کیهان چگونه شکل گرفت. تاریخچه مختصری از مفهوم کیهان

بعید به نظر می رسید که پژواک وقایعی که در اولین میلی ثانیه های تولد کیهان اتفاق افتاد به ما برسد. با این حال، معلوم شد که این امکان پذیر است.

کیهان شناسی، ساختار کیهان، گذشته، حال و آینده جهان ما - این سوالات همیشه بهترین ذهن بشر را به خود مشغول کرده است. برای توسعه کیهان شناسی و علم به طور کلی، درک جهان به عنوان یک کل بسیار مهم است. نقش ویژه ای با تأیید تجربی سازه های انتزاعی، تأیید آنها با داده های مشاهده ای، درک و مقایسه نتایج تحقیق، ارزیابی کافی از نظریه های خاص ایفا می کند. ما اکنون در میانه راهی هستیم که از حل معادلات اینشتین به شناخت معمای تولد و زندگی کیهان منتهی می شود.

گام بعدی در این مسیر توسط خالق نظریه تورم آشفته، فارغ التحصیل دانشگاه دولتی مسکو، اکنون استاد دانشگاه استنفورد، آندری دمیتریویچ لینده برداشته شد که سهم قابل توجهی در درک اولیه ترین مرحله توسعه داشت. جهان. او سالها در یکی از مؤسسات آکادمیک پیشرو روسیه - مؤسسه فیزیک به نام کار کرد آکادمی علوم لبدف (FIAN)، با همکاری پروفسور دیوید آبراموویچ کرژنیتس، پیامدهای نظریه های مدرن ذرات بنیادی را مطالعه کرد.

در سال 1972 کرژنیتس و لینده به این نتیجه رسیدند که انتقال فازهای عجیب و غریب در اوایل جهان اتفاق افتاد، زمانی که تفاوت‌های بین انواع مختلف برهمکنش‌ها ناگهان ناپدید شد: برهم‌کنش‌های قوی و ضعیف در یک نیروی واحد ادغام شدند. (تئوری یکپارچه از برهمکنش های ضعیف و الکترومغناطیسی که توسط کوارک ها و لپتون ها از طریق تبادل فوتون های بدون جرم (برهم کنش الکترومغناطیسی) و بوزون های بردار متوسط ​​سنگین (برهم کنش ضعیف) انجام می شود در اواخر دهه 1960 توسط استیون واینبرگ، شلدون گلاشو و ابدوس سلام توسعه یافت. .) Linde بر مطالعه فرآیندها در مراحل اولیه توسعه کیهان، در 10 تا 30 ثانیه اول پس از تولد، تمرکز کرد. پیش از این بعید به نظر می رسید که پژواک رویدادهایی که در اولین میلی ثانیه های تولد کیهان رخ داده اند به ما برسد. با این حال، در سال های اخیر، روش های مدرن رصدهای نجومی، نگاهی به گذشته های دور را ممکن کرده است.

مشکلات کیهان شناسی

در بررسی نظریه بیگ بنگ، محققان با مشکلاتی مواجه شدند که قبلاً متافیزیکی تلقی می شد. با این حال، همواره سوالاتی مطرح می‌شد و پاسخ می‌خواست.

وقتی چیزی نبود چه اتفاقی افتاد؟ اگر جهان از یک تکینگی متولد شده باشد، پس زمانی وجود نداشته است. در «فیزیک نظری» لاندو و لیفشیتز آمده است که حل معادلات انیشتین را نمی توان در ناحیه زمان منفی ادامه داد و بنابراین در چارچوب نظریه نسبیت عام، این سؤال مطرح می شود که «پیش از تولد چه چیزی وجود داشت. جهان؟" معنی ندارد با این حال، این سوال همچنان همه ما را نگران می کند.

آیا خطوط موازی همدیگر را قطع می کنند؟ در مدرسه به ما گفتند نه. با این حال، وقتی صحبت از کیهان شناسی به میان می آید، پاسخ چندان ساده نیست. به عنوان مثال، در یک جهان بسته مانند سطح یک کره، خطوطی که در خط استوا موازی هستند در قطب شمال و جنوب قطع می شوند. پس حق با اقلیدس است؟ چرا جهان مسطح به نظر می رسد؟ آیا او از اول اینگونه بود؟ برای پاسخ به این سؤالات، لازم است مشخص شود که جهان در اولین مرحله رشد چگونه بوده است.

چرا جهان همگن است؟ در واقع این درست نیست. کهکشان ها، ستاره ها و سایر بی نظمی ها وجود دارد. اگر به آن قسمت از کیهان که در دید تلسکوپ های مدرن است نگاه کنید و میانگین چگالی توزیع ماده را در مقیاس کیهانی تحلیل کنید، معلوم می شود که در همه جهات با دقت 10 -5 یکسان است. چرا جهان همگن است؟ چرا قوانین فیزیک یکسان در نقاط مختلف کیهان عمل می کنند؟ چرا جهان اینقدر بزرگ است؟ انرژی مورد نیاز برای پیدایش آن از کجا آمده است؟

تردیدها همیشه مطرح بوده اند و هر چه دانشمندان بیشتر در مورد ساختار و تاریخ وجود جهان ما می آموزند، سوالات بیشتری بی پاسخ می ماند. با این حال، مردم سعی کردند در مورد آنها فکر نکنند، و یک جهان همگن بزرگ و خطوط موازی غیر متقاطع را به عنوان یک موضوع داده شده و موضوع بحث درک کنند. آخرین چیزی که فیزیکدانان را مجبور به تجدید نظر در نگرش خود به نظریه کیهان اولیه کرد، مشکل تک قطبی های باقی مانده بود.

وجود تک قطبی های مغناطیسی در سال 1931 توسط فیزیکدان نظری انگلیسی پل دیراک پیشنهاد شد. اگر چنین ذرات واقعاً وجود داشته باشند، بار مغناطیسی آنها باید مضربی از مقدار معینی باشد که به نوبه خود با مقدار اساسی بار الکتریکی تعیین می شود. تقریباً برای نیم قرن، این موضوع عملاً فراموش شده بود، اما در سال 1975 یک بیانیه هیجان انگیز بیان شد که یک تک قطبی مغناطیسی در پرتوهای کیهانی کشف شد. این اطلاعات تایید نشد، اما این پیام دوباره علاقه به مشکل را برانگیخت و به توسعه یک مفهوم جدید کمک کرد.

طبق طبقه جدیدی از تئوری های ذرات بنیادی که در دهه 70 به وجود آمدند، تک قطبی ها می توانستند در اوایل کیهان در نتیجه انتقال فاز پیش بینی شده توسط کرژنیتس و لیند ظاهر شده باشند. جرم هر تک قطبی یک میلیون میلیارد برابر یک پروتون است. در سال 1978-1979. زلدویچ، خلوپوف و پرسکیل دریافتند که تعداد زیادی از این تک قطبی ها متولد شده اند، بنابراین اکنون برای هر پروتون یک تک قطبی وجود دارد، به این معنی که جهان بسیار سنگین خواهد بود و باید به سرعت تحت وزن خود فرو می ریزد. این واقعیت که ما هنوز وجود داریم چنین احتمالی را رد می کند.

تجدید نظر در نظریه جهان اولیه

پاسخ اکثر سوالات فوق تنها پس از ظهور نظریه تورم به دست آمد.

نظریه تورم سابقه طولانی دارد. اولین نظریه از این نوع در سال 1979 توسط عضو مسئول RAS الکسی الکساندرویچ استاروبینسکی ارائه شد. نظریه او بسیار پیچیده بود. برخلاف آثار بعدی، او سعی نکرد توضیح دهد که چرا جهان بزرگ، مسطح، همگن و همسانگرد است. با این حال، دارای بسیاری از ویژگی های مهم کیهان شناسی تورمی بود.

در سال 1980، یکی از کارمندان موسسه فناوری ماساچوست، آلن گوس ( آلن گوث) در مقاله "جهان متورم: راه حلی ممکن برای مشکل افق و صافی" او سناریوی جالبی از متورم شدن جهان را بیان کرد. تفاوت اصلی آن با نظریه سنتی بیگ بنگ، توصیف تولد جهان در دوره 35-10 تا 32-10 ثانیه بود. گاس پیشنهاد کرد که در این زمان جهان در حالت خلاء به اصطلاح "کاذب" قرار داشت که در آن چگالی انرژی آن بسیار بالا بود. بنابراین، انبساط سریعتر از تئوری بیگ بنگ پیش رفت. این مرحله از انبساط سریع نمایی، تورم (تورم) کیهان نامیده شد. سپس خلاء کاذب متلاشی شد و انرژی آن به انرژی ماده معمولی منتقل شد.

نظریه گاس بر اساس تئوری انتقال فاز در کیهان اولیه که توسط کرژنیتس و لیند توسعه یافت، بود. بر خلاف استاروبینسکی، گاس هدف خود را از استفاده از یک اصل ساده برای توضیح اینکه چرا جهان بزرگ، مسطح، همگن، همسانگرد است و همچنین چرا هیچ تک قطبی وجود ندارد، قرار داد. مرحله تورم می تواند این مشکلات را حل کند.

متأسفانه، پس از فروپاشی خلاء کاذب در مدل گوس، جهان یا بسیار ناهمگن یا خالی بود. واقعیت این است که پوسیدگی خلاء کاذب، مانند جوشیدن آب در کتری، به دلیل تشکیل حباب های یک فاز جدید رخ داده است. برای اینکه انرژی آزاد شده در این حالت به انرژی حرارتی کیهان منتقل شود، باید با دیواره‌های حباب‌های عظیم برخورد کرد و این باید منجر به نقض همگنی و همسانگردی کیهان پس از تورم شود که در تضاد است. وظیفه تعیین شده

اگرچه مدل گوس کار نکرد، اما باعث ایجاد سناریوهای جدیدی برای جهان در حال تورم شد.

نظریه تورم جدید

در اواسط سال 1981، لیند اولین نسخه از سناریوی جدید یک جهان در حال تورم را بر اساس تجزیه و تحلیل دقیق تر از انتقال فاز در مدل وحدت بزرگ ارائه کرد. او به این نتیجه رسید که در برخی از نظریه‌ها، انبساط نمایی بلافاصله پس از تشکیل حباب‌ها پایان نمی‌یابد، به طوری که تورم می‌تواند نه تنها قبل از انتقال فاز با تشکیل حباب‌ها، بلکه پس از آن، از قبل در داخل آنها نیز پیش رود. در این سناریو، بخش قابل مشاهده کیهان در یک حباب واحد در نظر گرفته می شود.

در سناریوی جدید، Linde نشان داد که گرمایش پس از تورم به دلیل ایجاد ذرات در طول نوسانات میدان اسکالر اتفاق می‌افتد (نگاه کنید به زیر). بنابراین، برخورد دیواره‌های حباب‌ها که ناهمگونی‌هایی ایجاد می‌کرد، غیرضروری شد و به این ترتیب مشکل همگنی و همسانگردی کیهان در مقیاس بزرگ حل شد.

سناریوی جدید شامل دو نکته کلیدی بود: اول، ویژگی‌های حالت فیزیکی داخل حباب‌ها باید به آرامی تغییر کند تا از تورم داخل حباب اطمینان حاصل شود. ثانیاً، در مراحل بعدی، باید فرآیندهایی وجود داشته باشد که گرم شدن جهان را پس از انتقال فاز تضمین کند. یک سال بعد، محقق رویکرد خود را اصلاح کرد و در نظریه تورمی جدید پیشنهاد کرد و به این نتیجه رسید که انتقال فاز اصلاً مورد نیاز نیست، همچنین هیپوترمی و خلاء کاذب که آلن گوز با آن شروع کرد. این یک شوک عاطفی بود، زیرا لازم بود ایده هایی را که در مورد جهان داغ، انتقال فاز و هیپوترمی درست تلقی می شدند، کنار بگذاریم. لازم بود راه جدیدی برای حل مشکل پیدا شود. سپس تئوری تورم آشفته مطرح شد.

تورم آشفته

ایده پشت نظریه تورم آشفته لینده بسیار ساده است، اما برای توضیح آن، باید مفهوم میدان اسکالر را معرفی کنید. میدان های جهت دار وجود دارد - الکترومغناطیسی، الکتریکی، مغناطیسی، گرانشی، اما می تواند حداقل یک عدد دیگر وجود داشته باشد - اسکالر، که به هیچ کجا هدایت نمی شود، بلکه صرفاً تابعی از مختصات است.

نزدیکترین آنالوگ (اگرچه دقیق نیست) میدان اسکالر، پتانسیل الکترواستاتیک است. ولتاژ در شبکه های الکتریکی آمریکا 110 ولت و در روسیه 220 ولت است. اگر فردی با یک دست سیم آمریکایی و با دست دیگر سیم روسی را بچسباند، اختلاف پتانسیل باعث مرگ او می شود. اگر ولتاژ در همه جا یکسان بود، اختلاف پتانسیل وجود نداشت و جریان جریان نداشت. بنابراین در یک میدان اسکالر ثابت تفاوت پتانسیل وجود ندارد. بنابراین، ما نمی توانیم یک میدان اسکالر ثابت را ببینیم: به نظر می رسد یک خلاء است، که در برخی موارد می تواند چگالی انرژی بالایی داشته باشد.

اعتقاد بر این است که بدون میدان هایی از این نوع، ایجاد یک نظریه واقعی از ذرات بنیادی بسیار دشوار است. در سال‌های اخیر، تقریباً تمام ذرات پیش‌بینی‌شده توسط نظریه برهمکنش‌های الکتروضعیف، به جز ذرات اسکالر، کشف شده‌اند. جستجوی چنین ذرات یکی از اهداف اصلی شتاب دهنده عظیمی است که در حال ساخت در سرن سوئیس در حال ساخت است.

میدان اسکالر تقریباً در تمام سناریوهای تورمی وجود داشت. گاس پیشنهاد کرد که از پتانسیل با چندین افت عمیق بهره برداری شود. تئوری تورمی جدید لینده به پتانسیلی با سقف تقریباً صاف نیاز داشت، اما بعداً، در یک سناریوی تورمی آشفته، معلوم شد که برای گرفتن یک سهمی معمولی کافی است و همه چیز کار می کند.

ساده ترین میدان اسکالر را در نظر بگیرید که چگالی انرژی پتانسیل آن با مجذور قدر آن متناسب است، همانطور که انرژی یک آونگ متناسب با مجذور انحراف آن از موقعیت تعادل است:

یک میدان کوچک چیزی در مورد جهان نمی داند و نزدیک به حداقل خود در نوسان است. با این حال، اگر میدان به اندازه کافی بزرگ باشد، آنگاه بسیار آهسته به سمت پایین فرو می‌رود و به قیمت انرژی آن، جهان را شتاب می‌دهد. به نوبه خود، سرعت جهان (و نه هیچ ذره ای) سقوط میدان اسکالر را کاهش می دهد.

بنابراین، یک میدان اسکالر بزرگ منجر به نرخ انبساط بالای کیهان می شود. سرعت انبساط بالای کیهان از کاهش میدان جلوگیری می کند و در نتیجه از کاهش چگالی انرژی پتانسیل جلوگیری می کند. و چگالی انرژی بالا همچنان جهان را با سرعتی بیشتر شتاب می دهد. این رژیم خودپایدار است که به تورم منجر می‌شود، تورم سریع نمایی جهان.

برای توضیح این اثر شگفت انگیز، لازم است معادله انیشتین را برای ضریب مقیاس کیهان حل کنیم:

و معادله حرکت برای یک میدان اسکالر:

در اینجا H به اصطلاح ثابت هابل است که متناسب با چگالی انرژی میدان اسکالر جرم m است (این ثابت در واقع به زمان بستگی دارد). G ثابت گرانشی است.

محققان قبلاً در نظر گرفته اند که میدان اسکالر در مجاورت یک سیاهچاله و در هنگام فروپاشی کیهان چگونه رفتار می کند. اما به نوعی حالت گسترش نمایی پیدا نشد. و فقط لازم بود معادله کامل میدان اسکالر نوشته شود، که در نسخه استاندارد (یعنی بدون در نظر گرفتن انبساط جهان) شبیه معادله یک آونگ بود:

اما برخی از اصطلاحات اضافی دخالت کرد - نیروی اصطکاک که با هندسه مرتبط بود. هیچ کس در ابتدا آن را در نظر نگرفت. حاصل ضرب ثابت هابل و سرعت میدان است:

وقتی ثابت هابل بزرگ بود، اصطکاک نیز زیاد بود و میدان اسکالر بسیار آهسته کاهش یافت. بنابراین، ثابت هابل که تابعی از میدان اسکالر است، برای مدت طولانی تقریباً بدون تغییر باقی ماند. حل معادله انیشتین با یک ثابت هابل که به آرامی متغیر است، یک جهان به سرعت در حال انبساط را توصیف می کند.

این مرحله از انبساط سریع نمایی کیهان را تورم می نامند.

این رژیم چه تفاوتی با انبساط معمول کیهان پر از ماده معمولی دارد؟ بیایید فرض کنیم که جهان پر از غبار 2 بار منبسط شده است. سپس حجم آن 8 برابر شد. این بدان معنی است که در 1 سانتی متر مکعب 8 برابر کمتر گرد و غبار وجود دارد. اگر معادله انیشتین را برای چنین جهانی حل کنیم، معلوم می شود که پس از انفجار بزرگ، چگالی ماده به سرعت کاهش یافته و سرعت انبساط جهان به سرعت در حال کاهش بوده است.

همین امر در مورد میدان اسکالر نیز صادق است. اما در حالی که میدان بسیار بزرگ باقی می‌ماند، مانند بارون مونچاوزن که خود را از باتلاق بیرون می‌کشد، از خود حمایت می‌کرد. این به دلیل نیروی اصطکاک امکان پذیر بود که در مقادیر میدان بالا قابل توجه بود. مطابق با نظریات نوع جدید، جهان به سرعت در حال گسترش بود و میدان تقریباً بدون تغییر باقی ماند. بر این اساس، چگالی انرژی نیز تغییر نکرد. از این رو، گسترش به صورت تصاعدی پیش رفت.

به تدریج میدان کاهش یافت، ثابت هابل نیز کاهش یافت، اصطکاک کم شد و میدان شروع به نوسان کرد و ذرات بنیادی تولید کرد. این ذرات با هم برخورد کردند، انرژی تبادل کردند و به تدریج به حالت تعادل ترمودینامیکی رسیدند. در نتیجه کیهان داغ شد.

قبلاً تصور می شد که جهان از ابتدا گرم است. این نتیجه با مطالعه تشعشعات مایکروویو حاصل شد که به عنوان پیامد انفجار بزرگ و خنک شدن متعاقب آن تفسیر شد. سپس آنها شروع کردند به این فکر کردن که در ابتدا کیهان داغ بود، سپس تورم رخ داد و پس از آن جهان دوباره داغ شد. با این حال، در نظریه تورم آشفته، اولین مرحله داغ غیر ضروری بود. اما چرا ما به مرحله تورم نیاز داریم، اگر در پایان این مرحله جهان همچنان مانند نظریه قدیمی بیگ بنگ داغ شد؟

انبساط نمایی

سه مدل ساده از جهان وجود دارد: تخت، باز و بسته. یک جهان مسطح مانند سطح یک میز صاف است. خطوط موازی در چنین جهانی همیشه موازی باقی می مانند. جهان باز مانند سطح یک هیپربولوئید است و جهان بسته مانند سطح یک توپ است. خطوط موازی در چنین جهانی در قطب شمال و جنوب آن قطع می شوند.

بیایید فرض کنیم در یک جهان بسته زندگی می کنیم که در ابتدا به اندازه یک توپ کوچک بود. بر اساس نظریه بیگ بنگ، به اندازه مناسبی رشد کرد، اما همچنان نسبتا کوچک باقی ماند. و بر اساس نظریه تورم، یک توپ کوچک در نتیجه یک انفجار نمایی در مدت زمان بسیار کوتاهی بزرگ شده است. وقتی روی آن بود، ناظر یک سطح صاف را می دید.

هیمالیا را تصور کنید که در آن تاقچه‌ها، شکاف‌ها، پرتگاه‌ها، گودال‌ها، صخره‌ها، یعنی ناهمگونی‌های مختلف وجود دارد. اما ناگهان کسی یا چیزی به شکلی کاملاً باورنکردنی، کوه‌ها را به نسبت‌های غول‌پیکر افزایش داد، یا مانند آلیس در سرزمین عجایب کوچک شدیم. سپس، با قرار گرفتن در بالای اورست، خواهیم دید که کاملاً مسطح است - گویی کشیده شده است و ناهمگونی ها دیگر معنایی ندارند. کوه ها باقی مانده اند، اما برای صعود حداقل یک متری، باید بسیار دور بروید. بنابراین، مشکل همگنی قابل حل است. این همچنین توضیح می دهد که چرا جهان تخت است، چرا خطوط موازی همدیگر را قطع نمی کنند، و چرا تک قطبی ها وجود ندارند. خطوط موازی می توانند قطع شوند و تک قطبی ها می توانند وجود داشته باشند، اما فقط آنقدر از ما دور هستند که نمی توانیم آن را ببینیم.

پیدایش کهکشان ها

جهان کوچک عظیم شد و همه چیز همگن شد. اما در مورد کهکشان ها چطور؟ معلوم شد که در جریان انبساط نمایی کیهان، نوسانات کوانتومی کوچکی که همیشه وجود دارد، حتی در فضای خالی، به دلیل اصل عدم قطعیت مکانیکی کوانتومی، به اندازه های عظیم کشیده شده و به کهکشان تبدیل شده است. بر اساس نظریه تورم، کهکشان ها نتیجه نوسانات کوانتومی تقویت شده، یعنی نویز کوانتومی تقویت شده و منجمد هستند.

برای اولین بار، این احتمال قابل توجه توسط کارمندان FIAN ویاچسلاو فدوروویچ موخانوف و گنادی واسیلیویچ چیبیسف در اثری بر اساس مدلی که در سال 1979 توسط استاروبینسکی پیشنهاد شد، اشاره شد. اندکی پس از آن، مکانیسم مشابهی در سناریوی تورمی جدید و در نظریه تورم آشفته کشف شد.

آسمان خالدار

نوسانات کوانتومی نه تنها منجر به تولد کهکشان ها شد، بلکه منجر به ناهمسانگردی تابش باقیمانده با دمای حدود 2.7 کلوین شد که از مناطق دوردست کیهان به ما می رسید.

ماهواره های مصنوعی مدرن زمین به دانشمندان کمک می کند تا تابش باقیمانده را مطالعه کنند. با ارزش ترین داده ها با استفاده از کاوشگر فضایی WMAP ( کاوشگر ناهمسانگردی مایکروویو ویلکینسون، به نام دیوید ویلکینسون اخترفیزیکدان ( دیوید ویلکینسون). وضوح سخت افزاری آن 30 برابر بیشتر از مدل قبلی خود، فضاپیمای COBE است.

قبلاً اعتقاد بر این بود که دمای آسمان در همه جا برابر با 2.7 کلوین است، اما WMAP توانست آن را با دقت 10-5 K با وضوح زاویه ای بالا اندازه گیری کند. با توجه به داده های به دست آمده در 3 سال اول مشاهدات، آسمان ناهمگن بود: جایی گرم و جایی سردتر. ساده‌ترین مدل‌های تئوری تورم، موج‌هایی را در آسمان پیش‌بینی می‌کردند. اما تا زمانی که تلسکوپ ها ردیابی آن را ثبت کردند، تنها تابش سه درجه مشاهده شد که به عنوان تأیید قدرتمندی بر نظریه یک جهان داغ عمل کرد. حالا معلوم شد که نظریه یک جهان داغ کافی نیست.

ما موفق شدیم عکس هایی از نوسانات کوانتومی متورم بدست آوریم که 10 تا 30 ثانیه پس از تولد کیهان ظاهر شدند و تا به امروز باقی مانده اند. محققان نه تنها لکه‌های آسمان را یافتند، بلکه طیف لکه‌ها، یعنی شدت سیگنال را در جهات مختلف زاویه‌ای مورد مطالعه قرار دادند.

نتایج اندازه‌گیری‌های با دقت بالا قطبش تابش که با کمک WMAP انجام شد، نظریه انبساط کیهان را تأیید کرد و امکان تعیین زمان یونیزاسیون گاز بین کهکشانی، ناشی از اولین ستاره‌ها را فراهم کرد. اطلاعات دریافتی از ماهواره موضع تئوری تورمی را تأیید می کند که ما در یک جهان مسطح بزرگ زندگی می کنیم.

در شکل، خط قرمز پیش بینی تئوری تورم را نشان می دهد و نقاط سیاه با داده های تجربی WMAP مطابقت دارد. اگر جهان مسطح نبود، اوج نمودار به سمت راست یا چپ بود.

جاودانه و بی پایان

بیایید دوباره به شکلی که ساده ترین پتانسیل یک میدان اسکالر را نشان می دهد نگاه کنیم (به بالا مراجعه کنید). در ناحیه ای که میدان اسکالر کوچک است، نوسان می کند و جهان به صورت تصاعدی منبسط نمی شود. در منطقه ای که میدان به اندازه کافی بزرگ است، به آرامی کاهش می یابد و نوسانات کوچکی روی آن ظاهر می شود. در این زمان، انبساط و تورم تصاعدی وجود دارد. اگر میدان اسکالر حتی بزرگتر بود (در نمودار با رنگ آبی مشخص شده بود)، به دلیل اصطکاک شدید به سختی کاهش می یافت، نوسانات کوانتومی بسیار زیاد بود و جهان می توانست فرکتال شود.

تصور کنید که جهان به سرعت در حال انبساط است، و در برخی مکان ها میدان اسکالر، به جای اینکه به حداقل انرژی برسد، به دلیل نوسانات کوانتومی به بالا می پرد (به بالا مراجعه کنید). در نقطه ای که میدان پرید، جهان به طور تصاعدی سریعتر منبسط می شود. بعید است که یک میدان کم ارتفاع جهش کند، اما هرچه بالاتر باشد، احتمال وقوع چنین رویدادی بیشتر است و در نتیجه حجم منطقه جدید به طور تصاعدی بیشتر می شود. در هر یک از این مناطق یکنواخت، میدان نیز می‌تواند به سمت بالا بپرد، که منجر به ایجاد بخش‌های جدید در حال رشد نمایی از کیهان می‌شود. در نتیجه، به جای اینکه شبیه یک توپ بزرگ در حال رشد به نظر برسد، دنیای ما مانند یک درخت همیشه در حال رشد می شود که از بسیاری از این توپ ها تشکیل شده است.

نظریه تورمی تنها توضیحی را که در حال حاضر برای همگنی بخش قابل مشاهده کیهان شناخته شده است به ما ارائه می دهد. به طرز متناقضی، همین نظریه پیش‌بینی می‌کند که در مقیاس بسیار بزرگ، جهان ما کاملاً ناهمگن است و مانند یک فراکتال بزرگ به نظر می‌رسد.

شکل به صورت شماتیک نشان می‌دهد که چگونه یک ناحیه متورم از کیهان، بخش‌های بیشتری از آن را تولید می‌کند. به این معنا ابدی و خود شفابخش می شود.

خواص فضا-زمان و قوانین برهمکنش ذرات بنیادی با یکدیگر در مناطق مختلف کیهان و همچنین ابعاد فضا و انواع خلاء می تواند متفاوت باشد.

این واقعیت مستحق توضیح بیشتر است. طبق ساده ترین نظریه با یک حداقل انرژی پتانسیل، میدان اسکالر به این حداقل می رسد. با این حال، نسخه‌های واقعی‌تر، حداقل‌های بسیاری را با فیزیک‌های مختلف، که شبیه آب است، مجاز می‌سازد، که می‌تواند در حالت‌های مختلف باشد: مایع، گاز و جامد. بخش‌های مختلف کیهان نیز می‌توانند در حالت‌های فاز متفاوت باشند. این امر در نظریه تورمی حتی بدون در نظر گرفتن نوسانات کوانتومی امکان پذیر است.

گام بعدی که بر اساس مطالعه نوسانات کوانتومی است، نظریه جهان خوددرمانی است. این نظریه با برشمردن احتمالات و ابعاد مختلف، فرآیند بازسازی مداوم نواحی متورم و پرش های کوانتومی از یک حالت خلاء به حالت دیگر را در نظر می گیرد.

بنابراین جهان ابدی، بی پایان و متنوع می شود. کل جهان هرگز فرو نمی ریزد. با این حال، این بدان معنا نیست که هیچ تکینگی وجود ندارد. برعکس، بخش قابل توجهی از حجم فیزیکی کیهان همیشه در حالتی نزدیک به حالت تکی قرار دارد. اما از آنجایی که حجم های مختلف در زمان های مختلف از آن عبور می کنند، هیچ پایان واحدی از فضا-زمان وجود ندارد که پس از آن همه مناطق ناپدید می شوند. و سپس پرسش از تعدد جهان ها در زمان و مکان صدایی کاملاً متفاوت به خود می گیرد: جهان می تواند خود را به طور نامحدود در همه حالات ممکن خود بازتولید کند.

این بیانیه که بر اساس کار لینده در سال 1986 بود، چند سال پیش زمانی که نظریه‌پردازان ریسمان (یکی از کاندیدای پیشرو برای تئوری همه برهمکنش‌های بنیادی) به این نتیجه رسیدند که 1000-1000-10 حالت خلاء مختلف وجود دارد، ابعاد جدیدی به خود گرفت. این حالت ها به دلیل تنوع فوق العاده ساختار ممکن جهان در فواصل بسیار کوتاه متفاوت است.

در کنار تئوری جهان تورمی خود ترمیم شونده، این بدان معنی است که در طول تورم، جهان به بخش های بی نهایت زیادی با تعداد فوق العاده زیادی از خواص مختلف تجزیه می شود. کیهان شناسان این سناریو را نظریه چندجهانی تورمی ابدی می نامند. چندجهانی) و نظریه پردازان ریسمان آن را چشم انداز ریسمان می نامند.

کیهان شناسی تورمی 25 سال پیش چیزی حد واسط بین نظریه فیزیکی و علمی تخیلی به نظر می رسید. از آن زمان، بسیاری از پیش‌بینی‌های این نظریه مورد آزمایش قرار گرفت و به تدریج ویژگی‌های پارادایم استاندارد کیهان‌شناسی را به دست آورد. اما هنوز برای آرام شدن زود است. این نظریه حتی در حال حاضر نیز به سرعت در حال توسعه و تغییر است. مشکل اصلی توسعه مدل های کیهان شناسی تورمی بر اساس نسخه های واقع گرایانه از نظریه ذرات بنیادی و نظریه ریسمان است. این سوال می تواند موضوع یک گزارش جداگانه باشد.

امروز می خواهم در مورد تاریخ جهان ما برای شما بگویم. در مورد اینکه چگونه جهان از یک نقطه کوچک به چیزی تبدیل شده است که ما اکنون در اطراف خود مشاهده می کنیم.

در اینجا ما می رویم.

جهان نزدیک به 14 میلیارد سال است که وجود داشته است. در این دوره بسیار طولانی، چندین دوره از تاریخ خود را پشت سر گذاشته است. اکنون سیزدهمین مرحله از تکامل کیهان وجود دارد که به آن "عصر ماده" می گویند.

نام تمام مراحل تکامل کیهان چیست، چه مدت طول کشید، در طول آنها چه اتفاقی افتاد؟ دنیای اطراف ما چگونه توسعه یافت؟

این مقاله به این سوالات پاسخ خواهد داد.

تمام مراحل تاریخ هستی را به ترتیب از ابتدا تا امروز شرح خواهم داد. بنابراین، بیایید با "دوران آگوستین" شروع کنیم.

دوران آگوستین.

این دوره شامل وضعیت جهان "قبل" و در لحظه انفجار بزرگ است. هیچ چیز واقعاً در مورد این مرحله از توسعه جهان شناخته شده نیست - فقط فرضیه هایی وجود دارد - زیرا نظریه های فیزیکی مدرن نمی توانند رویدادهای قبل از "عصر پلانک" را توصیف کنند. دانشمندان فقط می دانند که در پایان این دوران انفجار بزرگ رخ داد - ناگهان گسترش فضا آغاز شد. با آغاز این رویداد واقعاً باشکوه، جهان در یک نقطه بسیار کوچک محبوس شد که چگالی و دمای نامحدودی داشت، یعنی. در حالت «تکینگی کیهانی» قرار داشت.

دوران پلانک

این اولین مرحله در توسعه کیهان است که در مورد آن فرضیات و توصیفات نظری وجود دارد. این مرحله بلافاصله پس از انفجار بزرگ آغاز شد و به اصطلاح ادامه یافت. "زمان پلانک" از 0 تا 10 -43 ثانیه پس از تولد کیهان.

در آن زمان (خدا می داند چه اتفاقی می افتاد) اندازه جهان بسیار کوچک بود. تا آنجا که اثرات کوانتومی - پدیده هایی که برای ذرات اتفاق می افتد - بر فعل و انفعالات فیزیکی غالب شد.

جهان در این دوره همچنین دارای دمای پلانک (1032 کلوین)، انرژی (1019 میلیارد الکترون ولت)، شعاع (10-35 متر، که برابر با طول پلانک است) و چگالی (1097 کیلوگرم بر متر مکعب) بود. .

هر چهار نوع برهمکنش ذرات و اجسام متشکل از آنها (به آنها "اساسی" نیز گفته می شود) - هسته ای قوی و ضعیف، الکترومغناطیسی، گرانشی - پس از آن غیر قابل تشخیص از یکدیگر و متحد بودند. اما این خیلی طول نکشید. دما و چگالی بسیار بالای ماده با همه چیز تداخل داشت.

دوران اتحاد بزرگ.

این مرحله از توسعه کیهان از 10 -43 ثانیه شروع شد و 10 -35 ثانیه پس از انفجار بزرگ به پایان رسید. در همان ابتدا، یک انتقال فاز ماده اتفاق افتاد (مشابه تراکم مایع از گاز، اما در رابطه با ذرات بنیادی). این به دلیل جدایی گرانش از "یک برهمکنش اساسی" اتفاق افتاد.

دوران اتحاد بزرگ با یک تقسیم دیگر به پایان رسید. جهان تا 10 28 کلوین سرد شده و برهم کنش قوی مستقل شده است. اکنون فقط نیروهای هسته ای الکترومغناطیسی و ضعیف یک کل واحد را نشان می دهند.

چنین رویدادی مستلزم یک انتقال فاز جدید است. به لطف او، در دوره بعدی در تاریخ کیهان، ذرات جدیدی ظاهر شدند و فضا-زمان یک انبساط گسترده و شدید را آغاز کرد. تغییرات جدی در چگالی توزیع ماده وجود دارد.

مرحله تورم

مرحله تورم در یک جدول زمانی بین 10 -35 و 10 -32 ثانیه پس از انفجار بزرگ قرار دارد. در آن دوران، اندازه کیهان چندین برابر افزایش یافت. قبلاً شعاع کل جهان برابر "طول پلانک" بود، اما اکنون فضا به اندازه یک پرتقال کامل گسترش یافته است. و سپس با شتاب به رشد خود ادامه داد.

چندین نوع ذرات تشکیل شد. اینها کوارک ها (ذرات بنیادی که هادرون ها را تشکیل می دهند - برای مثال پروتون ها و نوترون ها)، الکترون ها، هایپرون ها و نوترینوها (ذرات بنیادی خنثی از کلاس لپتون ها) بودند.

پس از مدتی دمای کیهان کاهش یافت و به همین دلیل انتقال فاز دیگری اتفاق افتاد. به همین دلیل، به اصطلاح. "نقض CP-invariance" و اولین فرآیندهای پدیده ای مانند "باریوژنز" آغاز شد.

باریوژنز- این اتحاد کوارک ها و گلوئون ها به ذرات ترکیبی جدید - هادرون ها است.

علاوه بر این، یک "عدم تقارن باریونی جهان" مرموز به وجود آمد - غلبه ماده بر ضد ماده. دانشمندان هنوز نتوانسته اند دلایل وقوع آن را توضیح دهند.

علاوه بر موارد فوق، فیزیکدانان و کیهان شناسان فرضیاتی دارند مبنی بر اینکه در این دوره کیهان چندین چرخه گرمایش و سرمایش مکرر را پشت سر گذاشته است.

در پایان دوره تورم، مصالح ساختمانی جهان پلاسمایی از کوارک ها، ضد کوارک ها و گلوئون ها (حامل برهم کنش های قوی) بود.

کاهش بیشتر دمای کیهان منجر به انتقال فاز بعدی شد. این شامل تشکیل نیروهای فیزیکی، فعل و انفعالات اساسی و ذرات بنیادی در شکل مدرن آنها است.

این انتقال فاز به اندازه سه دوره تناسب داشت و با "هسته سنتز اولیه" به پایان رسید.

دوران ضعیف الکتریسیته

بین 10 -32 و 10 -12 ثانیه پس از تولد کیهان. تاکنون، برهمکنش‌های الکترومغناطیسی و ضعیف نشان‌دهنده یک الکتروضعیف واحد بوده است دمای جهان هنوز بسیار بالاست. سپس بوزونهای هیگز ظاهر شدند (همانهایی که 3 سال پیش در برخورد دهنده بزرگ هادرون یافت شدند)، بازونهای W - و Z -.

علاوه بر ذرات جدید عجیب و غریب و پلاسمای کوارک-گلئون، فضا با فوتون ها (ذرات بنیادی یا کوانتوم های تابش الکترومغناطیسی) و لپتون ها پر شد.

عصر کوارک ها

این مرحله در بازه زمانی 12-10 تا 6-10 ثانیه پس از بیگ بنگ قرار دارد. سپس نقض "تقارن الکتریکی ضعیف" وجود داشت. اکنون همه تعاملات اساسی جدا از یکدیگر وجود دارند.

در عصر کوارک، دما و انرژی هنوز برای کوارک‌ها بسیار بالاست که در نهایت به هادرون تبدیل شوند.

یک تحول مهم تنها در مرحله بعدی توسعه جهان رخ خواهد داد.

عصر هادرون ها

بین 10 -6 تا 100 ثانیه پس از تولد کیهان. در نهایت، پلاسمای کوارک گلوئون به حدی سرد شده است که باریوژنز کامل شده و هادرون ها و آنتی هادرون ها متولد شده اند. با این حال، بیشتر این ذرات نابود شده اند (متقابل از بین رفته). تنها بقایای کوچکی از آنها باقی مانده است.

به زودی جهان چنان سرد و منبسط شد که دمای آن فقط برای ایجاد لپتون ها و آنتی لپتون ها کافی بود. این ذرات به سرعت در حال تبدیل شدن به جرم غالب در جهان هستند.

دوران لپتون ها.

در بازه زمانی 100 ثانیه تا 3 دقیقه پس از انفجار بزرگ، دوره لپتون ها قرار دارد. سپس جهان برای نوترینوها شفاف شد.

فضا همچنان به خنک شدن ادامه می دهد. در پایان این دوره، دما به نقطه ای کاهش یافت که در آن تشکیل لپتون های جدید غیرممکن شد. و جفت "لپتون-آنتی لپتون" بر سرنوشت هادرون ها پیشی می گیرد. اکثر آنها یکدیگر را خنثی می کنند. تعداد بسیار کمی از لپتون ها در جهان باقی ماندند که به همین دلیل تسلط فوتون ها آغاز شد.

عصر نوکلئوسنتز.

همزمان با دوران لپتون ها، این مرحله از تاریخ کیهان در جریان بود. به دلیل خنک شدن کافی ماده، هادرون های باقی مانده در هسته های اتمی سنگین تر از هیدروژن ترکیب شدند. این فرآیند "نوکلئوسنتز اولیه" نامیده می شود.

در طی این مرحله، ترکیب اولیه ماده ستاره ای پدید آمد: 75٪ هیدروژن، تقریبا 25٪ هلیوم، مقداری لیتیوم، دوتریوم و بور.

عصر پروتون

3 دقیقه پس از انفجار بزرگ شروع شد و 380000 سال بعد به پایان رسید. ماده شروع به تسلط بر تشعشعات کرد.

در پایان دوران، نوترکیبی هیدروژن (فرآیندی مخالف یونیزاسیون) اتفاق افتاد. به دلیل کاهش بیشتر دما و انبساط جهان، گرانش به نیروی غالب تبدیل شده است.

379000 سال پس از انفجار بزرگ، در دمای 3000 کلوین جهان، رویداد مهمی رخ داد - هسته اتم ها و الکترون ها در اولین اتم ها ترکیب شدند. "بازترکیب اولیه" آغاز شد. این یک نقطه عطف بود: ماده از یک پلاسما مات به تشعشعات الکترومغناطیسی به حالت گاز منتقل شد. کیهان بالاخره شفاف شد.

در 379000 سال گذشته، فوتون ها به بهترین شکل ممکن آسیب دیده اند. ذرات اولیه باردار مختلف که قبلاً یک کالسکه و یک گاری کوچک بودند، نور را مسدود می کردند. کوانتای نور با آنها تعامل داشت، به همین دلیل آنها "لگدها" و "تکان"های مداوم را از طرف "برادران" خود تجربه می کردند. فوتون ها همیشه توسط ذرات باردار منحرف یا جذب می شدند. در نتیجه نور بسیار پراکنده شد. اگر ناظر وارد این دوران می شد، در مقابل خود فقط مه غلیظی را می دید.

همانطور که می دانید فوتون ها فقط با ذرات باردار مثبت و منفی برهم کنش دارند. و در پایان "دوران پروتون" یک کوانتوم نور، شانس بالاخره برگشت. الکترون های منفی و پروتون های مثبت با نوترون ها در اتم هایی با بار خنثی گروه بندی می شوند. به لطف ذرات مرکب جدید، فوتون ها قادر به حرکت آزادانه در فضا بودند و به سختی با ماده برهم کنش می کنند.

تابش باقیمانده همان فوتون هایی است که از پلاسما به سمت مکان آینده زمین ساطع می شود و به دلیل ترکیب مجدد، از پراکندگی اجتناب می کند. آنها همچنان به ما می رسند و بر فضای در حال گسترش غلبه می کنند.

سال های تاریک.

بلافاصله پس از "عصر پروتون" آمد و 550 میلیون سال به طول انجامید. جهان به قدری سرد بود که پس از دوران پروتون، هنگامی که با رنگ های قرمز می درخشید، فضا در سیاهی فرو رفت.

دوران کسل کننده ای از تاریکی کامل بود. هیچ منبع نوری (ستاره یا کهکشان) وجود نداشت. سیارات و سیارک ها حتی بیشتر از این. فضا عمدتاً با هیدروژن، هلیوم و تشعشعات زمینه مایکروویو پر شده بود.

یونیزاسیون مجدد

بخشی از تاریخ کیهان که بلافاصله پس از قرون تاریک آغاز شد و 250 میلیون سال به طول انجامید. در مقایسه با گذشته، این دوران سرگرم‌کننده‌تر و رنگارنگ‌تر بود.

خوشه ها شروع به شکل گیری کردند - انباشته های جدا شده از غبار گاز بین ستاره ای، که به دلیل نیروهای گرانش ظاهر شدند. اولین اجرام متراکم کوازارها بودند. سپس اولین ستاره ها شعله ور شدند و سحابی های گاز و غبار ظاهر شدند.

تحت نیروی گرانش، آنها به خوشه های ستاره ای و خوشه ها به کهکشان ها متحد شدند. دومی ها خوشه ها و ابرخوشه های خود را تشکیل داده اند.

سپس در اعماق ستارگان، عناصر سنگین به مقدار زیاد تشکیل شد. انفجارهای ابرنواختر آنها را در سراسر کیهان حمل کردند، که از آن سیارات سرد، سیارک ها، اجسام شهاب سنگی و در نهایت موجودات زنده تشکیل شدند.

عصر جوهر.

شروع 800 میلیون سال پس از انفجار بزرگ. این دوران هنوز ادامه دارد.

چندین میلیارد سال پس از "یونیزاسیون مجدد"، شکل گیری سیارات و منظومه های سیاره ای از جمله منظومه شمسی آغاز شد. کمی بیش از 8.4 میلیارد سال پس از انفجار بزرگ، زمین شکل گرفت و 500 میلیون سال بعد، حیات بر روی آن ظاهر شد.

کیهان شناسان به حرکت به سمت درک نهایی فرآیندهایی که جهان را ایجاد کرده و شکل داده اند ادامه می دهند.

جهان از نظر مکان و زمان به قدری بزرگ است که تقریباً در تمام تاریخ بشریت هم برای ابزار و هم برای ذهن ما غیرقابل دسترس باقی مانده است. اما همه چیز در قرن بیستم تغییر کرد، زمانی که ایده های جدیدی ظاهر شد - از نظریه نسبیت عام اینشتین تا نظریه های مدرن ذرات بنیادی. موفقیت همچنین به لطف ابزار قدرتمند به دست آمد - از بازتابنده های 100 و 200 اینچی که توسط جورج الری هیل ایجاد شد و کهکشان هایی فراتر از کهکشان راه شیری را برای ما کشف کرد، تا تلسکوپ فضایی هابل، که ما را به دوران تولد برد. کهکشان ها پیشرفت در 20 سال گذشته شتاب گرفته است. روشن شد که ماده تاریک از اتم های معمولی تشکیل نشده است، انرژی تاریک وجود دارد. ایده های جسورانه ای در مورد تورم کیهانی و کثرت جهان ها متولد شد.

صد سال پیش، کیهان ساده‌تر بود: ابدی و تغییرناپذیر، متشکل از یک کهکشان حاوی چندین میلیون ستاره قابل مشاهده. تصویر مدرن بسیار پیچیده تر و بسیار غنی تر است. فضا 13.7 میلیارد سال پیش در نتیجه انفجار بزرگ پدید آمد. کسری از ثانیه پس از آغاز، جهان مخلوطی داغ و بی شکل از ذرات بنیادی - کوارک ها و لپتون ها بود. با گسترش و سرد شدن، ساختارها گام به گام به وجود آمدند: نوترون ها و پروتون ها، هسته های اتمی، اتم ها، ستارگان، کهکشان ها، خوشه های کهکشانی و در نهایت، ابرخوشه ها. بخش قابل مشاهده کیهان اکنون شامل 100 میلیارد کهکشان است که هر یک از آنها حدود 100 میلیارد ستاره و احتمالاً به همان تعداد سیاره دارد. خود کهکشان ها با گرانش ماده تاریک مرموز از انبساط جلوگیری می کنند. و جهان به انبساط خود ادامه می دهد و حتی آن را با شتاب تحت تأثیر انرژی تاریک انجام می دهد - شکلی حتی مرموزتر از انرژی که نیروی گرانشی آن جذب نمی کند، بلکه دفع می کند.

موضوع اصلی داستان ما در مورد جهان، تکامل از یک کوارک ابتدایی "سوپ" به پیچیدگی فزاینده کهکشان ها، ستاره ها، سیارات و حیاتی است که امروزه مشاهده می شود. این ساختارها طی میلیاردها سال یکی پس از دیگری ظاهر شده اند و از قوانین اساسی فیزیک پیروی می کنند. با سفر به گذشته، به دوران پیدایش، کیهان‌شناسان ابتدا تاریخ دقیق کیهان را به عقب برمی‌گردانند، به اولین میکروثانیه، سپس به 10 ^ (- 34) دلار از ابتدا (ایده‌های روشنی در مورد این زمان وجود دارد، اما هنوز تایید روشنی از آنها وجود ندارد) و در نهایت تا لحظه تولد (که تاکنون فقط حدس هایی در مورد آن وجود دارد). اگرچه ما هنوز نمی توانیم به طور کامل درک کنیم که جهان چگونه متولد شده است، اما در حال حاضر فرضیه های شگفت انگیزی داریم، مانند مفهوم جهان چندگانه، که شامل تعداد نامتناهی زیرجهان های غیر مرتبط است.

مقررات اساسی

• جهان ما با یک انفجار بزرگ 13.7 میلیارد سال پیش آغاز شد و از آن زمان تاکنون در حال انبساط و سرد شدن بوده است. این از یک مخلوط بی شکل از ذرات بنیادی به یک فضای مدرن بسیار ساختار یافته تکامل یافته است.
• اولین میکروثانیه دوره تعیین‌کننده‌ای بود که ماده شروع به تسلط بر پادماده کرد، ساختار کهکشان‌های آینده و خوشه‌های آنها متولد شد و ماده تاریک پدید آمد - ماده ناشناخته‌ای که این ساختار را نگه می‌دارد.
• آینده جهان توسط انرژی تاریک تعیین می شود، شکل ناشناخته ای از انرژی که مسئول شتاب انبساط کیهانی است که چندین میلیارد سال پیش آغاز شده است.

جهان در حال گسترش

در سال 1924 با استفاده از تلسکوپ 100 اینچی هوکر رصدخانه مونت ویلسون، ادوین هابل کشف کرد که سحابی های فازی که برای چندین قرن مرموز باقی مانده بودند، همان کهکشان های ما هستند. بنابراین، هابل درک ما از جهان را 100 میلیارد افزایش داد! چند سال بعد، او ثابت کرد که کهکشان ها از یکدیگر دور می شوند و از یک الگوی ریاضی پیروی می کنند که اکنون به نام قانون هابل شناخته می شود: هر چه کهکشان جلوتر باشد، سریعتر حرکت می کند. از این قانون است که انفجار بزرگ 13.7 میلیارد سال پیش بود.

گسترش فضا
تکامل کیهان در نتیجه انبساط فضا رخ می دهد. همانطور که فضا مانند پوشش یک بالون منبسط می شود، کهکشان ها از یکدیگر دور می شوند و امواج نور طولانی می شوند (قرمز می شوند).

در چارچوب نسبیت عام، قانون هابل به صورت زیر تفسیر می شود: فضا خود منبسط می شود و کهکشان ها با آن حرکت می کنند (شکل بالا). نور نیز کشیده می‌شود و یک انتقال به سرخ را تجربه می‌کند، به این معنی که انرژی خود را از دست می‌دهد، بنابراین جهان با انبساط سرد می‌شود. انبساط کیهانی به درک چگونگی شکل گیری جهان مدرن کمک می کند. اگر ذهنی به گذشته عجله کنید، جهان متراکم تر، داغ تر، غیر معمول تر و ساده تر می شود. با نزدیک شدن به همان آغاز، ما با عمیق ترین مکانیسم های طبیعت، با استفاده از شتاب دهنده ای قوی تر از هر شتاب دهنده ای که روی زمین ساخته شده است - خود بیگ بنگ - در تماس هستیم.

ستاره شناسان با نگاه کردن از طریق تلسکوپ به فضا، به معنای واقعی کلمه به گذشته می افتند - و هر چه تلسکوپ بزرگتر باشد، نگاه آنها به عمق بیشتری نفوذ می کند. نوری که از کهکشان‌های دور می‌آید، دوره‌های باستانی را به ما نشان می‌دهد، و انتقال به سرخ آن نشان می‌دهد که کیهان در زمان گذشته چقدر منبسط شده است. رکوردی که در حال حاضر مشاهده شده است در حدود 8 است، به این معنی که این نور زمانی ساطع شد که اندازه کیهان 9 برابر کوچکتر از امروز بود و سن آن تنها چند صد میلیون سال است. ابزارهایی مانند تلسکوپ فضایی هابل و تلسکوپ های ده متری کک در ماونا کیا به راحتی ما را به شکل گیری کهکشان هایی مانند کهکشان ما منتقل می کنند - چندین میلیارد سال پس از انفجار بزرگ. نور مربوط به دوران پیشین به شدت به قرمز منتقل می شود که ستاره شناسان مجبور می شوند آن را در باندهای مادون قرمز و رادیویی دریافت کنند. تلسکوپ های در حال ساخت، مانند تلسکوپ فضایی مادون قرمز 6.5 متری جیمز وب و آرایه میلی متری بزرگ آتاکاما (ALMA)، شبکه ای متشکل از 64 تلسکوپ رادیویی در شمال شیلی، ما را در زمان به عقب به تولد اولین ستاره ها و کهکشان ها می برد. .

شبیه سازی های کامپیوتری نشان می دهد که این ستاره ها و کهکشان ها زمانی پدیدار شدند که کیهان حدود 100 میلیون سال سن داشت. پیش از آن، جهان دوره ای به نام دوران تاریک را پشت سر گذاشت، زمانی که تاریکی کامل بود. فضا با توده ای بی شکل از پنج قسمت ماده تاریک و یک قسمت هیدروژن با هلیوم پر شد که با انبساط کیهان کمیاب شد. چگالی ماده کمی ناهمگن بود و گرانش به عنوان تقویت‌کننده این ناهمگنی‌ها عمل می‌کرد: نواحی چگال‌تر آهسته‌تر از مناطق کم‌چگال منبسط می‌شوند. در زمان 100 میلیون سال، متراکم ترین مناطق نه تنها گسترش خود را کاهش دادند، بلکه حتی شروع به انقباض کردند. هر یک از این مناطق حاوی حدود 1 میلیون جرم خورشیدی از ماده بود. آنها اولین اجرام متصل به گرانش در فضا بودند.

بخش اعظم جرم آنها از ماده تاریک تشکیل شده بود که طبق نامش قادر به گسیل یا جذب نور نیست. بنابراین، ابرهای بسیار گسترده ای را تشکیل داد. از سوی دیگر، هیدروژن و هلیوم با انتشار نور، انرژی خود را از دست دادند و به سمت مرکز هر ابر فرو ریختند. در نهایت آنقدر کوچک شدند که تبدیل به ستاره شدند. این اجرام اولیه بسیار پرجرم تر از نمونه های مدرن بودند - صدها جرم خورشیدی. آنها با زندگی بسیار کوتاهی منفجر شدند و اولین عناصر سنگین را به فضا پرتاب کردند. چند میلیارد سال بعد، این ابرها با جرم میلیون‌ها جرم خورشیدی تحت تأثیر گرانش در اولین کهکشان‌ها دسته‌بندی شدند.

تشعشع از اولین ابرهای هیدروژنی، که به دلیل انبساط یک انتقال شدید به قرمز را تجربه کردند، با استفاده از مجتمع های عظیم آنتن های رادیویی با مساحت کل دریافتی در حدود یک کیلومتر مربع قابل تشخیص بودند. هنگامی که این تلسکوپ های رادیویی ایجاد شوند، مشخص خواهد شد که چگونه اولین نسل از ستارگان و کهکشان ها هیدروژن را یونیزه کردند و در نتیجه به دوران تاریکی پایان دادند. (نگاه کنید به: A. Loeb Dark Ages of the Universe // VMN، شماره 3، 2007).

درخشش ضعیف یک شروع داغ

در پشت دوران تاریک، درخشش انفجار بزرگ داغ در یک انتقال به سرخ ۱۱۰۰ قابل توجه است. این تشعشع اولیه قابل مشاهده (قرمز نارنجی)، به دلیل انتقال به سرخ، حتی به مادون قرمز هم تبدیل نشد، بلکه تبدیل به مایکروویو شد. با نگاهی به آن دوران، تنها دیواری از تشعشعات مایکروویو را می بینیم که کل آسمان را پر می کند - تابش پس زمینه مایکروویو کیهانی که در سال 1964 توسط آرنو پنزیاس و رابرت ویلسون کشف شد. این انعکاس ضعیفی از کیهان است که 380 هزار سال در دوران کودکی خود بود، در دوران تشکیل اتم ها. قبل از آن، مخلوط تقریباً همگنی از هسته اتم، الکترون و فوتون بود. هنگامی که جهان تا دمای 3000 کلوین سرد شد، هسته ها و الکترون ها شروع به ترکیب شدن به اتم کردند. فوتون ها از پراکندگی روی الکترون ها متوقف شدند و شروع به حرکت آزادانه در فضا کردند و نشان دادند که کیهان مدت ها قبل از تولد ستارگان و کهکشان ها چگونه بوده است.

در سال 1992، ماهواره کاوشگر پس زمینه کیهانی (COBE) ناسا متوجه شد که شدت این تابش اندکی تغییر کرده است - حدود 0.001٪، که نشان دهنده ناهمگنی جزئی در توزیع ماده است. درجه ناهمگنی اولیه برای تراکم کوچک کافی بود تا به یک "دانه" برای کهکشان های آینده و خوشه های آنها تبدیل شود، که بعداً تحت تأثیر گرانش رشد کردند. توزیع ناهمگونی‌های تابش پس‌زمینه در سراسر آسمان، ویژگی‌های مهم کیهان را نشان می‌دهد: میانگین چگالی و ترکیب آن، و اولین مراحل تکامل آن. مطالعه دقیق این ناهمگونی ها چیزهای زیادی در مورد جهان به ما گفته است.

تشعشعات پس‌زمینه مایکروویو کیهانی تصویری از کیهان در مراحل اولیه 380 هزار ساله‌اش است. تغییرات ضعیف در شدت این تابش (که در رنگ مشخص شده است) به عنوان سنگ روزتا کیهانی عمل می کند که سرنخی از اسرار جهان - سن، چگالی، ترکیب و هندسه آن ارائه می دهد..

میدان فوق عمیق هابل، حساس ترین تصویر فضایی که تا کنون گرفته شده است، که بیش از 1000 کهکشان را در مراحل اولیه شکل گیری خود ثبت کرده است.

با حرکت از این نقطه به آغاز تکامل کیهان، خواهیم دید که چگونه پلاسمای اولیه داغ تر و متراکم تر می شود. تا سن حدود 100 هزار سال، چگالی انرژی تشعشع بیشتر از ماده بود که ماده را از تکه تکه شدن حفظ می کرد. و در آن لحظه، خوشه بندی گرانشی تمام ساختارهای مشاهده شده در کیهان اکنون آغاز شد. حتی نزدیک‌تر به آغاز، زمانی که سن کیهان کمتر از یک ثانیه بود، هیچ هسته اتمی وجود نداشت، بلکه فقط اجزای آنها - پروتون‌ها و نوترون‌ها - وجود داشت. هسته‌ها زمانی پدید آمدند که کیهان چند ثانیه‌ای عمر کرد و دما و چگالی برای واکنش‌های هسته‌ای مناسب شد. در این هسته‌سازی بیگ بنگ، فقط عناصر شیمیایی سبک متولد شدند: مقدار زیادی هلیوم (حدود 25 درصد جرم کل اتم‌های جهان) و کمی لیتیوم، دوتریوم و هلیوم-3. بقیه پلاسما (حدود 75 درصد) به شکل پروتون باقی ماند که در نهایت به اتم هیدروژن تبدیل شد. همه عناصر دیگر جدول تناوبی میلیاردها سال بعد در روده ستارگان و در هنگام انفجار آنها متولد شدند.

جهان عمدتاً از انرژی تاریک و ماده تاریک تشکیل شده است. ماهیت هر دو ناشناخته است. ماده مشترکی که از آن ستارگان، سیارات و گاز بین ستاره ای تشکیل شده اند، تنها کسر کوچکی است.

نظریه نوکلئوسنتز به طور دقیق فراوانی عناصر و ایزوتوپ‌های اندازه‌گیری شده در باستانی‌ترین اجرام جهان - در قدیمی‌ترین ستاره‌ها و ابرهای گازی با یک انتقال بزرگ به سرخ را پیش‌بینی می‌کند. محتوای دوتریوم که به چگالی متوسط ​​اتم ها در جهان بسیار حساس است، نقش ویژه ای ایفا می کند: مقدار اندازه گیری شده آن نشان می دهد که ماده معمولی (4.5 ± 0.1)٪ از چگالی انرژی کل است. بقیه ماده تاریک و انرژی تاریک است. این دقیقاً مطابق با داده های ترکیبی به دست آمده از تجزیه و تحلیل تابش پس زمینه است. این همسویی یک دستاورد فوق العاده است. از این گذشته ، اینها دو بعد کاملاً متفاوت هستند: اولی مبتنی بر فیزیک هسته ای است و به جهان در سن 1 ثانیه اشاره دارد و دومی - در مورد فیزیک اتمی و ویژگی های جهان در سن 380 هزار سال. سازگاری آنها نه تنها برای مدل های ما از تکامل فضا، بلکه برای تمام فیزیک مدرن آزمایش مهمی است.

پاسخ در سوپ کوارک

تا سن یک میکروثانیه، حتی پروتون و نوترون هم وجود نداشت. جهان مانند سوپ عناصر اصلی طبیعت بود: کوارک ها، لپتون ها و حامل های نیرو (فوتون ها، بوزون های W و Z و گلوئون ها). ما مطمئن هستیم که این "سوپ با کوارک ها" واقعا وجود داشته است، زیرا شرایط فیزیکی آن دوران اکنون در آزمایشات در شتاب دهنده های ذرات بازتولید شده است. (نگاه کنید به: Ryordan M., Zeitz U. The first microseconds // VMN, No. 8, 2006).

کیهان شناسان امیدوارند آن دوران را نه با کمک تلسکوپ های بزرگ و تیزبین، بلکه با تکیه بر ایده های عمیق فیزیک ذرات بنیادی مطالعه کنند. ایجاد مدل استاندارد فیزیک ذرات 30 سال پیش منجر به فرضیه های جسورانه ای شد، از جمله نظریه ریسمان، که تلاش می کند ذرات و نیروها به ظاهر نامرتبط را متحد کند. به نوبه خود، این ایده های جدید در کیهان شناسی کاربرد پیدا کردند و به اندازه ایده اصلی انفجار بزرگ مهم شدند. آنها به یک ارتباط عمیق و غیرمنتظره بین عالم کوچک و جهان بزرگ اشاره کردند. شاید به زودی پاسخ سه سوال کلیدی را دریافت کنیم: ماهیت ماده تاریک چیست، دلیل عدم تقارن بین ماده و پادماده چیست و سوپ کوارک توده ای چگونه به وجود آمد.

ظاهرا ماده تاریک در عصر سوپ کوارک اولیه متولد شد. ماهیت ماده تاریک هنوز مشخص نیست، اما وجود آن شکی نیست. کهکشان ما و همه کهکشان‌های دیگر و همچنین خوشه‌های آن‌ها توسط گرانش ماده تاریک نامرئی کنار هم قرار گرفته‌اند. هر چه هست، باید با ماده معمولی برهمکنش ضعیفی داشته باشد، در غیر این صورت به نحوی جدا از گرانش خود را نشان می دهد. تلاش برای توصیف با یک نظریه یکپارچه تمام نیروها و ذرات مشاهده شده در طبیعت منجر به پیش بینی ذرات پایدار یا با عمر طولانی می شود که می توانند ماده تاریک را تشکیل دهند. این ذرات ممکن است یادگاری از دوران سوپ کوارک باشند و برهمکنش بسیار ضعیفی با اتم ها داشته باشند. یک کاندید نوترالینو است، سبک ترین ذره در کلاسی که اخیراً از کپی های عظیم ذرات شناخته شده پیش بینی شده است. نوترالینو باید جرمی بین 100 تا 1000 جرم پروتون داشته باشد، یعنی. باید در آزمایشاتی در برخورد دهنده بزرگ هادرون در سرن در نزدیکی ژنو متولد شود. علاوه بر این، فیزیکدانان در تلاش برای گرفتن این ذرات از فضا (یا محصولات برهمکنش آنها)، آشکارسازهای فوق حساسی را در زیر زمین ایجاد کرده اند و همچنین آنها را روی بالن ها و ماهواره ها پرتاب کرده اند.

دومین نامزد آکسیون است، یک ذره فوق سبک با جرمی حدود یک تریلیون بار کمتر از جرم یک الکترون. وجود آن با تفاوت های ظریف پیش بینی شده توسط مدل استاندارد در رفتار کوارک ها نشان داده می شود. تلاش برای ثبت یک محور بر این واقعیت استوار است که در یک میدان مغناطیسی بسیار قوی می تواند به یک فوتون تبدیل شود. هم نترالینو و هم آکسیون یک خاصیت مهم دارند: فیزیکدانان این ذرات را "سرد" می نامند. با وجود این واقعیت که آنها در دمای بسیار بالا متولد می شوند، به آرامی حرکت می کنند و بنابراین به راحتی در کهکشان ها خوشه می شوند.

احتمالاً راز دیگری در عصر سوپ کوارک اولیه نهفته است: چرا اکنون جهان فقط ماده دارد و تقریباً هیچ پادماده ای ندارد. فیزیکدانان بر این باورند که در ابتدا تعداد آنها مساوی در جهان بود، اما در نقطه ای مقدار کمی از ماده به وجود آمد - حدود یک کوارک اضافی برای هر میلیارد آنتی کوارک. به لطف این عدم تعادل در نابودی کوارک ها با آنتی کوارک ها در طول انبساط و سرد شدن کیهان، کوارک های کافی حفظ شده اند. بیش از 40 سال پیش، آزمایش های شتاب دهنده نشان داد که قوانین فیزیک اندکی به نفع ماده تنظیم شده اند. این ترجیح کوچک در فرآیند برهمکنش ذرات در مراحل اولیه است که منجر به ایجاد کوارک های اضافی شد.

خود سوپ کوارک احتمالاً خیلی زود سرچشمه گرفته است - حدود 10 ^ (- 34) دلار در ثانیه پس از انفجار بزرگ، در انفجاری از گسترش کیهانی به نام تورم. دلیل این موج، انرژی میدان جدیدی بود که یادآور میدان الکترومغناطیسی است و به آن انفلاتون می‌گویند. این تورم است که باید ویژگی های اساسی کیهان مانند همگنی کلی و نوسانات کوچک در چگالی آن را توضیح دهد که باعث پیدایش کهکشان ها و دیگر ساختارهای کیهان شده است. هنگامی که اینفلاتون متلاشی شد، انرژی خود را به کوارک ها و ذرات دیگر منتقل کرد و در نتیجه گرمای انفجار بزرگ و خود سوپ کوارک را ایجاد کرد.

نظریه تورم یک ارتباط عمیق بین کوارک ها و کیهان را نشان می دهد: نوسانات کوانتومی تورم که در سطح زیراتمی وجود داشت، از طریق انبساط سریع به ابعاد اخترفیزیکی رسیده است و به بذر تمام ساختارهای مشاهده شده امروز تبدیل شده است. به عبارت دیگر، تصویر تابش پس‌زمینه مایکروویو در آسمان، تصویری غول‌پیکر از دنیای زیراتمی است. خواص مشاهده شده این تابش با پیش بینی های نظری مطابقت دارد و ثابت می کند که تورم یا چیزی شبیه به آن در اوایل تاریخ کیهان رخ داده است.

تولد کیهان

وقتی کیهان‌شناسان تلاش می‌کنند حتی فراتر رفته و آغاز جهان را درک کنند، قضاوت‌هایشان قطعی‌تر می‌شود. برای یک قرن، نظریه نسبیت عام اینشتین مبنای مطالعه تکامل جهان بود. اما با ستون دیگری از فیزیک مدرن - نظریه کوانتومی - موافق نیست، بنابراین مهمترین کار این است که آنها را با یکدیگر آشتی دهیم. تنها با چنین نظریه یکپارچه ای می توانیم به اولین لحظات تکامل کیهان برویم، به دوران به اصطلاح پلانک با سن 10 $ ^ (- 43) $ ثانیه، زمانی که خود فضا-زمان بود. شکل گرفت.

نسخه های آزمایشی یک نظریه یکپارچه تصاویر شگفت انگیزی از همان لحظات اولیه به ما ارائه می دهند. به عنوان مثال، نظریه ریسمان وجود ابعاد اضافی فضا و احتمالاً حضور جهان‌های دیگر در این ابرفضا را پیش‌بینی می‌کند. آنچه ما بیگ بنگ می نامیم می تواند برخورد جهان ما با جهان دیگری باشد (نگاه کنید به: G. Veneziano اسطوره آغاز زمان // VMN، شماره 8، 2004)... ترکیب نظریه ریسمان با نظریه تورم منجر به بلندپروازانه ترین ایده می شود - به ایده یک جهان چندگانه، متشکل از تعداد نامتناهی از قطعات غیر مرتبط، که هر کدام قوانین فیزیکی خاص خود را دارند. (نگاه کنید به: R. Busso, J. Polchinski. String Theory Landscape // VMN, No. 12, 2004).

ایده یک جهان چندگانه هنوز در حال توسعه است و دو مشکل نظری عمده را هدف قرار می دهد. ابتدا، از معادلات توصیف تورم، چنین برمی‌آید که اگر یک بار اتفاق بیفتد، این فرآیند بارها و بارها اتفاق می‌افتد و تعداد نامتناهی منطقه «نفخ‌شده» را ایجاد می‌کند. آنها به قدری بزرگ هستند که نمی توانند با یکدیگر ارتباط برقرار کنند و بنابراین روی یکدیگر تأثیر نمی گذارند. دوم، نظریه ریسمان نشان می دهد که این مناطق دارای پارامترهای فیزیکی متفاوتی هستند، مانند تعداد ابعاد فضایی و خانواده ذرات پایدار.

مفهوم جهان چندگانه به ما این امکان را می دهد که نگاهی تازه به دو مورد از پیچیده ترین مسائل علمی بیندازیم: قبل از انفجار بزرگ چه اتفاقی افتاده است و چرا قوانین فیزیک دقیقاً چنین هستند؟ (سوال انیشتین، "آیا خدا انتخابی داشت؟" دقیقاً به چنین قوانینی مربوط می شود.) جهان جمعی این سوال را که قبل از بیگ بنگ چه اتفاقی افتاده را بی معنی می کند، زیرا تعداد بی نهایت بیگ بنگ وجود داشته است و هر یک موج خود را ایجاد کرده است. در تورم سوال انیشتین نیز معنای خود را از دست می دهد: در تعداد بی نهایت جهان، همه نسخه های ممکن از قوانین فیزیک تحقق می یابد، بنابراین قوانین حاکم بر جهان ما چیز خاصی نیستند.

کیهان شناسان در مورد ایده یک جهان چندگانه دوگانه هستند. اگر واقعاً هیچ ارتباطی بین زیرجهان های جداگانه وجود نداشته باشد، نمی توانیم از وجود آنها مطمئن باشیم. در واقع، آنها فراتر از دانش علمی هستند. بخشی از من می خواهد فریاد بزند، "لطفا، بیش از یک جهان!" اما از سوی دیگر، ایده یک جهان چندگانه تعدادی از مشکلات اساسی را حل می کند. اگر درست باشد، پس انبساط هابل جهان تنها 100 میلیارد برابر و اخراج کوپرنیکی زمین از مرکز کیهان در قرن شانزدهم است. به نظر می رسد فقط یک افزوده کوچک به آگاهی ما از مکان خود در فضا است.

در تاریکی

مهمترین عنصر درک مدرن از جهان و بزرگترین رمز و راز آن، انرژی تاریک است، شکلی از انرژی که اخیراً کشف شده و عمیقاً اسرارآمیز است و باعث شتاب انبساط کیهانی می شود. انرژی تاریک چندین میلیارد سال پیش از ماده خارج شد. قبل از این، انبساط به دلیل کشش گرانشی ماده کاهش یافته بود و گرانش قادر به ایجاد ساختارهایی از کهکشان ها تا ابرخوشه ها بود. اکنون، به دلیل تأثیر انرژی تاریک، ساختارهایی بزرگتر از ابرخوشه ها نمی توانند تشکیل شوند. و اگر انرژی تاریک حتی زودتر برنده شده بود - مثلاً زمانی که جهان فقط 100 میلیون سال سن داشت - تشکیل ساختارها قبل از ظهور کهکشان ها متوقف می شد و ما اینجا نبودیم.

کیهان شناسان هنوز تصور بسیار مبهمی از چیستی این انرژی تاریک دارند. برای شتاب گرفتن انبساط، نیروی دافعه مورد نیاز است. نظریه نسبیت عام انیشتین نشان می دهد که گرانش یک شکل بسیار کشسان انرژی در واقع می تواند باعث دافعه شود. انرژی کوانتومی که فضای خالی را پر می کند این کار را انجام می دهد. اما مشکل این است که برآوردهای نظری چگالی انرژی کوانتومی با الزامات مشاهده سازگار نیست. در واقع، تعداد آنها به مراتب از آنها بیشتر است. احتمال دیگر: شتاب کیهانی را می توان نه با شکل جدیدی از انرژی، بلکه با چیزی که از این انرژی تقلید می کند، کنترل کرد، مثلاً اشتباه نظریه نسبیت عام یا تأثیر ابعاد فضایی نامرئی. (نگاه کنید به: L. Cross، M. Turner The Cosmic Riddle // VMN، شماره 12، 2004).

اگر جهان با سرعت فعلی خود به شتاب خود ادامه دهد، در 30 میلیارد سال تمام نشانه های انفجار بزرگ ناپدید خواهند شد. (نگاه کنید به: L. Cross، R. Scherrer آیا پایان کیهان شناسی فرا خواهد رسید؟ // VMN، شماره 6، 2008)... همه کهکشان‌ها به استثنای چند کهکشان در نزدیکی آن‌ها انتقال به سرخ بزرگی را تجربه می‌کنند که نامرئی می‌شوند. دمای تابش پس زمینه کیهانی کمتر از حساسیت ابزارها خواهد بود. با انجام این کار، کیهان شبیه چیزی خواهد بود که ستاره شناسان 100 سال پیش تصور می کردند، قبل از اینکه ابزار آنها به اندازه کافی قدرتمند شود تا جهان امروزی را ببینیم.

کیهان شناسی مدرن اساساً ما را تحقیر می کند. ما از پروتون‌ها، نوترون‌ها و الکترون‌ها تشکیل شده‌ایم که روی هم فقط 4.5 درصد از جهان را تشکیل می‌دهند. ما فقط به لطف ظریف ترین ارتباطات بین کوچکترین و بزرگترین وجود داریم. قوانین میکروفیزیک تسلط ماده بر ضد ماده، ظهور نوساناتی که به دانه کهکشان ها تبدیل شدند، پر شدن فضا با ذرات ماده تاریک را تضمین می کرد، که زیرساخت گرانشی را فراهم می کرد که به کهکشان ها اجازه می داد قبل از غالب شدن انرژی تاریک و شروع انبساط شکل بگیرند. تسریع (درج در بالا). در عین حال، کیهان شناسی ذاتاً متکبرانه است. این ایده که ما می توانیم چیزی را در چنین اقیانوس وسیعی از فضا و زمان درک کنیم، مانند جهان ما، در نگاه اول پوچ به نظر می رسد. این مخلوط عجیب تواضع و اعتماد به نفس به ما در طول قرن گذشته اجازه داده است تا در درک ساختار جهان مدرن و تکامل آن بسیار پیشرفت کنیم. من با خوش بینی منتظر پیشرفت بیشتر در سال های آینده هستم و کاملاً مطمئن هستم که در عصر طلایی کیهان شناسی زندگی می کنیم.

اگر انرژی تاریک حتی بیشتر در جهان وجود داشت، بدون ساختارهای بزرگی که می‌بینیم (راست) تقریباً بدون شکل (سمت چپ) باقی می‌ماند.

ترجمه: V.G. سوردین

ادبیات اضافی

• کیهان اولیه. ادوارد دبلیو کولب و مایکل اس ترنر. مطبوعات Westview، 1994.
• کیهان تورمی آلن گوث. پایه، 1998.
• کوارک ها و کیهان مایکل اس. ترنر در علم، جلد. 315، صفحات 59-61; 5 ژانویه 2007.
• تاریک Tnergy و جهان شتاب دهنده. جاشوا فریمن، مایکل اس. ترنر و دراگان هوترر در بررسی سالانه نجوم و اخترفیزیک، جلد. 46، صفحات 385-432; 2008. موجود آنلاین: arxiv.org.
• Cherepashchuk A.M., Chernin A.D. افق های کیهان. نووسیبیرسک: انتشارات SB RAS، 2005.

مایکل اس ترنر پیشگام اتحاد فیزیک ذرات، اخترفیزیک و کیهان شناسی بود و کار آکادمی ملی را در این حوزه جدید تحقیقاتی در اوایل این دهه رهبری کرد. او استاد مؤسسه فیزیک کیهان‌شناسی بنیاد کاولی در دانشگاه شیکاگو است. او از سال 2003 تا 2006 ریاست بخش فیزیک و ریاضیات بنیاد ملی علوم را بر عهده داشت. از جوایز او می توان به جایزه وارنر انجمن نجوم آمریکا، جایزه لیلینفلد انجمن فیزیک آمریکا و جایزه کلوپشتگ انجمن معلمان فیزیک آمریکا اشاره کرد.

ذرات میکروسکوپی که دید انسان فقط با میکروسکوپ می تواند آنها را ببیند و همچنین سیارات عظیم و خوشه های ستارگان، مردم را شگفت زده می کند. از زمان های قدیم، اجداد ما سعی کرده اند اصول تشکیل کیهان را درک کنند، اما حتی در دنیای مدرن هنوز پاسخ دقیقی برای این سوال وجود ندارد که "جهان چگونه شکل گرفته است". شاید ذهن انسان قادر به یافتن راه حلی برای چنین مشکل جهانی نباشد؟

دانشمندان دوره های مختلف از سراسر زمین سعی کردند این راز را درک کنند. تمام توضیحات نظری مبتنی بر فرضیات و محاسبات است. فرضیه های متعددی که توسط دانشمندان ارائه شده است برای ایجاد ایده ای از جهان و توضیح ظهور ساختار در مقیاس بزرگ آن، عناصر شیمیایی و توصیف گاهشماری منشاء طراحی شده است.

نظریه ریسمان

تا حدی انفجار بزرگ را به عنوان لحظه اولیه ظهور عناصر فضای بیرونی رد می کند. به گفته کیهان همیشه وجود داشته است. این فرضیه برهمکنش و ساختار ماده را توصیف می کند، جایی که مجموعه خاصی از ذرات وجود دارد که به کوارک ها، بوزون ها و لپتون ها تقسیم می شوند. به زبان ساده، این عناصر اساس جهان هستند، زیرا اندازه آنها به قدری کوچک است که تقسیم به اجزای دیگر غیرممکن شده است.

یکی از ویژگی های بارز نظریه چگونگی شکل گیری جهان، ادعای ذرات فوق الذکر است که رشته های فوق میکروسکوپی هستند که دائماً در حال ارتعاش هستند. به طور جداگانه، آنها هیچ شکل مادی ندارند، زیرا انرژی هستند که با هم تمام عناصر فیزیکی کیهان را ایجاد می کنند. یک مثال در این حالت آتش است: وقتی به آن نگاه می کنیم، به نظر می رسد که ماده است، اما نامشهود است.

بیگ بنگ - اولین فرضیه علمی

نویسنده این فرض، ستاره شناس ادوین هابل بود که در سال 1929 متوجه شد که کهکشان ها به تدریج از یکدیگر دور می شوند. این نظریه بیان می کند که جهان بزرگ کنونی از ذره ای سرچشمه گرفته است که اندازه میکروسکوپی دارد. عناصر آینده کیهان در حالتی منفرد قرار داشتند که در آن به دست آوردن اطلاعات در مورد فشار، دما یا چگالی غیرممکن بود. قوانین فیزیک در چنین شرایطی بر انرژی و ماده تأثیر نمی گذارد.

علت بیگ بنگ بی ثباتی است که در داخل ذره به وجود آمده است. نوعی زباله که در فضا پخش می شود، یک سحابی را تشکیل می دهد. با گذشت زمان، این عناصر کوچک اتم هایی را تشکیل دادند که از آن کهکشان ها، ستارگان و سیارات کیهان به شکلی که امروزه می شناسیم پدید آمدند.

تورم کیهانی

این نظریه در مورد تولد کیهان بیان می کند که جهان مدرن در ابتدا در یک نقطه بینهایت کوچک در حالت تکینگی قرار داشت که با سرعتی باورنکردنی شروع به گسترش کرد. پس از مدت زمان بسیار کوتاهی، افزایش آن از سرعت نور فراتر رفت. این فرآیند «تورم» نام گرفت.

وظیفه اصلی این فرضیه توضیح چگونگی شکل گیری جهان نیست، بلکه دلایل انبساط آن و مفهوم تکینگی کیهانی است. در نتیجه کار بر روی این نظریه، مشخص شد که تنها محاسبات و نتایج مبتنی بر روش های نظری برای حل این مشکل قابل اجرا هستند.

آفرینش گرایی

این نظریه تا پایان قرن نوزدهم برای مدت طولانی حاکم بود. بر اساس خلقت گرایی، جهان ارگانیک، بشریت، زمین و جهان بزرگتر به عنوان یک کل توسط خداوند خلق شده اند. این فرضیه در میان دانشمندانی ایجاد شد که مسیحیت را به عنوان توضیحی برای تاریخ جهان رد نکردند.

آفرینش گرایی دشمن اصلی تکامل است. تمام طبیعت آفریده شده توسط خداوند در شش روز که هر روز آن را می بینیم در اصل این گونه بوده و تا به امروز بدون تغییر باقی مانده است. یعنی خودسازی به عنوان چنین چیزی وجود نداشت.

در آغاز قرن بیستم، شتاب انباشت دانش در زمینه های فیزیک، نجوم، ریاضیات و زیست شناسی آغاز می شود. با کمک اطلاعات جدید، دانشمندان تلاش های مکرری را برای توضیح چگونگی شکل گیری جهان انجام می دهند و در نتیجه خلقت گرایی را به پس زمینه می اندازند. در دنیای مدرن، این نظریه به شکل یک جنبش فلسفی متشکل از دین به عنوان اساس، و همچنین اسطوره ها، حقایق و حتی دانش علمی است.

اصل آنتروپیک استیون هاوکینگ

فرضیه او را می توان در چند کلمه توصیف کرد: هیچ رویداد تصادفی وجود ندارد. زمین ما امروز بیش از 40 ویژگی دارد که بدون آنها حیات در این سیاره وجود نداشت.

اخترفیزیکدان آمریکایی، اچ راس، احتمال رخدادهای تصادفی را تخمین زد. در نتیجه، دانشمند رقم 10 را با درجه 53- دریافت کرد (اگر آخرین رقم کمتر از 40 باشد، شانس غیرممکن در نظر گرفته می شود).

جهان قابل مشاهده شامل یک تریلیون کهکشان است و هر یک از آنها تقریباً 100 میلیارد ستاره دارد. بر این اساس تعداد سیارات کیهان 10 به توان بیستم است که 33 مرتبه قدر کمتر از محاسبه قبلی است. در نتیجه، در کل فضا هیچ مکان منحصر به فردی با شرایطی مانند روی زمین وجود ندارد که امکان ظهور خود به خود حیات را فراهم کند.

عظمت و تنوع دنیای اطراف می تواند هر تصوری را شگفت زده کند. همه اشیاء و اشیاء اطراف یک شخص، افراد دیگر، انواع مختلف گیاهان و حیوانات، ذراتی که فقط با میکروسکوپ قابل مشاهده هستند، و همچنین خوشه های ستاره ای غیرقابل درک: همه آنها با مفهوم "کیهان" متحد شده اند.

نظریه های منشأ جهان برای مدت طولانی توسط انسان ایجاد شده است. علیرغم فقدان حتی یک مفهوم اولیه از دین یا علم، در ذهن کنجکاو مردم باستان سؤالاتی در مورد اصول نظم جهانی و در مورد موقعیت یک شخص در فضایی که او را احاطه کرده است مطرح می شد. امروزه تعداد تئوری های منشأ جهان وجود دارد ، شمارش دشوار است ، برخی از آنها توسط دانشمندان برجسته جهان مورد مطالعه قرار می گیرند ، برخی دیگر صراحتاً خارق العاده هستند.

کیهان شناسی و موضوع آن

کیهان شناسی مدرن - علم ساختار و توسعه کیهان - مسئله منشأ آن را یکی از جالب ترین اسرار می داند که هنوز به اندازه کافی مطالعه نشده است. ماهیت فرآیندهایی که به ظهور ستارگان، کهکشان ها، منظومه های خورشیدی و سیارات، توسعه آنها، منبع ظهور کیهان، و همچنین اندازه و مرزهای آن کمک کردند: همه اینها فقط یک لیست کوتاه از مسائل مورد مطالعه است. توسط دانشمندان مدرن

جستجوی پاسخ برای معمای اساسی در مورد شکل گیری جهان به این واقعیت منجر شده است که امروزه نظریه های مختلفی در مورد منشاء، وجود، توسعه جهان وجود دارد. هیجان متخصصانی که به دنبال پاسخ، ساختن و آزمایش فرضیه ها هستند، موجه است، زیرا یک نظریه قابل اعتماد در مورد تولد کیهان، احتمال وجود حیات در منظومه ها و سیارات دیگر را برای همه بشر آشکار خواهد کرد.

نظریه‌های منشأ جهان دارای ویژگی‌های علمی، فرضیات فردی، آموزه‌های دینی، اندیشه‌های فلسفی و اسطوره‌ها هستند. همه آنها به طور مشروط به دو دسته اصلی تقسیم می شوند:

1. نظریه هایی که بر اساس آن جهان توسط یک خالق خلق شده است. به عبارت دیگر، ماهیت آنها این است که فرآیند ایجاد جهان یک عمل آگاهانه و معنوی، تجلی اراده بود.
2. نظریه های منشأ جهان، بر اساس عوامل علمی ساخته شده است. فرضیه های آنها به طور قاطعانه هم وجود خالق و هم امکان آفرینش آگاهانه جهان را رد می کند. این گونه فرضیه ها اغلب بر اساس چیزی است که اصل حد وسط نامیده می شود. آنها احتمال وجود حیات را نه تنها در سیاره ما، بلکه در سایرین نیز فرض می کنند.

آفرینش گرایی - نظریه خلقت جهان توسط خالق

همانطور که از نام آن پیداست، آفرینش گرایی (آفرینش) یک نظریه دینی در مورد منشأ جهان است. این جهان بینی مبتنی بر مفهوم خلقت جهان، سیاره و انسان توسط خداوند یا خالق است.

این ایده برای مدت طولانی تا پایان قرن نوزدهم غالب بود، زمانی که روند انباشت دانش در زمینه های مختلف علوم (زیست شناسی، نجوم، فیزیک) شتاب گرفت و نظریه تکاملی فراگیر شد. آفرینش گرایی به نوعی واکنش مسیحیان تبدیل شده است که به دیدگاه های محافظه کارانه در مورد اکتشافات انجام شده پایبند هستند. ایده غالب در آن زمان تنها تضادهای موجود بین نظریه های دینی و نظریه های دیگر را تشدید می کرد.

تفاوت نظریات علمی و دینی

تفاوت‌های اصلی بین نظریه‌های دسته‌بندی‌های مختلف، عمدتاً در اصطلاحات مورد استفاده طرفداران آنها نهفته است. پس در فرضیه های علمی به جای خالق - طبیعت و به جای خلق - مبدأ. در کنار این، سؤالاتی وجود دارد که به روشی مشابه توسط نظریه های مختلف پوشش داده می شود یا حتی کاملاً تکراری است.

نظریات مبدأ جهان، متعلق به مقوله های متضاد، تاریخ ظهور آن را متفاوت می دانند. به عنوان مثال، بر اساس رایج ترین فرضیه (نظریه انفجار بزرگ)، جهان حدود 13 میلیارد سال پیش شکل گرفته است.

در مقابل، نظریه دینی مبدأ جهان اعداد کاملاً متفاوتی را ارائه می دهد:

• بر اساس منابع مسیحی، سن جهان ایجاد شده توسط خداوند در زمان تولد عیسی مسیح 3483-6984 سال بوده است.
• هندوئیسم نشان می دهد که جهان ما تقریباً 155 تریلیون سال قدمت دارد.

کانت و مدل کیهانی او

تا قرن بیستم، اکثر دانشمندان بر این عقیده بودند که جهان بی نهایت است. آنها با این کیفیت زمان و مکان را مشخص کردند. علاوه بر این، به نظر آنها، جهان ایستا و همگن بود.

ایده بی نهایت بودن کیهان در فضا توسط اسحاق نیوتن مطرح شد. توسعه این فرض درگیر بود، که نظریه ای در مورد عدم وجود مرزهای زمانی نیز ایجاد کرد. در ادامه، در مفروضات نظری، کانت بی نهایت جهان را به تعداد محصولات بیولوژیکی ممکن گسترش داد. این فرض به این معنی است که در شرایط یک دنیای باستانی و وسیع بدون پایان و آغاز، تعداد بی شماری از گزینه های ممکن می تواند وجود داشته باشد که در نتیجه ظهور هر گونه زیستی واقعی است.

بر اساس ظهور احتمالی اشکال حیات، نظریه داروین بعدها توسعه یافت. مشاهدات آسمان پرستاره و نتایج محاسبات اخترشناسان مدل کیهانی کانت را تایید کرد.

بازتاب های اینشتین

در آغاز قرن بیستم، آلبرت انیشتین مدل خود را از جهان منتشر کرد. بر اساس نظریه نسبیت او، دو فرآیند متضاد به طور همزمان در جهان رخ می دهد: انبساط و انقباض. با این حال، او با نظر اکثر دانشمندان در مورد ایستایی کیهان موافق بود، بنابراین مفهوم نیروی دافعه کیهانی را مطرح کرد. اثر آن برای متعادل کردن جاذبه ستارگان و متوقف کردن روند حرکت همه اجرام آسمانی به منظور حفظ ماهیت ایستا کیهان طراحی شده است.

مدل جهان - به گفته اینشتین - اندازه خاصی دارد، اما هیچ مرزی وجود ندارد. این ترکیب تنها زمانی امکان پذیر است که فضا به همان شکلی که در یک کره اتفاق می افتد منحنی باشد.

ویژگی های فضای چنین مدلی عبارتند از:

• سه بعدی بودن.
• خود بسته شدن
• یکنواختی (عدم مرکز و لبه) که کهکشان ها به طور مساوی در آن قرار دارند.

A. A. Fridman: جهان در حال انبساط است

خالق مدل انقلابی در حال انبساط جهان، A. A. Fridman (اتحادیه شوروی) نظریه خود را بر اساس معادلات مشخص کننده نظریه نسبیت عام ساخته است. درست است، نظر عموماً پذیرفته شده در دنیای علمی آن زمان، ماهیت ایستا دنیای ما بود، بنابراین توجه لازم به کار او نشد.

چند سال بعد، ستاره شناس ادوین هابل کشفی کرد که عقاید فریدمن را تایید کرد. فاصله کهکشان ها از کهکشان راه شیری کشف شد. در عین حال، این واقعیت که سرعت حرکت آنها متناسب با فاصله بین آنها و کهکشان ما است، غیرقابل انکار شده است.

این کشف «پراکندگی» دائمی ستارگان و کهکشان ها را در رابطه با یکدیگر توضیح می دهد که منجر به نتیجه گیری در مورد انبساط جهان می شود.

در نهایت، نتیجه گیری فریدمن توسط انیشتین به رسمیت شناخته شد؛ او بعدها از شایستگی های دانشمند شوروی به عنوان بنیانگذار فرضیه انبساط جهان یاد کرد.

نمی توان گفت که تضادهایی بین این نظریه و نظریه نسبیت عام وجود دارد، اما در طول انبساط کیهان، باید یک انگیزه اولیه وجود داشته باشد که پراکندگی ستارگان را برانگیخت. در قیاس با انفجار، این ایده "بیگ بنگ" نامیده می شود.

استیون هاوکینگ و اصل انسان دوستی

نظریه انسان محوری مبدأ جهان نتیجه محاسبات و اکتشافات استیون هاوکینگ بود. خالق آن ادعا می کند که وجود سیاره ای به خوبی آماده برای زندگی انسان نمی تواند تصادفی باشد.

نظریه استیون هاوکینگ در مورد منشاء جهان همچنین تبخیر تدریجی سیاهچاله ها، از دست دادن انرژی آنها و انتشار تشعشعات هاوکینگ را فراهم می کند.

در نتیجه جستجوی شواهد، بیش از 40 ویژگی شناسایی و تأیید شد که رعایت آنها برای توسعه تمدن ضروری است. هیو راس، اخترفیزیکدان آمریکایی، احتمال وقوع چنین تصادفی غیرعمدی را تخمین زد. نتیجه 10 -53 شد.

جهان ما شامل یک تریلیون کهکشان است که هر کدام 100 میلیارد ستاره دارند. طبق محاسبات انجام شده توسط دانشمندان، تعداد کل سیارات باید 1020 باشد. این رقم 33 مرتبه قدر کمتر از محاسبه قبلی است. در نتیجه، هیچ یک از سیارات در همه کهکشان ها نمی توانند شرایطی را که برای ظهور خود به خودی حیات مناسب است، ترکیب کنند.

نظریه بیگ بنگ: پیدایش جهان از یک ذره کوچک

دانشمندانی که از نظریه انفجار بزرگ حمایت می کنند این فرضیه را دارند که جهان نتیجه یک انفجار بزرگ است. فرض اصلی این نظریه این است که قبل از این رویداد، تمام عناصر جهان کنونی در ذره ای با اندازه میکروسکوپی محصور شده بودند. در داخل آن، عناصر با حالتی منفرد مشخص می شدند که در آن شاخص هایی مانند دما، چگالی و فشار قابل اندازه گیری نبودند. آنها بی پایان هستند. ماده و انرژی در این حالت تحت تأثیر قوانین فیزیک قرار نمی گیرند.

آنچه در 15 میلیارد سال پیش رخ داده است، ناپایداری است که در داخل ذره ایجاد شده است. کوچکترین عناصر پراکنده پایه و اساس دنیایی را که امروز می شناسیم ایجاد کردند.

در ابتدا، جهان یک سحابی بود که توسط کوچکترین ذرات (کوچکتر از یک اتم) تشکیل شده بود. سپس، هنگامی که با هم ترکیب شدند، اتم هایی را تشکیل دادند که به عنوان پایه کهکشان های ستاره ای عمل کردند. پاسخ به سؤالاتی در مورد آنچه قبل از انفجار رخ داده است و همچنین آنچه باعث آن شده است، مهمترین وظایف این نظریه مبدأ کیهان است.

جدول به صورت شماتیک مراحل شکل گیری جهان پس از انفجار بزرگ را نشان می دهد.

همانطور که از داده های بالا بر می آید، جهان به انبساط و سرد شدن ادامه می دهد.

افزایش ثابت در فاصله بین کهکشان ها فرض اصلی است: آنچه نظریه انفجار بزرگ را متفاوت می کند. پیدایش کیهان از این طریق را می توان با شواهدی که یافت شد تایید کرد. دلایلی نیز برای رد آن وجود دارد.

مسائل تئوری

با توجه به اینکه نظریه انفجار بزرگ در عمل اثبات نشده است، جای تعجب نیست که چندین سوال وجود دارد که قادر به پاسخگویی به آنها نیست:

1. تکینگی. این کلمه نشان دهنده وضعیت جهان است که در یک نقطه فشرده شده است. مشکل نظریه انفجار بزرگ عدم ​​امکان توصیف فرآیندهای رخ داده در ماده و فضا در چنین حالتی است. قانون نسبیت عام در اینجا قابل اجرا نیست، بنابراین نمی توان یک توصیف ریاضی و معادلات برای مدل سازی ایجاد کرد.
   عدم امکان اساسی دستیابی به پاسخ به سؤال وضعیت اولیه جهان، این نظریه را از همان ابتدا بی اعتبار می کند. نمایشگاه‌های علمی رایج او ترجیح می‌دهند که این پیچیدگی را نادیده بگیرند یا به آن اشاره کنند. با این حال، برای دانشمندانی که برای ارائه یک مبنای ریاضی برای نظریه انفجار بزرگ تلاش می کنند، این مشکل به عنوان یک مانع بزرگ شناخته می شود.
2. ستاره شناسی. در این زمینه، نظریه انفجار بزرگ با این واقعیت مواجه است که نمی تواند روند پیدایش کهکشان ها را توصیف کند. بر اساس نسخه های مدرن نظریه ها، می توان پیش بینی کرد که چگونه یک ابر گازی همگن ظاهر می شود. علاوه بر این، چگالی آن در زمان حاضر باید حدود یک اتم بر متر مکعب باشد. برای بدست آوردن چیزی بیشتر، نمی توان بدون تنظیم وضعیت اولیه کیهان انجام داد. فقدان اطلاعات و تجربه عملی در این زمینه به موانع جدی برای مدل سازی بیشتر تبدیل می شود.

همچنین در شاخص‌های جرم محاسبه‌شده کهکشان ما و داده‌هایی که هنگام مطالعه سرعت جذب آن به‌دست آمده‌اند، اختلاف وجود دارد.

کیهان شناسی و فیزیک کوانتومی

امروزه هیچ نظریه کیهان شناسی وجود ندارد که بر مکانیک کوانتومی تکیه نداشته باشد. از این گذشته، به توصیف رفتار اتمی می پردازد و تفاوت بین فیزیک کوانتومی و کلاسیک (طراحی شده توسط نیوتن) این است که دومی اشیاء مادی را مشاهده و توصیف می کند، و اولی یک توصیف منحصراً ریاضی از مشاهده و اندازه گیری را فرض می کند. خود برای فیزیک کوانتومی، ارزش های مادی موضوع تحقیق نیستند، در اینجا خود ناظر به عنوان بخشی از وضعیت مورد مطالعه عمل می کند.

بر اساس این ویژگی ها، مکانیک کوانتومی در توصیف کیهان مشکل دارد، زیرا ناظر بخشی از کیهان است. با این حال، با صحبت در مورد ظهور جهان، تصور ناظران خارجی غیرممکن است. تلاش برای توسعه یک مدل بدون مشارکت ناظر خارجی با نظریه کوانتومی منشاء جهان توسط جی. ویلر تاج گذاری شد.

ماهیت آن این است که در هر لحظه از زمان جهان شکافته می شود و تعداد بی نهایت کپی تشکیل می شود. در نتیجه، هر یک از جهان های موازی را می توان مشاهده کرد و ناظران می توانند همه جایگزین های کوانتومی را ببینند. علاوه بر این، دنیای اصلی و جدید واقعی هستند.

مدل تورمی

وظیفه اصلی که نظریه تورم برای حل آن طراحی شده است، یافتن پاسخی برای سؤالاتی است که توسط نظریه انفجار بزرگ و نظریه انبساط کشف نشده است. برای مثال:

1. چرا جهان در حال انبساط است؟
2. بیگ بنگ چیست؟

برای این منظور، نظریه تورمی مبدأ کیهان، برون یابی انبساط تا نقطه صفر در زمان، محصور شدن کل جرم کیهان در یک نقطه و تشکیل یک تکینگی کیهانی را فراهم می کند، که اغلب به این صورت است. به نام انفجار بزرگ

بی ربط بودن نظریه نسبیت عام آشکار می شود که در حال حاضر قابل اعمال نیست. در نتیجه، تنها روش‌های نظری، محاسبات و نتیجه‌گیری را می‌توان برای توسعه یک نظریه عمومی‌تر (یا «فیزیک جدید») و حل مشکل تکینگی کیهانی به کار برد.

نظریه های جایگزین جدید

با وجود موفقیت مدل تورم کیهانی، دانشمندانی هستند که با آن مخالف هستند و آن را غیرقابل دفاع می‌دانند. بحث اصلی آنها انتقاد از راه حل های ارائه شده توسط نظریه است. مخالفان استدلال می‌کنند که راه‌حل‌های به‌دست‌آمده برخی از جزئیات را از دست می‌دهند، به عبارت دیگر، به‌جای حل مشکل مقادیر اولیه، نظریه فقط به طرز ماهرانه‌ای آنها را پوشش می‌دهد.

چندین نظریه عجیب و غریب در حال تبدیل شدن به یک جایگزین هستند که ایده آن بر اساس شکل گیری مقادیر اولیه قبل از انفجار بزرگ است. نظریه های جدید منشأ جهان را می توان به طور خلاصه به شرح زیر توصیف کرد:

• نظریه ریسمان. طرفداران آن، علاوه بر چهار بعد معمول مکان و زمان، پیشنهاد می کنند که ابعاد دیگری نیز معرفی کنند. آنها می توانند در مراحل اولیه کیهان نقش داشته باشند و در حال حاضر در حالت فشرده باشند. دانشمندان در پاسخ به این سؤال که دلیل فشرده شدن آنها چیست، پاسخی ارائه می دهند که مشخص می کند ویژگی ابررشته ها T-duality است. بنابراین، رشته ها در ابعاد اضافی "زخم" می شوند و اندازه آنها محدود است.
• نظریه سبوس. به آن نظریه M نیز می گویند. مطابق با فرضیه های آن، در ابتدای شکل گیری کیهان، فضا-زمان پنج بعدی ایستا سرد وجود دارد. چهار مورد از آنها (فضایی) دارای محدودیت هستند یا دیوارها سه بره هستند. فضای ما یکی از دیوارهاست و دومی پنهان. سه بران سوم در فضای چهار بعدی قرار می گیرد که توسط دو بران مرزی محصور شده است. این تئوری برخورد پران سوم با ما و آزاد شدن مقدار زیادی انرژی را در نظر می گیرد. این شرایط است که برای ظهور انفجار بزرگ مساعد می شود.

1. تئوری‌های چرخه‌ای منحصربه‌فرد بودن انفجار بزرگ را انکار می‌کنند و استدلال می‌کنند که جهان از حالتی به حالت دیگر در حال حرکت است. مشکل این گونه نظریه ها افزایش آنتروپی طبق قانون دوم ترمودینامیک است. در نتیجه، مدت چرخه های قبلی کوتاه تر بود و دمای ماده به طور قابل توجهی بالاتر از انفجار بزرگ بود. این بسیار بعید است.

صرف نظر از اینکه چه تعداد تئوری در مورد منشأ جهان وجود دارد، تنها دو مورد از آنها آزمون زمان را پس داده اند و بر مشکل آنتروپی روزافزون غلبه کرده اند. آنها توسط دانشمندان Steinhardt-Türk و Baum-Frampton ساخته شدند.

این نظریه های نسبتاً جدید در مورد منشأ جهان در دهه 80 قرن گذشته مطرح شد. آنها پیروان زیادی دارند که بر اساس آن مدل هایی را توسعه می دهند، به دنبال شواهدی از قابلیت اطمینان می گردند و برای از بین بردن تضادها تلاش می کنند.

نظریه ریسمان

یکی از محبوب ترین نظریه های منشاء جهان - قبل از شروع به شرح ایده آن، لازم است مفاهیم یکی از نزدیک ترین رقبا، مدل استاندارد را درک کنید. او پیشنهاد می کند که ماده و فعل و انفعالات را می توان به عنوان مجموعه خاصی از ذرات توصیف کرد که به چند گروه تقسیم می شوند:

• کوارک ها
• لپتون ها
• بوزون ها

این ذرات در واقع اجزای سازنده جهان هستند، زیرا آنقدر کوچک هستند که نمی توان آنها را به اجزاء تقسیم کرد.

یکی از ویژگی‌های بارز نظریه ریسمان این ادعاست که چنین آجرهایی ذرات نیستند، بلکه رشته‌های مافوق میکروسکوپی هستند که ارتعاش می‌کنند. در این حالت، با ارتعاش در فرکانس‌های مختلف، رشته‌ها به آنالوگ ذرات مختلفی که در مدل استاندارد توصیف شده‌اند تبدیل می‌شوند.

برای درک این نظریه، باید متوجه شد که ریسمان ها هیچ ماده ای نیستند، آنها انرژی هستند. در نتیجه، نظریه ریسمان نتیجه می گیرد که تمام عناصر جهان از انرژی ساخته شده اند.

آتش تشبیه خوبی است. وقتی به آن نگاه می‌کنید، تصور مادی بودن آن را می‌بینید، اما نمی‌توان به آن دست زد.

کیهان شناسی برای دانش آموزان

تئوری های پیدایش جهان به طور مختصر در مدارس در درس های نجوم مطالعه می شود. دانش آموزان نظریه های اساسی در مورد چگونگی شکل گیری جهان ما، آنچه که اکنون برای آن اتفاق می افتد و چگونه در آینده توسعه خواهد یافت، توضیح می دهند.

هدف از این درس ها آشنایی کودکان با ماهیت تشکیل ذرات بنیادی، عناصر شیمیایی و اجرام آسمانی است. نظریه های منشأ جهان برای کودکان به ارائه نظریه انفجار بزرگ خلاصه می شود. معلمان از مواد بصری استفاده می کنند: اسلایدها، جداول، پوسترها، تصاویر. وظیفه اصلی آنها بیدار کردن علاقه کودکان به دنیایی است که آنها را احاطه کرده است.