Veliki problemi velikog praska. Dokazi za teoriju Velikog praska Ukratko što se dogodilo kao rezultat Velikog praska

Prema toj teoriji, Svemir se pojavio u obliku vruće nakupine superguste materije, nakon čega se počeo širiti i hladiti. Na samom prvom stupnju evolucije, Svemir je bio u supergustom stanju i bio je -gluonska plazma. Ako su se protoni i neutroni sudarali i stvarali teže jezgre, njihov životni vijek bio je zanemariv. Kad su se sljedeći put sudarili s bilo kojom brzom česticom, odmah su se raspali na elementarne komponente.

Prije otprilike 1 milijarde godina započelo je formiranje galaksija, nakon čega je Svemir počeo nejasno nalikovati onome što sada možemo vidjeti. 300 tisuća godina nakon Velikog praska toliko se ohladilo da su elektrone počele čvrsto držati jezgre, što je rezultiralo stabilnim atomima koji se nisu raspali odmah nakon sudara s drugom jezgrom.

Stvaranje čestica

Formiranje čestica počelo je kao rezultat širenja Svemira. Njegovo daljnje hlađenje dovelo je do stvaranja jezgri helija, koje su nastale kao rezultat primarne nukleosinteze. Od trenutka Velikog praska trebalo je proći oko tri minute prije nego što se Svemir ohladi, a energija sudara smanji toliko da čestice počnu stvarati stabilne jezgre. U prve tri minute Svemir je bio vruće more elementarnih čestica.

Primarno stvaranje jezgri nije dugo trajalo; nakon prve tri minute čestice su se udaljile jedna od druge tako da su sudari među njima postali iznimno rijetki. U tom kratkom razdoblju primarne nukleosinteze pojavio se deuterij - teški izotop vodika, čija jezgra sadrži jedan proton i jedan. Istovremeno s deuterijem nastali su helij-3, helij-4 i mala količina litija-7. Svi teži elementi pojavili su se tijekom nastanka zvijezda.

Nakon rođenja Svemira

Otprilike stotisućinki sekunde nakon nastanka Svemira, kvarkovi su se spojili u elementarne čestice. Od tog trenutka Svemir je postao hladeće more elementarnih čestica. Nakon toga započeo je proces koji se naziva veliko ujedinjenje temeljnih sila. Tada su u Svemiru postojale energije koje su odgovarale maksimalnim energijama koje se mogu dobiti u modernim akceleratorima. Tada je započela grčevita inflacijska ekspanzija, au isto vrijeme antičestice su nestale.

Izvori:

Elementi, Veliki prasak
Elementi, rani svemir

Jedno od područja prirodnih znanosti, koje se nalazi na granici fizike, matematike, a dijelom i teologije, je razvoj i istraživanje teorija o nastanku svemira. Do danas su znanstvenici predložili nekoliko kozmoloških modela; koncept Velikog praska je općenito prihvaćen.

Bit teorije i posljedice eksplozije

Prema teoriji Velikog praska, Svemir je prešao iz takozvanog singularnog stanja u stanje stalnog širenja kao rezultat opće eksplozije neke tvari male veličine i visoke temperature. Eksplozija je bila takvih razmjera da se svaki komadić materije nastojao udaljiti od drugoga. Širenje Svemira podrazumijeva poznate kategorije trodimenzionalnog prostora; one očito nisu postojale prije eksplozije.

Prije same eksplozije postoji nekoliko faza: Planckova era (najranija), era Velikog ujedinjenja (vrijeme elektronuklearnih sila i gravitacije) i, na kraju, Veliki prasak.

Prvo su nastali fotoni (zračenje), zatim čestice materije. Unutar prve sekunde iz tih su čestica nastali protoni, antiprotoni i neutroni. Nakon toga su reakcije anihilacije postale učestale, budući da je Svemir bio vrlo gust, čestice su se neprestano sudarale jedna s drugom.

U drugoj sekundi, kada se Svemir ohladio na 10 milijardi stupnjeva, nastale su još neke elementarne čestice, primjerice elektron i pozitron. Osim u istom vremenskom razdoblju, većina čestica je anihilirana. Bilo je minimalno više čestica materije nego čestica antimaterije. Stoga se naš Svemir sastoji od materije, a ne materije.

Nakon tri minute svi protoni i neutroni pretvorili su se u jezgre helija. Nakon stotina tisuća godina, svemir koji se stalno širio značajno se ohladio, a jezgre i protoni helija već su mogli držati elektrone. Na taj su način nastali atomi helija i vodika. Svemir je postao manje "napučen". Zračenje se moglo proširiti na znatne udaljenosti. Još uvijek možete "čuti" odjek tog zračenja na Zemlji. Obično se naziva reliktom. Otkriće i postojanje kozmičkog mikrovalnog pozadinskog zračenja potvrđuje koncept Velikog praska; to je mikrovalno zračenje.

Postupno, tijekom širenja, na određenim mjestima homogenog Svemira dolazi do stvaranja nasumičnih kondenzacija. Oni su postali preteče velikih zbijanja i točaka koncentracije tvari. Tako su nastala područja u Svemiru u kojima materije gotovo da i nije bilo i područja u kojima ju je bilo mnogo. Ugrušci tvari povećavali su se pod utjecajem gravitacije. Na takvim su mjestima postupno počele nastajati galaksije, jata i superjata galaksija.

Kritika

Krajem dvadesetog stoljeća koncept Velikog praska postao je gotovo univerzalno prihvaćen u kozmologiji. Međutim, ima mnogo kritika i dodataka. Na primjer, najkontroverznija točka koncepta je problem uzroka eksplozije. Osim toga, neki se znanstvenici ne slažu s idejom širenja svemira. Zanimljivo je da su različite religije općenito pozitivno prihvatile koncept, čak pronalazeći reference na Veliki prasak u Svetom

NASA-ini astrofizičari došli su do važnog znanstvenog otkrića - eksperimentalno su potvrdili inflacijsku teoriju evolucije Svemira.

Znanstvenici su uvjereni da su “dotakli” događaje prije otprilike 14.000.000.000 godina. Nakon tri godine kontinuiranog promatranja kozmičke pozadine u mikrovalnom području, uspjeli su "uhvatiti" preostalu svjetlost (relikt) iz prvih trenutaka života Svemira. Do ovih otkrića došlo se korištenjem aparata WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe).

Astrofizičari proučavaju Svemir u tom trenutku njegovog postojanja, kada je njegova starost bila oko trilijuntog dijela sekunde, odnosno gotovo odmah nakon Velikog praska. U tom su se trenutku u sićušnom Svemiru pojavili počeci budućih stotina milijuna galaksija, iz kojih su se kasnije tijekom stotina milijuna godina formirale zvijezde i planeti.

Vodeća postavka inflatorne teorije je sljedeća: nakon Velikog praska, koji je iznjedrio naš Svemir, u nevjerojatno kratkom vremenskom razdoblju - trilijuntom dijelu sekunde - on se od mikroskopskog objekta pretvorio u nešto kolosalno, mnogo puta veće od cijeli vidljivi dio prostora, odnosno doživio je inflaciju.

“Rezultati idu u prilog inflaciji”, rekao je Charles Bennett (Sveučilište Johns Hopkins), koji je izvijestio o otkriću. "Nevjerojatno je da uopće možemo išta reći o tome što se dogodilo u prvom trilijuntnom dijelu sekunde postojanja svemira", rekao je.

Navodno je u prvim trilijuntnim dijelovima sekunde nakon eksplozije brzina širenja svemira bila veća od brzine svjetlosti, a vrijeme koje je prošlo od trenutka kada se svemir proširio od veličine nekoliko atoma do stabilnog sferičnog oblika je mjereno u vrlo malim količinama. Ova hipoteza je prvi put iznesena 80-ih godina.

“Kako znamo što je bilo u Svemiru u vrijeme njegovog nastanka? Svjetlosno zračenje koje je dospjelo do nas jasno ukazuje na činjenice o razvoju Svemir,” kaže dr. Gary Hinshaw, zaposlenik NASA Goddard Space Centera.

Sama teorija inflacije postoji u nekoliko verzija, kaže za NewsInfo astronom Nikolaj Nikolajevič Čugaj (Astronomski institut RAS).

“Ne postoji potpuna teorija o tome, ali postoje samo neke pretpostavke o tome kako se to dogodilo, ali postoji jedno “predviđanje” koje proizlazi iz činjenice da kvantne fluktuacije (od latinskog fluctuatio - oscilacija; slučajna odstupanja fizičkih veličina od njihovih. prosječne vrijednosti na mikroskopskim skalama) predviđaju određeni spektar poremećaja, odnosno raspodjelu amplitude tih poremećaja ovisno o duljini skale na kojoj se taj poremećaj razvija. Na slici možete zamisliti valovitu liniju s različitim valnim duljinama, i ako imate jednu amplitudu za velike, onda je za male drugačije - kažete da spektar tih poremećaja nije ravan", objašnjava Nikolai Chugai.

Otprilike do 1970-ih godina 20. stoljeća postojala je standardna slika Velikog praska, prema kojoj je naš Svemir nastao iz vrlo gustog, vrućeg stanja. Dogodila se termonuklearna fuzija helija - to je jedna od potvrda modela vrućeg Svemira. Godine 1964. otkriveno je reliktno (rezidualno) zračenje, za što je primljena Nobelova nagrada. CMB zračenje dolazi nam iz vrlo udaljenih krajeva. Kako se širi, radijacija koja ispunjava veći Svemir se hladi.

"Ovo svojstvo je slično kao kada balon pukne i postane hladan", objašnjava Nikolai Chugai, "Ista stvar se događa kada sprej pobjegne iz vašeg balona, a možete osjetiti kako se balon hladi."

"Otkriće ovog zračenja (sada je hladno - samo 3 stupnja) bilo je odlučujući dokaz vruće faze Svemira", kaže astronom je da to ne objašnjava činjenicu da je svemir homogen na svim razinama, vidimo gotovo identične galaksije u jedinicama volumena. Svugdje je to približno isto Svemir ne stupa u interakciju, ispada čudno - sa stajališta fizike - kako oni ne stupaju u interakciju i ne znaju ništa jedni o drugima, a ipak, Svemir je strukturiran na isti način udaljene točke. A to bi za fizičara trebalo značiti da su ti udaljeni dijelovi svemira bili u dodiru s cjelinom u kojoj su se poremećaji širili i da su svemir koji sada vidimo širok vaga je bila fizički unificirana - signali i smetnje s tih udaljenih točaka uspjeli su proći i zamazati smetnje koje su tamo nastale."

Danas promatramo upravo tu homogenost u udaljenim točkama Svemira u suprotnim područjima neba kao potpuno identičnu po gustoći - reliktno zračenje, koje promatramo s apsolutno istim intenzitetom i sjajem. "Bez obzira kamo pogledate", kaže dr. Chugai.

“A to znači da je Svemir bio apsolutno homogen - izotropan, ova početna inflacijska faza nam omogućuje da “pripremimo” takav homogeni svemir. kvantne fluktuacije (poremećaj gustoće na mikroskopskim ljestvicama duljine) bile su povezane s kvantnom prirodom našeg svijeta (na razini elementarnih čestica)”, zaključio je Nikolai Chugai.

Slušajte zvukove simuliranog Velikog praska.

Materijali korišteni u članku:

2. Sjedalo uz ring za prvu sekundu Splita svemira 3. Ruski mediji

Čak ni moderni znanstvenici ne mogu sa sigurnošću reći što je bilo u Svemiru prije Velikog praska. Postoji nekoliko hipoteza koje podižu veo tajne nad jednim od najsloženijih pitanja svemira.

Podrijetlo materijalnog svijeta

Do 20. stoljeća postojala su samo dva pristaša religioznog gledišta, koji su vjerovali da je svijet stvorio Bog. Znanstvenici su, naprotiv, odbijali priznati umjetnost prirode Svemira. Fizičari i astronomi bili su pristaše ideje da je svemir oduvijek postojao, da je svijet statičan i da će sve ostati isto kao prije milijardu godina.

Međutim, ubrzani znanstveni napredak na prijelazu stoljeća doveo je do činjenice da su istraživači imali priliku proučavati izvanzemaljske prostore. Neki od njih prvi su pokušali odgovoriti na pitanje što je bilo u Svemiru prije Velikog praska.

Hubble istraživanje

20. stoljeće uništilo je mnoge teorije prošlih razdoblja. U ispražnjenom prostoru pojavile su se nove hipoteze koje su objašnjavale dotad neshvatljive misterije. Sve je počelo činjenicom da su znanstvenici utvrdili činjenicu širenja Svemira. To je učinio Edwin Hubble. Otkrio je da se daleke galaksije razlikuju po svojoj svjetlosti od onih kozmičkih jata koja su bila bliže Zemlji. Otkriće ovog obrasca stvorilo je osnovu zakona širenja Edwina Hubblea.

Veliki prasak i nastanak Svemira proučavali su se kada je postalo jasno da sve galaksije “bježe” od promatrača, bez obzira gdje se on nalazio. Kako bi se to moglo objasniti? Budući da se galaksije kreću, to znači da ih neka vrsta energije gura naprijed. Osim toga, fizičari su izračunali da su svi svjetovi nekad bili smješteni u jednoj točki. Zbog nekog guranja počeli su se kretati na sve strane neslućenom brzinom.

Ovaj fenomen je nazvan "Veliki prasak". A nastanak Svemira objašnjen je upravo uz pomoć teorije o ovom davnom događaju. Kada se to dogodilo? Fizičari su odredili brzinu kretanja galaksija i izveli formulu pomoću koje su izračunali kada je došlo do početnog "guranja". Nitko ne može dati točne brojke, ali otprilike se ovaj fenomen dogodio prije otprilike 15 milijardi godina.

Pojava teorije Velikog praska

Činjenica da su sve galaksije izvori svjetlosti znači da je Veliki prasak oslobodio ogromnu količinu energije. Ona je bila ta koja je rodila sam sjaj koji svjetovi gube udaljavajući se od epicentra onoga što se dogodilo. Teoriju Velikog praska prvi su dokazali američki astronomi Robert Wilson i Arno Penzias. Otkrili su elektromagnetsko kozmičko mikrovalno pozadinsko zračenje čija je temperatura iznosila tri stupnja Kelvinove ljestvice (odnosno -270 Celzija). Ovo otkriće podupire ideju da je svemir u početku bio izuzetno vruć.

Teorija Velikog praska odgovorila je na mnoga pitanja formulirana u 19. stoljeću. Međutim, sada su se pojavili novi. Na primjer, što je bilo u svemiru prije Velikog praska? Zašto je tako homogena, dok bi se s tako velikim oslobađanjem energije tvar trebala neravnomjerno raspršiti u svim smjerovima? Otkrića Wilsona i Arna dovela su u sumnju klasičnu euklidsku geometriju, jer je dokazano da prostor ima nultu zakrivljenost.

Inflatorna teorija

Nova postavljena pitanja pokazala su da je moderna teorija o postanku svijeta fragmentarna i nepotpuna. Međutim, dugo se činilo da će biti nemoguće napredovati dalje od onoga što je otkriveno 60-ih godina. I tek su nedavna istraživanja znanstvenika omogućila formuliranje novog važnog principa za teoretsku fiziku. Bio je to fenomen ultrabrzog inflacijskog širenja Svemira. Proučavano je i opisano pomoću kvantne teorije polja i Einsteinove opće teorije relativnosti.

Dakle, što je bilo u svemiru prije Velikog praska? Moderna znanost ovo razdoblje naziva "inflacija". U početku je postojalo samo polje koje je ispunjavalo sav imaginarni prostor. Može se usporediti s grudvom snijega bačenom niz padinu snježne planine. Kvržica će se kotrljati prema dolje i povećavati se. Isto tako je polje, uslijed nasumičnih fluktuacija, mijenjalo svoju strukturu u nezamislivom vremenu.

Kada je nastala homogena konfiguracija, došlo je do reakcije. Sadrži najveće misterije svemira. Što se dogodilo prije Velikog praska? Inflatorno polje koje nije bilo nimalo nalik današnjoj materiji. Nakon reakcije započeo je rast Svemira. Ako nastavimo analogiju s grudvom snijega, onda su se nakon prve otkotrljale druge grudve snijega, koje su se također povećavale. Trenutak Velikog praska u ovom sustavu može se usporediti sa sekundom kada je golemi blok pao u ponor i na kraju se sudario s tlom. U tom trenutku oslobodila se kolosalna količina energije. Još uvijek ne može ponestati. Zbog nastavka reakcije od eksplozije naš Svemir danas raste.

Materija i polje

Svemir se sada sastoji od nezamislivog broja zvijezda i drugih kozmičkih tijela. Ovaj agregat materije emitira ogromnu energiju, što je u suprotnosti s fizičkim zakonom o održanju energije. Što kaže? Suština ovog principa svodi se na činjenicu da tijekom beskonačnog vremenskog perioda količina energije u sustavu ostaje nepromijenjena. Ali kako se to može uklopiti u naš Svemir, koji se nastavlja širiti?

Inflacijska teorija uspjela je odgovoriti na ovo pitanje. Iznimno je rijetko da se takve misterije svemira riješe. Što se dogodilo prije Velikog praska? Inflacijsko polje. Nakon nastanka svijeta, na njegovo mjesto je došla nama poznata materija. No, osim nje, postoji i nešto u Svemiru što ima negativnu energiju. Svojstva ova dva entiteta su suprotna. Time se kompenzira energija koja dolazi od čestica, zvijezda, planeta i druge materije. Ovaj odnos također objašnjava zašto se Svemir još nije pretvorio u crnu rupu.

Kada se Veliki prasak prvi put dogodio, svijet je bio premalen da bi se bilo što srušilo. Sada, kada se Svemir proširio, u pojedinim njegovim dijelovima pojavile su se lokalne crne rupe. Njihovo gravitacijsko polje apsorbira sve oko sebe. Čak ni svjetlost ne može izaći iz njega. To je zapravo razlog zašto takve rupe postaju crne.

Širenje svemira

Čak i unatoč teoretskoj opravdanosti inflacijske teorije, još uvijek nije jasno kako je svemir izgledao prije Velikog praska. Ljudska mašta ne može zamisliti ovu sliku. Činjenica je da je polje inflacije neopipljivo. Ne može se objasniti uobičajenim zakonima fizike.

Kada se dogodio Veliki prasak, polje inflacije počelo se širiti brzinom koja je premašila brzinu svjetlosti. Prema fizičkim pokazateljima, ne postoji ništa materijalno u Svemiru što bi se moglo kretati brže od ovog pokazatelja. Svjetlost se širi postojećim svijetom u nevjerojatnim količinama. Inflacijsko polje širilo se još većom brzinom, upravo zbog svoje nematerijalne prirode.

Trenutno stanje svemira

Sadašnje razdoblje u evoluciji svemira idealno je pogodno za postojanje života. Znanstvenicima je teško odrediti koliko će to vremensko razdoblje trajati. Ali ako je itko poduzeo takve izračune, dobivene brojke nisu bile manje od stotina milijardi godina. Za jedan ljudski život takav segment je toliko velik da se iu matematičkom računu mora zapisati potencijama. Sadašnjost je proučena puno bolje nego pretpovijest Svemira. Ono što se događalo prije Velikog praska ostat će u svakom slučaju samo predmet teorijskih istraživanja i hrabrih proračuna.

U materijalnom svijetu čak i vrijeme ostaje relativna vrijednost. Na primjer, kvazari (vrsta astronomskih objekata), koji postoje na udaljenosti od 14 milijardi svjetlosnih godina od Zemlje, 14 milijardi svjetlosnih godina su iza našeg uobičajenog "sada". Ovaj vremenski razmak je ogroman. Teško je to čak i matematički definirati, a da ne govorimo o tome da je uz pomoć ljudske mašte (čak i one najvatrenije) jednostavno nemoguće jasno zamisliti takvo što.

Moderna znanost može teoretski objasniti cijeli život našeg materijalnog svijeta, počevši od prvih djelića sekunde njegovog postojanja, kada se upravo dogodio Veliki prasak. Kompletna povijest svemira još uvijek se ažurira. Astronomi otkrivaju nevjerojatne nove činjenice uz pomoć modernizirane i poboljšane istraživačke opreme (teleskopi, laboratoriji itd.).

Međutim, postoje i fenomeni koji još uvijek nisu shvaćeni. Takva bijela mrlja, na primjer, je njegova tamna energija. Bit te skrivene mase i dalje uzbuđuje svijest najobrazovanijih i najnaprednijih fizičara našeg vremena. Osim toga, nije se pojavilo jedinstveno stajalište o razlozima zašto u Svemiru još uvijek ima više čestica nego antičestica. O tome je formulirano nekoliko temeljnih teorija. Neki od ovih modela su najpopularniji, ali niti jedan od njih još nije prihvaćen od međunarodne znanstvene zajednice kao

Na ljestvici univerzalnog znanja i kolosalnih otkrića 20. stoljeća te se praznine čine sasvim beznačajnima. Ali povijest znanosti sa zavidnom redovitošću pokazuje da objašnjenje takvih “malih” činjenica i fenomena postaje temelj cjelokupnog razumijevanja čovječanstva o disciplini kao cjelini (u ovom slučaju govorimo o astronomiji). Stoga će budući naraštaji znanstvenika zasigurno imati što raditi i što otkrivati na polju spoznaje prirode Svemira.

Teorija Velikog praska ima jakog konkurenta u ovom desetljeću - cikličku teoriju.

Teoriji Velikog praska vjeruje velika većina znanstvenika koji proučavaju ranu povijest našeg Svemira. To zapravo puno objašnjava i ni na koji način nije u suprotnosti s eksperimentalnim podacima. No, odnedavno ima konkurenta u obliku nove, cikličke teorije čije su temelje razvila dvojica vrhunskih fizičara - direktor Instituta za teorijsku znanost Sveučilišta Princeton Paul Steinhardt i dobitnik Maxwellovu medalju i prestižnu međunarodnu nagradu TED, Neil Turok, direktor Kanadskog instituta za napredne studije fizike (Perimeter Institute for Theoretical Physics). Popularna mehanika je uz pomoć profesora Steinhardta pokušala govoriti o cikličkoj teoriji i razlozima njezine pojave.

Naslov ovog članka možda se i ne čini kao vrlo pametna šala. Prema općeprihvaćenom kozmološkom konceptu, teoriji Velikog praska, naš je Svemir nastao iz ekstremnog stanja fizičkog vakuuma generiranog kvantnom fluktuacijom. U tom stanju ni vrijeme ni prostor nisu postojali (ili su bili upleteni u prostorno-vremensku pjenu), a sve temeljne fizičke interakcije stopljene su zajedno. Kasnije su se odvojili i stekli neovisno postojanje - prvo gravitacija, zatim jaka interakcija, a tek onda slaba i elektromagnetska.

Trenutak koji prethodi ovim promjenama obično se označava kao nulto vrijeme, t=0, ali to je čista konvencija, danak matematičkom formalizmu. Prema standardnoj teoriji, kontinuirano protjecanje vremena počelo je tek nakon što se sila gravitacije osamostalila. Ovom trenutku obično se pripisuje vrijednost t = 10 -43 s (točnije 5,4x10 -44 s), koja se naziva Planckovo vrijeme. Moderne fizikalne teorije jednostavno nisu u stanju smisleno raditi s kraćim vremenskim razdobljima (vjeruje se da je za to potrebna kvantna teorija gravitacije, koja još nije stvorena). U kontekstu tradicionalne kozmologije nema smisla govoriti o tome što se dogodilo prije početnog trenutka vremena, budući da vrijeme u našem poimanju tada jednostavno nije postojalo.

Inflacijska kozmologija

Sastavni dio standardne kozmološke teorije je koncept inflacije (vidi bočnu traku). Nakon završetka inflacije, gravitacija je došla na svoje, a Svemir se nastavio širiti, ali sve manjom brzinom. Ta je evolucija trajala 9 milijardi godina, nakon čega je na scenu stupilo još jedno antigravitacijsko polje još nepoznate prirode, koje se naziva tamna energija. Ponovno je doveo Svemir u režim eksponencijalne ekspanzije, koji se, čini se, očuvao iu budućim vremenima. Treba napomenuti da se ovi zaključci temelje na astrofizičkim otkrićima napravljenim krajem prošlog stoljeća, gotovo 20 godina nakon pojave inflacijske kozmologije.

Inflacijsko tumačenje Velikog praska prvi put je predloženo prije otprilike 30 godina i od tada je mnogo puta dorađeno. Ova nam je teorija omogućila rješavanje nekoliko temeljnih problema s kojima se prijašnja kozmologija nije mogla nositi. Na primjer, objasnila je zašto živimo u svemiru s ravnom euklidskom geometrijom - prema klasičnim Friedmannovim jednadžbama, upravo bi to trebao postati s eksponencijalnim širenjem. Teorija inflacije objasnila je zašto je kozmička tvar granulirana na skalama koje ne prelaze stotine milijuna svjetlosnih godina, ali je ravnomjerno raspoređena na velikim udaljenostima. Također je dala tumačenje neuspjeha bilo kakvih pokušaja otkrivanja magnetskih monopola, vrlo masivnih čestica s jednim magnetskim polom za koje se smatra da su proizvedene u izobilju prije početka inflacije (inflacija je toliko rastegla svemir da je izvorno visoka gustoća monopola smanjena je gotovo na nulu, pa ih naši uređaji ne mogu otkriti).

Ubrzo nakon što se pojavio inflatorni model, nekoliko je teoretičara shvatilo da njegova unutarnja logika nije u suprotnosti s idejom trajnog višestrukog rađanja sve više i više novih svemira. Zapravo, kvantne fluktuacije, poput onih kojima dugujemo postojanje našeg svijeta, mogu nastati u bilo kojoj količini ako su prisutni odgovarajući uvjeti. Moguće je da je naš svemir nastao iz zone fluktuacije koja se formirala u svijetu prethodnika. Na isti način, možemo pretpostaviti da će se jednog dana i negdje u našem svemiru formirati fluktuacija koja će "ispuhati" mladi svemir potpuno drugačije vrste, također sposoban za kozmološko "rađanje". Postoje modeli u kojima takvi svemiri kćeri nastaju neprekidno, odrastajući od svojih roditelja i pronalazeći vlastito mjesto. Štoviše, uopće nije nužno da su isti fizikalni zakoni uspostavljeni u takvim svjetovima. Svi su ti svjetovi "ugrađeni" u jedan prostorno-vremenski kontinuum, ali su u njemu toliko odvojeni da ne osjećaju prisutnost jedan drugoga. Općenito, koncept inflacije dopušta – štoviše, prisiljava! – vjerovati da u gigantskom megakozmosu postoje mnogi svemiri međusobno izolirani s različitim strukturama.

Alternativa

Teorijski fizičari vole smišljati alternative čak i najopćeprihvaćenijim teorijama. Pojavili su se i konkurenti modelu inflacije Velikog praska. Nisu dobili širu podršku, ali su imali i još uvijek imaju svoje sljedbenike. Teorija Steinhardta i Turoka nije prva među njima, a pogotovo ne posljednja. Međutim, danas je razvijen detaljnije od drugih i bolje objašnjava promatrana svojstva našeg svijeta. Ima nekoliko verzija, od kojih se neke temelje na teoriji kvantnih struna i višedimenzionalnih prostora, dok se druge oslanjaju na tradicionalnu kvantnu teoriju polja. Prvi pristup daje više vizualnih slika kozmoloških procesa, pa ćemo se usredotočiti na njega.

Najnaprednija verzija teorije struna poznata je kao M-teorija. Ona tvrdi da fizički svijet ima 11 dimenzija - deset prostornih i jednu vremensku. U njemu lebde prostori nižih dimenzija, takozvane brane. Naš svemir jednostavno je jedna od tih brana, s tri prostorne dimenzije. Ispunjena je raznim kvantnim česticama (elektronima, kvarkovima, fotonima itd.), koje su zapravo otvorene titrajuće strune s jednom jedinom prostornom dimenzijom - duljinom. Krajevi svake strune čvrsto su fiksirani unutar trodimenzionalne brane, a struna ne može napustiti branu. Ali postoje i zatvorene strune koje mogu migrirati izvan granica brane - to su gravitoni, kvanti gravitacijskog polja.

Kako ciklička teorija objašnjava prošlost i budućnost svemira? Počnimo s trenutnim razdobljem. Prvo mjesto sada zauzima tamna energija, koja uzrokuje eksponencijalno širenje našeg svemira, povremeno udvostručavajući svoju veličinu. Zbog toga gustoća materije i zračenja neprestano opada, gravitacijska zakrivljenost prostora slabi, a njegova geometrija postaje sve ravnija. Tijekom sljedećih trilijuna godina veličina Svemira udvostručit će se oko sto puta i pretvorit će se u gotovo prazan svijet, potpuno lišen materijalnih struktura. Postoji još jedna trodimenzionalna brana u blizini, odvojena od nas malenom udaljenošću u četvrtoj dimenziji, i ona također prolazi kroz slično eksponencijalno rastezanje i spljoštenje. Cijelo to vrijeme udaljenost između brana ostaje gotovo nepromijenjena.

A onda se ove paralelne brane počinju približavati jedna drugoj. Jednu prema drugoj gura ih polje sile čija energija ovisi o udaljenosti između brana. Sada je gustoća energije takvog polja pozitivna, pa se prostor obiju brana eksponencijalno širi - dakle, upravo to polje daje učinak koji se objašnjava prisutnošću tamne energije! Međutim, taj se parametar postupno smanjuje i za trilijun godina pasti će na nulu. Obje brane će se i dalje širiti, ali ne eksponencijalno, već vrlo sporim tempom. Posljedično, u našem će svijetu gustoća čestica i zračenja ostati gotovo nula, a geometrija će ostati ravna.

Novi ciklus

Ali kraj stare priče samo je uvod u sljedeći ciklus. Brane se kreću jedna prema drugoj i na kraju se sudaraju. U ovoj fazi, gustoća energije međubranskog polja pada ispod nule i ono počinje djelovati poput gravitacije (dopustite da vas podsjetim da gravitacija ima negativnu potencijalnu energiju!). Kada su brane vrlo blizu, interbransko polje počinje pojačavati kvantne fluktuacije u svakoj točki našeg svijeta i pretvara ih u makroskopske deformacije prostorne geometrije (na primjer, milijunti dio sekunde prije sudara, procijenjena veličina takvih deformacija doseže nekoliko metara). Nakon sudara, upravo u tim zonama oslobađa se lavovski udio kinetičke energije koja se oslobađa tijekom sudara. Kao rezultat toga, tamo se pojavljuje najtoplija plazma s temperaturom od oko 1023 stupnja. Upravo ta područja postaju lokalni gravitacijski čvorovi i pretvaraju se u embrije budućih galaksija.

Takav sudar zamjenjuje Veliki prasak inflacijske kozmologije. Vrlo je važno da sva novonastala materija s pozitivnom energijom nastaje zbog akumulirane negativne energije međubranskog polja, stoga se ne krši zakon održanja energije.

Teorija inflacije dopušta formiranje više svemira kćeri, koji kontinuirano rastu iz postojećih.

Kako se takvo polje ponaša u ovom odlučujućem trenutku? Prije sudara njegova gustoća energije dostiže minimum (i negativan), zatim počinje rasti, a tijekom sudara postaje nula. Brane se tada međusobno odbijaju i počinju se udaljavati. Gustoća međubranske energije prolazi kroz obrnutu evoluciju—opet postaje negativna, nula, pozitivna. Obogaćena materijom i zračenjem, brane se najprije šire sve manjom brzinom pod utjecajem kočenja vlastite gravitacije, a zatim ponovno prelaze na eksponencijalno širenje. Novi ciklus završava kao i prethodni – i tako u nedogled. Ciklusi koji su prethodili našemu također su se dogodili u prošlosti - u ovom modelu vrijeme je kontinuirano, tako da prošlost postoji izvan 13,7 milijardi godina koliko je prošlo od posljednjeg obogaćivanja naše brane materijom i zračenjem! Jesu li uopće imali početak, teorija šuti.

Ciklička teorija objašnjava svojstva našeg svijeta na nov način. Ima ravnu geometriju jer se enormno rasteže na kraju svakog ciklusa i tek se malo deformira prije početka novog ciklusa. Kvantne fluktuacije, koje postaju prethodnici galaksija, nastaju kaotično, ali u prosjeku ravnomjerno - dakle, svemir je ispunjen nakupinama materije, ali na vrlo velikim udaljenostima prilično je homogen. Ne možemo detektirati magnetske monopole jednostavno zato što maksimalna temperatura novorođene plazme nije premašila 10 23 K, a formiranje takvih čestica zahtijeva mnogo veće energije - reda veličine 10 27 K.

Trenutak Velikog praska je sudar brane. Oslobađa se ogromna količina energije, brane se razlijeću, dolazi do usporavanja širenja, materija i zračenje se hlade i nastaju galaksije. Širenje se ponovno ubrzava zbog pozitivne interbranske gustoće energije, a zatim usporava, geometrija postaje ravna. Brane se međusobno privlače, a prije sudara kvantne fluktuacije se pojačavaju i pretvaraju u deformacije prostorne geometrije, koje će u budućnosti postati embriji galaksija. Dolazi do sudara i ciklus počinje iznova.

Svijet bez početka i kraja

Ciklička teorija postoji u nekoliko verzija, kao i teorija inflacije. Međutim, prema Paulu Steinhardtu, razlike među njima su čisto tehničke i od interesa su samo za stručnjake, ali opći koncept ostaje nepromijenjen: „Prvo, u našoj teoriji ne postoji trenutak početka svijeta, nema singularnosti. Postoje periodične faze intenzivne proizvodnje materije i zračenja, od kojih se svaka može, po želji, nazvati Velikim praskom. Ali niti jedna od ovih faza ne označava nastanak novog svemira, već samo prijelaz iz jednog ciklusa u drugi. I prostor i vrijeme postoje i prije i poslije bilo koje od ovih kataklizmi. Stoga je sasvim prirodno zapitati se kakvo je stanje bilo 10 milijardi godina prije posljednjeg Velikog praska, od kojeg se mjeri povijest svemira.

Druga ključna razlika je priroda i uloga tamne energije. Inflacijska kozmologija nije predvidjela prijelaz usporenog širenja Svemira u ubrzano. A kada su astrofizičari otkrili ovaj fenomen promatrajući udaljene eksplozije supernove, standardna kozmologija nije ni znala što bi s tim. Hipoteza tamne energije iznesena je jednostavno kako bi se nekako povezali paradoksalni rezultati ovih opažanja s teorijom. A naš pristup puno je bolje osiguran unutarnjom logikom, budući da je tamna energija prisutna u nama od samog početka i upravo ta energija osigurava izmjenu kozmoloških ciklusa.” Međutim, kako primjećuje Paul Steinhardt, ciklička teorija ima i slabosti: “Još nismo uspjeli uvjerljivo opisati proces sudaranja i odbijanja paralelnih brana koji se odvija na početku svakog ciklusa. Drugi aspekti cikličke teorije puno su bolje razvijeni, ali ovdje još ima mnogo nejasnoća koje treba eliminirati.”

Testiranje u praksi

Ali čak i najljepši teorijski modeli trebaju eksperimentalnu provjeru. Može li se ciklička kozmologija potvrditi ili opovrgnuti promatranjem? “Obje teorije, inflacijska i ciklička, predviđaju postojanje reliktnih gravitacijskih valova”, objašnjava Paul Steinhardt. - U prvom slučaju proizlaze iz primarnih kvantnih fluktuacija, koje se tijekom inflacije šire prostorom i uzrokuju periodične fluktuacije u njegovoj geometriji - a to su, prema općoj teoriji relativnosti, gravitacijski valovi. U našem scenariju, temeljni uzrok takvih valova također su kvantne fluktuacije - iste one koje se pojačavaju kada se brane sudare. Proračuni su pokazali da svaki mehanizam stvara valove s određenim spektrom i specifičnom polarizacijom. Ti su valovi morali ostaviti tragove na kozmičkom mikrovalnom zračenju, koje služi kao neprocjenjiv izvor informacija o ranom svemiru. Do sada takvi tragovi nisu pronađeni, no najvjerojatnije će se to učiniti u sljedećem desetljeću. Osim toga, fizičari već razmišljaju o izravnoj registraciji reliktnih gravitacijskih valova pomoću svemirskih letjelica, što će se pojaviti za dva do tri desetljeća.”

Radikalna alternativa

U 1980-ima, profesor Steinhardt dao je značajan doprinos razvoju standardne teorije Velikog praska. No, to ga nije spriječilo da traži radikalnu alternativu teoriji u koju je uloženo toliko truda. Kao što je sam Paul Steinhardt rekao za Popular Mechanics, hipoteza inflacije doista otkriva mnoge kozmološke misterije, ali to ne znači da nema smisla tražiti druga objašnjenja: “Prvo sam samo bio zainteresiran za pokušaj razumijevanja osnovnih svojstava našeg svijeta bez pribjegavanja inflaciji. Kasnije, kad sam dublje zašao u ovu problematiku, uvjerio sam se da teorija inflacije uopće nije tako savršena kao što tvrde njeni pristaše. Kada je inflacijska kozmologija prvi put stvorena, nadali smo se da će objasniti prijelaz iz početnog kaotičnog stanja materije u sadašnji uređeni Svemir. Učinila je to - ali je otišla mnogo dalje. Unutarnja logika teorije zahtijevala je priznanje da inflacija neprestano stvara beskonačan broj svjetova. U tome ne bi bilo ništa loše da njihova fizička struktura kopira našu, ali to je upravo ono što se ne događa. Na primjer, uz pomoć hipoteze inflacije bilo je moguće objasniti zašto živimo u ravnom euklidskom svijetu, ali većina drugih svemira sigurno neće imati istu geometriju. Ukratko, izgradili smo teoriju kako bismo objasnili vlastiti svijet, a ona je izmakla kontroli i stvorila beskrajnu raznolikost egzotičnih svjetova. Ovakvo stanje mi više ne odgovara. Štoviše, standardna teorija ne može objasniti prirodu prethodnog stanja koje je prethodilo eksponencijalnom širenju. U tom je smislu nepotpun kao i predinflacijska kozmologija. Konačno, ne može ništa reći o prirodi tamne energije, koja pokreće širenje našeg Svemira već 5 milijardi godina.”

Druga je razlika, prema profesoru Steinhardtu, raspodjela temperature pozadinskog mikrovalnog zračenja: „Ovo zračenje, koje dolazi iz različitih dijelova neba, nije potpuno ujednačeno po temperaturi, ima više i manje zagrijane zone. Na razini točnosti mjerenja koju omogućuje suvremena oprema, broj toplih i hladnih zona približno je jednak, što se poklapa sa zaključcima obje teorije – inflacijske i cikličke. Međutim, ove teorije predviđaju suptilnije razlike između zona. U principu, mogu ih detektirati europski svemirski opservatorij Planck lansiran prošle godine i druge nove svemirske letjelice. Nadam se da će rezultati ovih eksperimenata pomoći u odabiru između inflacijskih i cikličkih teorija. Ali također se može dogoditi da situacija ostane neizvjesna i da niti jedna od teorija ne dobije nedvosmislenu eksperimentalnu potporu. Pa, onda ćemo morati smisliti nešto novo.”

Otvaramo novu rubriku "Intelektualni sat" - za one koji vole znanost. Razgovarat ćemo o tome kako Svemir funkcionira i koji se procesi u njemu odvijaju, o tajnama fizike i astrofizike, matematike, statistike, psihologije i filozofije, o umjetnoj inteligenciji. Ako se vaš um raduje riječima "znanje", "reprezentacija", "crno tijelo", "jednadžba", "neprolazni" i "kvanti" - ovaj odjeljak je za vas.

Danas ćemo naučiti nešto više o Velikom prasku, kozmičkom mikrovalnom pozadinskom zračenju i inflaciji, “inflaciji”, Svemiru: predavač će biti John Gribbin, astrofizičar iz Velike Britanije, autor znanstveno-popularne literature o kvantnoj fizici, evoluciji, podrijetlo svemira, klimatske promjene i druge teme, uključujući i nedavno objavljenu knjigu “13.8. U potrazi za pravom starošću svemira i teorijom svega."

CMB zračenje. Početak

Prvi Zemljin satelit lansiran posebno za proučavanje kozmičkog mikrovalnog pozadinskog zračenja davne 1983. bio je sovjetski RELIKT-1. Dokazao je izvedivost takvih misija, ali nije bio dovoljno osjetljiv da potvrdi heterogenost zračenja na različitim točkama na nebu. A to je bilo neophodno, jer ako je zračenje doista bilo odjek Velikog praska, trebalo bi sadržavati tragove vibracija ranih dana Svemira, koji su se razvili, stvarajući galaksije koje vidimo danas.

Do ranih 1980-ih, kozmolozi su već bili zabrinuti zbog očigledne pretjerane uniformnosti kozmičkog mikrovalnog pozadinskog zračenja: rezultirajuća spljoštenost Svemira - ravnoteža između širenja i skupljanja - činila se previše idealnim modelom.

Kritična gustoća potrebna za spljoštenost Svemira mora se mijenjati s vremenom (nije ista za različite kozmičke ere). Einsteinove jednadžbe nam govore da ako je svemir rođen iz Velikog praska i njegova gustoća je samo malo veća nego što je potrebno za ravni model, tada će se to odstupanje povećavati s vremenom, budući da će prisutnost viška materije usporiti širenje i održati velika gustoća prostora.

I obrnuto, ako je u početku gustoća svemira nešto manja od kritične, ta će se razlika početi povećavati u drugom smjeru, uzrokujući sve manju i rjeđu raspodjelu materije. Apsolutna ravnost najmanje je vjerojatan model od svih mogućih.

Problem br. 1, ili još nešto o svemiru

Iako su svi znali za problem, nitko nije obraćao pozornost na njega sve dok Robert Dicke i Jim Peebles, dva istraživača s Princetona koji su detektirali kozmičko mikrovalno pozadinsko zračenje sredinom 1960-ih, nisu skrenuli pozornost na njega kasnih 1970-ih znanstvenika.

U pokušaju da objasne ravnost modernog Svemira, istraživači su prethodno zaključili da gustoća tijekom Velikog praska nije trebala biti veća od jedne kvadrilijunte (1/10 na 15. potenciju) kritične gustoće za to vrijeme. Bilo je očito da nam ovaj indikator može reći nešto važno o rađanju Svemira, ali nitko nije znao što točno - sve do 6. prosinca 1979. godine.

Alan Guth, američki fizičar i kozmolog koji je prvi predložio ideju kozmičke inflacije, mladi istraživač sa Sveučilišta Cornell, prisustvovao je Dickeovom predavanju o problemu ravnog svemira u proljeće te godine. Zaintrigiran tom misterijom svemira, stalno ju je držao u glavi i nastojao što više čitati o kozmologiji.

Znanje iz fizike čestica počelo mu se povezivati u glavi s kozmološkim podacima, a 6. prosinca, nakon razgovora o omiljenoj temi sa Sidneyem Colemanom, koji je došao s Harvarda, sinulo mu je.

Sjedio je za svojim stolom do jutra iu petak, 7. prosinca 1979., zapisao je svoje doista važno otkriće u svoju bilježnicu pod glasnim naslovom "SMRDLJIVA EPILIGACIJA".

Shvatio je da je naletio na nešto vrlo važno. Guth je shvatio da se tijekom stvaranja Svemira, u prvom djeliću sekunde, dogodio proces koji se zove razbijanje simetrije, au njegovom okviru fazni prijelaz sličan onom kako se para kondenzira u vodu i oslobađa energiju. Upravo je snažno oslobađanje energije pokrenulo proces brzog širenja - Guth ga je nazvao inflacija, doslovno "napuhavanje" - koji je završio. (Inflacija se često uključuje u koncept Velikog praska, ali važno je razumjeti da mu je prethodila.)

Inflacija svemira

Kako se to dogodilo? Pogledajmo pobliže. Tijekom procesa inflacije, veličina Svemira se eksponencijalno povećavala, udvostručavajući se svakih 10 do minus 38 stupnjeva sekunde, to jest, sve u Svemiru što promatramo "napuhano" je iz nekog primarnog stanja milijardu puta manjeg od protona u veličine košarkaške lopte za oko 10 do minus 30 stupnjeva sekunde (pri ovoj brzini, u približno istom vremenskom razdoblju, teniska loptica bi se mogla raširiti do veličine vidljivog prostora). I tek tada se dogodio Veliki prasak. Tu su ideju dalje razvijali rusko-amerikanac Andrei Linde i drugi istraživači.

Svemir koji vidimo toliko je homogen jer je nastao iz tako sićušnog stanja u kojem nije bilo uvjeta za razlike u gustoćama.

Ovaj model također rješava problem ravnosti: inflacija spljošti Svemir na isti način na koji površina napuhanog balona ili bilo koje druge rastuće kugle postane ravna. Površina teniske loptice, koja je dvodimenzionalni objekt omotan oko treće dimenzije, očito je okrugla, ali ako je napuhamo do veličine vidljivog svemira i pokušamo ispitati njezinu površinu, nikakva mjerenja neće moći otkriti njegovo odstupanje od ravnosti.

Ista stvar se događa sa stvarnim Svemirom, samo u tri, a ne u dvije dimenzije (Ovaj model također nudi rješenje problema horizonta, budući da se pokazalo da su udaljeni dijelovi Svemira ranije povezani, ali razdvojeni ultra- brzo rastezanje prostora. Ovo rastezanje dogodilo se u određenom smislu brže od brzine svjetlosti, ali ništa ne može putovati kroz svemir brže od svjetlosti, otkrio je ovaj uvjerljiv dokaz inflacije i potom ga potvrdio promatranjem.)

Samo primarno stanje, u okviru ovog modela, može se objasniti takozvanom kvantnom fluktuacijom - blagim iskrivljenjem tkiva prostorno-vremenskog kontinuuma, koji nije imao vremena nestati i bio je podložan inflaciji.

Kvantne fluktuacije i Veliki prasak

Povrh svega, tijekom inflacije u novonastalom Svemiru nastaju nove kvantne fluktuacije, koje također prolaze kroz inflaciju, ostavljajući valove u strukturi materije, što zatim uzrokuje Veliki prasak. Ti valovi, često nazivani anizotropijom, postaju začeci struktura kao što su galaksije (točnije jata i superjata galaksija), a trebali su ostaviti traga u kozmičkom mikrovalnom pozadinskom zračenju.

Ako pokušate pratiti povijest svemira na temelju fluktuacija u zračenju koje se danas promatra, morate se usredotočiti na razliku u temperaturi ovog zračenja u različitim dijelovima neba.

Ova temperatura je otprilike jedan stotisućiti dio, to jest, za temperaturu od oko 2,7 K, fluktuacije će biti 土0,00003 K. Ako krenemo od teorije inflacije, možemo predvidjeti gdje se točno na nebu nalaze tragovi ovih “ napuhane” kvantne fluktuacije bit će vidljive. Inflacija je trebala ostaviti jasan trag na nebu, samo da smo imali dovoljno precizne senzore da to otkriju. Nije iznenađujuće da RELIKT-1 (usput, RELIKT-2 nikad nije lansiran) nije mogao otkriti ova suptilna odstupanja. Ali sljedeći satelit lansiran za proučavanje kozmičkog mikrovalnog pozadinskog zračenja imao je osjetljivije senzore.

John Gribbin još više govori o Svemiru, određujući njegovu starost i kozmičko mikrovalno pozadinsko zračenje u svojoj knjizi: detaljno i bez nepotrebnih pojednostavljenja.

p.s. Ako volite znanost, pridružite se zajednicama MYTH.Nauchpop