Как се е образувала Вселената. Кратка история на концепцията за Вселената

Изглеждаше малко вероятно ехото от събитията, случили се в първите милисекунди от раждането на Вселената, да достигне до нас. Това обаче се оказа възможно.

Космологията, структурата на Вселената, миналото, настоящето и бъдещето на нашия свят - тези въпроси винаги са занимавали най-добрите умове на човечеството. За развитието на космологията и науката като цяло е изключително важно да се разбере Вселената като цяло. Специална роля играе експерименталната проверка на абстрактните конструкции, тяхното потвърждаване с данни от наблюдения, разбиране и съпоставяне на резултатите от изследванията, адекватна оценка на определени теории. Сега сме по средата на пътя, който води от решаването на уравненията на Айнщайн до познаването на мистерията на раждането и живота на Вселената.

Следващата стъпка по този път беше направена от създателя на теорията за хаотичната инфлация, завършил Московския държавен университет, сега професор в Станфордския университет, Андрей Дмитриевич Линде, който направи значителен принос за разбирането на най-ранния етап от развитието на Вселената. Дълги години работи в един от водещите академични руски институти - Физическия институт на името на V.I. Академията на науките на Лебедев (FIAN), изучава последствията от съвременните теории за елементарните частици, работейки съвместно с професор Дейвид Абрамович Киржниц.

През 1972 г. Киржниц и Линде стигат до заключението, че в ранната Вселена са се случили особени фазови преходи, когато разликите между различните видове взаимодействия внезапно изчезват: силните и електрослабите взаимодействия се сливат в една единствена сила. (Единна теория за слабите и електромагнитните взаимодействия, осъществявани от кварки и лептони чрез обмен на безмасови фотони (електромагнитно взаимодействие) и тежки междинни векторни бозони (слабо взаимодействие) е разработена в края на 60-те години на миналия век от Стивън Уайнбърг, Шелдън Глашоу и Абдус Салам .) Линде се фокусира върху изучаването на процесите на още по-ранни етапи от развитието на Вселената, през първите 10 –30 s след нейното раждане. По-рано изглеждаше малко вероятно ехото на събитията, случили се в първите милисекунди от раждането на Вселената, да достигне до нас. През последните години обаче съвременните методи за астрономически наблюдения направиха възможно да се погледне в далечното минало.

Космологични проблеми

При разглеждането на теорията за Големия взрив изследователите се сблъскват с проблеми, които преди са били възприемани като метафизични. Неизменно обаче възникваха въпроси и изискваха отговори.

Какво се случи, когато нямаше нищо? Ако Вселената е родена от сингулярност, тогава тя някога не е съществувала. В „Теоретичната физика“ на Ландау и Лифшиц се казва, че решението на уравненията на Айнщайн не може да бъде продължено в областта на отрицателното време и следователно в рамките на общата теория на относителността въпросът „Какво се е случило преди раждането на Вселената?" няма смисъл. Този въпрос обаче продължава да тревожи всички нас.

Пресичат ли се успоредните прави? В училище ни казаха не. Въпреки това, когато става въпрос за космология, отговорът не е толкова ясен. Например, в затворена вселена като повърхността на сфера, линиите, които са били успоредни на екватора, се пресичат на северния и южния полюс. Значи Евклид прав ли е? Защо Вселената изглежда плоска? Такава ли беше от самото начало? За да се отговори на тези въпроси, е необходимо да се установи каква е била Вселената в най-ранния етап на развитие.

Защо Вселената е хомогенна? Всъщност това не е вярно. Има галактики, звезди и други нередности. Ако погледнете тази част от Вселената, която е в полезрението на съвременните телескопи, и анализирате средната плътност на разпределение на материята в космически мащаб, се оказва, че тя е еднаква във всички посоки с точност 10 -5. Защо Вселената е хомогенна? Защо едни и същи закони на физиката действат в различни части на Вселената? Защо Вселената е толкова голяма? Откъде е дошла енергията, необходима за възникването му?

Винаги са възниквали съмнения и колкото повече учените научаваха за структурата и историята на съществуването на нашия свят, толкова повече въпроси оставаха без отговор. Хората обаче се опитваха да не мислят за тях, възприемайки голяма хомогенна Вселена и непресичащи се успоредни линии като даденост, неподлежаща на обсъждане. Последната капка, която принуди физиците да преразгледат отношението си към теорията на ранната Вселена, беше проблемът с реликтните монополи.

Съществуването на магнитни монополи е предложено през 1931 г. от английския физик-теоретик Пол Дирак. Ако такива частици наистина съществуват, тогава техният магнитен заряд трябва да бъде кратен на дадена стойност, която от своя страна се определя от основната стойност на електрическия заряд. В продължение на почти половин век тази тема беше на практика забравена, но през 1975 г. беше направено сензационно изявление, че в космическите лъчи е открит магнитен монопол. Информацията не беше потвърдена, но съобщението събуди отново интереса към проблема и допринесе за разработването на нова концепция.

Според нов клас теории за елементарните частици, възникнали през 70-те години, монополите биха могли да се появят в ранната Вселена в резултат на фазови преходи, предсказани от Киржниц и Линде. Всеки монопол има милион милиарда пъти масата на протон. През 1978-1979г. Зелдович, Хлопов и Прескил откриха, че се раждат доста такива монополи, така че сега ще има монопол за всеки протон, което означава, че Вселената ще бъде много тежка и трябва бързо да се срине под собствената си тежест. Фактът, че все още съществуваме, опровергава такава възможност.

Ревизия на теорията за ранната Вселена

Отговорът на повечето от горните въпроси беше получен едва след появата на инфлационната теория.

Инфлационната теория има дълга история. Първата теория от този тип е предложена през 1979 г. от член-кореспондент на РАН Алексей Александрович Старобински. Неговата теория беше доста сложна. За разлика от следващите произведения, тя не се опита да обясни защо Вселената е голяма, плоска, хомогенна, изотропна. Той обаче имаше много важни характеристики на инфлационната космология.

През 1980 г. служител на Масачузетския технологичен институт Алън Гус ( Алън Гът) в статията „Набъбващата Вселена: възможно решение на проблема с хоризонта и плоскостта“ той очерта интересен сценарий на набъбващата Вселена. Основната му разлика от традиционната теория за Големия взрив е описанието на раждането на Вселената в периода от 10 -35 до 10 -32 s. Гъс предположи, че по това време Вселената се намира в състояние на така наречения „фалшив“ вакуум, в който нейната енергийна плътност е изключително висока. Следователно разширяването протича по-бързо, отколкото според теорията за Големия взрив. Този етап на експоненциално бързо разширяване се нарича инфлация (инфлация) на Вселената. Тогава фалшивият вакуум се разпадна и енергията му премина в енергията на обикновената материя.

Теорията на Гус се основава на теорията за фазовите преходи в ранната Вселена, разработена от Киржниц и Линде. За разлика от Старобински, Гюс си постави за цел да използва един прост принцип, за да обясни защо Вселената е голяма, плоска, хомогенна, изотропна, а също и защо няма монополи. Етапът на инфлация би могъл да реши тези проблеми.

За съжаление, след срива на фалшивия вакуум в модела Goos, Вселената се оказа или много нехомогенна, или празна. Факт е, че разпадането на фалшивия вакуум, подобно на кипенето на вода в чайник, е настъпило поради образуването на мехурчета от нова фаза. За да може освободената в този случай енергия да премине в топлинната енергия на Вселената, е необходимо да се сблъскат стените на огромни мехурчета и това трябва да доведе до нарушаване на хомогенността и изотропията на Вселената след надуване, което противоречи поставената задача.

Въпреки че моделът на Goos не работи, той стимулира разработването на нови сценарии за раздуваща се вселена.

Нова инфлационна теория

В средата на 1981 г. Линде предложи първата версия на нов сценарий на раздуваща се вселена, базиран на по-подробен анализ на фазовите преходи в модела на Великото обединение. Той стига до извода, че в някои теории експоненциалното разширение не завършва веднага след образуването на мехурчета, така че инфлацията може да върви не само преди фазовия преход с образуването на мехурчета, но и след това, вече вътре в тях. В този сценарий се счита, че наблюдаваната част от Вселената се съдържа в един балон.

В новия сценарий Линде показа, че нагряването след надуване възниква поради създаването на частици по време на трептения на скаларното поле (виж по-долу). Така сблъсъците на стените на мехурчетата, генериращи нехомогенности, станаха ненужни и по този начин беше решен проблемът за мащабната хомогенност и изотропност на Вселената.

Новият сценарий съдържаше две ключови точки: първо, свойствата на физическото състояние вътре в мехурчетата трябва да се променят бавно, за да се осигури инфлация вътре в балона; второ, на по-късни етапи трябва да има процеси, които осигуряват нагряването на Вселената след фазовия преход. Година по-късно изследователят преразгледа подхода си, предложен в новата инфлационна теория, и стигна до заключението, че фазовите преходи изобщо не са необходими, както и хипотермия и фалшив вакуум, с които започна Алън Гус. Това беше емоционален шок, тъй като беше необходимо да се изоставят идеите, които се смятаха за верни за горещата Вселена, фазовите преходи и хипотермията. Беше необходимо да се намери нов начин за решаване на проблема. Тогава беше изложена теорията за хаотичната инфлация.

Хаотична инфлация

Идеята зад теорията на Линде за хаотичната инфлация е много проста, но за да я обясните, трябва да въведете концепцията за скаларно поле. Има насочени полета - електромагнитни, електрически, магнитни, гравитационни, но може да има поне още едно - скаларно, което не е насочено никъде, а е просто функция от координати.

Най-близкият (макар и не точен) аналог на скаларно поле е електростатичният потенциал. Напрежението в електрическите мрежи на САЩ е 110 V, а в Русия - 220 V. Ако човек се хване за американския проводник с едната ръка, а за руския с другата, потенциалната разлика ще го убие. Ако напрежението беше еднакво навсякъде, нямаше да има разлика в потенциала и токът нямаше да тече. Така че в постоянно скаларно поле няма потенциална разлика. Следователно не можем да видим постоянно скаларно поле: то изглежда като вакуум, който в някои случаи може да има висока енергийна плътност.

Смята се, че без полета от този тип е много трудно да се създаде реалистична теория на елементарните частици. През последните години бяха открити почти всички частици, предвидени от теорията на електрослабите взаимодействия, с изключение на скаларното. Търсенето на такива частици е една от основните цели на огромния ускорител, който в момента се изгражда в ЦЕРН, Швейцария.

Скаларното поле присъстваше в почти всички инфлационни сценарии. Gus предложи да се използва потенциалът с няколко дълбоки дъна. Новата инфлационна теория на Линде се нуждаеше от потенциал с почти плосък връх, но по-късно, при хаотичен инфлационен сценарий, се оказа, че е достатъчно да вземем обикновена парабола и всичко работи.

Да разгледаме най-простото скаларно поле, чиято плътност на потенциалната енергия е пропорционална на квадрата на неговата величина, точно както енергията на махалото е пропорционална на квадрата на неговото отклонение от равновесното положение:

Едно малко поле няма да знае нищо за Вселената и ще се колебае близо до минимума си. Въпреки това, ако полето е достатъчно голямо, тогава то ще се търкаля много бавно, ускорявайки Вселената за сметка на своята енергия. От своя страна скоростта на Вселената (а не на частици) ще забави падането на скаларното поле.

По този начин голямо скаларно поле води до висока скорост на разширение на Вселената. Високата скорост на разширение на Вселената предотвратява намаляването на полето и по този начин предотвратява намаляването на плътността на потенциалната енергия. А високата енергийна плътност продължава да ускорява Вселената с все по-голяма скорост. Именно този самоподдържащ се режим води до инфлация, експоненциално бързо раздуване на Вселената.

За да се обясни този невероятен ефект, е необходимо съвместно да се реши уравнението на Айнщайн за мащабния фактор на Вселената:

и уравнението на движение за скаларно поле:

Тук H е така наречената константа на Хъбъл, пропорционална на енергийната плътност на скаларното поле с маса m (тази константа всъщност зависи от времето); G е гравитационната константа.

Изследователите вече са обмислили как ще се държи скаларното поле в близост до черна дупка и по време на колапса на Вселената. Но по някакъв начин режимът на експоненциално разширение не беше намерен. И беше необходимо само да се напише пълното уравнение за скаларното поле, което в стандартната версия (тоест без да се отчита разширяването на Вселената) изглеждаше като уравнението за махало:

Но се намеси някакъв допълнителен термин - силата на триене, която беше свързана с геометрията; в началото никой не го взе предвид. Това е произведението на константата на Хъбъл и скоростта на полето:

Когато константата на Хъбъл беше голяма, триенето също беше голямо и скаларното поле намаляваше много бавно. Следователно константата на Хъбъл, която е функция на скаларното поле, остава почти непроменена за дълго време. Решението на уравнението на Айнщайн с бавно променяща се константа на Хъбъл описва експоненциално бързо разширяваща се Вселена.

Този етап от експоненциално бързото разширяване на Вселената се нарича инфлация.

Как този режим се различава от обичайното разширяване на Вселената, изпълнена с обикновена материя? Да предположим, че Вселената, пълна с прах, се е разширила 2 пъти. Тогава обемът му се увеличи 8 пъти. Това означава, че в 1 cm 3 има 8 пъти по-малко прах. Ако решим уравнението на Айнщайн за такава Вселена, се оказва, че след Големия взрив плътността на материята рязко е намаляла, а скоростта на разширяване на Вселената бързо намалява.

Същото би било и при скаларно поле. Но докато полето оставаше много голямо, то се подпираше, като барон Мюнхаузен, който се измъква от блатото със свинската опашка. Това беше възможно благодарение на силата на триене, която беше значителна при високи стойности на полето. В съответствие с теориите от новия тип, Вселената се разширяваше бързо, а полето остава почти непроменено; съответно, енергийната плътност също не се е променила. Следователно разширяването продължи експоненциално.

Постепенно полето намалява, константата на Хъбъл също намалява, триенето става малко и полето започва да трепти, генерирайки елементарни частици. Тези частици се сблъскаха, обмениха енергия и постепенно стигнаха до състояние на термодинамично равновесие. В резултат на това Вселената стана гореща.

Преди се е смятало, че Вселената е гореща от самото начало. До този извод се стига при изследване на микровълнова радиация, която се интерпретира като следствие от Големия взрив и последвалото охлаждане. Тогава те започнаха да мислят, че отначало Вселената е гореща, след това настъпи инфлация и след нея Вселената отново стана гореща. В теорията на хаотичната инфлация обаче първият горещ етап се оказа ненужен. Но защо ни е нужен етапът на инфлация, ако в края на този етап Вселената все още става гореща, както в старата теория за Големия взрив?

Експоненциално разширение

Има три най-прости модела на Вселената: плосък, отворен и затворен. Плоската вселена е като повърхността на плоска маса; успоредните линии в такава вселена винаги остават успоредни. Отворената вселена е като повърхността на хиперболоид, а затворената вселена е като повърхността на топка. Паралелни линии в такава вселена се пресичат на северния и южния й полюс.

Да предположим, че живеем в затворена вселена, която в началото е била малка като топка. Според теорията за Големия взрив той е нараснал до приличен размер, но все пак е останал сравнително малък. И според инфлационната теория, малка топка е станала огромна в резултат на експоненциална експлозия за много кратко време. Докато е на него, наблюдателят ще види плоска повърхност.

Представете си Хималаите, където има много различни первази, пукнатини, пропасти, хралупи, камъни, тоест нееднородности. Но изведнъж някой или нещо по напълно невероятен начин увеличи планините до гигантски размери или ние се свихме, като Алиса в страната на чудесата. След това, като сме на върха на Еверест, ще видим, че той е напълно плосък - беше сякаш разтегнат и хетерогенностите престанаха да имат каквото и да е значение. Планините остават, но за да се изкачите поне един метър, трябва да отидете невероятно далеч. По този начин проблемът с хомогенността може да бъде решен. Това също обяснява защо Вселената е плоска, защо успоредните линии не се пресичат и защо не съществуват монополи. Успоредните линии могат да се пресичат и монополите могат да съществуват, но само толкова далеч от нас, че не можем да го видим.

Появата на галактики

Малката вселена стана колосална и всичко стана хомогенно. Но какво да кажем за галактиките? Оказа се, че в хода на експоненциалното разширение на Вселената малки квантови флуктуации, които винаги съществуват, дори и в празно пространство, поради квантовомеханичния принцип на неопределеността, се разтягат до колосални размери и се превръщат в галактики. Според инфлационната теория галактиките са резултат от усилени квантови флуктуации, т.е. усилен и замразен квантов шум.

За първи път тази поразителна възможност беше посочена от служителите на FIAN Вячеслав Федорович Муханов и Генадий Василиевич Чибисов в работа, базирана на модела, предложен през 1979 г. от Старобински. Малко след това подобен механизъм беше открит в новия инфлационен сценарий и в теорията на хаотичната инфлация.

Пъстро небе

Квантовите флуктуации доведоха не само до раждането на галактики, но и до анизотропията на реликтното лъчение с температура около 2,7 К, идващо при нас от далечните региони на Вселената.

Съвременните изкуствени спътници на Земята помагат на учените да изследват реликтовата радиация. Най-ценните данни бяха получени с помощта на космическата сонда WMAP ( Проба за микровълнова анизотропия на Wilkinson), кръстен на астрофизика Дейвид Уилкинсън ( Дейвид Уилкинсън). Хардуерната му разделителна способност е 30 пъти по-голяма от тази на предшественика му, космическия кораб COBE.

По-рано се смяташе, че температурата на небето навсякъде е равна на 2,7 K, но WMAP успя да я измери с точност от 10 -5 K с висока ъглова разделителна способност. Според данните, получени през първите 3 години от наблюдения, небето се оказа нееднородно: някъде горещо, а някъде по-студено. Най-простите модели на инфлационната теория предсказват вълни в небето. Но докато телескопите не регистрират неговото забелязване, се наблюдава само триградусно излъчване, което послужи като мощно потвърждение на теорията за горещата вселена. Сега се оказа, че теорията за горещата вселена не е достатъчна.

Успяхме да получим снимки на надути квантови флуктуации, които се появиха 10-30 секунди след раждането на Вселената и оцеляха до днес. Изследователите не само са открили петна на небето, но също така са изследвали спектъра на петната, тоест интензитета на сигнала в различни ъглови посоки.

Резултатите от високоточните измервания на поляризацията на радиацията, извършени с помощта на WMAP, потвърдиха теорията за разширяването на Вселената и направиха възможно да се установи кога е настъпила йонизацията на междугалактическия газ, причинена от първите звезди. Информацията, получена от спътника, потвърди позицията на инфлационната теория, че живеем в голяма плоска Вселена.

На фигурата червената линия показва прогнозата на инфлационната теория, а черните точки съответстват на експерименталните данни на WMAP. Ако Вселената не беше плоска, върхът на графиката щеше да бъде отдясно или отляво.

Вечна и безкрайна

Нека отново разгледаме фигурата, показваща най-простия потенциал на скаларно поле (виж по-горе). В областта, където скаларното поле е малко, то осцилира и Вселената не се разширява експоненциално. В района, където полето е достатъчно голямо, то бавно намалява и върху него се появяват малки колебания. По това време има експоненциална експанзия и инфлация. Ако скаларното поле беше дори по-голямо (маркирано в синьо на графиката), тогава поради огромно триене то едва ли би намаляло, квантовите флуктуации биха били огромни и Вселената може да стане фрактална.

Представете си, че Вселената се разширява бързо и на някое място скаларното поле, вместо да се търкаля до минимум енергия, отскача нагоре поради квантови флуктуации (вижте по-горе). В точката, където полето скочи, Вселената се разширява експоненциално по-бързо. Ниско разположено поле е малко вероятно да отскочи, но колкото по-високо е то, толкова по-вероятно е такова развитие на събитията, а оттам и експоненциално по-голям обем на новата област. Във всяка една от тези равни области полето също може да скочи нагоре, което води до създаването на нови експоненциално нарастващи части от Вселената. В резултат на това, вместо да изглежда като една огромна растяща топка, нашият свят става като вечно растящо дърво, състоящо се от много такива топки.

Инфлационната теория ни предоставя единственото известно в момента обяснение за хомогенността на наблюдаваната част от Вселената. Парадоксално, същата теория предсказва, че в изключително голям мащаб нашата Вселена е абсолютно нехомогенна и изглежда като огромен фрактал.

Фигурата показва схематично как една набъбваща област на Вселената генерира все повече и повече нови части от нея. В този смисъл той става вечен и самолекуващ се.

Свойствата на пространство-времето и законите на взаимодействие на елементарните частици помежду си в различните региони на Вселената могат да бъдат различни, както и размерите на пространството и видовете вакуум.

Този факт заслужава по-подробно обяснение. Според най-простата теория с един минимум на потенциалната енергия, скаларното поле се търкаля до този минимум. Въпреки това, по-реалистичните версии позволяват много минимуми с различна физика, която наподобява вода, която може да бъде в различни състояния: течно, газообразно и твърдо. Различни части на Вселената също могат да бъдат в различни фазови състояния; това е възможно в инфлационната теория дори без да се вземат предвид квантовите флуктуации.

Следващата стъпка, базирана на изследването на квантовите флуктуации, е теорията за самолекуващата се вселена. Тази теория отчита процеса на постоянно възстановяване на областите на набъбване и квантовите скокове от едно вакуумно състояние в друго, като изброява различни възможности и измерения.

Така Вселената става вечна, безкрайна и разнообразна. Цялата вселена никога няма да рухне. Това обаче не означава, че няма особености. Напротив, значителна част от физическия обем на Вселената винаги е в състояние, близко до единично. Но тъй като различните обеми го преминават по различно време, няма единичен край на пространство-времето, след който всички региони изчезват. И тогава въпросът за множеството светове във времето и пространството придобива съвсем различен звук: Вселената може да се възпроизвежда неограничено във всичките си възможни състояния.

Това твърдение, което се основава на работата на Линде през 1986 г., придоби ново измерение преди няколко години, когато теоретиците на струните (водещ кандидат за теорията на всички фундаментални взаимодействия) стигнаха до заключението, че 10 100 –10 1000 различни вакуумни състояния. Тези състояния се различават поради изключителното разнообразие на възможната структура на света на ултра къси разстояния.

Взето заедно с теорията за самолекуващата се инфлационна вселена, това означава, че по време на инфлация, Вселената се разпада на безкрайно много части с невероятно голям брой различни свойства. Космолозите наричат ​​този сценарий теорията за вечната инфлационна мултивселена ( мултивселена), а теоретиците на струните го наричат ​​пейзаж на струните.

Инфлационната космология преди 25 години изглеждаше като нещо междинно между физическата теория и научната фантастика. Оттогава много от предсказанията на тази теория са проверени и тя постепенно придобива чертите на стандартната космологична парадигма. Но е твърде рано да се успокоя. Тази теория продължава да се развива и променя бързо дори и сега. Основният проблем е разработването на модели на инфлационна космология, базирани на реалистични версии на теорията на елементарните частици и теорията на струните. Този въпрос може да бъде тема на отделен доклад.

Днес искам да ви разкажа за историята на нашата Вселена. За това как Вселената се е превърнала от малка точка в това, което сега наблюдаваме около нас.

Ето ни.

Вселената съществува от близо 14 милиарда години. През този много дълъг период от време тя е преодоляла няколко епохи от своята история. Сега има 13-ия етап от развитието на Вселената, който се нарича "ера на материята".

Как се казват всички фази от еволюцията на Вселената, колко време са продължили, какво се е случило по време на тях? Как се развива светът около нас?

Тази статия ще ви отговори на тези въпроси.

Ще опиша всички етапи от историята на Вселената по ред от най-ранните до днес. Затова нека започнем с „августинската ера“.

епохата на Августин.

Тази ера включва състоянието на Вселената „преди” и в момента на Големия взрив. Всъщност нищо не се знае за този етап от развитието на света - има само хипотези - тъй като съвременните физични теории не могат да опишат събития преди "ерата на Планк". Учените знаят само, че в самия край на тази ера е настъпил Големият взрив - внезапно е започнало разширяването на космоса. До началото на това наистина грандиозно събитие Вселената беше затворена в много малка точка, притежаваща безкрайна плътност и температура, т.е. беше в състояние на "космологична сингулярност".

Епохата на Планк.

Това е най-ранният етап от развитието на Вселената, за който има някакви теоретични предположения и описания. Тази фаза започва веднага след Големия взрив и продължава за т.нар. "Време на Планк" от 0 до 10 -43 секунди след раждането на Вселената.

По това време (Бог знае какво се случва) размерът на Вселената беше много малък. Дотолкова, че квантовите ефекти - явления, които се случват на частиците - надделяха над физическите взаимодействия.

Вселената в тази епоха също е имала температура на Планк (10 32 Келвина), енергия (10 19 милиарда електрон волта), радиус (10 -35 метра, което е равно на дължината на Планк) и плътност (10 97 kg / m 3) .

И четирите типа взаимодействие на частици и тела, състоящи се от тях (те се наричат ​​още "фундаментални") - силно ядрено и слабо ядрено, електромагнитно, гравитационно - тогава бяха неразличими един от друг и обединени. Но това не продължи дълго. Всичко беше пречено от много високата температура и плътността на материята.

Ерата на великото обединение.

Тази фаза от развитието на Вселената започва от 10-43 секунди и завършва 10-35 секунди след Големия взрив. В самото начало се извършва фазов преход на материята (подобно на кондензацията на течност от газ, но по отношение на елементарни частици). Това се случи поради отделянето на гравитацията от „единното фундаментално взаимодействие“.

Епохата на Великото обединение завършва с друго разделение. Вселената се е охладила до 10 28 Келвин и силното взаимодействие стана независимо. Сега само електромагнитните и слабите ядрени сили представляваха едно цяло.

Такова събитие доведе до нов фазов преход. Благодарение на него в следващата ера в историята на Вселената се появяват нови частици и пространството-времето започва мащабно и рязко разширяване. Има сериозни промени в плътността на разпределението на материята.

Инфлационен етап.

Фазата на надуване се намира на времева линия между 10 -35 и 10 -32 секунди след Големия взрив. През тази епоха Вселената увеличила размера си многократно. Преди това радиусът на целия свят беше равен на "дължината на Планк", но сега пространството се разшири до размера на цял портокал. И след това продължи да расте с ускорение.

Образувани са няколко вида частици. Това бяха кварки (фундаментални частици, които изграждат адрони – например протони и неутрони), електрони, хиперони и неутрино (неутрални фундаментални частици от класа на лептоните).

След известно време температурата на Вселената падна, поради което се случи друг фазов преход. Поради това т.нар. "нарушаване на CP-инвариантността" и започват първите процеси на такъв феномен като "бариогенеза".

Бариогенеза- това е обединението на кварки и глуони в нови, сложни частици - адрони.

Освен това възникна мистериозна „барионна асиметрия на Вселената“ – превес на материята над антиматерията. Учените все още не могат да обяснят причините за възникването му.

В допълнение към горното, физици и космолози имат предположения, че в тази ера Вселената е преминала през няколко цикъла на многократно нагряване и охлаждане.

До края на инфлационната ера строителният материал на Вселената е плазма от кварки, антикварки и глуони (носители на силни взаимодействия).

По-нататъшно намаляване на температурата на Вселената доведе до следващия фазов преход. Състои се в образуването на физически сили, фундаментални взаимодействия и елементарни частици в съвременната им форма.

Този фазов преход отговаря на цели три епохи и завършва с "първичен нуклеосинтез".

Електрослаба ера.

Между 10 -32 и 10 -12 секунди след раждането на Вселената. Досега електромагнитните и слабите взаимодействия представляват единична електрослабост, тъй като температурата на Вселената все още е много висока. тогава се появиха бозоните на Хигс (същите, които бяха открити преди 3 години на Големия адронен колайдер), W - и Z - базони.

В допълнение към нови екзотични частици и кварк-глюонна плазма, пространството беше изпълнено с фотони (фундаментални частици или кванти на електромагнитното излъчване) и лептони.

Ерата на кварките.

Тази фаза се намира в периода от 10 -12 до 10 -6 секунди след Големия взрив. Тогава имаше нарушение на "електрослабата симетрия". Сега всички фундаментални взаимодействия съществуват отделно едно от друго.

В ерата на кварките температурата и енергията все още са твърде високи, за да могат кварките най-накрая да се слеят в адрони.

Значителна трансформация ще настъпи едва на следващия етап от развитието на света.

Епохата на адроните.

Между 10 -6 и 100 секунди след раждането на Вселената. И накрая, кварк-глюонната плазма е охладена до такава степен, че бариогенезата е завършена и се раждат адрони и антиадрони. Повечето от тези частици обаче са се анихилили (взаимно унищожени). От тях е оцелял само малък остатък.

Скоро Вселената се охлажда и разширява толкова много, че температурата й е достатъчна само за създаване на лептони и антилептони. Тези частици бързо се превръщат в доминираща маса във Вселената.

Ерата на лептоните.

В периода от 100 секунди до 3 минути след Големия взрив се намира епохата на лептоните. Тогава Вселената стана прозрачна за неутрино.

Пространството продължава да се охлажда. В края на епохата температурата пада до точка, при която образуването на нови лептони става невъзможно. И двойката "лептон-антилептон" изпреварва съдбата на адроните. Повечето от тях се отменят взаимно. Във Вселената са останали много малък брой лептони, поради което започва доминирането на фотоните.

Ерата на нуклеосинтеза.

Едновременно с епохата на лептоните протича и този етап от историята на Вселената. Поради достатъчното охлаждане на материята, оцелелите адрони се комбинират в атомни ядра, по-тежки от водорода. Този процес се нарича "първична нуклеосинтеза".

През тази фаза възниква първичният състав на звездната материя: 75% водород, почти 25% хелий, малко литий, деутерий и бор.

Протонна ера.

Започна 3 минути след Големия взрив и приключи 380 000 години по-късно. Веществото започна да доминира в радиацията.

В края на епохата се извършва рекомбинация на водород (процес, противоположен на йонизацията). Поради по-нататъшното намаляване на температурата и разширяването на Вселената, гравитацията се превърна в доминираща сила.

379 000 години след Големия взрив, при температура на Вселената от 3000 Келвина, се е случило значимо събитие - ядрата на атомите и електроните се комбинират в първите атоми. Започна "първичната рекомбинация". Това беше повратна точка: материята премина от непрозрачна плазма към електромагнитно излъчване в газообразно състояние. Вселената най-накрая стана прозрачна.

През последните 379 000 години фотоните са пострадали възможно най-добре. Различни заредени елементарни частици, които преди са били карета и малка количка, пречеха на светлината. Квантите на светлината взаимодействаха с тях, поради което те изпитваха постоянни „ритници“ и „тресвания“ от страна на своите „братя“. Фотоните винаги се отклоняват или абсорбират от заредени частици. В резултат на това светлината беше много разсеяна. Ако наблюдателят попадне в тази ера, той ще види пред себе си само гъста мъгла.

Както знаете, фотоните взаимодействат само с положително и отрицателно заредени частици. И в края на „протонната ера“ на квант светлина късметът най-накрая се обърна. Отрицателните електрони и положителните протони се групират заедно с неутроните в неутрално заредени атоми. Благодарение на новите сложни частици фотоните успяха да се движат свободно в пространството и почти не взаимодействат с материята.

Реликтовата радиация са самите фотони, излъчвани от плазмата към бъдещото местоположение на Земята и поради рекомбинация, избегнати разсейването. Те все още достигат до нас, преодолявайки разширяващото се пространство.

Тъмни векове.

Дойде веднага след "протонната ера" и продължи 550 милиона години. Вселената беше толкова студена, че след протонната ера, когато блестеше в червени нюанси, пространството беше потопено в чернота.

Беше скучна ера на пълен мрак. Нямаше източници на светлина (звезди или галактики). Планетите и астероидите още повече. Пространството беше изпълнено предимно с водород, хелий и микровълнова фонова радиация.

Рейонизация.

Част от историята на Вселената, започнала веднага след Тъмните векове и продължила 250 милиона години. В сравнение с миналото, тази ера беше по-забавна и цветна.

Започнаха да се образуват клъстери - изолирани натрупвания на прах от междузвезден газ, които се появиха поради силите на гравитацията. Първите плътни обекти са квазари. Тогава избухнаха първите звезди и се появиха мъглявини от газ и прах.

Под силата на гравитацията те се обединиха в звездни купове, а тези в галактики. Последните са образували свои собствени клъстери и суперклъстери.

Тогава в дълбините на звездите се образуваха тежки елементи в големи количества. Експлозиите на свръхнови ги пренасят из Вселената, от която се образуват студени планети, астероиди, метеорни тела и в крайна сметка живи организми.

Ерата на субстанцията.

Започвайки 800 милиона години след Големия взрив. Тази епоха все още продължава.

Няколко милиарда години след „рейонизацията” започва формирането на планети и планетни системи, включително Слънчевата система. Малко над 8,4 милиарда години след Големия взрив се образува Земята, а още 500 милиона години по-късно на нея се появява живот.

Космолозите продължават да се движат към окончателното разбиране на процесите, създали и оформили Вселената.

Вселената е толкова голяма в пространството и времето, че почти през цялата история на човечеството остава недостъпна както за нашите инструменти, така и за нашите умове. Но всичко се промени през 20-ти век, когато се появиха нови идеи - от общата теория на относителността на Айнщайн до съвременните теории за елементарните частици. Успехът беше постигнат и благодарение на мощни инструменти - от 100- и 200-инчовите рефлектори, създадени от Джордж Елъри Хейл и който откри за нас галактики отвъд Млечния път, до космическия телескоп Хъбъл, който ни отведе в ерата на раждането на галактики. Напредъкът се ускори през последните 20 години. Стана ясно, че тъмната материя не се състои от обикновени атоми, че има тъмна енергия. Родиха се смели идеи за космическата инфлация и множеството вселени.

Преди сто години Вселената беше по-проста: вечна и неизменна, състояща се от една галактика, съдържаща няколко милиона видими звезди. Съвременната картина е много по-сложна и много по-богата. Космосът възниква преди 13,7 милиарда години в резултат на Големия взрив. Част от секундата след началото Вселената беше гореща, безформена смес от елементарни частици – кварки и лептони. Докато се разширяваше и охлаждаше, структурите се появяваха стъпка по стъпка: неутрони и протони, атомни ядра, атоми, звезди, галактики, галактически купове и накрая, свръхкупове. Наблюдаваната част от Вселената сега съдържа 100 милиарда галактики, всяка от които съдържа около 100 милиарда звезди и вероятно същия брой планети. Самите галактики се предпазват от разширяване от гравитацията на мистериозната тъмна материя. А Вселената продължава да се разширява и дори го прави с ускорение под въздействието на тъмната енергия – още по-загадъчна форма на енергия, чиято гравитационна сила не привлича, а отблъсква.

Основната тема на нашата история за Вселената е еволюцията от примитивна кваркова "супа" до нарастващата сложност на галактиките, звездите, планетите и живота, наблюдавани днес. Тези структури са се появявали една след друга в продължение на милиарди години, подчинявайки се на основните закони на физиката. Пътувайки в миналото, към ерата на началото, космолозите първо преминават през подробната история на Вселената назад, до първата микросекунда, след това до $ 10 ^ (- 34) $ от началото (има ясни идеи за това време, но все още няма ясно потвърждение за тях) и накрая, до самия момент на раждане (за което засега има само предположения). Въпреки че все още не сме в състояние да разберем напълно как се е родила Вселената, вече имаме невероятни хипотези, като концепцията за множествена вселена, която включва безкраен брой несвързани подвселени.

ОСНОВНИ РАЗПОРЕДБИ

• Нашата вселена е започнала с горещ Голям взрив преди 13,7 милиарда години и оттогава се разширява и охлажда. Той еволюира от безформена смес от елементарни частици до модерно силно структурирано пространство.
• Първата микросекунда беше определящият период, когато материята започна да доминира над антиматерията, беше родена структурата на бъдещите галактики и техните купове и се появи тъмната материя - неизвестно вещество, което държи тази структура.
• Бъдещето на Вселената се определя от тъмната енергия, неизвестна форма на енергия, която е отговорна за ускоряването на космологичното разширение, започнало преди няколко милиарда години.

Разширяваща се Вселена

През 1924 г., използвайки 100-инчовия телескоп Хукър на обсерваторията Маунт Уилсън, Едуин Хъбъл открива, че размити мъглявини, останали загадъчни в продължение на няколко века, са същите галактики като нашата. Така Хъбъл увеличи разбирането ни за Вселената с коефициент от 100 милиарда! Няколко години по-късно той доказа, че галактиките се отдалечават една от друга, подчинявайки се на математически модел, сега известен като закон на Хъбъл: колкото по-далеч е една галактика, толкова по-бързо се движи. Именно от този закон е Големият взрив преди 13,7 милиарда години.

РАЗШИРЯВАНЕ НА ПРОСТРАНСТВОТО
Еволюцията на Вселената се случва в резултат на разширяването на пространството. Тъй като пространството се разширява като обвивката на балон, галактиките се отдалечават една от друга и светлинните вълни се удължават (зачервяват).

В рамките на общата теория на относителността законът на Хъбъл се тълкува по следния начин: самото пространство се разширява и галактиките се движат с него (фиг. по-горе). Светлината също се разтяга, изпитвайки червено изместване, което означава, че губи енергия, така че Вселената се охлажда, докато се разширява. Космическото разширяване помага да се разбере как се е формирала съвременната вселена. Ако мислено се втурнете в миналото, тогава Вселената ще стане по-плътна, по-гореща, по-необичайна и по-проста. Приближавайки се до самото начало, ние влизаме в контакт с най-дълбоките механизми на природата, използвайки ускорител, по-мощен от който и да е построен на Земята - самият Голям взрив.

Надничайки през телескоп в космоса, астрономите буквално попадат в миналото – и колкото по-голям е телескопът, толкова по-дълбоко прониква погледът им. Светлината, идваща от далечни галактики, ни показва древни епохи, а нейното червено изместване показва колко много се е разширила Вселената през последното време. Наблюдаваното в момента рекордно червено отместване от около осем, което означава, че тази светлина е била излъчена, когато размерът на Вселената е бил девет пъти по-малък от днешния, а възрастта е само няколкостотин милиона години. Инструменти като космическия телескоп Хъбъл и десетметровите телескопи Кек на Мауна Кеа лесно ни пренасят във формирането на галактики като нашата - няколко милиарда години след Големия взрив. Светлината от по-ранни епохи е толкова силно изместена в червено, че астрономите са принудени да я приемат в инфрачервените и радиочестотните ленти. Телескопи в процес на изграждане, като 6,5-метровия инфрачервен космически телескоп James Webb и Atacama Large Millimeter Array (ALMA), мрежа от 64 радиотелескопа в Северно Чили, ще ни върнат назад във времето към раждането на най-ранните звезди и галактики .

Компютърните симулации показват, че тези звезди и галактики са се появили, когато Вселената е била на около 100 милиона години. Преди това Вселената премина през период, наречен тъмна ера, когато беше тъмна като катран. Пространството беше изпълнено с безформена маса от пет части тъмна материя и една част от водород с хелий, която се разреди с разширяването на Вселената. Материята беше леко нехомогенна по плътност и гравитацията действаше като усилвател на тези нехомогенности: по-плътните области се разширяваха по-бавно от по-малко плътните. До 100 млн. години най-гъстите региони не само забавиха своето разширяване, но дори започнаха да се свиват. Всяка от тези зони съдържаше около 1 милион слънчеви маси материя; те станаха първите гравитационно свързани обекти в космоса.

По-голямата част от тяхната маса е съставена от тъмна материя, която, според името си, не е в състояние да излъчва или абсорбира светлина. Поради това образува много разтегнати облаци. От друга страна, водородът и хелият, излъчвайки светлина, губят енергия и се срутват към центъра на всеки облак. В крайна сметка те се свиха толкова много, че се превърнаха в звезди. Тези първи обекти са били много по-масивни от съвременните - стотици слънчеви маси. След като са живели много кратък живот, те експлодират, изхвърляйки първите тежки елементи в космоса. Няколко милиарда години по-късно тези облаци с маси от милиони слънчеви маси са групирани в първите галактики под въздействието на гравитацията.

Радиацията от първите водородни облаци, които претърпяха силно червено изместване поради разширяване, може да бъде открита с помощта на огромни комплекси от радиоантени с обща площ на приемане от около квадратен километър. Когато бъдат създадени тези радиотелескопи, ще стане известно как първото поколение звезди и галактики йонизираха водорода и по този начин сложиха край на тъмната ера. (виж: A. Loeb Dark Ages of the Universe // VMN, No. 3, 2007).

Слаб блясък на горещ старт

Зад тъмната ера се забелязва сиянието на горещия Голям взрив при червено отместване от 1100. Това първоначално видимо (червено-оранжево) излъчване, поради червеното отместване, става дори не инфрачервено, а микровълново. Поглеждайки назад в тази ера, виждаме само стена от микровълнова радиация, изпълваща цялото небе - космическата микровълнова фонова радиация, открита през 1964 г. от Арно Пензиас и Робърт Уилсън. Това е слабо отражение на Вселената, която е била в зародиш 380 хиляди години, в ерата на образуването на атоми. Преди това това беше почти хомогенна смес от атомни ядра, електрони и фотони. Когато Вселената се охлади до температура от около 3000 К, ядрата и електроните започнаха да се комбинират в атоми. Фотоните спряха да се разсейват върху електрони и започнаха да се движат свободно в пространството, демонстрирайки каква е била Вселената много преди раждането на звездите и галактиките.

През 1992 г. спътникът на НАСА Cosmic Background Explorer (COBE) установи, че интензитетът на тази радиация се е променил леко - с около 0,001%, което показва лека нехомогенност в разпределението на материята. Степента на първична нехомогенност се оказа достатъчна, за да може малкото уплътняване да се превърне в "семе" за бъдещи галактики и техните купове, които по-късно нарастват под въздействието на гравитацията. Разпределението на нехомогенностите на фоновата радиация в небето показва важни свойства на Вселената: нейната средна плътност и състав, както и най-ранните етапи от нейната еволюция. Внимателното изследване на тези нехомогенности ни разказа много за Вселената.

КОСМИЧЕСКО МИКРОВЪЛНОВО ФОНОВО ЛЪЧЕНИЕ е образ на Вселената в нейния зародиш от 380 хиляди години. Слабите вариации в интензитета на това излъчване (маркирани с цвят) служат като космическия камък Розета, който дава ключ към мистериите на Вселената - нейната възраст, плътност, състав и геометрия..

СУПЕР-ДЪЛБОКОТО ПОЛЕ НА ХЪБЪЛ, най-чувствителната космическа снимка, заснета някога, улавяща повече от 1000 галактики в ранните им етапи на формиране.

Придвижвайки се от тази точка обратно към началото на еволюцията на Вселената, ще видим как първичната плазма става по-гореща и по-плътна. До възрастта от около 100 хиляди години плътността на радиационната енергия е по-висока от тази на материята, което предпазва материята от фрагментация. И в този момент започна гравитационното струпване на всички структури, наблюдавани във Вселената. Още по-близо до началото, когато възрастта на Вселената беше по-малко от една секунда, нямаше атомни ядра, а само техните компоненти – протони и неутрони. Ядрата са възникнали, когато Вселената е била на няколко секунди, а температурата и плътността са станали подходящи за ядрени реакции. В този нуклеосинтез на Големия взрив се раждат само леки химически елементи: много хелий (около 25% от масата на всички атоми във Вселената) и малко литий, деутерий и хелий-3. Останалата част от плазмата (около 75%) остава под формата на протони, които в крайна сметка се превръщат във водородни атоми. Всички останали елементи от периодичната таблица са родени милиарди години по-късно в недрата на звездите и по време на техните експлозии.

ВСЕЛЕНАТА СЕ СЪСТОИ главно от тъмна енергия и тъмна материя; естеството и на двете е неизвестно. Общата материя, от която се образуват звезди, планети и междузвезден газ, е само малка част.

Теорията на нуклеосинтеза точно предсказва изобилието от елементи и изотопи, измерени в най-древните обекти във Вселената – в най-старите звезди и газови облаци с голямо червено изместване. Съдържанието на деутерий, което е много чувствително към средната плътност на атомите във Вселената, играе специална роля: измерената му стойност показва, че обикновената материя е (4,5 ± 0,1)% от общата енергийна плътност. Останалото е тъмна материя и тъмна енергия. Това е в точно съответствие с данните за състава, получени от анализа на фоновата радиация. Това подравняване е огромно постижение. В крайна сметка това са две напълно различни измерения: първото се основава на ядрената физика и се отнася до Вселената на възраст от 1 s, а второто - на атомната физика и свойствата на Вселената на възраст от 380 хиляди години. Тяхната последователност е важен тест не само за нашите модели на еволюцията на космоса, но и за цялата съвременна физика.

Отговори в супа с кварк

До възрастта на една микросекунда не е имало дори протони и неутрони; Вселената беше като супа от основните елементи на природата: кварки, лептони и носители на сила (фотони, W и Z бозони и глуони). Ние сме уверени, че тази "супа с кварки" наистина е съществувала, тъй като физическите условия от онази епоха сега се възпроизвеждат в експерименти с ускорители на частици (виж: Ryordan M., Zeitz U. Първите микросекунди // VMN, No. 8, 2006).

Космолозите се надяват да изследват тази ера не с помощта на големи и острогледни телескопи, а разчитайки на дълбоките идеи на физиката на елементарните частици. Създаването на Стандартния модел на физиката на елементарните частици преди 30 години доведе до смели хипотези, включително теория на струните, която се опитва да обедини привидно несвързани частици и сили. От своя страна тези нови идеи намериха приложение в космологията, като станаха толкова важни, колкото и първоначалната идея за горещия Голям взрив. Те посочиха дълбока и неочаквана връзка между микрокосмоса и великата вселена. Може би скоро ще получим отговори на три ключови въпроса: каква е природата на тъмната материя, каква е причината за асиметрията между материя и антиматерия и как е възникнала бучката кваркова супа.

Очевидно тъмната материя се е родила в ерата на първичната кваркова супа. Природата на тъмната материя все още не е ясна, но съществуването й не подлежи на съмнение. Нашата галактика и всички други галактики, както и техните купове, се държат заедно от гравитацията на невидимата тъмна материя. Каквото и да е, то трябва да взаимодейства слабо с обикновената материя, в противен случай би се проявило по някакъв начин отделно от гравитацията. Опитите да се опишат с единна теория всички сили и частици, наблюдавани в природата, водят до прогнозиране на стабилни или дългоживеещи частици, които биха могли да съставят тъмната материя. Тези частици може да са реликва от ерата на кварковата супа и да взаимодействат много слабо с атомите. Един кандидат е Neutralino, най-леката частица в наскоро прогнозиран клас масивни копия на известни частици. Неутралино трябва да има маса от 100 до 1000 протонни маси, т.е. трябва да се роди в експерименти в Големия адронен колайдер в ЦЕРН близо до Женева. Освен това, опитвайки се да уловят тези частици от космоса (или продуктите от тяхното взаимодействие), физиците са създали свръхчувствителни детектори под земята, а също така ги изстрелват на балони и сателити.

Вторият кандидат е аксионът, свръхлека частица с маса около трилион пъти по-малка от тази на електрона. Неговото съществуване е показано от фините различия, предвидени от Стандартния модел в поведението на кварките. Опитите за регистриране на аксион се основават на факта, че в много силно магнитно поле той може да се превърне във фотон. И неутралино, и аксион имат важно свойство: физиците наричат ​​тези частици „студени“. Въпреки факта, че се раждат при много високи температури, те се движат бавно и следователно лесно се струпват в галактики.

Вероятно друга тайна се крие в ерата на първичната кваркова супа: защо сега Вселената съдържа само материя и почти никаква антиматерия. Физиците смятат, че в началото Вселената е имала равен брой от тях, но в един момент се е появил малък излишък от материя - около един допълнителен кварк на всеки милиард антикварки. Благодарение на този дисбаланс в унищожаването на кварки с антикварки по време на разширяването и охлаждането на Вселената са запазени достатъчно кварки. Преди повече от 40 години експериментите с ускорител показаха, че законите на физиката са подредени леко в полза на материята; именно това малко предпочитание в процеса на взаимодействие на частиците на много ранен етап доведе до създаването на излишък от кварки.

Самата кваркова супа вероятно е възникнала много рано - около $ 10 ^ (- 34) $ s след Големия взрив, в изблик на космическо разширение, известно като инфлация. Причината за този скок беше енергията на ново поле, напомнящо на електромагнитно поле и наречено инфлатон. Именно инфлацията трябва да обясни такива фундаментални свойства на космоса като общата му хомогенност и малките флуктуации в плътността, които пораждат галактики и други структури във Вселената. Когато инфлатонът се разпадна, той прехвърли енергията си на кварки и други частици, като по този начин създаде топлината на Големия взрив и самата кваркова супа.

Теорията на инфлацията демонстрира дълбока връзка между кварките и космоса: квантовите флуктуации на инфлатона, които са съществували на субатомно ниво, са нараснали до астрофизични размери поради бързото разширяване и са се превърнали в зародиш за всички наблюдавани днес структури. С други думи, картината на микровълновата фонова радиация в небето е гигантска картина на субатомния свят. Наблюдаваните свойства на това излъчване са в съответствие с теоретичните прогнози, доказващи, че инфлацията или нещо подобно на нея се е случило в много ранната история на Вселената.

Раждането на Вселената

Когато космолозите се опитват да отидат още по-далеч и да разберат самото начало на Вселената, техните преценки стават по-малко сигурни. В продължение на един век общата теория на относителността на Айнщайн е била основата за изучаване на еволюцията на Вселената. Но не е в съгласие с друг стълб на съвременната физика - квантовата теория, така че най-важната задача е да ги съгласуваме помежду си. Само с такава единна теория ще можем да преминем към най-ранните моменти от еволюцията на Вселената, към така наречената ера на Планк с възраст от $10 ^ (- 43) $ s, когато самото пространство-време е било образуван.

Пробните версии на единна теория ни предлагат невероятни снимки от първите моменти. Например, теорията на струните предсказва съществуването на допълнителни измерения на пространството и вероятно наличието на други вселени в това суперпространство. Това, което наричаме Големия взрив, може да бъде сблъсък на нашата вселена с друга (виж: Г. Венециано Митът за началото на времето // ВМН, бр. 8, 2004)... Комбинацията от теория на струните с теория на инфлацията води до може би най-амбициозната идея - до идеята за мултивселена, състояща се от безкраен брой несвързани части, всяка от които има свои собствени физически закони. (виж: R. Busso, J. Polchinski. Пейзаж на теорията на струните // VMN, No. 12, 2004).

Идеята за множествена вселена все още е в процес на развитие и има за цел два основни теоретични проблема. Първо, от уравненията, описващи инфлацията, следва, че ако се случи веднъж, тогава процесът ще се случва отново и отново, генерирайки безкраен брой „раздути“ региони. Те са толкова големи, че не могат да общуват помежду си и следователно не си влияят. Второ, теорията на струните показва, че тези региони имат различни физически параметри, като например броя на пространствените измерения и семействата от стабилни частици.

Концепцията за множествена вселена ни позволява да хвърлим нов поглед върху два от най-сложните научни проблема: какво се е случило преди Големия взрив и защо законите на физиката са точно такива? (Въпросът на Айнщайн: „Имал ли е Бог избор?“ Свързан именно с такива закони.) Множествената вселена обезсмисля въпроса какво се е случило преди Големия взрив, тъй като е имало безкраен брой големи взривове и всеки е генерирал своя собствена вълна в инфлацията. Въпросът на Айнщайн също губи смисъла си: в безкраен брой вселени се реализират всички възможни версии на законите на физиката, така че законите, управляващи нашата Вселена, не са нещо специално.

Космолозите са амбивалентни относно идеята за множествена вселена. Ако наистина няма връзка между отделните подвселени, тогава не можем да сме сигурни в тяхното съществуване; всъщност те са отвъд научното познание. Част от мен иска да изкрещи: "Моля, не повече от една вселена!" Но от друга страна, идеята за множествена вселена решава редица фундаментални проблеми. Ако е вярно, тогава разширяването на Вселената на Хъбъл е само 100 милиарда пъти и Коперниковото изгонване на Земята от центъра на Вселената през 16 век. ще изглежда като само малко допълнение към нашето съзнание за нашето място в космоса.

НА ТЪМНО

Най-важният елемент от съвременното разбиране за Вселената и нейната най-голяма мистерия е тъмната енергия, наскоро открита и дълбоко мистериозна форма на енергия, която причинява ускоряване на космическото разширение. Тъмната енергия завладя материята преди няколко милиарда години. Преди това разширяването се забавя от гравитационното привличане на материята и гравитацията е в състояние да създава структури, вариращи от галактики до свръхкупове. Сега, поради влиянието на тъмната енергия, структури, по-големи от суперклъстери, не могат да се образуват. И ако тъмната енергия беше победила още по-рано – да речем, когато Вселената беше само на 100 милиона години – тогава формирането на структури щеше да спре преди да се появят галактиките и ние нямаше да сме тук.

Космолозите все още имат много смътна представа за това какво представлява тази тъмна енергия. За да се ускори разширяването, е необходима отблъскваща сила. Общата теория на относителността на Айнщайн показва, че гравитацията на изключително еластична форма на енергия наистина може да причини отблъскване. Квантовата енергия, запълваща празно пространство, прави точно това. Но проблемът е, че теоретичните оценки на плътността на квантовата енергия не са в съответствие с изискванията за наблюдение; всъщност те ги превъзхождат с много порядъци. Друга възможност: космическото ускорение може да се контролира не от нова форма на енергия, а от нещо, което имитира тази енергия, да речем, заблудата на общата теория на относителността или влиянието на невидимите пространствени измерения (виж: Л. Крос, М. Търнър Космическата загадка // ВМН, No 12, 2004).

Ако Вселената продължи да се ускорява със сегашния си темп, тогава след 30 милиарда години всички признаци на Големия взрив ще изчезнат. (виж: L. Cross, R. Scherrer Ще дойде ли краят на космологията? // VMN, No. 6, 2008)... Всички галактики с изключение на няколко наблизо ще преживеят толкова голямо червено изместване, че ще станат невидими. Температурата на космическото фоново излъчване ще падне под чувствителността на инструментите. По този начин Вселената ще прилича на това, което астрономите са си представяли преди 100 години, преди техните инструменти да станат достатъчно мощни, за да видят вселената, която познаваме днес.

Съвременната космология по същество ни унижава. Ние сме съставени от протони, неутрони и електрони, които заедно съставляват само 4,5% от Вселената; съществуваме само благодарение на най-фините връзки между най-малките и най-големите. Законите на микрофизиката гарантираха господството на материята над антиматерията, появата на флуктуации, които се превърнаха в семена за галактики, запълването на пространството с частици тъмна материя, което осигури гравитационната инфраструктура, която позволи на галактиките да се образуват преди тъмната енергия да надделее и разширяването да започне да ускоряване (вмъкнато по-горе). В същото време космологията по своята същност е арогантна. Идеята, че можем да разберем нещо в такъв огромен океан от пространство и време, като нашата Вселена, на пръв поглед изглежда абсурдна. Тази странна смесица от скромност и самочувствие ни позволи през миналия век да стигнем много далеч в разбирането на структурата на съвременната вселена и нейната еволюция. Очаквам по-нататъшния напредък през следващите години с оптимизъм и съм напълно уверен, че живеем в златен век на космологията.

Ако във Вселената имаше още повече тъмна енергия, тя щеше да остане почти безформена (вляво), без големите структури, които виждаме (вдясно).

Превод: V.G. Сурдин

ДОПЪЛНИТЕЛНА ЛИТЕРАТУРА

• Ранната Вселена. Едуард У. Колб и Майкъл С. Търнър. Westview Press, 1994.
• Инфлационната Вселена. Алън Гът. Основен, 1998г.
• Кварките и космосът. Майкъл С. Търнър в науката, бр. 315, стр. 59-61; 5 януари 2007 г.
• Тъмната Тнергия и Ускоряващата се Вселена. Джошуа Фриман, Майкъл С. Търнър и Драган Хутерер в Годишни прегледи на астрономията и астрофизика, бр. 46, стр. 385-432; 2008. Достъпно онлайн: arxiv.org.
• Черепащук А.М., Чернин А.Д. Хоризонтите на Вселената. Новосибирск: Издателство на SB RAS, 2005.

Майкъл С. Търнър е пионер в обединяването на физиката на елементарните частици, астрофизика и космология и ръководи работата на Националната академия в тази нова област на изследване по-рано това десетилетие. Той е професор в Института по космологична физика на Фондация Кавли към Чикагския университет. От 2003 до 2006 г. оглавява отдела по физика и математика на Националната научна фондация. Сред наградите му са наградата Уорнър на Американското астрономическо дружество, Лилиенфелдската награда на Американското физическо дружество и наградата Клопстег на Американската асоциация на учителите по физика.

Микроскопичните частици, които човешкото зрение може да види само с микроскоп, както и огромни планети и звездни купове, изумяват хората. От древни времена нашите предци са се опитвали да разберат принципите на формирането на космоса, но дори и в съвременния свят все още няма точен отговор на въпроса „как се е образувала Вселената“. Може би човешкият ум не е в състояние да намери решение на такъв глобален проблем?

Учени от различни епохи от цялата земя се опитаха да разберат тази тайна. Всички теоретични обяснения се основават на предположения и изчисления. Многобройни хипотези, изтъкнати от учени, са предназначени да създадат представа за Вселената и да обяснят появата на нейната мащабна структура, химични елементи и да опишат хронологията на произхода.

Теория на струните

До известна степен опровергава Големия взрив като начален момент от появата на елементите на космоса. Според Вселената винаги е съществувала. Хипотезата описва взаимодействието и структурата на материята, където има определен набор от частици, които са разделени на кварки, бозони и лептони. С прости думи, тези елементи са основата на Вселената, тъй като размерът им е толкова малък, че разделянето на други компоненти е станало невъзможно.

Отличителна черта на теорията за това как се е образувала Вселената е твърдението за гореспоменатите частици, които са ултрамикроскопични струни, които постоянно вибрират. Поотделно те нямат материална форма, тъй като са енергията, която заедно създава всички физически елементи на космоса. Пример в тази ситуация е огънят: когато го гледаме, изглежда, че е материя, но е неосезаема.

Големият взрив - първата научна хипотеза

Автор на това предположение е астрономът Едуин Хъбъл, който през 1929 г. забелязва, че галактиките постепенно се отдалечават една от друга. Теорията гласи, че сегашната голяма вселена произлиза от частица с микроскопичен размер. Бъдещите елементи на Вселената бяха в уникално състояние, в което беше невъзможно да се получат данни за налягане, температура или плътност. Законите на физиката в такива условия не засягат енергията и материята.

Причината за Големия взрив е нестабилността, възникнала вътре в частицата. Един вид отломки, разпространяващи се в космоса, образуваха мъглявина. С течение на времето тези малки елементи образуват атоми, от които се появяват галактики, звезди и планети на Вселената, каквито ги познаваме днес.

Космическа инфлация

Тази теория за раждането на Вселената гласи, че съвременният свят първоначално е бил поставен в безкрайно малка точка в състояние на сингулярност, което започва да се разширява с невероятна скорост. След много кратък период от време нарастването му вече надвишава скоростта на светлината. Този процес беше наречен "инфлация".

Основната задача на хипотезата е да обясни не как се е образувала Вселената, а причините за нейното разширяване и концепцията за космическата сингулярност. В резултат на работата по тази теория стана ясно, че за решаването на този проблем са приложими само изчисления и резултати, базирани на теоретични методи.

креационизъм

Тази теория доминира дълго време до края на 19 век. Според креационизма органичният свят, човечеството, Земята и по-голямата вселена като цяло са създадени от Бог. Хипотезата се заражда сред учени, които не опровергават християнството като обяснение за историята на Вселената.

Креационизмът е основният враг на еволюцията. Цялата природа, създадена от Бог за шест дни, която виждаме всеки ден, първоначално е била такава и остава непроменена и до днес. Тоест саморазвитието като такова не е съществувало.

В началото на 20 век започва ускоряването на натрупването на знания в областта на физиката, астрономията, математиката и биологията. С помощта на нова информация учените правят многократни опити да обяснят как се е образувала Вселената, като по този начин изместват креационизма на заден план. В съвременния свят тази теория е приела формата на философско движение, състоящо се от религията като основа, както и от митове, факти и дори научно познание.

Антропният принцип на Стивън Хокинг

Неговата хипотеза като цяло може да се опише с няколко думи: няма случайни събития. Нашата Земя днес има повече от 40 характеристики, без които животът на планетата не би съществувал.

Американският астрофизик Х. Рос оцени вероятността от случайни събития. В резултат ученият получи цифрата 10 със степен -53 (ако последната цифра е по-малка от 40, шансът се счита за невъзможен).

Наблюдаваната вселена съдържа трилион галактики и всяка от тях съдържа приблизително 100 милиарда звезди. Въз основа на това броят на планетите във Вселената е 10 на двадесета степен, което е с 33 порядъка по-малко от предишното изчисление. Следователно в цялото пространство няма такива уникални места с условия като на Земята, които да позволяват спонтанно възникване на живот.

Величието и разнообразието на околния свят могат да удивят всяко въображение. Всички предмети и предмети около човек, други хора, различни видове растения и животни, частици, които могат да се видят само с микроскоп, както и неразбираеми звездни купове: всички те са обединени от концепцията за "Вселената".

Теориите за произхода на Вселената са разработени от човека от дълго време. Въпреки липсата дори на първоначална концепция за религия или наука, в любознателните умове на древните хора възникват въпроси за принципите на световния ред и за позицията на човек в пространството, което го заобикаля. Колко теории за произхода на Вселената съществуват днес, е трудно да се преброят, някои от тях се изучават от водещи световноизвестни учени, други са откровено фантастични.

Космологията и нейният предмет

Съвременната космология - науката за устройството и развитието на Вселената - разглежда въпроса за нейния произход като една от най-интересните и все още недостатъчно проучени мистерии. Естеството на процесите, допринесли за появата на звезди, галактики, слънчеви системи и планети, тяхното развитие, източникът на появата на Вселената, както и нейните размери и граници: всичко това е само кратък списък от изследвани въпроси от съвременни учени.

Търсенето на отговори на основната загадка за формирането на света доведе до факта, че днес съществуват различни теории за произхода, съществуването, развитието на Вселената. Вълнението на специалисти, търсещи отговори, конструиране и тестване на хипотези е оправдано, защото една надеждна теория за раждането на Вселената ще разкрие за цялото човечество вероятността за съществуване на живот в други системи и планети.

Теориите за произхода на Вселената имат характер на научни концепции, индивидуални хипотези, религиозни учения, философски идеи и митове. Всички те са условно разделени на две основни категории:

1. Теории, според които Вселената е създадена от създател. С други думи, същността им е, че процесът на създаване на Вселената е бил съзнателно и одухотворено действие, проява на воля
2. Теории за произхода на Вселената, изградени въз основа на научни фактори. Техните постулати категорично отхвърлят както съществуването на създател, така и възможността за съзнателно създаване на света. Такива хипотези често се основават на това, което се нарича принцип на посредствеността. Те предполагат вероятността за съществуване на живот не само на нашата планета, но и на други.

Креационизмът - теорията за създаването на света от Създателя

Както подсказва името, креационизмът (творението) е религиозна теория за произхода на Вселената. Този мироглед се основава на концепцията за създаването на Вселената, планетата и човека от Бог или Създателя.

Идеята е доминираща дълго време, до края на 19 век, когато процесът на натрупване на знания в различни области на науката (биология, астрономия, физика) се ускорява и еволюционната теория получава широко разпространение. Креационизмът се превърна в своеобразна реакция на християните, които се придържат към консервативните възгледи за направените открития. Доминиращата идея по това време само засилва противоречията, съществуващи между религиозните и други теории.

Как се различават научните и религиозните теории

Основните разлики между теориите на различните категории се крият преди всичко в термините, използвани от техните привърженици. И така, в научните хипотези, вместо създателя – природата, а вместо творението – произхода. Наред с това има въпроси, които са обхванати по подобен начин от различни теории или дори напълно дублирани.

Теориите за произхода на Вселената, принадлежащи към противоположните категории, датират по различен начин самата й поява. Например, според най-разпространената хипотеза (теорията за Големия взрив), Вселената се е образувала преди около 13 милиарда години.

За разлика от тях, религиозната теория за произхода на Вселената дава напълно различни числа:

• Според християнските източници възрастта на Вселената, създадена от Бог по време на раждането на Исус Христос, е 3483-6984 години.
• Индуизмът предполага, че нашият свят е на около 155 трилиона години.

Кант и неговият космологичен модел

До 20-ти век повечето учени са били на мнение, че Вселената е безкрайна. С това качество те характеризираха времето и пространството. Освен това, според тях, Вселената е статична и хомогенна.

Идеята за безкрайността на Вселената в космоса е предложена от Исак Нютон. Разработването на това предположение се занимава, който разработи и теория за липсата на времеви граници. Отивайки по-далеч, в теоретичните предположения, Кант разширява безкрайността на Вселената до броя на възможните биологични продукти. Този постулат означаваше, че в условията на един древен и огромен свят без край и начало могат да съществуват безброй възможни варианти, в резултат на които възникването на всеки биологичен вид е реално.

Въз основа на възможната поява на форми на живот по-късно е разработена теорията на Дарвин. Наблюденията на звездното небе и резултатите от изчисленията на астрономите потвърдиха космологичния модел на Кант.

Отраженията на Айнщайн

В началото на 20-ти век Алберт Айнщайн публикува свой собствен модел на Вселената. Според неговата теория на относителността във Вселената се случват едновременно два противоположни процеса: разширяване и свиване. Той обаче се съгласи с мнението на повечето учени за стационарността на Вселената, така че въведе концепцията за космическа отблъскваща сила. Ефектът му е предназначен да балансира привличането на звездите и да спре процеса на движение на всички небесни тела, за да запази статичната природа на Вселената.

Моделът на Вселената – според Айнщайн – има определен размер, но няма граници. Тази комбинация е осъществима само когато пространството е извито по същия начин, както се случва в сфера.

Характеристиките на пространството на такъв модел са:

• Триизмерност.
• Затваряйки се.
• Еднородност (липса на център и ръб), в която галактиките са разположени равномерно.

А. А. Фридман: Вселената се разширява

Създателят на революционния разширяващ се модел на Вселената А. А. Фридман (СССР) изгражда своята теория въз основа на уравнения, характеризиращи общата теория на относителността. Вярно е, че общоприетото мнение в научния свят от онова време беше статичната природа на нашия свят, следователно не беше обърнато необходимото внимание на работата му.

Няколко години по-късно астрономът Едуин Хъбъл прави откритие, което потвърждава идеите на Фридман. Открито е разстоянието на галактиките от близкия Млечен път. В същото време фактът, че скоростта на тяхното движение остава пропорционална на разстоянието между тях и нашата галактика, стана неоспорим.

Това откритие обяснява постоянното "разпръскване" на звезди и галактики една спрямо друга, което води до заключението за разширяването на Вселената.

В крайна сметка заключенията на Фридман бяха признати от Айнщайн; по-късно той спомена заслугите на съветския учен като основател на хипотезата за разширяването на Вселената.

Не може да се каже, че има противоречия между тази теория и общата теория на относителността, но с разширяването на Вселената е трябвало да има първоначален импулс, който да провокира разпръскването на звездите. По аналогия с експлозията идеята се нарича "Големият взрив".

Стивън Хокинг и антропният принцип

Антропоцентричната теория за произхода на Вселената е резултат от изчисления и открития на Стивън Хокинг. Създателят му твърди, че съществуването на планета, така добре подготвена за човешки живот, не може да бъде случайно.

Теорията на Стивън Хокинг за произхода на Вселената също предвижда постепенното изпаряване на черните дупки, загубата им на енергия и излъчването на радиация на Хокинг.

В резултат на търсенето на доказателства бяха идентифицирани и проверени повече от 40 характеристики, спазването на които е необходимо за развитието на цивилизацията. Американският астрофизик Хю Рос оцени вероятността от такова неволно съвпадение. Резултатът беше 10 -53.

Нашата вселена включва трилион галактики, всяка със 100 милиарда звезди. Според изчисленията, направени от учени, общият брой планети трябва да бъде 10 20. Тази цифра е с 33 порядъка по-малка от изчислената по-рано. Следователно нито една от планетите във всички галактики не може да съчетае условията, които биха били подходящи за спонтанната поява на живот.

Теорията за Големия взрив: Възникването на Вселената от малка частица

Учените, които подкрепят теорията за Големия взрив, споделят хипотезата, че Вселената е следствие от голяма експлозия. Основният постулат на теорията е твърдението, че преди това събитие всички елементи на настоящата Вселена са били затворени в частица с микроскопичен размер. Вътре в него елементите се характеризираха с единично състояние, в което показатели като температура, плътност и налягане не могат да бъдат измерени. Те са безкрайни. Материята и енергията в това състояние не се влияят от законите на физиката.

Това, което се е случило преди 15 милиарда години, се нарича нестабилност, възникнала вътре в частицата. Разпръснатите най-малки елементи положиха основата на света, който познаваме днес.

В началото Вселената е била мъглявина, образувана от най-малките частици (по-малки от атом). След това, когато се комбинират, те образуват атоми, които послужиха за основа на звездните галактики. Отговорът на въпросите какво се е случило преди експлозията, както и какво я е причинило, са най-важните задачи на тази теория за произхода на Вселената.

Таблицата схематично изобразява етапите на формирането на Вселената след Големия взрив.

Както следва от горните данни, Вселената продължава да се разширява и охлажда.

Постоянното увеличаване на разстоянието между галактиките е основният постулат: какво прави теорията за Големия взрив различна. Възникването на Вселената по този начин може да бъде потвърдено от намерените доказателства. Има и основания за опровергаването му.

Проблеми на теорията

Като се има предвид, че теорията за големия взрив не е доказана на практика, не е изненада, че има няколко въпроса, на които тя не може да отговори:

1. Сингулярност. Тази дума обозначава състоянието на Вселената, компресирана до една точка. Проблемът на теорията за Големия взрив е невъзможността да се опишат процесите, протичащи в материята и пространството в такова състояние. Общият закон на относителността не е приложим тук, така че е невъзможно да се състави математическо описание и уравнения за моделиране.
   Фундаменталната невъзможност да се получи отговор на въпроса за първоначалното състояние на Вселената дискредитира теорията от самото начало. Нейните научнопопулярни изложения предпочитат да игнорират или споменават само мимоходом тази сложност. Въпреки това, за учените, които работят за осигуряване на математическа основа за теорията за Големия взрив, тази трудност се признава като основна пречка.
2. астрономия. В тази област теорията за Големия взрив е изправена пред факта, че не може да опише процеса на възникване на галактиките. Въз основа на съвременните версии на теории е възможно да се предвиди как се появява хомогенен газов облак. Освен това плътността му към настоящия момент трябва да бъде около един атом на кубичен метър. За да получите нещо повече, човек не може да направи без коригиране на първоначалното състояние на Вселената. Липсата на информация и практически опит в тази област се превръщат в сериозни пречки за по-нататъшното моделиране.

Има и несъответствие в показателите за изчислената маса на нашата галактика и тези данни, получени при изследване на скоростта на нейното привличане към Очевидно теглото на нашата галактика е десет пъти по-голямо от предполагаемото преди.

Космология и квантова физика

Днес няма космологични теории, които да не разчитат на квантовата механика. В края на краищата тя се занимава с описанието на поведението на атома и Разликата между квантовата физика и класическата (посочена от Нютон) е, че втората наблюдава и описва материални обекти, а първата предполага изключително математическо описание на наблюдението и измерването себе си. За квантовата физика материалните ценности не са обект на изследване, тук самият наблюдател действа като част от изучаваната ситуация.

Въз основа на тези характеристики, квантовата механика има трудности при описанието на Вселената, тъй като наблюдателят е част от Вселената. Въпреки това, говорейки за появата на Вселената, е невъзможно да си представим външни наблюдатели. Опитите за разработване на модел без участието на външен наблюдател бяха увенчани с квантовата теория за произхода на Вселената от Дж. Уилър.

Същността му е, че във всеки момент от времето Вселената се разделя и се образуват безкраен брой копия. В резултат на това всяка от паралелните вселени може да бъде наблюдавана и наблюдателите могат да видят всички квантови алтернативи. Освен това оригиналният и новият свят са реални.

Инфлационен модел

Основната задача, която е предназначена да реши теорията на инфлацията, е да се намери отговор на въпросите, които останаха разкрити от теорията за Големия взрив и теорията за разширяването. а именно:

1. Защо Вселената се разширява?
2. Какво е Големият взрив?

За тази цел инфлационната теория за произхода на Вселената предвижда екстраполиране на разширението до нулевия момент във времето, ограничаването на цялата маса на Вселената в една точка и образуването на космологична сингулярност, която често е наречен голям взрив.

Става очевидна неуместността на общата теория на относителността, която в момента не може да бъде приложена. В резултат на това могат да се прилагат само теоретични методи, изчисления и заключения за разработване на по-обща теория (или „нова физика“) и за решаване на проблема с космологичната сингулярност.

Нови алтернативни теории

Въпреки успеха на модела на космическата инфлация, има учени, които му се противопоставят, наричайки го несъстоятелен. Основният им аргумент е критиката на решенията, предложени от теорията. Противниците твърдят, че получените решения оставят липсващи някои детайли, с други думи, вместо да реши проблема с първоначалните стойности, теорията само умело ги драпира.

Няколко екзотични теории се превръщат в алтернатива, чиято идея се основава на формирането на първоначални стойности преди Големия взрив. Новите теории за произхода на Вселената могат да бъдат описани накратко, както следва:

• Теория на струните. Неговите привърженици предлагат, освен обичайните четири измерения на пространството и времето, да се въведат допълнителни измерения. Те биха могли да играят роля в ранните етапи на Вселената и в момента да бъдат в компактно състояние. Отговаряйки на въпроса за причината за тяхното компактиране, учените предлагат отговор, според който свойството на суперструните е Т-дуалност. Следователно струните се „навиват“ на допълнителни размери и размерът им е ограничен.
• Теория за Бран. Нарича се още М-теория. В съответствие с неговите постулати в началото на формирането на Вселената съществува студено статично петизмерно пространство-време. Четири от тях (пространствени) имат ограничения или стените са трибрани. Нашето пространство е една от стените, а втората е скрита. Третата трибрана е поставена в четириизмерно пространство, тя е обвързана от две гранични брани. Теорията разглежда сблъсъка на третата брана с нашата и освобождаването на голямо количество енергия. Именно тези условия стават благоприятни за появата на Големия взрив.

1. Цикличните теории отричат ​​уникалността на Големия взрив, като твърдят, че Вселената се движи от едно състояние в друго. Проблемът на такива теории е увеличаването на ентропията, според втория закон на термодинамиката. Следователно продължителността на предишните цикли е по-кратка, а температурата на веществото е значително по-висока, отколкото при голямата експлозия. Това е изключително малко вероятно.

Независимо колко теории за произхода на Вселената има, само две от тях са издържали изпитанието на времето и са преодолели проблема с непрекъснато нарастващата ентропия. Те са разработени от учените Steinhardt-Türk и Baum-Frampton.

Тези сравнително нови теории за произхода на Вселената бяха изтъкнати през 80-те години на миналия век. Те имат много последователи, които разработват модели, базирани на него, търсят доказателства за надеждност и работят за премахване на противоречията.

Теория на струните

Една от най-популярните сред теорията за произхода на Вселената - Преди да се пристъпи към описанието на нейната идея, е необходимо да се разберат концепциите на един от най-близките конкуренти, стандартния модел. Тя предполага, че материята и взаимодействията могат да бъдат описани като специфичен набор от частици, разделени на няколко групи:

• кварки.
• лептони.
• бозони.

Тези частици всъщност са градивните елементи на Вселената, тъй като са толкова малки, че не могат да бъдат разделени на компоненти.

Отличителна черта на теорията на струните е твърдението, че такива тухли не са частици, а ултрамикроскопични струни, които вибрират. В този случай, вибрирайки на различни честоти, струните стават аналози на различни частици, описани в стандартния модел.

За да разберем теорията, трябва да разберем, че струните не са никаква материя, те са енергия. Следователно теорията на струните стига до заключението, че всички елементи на Вселената са направени от енергия.

Огънят е добра аналогия. Когато го погледнете, създавате впечатление за неговата материалност, но не може да се докосне.

Космология за ученици

Теориите за произхода на Вселената се изучават накратко в училищата в уроците по астрономия. На учениците се описват основните теории за това как се е формирал нашият свят, какво се случва с него сега и как ще се развива в бъдеще.

Целта на уроците е да запознаят децата с естеството на образуването на елементарни частици, химични елементи и небесни тела. Теориите за произхода на Вселената за деца се свеждат до представянето на теорията за Големия взрив. Учителите използват визуален материал: слайдове, таблици, плакати, илюстрации. Основната им задача е да събудят интереса на децата към света, който ги заобикаля.