« Man gyvenimas per trumpas, kad galėčiau jaudintis dėl dalykų, kurių aš negaliu valdyti ir galbūt net neįgyvendinamų. Todėl jie klausia: „O jeigu Žemė bus praryta juodoji skylė, ar bus erdvėlaikio iškraipymas – tai yra priežastis susirūpinti? Mano atsakymas yra ne, nes apie tai sužinosime tik tada, kai jis pasieks mūsų... mūsų vietą erdvėlaikyje. Mus sukrečia, kai gamta nusprendžia, kad laikas yra tinkamas: ar tai būtų garso greitis, šviesos greitis, elektrinių impulsų greitis – mes visada būsime laiko delsos tarp mus supančios informacijos ir gebėjimo ją priimti aukos.»
Neilas deGrasse'as Tysonas
Laikas yra nuostabus dalykas. Ji suteikia mums praeitį, dabartį ir ateitį. Dėl laiko viskas, kas mus supa, turi savo amžių. Pavyzdžiui, Žemės amžius yra maždaug 4,5 milijardo metų. Maždaug prieš tiek metų užsidegė ir mums artimiausia žvaigždė – Saulė. Jei ši figūra jums atrodo pribloškianti, nepamirškite to gerokai prieš susiformuojant mūsų gimtajam saulės sistema atsirado galaktika, kurioje gyvename – Paukščių Takas. Naujausiais mokslininkų skaičiavimais, Paukščių Tako amžius siekia 13,6 milijardo metų. Tačiau tikrai žinome, kad galaktikos taip pat turi praeitį, o erdvė yra tiesiog didžiulė, todėl reikia žiūrėti dar toliau. Ir šis apmąstymas neišvengiamai atveda į momentą, kai viskas prasidėjo – Didįjį sprogimą.
Einšteinas ir Visata
Žmonių suvokimas apie juos supantį pasaulį visada buvo nevienareikšmis. Kažkas vis dar netiki egzistavimu didžiulė visata aplink mus kai kurie žmonės mano, kad Žemė yra plokščia. Iki mokslo proveržio XX amžiuje buvo tik kelios pasaulio kilmės versijos. Religinių pažiūrų šalininkai tikėjo dieviškuoju įsikišimu ir kūryba aukštesnis intelektas, nesutikusieji kartais būdavo sudeginami. Buvo ir kita pusė, kuri tikėjo, kad mus supantis pasaulis, kaip ir Visata, yra begalinis.
Daugeliui žmonių viskas pasikeitė, kai 1917 metais Albertas Einšteinas pasakė kalbą, plačiajai visuomenei pristatydamas savo gyvenimo darbą – Bendrąją reliatyvumo teoriją. XX amžiaus genijus, naudodamas savo išvestas lygtis, erdvėlaikį susiejo su erdvės materija. Dėl to paaiškėjo, kad Visata yra baigtinė, nekintamo dydžio ir taisyklingo cilindro formos.
Techninio proveržio aušroje niekas negalėjo paneigti Einšteino žodžių, nes jo teorija buvo per sudėtinga net didžiausiems XX amžiaus pradžios protams. Kadangi kitų galimybių nebuvo, cilindrinės stacionarios Visatos modelis mokslo bendruomenės buvo priimtas kaip visuotinai priimtas mūsų pasaulio modelis. Tačiau ji galėjo gyventi tik keletą metų. Po to, kai fizikai sugebėjo atsigauti nuo Einšteino mokslinių darbų ir pradėjo juos atskirti, lygiagrečiai buvo pradėti koreguoti reliatyvumo teorija ir specifiniai vokiečių mokslininko skaičiavimai.
1922 metais žurnale „Izvestija Physics“ staiga buvo paskelbtas straipsnis rusų matematikas Aleksandras Fridmanas, kuriame jis teigia, kad Einšteinas klydo ir mūsų Visata nėra stacionari. Friedmanas aiškina, kad vokiečių mokslininko teiginiai apie erdvės kreivio spindulio nekintamumą yra klaidingi supratimai, spindulys keičiasi laiko atžvilgiu. Atitinkamai, Visata turi plėstis.
Be to, čia Friedmanas pateikė savo prielaidas, kaip tiksliai gali plėstis Visata. Iš viso buvo trys modeliai: pulsuojanti Visata (prielaida, kad Visata plečiasi ir traukiasi tam tikru periodiškumu laike); besiplečianti Visata iš masės ir trečiasis modelis – plėtimasis iš taško. Kadangi tuo metu nebuvo kitų modelių, išskyrus dieviškąjį įsikišimą, fizikai greitai atkreipė dėmesį į visus tris Friedmano modelius ir pradėjo juos kurti savo kryptimi.
Rusų matematiko darbas šiek tiek suglumino Einšteiną, ir tais pačiais metais jis paskelbė straipsnį, kuriame išsakė savo pastabas apie Friedmanno darbą. Jame vokiečių fizikas bando įrodyti savo skaičiavimų teisingumą. Tai pasirodė gana neįtikinama, ir kai skausmas dėl smūgio savigarbai šiek tiek atslūgo, Einšteinas žurnale „Izvestija Physics“ paskelbė dar vieną pastabą, kurioje pasakė:
« Ankstesniame įraše kritikavau minėtą darbą. Tačiau mano kritika, kaip įsitikinau Friedmano laiške, kurį man perdavė ponas Krutkovas, buvo pagrįsta skaičiavimų klaida. Manau, kad Friedmano rezultatai yra teisingi ir atskleidžia naują šviesą».
Mokslininkai turėjo pripažinti, kad visi trys mūsų Visatos atsiradimo ir egzistavimo Friedmano modeliai yra absoliučiai logiški ir turi teisę į gyvybę. Visi trys yra paaiškinti aiškiais matematiniais skaičiavimais ir nepalieka jokių klausimų. Išskyrus vieną dalyką: kodėl Visata pradėtų plėstis?
Teorija, pakeitusi pasaulį
Einšteino ir Fridmano pareiškimai paskatino mokslo bendruomenę rimtai suabejoti Visatos kilme. Ačiū bendroji teorija reliatyvumo teorija turėjo progą nušviesti mūsų praeitį, ir fizikai tuo nepasinaudojo. Vienas iš mokslininkų, mėginusių pateikti mūsų pasaulio modelį, buvo astrofizikas Georgesas Lemaitre'as iš Belgijos. Pastebėtina, kad Lemaitre'as buvo katalikų kunigas, tačiau tuo pat metu studijavo matematiką ir fiziką, o tai mūsų laikais yra tikra nesąmonė.
Georges'as Lemaitre'as susidomėjo Einšteino lygtimis ir jų pagalba sugebėjo apskaičiuoti, kad mūsų Visata atsirado dėl tam tikros superdalelės, kuri prieš prasidedant dalijimuisi buvo už erdvės ir laiko ribų, skilimo, o tai iš tikrųjų gali būti laikoma sprogimas. Tuo pat metu fizikai pažymi, kad Lemaitre'as pirmasis nušvietė Visatos gimimą.
Sprogusio superatomo teorija patenkino ne tik mokslininkus, bet ir dvasininkus, kurie buvo labai nepatenkinti šiuolaikiniu mokslo atradimai, pagal kurią turėjome sugalvoti naujų Biblijos interpretacijų. Didysis sprogimas nepateko į reikšmingą konfliktą su religija, galbūt tam įtakos turėjo paties Lemaître'o, kuris savo gyvenimą paskyrė ne tik mokslui, bet ir tarnauti Dievui, auklėjimas.
1951 m. lapkričio 22 d. popiežius Pijus XII paskelbė, kad Didžiojo sprogimo teorija neprieštarauja Biblijai ir katalikų dogmoms apie pasaulio kilmę. Ortodoksų dvasininkai taip pat teigė, kad į šią teoriją žiūri teigiamai. Šią teoriją palyginti neutraliai įvertino ir kitų religijų šalininkai, kai kurie net teigė, kad savo šventraščiai yra nuorodų į Didįjį sprogimą.
Tačiau nepaisant to, kad Didžiojo sprogimo teorija šiuo metu yra visuotinai priimtas kosmologinis modelis, ji daugelį mokslininkų atvedė į aklavietę. Viena vertus, superdalelės sprogimas puikiai atitiko šiuolaikinės fizikos logiką, tačiau, kita vertus, dėl tokio sprogimo daugiausia galėjo susidaryti tik sunkieji metalai, ypač geležis. Tačiau, kaip paaiškėjo, Visata daugiausia susideda iš itin lengvų dujų – vandenilio ir helio. Kažkas nesudėjo, todėl fizikai toliau kūrė pasaulio atsiradimo teoriją.
Iš pradžių terminas „Didysis sprogimas“ neegzistavo. Lemaître'as ir kiti fizikai pasiūlė tik nuobodų pavadinimą „dinaminis evoliucijos modelis“, kuris sukėlė studentų žiovavimą. Tik 1949 m. vienoje iš savo paskaitų britų astronomas ir kosmologas Freudas Hoyle'as pasakė:
„Ši teorija remiasi prielaida, kad Visata atsirado vieno galingo sprogimo metu ir todėl egzistuoja tik ribotą laiką... Ši Didžiojo sprogimo idėja man atrodo visiškai nepatenkinama..
Nuo tada šis terminas buvo plačiai naudojamas mokslo sluoksniuose ir plačiosios visuomenės supratimu apie Visatos sandarą.
Iš kur atsirado vandenilis ir helis?
Šviesos elementų buvimas suglumino fizikus, o daugelis Didžiojo sprogimo teorijos šalininkų nusprendė rasti jų šaltinį. Daugelį metų jiems nepavyko pasiekti didelės sėkmės, kol 1948 m. genialus mokslininkas Georgijus Gamovas iš Leningrado pagaliau sugebėjo sukurti šį šaltinį. Gamovas buvo vienas iš Friedmano mokinių, todėl mielai ėmėsi savo mokytojo teorijos kūrimo.
Gamovas bandė įsivaizduoti Visatos gyvenimą priešinga kryptimi ir atsukdavo laiką iki momento, kai jis tik pradėjo plėstis. Tuo metu, kaip žinome, žmonija jau buvo atradusi termobranduolinės sintezės principus, todėl Friedmanno-Lemaitro teorija įgijo teisę į gyvybę. Kai Visata buvo labai maža, pagal fizikos dėsnius buvo labai karšta.
Pasak Gamow, praėjus vos sekundei po Didžiojo sprogimo, naujosios Visatos erdvė buvo užpildyta elementariomis dalelėmis, kurios pradėjo sąveikauti viena su kita. Dėl to prasidėjo helio termobranduolinė sintezė, kurią Odesos matematikas Ralphas Asheras Alferis sugebėjo apskaičiuoti Gamow. Alferio skaičiavimais, praėjus vos penkioms minutėms po Didžiojo sprogimo, Visata buvo pripildyta helio tiek, kad net atkaklūs Didžiojo sprogimo teorijos priešininkai turės susitaikyti ir priimti šį modelį kaip pagrindinį kosmologijoje. Savo tyrimais Gamow ne tik atvėrė naujus Visatos tyrinėjimo būdus, bet ir prikėlė Lemaître'o teoriją.
Nepaisant stereotipų apie mokslininkus, jų negalima paneigti romantizmo. Gamow paskelbė savo mokslinius tyrimus apie superkarštos visatos teoriją Didžiojo sprogimo metu 1948 m. savo darbe „Cheminių elementų kilmė“. Kaip kolegų padėjėjų jis nurodė ne tik Ralphą Asherą Alpherį, bet ir Hansą Bethe, amerikiečių astrofiziką ir būsimą laureatą. Nobelio premija. Ant knygos viršelio pasirodė: Alpher, Bethe, Gamow. Ar tau nieko neprimena?
Tačiau nepaisant to, kad Lemaître'o darbai gavo antrąjį gyvenimą, fizikai vis tiek negalėjo atsakyti jaudinantis klausimas: kas atsitiko prieš Didįjį sprogimą?
Bandymai prikelti stacionarią Einšteino Visatą
Ne visi mokslininkai sutiko su Friedmano-Lemaitro teorija, tačiau nepaisant to, jie turėjo mokyti visuotinai priimtą kosmologinis modelis. Pavyzdžiui, astronomas Fredas Hoyle'as, pats sugalvojęs terminą „Didysis sprogimas“, iš tikrųjų tikėjo, kad sprogimo nebuvo, ir paskyrė savo gyvenimą bandydamas tai įrodyti.
Hoyle'as tapo vienu iš tų mokslininkų, kurie mūsų laikais siūlo alternatyvų požiūrį modernus pasaulis. Dauguma fizikų gana šauniai vertina teiginius panašių žmonių, bet tai jų visiškai nejaudina.
Norėdamas sugėdinti Gamową ir jo pagrindimą Didžiojo sprogimo teorijai, Hoyle'as ir bendraminčiai nusprendė sukurti savo Visatos atsiradimo modelį. Jie rėmėsi Einšteino pasiūlymais, kad Visata yra stacionari, ir padarė kai kuriuos pakeitimus, siūlydami alternatyvias Visatos plėtimosi priežastis.
Jei Lemaitre-Friedmann teorijos šalininkai manė, kad Visata atsirado iš vieno supertankaus taško, kurio spindulys yra be galo mažas, tai Hoyle'as teigė, kad medžiaga nuolat formuojasi iš taškų, esančių tarp vienas nuo kito tolstančių galaktikų. Pirmuoju atveju visa Visata su begaliniu žvaigždžių ir galaktikų skaičiumi susidarė iš vienos dalelės. Kitu atveju vienas taškas suteikia pakankamai medžiagos sukurti tik vieną galaktiką.
Hoyle'o teorijos nesėkmė yra ta, kad jis niekada negalėjo paaiškinti, iš kur atsiranda ta pati medžiaga, kuri ir toliau kuria galaktikas, kuriose yra šimtai milijardų žvaigždžių. Tiesą sakant, Fredas Hoyle'as pasiūlė visiems patikėti, kad visatos struktūra atsiranda iš niekur. Nepaisant to, kad daugelis fizikų bandė rasti sprendimą Hoyle'o teorijai, niekam to nepavyko padaryti, o po poros dešimtmečių šis pasiūlymas prarado savo aktualumą.
Neatsakyti klausimai
Tiesą sakant, Didžiojo sprogimo teorija mums taip pat neduoda atsakymų į daugelį klausimų. Pavyzdžiui, mintyse paprastas žmogus negalime suvokti fakto, kad visa mus supanti materija kažkada buvo suspausta į vieną singuliarumo tašką, kuris yra daug mažesnis už atomą. Ir kaip atsitiko, kad ši superdalelė įkaito tiek, kad prasidėjo sprogimo reakcija.
Iki XX amžiaus vidurio besiplečiančios Visatos teorija niekada nebuvo patvirtinta eksperimentiškai, todėl nebuvo plačiai naudojama švietimo įstaigose. Viskas pasikeitė 1964 m., kai du amerikiečių astrofizikai – Arno Penzias ir Robertas Wilsonas – nusprendė ištirti radijo signalus iš žvaigždėto dangaus.
Skenuodami dangaus kūnų spinduliuotę, būtent Cassiopeia A (vieną iš galingiausių radijo spinduliuotės šaltinių žvaigždėtame danguje), mokslininkai pastebėjo tam tikrą pašalinį triukšmą, kuris nuolat trukdė fiksuoti tikslius spinduliuotės duomenis. Kad ir kur jie būtų nukreipę anteną, nesvarbu, kuriuo paros metu jie pradėjo tyrinėti, šis būdingas ir nuolatinis triukšmas juos visada lydėjo. Prieš tai piktas tam tikru mastu, Penzias ir Wilsonas nusprendė ištirti šio triukšmo šaltinį ir netikėtai padarė pasaulį pakeitusį atradimą. Jie atrado reliktinę spinduliuotę, kuri yra to paties Didžiojo sprogimo aidas.
Mūsų Visata vėsta daug lėčiau nei puodelis karštos arbatos, o CMB rodo, kad mus supanti materija kažkada buvo labai karšta, o dabar vėsta, kai visata plečiasi. Taigi visos teorijos, susijusios su šaltąja Visata, buvo paliktos už borto, o Didžiojo sprogimo teorija galiausiai buvo priimta.
Savo raštuose Georgijus Gamovas manė, kad kosmose būtų įmanoma aptikti fotonus, kurie egzistavo nuo Didžiojo sprogimo, viskas, ko reikia, yra labiau pažengęs technine įranga. Reliktinė spinduliuotė patvirtino visas jo prielaidas dėl Visatos egzistavimo. Taip pat buvo įmanoma nustatyti, kad mūsų Visatos amžius yra maždaug 14 milijardų metų.
Kaip visada, kada praktinis įrodymas bet kokia teorija, iškart atsiranda daug alternatyvių nuomonių. Kai kurie fizikai šaipėsi iš atradimo kosminė mikrobangų foninė spinduliuotė kaip Didžiojo sprogimo įrodymą. Nors Penzias ir Wilsonas laimėjo Nobelio premiją už savo istorinį atradimą, daugelis nesutiko su jų tyrimais.
Pagrindiniai argumentai dėl Visatos plėtimosi nesėkmės buvo neatitikimai ir loginės klaidos. Pavyzdžiui, sprogimas vienodai paspartino visas kosmose esančias galaktikas, tačiau Andromedos galaktika, užuot tolstanti nuo mūsų, lėtai, bet užtikrintai artėja prie Paukščių Tako. Mokslininkai teigia, kad šios dvi galaktikos viena su kita susidurs vos po 4 milijardų metų. Deja, žmonija dar per jauna atsakyti į šį ir kitus klausimus.
Pusiausvyros teorija
Šiais laikais fizikai siūlo įvairius Visatos egzistavimo modelius. Daugelis jų negali pakęsti net paprastos kritikos, o kiti gauna teisę į gyvybę.
XX amžiaus pabaigoje amerikiečių astrofizikas Edwardas Tryonas kartu su savo kolega australu Warrenu Kerry pasiūlė esminį naujas modelis Visata, ir tai padarė nepriklausomai vienas nuo kito. Mokslininkai savo tyrimus grindė prielaida, kad visatoje viskas yra subalansuota. Mišios naikina energiją ir atvirkščiai. Šis principas buvo pradėtas vadinti principu Nulinė visata. Šioje Visatoje nauja materija atsiranda singuliarumo taškuose tarp galaktikų, kur materijos trauka ir atstūmimas yra subalansuotos.
Nulinės visatos teorija nebuvo suplėšyta į šipulius, nes po kurio laiko mokslininkams pavyko atrasti tamsiosios materijos egzistavimą – paslaptingą medžiagą, iš kurios sudaro beveik 27% mūsų Visatos. Dar 68,3% Visatos sudaro paslaptingesnė ir paslaptingesnė tamsioji energija.
Taip yra dėl gravitacinio poveikio tamsioji energija ir jam priskiriamas visatos plėtimosi pagreitis. Beje, tamsiosios energijos buvimą erdvėje numatė pats Einšteinas, matęs, kad kažkas jo lygtyse nesutampa, Visata negali būti stacionari. Todėl į lygtis jis įtraukė kosmologinę konstantą – Lambda terminą, dėl kurio vėliau ne kartą kaltino save ir savęs nekentė.
Taip atsitiko, kad teoriškai tuščia erdvė Visatoje vis dėlto užpildyta kažkokiu ypatingu lauku, dėl kurio Einšteino modelis įgyvendinamas. Blaiviu protu ir pagal anų laikų logiką tokio lauko egzistavimas buvo tiesiog neįmanomas, tačiau iš tikrųjų vokiečių fizikas tiesiog nemokėjo apibūdinti tamsiosios energijos.
***
Galbūt niekada nežinome, kaip ir iš ko atsirado mūsų Visata. Bus dar sunkiau nustatyti, kas įvyko prieš jos egzistavimą. Žmonės linkę bijoti to, ko negali paaiškinti, todėl gali būti, kad iki laikų pabaigos žmonija taip pat tikės dieviška įtaka kuriant mus supantį pasaulį.
Jie sako, kad laikas yra pats paslaptingiausias dalykas. Kad ir kaip žmogus stengtųsi suprasti jos dėsnius ir išmokti juos valdyti, jis visada patenka į bėdą. Žengdami paskutinį žingsnį didžiosios paslapties išsprendimo link ir įvertinę, kad ji praktiškai jau mūsų kišenėje, visada esame įsitikinę, kad ji vis dar tokia pat sunkiai įveikiama. Tačiau žmogus yra smalsus padaras ir atsakymų į amžinus klausimus paieška daugeliui tampa gyvenimo prasme.
Viena iš šių paslapčių buvo pasaulio sukūrimas. „Didžiojo sprogimo teorijos“, kuri logiškai paaiškina gyvybės atsiradimą Žemėje, pasekėjai ėmė domėtis, kas atsitiko prieš Didįjį sprogimą ir ar apskritai buvo kas nors. Tyrimo tema yra derlinga, o rezultatai gali būti įdomūs plačiajai visuomenei.
Viskas pasaulyje turi praeitį – Saulė, Žemė, Visata, bet iš kur atsirado visa ši įvairovė ir kas buvo prieš ją?
Vargu ar įmanoma duoti konkretų atsakymą, tačiau iškelti hipotezes ir ieškoti joms įrodymų visiškai įmanoma. Ieškodami tiesos, tyrėjai gavo ne vieną, o kelis atsakymus į klausimą „kas atsitiko prieš Didįjį sprogimą? Populiariausias iš jų skamba kiek atgrasiai ir gana drąsiai – Nieko. Ar gali būti, kad viskas, kas egzistuoja, atsirado iš nieko? Kad Niekas pagimdė viską, kas egzistuoja?
Tiesą sakant, to negalima pavadinti absoliučia tuštuma ir ar ten vis dar vyksta kažkokie procesai? Ar viskas gimė iš nieko? nieko - visiškas nebuvimas ne tik materija, molekulės ir atomai, bet net laikas ir erdvė. Turtinga dirva mokslinės fantastikos rašytojų veiklai!
Mokslininkų nuomonė apie erą prieš Didįjį sprogimą
Tačiau Nieko negalima liesti, įprasti dėsniai tam netaikomi, o tai reiškia, kad jūs arba spėliojate ir kuriate teorijas, arba bandote sukurti sąlygas, artimas toms, dėl kurių kilo Didysis sprogimas, ir įsitikinkite, kad jūsų prielaidos yra teisingos. Specialiose kamerose, iš kurių buvo pašalintos medžiagos dalelės, temperatūra buvo sumažinta, priartinant ją prie kosmoso sąlygų. Stebėjimo rezultatai suteikė netiesioginį patvirtinimą mokslines teorijas: Mokslininkai ištyrė aplinką, kurioje teoriškai galėtų įvykti Didysis sprogimas, tačiau vadinti šią aplinką „Nieku“ pasirodė ne visai teisinga. Įvykę mini sprogimai gali sukelti didesnį sprogimą, kuris pagimdė Visatą.
Visatų teorijos prieš Didįjį sprogimą
Kitos teorijos šalininkai teigia, kad prieš Didįjį sprogimą egzistavo dvi kitos Visatos, kurios vystėsi pagal savo dėsnius. Kas tiksliai jie buvo, sunku atsakyti, tačiau pagal pateiktą teoriją Didysis sprogimas įvyko dėl jų susidūrimo ir privedė prie visiško ankstesnių Visatų sunaikinimo ir tuo pačiu mūsų gimimo. kuri egzistuoja šiandien.
„Suspaudimo“ teorija sako, kad Visata egzistuoja ir egzistavo tik jos vystymosi sąlygos, kurios lemia gyvybės išnykimą viename regione, o atsiradimą kitame. Gyvybė išnyksta dėl „žlugimo“ ir atsiranda po sprogimo. Kad ir kaip paradoksaliai tai skambėtų. Ši hipotezė turi daug šalininkų.
Yra ir kita prielaida: dėl Didžiojo sprogimo iš nebūties atsirado nauja Visata, kuri tarsi muilo burbulas išsipūtė iki milžiniškų proporcijų. Tuo metu iš jo atsirado „burbuliukai“, kurie vėliau tapo kitomis galaktikomis ir visatomis.
„Natūralios atrankos“ teorija rodo, kad mes kalbame apie „natūralią kosminę atranką“, apie kurią kalbėjo Darvinas, tik plačiau. dideli dydžiai. Mūsų Visata turėjo savo protėvį, o ji, savo ruožtu, taip pat turėjo savo protėvį. Pagal šią teoriją mūsų Visatą sukūrė Juodoji skylė. ir labai domina mokslininkus. Pagal šią teoriją, norint atsirasti naujai Visatai, reikalingi „dauginimosi“ mechanizmai. Juodoji skylė tampa tokiu mechanizmu.
O gal teisūs tie, kurie tiki, kad mūsų Visatai augant ir vystantis plečiantis ir einant link Didžiojo sprogimo, kuris bus naujos Visatos pradžia. Tai reiškia, kad kadaise nežinoma ir, deja, išnykusi Visata tapo mūsų naujosios visatos protėviu. Šios sistemos cikliškumas atrodo logiškas ir ši teorija turi daug šalininkų.
Sunku pasakyti, kiek tos ar kitos hipotezės šalininkai priartėjo prie tiesos. Kiekvienas renkasi tai, kas artimesnė dvasia ir supratimu. Religinis pasaulis pateikia savo atsakymus į visus klausimus ir įkelia pasaulio sukūrimo paveikslą į dievišką rėmą. Ateistai ieško atsakymų, bando įsigilinti į esmę ir savo rankomis paliesti šią esmę. Galima stebėtis, kas lėmė tokį atkaklumą ieškant atsakymo į klausimą, kas vyko prieš Didįjį sprogimą, nes praktinė nauda Gana problematiška iš šių žinių išgauti: žmogus netaps Visatos valdovu, pagal jo žodį ir norą naujos žvaigždės neužsidega ir esamos neužges. Tačiau taip įdomu yra tai, kas nebuvo ištirta! Žmonija stengiasi įminti paslaptis, ir kas žino, galbūt anksčiau ar vėliau jos pateks į žmogaus rankas. Bet kaip jis panaudos šias slaptas žinias?
Iliustracijos: KLAUS BACHMANN, GEO žurnalas
(25
balsų vidurkis: 4,84
iš 5)
12. Kas sukėlė Didįjį sprogimą?
Atsiradimo paradoksas
Nė viena iš mano skaitytų kosmologijos paskaitų nebuvo baigta be klausimo, kas sukėlė Didįjį sprogimą?
Dar prieš keletą metų nežinojau tikrojo atsakymo; šiandien, manau, jis garsus. Iš esmės šį klausimą sudaro du paslėpti klausimai. Pirmiausia norėtume sužinoti, kodėl Visatos vystymasis prasidėjo nuo sprogimo ir kas iš viso sukėlė šį sprogimą. Bet vardan to fizinė problema slepiama kita, gilesnė, filosofinio pobūdžio problema. Jei Didysis sprogimas žymi fizinės Visatos egzistavimo pradžią, įskaitant erdvės ir laiko atsiradimą, tai kokia prasme galime kalbėti apie kas sukėlė
šis sprogimas?
Fizikos požiūriu staigus Visatos atsiradimas dėl milžiniško sprogimo tam tikru mastu atrodo paradoksalus. Iš keturių pasaulį valdančių sąveikų tik gravitacija pasireiškia kosminiu mastu, ir, kaip rodo mūsų patirtis, gravitacija turi traukos pobūdį. Tačiau Visatos gimimą paženklinusiam sprogimui, matyt, prireikė neįtikėtino masto atstumiančios jėgos, kuri galėjo suplėšyti kosmosą ir sukelti jo plėtimąsi, besitęsiančią iki šiol. Tai atrodo keista, nes jei Visatoje dominuoja gravitacinės jėgos, ji turėtų ne plėstis, o trauktis. Iš tiesų dėl gravitacinių traukos jėgų fiziniai objektai susitraukia, o ne sprogsta. Pavyzdžiui, labai tanki žvaigždė praranda gebėjimą atlaikyti savo svorį ir griūva, susiformuodama neutroninė žvaigždė arba juodoji skylė. Medžiagos suspaudimo laipsnis yra labai
Įprastas atsakymas į tai yra toks, kad pirminis sprogimas tiesiog turėtų būti laikomas pradine sąlyga. Šis atsakymas akivaizdžiai nepatenkinamas ir sukelia painiavą. Žinoma, veikiama gravitacijos, kosminio plėtimosi greitis nuo pat pradžių nuolat mažėjo, tačiau jos gimimo momentu Visata plėtėsi be galo greitai.
Sprogimą sukėlė ne jokia jėga – Visatos vystymasis tiesiog prasidėjo nuo plėtimosi. Jei sprogimas būtų buvęs ne toks stiprus, gravitacija labai greitai būtų užkirtusi kelią materijos plitimui. Dėl to plėtimasis užleistų vietą suspaudimui, kuris taptų katastrofiškas ir paverstų Visatą kažkuo panašiu į juodąją skylę. Tačiau iš tikrųjų sprogimas pasirodė gana „didelis“, o tai leido Visatai, įveikusi savo pačios gravitaciją, arba toliau plėstis amžinai dėl pirminio sprogimo jėgos, arba bent jau egzistuoti. daug milijardų metų, kol buvo suspaustas ir išnykęs užmarštyje.Šio tradicinio paveikslo problema yra ta, kad jis niekaip nepaaiškina Didžiojo sprogimo. Pagrindinė Visatos savybė vėlgi tiesiog aiškinama kaip priimta pradinė sąlyga
Atidžiau paanalizavus paaiškėja, kad Visatos atsiradimo paradoksas iš tikrųjų yra dar sudėtingesnis, nei aprašyta aukščiau.
Kruopščiai atlikti matavimai rodo, kad Visatos plėtimosi greitis yra labai artimas kritinei vertei, kuriai esant Visata gali įveikti savo gravitaciją ir plėstis amžinai. Jei šis greitis būtų šiek tiek mažesnis, būtų įvykęs Visatos žlugimas, o jei būtų šiek tiek daugiau, kosminė materija jau seniai būtų visiškai išsklaidyta. Bus įdomu sužinoti, kaip tiksliai Visatos plėtimosi greitis patenka į šį labai siaurą priimtiną intervalą tarp dviejų galimų katastrofų. Jei laiko momentu, atitinkančiu 1 s, kai plėtimosi modelis jau buvo aiškiai apibrėžtas, plėtimosi greitis nuo tikrosios vertės skirtųsi daugiau nei 10^-18, to pakaktų, kad būtų visiškai sutrikdyta subtili pusiausvyra. Taigi Visatos sprogimo jėga beveik neįtikėtinu tikslumu atitinka jos gravitacinę sąveiką. Todėl Didysis sprogimas nėra tik koks nors tolimas sprogimas – tai buvo labai specifinės jėgos sprogimas. Tradicinėje Didžiojo sprogimo teorijos versijoje tenka susitaikyti ne tik su pačiu sprogimo faktu, bet ir su tuo, kad sprogimas įvyko itin įnoringai. Kitaip tariant, pradinės sąlygos pasirodo itin specifinės. Visatos plėtimosi greitis yra tik viena iš kelių akivaizdžių kosminių paslapčių. Kitas yra susijęs su Visatos plėtimosi erdvėje paveikslu. Pagalšiuolaikiniai stebėjimai . Visata viduje dideliu mastu
Plataus masto Visatos homogeniškumas išlaikomas Visatai plečiantis. Iš to išplaukia, kad plėtimasis vyksta tolygiai ir izotropiškai su labai dideliu tikslumu. Tai reiškia, kad Visatos plėtimosi greitis yra ne tik vienodas visomis kryptimis, bet ir pastovus skirtinguose regionuose. Jei Visata viena kryptimi plėstųsi greičiau nei kitomis, tai sumažėtų foninės šiluminės spinduliuotės temperatūra ta kryptimi ir pasikeistų iš Žemės matomas galaktikos judėjimo modelis. Taigi Visatos evoliucija prasidėjo ne tik griežtai apibrėžtos jėgos sprogimu – sprogimas buvo aiškiai „suorganizuotas“, t.y. įvyko vienu metu, su lygiai ta pačia jėga visuose taškuose ir visomis kryptimis.
Labai mažai tikėtina, kad toks vienalaikis ir koordinuotas išsiveržimas galėtų įvykti grynai spontaniškai, ir šią abejonę tradicinėje Didžiojo sprogimo teorijoje sustiprina tai, kad įvairūs pirmykščio kosmoso regionai nėra tarpusavyje susiję. Faktas yra tas, kad, remiantis reliatyvumo teorija, ne fizinis poveikis negali keliauti greičiau už šviesą. Vadinasi, skirtingos erdvės sritys gali tapti priežastiniu ryšiu viena su kita tik praėjus tam tikram laikui. Pavyzdžiui, praėjus 1 s po sprogimo, šviesa gali nukeliauti ne didesnį nei vienos šviesos sekundės atstumą, o tai atitinka 300 tūkst. Dideliu atstumu atskirti Visatos regionai po 1 s vis tiek neturės įtakos vienas kitam. Tačiau šiuo momentu mūsų stebėtas Visatos regionas jau užėmė mažiausiai 10^14 km skersmens erdvę. Vadinasi, Visata susideda iš maždaug 10^27 viena su kita priežastiniu ryšiu nesusijusių regionų, kurių kiekvienas vis dėlto plėtėsi lygiai tokiu pačiu greičiu. Net ir šiandien stebint šiluminę kosminę spinduliuotę, sklindančią iš priešingos pusės
žvaigždėtas dangus, registruojame lygiai tokius pačius Visatos regionų „pirštų atspaudus“, kuriuos skiria didžiuliai atstumai: pasirodo, šie atstumai yra daugiau nei 90 kartų didesni už atstumą, kurį šviesa galėtų nukeliauti nuo šiluminės spinduliuotės momento. Kaip paaiškinti tokią nepaprastą skirtingų erdvės sričių, kurios, be abejo, niekada nebuvo tarpusavyje susijusios, darną? Kaip toks dalykas atsirado?? Tradicinis atsakymas vėl susijęs su ypatingomis pradinėmis sąlygomis. Išskirtinis pirminio sprogimo savybių homogeniškumas laikomas tiesiog faktu: taip atsirado Visata.
Didelio masto Visatos homogeniškumas atrodo dar paslaptingesnis, jei atsižvelgsime į tai, kad mažais masteliais Visata jokiu būdu nėra vienalytė. Atskirų galaktikų ir galaktikų grupių egzistavimas rodo nukrypimą nuo griežto homogeniškumo, ir šis nukrypimas visur yra vienodas pagal mastelį ir dydį. Kadangi gravitacija linkusi padidinti bet kokį pradinį materijos susikaupimą, galaktikoms susidaryti reikalingas heterogeniškumo laipsnis Didžiojo sprogimo metu buvo daug mažesnis nei dabar. Tačiau į pradinė fazė Didžiojo sprogimo metu vis tiek turėjo būti nedidelių nelygumų, kitaip galaktikos niekada nesusiformuotų. Senojoje Didžiojo sprogimo teorijoje šie ankstyvosios stadijos pažeidimai taip pat buvo priskirti „pradinėms sąlygoms“. Taigi turėjome tikėti, kad Visatos vystymasis prasidėjo ne nuo visiškai idealios, o nuo itin neįprastos būsenos.
Viską, kas buvo pasakyta, galima apibendrinti taip: jei vienintelė jėga Visatoje yra gravitacinė trauka, tai Didįjį sprogimą reikėtų interpretuoti kaip „atsiųstas iš Dievo“, t.y. be priežasties, esant tam tikroms pradinėms sąlygoms. Jis taip pat pasižymi nepaprastu nuoseklumu; Norint pasiekti dabartinę struktūrą, Visata nuo pat pradžių turėjo tinkamai vystytis. Tai yra Visatos atsiradimo paradoksas.
Ieškokite antigravitacijos
Visatos atsiradimo paradoksas buvo išspręstas tik m pastaraisiais metais; tačiau pagrindinę sprendimo idėją galima atsekti tolimoje istorijoje, tuo metu, kai nebuvo nei Visatos plėtimosi, nei Didžiojo sprogimo teorijos. Niutonas taip pat suprato, kaip sudėtinga problema atspindi Visatos stabilumą. Kaip žvaigždės išlaiko savo padėtį erdvėje be paramos? Universalus charakteris gravitacinė trauka
Norėdamas išvengti šio absurdo, Niutonas griebėsi labai kurioziško samprotavimo. Jei Visata subyrėtų veikiama jos pačios gravitacijos, kiekviena žvaigždė „kristų“ link žvaigždžių spiečiaus centro. Tačiau tarkime, kad Visata yra begalinė, o žvaigždės yra pasiskirstę vidutiniškai tolygiai begalinėje erdvėje. Šiuo atveju nebūtų bendras centras , ta kryptimi, į kurią galėtų kristi visos žvaigždės, – juk į begalinė visata visos sritys yra vienodos. Bet kuri žvaigždė patirtų visų savo kaimynų gravitacinės traukos įtaką, tačiau dėl šių įtakų vidurkio įvairiomis kryptimis nebūtų jokios grynosios jėgos, linkusios judėti.ši žvaigždė
į tam tikrą padėtį, palyginti su visu žvaigždžių rinkiniu. Kai Einšteinas sukūrė naują gravitacijos teoriją praėjus 200 metų po Niutono, jį taip pat suglumino problema, kaip visata išvengė žlugimo. Pirmasis jo darbas apie kosmologiją buvo paskelbtas prieš Hablas atradus Visatos plėtimąsi; todėl Einšteinas, kaip ir Niutonas, manė, kad Visata yra statiška. Tačiau Einšteinas Visatos stabilumo problemą bandė išspręsti kur kas tiesesniu būdu. Jis tikėjo, kad norint užkirsti kelią Visatos žlugimui veikiant jos pačios gravitacijai, turi egzistuoti kita kosminė jėga, kuri galėtų atsispirti gravitacijai. Ši jėga turi būti atstumianti jėga, o ne patraukli, kad kompensuotų gravitacinę trauką.
Nepaisant to, kad gravitacijos jėgai prieštaraujančios atstumiančios jėgos idėja pati savaime yra gana paprasta ir natūrali, iš tikrųjų tokios jėgos savybės pasirodo visiškai neįprastos. Žinoma, tokios jėgos Žemėje nepastebėta ir per kelis šimtmečius planetų astronomiją neaptikta nė užuominos apie ją. Akivaizdu, kad jei egzistuoja kosminio atstūmimo jėga, ji neturėtų turėti jokio pastebimo poveikio nedideliais atstumais, tačiau jos dydis žymiai padidėja astronominiu mastu. Toks elgesys prieštarauja visai ankstesnei patirčiai tiriant jėgų prigimtį: jos dažniausiai būna intensyvios važiuojant nedideliais atstumais ir susilpnėja didėjant atstumui. Taigi elektromagnetinės ir gravitacinės sąveikos nuolat mažėja pagal atvirkštinį kvadrato dėsnį.
Tačiau Einšteino teorijoje natūraliai atsirado jėga, turinti tokias gana neįprastas savybes. Nereikėtų galvoti apie Einšteino įvestą kosminio atstūmimo jėgą kaip penktąją sąveiką gamtoje. Tai tik keista pačios gravitacijos apraiška. Nesunku parodyti, kad kosminio atstūmimo padarinius galima priskirti įprastai gravitacijai, jei gravitacinio lauko šaltiniu pasirenkama neįprastų savybių terpė. Reguliarus materialinė aplinka (pvz., dujos) daro slėgį, o čia aptarta hipotetinė terpė turėtų turėti neigiamas spaudimas ar įtampa. Norėdami aiškiau įsivaizduoti, apie ką mes kalbame, įsivaizduokime, kad mums pavyko užpildyti indą tokia kosmine medžiaga. Tada, skirtingai nuo įprastų dujų, hipotetinis
erdvės aplinka nedarys spaudimo indo sienelių, bet linkęs jas traukti į indo vidų. Taigi, kosminį atstūmimą galime laikyti tam tikru gravitacijos papildymu arba reiškiniu dėl įprastos gravitacijos, būdingos nematomai dujinei terpei, kuri užpildo visą erdvę ir turi neigiamą slėgį. Nėra prieštaravimų dėl to, kad, viena vertus, neigiamas slėgis tarsi įsiurbia indo sienelę, kita vertus, ši hipotetinė aplinka galaktikas atstumia, o ne traukia. Juk atstūmimą sukelia aplinkos gravitacija, o ne koks nors mechaninis veiksmas. laivo sieneles, o stebėtojas šioje aplinkoje jos visiškai nesuvoktų kaip apčiuopiamos medžiagos. Erdvė atrodytų ir jaustųsi visiškai tuščia.
Nepaisant tokių nuostabių hipotetinės aplinkos ypatybių, Einšteinas vienu metu pareiškė sukūręs patenkinamą Visatos modelį, kuriame išlaikoma pusiausvyra tarp gravitacinės traukos ir jo atrasto kosminio atstūmimo. Naudodamas paprastus skaičiavimus, Einšteinas įvertino kosminės atstūmimo jėgos, reikalingos gravitacijai Visatoje subalansuoti, dydį.
Jis sugebėjo patvirtinti, kad atstūmimas turi būti toks mažas Saulės sistemoje (ir net Galaktikos mastu), kad jo negalima aptikti eksperimentiškai. Kurį laiką atrodė, kad sena paslaptis buvo puikiai išspręsta.
Tačiau vėliau situacija pasikeitė į blogąją pusę. Visų pirma, iškilo pusiausvyros stabilumo problema. Pagrindinė Einšteino idėja buvo pagrįsta griežta patrauklių ir atstumiančių jėgų pusiausvyra. Tačiau, kaip ir daugeliu griežtos pusiausvyros atvejų, atsirado ir subtilių detalių. Jei, pavyzdžiui, statinė Einšteino visata šiek tiek išsiplėstų, tai gravitacinis traukimas (silpnėjantis atstumui) šiek tiek sumažėtų, o kosminio atstūmimo jėga (didėjant atstumui) šiek tiek padidėtų. Jei Einšteino nebūtų blaškęs kosminės atstūmimo jėgos ieškojimas, jis tikrai būtų priėjęs prie tokios išvados teoriškai, taip numatydamas Visatos plėtimąsi geru dešimčia metų anksčiau, nei astronomams pavyko ją atrasti.
Toks spėjimas neabejotinai įeitų į mokslo istoriją kaip vienas iškiliausių (tokį spėjimą Einšteino lygties pagrindu 1922–1923 m. padarė Petrogrado universiteto profesorius A. A. Friedmanas). Galiausiai Einšteinas turėjo piktai atsisakyti kosminio atstūmimo, kurį vėliau laikė „didžiausia savo gyvenimo klaida“. Tačiau tai dar ne istorijos pabaiga.
Einšteinas išrado kosminį atstūmimą, kad išspręstų neegzistuojančią statinės visatos problemą. Tačiau, kaip visada nutinka, džiną ištraukus iš butelio, jo neįmanoma įdėti atgal. Idėja, kad Visatos dinamiką gali lemti traukos ir atstūmimo jėgų konfrontacija, gyvavo ir toliau. Ir nors astronominiai stebėjimai nepateikė jokių kosminės atstūmimo egzistavimo įrodymų, jie negalėjo įrodyti jo nebuvimo – jis gali būti tiesiog per silpnas, kad pasireikštų.
Nors Einšteino gravitacinio lauko lygtys leidžia egzistuoti atstumiančią jėgą, jos neriboja jos dydžio. Karčios patirties mokomas Einšteinas turėjo teisę teigti, kad šios jėgos dydis yra griežtai lygus nuliui, taip visiškai pašalindamas atstūmimą. Tačiau tai jokiu būdu nebuvo būtina. Kai kurie mokslininkai manė, kad lygtyse būtina išlaikyti atstūmimą, nors tai buvo nebereikalinga pradinės problemos požiūriu.Šie mokslininkai manė, kad nesant tinkamų įrodymų, nėra pagrindo manyti, kad atstūmimo jėga yra lygi nuliui. Atsekti atstumiančios jėgos išlaikymo pasekmes besiplečiančios Visatos scenarijuje nebuvo sunku. Įjungta susilpnėja. Vietoj to, galaktikoms toliau tolstant vienai nuo kitos, kosminis atstūmimas didėja. Galiausiai atstūmimas įveiks gravitacinę trauką ir Visatos plėtimosi greitis vėl pradės didėti.
Iš to galime daryti išvadą, kad Visatoje dominuoja kosminis atstūmimas, o plėtimasis tęsis amžinai.
Astronomai įrodė, kad toks neįprastas Visatos elgesys, kai plėtimasis iš pradžių sulėtėja, o paskui vėl pagreitėja, turėtų atsispindėti stebimame galaktikų judėjime. Tačiau kruopščiausi astronominiai stebėjimai neatskleidė jokių įtikinamų tokio elgesio įrodymų, nors retkarčiais pasigirsta priešingų teiginių.
Įdomu tai, kad besiplečiančios Visatos idėją iškėlė olandų astronomas Wilemas de Sitteris dar 1916 m. – daug metų anksčiau, nei Hablas eksperimentiškai atrado šį reiškinį. De Sitteris teigė, kad jei įprasta medžiaga bus pašalinta iš Visatos, gravitacinė trauka išnyks, o erdvėje viešpataus atstumiančios jėgos. Tai sukeltų Visatos plėtimąsi – tuo metu tai buvo novatoriška idėja.
Kadangi stebėtojas nepajėgia suvokti keistos nematomos dujinės terpės su neigiamu slėgiu, jam tiesiog pasirodys, kad tuščia erdvė plečiasi. Išsiplėtimą buvo galima aptikti pakabinus bandomuosius kūnus skirtingose vietose ir stebint jų atstumą vienas nuo kito. Idėja išplėsti tuščią erdvę tuo metu buvo laikoma kuriozu, nors, kaip matysime, ji pasirodė pranašiška.
Taigi, kokią išvadą galima padaryti iš šios istorijos? Tai, kad astronomai neaptinka kosminio atstūmimo, dar negali būti logiškas jo nebuvimo gamtoje įrodymas.
Ankstesniuose skyriuose sakėme, kad jei egzistuoja kosminio atstūmimo jėga, ji turi būti labai silpna, tokia silpna, kad neturėtų jokios reikšmingos įtakos Didžiajam sprogimui. Tačiau ši išvada pagrįsta prielaida, kad atstūmimo mastas laikui bėgant nekinta. Einšteino laikais šiai nuomonei pritarė visi mokslininkai, nes kosminis atstūmimas buvo įtrauktas į teoriją „žmogaus sukurtas“. Niekam niekada neatėjo į galvą, kad gali kosminis atstūmimas būti pakviestam kiti fiziniai procesai, atsirandantys Visatai plečiantis. Jei tokia galimybė būtų buvusi, tai kosmologija galėjo pasirodyti kitokia. Visų pirma, neatmetamas Visatos evoliucijos scenarijus, kuriame daroma prielaida, kad ekstremaliomis ankstyvųjų evoliucijos stadijų sąlygomis kosminis atstūmimas akimirką vyravo prieš gravitaciją, dėl kurio Visata sprogo, o po to jos vaidmuo praktiškai buvo sumažintas iki nulio.
Toks bendras vaizdas susidaro iš naujausi darbai ištirti materijos ir jėgų elgseną labai ankstyvose Visatos vystymosi stadijose.
Tapo aišku, kad milžiniškas kosminis atstūmimas buvo neišvengiamas Supergalios veiksmų rezultatas. Taigi, „antigravitacija“, kurią Einšteinas išsiuntė pro duris, sugrįžo pro langą!
Raktas norint suprasti naują kosminio atstūmimo atradimą kyla iš kvantinio vakuumo prigimties. Matėme, kaip tokį atstūmimą gali sukelti neįprasta nematoma terpė, nesiskirianti nuo tuščios erdvės, tačiau turinti neigiamą slėgį. Šiandien fizikai mano, kad kvantinis vakuumas turi būtent šias savybes. 7 skyriuje buvo pažymėta, kad vakuumas turėtų būti laikomas savotišku kvantinės veiklos „fermentu“, kupinu virtualių dalelių ir prisotintu sudėtingų sąveikų. Labai svarbu tai suprasti viduje
kvantinis aprašymas vakuumas vaidina lemiamą vaidmenį. vakuumas – jei galėtume juos stebėti – atrodytų lygiai taip pat, nors turi visiškai skirtingas savybes.
Visų pirma, vakuume esanti energija didžiuliais kiekiais teka iš vienos būsenos į kitą. Teorijose Puikus susivienijimas Pavyzdžiui, skirtumas tarp mažiausios ir didžiausios vakuumo energijos yra neįsivaizduojamai didelis. Norėdami susidaryti supratimą apie milžinišką šių kiekių mastą, įvertinkime Saulės išskiriamą energiją per visą jos egzistavimo laikotarpį (apie 5 milijardus metų).
Įsivaizduokime, kad visas šis milžiniškas Saulės skleidžiamas energijos kiekis yra mažesnio nei Saulės sistemos erdvės regione. Šiuo atveju pasiekti energijos tankiai yra artimi energijos tankiams, atitinkantiems vakuumo būseną TVO. Kartu su didžiuliais energijos skirtumais įvairios vakuumo būsenos atitinka vienodai milžiniškus slėgio skirtumus. Bet čia slypi „gudrybė“: visas šis spaudimas - neigiamas. Kvantinis vakuumas elgiasi lygiai taip pat, kaip anksčiau minėta hipotetinė terpė, kuri sukuria kosminį atstūmimą, tik šį kartą
skaitinės reikšmės
slėgis yra toks didelis, kad atstūmimas yra 10^120 kartų didesnis už jėgą, kurios Einšteinui reikėjo išlaikyti pusiausvyrą statinėje Visatoje. Dabar yra atviras kelias paaiškinti Didįjį sprogimą. Tarkime, kad pradžioje Visata buvo sužadintoje vakuumo būsenoje, kuri vadinama „klaidingu“ vakuumu. Šioje būsenoje Visatoje įvyko tokio masto kosminis atstūmimas, kad tai sukeltų nekontroliuojamą ir greitą Visatos plėtimąsi. Iš esmės šioje fazėje Visata atitiktų de Sitter modelį, aptartą ankstesniame skyriuje. Tačiau skirtumas yra tas, kad de Sitteriui Visata tyliai plečiasi astronominėmis laiko skalėmis, o „de Sitter“ fazė Visatos evoliucijoje iš „klaidingo“ kvantinio vakuumo iš tikrųjų toli gražu nėra rami. Visatos užimamos erdvės tūris šiuo atveju turėtų padvigubėti kas 10^-34 s (arba tos pačios eilės laiko intervalą). Toks Visatos superišsiplėtimas turi daugybę(su eksponento sąvoka jau susidūrėme 4 skyriuje). Tai reiškia, kad kas 10^-34 s visi Visatos regionai padvigubina savo dydį, o tada šis padvigubėjimo procesas tęsiasi geometrine progresija. Tokio tipo plėtra, pirmą kartą svarstyta 1980 m. Alanas Guthas iš MIT (Masačusetsas Technologijos institutas
, JAV), pavadino „infliacija“. Dėl itin spartaus ir nuolat vis spartėjančio plėtimosi labai greitai paaiškėtų, kad visos Visatos dalys tarsi sprogimo metu praskris. Ir tai yra Didysis sprogimas!
Tačiau vienaip ar kitaip infliacijos fazė turi baigtis.
Kaip ir visose sužadintose kvantinėse sistemose, „klaidingas“ vakuumas yra nestabilus ir linkęs irti. Kai atsiranda irimas, atstūmimas išnyksta. Tai savo ruožtu veda prie infliacijos nutraukimo ir Visatos perėjimo prie įprastos gravitacinės traukos galios. Žinoma, tokiu atveju Visata ir toliau plėstųsi dėl pradinio impulso, įgyto infliacijos laikotarpiu, tačiau plėtimosi tempas nuolat mažėtų. Taigi, vienintelis pėdsakas, išlikęs iki šių dienų nuo kosminio atstūmimo, yra laipsniškas Visatos plėtimosi lėtėjimas.
Taigi sudėtinga problema yra ta, kas sukėlė Didįjį sprogimą?
- pavyko išspręsti taikant infliacijos teoriją; tuščia erdvė spontaniškai sprogo veikiama atstūmimo, būdingo kvantiniam vakuumui. Tačiau paslaptis vis dar išlieka. Kolosali pirminio sprogimo energija, kuri pateko į Visatoje egzistuojančios materijos ir spinduliuotės susidarymą, turėjo atsirasti iš kažkur!
Negalime paaiškinti Visatos egzistavimo, kol nerasime pirminės energijos šaltinio. Space bootstrap anglų kalba
bootstrap
tiesiogine prasme reiškia „suvarstymą“, perkeltine – savarankiškumą, hierarchijos nebuvimą elementariųjų dalelių sistemoje.
Visata gimė milžiniško energijos išlaisvinimo procese. Mes vis dar aptinkame jo pėdsakus - tai foninė šiluminė spinduliuotė ir kosminė medžiaga (ypač atomai, sudarantys žvaigždes ir planetas), kaupiantys tam tikrą energiją „masės“ pavidalu.Šios energijos pėdsakai taip pat atsiranda besitraukiant galaktikų ir smarkaus astronominių objektų veikloje. Pirminė energija "pradėjo" besiformuojančios Visatos pavasarį ir tebegalioja ją iki šiol.
Pateikti pavyzdžių, kuriais būtų galima patikrinti šio įstatymo poveikį, nesunku. Tarkime, kad turime variklį ir kuro tiekimą, o variklis naudojamas kaip elektros generatoriaus pavara, kuri savo ruožtu tiekia elektrą šildytuvui.
Degant kurui, jame sukaupta cheminė energija paverčiama mechanine energija, vėliau – elektros energija, galiausiai – šilumine energija. Tačiau iš tikrųjų sprogimas pasirodė gana „didelis“, o tai leido Visatai, įveikusi savo pačios gravitaciją, arba toliau plėstis amžinai dėl pirminio sprogimo jėgos, arba bent jau egzistuoti. daug milijardų metų, kol buvo suspaustas ir išnykęs užmarštyje. Arba tarkime, kad variklis naudojamas kroviniui pakelti į bokšto viršų, po kurio krovinys laisvai krenta; atsitrenkus į žemę susidaro lygiai tiek pat šiluminės energijos, kaip ir pavyzdyje su šildytuvu. Faktas yra tas, kad nepaisant to, kaip energija perduodama ar kaip keičiasi jos forma, jos akivaizdžiai negalima sukurti ar sunaikinti. Inžinieriai šį dėsnį naudoja kasdienėje praktikoje.
Jei energijos negalima nei sukurti, nei sunaikinti, tai kaip atsiranda pirminė energija? Ar jis nėra tiesiog suleidžiamas pirmą akimirką (manoma, kad yra tam tikra nauja pradinė sąlyga )? Jei taip, kodėl Visatoje yra šis, o ne koks nors kitas energijos kiekis? Stebimoje Visatoje yra apie 10^68 J (džaulių) energijos – kodėl gi ne, tarkime, 10^99 arba 10^10000 ar bet koks kitas skaičius? Infliacijos teorija siūlo vieną galimą mokslinį šios paslapties paaiškinimą. Pagal šią teoriją. Visatoje iš pradžių buvo beveik nulis energijos, o per pirmąsias 10^32 sekundes ji sugebėjo atgaivinti visą milžinišką energijos kiekį. Raktas norint suprasti šį stebuklą yra tame nuostabus faktas kad energijos tvermės dėsnis įprasta prasme
netaikoma į besiplečiančią Visatą. Iš esmės mes jau susidūrėme su panašiu faktu. Kosmologinis plėtimasis lemia Visatos temperatūros sumažėjimą: atitinkamai šiluminės spinduliuotės energija, tokia didelė pirminėje fazėje, išeikvojama ir temperatūra nukrenta iki verčių, artimų absoliučiam nuliui. Kur visa tai dingo?šiluminė energija ? Tam tikra prasme visata jį išnaudojo plėstis ir suteikė spaudimą papildyti Didžiojo sprogimo jėgą. Kai įprastas skystis plečiasi, jo išorinis slėgis veikia naudojant skysčio energiją. Kai įprastos dujos plečiasi, tai (pvz., dujos) daro slėgį, o čia aptarta hipotetinė terpė turėtų turėti spaudimas. Tokiai terpei plečiantis, jos energija ne mažėja, o didėja. Būtent taip atsitiko infliacijos laikotarpiu, kai dėl kosminio atstūmimo Visata sparčiai plėtėsi. Visą šį laikotarpį bendra vakuumo energija toliau didėjo, kol infliacijos laikotarpio pabaigoje pasiekė milžinišką vertę.
Pasibaigus infliacijos laikotarpiui, visa sukaupta energija buvo išleista vienu milžinišku sprogimu, sukuriant šilumą ir medžiagą visu Didžiojo sprogimo mastu. Nuo šio momento prasidėjo įprastas išsiplėtimas su teigiamu slėgiu, todėl energija vėl pradėjo mažėti.
Pirminės energijos atsiradimas paženklintas kažkokia magija. Vakuumas su paslaptingu neigiamu slėgiu, matyt, yra apdovanotas visiškai neįtikėtinomis galimybėmis. Viena vertus, jis sukuria milžinišką atstumiamąją jėgą, užtikrinančią vis spartėjantį jos plėtimąsi, kita vertus, pats plėtimasis verčia padidinti vakuumo energiją. Vakuumas iš esmės maitina save energija didžiuliais kiekiais. Jame yra vidinis nestabilumas, užtikrinantis nuolatinę plėtrą ir neribotą energijos gamybą. Ir tik klaidingo vakuumo kvantinis skilimas apriboja šią „kosminę ekstravaganciją“. Vakuumas gamtoje tarnauja kaip stebuklingas, bedugnis energijos ąsotis.
Tie, kurie viduje negali susitaikyti su visa „kažko“ atsiradimo iš „nieko“ samprata, turi galimybę kitaip pažvelgti į energijos atsiradimą Visatos plėtimosi metu. Kadangi įprasta gravitacija yra patraukli, norint atitolinti medžiagos dalis viena nuo kitos, reikia nugalėti tarp šių dalių veikiančią gravitaciją. Tai reiškia, kad kūnų sistemos gravitacinė energija yra neigiama; Kai į sistemą pridedami nauji kūnai, energija išsiskiria, todėl gravitacinė energija tampa „dar neigiama“. Jei šį samprotavimą pritaikysime Visatai infliacijos stadijoje, tai šilumos ir materijos atsiradimas „kompensuoja“ susidariusių masių neigiamą gravitacinę energiją. Šiuo atveju visa Visatos energija lygi nuliui ir visiškai neatsiranda naujos energijos!
Toks požiūris į „pasaulio kūrimo“ procesą, be abejo, yra patrauklus, tačiau į jį vis tiek nereikėtų žiūrėti per daug rimtai, nes apskritai energijos sampratos statusas gravitacijos atžvilgiu yra abejotinas.
Viskas, kas čia pasakyta apie vakuumą, labai primena fizikų pamėgtą istoriją apie berniuką, kuris, įkritęs į pelkę, išsitraukė už savo paties batų raištelių. Savarankiškai besikurianti Visata primena šį berniuką – ji taip pat prisitraukia už savo „raištelių“ (šis procesas vadinamas „bootstrap“). Iš tiesų, dėl savo fizinės prigimties Visata pati savaime sužadina visą energiją, reikalingą materijai „sukurti“ ir „atgaivinti“, taip pat inicijuoja ją generuojantį sprogimą. Tai yra kosminė įkrovos juosta; Esame skolingi už savo egzistavimą jo nuostabiai galiai.
Infliacijos teorijos pažanga
Guthui išsakius pagrindinę idėją, kad Visata išgyveno ankstyvą itin spartaus plėtimosi laikotarpį, tapo aišku, kad toks scenarijus gali gražiai paaiškinti daugelį Didžiojo sprogimo kosmologijos bruožų, kurie anksčiau buvo laikomi savaime suprantamais dalykais. Viename iš ankstesnių skyrių mes susidūrėme su paradoksais aukštas laipsnis pirminio sprogimo organizavimas ir koordinavimas. Vienas iš nuostabių pavyzdžių Taip yra dėl sprogimo jėgos, kuri pasirodė tiksliai „pritaikyta“ erdvės gravitacijos dydžiui, dėl kurios Visatos plėtimosi greitis mūsų laikais yra labai artimas skiriančiajai ribinei vertei. suspaudimas (žlugimas) ir greitas išsiplėtimas. Infliacijos scenarijus yra būtent toks, ar jis apima tokio tiksliai apibrėžto masto Didįjį sprogimą. Pasirodo, kad dėl eksponentinės plėtros infliacijos fazėje (kuri yra pati didžiausia būdinga savybė) sprogimo jėga automatiškai griežtai užtikrina Visatos gebėjimą įveikti savo gravitaciją. Infliacija gali lemti būtent tokį plėtimosi tempą, koks iš tikrųjų yra stebimas.
Kitas" didžioji paslaptis"yra susijęs su Visatos homogeniškumu dideliais mastais. Taip pat iš karto išsprendžiama remiantis infliacijos teorija. Bet koks pradinis nehomogeniškumas Visatos struktūroje turėtų būti visiškai panaikintas, nepaprastai padidėjus jos dydžiui, kaip ir raukšlės ant ištuštėjusios karšto oro balionas išlyginti pripūtus. Ir dėl erdvinių regionų dydžio padidėjimo maždaug 10^50 kartų, bet koks pradinis trikdymas tampa nereikšmingas.
Tačiau būtų neteisinga apie tai kalbėti pilnas homogeniškumas. Kad būtų galima pasirodytišiuolaikinės galaktikos
ir galaktikų spiečius, ankstyvosios Visatos struktūra turėjo turėti tam tikrų „glumybių“. Iš pradžių astronomai tikėjosi, kad galaktikų egzistavimą galima paaiškinti po Didžiojo sprogimo gravitacinės traukos įtakoje susikaupusia materija. Dujų debesis turėtų būti suspaustas veikiamas savo gravitacijos, o tada suskaidyti į mažesnius fragmentus, o šie, savo ruožtu, į dar mažesnius ir pan. Galbūt dėl Didžiojo sprogimo susidariusių dujų pasiskirstymas buvo visiškai vienodas, tačiau dėl visiškai atsitiktinių procesų čia ir ten susidarė kondensatas ir retėjimas. Gravitacija dar labiau sustiprino šiuos svyravimus, o tai paskatino kondensacijos plotų augimą ir papildomos medžiagos sugėrimą. Tada šios sritys buvo suspaustos ir paeiliui suirusios, o mažiausios kondensacijos virto žvaigždėmis. Galiausiai atsirado struktūrų hierarchija: žvaigždės buvo sujungtos į grupes, šios į galaktikas, o vėliau į galaktikų spiečius., kurį lydėjo dujų dispersija. Pradinėje Didžiojo sprogimo teorijos versijoje buvo manoma, kad galaktikų „sėklos“ iš pradžių egzistavo Visatos struktūroje jos atsiradimo vietoje.
Be to, šie pradiniai nehomogeniškumas turėjo turėti labai specifinius dydžius: ne per mažus, kitaip niekada nesusiformuotų, bet ir ne per didelius, kitaip didelio tankio plotai tiesiog subyrėtų, virstų didžiulėmis juodosiomis skylėmis. Tuo pačiu metu visiškai neaišku, kodėl galaktikos turi būtent tokius dydžius arba kodėl būtent toks galaktikų skaičius yra įtrauktas į spiečius. Infliacijos scenarijus pateikia nuoseklesnį galaktikos struktūros paaiškinimą. Pagrindinė idėja yra gana paprasta. Infliacija atsiranda dėl to, kad kvantinė Visatos būsena yra nestabili klaidingo vakuumo būsena. Ilgainiui ši vakuuminė būsena suyra ir jos energijos perteklius paverčiamas šiluma ir medžiaga.Šiuo metu kosminis atstūmimas išnyksta – ir infliacija sustoja. Tačiau klaidingo vakuumo nykimas nevyksta griežtai vienu metu visoje erdvėje. Kaip ir bet kuriuose kvantiniuose procesuose, klaidingo vakuumo skilimo greitis svyruoja. Kai kuriose Visatos srityse irimas vyksta šiek tiek greičiau nei kitose. Šiose srityse infliacija baigsis anksčiau. Dėl to nehomogeniškumas išlaikomas galutinėje būsenoje. Gali būti, kad šie skirtumai gali būti „branduoliai“ (centrai) gravitacinis suspaudimas
ir galiausiai paskatino galaktikų ir jų spiečių susidarymą. Atlikta tikro vakuumo burbuliukai, kurie, besiplečiantys šviesos greičiu, užfiksuotų vis didesnius erdvės plotus.
Kad klaidingas vakuumas egzistuotų pakankamai ilgai, kad infliacija galėtų atlikti savo „stebuklingą“ darbą, šias dvi būsenas turi atskirti energijos barjeras, per kurį turi vykti sistemos „kvantinis tunelis“, panašiai kaip ir su elektronais (žr. skyrius.) . Tačiau šis modelis turi vieną rimtą trūkumą: visa energija, išsiskirianti iš netikro vakuumo, yra sutelkta burbulų sienelėse ir nėra mechanizmo jos perskirstymui visame burbule. Kai burbuliukai susidūrė ir susiliejo, energija galiausiai kaupsis atsitiktinai susimaišiusiuose sluoksniuose. Dėl to Visatoje būtų labai stiprūs nehomogeniškumas, o visas infliacijos darbas siekiant sukurti didelio masto homogeniškumą žlugtų. Toliau tobulėjant infliacijos scenarijui, šie sunkumai buvo įveikti. IN nauja teorija
tarp dviejų vakuuminių būsenų nėra tuneliavimo; vietoj to parametrai parenkami taip, kad klaidingo vakuumo nykimas vyktų labai lėtai ir taip Visatai suteiktų pakankamai laiko išsipūsti. Kai skilimas baigiasi, netikro vakuumo energija išsiskiria visame „burbulo“ tūryje, kuris greitai įkaista iki 10^27 K. Daroma prielaida, kad viename tokiame burbule yra visa stebima Visata. Taigi itin dideliais masteliais Visata gali būti itin netaisyklinga, tačiau mūsų stebėjimui prieinama sritis (ir net daug didesnės Visatos dalys) yra visiškai vienalytėje zonoje.
Nors infliacijos scenarijus buvo sukurtas tik iš dalies ir yra tikėtinas, nieko daugiau, jis leido suformuluoti daugybę idėjų, kurios žada negrįžtamai pakeisti kosmologijos veidą. Dabar galime ne tik paaiškinti Didžiojo sprogimo priežastį, bet ir pradedame suprasti, kodėl jis buvo toks „didelis“ ir kodėl įgavo tokį pobūdį. Dabar galime pradėti nagrinėti klausimą, kaip atsirado plataus masto Visatos homogeniškumas, o kartu ir pastebėtas mažesnio masto (pavyzdžiui, galaktikų) nehomogeniškumas. Pirminis sprogimas, kurio metu kilo tai, ką vadiname Visata, nuo šiol nustojo būti paslaptimi, glūdinčia už fizinio mokslo ribų.
Visata, kurianti save
Ir vis dėlto, nepaisant didžiulės sėkmės infliacijos teorija aiškinantis visatos kilmę, paslaptis išlieka. Kaip Visata iš pradžių atsidūrė netikro vakuumo būsenoje?
Kas atsitiko prieš infliaciją?
Nuoseklus, visiškai patenkinamas mokslinis Visatos atsiradimo aprašymas turi paaiškinti, kaip atsirado pati erdvė (tiksliau, erdvė-laikas), kuri vėliau patyrė infliaciją. Kai kurie mokslininkai yra pasirengę pripažinti, kad erdvė visada egzistuoja, kiti mano, kad ši problema paprastai peržengia mokslinio požiūrio ribas. Ir tik nedaugelis tvirtina daugiau ir yra įsitikinę, kad yra visiškai teisėta kelti klausimą, kaip erdvė apskritai (ir ypač klaidingas vakuumas) gali atsirasti tiesiogine prasme iš „nieko“ dėl fizinių procesų, kurie iš esmės galima studijuoti. Kaip minėta, mes tik neseniai metėme iššūkį nuolatiniam įsitikinimui, kad „niekas neatsiranda iš nieko“. Kosminis bootstrap yra artimas teologinei pasaulio sukūrimo iš nieko sampratai
Tačiau kalbant apie ne tokius konkrečius dalykus, viskas nėra taip akivaizdu. Iš ko, pavyzdžiui, atsiranda paveikslas? Žinoma, tam reikia teptuko, dažų ir drobės, bet tai tik įrankiai. Paveikslo tapymo būdas – formos, spalvos, faktūros, kompozicijos pasirinkimas – negimsta teptukais ir dažais. Tai yra rezultatas kūrybinė vaizduotė
menininkas. Iš kur mintys ir idėjos? Mintys, be jokios abejonės, tikrai egzistuoja ir, matyt, visada reikalauja smegenų dalyvavimo. Tačiau smegenys tik užtikrina minčių įgyvendinimą, o ne jų priežastis. Smegenys pačios generuoja mintis ne daugiau nei, pavyzdžiui, kompiuteris generuoja skaičiavimus. Mintis gali sukelti ir kitos mintys, tačiau tai neatskleidžia pačios minties prigimties. Kai kurias mintis gali pagimdyti pojūčiai; Atmintis taip pat gimdo mintis. Tačiau dauguma menininkų savo darbus vertina kaip rezultatą
netikėtas įkvėpimas. Jei taip iš tiesų yra, tai paveikslo sukūrimas – ar bent jau jo idėjos gimimas – yra kaip tik kažko gimimo iš nieko pavyzdys. Ir vis dėlto, ar galime manyti, kad fiziniai objektai ir net visa Visata atsiranda iš nieko? Ši drąsi hipotezė gana rimtai aptarinėjama, pavyzdžiui, JAV rytinės pakrantės mokslo institucijose, kur nemažai teorinių fizikų ir kosmologijos specialistų kuria matematinį aparatą, kuris padėtų išsiaiškinti galimybę gimti kažkas iš JAV. nieko.
Šiam pasirinktam ratui priklauso Alanas Guthas iš MIT, Sidnėjaus Colemanas iš Harvardo universitetas, Alexas Vilenkinas iš Tuftso universiteto, Edas Taillonas ir Heinzas Pagelsas iš Niujorko. Jie visi tiki, kad viena ar kita prasme „nieko nėra nestabilaus“ ir kad fizinė visata spontaniškai „sužydo iš nieko“, valdoma tik fizikos dėsnių. „Tokios idėjos yra grynai spekuliacinės, – pripažįsta Guthas, – bet tam tikru mastu jos gali būti teisingos... Kartais sakoma, kad nemokamų pietų nėra, bet Visata, matyt, yra tik tokie „nemokami pietūs“. Visose šiose hipotezėse kvantinis elgesys vaidina pagrindinį vaidmenį.įkūnijo priežasties ir pasekmės santykį. Į Visatą buvo žiūrima kaip į milžinišką laikrodžio mechanizmą, kurio elgesį griežtai reguliuoja tai, kas šiuo metu vyksta. Būtent tikėjimas tokiu visapusišku ir absoliučiai griežtu priežastingumu paskatino Pierre'ą Laplasą teigti, kad itin galingas skaičiuotuvas, remdamasis mechanikos dėsniais, iš esmės gali numatyti ir Visatos istoriją, ir likimą. Remiantis šiuo požiūriu, visata yra pasmerkta amžinai eiti numatytu keliu.
Kvantinė fizika sunaikino metodišką, bet sterilią Laplaso schemą. Fizikai įsitikino, kad atominiame lygmenyje materija ir jos judėjimas yra neapibrėžti ir nenuspėjami. Dalelės gali elgtis „beprotiškai“, tarsi priešindamosi griežtai nurodytiems judesiams, staiga atsirandančios daugiausia netikėtų vietų be jokios aiškios priežasties, o kartais pasirodant ir išnykstant „be įspėjimo“.
Kvantinis pasaulis nėra visiškai laisvas nuo priežastingumo, tačiau jis pasireiškia gana neryžtingai ir dviprasmiškai. Pavyzdžiui, jei vienas atomas yra sužadintos būsenos dėl susidūrimo su kitu atomu, jis paprastai greitai grįžta į žemiausios energijos būseną ir išspinduliuoja fotoną. Fotono atsiradimas, žinoma, yra to, kad atomas anksčiau buvo perėjęs į sužadinimo būseną, pasekmė. Galime drąsiai teigti, kad būtent sužadinimas lėmė fotono atsiradimą, ir šia prasme priežasties ir pasekmės santykis išlieka. Tačiau tikrasis momentas, kai atsiranda fotonas, yra nenuspėjamas: atomas gali jį išspinduliuoti bet kurią akimirką. Fizikai gali apskaičiuoti tikėtiną, arba vidutinį, fotono atsiradimo laiką, tačiau kiekvienu konkrečiu atveju neįmanoma numatyti momento, kada šis įvykis įvyks. Matyt, charakterizavimui panaši situacija Geriausia sakyti, kad atomo sužadinimas ne tiek lemia fotono atsiradimą, kiek „stumia“ jį link jo.
Taigi kvantinis mikropasaulis nėra įsipainiojęs į tankų priežastinių ryšių tinklą, bet vis tiek „klauso“ daugybės neįkyrių komandų ir pasiūlymų. Senojoje Niutono schemoje jėga, atrodo, kreipėsi į objektą neginčijama komanda: „Judėk! Kvantinėje fizikoje jėgos ir objekto santykis yra kvietimas, o ne įsakymas.
Kodėl idėją apie staigaus objekto gimimą „iš nieko“ paprastai laikome tokia nepriimtina? Kas verčia mus galvoti apie stebuklus ir antgamtinius reiškinius? Galbūt visa esmė yra tik tokių įvykių neįprastumas: kasdieniame gyvenime mes niekada nesusiduriame su daiktų išvaizda be jokios priežasties. Kai, pavyzdžiui, magas ištraukia triušį iš kepurės, žinome, kad esame apgaudinėjami.
Tarkime, kad iš tikrųjų gyvename pasaulyje, kuriame daiktai karts nuo karto pasirodo tarsi „iš niekur“, be jokios priežasties ir visiškai nenuspėjamai. Pripratę prie tokių reiškinių, nustotume jais stebėtis. Spontaniškas gimimas būtų suvokiamas kaip vienas iš gamtos keistenybių. Galbūt tokiame pasaulyje mums nebereikėtų įtempti savo patiklumo, kad įsivaizduotume staigų visos fizinės Visatos atsiradimą iš nieko.
Šis įsivaizduojamas pasaulis iš esmės nesiskiria nuo tikrojo. Jei atomų elgseną galėtume tiesiogiai suvokti pojūčių pagalba (o ne tarpininkaujant specialiais instrumentais), dažnai turėtume stebėti be aiškiai apibrėžtų priežasčių atsirandančius ir išnykstančius objektus.
Reiškinys, artimiausias „gimimui iš nieko“, vyksta pakankamai stipriame elektriniame lauke. Esant kritinei lauko stiprumo vertei, elektronai ir pozitronai pradeda atsirasti „iš nieko“ visiškai atsitiktinai. Skaičiavimai rodo, kad netoli urano branduolio paviršiaus elektrinio lauko stipris yra gana artimas ribai, už kurią atsiranda šis poveikis. Jei būtų atomų branduoliai, kuriuose yra 200 protonų (urano branduolyje yra 92), tada įvyktų savaiminis elektronų ir pozitronų susidarymas. Deja, branduolys su tokiais didelis skaičius protonai, matyt, tampa itin nestabilūs, tačiau visiško tikrumo dėl to nėra.
Spontaniškas elektronų ir pozitronų susidarymas stipriame elektriniame lauke gali būti laikomas ypatinga radioaktyvumo rūšimi, kai skilimas vyksta tuščioje erdvėje, vakuume. Jau kalbėjome apie vienos vakuuminės būsenos perėjimą į kitą dėl irimo.
Šiuo atveju vakuumas suyra į būseną, kurioje yra dalelių. Nors erdvės nykimas sukėlė, sunku suvokti, panašus procesas, veikiamas gravitacijos, gali vykti gamtoje. Netoli juodųjų skylių paviršiaus gravitacija tokia stipri, kad vakuume knibžda nuolat gimstančių dalelių.
Tai garsioji juodųjų skylių spinduliuotė, kurią atrado Stephenas Hawkingas. Galiausiai gravitacija yra atsakinga už šios spinduliuotės atsiradimą, tačiau negalima teigti, kad tai vyksta „senąja Niutono prasme“: negalima teigti, kad tam tikroje vietoje vienu ar kitu metu turėtų atsirasti kokia nors konkreti dalelė. kaip gravitacijos jėgų veikimo rezultatas . Bet kuriuo atveju, kadangi gravitacija yra tik erdvės-laiko kreivumas, galime sakyti, kad erdvėlaikis sukelia materijos gimimą. Apie spontanišką materijos atsiradimą iš tuščios erdvės dažnai kalbama kaip apie gimimą „iš nieko“, kuris savo dvasia panašus į gimimą. buvęs nihilo krikščioniškoje doktrinoje. Tačiau fizikui tuščia erdvė yra visai ne „niekas“, o labai reikšminga fizinės Visatos dalis. Jei vis dar norime atsakyti į klausimą, kaip atsirado Visata, tuomet neužtenka manyti, kad tuščia erdvė egzistavo nuo pat pradžių. Būtina paaiškinti, iš kur atsirado ši erdvė. Mintis apie gimimą
pati erdvė Gali atrodyti keista, bet tam tikra prasme tai vyksta visur aplink mus. Visatos plėtimasis yra ne kas kita, kaip nuolatinis erdvės „brinkimas“. Kiekvieną dieną mūsų teleskopams prieinamas Visatos plotas padidėja 10^18 kubinių šviesmečių. Iš kur atsiranda ši erdvė?, materijos dalelės gali atsirasti „iš nieko“, ar gravitacijos atžvilgiu tai neaprašys erdvės „iš nieko“ atsiradimo?
Jei taip atsitiks, ar Visatos gimimas prieš 18 milijardų metų nėra kaip tik tokio proceso pavyzdys?
Nemokami pietūs? pagrindinė idėja kvantinė kosmologija susideda iš kvantinės teorijos taikymo visai Visatai: erdvei-laikui ir materijai; Teoretikai į šią idėją žiūri ypač rimtai. Iš pirmo žvilgsnio čia yra prieštaravimas: kvantinė fizika nagrinėja mažiausias sistemas, o kosmologija – didžiausias. Tačiau Visata kadaise taip pat buvo apribota labai mažais matmenimis, todėl kvantiniai efektai tada buvo nepaprastai svarbūs. Skaičiavimo rezultatai rodo, kad kvantiniai dėsniai
Pagrindinis šių bandymų paaiškinti Visatos kilmę sunkumas yra aprašyti jos gimimo iš netikro vakuumo būsenos procesą. Jei naujai sukurta erdvėlaikis būtų tikro vakuumo būsenoje, infliacija niekada negalėtų įvykti. Didysis sprogimas būtų sumažintas iki silpno sprogimo, o erdvėlaikis po akimirkos vėl nustotų egzistavęs – jį sunaikintų patys kvantiniai procesai, dėl kurių jis iš pradžių atsirado. Jei Visata nebūtų atsidūrusi klaidingo vakuumo būsenoje, ji niekada nebūtų įsitraukusi į kosminę įkrovą ir nebūtų realizavusi savo iliuzinio egzistavimo.
Galbūt klaidingo vakuumo būsena yra pageidautina dėl jo savybių ekstremaliomis sąlygomis. Pavyzdžiui, jei Visata iškiltų esant pakankamai aukštai pradinei temperatūrai ir po to atvėstų, ji netgi galėtų „užbėgti ant seklumos“ netikrame vakuume, tačiau iki šiol daugelis tokio tipo techninių klausimų lieka neišspręsti.
Bet kad ir kokia būtų tikroji šių pagrindinių problemų padėtis, Visata turi vienaip ar kitaip būdas atsirasti erdvė. Be to, dešimties matmenų erdvė gali natūraliai vystytis taip, kad infliacijos metu trys erdviniai matmenys labai išsiplės kitų septynių, kurie, priešingai, susitraukia ir tampa nematomi? Taigi, dešimties matmenų erdvės kvantinis mikroburbulas suspaudžiamas ir taip išpučiami trys matmenys, suformuojant Visatą: likusios septynios dimensijos lieka nelaisvėje mikrokosmose, iš kur jos pasireiškia tik netiesiogiai – sąveikų pavidalu. Ši teorija atrodo labai patraukli.
Nors teoretikai dar turi daug nuveikti, kad ištirtų labai ankstyvos Visatos prigimtį, jau galima pateikti bendrą įvykių, dėl kurių Visata įgavo šiandien matomą formą, apibūdinimą. Pačioje pradžioje Visata spontaniškai atsirado „iš nieko“. Dėl sugebėjimo kvantinė energija Tuščios erdvės burbuliukai, tarnaujantys kaip tam tikras fermentas, gali išsipūsti vis didesniu greičiu, sukurdami milžiniškus energijos rezervus dėl įkrovos juostos. Šis netikras vakuumas, užpildytas savaime sukurta energija, pasirodė esantis nestabilus ir pradėjo skaidytis, išskirdamas energiją šilumos pavidalu, todėl kiekvienas burbulas buvo užpildytas ugnimi kvėpuojančia medžiaga (ugnies kamuoliu). Burbulų infliacija sustojo, bet prasidėjo Didysis sprogimas. Tuo metu Visatos „laikrodyje“ buvo 10^-32 s.
Iš tokio ugnies kamuolio atsirado visa materija ir visi fiziniai objektai. Kai kosminė medžiaga atvėso, ji patyrė vieną po kito fazių perėjimai. Su kiekvienu perėjimu iš pirminės beformės medžiagos „iššaldavo“ vis daugiau skirtingų struktūrų. Viena po kitos sąveikos buvo atskirtos viena nuo kitos. Žingsnis po žingsnio objektai, kuriuos dabar vadiname subatominės dalelės, įgijo šiandien joms būdingų bruožų. Kadangi „kosminės sriubos“ sudėtis tapo vis sudėtingesnė, didelio masto nelygumai, likę nuo infliacijos laikų, išaugo į galaktikas. Tolesnio struktūrų formavimosi ir įvairių rūšių materijos atskyrimo procese Visata vis labiau įgavo pažįstamas formas; karšta plazma kondensavosi į atomus, sudarydama žvaigždes, planetas ir galiausiai gyvybę.
Taip Visata „realizavo“ save. Medžiaga, energija, erdvė, laikas, sąveikos, laukai, tvarka ir struktūra -šios sąvokos, pasiskolintos iš „kūrėjo kainoraščio“, tarnauja kaip neatsiejamos Visatos charakteristikos. Naujoji fizika atveria viliojančią galimybę moksliškai paaiškinti visų šių dalykų kilmę. Nebereikia jų specialiai įvesti „rankiniu būdu“ nuo pat pradžių. Matome, kaip gali atsirasti visos pagrindinės fizinio pasaulio savybės automatiškai kaip fizikos dėsnių pasekmės, nereikia manyti, kad egzistuoja labai specifinės pradinės sąlygos.
Naujoji kosmologija teigia, kad pradinė kosmoso būsena nevaidina jokio vaidmens, nes visa informacija apie ją buvo ištrinta infliacijos metu. Mūsų stebima Visata turi tik tų fizinių procesų, kurie vyko nuo infliacijos pradžios, pėdsakus.
Tūkstančius metų žmonija tikėjo, kad „iš nieko negali gimti niekas“. Šiandien galime pasakyti, kad viskas atsirado iš nieko. Nereikia „mokėti“ už Visatą – tai absoliučiai „nemokami pietūs“.
Visatos vystymosi idėja natūraliai paskatino suformuluoti Visatos evoliucijos (gimimo) pradžios ir jos atsiradimo problemą.
pabaiga (mirtis). Šiuo metu yra keletas kosmologinių modelių, kurie paaiškina tam tikrus materijos atsiradimo Visatoje aspektus, tačiau jie nepaaiškina pačios Visatos atsiradimo priežasčių ir proceso. Iš viso šiuolaikinių kosmologinių teorijų rinkinio tik G. Gamow Didžiojo sprogimo teorija iki šiol sugebėjo patenkinamai paaiškinti beveik visus su šia problema susijusius faktus. Pagrindiniai Didžiojo sprogimo modelio bruožai buvo išsaugoti iki šių dienų, nors vėliau juos papildė amerikiečių mokslininkų A. Gutho ir P. Steinhardto sukurta infliacijos teorija arba išsipučiančios Visatos teorija, kurią papildė Sovietų fizikas A.D. Linda. 1948 metais iškilus rusų kilmės amerikiečių fizikas G. Gamowas pasiūlė, kad fizinė Visata susiformavo dėl milžiniško sprogimo, įvykusio maždaug prieš 15 mlrd. Tada visa materija ir visa Visatos energija buvo sutelkta į vieną mažytį itin tankų gumulėlį. Jei tiki matematiniais skaičiavimais, tai plėtimosi pradžioje Visatos spindulys buvo visiškai lygus nuliui, o tankis – begalybei. Ši pradinė būsena vadinama išskirtinumas - taško tūris su. Žinomi fizikos dėsniai netaikomi singuliarumui. Šioje būsenoje erdvės ir laiko sąvokos praranda prasmę, todėl nėra prasmės klausti, kur buvo šis taškas. Be to, šiuolaikinis mokslas nieko negali pasakyti apie šios būklės atsiradimo priežastis.
Tačiau pagal Heisenbergo neapibrėžtumo principą materija negali būti suspausta į vieną tašką, todėl manoma, kad pradinėje būsenoje Visata turėjo tam tikrą tankį ir dydį. Remiantis kai kuriais skaičiavimais, jei visa stebimos Visatos materija, kurios apytikriai yra 10 61 g, suspausta iki 10 94 g/cm 3 tankio, tada ji užims apie 10 -33 cm 3 tūrį. Jokiu būdu elektroninis mikroskopas būtų neįmanoma jos pamatyti. Ilgą laiką nieko nebuvo galima pasakyti apie Didžiojo sprogimo priežastis ir Visatos perėjimą prie plėtimosi. Tačiau šiandien atsirado keletas hipotezių, kurios bando paaiškinti šiuos procesus. Jie yra infliacinio Visatos vystymosi modelio pagrindas.
Visatos „pradžia“.
Pagrindinė Didžiojo sprogimo koncepcijos idėja yra ta, kad ankstyvosiose jos atsiradimo stadijose Visata turėjo nestabilią į vakuumą panašią būseną. didelio tankio energijos. Ši energija kilo iš kvantinė spinduliuotė, t.y. lyg niekur nieko. Faktas yra tas, kad fiziniame vakuume nėra fiksuotų
dalelės, laukai ir bangos, bet tai nėra negyva tuštuma. Vakuume yra virtualių dalelių, kurios gimsta, trumpai egzistuoja ir iš karto išnyksta. Todėl vakuumas „verda“ su virtualiomis dalelėmis ir yra prisotintas sudėtingos sąveikos tarp jų. Be to, energija, esanti vakuume, yra tarsi skirtinguose jo aukštuose, t.y. yra vakuuminės energijos lygių skirtumų reiškinys.
Vakuumui esant pusiausvyros būsenoje, jame egzistuoja tik virtualios (vaiduoklio) dalelės, kurios trumpam pasiskolina energiją iš vakuumo, kad gimtų, o pasiskolintą energiją greitai grąžina, kad išnyktų. Kai dėl kokių nors priežasčių vakuumas tam tikrame pradiniame taške (singuliarumas) susijaudino ir paliko pusiausvyros būseną, tada virtualios dalelės pradėjo gaudyti energiją be atatrankos ir virto tikromis dalelėmis. Galų gale, tam tikrame erdvės taške, kartu su su jomis susijusia energija susidarė daugybė tikrų dalelių. Kai sužadintas vakuumas žlugo, išsiskyrė milžiniška spinduliuotės energija, o superjėga suspaudė daleles į supertankią medžiagą. Ekstremalios „pradžios“ sąlygos, kai buvo deformuotas net erdvėlaikis, rodo, kad vakuume taip pat buvo. ypatinga sąlyga, kuris vadinamas „klaidingu“ vakuumu. Jai būdinga itin didelio tankio energija, kuri atitinka itin didelį medžiagos tankį. Esant tokiai materijos būsenai, joje gali atsirasti stiprūs įtempiai ir neigiamas slėgis, prilygstantis tokio masto gravitaciniam atstūmimui, kuris sukėlė nekontroliuojamą ir greitą Visatos plėtimąsi – Didįjį sprogimą. Tai buvo pradinis postūmis, mūsų pasaulio „pradžia“.
Nuo šio momento prasideda greitas Visatos plėtimasis, atsiranda laikas ir erdvė. Šiuo metu vyksta nekontroliuojamas „kosmoso burbulų“ – vienos ar kelių visatų embrionų, kurie gali skirtis vienas nuo kito savo pagrindinėmis konstantomis ir dėsniais, išpūtimas. Vienas iš jų tapo mūsų metagalaktikos embrionu.
Įvairiais vertinimais, eksponentiškai besitęsiantis „infliacijos“ laikotarpis trunka neįsivaizduojamai trumpą laiką – iki 10 – 33 s po „pradėjimo“. Tai vadinama infliacinis laikotarpis. Per tą laiką Visatos dydis padidėjo 10 50 kartų – nuo milijardinės protono dydžio iki degtukų dėžutės dydžio.
Infliacijos fazės pabaigoje Visata buvo tuščia ir šalta, tačiau infliacijai išdžiūvus Visata staiga tapo itin „karšta“. Šis šilumos pliūpsnis, kuris apšvietė erdvę, atsirado dėl didžiulių energijos atsargų, esančių „klaidingame“ vakuume. Ši vakuumo būsena yra labai nestabili ir linkusi irti. Kada
žlugimas baigiamas, atstūmimas išnyksta ir infliacija baigiasi. O energija, surišta daugelio realių dalelių pavidalu, išsiskyrė spinduliuotės pavidalu, akimirksniu įkaitindama Visatą iki 10 27 K. Nuo to momento Visata vystėsi pagal standartinę „karštojo“ Didžiojo sprogimo teoriją. .
Ankstyvasis Visatos evoliucijos etapas
Iškart po Didžiojo sprogimo Visata buvo visų tipų elementariųjų dalelių ir jų antidalelių plazma, esanti termodinaminės pusiausvyros būsenoje 10 27 K temperatūroje, kurios laisvai transformavosi viena į kitą. Šiame krešulyje buvo tik gravitacinė ir didelė (didžioji) sąveika. Tada Visata pradėjo plėstis, o kartu mažėjo jos tankis ir temperatūra. Tolesnė Visatos evoliucija vyko etapais ir buvo lydima, viena vertus, diferenciacijos, kita vertus, jos struktūrų komplikacijos. Visatos evoliucijos etapai skiriasi elementariųjų dalelių sąveikos ypatybėmis ir yra vadinami epochos. Svarbiausi pakeitimai užtruko mažiau nei tris minutes.
Hadronų era truko 10-7s. Šiame etape temperatūra nukrenta iki 10 13 K. Tuo pačiu metu atsiranda visos keturios esminės sąveikos, nutrūksta laisvas kvarkų egzistavimas, jie susilieja į hadronus, tarp kurių svarbiausi yra protonai ir neutronai. Dauguma reikšmingas įvykis tapo pasauliniu simetrijos pažeidimu, kuris įvyko pirmosiomis mūsų Visatos egzistavimo akimirkomis. Dalelių skaičius pasirodė šiek tiek didesnis nei antidalelių skaičius. Šios asimetrijos priežastys vis dar nežinomos. Bendrame, panašiame į plazmą gniužulą, kiekvienam milijardui dalelių ir antidalelių porų buvo dar viena dalelė, kuriai nepakako porų sunaikinimui. Tai lėmė tolesnį materialios Visatos atsiradimą su galaktikomis, žvaigždėmis, planetomis ir protingomis būtybėmis kai kuriose iš jų.
Leptono era truko iki 1 s po starto. Visatos temperatūra nukrito iki 10 10 K. Pagrindiniai jos elementai buvo leptonai, kurie dalyvavo tarpusavio protonų ir neutronų transformacijose. Šios eros pabaigoje materija tapo skaidri neutrinams, jie nustojo sąveikauti su medžiaga ir nuo tada išliko iki šių dienų.
Radiacijos era (fotonų era) truko 1 milijoną metų. Per šį laiką Visatos temperatūra sumažėjo nuo 10 milijardų K iki 3000 K. Šio etapo metu vyko svarbiausi pirminės nukleosintezės procesai tolesnei Visatos evoliucijai – protonų ir neutronų susijungimas (jų buvo apie 8 kartų mažiau jų).
didesnis nei protonų) į atomų branduolius. Pasibaigus šiam procesui, Visatos materiją sudarė 75% protonų (vandenilio branduolių), apie 25% buvo helio branduoliai, šimtosios procento dalys buvo deuterio, ličio ir kitų šviesos elementų, po kurių Visata tapo skaidri fotonams. , nes spinduliuotė buvo atskirta nuo medžiagų ir susidarė tai, kas mūsų laikais vadinama reliktine spinduliuote.
Tada beveik 500 tūkstančių metų kokybinių pokyčių neįvyko – vyko lėtas Visatos vėsimas ir plėtimasis. Visata, nors ir liko vienalytė, vis retėjo. Kai jis atšalo iki 3000 K, vandenilio ir helio atomų branduoliai jau galėjo užfiksuoti laisvuosius elektronus ir transformuotis į neutralius vandenilio ir helio atomus. Dėl to susidarė vienalytė Visata, kuri buvo trijų beveik nesąveikaujančių medžiagų mišinys: barioninės medžiagos (vandenilis, helis ir jų izotopai), leptonai (neutrinai ir antineutrinai) ir spinduliuotė (fotonai). Iki to laiko nebebuvo aukštos temperatūros ir aukšto slėgio. Atrodė, kad ateityje Visata toliau plėsis ir atvės, susiformuos „leptono dykuma“ – kažkas panašaus į terminę mirtį. Bet tai neįvyko; priešingai, įvyko šuolis, sukūręs šiuolaikinę struktūrinę Visatą, kuri, šiuolaikiniais skaičiavimais, užtruko nuo 1 iki 3 milijardų metų.
