كيف ظهر الكون: المناهج والإصدارات العلمية. نظريات نشأة الكون ونماذجه كيف خلق الكون

كيف تحولت إلى مساحة لا نهاية لها على ما يبدو؟ وماذا سيصبح بعد ملايين ومليارات السنين؟ لقد عذبت هذه الأسئلة (وما زالت تعذب) عقول الفلاسفة والعلماء، ويبدو أنها أدت منذ بداية الزمن إلى ظهور العديد من النظريات المثيرة للاهتمام وحتى المجنونة في بعض الأحيان.

اليوم، توصل معظم علماء الفلك وعلماء الكون إلى اتفاق عام على أن الكون كما نعرفه كان نتيجة لانفجار هائل لم يخلق الجزء الأكبر من المادة فحسب، بل كان مصدرًا للقوانين الفيزيائية الأساسية التي بموجبها الكون الذي يحيط بنا موجود. كل هذا يسمى نظرية الانفجار الكبير.

أساسيات نظرية الانفجار الكبير بسيطة نسبيا. وهكذا، باختصار، وفقا له، فإن كل المادة التي كانت موجودة وتوجد الآن في الكون ظهرت في نفس الوقت - منذ حوالي 13.8 مليار سنة. في تلك اللحظة من الزمن، كانت كل المادة موجودة على شكل كرة (أو نقطة) مجردة مدمجة للغاية ذات كثافة ودرجة حرارة لا نهائية. هذه الحالة كانت تسمى التفرد. وفجأة، بدأت المتفردة في التوسع وأنجبت الكون الذي نعرفه.

ومن الجدير بالذكر أن نظرية الانفجار الأعظم ليست سوى واحدة من العديد من الفرضيات المقترحة لأصل الكون (على سبيل المثال، هناك أيضًا نظرية الكون الثابت)، لكنها حظيت بأكبر قدر من الاعتراف والشعبية. فهو لا يشرح فقط مصدر كل المادة المعروفة، وقوانين الفيزياء، والبنية الأكبر للكون، بل يصف أيضًا أسباب توسع الكون والعديد من الجوانب والظواهر الأخرى.

التسلسل الزمني للأحداث في نظرية الانفجار الكبير.

واستنادا إلى معرفة الحالة الراهنة للكون، يفترض العلماء أن كل شيء يجب أن يكون قد بدأ من نقطة واحدة ذات كثافة لا نهائية وزمن محدود، والتي بدأت في التوسع. وتقول النظرية إنه بعد التوسع الأولي، مر الكون بمرحلة تبريد سمحت بظهور جسيمات دون ذرية وذرات بسيطة لاحقًا. وبدأت السحب العملاقة لهذه العناصر القديمة فيما بعد، بفضل الجاذبية، في تكوين النجوم والمجرات.

وكل هذا، بحسب العلماء، بدأ منذ حوالي 13.8 مليار سنة، وبالتالي تعتبر نقطة البداية هذه هي عمر الكون. ومن خلال استكشاف المبادئ النظرية المختلفة، وإجراء تجارب تتضمن مسرعات الجسيمات وحالات الطاقة العالية، وإجراء دراسات فلكية لأقاصي الكون، استنتج العلماء واقترحوا تسلسلًا زمنيًا للأحداث التي بدأت مع الانفجار الأعظم وأدت إلى الكون في نهاية المطاف. تلك حالة التطور الكوني التي تحدث الآن.

ويعتقد العلماء أن الفترات الأولى لنشأة الكون -التي استمرت من 10-43 إلى 10-11 ثانية بعد الانفجار الكبير- لا تزال محل جدل ونقاش. انتباه! فقط إذا أخذنا في الاعتبار أن قوانين الفيزياء التي نعرفها الآن لا يمكن أن تكون موجودة في ذلك الوقت، فمن الصعب جدًا فهم كيفية تنظيم العمليات في هذا الكون المبكر. بالإضافة إلى ذلك، لم يتم بعد إجراء تجارب باستخدام أنواع الطاقات المحتملة التي يمكن أن تكون موجودة في ذلك الوقت. وأيًا كان الأمر، فإن العديد من النظريات حول أصل الكون تتفق في النهاية على أنه في وقت ما كانت هناك نقطة بداية بدأ منها كل شيء.

عصر التفرد.

تُعرف أيضًا باسم عصر بلانك (أو عصر بلانك)، ويُعتقد أنها أقدم فترة معروفة في تطور الكون. في هذا الوقت، كانت كل المادة موجودة في نقطة واحدة ذات كثافة ودرجة حرارة لا نهائية. خلال هذه الفترة، يعتقد العلماء أن التأثيرات الكمومية لتفاعلات الجاذبية هيمنت على التأثيرات الفيزيائية، ولم تكن هناك قوة فيزيائية مساوية في القوة للجاذبية.

من المفترض أن عصر بلانك استمر من 0 إلى 10-43 ثانية، وسمي بهذا الاسم لأنه لا يمكن قياس مدته إلا بتوقيت بلانك. وبسبب درجات الحرارة القصوى والكثافة اللانهائية للمادة، كانت حالة الكون خلال هذه الفترة الزمنية غير مستقرة للغاية. وأعقب ذلك فترات من التمدد والتبريد أدت إلى ظهور القوى الأساسية للفيزياء.

في الفترة من 10-43 إلى 10-36 ثانية تقريبًا، حدثت عملية تصادم لحالات درجة الحرارة الانتقالية في الكون. ويعتقد أنه في هذه المرحلة بدأت القوى الأساسية التي تحكم الكون الحالي في الانفصال عن بعضها البعض. وكانت الخطوة الأولى لهذا الانفصال هي ظهور قوى الجاذبية والتفاعلات النووية القوية والضعيفة والكهرومغناطيسية.

وفي الفترة من حوالي 10-36 إلى 10-32 ثانية بعد الانفجار الأعظم أصبحت درجة حرارة الكون منخفضة بدرجة كافية (1028 كلفن)، مما أدى إلى انفصال القوى الكهرومغناطيسية (القوة القوية) والقوة النووية الضعيفة ( القوة الضعيفة).

عصر التضخم.

ومع ظهور القوى الأساسية الأولى في الكون، بدأ عصر التضخم الذي استمر من 10-32 ثانية في زمن بلانك إلى نقطة زمنية غير معروفة. تشير معظم النماذج الكونية إلى أن الكون خلال هذه الفترة كان مليئًا بشكل موحد بالطاقة عالية الكثافة، وأن درجات الحرارة والضغوط المرتفعة بشكل لا يصدق تسببت في توسعه وتبريده بسرعة.

بدأ ذلك عند 10-37 ثانية، عندما أعقب المرحلة الانتقالية التي تسببت في فصل القوى توسع هائل للكون. خلال نفس الفترة الزمنية، كان الكون في حالة من تكوين الباريونات، عندما كانت درجة الحرارة مرتفعة جدًا لدرجة أن الحركة العشوائية للجسيمات في الفضاء حدثت بسرعة قريبة من سرعة الضوء.

في هذا الوقت، تتشكل أزواج من الجسيمات - الجسيمات المضادة وتتصادم وتتدمر على الفور، وهو ما يُعتقد أنه أدى إلى هيمنة المادة على المادة المضادة في الكون الحديث. بعد توقف التضخم، كان الكون يتكون من بلازما كوارك غلوون وجسيمات أولية أخرى. منذ تلك اللحظة بدأ الكون يبرد، وبدأت المادة تتشكل وتتحد.

عصر التبريد.

ومع انخفاض الكثافة ودرجة الحرارة داخل الكون، بدأت الطاقة في كل جسيم في الانخفاض. واستمرت هذه الحالة الانتقالية حتى وصلت القوى الأساسية والجسيمات الأولية إلى شكلها الحالي. وبما أن طاقة الجسيمات انخفضت إلى القيم التي يمكن تحقيقها اليوم في التجارب، فإن الوجود الفعلي المحتمل لهذه الفترة الزمنية أقل إثارة للجدل بين العلماء.

على سبيل المثال، يعتقد العلماء أنه بعد 10-11 ثانية من الانفجار الأعظم، انخفضت طاقة الجزيئات بشكل ملحوظ. في حوالي 10-6 ثوان، بدأت الكواركات والجلونات في تشكيل الباريونات - البروتونات والنيوترونات. بدأت الكواركات بالهيمنة على الكواركات المضادة، مما أدى بدوره إلى هيمنة الباريونات على مضادات الباريونات.

نظرًا لأن درجة الحرارة لم تعد مرتفعة بما يكفي لإنشاء أزواج جديدة من البروتون والبروتون المضاد (أو أزواج نيوترون ومضاد النيوترونات)، فقد تبع ذلك تدمير هائل لهذه الجسيمات، مما أدى إلى ما تبقى من 1/1010 فقط من عدد البروتونات والنيوترونات الأصلية والكامل. اختفاء جسيماتها المضادة. وحدثت عملية مماثلة بعد حوالي ثانية واحدة من الانفجار الأعظم. فقط "الضحايا" هذه المرة كانوا الإلكترونات والبوزيترونات. بعد الدمار الشامل، توقفت البروتونات والنيوترونات والإلكترونات المتبقية عن حركتها العشوائية، وامتلأت كثافة طاقة الكون بالفوتونات، وبدرجة أقل بالنيوترينوات.

خلال الدقائق الأولى من توسع الكون، بدأت فترة التخليق النووي (تخليق العناصر الكيميائية)، مع انخفاض درجة الحرارة إلى مليار كلفن وانخفاض كثافة الطاقة إلى قيم تعادل تقريبًا قيم الهواء والنيوترونات والهواء. بدأت البروتونات تمتزج لتشكل أول نظير مستقر للهيدروجين (الديوتيريوم)، وذرات الهيليوم، إلا أن معظم البروتونات في الكون ظلت كنواة منفصلة لذرات الهيدروجين.

وبعد حوالي 379000 سنة، اتحدت الإلكترونات مع نوى الهيدروجين لتكوين الذرات (مرة أخرى الهيدروجين في الغالب)، في حين انفصل الإشعاع عن المادة واستمر في التوسع دون عوائق تقريبًا عبر الفضاء. ويسمى هذا الإشعاع إشعاع الخلفية الكونية الميكروي، وهو أقدم مصدر للضوء في الكون.

مع التوسع، فقدت CMB كثافتها وطاقتها تدريجيًا، وفي الوقت الحالي تبلغ درجة حرارتها 2.7260 0.0013 كلفن (- 270.424 درجة مئوية)، وكثافة الطاقة 0.25 فولت (أو 4.005×10-14 جول/م؛ 400-500 فوتون). /سم يمتد الإشعاع CMB في جميع الاتجاهات وعلى مسافة حوالي 13.8 مليار سنة ضوئية، ولكن تقدير توزيعه الفعلي هو حوالي 46 مليار سنة ضوئية من مركز الكون.

عصر الهيكل (عصر التسلسل الهرمي).

وعلى مدى مليارات السنين القليلة التالية، بدأت المناطق الأكثر كثافة من المادة والموزعة بالتساوي تقريبًا في جميع أنحاء الكون في جذب بعضها البعض. ونتيجة لذلك، أصبحت أكثر كثافة وبدأت في تشكيل سحب من الغاز والنجوم والمجرات وغيرها من الهياكل الفلكية التي يمكننا ملاحظتها اليوم. هذه الفترة تسمى العصر الهرمي. وفي هذا الوقت بدأ الكون الذي نراه الآن يأخذ شكله. بدأت المادة تتحد في هياكل ذات أحجام مختلفة - النجوم والكواكب والمجرات وعناقيد المجرات، بالإضافة إلى العناقيد المجرية الفائقة، مفصولة بجسور بين المجرات تحتوي على عدد قليل فقط من المجرات.

ويمكن وصف تفاصيل هذه العملية بحسب فكرة كمية ونوع المادة الموزعة في الكون، والتي تتمثل في المادة المظلمة الباردة والدافئة والساخنة والمادة الباريونية. ومع ذلك، فإن النموذج الكوني القياسي الحالي للانفجار الأعظم هو نموذج لامدا-سي دي إم، والذي بموجبه تتحرك جسيمات المادة المظلمة بشكل أبطأ من سرعة الضوء. وقد تم اختياره لأنه يحل جميع التناقضات التي ظهرت في النماذج الكونية الأخرى.

وفقًا لهذا النموذج، تمثل المادة المظلمة الباردة حوالي 23% من إجمالي المادة/الطاقة في الكون. وتبلغ نسبة المادة الباريونية حوالي 4.6 بالمئة. لامبدا - CDM تشير إلى ما يسمى بالثابت الكوني: وهي نظرية اقترحها ألبرت أينشتاين تصف خصائص الفراغ وتظهر علاقة التوازن بين الكتلة والطاقة ككمية ثابتة ثابتة. وفي هذه الحالة، يرتبط بالطاقة المظلمة، التي تعمل كمسرّع لتوسع الكون وتحافظ على تجانس الهياكل الكونية العملاقة إلى حد كبير.

توقعات طويلة المدى بشأن مستقبل الكون.

من الطبيعي أن تقود الفرضيات القائلة بأن تطور الكون له نقطة بداية العلماء إلى تساؤلات حول نقطة النهاية المحتملة لهذه العملية. فقط إذا بدأ الكون تاريخه من نقطة صغيرة ذات كثافة لا نهائية، والتي بدأت فجأة في التوسع، فهذا لا يعني أنه سوف يتوسع أيضًا إلى أجل غير مسمى، أو في يوم من الأيام سوف تنفد قوة التمدد وستبدأ عملية الضغط العكسية والنتيجة النهائية التي ستظل هي نفس النقطة ذات الكثافة اللانهائية؟

لقد كانت الإجابة على هذه الأسئلة هي الهدف الرئيسي لعلماء الكونيات منذ بداية الجدل حول النموذج الكوني الصحيح للكون. مع قبول نظرية الانفجار الأعظم، ولكن بفضل رصد الطاقة المظلمة في التسعينيات، توصل العلماء إلى إجماع حول السيناريوهين الأكثر احتمالاً لتطور الكون.

وفقا للأولى، والتي تسمى الانسحاق الكبير، سيصل الكون إلى أقصى حجم له ويبدأ في الانهيار. لن يكون هذا السيناريو ممكنًا إلا إذا أصبحت كثافة كتلة الكون أكبر من الكثافة الحرجة نفسها. بمعنى آخر، إذا وصلت كثافة المادة أو ارتفعت فوق قيمة معينة (1-3x10-26 كجم من المادة لكل متر)، فسيبدأ الكون في الانكماش.

والبديل هو سيناريو آخر، ينص على أنه إذا كانت الكثافة في الكون تساوي أو تقل عن قيمة الكثافة الحرجة، فإن توسعها سوف يتباطأ، لكنه لن يتوقف تمامًا. ووفقا لهذه الفرضية، التي تسمى "الموت الحراري للكون"، فإن التوسع سيستمر حتى يتوقف تكوين النجوم عن استهلاك الغاز بين النجوم داخل كل من المجرات المحيطة. أي أن نقل الطاقة والمادة من جسم إلى آخر سوف يتوقف تمامًا. جميع النجوم الموجودة في هذه الحالة سوف تحترق وتتحول إلى أقزام بيضاء ونجوم نيوترونية وثقوب سوداء.

وتدريجيًا، سوف تصطدم الثقوب السوداء بثقوب سوداء أخرى، مما يؤدي إلى تكوين ثقوب أكبر وأكبر. متوسط درجة حرارة الكون سيقترب من الصفر المطلق. في النهاية، سوف "تتبخر" الثقوب السوداء، مُطلقة آخر إشعاعاتها الصقرية. في نهاية المطاف، ستصل الإنتروبيا الديناميكية الحرارية في الكون إلى الحد الأقصى. سيحدث الموت الحراري.

إن الملاحظات الحديثة التي تأخذ في الاعتبار وجود الطاقة المظلمة وتأثيرها على توسع الفضاء دفعت العلماء إلى استنتاج أنه مع مرور الوقت، سوف يمر المزيد والمزيد من الكون إلى ما بعد أفق الحدث لدينا ويصبح غير مرئي بالنسبة لنا. والنتيجة النهائية والمنطقية لذلك ليست معروفة للعلماء بعد، لكن "الموت الحراري" قد يكون نقطة النهاية لمثل هذه الأحداث.

وهناك فرضيات أخرى تتعلق بتوزيع الطاقة المظلمة، أو بشكل أدق، أنواعها المحتملة (على سبيل المثال، الطاقة الوهمية). ووفقا لها، فإن العناقيد المجرية والنجوم والكواكب والذرات والنواة الذرية والمادة نفسها سوف تتمزق نتيجة لذلك. ويطلق على هذا السيناريو التطوري اسم "التمزق الكبير"، ووفقا لهذا السيناريو فإن سبب موت الكون هو التوسع نفسه.

تاريخ نظرية الانفجار الكبير.

يعود أول ذكر للانفجار الأعظم إلى أوائل القرن العشرين ويرتبط بملاحظات الفضاء. في عام 1912، قام عالم الفلك الأمريكي فيستو سليفر بسلسلة من الملاحظات للمجرات الحلزونية (التي كان يُعتقد في الأصل أنها سدم) وقام بقياس انزياح دوبلر نحو الأحمر. وفي جميع الحالات تقريبًا، أظهرت الملاحظات أن المجرات الحلزونية تبتعد عن مجرتنا درب التبانة.

في عام 1922، اشتق عالم الرياضيات وعالم الكونيات الروسي البارز ألكسندر فريدمان ما يسمى بمعادلات فريدمان من معادلات أينشتاين للنسبية العامة. على الرغم من ترويج أينشتاين لنظرية لصالح الثابت الكوني، فقد أظهر عمل فريدمان أن الكون كان بالأحرى في حالة من التوسع.

في عام 1924، أظهرت قياسات إدوين هابل للمسافة إلى سديم حلزوني قريب أن هذه الأنظمة كانت في الواقع مجرات مختلفة حقًا. في الوقت نفسه، بدأ هابل في تطوير سلسلة من مقاييس طرح المسافة باستخدام تلسكوب هوكر الذي يبلغ قطره 2.5 متر في مرصد جبل ويلسون. بحلول عام 1929، اكتشف هابل علاقة بين المسافة وسرعة انحسار المجرات، والتي أصبحت فيما بعد قانون هابل.

في عام 1927، توصل عالم الرياضيات والفيزياء والكاهن الكاثوليكي البلجيكي جورج لوميتر بشكل مستقل إلى نفس نتائج معادلات فريدمان، وكان أول من صاغ العلاقة بين المسافة وسرعة المجرات، وقدم أول تقدير لمعامل هذه العلاقة. يعتقد ليميتر أنه في مرحلة ما في الماضي كانت كتلة الكون بأكملها مركزة في نقطة واحدة (الذرة.

أثارت هذه الاكتشافات والافتراضات جدلا كبيرا بين علماء الفيزياء في العشرينيات والثلاثينيات، حيث اعتقد معظمهم أن الكون في حالة ثابتة. ووفقا للنموذج الذي تم وضعه في ذلك الوقت، تم إنشاء مادة جديدة مع التوسع اللانهائي للكون، موزعة بالتساوي والمتساوية في الكثافة عبر كامل امتداده. ومن بين العلماء الذين أيدوها، بدت فكرة الانفجار الأعظم عقائدية أكثر منها علمية. تم انتقاد Lemaitre لكونه متحيزًا على أساس التحيزات الدينية.

وتجدر الإشارة إلى وجود نظريات أخرى في نفس الوقت. على سبيل المثال، نموذج ميلن للكون والنموذج الدوري. كلاهما استند إلى مسلمات النظرية النسبية العامة لأينشتاين، وحظيا بعد ذلك بدعم العالم نفسه. ووفقا لهذه النماذج، يوجد الكون في تيار لا نهاية له من دورات التوسع والانهيار المتكررة.

1. عصر التفرد (البلانكي). تعتبر أولية، مثل الفترة التطورية المبكرة للكون. كانت المادة مركزة في نقطة واحدة لها درجة حرارتها وكثافتها اللانهائية. ويرى العلماء أن هذا العصر يتميز بهيمنة التأثيرات الكمومية التابعة لتفاعلات الجاذبية على التأثيرات الفيزيائية، ولم تكن هناك قوة فيزيائية واحدة كانت موجودة في تلك العصور البعيدة تطابق في قوتها الجاذبية، أي لم تكن مساوية لها. تتركز مدة عصر بلانك في النطاق من 0 إلى 10-43 ثانية. لقد حصل على هذا الاسم لأن زمن بلانك وحده هو الذي يمكنه قياس مدى انتشاره بالكامل. تعتبر هذه الفترة الزمنية غير مستقرة للغاية، والتي بدورها ترتبط ارتباطًا وثيقًا بدرجة الحرارة القصوى والكثافة اللامحدودة للمادة. وبعد عصر التفرد، حدثت فترة من التوسع، ومعها التبريد، مما أدى إلى تكوين القوى الفيزيائية الأساسية.

كيف ولد الكون. ولادة باردة

ماذا حدث قبل الكون؟ نموذج للكون "النائم".

"ربما قبل الانفجار الكبير، كان الكون عبارة عن مساحة ثابتة مضغوطة للغاية، تتطور ببطء"، كما يقول فيزيائيون نظريون مثل كيرت هينتربيشلر، وأوستن جويس، وجاستن خوري.

كان يجب أن يكون لهذا الكون "ما قبل الانفجار" حالة شبه مستقرة، أي أن يكون مستقرًا حتى تظهر حالة أكثر استقرارًا. على سبيل القياس، تخيل منحدرًا توجد على حافته صخرة في حالة اهتزاز. وأي اتصال بالجلمود سيؤدي إلى سقوطها في الهاوية أو - وهو الأقرب إلى حالتنا - سيحدث انفجار عظيم. ووفقا لبعض النظريات، يمكن أن يوجد الكون "ما قبل الانفجار" بشكل مختلف، على سبيل المثال، في شكل مساحة مفلطحة وكثيفة للغاية. ونتيجة لذلك، انتهت هذه الفترة غير المستقرة: فقد توسعت بشكل حاد واكتسبت شكل وحالة ما نراه الآن.

يقول كارول: “إن نموذج الكون النائم يعاني أيضًا من مشكلاته”.

"ويفترض أيضًا أن كوننا لديه مستوى منخفض من الإنتروبيا، لكنه لا يفسر سبب ذلك."

ومع ذلك، فإن هينتربيشلر، عالم الفيزياء النظرية في جامعة كيس ويسترن ريزيرف، لا يرى أن ظهور الإنتروبيا المنخفضة يمثل مشكلة.

"نحن ببساطة نبحث عن تفسير للديناميكيات التي حدثت قبل الانفجار الكبير والتي تفسر لماذا نرى ما نراه الآن. يقول هينتربيشلر: "في الوقت الحالي، هذا هو الشيء الوحيد المتبقي لدينا".

ومع ذلك، يعتقد كارول أن هناك نظرية أخرى للكون "ما قبل الانفجار" والتي يمكن أن تفسر انخفاض مستوى الإنتروبيا الموجود في كوننا.

كيف ظهر الكون من لا شيء. كيف يعمل الكون

دعونا نتحدث عن كيفية عمل الفيزياء فعليًا، وفقًا لمفاهيمنا. منذ زمن نيوتن، لم يتغير نموذج الفيزياء الأساسية؛ يتضمن ثلاثة أجزاء. الأول هو "مساحة الحالة": وهي في الأساس قائمة بجميع التكوينات المحتملة التي يمكن أن يتواجد فيها الكون. والثانية هي حالة معينة تمثل الكون في وقت ما، وعادة ما تكون الحالة الحالية. والثالث هو قاعدة معينة يتطور بموجبها الكون بمرور الوقت. أعطني الكون اليوم، وسوف تخبرك قوانين الفيزياء بما سيحدث له في المستقبل. طريقة التفكير هذه لا تقل صدقًا بالنسبة لميكانيكا الكم أو النسبية العامة أو نظرية المجال الكمي عنها في ميكانيكا نيوتن أو الديناميكا الكهربائية ماكسويل.

تعتبر ميكانيكا الكم، على وجه الخصوص، تطبيقًا خاصًا ولكنه متعدد الاستخدامات لهذا المخطط. (نظرية المجال الكمي هي مجرد مثال محدد لميكانيكا الكم، وليست طريقة جديدة للتفكير). الحالات هي "دوال موجية"، ومجموعة كل الدوال الموجية المحتملة لنظام معين تسمى "فضاء هيلبرت". ميزتها هي أنها تحد بشكل كبير من مجموعة الاحتمالات (لأنها مساحة متجهة: ملاحظة للخبراء). بمجرد أن تخبرني بحجمها (عدد الأبعاد)، ستحدد مساحة هيلبرت الخاصة بك بالكامل. وهذا يختلف جذريًا عن الميكانيكا الكلاسيكية، حيث يمكن أن يصبح فضاء الحالة معقدًا للغاية. وهناك أيضًا آلة - "هاميلتونيان" - تشير بالضبط إلى كيفية التطور من حالة إلى أخرى بمرور الوقت. وأكرر أنه لا توجد أنواع كثيرة من الهاملتونيين؛ يكفي كتابة قائمة معينة من الكميات (القيم الذاتية للطاقة - توضيح لكم أيها الخبراء المزعجون).

كيف ظهرت الحياة على الأرض. الحياة في الأرض

قد تنشأ حياة تستخدم كيمياء مختلفة عن كيمياءنا على الأرض أكثر من مرة. ربما. وإذا وجدنا دليلا على مثل هذه العملية، فهذا يعني أن هناك احتمالا كبيرا بأن تنشأ الحياة في أماكن كثيرة في الكون بشكل مستقل عن بعضها البعض، تماما كما نشأت الحياة على الأرض. لكن من ناحية أخرى، تخيل كيف سنشعر إذا اكتشفنا في نهاية المطاف حياة على كوكب آخر، ربما يدور حول نجم بعيد، واتضح أنه يحتوي على كيمياء مماثلة وربما حتى بنية DNA مماثلة لكوكبنا.

إن فرص نشوء الحياة على الأرض بشكل عفوي ومحض الصدفة تبدو ضئيلة للغاية. إن فرص نشوء نفس الحياة في مكان آخر ضئيلة للغاية، وتساوي عمليا الصفر. ولكن هناك إجابات محتملة لهذه الأسئلة، والتي حددها عالما الفلك الإنجليزي فريد هويل وشاندرا ويكراماسينغ في كتابهما غير العادي، الذي كتبه عام 1979، بعنوان "سحابة الحياة".

ونظرًا للاحتمال المستبعد للغاية لظهور الحياة على الأرض من تلقاء نفسها، يقترح المؤلفون تفسيرًا آخر. إنه يكمن في حقيقة أن ظهور الحياة حدث في مكان ما في الفضاء، ثم انتشر في جميع أنحاء الكون من خلال التبذر الشامل. يمكن للحياة المجهرية المحاصرة في الحطام الناتج عن الاصطدامات الكونية أن تنتقل أثناء سبتها لفترات طويلة جدًا من الزمن. وبعد ذلك، عندما يصل إلى وجهته، حيث سيبدأ في التطور مرة أخرى. وبالتالي، فإن كل أشكال الحياة في الكون، بما في ذلك الحياة على الأرض، هي في الواقع نفس الحياة.

فيديو كيف ظهر الكون

كيف ظهر الكون من لا شيء. ولادة باردة

ومع ذلك، يمكن التفكير في الطريق إلى هذا التوحيد على المستوى النوعي، وهناك احتمالات مثيرة للاهتمام للغاية هنا. إحداها ذكرها عالم الكونيات الشهير والأستاذ بجامعة أريزونا لورانس كراوس في كتابه الصادر حديثا «كون من لا شيء». تبدو فرضيته رائعة، لكنها لا تتعارض على الإطلاق مع قوانين الفيزياء المعمول بها.

يُعتقد أن كوننا نشأ من حالة أولية شديدة الحرارة، حيث بلغت درجة الحرارة حوالي 1032 كلفن. ومع ذلك، من الممكن أيضًا تخيل الولادة الباردة للأكوان من الفراغ النقي - وبشكل أكثر دقة، من تقلباتها الكمية. ومن المعروف أن مثل هذه التقلبات تؤدي إلى ظهور عدد كبير جدًا من الجسيمات الافتراضية التي نشأت حرفيًا من العدم ثم اختفت بعد ذلك دون أن يترك أثراً. وفقًا لكراوس، فإن تقلبات الفراغ، من حيث المبدأ، قادرة على إنشاء أكوان أولية سريعة الزوال، والتي، في ظل ظروف معينة، تنتقل من حالة افتراضية إلى حالة حقيقية.

إن السؤال عن كيفية نشوء الكون كان دائمًا يثير قلق الناس. وهذا ليس مفاجئا، لأن الجميع يريد أن يعرف أصولهم. لقد ناضل العلماء والكهنة والكتاب مع هذا السؤال لعدة آلاف السنين. هذا السؤال يثير عقول ليس فقط المتخصصين، ولكن أيضا كل شخص عادي. ومع ذلك، فمن الجدير أن نقول على الفور أنه لا توجد إجابة بنسبة 100٪ على السؤال حول كيفية نشوء الكون. لا توجد سوى نظرية يدعمها معظم العلماء.

هنا سوف نقوم بتحليلها.

وبما أن كل ما يحيط بالإنسان له بدايته الخاصة، فليس من المستغرب أن يحاول الإنسان منذ العصور القديمة العثور على بداية الكون. بالنسبة لرجل من العصور الوسطى، كانت الإجابة على هذا السؤال بسيطة للغاية - لقد خلق الله الكون. ومع ذلك، مع تطور العلم، بدأ العلماء في التشكيك ليس فقط في مسألة الله، ولكن أيضًا في فكرة أن الكون له بداية.

في عام 1929، وبفضل عالم الفلك الأمريكي هابل، عاد العلماء إلى مسألة جذور الكون. الحقيقة هي أن هابل أثبت أن المجرات التي يتكون منها الكون تتحرك باستمرار. بالإضافة إلى الحركة، يمكن أن تزيد أيضا، مما يعني أن الكون يتزايد. وإذا نما، اتضح أنه كانت هناك مرحلة بدأ فيها هذا النمو. وهذا يعني أن الكون له بداية.

وبعد ذلك بقليل، طرح عالم الفلك البريطاني هويل فرضية مثيرة: نشأ الكون في لحظة الانفجار الكبير. وقد دخلت نظريته التاريخ تحت هذا الاسم. إن جوهر فكرة هويل بسيط ومعقد في نفس الوقت. كان يعتقد أنه كانت هناك مرحلة تسمى حالة التفرد الكوني، أي أن الزمن يقف عند الصفر، والكثافة ودرجة الحرارة تساويان اللانهاية. وفي لحظة ما حدث انفجار، نتج عنه كسر التفرد، وبالتالي تغيرت الكثافة ودرجة الحرارة، وبدأ نمو المادة، مما يعني أن الوقت بدأ يحسب. في وقت لاحق، وصف هويل نفسه نظريته بأنها غير مقنعة، لكن هذا لم يمنعها من أن تصبح الفرضية الأكثر شعبية حول أصل الكون.

متى حدث ما أسماه هويل بالانفجار الكبير؟ أجرى العلماء العديد من الحسابات، ونتيجة لذلك، اتفق معظمهم على رقم 13.5 مليار سنة. عندها بدأ الكون بالظهور من العدم، وفي جزء من الثانية فقط اكتسب الكون حجمًا أصغر من الذرة، وبدأت عملية التوسع. لعبت الجاذبية دورا رئيسيا. والشيء الأكثر إثارة للاهتمام هو أنه لو كان أقوى قليلاً، فلن ينشأ شيء، على الأكثر ثقب أسود. ولو كانت الجاذبية أضعف قليلاً، فلن ينشأ شيء على الإطلاق.
وبعد ثوانٍ قليلة من الانفجار، انخفضت درجة الحرارة في الكون قليلاً، مما أعطى قوة دافعة لتكوين المادة والمادة المضادة. ونتيجة لذلك، بدأت الذرات في الظهور. لذلك توقف الكون عن أن يكون أحادي اللون. في مكان ما كان هناك المزيد من الذرات، وفي مكان أقل. كان الجو أكثر سخونة في بعض الأجزاء، وكانت درجة الحرارة أقل في مناطق أخرى. وبدأت الذرات تتصادم مع بعضها البعض لتشكل مركبات، ثم مواد جديدة، ولاحقا أجساما. كانت لبعض الأجسام طاقة داخلية كبيرة. كانت هذه النجوم. بدأوا يتجمعون حول أنفسهم (بفضل قوة الجاذبية) أجسامًا أخرى نسميها الكواكب. هكذا نشأت الأنظمة، وأحدها هو نظامنا الشمسي.

الانفجار العظيم. المشكلات النموذجية وحلها

يمكن حل مشكلة النطاق الواسع للكون ونظائره نظرًا لحقيقة أن التوسع حدث خلال مرحلة التضخم بمعدل مرتفع بشكل غير عادي. ويترتب على ذلك أن كامل مساحة الكون المرئي هي نتيجة لمنطقة واحدة مرتبطة سببيًا في العصر الذي يسبق العصر التضخمي.
حل مشكلة الكون المسطح. وهذا ممكن لأنه في مرحلة التضخم يزداد نصف قطر انحناء الفضاء. هذه القيمة تسمح لمعلمات الكثافة الحديثة بأن تكون قيمتها قريبة من القيمة الحرجة.
ويؤدي التوسع التضخمي إلى ظهور تقلبات في الكثافة ذات سعة وطيف معينين. وهذا يجعل من الممكن لهذه التذبذبات (التقلبات) أن تتطور إلى البنية الحالية للكون، مع الحفاظ على التجانس والتباين على نطاق واسع. هذا هو الحل لمشكلة البنية واسعة النطاق للكون.

يمكن اعتبار العيب الرئيسي لنموذج التضخم اعتماده على نظريات لم يتم إثباتها بعد ولم يتم تطويرها بشكل كامل.

على سبيل المثال، يعتمد النموذج على نظرية المجال الموحد، والتي لا تزال مجرد فرضية. ولا يمكن اختباره تجريبيا في الظروف المعملية. عيب آخر للنموذج هو عدم فهم مصدر المادة شديدة الحرارة والمتوسعة. ويؤخذ في الاعتبار هنا ثلاثة احتمالات:

تشير نظرية الانفجار الكبير القياسية إلى بداية التضخم في مرحلة مبكرة جدًا من تطور الكون. ولكن بعد ذلك لم يتم حل مشكلة التفرد.
والاحتمال الثاني هو نشوء الكون من الفوضى. وكانت لأجزاء مختلفة منه درجات حرارة مختلفة، لذلك حدث الانضغاط في بعض الأماكن، والتمدد في أماكن أخرى. كان من الممكن أن يحدث التضخم في منطقة من الكون كانت شديدة الحرارة وتتوسع. لكن ليس من الواضح من أين جاءت الفوضى الأولية.
الخيار الثالث هو المسار الميكانيكي الكمي، الذي نشأت من خلاله كتلة من المادة شديدة السخونة والمتوسعة. في الواقع، لقد نشأ الكون من العدم.

أحد الأسئلة الرئيسية التي لا تترك الوعي البشري كان دائمًا السؤال: "كيف ظهر الكون؟" بالطبع، لا توجد إجابة محددة لهذا السؤال، ومن غير المرجح أن يتم الحصول عليها قريبًا، لكن العلم يعمل في هذا الاتجاه ويقوم بتشكيل نموذج نظري معين لأصل كوننا.

بادئ ذي بدء، ينبغي لنا أن نأخذ في الاعتبار الخصائص الأساسية للكون، والتي ينبغي وصفها في إطار النموذج الكوني.

يجب أن يأخذ النموذج في الاعتبار المسافات المرصودة بين الأشياء، وكذلك سرعة واتجاه حركتها. تعتمد هذه الحسابات على قانون هابل: cz = H0D، حيث z هو الانزياح نحو الأحمر للجسم، وD هي المسافة إلى هذا الكائن، وc هي سرعة الضوء.
يجب أن يتجاوز عمر الكون في النموذج عمر أقدم الأشياء في العالم.
يجب أن يأخذ النموذج في الاعتبار الوفرة الأولية للعناصر.
يجب أن يأخذ النموذج في الاعتبار البنية واسعة النطاق المرصودة للكون.
يجب أن يأخذ النموذج في الاعتبار الخلفية الأثرية المرصودة.

دعونا نفكر بإيجاز في النظرية المقبولة عمومًا حول أصل الكون وتطوره المبكر، والتي يدعمها معظم العلماء. اليوم، تشير نظرية الانفجار الكبير إلى مزيج من نموذج الكون الساخن مع الانفجار الكبير. وعلى الرغم من أن هذه المفاهيم كانت موجودة في البداية بشكل مستقل عن بعضها البعض، إلا أنه نتيجة لتوحيدها كان من الممكن شرح التركيب الكيميائي الأصلي للكون، وكذلك وجود إشعاع الخلفية الكونية الميكروويف.

ووفقا لهذه النظرية، نشأ الكون منذ حوالي 13.77 مليار سنة من جسم كثيف ساخن، وهي حالة فريدة يصعب وصفها في إطار الفيزياء الحديثة. مشكلة التفرد الكوني، من بين أمور أخرى، هي أنه عند وصفه، فإن معظم الكميات الفيزيائية، مثل الكثافة ودرجة الحرارة، تميل إلى اللانهاية. وفي الوقت نفسه، من المعروف أنه في حالة الكثافة اللانهائية، يجب أن تميل الإنتروبيا (مقياس الفوضى) إلى الصفر، وهو ما لا يتوافق بأي حال من الأحوال مع درجة الحرارة اللانهائية.

تطور الكون

تسمى أول 10 -43 ثانية بعد الانفجار الكبير بمرحلة الفوضى الكمومية. إن طبيعة الكون في هذه المرحلة من الوجود لا يمكن وصفها في إطار الفيزياء المعروفة لنا. يتحلل الزمكان الموحد المستمر إلى الكميات.

لحظة بلانك هي لحظة نهاية الفوضى الكمومية، والتي تقع عند 10 في -43 ثانية. في هذه اللحظة، كانت معاملات الكون مساوية لقيم بلانك، مثل درجة حرارة بلانك (حوالي 1032 كلفن). في وقت عصر بلانك، تم دمج جميع التفاعلات الأساسية الأربعة (الضعيفة والقوية والكهرومغناطيسية والجاذبية) في تفاعل واحد. لا يمكن اعتبار لحظة بلانك فترة طويلة، لأن الفيزياء الحديثة لا تعمل مع معاملات أقل من لحظة بلانك.
مرحلة التضخم. المرحلة التالية في تاريخ الكون كانت مرحلة التضخم. في اللحظة الأولى للتضخم، تم فصل تفاعل الجاذبية عن مجال واحد فائق التناظر (بما في ذلك مجالات التفاعلات الأساسية سابقًا). خلال هذه الفترة، يكون للمادة ضغط سلبي، مما يسبب زيادة هائلة في الطاقة الحركية للكون. ببساطة، خلال هذه الفترة، بدأ الكون في التضخم بسرعة كبيرة، وفي النهاية تتحول طاقة المجالات الفيزيائية إلى طاقة الجزيئات العادية. وفي نهاية هذه المرحلة ترتفع درجة حرارة المادة والإشعاع بشكل ملحوظ. ومع نهاية مرحلة التضخم، يظهر أيضًا تفاعل قوي. وفي هذه اللحظة أيضًا، ينشأ عدم تناسق الباريون في الكون.

[عدم التماثل الباريوني في الكون هو الظاهرة المرصودة لهيمنة المادة على المادة المضادة في الكون]

مرحلة الهيمنة الإشعاعية. المرحلة التالية في تطور الكون والتي تتضمن عدة مراحل. وفي هذه المرحلة تبدأ درجة حرارة الكون بالانخفاض، وتتشكل الكواركات، ثم الهادرونات واللبتونات. في عصر التخليق النووي، يحدث تكوين العناصر الكيميائية الأولية ويتم تصنيع الهيليوم. ومع ذلك، لا يزال الإشعاع هو المسيطر على المادة.
عصر هيمنة المادة. وبعد 10000 سنة تتجاوز طاقة المادة تدريجيا طاقة الإشعاع ويحدث انفصالهما. تبدأ المادة بالسيطرة على الإشعاع، وتظهر خلفية أثرية. كما أن فصل المادة بالإشعاع عزز بشكل كبير عدم التجانس الأولي في توزيع المادة، ونتيجة لذلك بدأت المجرات والمجرات الفائقة في التشكل. لقد وصلت قوانين الكون إلى الشكل الذي نلاحظه اليوم.

تتكون الصورة أعلاه من عدة نظريات أساسية وتعطي فكرة عامة عن تكوين الكون في المراحل الأولى من وجوده.

من أين جاء الكون من؟

إذا كان الكون قد نشأ من تفرد كوني، فمن أين أتت التفرد نفسه؟ من المستحيل حاليًا إعطاء إجابة دقيقة على هذا السؤال. دعونا ننظر في بعض النماذج الكونية التي تؤثر على "ولادة الكون".

تعتمد هذه النماذج على التأكيد على أن الكون كان موجودًا دائمًا وبمرور الوقت تتغير حالته فقط، وينتقل من التوسع إلى الضغط - ثم يعود.

نموذج شتاينهارت-توروك. يعتمد هذا النموذج على نظرية الأوتار (نظرية M)، حيث يستخدم كائنًا مثل “الغشاء”.

[الغشاء (من الغشاء) في نظرية الأوتار (نظرية-M) هو جسم مادي افتراضي متعدد الأبعاد ذو بُعد أقل من بُعد الفضاء الذي يقع فيه]

وفقًا لهذا النموذج، يقع الكون المرئي داخل طبقة ثلاثية الأغشية، والتي تصطدم بشكل دوري، كل بضعة تريليونات سنة، مع طبقة ثلاثية أخرى، مما يسبب شيئًا مثل الانفجار الكبير. بعد ذلك، يبدأ غشاءنا الثلاثة في الابتعاد عن الآخر والتوسع. في مرحلة ما، تأخذ حصة الطاقة المظلمة الأسبقية ويزداد معدل تمدد الأغشية الثلاثة. يؤدي التوسع الهائل إلى تشتيت المادة والإشعاع لدرجة أن العالم يصبح شبه متجانس وفارغ. في نهاية المطاف، تصطدم الأغشية الثلاثة مرة أخرى، مما يتسبب في عودة أغشيةنا إلى المرحلة الأولية من دورتها، مما يؤدي إلى ولادة "الكون" مرة أخرى.

تنص نظرية لوريس باوم وبول فرامبتون أيضًا على أن الكون دوري. ووفقا لنظريتهم، فإن الأخير، بعد الانفجار الكبير، سوف يتوسع بسبب الطاقة المظلمة حتى يقترب من لحظة "تفكك" الزمكان نفسه - التمزق الكبير. وكما هو معروف، في "النظام المغلق، لا تتناقص الإنتروبيا" (القانون الثاني للديناميكا الحرارية). ويترتب على هذا البيان أن الكون لا يمكن أن يعود إلى حالته الأصلية، لأنه خلال هذه العملية يجب أن تنخفض الإنتروبيا. ومع ذلك، يتم حل هذه المشكلة في إطار هذه النظرية. وفقا لنظرية باوم وفرامبتون، قبل لحظة من التمزق الكبير، ينقسم الكون إلى العديد من "القطع"، كل منها له قيمة إنتروبيا صغيرة إلى حد ما. من خلال تجربة سلسلة من التحولات الطورية، تولد هذه "اللوحات" في الكون السابق المادة وتتطور بشكل مشابه للكون الأصلي. ولا تتفاعل هذه العوالم الجديدة مع بعضها البعض، فهي تبتعد عن بعضها البعض بسرعات أكبر من سرعة الضوء. وهكذا، تجنب العلماء أيضًا التفرد الكوني الذي يبدأ به ولادة الكون، وفقًا لمعظم النظريات الكونية. أي أنه في لحظة نهاية دورته، ينقسم الكون إلى عوالم أخرى كثيرة غير متفاعلة، والتي ستصبح أكوانًا جديدة.
علم الكون الدوري المطابق – نموذج دوري لروجر بنروز وفاهاجن جورزاديان. ووفقا لهذا النموذج، فإن الكون قادر على الدخول في دورة جديدة دون انتهاك القانون الثاني للديناميكا الحرارية. تعتمد هذه النظرية على افتراض أن الثقوب السوداء تدمر المعلومات الممتصة، مما يقلل بطريقة ما من إنتروبيا الكون. ثم تبدأ كل دورة من دورات وجود الكون بشيء مشابه للانفجار الكبير وتنتهي بالتفرد.

نماذج أخرى لأصل الكون

ومن بين الفرضيات الأخرى التي تشرح ظهور الكون المرئي، تعتبر الفرضيتان التاليتان الأكثر شيوعًا:

النظرية الفوضوية للتضخم - نظرية أندريه ليندي. وفقا لهذه النظرية، هناك مجال عددي معين غير متجانس في كامل حجمه. وهذا يعني أنه في مناطق مختلفة من الكون، يكون للحقل العددي معاني مختلفة. ومن ثم، في المناطق التي يكون فيها المجال ضعيفًا، لا يحدث شيء، بينما المناطق ذات المجال القوي تبدأ في التوسع (التضخم) بسبب طاقتها، مكونة أكوانًا جديدة. يتضمن هذا السيناريو وجود العديد من العوالم التي لم تنشأ في وقت واحد ولها مجموعتها الخاصة من الجسيمات الأولية، وبالتالي قوانين الطبيعة.
تشير نظرية لي سمولين إلى أن الانفجار الكبير ليس بداية وجود الكون، ولكنه مجرد مرحلة انتقالية بين حالتيه. نظرًا لأن الكون قبل الانفجار الكبير كان موجودًا في شكل تفرد كوني، قريب في طبيعته من تفرد الثقب الأسود، يقترح سمولين أن الكون يمكن أن يكون قد نشأ من ثقب أسود.

هناك أيضًا نماذج تنشأ فيها الأكوان بشكل مستمر، وتزدهر من والديها وتجد مكانها الخاص. علاوة على ذلك، ليس من الضروري على الإطلاق أن يتم إنشاء نفس القوانين الفيزيائية في مثل هذه العوالم. كل هذه العوالم "مضمنة" في سلسلة زمنية زمانية واحدة، لكنها منفصلة جدًا فيها بحيث لا تشعر بوجود بعضها البعض. وبشكل عام، فإن مفهوم التضخم يسمح - بل القوى! - باعتبار أنه يوجد في الكون العملاق العديد من الأكوان المعزولة عن بعضها البعض ذات هياكل مختلفة.

على الرغم من أن النماذج الدورية وغيرها تجيب على عدد من الأسئلة التي لا يمكن لنظرية الانفجار الكبير أن تجيب عليها، ومن بينها مشكلة التفرد الكوني. ومع ذلك، عندما يقترن الانفجار الكبير بنظرية التضخم، فإنه يفسر بشكل كامل أصل الكون، ويتفق أيضًا مع العديد من الملاحظات.

اليوم، يواصل الباحثون دراسة السيناريوهات المحتملة لأصل الكون بشكل مكثف، ومع ذلك، من المستحيل إعطاء إجابة قاطعة على السؤال "كيف ظهر الكون؟" - من غير المرجح أن ينجح في المستقبل القريب. هناك سببان لذلك: الدليل المباشر على النظريات الكونية مستحيل عمليا، ولكنه غير مباشر فقط؛ وحتى من الناحية النظرية، ليس من الممكن الحصول على معلومات دقيقة عن العالم قبل الانفجار الكبير. لهذين السببين، لا يستطيع العلماء سوى طرح الفرضيات وبناء النماذج الكونية التي تصف بدقة طبيعة الكون الذي نلاحظه.

من الصعب أن نتخيل وقتًا قبل 13.7 مليار سنة من اليوم عندما كان الكون بأكمله متفردًا. وفقًا لنظرية الانفجار الكبير، فإن أحد المتنافسين الرئيسيين على تفسير مصدر الكون وكل المادة الموجودة في الفضاء تم ضغطها جميعًا إلى نقطة أصغر من الجسيم دون الذري. ولكن إذا كان لا يزال من الممكن قبول هذا، فكر في هذا: ماذا حدث قبل حدوث الانفجار الكبير؟

يعود هذا السؤال في علم الكونيات الحديث إلى القرن الرابع الميلادي. منذ 1600 عام، حاول اللاهوتي أوغسطينوس المبارك فهم طبيعة الله قبل خلق الكون. وهل تعلم إلى ماذا وصل؟ لقد كان الزمن جزءاً من خلق الله، وببساطة لم يكن هناك "قبل".

توصل أحد أفضل علماء الفيزياء في القرن العشرين، ألبرت أينشتاين، إلى نفس الاستنتاجات تقريبًا في تطوير نظريته النسبية. يكفي الانتباه إلى تأثير الكتلة في الوقت المحدد. الكتلة الهائلة للكوكب تشوه الزمن، مما يجعلها تتدفق بشكل أبطأ بالنسبة لشخص على السطح مقارنة لرائد الفضاء في المدار. الفرق صغير جدًا بحيث لا يكون واضحًا، ولكن في الواقع، الشخص الذي يقف بجوار صخرة كبيرة يتقدم في العمر أبطأ من الشخص الذي يقف في الحقل. لكن الأمر سيستغرق مليار سنة ليصبح أصغر سنا للمرة الثانية. كان التفرد قبل الانفجار الكبير يمتلك كل كتلة الكون، مما أدى إلى توقف الزمن فعليًا.

وفقا للنظرية النسبية لأينشتاين، ولد الوقت بالضبط في اللحظة التي بدأت فيها التفرد في التوسع وتجاوزت اللانهاية المضغوطة. بعد عقود من وفاة أينشتاين، أدى تطور فيزياء الكم ومجموعة متنوعة من النظريات الجديدة إلى تجديد الجدل حول طبيعة الكون قبل الانفجار الكبير. دعونا نلقي نظرة.

برانس ودورات وأفكار أخرى
"وبصق الله وخرج وأغلق الباب،
كنا خلفه، ولكن الأبواب كانت قد اختفت”.
أ. نيبومنياشي

ماذا لو كان كوننا سليل كون آخر أقدم؟ يعتقد بعض علماء الفيزياء الفلكية أن الإشعاع المتبقي من الانفجار الأعظم: الخلفية الكونية الميكروية ستساعد في تسليط الضوء على هذه القصة.

اكتشف علماء الفلك إشعاع الخلفية الكونية الميكروي لأول مرة في عام 1965، وقد أدى ذلك إلى ظهور مشاكل معينة في نظرية الانفجار الأعظم - المشاكل التي جعلت العلماء لفترة وجيزة (حتى عام 1981) في حيرة من أمرهم وتطوير النظرية التضخمية. ووفقا لهذه النظرية، في اللحظات الأولى من وجوده، بدأ الكون في التوسع بسرعة كبيرة. تشرح النظرية أيضًا درجة حرارة وكثافة تقلبات CMB، وتقترح أن هذه التقلبات يجب أن تكون نفسها.

ولكن، كما اتضح فيما بعد، لا. أوضحت الأبحاث الحديثة أن الكون في الواقع أحادي الجانب، حيث تشهد بعض المناطق تقلبات أكثر من غيرها. يعتقد بعض علماء الكونيات أن هذه الملاحظة تؤكد أن كوننا كان له "أم" (!)

في نظرية التضخم الفوضوي، تكتسب هذه الفكرة زخمًا: التقدم الذي لا نهاية له لفقاعات التضخم يولد وفرة من الأكوان، وكل منها يولد المزيد من فقاعات التضخم في عدد كبير من الأكوان المتعددة.

ومع ذلك، هناك نماذج تحاول تفسير تكون المتفردة قبل الانفجار الأعظم. إذا كنت تفكر في الثقوب السوداء كصناديق قمامة عملاقة، فهي مرشحة رئيسية للانهيار البدائي، لذلك يمكن أن يكون كوننا المتوسع ثقبًا أبيض - ثقب خروج ثقب أسود، وكل ثقب أسود في كوننا يمكن أن يؤوي كونًا مختلفًا.

يعتقد علماء آخرون أن وراء تشكل التفرد هناك دورة تسمى "الانفجار الكبير"، حيث ينهار الكون المتوسع في نهاية المطاف على نفسه، مما يؤدي إلى ظهور تفرد آخر، والذي يؤدي مرة أخرى إلى انفجار كبير آخر. ستكون هذه العملية أبدية، وكل التفردات وكل الانهيارات لن تمثل سوى انتقال إلى مرحلة أخرى من وجود الكون.

التفسير الأخير الذي سنتناوله يستخدم فكرة الكون الدوري الناتج عن نظرية الأوتار. فهو يشير إلى أن المادة الجديدة وتدفقات الطاقة تنشأ كل تريليونات السنين عندما يصطدم غشاءان أو أغشية خارج أبعادنا ببعضهما البعض.

ماذا حدث قبل الانفجار الكبير؟ يبقى السؤال مفتوحا. ربما لا شيء. ربما كون آخر أو نسخة أخرى من عالمنا. ربما محيط من الأكوان، لكل منها مجموعة القوانين والثوابت الخاصة به التي تملي طبيعة الواقع المادي.

الكتل النجمية... إن علمنا مرتبك وفي نفس الوقت مفتون بهذه الأجسام الضخمة التي تتصرف مثل الذرات، ولكن تركيبها يحيرنا بتعقيدها الهائل والعشوائي (على ما يبدو فقط؟). وربما، مع مرور الوقت، سيظهر بعض النظام أو الدورية في بنية النجوم، سواء من حيث التكوين أو الموقع. (ن. أ. سادوفسكي)

دعونا نرفع رؤوسنا إلى الليل المرصع بالنجوم. في مكان ما هناك، خلف الحجاب الأزرق الداكن، بدأ كل شيء. وبدأ كل شيء، كالعادة، من لا شيء. لكننا سنبدأ بالانفجار الكبير، كما يسميه الأمريكيون الانفجار الكبير الذي حدث في الكون قبل 15 مليار سنة. لا يمكننا حتى أن نتخيل كيف كان الكون قبل ذلك.

لدينا الوقت. حتى لو تعطلت الساعات في جميع أنحاء الأرض، فسوف تشرق الشمس وتغرب، معدودة للأيام الشمسية، وستظل حلقات الأشجار تتشكل على الأشجار، وما إلى ذلك. ولن يتوقف الزمن. تخيل الآن أنه لا يوجد وقت. الوقت لم يقف ساكنا. إنه ببساطة غير موجود. ليس هناك مساحة سواء. لا مادة. هناك كتلة فائقة من المادة ذات كثافة هائلة. كل مادة العالم المستقبلية، كل ما سيصبح فيما بعد نجومًا وكواكبًا - كل شيء مضغوط في نقطة واحدة ذات درجة حرارة عالية بلا حدود. وهكذا "بدأ" الكون. في لحظة هذا الحدث، تم إنشاء المكان والزمان.

ليس من المنطقي أن نسأل عما حدث قبل الانفجار الكبير. إنه مثل السؤال عما يقع شمال القطب الشمالي أو جنوب القطب الجنوبي. السؤال "أين حدث هذا؟" يمكن الإجابة عليه بكلمة واحدة فقط: "في كل مكان". والحقيقة أن الكون في تلك اللحظة لم يكن نقطة معزولة في فضاء آخر. لقد كانت كل هذه النقطة وكانت أبعادها في تلك اللحظة صغيرة جدًا - قريبة من حجم الإلكترون. ولا يمكن رؤية مثل هذه النقطة إلا بمجهر إلكتروني قوي. لكن الكتلة كبيرة بشكل غير متناسب: ليس 100، ولا 1000، ولا حتى 1،000،000 طن - أكثر من ذلك بكثير. أكثر من كتلة الأرض، الشمس، مائة ألف مليار (100،000،000،000،000) مرة أكبر من كتلة مجرتنا بأكملها. وليس هناك القليل منه - 150 مليار نجم يزن وزن الشمس وأثقل!

ثم "انفجرت" هذه النقطة بقوة هائلة، وبدأت سحابة ضخمة مكونة من جسيمات أولية تنمو وتتوسع في كل الاتجاهات. كان كل جسيم ثقيلًا وعاش حياة قصيرة ولكن عاصفة. تسمى المرحلة الأولى من تكوين الكون هادرونيك، واستمرت فقط لجزء من الثانية - واحد على عشرة آلاف منها (0.0001 ثانية)! تجاوز معدل توسع الكون سرعة الضوء في الفراغ واقترب من 300,000,000 م/ث (300,000 كم/ث). قارن: السرعة الأولية للرصاصة المنطلقة من بندقية كلاشينكوف الهجومية هي 715 م/ث، وهي أقل من كيلومتر في الثانية، وسرعة الهروب الأولى هي 8 كم/ث. تتحرك سفينة الفضاء في المدار بنفس السرعة تقريبًا.

في اللحظات الأولى من وجوده، كان الكون ساخنًا جدًا، أكثر سخونة بكثير من داخل النجم الأكثر سخونة. عند درجات حرارة أعلى من 10 مليارات درجة، وهي بالضبط درجة حرارة الكون، لا يمكن لأي مادة أن توجد. نعم، لم يكن هناك بعد. تقريبًا كل الطاقة الموجودة في الكون كانت موجودة على شكل إشعاع كهرومغناطيسي (فوتونات)، أي أن الكون "توهج"، أو بتعبير أدق، كان في حد ذاته ضوءًا ساطعًا لا نهاية له.

الهادرونات هي أثقل الجسيمات الأولية. ولكن الآن حان الوقت للجسيمات الأخف وزنا - اللبتونات. بدأت المرحلة الثانية.

وكما تعلم فإن الجسيمات لا تقف ساكنة، بل تتحرك، وتتصادم، وتختفي، وتتغير. ونتيجة لمثل هذه "الرقصات"، تنشأ الجسيمات والجسيمات المضادة. لا يمكن أن يتواجدوا معًا. وهنا من سيفوز. وبالصدفة، تبين أن عدد الجسيمات أكبر قليلاً من عدد الجسيمات المضادة. لقد نجت الجسيمات، وبُني منها العالم كله الآن.

ماذا سيحدث لو فازت الجسيمات المضادة؟ يجيب العلماء: لا شيء مميز، سيبقى العالم كما هو، فقط بنية الذرات ستتغير قليلاً. تحتوي ذراتنا "" على نواة موجبة الشحنة وإلكترونات (إلكترونات) سالبة الشحنة على الأغلفة. لكن الأمر سيكون على العكس من ذلك. وسيُطلق على الإلكترون اسم البوزيترون... لقد تعلم العلماء منذ فترة طويلة كيفية الحصول على الجسيمات المضادة في ظروف المختبر، لكن المادة المضادة لا توجد في حالة حرة على الأرض.

وفي 10 ثوانٍ، "انزلق" الكون عبر المرحلة الثانية (الليبتون) بتفاعلاته النووية الحرارية. لقد تم بالفعل تحديد تركيبة المادة التي سيتكون منها العالم. ظهرت ذرات الهيدروجين، وبعد ذلك نوى الهيليوم. وفي يوم واحد، فقد الكون كثافته الفائقة. وبحلول نهاية اليوم الأول، كانت كثافته أقل 100 مرة من كثافة الهواء العادي.

وهنا انتهى عالم السرعات العالية. أما العصر الثالث – عصر الإشعاع – فقد استمر مليون سنة. على الرغم من أن هذا لا يُقارن كثيرًا بحياة الكون التي تبلغ قيمتها مليارات الدولارات، إلا أنه إذا ما قورن بالبداية السريعة التي تدوم بضع ثوانٍ فقط، فنعم، إنه كثير. إن بقايا الإشعاع التي لا تزال مكتشفة في الفضاء تذكرنا بتلك الحقبة. يُطلق على الإشعاع الأثري اسم إشعاع جسم أسود تمامًا عند درجة حرارة 2.7 كلفن. نعم، نعم، لا تتفاجأ، يمكن أيضًا أن "يشع" جسم أسود تمامًا. تخيل كرة مجوفة. لنفترض أننا بدأنا بتسخينه. ماذا يحدث في الداخل؟ كرتنا فارغة. "الحرارة" الموجودة داخل هذا التجويف هي عبارة عن موجات كهرومغناطيسية تندفع بين الجدران الداخلية. إذا تم تسخين الجسم إلى 6000 درجة مئوية، فسوف تظهر الموجات بشكل رئيسي في الجزء المرئي من الطيف. يمكن أن تسمى كرتنا "الجسم الأسود"، لأن الإشعاع لا يمر عبر جدرانه، وهو "أسود" بالنسبة للمراقب الخارجي، على الرغم من تسخينه في الداخل. عند درجات حرارة مختلفة للجسم الأسود، يختلف الإشعاع أيضًا. عند درجة حرارة 6000 درجة مئوية يكون مرئيًا باللون الأخضر، وعند درجة حرارة حوالي مليون كلفن يكون إشعاعًا للأشعة السينية. عند درجات حرارة قريبة من الصفر المطلق (-273 درجة مئوية) - أفران الميكروويف. هذا ما يحدث في الكون. CMB في هذه الحالة هي ذكرى المرحلة الثالثة من تطور الكون - عصر الإشعاع.

وانتهى عصر الإشعاع بتكوين المادة، ثم بدأ عصر آخر نعيش فيه. هذا هو عصر المادة. تولد الكوازارات والمجرات والنجوم وأنظمة الكواكب - كل ما نلاحظه الآن من الأرض.

تم التصويت شكرا!

كنت قد تكون مهتمة في:

يجب أن يأخذ النموذج في الاعتبار المسافات المرصودة بين الأشياء، وكذلك سرعة واتجاه حركتها. تعتمد هذه الحسابات على قانون هابل: تشيكوسلوفاكيا =ح 0د، أين ض- الانزياح الأحمر للكائن، د- المسافة إلى هذا الكائن، ج- سرعة الضوء.
يجب أن يتجاوز عمر الكون في النموذج عمر أقدم الأشياء في العالم.
يجب أن يأخذ النموذج في الاعتبار الوفرة الأولية للعناصر.
يجب أن يأخذ النموذج بعين الاعتبار ما يمكن ملاحظته.
يجب أن يأخذ النموذج في الاعتبار الخلفية الأثرية المرصودة.

ووفقا لهذه النظرية، نشأ الكون منذ حوالي 13.77 مليار سنة من جسم كثيف ساخن - يصعب وصفه في إطار الفيزياء الحديثة. مشكلة التفرد الكوني، من بين أمور أخرى، هي أنه عند وصفه، فإن معظم الكميات الفيزيائية، مثل الكثافة ودرجة الحرارة، تميل إلى اللانهاية. ومن المعروف في الوقت نفسه أنه عند الكثافة اللانهائية (مقياس الفوضى) يجب أن تميل إلى الصفر، وهو ما لا يتوافق بأي حال من الأحوال مع درجة الحرارة اللانهائية.

- تسمى أول 10-43 ثانية بعد الانفجار الكبير بمرحلة الفوضى الكمومية. إن طبيعة الكون في هذه المرحلة من الوجود لا يمكن وصفها في إطار الفيزياء المعروفة لنا. يتحلل الزمكان الموحد المستمر إلى الكميات.

لحظة بلانك هي لحظة نهاية الفوضى الكمومية، والتي تقع عند 10 -43 ثانية. في هذه اللحظة، كانت معاملات الكون مساوية لدرجة حرارة بلانك (حوالي 1032 كلفن). في وقت عصر بلانك، تم دمج جميع التفاعلات الأساسية الأربعة (الضعيفة والقوية والكهرومغناطيسية والجاذبية) في تفاعل واحد. لا يمكن اعتبار لحظة بلانك فترة طويلة، لأن الفيزياء الحديثة لا تعمل مع معاملات أقل من لحظة بلانك.
منصة. المرحلة التالية في تاريخ الكون كانت مرحلة التضخم. في اللحظة الأولى للتضخم، تم فصل تفاعل الجاذبية عن مجال واحد فائق التناظر (بما في ذلك مجالات التفاعلات الأساسية سابقًا). خلال هذه الفترة، يكون للمادة ضغط سلبي، مما يسبب زيادة هائلة في الطاقة الحركية للكون. ببساطة، خلال هذه الفترة، بدأ الكون في التضخم بسرعة كبيرة، وفي النهاية، تتحول طاقة المجالات الفيزيائية إلى طاقة الجزيئات العادية. وفي نهاية هذه المرحلة ترتفع درجة حرارة المادة والإشعاع بشكل ملحوظ. ومع نهاية مرحلة التضخم، يظهر أيضًا تفاعل قوي. أيضا في هذه اللحظة ينشأ.
مرحلة الهيمنة الإشعاعية. المرحلة التالية في تطور الكون والتي تتضمن عدة مراحل. وفي هذه المرحلة تبدأ درجة حرارة الكون بالانخفاض، وتتشكل الكواركات، ثم الهادرونات واللبتونات. في عصر التخليق النووي، يحدث تكوين العناصر الكيميائية الأولية ويتم تصنيع الهيليوم. ومع ذلك، لا يزال الإشعاع هو المسيطر على المادة.
عصر هيمنة المادة. وبعد 10000 سنة تتجاوز طاقة المادة تدريجيا طاقة الإشعاع ويحدث انفصالهما. تبدأ المادة بالسيطرة على الإشعاع، وتظهر خلفية أثرية. كما أن فصل المادة بالإشعاع عزز بشكل كبير عدم التجانس الأولي في توزيع المادة، ونتيجة لذلك بدأت المجرات والمجرات الفائقة في التشكل. لقد وصلت قوانين الكون إلى الشكل الذي نلاحظه اليوم.

تتكون الصورة أعلاه من عدة نظريات أساسية وتعطي فكرة عامة عن تكوين الكون في المراحل الأولى من وجوده.

من أين جاء الكون من؟

النماذج الدورية

نموذج شتاينهارت-توروك. يعتمد هذا النموذج على نظرية الأوتار (نظرية M)، حيث يستخدم كائنًا مثل “الغشاء”. وفقًا لهذا النموذج، يقع الكون المرئي داخل غشاء ثلاثي، والذي يصطدم بشكل دوري، مرة كل بضعة تريليونات سنة، مع غشاء ثلاثي آخر، مما يسبب شيئًا مثل الانفجار الكبير. بعد ذلك، يبدأ غشاءنا الثلاثي في الابتعاد عن الآخر والتوسع. في مرحلة ما، تأخذ حصة الطاقة المظلمة الأسبقية ويزداد معدل تمدد الأغشية الثلاثة. يؤدي التوسع الهائل إلى تشتيت المادة والإشعاع لدرجة أن العالم يصبح شبه متجانس وفارغ. في النهاية، تصطدم الأغشية الثلاثة مرة أخرى، مما يتسبب في عودة أغشيةنا إلى المرحلة الأولية من دورتها، مما يؤدي إلى ولادة "الكون" مرة أخرى.

تنص نظرية لوريس باوم وبول فرامبتون أيضًا على أن الكون دوري. ووفقا لنظريتهم، فإن الأخير، بعد الانفجار الكبير، سوف يتوسع بسبب الطاقة المظلمة حتى يقترب من لحظة "اضمحلال" الزمكان نفسه - التمزق الكبير. وكما هو معروف، في "النظام المغلق، لا تتناقص الإنتروبيا" (القانون الثاني للديناميكا الحرارية). ويترتب على هذا البيان أن الكون لا يمكن أن يعود إلى حالته الأصلية، لأنه خلال هذه العملية يجب أن تنخفض الإنتروبيا. ومع ذلك، يتم حل هذه المشكلة في إطار هذه النظرية. وفقا لنظرية باوم وفرامبتون، قبل لحظة من التمزق الكبير، ينقسم الكون إلى العديد من "القطع"، كل منها له قيمة إنتروبيا صغيرة إلى حد ما. من خلال تجربة سلسلة من التحولات الطورية، تولد هذه "اللوحات" في الكون السابق المادة وتتطور بشكل مشابه للكون الأصلي. ولا تتفاعل هذه العوالم الجديدة مع بعضها البعض، فهي تبتعد عن بعضها البعض بسرعات أكبر من سرعة الضوء. وهكذا، تجنب العلماء أيضًا التفرد الكوني الذي يبدأ به ولادة الكون، وفقًا لمعظم النظريات الكونية. أي أنه في لحظة نهاية دورته، ينقسم الكون إلى عوالم أخرى كثيرة غير متفاعلة، والتي ستصبح أكوانًا جديدة.
علم الكون الدوري المطابق - نموذج دوري لروجر بنروز وفاهاجن جورزاديان. ووفقا لهذا النموذج، فإن الكون قادر على الدخول في دورة جديدة دون انتهاك القانون الثاني للديناميكا الحرارية. تعتمد هذه النظرية على افتراض أن الثقوب السوداء تدمر المعلومات الممتصة، مما يقلل بطريقة ما من إنتروبيا الكون. ثم تبدأ كل دورة من دورات وجود الكون بشيء مشابه للانفجار الكبير وتنتهي بالتفرد.

نماذج أخرى لأصل الكون

ومن بين الفرضيات الأخرى التي تشرح ظهور الكون المرئي، تعتبر الفرضيتان التاليتان الأكثر شيوعًا:

النظرية الفوضوية للتضخم - نظرية أندريه ليندي. وفقا لهذه النظرية، هناك مجال عددي معين غير متجانس في كامل حجمه. وهذا يعني أنه في مناطق مختلفة من الكون، يكون للحقل العددي معاني مختلفة. ومن ثم، في المناطق التي يكون فيها المجال ضعيفًا، لا يحدث شيء، بينما المناطق ذات المجال القوي تبدأ في التوسع (التضخم) بسبب طاقتها، مكونة أكوانًا جديدة. يتضمن هذا السيناريو وجود العديد من العوالم التي نشأت بشكل غير متزامن ولها مجموعتها الخاصة من الجسيمات الأولية، وبالتالي قوانين الطبيعة.
تشير نظرية لي سمولين إلى أن الانفجار الكبير ليس بداية وجود الكون، ولكنه مجرد مرحلة انتقالية بين حالتيه. نظرًا لأن الكون قبل الانفجار الكبير كان موجودًا في شكل تفرد كوني، قريب في طبيعته من تفرد الثقب الأسود، يقترح سمولين أن الكون يمكن أن يكون قد نشأ من ثقب أسود.

نتائج

اليوم، يواصل الباحثون دراسة السيناريوهات المحتملة لأصل الكون بشكل مكثف، ومع ذلك، من المستحيل إعطاء إجابة قاطعة على السؤال "كيف ظهر الكون؟" – من غير المرجح أن تنجح في المستقبل القريب. هناك سببان لذلك: الدليل المباشر على النظريات الكونية مستحيل عمليا، ولكنه غير مباشر فقط؛ وحتى من الناحية النظرية، ليس من الممكن الحصول على معلومات دقيقة عن العالم قبل الانفجار الكبير. لهذين السببين، لا يستطيع العلماء سوى طرح الفرضيات وبناء النماذج الكونية التي تصف بدقة طبيعة الكون الذي نلاحظه.