Земята и вселената теория за големия взрив. Какво се случи преди Големия взрив? Текущото състояние на Вселената

Според тази теория Вселената се е появила под формата на горещ куп свръхплътна материя, след което е започнала да се разширява и охлажда. На първия етап от еволюцията Вселената е била в свръхплътно състояние и е била -глуонна плазма. Ако протоните и неутроните се сблъскат и образуват по-тежки ядра, времето им на съществуване е незначително. При следващия сблъсък с която и да е бърза частица те веднага се разпадат на елементарни компоненти.

Преди около 1 милиард години започва образуването на галактики, в този момент Вселената започва отдалечено да прилича на това, което виждаме сега. 300 000 години след Големия взрив се е охладил толкова много, че електроните са били здраво задържани от ядрата, в резултат на което са се появили стабилни атоми, които не са се разпаднали веднага след сблъсък с друго ядро.

Образуване на частици

Образуването на частици започва в резултат на разширяването на Вселената. По-нататъшното му охлаждане доведе до образуването на хелиеви ядра, възникнали в резултат на първична нуклеосинтеза. Трябва да са минали около три минути от Големия взрив, преди Вселената да се охлади и енергията на удара да намалее толкова много, че частиците да започнат да образуват стабилни ядра. През първите три минути Вселената беше нажежено море от елементарни частици.

начално образованиеядрата не издържаха много дълго, след първите три минути частиците се отдалечиха една от друга, така че сблъсъците между тях станаха изключително редки. В този кратък период на първичен нуклеосинтез се появява деутерий - тежък изотоп на водорода, чието ядро ​​съдържа един протон и един. Едновременно с деутерий се образуват хелий-3, хелий-4 и малко количество литий-7. Все по-тежки елементи се появяват на етапа на формиране на звездите.

След раждането на Вселената

Приблизително една стохилядна от секундата от началото на раждането на Вселената кварките се комбинират в елементарни частици. От този момент нататък Вселената се превърна в изстиващо море от елементарни частици. След това започна процес, който се нарича голямо обединение на фундаменталните сили. Тогава във Вселената е имало енергии, съответстващи на максималните енергии, които могат да се получат в съвременните ускорители. След това започна рязка инфлационна експанзия и едновременно с това изчезнаха античастиците.

източници:

• Елементи, Голям взрив
• Елементи, Ранна Вселена

Едно от направленията на естествените науки, лежащо на границата на физиката, математиката и отчасти дори теологията, е разработването и изучаването на теории за произхода на Вселената. Към днешна дата учените са предложили няколко космологични модела, концепцията за Големия взрив е общоприета.

Същността на теорията и последствията от експлозията

Според теорията за Големия взрив Вселената е преминала от така нареченото сингулярно състояние в състояние на постоянно разширение в резултат на обща експлозия на някакво вещество с малък размер и висока температура. Експлозията беше с такава сила, че всяка частица материя се опитваше да се отдалечи от другата. Разширяването на Вселената предполага обичайните категории на триизмерното пространство, преди експлозията очевидно те не са съществували.

Преди експлозията се разграничават няколко етапа: ерата на Планк (най-ранната), ерата на Великото обединение (времето на електроядрените сили и гравитацията) и накрая Големия взрив.

Първо се образуват фотони (радиация), след това частици материя. В рамките на първата секунда от тези частици се образуват протони, антипротони и неутрони. След това реакциите на анихилация зачестиха, така че Вселената беше много плътна, частиците непрекъснато се сблъскват една с друга.

През втората секунда, когато Вселената се охлади до 10 милиарда градуса, се образуват някои други елементарни частици, например електрон и позитрон. В допълнение към периода от време повечето отанихилирани частици. Имаше минимално повече частици материя, отколкото частици антиматерия. Следователно нашата Вселена се състои от материя, а не от.

Три минути по-късно всички протони и неутрони се превърнаха в хелиеви ядра. Стотици хиляди години по-късно непрекъснато разширяващата се Вселена се охлади значително, хелиевите ядра и протоните вече можеха да държат електрони. По този начин се образуваха хелиеви и водородни атоми. Вселената стана по-малко "близка". Радиацията може да се разпространява на значителни разстояния. Досега на Земята можете да "чуете" ехото на това лъчение. Нарича се реликва. Откриването и съществуването на CMB потвърждава концепцията за Големия взрив, това е микровълново лъчение.

Постепенно, по време на разширяването, на определени места от хомогенната Вселена се образуват случайни кондензации. Именно те станаха предшественици на големи уплътнения и точки на концентрация на материя. Така че във Вселената са се образували региони, където почти няма материя, и региони, където е имало много от нея. Буците материя нарастваха под въздействието на гравитацията. На такива места постепенно започнаха да се образуват галактики, клъстери и свръхкупове от галактики.

Критика

В края на ХХ век концепцията за Големия взрив става практически приета в космологията. Въпреки това има много критики и допълнения. Например, най-спорната разпоредба на концепцията е проблемът за причините за експлозията. Освен това някои учени не са съгласни с идеята за разширяваща се вселена. Интересното е, че различните религии като цяло приемат концепцията положително, като дори намират индикации за Големия взрив в Свещеното

Всеки е чувал за теорията за Големия взрив, която обяснява (поне засега) раждането на нашата Вселена. Въпреки това, в научните среди винаги ще има хора, които искат да оспорят идеите - между другото, големите открития често произлизат от това.

Въпреки това, Дике осъзна, че ако този модел беше реален, тогава нямаше да има два вида звезди - Популация I и Популация II, млади и стари звезди. И те бяха. Това означава, че все пак Вселената около нас се е развила от горещо и плътно състояние. Дори това да не е единственият Голям взрив в историята.

Удивително, нали? Изведнъж имаше няколко от тези експлозии? Десетки, стотици? На науката тепърва предстои да разбере. Дике предлага на колегата си Пийбълс да изчисли необходимата температура за описаните процеси и вероятната температура на остатъчната радиация в наши дни. Грубите изчисления на Пийбълс показаха, че днес Вселената трябва да бъде изпълнена с микровълново лъчение с температура под 10 К, а Рол и Уилкинсън вече се готвеха да търсят това лъчение, когато звънецът удари ...

Трудности при превода

Тук обаче си струва да се пренесете в друго кътче на земното кълбо - в СССР. Най-близо до откриването на космическия микровълнов фон дойде (и също не завърши работата!) в СССР. След като извършиха огромна работа в продължение на няколко месеца, чийто доклад беше публикуван през 1964 г., съветските учени събраха, изглежда, всички парчета от пъзела, само едно липсваше. Яков Борисович Зелдович, един от гигантите на съветската наука, извърши изчисления, подобни на тези, извършени от екипа на Гамов (съветски физик, живеещ в САЩ), и също стигна до заключението, че Вселената трябва да е започнала с горещ Големият взрив, който остави фоново лъчение с температура няколко келвина.

Яков Борисович Зелдович, -

Той дори знаеше за статията на Ед Ом в Bell System Technical Journal, който грубо изчислява температурата на CMB, но погрешно изтълкува заключенията на автора. Защо съветските изследователи не разбраха, че Ом вече е открил това лъчение? Поради грешка в превода. В статията на Ом се твърди, че той е измерил температурата на небето около 3 K. Това означава, че е извадил всички възможни източници на радиосмущения и че 3 K е температурата на оставащия фон.

По стечение на обстоятелствата обаче същата (3 K) беше температурата на излъчване на атмосферата, корекция, за която Ом също направи. Съветските специалисти погрешно са решили, че именно тези 3 K са останали на Ом след всички предишни настройки, извадили са и тях и са останали без нищо.

Днес подобни грешки в разбирането биха били лесно елиминирани в процеса на електронна кореспонденция, но в началото на 60-те години комуникацията между учени съветски съюзи САЩ беше много трудно. Това беше причината за такава срамна грешка.

Изплъзналата се Нобелова награда

Да се ​​върнем към деня, когато телефонът иззвъня в лабораторията на Дике. Оказва се, че по същото време астрономите Арно Пензиас и Робърт Уилсън съобщават, че случайно са успели да уловят слаб радиошум, идващ от всичко. Тогава те не знаеха, че друг екип от учени независимо излезе с идеята за съществуването на такова лъчение и дори започна да изгражда детектор, за да го търси. Това беше екипът на Дике и Пийбълс.

Още по-изненадващ е фактът, че космическият микровълнов фон, или както го наричат ​​още реликтовото лъчение, е описан повече от десет години по-рано в рамките на модела за възникване на Вселената в резултат на Големия взрив от Георги Гамов и неговите колеги. Нито една група учени не знаеше за това.

Пензиас и Уилсън случайно чуват за работата на учените, ръководени от Дике, и решават да им се обадят, за да ги обсъдят. Дике изслуша Пензиас внимателно и направи няколко забележки. След като затвори, той се обърна към колегите си и каза: „Момчета, скочихме“.

Почти 15 години по-късно, след като многобройни измервания, направени на различни дължини на вълните от много групи астрономи, потвърдиха, че радиацията, която откриха, наистина е реликтното ехо от Големия взрив, който има температура 2,712 K, Пензиас и Уилсън си поделиха Нобеловата награда за своите изобретение. Въпреки че в началото дори не искаха да напишат статия за откритието си, защото го смятаха за несъстоятелно и невписващо се в модела на стационарната Вселена, към който се придържаха!

Твърди се, че Пензиас и Уилсън биха сметнали за достатъчно за себе си да бъдат споменати като пето и шесто име в списъка след Дике, Пийбълс, Рол и Уилкинсън. В този случай Нобеловата награда очевидно щеше да отиде при Дике. Но всичко се случи така, както се случи.

P.S. Абонирайте се за нашия бюлетин. Веднъж на две седмици ще изпращаме 10 от най-интересните и полезни материали от блога на MIF.

12. Какво е причинило Големия взрив?

Парадоксът на възникването

Нито една от лекциите по космология, които някога съм чел, не беше пълна без въпроса какво е причинило Големия взрив? Допреди няколко години не знаех истинския отговор; Днес, вярвам, той е известен.

По същество този въпрос съдържа два въпроса в завоалирана форма. Първо, бихме искали да знаем защо развитието на Вселената е започнало с експлозия и какво е причинило тази експлозия на първо място. Но зад чисто физическия проблем се крие друг, по-дълбок проблем от философско естество. Ако Големият взрив бележи началото на физическото съществуване на Вселената, включително възникването на пространството и времето, тогава в какъв смисъл можем да кажем, че какво причинитази експлозия?

От гледна точка на физиката внезапното възникване на Вселената в резултат на гигантска експлозия изглежда до известна степен парадоксално. От четирите взаимодействия, управляващи света, само гравитацията се проявява в космически мащаб и, както показва нашият опит, гравитацията има характер на привличане. Въпреки това, за експлозията, белязала раждането на Вселената, очевидно е била необходима отблъскваща сила с невероятна величина, която да разкъса космоса на парчета и да предизвика неговото разширяване, което продължава и до днес.

Това изглежда странно, защото ако вселената е доминирана от гравитационни сили, тогава тя не трябва да се разширява, а да се свива. Наистина, гравитационните сили на привличане карат физическите обекти да се свиват, вместо да експлодират. Например много плътна звезда губи способността си да поддържа собственото си тегло и колабира, за да образува неутронна звезда или черна дупка. Степента на компресия на материята в много ранната вселена е била много по-висока от тази на най-плътната звезда; затова често възниква въпросът защо първичният космос не е колабирал в черна дупка от самото начало.

Обичайният отговор на това е, че първичната експлозия просто трябва да се приеме като първоначално условие. Този отговор е очевидно незадоволителен и объркващ. Разбира се, под въздействието на гравитацията скоростта на космическото разширение непрекъснато намаляваше от самото начало, но в момента на раждането Вселената се разширяваше безкрайно бързо. Експлозията не е причинена от някаква сила - просто развитието на Вселената е започнало с разширяване. Ако експлозията беше по-слаба, гравитацията много скоро би предотвратила разширяването на материята. В резултат на това разширяването ще бъде заменено от свиване, което ще придобие катастрофален характер и ще превърне Вселената в нещо подобно на черна дупка. Но в действителност експлозията се оказа „достатъчно голяма“, за да направи възможно Вселената, преодоляла собствената си гравитация, или да продължи да се разширява вечно поради силата на първичната експлозия, или поне да съществува за много милиарди години, преди да претърпи компресия и да изчезне в забрава.

Проблемът с тази традиционна картина е, че тя не обяснява Големия взрив по никакъв начин. Фундаменталното свойство на Вселената отново просто се третира като първоначално условие, прието ad hoc(за този случай); по същество то само заявява, че Големият взрив се е състоял. Все още остава неясно защо силата на експлозията е била точно такава, а не друга. Защо експлозията не е била още по-мощна, така че вселената да се разширява много по-бързо сега? Човек може също да попита защо вселената в момента не се разширява много по-бавно или изобщо не се свива. Разбира се, ако експлозията нямаше достатъчна сила, Вселената скоро щеше да се срути и нямаше да има кой да задава подобни въпроси. Малко вероятно е обаче подобно разсъждение да може да се приеме като обяснение.

При по-внимателен анализ се оказва, че парадоксът за произхода на Вселената всъщност е още по-сложен от описания по-горе. Внимателните измервания показват, че скоростта на разширяване на Вселената е много близка до критичната стойност, при която Вселената е в състояние да преодолее собствената си гравитация и да се разширява вечно. Ако тази скорост беше малко по-малка - и колапсът на Вселената би настъпил, а ако беше малко по-голяма - космическата материя отдавна щеше да се разсее напълно. Интересно е да разберем как точно скоростта на разширяване на Вселената попада в този много тесен допустим интервал между две възможни катастрофи. Ако в момента, съответстващ на 1 s, когато моделът на разширение вече е ясно дефиниран, скоростта на разширение би се различавала от реалната си стойност с повече от 10^-18, това би било достатъчно, за да наруши напълно деликатния баланс. Така силата на експлозията на Вселената с почти невероятна точност съответства на нейното гравитационно взаимодействие. Следователно големият взрив не е просто някаква далечна експлозия - това е експлозия с много специфична сила. В традиционната версия на теорията за Големия взрив човек трябва да приеме не само факта на самата експлозия, но и факта, че експлозията е станала по изключително причудлив начин. С други думи, първоначалните условия се оказват изключително специфични.

Скоростта на разширяване на Вселената е само една от няколкото очевидни космически мистерии. Другият е свързан с картината на разширяването на Вселената в космоса. Според съвременните наблюдения. Вселената, в голям мащаб, е изключително хомогенна, що се отнася до разпределението на материята и енергията. Глобалната структура на космоса е почти еднаква, когато се гледа от Земята и от далечна галактика. Галактиките са разпръснати в пространството с еднаква средна плътност и от всяка точка Вселената изглежда еднакво във всички посоки. Първичното топлинно лъчение, което изпълва Вселената, пада върху Земята, имайки еднаква температура във всички посоки с точност най-малко 10-4 . Това излъчване пътува през космоса милиарди светлинни години по пътя си към нас и носи отпечатъка на всяко отклонение от хомогенността, което среща.

Мащабната хомогенност на Вселената продължава, докато Вселената се разширява. От това следва, че разширението се извършва равномерно и изотропно с много висока степен на точност. Това означава, че скоростта на разширяване на Вселената не само е еднаква във всички посоки, но е и постоянна в различни области. Ако Вселената се разширяваше по-бързо в една посока, отколкото в други, това би довело до намаляване на температурата на фоновото топлинно излъчване в тази посока и би променило картината на движението на галактиките, видими от Земята. По този начин еволюцията на Вселената не просто започва с експлозия със строго определена сила - експлозията е ясно "организирана", т.е. се случиха едновременно, с абсолютно еднаква сила във всички точки и във всички посоки.

Изключително малко вероятно е такова едновременно и координирано изригване да се случи чисто спонтанно и това съмнение се подсилва в традиционната теория за Големия взрив от факта, че различните региони на първичния космос не са причинно-следствено свързани помежду си. Факт е, че според теорията на относителността никое физическо въздействие не може да се разпространява по-бързо от светлината. Следователно, различни региони на пространството могат да бъдат причинно свързани помежду си само след определен период от време. Например 1 s след експлозията светлината може да измине разстояние не повече от една светлинна секунда, което съответства на 300 000 км. Регионите на Вселената, разделени от голямо разстояние, след 1 s все още няма да си влияят. Но към този момент наблюдаваната от нас област на Вселената вече заема пространство от най-малко 10^14 km в диаметър. Следователно Вселената се състои от около 10^27 причинно несвързани региона, всеки от които въпреки това се разширява с точно същата скорост. Дори и днес, наблюдавайки топлинно космическо лъчение, идващо от противоположните страни на звездното небе, ние регистрираме точно същите отпечатъци от "пръстови отпечатъци" на региони от Вселената, разделени от огромни разстояния: тези разстояния се оказват повече от 90 пъти по-големи от разстоянието, което светлината може да пътува от момента на излъчване на топлинното лъчение.

Как да обясним такава забележителна съгласуваност на различни региони на пространството, които очевидно никога не са били свързани помежду си? Как се стигна до това подобно поведение? В традиционния отговор отново има препратка към специални начални условия. Изключителната хомогенност на свойствата на първичния взрив се разглежда просто като факт: така е възникнала Вселената.

Мащабната хомогенност на Вселената е още по-озадачаваща, като се има предвид, че Вселената в никакъв случай не е хомогенна в малък мащаб. Съществуването на отделни галактики и галактически купове показва отклонение от строгата хомогенност и освен това това отклонение е навсякъде еднакво по мащаб и величина. Тъй като гравитацията има тенденция да увеличава всяко първоначално натрупване на материя, степента на хетерогенност, необходима за образуването на галактики, е била много по-малка по време на Големия взрив, отколкото е сега. Въпреки това, в началната фаза на Големия взрив все още трябва да има лека нехомогенност, в противен случай галактиките никога не биха се образували. В старата теория за Големия взрив тези нехомогенности също се приписват на ранен етап на "първоначалните условия". Така трябваше да вярваме, че развитието на Вселената не е започнало от напълно идеално, а от крайно необичайно състояние.

Всичко по-горе може да се обобщи по следния начин: ако единствената сила във Вселената е гравитационното привличане, тогава Големият взрив трябва да се тълкува като „изпратен от Бог“, т.е. без причина, с дадени начални условия. Освен това се характеризира с невероятна консистенция; за да стигне до съществуващата структура, вселената трябваше да се развие правилно от самото начало. Това е парадоксът на произхода на Вселената.

Търсене на антигравитация

Парадоксът за произхода на Вселената беше разрешен едва през последните години; но основната идея на решението може да бъде проследена назад в далечната история, до време, когато все още не е съществувала нито теорията за разширяването на Вселената, нито теорията за Големия взрив. Още Нютон разбира колко труден е проблемът за стабилността на Вселената. Как звездите поддържат позицията си в космоса без подкрепа? Универсалната природа на гравитационното привличане би трябвало да доведе до свиването на звездите в клъстери, близки един до друг.

За да избегне този абсурд, Нютон прибягва до много любопитно разсъждение. Ако Вселената се срине под собствената си гравитация, всяка звезда ще „падне“ към центъра на звездния куп. Да предположим обаче, че Вселената е безкрайна и че звездите са разпределени средно равномерно в безкрайно пространство. В този случай изобщо няма да има общ център, към който да падат всички звезди, тъй като в безкрайната Вселена всички области са идентични. Всяка звезда би била засегната от гравитационното привличане на всички нейни съседи, но поради осредняването на тези влияния в различни посоки, няма да има резултатна сила, която да се стреми да премести тази звезда до определена позиция спрямо целия набор от звезди.

Когато 200 години след Нютон Айнщайн създава нова теория за гравитацията, той също е озадачен от проблема как Вселената успява да избегне колапса. Първата му работа по космология е публикувана преди Хъбъл да открие разширяването на Вселената; така че Айнщайн, подобно на Нютон, приема, че Вселената е статична. Айнщайн обаче се опитва да реши проблема за стабилността на Вселената по много по-директен начин. Той вярваше, че за да се предотврати разпадането на Вселената под въздействието на нейната собствена гравитация, трябва да има друга космическа сила, която да устои на гравитацията. Тази сила трябва да бъде по-скоро отблъскваща, отколкото привличаща сила, за да компенсира гравитационното привличане. В този смисъл такава сила би могла да се нарече "антигравитационна", въпреки че е по-правилно да се говори за силата на космическото отблъскване. В този случай Айнщайн не просто произволно е измислил тази сила. Той показа, че в неговите уравнения на гравитационното поле може да се въведе допълнителен член, което води до появата на сила с желаните свойства.

Въпреки факта, че идеята за отблъскваща сила, противопоставяща се на гравитационната сила, е доста проста и естествена сама по себе си, в действителност свойствата на такава сила се оказват доста необичайни. Разбира се, такава сила не е наблюдавана на Земята и не е открит намек за нея за няколко века от съществуването на планетарната астрономия. Очевидно, ако силата на космическото отблъскване съществува, тогава тя не би трябвало да има забележим ефект на малки разстояния, но нейната величина нараства значително в астрономически мащаби. Подобно поведение противоречи на целия предишен опит в изучаването на природата на силите: те обикновено са интензивни на къси разстояния и отслабват с увеличаване на разстоянието. По този начин електромагнитните и гравитационните взаимодействия непрекъснато намаляват според закона на обратния квадрат. Въпреки това в теорията на Айнщайн естествено се появява сила с такива доста необичайни свойства.

Не трябва да мислим за силата на космическото отблъскване, въведена от Айнщайн, като петото взаимодействие в природата. Това е просто странно проявление на самата гравитация. Лесно е да се покаже, че ефектите от космическото отблъскване могат да бъдат приписани на обикновената гравитация, ако среда с необичайни свойства е избрана като източник на гравитационното поле. Обикновената материална среда (например газ) упражнява натиск, докато разглежданата тук хипотетична среда би трябвало да има отрицателеннатиск или напрежение. За да си представим нагледно за какво иде реч, нека си представим, че сме успели да напълним съд с такова космическо вещество. Тогава, за разлика от обикновения газ, хипотетичната космическа среда няма да оказва натиск върху стените на съда, а ще се стреми да ги привлече в съда.

По този начин можем да разглеждаме космическото отблъскване като вид допълнение към гравитацията или като явление, дължащо се на обикновената гравитация, присъщо на невидима газообразна среда, която изпълва цялото пространство и има отрицателно налягане. Няма противоречие в това, че от една страна отрицателното налягане сякаш засмуква стените на съда, а от друга страна тази хипотетична среда отблъсква галактиките, а не ги привлича. В крайна сметка отблъскването се дължи на гравитацията на средата, а не на механично действие. Във всеки случай механичните сили се създават не от самото налягане, а от разликата в налягането, но се предполага, че хипотетичната среда запълва цялото пространство. Тя не може да бъде ограничена от стените на съда и наблюдател, намиращ се в тази среда, изобщо не би я възприел като осезаема субстанция. Пространството ще изглежда и ще се чувства напълно празно.

Въпреки тези удивителни характеристики на хипотетичната среда, Айнщайн веднъж каза, че е изградил задоволителен модел на Вселената, в който се поддържа баланс между гравитационното привличане и откритото от него космическо отблъскване. С помощта на прости изчисления Айнщайн изчислява големината на космическата сила на отблъскване, необходима за балансиране на гравитацията във Вселената. Той успя да потвърди, че отблъскването трябва да е толкова малко вътре слънчева система(и дори в галактически мащаб), че не може да бъде открит експериментално. За известно време изглеждаше, че вековната мистерия е брилянтно разрешена.

След това обаче ситуацията се промени към по-лошо. На първо място възникна проблемът за стабилността на равновесието. Основната идея на Айнщайн се основава на строгия баланс между привличащите и отблъскващи сили. Но, както в много други случаи на строг баланс, и тук излязоха наяве фини детайли. Ако, например, статичната вселена на Айнщайн се разшири леко, тогава гравитационното привличане (отслабващо с разстоянието) ще намалее донякъде, докато космическата сила на отблъскване (увеличаваща се с разстоянието) леко ще се увеличи. Това би довело до дисбаланс в полза на силите на отблъскване, което би предизвикало по-нататъшно неограничено разширяване на Вселената под въздействието на всепобеждаващо отблъскване. Ако, напротив, статичната вселена на Айнщайн се свие леко, тогава гравитационната сила ще се увеличи, а силата на космическото отблъскване ще намалее, което ще доведе до дисбаланс в полза на силите на привличане и в резултат на това до все по-голямо бързо свиване и в крайна сметка до колапса, който Айнщайн смяташе, че е избегнал. Така при най-малкото отклонение строгият баланс би бил нарушен и космическата катастрофа би била неизбежна.

По-късно, през 1927 г., Хъбъл открива рецесията на галактиките (т.е. разширяването на Вселената), което обезсмисля проблема за равновесието. Стана ясно, че Вселената не е застрашена от компресия и колапс, тъй като тя разширява се.Ако Айнщайн не беше разсеян от търсенето на силата на космическото отблъскване, той със сигурност щеше да стигне до това заключение теоретично, предсказвайки разширяването на Вселената добри десет години преди астрономите да успеят да го открият. Подобна прогноза несъмнено би останала в историята на науката като една от най-забележителните (такава прогноза е направена на базата на уравнението на Айнщайн през 1922-1923 г. от професор А. А. Фридман от Петроградския университет). В крайна сметка Айнщайн трябваше да се откаже от космическото отблъскване, което по-късно той смята за "най-голямата грешка в живота си". Историята обаче не свърши дотук.

Айнщайн измисли космическото отблъскване, за да разреши несъществуващия проблем на статичната вселена. Но, както винаги се случва, джинът от бутилката не може да бъде прогонен обратно. Идеята, че динамиката на Вселената, вероятно поради конфронтацията между силите на привличане и отблъскване, продължава да живее. И въпреки че астрономическите наблюдения не дадоха никакви доказателства за съществуването на космическо отблъскване, те също не можаха да докажат липсата му - може просто да е твърде слабо, за да се прояви.

Уравненията на гравитационното поле на Айнщайн, въпреки че допускат наличието на отблъскваща сила, не налагат ограничения върху нейната величина. Подучен от горчив опит, Айнщайн беше прав да постулира, че величината на тази сила е строго равна на нула, като по този начин напълно елиминира отблъскването. Това обаче в никакъв случай не беше необходимо. Някои учени намериха за необходимо да запазят отблъскването в уравненията, въпреки че това вече не беше необходимо от гледна точка на първоначалния проблем. Тези учени смятат, че при липсата на подходящи доказателства няма причина да се смята, че отблъскващата сила е нула.

Не беше трудно да се проследят последствията от запазването на отблъскващата сила в сценария на разширяващата се вселена. В ранните етапи на развитие, когато Вселената все още е в компресирано състояние, отблъскването може да бъде пренебрегнато. По време на тази фаза гравитационното привличане забави скоростта на разширяване, почти по същия начин, по който гравитацията на Земята забавя ракета, изстреляна вертикално нагоре. Ако приемем без обяснение, че еволюцията на Вселената е започнала с бързо разширяване, тогава гравитацията трябва постоянно да намалява скоростта на разширяване до стойността, наблюдавана в момента. С времето, когато материята се разсейва, гравитационното взаимодействие отслабва. Напротив, космическото отблъскване се увеличава, докато галактиките продължават да се отдалечават една от друга. В крайна сметка отблъскването ще преодолее гравитационното привличане и скоростта на разширяване на Вселената ще започне да се увеличава отново. От това можем да заключим, че Вселената е доминирана от космическо отблъскване и разширяването ще продължи вечно.

Астрономите са показали, че това необичайно поведение на Вселената, когато разширяването първо се забавя и след това се ускорява отново, трябва да се отрази в наблюдаваното движение на галактиките. Но най-внимателните астрономически наблюдения не успяха да разкрият никакви убедителни доказателства за подобно поведение, въпреки че от време на време се прави обратното твърдение.

Интересно е, че холандският астроном Вилем де Ситер излага идеята за разширяваща се вселена още през 1916 г. - много години преди Хъбъл да открие експериментално това явление. Де Ситър твърди, че ако обикновената материя бъде премахната от Вселената, тогава гравитационното привличане ще изчезне и отблъскващите сили ще властват в космоса. Това ще доведе до разширяване на Вселената - по онова време това беше новаторска идея.

Тъй като наблюдателят не е в състояние да възприеме странната невидима газообразна среда с отрицателно налягане, просто ще му се стори, че празното пространство се разширява. Разширяването може да бъде открито чрез окачване на тестови тела на различни места и наблюдение на разстоянието им едно от друго. Идеята за разширяване на празното пространство се смяташе по онова време за един вид любопитство, въпреки че, както ще видим, именно тя се оказа пророческа.

И така, какво заключение може да се направи от тази история? Фактът, че астрономите не откриват космическо отблъскване, все още не може да служи като логично доказателство за липсата му в природата. Напълно възможно е той просто да е твърде слаб, за да бъде открит от съвременните инструменти. Точността на наблюдението винаги е ограничена и следователно може да се оцени само горната граница на тази сила. Може да се възрази на това, че от естетическа гледна точка законите на природата биха изглеждали по-прости в отсъствието на космическо отблъскване. Подобни дискусии се проточиха дълги години, без да доведат до категорични резултати, докато изведнъж проблемът не беше погледнат от съвсем нов ъгъл, което му придаде неочаквана актуалност.

Инфлация: Обяснение на Големия взрив

В предишните раздели казахме, че ако има сила на космическо отблъскване, тогава тя трябва да е много слаба, толкова слаба, че да няма значителен ефект върху Големия взрив. Това заключение обаче се основава на предположението, че величината на отблъскването не се променя с времето. По времето на Айнщайн това мнение се споделяше от всички учени, тъй като космическото отблъскване беше въведено в теорията „създадено от човека“. На никого не му е хрумвало, че космическото отблъскване може бъди наречендруги физически процеси, които възникват с разширяването на Вселената. Ако се предвиди такава възможност, тогава космологията може да се окаже различна. По-специално, сценарият на еволюцията на Вселената не е изключен, като се приеме, че в екстремните условия на ранните етапи на еволюцията космическото отблъскване надделява над гравитацията за някакъв момент, причинявайки експлозия на Вселената, след което ролята му на практика изчезва .

Тази обща картина излиза от скорошни произведениявърху изучаването на поведението на материята и силите на много ранни етапи от развитието на Вселената. Стана ясно, че гигантското космическо отблъскване е неизбежният резултат от Суперсилата. И така, "антигравитацията", която Айнщайн прокара през вратата, се върна през прозореца!

Ключът към разбирането на новото откритие на космическото отблъскване се дава от природата на квантовия вакуум. Видяхме как подобно отблъскване може да се дължи на необичайна невидима среда, неразличима от празното пространство, но с отрицателно налягане. Днес физиците смятат, че това са свойствата на квантовия вакуум.

В глава 7 беше отбелязано, че вакуумът трябва да се разглежда като вид "ензим" на квантовата активност, гъмжащ от виртуални частици и наситен със сложни взаимодействия. Много е важно да се разбере, че вакуумът играе решаваща роля в рамките на квантовото описание. Това, което наричаме частици, са просто редки смущения, като "мехурчета" на повърхността на цяло море от активност.

В края на 70-те години става очевидно, че обединяването на четирите взаимодействия изисква пълна ревизия на идеите за физическата природа на вакуума. Теорията предполага, че енергията на вакуума не се проявява еднозначно. Просто казано, вакуумът може да бъде възбуден и да бъде в едно от многото състояния с много различни енергии, точно както един атом може да бъде възбуден, като премине към по-високи енергийни нива. Тези вакуумни собствени състояния - ако можехме да ги наблюдаваме - биха изглеждали точно по същия начин, въпреки че имат напълно различни свойства.

На първо място, енергията, съдържаща се във вакуума, тече в огромни количества от едно състояние в друго. В Големите обединени теории, например, разликата между най-ниските и най-високите вакуумни енергии е невъобразимо голяма. За да добием известна представа за гигантския мащаб на тези количества, нека оценим енергията, освободена от Слънцето през целия период на неговото съществуване (около 5 милиарда години). Представете си, че цялото това колосално количество енергия, излъчвана от Слънцето, се съдържа в област от пространството, по-малка от размера на Слънчевата система. Постигнатите в този случай енергийни плътности са близки до енергийните плътности, съответстващи на състоянието на вакуум в HWO.

Наред с невероятните енергийни разлики, също толкова гигантски разлики в налягането съответстват на различни състояния на вакуум. Но тук се крие "трикът": всички тези натиск - отрицателен.Квантовият вакуум се държи точно като споменатата по-горе хипотетична космическа отблъскваща среда, само че този път числените стойности на налягането са толкова големи, че отблъскването е 10^120 пъти по-голямо от силата, необходима на Айнщайн, за да поддържа равновесие в статична вселена .

Вече е отворен пътят за обяснение на Големия взрив. Нека приемем, че Вселената в началото е била във възбудено състояние на вакуум, което се нарича "фалшив" вакуум. В това състояние е имало космическо отблъскване във Вселената с такава величина, че би причинило неограниченото и бързо разширяване на Вселената. По същество в тази фаза Вселената ще съответства на модела на де Ситер, обсъден в предишния раздел. Разликата обаче е, че в де Ситер Вселената тихо се разширява в астрономически времеви мащаби, докато „фазата на де Ситер“ в еволюцията на Вселената от „фалшивия“ квантов вакуум всъщност далеч не е тиха. Обемът на пространството, заемано от Вселената, в този случай трябва да се удвоява на всеки 10^-34 s (или интервал от време от същия порядък).

Такова супер-разширение на Вселената има серия характерни особености: всички разстояния нарастват според експоненциалния закон (вече се запознахме с концепцията за експонентата в глава 4). Това означава, че на всеки 10^-34 s всички региони на Вселената удвояват размера си и след това този процес на удвояване продължава експоненциално. Този тип разширение, разгледан за първи път през 1980 г. Алън Гут от Масачузетския технологичен институт (Масачузетски технологичен институт, САЩ), е наречен от него „инфлация“. В резултат на изключително бързо и непрекъснато ускоряващо се разширяване много скоро ще се окаже, че всички части на Вселената се разлитат като при експлозия. И това е Големият взрив!

Въпреки това, по един или друг начин, но фазата на инфлация трябва да спре. Както във всички възбудени квантови системи, "фалшивият" вакуум е нестабилен и има тенденция да се разпада. Когато настъпи разпад, отблъскването изчезва. Това от своя страна води до спиране на инфлацията и преминаване на Вселената в силата на обичайното гравитационно привличане. Разбира се, в този случай Вселената ще продължи да се разширява поради първоначалния импулс, придобит по време на периода на инфлация, но скоростта на разширяване постоянно ще намалява. Така единствената следа, оцеляла до днес от космическото отблъскване, е постепенното забавяне на разширяването на Вселената.

Според „инфлационния сценарий“ Вселената започва своето съществуване от състояние на вакуум, лишено от материя и радиация. Но дори и да са присъствали от самото начало, следите им бързо биха се изгубили поради огромния темп на разширяване в инфлационната фаза. За изключително краткия период от време, съответстващ на тази фаза, областта на пространството, заета от цялата наблюдавана Вселена днес, е нараснала от една милиардна част от размера на протон до няколко сантиметра. Плътността на всяко първоначално съществуващо вещество всъщност ще стане равна на нула.

И така, до края на фазата на инфлация, Вселената беше празна и студена. Въпреки това, когато инфлацията пресъхна, Вселената изведнъж стана изключително „гореща“. Този изблик на топлина, който освети космоса, се дължи на огромните запаси от енергия, съдържащи се във "фалшивия" вакуум. При колапса на вакуумното състояние, неговата енергия се освобождава под формата на радиация, която мигновено нагрява Вселената до около 10^27 K, което е достатъчно за протичане на процеси в GUT. От този момент нататък Вселената се развива според стандартната теория за „горещия“ Голям взрив. Благодарение на топлинната енергия възникнаха материята и антиматерията, след това Вселената започна да се охлажда и постепенно всички нейни елементи, наблюдавани днес, започнаха да „замръзват“.

Значи трудният проблем е какво е причинило Големия взрив? - успя да реши с помощта на теорията на инфлацията; празното пространство спонтанно експлодира под отблъскването, присъщо на квантовия вакуум. Мистерията обаче все още остава. Колосалната енергия на първичния взрив, която е влязла в образуването на съществуващата във Вселената материя и радиация, трябваше да дойде отнякъде! Няма да можем да обясним съществуването на Вселената, докато не открием източника на първичната енергия.

космическо стартиране

Английски начално зарежданев буквалния смисъл означава "шнур", в преносен смисъл означава самосъгласуваност, липса на йерархия в системата от елементарни частици.

Вселената е родена в процеса на гигантски изблик на енергия. Все още намираме следи от него - това е фоново топлинно излъчване и космическа материя (по-специално атоми, които изграждат звезди и планети), която съхранява определена енергия под формата на "маса". Следи от тази енергия се проявяват и в рецесията на галактиките и в бурната активност на астрономическите обекти. Първичната енергия е "стартирала пролетта" на възникващата Вселена и продължава да я задвижва и до днес.

Откъде идва тази енергия, която вдъхна живот на нашата Вселена? Според теорията на инфлацията това е енергията на празното пространство, с други думи, квантовият вакуум. Може ли обаче такъв отговор да ни удовлетвори напълно? Естествено е да се запитаме как вакуумът е придобил енергия.

Като цяло, питайки откъде идва енергията, ние по същество правим важно предположение за естеството на тази енергия. Един от основните закони на физиката е закон за запазване на енергията,Чрез което различни формиенергиите могат да се променят и преминават една в друга, но общото количество енергия остава непроменено.

Не е трудно да се дадат примери, в които може да се провери действието на този закон. Да предположим, че имаме двигател и запас от гориво и двигателят се използва за задвижване на електрически генератор, който от своя страна захранва нагревателя. Когато едно гориво се изгори, химическата енергия, съхранявана в него, се преобразува в механична енергия, след това в електрическа енергия и накрая в топлинна енергия. Или да предположим, че се използва двигател за повдигане на товар до върха на кула, след което товарът пада свободно; при удар в земята се отделя точно толкова топлинна енергия, колкото в примера с нагревател. Факт е, че без значение как се пренася енергията или как се променя нейната форма, тя очевидно не може да бъде създадена или унищожена. Инженерите използват този закон в ежедневната практика.

Ако енергията не може нито да бъде създадена, нито унищожена, тогава как възниква първичната енергия? Не се ли инжектира в първия момент (един вид ново първоначално състояние, прието от ad hoc)? Ако е така, защо Вселената съдържа това количество енергия, а не някакво друго? Има около 10^68 J (джаула) енергия в наблюдаваната Вселена - защо не, да речем, 10^99 или 10^10000 или някое друго число?

Теорията за инфлацията предлага едно възможно научно обяснение на този пъзел. Според тази теория. Първоначално Вселената имаше енергия, която всъщност беше равна на нула, и в първите 10^32 секунди тя успя да съживи цялото гигантско количество енергия. Ключът към разбирането на това чудо се крие в забележителния факт, че законът за запазване на енергията в обичайния смисъл не е приложимокъм разширяващата се вселена.

Всъщност вече сме се срещали с подобен факт. Космологичното разширение води до намаляване на температурата на Вселената: съответно енергията на топлинното излъчване, която е толкова голяма в първичната фаза, се изчерпва и температурата пада до стойности, близки до абсолютната нула. Къде отиде цялата тази топлинна енергия? В известен смисъл той е бил използван от Вселената за разширяване и е осигурил натиск, за да допълни силата на Големия взрив. Когато обикновена течност се разширява, нейният натиск навън работи, използвайки енергията на течността. Когато обикновен газ се разширява, неговата вътрешна енергия се изразходва за извършване на работа. В пълен контраст с това, космическото отблъскване е подобно на поведението на среда с отрицателенналягане. Когато такава среда се разширява, нейната енергия не намалява, а се увеличава. Точно това се случи в периода на инфлация, когато космическото отблъскване предизвика бързо разширяване на Вселената. През целия този период общата енергия на вакуума продължава да нараства, докато в края на периода на инфлация достигне огромна стойност. След като периодът на инфлация приключи, цялата съхранена енергия беше освободена в един гигантски изблик, пораждайки топлина и материя в пълния мащаб на Големия взрив. От този момент нататък започна обичайното разширение с положително налягане, така че енергията отново започна да намалява.

Появата на първичната енергия е белязана от някакъв вид магия. Вакуумът с мистериозно отрицателно налягане е надарен с очевидно абсолютно невероятни възможности. От една страна, той създава гигантска отблъскваща сила, която осигурява все по-ускореното му разширяване, а от друга страна, самото разширение води до увеличаване на енергията на вакуума. Вакуумът по същество се захранва с енергия в огромни количества. Има вътрешна нестабилност, която осигурява непрекъснато разширяване и неограничено производство на енергия. И само квантовият разпад на фалшивия вакуум поставя граница на тази "космическа екстравагантност".

Вакуумът служи на природата като магическа, бездънна кана с енергия. По принцип няма ограничение за количеството енергия, което може да бъде освободено по време на инфлационна експанзия. Това твърдение бележи революция в традиционното мислене с вековното си „нищо няма да се роди от нищото“ (тази поговорка датира поне от ерата на Парменидите, т.е. 5-ти век пр.н.е.). Идеята за възможността за "създаване" от нищото доскоро беше изцяло в компетенцията на религиите. По-специално, християните отдавна вярват, че Бог е създал света от нищото, но идеята за възможността за спонтанно възникване на цялата материя и енергия в резултат на чисто физически процеси се считаше от учените за абсолютно неприемлива преди десетина години.

Тези, които вътрешно не могат да се примирят с цялата концепция за възникването на "нещо" от "нищото", имат възможността да погледнат по различен начин на възникването на енергията по време на разширяването на Вселената. Тъй като обикновената гравитация има характер на привличане, за да се отстранят части от материята една от друга, е необходимо да се извърши работа за преодоляване на гравитацията, действаща между тези части. Това означава, че гравитационната енергия на системата от тела е отрицателна; когато към системата се добавят нови тела, се освобождава енергия и в резултат на това гравитационната енергия става „още по-отрицателна“. Ако приложим това разсъждение към Вселената на етапа на инфлация, тогава именно появата на топлина и материя като че ли "компенсира" отрицателната гравитационна енергия на образуваните маси. В този случай общата енергия на Вселената като цяло е равна на нула и изобщо не възниква нова енергия! Подобно виждане за процеса на „сътворението на света“ определено е привлекателно, но все пак не трябва да се приема твърде сериозно, тъй като като цяло статусът на концепцията за енергия по отношение на гравитацията се оказва съмнителен.

Всичко, казано тук за вакуума, много напомня на любимата история на физиците за момче, което, паднало в блатото, се измъкнало за връзките на обувките си. Самосъздаващата се вселена прилича на това момче - тя също се изважда от собствените си "дантели" (този процес се обозначава с термина "bootstrap"). Наистина, поради собствената си физическа природа, Вселената възбужда в себе си цялата енергия, необходима за „създаване“ и „съживяване“ на материята, а също така инициира експлозията, която я генерира. Това е космическото стартиране; на неговата удивителна сила дължим съществуването си.

Напредък в теорията на инфлацията

След като Гут изложи фундаменталната идея, че Вселената е претърпяла ранен период на изключително бързо разширяване, стана ясно, че подобен сценарий може прекрасно да обясни много характеристики на космологията на Големия взрив, които преди са били приемани за даденост.

В един от предходните раздели се сблъскахме с много парадокси висока степенорганизация и съгласуваност на първичния взрив. Един от големите примери за това е силата на експлозията, която се оказа точно „напасната“ към величината на космическата гравитация, в резултат на което скоростта на разширяване на Вселената в наше време е много близка до гранична стойност, разделяща компресията (свиването) и бързото разширяване. Решаващият тест на инфлационния сценарий е именно дали той предвижда Голям взрив с толкова точно определена сила. Оказва се, че поради експоненциалното разширение във фазата на надуване (което е най-характерното й свойство), силата на експлозията автоматично строго осигурява възможността за преодоляване на собствената гравитация на Вселената. Инфлацията може да доведе точно до темпа на разширяване, който се наблюдава в действителност.

Друга „голяма мистерия“ е свързана с хомогенността на Вселената в голям мащаб. Освен това веднага се решава въз основа на теорията за инфлацията. Всички първоначални нехомогенности в структурата на Вселената трябва да бъдат абсолютно изтрити с грандиозно увеличаване на нейния размер, точно както бръчките на издутия балон се изглаждат, когато се надуе. И в резултат на увеличаване на размера на пространствените области с около 10^50 пъти, всяко първоначално смущение става незначително.

Би било погрешно обаче да се говори за пъленхомогенност. За да стане възможна появата на съвременни галактики и галактически клъстери, структурата на ранната вселена трябва да е имала някаква „гъст“. Първоначално астрономите се надяваха, че съществуването на галактики може да се обясни с натрупването на материя под въздействието на гравитационното привличане след Големия взрив. Облак от газ трябва да се свие под действието на собствената си гравитация и след това да се разпадне на по-малки фрагменти, а тези от своя страна на още по-малки и т.н. Възможно е разпределението на газа, възникнало в резултат на Големия взрив, да е било напълно хомогенно, но поради чисто случайни процеси тук и там са възникнали удебеляване и разреждане поради чисто случайни процеси. Гравитацията допълнително засили тези колебания, което доведе до нарастване на области на кондензация и абсорбиране на допълнителна материя от тях. След това тези региони се свиха и последователно се разпаднаха, а най-малките бучки се превърнаха в звезди. В крайна сметка възниква йерархия от структури: звездите се обединяват в групи, тези в галактики и по-нататък в клъстери от галактики.

За съжаление, ако не е имало нехомогенности в газа от самото начало, тогава такъв механизъм за възникване на галактики би проработил за време, много по-дълго от възрастта на Вселената. Факт е, че процесите на кондензация и фрагментация се конкурират с разширяването на Вселената, което е придружено от разсейване на газ. В първоначалната версия на теорията за Големия взрив се предполагаше, че "зародишите" на галактиките са съществували първоначално в структурата на Вселената при нейния произход. Освен това тези първоначални нехомогенности трябваше да имат съвсем определени размери: не твърде малки, в противен случай те никога не биха се образували, но не и твърде големи, в противен случай регионите с висока плътност просто биха се срутили, превръщайки се в огромни черни дупки. В същото време е напълно неразбираемо защо галактиките имат точно такива размери или защо такъв брой галактики е включен в клъстера.

Инфлационният сценарий предоставя по-последователно обяснение за галактическата структура. Основната идея е съвсем проста. Инфлацията се дължи на факта, че квантовото състояние на Вселената е нестабилно състояние на фалшив вакуум. В крайна сметка това вакуумно състояние се разпада и излишната му енергия се превръща в топлина и материя. В този момент космическото отблъскване изчезва - и инфлацията спира. Разпадането на фалшивия вакуум обаче не се случва строго едновременно в цялото пространство. Както във всеки квантов процес, скоростите на разпадане на фалшивия вакуум се колебаят. В някои региони на Вселената разпадането става малко по-бързо, отколкото в други. В тези области инфлацията ще приключи по-рано. В резултат на това нееднородностите се запазват и в крайното състояние. Възможно е тези нехомогенности да служат като "зародиши" (центрове) на гравитационно свиване и в крайна сметка да доведат до образуването на галактики и техните купове. Математическото моделиране на механизма на флуктуациите обаче е извършено с много ограничен успех. По правило ефектът се оказва твърде голям, а изчислените нееднородности са твърде значителни. Вярно е, че са използвани твърде груби модели и може би по-фин подход би бил по-успешен. Въпреки че теорията далеч не е завършена, тя поне описва естеството на механизма, който би могъл да доведе до образуването на галактики, без да са необходими специални начални условия.

Във версията на Гът за инфлационния сценарий фалшивият вакуум първо се превръща в „истинско“ или най-нискоенергийно вакуумно състояние, което идентифицираме с празно пространство. Природата на тази промяна е доста подобна на фазов преход (например от газ към течност). В този случай при фалшив вакуум произволно биха се образували мехурчета от истинския вакуум, които, разширявайки се със скоростта на светлината, биха обхванали всички големи области на пространството. За да може фалшивият вакуум да съществува достатъчно дълго, за да може инфлацията да свърши своята „чудодейна“ работа, тези две състояния трябва да бъдат разделени от енергийна бариера, през която трябва да настъпи „квантовото тунелиране“ на системата, подобно на това, което се случва с електроните (виж гл.) . Този модел обаче има един сериозен недостатък: цялата енергия, освободена от фалшивия вакуум, се концентрира в стените на мехура и няма механизъм за нейното преразпределение в целия мехур. Докато мехурчетата се сблъскват и сливат, енергията в крайна сметка ще се натрупа в произволно смесените слоеве. В резултат на това Вселената ще съдържа много силни нехомогенности и цялата работа на инфлацията за създаване на широкомащабна еднородност ще се срине.

С по-нататъшното подобряване на инфлационния сценарий тези трудности бяха преодолени. В новата теория липсва тунелиране между две вакуумни състояния; вместо това параметрите са избрани така, че разпадането на фалшивия вакуум да е много бавно и по този начин Вселената получава достатъчно време да се раздуе. Когато разпадът приключи, енергията на фалшивия вакуум се освобождава в целия обем на „балона“, който бързо се нагрява до 10^27 K. Предполага се, че цялата наблюдавана Вселена се съдържа в един такъв балон. По този начин, в свръхголеми мащаби, Вселената може да бъде силно неправилна, но регионът, достъпен за нашето наблюдение (и дори много по-големи части от Вселената), се намира в напълно хомогенна зона.

Любопитно е, че Гут първоначално развива своята инфлационна теория, за да реши съвсем различен космологичен проблем - липсата на магнитни монополи в природата. Както е показано в Глава 9, стандартната теория за Големия взрив предвижда, че в първичната фаза на еволюцията на Вселената монополите трябва да възникнат в излишък. Те могат да бъдат придружени от техните едно- и двуизмерни двойници - странни обекти, които имат характер на "струна" и "листо". Проблемът беше да се освободи Вселената от тези „нежелани“ обекти. Инфлацията автоматично решава проблема с монополите и други подобни проблеми, тъй като гигантското разширяване на пространството ефективно намалява тяхната плътност до нула.

Въпреки че инфлационният сценарий е само частично разработен и е само правдоподобен, не повече, той е позволил формулирането на редица идеи, които обещават безвъзвратно да променят лицето на космологията. Сега можем не само да предложим обяснение за причината за Големия взрив, но и да започнем да разбираме защо е бил толкова „голям“ и защо е придобил такъв характер. Сега можем да започнем да решаваме въпроса как е възникнала широкомащабната хомогенност на Вселената, а заедно с нея и наблюдаваните нехомогенности от по-малък мащаб (например галактики). Първичният взрив, създал това, което наричаме вселена, вече не е мистерия отвъд физическата наука.

Вселената се създава сама

И все пак, въпреки огромния успех на инфлационната теория в обяснението на произхода на Вселената, мистерията остава. Как вселената първоначално се озовава в състояние на фалшив вакуум? Какво се случи преди инфлацията?

Едно последователно, напълно задоволително научно описание на произхода на Вселената трябва да обясни как е възникнало самото пространство (по-точно пространство-времето), което след това е претърпяло инфлация. Някои учени са готови да признаят, че космосът винаги съществува, други смятат, че този въпрос като цяло е извън обхвата на научния подход. И само малцина твърдят повече и са убедени, че е напълно легитимно да се повдига въпросът как пространството като цяло (и фалшивият вакуум в частност) може буквално да възникне от „нищото“ в резултат на физически процеси, които по принцип могат да бъдат изучавани.

Както беше отбелязано, едва наскоро оспорихме устойчивото убеждение, че „нищо не произлиза от нищото“. Космическият бутстрап е близък до теологичната концепция за създаването на света от нищото (ex nihilo).Без съмнение в света около нас съществуването на едни обекти обикновено се дължи на присъствието на други обекти. И така, Земята е възникнала от протосоларната мъглявина, която от своя страна от галактически газове и т.н. Ако се случи да видим предмет, който внезапно се появи „от нищото“, ние, очевидно, ще го възприемем като чудо; например, би ни изненадало, ако внезапно намерим много монети, ножове или сладкиши в заключен празен сейф. В ежедневието сме свикнали да осъзнаваме, че всичко възниква отнякъде или от нещо.

Не е толкова очевидно обаче дали говорим сиза по-малко конкретни неща. От какво например възниква една картина? Разбира се, това изисква четка, бои и платно, но това са само инструменти. Начинът, по който се рисува една картина – изборът на форма, цвят, текстура, композиция – не се ражда с четки и бои. Това е плод на творческото въображение на художника.

Откъде идват мислите и идеите? Мислите, без съмнение, са реални и, както изглежда, винаги изискват участието на мозъка. Но мозъкът само осигурява реализацията на мислите, а не е тяхната причина. Сам по себе си мозъкът генерира мисли не повече от, например, компютър - изчисления. Мислите могат да бъдат причинени от други мисли, но това не разкрива природата на самата мисъл. Могат да се родят някои мисли, усещания; мисълта поражда памет. Повечето художници обаче гледат на работата си като на резултат от неочаквановдъхновение. Ако това е вярно, то създаването на една картина – или поне раждането на нейната идея – е само пример за раждането на нещо от нищото.

Можем ли обаче да приемем, че физически обектии дори вселената като цяло възниква от нищото? Тази смела хипотеза се обсъжда сериозно, например, в научни институции на източното крайбрежие на Съединените щати, където доста теоретични физици и космолози разработват математически апарат, който би помогнал да се открие възможността да се създаде нещо от нищото. Този елитен кръг включва Алън Гут от Масачузетския технологичен институт, Сидни Коулман от Харвардския университет, Алекс Виленкин от Университета Тъфтс, Ед Тайон и Хайнц Пейджълс от Ню Йорк. Всички те вярват, че в един или друг смисъл „нищо не е нестабилно“ и че физическата вселена спонтанно е „разцъфнала от нищото“, управлявана единствено от законите на физиката. „Такива идеи са чисто спекулативни“, признава Гут, „но на определено ниво те може да са правилни ... Понякога се казва, че няма безплатен обяд, но Вселената, очевидно, е точно такъв „безплатен обяд“.

Във всички тези хипотези квантовото поведение играе ключова роля. Както казахме в глава 2, основната характеристика на квантовото поведение е загубата на строга причинно-следствена връзка. В класическата физика изложението на механиката следва стриктното спазване на причинно-следствената връзка. Всички подробности за движението на всяка частица бяха строго предопределени от законите на движението. Смятало се, че движението е непрекъснато и строго определено активни сили. Законите на движението в буквалновъплъщават връзката между причина и следствие. Вселената се разглеждаше като гигантски часовников механизъм, чието поведение е строго регулирано от това, което се случва в момента. Именно вярата в такава всеобхватна и абсолютно строга причинно-следствена връзка подтикна Пиер Лаплас да твърди, че един супермощен калкулатор е способен по принцип да предскаже, въз основа на законите на механиката, както историята, така и съдбата на вселена. Според тази гледна точка Вселената е обречена да следва предписания й път завинаги.

Квантовата физика разруши методичната, но безплодна схема на Лаплас. Физиците са се убедили, че на атомно ниво материята и нейното движение са несигурни и непредвидими. Частиците могат да се държат "лудо", сякаш се съпротивляват на строго предписани движения, внезапно се появяват на най-неочаквани места без видима причина, а понякога се появяват и изчезват "без предупреждение".

Квантовият свят не е напълно свободен от причинно-следствената връзка, но се проявява доста нерешително и двусмислено. Например, ако един атом е във възбудено състояние в резултат на сблъсък с друг атом, той обикновено бързо се връща в състояние с най-ниска енергия, излъчвайки фотон в процеса. Появата на фотон, разбира се, е следствие от факта, че атомът преди това е преминал във възбудено състояние. Със сигурност можем да кажем, че именно възбуждането е довело до появата на фотона и в този смисъл причинно-следствената връзка е запазена. Истинският момент на възникване на фотона обаче е непредсказуем: атомът може да го излъчи във всеки един момент. Физиците са в състояние да изчислят вероятното или средното време на възникване на фотон, но във всеки един случай е невъзможно да се предвиди моментът, в който това събитие ще се случи. Очевидно, за да се характеризира такава ситуация, най-добре е да се каже, че възбуждането на атома не води толкова до появата на фотон, колкото до „тласкането“ му към него.

Така квантовият микросвят не е оплетен в гъста мрежа от причинно-следствени връзки, но въпреки това „слуша“ многобройни ненатрапчиви команди и внушения. В старата нютонова схема силата, така да се каже, се обърна към обекта с неотговорна команда: „Движи се!“. В квантовата физика връзката между сила и обект се основава на покана, а не на команда.

Защо намираме идеята за внезапното раждане на обект „от нищото“ за толкова неприемлива? Какво тогава ни кара да мислим за чудеса и свръхестествени явления? Може би целият смисъл е само в необичайността на подобни събития: в ежедневието ние никога не се сблъскваме с неразумния външен вид на предмети. Когато например магьосник извади заек от шапка, знаем, че ни лъжат.

Да приемем, че наистина живеем в свят, в който предметите се появяват „от нищото“ от време на време, без причина и по напълно непредсказуем начин. Веднъж свикнали с подобни явления, бихме престанали да се изненадваме от тях. Спонтанното раждане би се възприело като една от капризите на природата. Може би в такъв свят вече няма да се налага да напрягаме лековерието си, за да си представим внезапното възникване на цялата физическа вселена от нищото.

Този въображаем свят по същество не е толкова различен от реалния. Ако можехме директно да възприемаме поведението на атомите чрез нашите сетива (а не чрез посредничеството на специални инструменти), често би трябвало да наблюдаваме обекти, които се появяват и изчезват без ясно определени причини.

Явлението, най-близко до „раждане от нищото“, се случва в достатъчно силно електрическо поле. При критична стойност на напрегнатостта на полето, електроните и позитроните започват да се появяват „от нищото“ по напълно случаен начин. Изчисленията показват, че близо до повърхността на урановото ядро ​​напрегнатостта на електрическото поле е достатъчно близо до границата, отвъд която възниква този ефект. Ако имаше атомни ядра, съдържащи 200 протона (има 92 от тях в ядрото на урана), тогава би настъпило спонтанно раждане на електрони и позитрони. За съжаление, ядро ​​с толкова голям брой протони изглежда става изключително нестабилно, но това не е напълно сигурно.

Спонтанното производство на електрони и позитрони в силно електрическо поле може да се разглежда като специален вид радиоактивност, когато разпадът изпитва празно пространство, вакуум. Вече говорихме за прехода от едно вакуумно състояние в друго в резултат на разпадане. В този случай вакуумът се разпада, превръщайки се в състояние, в което присъстват частици.

Въпреки че разпадането на пространството, причинено от електрическо поле, е трудно за разбиране, подобен процес под въздействието на гравитацията може да се случи в природата. Близо до повърхността на черните дупки гравитацията е толкова силна, че вакуумът гъмжи от непрекъснато раждащи се частици. Това е известната радиация на черна дупка, открита от Стивън Хокинг. В крайна сметка гравитацията е отговорна за раждането на това излъчване, но не може да се каже, че това се случва „в стария нютонов смисъл“: не може да се каже, че някаква конкретна частица трябва да се появи на определено място в определен момент от времето в резултат на действието на гравитационните сили . Във всеки случай, тъй като гравитацията е само кривина на пространство-времето, можем да кажем, че пространство-времето причинява раждането на материята.

Спонтанното възникване на материята от празното пространство често се нарича раждане „от нищото“, което е близко по дух до раждането. ex nihiloв християнската доктрина. За един физик обаче празното пространство изобщо не е „нищо“, а много съществена част от физическата Вселена. Ако все пак искаме да отговорим на въпроса как е възникнала Вселената, тогава не е достатъчно да приемем, че празното пространство е съществувало от самото начало. Необходимо е да се обясни откъде идва това пространство. мисъл за раждане самото пространствоМоже да изглежда странно, но в известен смисъл това се случва през цялото време около нас. Разширяването на Вселената не е нищо друго освен непрекъснато "раздуване" на пространството. Всеки ден областта на Вселената, достъпна за нашите телескопи, се увеличава с 10 ^ 18 кубични светлинни години. Откъде идва това пространство? Тук е полезна аналогията с каучука. Ако еластичната гумена лента се издърпа, тя "става по-голяма". Пространството прилича на свръхеластичност, тъй като, доколкото знаем, може да се разтяга безкрайно без разкъсване.

Разтягането и изкривяването на пространството наподобява деформацията на еластично тяло, тъй като „движението“ на пространството се извършва според законите на механиката по абсолютно същия начин като движението на обикновената материя. В случая това са законите на гравитацията. Квантовата теория е еднакво приложима както за материята, така и за пространството и времето. В предишни глави казахме, че квантовата гравитация се разглежда като необходима стъпка в търсенето на Суперсилата. В тази връзка възниква любопитна възможност; ако, според квантовата теория, частиците на материята могат да възникнат „от нищото“, тогава, във връзка с гравитацията, няма ли да опише появата „от нищото“ и пространството? Ако това се случи, тогава раждането на Вселената преди 18 милиарда години не е ли пример точно за такъв процес?

Безплатен обяд?

Основната идея на квантовата космология е приложението на квантовата теория към Вселената като цяло: към пространство-времето и материята; теоретиците приемат тази идея особено сериозно. На пръв поглед има противоречие: квантовата физикасе занимава с най-малките системи, докато космологията се занимава с най-големите. Вселената обаче някога също е била ограничена до много малък размер и следователно квантовите ефекти са били изключително важни тогава. Резултатите от изчисленията показват, че квантовите закони трябва да се вземат предвид в ерата на GUT (10^-32 s), а в ерата на Планк (10^-43 s) те вероятно трябва да играят решаваща роля. Според някои теоретици (например Виленкин) между тези две епохи е имало момент на възникване на Вселената. Според Сидни Коулман сме направили квантов скок от Нищо към Време. Очевидно пространство-времето е реликва от тази епоха. Квантовият скок, за който говори Колман, може да се разглежда като вид „тунелен процес“. Отбелязахме, че в оригиналната версия на теорията за инфлацията фалшивият вакуум състояние трябваше да премине през енергийната бариера до истинското вакуумно състояние. Но в случай на спонтанно възникване на квантовата вселена "от нищото", интуицията ни достига предела на своите възможности. Единият край на тунела представлява физическата вселена в пространството и времето, която стига до там чрез квантово тунелиране „от нищото“. Следователно, другият край на тунела е точно това Нищо! Може би е по-добре да се каже, че тунелът има само един край, а другият просто „не съществува“.

Основната трудност на тези опити да се обясни произхода на Вселената се състои в описанието на процеса на нейното раждане от състояние на фалшив вакуум. Ако нововъзникналото пространство-време беше в състояние на истински вакуум, тогава инфлация никога не би могла да настъпи. Големият взрив би бил сведен до слаб изблик, а пространство-времето би престанало да съществува миг по-късно – то би било унищожено от същите квантови процеси, поради които първоначално е възникнало. Ако Вселената не се беше оказала в състояние на фалшив вакуум, тя никога нямаше да се включи в космическия буутстрап и нямаше да материализира своето илюзорно съществуване. Може би състоянието на фалшивия вакуум е предпочитано поради екстремните условия. Например, ако Вселената е започнала при достатъчно висока първоначална температура и след това е изстинала, тогава тя дори може да „заседне“ във фалшив вакуум, но досега много технически въпроси от този тип остават неразрешени.

Но каквато и да е реалността на тези фундаментални проблеми, вселената трябва да е възникнала по един или друг начин и квантовата физика е единствената област на науката, в която има смисъл да се говори за събитие, настъпило без видима причина. Ако говорим за пространство-време, тогава във всеки случай е безсмислено да говорим за причинност в обичайния смисъл. Обикновено понятието причинност е тясно свързано с понятието време и следователно всякакви съображения относно процесите на възникване на времето или неговото „излизане от несъществуването“ трябва да се основават на по-широка идея за причинност.

Ако пространството наистина е десетизмерно, тогава теорията счита, че всичките десет измерения са доста равни в най-ранните етапи. Привлекателно е да се свърже явлението инфлация със спонтанно уплътняване (сгъване) на седем от десет измерения. Според този сценарий "движещата сила" на инфлацията е страничен продукт от взаимодействия, които се проявяват чрез допълнителни измерения на пространството. Освен това десетизмерното пространство би могло естествено да се развие по такъв начин, че по време на инфлация три пространствени измерения да нарастват силно за сметка на останалите седем, които, напротив, се свиват, ставайки невидими? По този начин квантовият микробалон на десетизмерното пространство се компресира и поради това три измерения се раздуват, образувайки Вселената: останалите седем измерения остават в плен на микрокосмоса, откъдето се появяват само индиректно - под формата на взаимодействия. Тази теория изглежда много привлекателна.

Въпреки факта, че теоретиците все още имат много работа за вършене в изучаването на природата на много ранната Вселена, вече е възможно да се даде обща схема на събитията, довели до Вселената, такава каквато се наблюдава днес. В самото начало Вселената спонтанно възниква „от нищото“. Благодарение на способността на квантовата енергия да служи като вид ензим, мехурчетата на празното пространство могат да се надуват с все по-голяма скорост, създавайки огромни резерви от енергия благодарение на бутстрапа. Този фалшив вакуум, изпълнен със самогенерирана енергия, се оказа нестабилен и започна да се разпада, освобождавайки енергия под формата на топлина, така че всяко мехурче беше изпълнено с огнедишаща материя (огнена топка). Инфлацията (надуването) на балоните спря, но започна Големият взрив. На "часовника" на Вселената в този момент беше 10^-32 s.

От такава огнена топка възникна цялата материя и всички физически обекти. Докато космическият материал се охлаждаше, той преживя последователни фазови преходи. С всеки един от преходите все повече и повече различни структури бяха "замразени" от първичния безформен материал. Едно по едно взаимодействията се отделят едно от друго. Стъпка по стъпка обектите, които наричаме сега субатомни частиципридобиха сегашните си черти. Тъй като съставът на "космическата супа" ставаше все по-сложен, мащабните нередности, останали от времето на инфлацията, прераснаха в галактики. В процеса на по-нататъшно формиране на структури и изолация различни видовематерия, вселената приемаше все по-познати форми; горещата плазма се кондензира в атоми, образувайки звезди, планети и в крайна сметка живот. Така Вселената се "осъществи".

Субстанция, енергия, пространство, време, взаимодействия, полета, подреденост и структура - всичкотези концепции, заимствани от "ценоразписа на създателя", служат като интегрални характеристики на Вселената. Нова физикаотваря примамливата възможност за научно обяснение на произхода на всички тези неща. Вече не е необходимо да ги въвеждаме специално „ръчно“ от самото начало. Можем да видим как всички основни свойства физически святможе да се появи автоматичнокато следствие от законите на физиката, без да се налага да се предполага съществуването на силно специфични начални условия. Новата космология твърди, че първоначалното състояние на космоса не играе никаква роля, тъй като цялата информация за него е била изтрита по време на инфлацията. Вселената, която наблюдаваме, носи само отпечатъците на тези физически процеси, които са се случили от началото на инфлацията.

В продължение на хиляди години човечеството е вярвало, че „нищо няма да се роди от нищото“. Днес можем да кажем, че всичко идва от нищото. Не е нужно да "плащате" за Вселената - това е абсолютно "безплатен обяд".

« За мен животът е твърде кратък, за да се тревожа за неща извън моя контрол и може би дори невъзможни. Те питат: „Ами ако Земята бъде погълната Черна дупка, или ще има изкривяване на пространство-времето - това повод за вълнение ли е? Моят отговор е не, защото ще разберем за него едва когато достигне нашето ... нашето място в пространство-времето. Ние получаваме ритници, когато природата реши, че е време: независимо дали става въпрос за скоростта на звука, скоростта на светлината, скоростта на електрическите импулси, ние винаги ще бъдем жертви на забавяне във времето между информацията около нас и способността ни да я получим.»

Нийл де Грас Тайсън

Времето е невероятно нещо. Дава ни миналото, настоящето и бъдещето. Поради времето всичко, което ни заобикаля, има възраст. Например възрастта на Земята е приблизително 4,5 милиарда години. Преди приблизително толкова години светна и най-близката до нас звезда Слънцето. Ако тази цифра ви изглежда умопомрачителна, не забравяйте, че много преди формирането на нашата родна слънчева система се е появила галактиката, в която живеем - Млечният път. Според последните оценки на учените възрастта на Млечния път е 13,6 милиарда години. Но знаем със сигурност, че галактиките също имат минало и пространството е просто огромно, така че трябва да погледнем още по-далеч. И това размишление неизбежно ни води до момента, в който всичко е започнало – Големия взрив.

Айнщайн и Вселената

Възприемането на околния свят от хората винаги е било двусмислено. Някой все още не вярва в съществуването на огромна Вселена около нас, някой смята Земята за плоска. Преди научния пробив през 20 век е имало само няколко версии за произхода на света. Привържениците на религиозните възгледи вярваха в божествената намеса и сътворението по-висока интелигентност, несъгласните понякога били изгаряни. Имаше и друга страна, която вярваше, че светът около нас, както и Вселената, са безкрайни.

За много хора всичко се промени, когато Алберт Айнщайн изнесе лекция през 1917 г., представяйки на широката публика делото на живота си - Общата теория на относителността. Геният на 20 век свързва пространство-времето с материята на пространството с помощта на изведените от него уравнения. В резултат на това се оказа, че Вселената е крайна, непроменена по размер и има формата на правилен цилиндър.

В зората на техническия пробив никой не можеше да опровергае думите на Айнщайн, защото теорията му беше твърде сложна дори за най-големите умове от началото на 20 век. Тъй като нямаше други възможности, моделът на цилиндрична стационарна вселена беше приет от научната общност като общоприет модел на нашия свят. Въпреки това, тя може да живее само няколко години. След като физиците успяха да се възстановят от научните трудове на Айнщайн и започнаха да ги разделят, успоредно с това започнаха да се правят корекции в теорията на относителността и специфичните изчисления на немския учен.

През 1922 г. руският математик Александър Фридман внезапно публикува статия в списание Известия физики, в която заявява, че Айнщайн не е прав и нашата Вселена не е неподвижна. Фридман обяснява, че твърденията на немския учен относно инвариантността на радиуса на кривината на пространството са заблуди, всъщност радиусът се променя спрямо времето. Съответно Вселената трябва да се разширява.

Нещо повече, тук Фридман дава своите предположения за това как точно може да се разширява Вселената. Имаше общо три модела: пулсираща Вселена (предположението, че Вселената се разширява и свива с определена периодичност във времето); разширяващата се Вселена от масата и третият модел - разширяването от точката. Тъй като по това време не е имало други модели, с изключение на божествената намеса, физиците бързо са забелязали и трите модела на Фридман и са започнали да ги развиват в своя собствена посока.

Работата на руския математик леко ужили Айнщайн и през същата година той публикува статия, в която изразява коментарите си за работата на Фридман. В него немски физик се опитва да докаже правилността на изчисленията си. Получи се доста неубедително и когато болката от удара по самочувствието малко намаля, Айнщайн публикува друга бележка в списание Известия Физики, в която казва:

« В предишна бележка критикувах горната работа. Моята критика обаче, както видях от писмото на Фридман, предадено ми от г-н Крутков, се основаваше на грешка в изчисленията. Мисля, че резултатите на Фридман са правилни и хвърлят нова светлина.».

Учените трябваше да признаят, че и трите модела на Фридман за появата и съществуването на нашата Вселена са абсолютно логични и имат право на живот. И трите са обяснени с разбираеми математически изчисления и не оставят въпроси. С изключение на едно нещо: защо Вселената ще започне да се разширява?

Теорията, която промени света

Изявленията на Айнщайн и Фридман накараха научната общност сериозно да постави под въпрос произхода на Вселената. Благодарение на общата теория на относителността имаше шанс да се хвърли светлина върху миналото ни и физиците не пропуснаха да се възползват от това. Един от учените, които се опитаха да представят модел на нашия свят, беше астрофизикът Жорж Леметр от Белгия. Трябва да се отбележи, че Леметр е бил католически свещеник, но в същото време се е занимавал с математика и физика, което е истинска глупост за нашето време.

Жорж Леметр се заинтересува от уравненията на Айнщайн и с тяхна помощ успя да изчисли, че нашата Вселена се е появила в резултат на разпадането на някакъв вид суперчастица, която е била извън пространството и времето преди началото на деленето, което всъщност може да се счита за експлозия. В същото време физиците отбелязват, че Льометр е първият, който хвърли светлина върху раждането на Вселената.

Теорията за избухналия суператом подхождаше не само на учените, но и на духовенството, което беше много недоволно от съвременния научни откритияза което трябваше да се измислят нови тълкувания на Библията. Големият взрив не влезе в значителен конфликт с религията, може би това беше повлияно от възпитанието на самия Леметр, който посвети живота си не само на науката, но и на службата на Бог.

На 22 ноември 1951 г. папа Пий XII прави изявление, че теорията за Големия взрив не противоречи на Библията и католическата догма за произхода на света. Православните духовници също казаха, че са положителни за тази теория. Тази теория също беше сравнително неутрално приета от привържениците на други религии, някои от тях дори казаха, че в техните писанияИма препратки към Големия взрив.

Но въпреки факта, че теорията за Големия взрив в момента е общоприетият космологичен модел, тя доведе много учени до задънена улица. От една страна, експлозията на суперчастица се вписва идеално в логиката на съвременната физика, но от друга страна, в резултат на такава експлозия могат да се образуват предимно само тежки метали, по-специално желязо. Но, както се оказа, Вселената се състои главно от свръхлеки газове - водород и хелий. Нещо не се вписваше, така че физиците продължиха да работят върху теорията за произхода на света.

Първоначално терминът "Големият взрив" не съществува. Льометр и други физици предложиха само скучното име „динамичен еволюционен модел“, което накара студентите да се прозяват. Едва през 1949 г. на една от лекциите си британският астроном и космолог Фройд Хойл казва:

„Тази теория се основава на предположението, че Вселената е възникнала в процеса на една мощна експлозия и следователно съществува само за крайно време ... Тази идея за Големия взрив ми се струва напълно незадоволителна“.

Оттогава този термин стана широко използван в научните среди и представата на широката общественост за структурата на Вселената.

Откъде идват водородът и хелият?

Наличието на леки елементи обърка физиците и много теоретици на Големия взрив се заеха да намерят техния източник. Дълги години те не успяха да постигнат особен успех, докато през 1948 г. брилянтният учен Георги Гъмов от Ленинград най-накрая успя да идентифицира този източник. Гамов беше един от учениците на Фридман, така че с радост се зае с развитието на теорията на своя учител.

Гамов се опита да си представи живота на Вселената в обратната посока и превъртя времето до момента, в който току-що беше започнало да се разширява. По това време, както е известно, човечеството вече е открило принципите на термоядрения синтез, така че теорията на Фридман-Льометр придоби правото на живот. Когато Вселената е била много малка, според законите на физиката е било много горещо.

Според Гамов само секунда след Големия взрив пространството на новата Вселена се запълни с елементарни частици, които започнаха да взаимодействат помежду си. В резултат на това започна хелиев термоядрен синтез, който Ралф Ашер Алфер, математик от Одеса, успя да изчисли за Гамов. Според изчисленията на Алфер вече пет минути след Големия взрив Вселената е била толкова изпълнена с хелий, че дори твърдите противници на теорията за Големия взрив ще трябва да се примирят и да приемат този модел като основен в космологията. Със своите изследвания Гамов не само открива нови пътища за изучаване на Вселената, но и възкресява теорията на Льометр.

Въпреки стереотипите за учените, не може да им се отрече романтизма. Гамов публикува своите изследвания върху теорията за свръхгорещата Вселена по време на Големия взрив през 1948 г. в труда си „Произходът на химически елементи". Като сътрудници той посочи не само Ралф Ашер Алфер, но и Ханс Бете, американски астрофизик и бъдещ носител на Нобелова награда. На корицата на книгата се оказа: Алфер, Бете, Гамов. Нищо ли не ви напомня?

Но въпреки факта, че произведенията на Леметр получиха втори живот, физиците все още не можаха да отговорят на най-вълнуващия въпрос: какво се е случило преди Големия взрив?

Опит за възкресяване на стационарната Вселена на Айнщайн

Не всички учени бяха съгласни с теорията на Фридман-Льометр, но въпреки това те трябваше да преподават общоприетия космологичен модел в университетите. Например астрономът Фред Хойл, който сам измисли термина „Големият взрив“, всъщност вярваше, че не е имало експлозия и посвети живота си в опити да го докаже.
Хойл стана един от онези учени, които в наше време предлагат алтернативен поглед върху модерен свят. Повечето физици се отнасят доста хладно към изявленията на такива хора, но това изобщо не ги притеснява.

За да засрами Гамов и неговата обосновка на теорията за Големия взрив, Хойл, заедно с хора с подобно мислене, решават да разработят свой собствен модел за произхода на Вселената. Като основа те взеха предложенията на Айнщайн, че Вселената е неподвижна, и направиха някои корекции, които предлагат алтернативни причини за разширяването на Вселената.

Ако привържениците на теорията на Леметр-Фридман вярват, че Вселената е възникнала от една свръхплътна точка с безкрайно малък радиус, тогава Хойл предполага, че материята постоянно се формира от точки, които са между галактики, отдалечаващи се една от друга. В първия случай цялата Вселена е образувана от една частица, с нейните безкраен бройзвезди и галактики. В друг случай една точка дава толкова материя, колкото е достатъчно, за да създаде само една галактика.

Несъответствието на теорията на Хойл е, че той никога не е успял да обясни откъде идва самата субстанция, която продължава да създава галактики, в които има стотици милиарди звезди. Всъщност Фред Хойл предложи всички да вярват, че структурата на Вселената се появява от нищото. Въпреки факта, че много физици се опитаха да намерят решение на теорията на Хойл, никой не успя да направи това и след няколко десетилетия това предложение загуби своята релевантност.

Въпроси без отговори

Всъщност теорията за Големия взрив също не ни дава отговори на много въпроси. Например, в съзнанието на обикновен човек не може да се вмести фактът, че цялата материя около нас някога е била компресирана в една единствена точка на сингулярност, която е много по-малка от атом. И как стана така, че тази суперчастица се нагорещи до такава степен, че започна реакцията на експлозия.

До средата на 20-ти век теорията за разширяващата се Вселена никога не е била потвърдена експериментално, поради което не е била широко използвана в образователни институции. Всичко се промени през 1964 г., когато двама американски астрофизици - Арно Пензиас и Робърт Уилсън - не решиха да изследват радиосигналите на звездното небе.

Сканирайки радиацията на небесните тела, а именно Касиопея А (един от най-мощните източници на радиоизлъчване в звездното небе), учените забелязаха някакъв вид външен шум, който постоянно пречи на записването на точни данни за радиация. Където и да насочват антената си, независимо по кое време на деня започват своето изследване, този характерен и постоянен шум винаги ги преследва. Ядосани до известна степен, Пензиас и Уилсън решават да проучат източника на този шум и неочаквано правят откритие, което променя света. Те откриха реликтовото лъчение, което е ехо от същия този Голям взрив.

Нашата Вселена се охлажда много по-бавно от чаша горещ чай и CMB показва, че материята около нас някога е била много гореща и сега се охлажда, докато Вселената се разширява. Така всички теории, свързани със студената Вселена, бяха пропуснати и теорията за Големия взрив най-накрая беше приета.

В своите писания Георгий Гамов предполага, че би било възможно да се открият фотони в космоса, които съществуват от Големия взрив, само че е необходимо по-модерно техническо оборудване. Реликтовото излъчване потвърди всичките му предположения за съществуването на Вселената. Също така с негова помощ беше възможно да се установи, че възрастта на нашата Вселена е приблизително 14 милиарда години.

Както винаги, с практическото доказателство на всяка теория веднага възникват много алтернативни мнения. Някои физици се присмиваха на откриването на CMB като доказателство за Големия взрив. Въпреки факта, че Пензиас и Уилсън спечелиха Нобелова награда за своето историческо откритие, мнозина не бяха съгласни с техните изследвания.

Основните аргументи в полза на непоследователността на разширяването на Вселената бяха несъответствия и логически грешки. Например, експлозията ускори равномерно всички галактики в космоса, но вместо да се отдалечава от нас, галактиката Андромеда бавно, но сигурно се приближава към Млечния път. Учените предполагат, че тези две галактики ще се сблъскат една с друга само след около 4 милиарда години. За съжаление човечеството е все още твърде младо, за да отговори на този и други въпроси.

Теория на равновесието

В наше време физиците предлагат различни модели за съществуването на Вселената. Много от тях не издържат дори на обикновена критика, докато други получават правото на живот.

В края на 20-ти век астрофизик от Америка Едуард Трайън, заедно с колегата си от Австралия Уорън Кери, предложиха принципно нов модел на Вселената и го направиха независимо един от друг. Учените базират изследването си на предположението, че всичко във Вселената е балансирано. Масата унищожава енергията и обратното. Този принцип стана известен като принципа на нулевата вселена. В рамките на тази вселена се появява нова материя в отделни точки между галактиките, където привличането и отблъскването на материята е балансирано.

Теорията за нулевата вселена не беше разбита на пух и прах, защото след известно време учените успяха да открият съществуването на тъмна материя - мистериозна субстанция, която съставлява почти 27% от нашата Вселена. Други 68,3% от Вселената е по-мистериозна и загадъчна тъмна енергия.

Именно благодарение на гравитационните ефекти на тъмната енергия се приписва ускоряването на разширяването на Вселената. Между другото, наличието на тъмна енергия в космоса беше предсказано от самия Айнщайн, който видя, че нещо не се събира в неговите уравнения, Вселената не може да бъде направена стационарна. Затова той въвежда космологична константа в уравненията - членът Ламбда, за който по-късно многократно се обвинява и мрази.

Случи се така, че пространството във Вселената, пусто на теория, все пак е изпълнено с определено специално поле, което задвижва модела на Айнщайн. В трезв ум и според логиката на онези времена съществуването на такова поле беше просто невъзможно, но всъщност немският физик просто не знаеше как да опише тъмната енергия.

***
Може би никога няма да разберем как и от какво е възникнала нашата вселена. Още по-трудно ще бъде да се установи какво е било преди съществуването му. Хората са склонни да се страхуват от това, което не могат да обяснят, така че е възможно до края на времето човечеството също да вярва в божественото влияние върху създаването на света около нас.

Големият взрив принадлежи към категорията теории, които се опитват да проследят напълно историята на раждането на Вселената, да определят първоначалните, текущите и крайните процеси в нейния живот.

Имало ли е нещо преди появата на Вселената? Този крайъгълен, почти метафизичен въпрос се задава от учените и до днес. Възникването и еволюцията на Вселената винаги е била и остава обект на разгорещени дебати, невероятни хипотези и взаимно изключващи се теории. Според църковното тълкуване основните версии за произхода на всичко, което ни заобикаля, предполагат божествена намеса, а научният свят подкрепя хипотезата на Аристотел за статичната природа на Вселената. Към последния модел се придържаха Нютон, който защитаваше безкрайността и постоянството на Вселената, и Кант, който разви тази теория в своите писания. През 1929 г. американският астроном и космолог Едуин Хъбъл коренно промени начина, по който учените виждат света.

Той не само откри наличието на множество галактики, но и разширяването на Вселената - непрекъснато изотропно увеличаване на размера на космическото пространство, което започна в момента на Големия взрив.

На кого дължим откриването на Големия взрив?

Работата на Алберт Айнщайн върху теорията на относителността и неговите гравитационни уравнения позволяват на де Ситер да създаде космологичен модел на Вселената. Допълнителни изследвания бяха свързани с този модел. През 1923 г. Weyl предполага, че материята, поставена в космоса, трябва да се разширява. Работата на изключителния математик и физик А. А. Фридман е от голямо значение за развитието на тази теория. Още през 1922 г. той допуска разширяването на Вселената и прави разумни заключения, че началото на цялата материя е в една безкрайно плътна точка, а развитието на всичко е дадено от Големия взрив. През 1929 г. Хъбъл публикува статиите си, обясняващи зависимостта на радиалната скорост от разстоянието, по-късно тази работа става известна като "закона на Хъбъл".

Г. А. Гъмов, опирайки се на теорията на Фридман за Големия взрив, развива идеята за висока температураоригинално вещество. Той също така предполага наличието на космическа радиация, която не е изчезнала с разширяването и охлаждането на света. Ученият е направил предварителни изчисления за възможната температура на остатъчната радиация. Стойността, която приема, е в диапазона 1-10 K. До 1950 г. Гамов прави по-точни изчисления и обявява резултата при 3 K. През 1964 г. радиоастрономи от Америка, подобрявайки антената чрез елиминиране на всички възможни сигнали, определят параметрите на космическата радиация. Температурата му се оказа 3 К. Тази информация стана най-важното потвърждение за работата на Гамов и за съществуването на космическо микровълново фоново лъчение. Последващи измервания на космическия фон, извършени през отворено пространство, най-накрая доказа правилността на изчисленията на учения. Можете да се запознаете с реликтовата радиационна карта на.

Съвременни идеи за теорията за Големия взрив: как се случи?

Един от моделите, които изчерпателно обясняват възникването и развитието на известната ни Вселена, е теорията за Големия взрив. Според широко приетата днес версия, първоначално е имало космологична сингулярност - състояние на безкрайна плътност и температура. Физиците разработиха теоретична обосновка за раждането на Вселената от точка, която имаше изключителна степен на плътност и температура. След появата на Големия взрив пространството и материята на Космоса започват непрекъснат процес на разширяване и стабилно охлаждане. Според последните проучвания началото на Вселената е поставено преди най-малко 13,7 милиарда години.

Начални периоди в образуването на Вселената

Първият момент, чиято реконструкция е разрешена от физическите теории, е епохата на Планк, чието формиране стана възможно 10-43 секунди след Големия взрив. Температурата на материята достига 10*32 K, а плътността й е 10*93 g/cm3. През този период гравитацията придобива независимост, отделяйки се от фундаменталните взаимодействия. Непрекъснатото разширяване и намаляване на температурата предизвика фазов преход на елементарните частици.

Следващият период, характеризиращ се с експоненциално разширяване на Вселената, настъпи след още 10-35 секунди. Наричаха го „Космическа инфлация“. Имаше рязко разширяване, много пъти по-голямо от обикновено. Този период даде отговор на въпроса защо температурата в различните точки на Вселената е еднаква? След Големия взрив материята не се разпръсна веднага над Вселената, още 10-35 секунди тя беше доста компактна и в нея се установи топлинно равновесие, което не беше нарушено при инфлационното разширение. Периодът дава основния материал - кварк-глуонна плазма, използвана за образуване на протони и неутрони. Този процес се извършва след по-нататъшно понижаване на температурата, нарича се "бариогенеза". Произходът на материята е придружен от едновременната поява на антиматерията. Две антагонистични субстанции се унищожиха, превръщайки се в радиация, но броят на обикновените частици надделя, което позволи на Вселената да възникне.

Следващият фазов преход, настъпил след понижаването на температурата, доведе до появата на познатите ни елементарни частици. Ерата на "нуклеосинтезата", която последва това, беше белязана от обединяването на протоните в леки изотопи. Първите образувани ядра имаха краткосроченсъществуване, те се разпадат при неизбежни сблъсъци с други частици. По-стабилни елементи възникнаха вече след три минути след създаването на света.

Следващият важен крайъгълен камък беше доминирането на гравитацията над другите налични сили. След 380 хиляди години от времето на Големия взрив се появява водородният атом. Увеличаването на влиянието на гравитацията беше краят начален периодформирането на Вселената и даде началото на процеса на възникване на първите звездни системи.

Дори след почти 14 милиарда години, космическият микровълнов фон все още остава. Неговото съществуване в комбинация с червеното отместване се дава като аргумент в подкрепа на валидността на теорията за Големия взрив.

Космологична сингулярност

Ако използвате обща теорияотносителността и фактът на непрекъснатото разширяване на Вселената ще се върне в началото на времето, тогава размерите на Вселената ще бъдат равни на нула. Първоначалният момент или науката не може да опише точно използването физически знания. Приложените уравнения не са подходящи за такъв малък обект. Необходима е симбиоза за свързване квантова механикаи общата теория на относителността, но, за съжаление, тя все още не е създадена.

Еволюция на Вселената: какво я очаква в бъдеще?

Учените разглеждат два възможни сценария: разширяването на Вселената никога да не свърши или да достигне критична точка и да започне обратният процес – компресия. Този основен избор зависи от стойността на средната плътност на веществото в неговия състав. Ако изчислената стойност е по-малка от критичната стойност, прогнозата е благоприятна, ако е по-голяма, тогава светът ще се върне към уникално състояние. Учените в момента не знаят точната стойност на описания параметър, така че въпросът за бъдещето на Вселената витае във въздуха.

Връзката на религията с теорията за Големия взрив

Основните религии на човечеството: католицизъм, православие, ислям по свой начин подкрепят този модел на сътворението на света. Либералните представители на тези религиозни деноминации са съгласни с теорията за възникването на Вселената в резултат на някаква необяснима намеса, определяна като Големия взрив.

Световноизвестното име на теорията - "Големият взрив" - беше представено без да иска от противника на версията за разширяването на Вселената от Хойл. Той смята подобна идея за "напълно незадоволителна". След публикуването на неговите тематични лекции, интересният термин веднага беше подхванат от обществеността.

Причините за Големия взрив не са известни със сигурност. Според една от многото версии, собственост на А. Ю. Глушко, първоначалното компресирано в точка вещество е черна хипердупка, а експлозията е причинена от контакта на два такива обекта, състоящи се от частици и античастици. По време на унищожението материята частично оцеля и даде началото на нашата Вселена.

Инженерите Пензиас и Уилсън, които откриха космическото микровълново фоново лъчение, получиха Нобелови наградипо физика.

Отчитанията на температурата на CMB първоначално бяха много високи. След няколко милиона години този параметър се оказа в границите, които осигуряват произхода на живота. Но до този период само малък брой планети са успели да се образуват.

Астрономическите наблюдения и изследвания помагат да се намерят отговори на най-важните въпроси за човечеството: "Как се появи всичко и какво ни очаква в бъдеще?". Въпреки факта, че не всички проблеми са решени и първопричината за възникването на Вселената няма строго и хармонично обяснение, теорията за Големия взрив е намерила достатъчен брой потвърждения, които я правят основен и приемлив модел за появата на Вселената.