Singularitatea cosmologică misterioasă este urmată de nu mai puțin misterioasă era Planck (0 -10 -43 s). Este greu de spus ce procese au avut loc în acest scurt moment al Universului nou-născut. Dar se știe cu siguranță că până la sfârșitul momentului Planck, influența gravitațională s-a separat de cele trei forțe fundamentale, combinate într-un singur grup al Marii Uniri.
Pentru a descrie momentul anterior, este nevoie de o nouă teorie, din care pot face parte modelul gravitației cuantice bucle și teoria corzilor. Se dovedește că epoca Planck, ca și singularitatea cosmologică, constituie un decalaj ultra-mic de durată, dar semnificativ în greutate științifică în cunoștințele disponibile despre Universul timpuriu. De asemenea, în timpul Planckian, au existat fluctuații deosebite ale spațiului și timpului. Pentru a descrie acest haos cuantic, puteți folosi imaginea celulelor cuantice spumante din spațiu-timp.
În comparație cu epoca Planck, alte evenimente apar în fața noastră într-o lumină strălucitoare și de înțeles. În perioada de la 10 -43 s la 10 -35 s, forțele gravitației și Marea Unire acționau deja în tânărul Univers. În această perioadă, influențele puternice, slabe și electromagnetice au constituit un singur întreg și au constituit câmpul de forță al Marii Uniri.
Când au trecut 10 -35 s din momentul Big Bang, Universul a atins o temperatură de 10 29 K. În acel moment, interacțiunea puternică s-a separat de cea electroslabă. Acest lucru a dus la o ruptură de simetrie care s-a întâmplat în moduri diferite în diferite părți ale universului. Există posibilitatea ca Universul să fi fost împărțit în părți, care au fost îngrădite unele de altele prin defecte spațiu-timp. Acolo ar putea exista și alte defecte - corzi cosmice sau monopoluri magnetice. Cu toate acestea, astăzi nu putem vedea acest lucru din cauza unei alte diviziuni a puterii Marii Uniri - inflația cosmologică.
În acel moment, Universul era plin cu un gaz de gravitoni - cuante ipotetice ale câmpului gravitațional și bosoni ai forței Marii Unificări. În același timp, nu a existat aproape nicio diferență între leptoni și quarci.
Când a avut loc separarea forțelor în unele părți ale universului, a fost creat un vid fals. Energia este blocată la un nivel ridicat, forțând spațiul să se dubleze la fiecare 10 -34 de secunde. Astfel, Universul de la scări cuantice (o miliardime dintr-o trilionime dintr-o trilionime dintr-un centimetru) s-a mutat la dimensiunea unei sfere cu un diametru de aproximativ 10 cm. Ca urmare a erei Marii Uniri, o tranziție de fază a materiei primare a avut loc, care a fost însoțită de o încălcare a uniformității densității sale. Epoca Marii Uniri s-a încheiat în aproximativ 10? 34 de secunde din momentul Big Bang, când densitatea materiei era de 10 74 g/cm3, iar temperatura a fost de 10 27 K. condiții. Această separare a condus la următoarea tranziție de fază și la expansiunea pe scară largă a Universului, ceea ce a dus la o schimbare a densității materiei și a distribuției acesteia în tot Universul.
Unul dintre motivele pentru care știm atât de puțin despre starea Universului înainte de inflație este că evenimentele ulterioare l-au schimbat foarte mult, împrăștiind particule înainte de vârsta inflaționară în cele mai îndepărtate colțuri ale Universului. Prin urmare, chiar dacă aceste particule au supraviețuit, este destul de dificil să le detectăm în materia modernă.
Odată cu dezvoltarea rapidă a Universului, au loc mari schimbări, iar perioada Marii Uniri este urmată de epoca inflației (10 -35 - 10 -32). Această eră este caracterizată de expansiunea ultra-rapidă a Universului tânăr, adică inflația. În acest scurt moment, Universul a fost un ocean de vid fals cu o densitate mare de energie, datorită căruia expansiunea a devenit posibilă. În acest caz, parametrii vidului se schimbau constant din cauza exploziilor cuantice - fluctuații (spumarea spațiu-timp).
Inflația explică natura exploziei din Big Bang, adică de ce a avut loc o expansiune rapidă a universului. Teoria generală a relativității și teoria câmpului cuantic a lui Einstein au servit drept bază pentru descrierea acestui fenomen. Pentru a descrie acest fenomen, fizicienii au construit un câmp inflator ipotetic care a umplut întreg spațiul. Datorită fluctuațiilor aleatoare, a luat valori diferite în regiuni spațiale arbitrare și în momente diferite. Apoi, s-a format o configurație uniformă de dimensiune critică în câmpul de umflare, după care regiunea spațială ocupată de fluctuație a început să crească rapid în dimensiune. Datorită tendinței câmpului de umflare de a ocupa o poziție în care energia sa este minimă, procesul de expansiune a căpătat un caracter crescător, în urma căruia Universul a început să crească în dimensiuni. În momentul expansiunii (10 -34), vidul fals a început să se dezintegreze, în urma căruia încep să se formeze particule și antiparticule de energii înalte.
Istoria Universului intră în era hadronică, o caracteristică importantă a căreia este existența particulelor și antiparticulelor. Conform conceptelor moderne, în primele microsecunde după Big Bang, Universul se afla în starea unei plasme de quarc-gluoni. Cuarcii sunt părțile constitutive ale tuturor hadronilor (protoni și neutroni), iar particulele neutre sunt gluoni-purtători de interacțiune puternică, care asigură coalescența quarcilor în hadroni. În primele momente ale Universului, aceste particule tocmai se formau și se aflau într-o stare liberă, gazoasă.
Cromoplasma quarcilor și gluonilor este de obicei comparată cu starea lichidă a materiei care interacționează. În această fază, quarcii și gluonii sunt eliberați de materia hadronică și se pot mișca liber în spațiul plasmei, în urma căreia se formează conductivitatea culorii.
În ciuda temperaturilor extrem de ridicate, quarcurile erau destul de conectate între ele, iar mișcarea lor semăna cu mișcarea atomilor într-un lichid mai degrabă decât într-un gaz. De asemenea, în astfel de condiții, are loc o altă tranziție de fază, în care cuarcii de lumină care alcătuiesc substanța devin fără masă.
Observațiile fondului relicte au arătat că abundența inițială a particulelor în comparație cu numărul de antiparticule a fost o fracțiune neglijabilă din total. Și acești protoni în exces au fost suficienti pentru a crea substanța Universului.
Unii oameni de știință cred că a existat și o ascundere a materiei în era hadronului. Purtătorul masei ascunse este necunoscut, dar particulele elementare precum axionii sunt considerate cele mai probabile.
În timpul desfășurării exploziei, temperatura a scăzut și după o zecime de secundă a ajuns la 3 * 10 10 grade Celsius. Într-o secundă - zece mii de milioane de grade și în treisprezece secunde - trei mii de milioane. Acest lucru a fost deja suficient pentru ca electronii și pozitronii să înceapă să se anihileze mai repede. Energia eliberată în timpul anihilării a încetinit treptat rata de răcire a universului, dar temperatura a continuat să scadă.
Perioada de la 10-4-10 s este de obicei numită era leptonică. Când energia particulelor și fotonilor a scăzut de o sută de ori, materia a fost umplută cu leptoni-electroni și pozitroni. Era leptonilor începe cu descompunerea ultimilor hadroni în muoni și neutrini muonici și se termină în câteva secunde, când energia fotonului a scăzut brusc și generarea de perechi electron-pozitron a încetat.
La aproximativ o sutime de secundă după Big Bang, temperatura universului a fost de 10 11 grade Celsius. Este mult mai fierbinte decât centrul oricărei stele pe care o cunoaștem. Această temperatură este atât de ridicată încât niciuna dintre componentele materiei obișnuite, atomii și moleculele, nu ar putea exista. În schimb, universul tânăr a fost format din particule elementare. Una dintre aceste particule erau electroni, particule încărcate negativ care formează părțile exterioare ale tuturor atomilor. Celelalte particule erau pozitroni, particule încărcate pozitiv cu o masă exact egală cu cea a unui electron. În plus, au existat diferite tipuri de neutrini - particule fantomatice care nu au nici masă, nici încărcătură electrică. Dar neutrinii și antineutrinii nu s-au anihilat între ele, deoarece aceste particule interacționează foarte slab între ele și cu alte particule. Prin urmare, ar trebui să fie încă găsite în jurul nostru și ar putea fi o modalitate bună de a testa modelul unui univers timpuriu fierbinte. Cu toate acestea, energiile acestor particule sunt acum prea scăzute pentru a fi observate.
În timpul erei leptonilor, au existat particule precum protoni și neutroni. În cele din urmă, a existat lumină în univers, care, conform teoriei cuantice, este alcătuită din fotoni. Proporțional, erau o mie de milioane de electroni per neutron și proton. Toate aceste particule s-au născut continuu din energie pură, apoi au fost anihilate, formând alte tipuri de particule. Densitatea în universul timpuriu la temperaturi atât de ridicate era de patru mii de milioane de ori mai mare decât cea a apei.
După cum am menționat mai devreme, în această perioadă are loc o naștere intensă în reacții nucleare a diferitelor tipuri de neutrin fantomă, care se numește neutrin relicvă.
Începe epoca radiațiilor, la începutul căreia Universul intră în epoca radiațiilor. La începutul erei (10 s), radiația a interacționat intens cu particulele încărcate de protoni și electroni. Datorită scăderii temperaturii, fotonii s-au răcit și, ca urmare a numeroaselor împrăștieri pe particulele în retragere, o parte din energia lor a fost dusă.
La aproximativ o sută de secunde după Big Bang, temperatura scade la o mie de milioane de grade, ceea ce corespunde temperaturii celor mai fierbinți stele. În astfel de condiții, energia protonilor și neutronilor nu mai este suficientă pentru a rezista atracției nucleare puternice și încep să se unească între ele, formând nuclee de deuteriu - hidrogen greu. Nucleele de deuteriu ataseaza apoi alti neutroni si protoni si se transforma in nuclee de heliu. După aceea, se formează elemente mai grele - litiu și beriliu. Formarea primară a nucleelor atomice ale materiei în curs de dezvoltare nu a durat mult. După trei minute, particulele au zburat atât de departe încât ciocnirile au fost rare. Conform modelului Big Bang fierbinte, aproximativ un sfert din protoni și neutroni ar fi trebuit convertiți în atomi de heliu, hidrogen și alte elemente. Particulele elementare rămase s-au degradat în protoni, reprezentând nucleele hidrogenului obișnuit.
La câteva ore după Big Bang, formarea heliului și a altor elemente s-a oprit. Timp de un milion de ani, universul a continuat să se extindă și aproape nimic altceva nu s-a întâmplat în el. Materia existentă în acel moment a început să se extindă și să se răcească. Mult mai târziu, după sute de mii de ani, temperatura a scăzut la câteva mii de grade, iar energia electronilor și a nucleelor a devenit insuficientă pentru a depăși atracția electromagnetică care acționează între ei. Au început să se ciocnească unul de altul, formând primii atomi de hidrogen și heliu (Figura 2).
Ecologia cunoașterii: titlul acestui articol poate să nu sune ca o glumă inteligentă. Conform conceptului cosmologic general acceptat, teoria Big Bang, Universul nostru a apărut dintr-o stare extremă de vid fizic generat de o fluctuație cuantică.
Este posibil ca titlul acestui articol să nu sune ca o glumă inteligentă. Conform conceptului cosmologic general acceptat, teoria Big Bang, Universul nostru a apărut dintr-o stare extremă de vid fizic generat de o fluctuație cuantică. În această stare, nici timpul, nici spațiul nu existau (sau erau încurși în spumă spațiu-timp) și toate interacțiunile fizice fundamentale erau topite împreună. Mai târziu s-au separat și au dobândit o existență independentă - mai întâi gravitația, apoi interacțiunea puternică și abia apoi - slabă și electromagnetică.
Teoria Big Bang este de încredere de majoritatea absolută a oamenilor de știință care studiază istoria timpurie a Universului nostru. Chiar explică multe și nu contrazice în niciun fel datele experimentale.
Recent, însă, are un concurent în fața unei noi teorii, ciclice, ale cărei fundamente au fost dezvoltate de doi fizicieni extraclase - directorul Institutului de Științe Teoretice de la Universitatea Princeton Paul Steinhardt și laureatul Maxwell. Medalie și prestigiosul premiu internațional TED Neil Turok, director al Institutului Canadian pentru Studii Avansate în domeniul fizicii teoretice (Institutul Perimetru pentru Fizică Teoretică). Cu ajutorul profesorului Steinhardt, Mecanica Populară a încercat să vorbească despre teoria ciclică și motivele apariției acesteia.
Momentul premergător evenimentelor, când „mai întâi gravitația, apoi interacțiunea puternică și abia apoi – slabă și electromagnetică”. Conform teoriei standard, curgerea continuă a timpului a început abia după ce forța gravitațională a devenit independentă.
Acest moment este de obicei atribuit valorii t = 10-43 s (mai precis, 5,4x10-44 s), care se numește timpul Planck. Teoriile fizice moderne pur și simplu nu sunt capabile să funcționeze în mod semnificativ cu perioade mai scurte de timp (se crede că aceasta necesită o teorie cuantică a gravitației, care nu a fost încă creată). În contextul cosmologiei tradiționale, nu are sens să vorbim despre ceea ce sa întâmplat înainte de momentul inițial al timpului, deoarece timpul în înțelegerea noastră pur și simplu nu exista în acel moment.
O parte indispensabilă a teoriei cosmologice standard este conceptul de inflație. După sfârșitul inflației, gravitația a devenit proprie, iar Universul a continuat să se extindă, dar într-un ritm descrescător.
Această evoluție s-a întins pe 9 miliarde de ani, după care a intrat în acțiune un alt câmp antigravitațional de natură încă necunoscută, care se numește energie întunecată. A adus din nou Universul într-un mod de expansiune exponențială, care pare să fie păstrat în timpurile viitoare. De menționat că aceste concluzii se bazează pe descoperiri astrofizice făcute la sfârșitul secolului trecut, la aproape 20 de ani de la apariția cosmologiei inflaționiste.
Interpretarea inflaționistă a Big Bang-ului a fost propusă pentru prima dată acum aproximativ 30 de ani și a fost rafinată de multe ori de atunci. Această teorie a permis rezolvarea mai multor probleme fundamentale cărora cosmologia anterioară nu a reușit să le facă față.
De exemplu, ea a explicat de ce trăim într-un univers cu o geometrie euclidiană plată - conform ecuațiilor clasice Friedmann, aceasta este exact ceea ce ar trebui să facă cu expansiunea exponențială.
Teoria inflaționistă a explicat de ce materia cosmică este granulară la o scară care nu depășește sute de milioane de ani lumină și este distribuită uniform pe distanțe lungi. Ea a oferit, de asemenea, o interpretare a eșecului oricăror încercări de a detecta monopoluri magnetice, particule foarte masive cu un singur pol magnetic, despre care se crede că s-au născut din abundență înainte de debutul inflației (inflația a întins spațiul atât de mult încât densitatea inițială mare a monopolurilor a fost redusă la aproape zero și, prin urmare, instrumentele noastre nu le pot detecta).
La scurt timp după apariția modelului inflaționist, mai mulți teoreticieni și-au dat seama că logica sa internă nu contrazice ideea nașterii multiple permanente a universurilor din ce în ce mai noi. Într-adevăr, fluctuațiile cuantice, precum cele cărora le datorăm existența lumii noastre, pot apărea în orice cantitate dacă condițiile sunt potrivite.
Este posibil ca universul nostru să fi părăsit zona de fluctuație formată în lumea predecesorului. În același mod, se poate presupune că cândva și undeva în propriul nostru Univers se va forma o fluctuație, care va „exploda” un univers tânăr de un tip complet diferit, capabil și de „procreare” cosmologică. Există modele în care astfel de universuri de copii apar continuu, răsar din părinți și își găsesc propriul loc. Mai mult, nu este deloc necesar ca aceleași legi fizice să fie stabilite în astfel de lumi.
Toate aceste lumi sunt „cuibărite” într-un singur continuum spațiu-timp, dar sunt atât de distanțate, încât nu simt prezența reciprocă în niciun fel. În general, conceptul de inflație permite - mai mult, obligă! - să considerăm că în mega-cosmosul gigantic există multe universuri izolate unele de altele cu dispozitive diferite.
Fizicienilor teoreticieni le place să vină cu alternative chiar și la cele mai general acceptate teorii. Modelul inflaționist al Big Bang-ului are și concurenți. Nu au primit un sprijin larg, dar au primit și au proprii lor adepți. Teoria lui Steinhardt și Turok printre ei nu este prima și cu siguranță nici ultima. Cu toate acestea, până în prezent, a fost dezvoltat mai în detaliu decât celelalte și explică mai bine proprietățile observate ale lumii noastre. Are mai multe versiuni, dintre care unele se bazează pe teoria corzilor cuantice și spații multidimensionale, în timp ce altele se bazează pe teoria tradițională a câmpurilor cuantice. Prima abordare oferă imagini mai vii ale proceselor cosmologice, așa că ne vom opri asupra ei.
Cea mai avansată versiune a teoriei corzilor este cunoscută sub numele de teoria M. Ea susține că lumea fizică are 11 dimensiuni - zece spațiale și una temporală. În el plutesc spații de dimensiuni mai mici, așa-numitele brane.
Universul nostru este doar o astfel de brană, cu trei dimensiuni spațiale. Este umplut cu diverse particule cuantice (electroni, quarci, fotoni etc.), care sunt de fapt șiruri deschise vibrante cu o singură dimensiune spațială - lungimea. Capetele fiecărei sfori sunt ferm ancorate în interiorul unei brane tridimensionale, iar sfoara nu poate părăsi brana. Dar există și șiruri închise care pot migra în afara branelor - acestea sunt gravitonii, cuante ale câmpului gravitațional.
Cum explică teoria ciclică trecutul și viitorul universului? Să începem cu epoca actuală. Primul loc aparține acum energiei întunecate, care face ca universul nostru să se extindă exponențial, dublându-și periodic dimensiunea. Ca urmare, densitatea materiei și a radiațiilor scade constant, curbura gravitațională a spațiului slăbește, iar geometria acestuia devine din ce în ce mai plată.
În următorii trilioane de ani, dimensiunea universului se va dubla de aproximativ o sută de ori și se va transforma într-o lume aproape goală, complet lipsită de structuri materiale. Alături de noi se află o altă brană tridimensională, despărțită de noi printr-o distanță nesemnificativă în a patra dimensiune și, de asemenea, suferă o expansiune și o aplatizare exponențială similară. În tot acest timp, distanța dintre brane rămâne practic neschimbată.
Și apoi aceste brane paralele încep să convergă. Ele sunt împinse unul spre celălalt de un câmp de forță, a cărui energie depinde de distanța dintre brane. Acum, densitatea energetică a unui astfel de câmp este pozitivă, astfel încât spațiul ambelor brane se extinde exponențial - prin urmare, acest câmp este cel care oferă efectul care se explică prin prezența energiei întunecate!
Cu toate acestea, acest parametru scade treptat și într-un trilion de ani va scădea la zero. Ambele brane vor continua să se extindă oricum, dar nu exponențial, ci într-un ritm foarte lent. În consecință, în lumea noastră, densitatea particulelor și a radiațiilor va rămâne aproape zero, iar geometria va rămâne plată.
Dar sfârșitul vechii povești este doar un preludiu al următorului ciclu. Branele se deplasează unele spre altele și în cele din urmă se ciocnesc. În această etapă, densitatea de energie a câmpului interramificabil scade sub zero și începe să acționeze ca gravitația (dați-mi voie să vă reamintesc că energia potențială a gravitației este negativă!).
Când branele sunt foarte apropiate, câmpul inter-branică începe să amplifice fluctuațiile cuantice în fiecare punct al lumii noastre și le transformă în deformații macroscopice ale geometriei spațiale (de exemplu, într-o milione de secundă înainte de coliziune, dimensiunea calculată a astfel de deformații ajung la câțiva metri). După ciocnire, în aceste zone este eliberată partea leului din energia cinetică eliberată în timpul impactului. Drept urmare, acolo are loc cea mai fierbinte plasmă, cu o temperatură de aproximativ 1023 de grade. Aceste regiuni devin noduri locale de gravitație și se transformă în embrionii galaxiilor viitoare.
O astfel de coliziune înlocuiește Big Bang-ul cosmologiei inflaționiste. Este foarte important ca toată materia nou formată cu energie pozitivă să apară datorită energiei negative acumulate a câmpului interramificabil, prin urmare legea conservării energiei nu este încălcată.
Și cum se comportă un astfel de câmp în acest moment decisiv? Înainte de coliziune, densitatea energiei sale atinge un minim (și negativ), apoi începe să crească, iar la ciocnire devine zero. Branele apoi se resping reciproc și încep să se împrăștie. Densitatea energiei interramificate trece prin evoluția inversă - din nou devine negativă, zero, pozitivă.
Brana, îmbogățită cu materie și radiații, se extinde mai întâi cu o viteză descrescătoare sub efectul de frânare al propriei gravitații, apoi trece din nou la expansiune exponențială. Noul ciclu se termină ca și precedentul - și așa mai departe la infinit. Ciclurile premergătoare ale noastre au avut loc în trecut – în acest model, timpul este continuu, deci trecutul există dincolo de cele 13,7 miliarde de ani care au trecut de la ultima îmbogățire a branei noastre cu materie și radiații! Fie că au avut vreun început, teoria tace.
Teoria ciclică explică proprietățile lumii noastre într-un mod nou. Are o geometrie plată, deoarece la sfârșitul fiecărui ciclu se întinde excesiv și se deformează doar puțin înainte de a începe un nou ciclu. Fluctuațiile cuantice, care devin precursorii galaxiilor, apar haotic, dar în medie uniform - prin urmare, spațiul exterior este umplut cu aglomerări de materie, dar la distanțe foarte mari este destul de omogen. Nu putem detecta monopolul magnetic pur și simplu pentru că temperatura maximă a plasmei nou-născutului nu a depășit 1023 K și sunt necesare energii mult mai mari pentru apariția unor astfel de particule - de ordinul a 1027 K.
Teoria ciclică există în mai multe versiuni, la fel ca și teoria inflației. Cu toate acestea, potrivit lui Paul Steinhardt, diferențele dintre ele sunt pur tehnice și interesante doar pentru specialiști, conceptul general rămâne neschimbat: „În primul rând, în teoria noastră nu există moment al începutului lumii, nici singularitate.
Există faze periodice de creare intensă a materiei și radiațiilor, fiecare dintre acestea, dacă se dorește, poate fi numită Big Bang. Dar oricare dintre aceste faze nu marchează apariția unui nou univers, ci doar o tranziție de la un ciclu la altul. Atât spațiul, cât și timpul există atât înainte, cât și după oricare dintre aceste cataclisme. Prin urmare, este destul de firesc să ne întrebăm care era starea de lucruri cu 10 miliarde de ani înainte de ultimul Big Bang, din care se numără istoria universului.
A doua diferență cheie este natura și rolul energiei întunecate. Cosmologia inflaționistă nu a prezis tranziția unei expansiuni în decelerare a Universului la una accelerată. Și când astrofizicienii au descoperit acest fenomen observând exploziile supernovelor îndepărtate, cosmologia standard nici măcar nu știa ce să facă în privința lui. Ipoteza energiei întunecate a fost înaintată pur și simplu pentru a lega cumva rezultatele paradoxale ale acestor observații de teorie.
Iar abordarea noastră este mult mai bine sigilată de logica internă, deoarece avem energie întunecată de la bun început și această energie este cea care asigură alternarea ciclurilor cosmologice.” Cu toate acestea, după cum notează Paul Steinhardt, teoria ciclică are și puncte slabe: „Nu am reușit încă să descriem în mod convingător procesul de coliziune și rebound al branelor paralele care are loc la începutul fiecărui ciclu. Alte aspecte ale teoriei ciclice sunt mult mai bine dezvoltate, dar aici sunt încă multe ambiguități de clarificat.”
Dar chiar și cele mai frumoase modele teoretice au nevoie de verificare experimentală. Cosmologia ciclică poate fi confirmată sau infirmată prin observație? „Atât teoriile inflaționiste, cât și cele ciclice prezic existența undelor gravitaționale relicve”, explică Paul Steinhardt. - În primul caz, ele apar din fluctuațiile cuantice primare, care sunt mânjite în spațiu în timpul inflației și generează oscilații periodice ale geometriei acestuia - iar acestea, conform teoriei generale a relativității, sunt unde gravitaționale.
În scenariul nostru, fluctuațiile cuantice sunt, de asemenea, cauza principală a unor astfel de unde - aceleași care se amplifică atunci când branele se ciocnesc. Calculele au arătat că fiecare mecanism generează unde cu un spectru specific și o polarizare specifică. Aceste unde au fost necesare pentru a lăsa amprente asupra radiației cosmice cu microunde, care este o sursă neprețuită de informații despre spațiul timpuriu.
Până acum, astfel de urme nu au fost găsite, dar, cel mai probabil, acest lucru se va face în următorul deceniu. În plus, fizicienii se gândesc deja la înregistrarea directă a undelor gravitaționale relicve folosind nave spațiale, care vor apărea în două-trei decenii.”
O altă diferență, potrivit profesorului Steinhardt, este distribuția temperaturii radiației de fond cu microunde: „Această radiație care vine din diferite părți ale cerului nu este complet uniformă ca temperatură, are mai multe și mai puțin zone încălzite. La nivelul preciziei de măsurare oferite de echipamentele moderne, numărul de zone calde și reci este aproximativ același, ceea ce coincide cu concluziile ambelor teorii - atât inflaționiste, cât și ciclice.
Cu toate acestea, aceste teorii prevăd diferențe mai subtile între zone. În principiu, ele pot fi detectate de observatorul spațial european „Planck” lansat anul trecut și de alte nave spațiale de ultimă generație. Sper că rezultatele acestor experimente vor ajuta la alegerea între teoriile inflaționiste și cele ciclice. Dar se poate întâmpla și ca situația să rămână incertă și niciuna dintre teorii să nu primească sprijin experimental fără echivoc. Ei bine, atunci va trebui să vin cu ceva nou.”
Conform modelului inflaționist, Universul, la scurt timp după naștere, sa extins exponențial pentru o perioadă foarte scurtă de timp, dublându-și dimensiunile liniare de multe ori. Oamenii de știință cred că începutul acestui proces a coincis în timp cu separarea interacțiunii puternice și a avut loc la un interval de timp de 10-36 s.
Această expansiune (cu mâna ușoară a fizicianului teoretician american Sidney Coleman, a fost numită inflație cosmologică) a fost extrem de de scurtă durată (până la 10-34 s), dar a mărit dimensiunile liniare ale Universului de cel puțin 1030-1050 de ori. , și posibil mult mai mult. Conform celor mai specifice scenarii, inflația a fost declanșată de un câmp scalar cuantic antigravitațional, a cărui densitate de energie a scăzut treptat și în cele din urmă a atins un nivel minim.
Înainte să se întâmple acest lucru, câmpul a început să oscileze rapid, generând particule elementare. Ca urmare, până la sfârșitul fazei inflaționiste, Universul a fost umplut cu o plasmă superfierbintă, constând din quarci liberi, gluoni, leptoni și cuante de radiație electromagnetică de înaltă energie.
O alternativă radicală
În anii 1980, profesorul Steinhardt a adus o contribuție semnificativă la dezvoltarea teoriei standard a Big Bang-ului. Acest lucru nu l-a împiedicat însă să caute o alternativă radicală la teorie, în care s-a investit atât de multă muncă. După cum a spus însuși Paul Steinhardt pentru Popular Mechanics, ipoteza inflației dezvăluie multe mistere cosmologice, dar asta nu înseamnă că nu are rost să caut alte explicații: „La început am fost doar interesat să încerc să înțeleg proprietățile de bază ale lumii noastre. fără a recurge la inflaţie.
Mai târziu, când am aprofundat această problemă, m-am convins că teoria inflaționistă nu este deloc atât de perfectă pe cât pretind susținătorii ei. Când cosmologia inflaționistă tocmai a fost creată, am sperat că aceasta va explica tranziția de la starea haotică inițială a materiei la Universul ordonat actual. Ea a făcut exact asta - dar a mers mult mai departe.
Logica internă a teoriei cerea să admită că inflația creează în mod constant un număr infinit de lumi. Acest lucru nu ar fi mare lucru dacă dispozitivul lor fizic l-ar copia pe al nostru, dar acest lucru pur și simplu nu funcționează. De exemplu, cu ajutorul ipotezei inflaționiste, a fost posibil să explicăm de ce trăim într-o lume euclidiană plată, dar la urma urmei, majoritatea celorlalte universuri cu siguranță nu vor avea aceeași geometrie.
Va fi interesant pentru tine:
Pe scurt, construiam o teorie care să explice propria noastră lume și aceasta a scăpat de sub control și a dat naștere unei varietăți nesfârșite de lumi exotice. Această stare de lucruri a încetat să-mi mai convină. În plus, teoria standard nu poate explica natura stării anterioare, care a precedat expansiunea exponențială. În acest sens, este la fel de incompletă ca și cosmologia pre-inflaționistă. În cele din urmă, nu poate spune nimic despre natura energiei întunecate, care a condus expansiunea Universului nostru de 5 miliarde de ani.” publicat de
Teoria Big Bang a devenit aproape la fel de mult un model cosmologic general acceptat ca și rotația Pământului în jurul Soarelui. Conform teoriei, cu aproximativ 14 miliarde de ani în urmă, oscilațiile spontane în vidul absolut au dus la apariția universului. Ceva de dimensiunea unei particule subatomice sa extins la dimensiuni inimaginabile într-o fracțiune de secundă. Dar în această teorie există multe probleme pentru care fizicienii se luptă, propunând din ce în ce mai multe ipoteze noi.
Ce este în neregulă cu teoria Big Bang
Din teorie rezultă, că toate planetele și stelele s-au format din praful împrăștiat în spațiu ca urmare a exploziei. Dar ceea ce a precedat este neclar: aici modelul nostru matematic al spațiu-timp încetează să funcționeze. Universul a apărut dintr-o stare inițială singulară la care fizica modernă nu poate fi aplicată. De asemenea, teoria nu ia în considerare motivele apariției unei singularități sau materie și energie pentru apariția acesteia. Se crede că răspunsul la întrebarea existenței și originii singularității inițiale va fi dat de teoria gravitației cuantice.
Majoritatea modelelor cosmologice prezic că întregul univers este mult mai mare decât porțiunea observabilă – o regiune sferică cu un diametru de aproximativ 90 de miliarde de ani lumină. Vedem doar acea parte a Universului, a cărei lumină a reușit să ajungă pe Pământ în 13,8 miliarde de ani. Dar telescoapele sunt din ce în ce mai bune, detectăm din ce în ce mai multe obiecte îndepărtate și până acum nu există niciun motiv să credem că acest proces se va opri.
De la Big Bang, universul s-a extins cu accelerație. Cel mai dificil mister al fizicii moderne este întrebarea ce cauzează accelerația. Ipoteza de lucru este că universul conține o componentă invizibilă numită „energie întunecată”. Teoria Big Bang nu explică dacă universul se va extinde la infinit și, dacă da, la ce va duce - la dispariția lui sau altceva.
Deși mecanica newtoniană a fost înlocuită de fizica relativistă, nu poate fi numită eronată. Cu toate acestea, percepția asupra lumii și modelele de descriere a universului s-au schimbat complet. Teoria Big Bang a prezis o serie de lucruri care nu erau cunoscute înainte. Astfel, dacă o altă teorie vine în locul ei, atunci ar trebui să fie similară și să extindă înțelegerea lumii.
Ne vom concentra asupra celor mai interesante teorii care descriu modele alternative Big Bang.
Universul este ca un miraj al unei găuri negre
Universul a apărut în urma prăbușirii unei stele într-un univers cu patru dimensiuni, spun oamenii de știință de la Institutul Perimetru de Fizică Teoretică. Rezultatele cercetării lor au fost publicate în Scientific American. Nyayesh Afshordi, Robert Mann și Razi Purhasan spun că universul nostru tridimensional a devenit un fel de „miraj holografic” atunci când o stea cu patru dimensiuni se prăbușește. Spre deosebire de teoria Big Bang, conform căreia universul a apărut dintr-un spațiu-timp extrem de fierbinte și dens, unde legile standard ale fizicii nu se aplică, noua ipoteză despre universul cu patru dimensiuni explică atât motivele originii, cât și expansiunea rapidă a acestuia.
Conform scenariului formulat de Afshordi și colegii săi, universul nostru tridimensional este un fel de membrană care plutește printr-un univers și mai voluminos care există deja în patru dimensiuni. Dacă stele cu patru dimensiuni ale lor ar exista în acest spațiu cu patru dimensiuni, ar exploda și ele, ca și cele tridimensionale din Universul nostru. Stratul interior ar deveni o gaură neagră, iar stratul exterior ar fi aruncat în spațiu.
În universul nostru, găurile negre sunt înconjurate de o sferă numită orizont de evenimente. Și dacă în spațiul tridimensional această graniță este bidimensională (ca o membrană), atunci în universul cu patru dimensiuni orizontul evenimentelor va fi limitat de o sferă care există în trei dimensiuni. Simulările computerizate ale prăbușirii unei stele cu patru dimensiuni au arătat că orizontul său de evenimente tridimensional se va extinde treptat. Aceasta este ceea ce observăm, numind creșterea membranei 3D expansiunea Universului, cred astrofizicienii.
Îngheț mare
O alternativă la Big Bang ar putea fi Big Freeze. O echipă de fizicieni de la Universitatea din Melbourne, condusă de James Kvatch, a prezentat un model al nașterii Universului, care seamănă mai mult cu un proces gradual de înghețare a energiei amorfe decât cu stropirea și expansiunea sa în trei direcții ale spațiului.
Energia fără formă, conform oamenilor de știință, precum apa, s-a răcit până la cristalizare, creând cele trei dimensiuni spațiale și obișnuite.
The Big Freeze Theory pune la îndoială afirmația acceptată în prezent a lui Albert Einstein despre continuitatea și netezimea spațiului și timpului. Este posibil ca spațiul să aibă părțile sale constitutive - blocuri de construcție indivizibile, cum ar fi atomi mici sau pixeli în grafica computerizată. Aceste blocuri sunt atât de mici încât este imposibil de observat, totuși, urmând noua teorie, este posibil să se detecteze defecte care ar trebui să refracte fluxurile altor particule. Oamenii de știință au calculat astfel de efecte folosind un aparat matematic, iar acum vor încerca să le detecteze experimental.
Un univers fără început sau sfârșit
Ahmed Farag Ali de la Universitatea Benha din Egipt și Sauria Das de la Universitatea Lethbridge din Canada au propus o nouă soluție la problema singularității prin renunțarea la Big Bang. Ei au adus ideile celebrului fizician David Bohm la ecuația Friedman care descrie expansiunea Universului și Big Bang-ul. „Este uimitor că micile amendamente pot rezolva atât de multe probleme”, spune Das.
Modelul rezultat combină relativitatea generală și teoria cuantică. Ea nu numai că neagă singularitatea care a precedat Big Bang-ul, dar nici nu permite universului să revină la starea inițială în timp. Conform datelor obținute, Universul are o dimensiune finită și o viață infinită. În termeni fizici, modelul descrie Universul umplut cu un fluid cuantic ipotetic, care constă din gravitoni - particule care asigură interacțiunea gravitațională.
Oamenii de știință susțin, de asemenea, că descoperirile lor sunt în concordanță cu cele mai recente măsurători ale densității universului.
Inflație haotică nesfârșită
Termenul de „inflație” se referă la expansiunea rapidă a universului, care a avut loc exponențial în primele momente după Big Bang. Prin ea însăși, teoria inflației nu respinge teoria Big Bang-ului, ci doar o interpretează diferit. Această teorie rezolvă mai multe probleme fundamentale din fizică.
Conform modelului inflaționist, la scurt timp după apariție, universul s-a extins exponențial pentru o perioadă foarte scurtă de timp: dimensiunea sa s-a dublat de multe ori. Oamenii de știință cred că în 10 până la -36 de grade de secunde, Universul a crescut în dimensiune de cel puțin 10 până la 30-50 de ori și, posibil, mai mult. La sfârșitul fazei inflaționiste, Universul a fost umplut cu o plasmă superfierbintă de quarci liberi, gluoni, leptoni și cuante de înaltă energie.
Conceptul presupune ce există în lume multe universuri izolate cu dispozitiv diferit
Fizicienii au ajuns la concluzia că logica modelului inflaționist nu contrazice ideea nașterii multiple constante de noi universuri. Fluctuațiile cuantice - aceleași cu cele care au dat naștere lumii noastre - pot apărea în orice cantitate, cu condiția ca condițiile să fie potrivite. Este foarte posibil ca universul nostru să fi ieșit din zona de fluctuație formată în lumea predecesorului. De asemenea, se poate presupune că, cândva și undeva în Universul nostru, se va forma o fluctuație, care va „exploda” un univers tânăr de un tip complet diferit. În acest model, universurile copiilor pot să apară continuu. Mai mult, nu este deloc necesar ca aceleași legi fizice să fie stabilite în noile lumi. Conceptul implică faptul că în lume există multe universuri izolate cu dispozitive diferite.
Teoria ciclică
Paul Steinhardt, unul dintre fizicienii care au pus bazele cosmologiei inflaționiste, a decis să dezvolte în continuare această teorie. Omul de știință care conduce Centrul pentru Fizică Teoretică din Princeton, împreună cu Neil Turok de la Institutul Perimetru de Fizică Teoretică, au prezentat o teorie alternativă în cartea Universul fără sfârșit: Dincolo de Big Bang. („Universul infinit: dincolo de Big Bang”). Modelul lor se bazează pe o generalizare a teoriei cuantice a superstringurilor cunoscută sub numele de teoria M. Potrivit ei, lumea fizică are 11 dimensiuni - zece spațiale și una temporală. În ea „plutesc” spații de dimensiuni mai mici, așa-numitele brane (prescurtare de la „membrană”). Universul nostru este doar o astfel de brană.
Modelul Steinhardt și Turok susține că Big Bang-ul a avut loc ca urmare a ciocnirii branei noastre cu o altă brană - un univers necunoscut. În acest scenariu, coliziunile apar la nesfârșit. Conform ipotezei lui Steinhardt și Turok, o altă brană tridimensională „plutește” lângă brana noastră, separată de o distanță mică. De asemenea, se extinde, se aplatizează și se golește, dar după un trilion de ani branele vor începe să convergă și în cele din urmă să se ciocnească. Acest lucru va elibera o cantitate imensă de energie, particule și radiații. Acest cataclism va lansa un alt ciclu de expansiune și răcire a Universului. Din modelul Steinhardt și Turok rezultă că aceste cicluri au fost în trecut și cu siguranță se vor repeta în viitor. Cum au început aceste cicluri, teoria tace.
Univers
ca un calculator
O altă ipoteză despre structura universului spune că întreaga noastră lume nu este altceva decât o matrice sau un program de calculator. Ideea că universul este un computer digital a fost introdusă de inginerul german și pionierul computerelor Konrad Zuse în cartea sa Calculating Space. („Spatiu de calcul”). Printre cei care au văzut universul ca pe un computer gigant se numără fizicienii Stephen Wolfram și Gerard "t Hooft.
Teoreticienii fizicii digitale presupun că universul este în esență informație și, prin urmare, computabil. Din aceste presupuneri rezultă că universul poate fi privit ca rezultat al unui program de calculator sau al unui dispozitiv de calcul digital. Acest computer ar putea fi, de exemplu, un automat celular gigant sau o mașină Turing universală.
Dovezi indirecte natura virtuală a universului numit principiul incertitudinii în mecanica cuantică
Conform teoriei, fiecare obiect și eveniment al lumii fizice provine din adresarea întrebărilor și înregistrarea răspunsurilor „da” sau „nu”. Adică, în spatele a tot ceea ce ne înconjoară, se ascunde un anumit cod, asemănător codului binar al unui program de calculator. Și suntem un fel de interfață prin care apare accesul la datele „Internetului universal”. Principiul incertitudinii în mecanica cuantică se numește o dovadă indirectă a naturii virtuale a Universului: particulele de materie pot exista într-o formă instabilă și sunt „fixate” într-o stare specifică numai atunci când le observă.
Adeptul fizicii digitale John Archibald Wheeler a scris: „Nu ar fi nerezonabil să ne imaginăm că informația se află în miezul fizicii, precum și în miezul unui computer. Totul de la un pic. Cu alte cuvinte, tot ceea ce există - fiecare particulă, fiecare câmp de forță, chiar și continuumul spațiu-timp însuși - își primește funcția, sensul și, în cele din urmă, însăși existența sa".
Pe baza cunoștințelor despre starea actuală a universului, oamenii de știință sugerează că totul ar fi trebuit să înceapă dintr-un singur punct cu densitate infinită și timp finit, care a început să se extindă. După ce sa extins inițial, spune teoria, universul a trecut printr-o fază de răcire care a permis să apară particule subatomice și mai târziu atomi simpli. Norii giganți ai acestor elemente antice mai târziu, datorită gravitației, au început să formeze stele și galaxii.
Toate acestea, conform oamenilor de știință, au început acum aproximativ 13,8 miliarde de ani și, prin urmare, acest punct de plecare este considerat vârsta universului. Prin studiul diferitelor principii teoretice, experimente care implică acceleratori de particule și stări de înaltă energie, precum și prin studii astronomice ale colțurilor îndepărtate ale Universului, oamenii de știință au dedus și au propus o cronologie a evenimentelor care au început cu Big Bang și au condus Universul. în cele din urmă la acea stare de evoluție cosmică, care are loc acum.
Oamenii de știință cred că cele mai timpurii perioade ale începutului universului - care durează de la 10 -43 până la 10 -11 secunde după Big Bang - sunt încă subiect de controverse și discuții. Având în vedere că legile fizicii pe care le cunoaștem acum nu puteau exista la acel moment, este foarte greu de înțeles cum au fost reglementate procesele din acest Univers timpuriu. În plus, experimentele care utilizează acele tipuri posibile de energii care ar fi putut fi prezente în acel moment nu au fost încă efectuate. Oricum ar fi, multe teorii despre originea universului sunt în cele din urmă de acord că la un moment dat a existat un punct de plecare de la care totul a început.
Epoca singularității
Cunoscută și ca era Planck (sau era Planck), este considerată cea mai veche perioadă cunoscută din evoluția universului. În acest moment, toată materia era conținută într-un singur punct de densitate și temperatură infinite. În această perioadă, oamenii de știință cred că efectele cuantice ale interacțiunii gravitaționale au dominat fizicul și niciuna dintre forțele fizice nu a fost egală ca forță cu gravitația.
Se presupune că epoca Planck a durat de la 0 la 10 -43 de secunde și este numită astfel deoarece durata ei poate fi măsurată doar de timpul Planck. Datorită temperaturilor extreme și densității infinite a materiei, starea universului în această perioadă de timp a fost extrem de instabilă. Au urmat perioade de expansiune și răcire, care au dus la apariția forțelor fundamentale ale fizicii.
Aproximativ în perioada de la 10 -43 la 10 -36 de secunde a avut loc procesul de ciocnire a stărilor de temperatură de tranziție în Univers. Se crede că în acest moment forțele fundamentale care guvernează universul actual au început să se separe unele de altele. Primul pas în acest departament a fost apariția forțelor gravitaționale, a interacțiunilor nucleare puternice și slabe și a electromagnetismului.
În perioada cuprinsă între aproximativ 10 -36 și 10 -32 de secunde după Big Bang, temperatura Universului a devenit suficient de scăzută (1028 K), ceea ce a dus la separarea forțelor electromagnetice (interacțiune puternică) și interacțiune nucleară slabă (interacțiune slabă). ).
Epoca inflației
Odată cu apariția primelor forțe fundamentale din Univers, a început epoca inflației, care a durat de la 10 -32 de secunde conform timpului Planck până la un moment necunoscut în timp. Majoritatea modelelor cosmologice presupun că universul a fost umplut uniform cu energie de înaltă densitate în această perioadă, iar temperatura și presiunea incredibil de ridicate au dus la expansiunea și răcirea sa rapidă.
A început la 10 -37 de secunde, când faza de tranziție, care a determinat separarea forțelor, a fost urmată de o expansiune exponențială a Universului. În aceeași perioadă de timp, Universul se afla într-o stare de bariogeneză, când temperatura era atât de ridicată încât mișcarea dezordonată a particulelor în spațiu a avut loc cu o viteză apropiată de lumina.
În acest moment, se formează perechi de particule - antiparticule și se ciocnesc imediat, ceea ce se crede că a dus la dominația materiei asupra antimateriei în Universul modern. După sfârșitul inflației, Universul a constat din plasmă cuarc-gluon și alte particule elementare. Din acel moment, Universul a început să se răcească, materia a început să se formeze și să se combine.
Era răcirii
Odată cu scăderea densității și a temperaturii în interiorul Universului, a început să aibă loc o scădere a energiei în fiecare particulă. Această stare de tranziție a durat până când forțele fundamentale și particulele elementare au ajuns la forma lor actuală. Deoarece energia particulelor a scăzut la valori care pot fi atinse astăzi în cadrul experimentelor, prezența reală posibilă a acestei perioade de timp provoacă mult mai puține controverse în rândul oamenilor de știință.
De exemplu, oamenii de știință cred că la 10-11 secunde după Big Bang, energia particulelor a scăzut semnificativ. La aproximativ 10 -6 secunde, quarcii și gluonii au început să formeze barioni - protoni și neutroni. Quarcii au început să predomine asupra antiquarcilor, ceea ce a dus, la rândul său, la predominarea barionilor asupra antibarionilor.
Deoarece temperatura nu mai era suficient de ridicată pentru a crea noi perechi proton-antiproton (sau perechi neutron-antineutron), a urmat distrugerea masivă a acestor particule, ceea ce a dus la restul de doar 1/1010 din numărul de protoni și neutroni inițiali și dispariția completă a antiparticulelor lor. Un proces similar a avut loc la aproximativ 1 secundă după Big Bang. Doar „victimele” de această dată au fost electronii și pozitronii. După anihilarea în masă, protonii, neutronii și electronii rămași și-au încetat mișcarea haotică, iar densitatea de energie a universului a fost umplută cu fotoni și, într-o măsură mai mică, cu neutrini.
În primele minute ale expansiunii Universului a început perioada de nucleosinteză (sinteza elementelor chimice). Datorită scăderii temperaturii la 1 miliard de kelvin și scăderii densității energiei la aproximativ valori echivalente cu densitatea aerului, neutronii și protonii au început să se amestece și să formeze primul izotop stabil de hidrogen (deuteriu), precum și heliu. atomi. Cu toate acestea, majoritatea protonilor din univers au rămas ca nuclee incoerente ale atomilor de hidrogen.
Aproximativ 379.000 de ani mai târziu, electronii s-au combinat cu aceste nuclee de hidrogen pentru a forma atomi (din nou, mai ales hidrogen), în timp ce radiațiile s-au separat de materie și au continuat să se extindă aproape nestingherite prin spațiu. Această radiație este numită în mod obișnuit radiație relicvă și este cea mai veche sursă de lumină din Univers.
Odată cu expansiunea, radiația relicvă și-a pierdut treptat densitatea și energia, iar în acest moment temperatura este de 2,7260 ± 0,0013 K (-270,424 ° C), iar densitatea sa de energie este de 0,25 eV (sau 4,005 × 10 -14 J / m³; 400–). 500 fotoni/cm³). Radiația relicvă se extinde în toate direcțiile și pe o distanță de aproximativ 13,8 miliarde de ani lumină, dar estimarea propagării sale reale spune la aproximativ 46 de miliarde de ani lumină de centrul universului.
Vârsta structurii (Vârsta ierarhică)
În următoarele câteva miliarde de ani, regiunile mai dense ale materiei, distribuite aproape uniform în Univers, au început să se atragă reciproc. Ca urmare, au devenit și mai dense, au început să formeze nori de gaz, stele, galaxii și alte structuri astronomice pe care le putem observa în prezent. Această perioadă se numește era ierarhică. În acest moment, Universul pe care îl vedem acum a început să-și ia forma. Materia a început să se unească în structuri de diferite dimensiuni - stele, planete, galaxii, clustere galactice, precum și superclustere galactice, separate prin bariere intergalactice care conțineau doar câteva galaxii.
Detaliile acestui proces pot fi descrise în funcție de ideea cantității și tipului de materie distribuită în Univers, care este reprezentată sub formă de materie întunecată rece, caldă, fierbinte și materie barionică. Cu toate acestea, modelul cosmologic standard actual al Big Bang-ului este modelul Lambda-CDM, conform căruia particulele de materie întunecată se mișcă mai încet decât viteza luminii. A fost aleasă pentru că rezolvă toate contradicțiile apărute în alte modele cosmologice.
Conform acestui model, materia întunecată rece reprezintă aproximativ 23% din toată materia/energia din univers. Proporția de materie barionică este de aproximativ 4,6 la sută. Lambda CDM se referă la așa-numita constantă cosmologică: o teorie propusă de Albert Einstein care caracterizează proprietățile vidului și arată echilibrul dintre masă și energie ca mărime statică constantă. În acest caz, este asociată cu energia întunecată, care servește ca un accelerator pentru expansiunea universului și menține structurile cosmologice uriașe în mare parte omogene.
Previziuni pe termen lung despre viitorul universului
Ipotezele conform cărora evoluția Universului are un punct de plecare îi conduc în mod natural pe oamenii de știință la întrebări despre un posibil punct final al acestui proces. Dacă Universul și-a început istoria dintr-un punct mic cu o densitate infinită, care a început brusc să se extindă, înseamnă asta că se va extinde și la infinit? Sau, într-o zi, va rămâne fără forță expansivă și va începe un proces de compresie inversă, al cărui rezultat final va fi același punct infinit de dens?
Răspunsurile la aceste întrebări au fost scopul principal al cosmologilor încă de la începutul dezbaterii despre care model cosmologic al Universului este corect. Odată cu adoptarea teoriei Big Bang, dar mai ales datorită observării energiei întunecate în anii 1990, oamenii de știință au ajuns la un acord asupra a două scenarii cele mai probabile pentru evoluția universului.
Potrivit primei, numită „marea compresie”, Universul va atinge dimensiunea maximă și va începe să se prăbușească. Acest scenariu va fi posibil dacă numai densitatea de masă a Universului devine mai mare decât densitatea critică în sine. Cu alte cuvinte, dacă densitatea materiei atinge o anumită valoare sau devine mai mare decât această valoare (1-3 × 10 -26 kg de materie pe m³), Universul va începe să se contracte.
Big Bang - așa cum este
O alternativă este un alt scenariu, care spune că dacă densitatea în Univers este egală sau sub densitatea critică, atunci expansiunea sa va încetini, dar nu se va opri niciodată complet. Această ipoteză, numită „moartea termică a universului”, va continua să se extindă până când formarea stelelor nu va mai consuma gaz interstelar în fiecare dintre galaxiile din jur. Adică, transferul de energie și materie de la un obiect la altul se va opri complet. Toate stelele existente în acest caz se vor arde și se vor transforma în pitice albe, stele neutronice și găuri negre.
Treptat, găurile negre se vor ciocni cu alte găuri negre, ceea ce va duce la formarea unora din ce în ce mai mari. Temperatura medie a Universului se va apropia de zero absolut. Găurile negre se vor „evapora” în cele din urmă, eliberând ultima lor radiație Hawking. În cele din urmă, entropia termodinamică din Univers va deveni maximă. Moartea de căldură va veni.
Observațiile moderne, care iau în considerare prezența energiei întunecate și efectul acesteia asupra expansiunii spațiului, i-au determinat pe oamenii de știință să concluzioneze că, în timp, tot mai mult spațiu din univers va trece dincolo de orizontul nostru de evenimente și va deveni invizibil pentru noi. Rezultatul final și logic al acestui lucru nu este încă cunoscut de oamenii de știință, dar „moartea prin căldură” se poate dovedi a fi punctul final al unor astfel de evenimente.
Există și alte ipoteze privind distribuția energiei întunecate, sau mai bine zis, tipurile posibile ale acesteia (de exemplu, energia fantomă). Potrivit acestora, clusterele galactice, stelele, planetele, atomii, nucleele de atomi și materia însăși vor fi sfâșiate ca urmare a expansiunii sale nesfârșite. Acest scenariu evolutiv este numit „decalajul mare”. Conform acestui scenariu, expansiunea în sine este cauza morții Universului.
Istoria teoriei Big Bang
Cea mai veche mențiune despre Big Bang datează de la începutul secolului al XX-lea și este asociată cu observațiile spațiului. În 1912, astronomul american Vesto Slipher a efectuat o serie de observații ale galaxiilor spirale (care păreau inițial a fi nebuloase) și a măsurat deplasarea lor către roșu Doppler. În aproape toate cazurile, observațiile au arătat că galaxiile spirale se îndepărtează de Calea Lactee.
În 1922, remarcabilul matematician și cosmolog rus Alexander Fridman a derivat așa-numitele ecuații Friedman din ecuațiile lui Einstein pentru relativitatea generală. În ciuda avansării teoriei de către Einstein în favoarea unei constante cosmologice, lucrările lui Friedmann au arătat că universul este mai degrabă într-o stare de expansiune.
În 1924, măsurătorile lui Edwin Hubble ale distanței până la cea mai apropiată nebuloasă spirală au arătat că aceste sisteme sunt de fapt alte galaxii. În același timp, Hubble a început să dezvolte o serie de metrici de scădere a distanței folosind telescopul Hooker de 2,5 metri de la Observatorul Mount Wilson. Până în 1929, Hubble a descoperit relația dintre distanță și rata de retragere a galaxiilor, care mai târziu a devenit Legea lui Hubble.
În 1927, matematicianul, fizicianul și preotul catolic belgian Georges Lemaitre a ajuns independent la aceleași rezultate ca cele arătate de ecuațiile lui Friedmann și a fost primul care a formulat relația dintre distanță și viteza galaxiilor, oferind prima estimare a coeficientului de această relație. Lemaitre credea că la un moment dat în trecut, întreaga masă a universului a fost concentrată într-un singur punct (atom).
Aceste descoperiri și presupuneri au stârnit multe controverse între fizicienii din anii 20 și 30, dintre care majoritatea credeau că universul se află într-o stare staționară. Conform modelului stabilit la acea vreme, o dată cu expansiunea infinită a Universului se creează materie nouă, uniform și egal ca densitate fiind distribuită pe toată lungimea sa. Printre oamenii de știință care o susțin, ideea Big Bang-ului părea mai mult teologică decât științifică. Lemaitre a fost criticat pentru părtinire bazată pe părtinire religioasă.
De remarcat că au existat și alte teorii în același timp. De exemplu, modelul lui Milne al Universului și modelul ciclic. Ambele s-au bazat pe postulatele teoriei generale a relativității a lui Einstein și, ulterior, au primit sprijin din partea omului de știință însuși. Conform acestor modele, universul există într-un flux nesfârșit de cicluri repetate de expansiune și colaps.
După al Doilea Război Mondial, a izbucnit o dezbatere aprinsă între susținătorii unui model staționar al universului (care a fost de fapt descris de astronomul și fizicianul Fred Hoyle) și susținătorii teoriei Big Bang, care câștiga rapid popularitate în rândul comunității științifice. În mod ironic, Hoyle a fost cel care a inventat sintagma „”, care a devenit mai târziu numele noii teorii. S-a întâmplat în martie 1949 la radioul britanic BBC.
În cele din urmă, cercetările științifice și observațiile ulterioare au vorbit din ce în ce mai mult în favoarea teoriei Big Bang și au pus sub semnul întrebării modelul unui univers staționar. Descoperirea și confirmarea CMB în 1965 a solidificat în cele din urmă Big Bang-ul ca cea mai bună teorie a originii și evoluției universului. De la sfârșitul anilor 1960 până în anii 1990, astronomii și cosmologii au efectuat și mai multe cercetări asupra Big Bang-ului și au găsit soluții la multe dintre problemele teoretice care stau în calea acestei teorii.
Aceste soluții includ, de exemplu, lucrările lui Stephen Hawking și ale altor fizicieni care au demonstrat că singularitatea este starea inițială incontestabilă a relativității generale și modelul cosmologic al Big Bang-ului. În 1981, fizicianul Alan Guth a dezvoltat o teorie care descrie perioada expansiunii cosmice rapide (era inflației), care a rezolvat multe întrebări și probleme teoretice nerezolvate anterior.
În anii 1990, a existat un interes crescut pentru energia întunecată, care a fost văzută ca cheia pentru rezolvarea multor probleme nerezolvate în cosmologie. Pe lângă dorința de a găsi un răspuns la întrebarea de ce Universul își pierde masa împreună cu mamele întunecate (ipoteza a fost propusă încă din 1932 de Ian Oort), a fost necesar să se găsească și o explicație pentru ce Universul încă se accelerează.
Progresele ulterioare ale cercetării se datorează creării de telescoape, sateliți și modele computerizate mai avansate, care au permis astronomilor și cosmologilor să caute mai mult în univers și să înțeleagă mai bine vârsta lui adevărată. Dezvoltarea telescoapelor spațiale și apariția unor astfel de, de exemplu, Cosmic Background Explorer (sau COBE), Telescopul Spațial Hubble, Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) și Observatorul Spațial Planck, au adus, de asemenea, o contribuție neprețuită la studiul problemei.
Astăzi, cosmologii pot măsura diverși parametri și caracteristici ale modelului teoriei Big Bang cu o acuratețe destul de mare, ca să nu mai vorbim de calcule mai precise ale vechimii spațiului din jurul nostru. Dar totul a început cu observarea obișnuită a obiectelor spațiale masive situate la mulți ani lumină de noi și care continuă încet să se îndepărteze de noi. Și chiar dacă nu avem idee cum se va sfârși toate acestea, nu va dura prea mult timp după standardele cosmologice pentru a ne da seama.
Spectacolul cerului înstelat al nopții, presărat cu stele, vrăjește orice persoană al cărei suflet nu a devenit încă leneș și nu a devenit complet învechit. Adâncimea misterioasă a Eternității se deschide în fața privirii uimite umane, provocând gânduri despre original, despre locul unde a început totul...Big Bang-ul și Originea Universului
Dacă, curioși, luăm o carte de referință sau un manual de știință populară, atunci cu siguranță ne vom împiedica de una dintre versiunile teoriei originii Universului - așa-numita Teoria Big Bang... Pe scurt, această teorie poate fi formulată după cum urmează: inițial, toată materia a fost comprimată într-un „punct”, care avea o temperatură neobișnuit de ridicată, iar apoi acest „punct” a explodat cu o forță extraordinară. Ca urmare a exploziei, atomii, materia, planetele, stelele, galaxiile și, în cele din urmă, viața s-au format treptat dintr-un nor super-fierbinte de particule subatomice care s-au extins treptat în toate direcțiile. În același timp, Expansiunea Universului continuă și nu se știe cât va continua: poate cândva își va atinge limitele.Există o altă teorie a originii universului. Potrivit ei, originea Universului, a întregului univers, a vieții și a omului este un act creator rațional, realizat de Dumnezeu, Creatorul și atotputernicul, a cărui natură este de neînțeles pentru mintea umană. Materialiștii „convinși” sunt de obicei înclinați să ridiculizeze această teorie, dar din moment ce jumătate din umanitate crede în ea într-o formă sau alta, nu avem dreptul să trecem peste ea în tăcere.
explicând originea universului iar omul din punct de vedere mecanicist, tratând Universul ca pe un produs al materiei, a cărui dezvoltare se supune legilor obiective ale naturii, susținătorii raționalismului, de regulă, neagă factorii non-fizici, mai ales când vine vorba de existența unui fel de Minte universală sau cosmică, deoarece este „neștiințifică”. Cu toate acestea, științific ar trebui să fie luat în considerare ceea ce poate fi descris folosind formule matematice.
Una dintre cele mai mari probleme cu care se confruntă susținătorii teoriei big bang-ului este tocmai faptul că niciunul dintre scenariile propuse de ei pentru apariția universului nu poate fi descris matematic sau fizic. Conform teoriilor de bază Big Bang, starea inițială a Universului era un punct de dimensiuni infinit de mici, cu densitate infinit de mare și temperatură infinit de ridicată. Cu toate acestea, o astfel de stare depășește limitele logicii matematice și sfidează descrierea formală. Deci, în realitate, nu se poate spune nimic cert despre starea inițială a Universului, iar calculele eșuează aici. Prin urmare, acest stat a primit numele de „fenomen” în rândul oamenilor de știință.Întrucât această barieră nu a fost încă depășită, în publicațiile de divulgare științifică pentru publicul larg, subiectul „fenomenului” este de obicei omis cu totul, iar în publicațiile și publicațiile științifice de specialitate, ai căror autori încearcă să facă față cumva acestei probleme matematice. , despre „fenomen” se vorbește ca fiind inacceptabil din punct de vedere științific. Stephen Hawking, profesor de matematică la Universitatea din Cambridge, și J.F.R. Ellis, profesor de matematică la Universitatea din Cape Town, în cartea sa „The Long Scale of Space-Time Structure” subliniază: „Rezultatele noastre confirmă conceptul că Universul a apărut cu un număr finit de ani în urmă, dincolo de legile cunoscute. de fizică”. Atunci trebuie să admitem că în numele justificării „fenomenului”, această piatră de temelie Teoria Big Bang, este necesar să admitem posibilitatea utilizării unor metode de cercetare care depășesc sfera fizicii moderne.
„Fenomenul”, ca orice alt punct de plecare al „începutului Universului”, care include ceva ce nu poate fi descris în termeni științifici, rămâne o întrebare deschisă. Totuși, se ridică următoarea întrebare: de unde a apărut „fenomenul” în sine, cum a apărut? La urma urmei, problema „fenomenului” este doar o parte a unei probleme mult mai mari, problema însăși sursei stării inițiale a Universului. Cu alte cuvinte, dacă universul a fost inițial comprimat până la un punct, atunci ce l-a adus în această stare? Și chiar dacă abandonăm „fenomenul” care provoacă dificultăți teoretice, rămâne încă întrebarea: cum s-a format Universul?
În încercarea de a ocoli această dificultate, unii oameni de știință au propus așa-numita teorie a „universului pulsatoriu”. În opinia lor, Universul este infinit, iar și iar, apoi se micșorează până la un punct, apoi se extinde la un fel de granițe. Un astfel de Univers nu are început sau sfârșit, există doar un ciclu de expansiune și un ciclu de contracție. În același timp, autorii ipotezei afirmă că Universul a existat întotdeauna, astfel, se pare, elimină complet problema „începutului lumii”. Dar adevărul este că nimeni nu a oferit încă o explicație satisfăcătoare pentru mecanismul de pulsație. De ce apare pulsația universului? Care sunt motivele? Fizicianul Stephen Weinberg în cartea sa „Primele trei minute” subliniază că cu fiecare pulsație următoare din Univers, raportul dintre numărul de fotoni și numărul de nucleoni trebuie să crească inevitabil, ceea ce duce la dispariția noilor pulsații. Weinberg concluzionează că astfel numărul de cicluri de pulsații ale Universului este finit, ceea ce înseamnă că la un moment dat trebuie să se oprească. În consecință, „Universul pulsatoriu” are un sfârșit, ceea ce înseamnă că are și un început...
Și din nou ne confruntăm cu problema începutului. Teoria generală a relativității a lui Einstein creează probleme suplimentare. Principala problemă a acestei teorii este că nu ia în considerare timpul așa cum îl cunoaștem noi. În teoria lui Einstein, timpul și spațiul sunt combinate într-un continuum spațiu-timp cu patru dimensiuni. Este imposibil pentru el să descrie un obiect ca ocupând un anumit loc la un anumit moment. Descrierea relativistă a unui obiect definește poziția sa spațială și temporală ca un întreg unic, întins de la începutul până la sfârșitul existenței obiectului. De exemplu, o persoană ar fi descrisă ca un întreg de-a lungul întregului drum al dezvoltării sale de la un embrion la un cadavru. Astfel de construcții sunt numite „viermi spațiu-timp”.
Dar dacă suntem „viermi spațiu-timp”, atunci suntem doar o formă obișnuită a materiei. Faptul că o persoană este o ființă rațională nu este luat în considerare. Definind o persoană drept „vierme”, teoria relativității nu ține cont de percepția noastră individuală asupra trecutului, prezentului și viitorului, ci ia în considerare o serie de cazuri individuale, unite de existența spațiu-timp. De fapt, știm că existăm doar în prezent, în timp ce trecutul există doar în memoria noastră, iar viitorul - în imaginația noastră. Aceasta înseamnă că toate conceptele „începutului Universului”, construite pe teoria relativității, nu țin cont de percepția timpului de către conștiința umană. Cu toate acestea, timpul în sine este încă puțin studiat.
Analizând concepte alternative, nemecaniste, ale originii Universului, John Gribbin în cartea sa „Zeii albi” subliniază că în ultimii ani au existat „o serie de ascensiuni în imaginația creatoare a gânditorilor pe care astăzi nu îi mai numim nici profeți”. sau clarvăzători”. Una dintre astfel de decolare creative a fost conceptul de „găuri albe” sau quasari, care în fluxul de materie primară „scuipă” galaxii întregi din ei înșiși. O altă ipoteză discutată în cosmologie este ideea așa-numitelor tuneluri spațiu-timp, așa-numitele „canale spațiale”. Această idee a fost exprimată pentru prima dată în 1962 de către fizicianul John Wheeler în cartea „Geometrodinamică”, în care cercetătorul a formulat posibilitatea unei călătorii intergalactice supradimensionale, neobișnuit de rapide, care, dacă s-ar deplasa cu viteza luminii, ar dura milioane de ani. . Unele versiuni ale conceptului de „canale supradimensionale” iau în considerare posibilitatea de a se deplasa cu ajutorul lor către trecut și viitor, precum și către alte universuri și dimensiuni.
Dumnezeu și Big Bang
După cum putem vedea, teoria „big-bang-ului” este atacată din toate părțile, ceea ce provoacă nemulțumiri legitime în rândul oamenilor de știință care dețin poziții ortodoxe. În același timp, în publicațiile științifice, se poate întâlni din ce în ce mai des cu o recunoaștere indirectă sau directă a existenței unor forțe supranaturale care nu sunt supuse științei. Un număr tot mai mare de oameni de știință, inclusiv matematicieni proeminenti și fizicieni teoreticieni, sunt convinși de existența lui Dumnezeu sau a unei Rațiuni superioare. Astfel de oameni de știință includ, de exemplu, câștigătorii Premiului Nobel George Weild și William McCree. Celebrul om de știință sovietic, doctor în științe, fizician și matematician O.V. Tupitsyn a fost primul om de știință rus care a reușit să demonstreze matematic că Universul, și odată cu el omul, au fost create de Rațiune, nemăsurat mai puternică decât a noastră - adică de Dumnezeu.Nu se poate argumenta, scrie OV Tupitsyn în Caietele sale, că viața, inclusiv viața rațională, este întotdeauna un proces strict ordonat. Viața se bazează pe ordine, un sistem de legi după care materia se mișcă. Moartea este, dimpotrivă, dezordine, haos și, în consecință, distrugerea materiei. Fără influență din exterior și influența uneia raționale și intenționate, nicio ordine nu este posibilă - procesul de distrugere începe imediat, ceea ce înseamnă moarte. Fără a înțelege acest lucru și, prin urmare, fără a recunoaște ideea lui Dumnezeu, știința nu este niciodată menită să descopere cauza principală a Universului, care a apărut din pra-materie ca urmare a unor procese strict ordonate sau, așa cum le numește fizica, legi fundamentale. . Fundamental înseamnă fundamental și neschimbător, fără de care existența lumii ar fi în general imposibilă.
Cu toate acestea, este foarte dificil pentru o persoană modernă, în special pentru cea crescută în ateism, să-L includă pe Dumnezeu în sistemul viziunii sale asupra lumii - din cauza intuiției sale nedezvoltate și a absenței complete a conceptului de Dumnezeu. Ei bine, atunci trebuie să crezi în Big Bang...
