איך הופיע היקום: גישות וגרסאות מדעיות. תיאוריות על מקור היקום והמודלים שלו כיצד נוצר היקום

איך זה הפך לחלל לכאורה אינסופי? ומה זה יהפוך אחרי מיליונים ומיליארדי שנים רבים? שאלות אלו ייסרו (וממשיכות לייסר) את מוחם של פילוסופים ומדענים, כך נראה, מאז תחילת הימים, הולידו תיאוריות מעניינות רבות ולעתים אף מטורפות.

כיום, רוב האסטרונומים והקוסמולוגים הגיעו להסכמה כללית שהיקום כפי שאנו מכירים אותו היה תוצאה של פיצוץ ענק שלא רק יצר את עיקר החומר, אלא היה המקור לחוקים הפיזיקליים הבסיסיים שלפיהם היקום מקיף אותנו קיים. כל זה נקרא תיאוריית המפץ הגדול.

היסודות של תיאוריית המפץ הגדול הם פשוטים יחסית. כך, בקצרה, לפיה, כל החומר שהיה קיים וקיים כיום ביקום הופיע בו זמנית - לפני כ-13.8 מיליארד שנים. באותו רגע בזמן, כל החומר היה קיים בצורה של כדור (או נקודה) מופשטת מאוד עם צפיפות וטמפרטורה אינסופית. מצב זה נקרא סינגולריות. לפתע, הייחודיות החלה להתרחב והולידה את היקום שאנו מכירים.

ראוי לציין כי תיאוריית המפץ הגדול היא רק אחת מתוך השערות רבות שהוצעו למקור היקום (לדוגמה, ישנה גם תיאוריה של יקום נייח), אך היא זכתה להכרה ולפופולריות הרחבה ביותר. הוא לא רק מסביר את מקורו של כל החומר הידוע, את חוקי הפיזיקה ואת המבנה הגדול יותר של היקום, הוא גם מתאר את הסיבות להתפשטות היקום ועוד היבטים ותופעות רבים אחרים.

כרונולוגיה של אירועים בתיאוריית המפץ הגדול.

בהתבסס על הידע על המצב הנוכחי של היקום, מדענים משערים שהכל בוודאי התחיל מנקודה אחת עם צפיפות אינסופית וזמן סופי, שהחלה להתרחב. לאחר ההתפשטות הראשונית, כך אומרת התיאוריה, היקום עבר שלב התקררות שאיפשר את הופעתם של חלקיקים תת-אטומיים ומאוחר יותר אטומים פשוטים. ענני ענק של יסודות עתיקים אלה החלו מאוחר יותר, הודות לכוח הכבידה, ליצור כוכבים וגלקסיות.

כל זה, על פי מדענים, התחיל לפני כ-13.8 מיליארד שנים, ולכן נקודת מוצא זו נחשבת לעידן היקום. על ידי חקירת עקרונות תיאורטיים שונים, עריכת ניסויים הכוללים מאיצי חלקיקים ומצבי אנרגיה גבוהה, ועריכת מחקרים אסטרונומיים על מרחבי היקום, הסקו והציעו מדענים כרונולוגיה של אירועים שהחלו במפץ הגדול והובילו את היקום בסופו של דבר ל המצב הזה של אבולוציה קוסמית שמתרחש כעת.

מדענים מאמינים שהתקופות המוקדמות ביותר של מקורות היקום - הנמשכות בין 10-43 ל-10-11 שניות לאחר המפץ הגדול - הן עדיין עניין לוויכוח ולוויכוח. תשומת הלב! רק אם ניקח בחשבון שחוקי הפיזיקה שאנו מכירים כיום לא יכלו להתקיים באותה תקופה, אז קשה מאוד להבין כיצד הוסדרו התהליכים ביקום הקדום הזה. בנוסף, טרם בוצעו ניסויים באמצעות סוגי האנרגיות האפשריים שיכולים להיות נוכחים באותו זמן. כך או כך, תיאוריות רבות על מקור היקום מסכימות בסופו של דבר שבנקודת זמן מסוימת הייתה נקודת התחלה שממנה הכל התחיל.

עידן הסינגולריות.

ידוע גם בתור עידן פלאנק (או עידן פלאנק), זה נחשב לתקופה המוקדמת ביותר הידועה באבולוציה של היקום. בזמן הזה, כל החומר היה כלול בנקודה אחת של צפיפות וטמפרטורה אינסופית. במהלך תקופה זו, מאמינים מדענים, ההשפעות הקוונטיות של אינטראקציות כבידה שלטו בהשפעות הפיזיקליות, ואף כוח פיזי לא היה שווה בכוחו לכוח הכבידה.

עידן פלאנק נמשך כביכול בין 0 ל-10-43 שניות והוא נקרא כך מכיוון שניתן למדוד את משך הזמן שלו רק לפי זמן פלאנק. בשל הטמפרטורות הקיצוניות והצפיפות האינסופית של החומר, מצב היקום בתקופה זו היה מאוד לא יציב. לאחר מכן באו תקופות של התפשטות והתקררות שהולידו את כוחות היסוד של הפיזיקה.

בערך בתקופה שבין 10-43 ל-10-36 שניות, התרחש ביקום תהליך של התנגשות של מצבי טמפרטורת מעבר. מאמינים שבנקודה זו החלו הכוחות הבסיסיים השולטים ביקום הנוכחי להיפרד זה מזה. הצעד הראשון של הפרדה זו היה הופעת כוחות כבידה, אינטראקציות גרעיניות חזקות וחלשות ואלקטרומגנטיות.

בתקופה שבין כ-10-36 ל-10-32 שניות לאחר המפץ הגדול, טמפרטורת היקום הפכה נמוכה מספיק (1028 K), מה שהוביל להפרדה של כוחות אלקטרומגנטיים (הכוח החזק) והכוח הגרעיני החלש ( הכוח החלש).

עידן האינפלציה.

עם הופעת כוחות היסוד הראשונים ביקום, החל עידן האינפלציה, שנמשך בין 10-32 שניות בזמן פלאנק עד לנקודת זמן לא ידועה. רוב המודלים הקוסמולוגיים מצביעים על כך שהיקום בתקופה זו התמלא באופן אחיד באנרגיה בצפיפות גבוהה, וטמפרטורות ולחצים גבוהים להפליא גרמו לו להתפשט ולהתקרר במהירות.

זה התחיל ב-10-37 שניות, כאשר שלב המעבר שגרם להפרדת הכוחות גרר אחריו התפשטות אקספוננציאלית של היקום. במהלך אותו פרק זמן, היקום היה במצב של בריוגנזה, כאשר הטמפרטורה הייתה כה גבוהה עד שהתנועה האקראית של חלקיקים בחלל התרחשה במהירות קרובה לאור.

בזמן זה נוצרים זוגות של חלקיקים - אנטי-חלקיקים ומתנגשים מיד ונהרסים, מה שמאמין שהוביל לדומיננטיות של החומר על האנטי-חומר ביקום המודרני. לאחר הפסקת האינפלציה, היקום היה מורכב מפלזמת קווארק-גלואון וחלקיקים יסודיים אחרים. מאותו רגע היקום החל להתקרר, החומר החל להיווצר ולהתאחד.

עידן הקירור.

ככל שהצפיפות והטמפרטורה בתוך היקום ירדו, האנרגיה בכל חלקיק החלה לרדת. מצב מעבר זה נמשך עד שכוחות היסוד והחלקיקים היסודיים הגיעו לצורתם הנוכחית. מאז האנרגיה של החלקיקים ירדה לערכים שניתן להשיג היום בניסויים, הקיום האפשרי בפועל של פרק זמן זה שנוי הרבה פחות במחלוקת בקרב מדענים.

לדוגמה, מדענים מאמינים כי ב-10-11 שניות לאחר המפץ הגדול, האנרגיה של החלקיקים ירדה באופן משמעותי. לאחר כ-10-6 שניות, קווארקים וגלואונים החלו ליצור בריונים - פרוטונים וניוטרונים. הקווארקים החלו לשלוט על האנטיקווארקים, מה שבתורו הוביל לדומיננטיות של בריונים על אנטיבריונים.

מכיוון שהטמפרטורה כבר לא הייתה גבוהה מספיק כדי ליצור זוגות פרוטונים-אנטי-פרוטונים חדשים (או זוגות נויטרונים-אנטי-פרוטונים), הרס מסיבי של חלקיקים אלה הביא בעקבותיו את היתרה של 1/1010 בלבד ממספר הפרוטונים והנייטרונים המקוריים והשלם היעלמות של אנטי-חלקיקים שלהם. תהליך דומה התרחש כשנייה אחת לאחר המפץ הגדול. רק ה"קורבנות" הפעם היו אלקטרונים ופוזיטרונים. לאחר ההשמדה ההמונית, הפרוטונים, הנייטרונים והאלקטרונים הנותרים חדלו מתנועתם האקראית, וצפיפות האנרגיה של היקום התמלאה בפוטונים ובמידה פחותה, בניטרינו.

במהלך הדקות הראשונות של התפשטות היקום החלה תקופה של נוקלאוסינתזה (סינתזה של יסודות כימיים), כשהטמפרטורה יורדת למיליארד קלווין וצפיפות האנרגיה יורדת לערכים השווים בקירוב לערכים של אוויר, נויטרונים ו פרוטונים החלו להתערבב וליצור את האיזוטופ היציב הראשון של מימן (דאוטריום), ואטומי הליום אולם רוב הפרוטונים ביקום נותרו כגרעינים מנותקים של אטומי מימן.

לאחר כ-379,000 שנים, האלקטרונים התחברו עם גרעיני המימן הללו ויצרו אטומים (שוב בעיקר מימן), בעוד הקרינה נפרדה מהחומר והמשיכה להתרחב כמעט ללא הפרעה בחלל. קרינה זו נקראת קרינת רקע מיקרוגל קוסמית, והיא מקור האור העתיק ביותר ביקום.

עם התרחבות, ה-CMB איבד בהדרגה את הצפיפות והאנרגיה שלו, וכרגע הטמפרטורה שלו היא 2.7260 0.0013 K (- 270.424 C), וצפיפות האנרגיה היא 0.25 eV (או 4.005x10-14 J/m? ; 400-500 פוטון /cm ה-CMB משתרע לכל הכיוונים ועל פני מרחק של כ-13.8 מיליארד שנות אור, אך הערכה של תפוצתו בפועל היא כ-46 מיליארד שנות אור ממרכז היקום.

עידן המבנה (עידן היררכי).

במהלך מיליארדי השנים הבאות, אזורים צפופים יותר של חומר שהיו מפוזרים כמעט באופן שווה בכל היקום החלו למשוך זה את זה. כתוצאה מכך, הם נעשו צפופים עוד יותר והחלו ליצור ענני גז, כוכבים, גלקסיות ומבנים אסטרונומיים אחרים שאנו יכולים לצפות בהם כיום. תקופה זו נקראת העידן ההיררכי. בזמן הזה, היקום שאנו רואים כעת החל לקבל את צורתו. החומר החל להתאחד למבנים בגדלים שונים - כוכבים, כוכבי לכת, גלקסיות, צבירי גלקסיות, כמו גם צבירי-על גלקטיים, מופרדים על ידי גשרים בין-גלקטיים המכילים גלקסיות בודדות בלבד.

ניתן לתאר את הפרטים של תהליך זה על פי הרעיון של כמות וסוג החומר המופץ ביקום, המיוצג כחומר אפל קר, חם, חם וחומר בריוני. עם זאת, המודל הקוסמולוגי הסטנדרטי הנוכחי של המפץ הגדול הוא מודל למבדה-CDM, לפיו חלקיקי החומר האפל נעים לאט יותר ממהירות האור. הוא נבחר משום שהוא פותר את כל הסתירות שהופיעו במודלים קוסמולוגיים אחרים.

לפי מודל זה, חומר אפל קר מהווה כ-23 אחוזים מכלל החומר/אנרגיה ביקום. שיעור החומר הבריוני הוא כ-4.6 אחוזים. Lambda - CDM מתייחס למה שנקרא קבוע קוסמולוגי: תיאוריה שהציע אלברט איינשטיין המאפיינת את תכונות הוואקום ומראה את קשר האיזון בין מסה לאנרגיה כגודל סטטי קבוע. במקרה זה, הוא קשור לאנרגיה אפלה, המשמשת כמאיץ של התפשטות היקום ושומרת על מבנים קוסמולוגיים ענקיים הומוגניים במידה רבה.

תחזיות ארוכות טווח לגבי עתיד היקום.

השערות שלפיהן לאבולוציה של היקום יש נקודת מוצא מובילות באופן טבעי מדענים לשאלות לגבי נקודת הסיום האפשרית של תהליך זה. רק אם היקום התחיל את ההיסטוריה שלו מנקודה קטנה עם צפיפות אינסופית, שפתאום התחילה להתפשט, זה לא אומר שהוא גם יתרחב ללא הגבלת זמן, או שיום אחד ייגמר לו הכוח המתרחב ויתחיל תהליך הפוך של דחיסה , שהתוצאה הסופית שלה עדיין תהיה אותה נקודה צפופה עד אין קץ?

מענה על שאלות אלו הייתה המטרה העיקרית של קוסמולוגים כבר מתחילת הוויכוח על איזה מודל קוסמולוגי של היקום נכון. עם קבלת תיאוריית המפץ הגדול, אך בעיקר הודות לתצפית באנרגיה אפלה בשנות ה-90, מדענים הגיעו להסכמה לגבי שני התרחישים הסבירים ביותר להתפתחות היקום.

לפי הראשון, שנקרא ה- Big Crunch, היקום יגיע לגודלו המרבי ויתחיל להתמוטט. תרחיש זה יתאפשר רק אם צפיפות המסה של היקום תהיה גדולה מהצפיפות הקריטית עצמה. במילים אחרות, אם צפיפות החומר תגיע או תעלה מעל ערך מסוים (1-3x10-26 ק"ג חומר למ"ר), היקום יתחיל להתכווץ.

חלופה היא תרחיש אחר, הקובע שאם הצפיפות ביקום שווה או מתחת לערך הצפיפות הקריטית, אזי ההתפשטות שלו תאט, אך לעולם לא תיפסק לחלוטין. לפי השערה זו, המכונה "מוות החום של היקום", ההתפשטות תימשך עד שהיווצרות כוכבים תפסיק לצרוך את הגז הבין-כוכבי בתוך כל אחת מהגלקסיות שמסביב. כלומר, העברת האנרגיה והחומר מעצם אחד למשנהו תיפסק לחלוטין. כל הכוכבים הקיימים במקרה זה יישרפו ויהפכו לננסים לבנים, כוכבי נויטרונים וחורים שחורים.

בהדרגה, חורים שחורים יתנגשו עם חורים שחורים אחרים, ויובילו להיווצרותם של גדולים יותר ויותר. הטמפרטורה הממוצעת של היקום תתקרב לאפס המוחלט. החורים השחורים בסופו של דבר "יתאדו", וישחררו את קרינת הרוכל האחרונה שלהם. בסופו של דבר, האנטרופיה התרמודינמית ביקום תגיע למקסימום. מוות מחום יתרחש.

תצפיות מודרניות שלוקחות בחשבון את נוכחותה של אנרגיה אפלה והשפעתה על התרחבות החלל הביאו את המדענים למסקנה שעם הזמן, יותר ויותר מהיקום יעבור מעבר לאופק האירועים שלנו ויהפוך לבלתי נראה עבורנו. התוצאה הסופית וההגיונית של זה עדיין לא ידועה למדענים, אבל "מוות בחום" עשוי בהחלט להיות נקודת הסיום של אירועים כאלה.

ישנן השערות נוספות לגבי התפלגות האנרגיה האפלה, או ליתר דיוק, הסוגים האפשריים שלה (למשל אנרגיית פנטום. לפיהן, צבירים גלקטיים, כוכבים, כוכבי לכת, אטומים, גרעיני אטום והחומר עצמו ייקרעו לגזרים כתוצאה מכך. של ההתפשטות האינסופית שלו. אבולוציה של תרחיש כזה נקראת "הקרע הגדול." לפי תרחיש זה, סיבת מותו של היקום היא ההתפשטות עצמה.

היסטוריה של תיאוריית המפץ הגדול.

האזכור המוקדם ביותר של המפץ הגדול מתוארך לתחילת המאה ה-20 והוא קשור לתצפיות בחלל. בשנת 1912, האסטרונום האמריקני וסטו סליפר ערך סדרה של תצפיות על גלקסיות ספיראליות (שבמקור חשבו שהן ערפיליות) ומדד את ההסטה לאדום הדופלר שלהן. כמעט בכל המקרים, תצפיות הראו שגלקסיות ספירליות מתרחקות משביל החלב שלנו.

בשנת 1922, המתמטיקאי והקוסמולוג הרוסי המצטיין אלכסנדר פרידמן הסיק את מה שמכונה משוואות פרידמן ממשוואות היחסות הכללית של איינשטיין. למרות קידומו של איינשטיין של תיאוריה לטובת קבוע קוסמולוגי, עבודתו של פרידמן הראתה שהיקום נמצא דווקא במצב של התפשטות.

ב-1924, מדידות המרחק של אדווין האבל לערפילית ספירלית סמוכה הראו שמערכות אלו היו למעשה גלקסיות שונות באמת. במקביל, האבל החל לפתח סדרה של מדדי חיסור מרחק באמצעות טלסקופ הוקר באורך 2.5 מטר במצפה הר וילסון. עד 1929, האבל גילה קשר בין המרחק למהירות שבה הגלקסיות נסוגות, מה שהפך מאוחר יותר לחוק האבל.

בשנת 1927, המתמטיקאי הבלגי, הפיזיקאי והכומר הקתולי ז'ורז' למאיטר הגיעו באופן עצמאי לאותן תוצאות כמו המשוואות של פרידמן, והיה הראשון שניסח את הקשר בין המרחק והמהירות של הגלקסיות, והציע את האומדן הראשון של מקדם הקשר הזה. Lemaitre האמין כי בשלב מסוים בעבר כל מסת היקום הייתה מרוכזת בנקודה אחת (אטום.

תגליות והנחות אלו עוררו ויכוחים רבים בקרב פיזיקאים בשנות ה-20 וה-30, שרובם האמינו כי היקום נמצא במצב נייח. על פי המודל שהוקם באותה תקופה, נוצר חומר חדש יחד עם ההתפשטות האינסופית של היקום, המופץ באופן שווה ושווה בצפיפות בכל היקפו. בקרב המדענים שתמכו בו, רעיון המפץ הגדול נראה יותר תיאולוגי מאשר מדעי. ה-Lemaitre ספג ביקורת על היותו מוטה על בסיס דעות קדומות דתיות.

יש לציין כי תיאוריות אחרות התקיימו במקביל. לדוגמה, מודל מילן של היקום והמודל המחזורי. שניהם התבססו על ההנחות של תורת היחסות הכללית של איינשטיין ולאחר מכן קיבלו את תמיכתו של המדען עצמו. לפי מודלים אלה, היקום מתקיים בזרם אינסופי של מחזורים חוזרים של התפשטות וקריסה.

1. עידן הסינגולריות (Planckian). זה נחשב לראשוני, כתקופה האבולוציונית המוקדמת של היקום. החומר היה מרוכז בנקודה אחת, שהייתה לה טמפרטורה משלה וצפיפות אינסופית. מדענים טוענים שעידן זה מאופיין בדומיננטיות של השפעות קוונטיות השייכות לאינטראקציה כבידתית על פני אלה פיזית, ואף כוח פיזיקלי אחד שהיה קיים באותם זמנים רחוקים לא היה זהה בעוצמתו לכוח הכבידה, כלומר לא היה שווה לו. משך עידן פלאנק מרוכז בטווח שבין 0 ל-10-43 שניות. הוא קיבל את השם הזה מכיוון שרק זמן פלאנק יכול למדוד את היקפו במלואו. מרווח זמן זה נחשב למאוד לא יציב, אשר בתורו קשור קשר הדוק לטמפרטורה הקיצונית ולצפיפות הבלתי מוגבלת של החומר. בעקבות עידן הסינגולריות חלה תקופה של התרחבות ואיתה התקררות שהובילה להיווצרות כוחות פיזיקליים בסיסיים.

איך נולד היקום. לידה קרה

מה קרה לפני היקום? דגם היקום ה"ישן".

"אולי לפני המפץ הגדול היקום היה מרחב סטטי מאוד קומפקטי, שהתפתח לאט", חושבים פיזיקאים כמו קורט הינטרביצ'לר, אוסטין ג'ויס וג'סטין חורי.

היקום הזה של "טרום הפיצוץ" היה צריך להיות בעל מצב מט-יציב, כלומר להיות יציב עד שיופיע מצב יציב עוד יותר. באנלוגיה, דמיינו צוק, שעל קצהו יש סלע במצב של רטט. כל מגע עם הסלע יוביל לנפילתו לתהום או - מה שקרוב יותר לענייננו - יתרחש מפץ גדול. על פי תיאוריות מסוימות, היקום "טרום הפיצוץ" יכול להתקיים בצורה אחרת, למשל, בצורה של חלל מכוסה וצפוף מאוד. כתוצאה מכך הגיעה לסיומה התקופה הזו עם יציבות: היא התרחבה בחדות וקיבלה את הצורה והמצב של מה שאנו רואים כעת.

"עם זאת, למודל היקום הישן יש גם בעיות", אומר קרול.

"זה גם מניח שליקום שלנו יש רמה נמוכה של אנטרופיה, אבל לא מסביר מדוע זה כך."

עם זאת, הינטרביכלר, פיזיקאי תיאורטי מאוניברסיטת קייס ווסטרן רזרב, אינו רואה בהופעת אנטרופיה נמוכה בעיה.

"אנחנו פשוט מחפשים הסבר לדינמיקה שהתרחשה לפני המפץ הגדול שמסבירה למה אנחנו רואים את מה שאנחנו רואים עכשיו. בינתיים זה הדבר היחיד שנשאר לנו", אומר הינטרביכלר.

קרול, לעומת זאת, מאמין שקיימת תיאוריה נוספת של יקום "טרום פיצוץ" שיכולה להסביר את רמת האנטרופיה הנמוכה הקיימת ביקום שלנו.

איך היקום הופיע יש מאין. איך פועל היקום

בואו נדבר על איך הפיזיקה עובדת בפועל, לפי המושגים שלנו. מאז תקופת ניוטון, הפרדיגמה של הפיזיקה הבסיסית לא השתנתה; הוא כולל שלושה חלקים. הראשון הוא "מרחב המדינה": בעצם רשימה של כל התצורות האפשריות שבהן היקום יכול להתקיים. השני הוא מצב מסוים המייצג את היקום בנקודת זמן כלשהי, בדרך כלל הנוכחית. השלישי הוא כלל מסוים לפיו היקום מתפתח עם הזמן. תן לי את היקום היום, וחוקי הפיזיקה יגידו לך מה יקרה לו בעתיד. דרך חשיבה זו נכונה לא פחות עבור מכניקת הקוונטים או תורת היחסות הכללית או תורת שדות קוונטים מאשר למכניקה ניוטונית או אלקטרודינמיקה מקסווליאנית.

מכניקת הקוונטים, בפרט, היא יישום מיוחד, אך רב תכליתי של תכנית זו. (תורת שדות קוונטים היא רק דוגמה ספציפית למכניקת הקוונטים, לא דרך חשיבה חדשה). מצבים הם "פונקציות גל", והקבוצה של כל פונקציות הגל האפשריות של מערכת מסוימת נקראת "מרחב הילברט". היתרון שלו הוא שהוא מגביל מאוד את מכלול האפשרויות (כי זה מרחב וקטורי: הערה למומחים). ברגע שתגיד לי את הגודל שלו (מספר מידות), אתה תגדיר לחלוטין את מרחב ההילברט שלך. זה שונה בתכלית מהמכניקה הקלאסית, שבה מרחב המדינה יכול להפוך למורכב ביותר. ויש גם מכונה - ה"המילטונית" - שמציינת בדיוק איך להתפתח ממצב אחד לאחר לאורך זמן. אני חוזר על כך שאין הרבה סוגים של המילטון; זה מספיק לרשום רשימה מסוימת של כמויות (ערכים עצמיים של אנרגיה - הבהרה בשבילך, מומחים מעצבנים).

איך הופיעו החיים על פני כדור הארץ. החיים בכדור הארץ

חיים המשתמשים בכימיה שונה משלנו עשויים להתעורר על פני כדור הארץ יותר מפעם אחת. אולי. ואם נמצא עדות לתהליך כזה, זה אומר שקיימת סבירות גבוהה שחיים יצוצו במקומות רבים ביקום ללא תלות זה בזה, בדיוק כפי שהתעוררו חיים על פני כדור הארץ. אבל מצד שני, תארו לעצמכם איך נרגיש אם בסופו של דבר נגלה חיים על כוכב לכת אחר, אולי מקיף כוכב מרוחק, ויתברר שיש לו כימיה זהה ואולי אפילו מבנה DNA זהה לשלנו.

הסיכוי שחיים על פני כדור הארץ התעוררו באופן ספונטני לחלוטין ובמקרה נראה קטן מאוד. הסיכוי שייווצרו בדיוק אותם חיים במקום אחר קטן להפליא, ושווה למעשה לאפס. אבל ישנן תשובות אפשריות לשאלות הללו, שהאסטרונומים האנגלים פרד הויל וצ'נדרה ויקקראמאסינגה תיארו בספרם יוצא הדופן, שנכתב ב-1979, Life cloud.

בהתחשב בסיכוי הבלתי סביר ביותר שחיים על פני כדור הארץ הופיעו מעצמם, המחברים מציעים הסבר אחר. זה טמון בעובדה שהופעת החיים התרחשה אי שם בחלל, ולאחר מכן התפשטה ברחבי היקום דרך פנספרמיה. חיים מיקרוסקופיים שנלכדו בפסולת מהתנגשויות קוסמיות יכולים לנוע בעודם רדומים לפרקי זמן ארוכים מאוד. לאחר מכן, כאשר יגיע ליעדו, שם הוא יתחיל להתפתח שוב. לפיכך, כל החיים ביקום, כולל החיים על פני כדור הארץ, הם למעשה אותם חיים.

סרטון כיצד הופיע היקום

איך היקום הופיע יש מאין. לידה קרה

עם זאת, הדרך לאיחוד כזה יכולה להיחשב ברמה איכותית, ומתעוררות כאן סיכויים מעניינים מאוד. אחד מהם נחשב על ידי הקוסמולוג המפורסם, פרופסור באוניברסיטת אריזונה לורנס קראוס בספרו "יקום מכלום" שיצא לאור לאחרונה. ההשערה שלו נראית פנטסטית, אבל בכלל לא סותרת את חוקי הפיזיקה שנקבעו.

מאמינים שהיקום שלנו צמח ממצב ראשוני חם מאוד עם טמפרטורה של בערך 1032 קלווין. עם זאת, אפשר גם לדמיין את לידתם הקרה של יקומים מתוך ואקום טהור - ליתר דיוק, מהתנודות הקוונטיות שלו. זה ידוע שתנודות כאלה מובילות להרבה מאוד חלקיקים וירטואליים שממש עלו יש מאין ונעלמו לאחר מכן ללא עקבות. לפי קראוס, תנודות ואקום מסוגלות, באופן עקרוני, להוליד פרוטו-יקומים ארעיים באותה מידה, אשר, בתנאים מסוימים, עוברים ממצב וירטואלי למצב אמיתי.

השאלה כיצד נוצר היקום תמיד הדאיגה אנשים. זה לא מפתיע, כי כולם רוצים לדעת את מוצאם. מדענים, כמרים וסופרים נאבקים בשאלה זו כבר כמה אלפי שנים. שאלה זו מרגשת את מוחם של לא רק מומחים, אלא גם כל אדם רגיל. עם זאת, כדאי לומר מיד שאין תשובה של 100% לשאלה כיצד נוצר היקום. יש רק תיאוריה שנתמכת על ידי רוב המדענים.

כאן ננתח את זה.

מכיוון שלכל מה שמקיף את האדם יש התחלה משלו, אין זה מפתיע שמאז ימי קדם האדם מנסה למצוא את תחילתו של היקום. עבור אדם מימי הביניים, התשובה לשאלה זו הייתה פשוטה למדי - אלוהים ברא את היקום. עם זאת, עם התפתחות המדע, מדענים החלו להטיל ספק לא רק בשאלת האל, אלא גם ברעיון שליקום יש התחלה.

בשנת 1929, הודות לאסטרונום האמריקני האבל, חזרו מדענים לשאלת שורשי היקום. העובדה היא שהאבל הוכיח שהגלקסיות המרכיבות את היקום נעות ללא הרף. בנוסף לתנועה, הם יכולים גם להגדיל, מה שאומר שהיקום גדל. ואם זה יגדל, מסתבר שהיה פעם שלב שבו התחילה הצמיחה הזו. זה אומר שליקום יש התחלה.

קצת מאוחר יותר, האסטרונום הבריטי הויל העלה השערה מרעישה: היקום קם ברגע המפץ הגדול. התיאוריה שלו נכנסה להיסטוריה תחת השם הזה. המהות של הרעיון של הויל היא פשוטה ומורכבת בו זמנית. הוא האמין שפעם היה קיים שלב שנקרא מצב הסינגולריות הקוסמית, כלומר הזמן עומד על אפס, והצפיפות והטמפרטורה שוות לאינסוף. וברגע אחד היה פיצוץ, שבעקבותיו נשברה הסינגולריות, ולכן הצפיפות והטמפרטורה השתנו, התחילה צמיחת החומר, כלומר הזמן התחיל לספור. מאוחר יותר, הויל עצמו כינה את התיאוריה שלו לא משכנעת, אבל זה לא מנע ממנה להפוך להשערה הפופולרית ביותר של מקור היקום.

מתי קרה מה שהויל כינה המפץ הגדול? מדענים ביצעו חישובים רבים, כתוצאה מכך, רובם הסכימו על הנתון של 13.5 מיליארד שנים. זה היה אז היקום התחיל להופיע יש מאין, תוך שבריר שנייה בלבד, היקום קיבל גודל קטן יותר מאטום, ותהליך ההתפשטות יצא לדרך. כוח הכבידה מילאה תפקיד מפתח. הדבר המעניין ביותר הוא שאם זה היה קצת יותר חזק, אז שום דבר לא היה מתעורר, לכל היותר חור שחור. ואם כוח המשיכה היה קצת יותר חלש, אז שום דבר לא היה מתעורר בכלל.
כמה שניות לאחר הפיצוץ, הטמפרטורה ביקום ירדה מעט, מה שנתן תנופה ליצירת חומר ואנטי חומר. כתוצאה מכך החלו להופיע אטומים. אז היקום הפסיק להיות מונוכרומטי. איפשהו היו יותר אטומים, איפשהו פחות. בחלקים מסוימים היה חם יותר, בחלקים אחרים הטמפרטורה הייתה נמוכה יותר. אטומים החלו להתנגש זה בזה, ויצרו תרכובות, אחר כך חומרים חדשים, ואחר כך גופים. לחלק מהעצמים הייתה אנרגיה פנימית גדולה. אלה היו הכוכבים. הם החלו לאסוף סביב עצמם (הודות לכוח הכבידה) גופים אחרים שאנו מכנים כוכבי לכת. כך קמו מערכות, אחת מהן היא מערכת השמש שלנו.

המפץ הגדול. בעיות מודל ופתרונן

ניתן לפתור את בעיית הקנה המידה הגדול והאיזוטרופי של היקום בשל העובדה שבשלב האינפלציה ההתפשטות התרחשה בקצב גבוה מהרגיל. מכאן נובע שכל המרחב של היקום הניתן לצפייה הוא תוצאה של אזור אחד הקשור סיבתי של התקופה שקדמה לזה האינפלציוני.
פתרון הבעיה של יקום שטוח. זה אפשרי מכיוון שבשלב הניפוח רדיוס העקמומיות של החלל גדל. ערך זה הוא כזה שהוא מאפשר לפרמטרי צפיפות מודרניים לקבל ערך קרוב לקריטי.
התרחבות אינפלציונית מובילה להופעת תנודות צפיפות עם משרעת וצורת ספקטרום מסוימת. זה מאפשר לתנודות (תנודות) אלו להתפתח למבנה הנוכחי של היקום, תוך שמירה על הומוגניות ואיזוטרופיה בקנה מידה גדול. זהו פתרון לבעיית המבנה בקנה מידה גדול של היקום.

החיסרון העיקרי של מודל האינפלציה יכול להיחשב לתלות שלו בתיאוריות שטרם הוכחו ואינן מפותחות במלואן.

לדוגמה, המודל מבוסס על תורת השדה המאוחד, שהיא עדיין רק השערה. לא ניתן לבדוק זאת בניסוי בתנאי מעבדה. חיסרון נוסף של הדגם הוא חוסר ההבנה מהיכן הגיע החומר המחומם והמתרחב. שלוש אפשרויות נשקולות כאן:

תיאוריית המפץ הגדול הסטנדרטית מציעה את תחילתה של אינפלציה בשלב מוקדם מאוד של התפתחות היקום. אבל אז בעיית הסינגולריות לא נפתרת.
האפשרות השנייה היא הופעת היקום מכאוס. בחלקים שונים שלו היו טמפרטורות שונות, ולכן התרחשה דחיסה במקומות מסוימים, והתפשטות באחרים. האינפלציה הייתה מתרחשת באזור ביקום שהיה מחומם יתר על המידה ומתרחב. אבל לא ברור מאיפה הגיע הכאוס הראשוני.
האפשרות השלישית היא הנתיב המכאני הקוונטי, שדרכו צמח גוש של חומר מחומם ומתרחב. למעשה, היקום נוצר יש מאין.

אחת השאלות העיקריות שאינן עוזבות את התודעה האנושית הייתה תמיד והיא השאלה: "איך הופיע היקום?" כמובן, אין תשובה חד משמעית לשאלה זו, וסביר להניח שהיא לא תתקבל בקרוב, אבל המדע פועל בכיוון הזה ויוצר מודל תיאורטי מסוים של מקור היקום שלנו.

קודם כל, עלינו לשקול את המאפיינים הבסיסיים של היקום, אותם יש לתאר במסגרת המודל הקוסמולוגי.

המודל חייב לקחת בחשבון את המרחקים הנצפים בין עצמים, כמו גם את המהירות וכיוון תנועתם. חישובים כאלה מבוססים על חוק האבל: cz = H0D, כאשר z הוא ההיסט לאדום של העצם, D הוא המרחק לעצם זה, c היא מהירות האור.
גיל היקום בדגם חייב לעלות על גילם של העצמים העתיקים בעולם.
המודל חייב לקחת בחשבון את השפע הראשוני של אלמנטים.
המודל חייב לקחת בחשבון את המבנה בקנה מידה גדול שנצפה של היקום.
המודל חייב לקחת בחשבון את רקע השריד שנצפה.

הבה נבחן בקצרה את התיאוריה המקובלת על המקור וההתפתחות המוקדמת של היקום, הנתמכת על ידי רוב המדענים. כיום, תיאוריית המפץ הגדול מתייחסת לשילוב של מודל היקום החם עם המפץ הגדול. ולמרות שמושגים אלה התקיימו בתחילה ללא תלות זה בזה, כתוצאה מאיחודם ניתן היה להסביר את ההרכב הכימי המקורי של היקום, כמו גם את נוכחותם של קרינת רקע מיקרוגל קוסמית.

לפי תיאוריה זו, היקום צמח לפני כ-13.77 מיליארד שנים מאיזה עצם מחומם צפוף - מצב יחיד שקשה לתאר במסגרת הפיזיקה המודרנית. הבעיה עם הסינגולריות הקוסמולוגית, בין היתר, היא שכאשר מתארים אותה, רוב הגדלים הפיזיקליים, כמו צפיפות וטמפרטורה, נוטים לאינסוף. יחד עם זאת, ידוע שבצפיפות אינסופית, האנטרופיה (מידה של כאוס) צריכה לשאוף לאפס, דבר שאינו תואם בשום אופן לטמפרטורה אינסופית.

אבולוציה של היקום

10-43 השניות הראשונות לאחר המפץ הגדול נקראות שלב הכאוס הקוונטי. לא ניתן לתאר את טבעו של היקום בשלב זה של הקיום במסגרת הפיזיקה המוכרת לנו. המרחב-זמן המאוחד המתמשך מתפרק לקוונטות.

רגע פלאנק הוא הרגע של סיום הכאוס הקוונטי, שנופל על 10 תוך -43 שניות. ברגע זה, הפרמטרים של היקום היו שווים לערכי פלאנק, כגון טמפרטורת פלאנק (כ-1032 K). ברגע של עידן פלאנק, כל ארבע האינטראקציות הבסיסיות (חלשות, חזקות, אלקטרומגנטיות וכבידה) אוחדו לאינטראקציה אחת. לא ניתן להתייחס למומנט פלאנק כאיזושהי תקופה ארוכה, מכיוון שהפיזיקה המודרנית לא עובדת עם פרמטרים פחות ממומנט פלאנק.
שלב האינפלציה. השלב הבא בהיסטוריה של היקום היה השלב האינפלציוני. ברגע הראשון של האינפלציה, האינטראקציה הכבידתית הופרדה מהשדה הסופר-סימטרי היחיד (שכלל בעבר את שדות האינטראקציות הבסיסיות). במהלך תקופה זו, לחומר יש לחץ שלילי, הגורם לעלייה אקספוננציאלית באנרגיה הקינטית של היקום. במילים פשוטות, במהלך תקופה זו היקום החל להתנפח מהר מאוד, ולקראת הסוף האנרגיה של שדות פיזיים הופכת לאנרגיה של חלקיקים רגילים. בסוף שלב זה, הטמפרטורה של החומר והקרינה עולה משמעותית. יחד עם סיום שלב האינפלציה, נוצרת גם אינטראקציה חזקה. גם ברגע זה מתעוררת האסימטריה הברונית של היקום.

[א-סימטריה בריונית של היקום היא התופעה הנצפית של דומיננטיות של חומר על פני אנטי-חומר ביקום]

שלב דומיננטיות הקרינה. השלב הבא בהתפתחות היקום, הכולל מספר שלבים. בשלב זה, הטמפרטורה של היקום מתחילה לרדת, קווארקים נוצרים, ואז הדרונים ולפטונים. בעידן הנוקלאוסינתזה מתרחשת היווצרותם של יסודות כימיים ראשוניים והליום מסונתז. עם זאת, קרינה עדיין שולטת בחומר.
עידן דומיננטיות החומר. לאחר 10,000 שנים, אנרגיית החומר עולה בהדרגה על אנרגיית הקרינה ומתרחשת הפרדתם. העניין מתחיל לשלוט בקרינה, ורקע שריד מופיע. כמו כן, הפרדת החומר עם קרינה הגבירה משמעותית את האי-הומוגניות הראשונית בהפצת החומר, וכתוצאה מכך החלו להיווצר גלקסיות וגלקסיות-על. חוקי היקום הגיעו לצורה שבה אנו מקיימים אותם היום.

התמונה לעיל מורכבת ממספר תיאוריות יסוד ונותנת מושג כללי על היווצרות היקום בשלבים המוקדמים של קיומו.

מאיפה בא היקום?

אם היקום צמח מסינגולריות קוסמולוגית, אז מהיכן הגיעה הסינגולריות עצמה? כרגע אי אפשר לתת תשובה מדויקת לשאלה זו. הבה נבחן כמה מודלים קוסמולוגיים המשפיעים על "לידת היקום".

המודלים הללו מבוססים על הקביעה שהיקום תמיד היה קיים ועם הזמן מצבו רק משתנה, עובר מהתפשטות לדחיסה - ובחזרה.

דגם Steinhardt-Turok. מודל זה מבוסס על תורת המיתרים (M-Theory), שכן הוא משתמש באובייקט כגון "בריין".

[ברנה (ממברנה) בתורת המיתרים (M-Theory) היא אובייקט פיזי רב-ממדי בסיסי היפותטי בעל מימד קטן מממד החלל בו הוא נמצא]

לפי מודל זה, היקום הנראה נמצא בתוך שלושה ברים, אשר מעת לעת, כל כמה טריליוני שנים, מתנגש עם שלושה ברים אחרים, מה שגורם למשהו כמו המפץ הגדול. לאחר מכן, שלושת הביניים שלנו מתחילות להתרחק מהאחר ולהתרחב. בשלב מסוים, חלקה של האנרגיה האפלה מקבל עדיפות וקצב ההתפשטות של שלושת הברים עולה. ההתפשטות האדירה מפזרת חומר וקרינה עד כדי כך שהעולם הופך כמעט הומוגני וריק. בסופו של דבר, שלושת החוליות מתנגשות שוב, מה שגורם לזו שלנו לחזור לשלב הראשוני של המחזור שלה, ושוב להוליד את ה"יקום" שלנו.

התיאוריה של לוריס באום ופול פרמפטון גם קובעת שהיקום הוא מחזורי. לפי התיאוריה שלהם, האחרון, לאחר המפץ הגדול, יתרחב עקב האנרגיה האפלה עד שיתקרב לרגע ה"התפוררות" של המרחב-זמן עצמו - הקרע הגדול. כידוע, ב"מערכת סגורה, האנטרופיה לא יורדת" (החוק השני של התרמודינמיקה). מהצהרה זו עולה כי היקום אינו יכול לחזור למצבו המקורי, שכן במהלך תהליך כזה האנטרופיה חייבת לרדת. עם זאת, בעיה זו נפתרת במסגרת תיאוריה זו. על פי התיאוריה של באום ופרמפטון, רגע לפני ה-Big Rip, היקום מתפרק להרבה "רסיסים", שלכל אחד מהם יש ערך אנטרופיה קטן למדי. כשהם חווים סדרה של מעברי פאזה, ה"דשים" הללו של היקום לשעבר מייצרים חומר ומתפתחים בדומה ליקום המקורי. העולמות החדשים הללו אינם מקיימים אינטראקציה זה עם זה, מכיוון שהם מתרחקים במהירויות הגבוהות ממהירות האור. לפיכך, מדענים גם נמנעו מהייחודיות הקוסמולוגית שבה מתחילה לידת היקום, לפי רוב התיאוריות הקוסמולוגיות. כלומר, ברגע סיום המחזור שלו, היקום מתפרק לעולמות רבים אחרים שאינם מקיימים אינטראקציה, שיהפכו ליקום חדש.
קוסמולוגיה מחזורית קונפורמית - מודל מחזורי של רוג'ר פנרוז ו-והגן גורזאדיאן. לפי מודל זה, היקום מסוגל להיכנס למחזור חדש מבלי להפר את החוק השני של התרמודינמיקה. תיאוריה זו מבוססת על ההנחה שחורים שחורים הורסים מידע שנקלט, מה שמפחית באופן "חוקי" את האנטרופיה של היקום. ואז כל מחזור כזה של קיומו של היקום מתחיל במשהו הדומה למפץ הגדול ומסתיים ביחוד.

דגמים אחרים של מקור היקום

בין שאר ההשערות המסבירות את הופעת היקום הגלוי, השתיים הבאות הן הפופולריות ביותר:

תורת האינפלציה הכאוטית - התיאוריה של אנדריי לינדה. לפי תיאוריה זו, קיים שדה סקלרי מסוים שאינו הומגני לאורך כל נפחו. כלומר, באזורים שונים ביקום לשדה הסקלרי משמעויות שונות. ואז, באזורים שבהם השדה חלש, לא קורה כלום, בעוד אזורים בעלי שדה חזק מתחילים להתרחב (אינפלציה) בגלל האנרגיה שלו, ויוצרים יקומים חדשים. תרחיש זה מרמז על קיומם של עולמות רבים שלא התעוררו בו זמנית ויש להם קבוצה משלהם של חלקיקים יסודיים, וכתוצאה מכך, חוקי הטבע.
התיאוריה של לי סמולין מציעה שהמפץ הגדול אינו תחילת קיומו של היקום, אלא הוא רק מעבר פאזה בין שני מצביו. מאחר שלפני המפץ הגדול היקום היה קיים בצורה של ייחוד קוסמולוגי, קרוב בטבעו לייחודיות של חור שחור, סמולין מציע שהיקום יכול היה להיווצר מחור שחור.

ישנם גם מודלים שבהם יקומים מתעוררים ללא הרף, יוצאים מהוריהם ומוצאים את מקומם. יתרה מכך, אין צורך כלל שאותם חוקים פיזיקליים יתקבעו בעולמות כאלה. כל העולמות האלה "מוטבעים" ברצף מרחב-זמן אחד, אבל הם כל כך מופרדים בו שהם לא חשים זה את נוכחותו של זה. באופן כללי, מושג האינפלציה מאפשר - אכן, כוחות! - לשקול שבמגה-קוסמוס הענק ישנם יקומים רבים המבודדים זה מזה עם מבנים שונים.

למרות העובדה שמודלים מחזוריים ואחרים עונים על מספר שאלות שלא ניתן לענות עליהן על ידי תיאוריית המפץ הגדול, כולל בעיית הסינגולריות הקוסמולוגית. עם זאת, בשילוב עם התיאוריה האינפלציונית, המפץ הגדול מסביר בצורה מלאה יותר את מקור היקום, וגם מסכים עם תצפיות רבות.

כיום, החוקרים ממשיכים לחקור באופן אינטנסיבי תרחישים אפשריים למקור היקום, עם זאת, אי אפשר לתת תשובה בלתי ניתנת להפרכה לשאלה "איך הופיע היקום?" - לא סביר שיצליח בעתיד הקרוב. יש לכך שתי סיבות: הוכחה ישירה לתיאוריות קוסמולוגיות היא כמעט בלתי אפשרית, רק עקיפה; אפילו תיאורטית, לא ניתן להשיג מידע מדויק על העולם לפני המפץ הגדול. משתי הסיבות הללו, מדענים יכולים רק להעלות השערות ולבנות מודלים קוסמולוגיים שיתארו בצורה המדויקת ביותר את טבעו של היקום שאנו צופים בו.

קשה לדמיין תקופה של 13.7 מיליארד שנים לפני היום שבו היקום כולו היה יחידות. לפי תיאוריית המפץ הגדול, אחד המתחרים המובילים להסבר מהיכן הגיעו היקום וכל החומר בחלל נדחס כולו לנקודה קטנה מחלקיק תת-אטומי. אבל אם זה עדיין יכול להתקבל, חשבו על זה: מה קרה לפני המפץ הגדול?

שאלה זו בקוסמולוגיה המודרנית מגיעה עד למאה הרביעית לספירה. לפני 1600 שנה, התאולוג אוגוסטינוס הקדוש ניסה להבין את טבעו של אלוהים לפני בריאת היקום. ואתה יודע למה הוא הגיע? הזמן היה חלק מהיצירה של אלוהים ופשוט לא היה "לפני".

אחד מטובי הפיזיקאים של המאה ה-20, אלברט איינשטיין, הגיע כמעט לאותן מסקנות בפיתוח תורת היחסות שלו. מספיק לשים לב להשפעת המסה בזמן. המסה העצומה של כוכב הלכת מעוותת את הזמן, וגורמת לו לזרום לאט יותר עבור אדם על פני השטח מאשר עבור אסטרונאוט במסלול. ההבדל קטן מכדי להיות ברור, אבל למעשה, אדם שעומד ליד סלע גדול מזדקן לאט יותר ממי שעומד בשדה. אבל ייקח מיליארד שנים להפוך לצעיר שני. הייחודיות שלפני המפץ הגדול הייתה עם כל המסה של היקום, מה שלמעשה העמיד את הזמן במקום.

לפי תורת היחסות של איינשטיין, הזמן נולד בדיוק ברגע שבו הסינגולריות החלה להתרחב וחרגה מהאינסוף הדחוס. עשרות שנים לאחר מותו של איינשטיין, התפתחות הפיזיקה הקוונטית ומגוון תיאוריות חדשות חידשו את הוויכוח על טבעו של היקום לפני המפץ הגדול. בואו נסתכל.

בריינים, מחזורים ורעיונות אחרים
"ואלוהים ירק, עזב וטרק את הדלת,
היינו מאחוריו - אבל הדלתות נעלמו".
א Nepomnyashchiy

מה אם היקום שלנו הוא צאצא של יקום אחר, ישן יותר? כמה אסטרופיזיקאים מאמינים כי הם מזכירים קרינה שנותרה מהמפץ הגדול: רקע המיקרוגל הקוסמי יעזור לשפוך אור על הסיפור הזה.

אסטרונומים זיהו לראשונה את קרינת הרקע הקוסמית של המיקרוגל ב-1965, והיא הולידה בעיות מסוימות בתיאוריית המפץ הגדול - בעיות שגרמו למדענים להתבלבל לזמן קצר (עד 1981) ולפתח את התיאוריה האינפלציונית. לפי תיאוריה זו, ברגעים הראשונים לקיומו, היקום החל להתרחב במהירות רבה. התיאוריה מסבירה גם את הטמפרטורה והצפיפות של תנודות CMB ומציעה שהתנודות הללו צריכות להיות זהות.

אבל, כפי שהתברר, לא. מחקרים אחרונים הבהירו שהיקום הוא למעשה חד צדדי, כאשר אזורים מסוימים חווים יותר תנודות מאחרים. כמה קוסמולוגים מאמינים שהתצפית הזו מאשרת שליקום שלנו הייתה "אמא"(!)

בתורת האינפלציה הכאוטית, הרעיון הזה צובר תאוצה: ההתקדמות האינסופית של בועות האינפלציה מייצרת שפע של יקומים, וכל אחד מהם מייצר בועות אינפלציה עוד יותר במספר עצום של רב-יקומים.

עם זאת, ישנם מודלים המנסים להסביר את היווצרות הסינגולריות לפני המפץ הגדול. אם אתה חושב על חורים שחורים כעל פחי אשפה ענקיים, הם המועמדים העיקריים להתמוטטות ראשונית, כך שהיקום המתרחב שלנו יכול מאוד להיות חור לבן - חור שחור ליציאה, וכל חור שחור ביקום שלנו יכול לאכלס יקום אחר.

מדענים אחרים מאמינים שמאחורי היווצרות הסינגולריות עומד מחזור הנקרא "המפץ הגדול", שבו היקום המתרחב מתמוטט בסופו של דבר לתוך עצמו, ומוליד ייחוד נוסף, אשר, שוב, מוליד מפץ גדול נוסף. תהליך זה יהיה נצחי, וכל היחודיות וכל ההתמוטטויות לא ייצגו שום דבר מלבד מעבר לשלב אחר של קיומו של היקום.

ההסבר האחרון שנסתכל עליו משתמש ברעיון של יקום מחזורי שנוצר על ידי תורת המיתרים. זה מצביע על כך שזרימות חומר ואנרגיה חדשות נוצרות כל טריליוני שנים כאשר שני ממברנות, או ברינים, מעבר לממדים שלנו מתנגשים זה בזה.

מה קרה לפני המפץ הגדול? השאלה נשארת פתוחה. אולי כלום. אולי יקום אחר או גרסה אחרת שלנו. אולי אוקיינוס של יקומים, שלכל אחד מהם יש מערכת חוקים וקבועים משלו שמכתיבים את טבעה של המציאות הפיזית.

המוני כוכבים... המדע שלנו מבולבל ובו בזמן מוקסם מהגופים האדירים האלה שמתנהגים כמו אטומים, אבל הבנייה שלהם מביכה אותנו במורכבותו העצומה והאקראית (רק לכאורה?). אולי, עם הזמן, יופיע סדר או מחזוריות כלשהי במבנה הכוכבים, הן בהרכב והן במיקום. (נ.א. סדובסקי)

בואו נרים את ראשנו אל תוך ליל הכוכבים. איפשהו שם, מאחורי הצעיף הכחול כהה, הכל התחיל. והכל התחיל, כרגיל, יש מאין. אבל נתחיל עם המפץ הגדול, כפי שהאמריקאים מכנים המפץ הגדול שהתרחש ביקום לפני 15 מיליארד שנה. אנחנו אפילו לא יכולים לדמיין איך היה היקום לפני זה.

יש לנו זמן. גם אם השעונים יתקלקלו בכל רחבי כדור הארץ, השמש תזרח ותשקע, בספירה לאחור של ימי שמש, עדיין ייווצרו טבעות עצים על עצים וכו'. הזמן לא יעצור. עכשיו דמיינו שאין זמן. הזמן לא עמד מלכת. זה פשוט לא קיים. גם אין מקום. אין חומר. יש גוש-על של חומר עם צפיפות עצומה. כל החומר העתידי של העולם, כל מה שיהפוך אחר כך לכוכבים, כוכבי לכת - הכל דחוס לנקודה אחת עם טמפרטורה גבוהה לאין שיעור. כך "החל" היקום. ברגע האירוע הזה נוצרו מרחב וזמן.

אין טעם לשאול מה קרה לפני המפץ הגדול. זה כמו לשאול מה מצפון לקוטב הצפוני או מדרום לקוטב הדרומי. ניתן לענות על השאלה "איפה זה קרה?" במילה אחת בלבד: "בכל מקום". ואכן, היקום באותו רגע לא היה נקודה מבודדת במרחב אחר. היא הייתה כל הנקודה הזו והממדים שלה באותו רגע היו קטנים מאוד - קרוב לגודל של אלקטרון. נקודה כזו ניתן לראות רק במיקרוסקופ אלקטרוני חזק. אבל המסה גדולה באופן לא פרופורציונלי: לא 100, לא 1000, אפילו לא 1,000,000 טון - הרבה יותר. יותר ממסת כדור הארץ, השמש, פי מאה אלף מיליארד (100,000,000,000,000) יותר מהמסה של הגלקסיה כולה שלנו. ואין בו כל כך מעט - 150 מיליארד כוכבים השוקלים כמו השמש וכבדים יותר!

ואז הנקודה הזו "התפוצצה" בכוח עצום, וענן ענק המורכב מחלקיקים יסודיים החל לגדול ולהתרחב לכל הכיוונים. כל חלקיק היה כבד וחי חיים קצרים אך סוערים. השלב הראשון של היווצרות היקום נקרא האדרוני, והוא נמשך רק שבריר שנייה - עשרת אלפים ממנו (0.0001 שניות)! קצב ההתפשטות של היקום עלה על מהירות האור בוואקום והתקרב ל-300,000,000 מ"ש (300,000 קמ"ש). השווה: המהירות ההתחלתית של כדור שנורה מרובה סער מסוג קלצ'ניקוב היא 715 מ"ש, שהם פחות מקילומטר לשנייה; מהירות המילוט הראשונה היא 8 ק"מ לשנייה. ספינת חלל במסלול נעה בערך באותה מהירות.

ברגעים הראשונים לקיומו, היקום היה חם מאוד, חם בהרבה מחלקו הפנימי של הכוכב הלוהט ביותר. בטמפרטורות מעל 10 מיליארד מעלות, שזה בדיוק מה שהייתה הטמפרטורה של היקום, שום חומר לא יכול להתקיים. כן, הוא עדיין לא היה שם. כמעט כל האנרגיה ביקום התקיימה בצורה של קרינה אלקטרומגנטית (פוטונים), כלומר היקום "זוהר", או ליתר דיוק, הוא עצמו היה אור בהיר ואינסופי.

האדרונים הם החלקיקים היסודיים הכבדים ביותר. אבל עכשיו הגיע הזמן לחלקיקים קלים יותר - הלפטונים. השלב השני החל.

כידוע, חלקיקים אינם עומדים במקום, אלא נעים, מתנגשים, נעלמים ומשתנים. כתוצאה מ"ריקודים" כאלה, מתעוררים חלקיקים ואנטי-חלקיקים. הם לא יכולים להתקיים ביחד. הנה זה מי שינצח. במקרה, התברר שמספר החלקיקים היה מעט יותר ממספר האנטי-חלקיקים. החלקיקים "שרדו", וכל העולם בנוי מהם כעת.

מה יקרה אם האנטי-חלקיקים ינצחו? מדענים עונים: שום דבר מיוחד, העולם יישאר אותו הדבר, רק מבנה האטומים ישתנה מעט. לאטומים "שלנו" יש גרעין מטען חיובי ואלקטרונים בעלי מטען שלילי על הקליפות. אבל זה יהיה הפוך. והאלקטרון ייקרא פוזיטרון... מדענים למדו זה מכבר להשיג אנטי-חלקיקים בתנאי מעבדה, אבל אנטי-חומר לא נמצא במצב חופשי על פני כדור הארץ.

תוך 10 שניות, היקום "חמק" מהשלב השני (הלפטון) עם התגובות התרמו-גרעיניות שלו. הרכב החומר ממנו יורכב העולם כבר הוסבר. אטומי מימן ומאוחר יותר הופיעו גרעיני הליום. ביום אחד, היקום איבד את צפיפות העל שלו. עד סוף היום הראשון, צפיפותו הייתה נמוכה פי 100 מצפיפות האוויר הרגיל.

וכאן נגמר עולם המהירויות הגבוהות. העידן השלישי - עידן הקרינה - נמשך מיליון שנים. למרות שזה לא הרבה בהשוואה לחיים של מיליארדי דולרים של היקום, אם משווים אותו להתחלה המהירה שנמשכת רק כמה שניות, אז כן, זה הרבה. קרינת השרידים שעדיין זוהתה בחלל מזכירה לנו את התקופה ההיא. קרינת שרידים נקראת קרינה של גוף שחור לחלוטין בטמפרטורה של 2.7 K. כן, אל תתפלאו, גוף שחור לחלוטין יכול גם "להקרין". דמיינו כדור חלול. בואו נניח שנתחיל לחמם אותו. מה קורה בפנים? הכדור שלנו ריק. ה"חום" בתוך חלל כזה הוא גלים אלקטרומגנטיים השועטים בין הקירות הפנימיים. אם גוף מחומם ל-6,000 מעלות צלזיוס, אז הגלים יופיעו בעיקר בחלק הגלוי של הספקטרום. הכדור שלנו יכול להיקרא "גוף שחור", מכיוון שקרינה לא עוברת דרך דפנותיו, והוא "שחור" עבור צופה חיצוני, למרות שהוא מחומם בפנים. בטמפרטורות שונות של גוף שחור, גם הקרינה שונה. ב-6,000 מעלות צלזיוס הוא נראה ירוק, בטמפרטורה של כמיליון קלווין זוהי קרינת רנטגן. בטמפרטורות קרובות לאפס מוחלט (-273 מעלות צלזיוס) - גלי מיקרו. זה מה שקורה ביקום. CMB במקרה זה הוא הזיכרון של השלב השלישי של התפתחות היקום - עידן הקרינה.

עידן הקרינה הסתיים בהיווצרות החומר, ואז החל עידן נוסף בו אנו חיים. זהו עידן החומר. קוואזרים, גלקסיות, כוכבים, מערכות פלנטריות נולדים - כל מה שאנו צופים כעת מכדור הארץ.

הצביע תודה!

אולי יעניין אותך:

המודל חייב לקחת בחשבון את המרחקים הנצפים בין עצמים, כמו גם את המהירות וכיוון תנועתם. חישובים כאלה מבוססים על חוק האבל: cz =H 0ד, איפה ז- הסטה לאדום של האובייקט, ד- מרחק לאובייקט זה, ג- מהירות האור.
גיל היקום בדגם חייב לעלות על גילם של העצמים העתיקים בעולם.
המודל חייב לקחת בחשבון את השפע הראשוני של אלמנטים.
המודל חייב לקחת בחשבון את הנצפה.
המודל חייב לקחת בחשבון את רקע השריד שנצפה.

הבה נבחן בקצרה את התיאוריה המקובלת על המקור וההתפתחות המוקדמת של היקום, הנתמכת על ידי רוב המדענים. כיום, תיאוריית המפץ הגדול מתייחסת לשילוב של מודל היקום החם עם המפץ הגדול. ולמרות שמושגים אלה היו קיימים בתחילה ללא תלות זה בזה, כתוצאה מאיחודם ניתן היה להסביר את ההרכב הכימי המקורי של היקום, כמו גם את נוכחותה של קרינת רקע מיקרוגל קוסמית.

לפי תיאוריה זו, היקום צמח לפני כ-13.77 מיליארד שנים מאיזה עצם מחומם צפוף - קשה לתיאור במסגרת הפיזיקה המודרנית. הבעיה עם הסינגולריות הקוסמולוגית, בין היתר, היא שכאשר מתארים אותה, רוב הגדלים הפיזיקליים, כמו צפיפות וטמפרטורה, נוטים לאינסוף. יחד עם זאת, ידוע שבצפיפות אינסופית (מידת הכאוס) צריכה לשאוף לאפס, דבר שאינו תואם בשום אופן לטמפרטורה אינסופית.

- 10-43 השניות הראשונות לאחר המפץ הגדול נקראות שלב הכאוס הקוונטי. לא ניתן לתאר את טבעו של היקום בשלב זה של הקיום במסגרת הפיזיקה המוכרת לנו. המרחב-זמן המאוחד המתמשך מתפרק לקוונטות.

רגע פלאנק הוא רגע סיום הכאוס הקוונטי, שנופל ב-10 -43 שניות. ברגע זה, הפרמטרים של היקום היו שווים, כמו טמפרטורת פלאנק (בערך 10 32 K). ברגע של עידן פלאנק, כל ארבע האינטראקציות הבסיסיות (חלשות, חזקות, אלקטרומגנטיות וכבידה) אוחדו לאינטראקציה אחת. לא ניתן להתייחס למומנט פלאנק כאיזושהי תקופה ארוכה, מכיוון שהפיזיקה המודרנית לא עובדת עם פרמטרים פחות ממומנט פלאנק.
שלב. השלב הבא בהיסטוריה של היקום היה השלב האינפלציוני. ברגע הראשון של האינפלציה, האינטראקציה הכבידתית הופרדה מהשדה הסופר-סימטרי היחיד (שכלל בעבר את שדות האינטראקציות הבסיסיות). במהלך תקופה זו, לחומר יש לחץ שלילי, הגורם לעלייה אקספוננציאלית באנרגיה הקינטית של היקום. במילים פשוטות, במהלך תקופה זו היקום החל להתנפח מהר מאוד, ולקראת הסוף, האנרגיה של שדות פיזיים הופכת לאנרגיה של חלקיקים רגילים. בסוף שלב זה, הטמפרטורה של החומר והקרינה עולה משמעותית. יחד עם סיום שלב האינפלציה, נוצרת גם אינטראקציה חזקה. גם ברגע הזה זה מתעורר.
שלב דומיננטיות הקרינה. השלב הבא בהתפתחות היקום, הכולל מספר שלבים. בשלב זה, הטמפרטורה של היקום מתחילה לרדת, קווארקים נוצרים, ואז הדרונים ולפטונים. בעידן הנוקלאוסינתזה מתרחשת היווצרותם של יסודות כימיים ראשוניים והליום מסונתז. עם זאת, קרינה עדיין שולטת בחומר.
עידן דומיננטיות החומר. לאחר 10,000 שנים, אנרגיית החומר עולה בהדרגה על אנרגיית הקרינה ומתרחשת הפרדתם. העניין מתחיל לשלוט בקרינה, ורקע שריד מופיע. כמו כן, הפרדת החומר עם קרינה הגבירה משמעותית את האי-הומוגניות הראשונית בהפצת החומר, וכתוצאה מכך החלו להיווצר גלקסיות וגלקסיות-על. חוקי היקום הגיעו לצורה שבה אנו מקיימים אותם היום.

התמונה לעיל מורכבת ממספר תיאוריות יסוד ונותנת מושג כללי על היווצרות היקום בשלבים המוקדמים של קיומו.

מאיפה בא היקום?

דגמים מחזוריים

המודלים הללו מבוססים על הקביעה שהיקום תמיד היה קיים ועם הזמן מצבו רק משתנה, עובר מהתפשטות לדחיסה - ובחזרה.

דגם Steinhardt-Turok. מודל זה מבוסס על תורת המיתרים (M-Theory), שכן הוא משתמש באובייקט כגון "בריין". לפי מודל זה, היקום הנראה נמצא בתוך 3 ברים, אשר מעת לעת, אחת לכמה טריליוני שנים, מתנגש עם 3 ברים אחר, מה שגורם למשהו כמו המפץ הגדול. בשלב הבא, 3-breine שלנו מתחיל להתרחק מהשני ולהתרחב. בשלב מסוים, חלקה של האנרגיה האפלה מקבל עדיפות וקצב ההתפשטות של 3 הברים עולה. ההתפשטות האדירה מפזרת חומר וקרינה עד כדי כך שהעולם הופך כמעט הומוגני וריק. בסופו של דבר, 3-הסומיות מתנגשות שוב, מה שגורם לזו שלנו לחזור לשלב הראשוני של המחזור שלה, ושוב להוליד את ה"יקום" שלנו.

התיאוריה של לוריס באום ופול פרמפטון גם קובעת שהיקום הוא מחזורי. לפי התיאוריה שלהם, האחרון, לאחר המפץ הגדול, יתרחב עקב אנרגיה אפלה עד שיתקרב לרגע ה"דעיכה" של המרחב-זמן עצמו - הקרע הגדול. כידוע, ב"מערכת סגורה, האנטרופיה לא יורדת" (החוק השני של התרמודינמיקה). מהצהרה זו עולה כי היקום אינו יכול לחזור למצבו המקורי, שכן במהלך תהליך כזה האנטרופיה חייבת לרדת. עם זאת, בעיה זו נפתרת במסגרת תיאוריה זו. על פי התיאוריה של באום ופרמפטון, רגע לפני ה-Big Rip, היקום מתפרק להרבה "רסיסים", שלכל אחד מהם יש ערך אנטרופיה קטן למדי. כשהם חווים סדרה של מעברי פאזה, ה"דשים" הללו של היקום לשעבר מייצרים חומר ומתפתחים בדומה ליקום המקורי. העולמות החדשים הללו אינם מקיימים אינטראקציה זה עם זה, מכיוון שהם מתרחקים במהירויות הגבוהות ממהירות האור. לפיכך, מדענים גם נמנעו מהייחודיות הקוסמולוגית שבה מתחילה לידת היקום, לפי רוב התיאוריות הקוסמולוגיות. כלומר, ברגע סיום המחזור שלו, היקום מתפרק לעולמות רבים אחרים שאינם מקיימים אינטראקציה, שיהפכו ליקום חדש.
קוסמולוגיה מחזורית קונפורמית - מודל מחזורי של רוג'ר פנרוז ו-והגן גורזאדיאן. לפי מודל זה, היקום מסוגל להיכנס למחזור חדש מבלי להפר את החוק השני של התרמודינמיקה. תיאוריה זו מבוססת על ההנחה שחורים שחורים הורסים מידע שנקלט, מה שמפחית באופן "חוקי" את האנטרופיה של היקום. ואז כל מחזור כזה של קיומו של היקום מתחיל במשהו הדומה למפץ הגדול ומסתיים ביחוד.

דגמים אחרים של מקור היקום

בין שאר ההשערות המסבירות את הופעת היקום הגלוי, השתיים הבאות הן הפופולריות ביותר:

תורת האינפלציה הכאוטית - התיאוריה של אנדריי לינדה. לפי תיאוריה זו, קיים שדה סקלרי מסוים שאינו הומגני לאורך כל נפחו. כלומר, באזורים שונים ביקום לשדה הסקלרי משמעויות שונות. ואז, באזורים שבהם השדה חלש, לא קורה כלום, בעוד אזורים בעלי שדה חזק מתחילים להתרחב (אינפלציה) בגלל האנרגיה שלו, ויוצרים יקומים חדשים. תרחיש זה מרמז על קיומם של עולמות רבים שצמחו לא בו-זמנית ויש להם קבוצה משלהם של חלקיקים יסודיים, וכתוצאה מכך, חוקי הטבע.
התיאוריה של לי סמולין מציעה שהמפץ הגדול אינו תחילת קיומו של היקום, אלא הוא רק מעבר פאזה בין שני מצביו. מאחר שלפני המפץ הגדול היקום היה קיים בצורה של ייחוד קוסמולוגי, קרוב בטבעו לייחודיות של חור שחור, סמולין מציע שהיקום יכול היה להיווצר מחור שחור.