Matematyka.pl

Inflacja kosmologiczna – hipoteza kosmologiczna zaproponowana przez Alana Gutha (1981). Według niej wczesny Wszechświat przeszedł przez fazę szybkiego rozszerzenia się spowodowanego ujemnym ciśnieniem (dodatnią gęstością energii próżni).

Czy przejawem ujemnego ciśnienia jest antygrawitacja? Ujemne ciśnienie - właściwość hipotetycznej fałszywej próżni, która ma wywierać niższe ciśnienie od próżni zwyczajnej. Czym jest fałszywa próżnia?
W najwcześniejszych chwilach wszechświata był wysokoenergetyczny stan próżni. A teraz energia próżni musi być zerowa lub mała.

Nie wiem dlaczego próżnia miała wysokoenergetyczny stan na początku Wszechświata- co to oznacza? Chodzi o energię próżni wewnątrz skupionego punktu przed wielkim wybuchem?
I jaka jest teraz gęstość energii próżni? I czy z inflacją kosmologiczną związana jest też ciemna energia- wiem, że wywołuje też ujemne ciśnienie i wszechświat się rozszerza... czy za inflacją kosmologiczną stoi ciemna energia? Wiem, że to tylko hipotezy... ale ważne to dla mnie.

EDIT.
Przejawem ujemnego ciśnienia jest siła antygrawitacji. W teorii inflacji kosmologicznej zakłada się, że kiedyś Wszechświat wypełniała fałszywa próżnia posiadająca ujemne ciśnienie- a dlaczego? I czym się różni ujemne ciśnienie od dodatniego?
I skąd się wzięła fałszywa próżnia? Dziś ma stan o najniższej energii a czy gęstość się zmieniła? Dlaczego pole grawitacyjne niesie ujemną gęstość energii- czy to jest związane z ciemną energią?

mikii7 pisze: Czy przejawem ujemnego ciśnienia jest antygrawitacja?(...) I czym się różni ujemne ciśnienie od dodatniego?

W pewnym sensie tak. Jeśli chodzi o bardziej przyziemną interpretację ujemnego ciśnienia: naprężenia pojawiające się w ciałach stałych podczas rozciągania są takimi "ujemnymi ciśnieniami". Ale ciężko o coś bardziej intuicyjnego.
Jakby ktoś się dziwił co ma ciśnienie do grawitacji: jak wiadomo, w modelu Newtona grawitacja jest modelowana jako siła, a jej źródłem jest masa. W ogólnej teorii względności grawitacja nie jest siłą - to co interpretujemy jako grawitację to krzywizna czasoprzestrzeni (warto podkreślić, że czaso-, a nie samej przestrzeni). Obiektem, który pozwala nam określić jak pokrzywiona jest czasoprzestrzeń jest coś o prześlicznej nazwie "tensor napięć-energii" (angielska nazwa jest ładniejsza). I to co ma w nim znaczenie to nie tylko masa, ale także energia, naprężenia oraz ciśnienie.
Ujemne ciśnienie pojawia się w kontekście OTW głównie przy rozważaniu tzw. energii próżni. Energia próżni to pewna wielkość przypisana czasoprzestrzeni niezależna od materii która w niej rezyduje. Jeśli gęstość energii próżni jest dodatnia, to ciśnienie z nią związane musi być ujemne. Uzasadnienie tego faktu jest natury matematycznej i raczej niedostępne dla osób bez odpowiedniego przygotowania Znam heurystyczne uzasadnienie, ale bazuje ono na popularnonaukowym "machaniu rękami" związanym z wirtualnymi cząstkami, więc dla mnie ma zerową wartość merytoryczną.

Czym jest fałszywa próżnia?

Ogólnie pojęcie próżni jednoznaczne nie jest i zależy od modelu w obrębie którego się poruszamy. W kwantowej teorii pola próżnia oznacza coś zupełnie innego niż w ogólnej teorii względności. Łącząc w pewien sposób obie teorie otrzymujemy coś jeszcze innego. Pisałeś o tym, że "próżnia to stan o najniższej możliwej energii". Fałszywa próżnia to coś co ma lokalnie najniższą możliwą energię i niby wygląda jak próżnia, ale globalnie może przejść w stan o jeszcze niższej energii. Główny problem jest taki, że pytasz o rzeczy, które są matematycznie niełatwe, bardzo 'specjalistyczne', przez co niemal niewyjaśnialne sensownie laikom.

Nie wiem dlaczego próżnia miała wysokoenergetyczny stan na początku Wszechświata

Nikt nie wie.

co to oznacza?

To, że wartość tej energii była dużo wyższa niż obecnie mierzona.

Chodzi o energię próżni wewnątrz skupionego punktu przed wielkim wybuchem?

I dochodzimy do tego (między innymi), dlaczego jestem cięty na większość źródeł popularnonaukowych.
1. Nazwa "Wielki Wybuch" pochodzi od przeciwników tego modelu, z czasów kiedy jeszcze były merytoryczne podstawy (małe poparcie doświadczalne/obserwacyjne) by być przeciwnym. W samym modelu i jego strukturze nie ma żadnego wybuchu "z niczego". W ogóle nie ma żadnego wybuchu. W tej chwili merytorycznych podstaw do bycia przeciwnym nie ma. A jeśli ktoś twierdzi, że są, to najprawdopodobniej czerpie wiedzę z nieodpowiednich źródeł.
2. Nie ma też żadnego "skupionego punktu" z którego powstał Wszechświat, a w którym gęstości i inne wielkości są nieskończone. Punkt ten (nazywany osobliwością) nie jest uważany przez fizyków za coś co ma fizyczne znaczenie. Wszędzie tam gdzie pojawia się nieusuwalna osobliwość (w rozumieniu matematycznym) stwierdzamy, że nasz model się po prostu psuje i potrzebujemy lepszego. Tyczy się to osobliwości tak w modelu Wielkiego Wybuchu jak i osobliwości wewnątrz czarnej dziury.
3. Model Wielkiego Wybuchu mówi, że ponad 13mld lat temu (czas liczony w pewnym konkretnym układzie odniesienia) Wszechświat wypełniała bardzo gorąca i bardzo gęsta plazma cząstek elementarnych. Nie mówi nic o tym, że jakiś punkt wybuchł, nie mówi skąd ta plazma się wzięła. W szczególności: jeśli Wszechświat jest nieskończony przestrzennie, to był nieskończony także i wtedy. Żadnych fizycznie istotnych osobliwości, punktów itd.

I jaka jest teraz gęstość energii próżni?

Zależy kogo pytasz. Dwie najbardziej "szerokie" (w sensie zakresu opisywanych zjawisk), teorie fizyczne to kwantowa teoria pola i ogólna teoria względności. Problemem jest to, że nie mamy modelu, który idealnie by połączył obie teorie. Mamy modele nieidealne - kwantową teorię pola na zakrzywionej (lecz statycznej) czasoprzestrzeni (to tam pojawia się zjawisko promieniowania Hawkinga) oraz tzw. "efektywną teorię kwantowej grawitacji" - lecz to pominę. OTW i KTP mają inne podejście do energii próżni. W kwantowej teorii pola znaczenie mają tylko różnice energii, zatem wartość energii próżni (stanu w którym nie ma cząstek) można przyjąć dowolnie, mimo iż z niektórych obliczeń wychodzi nam po prostu nieskończona energia. Eksperymentalnie wg tej teorii energii próżni wyznaczyć się nie da. Zostaje nam tylko OTW. Z pomiarów wynika, że gęstość energii próżni w tej chwili jest rzędu \(\displaystyle{ 10^{-9}\frac{J}{m^3}}\), a to dość mało i generalnie dopuszcza to wciąż ujemną jej wartość. Często energię próżni utożsamia się ze stałą kosmologiczną. Pomiary jej wartości dają wielkość rzędu \(\displaystyle{ 10^{-10}\frac{J}{m^3}}\). Teoretyczne modelowanie opiera się na obserwacyjnym fakcie: Wszechświat się rozszerza, do tego coraz szybciej. Co to znaczy, że Wszechświat się rozszerza? Na lokalny użytek pozwolę sobie wprowadzić pojęcie ruchu właściwego i niewłaściwego. Ruch właściwy jest wtedy, gdy ciała poruszają się względem siebie z powodu "sił" działających między nimi. Ruch niewłaściwy, czyli metryczne unoszenie, nie wynika z tego, że "ciała" (np. gromady galaktyk) tak "właściwie" się poruszają. Wynika z tego, że metryka przestrzeni zmienia się z czasem, a zatem odległości między ciałami grawitacyjnie niezwiązanymi (a za takie można np. uznać gromady galaktyk) rosną. Jako, że wzrost ten nie jest rządzony zwykłymi prawami, jego prędkość może przekraczać \(\displaystyle{ c}\) - najdalsze galaktyki oddalają się od nas z prędkością około \(\displaystyle{ 3c}\)! Nie obserwuje się natomiast "rozszerzania się Wszechświata" wewnątrz galaktyk. Rozszerzanie się Wszechświata przyspiesza. Omawiane przyspieszenie rozszerzania się (w odpowiednim układzie jednostek) jest proporcjonalne do \(\displaystyle{ -\frac{E}{V}-3P}\), gdzie \(\displaystyle{ P}\) jest ciśnieniem. Dla próżni \(\displaystyle{ P=-\frac{E}{V}}\), zatem przyspieszanie rozszerzania jest proporcjonalne do \(\displaystyle{ 2\frac{E}{V}}\) czyli podwojonej gęstości energii próżni. Jeśli ta jest dodatnia, to rozszerzanie powinno przyspieszać. A tak w rzeczywistości jest, co jest mierzone na podstawie obserwacji.

I czy z inflacją kosmologiczną związana jest też ciemna energia- wiem, że wywołuje też ujemne ciśnienie i wszechświat się rozszerza...

Ciemna energia jest formą energii próżni, ale jej ogólna postać jest w tej chwili nieweryfikowalna i mamy kilka modeli, które proponują jej opis.

Cząstki wirtualne - matematyka kwantowej teorii pola dostarcza pewnych skomplikowanych wyrażeń matematycznych, które da się zobrazować graficznie. Pomysłodawcą tego obrazowania jest Feynman. Niestety autorzy książek popularnonaukowych wzięli pewne aspekty tego obrazowania zbyt dosłownie (choć w praktyce prawdopodobnie zdają sobie z tego sprawę - ciężko nie zdawać znając KTP). Cząstki wirtualne to nazwa na tzw. wewnętrzne linie diagramów Feynmana i w żadnym wypadku nie odpowiadają one niczemu, co fizycznie można uznać za istniejące cząstki. Co więcej, da się uprawiać kwantową teorię pola w taki sposób, że cząstki wirtualne w ogóle się nie pojawiają. Tłumaczenie za ich pomocą różnych rzeczy (siła Casimira, fluktuacje próżni, "coś pojawiające się w próżni z niczego") jest zwykłą nieprawdą, mimo iż dość zrozumiałą dla laików.

Zgodnie z teorią Wielkiego Wybuchu na początku pojawiła się nieskończenie mała i gęsta gorąca kula, z której wyłoniły się przestrzeń, materia i energia. Inflacja kosmologiczna doprowadziła do rozszerzania się Wszechświata. Kiedyś Wszechświat wypełniała fałszywa próżnia posiadająca ujemne ciśnienie (CZY WIADOMO SKĄD TE UJEMNE CIŚNIENIE?), które zadziałało jak ogromna siła rozprężająca, która doprowadziła do wykładniczego wzrostu objętości Wszechświata (CZY WSZECHŚWIAT NADAL ROZSZERZA SIĘ WYKŁADNICZO?).Inflacja wyjaśnia częściowo naturę Wielkiego Wybuchu- za ogromną wybuchową ekspansję przestrzeni (CZYLI NA PEWNO NIC NIE „WYBUCHŁO”?) odpowiada odpychająca grawitacja działająca z niezwykłą mocą. I TU POJAWIA SIĘ PYTANIE- PRZECIEŻ GRAWITACJA WSZYSTKO ZESPALA ZE SOBĄ I DLATEGO NIC SIĘ NIE ROZLECI, WIĘC JAK TO MOŻLIWE, ŻE JEST ANTYGRAWITACJA RAZEM Z GRAWITACJĄ?

I pisze Pan o obiektach niezwiązanych grawitacyjnie. Nie mogę tego zrozumieć, bo przecież grawitacja (CZY TO JEST NAJSŁABSZE ODDZIAŁYWANIE W PRZYRODZIE? BO NIEKTÓRE ŹRÓDŁA PODAJĄ, ŻE ODDZIAŁYWANIE SŁABE JĄDROWE JEST NAJSŁABSZE, A NIEKTÓRE, ŻE GRAWITACJA) grawitacja wiąże ze sobą wszystkie ciała niebieskie. Nie rozumiem dlaczego nie obserwuje się rozszerzania Wszechświata wewnątrz galaktyk- czy nasza Ziemia i inne planety Układu Słonecznego nie oddalają się od siebie? JEŚLI SIĘ NIE ODDALAJĄ TO DLACZEGO I CZY EKSPANSJA DOTYCZY TYLKO GROMAD GALAKTYK? CZY CHODZI O TO, ŻE ONE SĄ TAK DALEKO OD SIEBIE, ŻE NIE ODDZIAŁUJĄ GRAWITACYJNIE- TEGO nie rozumiem, bo grawitacja jest przecież wszędzie. I JAK TO MOŻLIWE, ŻE RZĄDZĄ SIĘ INNYMI PRAWAMI- czy da się wyjaśnić czemu galaktyki najdalsze od nas oddalają się z prędkościami większymi od prędkości światła- CZY OTW JEST POGWAŁCONA? Bo przecież w przyrodzie nic nie może poruszać się szybciej niż światło…

mikii7 pisze:Zgodnie z teorią Wielkiego Wybuchu na początku pojawiła się nieskończenie mała i gęsta gorąca kula, z której wyłoniły się przestrzeń, materia i energia.

Jest to popularnonaukowa bzdura. W żadnym podręczniku kosmologii nie znajdziesz nic o nieskończenie małej kulce. Przeczytaj jeszcze raz co pisałem na ten temat.

CZY WIADOMO SKĄD TE UJEMNE CIŚNIENIE?)

Tak, ale jak pisałem wyżej, uzasadnienie nie jest proste i jest daleko poza zasięgiem osoby mającej 15 lat.

(CZY WSZECHŚWIAT NADAL ROZSZERZA SIĘ WYKŁADNICZO?)

Nie.

(CZYLI NA PEWNO NIC NIE „WYBUCHŁO”?)

Na pewno. "Wybuchowa ekspansja" to nie wybuch w zwykłym rozumieniu tego słowa.

I TU POJAWIA SIĘ PYTANIE- PRZECIEŻ GRAWITACJA WSZYSTKO ZESPALA ZE SOBĄ I DLATEGO NIC SIĘ NIE ROZLECI, WIĘC JAK TO MOŻLIWE, ŻE JEST ANTYGRAWITACJA RAZEM Z GRAWITACJĄ?

Możliwe na podstawie samej teorii grawitacji, czyli ogólnej teorii względności. "Energia próżni" ma takie własności, że powoduje iż przestrzeń się "rozszerza". W obszarach gdzie znajduje się dużo gwiazd i różnych takich (galaktyki i gromady galaktyk), grawitacyjne oddziaływanie jest silniejsze niż ta "antygrawitacja", dlatego się one nie rozszerzają. Natomiast same gromady galaktyk są związane ze sobą dość słabo. Na tyle słabo, że "antygrawitacja" jest silniejsza i widzimy to jako oddalanie się tych gromad.

I pisze Pan o obiektach niezwiązanych grawitacyjnie.

Nieprecyzyjnie się wyraziłem - słabo związanych.

(CZY TO JEST NAJSŁABSZE ODDZIAŁYWANIE W PRZYRODZIE? BO NIEKTÓRE ŹRÓDŁA PODAJĄ, ŻE ODDZIAŁYWANIE SŁABE JĄDROWE JEST NAJSŁABSZE, A NIEKTÓRE, ŻE GRAWITACJA)

Ze względu na ich diametralnie różną naturę, ciężko porównać. Stąd różne źródła różnie twierdzą.

Nie rozumiem dlaczego nie obserwuje się rozszerzania Wszechświata wewnątrz galaktyk- czy nasza Ziemia i inne planety Układu Słonecznego nie oddalają się od siebie?

Nie. Grawitacja jest w takich skalach silniejsza niż "antygrawitacja" i trzyma wszystko w kupie.

CZY CHODZI O TO, ŻE ONE SĄ TAK DALEKO OD SIEBIE, ŻE NIE ODDZIAŁUJĄ GRAWITACYJNIE

Oddziałują, ale za słabo.

czy da się wyjaśnić czemu galaktyki najdalsze od nas oddalają się z prędkościami większymi od prędkości światła- CZY OTW JEST POGWAŁCONA? Bo przecież w przyrodzie nic nie może poruszać się szybciej niż światło…

Da się wyjaśnić i OTW nie jest pogwałcona bo wynika to wprost z kosmologicznych modeli bazowanych na OTW. Specjalnie wyróżniłem ruch "właściwy" i "niewłaściwy". Oddalanie się gromad, czyli unoszenie ich przez rozszerzającą się przestrzeń ("ekspansja metryczna") jest ruchem "niewłaściwym", a prędkość tego nie jest w żaden sposób ograniczona przez prędkość światła.

Staraj się w przyszłości unikać pisania Caps Lockiem...

Przepraszam za CapsLock.

Jeśli Wszechświat wyobrażę sobie jako balon i narysowane są na nim punkty stanowiące galaktyki, to w miarę pompowania odległości będą się zwiększać.
Nie wiem czy dobrze rozumiem- wszechświat się rozszerza- wszystkie odległości między galaktykami (czy tylko między gromadami galaktyk?) się zmieniają, bo grawitacja jest za słaba między nimi i tu wchodzi w rolę właśnie antygrawitacja powodująca, że galaktyki się odpychają, a z nią jest związana ciemna energia- tłumacząca powstanie antygrawitacji...? I czy wewnątrz galaktyk nic się nie zmienia, bo jest bardzo silna siła grawitacji i odległości pozostają niezmienione? I co oznacza słowo ciała niezwiązane grawitacyjne- to, że słaba jest między nimi siła grawitacji i znaczenie duże ma antygrawitacja?

Odległości między gromadami (albo supergromadami, nie pakietam dokładnej klasyfikacji). Na całą reszte odpowiedź brzmi: tak.

W książce popularnonaukowej pisze:Hubble zaobserwował, że wszystkie z wyjątkiem najbliżej położonych galaktyk oddalają się od naszej galaktyki- Drogi Mlecznej. Wykazał też, że im dalej położona jest galaktyka, tym szybciej od nas ucieka.

To chyba wygląda na to, że to odległości między galaktykami się zmieniają (tylko dlaczego nie te, które są blisko nas położone powiedzmy galaktyka naszej sąsiadki- Andromedy- czy jej odległość od nas się nie zmienia). To mnie najbardziej zastanawia dlaczego?

I jest jeszcze zasada kosmologiczna, która zakłada, że Wszechświat jest jednorodny i izotropowy. Jednorodny- nie istnieje miejsce we Wszechświecie, które byłoby uprzywilejowane; izotropowy- nie wygląda inaczej gdy patrzy się na niego z innego kierunku- tego nie wiem przecież są różne gwiazdozbiory- to jak nie wygląda inaczej?

Wracając do Wielkiego Wybuchu na wikipedi piszą: z bardzo gęstej i gorącej osobliwości początkowej wyłonił się Wszechświat a osobliwość to punkt lub linia, gdzie przyspieszenie grawitacyjne lub gęstość materii są nieskończone. Trochę mnie to zastanawia... osobliwość- czy tak to można nazwać czy tu jest błąd?

Już wiem gdzie mogłem zamieszać. Gromady galaktyk składają się z galaktyk, więc jeśli gromada się od nas oddala to oddalają się od nas galaktyki które w jej skład wchodzą W tym sensie "galaktyki się oddalają". Najbliższe się od nas nie oddalają (w sensie metrycznej ekspansji), bo jak pisałem są silnie związane grawitacyjnie z nami. Te dalsze nie są więc się oddalają.
W jednorodności i izotropowości chodzi o bardzo duże skale. Jak popatrzysz z wystarczająco dużej "odległości" to wszystko będzie wyglądało jakby było rozłożone równomiernie.

O osobliwości już pisałem - nie jest to nic fizycznego. To miejsce, w którym nasz model matematyczny się psuje (bo dostajemy nieskończoną gęstość itd.) i potrzebujemy innego, lepszego. Tak jak to jest ujęte na wikipedii jest to po prostu bzdura. Model Wielkiego Wybuchu nie mówi nic o tym skąd się Wszechświat wyłonił. Mówi tylko jaki był te 13 miliardów lat temu. Wikipedia jest spoko źródłem w tematach prostych, w trudniejszych i specjalistucznych już ufać jej nie można.

Czyli Wszechświat nie był ograniczony przed Wielkim Wybuchem? Jeśli teraz jest powiedzmy nieskończony to przed Wielkim Wybuchem też był… tylko trochę martwi mnie to, że we wszystkich filmach nawet w National Geographic upraszczają wszystko do „gorącej osobliwości” a to nie było skupione w jednym punkcie tylko zawieszone w przestrzeni? Trochę trudno mi sobie to wyobrazić jak to wyglądało czy to było zawieszone gdzieś w przestrzeni czy skupione w pewnym obszarze? Czy mogło być tak, że na początku Wszechświat był skończony a potem zaczął się rozszerzać? Jeśli tak, to musiał być ograniczony ?

Natrafiłam na informację: kosmiczna ekspansja przyspiesza i to ekspotencjalnie Taka ekspansja kończy się gdy pole skalarne stoczy się w dolinę potencjału. Brzmi jak matrix.
Czy chodzi tu tylko o kosmologiczną inflację, że trwała ona sekundy i Wszechświat rozszerzał się wykładniczo, a teraz się rozszerza nie wykładniczo – tylko jak?

I czy mógłby Pan tak dla laika wytłumaczyć skąd się wzięło to ujemne ciśnienie? W książce piszą, że to własność energii próżni. I czy wiadomo dlaczego wszystkie układy dążą do stanu o najniższej energii? Piszą, że to ujemne ciśnienie większe jest niż energia materii, w wyniku czego efekt ciśnienia decyduje o rozszerzaniu. W miarę jak dokonuje się inflacja, kosmos osiąga swoje własności płaskości (o jaką płaskość tu chodzi?? Przecież nie znamy kształtu Wszechświata) i jednorodności, które dzisiaj obserwujemy.

mikii7 pisze:Czyli Wszechświat nie był ograniczony przed Wielkim Wybuchem?

Model Wielkiego Wybuchu mówi nam, że ponad 13 miliardów lat temu Wszechświat wypełniony był gęstą i gorącą plazmą złożoną z pewnych cząstek elementarnych. Wraz z rozszerzaniem się Wszechświata plazma ta się ochładzała, co pozwalało cząstkom łączyć się w najlżejsze pierwiastki, a potem to tak się toczyło aż do tego co widzimy dziś. Matematycznym modelem czasoprzestrzeni używanym w kosmologii do opisu Wszechświata jest tzw. model (właściwie trzy modele) Friedmanna-Lemaitre'a-Robertsona-Walkera (FLRW). Rozszerzanie się przestrzeni opisać możemy następująco (dla uproszczenia zakładam, że mamy tylko dwa wymiary przestrzenne): weźmy punkty \(\displaystyle{ A=(x_A,y_A)}\) i \(\displaystyle{ B=(x_B,y_B)}\), wtedy ich odległość wyraża się wzorem:
\(\displaystyle{ L(t)=R(t)\sqrt{(x_A-x_B)^2+(y_A-y_B)^2}}\).
\(\displaystyle{ R(t)}\) to funkcja nazywana kosmicznym czynnikiem skali, a \(\displaystyle{ t}\) to tzw. czas kosmiczny. Z obserwacji wiemy, że \(\displaystyle{ R(t)}\) jest funkcją rosnącą (bo Wszechświat się rozszerza) i ma taką własność, że istniała pewna chwila \(\displaystyle{ t}\) (zwyczajowo przyjmowana za równą zeru), że \(\displaystyle{ R=0}\). Co to oznacza? Że jeśli weźmiemy sobie dla dowolnego \(\displaystyle{ t>0}\) dwa punkty i będziemy się "cofać" w czasie to odległość tych punktów będzie dążyła do zera. Gdyby Wszechświat był przestrzennie skończony to owszem, można by było powiedzieć, że był skurczony do punktu. Ale jeśli Wszechświat jest przestrzennie nieskończony (a tak raczej uważamy) był także nieskończony dla \(\displaystyle{ t=0}\). Zatem nie ma żadnego uzasadnienia by mówić, że Wszechświat wyłonił się z jakiegokolwiek punktu. Ale \(\displaystyle{ R(t)}\) nie jest jedyną rzeczą, która nas interesuje. Mamy też równania stanu opisujące parametry termodynamiczne materii. Gęstość materii dla wczesnego Wszechświata można opisać zależnością:
\(\displaystyle{ \rho\sim\frac{1}{t^2}}\) i widać, że matematycznie rzecz biorąc nawet nie możemy tam wstawić \(\displaystyle{ t=0}\). Dla \(\displaystyle{ t\rightarrow0}\) gęstość dąży do nieskończoności. Wszelkie nieskończoności są traktowane przez fizyków za kompletnie niefizyczne i jeśli się pojawiają to nasz model jest niekompletny. Ta osobliwość nie jest traktowana przez kosmologów jako coś fizycznego. Dlatego szukają oni lepszego opisu wczesnego Wszechświata (stąd m.in. modele inflacyjne), bo mimo że model Wielkiego Wybuchu bardzo dobrze zgadza się z doświadczeniami i obserwacjami nawet dla \(\displaystyle{ t}\) bardzo bliskich zeru, to jednak zawiera niefizyczną osobliwość.

tylko trochę martwi mnie to, że we wszystkich filmach nawet w National Geographic upraszczają wszystko do „gorącej osobliwości”

Mnie w ogóle martwi to, że popularyzatorzy w ramach robienia specjalistycznych działów fizyki bardziej przystępnymi dla laików przekazują im półprawdy, a nawet i nieprawdy. Ale problem jest troszkę bardziej złożony. Kwantowa teoria pola, czy kosmologia i ogólna teoria względności są działami bardzo trudnymi i wymagają bardzo dużego zaplecza matematycznego. Co więcej, nie należą do zagadnień wykładanych na obowiązkowych wykładach dla studentów fizyki. I teraz taki fizyk, który chciałby coś się na ten temat dowiedzieć, a specjalizuje się np. w doświadczalnej fizyce ciała stałego nie sięgnie po podręcznik ogólnej teorii względności, ponieważ nie zna geometrii różniczkowej i pewnie nie chce mu się jej uczyć. Gdzie więc sięgnie? Do książki popularnonaukowej, bo wierzy, że pozna pewne ogólnikowe fakty, a małe nieścisłości (których nie wyłapie) są nieszkodliwe. I potem te nieścisłości będzie powtarzał innym, a że jest fizykiem to przecież musi mieć rację. Duża część fizyków nie zdaje sobie sprawy z tego ile półprawd i nieścisłości przekazywanych jest w źródłach popularnonaukowych. Specjaliści w tych dziedzinach nie czytają raczej tych książek, bo po co skoro wszystko to wiedzą. A reszta nie ma wiedzy, by móc to wyłapać. Ja troszkę wiedzy na tematy "społecznie ciekawe" mam, bo uważam, że jako fizyk taką wiedzę posiadać muszę. Do tego udzielam się na forach zagranicznych, gdzie jest bardzo dużo fizyków-specjalistów z różnych dziedzin. Piszą oni do fizyków (niespecjalistów), a więc nie muszą oni zmyślać i wymyślać cudów, tylko piszą jak jest. Z kanałami typu National Geographic czy Discovery to w ogóle w moim odczuciu dramat. Pamiętam jak jeździłem do domu i sobie oglądałem z nudów, to niejednokrotnie mnie krew zalewała jak słuchałem co (i jak) specjaliści mówią. A że jestem wyjątkowo czepialskim purystą i precyzja wypowiedzi jest dla mnie bardzo ważna, to efekt ten był dodatkowo spotęgowany Wg. mnie cel nie uświęca środków. Cząstki wirtualne nie istnieją i nie wyskakują "z niczego", dualizm korpuskularno-falowy jest ideą nieistotną dla współczesnej fizyki kwantowej, a Wielki Wybuch nie mówi, że Wszechświat powstał z punktu. Dużo by tu wymieniać. Najgorzej, takie kwiatki są w książkach naprawdę wielkich fizyków. Nie dalej jak wczoraj musiałem wyjaśniać co Hawking miał na myśli w jakiejś swojej książce...

Trochę trudno mi sobie to wyobrazić jak to wyglądało czy to było zawieszone gdzieś w przestrzeni czy skupione w pewnym obszarze?

To nie są łatwe do wyobrażenia rzeczy. Analogia z dmuchanym balonem jest fajna, ale kompletnie psuje się dla przestrzeni nieskończonych. Nic skupione nie było, nie było zawieszone, Wszechświat wypełniała jednorodnie gorąca gęsta plazma. I tyle.

Czy mogło być tak, że na początku Wszechświat był skończony a potem zaczął się rozszerzać? Jeśli tak, to musiał być ograniczony ?

Mogło i wtedy musiał być ograniczony. I dalej jest jeśli tak jest. Ale tego nie wiemy.

Natrafiłam na informację: kosmiczna ekspansja przyspiesza i to ekspotencjalnie Taka ekspansja kończy się gdy pole skalarne stoczy się w dolinę potencjału. Brzmi jak matrix.
Czy chodzi tu tylko o kosmologiczną inflację, że trwała ona sekundy i Wszechświat rozszerzał się wykładniczo, a teraz się rozszerza nie wykładniczo – tylko jak?

Chodzi tylko o inflację. To pole skalarne nazywane jest inflatonem. Zachowuje się tak samo jak ciecz o ujemnym ciśnieniu i jego istnienie daje nam w efekcie eksponencjalną ekspansję \(\displaystyle{ R(t)=Ce^{Ht}}\). Jak jest teraz - wikipedia twierdzi, że czynnik skali też zmienia się eksponencjalnie w czasie. Myślałem, że jest inaczej.

I czy mógłby Pan tak dla laika wytłumaczyć skąd się wzięło to ujemne ciśnienie?

Niestety termodynamika relatywistyczna to nie jest działka przyjazna laikom

I czy wiadomo dlaczego wszystkie układy dążą do stanu o najniższej energii?

Nie wiadomo.

W miarę jak dokonuje się inflacja, kosmos osiąga swoje własności płaskości (o jaką płaskość tu chodzi??

Płaskość nie mówi nic o kształcie. Płaszczyzna jest płaska, ale walec i stożek są też w tym sensie płaskie. A sens ten to tzw. krzywizna wewnętrzna.

Dziękuję bardzo za wyczerpującą odpowiedź

Mam jeszcze pytanie odnośnie wzoru z funkcją eksponencjalną; ze wzorem na funkcję nazywaną kosmicznym czynnikiem skali- czy opisuje ona w skrócie tempo ekspansji?, tam pojawia się w wykładniku literka \(\displaystyle{ H}\) oraz \(\displaystyle{ t}\). Małe \(\displaystyle{ t}\) domyślam się, że to wspomniany przez Pana czas kosmiczny- a czym jest literka \(\displaystyle{ H}\)?

\(\displaystyle{ R}\) opisuje ekspansję, a żeby znaleźć opis tempa, potrzebujemy obliczyć pochodną tej funkcji. Pochodnych pewnie nie znasz, ale to takie coś co nam mówi jak szybko dana funkcja się zmienia Tempo ma się do \(\displaystyle{ R}\) jak prędkość do położenia. \(\displaystyle{ H}\) to parametr Hubble'a. Jest to stała, która zależy od przyjętego modelu inflacji, np. może być taki:
\(\displaystyle{ H=\sqrt{\frac{8\pi G}{3}\rho}}\), gdzie \(\displaystyle{ \rho}\) to stała (bo taki model inflacji) gęstość materii.

A czy wiadomo jest jaka jest obecnie gęstość materii i czy można to jakoś zmierzyć?

Mierzy się to jakoś, ale na pomiarach to ja się nie znam Bazując na stronie: jest to około jeden proton na \(\displaystyle{ 4m^3}\). W książce, którą mam przed oczami podane jest \(\displaystyle{ 0,1}\) protonu/elektronu na \(\displaystyle{ m^3}\).

Fajnie Ale czy gęstość materii jest stała? Dotarłam do źródeł, że nawet stała Hubble'a się zmienia.