Supergalia. Ieško vieningos gamtos teorijos. Visatos kilmė ir evoliucija: Didžiojo sprogimo teorija Kada įvyko Didysis sprogimas ir susiformavo pirmosios galaktikos

Mūsų galaktika – Paukščių Takas – priklauso vadinamosioms spiralinio tipo galaktikoms (S – galaktikoms), kurios yra besisukantis vandenilio dujų, dulkių ir žvaigždžių diskas su ryškiomis spiralinėmis rankomis (1.6 pav.). Tai sudėtingas astronominis objektas, susidedantis iš šerdies, sustorėjimo centrinėje dalyje - iškilumo (iš angliško žodžio „buldge“), aureolės ir paties disko (1.7 pav.). Tankioje šerdyje, esančioje disko centre, daugiausia yra senų žvaigždžių, joje nėra dujų ir dulkių. Mūsų galaktikos šerdis slypi Juodoji skylė ( Juodosios skylės gražiai aprašytos knygoje A.M. Čerepaščiukas „Juodosios skylės“).
Neseniai orbitoje skriejanti Chandra rentgeno observatorija Galaktikos centre užfiksavo galingą rentgeno pliūpsnį, kuris leido nustatyti juodosios skylės dydį – ne didesnį atstumą nuo Žemės iki Saulės.
„Galaxy“ diskas pripildytas dujų, dulkių ir daugiausia jaunų žvaigždžių. Disko skersmuo apie 30 000 parsekų (Pc), išsipūtimas 8 000 Pc. Beveik visos žvaigždės ir didžioji dalis dujų bei dulkių yra susitelkusios spiralinėse disko atšakose.
Diską supa sferinė aureolė. Jo dydis yra eilės tvarka didesnis nei skersinis disko dydis. Aureole yra retų žvaigždžių ir žvaigždžių spiečius – spiečius, kuriuose yra šimtai tūkstančių žvaigždžių. Be to, Halo turi Juodoji medžiaga(„tamsioji materija“), kuri buvo identifikuota pagal gravitacinius efektus. Tamsioji medžiaga bent kelis kartus padidina Galaktikos masę.
Saulė, artimiausia mums žvaigždė, yra Oriono spiralėje ~25 000 Pc atstumu nuo mūsų galaktikos centro. Saulė yra palyginti jauna žvaigždė – jai 5 milijardai metų. Paukščių Takas yra bent du kartus senesnis už Saulę: žvaigždžių spiečių gali būti 10 milijardų metų.
Bendras žvaigždžių skaičius Galaxy diske yra 10 11 (šimtas milijardų). Be žvaigždžių, galaktikoje taip pat yra tarpžvaigždinė terpė. Pagrindinis tarpžvaigždinės terpės komponentas yra tarpžvaigždinės dujos, daugiausia (~90%) susidedančios iš vandenilio ir tarpžvaigždinių dulkių (~1%). Tarpžvaigždinėje terpėje yra magnetinių laukų ir elektromagnetinės spinduliuotės. Galaktika sukasi skirtingai: periferijoje jos sukimosi greitis yra mažesnis nei centriniuose regionuose. Mūsų Saulės sistemos orbitos laikotarpis aplink Galaktikos centrą yra maždaug 200 milijonų metų. Prisiminkime šį skaičių. Prie jo grįšime vėliau.
Apskaičiuota, kad vidutinis tarpžvaigždinės medžiagos tankis diske yra 10–24 g/cm 3 (maždaug 1 vandenilio atomas cm 3). Yra didelių nukrypimų nuo šios vertės: tai tankūs debesys, iki dešimčių parsekų ilgio, kurių tankis svyruoja nuo 100 iki 1000 atomų/cm 3 .
Medžiaga, rasta galaktikoje atominėje būsenoje, veikiama žvaigždžių ultravioletinės spinduliuotės jonizuotas(neutralūs atomai "praranda" savo elektronų apvalkalus). Pavyzdžiui, iki 90% vandenilio susideda iš jo jonų– protonai.
Visos Visatos masė, o tai yra optiškai ryškios žvaigždės, tarpžvaigždinės dulkės ir dujos, molekuliniai debesys, planetos, telkiasi protonuose ir neutronuose (85% yra protonai, o 15% yra neutronai). Neutronai, būdami nestabilios dalelės, egzistuoja tik branduolių viduje. Visa tai sudaro vadinamąją barioninę medžiagą.

Dabar pažiūrėkime į kiekybinių santykių tarp įvairių materijos formų šiuolaikinėje Visatoje problemą. Fig. 1.8 atsako į šį klausimą. Atsakymas yra pagal mūsų šiandienos žinių lygį. Iš diagramos, parodytos fig. 1.8, aišku, kad tik keli procentai (apie 4%) Visatos sudėties priklauso tam, iš ko, mūsų manymu, susidarė mūsų pasaulis. Tai barioninė medžiaga. Visa kita, ir tai beveik 96%, yra tamsioji medžiaga ir tamsioji energija – materialios Visatos substancijos mums dar menkai suprantamos. Mes žinome, kad jie tikrai egzistuoja. Bet mes nežinome, kas tai yra. Mes tik kuriame hipotezes ir bandome atlikti eksperimentus, tikėdamiesi įrodyti jų pagrįstumą. Tačiau faktas lieka faktu, kad mes dar neturime argumentų, patvirtinančių galutinį hipotezės, paaiškinančios tamsiosios materijos ir tamsiosios energijos sudėtį Visatoje, pasirinkimą.
Tamsioji energija, remiantis šiuolaikinėmis pažiūromis, yra būtent ta jėga, kuri skatina Visatą plėstis. Jei mums pažįstama gravitacija verčia kūnus traukti vienas kitą, tai tamsioji energija veikiau yra antigravitacija, prisidedanti prie kūnų sklaidos Visatoje. Matyt, iškart po Didžiojo sprogimo Visatos plėtimasis sulėtėjo, tačiau po to „tamsioji energija“ įveikė gravitaciją ir vėl prasidėjo pagreitis – Visatos plėtimasis. Tai ne hipotezė, o eksperimentinis faktas, atrastas iš radiacijos raudonasis poslinkis - tolimųjų supernovų ryškumo sumažėjimas: jos ryškesnės nei turėtų būti iš Visatos plėtimosi lėtėjimo paveikslo. „Raudonojo poslinkio“ efektas – stebėtojo užfiksuoto stebimo šaltinio spektro bangos ilgio padidėjimas (todėl žvaigždės atrodo ryškesnės) – yra vienas iš nuostabių eksperimentinių astronominių faktų. Kosmologinis stebimų galaktikų „raudonasis poslinkis“ buvo numatytas A. Einšteino ir iki šių dienų yra vienas iš įtikinamų besiplečiančios Visatos įrodymų.
Pasinerdami į ankstyvosios kosmologijos epochą, galime prisiminti, kad būtent didysis A. Einšteinas, bandantis išsaugoti statišką Visatos prigimtį, įvedė, tapusią istorine, kosmologinę konstantą – balansuojančią dangaus kūnų traukos jėgas. Tačiau atradęs „raudonąjį poslinkį“, jis pašalino konstantą iš savo lygčių. Matyt, A. Einšteinas klydo jį atmesdamas: juk tai tamsioji energija, kuri intriguoja šiuolaikinius astrofizikus.
Neaišku, ar žmonijai pasisekė, ar nesiseka, bet ji gyvena Visatos vystymosi laikotarpiu, kai vyrauja tamsioji energija, skatinanti plėtimąsi. Tačiau šis procesas tikriausiai nėra amžinas, o praėjus tam tikram laikui, prilygstančiam Visatos amžiui (10-20 milijardų metų), istorija gali apsisukti atvirkščiai – mūsų pasaulis pradės trauktis. Žinoma, ar įvyks Didžiojo kolapso – alternatyvos Didžiajam sprogimui – momentas, yra didelis šiuolaikinės kosmologijos klausimas.
Mokslininkams pavyko įrodyti besiplečiančios Visatos egzistavimą – tai yra galaktikos optinės spinduliuotės raudonasis poslinkis ir reliktinė elektromagnetinė spinduliuotė – reliktiniai fotonai, apie kuriuos bus kalbama toliau. Galbūt ateityje mokslininkai galės nustatyti artėjančio Visatos suspaudimo „pranešėjų“ egzistavimą.
Kitas eksperimentinis faktas – šviesos nukrypimo nuo tolimų galaktikų Visatos gravitaciniuose laukuose tyrimas – paskatino astrofizikus padaryti išvadą apie paslėptos – tamsiosios materijos – egzistavimą kažkur šalia mūsų. Būtent ši tamsioji medžiaga pakeičia šviesos spindulių kelius daugiau, nei būtų galima tikėtis esant tik matomoms netoliese esančioms galaktikoms. Mokslininkai ištyrė daugiau nei 50 000 galaktikų pasiskirstymą žvaigždėtame danguje, bandydami sukurti erdvinį tamsiosios materijos struktūros modelį. Visi gauti rezultatai nenumaldomai liudija jos egzistavimą, o Visata iš esmės yra tamsioji materija. Šiuolaikiniai skaičiavimai rodo apie 80 proc. Čia dar kartą kartojame – mes nežinome, iš kokių dalelių susideda ši tamsioji medžiaga. Mokslininkai tik mano, kad jis susideda iš dviejų dalių: kai kurių nežinomų egzotiškų masyvių dalelių ir fizinis vakuumas.
Prie šios problemos grįšime vėliau, bet kol kas vėl grįšime į mums pažįstamą materijos formą, kurią sudaro barionai (protonai ir neutronai) ir elektronai - „barioninė medžiaga“. Mes apie ją žinome daug daugiau. Per daugiau nei šimtą metų fizikos raidos istorijoje – nuo ​​elementariųjų dalelių ir atomo sandaros atradimo iki šios srities, taip pat astrofizikos tyrimų rezultatų, mokslas gavo savo žinioje. daug naujų mums žinomų medžiagų struktūros rezultatų.

AR BUVO DIDYSIS SPŪGIS?

Mūsų laikais yra dvi pagrindinės „mokslinės“ mūsų Visatos kilmės teorijos. Remiantis pastovios būsenos teorija, materija / energija, erdvė ir laikas egzistavo visada. Tačiau iš karto kyla logiškas klausimas: kodėl dabar niekas nesugeba sukurti materijos ir energijos? Tai teigia Pirmasis termodinamikos dėsnis, kuriam nebuvo rasta nei viena išimtis. Atvirkščiai, viskas linkusi irti ir naikinti, energija išsenka, tampa vis mažiau pajėgi dirbti (tai vadinama Antruoju termodinamikos dėsniu). Be galo sena Visata visiškai netektų naudingos energijos ir bet kokių pokyčių – pasiektų būseną, vadinamą šilumos mirtimi.

Populiariausia Visatos atsiradimo teorija, kurią palaiko dauguma teoretikų, yra Didžiojo sprogimo teorija. Kaip ir biblinis pasakojimas apie sukūrimą, jame teigiama, kad visata atsirado staiga, bet tai buvo atsitiktinis įvykis, įvykęs prieš milijardus metų. Visatos amžiaus įverčiai pastaruoju metu svyravo nuo 8 iki 20 milijardų metų; šiuo metu kalbame apie 12 milijardų metų.

Didžiojo sprogimo teoriją mūsų amžiaus 20-ajame dešimtmetyje pasiūlė mokslininkai Friedmanas ir Lemaitre'as, ketvirtajame dešimtmetyje ją papildė ir peržiūrėjo Gamow. Remiantis šia teorija, kadaise mūsų Visata buvo be galo mažas gumulas, itin tankus ir įkaitintas iki neįsivaizduojamos temperatūros. Šis nestabilus darinys staiga sprogo, erdvė sparčiai plėtėsi, o skraidančių didelės energijos dalelių temperatūra pradėjo mažėti. Maždaug po pirmųjų milijonų metų dviejų lengviausių elementų – vandenilio ir helio – atomai tapo stabilūs. Veikiami gravitacijos, ėmė telktis materijos debesys. Dėl to susiformavo galaktikos, žvaigždės ir kiti dangaus kūnai. Žvaigždės sensta, sprogo supernovos, po kurių atsirado sunkesnių elementų. Jie suformavo vėlesnės kartos žvaigždes, tokias kaip mūsų Saulė. Kaip įrodymą, kad Didysis sprogimas įvyko vienu metu, jie kalba apie raudoną šviesos poslinkį nuo objektų, esančių dideliais atstumais, ir mikrobangų foninę spinduliuotę.

Raudonasis poslinkis

Stebimas elementų, esančių labai dideliu atstumu nuo mūsų, spektras apskritai yra toks pat kaip ir Žemėje, tačiau spektro linijos yra perkeltos į žemo dažnio sritį – į ilgesnį bangos ilgį. Šis reiškinys vadinamas raudonuoju poslinkiu. Jie bando tai paaiškinti sakydami, kad Žemė ir objektas dideliu greičiu lekia skirtingomis kryptimis. Vadovaujantis šia teorija, jei atsekti šį procesą laiku atgal, viskas turėjo prasidėti nuo vieno taško – Didžiojo sprogimo.

Gali būti, kad raudonasis poslinkis tolimų galaktikų spektre įvyksta todėl, kad jos tolsta nuo mūsų. Biblija sako, kad Viešpats ištiesė dangų. Šio judesio veikimas yra priešingas traukos jėgų veikimui, kuris stabilizuoja visą sistemą. Tačiau jei dangus su šia „įtaisyta“ kinetine energija buvo sukurtas tik prieš kelis tūkstančius metų, tai pabandę pažvelgti į senesnius laikus galime padaryti klaidingas išvadas. Situacija, susidariusi stebimoje Visatoje iki mūsų laikų, gali mums padėti šiek tiek suprasti, kas nutiko praeityje, tačiau negalime nieko pasakyti visiškai pasitikėdami.

Kitas galimas raudonojo poslinkio paaiškinimas yra gravitacinė šviesos trauka iš galaktikos ar žvaigždės. Kraštutinis šio efekto atvejis galėtų būti juodoji skylė, kurioje šviesa niekaip negali įveikti gravitacinės traukos (Pagal teoriją juodosios skylės atsirado dėl senų, išsekusių milžiniškų žvaigždžių gravitacinio susilankstymo (griuvimo). Juodųjų skylių sandaros ir veikimo ypatumus aptikti itin sunku.Šiai dienai negalime tiksliai pasakyti, ar bent viena iš jų buvo atrasta).

Sovietų mokslininkai teigė, kad raudonasis poslinkis gali atsirasti dėl šviesos greičio mažėjimo laikui bėgant. ( Troitskis, Astrofizika ir kosmosas Mokslas, 139, (1987) 389). Šis efektas taip pat gali sukelti foninę spinduliuotę.

Fono spinduliuotė

Teoretikai teigė, kad pirmykščio Didžiojo sprogimo „aidas“ taip pat pasikeitė raudonai, todėl dabar jo reikia ieškoti mikrobangų spektro diapazone. 1965 m. Penziasas ir Wilsonas ( Penzias, Wilsonas) atrado mikrobangų foninę spinduliuotę, kurios temperatūra tik 3° virš absoliutaus nulio. Ar tai gali būti didžiojo sprogimo įrodymas?

Apytiksliai 3°K foninė spinduliuotė visomis kryptimis yra lygiai tokia pati, t.y. izotropinis. Visatą sudaro didžiulės tuščios erdvės ir milžiniškos galaktikų grupės. Jei spinduliuotė rodo Visatos praeitį, ji neturėtų būti izotropinė. Būtent dėl ​​šio neatitikimo NASA atsiuntė specialų palydovą (COBE), kad būtų galima tiksliau išmatuoti foninę spinduliuotę. Ir vėl paaiškėjo, kad spinduliuotė į visas puses buvo lygiai tokia pati. Tačiau daugkartinio kompiuterinio signalo stiprinimo pagalba astronomai pagaliau gavo ilgai lauktą anizotropiją. Temperatūros skirtumas siekė milijonines laipsnio dalis. 1992 05 01 žurnale Mokslas buvo paskelbtas straipsnis, kuriame teigiama, kad temperatūrų skirtumas „yra gerokai mažesnis už matavimo priemonių triukšmo lygį“.

Kažkas iš nieko

Astronomas Davidas Darlingas ( Mieloji) straipsnyje esančiame Naujasis mokslininkas(1996 m. rugsėjo 14 d., p. 49) perspėja: „Neleiskite kosmologijos aiškintojams jūsų apgaudinėti. Jie taip pat neturi atsakymų į klausimus – nors labai stengėsi įtikinti visus, taip pat ir juos pačius, kad jiems viskas aišku... Tiesą sakant, paaiškinimas, kaip ir nuo ko viskas prasidėjo, vis dar yra rimta problema dabar. Net kreipimasis į kvantinę mechaniką nepadeda. Arba nebuvo nieko, nuo ko viskas galėtų prasidėti – nei kvantinio vakuumo, nei ikigeometrinių dulkių, nei laiko, per kurį kas nors galėtų nutikti, jokių fizinių dėsnių, pagal kuriuos niekas negalėtų kažkuo virsti. Arba kažkas egzistavo, tokiu atveju reikia paaiškinti.

Pirmasis Įstatymas, apie kurį jau kalbėjome, sako: nieko iš nieko negali gauti.

Užsakyti nuo sprogimo? Pagal antrąjį termodinamikos dėsnį, mūsų Saulės sistemoje stebima tvarka negali būti sprogimo rezultatas. Sprogimas neatveda į tvarką. Norint gauti tam tikrą tvarką, reikia įvesti ne tik energiją, bet ir informaciją.

Paslėpta šalta tamsioji medžiaga

Didžiulė Didžiojo sprogimo teorijos problema yra ta, kaip tariamai pirmykštė didelės energijos spinduliuotė, tariamai sklaidanti įvairiomis kryptimis, gali susijungti į tokias struktūras kaip žvaigždės, galaktikos ir galaktikų spiečius. Ši teorija daro prielaidą, kad yra papildomų masės šaltinių, kurie suteikia atitinkamas traukos jėgos vertes. Ši medžiaga, kuri niekada nebuvo atrasta, buvo vadinama šalta tamsia medžiaga (CDM). Apskaičiuota, kad galaktikų susidarymui būtina, kad tokia medžiaga sudarytų 95–99% Visatos. Ši medžiaga yra panaši į naują karaliaus aprangą iš Anderseno pasakos - visi apie tai kalba, bet niekas to nematė. Kad ir kokie būtų išrasti CDM šaltiniai! M. Hawkinsas ( Hawkinsas) knygoje Visatos medžioklė(1997) pasiūlė, kad 99% visos Visatos masės sudaro mini juodosios skylės, kurių kiekviena yra maždaug dvigulės lovos dydžio. Tačiau jei šios paslaptingos juodosios skylės susiformuotų žlugus žvaigždėms, kaip teigia teorija, vargu ar jos būtų žvaigždžių formavimosi priežastis – žvaigždės susidaro tik iš žvaigždžių. Kitas pretendentas į prarastą gravitacijos šaltinį yra „vingiuojančios pluoštinės medžiagos juostos, besidriekiančios milijonus kilometrų erdvėje, taip pat itin sunkūs klinšo formos energijos gniuželiai“ ( Naujasis mokslininkas, 1997 m. rugsėjo 27 d., p. trisdešimt). Ar raudonieji nykštukai turi ką nors bendro su norima gravitacija? Ne, atsako kosmologijos specialistai, jų per mažai, o ir jų tankis ne toks didelis. Iki 1997 m. rugpjūčio mėn. buvo užregistruoti tik šeši rudieji nykštukai, tiksliau galima teigti, kad tik šeši. 1992 m. balandžio 30 d. žurnalas Gamta rašė: "Už kosmologijos srities, kuriai jie buvo išrasti, ribų nei tamsioji medžiaga, nei visatos plėtimasis neturi patikimos paramos".

Prarasta antimedžiaga

Jei materija atsirado dėl didžiojo sprogimo sukeltos didelės energijos spinduliuotės, tai tuo pačiu metu turėjo susidaryti tiek pat antimedžiagos. Bet jis nesusidarė. Jei taip atsitiktų, materija ir antimedžiaga sunaikintų viena kitą.

Žvaigždžių gimimas ir mirtis

Biblija sako, kad Kūrėjas baigė savo darbą per šešias dienas. Pagal Didžiojo sprogimo teoriją žvaigždės gimsta ir miršta pakaitomis. Manoma, kad žvaigždės susidaro tada, kai sutirštėja dulkių debesys. Kadangi sakoma, kad šis procesas užtrunka milijonus metų, niekas nematė gimstant nė vienos žvaigždės. Astronomai gali nurodyti bet kurį ūką ir paskelbti, kad tai protožvaigždė. Bet ar taip? Laikui bėgant žvaigždė perdega ir pradeda trauktis veikiama savo gravitacijos. Rezultatas – supernovos sprogimas. Panašų reginį buvo galima stebėti 1987 metais ir kelis mėnesius. 1054 m. liepos 4 d., remiantis Kinijos kronikomis, tas pats reiškinys buvo pastebėtas dangaus srityje, kur dabar yra Krabo ūkas. Mirtis ir sunaikinimas ištiks viską, kas egzistuoja, kaip teigiama Antrajame termodinamikos dėsne. Žvaigždės skirstomos į tris pagrindines kategorijas: pagrindinė seka (kaip mūsų Saulė), raudonieji milžinai ir baltieji nykštukai. Manoma, kad žvaigždė per milijonus savo gyvenimo metų turi pereiti visus tris šiuos etapus. Diagramos, vaizduojančios žvaigždžių ryškumą kaip jų temperatūros funkciją, aiškiai rodo trijų tipų žvaigždžių egzistavimą.

Žvaigždė Sirijus yra ryškiausia žvaigždė, kurią galime pamatyti, ir penkta arčiausiai Žemės. Aplink jį sukasi blanki balta nykštukė. Tačiau, sprendžiant iš metraščių, vos prieš pusantro tūkstančio metų ši kompanionė žvaigždė buvo raudonasis milžinas. Akivaizdu, kad žvaigždžių mirtis ir sunaikinimas nėra toks lėtas procesas.

Visatos dydis ir amžius

Atstumai erdvėje apskaičiuojami naudojant Hablo konstantą, kuri susieja atstumą su tolimo greičiu. Tai yra, norėdami sužinoti atstumą, naudojame tą patį atstumą! Kalbėdamas apie šios konstantos vertės neapibrėžtumą, žurnalo redaktorė Gamta(1995 m. liepos 27 d., p. 291), pažymėjo: „Gaila, kad tol, kol išliks neatitikimai, kosmologai nežinos, kaip spręsti tokius klausimus, kaip, ar Didysis sprogimas iš tikrųjų įvyko.

Magnetiniai laukai, aptinkami Ganimede, Marse ir kitose planetose, nepaaiškinami, matuojant milijonais metų. Nepaisant to, kad Mėnulyje dulkių kaupimosi laiko klausimas buvo radikaliai peržiūrėtas, problema dar neišspręsta – kodėl Mėnulyje tiek mažai dulkių? Neišspręstas ir Saturno žiedų nestabilumo klausimas.

Antropinis principas

Bet kurio cheminio elemento atomo branduolys susideda iš protonų ir neutronų. Protonai yra šiek tiek didesni už neutronus. Jei protonas svertų 0,2% daugiau, jis būtų nestabilus ir suirtų į neutroną, pozitroną ir neutriną. Vandenilio atomų branduolyje yra vienas protonas, todėl jei protonas būtų nestabilus, nebūtų nei žvaigždžių, nei vandens, nei organinių molekulių. Protono stabilumas nėra natūralios atrankos dalykas, o tai reiškia, kad toks jis turėjo būti nuo pat pradžių.

Gravitacijos jėga yra atvirkščiai proporcinga atstumo R tarp masių kvadratui, tiksliau - R-2,00000. Jei šis santykis nebūtų toks itin tikslus, Visata nebūtų viena visuma.

Žemė yra tokiu atstumu nuo Saulės, kuris yra optimalus gyvybei mūsų planetoje. Žemės sukimosi greitis; jo vandenynai ir atmosfera; Mėnulis; masyvios Jupiterį nukreipiančios kometos, keliančios grėsmę mūsų planetai (pvz., Shoemaker-Levy kometa) savo gravitacija – visa tai padeda palaikyti gyvybę Žemėje.

Atrodo, kad Visata, Saulės sistema ir Žemė buvo sukurti specialiai žmonėms. Mokslas pripažįsta šį faktą ir vadina jį antropiniu principu.

Tai, kad Kūrėjo negalima aptikti ir išmatuoti naudojant mokslinius instrumentus, nereiškia, kad Jo nėra. Tačiau tai verčia mokslininkus ieškoti alternatyvių paaiškinimų. Vienas astronomas teigė, kad mūsų Visatą sukūrė protingos būtybės, kilusios iš niekur! O kitas mano, kad mūsų Visata yra viena iš milijardų visatų, vienintelė turinti visas sąlygas gyvybei egzistuoti...

Protinga Visata

seras Fredas Hoyle'as ( Hoyle), garsus astronomas, kartą rašė: „Visatos paveikslas, galaktikų ir žvaigždžių formavimasis, bent jau toks, koks jis atrodo astronomijoje, yra stebėtinai neryškus, tarsi rūke matomas peizažas... Akivaizdu, kad m. Kosmologijos studijoms trūksta vieno komponento – tokio, kuris suponuoja protingą dizainą.

Taigi ar įvyko didelis sprogimas? Raudonasis poslinkis ir foninė spinduliuotė negali pateikti įtikinamų įrodymų. Tačiau termodinamikos, gravitacijos ir informacijos teorijos dėsniai pateikia gana aiškų atsakymą. Jokio sprogimo nebuvo.

Daktaras Davidas Roseware

Daktaras Davidas Rosevearas. Ar buvo Didysis sprogimas?

Creation Science Movement (JK), brošiūra 317. Iš anglų kalbos vertė Elena Buklerskaya.

Didįjį sprogimą patvirtina daug faktų:

Iš Einšteino bendrosios reliatyvumo teorijos išplaukia, kad visata negali būti statiška; ji turi arba plėstis, arba susitraukti.

Kuo toliau galaktika, tuo greičiau ji tolsta nuo mūsų (Hablo dėsnis). Tai rodo visatos plėtimąsi. Visatos plėtimasis reiškia, kad tolimoje praeityje visata buvo maža ir kompaktiška.

Didžiojo sprogimo modelis numato, kad kosminė mikrobangų foninė spinduliuotė turėtų pasirodyti visomis kryptimis, turinti juodo kūno spektrą ir apie 3°K temperatūrą. Mes stebime tikslų juodo kūno spektrą, kurio temperatūra yra 2,73 °K.

CMB spinduliuotė yra vienoda iki 0,00001. Turi būti nedidelis nelygumas, kad būtų paaiškintas netolygus materijos pasiskirstymas visatoje šiandien. Tokie nelygumai pastebimi ir prognozuojamame dydyje.

Didžiojo sprogimo teorija numato pastebėtus pirmykščio vandenilio, deuterio, helio ir ličio kiekius. Jokie kiti modeliai to negali padaryti.

Didžiojo sprogimo teorija numato, kad laikui bėgant visata keičiasi. Kadangi šviesos greitis yra ribotas, stebėjimas dideliais atstumais leidžia pažvelgti į praeitį. Be kitų pokyčių, matome, kad kai visata buvo jaunesnė, kvazarai buvo dažnesni, o žvaigždės buvo mėlynesnės.

Yra bent 3 būdai nustatyti Visatos amžių. Toliau aprašysiu:
*Cheminių elementų amžius.
*Seniausių rutulinių spiečių amžius.
*Seniausių baltųjų nykštukų žvaigždžių amžius.
*Visatos amžių taip pat galima įvertinti pagal kosmologinius modelius, pagrįstus Hablo konstanta, taip pat medžiagos ir tamsiosios energijos tankiais.Šis modeliu pagrįstas amžius šiuo metu yra 13,7 ± 0,2 milijardo metų.

Eksperimentiniai matavimai atitinka amžiumi pagrįstą modelį, kuris sustiprina mūsų pasitikėjimą Didžiojo sprogimo modeliu.

Iki šiol COBE palydovas užfiksavo foninę spinduliuotę su bangomis panašiomis struktūromis ir amplitudės svyravimais kelių milijardų šviesmečių atstumu nuo Žemės. Visos šios bangos yra labai padidinti tų mažyčių struktūrų, nuo kurių prasidėjo Didysis sprogimas, vaizdai. Šių struktūrų dydis buvo net mažesnis nei subatominių dalelių dydis.
Pernai į kosmosą išsiųstas naujas MAP (Microwave Anisotropy Probe) palydovas sprendžia tas pačias problemas. Jo misija – rinkti informaciją apie mikrobangų spinduliuotę, likusią po Didžiojo sprogimo.

Šviesa, ateinanti į Žemę iš tolimų žvaigždžių ir galaktikų (nepriklausomai nuo jų padėties Saulės sistemos atžvilgiu), turi būdingą raudoną poslinkį (Barrow, 1994). Šis poslinkis atsiranda dėl Doplerio efekto – šviesos bangų ilgio padidėjimo šviesos šaltiniui greitai tolstant nuo stebėtojo. Įdomu tai, kad šis efektas stebimas visomis kryptimis, o tai reiškia, kad visi tolimi objektai tolsta nuo Saulės sistemos. Tačiau tai neįvyksta, nes Žemė yra Visatos centras. Greičiau situaciją galima apibūdinti palyginus su balionu, nudažytu taškeliais. Kai balionas prisipučia, atstumas tarp žirnių didėja. Visata plečiasi ir tai daro ilgą laiką. Kosmologai mano, kad Visata susiformavo per vieną minutę prieš 10-20 milijardų metų. Jis „išskrido į visas puses“ iš vieno taško, kur materija buvo neįsivaizduojamo susikaupimo būsenoje. Šis įvykis vadinamas Didžiuoju sprogimu.

Lemiamas įrodymas, patvirtinantis Didžiojo sprogimo teoriją, buvo foninės kosminės spinduliuotės, vadinamosios kosminės mikrobangų foninės spinduliuotės, egzistavimas. Ši spinduliuotė yra liekamasis energijos, išsiskiriančios sprogimo pradžioje, ženklas. CMB buvo prognozuotas 1948 m., o eksperimentiškai aptiktas 1965 m. Tai mikrobangų spinduliuotė, kurią galima aptikti bet kurioje erdvės vietoje ir kuri sukuria foną visoms kitoms radijo bangoms. Radiacijos temperatūra siekia 2,7 laipsnio Kelvino (Taubes, 1997). Šios liekamosios energijos buvimas visur patvirtina ne tik Visatos atsiradimo (o ne amžinojo egzistavimo) faktą, bet ir tai, kad jos gimimas buvo sprogstamasis.

Jei darysime prielaidą, kad Didysis sprogimas įvyko prieš 13 500 milijonų metų (tai patvirtina keli faktai), tai pirmosios galaktikos atsirado dėl milžiniškų dujų sankaupų maždaug prieš 12 500 milijonų metų (Calder, 1983). Šių galaktikų žvaigždės buvo mikroskopinės labai suslėgtų dujų sankaupos. Stiprus gravitacinis slėgis jų šerdyje inicijavo termobranduolinės sintezės reakcijas, paverčiančias vandenilį į helią su šalutinio produkto energijos emisija (Davies, 1994). Žvaigždėms senstant, jose esančių elementų atominė masė didėjo. Tiesą sakant, visi už vandenilį sunkesni elementai yra žvaigždžių produktai. Žvaigždžių šerdies karštoje krosnyje formavosi vis sunkesni elementai. Taip atsirado geležis ir mažesnės atominės masės elementai. Kai ankstyvosios žvaigždės išnaudojo kurą, jos nebegalėjo atsispirti gravitacijos jėgoms. Žvaigždės subyrėjo ir tada sprogo kaip supernovos. Per supernovos sprogimus atsirado elementų, kurių atominė masė didesnė už geležies. Ankstyvųjų žvaigždžių paliktos nevienalytės tarpžvaigždinės dujos tapo statybine medžiaga, iš kurios galėjo susidaryti naujos saulės sistemos. Šių dujų ir dulkių sankaupos iš dalies susidarė dėl abipusio dalelių traukos. Jei dujų debesies masė pasiekė tam tikrą kritinę ribą, gravitacinis slėgis paskatino branduolių sintezės procesą ir iš senosios žvaigždės liekanų gimė naujas.

Didžiojo sprogimo modelio įrodymai gaunami iš įvairių stebėtų duomenų, kurie atitinka Didžiojo sprogimo modelį. Nė vienas iš šių Didžiojo sprogimo įrodymų nėra įtikinamas kaip mokslinė teorija. Daugelis šių faktų atitinka tiek Didįjį sprogimą, tiek kai kuriuos kitus kosmologinius modelius, tačiau kartu šie stebėjimai rodo, kad Didžiojo sprogimo modelis šiandien yra geriausias Visatos modelis. Šie stebėjimai apima:

Nakties dangaus juodumas – Olberio paradoksas.
Hablo dėsnis – tiesinės atstumo priklausomybės nuo raudonojo poslinkio dėsnis. Šie duomenys šiandien yra labai tikslūs.
Homogeniškumas yra aiškūs duomenys, rodantys, kad mūsų vieta Visatoje nėra unikali.
Erdvės izotropija yra labai aiškūs duomenys, rodantys, kad dangus visomis kryptimis atrodo vienodas, 1 dalis iš 100 000.
Laiko išsiplėtimas supernovos ryškumo kreivėse.
Aukščiau pateikti stebėjimai atitinka tiek Didįjį sprogimą, tiek pastovios būsenos modelį, tačiau daugelis stebėjimų palaiko Didįjį sprogimą geriau nei pastovios būsenos modelis:
Radijo šaltinių ir kvazarų skaičiaus priklausomybė nuo ryškumo. Tai rodo, kad Visata išsivystė.
Juodojo kūno kosminės mikrobangų foninės spinduliuotės egzistavimas. Tai rodo, kad Visata išsivystė iš tankios, izoterminės būsenos.
Keisti Trelikt. pasikeitus raudonojo poslinkio vertei. Tai yra tiesioginis Visatos evoliucijos stebėjimas.
Deuterio, 3He, 4He ir 7Li turinys. Visų šių šviesių izotopų gausa gerai atitinka prognozuojamas reakcijas, įvyksiančias per pirmąsias tris minutes.
Galiausiai, vienos milijono dalies kampinio intensyvumo CMB anizotropija atitinka tamsiosios medžiagos dominuojamą Didžiojo sprogimo modelį, kuris išgyveno infliacijos stadiją.

Tikslūs COBE palydovo matavimai patvirtino, kad kosminė mikrobangų foninė spinduliuotė užpildo Visatą ir jos temperatūra siekia 2,7 laipsnio Kelvino.Ši spinduliuotė fiksuojama iš visų krypčių ir yra gana vienoda. Remiantis teorija, Visata plečiasi, todėl praeityje turėjo būti tankesnė. Ir todėl radiacijos temperatūra tuo metu turėtų būti aukštesnė. Dabar tai neginčijamas faktas.

Chronologija:

* Planko laikas: 10-43 sekundės. Per šį tarpą laikas, gravitacija gali būti laikoma klasikiniu fonu, kuriame dalelės ir laukai vystosi, paklūstantys kvantinės mechanikos dėsniams. Apie 10-33 cm skersmens plotas yra vienalytis ir izotropinis, Temperatūra T=1032K.
* Infliacija. Pagal Linde chaotišką infliacijos modelį infliacija prasideda Plancko laiku, nors ji gali prasidėti, kai temperatūra nukrenta iki taško, kai staiga nutrūksta Didžiosios vieningos teorijos (GUT) simetrija. Tai įvyksta esant 1027–1028 K temperatūrai, praėjus 10–35 sekundėms po Didžiojo sprogimo.
* Infliacija baigiasi. Laikas 10-33 sekundės, temperatūra vis dar 1027 - 1028K, nes vakuuminis energijos tankis, kuris pagreitina infliaciją, virsta šiluma. Pasibaigus infliacijai, plėtimosi greitis yra toks didelis, kad tariamas Visatos amžius yra tik 10-35 sekundės. Dėl infliacijos vienalytės srities nuo Planko momento laiko skersmuo yra ne mažesnis kaip 100 cm, t.y. nuo Planko laikų išaugo daugiau nei 1035 kartus. Tačiau kvantiniai svyravimai infliacijos metu sukuria nehomogeniškumo sritis, kurių amplitudė ir atsitiktinis pasiskirstymas yra vienodos visuose diapazonuose.
* Bariogenezė: Nedidelis medžiagos ir antimedžiagos reakcijos greičio skirtumas lemia, kad mišinyje yra apie 100 000 001 protonų kiekvienam 100 000 000 antiprotonų (ir 100 000 000 fotonų).
* Visata auga ir vėsta iki 0,0001 sekundės po Didžiojo sprogimo ir maždaug T=1013 K temperatūra. Antiprotonai anihiliuojasi protonais, lieka tik materija, bet kiekvienam išlikusiam protonui ir neutronui lieka labai daug fotonų.
* Visata auga ir vėsta iki 1 sekundės po Didžiojo sprogimo, temperatūra T = 1010 K. Silpnos sąveikos užšaldomos, kai protonų/neutronų santykis yra apie 6. Šiuo momentu vienalytė sritis pasiekia 1019,5 cm dydį.
* Visata auga ir vėsta iki 100 sekundžių po Didžiojo sprogimo. Temperatūra 1 milijardas laipsnių, 109 K. Elektronai ir pozitronai anihiliuojasi, sudarydami dar daugiau fotonų, o protonai ir neutronai jungiasi į deuterio (sunkiojo vandenilio) branduolius. Dauguma deuterio branduolių susijungia į helio branduolius. Galiausiai masė sudaro apie 3/4 vandenilio, 1/4 helio; deuterio/protono santykis yra 30 ppm. Kiekvienam protonui ar neutronui tenka apie 2 milijardus fotonų.
* Praėjus mėnesiui po BW, susilpnėja procesai, transformuojantys radiacinį lauką į visiškai juodo kūno spinduliuotės spektrą; dabar jie atsilieka nuo Visatos plėtimosi, todėl kosminės mikrobangų foninės spinduliuotės spektras išsaugo su šiuo laiku susijusią informaciją. .
* Medžiagos tankis, palyginti su radiacijos tankiu praėjus 56 000 metų po pasaulinio karo. Temperatūra 9000 K. Tamsiosios medžiagos nehomogeniškumas gali pradėti mažėti.
* Protonai ir elektronai susijungia ir sudaro neutralų vandenilį. Visata tampa skaidri. Temperatūra T=3000 K, laikas 380 000 metų po pasaulinio karo. Paprastoji medžiaga dabar gali nukristi ant tamsiosios medžiagos debesų. CMB laisvai keliauja nuo šio laiko iki dabarties, todėl CMB anizotropija suteikia to meto Visatos vaizdą.
* Praėjus 100-200 milijonų metų po BV, susidaro pirmosios žvaigždės, kurios savo spinduliuote vėl jonizuoja Visatą.
* Pirmosios supernovos sprogsta, užpildydamos Visatą anglimi, azotu, deguonimi, siliciu, magniu, geležimi ir pan., iki pat Urano.
* Tamsiosios medžiagos debesims, žvaigždėms ir dujoms susikaupus, susidaro galaktikos.
* Susidaro galaktikų spiečiai.
* Prieš 4,6 milijardo metų susiformavo Saulė ir Saulės sistema.
* Šiandien: laikas 13,7 milijardo metų po Didžiojo sprogimo, temperatūra T = 2,725 K. Vienalytė sritis šiandien yra mažiausiai 1029 cm skersmens, o tai yra didesnė už stebimą Visatos dalį.

Buvo Didysis sprogimas! Štai ką apie tai parašė, pavyzdžiui, akademikas Ya.B. Zeldovičius 1983 m.: „Šiuo metu Didžiojo sprogimo teorija neturi jokių pastebimų trūkumų. Galima net sakyti, kad taip pat tvirtai ir tiesa, kaip ir tai, kad Žemė sukasi aplink Saulę. Abi teorijos užėmė pagrindinę vietą savo laikų visatos paveiksle ir abi turėjo daug priešininkų, tvirtinusių, kad jose išdėstytos naujos idėjos yra absurdiškos ir prieštaraujančios sveikam protui. Tačiau tokios kalbos negali sutrukdyti naujų teorijų sėkmei.

Radijo astronomijos duomenys rodo, kad praeityje tolimi ekstragalaktiniai radijo šaltiniai skleisdavo daugiau spinduliuotės nei dabar. Todėl šie radijo šaltiniai vystosi. Dabar, kai stebime galingą radijo šaltinį, neturime pamiršti, kad žvelgiame į tolimą jo praeitį (juk šiandien radijo teleskopai priima bangas, kurios buvo skleidžiamos prieš milijardus metų). Faktas, kad radijo galaktikos ir kvazarai vystosi, o jų evoliucijos laikas yra proporcingas metagalaktikos egzistavimo laikui, taip pat paprastai laikomas palankiu Didžiojo sprogimo teorijai.

Svarbus „karštos Visatos“ patvirtinimas išplaukia palyginus pastebėtą cheminių elementų gausą su helio ir vandenilio (apie 1/4 helio ir maždaug 3/4 vandenilio) kiekio, susidariusio pirminės termobranduolinės sintezės metu.

Šviesos elementų gausa
Ankstyvoji Visata buvo labai karšta. Net jei susidūrimo metu protonai ir neutronai susijungdavo ir suformavo sunkesnius branduolius, jų gyvavimo laikas buvo nereikšmingas, nes kitą kartą susidūrus su kita sunkia ir greita dalele branduolys vėl subyrėjo į elementarius komponentus. Pasirodo, nuo Didžiojo sprogimo momento turėjo praeiti maždaug trys minutės, kol Visata pakankamai atvėso, kad susidūrimų energija kiek suminkštėtų ir elementariosios dalelės pradėtų formuoti stabilius branduolius. Ankstyvosios Visatos istorijoje tai reiškė galimybių langą formuotis šviesos elementų branduoliams. Visi branduoliai, susidarę per pirmąsias tris minutes, neišvengiamai subyrėjo; Vėliau pradėjo atsirasti stabilūs branduoliai.

Tačiau šis pradinis branduolių susidarymas (vadinamoji nukleosintezė) ankstyvoje Visatos plėtimosi stadijoje truko neilgai. Netrukus po pirmųjų trijų minučių dalelės nuskriejo taip toli viena nuo kitos, kad susidūrimai tarp jų tapo itin reti, o tai pažymėjo branduolių sintezės lango uždarymą. Per šį trumpą pirminės nukleosintezės laikotarpį protonų ir neutronų susidūrimų metu susidarė deuteris (sunkusis vandenilio izotopas su vienu protonu ir vienu neutronu branduolyje), helis-3 (du protonai ir neutronas), helis-4 (du protonai). ir du neutronai) ir nedideliais kiekiais ličio-7 (trys protonai ir keturi neutronai). Visi sunkesni elementai susidaro vėliau – formuojantis žvaigždėms (žr. Žvaigždžių evoliucija).

Didžiojo sprogimo teorija leidžia nustatyti ankstyvosios Visatos temperatūrą ir dalelių susidūrimų joje dažnį. Dėl to galime apskaičiuoti skirtingų šviesos elementų branduolių skaičiaus santykį pirminiame Visatos vystymosi etape. Palyginus šias prognozes su faktiniais pastebėtais šviesos elementų santykiais (pataisyta atsižvelgiant į jų gamybą žvaigždėse), randame įspūdingą teorijos ir stebėjimų susitarimą. Mano nuomone, tai yra geriausias Didžiojo sprogimo hipotezės patvirtinimas.

Be dviejų aukščiau pateiktų įrodymų (mikrobangų fono ir šviesos elementų santykio), naujausi darbai (žr. Visatos plėtimosi infliacijos stadiją) parodė, kad Didžiojo sprogimo kosmologijos ir šiuolaikinės elementariųjų dalelių teorijos susiliejimas išsprendžia daugybę esminių klausimų. Visatos sandaros. Žinoma, problemos išlieka: negalime paaiškinti pačios pagrindinės visatos priežasties; Mums taip pat neaišku, ar dabartiniai fiziniai dėsniai galiojo jų atsiradimo momentu. Tačiau šiandien yra daugiau nei pakankamai įtikinamų argumentų, palaikančių Didžiojo sprogimo teoriją.

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 buvo sukurta iš nieko? Niekis yra visiškas ne tik materijos, molekulių ir atomų, bet net laiko ir erdvės nebuvimas. 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 netiesiogiai patvirtino mokslines teorijas: mokslininkai tyrė aplinką, kurioje teoriškai galėjo kilti 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 teigia, kad Visata egzistuoja ir egzistavo visada, keičiasi tik jos vystymosi sąlygos, dėl kurių gyvybė viename regione išnyksta, o kitame atsiranda. 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 platesniu mastu. 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 gauti praktinės naudos iš šių žinių yra gana problematiška: žmogus netaps Visatos valdovu, pasak jo. žodis ir noras, 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. Tačiau už grynai fizinės problemos slypi 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 sukėlėšis 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 atsispirti savo svoriui ir griūva, suformuodama neutroninę žvaigždę arba juodąją skylę. Medžiagos suspaudimo laipsnis labai ankstyvoje Visatoje buvo žymiai didesnis nei tankiausios žvaigždės; Todėl dažnai kyla klausimas, kodėl pirmapradis kosmosas nuo pat pradžių nesugriuvo į juodąją skylę.

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 ad hoc(šiuo atveju); Iš esmės jame tik teigiama, kad įvyko Didysis sprogimas. Vis dar lieka neaišku, kodėl sprogimo jėga buvo tokia, kokia buvo, o ne kita. Kodėl sprogimas nebuvo dar stipresnis, kad Visata dabar plečiasi daug greičiau? Taip pat galima paklausti, kodėl Visata šiuo metu nesiplečia daug lėčiau arba visai nesitraukia. Žinoma, jei sprogimas nebūtų pakankamai galingas, Visata greitai subyrėtų ir nebūtų kam tokių klausimų užduoti. Tačiau mažai tikėtina, kad toks samprotavimas gali būti laikomas paaiškinimu.

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 buvęs šiek tiek mažesnis, būtų įvykęs Visatos griūtis, o jei būtų šiek tiek daugiau, kosminė medžiaga jau seniai būtų visiškai išsisklaidusi. 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. Remiantis šiuolaikiniais stebėjimais. Visata dideliais masteliais yra labai vienalytė materijos ir energijos pasiskirstymo požiūriu. Pasaulinė erdvės struktūra yra beveik vienoda tiek stebint iš Žemės, tiek iš tolimos galaktikos. Galaktikos yra išsibarsčiusios erdvėje vienodu vidutiniu tankiu ir iš kiekvieno taško Visata visomis kryptimis atrodo vienodai. Pirminė šiluminė spinduliuotė, užpildanti Visatą, krenta į Žemę, turėdama vienodą temperatūrą visomis kryptimis ne mažesniu kaip 10-4 tikslumu. Pakeliui į mus ši spinduliuotė keliauja per kosmosą milijardus šviesmečių ir turi bet kokio nukrypimo nuo homogeniškumo pėdsaką.

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 pagal reliatyvumo teoriją joks fizinis poveikis negali sklisti greičiau nei šviesa. 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, stebėdami šiluminę kosminę spinduliuotę, sklindančią iš priešingų žvaigždėto dangaus pusių, registruojame lygiai tokius pačius Visatos regionų „pirštų atspaudus“, kuriuos skiria didžiuliai atstumai: šie atstumai yra daugiau nei 90 kartų didesni už atstumą iki šviesos. galėtų keliauti nuo šiluminės spinduliuotės išskyrimo momento .

Kaip paaiškinti tokią nepaprastą skirtingų erdvės sričių, kurios, be abejo, niekada nebuvo tarpusavyje susijusios, darną? Kaip atsirado toks panašus elgesys? 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 pradinėje Didžiojo sprogimo fazėje vis tiek turėjo būti šiek tiek nehomogeniškumo, kitaip galaktikos niekada nebūtų susiformavusios. Senojoje Didžiojo sprogimo teorijoje šie ankstyvieji nutrūkimai 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 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, kokia sudėtinga yra Visatos stabilumo problema. Kaip žvaigždės išlaiko savo padėtį erdvėje be paramos? Dėl universalaus gravitacinio traukos pobūdžio žvaigždės turėjo būti sujungtos į spiečius arti vienas kito.

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. Tokiu atveju apskritai nebūtų bendro centro, link kurio galėtų kristi visos žvaigždės – juk begalinėje Visatoje visi regionai yra identiški. Bet kuri žvaigždė patirtų visų savo kaimynų gravitacinės traukos įtaką, tačiau dėl šių įtakų vidurkio įvairiomis kryptimis nebūtų jėgos, linkusios perkelti tam tikrą žvaigždę 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 daug 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. Šia prasme tokią jėgą būtų galima pavadinti „antigravitacine“, nors teisingiau būtų kalbėti apie kosminio atstūmimo jėgą. Šiuo atveju Einšteinas ne tik savavališkai išrado šią jėgą. Jis parodė, kad į jo gravitacinio lauko lygtis galima įvesti papildomą terminą, dėl kurio atsiranda jėga su norimomis savybėmis.

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 keistas pačios gravitacijos pasireiškimas. Nesunku parodyti, kad kosminio atstūmimo padarinius galima priskirti įprastai gravitacijai, jei gravitacinio lauko šaltiniu pasirenkama neįprastų savybių terpė. Įprasta materiali terpė (pavyzdžiui, 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, hipotetinė erdvės aplinka nedarys spaudimo indo sienelėms, o linkusi 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. Bet kokiu atveju mechanines jėgas sukuria ne pats slėgis, o slėgių skirtumas, tačiau daroma prielaida, kad hipotetinė terpė užpildo visą erdvę. Ji negali apsiriboti tik indo sienelėmis, 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 išsiplės, tai gravitacinė trauka (silpnėja didėjant atstumui) šiek tiek sumažėtų, o kosminio atstūmimo jėga (didėjant atstumui) šiek tiek padidėtų. Tai sukeltų disbalansą atstumiamųjų jėgų naudai, o tai sukeltų tolesnį neribotą Visatos plėtimąsi, veikiant viską užkariaujančiam atstūmimui. Priešingai, statinė Einšteino visata šiek tiek susitrauktų, gravitacinė jėga padidėtų, o kosminės atstūmimo jėga sumažėtų, o tai sukeltų disbalansą traukos jėgų naudai ir, kaip pasekmė greitesnis suspaudimas ir galiausiai žlugimas, kurio Einšteinas manė išvengęs. Taigi, esant menkiausiam nukrypimui, griežta pusiausvyra būtų sutrikdyta, o kosminė katastrofa būtų neišvengiama.

Vėliau, 1927 m., Hablas atrado galaktikų nuosmukio (t. y. Visatos plėtimosi) reiškinį, dėl kurio pusiausvyros problema tapo beprasmė. Tapo aišku, kad Visatai negresia suspaudimas ir žlugimas, nes tai plečiasi. Jei Einšteino nebūtų blaškęs kosminio atstūmimo jėgos ieškojimas, jis tikriausiai 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.

Nebuvo sunku atsekti atstumiančios jėgos išlaikymo pasekmes besiplečiančios Visatos scenarijuje. Ankstyvosiose vystymosi stadijose, kai Visata vis dar yra suspaustoje būsenoje, atstūmimo galima nepaisyti. Šios fazės metu gravitacinė trauka sulėtino plėtimosi greitį – visiškai analogiškai su tuo, kaip Žemės gravitacija sulėtina vertikaliai į viršų paleistos raketos judėjimą. Jei be paaiškinimo sutiksime, kad Visatos evoliucija prasidėjo nuo greito plėtimosi, tai gravitacija turėtų nuolat mažinti plėtimosi greitį iki šiuo metu stebimos reikšmės. Laikui bėgant, materijai išsisklaidžius, gravitacinė sąveika silpnėja. 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 atrodys, 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. Visai įmanoma, kad jis tiesiog per silpnas, kad būtų aptiktas šiuolaikiniais instrumentais. Stebėjimo tikslumas visada yra ribotas, todėl galima įvertinti tik viršutinę šios galios ribą. Galima prieštarauti, kad estetiniu požiūriu gamtos dėsniai atrodytų paprastesni, jei nebūtų kosminio atstūmimo. Tokios diskusijos užsitęsė ilgus metus ir nedavė jokių konkrečių rezultatų, kol staiga į problemą buvo pažvelgta visiškai nauju kampu, o tai suteikė netikėtai aktualumo.

Infliacija: Didysis sprogimas paaiškino

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.

Šis bendras vaizdas susidaro iš naujausių darbų, tiriančių 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 suprasti, kad kvantiniame aprašyme vakuumas vaidina lemiamą vaidmenį. Tai, ką mes vadiname dalelėmis, yra tik reti sutrikimai, tokie kaip „burbuliukai“ visos veiklos jūros paviršiuje.

70-ųjų pabaigoje tapo akivaizdu, kad norint suvienodinti keturias sąveikas, reikia visiškai peržiūrėti idėjas apie fizinę vakuumo prigimtį. Teorija teigia, kad vakuuminė energija nepasireiškia vienareikšmiškai. Paprasčiau tariant, vakuumas gali būti sužadintas ir būti vienoje iš daugelio būsenų, kurių energija labai skiriasi, kaip ir atomas gali būti sužadintas, kad pereitų į aukštesnius energijos lygius. Šios vakuuminės būsenos – jei galėtume jas stebėti – atrodytų lygiai taip pat, nors ir turi visiškai skirtingas savybes.

Visų pirma, vakuume esanti energija didžiuliais kiekiais teka iš vienos būsenos į kitą. Pavyzdžiui, Grand Unified teorijose skirtumas tarp mažiausios ir aukščiausios 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 aplinka, kuri sukuria kosminį atstūmimą, tik šį kartą skaitiniai slėgiai yra tokie dideli, kad atstūmimas yra 10^120 kartų didesnis už jėgą, kurios Einšteinui reikėjo norint 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 tyli. Visatos užimamos erdvės tūris šiuo atveju turėtų padvigubėti kas 10^-34 s (arba tos pačios eilės laiko intervalą).

Toks Visatos superišsiplėtimas turi nemažai būdingų bruožų: visi atstumai didėja pagal eksponentinį dėsnį (su eksponentinės 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 (Masačusetso technologijos institutas, JAV) buvo vadinamas „infliacija“. Dėl itin spartaus ir nuolat 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.

Pagal „infliacijos scenarijų“ Visata savo egzistavimą pradėjo nuo vakuumo būsenos, kurioje nėra materijos ir spinduliuotės. Tačiau net jei jie būtų iš pradžių, jų pėdsakai greitai išnyktų dėl milžiniško augimo tempo infliacijos fazėje. Per itin trumpą laiką, atitinkantį šią fazę, erdvės sritis, šiandien užimanti visą stebimą Visatą, išaugo nuo milijardinės protono dydžio iki kelių centimetrų. Bet kurios iš pradžių egzistavusios medžiagos tankis iš tikrųjų taptų nuliu.

Taigi, infliacijos fazės pabaigoje Visata buvo tuščia ir šalta. Tačiau infliacijai išsekus, Visata staiga tapo itin „karšta“. Šis šilumos pliūpsnis, kuris apšvietė erdvę, atsirado dėl didžiulių energijos atsargų, esančių „klaidingame“ vakuume. Kai vakuumo būsena nyko, jos energija išsiskyrė spinduliuotės pavidalu, kuri akimirksniu įkaitino Visatą iki maždaug 10^27 K, o to pakanka, kad vyktų procesai GUT. Nuo to momento Visata vystėsi pagal standartinę „karštojo“ Didžiojo sprogimo teoriją. Dėl šiluminės energijos atsirado materija ir antimedžiaga, tada Visata pradėjo vėsti ir palaipsniui visi jos elementai, stebimi šiandien, pradėjo „užšalti“.

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 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.

Iš kur atsirado ši energija, įkvėpusi gyvybės mūsų Visatai? Pagal infliacijos teoriją tai tuščios erdvės energija, kitaip dar vadinama kvantiniu vakuumu. Tačiau ar toks atsakymas gali mus visiškai patenkinti? Natūralu paklausti, kaip vakuumas įgavo energijos.

Apskritai, kai užduodame klausimą, iš kur atsiranda energija, iš esmės darome svarbią prielaidą apie tos energijos prigimtį. Vienas iš pagrindinių fizikos dėsnių yra energijos tvermės dėsnis, pagal kurią skirtingos energijos formos gali keistis ir transformuotis viena į kitą, tačiau bendras energijos kiekis išlieka nepakitęs.

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. 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 ad hoc)? 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 nuostabus faktas, kad energijos tvermės dėsnis įprasta prasme netaikomaį 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 dingo visa ši 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, jų vidinė energija eikvojama darbui. Visiškai priešingai, kosminis atstūmimas yra panašus į terpės elgesį neigiamas 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. Iš esmės nėra jokių apribojimų energijos kiekiui, kuris gali išsiskirti infliacinės plėtros metu. Šis teiginys žymi tradicinio mąstymo revoliuciją su šimtmečiais „iš nieko niekas negimsta“ (šis posakis datuojamas bent jau Parmenido laikais, t. y. V a. pr. Kr.). Dar visai neseniai mintis apie galimybę „sukurti“ iš nieko buvo visiškai religijų sferoje. Visų pirma, krikščionys jau seniai tikėjo, kad Dievas sukūrė pasaulį iš Nieko, tačiau mintis apie spontaniško visos materijos ir energijos atsiradimo galimybę dėl grynai fizinių procesų mokslininkų prieš dešimt metų buvo laikoma visiškai nepriimtina.

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 pradinę idėją, kad Visata išgyveno ankstyvą itin spartaus plėtimosi laikotarpį, tapo aišku, kad toks scenarijus gali gražiai paaiškinti daugelį Didžiojo sprogimo kosmologijos ypatybių, kurios anksčiau buvo laikomos savaime suprantamais dalykais.

Viename iš ankstesnių skyrių susidūrėme su labai aukšto pirminio sprogimo organizuotumo ir nuoseklumo paradoksais. Vienas iš puikių to pavyzdžių yra sprogimo jėga, kuri, kaip paaiškėjo, buvo tiksliai „pritaikyta“ erdvės gravitacijos dydžiui, dėl kurios Visatos plėtimosi greitis mūsų laikais yra labai artimas ribinė vertė, skirianti suspaudimą (griuvimą) ir greitą išsiplėtimą. Lemiamas infliacijos scenarijaus išbandymas yra tai, ar jis apima tokio tiksliai apibrėžto masto Didįjį sprogimą. Pasirodo, dėl eksponentinio išsiplėtimo infliacijos fazėje (tai būdingiausia jo savybė) sprogimo jėga automatiškai griežtai užtikrina Visatos gebėjimą įveikti savo gravitaciją. Infliacija gali lemti būtent tokį plėtimosi tempą, koks iš tikrųjų yra stebimas.

Kita „didžioji paslaptis“ yra susijusi su Visatos vienalytiškumu dideliais mastais. Taip pat iš karto išsprendžiama remiantis infliacijos teorija. Bet kokie pradiniai Visatos struktūros netolygumai turėtų būti visiškai ištrinti, nepaprastai padidėjus jos dydžiui, lygiai taip pat, kaip išsilygina ištuštinto baliono raukšlės jį 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 galėtų atsirasti šiuolaikinių galaktikų ir galaktikų spiečių, ankstyvosios Visatos struktūra turėjo turėti tam tikrą „gumbumą“. 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, todėl išaugo kondensacijos plotai ir jie absorbavo papildomas medžiagas. 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.

Deja, jei dujose nuo pat pradžių nebūtų buvę nevienalytiškumo, tai toks galaktikų susidarymo mechanizmas būtų veikęs laiku, gerokai viršijančiu Visatos amžių. Faktas yra tas, kad kondensacijos ir suskaidymo procesai varžėsi su Visatos plėtimu, kurį lydėjo dujų sklaida. 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 išlieka galutinėje būsenoje. Gali būti, kad šie nehomogeniškumas gali būti gravitacinio suspaudimo „sėklos“ (centrai) ir galiausiai paskatino galaktikų ir jų grupių susidarymą. Tačiau matematinis svyravimo mechanizmo modeliavimas buvo atliktas labai ribotai. Paprastai poveikis pasirodo per didelis, apskaičiuoti nehomogeniškumas yra per didelis. Tiesa, naudojami modeliai buvo per grubūs ir galbūt subtilesnis požiūris būtų buvęs sėkmingesnis. Nors teorija toli gražu nėra baigta, ji bent jau aprašo mechanizmo, galinčio sukelti galaktikų susidarymą be ypatingų pradinių sąlygų, pobūdį.

Gutho infliacinio scenarijaus variante klaidingas vakuumas pirmiausia virsta „tikruoju“ vakuumu arba mažiausios energijos vakuumo būsena, kurią mes identifikuojame su tuščia erdve. Šio pokyčio pobūdis yra gana panašus į fazinį perėjimą (pavyzdžiui, iš dujų į skystį). Tokiu atveju netikrame vakuume atsitiktinai susidarytų tikrieji vakuuminiai burbuliukai, kurie, plečiantis šviesos greičiu, gautų vis didesnius erdvės plotus. Kad netikras vakuumas egzistuotų pakankamai ilgai, kad infliacija galėtų atlikti savo „stebuklingą“ darbą, šios dvi būsenos turi būti atskirtos energijos barjeru, 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. Naujojoje teorijoje nėra tunelio tarp dviejų vakuuminių būsenų; 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.

Įdomu, kad Guthas iš pradžių sukūrė savo infliacijos teoriją, kad išspręstų visiškai kitokią kosmologinę problemą – magnetinių monopolių nebuvimą gamtoje. Kaip parodyta 9 skyriuje, standartinė Didžiojo sprogimo teorija numato, kad pirminėje Visatos evoliucijos fazėje monopolių turėtų atsirasti gausybė. Juos galbūt lydi jų vienmačiai ir dvimačiai atitikmenys – keisti objektai, turintys „stygos“ ir „lapo“ charakterį. Problema buvo išlaisvinti Visatą nuo šių „nepageidaujamų“ objektų. Infliacija automatiškai išsprendžia monopolių ir kitas panašias problemas, nes milžiniškas erdvės išsiplėtimas efektyviai sumažina jų tankį iki nulio.

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 infliacinės teorijos sėkmės aiškinant 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 (buvęs nihilo). Be jokios abejonės, mus supančiame pasaulyje kai kurie objektai dažniausiai egzistuoja dėl kitų objektų buvimo. Taigi Žemė atsirado iš protosoliarinio ūko, kuris savo ruožtu - iš galaktikos dujų ir kt. Jei atsitiktinai pamatytume objektą, staiga atsirandantį „iš nieko“, tikriausiai suvoktume tai kaip stebuklą; pavyzdžiui, nustebtume, jei užrakintame, tuščiame seife staiga aptiktume daugybę monetų, peilių ar saldainių. Kasdieniame gyvenime esame įpratę pripažinti, kad viskas iš kažkur ar iš kažko atsiranda.

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 menininko kūrybinės vaizduotės rezultatas.

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 netikėtasįkvėpimas. 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, Sydney Coleman iš Harvardo universiteto, Alexas Vilenkinas iš Tuftso universiteto ir Edas Tyonas bei 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. Kaip aptarėme 2 skyriuje, pagrindinis kvantinio elgesio bruožas yra griežtų priežasties ir pasekmės ryšių praradimas. Klasikinėje fizikoje mechanikos pristatymas buvo griežtai laikomasi priežastingumo. Visos kiekvienos dalelės judėjimo detalės buvo griežtai iš anksto nustatytos judėjimo dėsnių. Buvo tikima, kad judėjimas yra nenutrūkstamas ir griežtai nulemtas veikiančių jėgų. Judėjimo dėsniai tiesiogine prasme 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 „keistai“, tarsi priešindamosi griežtai nurodytiems judesiams, staiga be jokios aiškios priežasties atsiranda netikėčiausiose vietose, o kartais pasirodo ir išnyksta „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, norint apibūdinti tokią situaciją, geriausia pasakyti, kad atomo sužadinimas ne tiek lemia fotono atsiradimą, kiek „stumia“ jį link to.

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 „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, turintis tiek daug protonų, tampa labai nestabilus, tačiau tai nėra visiškai aišku.

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 elektrinio lauko sukeliamą erdvės nykimą sunku suvokti, panašus procesas, veikiamas gravitacijos, gali vykti ir 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? Čia praverčia gumos analogija. Jei elastinė guminė juosta ištraukiama, ji „tampa didesnė“. Erdvė primena superelastingą tuo, kad, kiek žinome, ji gali neribotai ištempti ir nesulūžti.

Erdvės tempimas ir kreivumas primena elastingo kūno deformaciją tuo, kad erdvės „judėjimas“ vyksta pagal mechanikos dėsnius lygiai taip pat, kaip ir įprastos materijos judėjimas. Šiuo atveju tai yra gravitacijos dėsniai. Kvantinė teorija vienodai taikoma materijai, erdvei ir laikui. Ankstesniuose skyriuose sakėme, kad kvantinė gravitacija laikoma būtinu žingsniu ieškant supergalios. Tai iškelia įdomią galimybę; jei pagal kvantinę teoriją materijos dalelės gali atsirasti „iš nieko“, tai gravitacijos atžvilgiu tai neapibūdins erdvės „iš nieko“ atsiradimo? Jei taip atsitiks, ar Visatos gimimas prieš 18 milijardų metų nėra kaip tik tokio proceso pavyzdys?

Nemokami pietūs?

Pagrindinė kvantinės kosmologijos idėja yra kvantinės teorijos taikymas 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 į kvantinius dėsnius reikėtų atsižvelgti GUT eroje (10^-32 s), o Planko eroje (10^-43 s) jie tikriausiai turėtų atlikti lemiamą vaidmenį. Pasak kai kurių teoretikų (pavyzdžiui, Vilenkino), tarp šių dviejų erų buvo momentas, kai atsirado Visata. Pasak Sidney Coleman, padarėme didžiulį šuolį nuo nieko iki laiko. Matyt, erdvėlaikis yra šios eros reliktas. Kvantinis šuolis, apie kurį kalba Colemanas, gali būti laikomas savotišku „tunelio procesu“. Pastebėjome, kad pradinėje infliacijos teorijos versijoje klaidingo vakuumo būsena turėjo pereiti per energijos barjerą į tikrojo vakuumo būseną. Tačiau spontaniškai „iš nieko“ atsiradus kvantinei Visatai mūsų intuicija pasiekia savo galimybių ribą. Vienas tunelio galas vaizduoja fizinę Visatą erdvėje ir laike, kuri ten patenka per kvantinį tunelį „iš nieko“. Todėl kitas tunelio galas reprezentuoja šį patį Nieką! Galbūt būtų geriau pasakyti, kad tunelis turi tik vieną galą, o kito tiesiog „nėra“.

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 purslų, 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 klaidinga vakuuminė būsena yra pageidautina dėl jai būdingų ekstremalių sąlygų. 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.

Tačiau, kad ir kokia būtų šių pagrindinių problemų tikrovė, visata vienaip ar kitaip turi atsirasti, o kvantinė fizika yra vienintelė mokslo šaka, kurioje prasminga kalbėti apie įvykį, vykstantį be akivaizdžios priežasties. Jei kalbame apie erdvėlaikį, tai bet kuriuo atveju nėra prasmės kalbėti apie priežastingumą įprasta prasme. Paprastai priežastingumo sąvoka yra glaudžiai susijusi su laiko sąvoka, todėl bet kokie svarstymai apie laiko atsiradimo procesus arba jo „atsiradimą iš nebūties“ turi būti pagrįsti platesne priežastingumo idėja.

Jei erdvė iš tikrųjų yra dešimties matmenų, teorija mano, kad visos dešimt matmenų yra gana vienodos labai ankstyvose stadijose. Patrauklu gebėjimas susieti infliacijos reiškinį su spontanišku septynių iš dešimties matmenų sutankinimu (lankstymu). Pagal šį scenarijų infliacijos „varomoji jėga“ yra sąveikos, pasireiškiančios per papildomus erdvės matmenis, šalutinis produktas. 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“. Dėka kvantinės energijos gebėjimo veikti kaip tam tikras fermentas, tuščios erdvės burbuliukai gali išsipūsti vis sparčiau ir sukurti didžiulius 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 nuoseklius fazių perėjimus. 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 subatominėmis dalelėmis, įgijo bruožus, kurie jiems būdingi šiandien. 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 - Visišios 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“.

Ankstesnis straipsnis: Džordžo Agrikolos biografija ir veikla Kitas straipsnis: Korėjos karas – Šaltojo karo pradžia