Kako je nastao svemir. Kratka povijest koncepta svemira

Činilo se malo vjerojatnim da bi do nas mogao doprijeti odjek događaja koji su se zbili u prvim milisekundama rođenja svemira. Međutim, pokazalo se da je to moguće.

Kozmologija, struktura svemira, prošlost, sadašnjost i budućnost našeg svijeta - ova su pitanja oduvijek zaokupljala najbolje umove čovječanstva. Za razvoj kozmologije, ali i znanosti u cjelini, iznimno je važno razumjeti Svemir u cjelini. Posebnu ulogu ima eksperimentalna provjera apstraktnih konstrukcija, njihova potvrda promatračkim podacima, razumijevanje i usporedba rezultata istraživanja, adekvatna procjena pojedinih teorija. Sada smo na sredini puta koji vodi od rješavanja Einsteinovih jednadžbi do spoznaje misterije rođenja i života Svemira.

Sljedeći korak na tom putu napravio je tvorac teorije kaotične inflacije, diplomac Moskovskog državnog sveučilišta, danas profesor na Sveučilištu Stanford, Andrej Dmitrijevič Linde, koji je dao značajan doprinos razumijevanju najranije faze razvoja svemir. Dugi niz godina radio je u jednom od vodećih akademskih ruskih instituta - Institutu za fiziku po imenu V.I. Lebedev s Akademije znanosti (FIAN), proučavao je posljedice modernih teorija elementarnih čestica, radeći zajedno s profesorom Davidom Abramovičem Kirzhnitcem.

Godine 1972. Kirzhnits i Linde došli su do zaključka da su se u ranom Svemiru dogodili neobični fazni prijelazi, kada su razlike između različitih vrsta interakcija iznenada nestale: jake i elektroslabe interakcije spojile su se u jednu jedinu silu. (Jedinstvenu teoriju slabih i elektromagnetskih interakcija koje provode kvarkovi i leptoni razmjenom fotona bez mase (elektromagnetska interakcija) i teških srednjih vektorskih bozona (slaba interakcija) razvili su kasnih 1960-ih Steven Weinberg, Sheldon Glashow i Abdus Salam .) Linde se usredotočio na proučavanje procesa u još ranijim fazama razvoja Svemira, u prvih 10 –30 s nakon njegova rođenja. Ranije se činilo malo vjerojatnim da bi do nas mogao doprijeti odjek događaja koji su se zbili u prvim milisekundama rođenja Svemira. Međutim, posljednjih godina suvremene metode astronomskih promatranja omogućile su pogled u daleku prošlost.

Kozmološki problemi

Razmatrajući teoriju Velikog praska, istraživači su se suočili s problemima koji su se prije smatrali metafizičkim. Međutim, uvijek su se postavljala pitanja i tražila odgovore.

Što se dogodilo kad nije bilo ničega? Ako je Univerzum rođen iz singularnosti, onda on nekada nije postojao. U "Teorijskoj fizici" Landaua i Lifshitza kaže se da se rješenje Einsteinovih jednadžbi ne može nastaviti u području negativnog vremena, pa se stoga u okviru opće teorije relativnosti postavlja pitanje "Što je bilo prije rođenja svemir?" nema smisla. Međutim, ovo pitanje i dalje sve nas zabrinjava.

Seku li se paralelni pravci? U školi su nam rekli ne. Međutim, kada je u pitanju kozmologija, odgovor nije tako jednostavan. Na primjer, u zatvorenom svemiru poput površine kugle, linije koje su bile paralelne na ekvatoru sijeku se na sjevernom i južnom polu. Pa je li Euklid u pravu? Zašto se svemir čini ravnim? Je li bila takva od početka? Da bismo odgovorili na ova pitanja, potrebno je ustanoviti kakav je svemir bio u najranijoj fazi razvoja.

Zašto je svemir homogen? Zapravo to nije istina. Postoje galaksije, zvijezde i druge nepravilnosti. Ako pogledate taj dio Svemira, koji je na vidiku modernih teleskopa, i analizirate prosječnu gustoću raspodjele materije na kozmičkoj ljestvici, ispada da je ista u svim smjerovima s točnošću od 10 -5. Zašto je svemir homogen? Zašto isti zakoni fizike djeluju u različitim dijelovima svemira? Zašto je svemir tako velik? Odakle energija potrebna za njegov nastanak?

Oduvijek su se javljale sumnje, a što su znanstvenici više saznali o strukturi i povijesti postojanja našeg svijeta, to je više pitanja ostajalo bez odgovora. Međutim, ljudi su pokušavali ne razmišljati o njima, percipirajući veliki homogeni Svemir i paralelne linije koje se ne sijeku kao dane, o kojima se ne raspravlja. Posljednja kap koja je prelila čašu koja je fizičare natjerala da preispitaju svoj stav prema teoriji ranog svemira bio je problem reliktnih monopola.

Postojanje magnetskih monopola predložio je 1931. engleski teoretski fizičar Paul Dirac. Ako takve čestice stvarno postoje, onda njihov magnetski naboj mora biti višekratnik neke zadane vrijednosti, koja je, pak, određena temeljnom vrijednošću električnog naboja. Gotovo pola stoljeća ta je tema bila praktički zaboravljena, no 1975. godine je izrečena senzacionalna izjava da je u kozmičkim zrakama otkriven magnetski monopol. Informacija nije potvrđena, ali je poruka ponovno probudila zanimanje za problem i pridonijela razvoju novog koncepta.

Prema novoj klasi teorija elementarnih čestica koja je nastala 70-ih godina, monopoli su se mogli pojaviti u ranom Svemiru kao rezultat faznih prijelaza koje su predvidjeli Kirzhnits i Linde. Svaki monopol ima milijun milijardi puta veću masu od protona. Godine 1978-1979. Zeldovich, Khlopov i Preskill su otkrili da se rodilo dosta takvih monopola, pa bi sada postojao monopol za svaki proton, što znači da bi Svemir bio vrlo težak i morao se brzo srušiti pod vlastitom težinom. Činjenica da još uvijek postojimo opovrgava takvu mogućnost.

Revizija teorije ranog svemira

Odgovor na većinu navedenih pitanja dobiven je tek nakon pojave teorije inflacije.

Inflacijska teorija ima dugu povijest. Prvu teoriju ovog tipa predložio je 1979. dopisni član RAS-a Aleksej Aleksandrovič Starobinsky. Njegova teorija bila je prilično složena. Za razliku od kasnijih radova, nije pokušala objasniti zašto je Svemir velik, ravan, homogen, izotropan. Međutim, imao je mnoge važne značajke inflatorne kozmologije.

Godine 1980., zaposlenik Massachusetts Institute of Technology Alan Goose ( Alan Guth) u članku "Svemir koji bubri: moguće rješenje problema horizonta i ravnosti" iznio je zanimljiv scenarij nabujalog svemira. Njegova glavna razlika od tradicionalne teorije Velikog praska bio je opis rođenja svemira u razdoblju od 10 -35 do 10 -32 s. Gus je sugerirao da je u to vrijeme svemir bio u stanju takozvanog "lažnog" vakuuma, u kojem je njegova energetska gustoća bila iznimno visoka. Stoga se širenje odvijalo brže nego prema teoriji Velikog praska. Ova faza eksponencijalno brzog širenja nazvana je inflacija (inflacija) Svemira. Tada se lažni vakuum raspao, a njegova energija je prešla u energiju obične materije.

Gusova teorija temeljila se na teoriji faznih prijelaza u ranom svemiru koju su razvili Kirzhnits i Linde. Za razliku od Starobinskyja, Gus je sebi postavio cilj da jednim jednostavnim principom objasni zašto je Svemir velik, ravan, homogen, izotropan, a također i zašto nema monopola. Faza inflacije mogla bi riješiti ove probleme.

Nažalost, nakon kolapsa lažnog vakuuma u Goosovom modelu, svemir se pokazao ili vrlo nehomogenim ili prazan. Činjenica je da je do propadanja lažnog vakuuma, poput ključanja vode u kotliću, došlo zbog stvaranja mjehurića nove faze. Da bi energija oslobođena u ovom slučaju prešla u toplinsku energiju Svemira, bilo je potrebno sudariti stijenke ogromnih mjehurića, a to bi trebalo dovesti do narušavanja homogenosti i izotropije Svemira nakon inflacije, što je u suprotnosti. postavljenom zadatku.

Iako Goosov model nije uspio, potaknuo je razvoj novih scenarija za napuhavanje svemira.

Nova teorija inflacije

Sredinom 1981. Linde je predložio prvu verziju novog scenarija svemira koji se napuhava, na temelju detaljnije analize faznih prijelaza u modelu Velikog ujedinjenja. Došao je do zaključka da u nekim teorijama eksponencijalno širenje ne završava odmah nakon stvaranja mjehurića, tako da inflacija može ići ne samo prije faznog prijelaza s nastankom mjehurića, već i nakon, već unutar njih. U ovom scenariju smatra se da je vidljivi dio Svemira sadržan u jednom mjehuru.

U novom scenariju Linde je pokazao da do zagrijavanja nakon inflacije dolazi zbog stvaranja čestica tijekom oscilacija skalarnog polja (vidi dolje). Tako su sudari stijenki mjehurića, generirajući nehomogenosti, postali nepotrebni, a time je riješen problem homogenosti i izotropije svemira velikih razmjera.

Novi scenarij sadržavao je dvije ključne točke: prvo, svojstva fizičkog stanja unutar mjehurića moraju se polako mijenjati kako bi se osigurala inflacija unutar mjehurića; drugo, u kasnijim fazama, trebali bi postojati procesi koji osiguravaju zagrijavanje Svemira nakon faznog prijelaza. Godinu dana kasnije, istraživač je revidirao svoj pristup, predložen u novoj teoriji inflacije, i došao do zaključka da fazni prijelazi uopće nisu potrebni, kao ni hipotermija i lažni vakuum, s čime je počeo Alan Goose. Bio je to emocionalni šok, jer je bilo potrebno napustiti ideje koje su se smatrale istinitima o vrućem Svemiru, faznim prijelazima i hipotermiji. Bilo je potrebno pronaći novi način rješavanja problema. Tada je iznesena teorija kaotične inflacije.

Kaotična inflacija

Ideja koja stoji iza Lindeove teorije kaotične inflacije vrlo je jednostavna, ali da biste je objasnili, morate uvesti koncept skalarnog polja. Postoje usmjerena polja – elektromagnetsko, električno, magnetsko, gravitacijsko, ali može postojati barem još jedno – skalarno, koje nije usmjereno nikamo, već je jednostavno funkcija koordinata.

Najbliži (iako nije točan) analog skalarnog polja je elektrostatički potencijal. Napon u američkim električnim mrežama je 110 V, au Rusiji - 220 V. Ako bi se čovjek jednom rukom držao za američku žicu, a drugom za rusku, razlika potencijala bi ga ubila. Da je napon svugdje isti, ne bi bilo razlike potencijala i struja ne bi tekla. Dakle, u konstantnom skalarnom polju nema razlike potencijala. Stoga ne možemo vidjeti konstantno skalarno polje: ono izgleda kao vakuum, koji u nekim slučajevima može imati veliku gustoću energije.

Vjeruje se da je bez polja ovog tipa vrlo teško stvoriti realističnu teoriju elementarnih čestica. Posljednjih godina otkrivene su gotovo sve čestice predviđene teorijom elektroslabih interakcija, osim skalarne. Potraga za takvim česticama jedan je od glavnih ciljeva ogromnog akceleratora koji se trenutno gradi u CERN-u u Švicarskoj.

Skalarno polje bilo je prisutno u gotovo svim inflatornim scenarijima. Gus je predložio iskorištavanje potencijala s nekoliko dubokih padova. Lindeova nova teorija inflacije trebala je potencijal s gotovo ravnim vrhom, ali se kasnije, u kaotičnom scenariju inflacije, pokazalo da je bilo dovoljno uzeti običnu parabolu i sve je funkcioniralo.

Razmotrimo najjednostavnije skalarno polje čija je gustoća potencijalne energije proporcionalna kvadratu njegove veličine, kao što je energija njihala proporcionalna kvadratu njegovog odstupanja od ravnotežnog položaja:

Malo polje neće znati ništa o Svemiru i osciliraće blizu svog minimuma. Međutim, ako je polje dovoljno veliko, onda će se kotrljati vrlo sporo, ubrzavajući Svemir na račun svoje energije. Zauzvrat, brzina svemira (a ne bilo koje čestice) će usporiti pad skalarnog polja.

Dakle, veliko skalarno polje dovodi do visoke stope širenja Svemira. Visoka stopa širenja svemira sprječava smanjenje polja i time sprječava smanjenje gustoće potencijalne energije. A visoka gustoća energije nastavlja ubrzavati Svemir sve većom brzinom. Upravo taj samoodrživi režim dovodi do inflacije, eksponencijalno brze inflacije Svemira.

Da bismo objasnili ovaj nevjerojatan učinak, potrebno je zajednički riješiti Einsteinovu jednadžbu za faktor skale svemira:

i jednadžba gibanja za skalarno polje:

Ovdje je H takozvana Hubbleova konstanta, proporcionalna gustoći energije skalarnog polja mase m (ova konstanta zapravo ovisi o vremenu); G je gravitacijska konstanta.

Istraživači su već razmatrali kako će se skalarno polje ponašati u blizini crne rupe i tijekom kolapsa svemira. Ali način eksponencijalne ekspanzije nekako nije pronađen. A bilo je potrebno samo napisati potpunu jednadžbu za skalarno polje, koje je u standardnoj verziji (tj. bez uzimanja u obzir širenja svemira) izgledalo kao jednadžba za njihalo:

No umiješao se neki dodatni izraz - sila trenja, koja je bila povezana s geometrijom; nitko to u početku nije uzeo u obzir. To je proizvod Hubble konstante i brzine polja:

Kada je Hubbleova konstanta bila velika, trenje je također bilo veliko, a skalarno polje se vrlo sporo smanjivalo. Stoga je Hubbleova konstanta, koja je funkcija skalarnog polja, dugo ostala gotovo nepromijenjena. Rješenje Einsteinove jednadžbe s Hubbleovom konstantom koja se sporo mijenja opisuje svemir koji se eksponencijalno brzo širi.

Ova faza eksponencijalno brzog širenja Svemira naziva se inflacija.

Po čemu se ovaj režim razlikuje od uobičajenog širenja Svemira ispunjenog običnom materijom? Pretpostavimo da se Svemir ispunjen prašinom proširio 2 puta. Tada se njegov volumen povećao 8 puta. To znači da je 1 cm 3 8 puta manje prašine. Riješimo li Einsteinovu jednadžbu za takav Svemir, ispada da je nakon Velikog praska gustoća materije brzo opala, a brzina širenja Svemira naglo opadala.

Isti bi slučaj bio i sa skalarnim poljem. No, dok je polje ostalo vrlo veliko, samo se podupiralo, kao što se barun Munchauzen izvlači iz močvare za rep. To je bilo moguće zahvaljujući sili trenja, koja je bila značajna pri visokim vrijednostima polja. U skladu s teorijama novog tipa, svemir se brzo širio, a polje je ostalo gotovo nepromijenjeno; sukladno tome nije se promijenila ni gustoća energije. Stoga je ekspanzija išla eksponencijalno.

Postupno se polje smanjivalo, Hubbleova konstanta također se smanjivala, trenje je postalo malo, a polje je počelo oscilirati, stvarajući elementarne čestice. Te su se čestice sudarale, razmjenjivale energiju i postupno dolazile u stanje termodinamičke ravnoteže. Kao rezultat toga, svemir je postao vruć.

Nekada se mislilo da je svemir vruć od samog početka. Do tog se zaključka došlo proučavanjem mikrovalnog zračenja, koje je protumačeno kao posljedica Velikog praska i naknadnog hlađenja. Tada su počeli misliti da je u početku Svemir bio vruć, zatim je došlo do inflacije, a nakon toga je Svemir ponovno postao vruć. Međutim, u teoriji kaotične inflacije prva vruća faza pokazala se nepotrebnom. Ali zašto nam je potrebna faza inflacije, ako je na kraju ove faze svemir još uvijek postao vruć, kao u staroj teoriji Velikog praska?

Eksponencijalna ekspanzija

Postoje tri najjednostavnija modela svemira: ravan, otvoreni i zatvoreni. Ravni svemir je poput površine ravnog stola; paralelne linije u takvom svemiru uvijek ostaju paralelne. Otvoreni svemir je poput površine hiperboloida, a zatvoreni svemir je poput površine lopte. Paralelne linije u takvom svemiru sijeku se na njegovom sjevernom i južnom polu.

Pretpostavimo da živimo u zatvorenom svemiru, koji je u početku bio malen poput lopte. Prema teoriji Velikog praska, narastao je do pristojne veličine, ali je i dalje ostao relativno malen. A prema inflatornoj teoriji, sićušna lopta je postala ogromna kao rezultat eksponencijalne eksplozije u vrlo kratkom vremenu. Dok je na njemu, promatrač bi vidio ravnu površinu.

Zamislite Himalaju, gdje ima mnogo različitih izbočina, pukotina, ponora, udubljenja, gromada, odnosno nehomogenosti. Ali odjednom je netko ili nešto na potpuno nevjerojatan način povećalo planine do divovskih razmjera, ili smo se mi smanjili, kao Alisa u zemlji čudesa. Tada ćemo, dok smo na vrhu Everesta, vidjeti da je potpuno ravan - bio je kao da je rastegnut, a heterogenosti su prestale imati nikakvo značenje. Planine ostaju, ali da biste se popeli barem jedan metar, morate ići nevjerojatno daleko. Dakle, problem homogenosti se može riješiti. To također objašnjava zašto je svemir ravan, zašto se paralelne linije ne sijeku i zašto monopoli ne postoje. Paralelne linije se mogu križati i monopoli mogu postojati, ali samo toliko daleko od nas da to ne možemo vidjeti.

Pojava galaksija

Mali svemir postao je kolosalan i sve je postalo homogeno. Ali što je s galaksijama? Pokazalo se da su se tijekom eksponencijalnog širenja Svemira male kvantne fluktuacije, koje uvijek postoje, čak i u praznom prostoru, zbog kvantnomehaničkog principa neizvjesnosti, rastegle do kolosalnih veličina i pretvorile u galaksije. Prema teoriji inflacije, galaksije su rezultat pojačanih kvantnih fluktuacija, tj. pojačanog i zamrznutog kvantnog šuma.

Po prvi put su na ovu upečatljivu mogućnost ukazali zaposlenici FIAN-a Vjačeslav Fedorovič Muhanov i Genadij Vasiljevič Čibisov u djelu temeljenom na modelu koji je 1979. predložio Starobinsky. Ubrzo nakon toga, sličan je mehanizam otkriven u novom inflatornom scenariju i u teoriji kaotične inflacije.

Išarano nebo

Kvantne fluktuacije dovele su ne samo do rađanja galaksija, već i do anizotropije reliktnog zračenja s temperaturom od oko 2,7 K, koje nam je dolazilo iz udaljenih područja Svemira.

Moderni umjetni sateliti Zemlje pomažu znanstvenicima u proučavanju reliktnog zračenja. Najvredniji podaci dobiveni su pomoću svemirske sonde WMAP ( Wilkinson mikrovalna anizotropska sonda), nazvan po astrofizičaru Davidu Wilkinsonu ( David Wilkinson). Njezina je hardverska rezolucija 30 puta veća od one njezine prethodnice, svemirske letjelice COBE.

Prije se vjerovalo da je temperatura neba svugdje jednaka 2,7 K, ali WMAP ju je uspio izmjeriti s točnošću od 10 -5 K uz visoku kutnu razlučivost. Prema podacima dobivenim u prve 3 godine promatranja, pokazalo se da je nebo heterogeno: negdje vruće, a negdje hladnije. Najjednostavniji modeli inflacijske teorije predviđali su mreškanje na nebu. No, dok teleskopi nisu zabilježili njegovo uočavanje, uočeno je samo zračenje od tri stupnja, što je poslužilo kao snažna potvrda teorije o vrućem svemiru. Sada se pokazalo da teorija vrućeg svemira nije dovoljna.

Uspjeli smo dobiti fotografije napuhanih kvantnih fluktuacija koje su se pojavile 10-30 s nakon rođenja svemira i preživjele su do danas. Istraživači ne samo da su otkrili pjegavost neba, već su proučavali i spektar mrlja, odnosno intenzitet signala u različitim kutnim smjerovima.

Rezultati visokopreciznih mjerenja polarizacije zračenja provedenih uz pomoć WMAP-a potvrdili su teoriju širenja Svemira i omogućili da se utvrdi kada je došlo do ionizacije međugalaktičkog plina, uzrokovanog već prvim zvijezdama. Informacije dobivene sa satelita potvrdile su stajalište inflatorne teorije da živimo u velikom ravnom Svemiru.

Na slici, crvena linija prikazuje predviđanje inflacijske teorije, a crne točke odgovaraju eksperimentalnim podacima WMAP-a. Da svemir nije ravan, vrh grafa bio bi desno ili lijevo.

Vječna i beskrajna

Pogledajmo ponovno sliku koja prikazuje najjednostavniji potencijal skalarnog polja (vidi gore). U području gdje je skalarno polje malo, ono oscilira, a Svemir se ne širi eksponencijalno. U području gdje je polje dovoljno veliko, ono se polako smanjuje, a na njemu se pojavljuju male fluktuacije. U ovom trenutku dolazi do eksponencijalne ekspanzije i inflacije. Kada bi skalarno polje bilo još veće (označeno plavom bojom na grafu), onda bi se zbog silnog trenja teško smanjilo, kvantne fluktuacije bi bile ogromne, a Svemir bi mogao postati fraktalan.

Zamislite da se Svemir brzo širi, a na nekom mjestu skalarno polje, umjesto da se kotrlja na minimum energije, odskače prema gore zbog kvantnih fluktuacija (vidi gore). Na mjestu gdje je polje skočilo, svemir se širi eksponencijalno brže. Nisko ležeće polje vjerojatno neće odskočiti, ali što je veće, vjerojatniji je takav razvoj događaja, a time i eksponencijalno veći volumen novog područja. U svakom od tih ravnomjernih područja, polje također može skočiti prema gore, što dovodi do stvaranja novih eksponencijalno rastućih dijelova Svemira. Kao rezultat, umjesto da izgleda kao jedna ogromna rastuća lopta, naš svijet postaje poput stabla koje stalno raste, a sastoji se od mnogih takvih kuglica.

Inflacijska teorija nam daje jedino trenutno poznato objašnjenje homogenosti vidljivog dijela Svemira. Paradoksalno, ista teorija predviđa da je u iznimno velikim razmjerima naš Svemir apsolutno nehomogen i izgleda kao ogroman fraktal.

Slika shematski prikazuje kako jedna nabujala regija Svemira stvara sve više i više novih dijelova. U tom smislu ona postaje vječna i samoiscjeljujuća.

Svojstva prostor-vremena i zakoni međusobnog međudjelovanja elementarnih čestica u različitim dijelovima Svemira mogu biti različiti, kao i dimenzije prostora i vrste vakuuma.

Ova činjenica zaslužuje detaljnije objašnjenje. Prema najjednostavnijoj teoriji s jednim minimumom potencijalne energije, skalarno polje se spušta do tog minimuma. Međutim, realističnije verzije dopuštaju mnoge minimume s različitom fizikom, što nalikuje vodi, koja može biti u različitim stanjima: tekuće, plinovito i kruto. Različiti dijelovi Svemira također mogu biti u različitim faznim stanjima; to je u teoriji inflacije moguće čak i bez uzimanja u obzir kvantnih fluktuacija.

Sljedeći korak, temeljen na proučavanju kvantnih fluktuacija, je teorija svemira koji se samoiscjeljuje. Ova teorija uzima u obzir proces stalne rekonstrukcije područja bubrenja i kvantnih skokova iz jednog vakuumskog stanja u drugo, nabrajajući različite mogućnosti i dimenzije.

Tako svemir postaje vječan, beskrajan i raznolik. Cijeli svemir se nikada neće srušiti. Međutim, to ne znači da ne postoje singularnosti. Naprotiv, značajan dio fizičkog volumena Svemira uvijek je u stanju bliskom singularnom. Ali budući da ga različiti volumeni prolaze u različito vrijeme, ne postoji jedinstveni kraj prostor-vremena, nakon kojeg sve regije nestaju. A onda pitanje mnogostrukosti svjetova u vremenu i prostoru poprima sasvim drugačiji zvuk: Svemir se može reproducirati u nedogled u svim svojim mogućim stanjima.

Ova izjava, koja se temeljila na Lindeovom radu iz 1986. godine, dobila je novu dimenziju prije nekoliko godina kada su teoretičari struna (vodeći kandidat za teoriju svih temeljnih interakcija) zaključili da je 10 100 – 10 1000 različitih vakuumskih stanja. Ta se stanja razlikuju zbog iznimne raznolikosti moguće strukture svijeta na ultra kratkim udaljenostima.

Uzeto zajedno s teorijom o samoiscjeljujućem inflatornom svemiru, to znači da se tijekom inflacije svemir raspada na beskonačno mnogo dijelova s ​​nevjerojatno velikim brojem različitih svojstava. Kozmolozi ovaj scenarij nazivaju teorijom vječnog inflatornog multiverzuma ( multiverzum), a teoretičari struna to zovu krajolik struna.

Inflacijska kozmologija prije 25 godina izgledala je kao nešto srednje između fizikalne teorije i znanstvene fantastike. Od tada su provjerena mnoga predviđanja ove teorije i ona je postupno dobila značajke standardne kozmološke paradigme. Ali prerano je za smirivanje. Ova teorija se nastavlja razvijati i brzo mijenjati čak i sada. Glavni problem je razvoj modela inflatorne kozmologije temeljenih na realističnim verzijama teorije elementarnih čestica i teorije struna. Ovo pitanje može biti tema zasebnog izvješća.

Danas vam želim reći o povijesti našeg svemira. O tome kako se svemir iz male točke pretvorio u ono što sada promatramo oko sebe.

Idemo.

Svemir postoji skoro 14 milijardi godina. Tijekom ovog vrlo dugog vremenskog razdoblja, prebrodio je nekoliko razdoblja svoje povijesti. Sada postoji 13. stupanj razvoja Svemira, koji se naziva "era materije".

Kako se zovu sve faze evolucije Svemira, koliko su trajale, što se tijekom njih događalo? Kako se razvijao svijet oko nas?

Ovaj članak će vam odgovoriti na ova pitanja.

Opisat ću sve faze povijesti svemira redom od najranijih do danas. Stoga, krenimo od "augustinskog doba".

Augustinovo doba.

Ovo doba uključuje stanje svemira "prije" i u trenutku Velikog praska. O ovoj fazi razvoja svijeta zapravo se ne zna ništa - postoje samo hipoteze - budući da moderne fizikalne teorije ne mogu opisati događaje prije "Planckove ere". Znanstvenici znaju samo da se na samom kraju ove ere dogodio Veliki prasak - iznenada je počelo širenje svemira. Do početka ovog uistinu grandioznog događaja, Svemir je bio zatočen u vrlo maloj točki, koja je posjedovala beskonačnu gustoću i temperaturu, t.j. bio u stanju "kozmološke singularnosti".

Planckovo doba.

Ovo je najranija faza u razvoju Svemira, o kojoj postoje bilo kakve teorijske pretpostavke i opisi. Ova faza započela je odmah nakon Velikog praska i trajala je tzv. "Planckovo vrijeme" od 0 do 10 -43 sekunde nakon rođenja svemira.

U to vrijeme (Bog zna što se događalo) veličina svemira bila je vrlo mala. Toliko da su kvantni efekti - fenomeni koji se događaju česticama - prevladali nad fizičkim interakcijama.

Svemir je u ovoj epohi također imao Planckovu temperaturu (10 32 Kelvina), energiju (10 19 milijardi elektron volti), polumjer (10 -35 metara, što je jednako Planckovoj dužini) i gustoću (10 97 kg/m 3) .

Sve četiri vrste interakcije čestica i tijela koja se od njih sastoje (nazivaju se i "temeljnim") - jaka nuklearna i slaba nuklearna, elektromagnetska, gravitacijska - tada su se međusobno nerazlučile i sjedinile. Ali ovo nije dugo trajalo. Sve je ometala vrlo visoka temperatura i gustoća materije.

Doba velikog ujedinjenja.

Ova faza razvoja Svemira započela je od 10 -43 sekunde i završila 10 -35 sekundi nakon Velikog praska. Na samom početku dogodio se fazni prijelaz tvari (slično kao kod kondenzacije tekućine iz plina, ali u odnosu na elementarne čestice). To se dogodilo zbog odvajanja gravitacije od "jedne temeljne interakcije".

Doba Velikog ujedinjenja završila je još jednom podjelom. Svemir se ohladio na 10 28 Kelvina i snažna interakcija je postala neovisna. Sada su samo elektromagnetske i slabe nuklearne sile predstavljale jedinstvenu cjelinu.

Takav je događaj za sobom povlačio novu fazu prijelaza. Zahvaljujući njemu, u sljedećoj eri u povijesti svemira pojavile su se nove čestice, a prostor-vrijeme je započelo veliku i oštru ekspanziju. Dolaze do ozbiljnih promjena u gustoći raspodjele materije.

Inflacijski stadij.

Faza inflacije nalazi se na vremenskoj traci između 10 -35 i 10 -32 sekunde nakon Velikog praska. Tijekom tog razdoblja, Svemir je višestruko povećao svoju veličinu. Prije je radijus cijelog svijeta bio jednak "Planckovoj duljini", ali sada se prostor proširio na veličinu cijele naranče. A onda je nastavio rasti ubrzano.

Nastalo je nekoliko vrsta čestica. To su bili kvarkovi (temeljne čestice koje tvore hadrone – na primjer, protoni i neutroni), elektroni, hiperoni i neutrini (neutralne fundamentalne čestice iz klase leptona).

Nakon nekog vremena temperatura Svemira je pala, zbog čega se dogodio još jedan fazni prijelaz. Zbog toga je tzv. "kršenje CP-invarijantnosti" i započeli su prvi procesi takvog fenomena kao što je "bariogeneza".

Bariogeneza- ovo je sjedinjenje kvarkova i gluona u nove, složene čestice - hadrone.

Osim toga, nastala je tajanstvena "barionska asimetrija Svemira" - prevlast materije nad antimaterijom. Znanstvenici još uvijek nisu uspjeli objasniti razloge njegovog nastanka.

Osim navedenog, fizičari i kozmolozi imaju pretpostavke da je u ovoj eri Svemir prošao kroz nekoliko ciklusa ponovnog zagrijavanja i hlađenja.

Do kraja inflatorne ere, građevinski materijal svemira bila je plazma kvarkova, antikvarkova i gluona (nositelji jakih interakcija).

Daljnji pad temperature u Svemiru doveo je do sljedećeg faznog prijelaza. Sastoji se od stvaranja fizičkih sila, temeljnih interakcija i elementarnih čestica u njihovom modernom obliku.

Taj se fazni prijelaz uklapao u čak tri epohe i završio "primarnom nukleosintezom".

Elektroslabo doba.

Između 10 -32 i 10 -12 sekundi nakon rođenja svemira. Do sada su elektromagnetska i slaba interakcija predstavljale jednu elektroslabu, jer temperatura svemira je još uvijek vrlo visoka. tada su se pojavili Higgsovi bozoni (isti oni koji su pronađeni prije 3 godine na Velikom hadronskom sudaraču), W - i Z - bazoni.

Osim novih egzotičnih čestica i kvark-gluonske plazme, prostor je ispunjen fotonima (osnovne čestice, odnosno kvanti elektromagnetskog zračenja) i leptonima.

Era kvarkova.

Ova faza se nalazi u periodu od 10 -12 do 10 -6 sekundi nakon Velikog praska. Tada je došlo do kršenja "elektroslabe simetrije". Sada sve temeljne interakcije postoje odvojeno jedna od druge.

U eri kvarka temperatura i energija su još uvijek previsoke da bi se kvarkovi konačno spojili u hadrone.

Značajna transformacija dogodit će se tek u sljedećoj fazi razvoja svijeta.

Doba hadrona.

Između 10 -6 i 100 sekundi nakon rođenja svemira. Konačno, kvark-gluonska plazma se ohladila do te mjere da je bariogeneza završena i rođeni su hadroni i anti-hadroni. Međutim, većina tih čestica je anihilirana (međusobno poništena). Od njih se sačuvao samo mali ostatak.

Uskoro se Svemir toliko ohladio i proširio da je njegova temperatura bila dovoljna samo za stvaranje leptona i antileptona. Ove čestice brzo postaju dominantna masa u svemiru.

Doba Leptona.

U razdoblju od 100 sekundi do 3 minute nakon Velikog praska nalazi se epoha leptona. Tada je Svemir postao transparentan za neutrine.

Prostor se nastavlja hladiti. Na kraju epohe temperatura je pala do točke u kojoj je stvaranje novih leptona postalo nemoguće. A par "lepton-antilepton" sustiže sudbinu hadrona. Većina njih se međusobno poništavaju. U svemiru je ostao vrlo mali broj leptona, zbog čega je počela dominacija fotona.

Doba nukleosinteze.

Istodobno s epohom leptona odvijala se i ova etapa povijesti Svemira. Zbog dovoljnog hlađenja materije, preživjeli hadroni su se spojili u atomske jezgre teže od vodika. Taj se proces naziva "primarna nukleosinteza".

Tijekom ove faze nastao je primarni sastav zvjezdane tvari: 75% vodika, gotovo 25% helija, nešto litija, deuterija i bora.

Protonska era.

Počelo je 3 minute nakon Velikog praska i završilo 380 000 godina kasnije. Tvar je počela dominirati zračenjem.

Na kraju epohe dogodila se rekombinacija vodika (proces suprotan ionizaciji). Zbog daljnjeg pada temperature i širenja svemira, gravitacija je postala dominantna sila.

379.000 godina nakon Velikog praska, na temperaturi Svemira od 3000 Kelvina, dogodio se značajan događaj – jezgre atoma i elektrona spojene u prve atome. Počela je "primarna rekombinacija". Bila je to prekretnica: materija je prešla iz neprozirne plazme u elektromagnetsko zračenje u plinovito stanje. Svemir je konačno postao transparentan.

U proteklih 379.000 godina fotoni su patili najbolje što su mogli. Različite nabijene elementarne čestice, koje su nekada bile kočija i mala kolica, zaklanjale su svjetlost. S njima su stupali u interakciju kvanti svjetlosti, zbog čega su doživljavali stalne "udare" i "trzaje" sa strane svoje "braće". Fotone su uvijek odbijale ili apsorbirale nabijene čestice. Kao rezultat toga, svjetlost je bila jako raspršena. Kad bi promatrač ušao u ovu eru, vidio bi ispred sebe samo gustu maglu.

Kao što znate, fotoni komuniciraju samo s pozitivno i negativno nabijenim česticama. I na kraju "protonske ere" kvanta svjetlosti, sreća se konačno okrenula. Negativni elektroni i pozitivni protoni grupirani su zajedno s neutronima u neutralno nabijene atome. Zahvaljujući novim složenim česticama, fotoni su se mogli slobodno kretati u prostoru i gotovo ne komunicirati s materijom.

Reliktno zračenje su sami fotoni koje plazma emitira prema budućem položaju Zemlje i zbog rekombinacije izbjegnuto raspršenje. Oni i dalje dopiru do nas, prevladavajući prostor koji se širi.

Srednji vijek.

Došao je odmah nakon "protonske ere" i trajao je 550 milijuna godina. Svemir je bio toliko hladan da je nakon protonske ere, kada je svjetlucao crvenim nijansama, prostor uronjen u tamu.

Bilo je to dosadno doba potpunog mraka. Nije bilo izvora svjetlosti (zvijezde ili galaksije). Planeti i asteroidi još više. Prostor je bio ispunjen pretežno vodikom, helijem i mikrovalnim pozadinskim zračenjem.

Reionizacija.

Dio povijesti svemira koja je započela odmah nakon mračnog doba i trajala 250 milijuna godina. U usporedbi s prošlim, ovo doba bilo je zabavnije i šarenije.

Počele su se formirati nakupine - izolirane nakupine prašine međuzvjezdanog plina, koje su se pojavile zbog sila gravitacije. Prvi gusti objekti bili su kvazari. Tada su planule prve zvijezde i pojavile su se maglice plina i prašine.

Pod silom gravitacije ujedinili su se u zvjezdane skupove, a one u galaksije. Potonji su formirali vlastite nakupine i superklastera.

Tada su u dubinama zvijezda nastali teški elementi u velikim količinama. Eksplozije supernove prenijele su ih po Svemiru, iz kojeg su nastali hladni planeti, asteroidi, meteorska tijela i, u konačnici, živi organizmi.

Doba supstance.

Počevši 800 milijuna godina nakon Velikog praska. Ova Epoha još uvijek traje.

Nekoliko milijardi godina nakon "reionizacije" počelo je formiranje planeta i planetarnih sustava, uključujući Sunčev sustav. Nešto više od 8,4 milijarde godina nakon Velikog praska nastala je Zemlja, a još 500 milijuna godina kasnije na njoj se pojavio život.

Kozmolozi nastavljaju napredovati prema konačnom razumijevanju procesa koji su stvorili i oblikovali Svemir.

Svemir je toliko velik u prostoru i vremenu da je gotovo cijelu povijest čovječanstva ostao nedostupan i našim instrumentima i našem umu. No, sve se promijenilo u 20. stoljeću, kada su se pojavile nove ideje – od Einsteinove opće teorije relativnosti do modernih teorija elementarnih čestica. Uspjeh je postignut i zahvaljujući snažnim instrumentima - od reflektora od 100 i 200 inča koje je stvorio George Ellery Hale i koji je za nas otkrio galaksije izvan Mliječne staze, do svemirskog teleskopa Hubble koji nas je odveo u eru rađanja galaksije. Napredak se ubrzao u posljednjih 20 godina. Postalo je jasno da se tamna tvar ne sastoji od običnih atoma, da postoji tamna energija. Rodile su se hrabre ideje o kozmičkoj inflaciji i pluralnosti svemira.

Prije stotinu godina, Svemir je bio jednostavniji: vječan i nepromjenjiv, sastojao se od jedne galaksije s nekoliko milijuna vidljivih zvijezda. Moderna je slika mnogo složenija i puno bogatija. Svemir je nastao prije 13,7 milijardi godina kao rezultat Velikog praska. Djelić sekunde nakon početka, svemir je bio vruća, bezoblična mješavina elementarnih čestica – kvarkova i leptona. Kako se širio i hladio, nastajale su strukture korak po korak: neutroni i protoni, atomske jezgre, atomi, zvijezde, galaksije, jata galaksija i, konačno, superklasteri. Uočljivi dio Svemira sada sadrži 100 milijardi galaksija, svaka od njih sadrži oko 100 milijardi zvijezda i, vjerojatno, isti broj planeta. Gravitacija tajanstvene tamne tvari sprječava same galaksije od širenja. A Svemir se nastavlja širiti i čak to čini ubrzano pod utjecajem tamne energije – još tajanstvenijeg oblika energije, čija gravitacijska sila ne privlači, već odbija.

Glavna tema naše priče o svemiru je evolucija od primitivne kvarkove "juhe" do sve veće složenosti galaksija, zvijezda, planeta i života koji se danas promatra. Te su se strukture pojavljivale jedna za drugom tijekom milijardi godina, poštujući osnovne zakone fizike. Putujući u prošlost, u eru nastanka, kozmolozi se prvo kreću kroz detaljnu povijest Svemira natrag, do prve mikrosekunde, zatim do 10 $ ^ (- 34) $ od početka (postoje jasne ideje o ovom vremenu, ali za njih još nema jasne potvrde) i konačno, do samog trenutka rođenja (o čemu se zasad samo nagađa). Iako još nismo u stanju u potpunosti razumjeti kako je svemir nastao, već imamo nevjerojatne hipoteze, kao što je koncept višestrukog svemira, koji uključuje beskonačan broj nepovezanih podsvemira.

OSNOVNE ODREDBE

• Naš svemir je započeo vrućim Velikim praskom prije 13,7 milijardi godina i od tada se širi i hladi. Evoluirao je od bezoblične mješavine elementarnih čestica do modernog visoko strukturiranog prostora.
• Prva mikrosekunda bila je definirajuće razdoblje kada je materija počela dominirati nad antimaterijom, rođena je struktura budućih galaksija i njihovih nakupina, a nastala je tamna tvar - nepoznata tvar koja drži ovu strukturu.
• Budućnost svemira određena je tamnom energijom, nepoznatim oblikom energije koji je odgovoran za ubrzanje kozmološke ekspanzije koja je započela prije nekoliko milijardi godina.

Svemir koji se širi

Godine 1924., koristeći 100-inčni Hooker teleskop opservatorija Mount Wilson, Edwin Hubble je otkrio da su nejasne maglice, koje su ostale tajanstvene nekoliko stoljeća, iste galaksije kao i naša. Tako je Hubble povećao naše razumijevanje svemira za faktor od 100 milijardi! Nekoliko godina kasnije, dokazao je da se galaksije udaljuju jedna od druge, poštujući matematički obrazac, danas poznat kao Hubbleov zakon: što je galaksija dalje, to se brže kreće. Iz tog zakona proizlazi Veliki prasak prije 13,7 milijardi godina.

PROŠIRENJE PROSTORA
Evolucija Svemira nastaje kao rezultat širenja svemira. Kako se prostor širi poput ovojnice balona, ​​galaksije se udaljuju jedna od druge, a svjetlosni valovi se produljuju (crvene).

U okviru opće relativnosti, Hubbleov zakon tumači se na sljedeći način: sam prostor se širi, a galaksije se kreću s njim (slika iznad). Svjetlost se također rasteže, doživljava crveni pomak, što znači da gubi energiju, pa se Svemir hladi kako se širi. Kozmička ekspanzija pomaže razumjeti kako je nastao moderni svemir. Ako mentalno požurite u prošlost, tada će Svemir postati gušći, topliji, neobičniji i jednostavniji. Približavajući se samom početku, dolazimo u dodir s najdubljim mehanizmima prirode, koristeći akcelerator moćniji od bilo kojeg izgrađenog na Zemlji – sam Veliki prasak.

Provirujući kroz teleskop u svemir, astronomi doslovno padaju u prošlost – a što je teleskop veći, njihov pogled dublje prodire. Svjetlo koje dolazi iz udaljenih galaksija pokazuje nam drevne epohe, a njegov crveni pomak pokazuje koliko se Svemir proširio tijekom proteklog vremena. Trenutno opaženi rekordni crveni pomak od oko osam, što znači da je ova svjetlost emitirana kada je veličina svemira bila devet puta manja od današnje, a starost je tek nekoliko stotina milijuna godina. Instrumenti kao što su svemirski teleskop Hubble i teleskopi Keck od deset metara na Mauna Kei lako nas prenose u formiranje galaksija poput naše - nekoliko milijardi godina nakon Velikog praska. Svjetlost iz ranijih epoha je toliko snažno pomaknuta u crveno da su je astronomi prisiljeni primati u infracrvenom i radijskom pojasu. Teleskopi u izgradnji, kao što su 6,5-metarski infracrveni svemirski teleskop James Webb i Atacama Large Millimeter Array (ALMA), mreža od 64 radioteleskopa u sjevernom Čileu, vratit će nas u prošlost do rođenja najranijih zvijezda i galaksija .

Računalne simulacije pokazuju da su se te zvijezde i galaksije pojavile kada je svemir bio star oko 100 milijuna godina. Prije toga, svemir je prošao kroz razdoblje zvano mračno doba, kada je bio mrkli mrak. Prostor je bio ispunjen bezobličnom masom od pet dijelova tamne tvari i jednog dijela vodika s helijem, koji se razrjeđivao kako se Svemir širio. Materija je bila malo nehomogena po gustoći, a gravitacija je djelovala kao pojačalo tih nehomogenosti: gušća područja širila su se sporije od onih manje gustoće. Do 100 Ma, najgušće regije ne samo da su usporile svoju ekspanziju, već su se čak i počele skupljati. Svaka od ovih zona sadržavala je oko 1 milijun solarnih masa materije; postali su prvi gravitacijski vezani objekti u svemiru.

Glavninu njihove mase činila je tamna tvar, koja, prema svom nazivu, nije sposobna emitirati niti apsorbirati svjetlost. Stoga je formirao vrlo proširene oblake. S druge strane, vodik i helij, emitirajući svjetlost, izgubili su energiju i kolabirali su prema središtu svakog oblaka. Na kraju su se toliko smanjili da su se pretvorili u zvijezde. Ti su prvi objekti bili mnogo masivniji od modernih - stotine solarnih masa. Proživjevši vrlo kratak život, eksplodirali su, izbacivši prve teške elemente u svemir. Nekoliko milijardi godina kasnije, ti oblaci s masama od milijuna solarnih masa grupirani su u prve galaksije pod utjecajem gravitacije.

Zračenje prvih vodikovih oblaka, koji su doživjeli snažan crveni pomak zbog širenja, moglo se detektirati pomoću ogromnih kompleksa radio antena ukupne površine prijema od oko kvadratni kilometar. Kada budu stvoreni ovi radioteleskopi, postat će poznato kako je prva generacija zvijezda i galaksija ionizirala vodik i time okončala mračnu eru. (vidi: A. Loeb Dark Ages of the Universe // VMN, br. 3, 2007.).

Blagi sjaj vrućeg početka

Iza mračne ere primjetan je sjaj vrućeg Velikog praska na crvenom pomaku od 1100. Ovo prvobitno vidljivo (crveno-narančasto) zračenje, zbog crvenog pomaka, nije postalo čak ni infracrveno, nego mikrovalno. Gledajući unatrag u to doba, sve što vidimo je zid mikrovalnog zračenja koji ispunjava cijelo nebo - kozmičko mikrovalno pozadinsko zračenje koje su 1964. otkrili Arno Penzias i Robert Wilson. Ovo je slabašni odraz Svemira, koji je bio u povojima 380 tisuća godina, u eri formiranja atoma. Prije toga, to je bila gotovo homogena mješavina atomskih jezgri, elektrona i fotona. Kada se Svemir ohladio na temperaturu od oko 3000 K, jezgre i elektroni počeli su se spajati u atome. Fotoni su se prestali raspršivati ​​na elektronima i počeli se slobodno kretati svemirom, pokazujući kakav je svemir bio mnogo prije rođenja zvijezda i galaksija.

Godine 1992. NASA-in satelit Cosmic Background Explorer (COBE) otkrio je da se intenzitet ovog zračenja neznatno promijenio - za oko 0,001%, što ukazuje na blagu nehomogenost u raspodjeli materije. Pokazalo se da je stupanj primarne nehomogenosti dovoljan da mala zbijenost postane "sjeme" za buduće galaksije i njihove skupove, koji su kasnije rasli pod utjecajem gravitacije. Raspodjela nehomogenosti pozadinskog zračenja po nebu ukazuje na važna svojstva Svemira: njegovu prosječnu gustoću i sastav, te najranije faze njegove evolucije. Pažljivo proučavanje ovih nehomogenosti govorilo nam je puno o svemiru.

KOSMIČKO MIKROTALNO POZADINSKO ZRAČENJE slika je Svemira u povojima od 380 tisuća godina. Slabe varijacije u intenzitetu ovog zračenja (označene bojom) služe kao kozmički kamen Rosetta, koji daje trag do misterija svemira - njegove starosti, gustoće, sastava i geometrije..

HUBBLE SUPER-DEEP FIELD, najosjetljivija svemirska slika ikad snimljena, koja bilježi više od 1000 galaksija u ranim fazama njihovog formiranja.

Krećući se od ove točke natrag na početak evolucije Svemira, vidjet ćemo kako primarna plazma postaje toplija i gušća. Sve do starosti od oko 100 tisuća godina, gustoća energije zračenja bila je veća od materije, što je tvar čuvalo od fragmentacije. I u tom trenutku počelo je gravitacijsko grupiranje svih struktura koje se promatraju u Svemiru. Još bliže početku, kada je starost Svemira bila manja od jedne sekunde, nije bilo atomskih jezgri, već samo njihovih komponenti - protona i neutrona. Jezgre su nastale kada je svemir bio star nekoliko sekundi, a temperatura i gustoća postali su prikladni za nuklearne reakcije. U ovoj nukleosintezi Velikog praska rođeni su samo lagani kemijski elementi: puno helija (oko 25% mase svih atoma u Svemiru) i malo litija, deuterija i helija-3. Ostatak plazme (oko 75%) ostao je u obliku protona, koji su na kraju postali atomi vodika. Svi ostali elementi periodnog sustava rođeni su milijardama godina kasnije u utrobi zvijezda i tijekom njihovih eksplozija.

SVEMIR SE SASTOJI prvenstveno od tamne energije i tamne tvari; priroda oba je nepoznata. Zajednička materija od koje nastaju zvijezde, planeti i međuzvjezdani plin je samo mali dio.

Teorija nukleosinteze točno predviđa obilje elemenata i izotopa mjereno u najstarijim objektima u svemiru – u najstarijim zvijezdama i oblacima plina s velikim crvenim pomakom. Posebnu ulogu ima sadržaj deuterija, koji je vrlo osjetljiv na prosječnu gustoću atoma u Svemiru: njegova izmjerena vrijednost pokazuje da obična tvar iznosi (4,5 ± 0,1)% ukupne energetske gustoće. Ostalo je tamna tvar i tamna energija. To je točno u skladu s podacima o sastavu dobivenim analizom pozadinskog zračenja. Ovo usklađivanje je ogromno postignuće. Uostalom, to su dvije potpuno različite dimenzije: prva se temelji na nuklearnoj fizici i odnosi se na Svemir u dobi od 1 s, a druga - na atomsku fiziku i svojstva Svemira u dobi od 380 tisuća godina. Njihova dosljednost važan je test ne samo za naše modele evolucije prostora, već i za svu modernu fiziku.

Odgovori u juhi od kvarka

Do dobi od jedne mikrosekunde nije bilo ni protona i neutrona; Svemir je bio poput juhe od osnovnih elemenata prirode: kvarkova, leptona i nositelja sile (fotona, W i Z bozona i gluona). Uvjereni smo da je ova "juha s kvarkovima" doista postojala, budući da se fizički uvjeti tog doba sada reproduciraju u eksperimentima na akceleratorima čestica (vidi: Ryordan M., Zeitz U. Prve mikrosekunde // VMN, br. 8, 2006.).

Kozmolozi se nadaju da će to doba proučavati ne uz pomoć velikih i oštrovidnih teleskopa, već oslanjajući se na duboke ideje fizike elementarnih čestica. Stvaranje Standardnog modela fizike čestica prije 30 godina dovelo je do hrabrih hipoteza, uključujući teoriju struna, koja pokušava ujediniti naizgled nepovezane čestice i sile. Zauzvrat, ove su nove ideje našle primjenu u kozmologiji, postajući jednako važne kao i originalna ideja vrućeg Velikog praska. Ukazali su na duboku i neočekivanu vezu između mikrokozmosa i velikog svemira. Možda ćemo uskoro dobiti odgovore na tri ključna pitanja: kakva je priroda tamne tvari, koji je razlog asimetrije između materije i antimaterije i kako je nastala grudasta kvarkova juha.

Očigledno je tamna tvar rođena u eri primordijalne kvarkove juhe. Priroda tamne tvari još nije jasna, ali njezino postojanje nije upitno. Naša galaksija i sve ostale galaksije, kao i njihova jata, drže zajedno gravitacija nevidljive tamne tvari. Što god da je, mora slabo komunicirati s običnom materijom, inače bi se nekako manifestirala odvojeno od gravitacije. Pokušaji da se opišu jedinstvenom teorijom sve sile i čestice promatrane u prirodi dovode do predviđanja stabilnih ili dugovječnih čestica koje bi mogle činiti tamnu tvar. Ove čestice mogu biti relikt ere kvarkove juhe i vrlo slabo djeluju s atomima. Jedan kandidat je Neutralino, najlakša čestica u nedavno predviđenoj klasi masivnih kopija poznatih čestica. Neutralino bi trebao imati masu od 100 do 1000 masa protona, t.j. trebao bi se roditi u eksperimentima na Velikom hadronskom sudaraču u CERN-u blizu Ženeve. Osim toga, pokušavajući uhvatiti ove čestice iz svemira (ili produkte njihove interakcije), fizičari su stvorili superosjetljive detektore pod zemljom, a također ih lansiraju na balone i satelite.

Drugi kandidat je aksion, ultralagana čestica s masom oko trilijun puta manjom od mase elektrona. Na njegovo postojanje ukazuju suptilne razlike predviđene Standardnim modelom u ponašanju kvarkova. Pokušaji registriranja aksiona temelje se na činjenici da se u vrlo jakom magnetskom polju može pretvoriti u foton. I neutralino i aksion imaju važno svojstvo: fizičari te čestice nazivaju "hladnim". Unatoč činjenici da se rađaju na vrlo visokim temperaturama, kreću se sporo i stoga se lako skupljaju u galaksije.

Vjerojatno još jedna tajna leži u eri primordijalne kvarkove juhe: zašto sada svemir sadrži samo materiju, a gotovo nikakvu antimateriju. Fizičari vjeruju da ih je u početku Svemir imao jednak broj, ali se u nekom trenutku pojavio mali višak materije - oko jedan dodatni kvark na svaku milijardu antikvarkova. Zahvaljujući toj neravnoteži u poništavanju kvarkova s ​​antikvarkovima tijekom širenja i hlađenja Svemira, sačuvano je dovoljno kvarkova. Prije više od 40 godina, eksperimenti s akceleratorima pokazali su da su zakoni fizike raspoređeni blago u korist materije; upravo je ta mala prednost u procesu interakcije čestica u vrlo ranoj fazi dovela do stvaranja viška kvarkova.

Sama juha od kvarka vjerojatno je nastala vrlo rano - oko 10 $ ^ (- 34) $ s nakon Velikog praska, u naletu kozmičke ekspanzije poznate kao inflacija. Razlog ovom valu bila je energija novog polja, koje podsjeća na elektromagnetno polje i naziva se inflaton. Inflacija bi trebala objasniti takva temeljna svojstva kozmosa kao što su njegova opća homogenost i male fluktuacije u gustoći koje su dovele do galaksija i drugih struktura u Svemiru. Kada se inflaton raspao, prenio je svoju energiju na kvarkove i druge čestice, stvarajući tako toplinu Velikog praska i samu kvarkovu juhu.

Teorija inflacije pokazuje duboku povezanost između kvarkova i kozmosa: kvantne fluktuacije inflacije, koje su postojale na subatomskoj razini, narasle su do astrofizičkih razmjera zbog brzog širenja i postale sjeme svih struktura koje se danas promatraju. Drugim riječima, slika mikrovalnog pozadinskog zračenja na nebu gigantska je slika subatomskog svijeta. Uočena svojstva ovog zračenja u skladu su s teorijskim predviđanjima, koja dokazuju da se inflacija, ili nešto slično njoj, dogodila u vrlo ranoj povijesti svemira.

Rođenje svemira

Kada kozmolozi pokušaju ići još dalje i razumjeti sam početak svemira, njihovi sudovi postaju manje sigurni. Stoljeće je Einsteinova opća teorija relativnosti bila temelj za proučavanje evolucije svemira. No ne slaže se s drugim stupom moderne fizike – kvantnom teorijom, pa je najvažniji zadatak međusobno ih pomiriti. Samo s takvom jedinstvenom teorijom moći ćemo prijeći u najranije trenutke evolucije Svemira, u takozvanu Planckovu eru sa starošću od 10 $ ^ (- 43) $ s, kada je samo prostor-vrijeme bilo formirana.

Probne verzije objedinjene teorije nude nam nevjerojatne slike prvih trenutaka. Na primjer, teorija struna predviđa postojanje dodatnih dimenzija prostora i, moguće, prisutnost drugih svemira u ovom superprostoru. Ono što nazivamo Velikim praskom mogao bi biti sudar našeg svemira s drugim svemirom (vidi: G. Veneziano Mit o početku vremena // VMN, br. 8, 2004.)... Kombinacija teorije struna s teorijom inflacije dovodi do možda najambicioznije ideje - do ideje multiverzuma, koji se sastoji od beskonačnog broja nepovezanih dijelova, od kojih svaki ima svoje fizikalne zakone. (vidi: R. Busso, J. Polchinski. Krajolik teorije struna // VMN, br. 12, 2004.).

Ideja višestrukog svemira još je u razvoju i ima za cilj dva velika teorijska problema. Prvo, iz jednadžbi koje opisuju inflaciju, slijedi da ako se dogodila jednom, tada će se proces ponavljati i iznova, generirajući beskonačan broj "napuhnutih" regija. Toliko su velike da ne mogu međusobno komunicirati i stoga ne utječu jedni na druge. Drugo, teorija struna ukazuje da ta područja imaju različite fizičke parametre, kao što su broj prostornih dimenzija i obitelji stabilnih čestica.

Koncept višestrukog svemira omogućuje nam da iznova pogledamo dva najsloženija znanstvena problema: što se dogodilo prije Velikog praska i zašto su zakoni fizike upravo takvi? (Einsteinovo pitanje: "Je li Bog imao izbor?" Povezano upravo s takvim zakonima.) Množinski svemir obesmišljava pitanje što se dogodilo prije Velikog praska, budući da je postojao beskonačan broj velikih praska, a svaki je generirao svoj vlastiti talas u inflaciji. I Einsteinovo pitanje gubi smisao: u beskonačnom broju svemira ostvaruju se sve moguće verzije zakona fizike, pa zakoni koji upravljaju našim svemirom nisu nešto posebno.

Kozmolozi su ambivalentni oko ideje višestrukog svemira. Ako doista nema veze između odvojenih podsvemira, onda ne možemo biti sigurni u njihovo postojanje; zapravo, oni su izvan znanstvenog znanja. Dio mene želi vrisnuti: "Molim te, ne više od jednog svemira!" Ali s druge strane, ideja višestrukog svemira rješava niz temeljnih problema. Ako je točno, onda je Hubbleovo širenje Svemira samo 100 milijardi puta i kopernikansko izbacivanje Zemlje iz središta Svemira u 16. stoljeću. činit će se kao samo mali dodatak našoj svijesti o našem mjestu u prostoru.

PO MRAKU

Najvažniji element modernog razumijevanja svemira i njegova najveća misterija je tamna energija, nedavno otkriven i duboko tajanstven oblik energije koji uzrokuje ubrzanje kozmičke ekspanzije. Tamna energija preuzela je materiju prije nekoliko milijardi godina. Prije toga, širenje je bilo usporavano gravitacijskim privlačenjem materije, a gravitacija je mogla stvoriti strukture u rasponu od galaksija do superklastera. Sada, zbog utjecaja tamne energije, ne mogu se formirati strukture veće od superklastera. A da je tamna energija pobijedila još ranije - recimo, kada je svemir bio star samo 100 milijuna godina - tada bi se formiranje struktura zaustavilo prije nego što su nastale galaksije, a nas ne bi bilo ovdje.

Kozmolozi još uvijek imaju vrlo nejasnu ideju o tome što je ta tamna energija. Da bi se širenje ubrzalo potrebna je odbojna sila. Einsteinova opća teorija relativnosti ukazuje da gravitacija izrazito elastičnog oblika energije doista može uzrokovati odbojnost. Kvantna energija koja ispunjava prazan prostor čini upravo to. Ali problem je u tome što teorijske procjene gustoće kvantne energije nisu u skladu sa zahtjevima promatranja; zapravo ih brojčano nadmašuju za mnoge redove veličine. Druga mogućnost: kozmičko ubrzanje ne može se kontrolirati novim oblikom energije, već nečim što oponaša tu energiju, recimo, zabluda opće teorije relativnosti ili utjecaj nevidljivih prostornih dimenzija (vidi: L. Cross, M. Turner Kozmička zagonetka // VMN, br. 12, 2004.).

Ako svemir nastavi ubrzavati trenutnim tempom, tada će za 30 milijardi godina nestati svi znakovi Velikog praska. (vidi: L. Cross, R. Scherrer Hoće li doći kraj kozmologije? // VMN, br. 6, 2008.)... Sve galaksije s izuzetkom nekoliko obližnjih doživjet će tako veliki crveni pomak da postaju nevidljive. Temperatura kozmičkog pozadinskog zračenja će pasti ispod osjetljivosti instrumenata. Pritom će svemir nalikovati onome što su astronomi zamislili prije 100 godina, prije nego što su njihovi instrumenti postali dovoljno moćni da vide svemir kakav danas poznajemo.

Moderna kozmologija nas u biti ponižava. Sastoje se od protona, neutrona i elektrona, koji zajedno čine samo 4,5% svemira; postojimo samo zahvaljujući najsuptilnijim vezama između najmanjeg i najvećeg. Zakoni mikrofizike osigurali su dominaciju materije nad antimaterijom, pojavu fluktuacija koje su postale sjeme galaksija, punjenje prostora česticama tamne tvari, što je omogućilo gravitacijsku infrastrukturu koja je omogućila galaksije da se formiraju prije nego što tamna energija prevlada i širenje počne ubrzati (umetnuti iznad). U isto vrijeme, kozmologija je inherentno arogantna. Ideja da možemo razumjeti nešto u tako ogromnom oceanu prostora i vremena, kao što je naš Svemir, na prvi se pogled čini apsurdnom. Ova čudna mješavina skromnosti i samopouzdanja omogućila nam je tijekom prošlog stoljeća da odmaknemo jako daleko u razumijevanju strukture modernog svemira i njegove evolucije. Radujem se daljnjem napretku u nadolazećim godinama s optimizmom i sasvim sam uvjeren da živimo u zlatnom dobu kozmologije.

Kad bi u svemiru bilo još više tamne energije, ostao bi gotovo bezobličan (lijevo), bez velikih struktura koje vidimo (desno).

Prijevod: V.G. Surdin

DODATNA LITERATURA

• Rani svemir. Edward W. Kolb i Michael S. Turner. Westview Press, 1994.
• Inflatorni svemir. Alan Guth. Bašić, 1998. (priručnik).
• Kvarkovi i kozmos. Michael S. Turner u znanosti, sv. 315, stranice 59-61; 5. siječnja 2007.
• Tamna Tnergija i Svemir koji se ubrzava. Joshua Frieman, Michael S. Turner i Dragan Huterer u Annual Reviews of Astronomy and Astrophysics, Vol. 46, stranice 385-432; 2008. Dostupno na internetu: arxiv.org.
• Cherepashchuk A.M., Chernin A.D. Horizonti svemira. Novosibirsk: Izdavačka kuća SB RAS, 2005.

Michael S. Turner bio je pionir u ujedinjenju fizike čestica, astrofizike i kozmologije i vodio je rad Nacionalne akademije u ovom novom području istraživanja početkom ovog desetljeća. Profesor je na Institutu za kozmološku fiziku Kavli Foundation na Sveučilištu u Chicagu. Od 2003. do 2006. vodio je Odjel za fiziku i matematiku Nacionalne znanstvene zaklade. Među njegovim nagradama su Warner nagrada Američkog astronomskog društva, Lilienfeld nagrada Američkog fizikalnog društva i Klopsteg nagrada Američkog udruženja nastavnika fizike.

Mikroskopske čestice, koje ljudski vid može vidjeti samo mikroskopom, kao i ogromni planeti i nakupine zvijezda, zadivljuju ljude. Od davnina su naši preci pokušavali shvatiti principe formiranja kozmosa, ali čak ni u modernom svijetu još uvijek nema točnog odgovora na pitanje "kako je nastao svemir". Možda ljudski um nije u stanju pronaći rješenje za tako globalni problem?

Ovu tajnu pokušali su shvatiti znanstvenici različitih razdoblja iz cijele Zemlje. Sva teorijska objašnjenja temelje se na pretpostavkama i izračunima. Brojne hipoteze koje su iznijeli znanstvenici osmišljene su kako bi stvorile ideju o Svemiru i objasnile nastanak njegove velike strukture, kemijskih elemenata i opisali kronologiju nastanka.

Teorija struna

Donekle pobija Veliki prasak kao početni trenutak nastanka elemenata svemira. Prema svemiru je oduvijek postojao. Hipoteza opisuje interakciju i strukturu materije, gdje postoji određeni skup čestica, koje se dijele na kvarkove, bozone i leptone. Jednostavno rečeno, ovi elementi su osnova svemira, budući da je njihova veličina toliko mala da je podjela na druge komponente postala nemoguća.

Posebnost teorije o tome kako je svemir nastao je tvrdnja o gore spomenutim česticama, koje su ultramikroskopske žice koje neprestano vibriraju. Pojedinačno, oni nemaju materijalni oblik, budući da su energija koja zajedno stvara sve fizičke elemente kozmosa. Primjer u ovoj situaciji je vatra: gledajući je, čini se da je materija, ali je nematerijalna.

Veliki prasak - prva znanstvena hipoteza

Autor ove pretpostavke bio je astronom Edwin Hubble, koji je 1929. primijetio da se galaksije postupno udaljuju jedna od druge. Teorija kaže da sadašnji veliki svemir potječe od čestice mikroskopske veličine. Budući elementi svemira bili su u jedinstvenom stanju, u kojem je bilo nemoguće dobiti podatke o tlaku, temperaturi ili gustoći. Zakoni fizike u takvim uvjetima ne utječu na energiju i materiju.

Uzrok Velikog praska je nestabilnost koja je nastala unutar čestice. Neka vrsta krhotina, šireći se u svemiru, formirala je maglicu. S vremenom su ti sićušni elementi formirali atome iz kojih su nastale galaksije, zvijezde i planeti svemira kakve danas poznajemo.

Kozmička inflacija

Ova teorija o rođenju svemira kaže da je moderni svijet izvorno bio postavljen na beskonačno malu točku u stanju singularnosti, koja se počela širiti nevjerojatnom brzinom. Nakon vrlo kratkog vremenskog razdoblja, njegovo povećanje je već premašilo brzinu svjetlosti. Taj je proces nazvan "inflacija".

Glavni zadatak hipoteze nije objasniti kako je svemir nastao, već razloge njegovog širenja i koncept kozmičke singularnosti. Kao rezultat rada na ovoj teoriji, postalo je jasno da su za rješavanje ovog problema primjenjivi samo izračuni i rezultati temeljeni na teorijskim metodama.

kreacionizam

Ova teorija je dugo dominirala sve do kraja 19. stoljeća. Prema kreacionizmu, organski svijet, čovječanstvo, Zemlju i veći svemir u cjelini stvorio je Bog. Hipoteza je nastala među znanstvenicima koji nisu pobijali kršćanstvo kao objašnjenje za povijest svemira.

Kreacionizam je glavni neprijatelj evolucije. Sva priroda, stvorena od Boga za šest dana, koju vidimo svaki dan, izvorno je bila takva i ostala je nepromijenjena do danas. Odnosno, samorazvoj kao takav nije postojao.

Početkom 20. stoljeća počinje ubrzanje akumulacije znanja iz područja fizike, astronomije, matematike i biologije. Uz pomoć novih informacija, znanstvenici opetovano pokušavaju objasniti kako je nastao svemir, potiskujući tako kreacionizam u drugi plan. U suvremenom svijetu ova teorija je poprimila oblik filozofskog pokreta, koji se sastoji od religije kao osnove, kao i mitova, činjenica pa čak i znanstvenog znanja.

Antropski princip Stephena Hawkinga

Njegova se hipoteza u cjelini može opisati u nekoliko riječi: ne postoje slučajni događaji. Naša Zemlja danas ima više od 40 karakteristika bez kojih život na planeti ne bi postojao.

Američki astrofizičar H. Ross procijenio je vjerojatnost slučajnih događaja. Kao rezultat toga, znanstvenik je dobio brojku 10 sa stupnjem -53 (ako je posljednja brojka manja od 40, slučaj se smatra nemogućim).

Svemir koji se može promatrati sadrži trilijun galaksija i svaka od njih sadrži otprilike 100 milijardi zvijezda. Na temelju toga, broj planeta u Svemiru je 10 na dvadesetu potenciju, što je 33 reda veličine manje nego u prethodnom izračunu. Posljedično, u cijelom prostoru ne postoje tako jedinstvena mjesta s uvjetima kao na Zemlji, koja bi omogućila spontani nastanak života.

Veličina i raznolikost okolnog svijeta može zadiviti svaku maštu. Svi predmeti i predmeti koji okružuju osobu, druge ljude, razne vrste biljaka i životinja, čestice koje se mogu vidjeti samo mikroskopom, kao i nerazumljiva zvjezdana jata: sve ih ujedinjuje koncept "Svemira".

Teorije o podrijetlu svemira čovjek je dugo razvijao. Unatoč nepostojanju čak ni početnog koncepta religije ili znanosti, u znatiželjnim umovima starih ljudi postavljala su se pitanja o principima svjetskog poretka i o položaju osobe u prostoru koji ga okružuje. Koliko teorija o nastanku Svemira danas postoji, teško je izbrojati, neke od njih proučavaju vodeći svjetski poznati znanstvenici, druge su iskreno fantastične.

Kozmologija i njezin predmet

Moderna kozmologija - znanost o strukturi i razvoju svemira - smatra pitanje njegova nastanka jednom od najzanimljivijih i još uvijek nedovoljno proučavanih misterija. Priroda procesa koji su pridonijeli nastanku zvijezda, galaksija, solarnih sustava i planeta, njihov razvoj, izvor izgleda svemira, kao i njegova veličina i granice: sve je to samo kratki popis proučavanih problema od strane modernih znanstvenika.

Potraga za odgovorima na temeljnu zagonetku o formiranju svijeta dovela je do činjenice da danas postoje različite teorije o nastanku, postojanju, razvoju Svemira. Opravdano je uzbuđenje stručnjaka koji traže odgovore, konstruiraju i testiraju hipoteze, jer će pouzdana teorija rođenja svemira otkriti cijelom čovječanstvu vjerojatnost postojanja života u drugim sustavima i planetima.

Teorije o nastanku Svemira imaju karakter znanstvenih koncepata, pojedinačnih hipoteza, religijskih učenja, filozofskih ideja i mitova. Svi su uvjetno podijeljeni u dvije glavne kategorije:

1. Teorije prema kojima je svemir stvorio stvoritelj. Drugim riječima, njihova je suština da je proces stvaranja Univerzuma bio svjesno i produhovljeno djelovanje, manifestacija volje
2. Teorije o podrijetlu Svemira, izgrađene na temelju znanstvenih čimbenika. Njihovi postulati kategorički odbacuju i postojanje stvoritelja i mogućnost svjesnog stvaranja svijeta. Takve se hipoteze često temelje na onome što se naziva principom osrednjosti. Oni pretpostavljaju vjerojatnost postojanja života ne samo na našoj planeti, već i na drugima.

Kreacionizam - teorija stvaranja svijeta od strane Stvoritelja

Kao što ime govori, kreacionizam (kreacija) je religiozna teorija o nastanku svemira. Ovaj svjetonazor temelji se na konceptu stvaranja svemira, planeta i čovjeka od strane Boga ili Stvoritelja.

Ideja je bila dominantna dugo vremena, sve do kraja 19. stoljeća, kada se ubrzao proces akumulacije znanja u različitim područjima znanosti (biologija, astronomija, fizika), a evolucijska teorija je postala široko rasprostranjena. Kreacionizam je postao svojevrsna reakcija kršćana koji se drže konzervativnih stajališta o otkrićima. Dominantna ideja u to vrijeme samo je pojačala proturječja između religijskih i drugih teorija.

Kako se znanstvene i religijske teorije razlikuju

Glavne razlike između teorija različitih kategorija leže prvenstveno u terminima koje koriste njihovi pristaše. Dakle, u znanstvenim hipotezama umjesto tvorca - priroda, a umjesto stvaranja - podrijetlo. Uz to, postoje pitanja koja su na sličan način pokrivena različitim teorijama ili čak potpuno duplicirana.

Teorije o nastanku svemira, koje pripadaju suprotnim kategorijama, različito datiraju sam njegov izgled. Primjerice, prema najčešćoj hipotezi (teoriji velikog praska), svemir je nastao prije oko 13 milijardi godina.

Nasuprot tome, religijska teorija o podrijetlu svemira daje potpuno drugačije brojeve:

• Prema kršćanskim izvorima, starost svemira koji je stvorio Bog u vrijeme rođenja Isusa Krista bila je 3483-6984 godine.
• Hinduizam sugerira da je naš svijet star otprilike 155 bilijuna godina.

Kant i njegov kozmološki model

Sve do 20. stoljeća većina znanstvenika je bila mišljenja da je svemir beskonačan. Ovom kvalitetom karakterizirali su vrijeme i prostor. Osim toga, po njihovom mišljenju, Svemir je bio statičan i homogen.

Ideju o beskonačnosti svemira u svemiru iznio je Isaac Newton. Razvojem ove pretpostavke bavio se, koji je razvio i teoriju o nepostojanju vremenskih granica. Idući dalje, u teorijskim pretpostavkama, Kant je proširio beskonačnost svemira na broj mogućih bioloških proizvoda. Ovaj postulat je značio da u uvjetima drevnog i golemog svijeta bez kraja i početka može postojati bezbroj mogućih opcija, uslijed kojih je pojava bilo koje biološke vrste stvarna.

Na temelju mogućeg nastanka životnih oblika kasnije je razvijena Darwinova teorija. Promatranja zvjezdanog neba i rezultati proračuna astronoma potvrdili su Kantov kozmološki model.

Einsteinove refleksije

Početkom 20. stoljeća Albert Einstein je objavio vlastiti model svemira. Prema njegovoj teoriji relativnosti, u Svemiru se istodobno događaju dva suprotna procesa: širenje i kontrakcija. No, složio se s mišljenjem većine znanstvenika o stacionarnosti Svemira, pa je uveo pojam kozmičke odbojne sile. Njegov učinak je osmišljen kako bi uravnotežio privlačnost zvijezda i zaustavio proces kretanja svih nebeskih tijela kako bi se očuvala statičnost Svemira.

Model svemira – prema Einsteinu – ima određenu veličinu, ali nema granica. Ova kombinacija je izvediva samo kada je prostor zakrivljen na isti način kao što se događa u sferi.

Karakteristike prostora takvog modela su:

• Trodimenzionalnost.
• Zatvarajući se.
• Ujednačenost (nedostatak središta i ruba) u kojoj su galaksije ravnomjerno smještene.

A. A. Fridman: Svemir se širi

Tvorac revolucionarnog modela svemira koji se širi, A. A. Fridman (SSSR) izgradio je svoju teoriju na temelju jednadžbi koje karakteriziraju opću teoriju relativnosti. Istina, općeprihvaćeno mišljenje u ondašnjem znanstvenom svijetu bilo je statičnost našeg svijeta, stoga njegovom radu nije posvećena dužna pažnja.

Nekoliko godina kasnije, astronom Edwin Hubble došao je do otkrića koje je potvrdilo Friedmanove ideje. Otkrivena je udaljenost galaksija od obližnje Mliječne staze. Istodobno, činjenica da brzina njihova kretanja ostaje proporcionalna udaljenosti između njih i naše galaksije postala je nepobitna.

Ovo otkriće objašnjava konstantno "raspršenje" zvijezda i galaksija u odnosu jedne na drugu, što dovodi do zaključka o širenju svemira.

U konačnici, Friedmanove zaključke prepoznao je Einstein; kasnije je spomenuo zasluge sovjetskog znanstvenika kao utemeljitelja hipoteze o širenju svemira.

Ne može se reći da postoje proturječnosti između ove teorije i opće teorije relativnosti, međutim, tijekom širenja Svemira morao je postojati početni impuls koji je izazvao raspršivanje zvijezda. Po analogiji s eksplozijom, ideja se naziva "Veliki prasak".

Stephen Hawking i antropski princip

Antropocentrična teorija nastanka svemira rezultat je proračuna i otkrića Stephena Hawkinga. Njegov tvorac tvrdi da postojanje planeta tako dobro pripremljenog za ljudski život ne može biti slučajno.

Teorija o nastanku Svemira Stephena Hawkinga također predviđa postupno isparavanje crnih rupa, njihov gubitak energije i emisiju Hawkingovog zračenja.

Kao rezultat potrage za dokazima, identificirano je i provjereno više od 40 karakteristika čije je poštivanje neophodno za razvoj civilizacije. Američki astrofizičar Hugh Ross procijenio je vjerojatnost takve nenamjerne slučajnosti. Rezultat je bio 10 -53.

Naš svemir uključuje trilijun galaksija, od kojih svaka ima 100 milijardi zvijezda. Prema proračunima znanstvenika, ukupan broj planeta trebao bi biti 10 20. Ova brojka je 33 reda veličine manja od prethodno izračunatog. Posljedično, niti jedan od planeta u svim galaksijama ne može kombinirati uvjete koji bi bili prikladni za spontani nastanak života.

Teorija velikog praska: Nastanak svemira iz male čestice

Znanstvenici koji podržavaju teoriju velikog praska dijele hipotezu da je svemir posljedica velike eksplozije. Glavni postulat teorije je tvrdnja da su prije ovog događaja svi elementi sadašnjeg Svemira bili zatvoreni u česticu mikroskopske veličine. Unutar njega elementi su bili karakterizirani jedinstvenim stanjem u kojem se ne mogu mjeriti pokazatelji poput temperature, gustoće i tlaka. Oni su beskrajni. Na materiju i energiju u ovom stanju ne utječu zakoni fizike.

Ono što se dogodilo prije 15 milijardi godina zove se nestabilnost koja je nastala unutar čestice. Razbacani najmanji elementi postavili su temelje za svijet kakav danas poznajemo.

U početku je svemir bio maglica koju su činile najmanje čestice (manje od atoma). Zatim su, kada su se spojili, formirali atome, koji su služili kao osnova zvjezdanih galaksija. Odgovor na pitanja o tome što se dogodilo prije eksplozije, kao i što ju je izazvalo, najvažniji su zadaci ove teorije o nastanku Svemira.

Tablica shematski prikazuje faze formiranja svemira nakon velikog praska.

Kao što slijedi iz gornjih podataka, Svemir se nastavlja širiti i hladiti.

Stalno povećanje udaljenosti između galaksija glavni je postulat: ono što čini teoriju velikog praska drugačijom. Nastanak svemira na ovaj način može se potvrditi pronađenim dokazima. Postoje i razlozi za pobijanje.

Problemi teorije

S obzirom da teorija velikog praska nije dokazana u praksi, ne čudi da postoji nekoliko pitanja na koja ne može odgovoriti:

1. Singularnost. Ova riječ označava stanje Svemira, komprimirano na jednu točku. Problem teorije velikog praska je nemogućnost opisa procesa koji se odvijaju u materiji i prostoru u takvom stanju. Opći zakon relativnosti ovdje nije primjenjiv, pa je nemoguće sastaviti matematički opis i jednadžbe za modeliranje.
   Temeljna nemogućnost dobivanja odgovora na pitanje o izvornom stanju Svemira diskreditira teoriju od samog početka. Njezina popularno-znanstvena izlaganja radije ignoriraju ili spominju samo usputno ovu složenost. Međutim, za znanstvenike koji rade na pružanju matematičke osnove za teoriju velikog praska, ova se poteškoća prepoznaje kao velika prepreka.
2. Astronomija. U ovom području teorija velikog praska suočava se s činjenicom da ne može opisati proces nastanka galaksija. Na temelju modernih verzija teorija, moguće je predvidjeti kako se pojavljuje homogeni oblak plina. Štoviše, njegova bi gustoća do sada trebala biti oko jedan atom po kubnom metru. Da bi se dobilo nešto više, ne može se učiniti bez prilagođavanja početnog stanja Svemira. Nedostatak informacija i praktičnog iskustva u ovom području postaju ozbiljne prepreke daljnjem modeliranju.

Također postoji neslaganje u pokazateljima izračunate mase naše galaksije i onih podataka koji su dobiveni proučavanjem brzine njezina privlačenja prema Očigledno je težina naše galaksije deset puta veća nego što se prethodno pretpostavljalo.

Kozmologija i kvantna fizika

Danas ne postoje kozmološke teorije koje se ne oslanjaju na kvantnu mehaniku. Uostalom, ona se bavi opisom ponašanja atoma i Razlika između kvantne fizike i klasične (koju je postavio Newton) je u tome što druga promatra i opisuje materijalne objekte, a prva pretpostavlja isključivo matematički opis promatranja i mjerenja. sebe. Za kvantnu fiziku materijalne vrijednosti nisu predmet istraživanja, ovdje sam promatrač djeluje kao dio proučavane situacije.

Na temelju ovih značajki, kvantna mehanika ima poteškoća u opisivanju Svemira, jer je promatrač dio Svemira. Međutim, govoreći o nastanku svemira, nemoguće je zamisliti vanjske promatrače. Pokušaji razvoja modela bez sudjelovanja vanjskog promatrača okrunjeni su kvantnom teorijom nastanka Svemira J. Wheelera.

Njegova je bit da se u svakom trenutku svemir dijeli i stvara beskonačan broj kopija. Kao rezultat, svaki od paralelnih svemira može se promatrati, a promatrači mogu vidjeti sve kvantne alternative. Štoviše, izvorni i novi svijet su stvarni.

Inflatorni model

Glavni zadatak koji teorija inflacije treba riješiti je pronaći odgovor na pitanja koja su ostala neotkrivena teorijom velikog praska i teorijom ekspanzije. Naime:

1. Zašto se svemir širi?
2. Što je Veliki prasak?

U tu svrhu inflacijska teorija nastanka Svemira predviđa ekstrapolaciju širenja na nultu točku u vremenu, zatvaranje cijele mase svemira u jednu točku i formiranje kozmološke singularnosti, što je često zove veliki prasak.

Postaje očita irelevantnost opće teorije relativnosti, koja se u ovom trenutku ne može primijeniti. Kao rezultat, samo se teorijske metode, proračuni i zaključci mogu primijeniti za razvoj općenitije teorije (ili "nove fizike") i za rješavanje problema kozmološke singularnosti.

Nove alternativne teorije

Unatoč uspjehu modela kozmičke inflacije, postoje znanstvenici koji mu se protive, nazivajući ga neodrživim. Njihov glavni argument je kritika rješenja koja predlaže teorija. Protivnici tvrde da u dobivenim rješenjima nedostaju neki detalji, drugim riječima, umjesto rješavanja problema početnih vrijednosti, teorija ih samo vješto prekriva.

Nekoliko egzotičnih teorija postaje alternativa, čija se ideja temelji na formiranju početnih vrijednosti prije velikog praska. Nove teorije o nastanku svemira mogu se ukratko opisati na sljedeći način:

• Teorija struna. Njegovi sljedbenici predlažu da se, uz uobičajene četiri dimenzije prostora i vremena, uvedu dodatne dimenzije. Oni bi mogli igrati ulogu u ranim fazama svemira, a trenutno biti u zbijenom stanju. Odgovarajući na pitanje o razlogu njihove kompaktifikacije, znanstvenici predlažu odgovor da je svojstvo superstruna T-dualnost. Stoga se strune "namotaju" na dodatne dimenzije i njihova veličina je ograničena.
• Teorija Bran. Naziva se i M-teorija. U skladu sa svojim postulatima, na početku formiranja Svemira postoji hladni statični petodimenzionalni prostor-vrijeme. Četiri od njih (prostorna) imaju ograničenja, odnosno zidovi su tribrane. Naš prostor je jedan od zidova, a drugi je skriven. Treća tribrana smještena je u četverodimenzionalni prostor, omeđena je dvjema graničnim branama. Teorija razmatra sudar treće brane s našom i oslobađanje velike količine energije. Upravo ti uvjeti postaju povoljni za pojavu velikog praska.

1. Ciklične teorije poriču jedinstvenost Velikog praska, tvrdeći da se svemir kreće iz jednog stanja u drugo. Problem takvih teorija je povećanje entropije, prema drugom zakonu termodinamike. Posljedično, trajanje prethodnih ciklusa bilo je kraće, a temperatura tvari znatno viša nego u velikoj eksploziji. To je vrlo malo vjerojatno.

Bez obzira na to koliko teorija o nastanku svemira postoji, samo dvije od njih su izdržale test vremena i prevladale problem sve veće entropije. Razvili su ih znanstvenici Steinhardt-Türk i Baum-Frampton.

Ove relativno nove teorije o nastanku svemira iznesene su 80-ih godina prošlog stoljeća. Imaju mnogo sljedbenika koji na temelju toga razvijaju modele, traže dokaze o pouzdanosti i rade na otklanjanju proturječnosti.

Teorija struna

Jedna od najpopularnijih među teorijama o podrijetlu svemira - Prije nego što pređemo na opis njegove ideje, potrebno je razumjeti koncepte jednog od najbližih konkurenata, standardnog modela. Ona sugerira da se materija i interakcije mogu opisati kao specifičan skup čestica, podijeljenih u nekoliko skupina:

• kvarkovi.
• Leptoni.
• bozoni.

Te su čestice, zapravo, građevni blokovi svemira, budući da su toliko male da se ne mogu podijeliti na komponente.

Posebnost teorije struna je tvrdnja da takve cigle nisu čestice, već ultramikroskopske žice koje vibriraju. U tom slučaju, vibrirajući na različitim frekvencijama, žice postaju analozi raznih čestica opisanih u standardnom modelu.

Da bismo razumjeli teoriju, treba shvatiti da žice nisu nikakva materija, one su energija. Posljedično, teorija struna zaključuje da su svi elementi svemira napravljeni od energije.

Vatra je dobra analogija. Kad ga pogledate, stječete dojam njegove materijalnosti, ali ga se ne može dirati.

Kozmologija za školarce

Teorije o nastanku svemira ukratko se proučavaju u školama na satovima astronomije. Učenicima se opisuju osnovne teorije o tome kako je nastao naš svijet, što se s njim sada događa i kako će se razvijati u budućnosti.

Svrha lekcije je upoznati djecu s prirodom nastanka elementarnih čestica, kemijskih elemenata i nebeskih tijela. Teorije o nastanku svemira za djecu svode se na prikaz teorije velikog praska. Učitelji koriste vizualni materijal: slajdove, tablice, postere, ilustracije. Njihova glavna zadaća je probuditi interes djece za svijet koji ih okružuje.