Histoire de l'Univers : du Big Bang à nos jours. L’ère de la grande unification

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Livres

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Théorie de base grand coup relativement simple. En bref, selon lui, toute la matière qui existait et existe aujourd'hui dans l'Univers est apparue en même temps, il y a environ 13,8 milliards d'années. À ce moment-là, toute matière existait sous la forme d’une boule (ou pointe) abstraite très compacte avec densité infinie et la température. Cet état s'appelait singularité. Soudain, la singularité a commencé à s’étendre et a donné naissance à l’Univers que nous connaissons.

Il convient de noter que la théorie du Big Bang n'est qu'une des nombreuses hypothèses proposées sur l'origine de l'Univers (par exemple, il existe également la théorie d'un Univers stationnaire), mais elle a reçu la plus grande reconnaissance et popularité. Cela explique non seulement la source de tout affaire connue, les lois de la physique et grande structure Univers, il décrit également les raisons de l’expansion de l’Univers et bien d’autres aspects et phénomènes.

Chronologie des événements de la théorie du Big Bang

Basé sur la connaissance de état actuel Univers, les scientifiques suggèrent que tout doit avoir commencé à partir d'un seul point avec une densité infinie et dernière fois qui a commencé à s'étendre.

Selon la théorie, après l'expansion initiale, l'Univers est passé par une phase de refroidissement qui a permis l'émergence de particules subatomiques et plus tard atomes simples. Plus tard, grâce à la gravité, des nuages ​​géants de ces éléments anciens ont commencé à former des étoiles et des galaxies.

Tout cela, selon les scientifiques, a commencé il y a environ 13,8 milliards d'années et ce point de départ est donc considéré comme l'âge de l'Univers. En recherchant diverses principes théoriques, en menant des expériences impliquant des accélérateurs de particules et des états de haute énergie, ainsi qu'en menant des études astronomiques des coins les plus reculés de l'Univers, les scientifiques ont dérivé et proposé une chronologie des événements qui ont commencé avec le Big Bang et ont finalement conduit l'Univers à cet état. évolution cosmique, qui a lieu actuellement.

Les scientifiques pensent que le plus premières périodes La naissance de l'Univers - qui a duré de 10 -43 à 10 -11 secondes après le Big Bang - fait toujours l'objet de controverses et de discussions. Si l'on considère que les lois de la physique que nous connaissons aujourd'hui ne pouvaient pas exister à cette époque, il est alors très difficile de comprendre comment les processus dans ce domaine univers primitif. De plus, aucune expérience utilisant les types possibles d’énergies qui pourraient être présentes à cette époque n’a encore été réalisée. Quoi qu’il en soit, de nombreuses théories sur l’origine de l’univers s’accordent finalement sur le fait qu’à un moment donné, il y a eu un point de départ à partir duquel tout a commencé.

Modèle relativiste de l'Univers, issue de la théorie de la gravité d’A. Einstein (1917), a permis de lever les paradoxes photométriques et gravitationnels. Rappelons que selon le nouveau modèle, les propriétés du Cosmos sont déterminées par la distribution masses gravitationnelles: L'Univers est illimité, mais en même temps fermé et représente une sphère espace-temps à quatre dimensions avec de la matière « flottante ». Une analogie peut être n'importe quelle sphère qui nous est familière, par exemple le globe ou la planète Terre elle-même : le voyageur n'atteindra jamais la ligne d'horizon, mais la surface de la balle peut être exprimée comme un nombre fini exact.

Cependant, malgré le caractère révolutionnaire évident de ses idées, Einstein au début du XXe siècle. est resté captif d’attitudes idéologiques envers la statique et l’éternité de l’univers.

Développement ultérieur cosmologie, devenant paradoxale pour les sciences naturelles classiques du XIXe siècle. modèles d'univers en expansion Il est plus pratique de considérer par ordre chronologique.

En 1917, A. Einstein, lors de la création de ses équations de champ, a introduit une « constante cosmologique Λ » ou « terme lambda » spéciale, nécessaire pour permettre des solutions conduisant à une description de l'Univers stationnaire. Il est intéressant de noter qu’Einstein a appelé plus tard l’introduction de la constante cosmologique « la plus grosse erreur de ta vie." Bien plus tard, il s’est avéré que la « constante cosmologique » joue un rôle rôle important en décrivant quelques étapes de l'évolution de l'Univers.

En 1922, le mathématicien et géophysicien russe Alexander Alexandrovich Friedman (1888-1925) découvrit solutions non stationnaires L'équation gravitationnelle d'Einstein et prédit l'expansion de l'Univers, jetant les bases modèle cosmologique non stationnaire(expansion ou contraction). Il est important de noter qu'il s'agissait de agrandissement de l'espace lui-même. En extrapolant la situation dans le passé, on pourrait arriver à une conclusion sensationnelle : au tout début, toute la matière de l'Univers était concentrée dans une région compacte, à partir de laquelle elle commençait son expansion. Dans ces calculs, l'espace commençait à ressembler à un espace gonflé. bulle ou un ballon en caoutchouc, dans lequel le rayon et la surface augmentent continuellement. Étant donné que des phénomènes de nature explosive sont très souvent observés dans l'Univers, A. Friedman a supposé qu'un processus similaire se situe également au tout début de son développement. Plus tard, on l’appellera le « Big Bang ».

Einstein était si confiant dans l'impossibilité de l'événement du « début » de l'Univers qu'il a même publié un court article dans l'un des magazines sur l'erreur qu'il aurait trouvée, faite par A. Friedman. Cependant, après plusieurs mois de correspondance, Einstein a publiquement retiré ses objections, même s’il considérait toujours les résultats de Friedman comme n’ayant rien à voir avec la réalité, mais plutôt comme un « jeu de l’esprit ».

Dans les discussions en cours sur possibilité réelle expansion du Cosmos, de nouveaux modèles voient le jour. En particulier, l'expansion de l'Univers rempli de matière a été évoquée dans le premier ouvrage cosmologique du plus grand astronome et mathématicien belge, prêtre catholique, l'abbé J. Lemaître (Georges Lemaître, 1894-1966), publié en 1925. Cependant, une considération sérieuse du nouveau modèle nécessitait une confirmation expérimentale sérieuse.

Il a été obtenu pour la première fois quatre ans plus tard, en 1929. L'astronome américain E. Hubble (Edwin Powell Hubble; 1889-1953) a établi que tous les géants observés systèmes stellaires- les galaxies s'éloignent de nous et on calcule même à quelle vitesse. Dans ses conclusions, E. Hubble est parti de Effet Doppler– les modèles de changements dans la fréquence et la longueur des ondes enregistrées provoqués par le mouvement de leur source. L'effet Doppler est facile à observer par tout le monde dans la pratique, par exemple lorsqu'une locomotive klaxonnant passe devant un observateur debout sur une plate-forme. Supposons que le buzzer produise une certaine tonalité constante. Lorsque la locomotive ne bouge pas par rapport à l'observateur, celui-ci entend exactement la tonalité réellement émise par le klaxon. Mais si la locomotive s'approche de l'observateur, alors la fréquence ondes sonores augmentera et la longueur diminuera, et l'observateur entendra une tonalité plus haute qu'elle ne l'est réellement. Au moment où le train passe devant l'observateur, celui-ci entendra le ton même qui est réellement émis. Et lorsque la locomotive avance et s'éloigne déjà, l'observateur entendra une tonalité plus basse, en raison de la fréquence plus basse et, par conséquent, de la plus grande longueur des ondes sonores. Visuellement, un effet similaire de propagation des vagues à la surface de l'eau peut être observé depuis le rivage lorsqu'un bateau ou un nageur se déplace.

En analysant les spectres du rayonnement électromagnétique des galaxies, Hubble a enregistré décalage vers le rouge- déplacement des observables raies spectrales dans la direction rouge (longueur d'onde), ce qui indiquait que les galaxies s'éloignaient les unes des autres à une vitesse croissante de 55 km/s pour chaque million de parsecs. Noter que nous parlons de non pas sur la « dispersion » des systèmes galactiques dans l’espace, mais sur l’expansion de l’espace lui-même, tout comme les points marqués à la surface « se dispersent » montgolfière lorsqu'il est ensuite gonflé. En conséquence, la question de l'emplacement du point à partir duquel « l'emballement » de la matière a commencé est incorrecte, car initialement tous les points individuels-coordonnées de l'espace que nous avons distingués étaient situés ensemble. Pour la première fois le terme " Grand coup" ou " Gros coton» ( Big Bang) a été utilisé par l'astronome britannique F. Hoyle (Sir Fred Hoyle; 1915-(19150624)2001) lors d'une de ses conférences en 1949.

Dans la communauté scientifique, la découverte d'E. Hubble a suscité non seulement une large résonance, mais également des discussions animées. Pour confirmer de manière fiable une nouvelle image dynamique du monde, de nouveaux faits étaient nécessaires.

En 1948, des œuvres de Russes et physicien américain Georgy Antonovich Gamov (1904-1968) à propos de « l'Univers chaud », sur le modèle d'A. Friedman. Selon Friedman, l'explosion a créé un espace rempli de matière superdense, à partir duquel, après des milliards d'années, les corps observables de l'Univers - étoiles, galaxies et planètes - se sont formés. Georgy Gamow a suggéré que la substance primaire du monde était non seulement extrêmement dense, mais aussi très chaude. Nouvelle idéeétait que dans la matière chaude et dense du premier Univers, il y avait réactions nucléaires, et dans ce « chaudron nucléaire » des poumons ont été synthétisés en quelques minutes éléments chimiques. Le résultat le plus spectaculaire de cette théorie fut la prédiction fond d'espace radiation. Selon les lois de la thermodynamique rayonnement électromagnétique dans l'Univers primitif aurait dû coexister avec la matière chaude, elle ne disparaît pas avec l'expansion générale du Cosmos et reste - seulement très refroidie - jusqu'à présent sous forme de " écho de la Création" ou " écho du Big Bang" Gamow a pu estimer approximativement quelle devrait être la température actuelle du rayonnement résiduel hypothétique. Le calcul donne des chiffres très faibles, proches de zéro absolu(0 K ou −273,15 °C) – de 1 à 10 K. En 1950, G. Gamow affine les calculs et appelle la température environ 3 K.

En 1955, le jeune radioastronome soviétique Tigran Aramovich Shmaonov découvrit expérimentalement un rayonnement micro-onde sonore d'une température d'environ 3 K, et en 1964, les radioastronomes américains A. Penzias (né en 1933) et R. Wilson (Robert Woodrow Wilson ; né en 1936) a découvert le rayonnement de fond cosmique et mesuré sa température : elle s'est avérée être exactement de 3 K. Il s'agit de la plus grande découverte en cosmologie depuis que Hubble a observé l'expansion générale de l'Univers en 1929. En 1978, A. Penzias et R. Wilson ont reçu Prix ​​Nobel"pour la découverte rayonnement de fond cosmique à micro-ondes" Le terme " veuve(c'est-à-dire ancien ou résiduel) radiation» entré Astrophysicien soviétique Joseph Samouilovitch Shklovsky (1916-1985). Ainsi, le modèle de « l’univers chaud » de G. Gamow s’est avéré expérimentalement confirmé.

La théorie du Big Bang suggérait notamment que l’Univers devrait être composé à 23 % d’hélium. Les mesures de la teneur en hélium des étoiles et des nébuleuses ont confirmé ces prédictions. Plus impressionnante encore est la confirmation des hypothèses sur la teneur quantitative de l'isotope lourd de l'hydrogène - le deutérium et l'élément lithium - dans la matière cosmique.

Etude du rayonnement de fond cosmique micro-ondes dans les années 1990. s'est poursuivie avec l'aide de la sonde COBE (Cosmic Background Explorer) de la NASA. En 2003 et 2009 des satellites astronomiques spéciaux ont été lancés vaisseau spatial satellite: WMAP (sonde d'anisotropie micro-ondes Wilkinson) Administration nationale Aéronautique et exploration américaines espace extra-atmosphérique et "Planck" (Europe agence spatiale) pour effectuer des mesures de haute précision des paramètres du rayonnement de fond cosmique micro-ondes.

Avec les mesures précédentes, les informations obtenues ont permis aux physiciens de développer la norme moderne modèle cosmologique(ΛCDM (lire « Lambda-CDM » ; abréviation de Matière noire lambda-froide), selon lequel l'Univers est rempli, en plus de matière baryonique ordinaire, énergie sombre(décrit par la constante cosmologique Λ mentionnée ci-dessus dans les équations d'Einstein) et le froid matière noire (Matière noire froide). L'âge de l'Univers et sa répartition en masse ont été déterminés avec une grande précision différents types matière (matière baryonique "ordinaire" - 4%, matière noire - 23 %, énergie sombre- 73%). Selon ce modèle, l'âge de l'Univers est estimé à 13,75 milliards d'années. Il s'est avéré que ce qui a été observé répartition inégale les substances ressemblent à des structures quasi-ordonnées sous la forme d'un nid d'abeilles avec des cellules forme irrégulière dimensions de l’ordre de 100 millions d’années-lumière. La naissance de la structure harmonieuse à grande échelle de l’Univers dans certains modèles théologiques est en corrélation avec le « firmament » biblique (Genèse 1 : 6-8) du deuxième jour créatif.

Chronologie reconstituée du Big Bang peut être présenté sous la forme suivante (seules certaines étapes sont considérées).

Étape zéro. Si vous faites confiance aux calculs mathématiques, avant le Big Bang toute la matière et toute l'énergie de l'Univers étaient concentrées en un seul point géométrique avec des dimensions nulles, un temps nul, mais avec une masse et une pression tendant vers l'infini. G. Gamow a proposé d'appeler cet état ère augustinienne- en l'honneur de saint Augustin, qui parlait de l'émergence du temps avec la matière et l'espace. Cet état initial de l’Univers est aussi appelé singularité(lat. singularis- le seul). Cependant, selon principe d'incertitude W. Heisenberg, discuté par nous dans le chapitre consacré à mécanique quantique, la substance ne peut pas être « tirée » en un seul point, car Il est impossible de parler simultanément des coordonnées et de la vitesse d’une particule. Ainsi, le moment du début de la création - la singularité - n'obéit à aucune des lois connues de la physique.

Dans le moderne modèle inflationniste(lat. inflation- gonflement, gonflement) « le début de tout » est l'espace ou le vide à huit dimensions (lat. vide- vide), approchant en taille d'un point. Le vide ne peut pas être appelé vide absolu - c'est un milieu avec propriétés spéciales, situé dans état d'équilibre: il existe dedans virtuel particules qui « empruntent » de l’énergie au vide pour bref instant naître et, restituant l'énergie occupée, disparaître immédiatement. En d’autres termes, les fluctuations quantiques des champs se produisent dans un vide excité. L'une de ces fluctuations peut déséquilibrer le vide, particules virtuelles commencer à capter l'énergie sans recul, devenant réel. Les premières particules instables à apparaître physicien exceptionnel I. Prigogine identifiée à mini trous noirs, se désintégrant en matière ordinaire et en rayonnement. En général, le processus pourrait ressembler à ceci : fluctuation spontanée du vide > apparition de mini trous noirs > naissance de l'espace-temps > naissance particules élémentaires. « Il existe une certaine analogie avec un liquide surfondu et le seuil de transition vers état cristallin« », écrit I. Prigogine, « Nous pouvons observer des fluctuations dans un liquide surfondu, conduisant à la formation de minuscules cristaux qui apparaissent ou se dissolvent à nouveau. Mais si un gros cristal se forme, alors un événement irréversible se produit : la cristallisation de tout le liquide. »

Du point de vue théorie des cordes, évoqué plus haut dans le chapitre consacré à la structure de la matière au niveau du microcosme, conditions initiales avant le Big Bang sont décrits comme suit : premièrement, toutes les dimensions spatiales sont étroitement réduites à une taille minimale Longueur de planche - 10 −33 m. La température et l'énergie sont élevées, mais pas infinies. DANS moment de départ existence de l’Univers, toutes les dimensions spatiales sont complètement égales et complètement symétriques : elles sont toutes enroulées dans un « bloc multidimensionnel » aux dimensions de Planck (10 −33 m). Ensuite, l'Univers passe par la première étape de réduction de symétrie, lorsqu'au moment de Planck (10 −43 s) trois dimensions spatiales sont « sélectionnées » pour une expansion ultérieure et prennent la forme actuellement observée, tandis que les autres conservent leur forme d'origine. Taille de Planck.

Période inflationniste . Le temps écoulé depuis le début de l’expansion de l’Univers est de 10 −33 s. Pendant cette période, ses dimensions spatiales augmentent à une vitesse fulgurante, jusqu'à 10 à 50 fois. D'où l'utilisation du terme - " inflation" Un échauffement secondaire de la matière se produit.

L'ère des quarks – de 10 −12 à 10 −6 s. Symétrie électrofaible brisée, les quatre fondamentaux interactions physiques existent séparément. Les quarks n'ont pas encore été combinés en hadrons. L'Univers est rempli de plasma quarks-gluons, de leptons et de photons.

Les époques Hadron et Lepton – de 10 −6 à 3 s. A ce stade, la température est tombée à 10 13 K et la libre existence des quarks a cessé. Le processus a commencé annihilation- destruction mutuelle des couples baryon-antibaryon, puis lepton-antilepton, accompagnée de l'émission d'énergie ou de la naissance de nouvelles particules. En raison de la rupture de la symétrie matière-antimatière, il subsiste un léger excès de baryons par rapport aux antibaryons (environ 1:109). La substance devient transparente aux neutrinos.

L'ère des protons (photons) – de 3 minutes à 380 mille ans. Des atomes se forment, une nucléosynthèse d'hélium, un isotope lourd de l'hydrogène - deutérium et lithium se produit. La matière commence à dominer le rayonnement, ce qui entraîne un changement dans le régime d'expansion de l'Univers. À la fin de l’époque, l’Univers devient transparent aux photons et des radiations reliques apparaissent.

Âges sombres - de 380 mille à 150 millions d'années. L'Univers homogène en expansion est rempli d'hydrogène, d'hélium, rayonnement de fond cosmique à micro-ondes, rayonnement hydrogène atomiqueà une vague de 21 cm.

Époques de réionisation et de matière – de 150 millions à 10 milliards d’années. Les premières étoiles, quasars, galaxies, amas et superamas de galaxies sont formés à partir de compactions de matière. L'hydrogène est réionisé par la lumière des étoiles et des quasars.

La source de la propre lueur des étoiles est réactions thermonucléaires convertir l'hydrogène en hélium. Une série de processus nucléaires peuvent produire des éléments chimiques plus lourds. Les étoiles sont classées selon toute une série de paramètres : taille, spectres d'émission, luminosité, éléments élémentaires. composition chimique etc. En 1910, l'astronome danois E. Hertzsprung (1873-1967) et l'astrophysicien américain H. Russell (Henry Norris Russell ; 1877-1957) ont développé un diagramme spécial pour classer les étoiles et décrire les processus de leur évolution, qui est actuellement appelé ces scientifiques ( Diagramme de Hertzsprung-Russell).

8,9 milliards d'années - 9,1 milliards d'années La formation de la Terre et des autres planètes de notre système solaire, la solidification des roches. Chapitre Selon la théorie du Big Bang, la poursuite de l'évolution dépend d'un paramètre mesurable expérimentalement -

densité moyenne substances dans l’Univers moderne. Si la densité ne dépasse pas une certaine valeur critique (connue en théorie), l'Univers s'étendra pour toujours, mais si la densité est supérieure à la valeur critique, alors le processus d'expansion s'arrêtera un jour et la phase inverse de compression commencera, retournant à l’état singulier originel. Les données expérimentales modernes concernant la densité moyenne ne sont pas encore suffisamment fiables pour permettre un choix clair entre deux options pour l'avenir de l'Univers. Il existe un certain nombre de questions auxquelles la théorie du Big Bang ne peut pas encore répondre, mais ses principales dispositions sont étayées par des données expérimentales fiables, et

• la physique théorique permet de décrire de manière assez fiable l'évolution d'un tel système dans le temps, à l'exception de la toute première étape - environ un centième de seconde du « début du monde ». Il est important pour la théorie que cette incertitude au stade initial s'avère en réalité insignifiante, puisque l'état de l'Univers formé après avoir franchi cette étape et son évolution ultérieure peuvent être décrits de manière assez fiable.

• Processus observables

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Remarques

Sources

• // Livre en ligne UN ARBRE DE CONNAISSANCES

Extrait décrivant la chronologie du Big Bang