Стартовая Предметный указатель Новости науки и техники
Новости науки и техники
Нобелевская премия по физике 2012 года
Манипулируя отдельными квантовыми системами
Серж Арош и Дэвид Дж. Винланд удостоены Нобелевской премии по физике за разработку методов измерения и манипулирования одиночными частицами без разрушения их квантовых свойств. Арош «ловит» фотоны, измеряет и контролирует их квантовые состояний при помощи атомов. Винланд же держит ионы в ловушке и управляет ними светом. Далее...

Нобелевской премия 2012

первичные флуктуации

ПЕРВИЧНЫЕ ФЛУКТУАЦИИ (первичные возмущения) в ранней Вселенной - малые отклонения Вселенной от точной однородности и изотропии на радиац--доминиров. стадии. Радиац--доминированной (горячей) наз. стадия, когда осн. вклад в полную плотность энергии материи вносили ультрарелятивистские частицы - фотоны эл--магн. излучения с темп-рой Т = (2,7515040-14.jpg 0,1) х (1 + z)К (см. Микроволновое фоновое излучение ),а также нейтрино и др. возможные элементарные частицы с массой покоя т15040-15.jpg k Т/с2 [z - красное смещение ,1 + z = R(t0)/R(t), где R(t) - масштабный фактор расширяющейся Вселенной, t0 - настоящий момент времени; на этой стадии R(t)~15040-16.jpg]. В стандартной модели с Фридмана - Робертсона - Уокера метрикой Вселенная является радиац--доминированной при z > 104 (Н/50)215040-17.jpg, где Н - постоянная Хаббла в км/(с-Мпк),15040-18.jpg - отношение полной плотности энергии всех ультрарелятивистских частиц к плотности энергии реликтового эл--магн. излучения в настоящее время (15040-19.jpg~ 1).
Для того чтобы совместить очевидную сильную неоднородность Вселенной в масштабах, меньших 10(Н/50)-1 Мпк (где вещество сконцентрировано в таких объектах, как галактики, звёзды, планеты и т.д.), с наблюдат. фактом её однородности и изотропии в больших масштабах, необходимо принять, что на радиац--доминиров. стадии эволюции Вселенной существовали малые П. ф. метрики пространства-времени с характерной безразмерной амплитудой 10-4 - 10-5. Галактики и др. локализов. объекты возникли из этих П. ф. вследствие гравитационной неустойчивости - роста неоднородных флуктуации метрики пространства-времени и плотности вещества на более поздней стадии, когда осн. вклад в плотность энергии материи вносило нерелятивистское вещество (включая барионы) с давлением15040-20.jpg где15040-21.jpg - плотность вещества; на этой стадии R(t)~ t2/3. Существование гравитац. неустойчивости П. ф. для адиабатических флуктуации на стадии доминирования нерелятивистского вещества следует как из точных ур-ний релятивистской космологии, основанной на общей теории относительности, так и из нерелятивистского (ньютоновского) приближения к ним, и фактически было известно ещё И. Ньютону. Малость П. ф. в момент рекомбинации водорода при z15040-22.jpg 103 [по крайней мере, в масштабах, превышающих (Н/50)-1 Мпк в настоящее время] подтверждается наблюдат. фактом отсутствия недипольных флуктуации темп-ры реликтового эл--магн. излучения на уровне15040-23.jpgТ/Т ~ 10-4 в угл. масштабах от 20" до 180° (верх. пределы на15040-24.jpgТ/Т в интервале 10° - 180° прибл. в 3 раза меньше).
Теоретич. исследование (Е. М. Лифшиц, 1946) показывает, что П. ф. могут быть след. типов.
Адиабатич. флуктуации описываются возмущениями метрики Фридмана - Робертсона - Уокера скалярного типа, к-рые эффективно сводятся к неоднородному возмущению ньютоновского гравитац. потенциала и связанному с ним возмущению полной плотности энергии вещества. Кроме того, у вещества появляется потенциальная (т. н. пекулярная) скорость относительно выделенной "космологич." системы отсчёта, в к-рой невозмущённая метрика пространственно однородна. В зависимости от характера временной эволюции адиабатич. флуктуации принадлежат к растущей (квазиизотропной) или падающей моде. Только первая мода совместима с условием малости П. ф. при z15040-25.jpg103. Для растущей моды П. ф. безразмерная амплитуда возмущений метрики в синхронной системе отсчёта не зависит от времени на нач. стадиях расширения Вселенной, когда пространственный масштаб флуктуации L15040-26.jpgR(t)больше размера космологич. горизонта (границы области двусторонней причинной связанности, см. Вселенная) Lh ~ ct, каковы бы ни были свойства вещества (необходимо только выполнение причинности принципа ).Поэтому, с точки зрения классич. теории гравитации, эта амплитуда (10-4 - 10-5) должна быть задана как нач. условие для Вселенной в момент её выхода из сингулярности космологической (Большого Взрыва), t = 0.
Анализ наблюдат. данных показывает, что вектор ускорения для нашей Галактики, определяемый по расположению видимого вещества (галактик и их скоплений) вокруг неё, отклоняется менее чем на 10% от вектора скорости Галактики относительно системы отсчёта, в к-рой плотность импульса реликтового эл--магн. излучения равна нулю (отличие угла отклонения от нуля находится в пределах ошибок измерений). Последняя скорость определяется величиной и угл. расположением дипольной анизотропии темп-ры реликтового излучения и практически совпадает с пекулярной скоростью Галактики относительно "космологич." системы отсчёта. Это является важным доводом в пользу того, что галактики образовывались именно из аднабатич. П. ф., для к-рых векторы пекулярной скорости и ускорения строго коллинеарны.
Векторные (вращательные) флуктуации характеризуются возмущениями метрики Фридмана - Робертсона - Уокера векторного типа (не сводимыми к градиенту от скалярной ф-цип) и вихревой пекулярной скоростью вещества. При этом возмущение плотности энергии вещества равно нулю. Этот тип возмущений несовместим с малостью П. ф. на ранних стадиях эволюции Вселенной, поэтому совр. космологич. теории предсказывают отсутствие векторных П. ф. (вторичные вихревые флуктуации скорости вещества могут возникнуть из адиабатич. П. ф. при z15040-27.jpg10 за счёт разл. нелинейных эффектов).
Первичные тензорные флуктуации метрики Фридмана - Робертсона - Уокера (не сводимые к градиентам скаляров и компонент векторов) представляют собой гравитационные волны ,образовавшиеся в момент Большого Взрыва. Та мода гравитац. волн, к-рая совместима с нач. изотропией Вселенной (т. н. квазиизотропная мода), характеризуется не зависящей от времени амплитудой тензорных П. ф. на стадии, когда пространственный масштаб флуктуации L много больше размера космологич. горизонта Lh.
Существует ещё один тип П. ф. (не рассмотренный Лифшицем), к-рый возникает, когда вещество, заполняющее Вселенную, состоит из двух или неск. разл. компонент (сортов), напр. барионы и излучение или барионы с излучением и нейтрино. Тогда в режиме L15040-28.jpgLh существует (п - 1) мод П. ф., где п - число разл. компонент вещества, в к-рых флуктуирует только уд. состав вещества, точнее говоря, флуктуации полной плотности энергии вещества и метрики пространства-времени малы [в отношении (Lh/L)2]по сравнению с флуктуациями плотности энергии отд. компонент. Для вещества, состоящего из барионов и излучения (n = 2), такую моду П. ф. наз. изотермической, или энтропийной. В более общем случае (особенно когда часть вещества составляют слабовзаимодействующие частицы, напр. нейтрино и др.) правильнее говорить обизоэнергетич. (изометрич.) П. ф. Когда в ходе расширения Вселенной условие L15040-29.jpg Lhперестаёт выполняться, изоэнергетич. моды П. ф. перемешиваются с адиабатическими (исключение составляет только случай, когда компоненты имеют одинаковые ур-ния состояния). Поэтому изоэнергетич. П. ф., подобно адиабатич. П. ф., могут привести к образованию локализов. объектов и крупномасштабной структуры Вселенной.
Происхождение П. ф. По мере движения в прошлое к космологич. сингулярности (t = 0) в изотропной космологич. модели Фридмана все флуктуации попадают в режим L15040-30.jpg Lh [в частности, все масштабы, превышающие 50(H/50)-2 х15040-31.jpg Мпк в настоящее время, находились в этом режиме в момент перехода от радиац--доминиров. стадии эволюции Вселенной к стадии доминирования нерелятивистского вещества]. В этом режиме П. ф. не могут быть созданы никакими локальными физ. процессами вследствие принципа причинности. Поэтому в классич. космологии П. ф. изначально возникают в космологич. сингулярности. Математически это означает, что их величина и пространственное распределение (или спектр в фурье-представлении) должны быть произвольно заданы при t = 0 в качестве нач. условий для ур-ний тяготения Эйнштейна (см. Тяготение ).Не используя наблюдательных данных, ничего более про тип, амплитуду и спектр П. ф. сказать нельзя; иными словами, свойства П. ф. невозможно предсказать априори. В этом состоит проблема нач. условий классич. космологии.
Задача любой квантовой или полуквантовой космологии - вывести свойства П. ф. исходя из первичных принципов и ур-ний. Эта задача решается в модели раздувающейся Вселенной, в к-рой радиац--доминнров. стадии Вселенной предшествует (при очень больших значениях кривизны пространства-времени) деситте-ровская стадия квазиэкспоненциального расширения (см. Де Ситтера пространство-время, Квантовая теория гравитации). В простейшем варианте этой модели - с одним эффективным скалярным полем, ответственным за существование деситтеровской стадии, - предсказывается, что П. ф. с совр. масштабом L15040-32.jpg1 см принадлежат исключительно к квазиизотропным адиабатич. и тензорным модам, а их амплитуда h слабо зависит от L (|dlogh/dlog L|15040-33.jpg1; говорят, что такие П. ф. имеют плоский спектр, или спектр Зельдовича - Гаррисона). В усложнённых вариантах модели с неск. скалярными полями на деситтеровской стадии генерируются ещё и изоэнергетич. П. ф. (называемые в данном случае также изоинфлатонными), а спектр адиабатич. П. ф. может быть более сложным.
Способы исследования П. ф. Свойства П. ф. можно, в принципе, определить из наблюдательных данных о совр. строении Вселенной. Практически наиб. важная информация об адиабатич. П. ф. с совр. масштабом L = (1 - 104) Мпк следует из вида корреляц. ф-ции галактик и их скоплений, характеристик крупномасштабной структуры Вселенной (напр., распределения пустот - областей пространства, свободных от галактик, - по размерам) и из данных об угл. анизотропии темп-ры реликтового эл--магн. излучения15040-34.jpgТ/Т (пока надёжно обнаружена только анизотропия дипольного типа). Гравитац. волны, возникшие из тензорных П. ф., также дают вклад в15040-35.jpgТ/Т (этот эффект наиб. чувствителен к интервалу длин волн 102 - 104 Мпк). Наконец, гравитац. волны с частотами, большими 10-10 Гц, можно искать как в прямых экспериментах (наиб. перспективным здесь является использование космич. лазерных интерферометров), так и путём многолетнего слежения за флукту-ациями времени прихода радиоимпульсов от пульсаров с миллисекундными периодами.

Лит.: Зельдович Я. Б., Новиков И. Д., Строение и эволюция Вселенной, М., 1975; Монин А. С., Полубаринова - Кочина П. Я., Хлебников В. И., Космология, гидродинамика, турбулентность. А. А. Фридман и развитие его научного наследия, М., 1989.

А. А. Старобинский.

  Предметный указатель