Bagaimana Alam Semesta muncul: pendekatan dan versi ilmiah. Teori asal usul alam semesta dan modelnya Bagaimana alam semesta diciptakan

Bagaimana itu bisa berubah menjadi ruang yang seolah tak ada habisnya? Dan apa yang akan terjadi setelah jutaan dan milyaran tahun? Pertanyaan-pertanyaan ini tampaknya telah menyiksa (dan terus menyiksa) pikiran para filsuf dan ilmuwan sejak awal zaman, sehingga memunculkan banyak teori yang menarik dan terkadang bahkan gila.

Saat ini, sebagian besar astronom dan kosmolog telah mencapai kesepakatan umum bahwa alam semesta yang kita kenal adalah hasil dari ledakan raksasa yang tidak hanya menciptakan sebagian besar materi, namun juga merupakan sumber hukum fisika dasar yang mendasari kosmos. mengelilingi kita ada. Semua ini disebut teori big bang.

Dasar-dasar teori big bang relatif sederhana. Jadi, singkatnya, menurutnya, semua materi yang ada dan sekarang ada di alam semesta muncul pada waktu yang sama – sekitar 13,8 miliar tahun yang lalu. Pada saat itu, semua materi ada dalam bentuk bola (atau titik) abstrak yang sangat padat dengan kepadatan dan suhu tak terhingga. Keadaan ini disebut singularitas. Tiba-tiba, singularitas mulai meluas dan melahirkan alam semesta yang kita kenal.

Perlu dicatat bahwa teori big bang hanyalah salah satu dari banyak hipotesis yang diajukan tentang asal usul alam semesta (misalnya, ada juga teori alam semesta stasioner), tetapi teori ini telah mendapat pengakuan dan popularitas terluas. Tidak hanya menjelaskan sumber semua materi yang diketahui, hukum fisika, dan struktur alam semesta yang lebih besar, namun juga menjelaskan alasan perluasan alam semesta dan banyak aspek serta fenomena lainnya.

Kronologi kejadian dalam teori big bang.

Berdasarkan pengetahuan tentang keadaan alam semesta saat ini, para ilmuwan berteori bahwa segala sesuatu pasti bermula dari satu titik dengan kepadatan tak terbatas dan waktu terbatas, yang mulai mengembang. Menurut teori, setelah perluasan awal, alam semesta melewati fase pendinginan yang memungkinkan munculnya partikel subatom dan kemudian atom sederhana. Awan raksasa dari unsur-unsur purba ini kemudian, berkat gravitasi, mulai membentuk bintang dan galaksi.

Semua ini, menurut para ilmuwan, dimulai sekitar 13,8 miliar tahun yang lalu, dan oleh karena itu titik awal ini dianggap sebagai usia alam semesta. Dengan mengeksplorasi berbagai prinsip teoretis, melakukan eksperimen yang melibatkan akselerator partikel dan keadaan energi tinggi, serta melakukan studi astronomi terhadap jangkauan terjauh alam semesta, para ilmuwan telah menyimpulkan dan mengusulkan kronologi peristiwa yang dimulai dengan big bang dan pada akhirnya membawa alam semesta ke alam semesta. keadaan evolusi kosmik yang sedang terjadi sekarang.

Para ilmuwan percaya bahwa periode paling awal asal usul alam semesta - yang berlangsung antara 10-43 hingga 10-11 detik setelah big bang - masih menjadi bahan perdebatan dan perdebatan. Perhatian! Hanya jika kita memperhitungkan bahwa hukum fisika yang kita ketahui sekarang tidak mungkin ada pada saat itu, maka sangat sulit untuk memahami bagaimana proses diatur di alam semesta awal ini. Selain itu, percobaan dengan menggunakan kemungkinan jenis energi yang ada pada saat itu belum dilakukan. Meski begitu, banyak teori tentang asal usul alam semesta yang pada akhirnya sepakat bahwa pada suatu titik waktu ada titik awal dari mana segala sesuatu dimulai.

Era singularitas.

Juga dikenal sebagai zaman Planck (atau era Planck), periode ini dianggap sebagai periode paling awal yang diketahui dalam evolusi alam semesta. Pada saat ini, semua materi terkandung dalam satu titik dengan kepadatan dan suhu tak terhingga. Selama periode ini, para ilmuwan percaya, efek kuantum dari interaksi gravitasi mendominasi interaksi fisik, dan tidak ada gaya fisik yang kekuatannya setara dengan gravitasi.

Era Planck konon berlangsung dari 0 hingga 10-43 detik dan dinamakan demikian karena durasinya hanya dapat diukur dengan waktu Planck. Karena suhu ekstrem dan kepadatan materi yang tak terhingga, keadaan alam semesta selama periode ini sangatlah tidak stabil. Hal ini diikuti oleh periode ekspansi dan pendinginan yang memunculkan gaya-gaya fundamental fisika.

Kira-kira dalam kurun waktu 10-43 hingga 10-36 detik, terjadi proses tumbukan keadaan suhu transisi di Alam Semesta. Dipercayai bahwa pada titik inilah kekuatan fundamental yang mengatur alam semesta saat ini mulai terpisah satu sama lain. Langkah pertama dari pemisahan ini adalah munculnya gaya gravitasi, interaksi nuklir kuat dan lemah, serta elektromagnetisme.

Dalam kurun waktu sekitar 10-36 hingga 10-32 detik setelah big bang, suhu alam semesta menjadi cukup rendah (1028 K), yang menyebabkan terjadinya pemisahan gaya elektromagnetik (gaya kuat) dan gaya nuklir lemah ( kekuatan yang lemah).

Era inflasi.

Dengan munculnya gaya fundamental pertama di alam semesta, era inflasi dimulai, yang berlangsung dari 10-32 detik waktu Planck hingga titik waktu yang tidak diketahui. Sebagian besar model kosmologis menunjukkan bahwa alam semesta pada periode ini dipenuhi energi dengan kepadatan tinggi, dan suhu serta tekanan yang sangat tinggi menyebabkannya mengembang dan mendingin dengan cepat.

Ini dimulai pada 10-37 detik, ketika fase transisi yang menyebabkan pemisahan gaya diikuti oleh perluasan alam semesta secara eksponensial. Selama periode waktu yang sama, alam semesta berada dalam keadaan bariogenesis, ketika suhu sangat tinggi sehingga pergerakan acak partikel di ruang angkasa terjadi dengan kecepatan mendekati kecepatan cahaya.

Pada saat ini, pasangan partikel – antipartikel terbentuk dan langsung bertabrakan dan hancur, yang diyakini menyebabkan dominasi materi atas antimateri di alam semesta modern. Setelah inflasi berhenti, alam semesta terdiri dari plasma kuark-gluon dan partikel elementer lainnya. Sejak saat itu, alam semesta mulai mendingin, materi mulai terbentuk dan bergabung.

Era pendinginan.

Ketika kepadatan dan suhu di dalam alam semesta menurun, energi di setiap partikel mulai berkurang. Keadaan transisi ini berlangsung hingga gaya-gaya fundamental dan partikel-partikel elementer mencapai bentuknya yang sekarang. Karena energi partikel telah turun ke nilai yang dapat dicapai saat ini melalui eksperimen, kemungkinan keberadaan sebenarnya pada periode waktu ini tidak terlalu kontroversial di kalangan ilmuwan.

Misalnya, para ilmuwan percaya bahwa 10-11 detik setelah big bang, energi partikel menurun secara signifikan. Sekitar 10-6 detik, quark dan gluon mulai membentuk baryon - proton dan neutron. Quark mulai mendominasi antiquark, yang pada gilirannya menyebabkan dominasi baryon atas antibaryon.

Karena suhu tidak lagi cukup tinggi untuk menghasilkan pasangan proton-antiproton (atau pasangan neutron-antineutron) baru, terjadilah penghancuran besar-besaran pada partikel-partikel ini, sehingga hanya menyisakan 1/1010 dari jumlah proton dan neutron asli serta jumlah total proton dan neutron yang tersisa. hilangnya antipartikelnya. Proses serupa terjadi sekitar 1 detik setelah big bang. Hanya “Korban” kali ini yang berupa elektron dan positron. Setelah pemusnahan massal, proton, neutron, dan elektron yang tersisa berhenti bergerak secara acak, dan kepadatan energi alam semesta dipenuhi dengan foton dan, pada tingkat lebih rendah, neutrino.

Pada menit-menit pertama perluasan alam semesta, periode nukleosintesis (sintesis unsur-unsur kimia) dimulai, dengan suhu turun hingga 1 miliar kelvin dan kepadatan energi menurun hingga nilai yang kira-kira setara dengan udara, neutron, dan energi. proton mulai bercampur dan membentuk isotop stabil pertama hidrogen (deuterium), dan atom helium. Namun, sebagian besar proton di alam semesta tetap berupa inti atom hidrogen yang terputus.

Setelah sekitar 379.000 tahun, elektron bergabung dengan inti hidrogen untuk membentuk atom (sekali lagi sebagian besar hidrogen), sementara radiasi terpisah dari materi dan terus berkembang tanpa hambatan di ruang angkasa. Radiasi ini disebut radiasi latar gelombang mikro kosmik, dan merupakan sumber cahaya tertua di alam semesta.

Dengan perluasan, latar belakang gelombang mikro kosmik secara bertahap kehilangan kepadatan dan energinya, dan saat ini suhunya adalah 2,7260 0,0013 K (- 270,424 C), dan kepadatan energinya adalah 0,25 eV (atau 4,005x10-14 J/m? ; 400- 500 Foton/cm CMB meluas ke segala arah dan menempuh jarak sekitar 13,8 miliar tahun cahaya, namun perkiraan distribusi sebenarnya adalah sekitar 46 miliar tahun cahaya dari pusat alam semesta.

Era struktur (era hierarki).

Selama beberapa miliar tahun berikutnya, wilayah materi yang lebih padat dan tersebar hampir merata di seluruh alam semesta mulai saling tarik menarik. Akibatnya, mereka menjadi lebih padat dan mulai membentuk awan gas, bintang, galaksi, dan struktur astronomi lainnya yang dapat kita amati saat ini. Periode ini disebut era hierarki. Pada masa inilah alam semesta yang kita lihat sekarang mulai terbentuk. Materi mulai menyatu menjadi struktur dengan berbagai ukuran - bintang, planet, galaksi, gugus galaksi, serta superkluster galaksi, dipisahkan oleh jembatan antargalaksi yang hanya berisi beberapa galaksi.

Detail proses ini dapat dijelaskan berdasarkan gagasan tentang jumlah dan jenis materi yang tersebar di alam semesta, yang direpresentasikan sebagai materi gelap dingin, hangat, panas, dan materi baryonik. Namun, model kosmologi standar Big Bang saat ini adalah model lambda-CDM, yang menyatakan bahwa partikel materi gelap bergerak lebih lambat dari kecepatan cahaya. Ia dipilih karena menyelesaikan semua kontradiksi yang muncul dalam model kosmologis lainnya.

Menurut model ini, materi gelap dingin menyumbang sekitar 23 persen dari seluruh materi/energi di alam semesta. Proporsi materi baryonik sekitar 4,6 persen. Lambda - CDM mengacu pada apa yang disebut konstanta kosmologis: sebuah teori yang diajukan oleh Albert Einstein yang mencirikan sifat-sifat ruang hampa dan menunjukkan hubungan keseimbangan antara massa dan energi sebagai besaran statis yang konstan. Dalam hal ini, ia dikaitkan dengan energi gelap, yang berfungsi sebagai akselerator perluasan alam semesta dan menjaga sebagian besar struktur kosmologis raksasa tetap homogen.

Prediksi jangka panjang mengenai masa depan alam semesta.

Hipotesis bahwa evolusi alam semesta mempunyai titik awal tentu saja mengarahkan para ilmuwan pada pertanyaan tentang kemungkinan titik akhir dari proses ini. Hanya jika alam semesta memulai sejarahnya dari sebuah titik kecil dengan kepadatan tak terhingga, yang tiba-tiba mulai mengembang, bukan berarti ia juga akan mengembang tanpa batas, atau suatu saat ia akan kehabisan gaya muai dan proses kompresi sebaliknya akan dimulai. , yang hasil akhirnya akan tetap berupa titik padat tak terhingga yang sama?

Menjawab pertanyaan-pertanyaan ini telah menjadi tujuan utama para kosmolog sejak awal perdebatan tentang model kosmologis alam semesta mana yang benar. Dengan diterimanya teori big bang, dan sebagian besar berkat observasi energi gelap pada tahun 1990an, para ilmuwan telah mencapai konsensus mengenai dua skenario yang paling mungkin bagi evolusi alam semesta.

Menurut yang pertama, yang disebut Big Crunch, alam semesta akan mencapai ukuran maksimumnya dan mulai runtuh. Skenario ini hanya mungkin terjadi jika kepadatan massa alam semesta menjadi lebih besar daripada kepadatan kritis itu sendiri. Dengan kata lain, jika massa jenis materi mencapai atau naik melebihi nilai tertentu (1-3x10-26 kg materi per m), alam semesta akan mulai berkontraksi.

Alternatifnya adalah skenario lain, yang menyatakan bahwa jika kepadatan di alam semesta sama dengan atau di bawah nilai kepadatan kritis, maka perluasannya akan melambat, namun tidak akan pernah berhenti sepenuhnya. Menurut hipotesis yang disebut "Kematian Panas Alam Semesta", perluasan akan terus berlanjut hingga pembentukan bintang berhenti mengonsumsi gas antarbintang di dalam setiap galaksi di sekitarnya. Artinya, perpindahan energi dan materi dari satu benda ke benda lain akan terhenti sama sekali. Semua bintang yang ada dalam hal ini akan terbakar dan berubah menjadi katai putih, bintang neutron, dan lubang hitam.

Lambat laun, lubang hitam akan bertabrakan dengan lubang hitam lainnya, sehingga menyebabkan terbentuknya lubang hitam yang semakin besar. Suhu rata-rata alam semesta akan mendekati nol mutlak. Lubang hitam pada akhirnya akan "Menguap", melepaskan radiasi terakhirnya. Pada akhirnya, entropi termodinamika di alam semesta akan mencapai titik maksimumnya. Kematian panas akan terjadi.

Pengamatan modern yang memperhitungkan keberadaan energi gelap dan pengaruhnya terhadap perluasan ruang angkasa telah membuat para ilmuwan menyimpulkan bahwa seiring berjalannya waktu, semakin banyak alam semesta yang akan melampaui cakrawala peristiwa kita dan menjadi tidak terlihat oleh kita. Hasil akhir dan logis dari hal ini belum diketahui oleh para ilmuwan, namun “Kematian akibat Panas” mungkin menjadi titik akhir dari peristiwa tersebut.

Ada hipotesis lain mengenai distribusi energi gelap, atau lebih tepatnya, kemungkinan jenisnya (misalnya, energi hantu. Menurut hipotesis tersebut, gugus galaksi, bintang, planet, atom, inti atom, dan materi itu sendiri akan terkoyak sebagai akibatnya. Skenario evolusi seperti ini disebut dengan “Big Rip.” Menurut skenario ini, penyebab matinya alam semesta adalah ekspansi itu sendiri.

Sejarah Teori Big Bang.

Penyebutan big bang paling awal dimulai pada awal abad ke-20 dan dikaitkan dengan pengamatan luar angkasa. Pada tahun 1912, astronom Amerika Vesto Slifer melakukan serangkaian pengamatan terhadap galaksi spiral (yang awalnya dianggap sebagai nebula) dan mengukur pergeseran merah Dopplernya. Di hampir semua kasus, pengamatan menunjukkan bahwa galaksi spiral bergerak menjauhi Bima Sakti.

Pada tahun 1922, matematikawan dan kosmolog terkemuka Rusia Alexander Friedman menurunkan apa yang disebut persamaan Friedmann dari persamaan relativitas umum Einstein. Meskipun teori Einstein mendukung konstanta kosmologis, karya Friedman menunjukkan bahwa alam semesta berada dalam keadaan mengembang.

Pada tahun 1924, pengukuran jarak ke nebula spiral terdekat oleh Edwin Hubble menunjukkan bahwa sistem ini sebenarnya adalah galaksi yang berbeda. Pada saat yang sama, Hubble mulai mengembangkan serangkaian metrik pengurangan jarak menggunakan Teleskop Hooker 2,5 meter di Observatorium Mount Wilson. Pada tahun 1929, Hubble telah menemukan hubungan antara jarak dan kecepatan surutnya galaksi, yang kemudian menjadi hukum Hubble.

Pada tahun 1927, ahli matematika, fisikawan, dan pendeta Katolik Belgia Georges Lemaître secara independen sampai pada hasil yang sama dengan persamaan Friedmann, dan merupakan orang pertama yang merumuskan hubungan antara jarak dan kecepatan galaksi, dengan menawarkan perkiraan pertama koefisien hubungan ini. Lemaitre percaya bahwa pada suatu saat di masa lalu seluruh massa alam semesta terkonsentrasi pada satu titik (atom.

Penemuan dan asumsi ini menimbulkan banyak perdebatan di kalangan fisikawan pada tahun 20-an dan 30-an, yang sebagian besar percaya bahwa alam semesta berada dalam keadaan diam. Menurut model yang ditetapkan pada saat itu, materi baru tercipta seiring dengan perluasan alam semesta yang tak terbatas, yang kepadatannya tersebar secara merata dan merata di seluruh wilayahnya. Di antara para ilmuwan yang mendukungnya, gagasan big bang tampak lebih bersifat teologis daripada ilmiah. Lemaitre dikritik karena bias berdasarkan prasangka agama.

Perlu dicatat bahwa teori-teori lain ada pada waktu yang sama. Misalnya model alam semesta Milne dan model siklik. Keduanya didasarkan pada postulat teori relativitas umum Einstein dan kemudian mendapat dukungan dari ilmuwan itu sendiri. Menurut model-model ini, alam semesta ada dalam siklus ekspansi dan keruntuhan yang berulang tanpa henti.

1. Era singularitas (Planckian). Ini dianggap sebagai periode awal evolusi Alam Semesta. Materi terkonsentrasi pada satu titik, yang memiliki suhu dan kepadatan tak terhingga. Para ilmuwan berpendapat bahwa era ini dicirikan oleh dominasi efek kuantum yang termasuk dalam interaksi gravitasi terhadap efek fisik, dan tidak ada satu pun gaya fisik yang ada pada masa-masa yang jauh itu yang memiliki kekuatan yang identik dengan gravitasi, yaitu tidak setara dengannya. Durasi era Planck terkonsentrasi pada kisaran 0 hingga 10-43 detik. Ia menerima nama ini karena hanya waktu Planck yang dapat mengukur luasnya sepenuhnya. Interval waktu ini dianggap sangat tidak stabil, yang pada gilirannya berkaitan erat dengan suhu ekstrem dan kepadatan materi yang tidak terbatas. Setelah era singularitas, terjadi periode ekspansi, dan bersamaan dengan itu pendinginan, yang mengarah pada pembentukan kekuatan fisik dasar.

Bagaimana Alam Semesta dilahirkan. Kelahiran dingin

Apa yang terjadi sebelum Alam Semesta? Model Alam Semesta "Tidur".

“Mungkin sebelum Big Bang, Alam Semesta merupakan ruang statis yang sangat padat dan berevolusi secara perlahan,” teori fisikawan seperti Kurt Hinterbichler, Austin Joyce, dan Justin Khoury berteori.

Alam semesta “pra-ledakan” ini harus memiliki keadaan metastabil, yaitu stabil hingga muncul keadaan yang lebih stabil. Secara analogi, bayangkan sebuah tebing yang di tepinya terdapat sebuah batu besar yang sedang bergetar. Setiap kontak dengan batu tersebut akan menyebabkannya jatuh ke dalam jurang atau - yang lebih mendekati kasus kita - Big Bang akan terjadi. Menurut beberapa teori, alam semesta “pra-ledakan” bisa saja ada dalam bentuk yang berbeda, misalnya dalam bentuk ruang yang sangat padat dan pepat. Akibatnya, periode metastabil ini berakhir: periode ini meluas secara tajam dan memperoleh bentuk serta keadaan seperti yang kita lihat sekarang.

“Namun, model alam semesta yang tertidur juga mempunyai masalah,” kata Carroll.

“Ini juga mengasumsikan bahwa Alam Semesta kita memiliki tingkat entropi yang rendah, namun tidak menjelaskan mengapa hal ini terjadi.”

Namun, Hinterbichler, fisikawan teoretis di Case Western Reserve University, tidak melihat munculnya entropi rendah sebagai masalah.

“Kami hanya mencari penjelasan mengenai dinamika yang terjadi sebelum Big Bang yang menjelaskan mengapa kita melihat apa yang kita lihat sekarang. Untuk saat ini, hanya ini yang tersisa,” kata Hinterbichler.

Carroll, bagaimanapun, percaya bahwa ada teori lain tentang alam semesta “pra-ledakan” yang dapat menjelaskan rendahnya tingkat entropi yang ada di alam semesta kita.

Bagaimana Alam Semesta muncul dari ketiadaan. Bagaimana Alam Semesta bekerja

Mari kita bicara tentang bagaimana sebenarnya fisika bekerja, menurut konsep kita. Sejak zaman Newton, paradigma fisika fundamental tidak berubah; itu mencakup tiga bagian. Yang pertama adalah “ruang keadaan”: pada dasarnya adalah daftar semua kemungkinan konfigurasi di mana alam semesta bisa ada. Yang kedua adalah keadaan tertentu yang mewakili Alam Semesta pada suatu titik waktu, biasanya pada saat ini. Yang ketiga adalah aturan tertentu yang menurutnya Alam Semesta berkembang seiring berjalannya waktu. Berikan saya Alam Semesta hari ini, dan hukum fisika akan memberi tahu Anda apa yang akan terjadi di masa depan. Cara berpikir seperti ini juga berlaku dalam mekanika kuantum atau relativitas umum atau teori medan kuantum dibandingkan dengan mekanika Newton atau elektrodinamika Maxwellian.

Mekanika kuantum, khususnya, adalah implementasi skema ini yang istimewa namun sangat serbaguna. (Teori medan kuantum hanyalah contoh spesifik mekanika kuantum, bukan cara berpikir baru). Keadaan adalah “fungsi gelombang”, dan himpunan semua kemungkinan fungsi gelombang dari sistem tertentu disebut “ruang Hilbert”. Keuntungannya adalah ia sangat membatasi serangkaian kemungkinan (karena ini adalah ruang vektor: catatan untuk para ahli). Setelah Anda memberi tahu saya ukurannya (jumlah dimensi), Anda akan menentukan ruang Hilbert Anda sepenuhnya. Hal ini sangat berbeda dengan mekanika klasik, yang mana ruang keadaan bisa menjadi sangat kompleks. Dan ada juga sebuah mesin - "Hamiltonian" - yang menunjukkan dengan tepat bagaimana berkembang dari satu negara bagian ke negara lain seiring berjalannya waktu. Saya ulangi bahwa tidak banyak jenis orang Hamilton; cukup dengan menuliskan daftar besaran tertentu (nilai eigen energi - klarifikasi untuk Anda, para ahli yang menyebalkan).

Bagaimana kehidupan muncul di Bumi. Kehidupan di Bumi

Kehidupan yang menggunakan bahan kimia yang berbeda dari kita mungkin muncul di Bumi lebih dari satu kali. Mungkin. Dan jika kita menemukan bukti adanya proses seperti itu, berarti besar kemungkinannya bahwa kehidupan akan muncul di banyak tempat di Alam Semesta secara independen, seperti halnya kehidupan muncul di Bumi. Namun di sisi lain, bayangkan bagaimana perasaan kita jika kita akhirnya menemukan kehidupan di planet lain, mungkin mengorbit bintang yang jauh, dan ternyata memiliki kimia yang sama dan bahkan mungkin struktur DNA yang sama dengan kita.

Kemungkinan bahwa kehidupan di Bumi muncul secara spontan dan kebetulan tampaknya sangat kecil. Kemungkinan munculnya kehidupan yang persis sama di tempat lain sangatlah kecil, dan praktis sama dengan nol. Namun ada kemungkinan jawaban atas pertanyaan-pertanyaan ini, yang diuraikan oleh astronom Inggris Fred Hoyle dan Chandra Wickramasinghe dalam buku mereka yang tidak biasa, yang ditulis pada tahun 1979, Life cloud.

Mengingat kemungkinan yang sangat kecil bahwa kehidupan di Bumi muncul dengan sendirinya, penulis mengajukan penjelasan lain. Hal ini terletak pada kenyataan bahwa kemunculan kehidupan terjadi di suatu tempat di luar angkasa, dan kemudian menyebar ke seluruh alam semesta melalui panspermia. Kehidupan mikroskopis yang terperangkap dalam puing-puing tabrakan kosmik dapat melakukan perjalanan dalam keadaan tidak aktif untuk jangka waktu yang sangat lama. Setelah itu, ketika sampai di tempat tujuan, ia akan mulai berkembang kembali. Dengan demikian, semua kehidupan di Alam Semesta, termasuk kehidupan di Bumi, sebenarnya adalah kehidupan yang sama.

Video Bagaimana Alam Semesta muncul

Bagaimana Alam Semesta muncul dari ketiadaan. Kelahiran dingin

Namun, jalan menuju penyatuan tersebut dapat dipikirkan pada tingkat kualitatif, dan prospek yang sangat menarik muncul di sini. Salah satunya dipertimbangkan oleh kosmolog terkenal, profesor di Universitas Arizona Lawrence Krauss dalam bukunya yang baru diterbitkan “A Universe From Nothing”. Hipotesisnya tampak fantastis, tetapi sama sekali tidak bertentangan dengan hukum fisika yang berlaku.

Alam semesta kita diyakini muncul dari keadaan awal yang sangat panas dengan suhu sekitar 1032 Kelvin. Namun, kita juga bisa membayangkan kelahiran dingin alam semesta dari ruang hampa murni - lebih tepatnya, dari fluktuasi kuantumnya. Telah diketahui dengan baik bahwa fluktuasi seperti itu menimbulkan banyak sekali partikel maya yang benar-benar muncul dari ketiadaan dan kemudian menghilang tanpa jejak. Menurut Krauss, fluktuasi vakum, pada prinsipnya, mampu memunculkan protoalam semesta yang sama fananya, yang, dalam kondisi tertentu, berpindah dari keadaan virtual ke keadaan nyata.

Pertanyaan tentang bagaimana alam semesta terbentuk selalu membuat khawatir banyak orang. Hal ini tidak mengherankan, karena semua orang ingin mengetahui asal usulnya. Para ilmuwan, pendeta, dan penulis telah bergumul dengan pertanyaan ini selama beberapa milenium. Pertanyaan ini menggairahkan pikiran tidak hanya para spesialis, tetapi juga setiap orang biasa. Namun, perlu segera dikatakan bahwa tidak ada jawaban 100% terhadap pertanyaan tentang bagaimana alam semesta terbentuk. Hanya ada satu teori yang didukung oleh sebagian besar ilmuwan.

Di sini kita akan menganalisanya.

Karena segala sesuatu yang ada di sekitar manusia mempunyai permulaannya masing-masing, maka tidak mengherankan jika sejak zaman dahulu manusia telah berusaha menemukan permulaan alam semesta. Bagi manusia Abad Pertengahan, jawaban atas pertanyaan ini cukup sederhana - Tuhan menciptakan Alam Semesta. Namun, seiring berkembangnya ilmu pengetahuan, para ilmuwan mulai mempertanyakan tidak hanya pertanyaan tentang Tuhan, tetapi juga gagasan bahwa Alam Semesta mempunyai permulaan.

Pada tahun 1929, berkat astronom Amerika Hubble, para ilmuwan kembali mempertanyakan akar alam semesta. Faktanya adalah Hubble membuktikan bahwa galaksi-galaksi yang membentuk alam semesta terus bergerak. Selain bergerak, mereka juga bisa bertambah, artinya Alam Semesta bertambah. Dan jika tumbuh, ternyata pernah ada tahap dimana pertumbuhan tersebut dimulai. Artinya alam semesta mempunyai permulaan.

Beberapa saat kemudian, astronom Inggris Hoyle mengajukan hipotesis sensasional: Alam Semesta muncul pada saat Big Bang. Teorinya tercatat dalam sejarah dengan nama itu. Inti dari ide Hoyle sederhana dan sekaligus kompleks. Dia percaya bahwa pernah ada suatu tahap yang disebut keadaan singularitas kosmik, yaitu waktu berada pada titik nol, dan kepadatan serta suhu sama dengan tak terhingga. Dan pada suatu saat terjadi ledakan, akibatnya singularitas terpecah, sehingga kepadatan dan suhu berubah, pertumbuhan materi dimulai, yang berarti waktu mulai dihitung. Belakangan, Hoyle sendiri menyebut teorinya tidak meyakinkan, namun hal ini tidak menghentikannya menjadi hipotesis paling populer tentang asal usul alam semesta.

Kapan apa yang disebut Hoyle sebagai Big Bang terjadi? Para ilmuwan melakukan banyak perhitungan, dan hasilnya sebagian besar menyetujui angka 13,5 miliar tahun. Saat itulah Alam Semesta mulai muncul dari ketiadaan.Hanya dalam sepersekian detik, Alam Semesta memperoleh ukuran lebih kecil dari atom, dan proses pemuaian pun dimulai. Gravitasi memainkan peran kunci. Hal yang paling menarik adalah jika ia sedikit lebih kuat, maka tidak akan muncul apa-apa, paling banyak lubang hitam. Dan jika gravitasi sedikit lebih lemah, maka tidak akan terjadi apa-apa.
Beberapa detik setelah Ledakan, suhu di Alam Semesta sedikit menurun, yang mendorong terciptanya materi dan antimateri. Akibatnya, atom mulai bermunculan. Jadi Alam Semesta tidak lagi monokromatik. Di suatu tempat terdapat lebih banyak atom, di suatu tempat lebih sedikit. Di beberapa bagian suhunya lebih panas, di bagian lain suhunya lebih rendah. Atom-atom mulai bertabrakan satu sama lain, membentuk senyawa, kemudian zat baru, dan kemudian benda. Beberapa benda memiliki energi internal yang besar. Inilah bintang-bintangnya. Mereka mulai berkumpul di sekelilingnya (berkat gaya gravitasi) benda-benda lain yang kita sebut planet. Dari sinilah muncul sistem, salah satunya adalah Tata Surya kita.

Dentuman Besar. Masalah model dan penyelesaiannya

Masalah skala besar dan isotropi Alam Semesta dapat diatasi karena fakta bahwa selama tahap inflasi, ekspansi terjadi pada tingkat yang luar biasa tinggi. Oleh karena itu, seluruh ruang di Alam Semesta teramati adalah hasil dari satu wilayah yang terkait secara kausal pada zaman sebelum masa inflasi.
Memecahkan masalah alam semesta yang datar. Hal ini dimungkinkan karena pada tahap inflasi radius kelengkungan ruang bertambah. Nilai ini sedemikian rupa sehingga memungkinkan parameter kepadatan modern memiliki nilai mendekati kritis.
Ekspansi inflasi menyebabkan munculnya fluktuasi densitas dengan amplitudo dan bentuk spektrum tertentu. Hal ini memungkinkan osilasi (fluktuasi) ini berkembang menjadi struktur Alam Semesta saat ini, dengan tetap mempertahankan homogenitas dan isotropi skala besar. Ini adalah solusi terhadap masalah struktur alam semesta berskala besar.

Kerugian utama dari model inflasi adalah ketergantungannya pada teori-teori yang belum terbukti dan belum dikembangkan sepenuhnya.

Misalnya model yang didasarkan pada teori medan terpadu (unified field theory) yang masih sebatas hipotesis. Itu tidak dapat diuji secara eksperimental dalam kondisi laboratorium. Kelemahan lain dari model ini adalah tidak dapat dipahami dari mana asal materi super panas dan mengembang. Tiga kemungkinan dipertimbangkan di sini:

Teori standar Big Bang menyatakan permulaan inflasi pada tahap awal evolusi Alam Semesta. Namun masalah singularitas tidak terselesaikan.
Kemungkinan kedua adalah munculnya alam semesta dari kekacauan. Bagian yang berbeda memiliki suhu yang berbeda, sehingga terjadi kompresi di beberapa tempat, dan pemuaian terjadi di tempat lain. Inflasi akan terjadi di wilayah alam semesta yang terlalu panas dan mengembang. Namun tidak jelas dari mana kekacauan utama ini berasal.
Pilihan ketiga adalah jalur mekanika kuantum, yang melaluinya muncullah gumpalan materi yang sangat panas dan mengembang. Faktanya, alam semesta muncul dari ketiadaan.

Salah satu pertanyaan utama yang tidak pernah lepas dari kesadaran manusia adalah pertanyaan: “bagaimana alam semesta muncul?” Tentu saja, tidak ada jawaban pasti untuk pertanyaan ini, dan kemungkinan besar tidak akan diperoleh dalam waktu dekat, namun sains sedang berupaya ke arah ini dan membentuk model teoretis tertentu tentang asal usul Alam Semesta kita.

Pertama-tama, kita harus mempertimbangkan sifat-sifat dasar Alam Semesta, yang harus dijelaskan dalam kerangka model kosmologis.

Model harus memperhitungkan jarak yang diamati antar objek, serta kecepatan dan arah pergerakannya. Perhitungan tersebut didasarkan pada hukum Hubble: cz = H0D, dimana z adalah pergeseran merah suatu benda, D adalah jarak ke benda tersebut, c adalah kecepatan cahaya.
Usia alam semesta dalam model tersebut harus melebihi usia benda-benda tertua di dunia.
Model tersebut harus memperhitungkan kelimpahan elemen awal.
Model tersebut harus memperhitungkan struktur alam semesta berskala besar yang diamati.
Model harus memperhitungkan latar belakang peninggalan yang diamati.

Mari kita bahas secara singkat teori asal usul dan evolusi awal Alam Semesta yang diterima secara umum, yang didukung oleh sebagian besar ilmuwan. Saat ini, teori Big Bang mengacu pada kombinasi model alam semesta yang panas dengan Big Bang. Dan, meskipun konsep-konsep ini pada awalnya ada secara independen satu sama lain, sebagai hasil penyatuannya, komposisi kimia asli Alam Semesta, serta keberadaan radiasi latar gelombang mikro kosmik, dapat dijelaskan.

Menurut teori ini, Alam Semesta muncul sekitar 13,77 miliar tahun yang lalu dari suatu benda padat yang dipanaskan - suatu keadaan tunggal yang sulit dijelaskan dalam kerangka fisika modern. Masalah dengan singularitas kosmologis, antara lain, ketika mendeskripsikannya, sebagian besar besaran fisika, seperti massa jenis dan suhu, cenderung tak terhingga. Pada saat yang sama, diketahui bahwa pada kepadatan tak terhingga, entropi (ukuran kekacauan) seharusnya cenderung nol, yang sama sekali tidak sesuai dengan suhu tak terhingga.

Evolusi Alam Semesta

10 -43 detik pertama setelah Big Bang disebut tahap kekacauan kuantum. Sifat alam semesta pada tahap keberadaan ini tidak dapat dijelaskan dalam kerangka fisika yang kita kenal. Ruang-waktu terpadu yang berkesinambungan hancur menjadi kuanta.

Momen Planck adalah momen berakhirnya kekacauan kuantum, yang turun menjadi 10 dalam -43 detik. Saat ini, parameter Alam Semesta sama dengan nilai Planck, seperti suhu Planck (sekitar 1032 K). Pada era Planck, keempat interaksi fundamental (lemah, kuat, elektromagnetik, dan gravitasi) digabungkan menjadi satu interaksi. Momen Planck tidak mungkin dianggap sebagai periode yang panjang, karena fisika modern tidak bekerja dengan parameter yang kurang dari momen Planck.
Tahap inflasi. Tahap berikutnya dalam sejarah alam semesta adalah tahap inflasi. Pada momen pertama inflasi, interaksi gravitasi dipisahkan dari satu bidang supersimetris (sebelumnya termasuk bidang interaksi fundamental). Selama periode ini, materi mendapat tekanan negatif, yang menyebabkan peningkatan energi kinetik alam semesta secara eksponensial. Sederhananya, selama periode ini Alam Semesta mulai mengembang dengan sangat cepat, dan menjelang akhir energi medan fisik berubah menjadi energi partikel biasa. Pada akhir tahap ini, suhu zat dan radiasi meningkat secara signifikan. Seiring dengan berakhirnya tahap inflasi, interaksi yang kuat pun muncul. Juga pada saat ini, asimetri baryon Alam Semesta muncul.

[Asimetri barionik Alam Semesta adalah fenomena yang teramati mengenai dominasi materi dibandingkan antimateri di Alam Semesta]

Tahap dominasi radiasi. Tahap selanjutnya dalam perkembangan Alam Semesta yang meliputi beberapa tahapan. Pada tahap ini, suhu alam semesta mulai menurun, quark terbentuk, kemudian hadron dan lepton. Di era nukleosintesis, unsur-unsur kimia awal terbentuk dan helium disintesis. Namun radiasi masih mendominasi materi.
Era dominasi substansi. Setelah 10.000 tahun, energi suatu materi secara bertahap melebihi energi radiasi dan terjadi pemisahannya. Materi mulai mendominasi radiasi, dan latar belakang peninggalan muncul. Selain itu, pemisahan materi dengan radiasi secara signifikan meningkatkan ketidakhomogenan awal dalam distribusi materi, akibatnya galaksi dan supergalaksi mulai terbentuk. Hukum alam semesta telah menjadi seperti yang kita amati saat ini.

Gambaran di atas tersusun dari beberapa teori mendasar dan memberikan gambaran umum tentang terbentuknya Alam Semesta pada tahap awal keberadaannya.

Dari manakah asal mula alam semesta?

Jika Alam Semesta muncul dari singularitas kosmologis, lalu dari manakah asal mula singularitas itu sendiri? Saat ini tidak mungkin memberikan jawaban pasti atas pertanyaan ini. Mari kita perhatikan beberapa model kosmologis yang mempengaruhi “kelahiran Alam Semesta”.

Model-model ini didasarkan pada pernyataan bahwa Alam Semesta selalu ada dan seiring waktu keadaannya hanya berubah, bergerak dari ekspansi ke kompresi - dan sebaliknya.

Model Steinhardt-Turok. Model ini didasarkan pada teori string (teori M), karena menggunakan objek seperti “bran”.

[Bran (dari membran) dalam teori string (teori-M) adalah objek fisik multidimensi fundamental hipotetis yang dimensinya lebih kecil dari dimensi ruang di mana ia berada]

Menurut model ini, Alam Semesta tampak terletak di dalam bran tiga, yang secara berkala, setiap beberapa triliun tahun, bertabrakan dengan bran tiga lainnya, sehingga menyebabkan sesuatu seperti Big Bang. Selanjutnya, bran tiga kita mulai menjauhi bran lain dan mengembang. Pada titik tertentu, porsi energi gelap akan lebih diutamakan dan laju perluasan bran tiga pun meningkat. Ekspansi kolosal menghamburkan materi dan radiasi sedemikian rupa sehingga dunia menjadi hampir homogen dan kosong. Pada akhirnya, bran-tiga bertabrakan lagi, menyebabkan bran kita kembali ke fase awal siklusnya, dan sekali lagi melahirkan “Alam Semesta” kita.

Teori Loris Baum dan Paul Frampton juga menyatakan bahwa alam semesta bersifat siklus. Menurut teori mereka, yang terakhir, setelah Big Bang, akan mengembang karena energi gelap hingga mendekati momen “disintegrasi” ruang-waktu itu sendiri - Big Rip. Seperti diketahui, dalam “sistem tertutup, entropi tidak berkurang” (hukum kedua termodinamika). Dari pernyataan ini dapat disimpulkan bahwa Alam Semesta tidak dapat kembali ke keadaan semula, karena selama proses tersebut entropi harus menurun. Namun, masalah ini diselesaikan dalam kerangka teori ini. Menurut teori Baum dan Frampton, sesaat sebelum Big Rip, Alam Semesta terpecah menjadi banyak “pecahan”, yang masing-masing memiliki nilai entropi yang cukup kecil. Mengalami serangkaian transisi fase, “kelopak” Alam Semesta sebelumnya ini menghasilkan materi dan berkembang serupa dengan Alam Semesta asli. Dunia-dunia baru ini tidak berinteraksi satu sama lain, karena mereka terbang terpisah dengan kecepatan melebihi kecepatan cahaya. Oleh karena itu, menurut sebagian besar teori kosmologis, para ilmuwan juga menghindari singularitas kosmologis yang menjadi asal muasal kelahiran Alam Semesta. Artinya, pada saat berakhirnya siklusnya, Alam Semesta terpecah menjadi banyak dunia lain yang tidak berinteraksi, yang akan menjadi alam semesta baru.
Kosmologi siklik konformal – model siklik Roger Penrose dan Vahagn Gurzadyan. Menurut model ini, Alam Semesta mampu memasuki siklus baru tanpa melanggar hukum kedua termodinamika. Teori ini didasarkan pada asumsi bahwa lubang hitam menghancurkan informasi yang diserap, yang dalam beberapa hal “secara hukum” mengurangi entropi Alam Semesta. Kemudian setiap siklus keberadaan Alam Semesta dimulai dengan sesuatu yang mirip dengan Big Bang dan diakhiri dengan singularitas.

Model lain asal usul alam semesta

Di antara hipotesis lain yang menjelaskan penampakan Alam Semesta tampak, dua hipotesis berikut ini adalah yang paling populer:

Teori inflasi yang kacau - teori Andrei Linde. Menurut teori ini, terdapat medan skalar tertentu yang tidak homogen di seluruh volumenya. Artinya, di berbagai wilayah di alam semesta, medan skalar memiliki arti yang berbeda-beda. Kemudian, di wilayah yang medannya lemah, tidak terjadi apa-apa, sedangkan wilayah yang medannya kuat mulai mengembang (inflasi) akibat energinya, membentuk alam semesta baru. Skenario ini menyiratkan keberadaan banyak dunia yang tidak muncul secara bersamaan dan memiliki kumpulan partikel elementernya sendiri, dan akibatnya, hukum alam.
Teori Lee Smolin mengemukakan bahwa Big Bang bukanlah awal keberadaan Alam Semesta, melainkan hanya fase transisi antara dua keadaannya. Karena sebelum Big Bang, Alam Semesta ada dalam bentuk singularitas kosmologis, yang sifatnya mirip dengan singularitas lubang hitam, Smolin berpendapat bahwa Alam Semesta bisa saja muncul dari lubang hitam.

Ada juga model di mana alam semesta muncul terus-menerus, bertunas dari induknya, dan menemukan tempatnya sendiri. Selain itu, hukum fisika yang sama sama sekali tidak perlu diterapkan di dunia seperti itu. Semua dunia ini “tertanam” dalam satu kontinum ruang-waktu, namun mereka begitu terpisah di dalamnya sehingga mereka tidak merasakan kehadiran satu sama lain. Secara umum, konsep inflasi memungkinkan—bahkan, kekuatan!—untuk mempertimbangkan bahwa di dalam megakosmos raksasa terdapat banyak alam semesta yang terisolasi satu sama lain dengan struktur berbeda.

Terlepas dari kenyataan bahwa model siklik dan model lainnya menjawab sejumlah pertanyaan yang tidak dapat dijawab oleh teori Big Bang, termasuk masalah singularitas kosmologis. Namun, jika digabungkan dengan teori inflasi, Big Bang dapat menjelaskan asal usul alam semesta secara lebih lengkap, dan juga sejalan dengan banyak pengamatan.

Saat ini, para peneliti terus mempelajari secara intensif kemungkinan skenario asal usul alam semesta, namun tidak mungkin memberikan jawaban yang tidak dapat disangkal atas pertanyaan “Bagaimana alam semesta muncul?” - sepertinya tidak akan berhasil dalam waktu dekat. Ada dua alasan untuk hal ini: pembuktian langsung terhadap teori-teori kosmologis secara praktis tidak mungkin dilakukan, hanya tidak mungkin dilakukan secara tidak langsung; Bahkan secara teoritis, tidak mungkin memperoleh informasi akurat tentang dunia sebelum Big Bang. Karena dua alasan ini, para ilmuwan hanya dapat mengajukan hipotesis dan membangun model kosmologis yang paling akurat menggambarkan sifat alam semesta yang kita amati.

Sulit membayangkan masa 13,7 miliar tahun sebelum sekarang ketika seluruh alam semesta berbentuk singularitas. Menurut teori Big Bang, salah satu kandidat utama yang menjelaskan dari mana asal alam semesta dan semua materi di ruang angkasa, semuanya dikompresi menjadi titik yang lebih kecil dari partikel subatom. Namun jika hal ini masih bisa diterima, coba pikirkan: apa yang terjadi sebelum Big Bang terjadi?

Pertanyaan dalam kosmologi modern ini sudah ada sejak abad keempat Masehi. 1600 tahun yang lalu, teolog Agustinus Yang Terberkati mencoba memahami hakikat Tuhan sebelum penciptaan alam semesta. Dan tahukah Anda apa maksud kedatangannya? Waktu adalah bagian dari ciptaan Tuhan dan tidak ada kata “sebelum”.

Salah satu fisikawan terbaik abad ke-20, Albert Einstein, sampai pada kesimpulan yang hampir sama dalam mengembangkan teori relativitasnya. Cukup memperhatikan pengaruh massa terhadap waktu. Massa planet yang sangat besar mendistorsi waktu, menyebabkannya mengalir lebih lambat bagi manusia di permukaan dibandingkan bagi astronot yang mengorbit. Perbedaannya terlalu kecil untuk terlihat jelas, namun kenyataannya, seseorang yang berdiri di dekat batu besar menua lebih lambat dibandingkan seseorang yang berdiri di lapangan. Tapi butuh satu miliar tahun untuk menjadi satu detik lebih muda. Singularitas sebelum big bang memiliki seluruh massa alam semesta, yang secara efektif membuat waktu terhenti.

Menurut teori relativitas Einstein, waktu lahir tepat pada saat singularitas mulai meluas dan melampaui batas tak terhingga. Beberapa dekade setelah kematian Einstein, perkembangan fisika kuantum dan berbagai teori baru telah memperbarui perdebatan tentang sifat alam semesta sebelum Big Bang. Mari kita lihat.

Bran, siklus, dan gagasan lainnya
“Dan Tuhan meludah, pergi dan membanting pintu,
Kami berada di belakangnya – tapi pintunya hilang.”
A.Nepomnyashchiy

Bagaimana jika Alam Semesta kita merupakan turunan dari Alam Semesta lain yang lebih tua? Beberapa ahli astrofisika percaya bahwa radiasi sisa dari Big Bang: latar belakang gelombang mikro kosmik akan membantu menjelaskan cerita ini.

Para astronom pertama kali mendeteksi radiasi latar gelombang mikro kosmik pada tahun 1965, dan hal ini menimbulkan masalah tertentu dalam teori big bang – masalah yang menyebabkan para ilmuwan untuk sementara (sampai tahun 1981) menjadi bingung dan mengembangkan teori inflasi. Menurut teori ini, pada saat-saat pertama keberadaannya, Alam Semesta mulai mengembang dengan sangat pesat. Teori ini juga menjelaskan fluktuasi suhu dan kepadatan CMB dan menyarankan bahwa fluktuasi ini harus sama.

Tapi ternyata tidak. Penelitian terbaru memperjelas bahwa alam semesta sebenarnya hanya satu sisi, dan beberapa area mengalami lebih banyak fluktuasi dibandingkan area lainnya. Beberapa kosmolog percaya bahwa pengamatan ini menegaskan bahwa Alam Semesta kita mempunyai “ibu” (!)

Dalam teori inflasi chaos, gagasan ini mendapatkan momentumnya: perkembangan gelembung inflasi yang tak ada habisnya menghasilkan banyak sekali alam semesta, dan masing-masing alam semesta menghasilkan lebih banyak lagi gelembung inflasi di sejumlah besar Multiverse.

Namun, ada model yang mencoba menjelaskan pembentukan singularitas sebelum big bang. Jika Anda menganggap lubang hitam sebagai tong sampah raksasa, maka lubang hitam adalah kandidat utama terjadinya keruntuhan primordial, sehingga alam semesta kita yang mengembang bisa jadi adalah sebuah lubang putih - lubang keluar dari lubang hitam, dan setiap lubang hitam di alam semesta kita bisa jadi menampung alam semesta yang berbeda.

Ilmuwan lain percaya bahwa di balik terbentuknya singularitas terdapat sebuah siklus yang disebut “big bang”, yang mana alam semesta yang mengembang pada akhirnya runtuh dengan sendirinya, sehingga menimbulkan singularitas lain, yang lagi-lagi menimbulkan big bang lainnya. Proses ini akan abadi, dan semua singularitas dan semua keruntuhan tidak akan mewakili apa pun selain transisi ke fase lain dari keberadaan Alam Semesta.

Penjelasan terakhir yang akan kita bahas menggunakan gagasan alam semesta siklik yang dihasilkan oleh teori string. Hal ini menunjukkan bahwa aliran materi dan energi baru tercipta setiap triliunan tahun ketika dua membran, atau bran, di luar dimensi kita bertabrakan satu sama lain.

Apa yang terjadi sebelum Big Bang? Pertanyaannya tetap terbuka. Mungkin tidak ada apa-apa. Mungkin alam semesta lain atau versi kita yang lain. Mungkin lautan Alam Semesta, yang masing-masing mempunyai seperangkat hukum dan konstanta tersendiri yang menentukan sifat realitas fisik.

Massa bintang... Ilmu pengetahuan kita bingung dan pada saat yang sama terpesona oleh benda-benda kolosal yang berperilaku seperti atom, tetapi konstruksinya membingungkan kita dengan kompleksitasnya yang sangat besar dan (tampaknya?) serampangan. Mungkin, seiring berjalannya waktu, suatu keteraturan atau periodisitas akan muncul dalam struktur bintang, baik dalam komposisi maupun lokasinya. (N.A. Sadovsky)

Mari angkat kepala kita menuju malam berbintang. Di suatu tempat di sana, di balik tabir biru tua, semuanya dimulai. Dan semuanya dimulai, seperti biasa, dari ketiadaan. Tapi kita akan mulai dengan Big Bang, sebutan orang Amerika untuk Big Bang yang terjadi di Alam Semesta 15 miliar tahun yang lalu. Kita bahkan tidak bisa membayangkan seperti apa alam semesta sebelum ini.

Kita punya waktu. Bahkan jika jam di seluruh bumi rusak, Matahari akan terbit dan terbenam, menghitung mundur hari matahari, lingkaran pohon akan tetap terbentuk di pepohonan, dll. Waktu tidak akan berhenti. Sekarang bayangkan tidak ada waktu. Waktu tidak berhenti. Itu tidak ada. Tidak ada ruang juga. Tidak ada substansi. Terdapat gumpalan materi super dengan kepadatan yang sangat besar. Semua materi masa depan dunia, segala sesuatu yang nantinya akan menjadi bintang, planet - semuanya dikompresi menjadi satu titik dengan suhu yang sangat tinggi. Demikianlah Alam Semesta “dimulai”. Pada saat peristiwa ini, ruang dan waktu tercipta.

Tidak masuk akal menanyakan apa yang terjadi sebelum Big Bang. Ini seperti menanyakan apa yang ada di utara Kutub Utara atau di selatan Kutub Selatan. Pertanyaan “Di mana hal ini terjadi?” dapat dijawab hanya dengan satu kata: “di mana-mana”. Memang benar, Alam Semesta pada saat itu bukanlah sebuah titik terisolasi di ruang lain. Dia adalah titik ini dan dimensinya pada saat itu sangat kecil - mendekati ukuran elektron. Titik seperti itu hanya dapat dilihat dengan mikroskop elektron yang kuat. Tetapi massanya sangat besar: bukan 100, bukan 1000, bahkan 1.000.000 ton - lebih dari itu. Lebih besar dari massa Bumi, Matahari, seratus ribu miliar (100.000.000.000.000) kali lebih besar dari massa seluruh Galaksi kita. Dan jumlahnya tidak sedikit - 150 miliar bintang yang beratnya sama dengan Matahari dan lebih berat!

Kemudian titik ini “meledak” dengan kekuatan yang sangat besar, dan awan besar yang terdiri dari partikel-partikel elementer mulai tumbuh dan meluas ke segala arah. Setiap partikel berat dan menjalani kehidupan yang singkat namun penuh badai. Tahap pertama pembentukan Alam Semesta disebut hadronik, dan hanya berlangsung sepersekian detik - sepersepuluh ribu (0,0001 detik)! Laju perluasan Alam Semesta melampaui kecepatan cahaya di ruang hampa dan mendekati 300.000.000 m/s (300.000 km/s). Bandingkan: kecepatan awal peluru yang ditembakkan dari senapan serbu Kalashnikov adalah 715 m/s, yaitu kurang dari satu kilometer per detik; kecepatan lepas pertama adalah 8 km/s. Sebuah pesawat ruang angkasa di orbit bergerak dengan kecepatan yang kira-kira sama.

Pada saat-saat pertama keberadaannya, alam semesta sangatlah panas, jauh lebih panas daripada bagian dalam bintang terpanas. Pada suhu di atas 10 miliar derajat, yang sama dengan suhu alam semesta, tidak ada zat yang bisa eksis. Ya, dia belum sampai di sana. Hampir seluruh energi di Alam Semesta ada dalam bentuk radiasi elektromagnetik (foton), yaitu Alam Semesta “bersinar”, atau lebih tepatnya, ia sendiri merupakan cahaya terang dan tak berujung.

Hadron adalah partikel elementer terberat. Tapi sekarang waktunya telah tiba untuk partikel yang lebih ringan - lepton. Tahap kedua telah dimulai.

Seperti yang Anda ketahui, partikel tidak diam, melainkan bergerak, bertabrakan, menghilang, dan berubah. Sebagai hasil dari “tarian” tersebut, muncullah partikel dan antipartikel. Mereka tidak bisa hidup bersama. Ini dia siapa yang akan menang. Secara kebetulan, jumlah partikel ternyata sedikit lebih banyak daripada jumlah antipartikel. Partikel-partikel tersebut “bertahan”, dan seluruh dunia kini dibangun darinya.

Apa yang akan terjadi jika antipartikel menang? Jawaban para ilmuwan: tidak ada yang istimewa, dunia akan tetap sama, hanya struktur atom yang sedikit berubah. Atom “kita” mempunyai inti bermuatan positif dan elektron bermuatan negatif pada kulitnya. Tapi yang terjadi justru sebaliknya. Dan elektron disebut positron... Para ilmuwan telah lama belajar untuk mendapatkan antipartikel dalam kondisi laboratorium, tetapi antimateri tidak ditemukan dalam keadaan bebas di Bumi.

Dalam 10 detik, Alam Semesta “melewati” tahap kedua (lepton) dengan reaksi termonuklirnya. Komposisi substansi yang membentuk dunia ini telah diuraikan. Atom hidrogen dan, kemudian, inti helium muncul. Dalam satu hari, alam semesta kehilangan kepadatan supernya. Pada akhir hari pertama, kepadatannya 100 kali lebih rendah dari kepadatan udara biasa.

Dan di situlah dunia kecepatan tinggi berakhir. Era ketiga - era radiasi - berlangsung selama satu juta tahun. Meskipun ini tidak seberapa dibandingkan dengan kehidupan Semesta yang bernilai miliaran dolar, jika dibandingkan dengan permulaan yang cepat yang hanya berlangsung beberapa detik, maka ya, ini adalah hal yang banyak. Radiasi peninggalan yang masih terdeteksi di luar angkasa mengingatkan kita pada zaman itu. Radiasi peninggalan disebut dengan radiasi benda yang benar-benar hitam pada suhu 2,7 K. Ya, jangan heran, benda yang benar-benar hitam juga bisa “memancar”. Bayangkan sebuah bola berongga. Anggap saja kita mulai memanaskannya. Apa yang terjadi di dalam? Bola kami kosong. “Panas” di dalam rongga tersebut adalah gelombang elektromagnetik yang mengalir di antara dinding bagian dalam. Jika suatu benda dipanaskan hingga 6.000 °C, maka gelombang akan muncul terutama di bagian spektrum tampak. Bola kita dapat disebut “benda hitam”, karena radiasi tidak menembus dindingnya, dan “hitam” bagi pengamat luar, meskipun di dalamnya dipanaskan. Pada temperatur benda hitam yang berbeda, radiasinya juga berbeda. Pada suhu 6.000 °C terlihat berwarna hijau, pada suhu sekitar satu juta Kelvin merupakan radiasi sinar-x. Pada suhu mendekati nol mutlak (-273 °C) - gelombang mikro. Inilah yang terjadi di Alam Semesta. CMB dalam hal ini adalah memori tahap ketiga perkembangan alam semesta – era radiasi.

Era radiasi berakhir dengan terbentuknya materi, kemudian dimulailah era lain dimana kita hidup. Ini adalah Era Substansi. Quasar, galaksi, bintang, sistem planet lahir - segala sesuatu yang sekarang kita amati dari Bumi.

Telah Memilih, Terima Kasih!

Anda mungkin tertarik pada:

Model harus memperhitungkan jarak yang diamati antar objek, serta kecepatan dan arah pergerakannya. Perhitungan tersebut didasarkan pada hukum Hubble: cz =jam 0D, Di mana z- pergeseran merah objek, D- jarak ke objek ini, C- kecepatan cahaya.
Usia alam semesta dalam model tersebut harus melebihi usia benda-benda tertua di dunia.
Model tersebut harus memperhitungkan kelimpahan elemen awal.
Model harus memperhitungkan apa yang dapat diamati.
Model harus memperhitungkan latar belakang peninggalan yang diamati.

Mari kita bahas secara singkat teori asal usul dan evolusi awal Alam Semesta yang diterima secara umum, yang didukung oleh sebagian besar ilmuwan. Saat ini, teori Big Bang mengacu pada kombinasi model alam semesta yang panas dengan Big Bang. Dan meskipun konsep-konsep ini pada awalnya ada secara independen satu sama lain, sebagai hasil dari penyatuan mereka, komposisi kimia asli Alam Semesta, serta keberadaan radiasi latar gelombang mikro kosmik, dapat dijelaskan.

Menurut teori ini, Alam Semesta muncul sekitar 13,77 miliar tahun yang lalu dari suatu benda padat yang dipanaskan - sulit dijelaskan dalam kerangka fisika modern. Masalah dengan singularitas kosmologis, antara lain, ketika mendeskripsikannya, sebagian besar besaran fisika, seperti massa jenis dan suhu, cenderung tak terhingga. Pada saat yang sama, diketahui bahwa pada kepadatan tak terhingga (ukuran kekacauan) seharusnya cenderung nol, yang sama sekali tidak sesuai dengan suhu tak terhingga.

- 10-43 detik pertama setelah Big Bang disebut tahap kekacauan kuantum. Sifat alam semesta pada tahap keberadaan ini tidak dapat dijelaskan dalam kerangka fisika yang kita kenal. Ruang-waktu terpadu yang berkesinambungan hancur menjadi kuanta.

Momen Planck merupakan momen berakhirnya kekacauan kuantum yang terjadi pada 10 -43 detik. Pada saat ini, parameter Alam Semesta sama dengan suhu Planck (sekitar 10 32 K). Pada era Planck, keempat interaksi fundamental (lemah, kuat, elektromagnetik, dan gravitasi) digabungkan menjadi satu interaksi. Momen Planck tidak mungkin dianggap sebagai periode yang panjang, karena fisika modern tidak bekerja dengan parameter yang kurang dari momen Planck.
Panggung. Tahap berikutnya dalam sejarah alam semesta adalah tahap inflasi. Pada momen pertama inflasi, interaksi gravitasi dipisahkan dari satu bidang supersimetris (sebelumnya termasuk bidang interaksi fundamental). Selama periode ini, materi mendapat tekanan negatif, yang menyebabkan peningkatan energi kinetik alam semesta secara eksponensial. Sederhananya, selama periode ini Alam Semesta mulai mengembang dengan sangat cepat, dan menjelang akhir energi medan fisik berubah menjadi energi partikel biasa. Pada akhir tahap ini, suhu zat dan radiasi meningkat secara signifikan. Seiring dengan berakhirnya tahap inflasi, interaksi yang kuat pun muncul. Juga pada saat ini hal itu muncul.
Tahap dominasi radiasi. Tahap selanjutnya dalam perkembangan Alam Semesta yang meliputi beberapa tahapan. Pada tahap ini, suhu alam semesta mulai menurun, quark terbentuk, kemudian hadron dan lepton. Di era nukleosintesis, unsur-unsur kimia awal terbentuk dan helium disintesis. Namun radiasi masih mendominasi materi.
Era dominasi substansi. Setelah 10.000 tahun, energi suatu materi secara bertahap melebihi energi radiasi dan terjadi pemisahannya. Materi mulai mendominasi radiasi, dan latar belakang peninggalan muncul. Selain itu, pemisahan materi dengan radiasi secara signifikan meningkatkan ketidakhomogenan awal dalam distribusi materi, akibatnya galaksi dan supergalaksi mulai terbentuk. Hukum alam semesta telah menjadi seperti yang kita amati saat ini.

Gambaran di atas tersusun dari beberapa teori mendasar dan memberikan gambaran umum tentang terbentuknya Alam Semesta pada tahap awal keberadaannya.

Dari manakah asal mula alam semesta?

Model siklik

Model-model ini didasarkan pada pernyataan bahwa Alam Semesta selalu ada dan seiring waktu keadaannya hanya berubah, bergerak dari ekspansi ke kompresi - dan sebaliknya.

Model Steinhardt-Turok. Model ini didasarkan pada teori string (teori M), karena menggunakan objek seperti “bran”. Menurut model ini, Alam Semesta tampak terletak di dalam bran-3, yang secara berkala, setiap beberapa triliun tahun sekali, bertabrakan dengan bran-3 lainnya, sehingga menyebabkan sesuatu seperti Big Bang. Selanjutnya, bran 3 kita mulai menjauh dari bran lain dan mengembang. Pada titik tertentu, porsi energi gelap akan diutamakan dan laju perluasan bran-3 meningkat. Ekspansi kolosal menghamburkan materi dan radiasi sedemikian rupa sehingga dunia menjadi hampir homogen dan kosong. Akhirnya, bran-3 bertabrakan lagi, menyebabkan bran kita kembali ke fase awal siklusnya, dan sekali lagi melahirkan “Alam Semesta” kita.

Teori Loris Baum dan Paul Frampton juga menyatakan bahwa alam semesta bersifat siklus. Menurut teori mereka, yang terakhir, setelah Big Bang, akan mengembang karena energi gelap hingga mendekati momen “peluruhan” ruang-waktu itu sendiri - Big Rip. Seperti diketahui, dalam “sistem tertutup, entropi tidak berkurang” (hukum kedua termodinamika). Dari pernyataan ini dapat disimpulkan bahwa Alam Semesta tidak dapat kembali ke keadaan semula, karena selama proses tersebut entropi harus menurun. Namun, masalah ini diselesaikan dalam kerangka teori ini. Menurut teori Baum dan Frampton, sesaat sebelum Big Rip, Alam Semesta terpecah menjadi banyak “pecahan”, yang masing-masing memiliki nilai entropi yang cukup kecil. Mengalami serangkaian transisi fase, “kelopak” Alam Semesta sebelumnya ini menghasilkan materi dan berkembang serupa dengan Alam Semesta asli. Dunia-dunia baru ini tidak berinteraksi satu sama lain, karena mereka terbang terpisah dengan kecepatan melebihi kecepatan cahaya. Oleh karena itu, menurut sebagian besar teori kosmologis, para ilmuwan juga menghindari singularitas kosmologis yang menjadi asal muasal kelahiran Alam Semesta. Artinya, pada saat berakhirnya siklusnya, Alam Semesta terpecah menjadi banyak dunia lain yang tidak berinteraksi, yang akan menjadi alam semesta baru.
Kosmologi siklik konformal - model siklik Roger Penrose dan Vahagn Gurzadyan. Menurut model ini, Alam Semesta mampu memasuki siklus baru tanpa melanggar hukum kedua termodinamika. Teori ini didasarkan pada asumsi bahwa lubang hitam menghancurkan informasi yang diserap, yang dalam beberapa hal “secara hukum” mengurangi entropi Alam Semesta. Kemudian setiap siklus keberadaan Alam Semesta dimulai dengan sesuatu yang mirip dengan Big Bang dan diakhiri dengan singularitas.

Model lain asal usul alam semesta

Di antara hipotesis lain yang menjelaskan penampakan Alam Semesta tampak, dua hipotesis berikut ini adalah yang paling populer:

Teori inflasi yang kacau - teori Andrei Linde. Menurut teori ini, terdapat medan skalar tertentu yang tidak homogen di seluruh volumenya. Artinya, di berbagai wilayah di alam semesta, medan skalar memiliki arti yang berbeda-beda. Kemudian, di wilayah yang medannya lemah, tidak terjadi apa-apa, sedangkan wilayah yang medannya kuat mulai mengembang (inflasi) akibat energinya, membentuk alam semesta baru. Skenario ini menyiratkan keberadaan banyak dunia yang muncul secara tidak bersamaan dan memiliki kumpulan partikel elementernya sendiri, dan akibatnya, hukum alam.
Teori Lee Smolin mengemukakan bahwa Big Bang bukanlah awal keberadaan Alam Semesta, melainkan hanya fase transisi antara dua keadaannya. Karena sebelum Big Bang, Alam Semesta ada dalam bentuk singularitas kosmologis, yang sifatnya mirip dengan singularitas lubang hitam, Smolin berpendapat bahwa Alam Semesta bisa saja muncul dari lubang hitam.

Hasil

Saat ini, para peneliti terus mempelajari secara intensif kemungkinan skenario asal usul alam semesta, namun tidak mungkin memberikan jawaban yang tidak dapat disangkal atas pertanyaan “Bagaimana alam semesta muncul?” — kecil kemungkinannya akan berhasil dalam waktu dekat. Ada dua alasan untuk hal ini: pembuktian langsung terhadap teori-teori kosmologis secara praktis tidak mungkin dilakukan, hanya tidak mungkin dilakukan secara tidak langsung; Bahkan secara teoritis, tidak mungkin memperoleh informasi akurat tentang dunia sebelum Big Bang. Karena dua alasan ini, para ilmuwan hanya dapat mengajukan hipotesis dan membangun model kosmologis yang paling akurat menggambarkan sifat alam semesta yang kita amati.