?

Log in

No account? Create an account
 
 
30 October 2009 @ 03:49 pm
Didysis sprogime, kurgi tu?  

Arba, trumpiau ir šiuolaikiškiau kalbant, Big Bang WRU?

 

Keletą kartų įvairiuose ginčuose, aiškinimuose ar panašiai esu paminėjęs, jog paties Didžiojo sprogimo pamatyti neįmanoma, nes jį mums užstoja kosminė foninė mikrobangė spinduliuotė. Vakar netikėtai sužinojau, kad ta frazė „užstoja“ gali būti klaidinanti, o pats „užstojimo“ faktas – sunkiai suvokiamas be detalesnių paaiškinimų. Ta proga ir pabandysiu šį reiškinį paaiškinti – gal pasidarys suprantamiau; o jei jau buvo suprantama, gal tiesiog bus įdomu skaityti.

 

 

Kosminė foninė mikrobangė spinduliuotė yra paskutinio gausios fotonų sklaidos laikotarpio atspindys. Tai reiškia, kad fotonai, sudarantys šią spinduliuotę, su niekuo nesusidurdami lėkė nuo pat tada, kai susiformavo praėjus 300 tūkstančių metų nuo Didžiojo sprogimo. Tuo metu įvyko vadinamoji Visatos rekombinacija – Visata atvėso tiek, kad lengvųjų elementų branduoliai „pagavo“ elektronus, suformuodami neutralius atomus, o fotonų energija tapo per maža tuos elektronus iš atomų išmušti. Visata tapo skaidri fotonams, t.y. vidutiniškai tik labai nedidelė dalis fotonų susidurdavo su materija. Materijos tankis Visatoje nuo tada iki pat dabar yra labai nedidelis, o ir ta pati egzistuojanti materija susigrupavusi į daug smulkių didelio tankio taškelių – žvaigždes ir galaktikas. Didžioji erdvės dalis yra visiškai tuščia ir jokiam pro ją lekiančiam fotonui kliūčių nesudaro.

 

O kaip buvo iki rekombinacijos? Nuo pat Didžiojo sprogimo iki jos Visata buvo tokia karšta, kad elektronai, vos tik pagauti branduolių, būdavo iškart išmušami didelės energijos fotonų, taigi materija egzistavo kaip laisvų elektronų ir laisvų branduolių mišinys – plazma. Fotonai su tokia plazma sąveikaudavo labai dažnai: jau minėjau elektronų išmušimą iš atomų, taip pat fotonai susidurdavo ir su laisvomis dalelėmis bei keisdavo šių judėjimo kryptį bei greitį. Kiekvienos tokios sąveikos metu pakisdavo ir fotonų savybės. Kartais tiesiog pakisdavo jų judėjimo kryptis arba energija (fotono energijos pokytis sukelia jo bangos ilgio pokyčius – t.y. gama spindulių fotonas gali virsti ultravioletiniu ir panašiai), kartais fotonai būdavo išvis sugeriami arba išspinduliuojami nauji. Būtent visa šita maišalynė, vykusi pirmus 300 tūkstančių Visatos egzistavimo metų, ir neleidžia mums pamatyti ankstyvųjų Visatos gyvavimo stadijų, taigi ir paties Didžiojo sprogimo.

 

Kaip čia taip yra, iš kur tas neleidimas? Įsivaizduokime, kad kažkoks šaltinis (pvz. lempa) spinduliuoja šviesą. Šviesa yra fotonų srautas. Dabar įsivaizduokime, kad ta šviesa sklinda nieko netrukdoma (vakuumu; nagrinėjant tokį buitinį pavyzdį, tiktų ir oras). Lempą mes puikiai matysime, nes fotonų srautui tarp jos ir mūsų akių niekas netrukdys. O dabar įsivaizduokime, kad tarp lempos ir stebėtojo staiga susiformuoja labai labai tankaus rūko uždanga. Fotonai, patekę į tą rūką, sąveikaus su jo dalelėmis – kai kurias sužadins (t.y. bus sugerti elektronų ir elektronai peršoks į aukštesnius energijos lygmenis), kitas gal net jonizuos (t.y. visiškai išmuš elektronus iš atomo), susidurs su laisvais elektronais ir apsikeis energija bei judėjimo kryptimi. Galų gale tie fotonai išlėks iš rūko uždangos, bet jų judėjimo kryptys bei energija bus visiškai kitokios, nei tų, kurie į rūką įlėkė. Stebėtojas, matydamas tokių fotonų srautą, matys nebe lempą, o tik išsklaidytą šviesą. Panašus į šį pavyzdys būtų Saulės šviesa giedrą ir apsiniaukusią dieną – pro debesis šviesa praeina, bet pačios Saulės nematome.

 

Kosminė mikrobangė spinduliuotė Didįjį sprogimą mums užstoja panašiai kaip debesys – Saulę, o rūkas – lempą. Būtent dėl to ir sakau, kad Didysis sprogimas yra užstojamas, nors turbūt būtų galima sakyti ir kaip nors tiksliau. Pavyzdžiui tiesiog pasakyti, kad kosminė mikrobangė spinduliuotė yra seniausias dalykas, kurį įmanoma pamatyti, ir viskas.

 

Kad jau pradėjau rašinėti apie užstojimus ir tą spinduliuotę, paaiškinsiu ir dar vieną dalyką, kuris gali būti nelabai suprantamas. Jeigu ta spinduliuotė nuo materijos atsiskyrė taip seniai, tai kodėl mes ją vis dar matome? Ta prasme, ar neturėtų visi jos fotonai jau seniai būti nuskridę kažkur toli toli, o ne tiksliai iki Žemės? Atsakymas į klausimą nėra toks jau sudėtingas. Spinduliuotė nuo materijos atsiskyrė daugmaž vienu metu visoje Visatoje. Kažkiek fotonų jau atsiskyrimo metu buvo ten, kur po milijardų metų susiformavo Žemė, kažkiek jų buvo daug toliau. Fotonai iš kiekvieno taško pasklido atsitiktinėmis kryptimis, taigi bendrai paėmus spinduliuotė sklido visomis kryptimis daugmaž vienodai. Tie fotonai, kurie iš visų pusių judėjo link tos vietos, kur atsiras Žemė, sudarė tik mažytę visų fotonų dalelę. Tačiau jų buvo tiek daug, kad jie irgi užpildė visą erdvę. Taigi prieš milijardą metų pro Žemę skrido vieni fotonai, o dabar – kiti. Dar kiti fotonai dabar skrenda pro Paukščių Tako centrą, o dar kiti – pro Andromedą. Tai, ką mes matome, yra tik mažas gabaliukas visą erdvę užpildančios spinduliuotės.

 

Tai tiek kol kas. Ir vėl klausimas skaitytojams – tai koks gi yra Visatos amžius pagal dabartinę kosmologijos teoriją?

 

Laiqualasse

 
 
 
ezhuxezhux on October 30th, 2009 04:14 pm (UTC)
šita istorija su Katie Melua labai į temą apie Visatos amžių:
http://www.guardian.co.uk/education/2005/sep/30/highereducation.uk

vėliau Katie perdainavo tą ištrauką. 13,8 mln., a?
laiqua_lasselaiqua_lasse on October 30th, 2009 05:55 pm (UTC)
Įdomi istorija. O pabaiga - super :D

Turiu nuliūdinti: apsirikai beveik 1000 kartų...
ezhuxezhux on October 30th, 2009 06:05 pm (UTC)
D'oh!
raimondasraimondas on November 6th, 2009 11:34 pm (UTC)
gerasirdisgerasirdis on November 6th, 2009 02:29 pm (UTC)
Hm
>Kosminė mikrobangė spinduliuotė Didįjį sprogimą
>mums užstoja panašiai kaip debesys – Saulę, o
>rūkas – lempą.
Čia kažkaip painioji sąvokas- panašiai, tarsi painiotum daiktavardžius su veiksmažodžiais.

Šviesą užstoja šviesa, ar šviesos šaltinis?

Pagal tavo parašymą, tai didįjį sprogimą užstoja (užstojo?) kosminė mikrobangė spinduliuotės ŠALTINIS, nes tuomet jis buvo neskaidrus. Būtų net galima pasakyti, kad kosminė mikrobangė spinduliuotOJa mums užstoja didįjį sprogimą :-).
laiqua_lasselaiqua_lasse on November 6th, 2009 09:37 pm (UTC)
Re: Hm
Ačiū už pastebėjimą. Gal ir tikrai painioju, ar bent jau painiai kalbu. Tikra tiesa - užstoja būtent pati Visata, tiksliau jos vaizdas, atėjęs iš tų laikų, kai ji dar buvo neskaidri šviesai. Šito laiko pačios pabaigos vaizdas, vadinamas "paskutinės sklaidos paviršiumi" (surface of last scattering) ir yra tos spinduliuotės šaltinis.
gerasirdisgerasirdis on November 10th, 2009 08:18 pm (UTC)
Apie greitį
Bėje, o kodėl turėtume matyti didžiojo sprogimo žybtelėjimą? Kodėl tą šviesą turėjo kažkas sugerti? Juk šviesa turėjo pasklisti į visas puses, na, šviesos greičiu, o medžiaga- lėčiau, ir todėl ji turėjo atsilikti.

Va ir viskas.

Kaip tik todėl nevisai aišku, iš kur ta kosminė foninė mikrobangė spinduliuotė.
laiqua_lasselaiqua_lasse on November 10th, 2009 11:20 pm (UTC)
Re: Apie greitį
Plėtėsi ne spinduliuotė ir ne materija, o erdvė. Kelias labai menkas pirmos sekundės dalis vyko infliacija, kurios metu Visatos mastelis didėjo išvis eksponentiškai, nekreipdamas dėmesio į jokius šviesos greičius ar kitas ribas. Pirmus 300 tūkstančių metų viskas buvo susimaišę. Materijos tankis ir spinduliuotės temperatūra buvo pakankamai dideli, kad leistų sąveikauti. Kitką, atrodo, paaiškinau pagrindiniame įraše.
gerasirdisgerasirdis on November 10th, 2009 11:55 pm (UTC)
Infliacija?
Na gerai, tarkim pirmus 300.000 tūkstančių metų, jo. Arba, tarkim, kad tankioje besiplečiančioje aplinkoje šviesos greitis mažesnis už šviesos greiti vakuume, o medžiagos greitis artimas šviesos geičiui vakuume. Arba belenkas.

Bet po to, per likusius 14+ milijardų, tai tikrai šviesa turėjo sklisti maždaug tiesiai ir maždaug šviesos greičiu. Palikdama meždiagą užnugary. Ar kaip?
laiqua_lasselaiqua_lasse on November 11th, 2009 09:33 am (UTC)
Re: Infliacija?
Kalbant apie šviesos greitį tankioje medžiagoje: pats savaime jis gerokai mažesnis nėra, bet jei fotonai stipriai sąveikauja su medžiaga, jų judėjimo kryptis dažnai keičiasi. Dėl to, laikui bėgant, jų atstojamasis judėjimas kažkuria kryptimi bus lėtas. Pvz. fotonui ištrūkti iš Saulės branduolio ir nukeliauti iki paviršiaus prireikia ~ milijono metų.

Per likusius labai daug metų šviesa sklido maždaug tiesiai ir tiksliai šviesos greičiu todėl, kad ji sklido tuščia erdve. Materijos tankis Visatoje yra gal koks vienas protonas kubiniame metre, ir čia įskaičiuojant visas žvaigždes ir planetas. Tarpgalaktinėje erdvėje ištisus parsekus galima praskristi, nesutinkant nei vienos dalelės.
gerasirdisgerasirdis on November 11th, 2009 09:36 am (UTC)
Pasikartosiu
per likusius 14+ milijardų, tai tikrai šviesa turėjo sklisti maždaug tiesiai ir maždaug šviesos greičiu. Palikdama meždiagą užnugary. Ar kaip?
laiqua_lasselaiqua_lasse on November 11th, 2009 10:28 am (UTC)
Re: Pasikartosiu
Matyt nesupratau klausimo prieš tai. Teiginys visiškai teisingas. Tačiau reikėtų nepamiršti, kad medžiagos buvo visur, ir kad ir kur šviesa besklistų, jos apylinkėse* vis tiek buvo medžiagos, nors ir nesąveikaujančios.

* - apylinkės čia reiškia kelių megaparsekų spindulį, jei ką :)
gerasirdisgerasirdis on November 11th, 2009 07:19 pm (UTC)
Kažkaip nesusikalbam
Jo, geros apylinkės- dešimt tūkstančių šviesmečių... Bet tiek to.

Tarkim pirmus 300k metų darėsi bala žino kas. Bet po to visa šviesa turėjo skristi į visas puses sudarydama kažką panašaus į šviesos sferą. Kurios viduje santykinai tamsu.

Ta šviesa juk negali mūsų pavyti? Juk mes nuo to "šviesos fronto" vis labiau atsiliekam, nes lekiam lėčiau už šviesą?
laiqua_lasselaiqua_lasse on November 11th, 2009 07:40 pm (UTC)
Re: Kažkaip nesusikalbam
Atrodo, jau imu suprasti, ko nesupranti, tad pabandysiu paaiškinti gana smulkiai ir detaliai.

Įsivaizduok didelę didelę sferą. Na, tokią didelę, kokia Visata buvo, kai jai buvo 300 tūkstančių metų. Dabar trumpam pamirškime apie Visatos plėtimąsi. Bet nepamirškime, kad ta sfera iš tikro ne sfera, o rutulys, t.y. pilnaviduris daiktas, visas pripildytas ir medžiagos, ir spinduliuotės (fotonų). Staiga jie vieni su kitais nustoja sąveikauti - ne dėl to, kad atsiskiria jų padėtys erdvėje ir fotonai tiesiog pasitraukia į vieną pusę, o medžiaga - į kitą (arba fotonai pabėga tolyn o medžiaga nespėja), bet dėl to, kad fotonų energija staiga sumažėja tiek, kad jos nebeužtenka atomams jonizuoti. Tokie neutralūs atomai su fotonais sąveikauja gerokai mažiau.

Taigi dabar turime situaciją, jog yra labai daug medžiagos ir labai daug fotonų. Visi fotonai dabar staiga gali judėti beveik visiškai tiesiai ir tolygiai, netrukdomi atomų. Jie tą ir daro. Bet jų judėjimo kryptys nebuvo visos nukreiptos tolyn nuo rutulio centro. Priešingai, jos yra atsitiktinės. Kai kurie fotonai judės tolyn nuo rutulio centro, kiti - artyn, dar kiti - šonan. Vadinasi, fotonai nuo materijos niekur nepabėgs - jie tiesiog lėks "pro šalį" ir su materija paprasčiausiai nesąveikaus. Nebent netyčia pataikys į kokį atomą, dulkę, žvaigždę ar radijo teleskopo anteną :)

O dabar jei atsimintume, kad Visata visgi plečiasi, situacija smarkiai nepasikeistų. Kadangi, kaip minėjau, plečiasi pati erdvė, o ne fotonai ir atomai drąsiai keliauja ten, kur joks fotonas ar atomas anksčiau nebuvo keliavęs, tai visoje Visatoje ir spinduliuotės, ir materijos tankis liks apytikriai vienodas. Ir kuria kryptimi fotonas beskristų, artimiausiame megaparseke materijos kiekis visą laiką liks toks pat.

Ar kažkiek suprantamiau? Šiaip ačiū už klausimus - kuo geriau suprasiu, kas neaišku nefizikams, tuo lengviau bus kažką aiškinti ateityje :)
gerasirdisgerasirdis on November 11th, 2009 08:11 pm (UTC)
Deja, vistiek neaišku
Na gerai, tarkim po 300k metų turim rutulį, kurio dydis- maždaug 300k šviesmečių. Bet tuo atveju net ir rutulio dešinėje esanti medžiaga, kuri plečiasi į dešinę, turi tik 300k šviesmečių forą (headstart) prieš fotoną, kuris yra rutulio kairėje, ir sklinda į dešinę.

Po 14 milijardų metų visi fotonai bus pasiviję ir pralenkę visą medžiagą. Na, gerai- nevisai visą, tik tą, kur sklinda 99.999999... procentų šviesos greičio. Ir jau tuo labiau neaišku, kodėl spinduliuotė sklinda iš visų pusių.

Su tuo visatos plėtimusi irgi nevisai aišku- ten, tipo, yra kažkokia siena, į kurią turėtų atsimušti net ir hipotetiniai greičiau už šviesą sklindantys tachionai? Ar čia tiesiog norima pasakyti, kad kadangi už kažkokios ribos nieko nėra, tai laikome, kad visata ten baigiasi (tipo susitarimo reikalas)?
laiqua_lasselaiqua_lasse on November 11th, 2009 09:39 pm (UTC)
Re: Deja, vistiek neaišku
Po 300 tūkst. metų Visata bus gerokai didesnė, nei 300 tūkst. šviesmečių skersmens. Na bet čia smulkmena. Svarbu yra tai, kad vienas to "rutulio" kraštas nuo kito tolsta greičiau už šviesą. Vadinasi, iš vieno galo išlėkę fotonai niekada niekada nepavis materijos, buvusios kitame gale. Būtent dėl to, net ir dabar, kai kurie tokie fotonai, išlėkę kažkurioje rutulio dalyje, lekia kaip tik pro mus.

Visata yra begalinė. Kas yra "už Visatos ribų" - deja, įsivaizduoti nesugebu. Bet ji begalinė yra iš esmės todėl, kad kažkurios jos dalys nuo mūsų tolsta jau greičiau, nei šviesa, todėl jokio kontakto su jomis pasiekti negalime.
gerasirdisgerasirdis on November 17th, 2009 10:20 pm (UTC)
Re: Deja, vistiek neaišku
>Visata yra begalinė.
Tai kaip suprantame tuomet visatos plėtimąsi? Ar čia- tik papildomas fudge factor skirtas apeiti tam faktui, kad niekas negali judėti didesniu, nei šviesos greičiu? O jei juda ar judėjo, tai Enšteinas vistiek teisus, bet tempiam erdvę? :-)

Bendrai paėmus, tai visa ta moderni teorija darosi tokia prieštaringa ir supainiota, įvesta tiek daug papildomų faktorių faktams paaiškinti, kad teorija darosi panaši į luminiferous ether teoriją devynioliktame amžiuje. Tas eteris turėjęs būti tiek kartų tankesnis už orą, kiek šviesa sklinda greičiau nei garsas, ir tuo pat metu dangaus kūnai ar objektai jame juda be jokio pasipriešinimo...
laiqua_lasselaiqua_lasse on November 17th, 2009 10:46 pm (UTC)
Re: Deja, vistiek neaišku
Visatos plėtimasis suprantamas taip, kad visi objektai vieni nuo kitų tolsta. Kadangi šis efektas pastebimas tik tiems objektams, kurie nesusiję gravitacine sąveika, teigiama, jog plečiasi būtent erdvė, o ne fiziškai objektai juda tolyn vienas nuo kito. Tačiau gali būti, jog tokia interpretacija nėra teisinga - teko skaityti straipsnį (labai seniai, nuorodos neatgaminsiu), jog bandoma tą stebimą plėtimąsi paaiškinti būtent kaip objektų judėjimą, neįvedant erdvės parametrų kitimo.

Einšteinas visokių klaidų yra pridaręs ir kosmologinė teorija tikrai kuriama ne tam, kad jo "neklystamumą" apgintų :)

Teorija tikrai nėra tobula - dėl šito net nebandysiu ginčytis. Bet visgi geresnės kol kas tikrai nėra. Esami paaiškinimai ne vienu atveju yra pripažįstami, kaip laikini, kurie turės tikti, kol nebus išsiaiškinta tiksliau.
(Anonymous) on August 4th, 2010 11:42 am (UTC)
skirtum
Įdomu ką dabar "mato" ta materijos dalis, kuri buvo pačiame skritulio krašte po tų 300 kmetų? ;) Iš principo jie neturėtų matyti foninės spinduliuotės bent jau dabar, nes tolsta nuo buvusio skritulio centro greičiau už šviesą?
laiqua_lasselaiqua_lasse on August 8th, 2010 06:27 pm (UTC)
Re: skirtum
Iš principo toks dalykas, kaip "Visatos pakraštys", neegzistuoja. Bent jau pagal šią teoriją. Taip, tą suvokti sudėtinga. Man irgi. Jei kada suvoksiu ir sugalvosiu, kaip paaiškinti - būtinai parašysiu.
(Anonymous) on May 6th, 2012 08:07 pm (UTC)
Re: Kažkaip nesusikalbam
Tikriausia, galima sakyti (imant tavo pavyzdį su saule ir fotonu), kad mes patekome į saulės vidų (ir gyvename pagal jos visus mastelius: laikas, erdvė ir pan.) ir stebime kaip juda fotonas. Tik atsiranda bėda (visatos-saulės plėtimas), dėl kurios visi atomai tolsta vieni nuo kitų greičiau už šviesos greitį, dėl ko tas fotonas toliau sėdi tame saulės-visatos rutulyje ir nebegali iš jo ištrūkti, jį galime pamatyti, kai jis skersai kerta kitus tolstančius atomus arba juda priešinga jiems krytimi (nes pasivyti tolstančių negali). Tokiu atveju, matyt, galime teigti, kad pati visata yra didžiojo sprogimo procesas (arba pats sprogimas), o mes esame to didžiojo sprogimo viduje. Kadangi šviesos fotonai buvo pasklidę visame rutulyje, todėl kiek visata besiplėstų fotonai turėtų būt vienodai pasklidę po visą visatą, dėl ko mes galime aptikti foninę spinduliuotę.

Paprasčiau galime paimti pavyzdį su pučiamu balionu ant kurio pridėlioji daug taškų, o bepučiant tie taškai vienas nuo kito tolsta, todėl fotonai yra pasklidę po visą balioną, o kiek bemėgintų pasiekti kraštą, vis tiek nepavyktų ir mastelio atžvilgiu liktų tame pačiame kube (tarkim suskirsčius tą rutulį į kubus), nes kubas tiek pat santykinai plėstųsi.


Aš tai įsivaizduoju (jeigu imam didžiojo sprogimo teoriją), kad mes esam tame rutulyje ir laikui bėgant (rutuliui plečiantis) mes vis labiau mažėjam ir artėjam į kažkokį vis smulkesnį ir smulkesnį tašką -(tarkim galime įsivaizduoti, kad žiūrime į tą rutulį ir vis pritraukiame kažkokį tašką ir tą vykdome begalybę kartų, tokiu būdu tas rutulys priartėja, išsiskiria vis smulkesni elementai ir smulkesni elementai, po kurio laiko tiesiog joje nebėra ką labiau išskirti ir tie išskirti dalykai vis labiau tolsta vienas nuo kito(pritraukiant vaizdą), tarsi lendant vis giliau (į mažesnį mastelį) )-. Taigi, žiūrint į šį vaizdą ir apverčiant aukštyn kojom (žiūrim, kaip rutulio viduje atrodytų tie patys procesai jei šio rutulio-visatos dydį imtume, kaip konstantą, t.y visata nesiplėstų) viskas turėtų mažėti, taip pat ir fotonai, o mažėjimo greitis atspindėtų judėjimo greitį (besiplečiančios visatos atžvilgiu, tarsi mažėjimas visais masteliais ir sukuria matoma judėjimą - tolimą). Iš to išeitų paradoksali situacija, kad besiplečiančiai visatai priešingas vaizdas (kai visatos-rutuli dydį imtume pastovų) būtų visko lėtėjimas (mažėjimas), taip pat ir laiko, nes imant visatos dydį konstantą, jos atžvilgiu fotonų mažėjimo greitis (bei judėjimo greitis besiplečiančios visatos atžvilgiu) mažėtų (lėtėtų) visą laiką, nes besiplečiančios visatos atžvilgiu erdvės tolimas į visas puses greitesnis nei šviesos greitis.


Gal per daug neprivėliau ir bent kažkas buvo aišku ką norėjau pasakyti :), tik pamėginau pasvarstyti :), bet atrodo kuo labiau lendi, tuo tankesnis miškas ir vis daugiau klausimų iškylą ir atrodo, kad dar labiau visko nesupranti. Kai bandai suvokti pačia visatą ir kas už jos ir kas čia per visa velniava, atrodo, kad galima išdurnėti :)


R.

"
laiqua_lasselaiqua_lasse on May 6th, 2012 09:38 pm (UTC)
Re: Kažkaip nesusikalbam
Atrodo, visi palyginimai kaip ir teisingi. Tik dėl plėtimosi greičiau už šviesą ne visai teisus esi. Taip, yra Visatoje vietų (pakankamai toli nuo mūsų esančių), kurios nuo mūsų tolsta greičiau už šviesą, bet tai toli gražu ne visa Visata ir ne bet kokie du taškai vienas kito atžvilgiu.