вечность

В бурлящей Вселенной Виленкина инфляция по определению вечна в будущем. Однажды начавшись, это не остановится. Но было ли это тоже вечным в прошлом? Было ли когда-нибудь время, когда Вселенная не надувалась? И если бы Вселенная всегда надувалась и всегда расширялась, означало бы это, что сама Вселенная вечна и не имеет начала?

Чтобы ответить на этот вопрос, Виленкин объединил усилия с Гутом и математиком из Университета Лонг-Айленда Арвиндом Бордом.Используя математическое доказательство, они утверждали, что любая расширяющаяся Вселенная, подобная нашей, должна иметь начало. Мысленный эксперимент, который они поставили, выглядел так: представьте себе вселенную, наполненную частицами. По мере того, как он неуклонно расширяется, расстояние между частицами увеличивается. Отсюда следует, что наблюдатели, рассыпанные по всей этой расширяющейся Вселенной, будут удаляться друг от друга, пока, в конце концов, не займут широко разбросанные области пространства. Если бы вы оказались одним из таких наблюдателей, то чем дальше от вас находился объект, тем быстрее он удалялся бы.

А теперь добавьте сюда космического путешественника, движущегося в космосе с фиксированной скоростью: он проносится мимо Земли со скоростью 100 000 километров в секунду. Но когда он достигнет следующей галактики, которая удаляется от нас, скажем, со скоростью 20 000 километров в секунду, наблюдателям там будет казаться, что он движется только 80 000 километров в секунду. По мере того как он продолжает свое путешествие, скорость космического путешественника будет казаться все меньше и меньше наблюдателям, мимо которых он проходит. Теперь запустим фильм в обратном направлении. На этот раз скорость космического путешественника будет становиться все быстрее и быстрее в каждой последующей галактике.

Если мы предположим, что инфляция вечна в прошлом — что у нее не было начала, — космический путешественник в конечном итоге достигнет скорости света и превзойдет ее. Расчет Борд, Гута и Виленкина показал, что это произойдет за конечный промежуток времени. Но согласно законам относительности, ни один массивный объект не может достичь скорости света, не говоря уже о ее превышении. «Этого не может быть», — говорит Виленкин. «Итак, если вы проследите историю этого космического путешественника во времени, вы обнаружите, что его истории должен прийти конец.

Тот факт, что путешествие путешественника назад во времени заходит в тупик, означает, что с логической точки зрения существует проблема с предположением о постоянно расширяющейся Вселенной, на которой основан весь этот сценарий. Другими словами, Вселенная не всегда могла расширяться. Его расширение должно было иметь начало, и инфляция — особенно взрывная форма космического расширения — должна была иметь начало. Согласно этой логике, наша Вселенная также имела начало, поскольку она была порождена инфляционным процессом, который вечен для будущего, но не для прошлого.

Что-то из ничего

Вселенная с началом вызывает неприятный вопрос: как она возникла? Ответ Виленкина ни в коем случае не подтвержден и, возможно, никогда не может быть подтвержден, но это все же лучшее решение, которое он слышал до сих пор: возможно, наша фантастическая, великолепная вселенная возникла спонтанно из ничего. Это еретическое заявление противоречит здравому смыслу, который, по общему признанию, подводит нас, когда мы говорим о рождении Вселенной, событии, которое, как считается, происходит при невероятно высоких энергиях.Это также бросает вызов римскому философу Лукрецию, который более 2000 лет назад утверждал, что «ничто не может быть создано из ничего».

Конечно, Лукреций никогда не слышал о квантовой механике и инфляционной космологии, областях 20-го века, которые опровергают его смелое заявление. «Мы обычно говорим, что ничего не может быть создано из ничего, потому что мы думаем, что это нарушило бы закон сохранения энергии» — священный принцип физики, согласно которому энергия не может быть ни создана, ни уничтожена, — объясняет Виленкин.Итак, как вы могли создать вселенную с материей в ней, где раньше ничего не было?

«Вселенная решает эту проблему с отрицательной гравитационной энергией», — говорит Виленкин. Это следствие того факта, который математически доказан, что энергия замкнутой Вселенной равна нулю: энергия материи положительна, энергия гравитации отрицательна, и они всегда в сумме равны нулю. «Следовательно, создание закрытой Вселенной из ничего не нарушает никаких законов сохранения.

Расчеты Виленкина показывают, что Вселенная, созданная из ничего, скорее всего, действительно будет крошечной — намного, намного меньше, чем, скажем, протон. Если в этом крошечном царстве будет хоть немного материала, обладающего отталкивающей гравитацией, этого будет достаточно, чтобы гарантировать, что он зажжет неудержимый процесс вечной инфляции, ведущий к вселенной, в которой мы живем сегодня. Если теория верна, мы обязаны своим существованием самому скромному происхождению: ничему самому.

Одно из достоинств этой картины, если она верна, состоит в том, что спонтанное создание нашей вселенной дает определенную отправную точку для вещей.Время начинается в момент творения, устраняя потенциально бесконечные вопросы о том, «что произошло до этого».

Однако это объяснение все еще оставляет без внимания огромную загадку. Хотя вселенная, согласно схеме Виленкина, может возникнуть из ничего в том смысле, что в ней нет пространства, времени или материи, что-то есть заранее, а именно законы физики. Эти законы управляют моментом создания чего-то из ничего, что дает начало нашей Вселенной, а также они управляют вечной инфляцией, которая наступает в первую наносекунду времени.

Это вызывает некоторые неудобные вопросы: где находились законы физики до того, как появилась вселенная, к которой их можно было применить? Существуют ли они независимо от пространства или времени? «Это великая загадка, откуда пришли законы физики. Мы даже не знаем, как к этому подойти », — признается Виленкин. «Но до того, как появилась инфляция, мы даже не знали, как подойти к вопросам, которые позже решила инфляция. Так что кто знает, может, мы преодолеем и этот барьер ».

В фильме Клинта Иствуда «Magnum Force» Гарри Каллахан говорит: «Человек должен знать свои ограничения», но работа Виленкина является свидетельством того, что он выходит за традиционные рамки.Если мы упорствуем перед лицом скептицизма и сомнений, к чему часто склонен Виленкин, вполне могут возникнуть интересные и неожиданные идеи — точно так же, как вселенная, возникающая из ниоткуда.

Устранение лазеек

Лазейка # 1

Чтобы подтвердить свою гипотезу, Виленкин изучил другие модельные вселенные, устранив лазейки, которые противоречат идее четкого космического дебюта. В статье 2012 года с аспирантом Тафтса Одри Митани Виленкин исследовал «циклическую» вселенную, исследованную физиками Полом Стейнхардтом из Принстонского университета и Нилом Туроком, ныне работающим в Институте периметра.

В этой модели нет ни единого Большого Взрыва, ни единого начала. Вместо этого Вселенная постоянно проходит через колеблющиеся циклы расширения, сжатия, коллапса и расширения. Загвоздка в том, что циклическая Вселенная подчиняется второму закону термодинамики, согласно которому энтропия или беспорядок замкнутой системы со временем неизбежно возрастет.

Классическая циклическая вселенная (Источник: Роен Келли / Discover)

Например, богато украшенный кирпичный особняк очень упорядочен, а куча кирпичей, разбросанная по земле — результат разрушительного воздействия природы и десятилетий или столетий пренебрежения — более беспорядочный.А кирпичная пыль, разлетевшаяся ветром и водой после того, как сами кирпичи испортились, еще более беспорядочная. Сама по себе система — даже пузырьковая вселенная — естественным образом пойдет по этому пути. Мы не часто видим кирпичный особняк, самопроизвольно собирающийся из разросшейся пыли.

Если бы наша Вселенная была здесь вечно и поддерживала стабильный размер, она тоже поддалась бы второму закону. Беспорядок неумолимо увеличился бы до такой степени, что Вселенная теперь превратилась бы в сглаженное безликое пятно.Но это совсем не то, что мы видим. Вместо этого мы видим вселенную, заполненную грандиозными космическими структурами — галактиками, скоплениями галактик, скоплениями скоплений, называемыми сверхскоплениями, и скоплениями сверхскоплений, называемыми нитями галактик, — некоторые из последних простираются на миллиард или более световых лет в поперечнике.

Модифицированная циклическая вселенная (Источник: Роен Келли / Discover)

По этой причине Виленкин исключает циклическую картину вселенной, если только не делается дополнительное предположение, что после каждого цикла расширения и сжатия Вселенная оказывается несколько больше, чем когда она была начал.Оговорка оставит нас с другой расширяющейся вселенной, а это означает, что исходная теорема Борд-Гут-Виленкин будет по-прежнему применяться: у вечно расширяющейся вселенной должно быть единственное начало.

Loophole # 2

Другая возможная лазейка — это сценарий «космического яйца», модель вселенной, выдвинутая, в частности, южноафриканским космологом Джорджем Эллисом. Согласно этой точке зрения, Вселенная может вечно находиться в стабильной конфигурации с фиксированным размером и радиусом, пока она внезапно не начнет расширяться — как вылупившееся яйцо после исключительно долгой фазы инкубации.

Теория космического яйца. (Кредит: Роен Келли / Discover)

Проблема этого предположения, согласно Виленкину и Митани, в том, что малая «стабильная» вселенная в конце концов не так уж и стабильна. Когда-нибудь во время фазы долгого ожидания он рухнет в ничто, прежде чем когда-либо достигнет экспансионистского периода — то есть, если верить законам квантовой механики.

Квантовая механика, преобладающая ветвь физики для описания того, как вещи работают в атомных масштабах, тщательно проверена и чрезвычайно странна.Квантовая механика считает, что если есть хотя бы малейшая вероятность того, что что-то произойдет, как бы абсурдно это ни звучало, это обязательно произойдет, если вы подождете достаточно долго.

Как оказалось, квантово-механические формулы предсказывают малую (но ненулевую) вероятность коллапса Вселенной с космическим яйцом до нулевого размера, после чего бывшая Вселенная полностью исчезнет. Учитывая бесконечный промежуток времени, к которому призывает сценарий космического яйца, такой коллапс был бы неизбежен — даже несмотря на то, что вероятность того, что он произойдет в любой момент времени, невелика — подразумевая, что Вселенная не могла существовать вечно.

В самом деле, говорит Виленкин, среди всех идей, которые мы до сих пор придумали для вселенной без начала, ни одна из них, похоже, не работает. «Так что ответ на вопрос, было ли у Вселенной начало — да, вероятно, имело место».

Эта статья изначально была напечатана как «Отправная точка».

принцип посредственности | Астрономия и геофизика

T Вселенная, которую мы знаем, возникла в результате большого взрыва, который мы называем Большим взрывом.В течение почти столетия космологи изучали последствия этого взрыва: как Вселенная расширялась и охлаждалась, как галактики постепенно сближались под действием гравитации и т. Д. Природа самого Большого взрыва стала предметом внимания только относительно недавно. Это предмет теории инфляции, которая была разработана в начале 1980-х Аланом Гутом, Андреем Линде и другими и привела к радикально новой глобальной картине Вселенной. Согласно этой новой картине, удаленные области за нашим горизонтом разительно отличаются от того, что мы наблюдаем здесь, и даже могут подчиняться другим законам физики.Здесь я расскажу о происхождении нового мировоззрения, его возможных наблюдательных тестах и ​​его последствиях для начала и конца Вселенной.

Начну с краткого обзора теории инфляции. Ключевую роль в этой теории играет своеобразная сущность, называемая «ложным вакуумом». Вакуум — это просто пустое пространство, но, согласно современной физике элементарных частиц, он сильно отличается от «ничего». Это физический объект, наделенный плотностью энергии и давлением, который может находиться в нескольких различных состояниях.Физики элементарных частиц называют эти состояния различными вакуумами. Свойства и типы элементарных частиц различаются от одного вакуума к другому. Гравитационная сила, создаваемая ложным вакуумом, весьма своеобразна: она отталкивающая. Чем выше энергия вакуума, тем сильнее отталкивание. Слово «ложь» относится к тому факту, что этот вид вакуума нестабилен. Он распадается на низкоэнергетический вакуум, подобный нашему, и избыточная энергия идет на создание горячего огненного шара из частиц и излучения.Я должен подчеркнуть, что ложные вакуумы с этими странными свойствами не были изобретены для целей инфляции: их существование следует из физики элементарных частиц и общей теории относительности.

Теория инфляции предполагает, что в какой-то ранний период своей истории Вселенная находилась в состоянии высокоэнергетического ложного вакуума. Почему так должно быть — хороший вопрос, и мне будет что сказать по этому поводу позже в этой статье. Отталкивающая гравитационная сила, создаваемая этим вакуумом, затем вызовет сверхбыстрое экспоненциальное расширение Вселенной.Существует характерное время — время удвоения, — за которое размер Вселенной удвоится. Это похоже на экономическую инфляцию: если уровень инфляции постоянный, цены будут удваиваться, скажем, каждые 10 лет. Космическая инфляция происходит намного быстрее: в зависимости от модели время удвоения может составлять всего 10 ⁻³⁷ секунд. Примерно за 330 удвоений размер Вселенной увеличится в 10 ¹⁰⁰ раз. Каким бы ни был ее первоначальный размер, Вселенная очень быстро станет огромной.Поскольку ложный вакуум нестабилен, он в конечном итоге распадается, образуя горячий огненный шар, и это конец инфляции. Огненный шар продолжает расширяться по инерции и развивается в соответствии со стандартной космологией Большого взрыва. Распад ложного вакуума играет роль Большого взрыва в этом сценарии.

Теория инфляции объяснила некоторые в остальном загадочные особенности Большого взрыва, которые раньше просто нужно было постулировать. Он объяснил расширение Вселенной (это связано с отталкивающей гравитацией ложного вакуума), ее высокую температуру (из-за высокой плотности энергии ложного вакуума) и ее наблюдаемую однородность (ложный вакуум очень однороден: не считая квантовых флуктуаций, имеет постоянную плотность энергии).Теория также сделала ряд проверяемых предсказаний. Он предсказал, что на самых больших наблюдаемых масштабах Вселенная должна быть точно описана плоской евклидовой геометрией. Он также предсказал почти масштабно-инвариантный спектр малых возмущений гауссовой плотности. Эти предсказания были убедительно подтверждены наблюдениями. К настоящему времени инфляция стала ведущей космологической парадигмой.

Вечная инфляция

Теперь, когда теория инфляции подтверждается данными в нашем наблюдаемом регионе, мы должны иметь некоторое доверие к тому, что они говорят нам о большой картине — структуре Вселенной за пределами нашего космического горизонта.

Конец инфляции вызван квантовыми вероятностными процессами и не происходит сразу везде. Области, где ложный вакуум распадается несколько позже, «награждаются» большим инфляционным расширением, поэтому области ложного вакуума имеют тенденцию размножаться быстрее, чем распадаться. В нашем космическом районе инфляция закончилась 13,7 миллиарда лет назад, но, вероятно, она все еще продолжается в отдаленных частях Вселенной, а другие «нормальные» регионы, подобные нашей, постоянно формируются. Этот нескончаемый процесс называется вечной инфляцией.Вечная природа инфляции не автоматическая, но очень общая. Практически все модели инфляции, которые обсуждались до сих пор, предсказывают вечную инфляцию.

Детали распада ложного вакуума зависят от модели; здесь я сосредоточусь на моделях, в которых это происходит за счет зарождения пузырьков. Затем области с низкой энергией выглядят как крошечные микроскопические пузырьки и сразу же начинают расти со скоростью, быстро приближающейся к скорости света. Пузыри беспрестанно растут; тем временем они раздвигаются инфляционным расширением, освобождая место для образования большего количества пузырей.Мы живем в одном из пузырей и можем наблюдать лишь небольшую его часть. Независимо от того, как быстро мы путешествуем, мы не можем догнать расширяющиеся границы нашего пузыря, поэтому для всех практических целей мы живем в замкнутой пузырьковой вселенной. В ходе вечной инфляции будет образовываться неограниченное количество пузырей. (Обзор инфляции, включая вечную инфляцию, см., Например, в Guth and Kaiser 2005.)

Лекции Уитроу

Лекции Уитроу были созданы благодаря наследию Джеральда Уитроу, который умер в 2000 году.Карьера профессора Уитроу охватывала астрофизику, космологию, историю и философию времени, и он много работал над тем, чтобы наука охватила как можно более широкую аудиторию. Лекции Уитроу охватывают темы космологии, обычно с особым упором на философские аспекты предмета. Обычно они выдаются раз в два года.

Метафизическая интерлюдия

Здесь я хотел бы упомянуть замечательное и, на мой взгляд, несколько тревожное следствие этой картины Вселенной (Гаррига, Виленкин, 2001).Поскольку количество пузырьковых вселенных неограниченно, и каждая из них неограниченно расширяется, они будут содержать неограниченное количество областей размером с наш горизонт. В каждой из этих областей начальные условия при Большом взрыве задаются случайными квантовыми процессами во время инфляции, поэтому все возможные начальные условия будут реализованы с некоторой вероятностью.

Ключевым моментом является то, что количество различных состояний, в которых может находиться любая такая область, конечно. Как это возможно? Я могу, например, переместить свой стул на один сантиметр, на полсантиметра, на четверть сантиметра и так далее, и, по-видимому, у меня есть бесконечное количество возможных состояний прямо здесь — потому что я могу перемещать его на бесконечное расстояние. количество возможных смещений, которые становятся все меньше и меньше.Однако состояния, которые слишком близки друг к другу, невозможно различить даже в принципе из-за квантовой неопределенности. Итак, квантовая механика говорит нам, что количество различных состояний (в конечном объеме) конечно. Число квантовых состояний в нашей наблюдаемой области оценивается как N ∼ exp (10 ¹²² ). Это невообразимо большое количество. Но важно то, что это не бесконечно.

Таким образом, мы имеем конечное число состояний, возникающих в бесконечном числе областей.Неизбежный вывод состоит в том, что каждое состояние с ненулевой вероятностью встречается бесконечное количество раз. В частности, существует бесконечное количество Земель, идентичных нашей. Это означает, что это предложение сейчас читают десятки ваших точных копий. Также должны быть регионы со всеми возможными вариациями. Например, в некоторых регионах имя вашей собаки отличается, а в других по Земле все еще бродят динозавры. Теперь вам может быть интересно, происходит ли все это одновременно.На этот вопрос нет однозначного ответа, потому что время и одновременность не определены однозначно в общей теории относительности. Если, например, мы используем плотность материи в качестве временной переменной во вселенной пузыря, то в каждый момент времени внутренность пузыря представляет собой бесконечное гиперболическое пространство, и у каждого из нас есть бесконечное количество дубликатов, которые в настоящее время живут в нашем пузыре.

Обратите внимание, что бесконечность пространства (или времени) сама по себе недостаточна для подтверждения этих выводов. Мы могли бы, например, иметь одну и ту же галактику, бесконечно повторяющуюся в бесконечном пространстве.Итак, нам нужен некий «рандомизатор», стохастический механизм, который выбирал бы начальные состояния для разных регионов из множества всех возможных состояний. Даже тогда весь набор не может быть исчерпан, если общее количество состояний бесконечно. Таким образом, конечность N важна для аргументации. В случае вечной инфляции конечность N и случайность начальных условий гарантируются квантовой механикой.

Мультивселенная

До сих пор я предполагал, что другие пузырьковые вселенные похожи на нашу по своим физическим свойствам.Но так быть не должно. Теория струн, которая в настоящее время является нашим лучшим кандидатом в фундаментальную теорию природы, допускает огромное количество решений, описывающих вакуум с различными физическими свойствами. Эти решения характеризуются различными компактификациями дополнительных измерений, бранами, обернутыми вокруг дополнительных измерений различными способами, и т. Д. Число возможностей комбинаторно и может достигать 10 ⁵⁰⁰ (Lerche et al. 1987, Bousso and Полчинский, 2000).Каждое решение соответствует вакууму со своими типами элементарных частиц и своими значениями констант Природы.

Теперь объедините это с теорией инфляции. Где бы они ни происходили во Вселенной, вакуум высоких энергий будет приводить к экспоненциальному инфляционному расширению. Переходы между различными вакуумами будут происходить посредством зарождения пузырьков, поэтому пузырьки будут внутри пузырьков внутри пузырьков. Каждый тип пузыря имеет определенную вероятность образования в надувном пространстве. Так что в процессе вечной инфляции неизбежно будет образовываться неограниченное количество пузырей всех возможных типов.

Эта картина Вселенной, или мультивселенной, как ее называют, объясняет давнюю загадку того, почему константы Природы, кажется, точно настроены для возникновения жизни (см., Например, Linde 1990). Приведу только один пример: массу нейтрона. В нашей Вселенной нейтроны немного тяжелее протонов. Изолированный нейтрон распадается на протон, электрон и антинейтрино, но нейтроны, связанные в атомных ядрах, стабилизируются ядерными силами. Предположим теперь, что мы уменьшили массу нейтрона на 1%.Тогда нейтроны станут легче протонов, и это позволит протонам распасться на нейтроны и более легкие частицы. В результате атомные ядра потеряют свой электрический заряд. Так что электронам в атомах нечего будет удерживать, и они улетят. Таким образом, если масса нейтрона уменьшится на 1%, мы окажемся во Вселенной без атомов, и трудно представить, как жизнь, похожая на нашу, могла существовать в таком месте.

Теперь, если мы увеличим массу нейтрона на 1%, он станет настолько массивным, что распадается даже внутри ядра, превращаясь в протон.Затем электрическое отталкивание между протонами разорвет ядро ​​на части, и единственным возможным атомом будет один протон, соединенный с электроном, которым является водород. Опять же, трудно понять, как возможна жизнь во Вселенной без каких-либо химических элементов, кроме водорода.

Аналогичная ситуация и с другими константами. Если вы измените их на относительно небольшие количества, вы получите вселенную, непригодную для жизни. Похоже, это наводит на мысль, что константы были точно настроены Создателем, чтобы создать биологически чистую вселенную, в которой мы могли бы жить — именно то, о чем с самого начала говорили нам сторонники разумного замысла!

Картина мультивселенной предлагает другое объяснение.Константы Природы принимают широкий диапазон значений, меняясь от одного пузыря к другому. Интеллектуальные наблюдатели существуют только в тех редких пузырях, в которых по чистой случайности константы оказываются подходящими для развития жизни. Остальная часть мультивселенной остается бесплодной, но некому жаловаться на это. (Нетехнический обзор идей мультивселенной см. Виленкин 2006, Сасскинд 2006, Грин 2011.)

Некоторые из моих коллег считают теорию мультивселенной тревожной. Любая теория в физике стоит или падает в зависимости от того, согласуются ли ее предсказания с данными.Но как мы можем проверить существование других пузырьковых вселенных? Некоторые выдающиеся космологи, такие как Пол Стейнхардт и Джордж Эллис, даже утверждали, что теория мультивселенной ненаучна, потому что ее нельзя проверить даже в принципе.

«Константы Природы принимают широкий диапазон значений, меняясь от одного пузыря к другому»

Удивительно, но на самом деле возможно проведение наблюдательных тестов изображения мультивселенной. Одна из возможностей состоит в том, чтобы искать подписи наблюдений за столкновениями пузырьков.По мере расширения наш пузырь время от времени сталкивается с другими пузырьками. Фактически, в ходе своей истории он испытает бесконечное количество столкновений. Каждое такое столкновение создаст отпечаток в космическом микроволновом фоне (CMB), состоящий из круглого пятна с большей или меньшей интенсивностью излучения (Aguirre and Johnson 2011, Kleban 2011). Также прогнозируется, что поляризация CMB внутри пятен будет иметь характерную картину (Czech et al. 2011). Обнаружение пятна, которое имеет предсказанные характеристики и стоит значительно выше фона, предоставит прямое свидетельство существования других пузырьковых вселенных.Сейчас ведутся поиски (Фини и др. 2011), но, к сожалению, нет гарантии, что столкновение пузырей произошло в пределах нашего космического горизонта. Следовательно, неспособность найти признаки столкновения пузырьков на микроволновом небе не может рассматриваться как свидетельство против вечной инфляции.

Другая интересная возможность состоит в том, что наша пузырьковая вселенная могла туннелировать из надувного вакуума, где некоторые из наших трех пространственных измерений были компактифицированы. Тогда можно надеяться обнаружить некоторую остаточную асимметрию в скорости расширения или в спектре флуктуаций температуры реликтового излучения.В простой модели с одним изначально компактным измерением этот эффект кажется слишком малым, чтобы его можно было обнаружить (Blanco-Pillado and Salem 2010, Graham et al. 2010), но в других моделях ситуация может быть более благоприятной.

Принцип посредственности

Как и в уголовном процессе, при отсутствии прямых доказательств мультивселенной можно искать косвенные или косвенные доказательства. Идея состоит в том, чтобы использовать нашу теоретическую модель мультивселенной для предсказания констант Природы, которые мы можем ожидать измерить в нашем локальном регионе.Одним из критериев отбора является так называемый антропный принцип, впервые введенный Брэндоном Картером (1974). В литературе есть много различных формулировок этого принципа, но большинство людей понимают его как констатацию очевидного факта, что мы можем ожидать измерения только таких значений констант, которые согласуются с существованием жизни. Однако этот «принцип» гарантированно верен, поэтому он не очень полезен для проверки теории.

Чтобы делать проверяемые прогнозы, мы должны использовать несколько иной подход (Виленкин, 1995).Мы можем использовать теорию, чтобы получить распределение вероятностей для констант, измеренных случайно выбранным наблюдателем в мультивселенной. Предполагая, что мы типичные наблюдатели — предположение, которое я назвал принципом посредственности — мы можем затем предсказать ожидаемый диапазон значений констант в нашем пузыре. Ширина этого диапазона будет зависеть от уровня достоверности, на котором мы хотим сделать прогноз. Например, если желаемый уровень достоверности составляет 95%, мы должны отбросить 2,5% на обоих хвостах распределения.Подобные идеи были предложены Готтом (1993), Лесли (1989), Пейджем (1996) и Бостромом (2002); на самом деле интерпретация антропного принципа Картером была близка к принципу посредственности.

Эта стратегия была применена к плотности энергии нашего вакуума ρ _ν , также известной как «темная энергия». Стивен Вайнберг (1987) (см. Также Linde 1987) отметил, что в областях, где ρν велико, Вселенная очень быстро расширяется, предотвращая скопление вещества в галактики и звезды.Наблюдатели вряд ли появятся в таких регионах. Значения ρν, намного меньшие, чем необходимо для образования галактик, требуют ненужной тонкой настройки и также маловероятны. Расчеты показали, что большинство галактик (и, следовательно, большинство наблюдателей) находятся в областях, где плотность темной энергии примерно такая же, как плотность вещества в эпоху образования галактик. Таким образом, предсказывается, что аналогичное значение должно наблюдаться в нашей части Вселенной (обзор и ссылки см. Виленкин 2007).

По большей части физики не воспринимали эти идеи всерьез, но, к их большому удивлению, темная энергия примерно ожидаемой величины была обнаружена в астрономических наблюдениях в конце 1990-х годов. На данный момент нет альтернативных объяснений наблюдаемого значения ρν. Это может быть нашим первым доказательством того, что действительно существует огромная мультивселенная. Это изменило многие мнения.

Действительно ли мы типичные?

Принцип посредственности был предметом многочисленных споров.Он утверждает, что мы типичные наблюдатели, но в мультивселенной всегда найдутся несчастные существа, которые будут измерять нетипичные значения констант. Как мы можем быть уверены, что мы не они? Хартл и Средницки (2007) утверждали, например, что мы никогда не должны считать себя типичными для определенного класса наблюдателей, если у нас нет доказательств, подтверждающих это предположение. Принцип посредственности делает противоположное утверждение: мы должны считать себя типичными для любого класса, к которому мы принадлежим, если нет каких-либо доказательств обратного (Гаррига и Виленкин, 2008).

На самом деле, я удивлен, что этот вопрос настолько противоречив, поскольку можно легко убедить себя, что принцип посредственности обеспечивает выигрышную стратегию ставок. Я проиллюстрирую это на простом примере. Представьте, что когда вы приходите на собрание Королевского общества, организаторы надевают на вас белую или черную шляпу. Они сняли все зеркала, поэтому ты не знаешь цвета своей шляпы. Однако вы замечаете, что 80% людей вокруг вас носят белые шляпы, а 20% — черные.Может быть, а может и не быть какой-то системы в отношении того, как распределяются шляпы. Например, цвет может соответствовать вашему полу, возрасту, росту и т. Д., Но вы не знаете.

Теперь, чтобы зарегистрироваться на встречу, вы должны поставить 100 фунтов стерлингов на цвет вашей шляпы. Как ты собираешься делать ставки? Одна из стратегий состоит в том, чтобы предположить, что вы типичный среди участников, и сделать ставку на то, что ваша шляпа белая. Другой подход — сказать, что вы действительно не знаете, типичный вы или нет. Затем вы бросаете монету и делаете ставку наугад.При первом выборе выиграют 80% людей, а при втором выборе — только 50%. Ясно, что принцип посредственности обеспечивает лучшую стратегию ставок. Имея больше информации, вы можете улучшить свои шансы, соответствующим образом сузив свой референсный класс. Например, если вы женщина и заметили, что большинство женщин носит черные шляпы, вы должны держать пари, что ваша шляпа черная.

Задача измерения

Более серьезным вызовом для теории мультивселенной является так называемая проблема меры.Как обсуждалось выше, любое событие с ненулевой вероятностью произойдет в ходе вечной инфляции, и это будет происходить бесконечное количество раз. Статистические прогнозы основаны на относительной частоте событий в пределах t → ∞. Однако обнаруживается, что результат очень сильно зависит от процедуры ограничения. Точнее, это зависит от того, какую переменную мы используем в качестве времени t . Один из возможных вариантов — «собственное время», измеряемое часами сопутствующих наблюдателей.Другой естественный выбор — коэффициент расширения (или масштабный коэффициент) Вселенной. Суть проблемы в том, что объем раздувающейся Вселенной экспоненциально растет со временем, и соответственно растет число всевозможных событий. В результате большинство событий всегда будут находиться рядом со временем отсечки, поэтому неудивительно, что результирующая мера вероятности зависит от того, как именно вводится отсечение.

С другой стороны, прогнозы для мультиполей CMB и темной энергии не очень чувствительны к выбору меры.Но в принципе теория останется неполной, пока мера не будет полностью определена.

Проблема измерения существует уже почти два десятилетия. За это время было предложено несколько различных мер, и их свойства были исследованы (недавний обзор см. Freivogel 2011). Эта работа показала, что некоторые предложения приводят к парадоксам или конфликту с данными, и поэтому от них следует отказаться. Например, измерение собственного времени выполняется довольно плохо, в то время как измерение масштабного коэффициента все еще выполняется.Однако маловероятно, что подобный феноменологический анализ даст уникальный рецепт меры. Это говорит о том, что в нашем понимании космической инфляции может отсутствовать какой-то важный элемент.

Некоторые люди считают, что проблема настолько серьезна, что ставит под серьезное сомнение обоснованность теории инфляции (например, Steinhardt 2011). Но это мнение лишь небольшого меньшинства космологов. Лично я думаю, что ситуация с теорией инфляции аналогична ситуации с теорией эволюции Дарвина около 100 лет назад.Обе теории значительно расширили круг научных исследований, предложив объяснение тому, что ранее считалось невозможным. В обоих случаях объяснение было убедительным, и не было предложено никаких жизнеспособных альтернатив. Теория Дарвина получила широкое признание, хотя некоторые важные аспекты оставались неясными до открытия генетического кода. Теория инфляции может быть столь же неполной и может потребовать дополнительных новых идей. Но в нем тоже есть вид неизбежности.

Начало и конец вселенной

Если инфляция не имеет конца, может ли она не иметь начала? Это позволило бы нам избежать многих непонятных вопросов, связанных с началом Вселенной. Если у вас есть вселенная, ее эволюция описывается законами физики, но как вы описываете ее начало? Что послужило причиной появления Вселенной? А кто устанавливает начальные условия для Вселенной? Было бы привлекательным решением, если бы мы могли сказать, что Вселенная всегда находилась в состоянии вечной инфляции, без начала и без конца.

Однако эта идея наталкивается на неожиданное препятствие. Арвинд Борд, Алан Гут и я (2003) доказали теорему, которая гласит, что, хотя инфляция вечна для будущего, она не может быть вечной для прошлого. Точнее, теорема утверждает, что все геодезические в инфляционном пространстве-времени, за исключением множества нулевой меры, неполны для прошлого. Это означает, что у инфляции должно быть какое-то начало. Затем мы сталкиваемся с вопросом, что происходило до инфляции. И каков бы ни был ответ, мы можем продолжать спрашивать: «А что было до этого?» Таким образом, кажется, что один из самых основных вопросов космологии — «Что было началом Вселенной?» — не имеет удовлетворительного ответа.

Единственный способ обойти эту проблему бесконечной регрессии, который предлагался до сих пор, — это идея о том, что Вселенная может быть спонтанно создана из ничего. Мы часто слышим, что ничего не может произойти из ничего. Действительно, материя имеет положительную энергию, и сохранение энергии требует, чтобы любое начальное состояние имело такую ​​же энергию. Однако это математический факт, что энергия замкнутой Вселенной равна нулю. В такой Вселенной положительная энергия вещества в точности компенсируется отрицательной энергией гравитационного поля, поэтому полная энергия равна нулю.Другой сохраняющейся величиной является электрический заряд, но снова оказывается, что полный заряд должен исчезнуть в замкнутой Вселенной. Это нетрудно понять. Предположим, что Вселенная имеет форму трехмерной сферы, и представьте, что положительный заряд помещен на «южный полюс» этой сферы. Силовые линии, исходящие от заряда, затем сойдутся на северном полюсе, указывая на то, что там должен быть такой же отрицательный заряд. Таким образом, вы не можете добавить электрический заряд где-нибудь в замкнутой вселенной, не добавив противоположный заряд где-нибудь еще.

Если все сохраняющиеся числа закрытой вселенной равны нулю, тогда нет ничего, что могло бы предотвратить спонтанное создание такой вселенной из ничего. В квантовой механике любой процесс, который строго не запрещен законами сохранения, будет происходить с некоторой вероятностью.

Новорожденные вселенные могут иметь различные размеры и могут быть заполнены различными типами вакуума. Анализ показывает, что наиболее вероятными являются вселенные с наименьшим начальным размером и наибольшей энергией вакуума (подробнее см. Виленкин 2006, глава 17).Как только Вселенная сформировалась, она начинает быстро расширяться из-за высокой энергии вакуума. Это дает начало сценарию вечной инфляции.

Вы можете спросить: «Что заставило Вселенную выскочить из ничего?» Удивительно, но причины не нужны. Если у вас есть радиоактивный атом, он распадется, и квантовая механика дает вероятность распада в заданный интервал времени. Но если вы спросите, почему атом распался именно в этот момент, а не в другой, ответ будет таков: причины нет: процесс полностью случайен.Точно так же не нужна причина для квантового создания Вселенной.

Я хотел бы закрыть этот раздел важными новостями о конце света. Часто говорят, что если темная энергия является космологической постоянной, то Вселенная будет продолжать расширяться вечно. Это верно для нашей пузырьковой вселенной в целом, но не для нашего локального региона. В картине мультивселенной должно быть большое количество вакуума с отрицательной энергией, и пузырьки такого вакуума неизбежно будут образовываться в нашем (почти с нулевой энергией) вакууме.В какой-то момент, вероятно, в очень отдаленном будущем, наш район будет охвачен пузырем отрицательной энергии. Тогда расширение локально превратится в сокращение, и наш регион рухнет до сильного сжатия. Пузырь появится без предупреждения, поскольку он расширяется почти со скоростью света. Фактически, он может прямо сейчас устремиться к нам.

Outlook

Таким образом, я описал новое мировоззрение, возникшее из инфляционной космологии.Согласно этой точке зрения, инфляция — это бесконечный процесс, постоянно создающий новые «пузырьковые вселенные» с различными свойствами. Эту картину мультивселенной можно проверить как прямым наблюдением за столкновениями пузырьков, так и косвенно, используя принцип посредственности. Предсказание о темной энергии, основанное на этом принципе, уже подтвердилось. Здесь я упомяну о некоторых других наблюдательных тестах, которые предлагались в литературе.

Потенциально проверяемой особенностью пузырьковых вселенных является их отрицательная пространственная кривизна.Параметр кривизны Ω _k различается для разных пузырьков в зависимости от степени надувания внутри пузырька. Распределение вероятностей для Ω _k было изучено Freivogel et al. (2006) и Де Симоне и Салем (2010). Они обнаружили, что обнаруживаемый диапазон значений кривизны (| Ω _k | ≳ 10 ⁻⁴ ) имеет значительную вероятность, но в то же время широкий хвост распределения простирается до значений, которые слишком мал, чтобы быть обнаруженным.Помимо кривизны, квантовые флуктуации в родительском вакууме могут также создавать характерную особенность в спектре гравитационных волн внутри пузыря. Обнаружение любого из этих эффектов предоставило бы дополнительные доказательства вечной инфляции.

Принцип посредственности также применялся для объяснения количества темной материи во Вселенной. Состав темной материи неизвестен, и одна из наиболее мотивированных гипотез состоит в том, что она состоит из очень легких частиц, называемых аксионами.Плотность аксионной темной материи задается квантовыми флуктуациями во время инфляции и варьируется от одного места во Вселенной к другому. Его значение влияет на формирование галактик; следовательно, возникает эффект антропного отбора. Тегмарк и др. (2006) (см. Более раннюю работу в Linde 1988) вычислили результирующее распределение вероятностей и обнаружили, что наблюдаемое значение плотности темной материи близко к пику распределения. Если темная материя действительно окажется аксионной, это можно считать успехом теории.

Предсказания масс нейтрино в мультивселенной были выполнены Тегмарком и др. (2005) и Погосян и др. (2004), с выводом, что сумма масс нейтрино должна быть ∼1 эВ. Интересно отметить, что недавние эксперименты по осцилляциям нейтрино, а также космологические данные указывают на существование стерильных нейтрино с м ∼ 1 эВ (например, Hamann et al. 2010).

Основной нерешенной проблемой инфляционной космологии является проблема меры.Для его решения могут потребоваться принципиально новые идеи. Одна возможность, которая была недавно предложена (Гаррига и Виленкин, 2009), заключается в том, что динамика инфляционной мультивселенной имеет двойственное, «голографическое» описание в форме квантовой теории поля, определенной на будущей границе пространства-времени. Тогда мера мультивселенной может быть связана с ограничением на короткие расстояния в этой теории. Эта и другие возможности сейчас изучаются.

Благодарность

Работа частично поддержана грантом PHY-0855447 Национального научного фонда.

Артикул

Репт. Прог. Phys.

2011

74

074901

JCAP

2010

1007

7

Phys. Rev. Lett.

2003

90

151301

Anthropic Bias: Observational Selection Effects

2002

New York

Routledge

JHEP

2000

6

6

Противостояние космологических теорий с данными

1974

Dordrecht

Reidel

JCAP

2010

12

23

Phys. Ред. D

2010

81

083527

JHEP

2006

603

039

Phys. Ред. D

2001

64

023507

Phys. Ред. D

2008

77

043526

JCAP

2009

901

21

Nature

1993

363

315

319

Phys. Ред. D

2010

82

063524

Скрытая реальность: параллельные вселенные и скрытые законы космоса

2011

Knopf

Наука

2005

307

884

890

Hamann

Phys. Rev. Lett.

2010

105

181301

Phys. Ред. D

2007

75

123

523

Nucl. Phys. В

1987

287

477

Юниверс

1989

Нью-Йорк

Рутледж

300 лет гравитации

1987

Кембридж

Cambridge University Press

Phys. Lett. В

1988

201

437

Физика элементарных частиц и инфляционная космология

1990

Chur

Harwood Academic

Внутр. J. Mod. Phys.

1996

D5

583

JCAP

2004

407

5

Scientific American

2011

Космический ландшафт: теория струн и иллюзия разумного замысла

2006

Back Bay Books

Phys. Ред. D

2005

71

103

523

Phys. Ред. D

2006

73

023505

Phys. Rev. Lett.

1995

74

846

849

Многие миры в одном: поиск других вселенных

2006

Нью-Йорк

Хилл и Ван

Universe или Multiverse

2007

Cambridge

Cambridge University Press

Phys. Rev. Lett.

1987

59

2607

Заметки автора

A330 | Карен Б.Сайт Квиттера

Что скрывается между этими тегами

последнее обновление 25.04.19

Добро пожаловать!

На этот курс приглашаются все студенты, независимо от личных качеств, таких как этническая принадлежность, религия или гендерное выражение.

Объявления

ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНЫЙ ЭКЗАМЕН: TPL 203 в 9:30, ЧЕТВЕРГ, 16 МАЯ

• Не забывайте приносить в класс и на экзамены работающий научный калькулятор!
• Соответствующие формулы и константы будут предоставлены на экзаменах.

Текст

Основной текст — Космология для Любопытного Перлова и Виленкина (Спрингер). Вам также могут пригодиться следующие книги: Из Nothing to Everything: The Story of Our Universe Alan P. Marscher (BU), опубликовано в Интернете, доступно бесплатно здесь, и An Introduction to Галактики и космология, второе издание, под редакцией Джонса, Ламбурна и Сержанта (Cambridge U.Press), в резерве в Шоу. Еще один полезный ресурс — страница «Ссылки и апплеты» курса. Очки PowerPoints класса будут доступны на Glow в конце каждой недели.

Лекций

Понедельник и четверг: 13: 10–14: 25 в TPL 203

Ориентация на объекты для наблюдений

Запишитесь в класс, чтобы посетить один . Зарегистрируйтесь в классе и встретитесь на смотровой площадке (4-й этаж TPL; поднимитесь по черной лестнице).
Понедельник, 4 февраля: 20:00, 20:30
Вторник, фев.5: 20:00, 20:30
Среда, 6 февраля : 20:00, 20:30

Наблюдение

Смотровая площадка на вершине TPL предлагает управляемый компьютером 24-дюймовый телескоп с камерой CCD, несколько других телескопов и вспомогательное оборудование. Мы надеемся, что вам понравится использовать и учиться на наших объектах для наблюдений. Сама программа наблюдений будет описана в отдельном раздаточном материале.

Домашнее задание

Время от времени будут выполняться домашние задания. Задания принимаются (со штрафом) с опозданием до одного дня; после этого никто не будет принят в кредит.

ДОМАШНЕЕ ЗАДАНИЕ

Домашнее задание № 1: Домашнее задание 1 должно быть выполнено в классе в четверг, 28 февраля.

Домашнее задание № 2: Домашнее задание 2 должно быть сдано в классе в четверг, 11 апреля.

Викторины

В классе будут проводиться короткие ~ еженедельные викторины, посвященные текущему чтению и учебным материалам. Тесты по макияжу проводиться не будут.

Экзамены и оценка

Все экзамены закрыты. Формула будет предоставлена ​​на всех экзаменах; принесите работающий научный калькулятор.

Часовые экзамены

• Четверг, 7 марта в классе. Принесите калькулятор!
• Понедельник, 22 апреля, в классе. Принесите калькулятор!

Заключительный экзамен

• Четверг, 16 мая, 9:30. Номер уточняется.
• Принесите научный калькулятор, которым вы умеете пользоваться!

Макияж для промежуточных экзаменов будет назначен для тех, кто просит освобождения заранее, или для тех, у кого извинения есть в лазарете.Макияж или перенесенные выпускные экзамены могут проводиться только с предварительного разрешения деканата. Финал по макияжу можно сдавать только до назначенного времени экзамена, но не после него.

Оценки
будут рассчитываться следующим образом:

• Домашние задания и викторины: 15%
• Промежуточные экзамены: 25% каждый (x2 = 50%)
• Наблюдение: 15%
• Заключительный экзамен: 20%

Посещаемость

Несмотря на то, что посещаемость не будет фиксироваться на регулярной основе, в ваших интересах регулярно посещать занятия.Я оставляю за собой право принять во внимание вашу посещаемость при выставлении окончательной оценки.

Запрещается использовать ноутбук, планшет или телефон во время занятий. Если вам нужно делать записи в электронном виде в качестве приспособления, см. Заявление об инвалидах ниже.

Студентам с ограниченными возможностями, которым могут потребоваться дополнительные помещения в классной комнате для этого курса, рекомендуется как можно скорее встретиться со мной и связаться с деканатом, чтобы мы могли принять надлежащие меры.

Система Чести

Студентам настоятельно рекомендуется помнить о системе чести, описанной в Справочнике для учащихся. Вы можете работать вместе над домашним заданием, если вы признаете это, указав имена своих коллег. На экзаменах сотрудничество запрещено. Все работы по наблюдению должны быть исключительно вашими. Если у вас есть какие-либо сомнения относительно того, как система чести применима к конкретному действию в этом курсе, проконсультируйтесь с инструктором.

Темы лекций

Ниже приводится список тем, которые будут рассмотрены.Важно, чтобы вы прочитали назначенное чтение перед классом, в котором оно обсуждается; так вы получите максимальную пользу как от чтения, так и от лекций.