Astrofizician, doctor în științe fizice și matematice, cercetător șef la Institutul de Astronomie al Academiei Ruse de Științe (INASAN) Nikolai Chugai răspunde:
— În astrofizică, Big Bang-ul este înțeles ca procesul exploziv în care s-a născut Universul nostru. Această idee se bazează pe faptul observat al recesiunii galaxiilor, descoperit la sfârșitul anilor douăzeci ai secolului trecut. Astrofizicianul american Hubble. Recesiunea galaxiilor înseamnă că universul a fost dens în trecut.
În anii patruzeci ai secolului al XX-lea a devenit clar că acesta a fost primul lucru care mi-a venit în minte Astrofizicianul rus Georgy Gamow, care a lucrat în SUA - că Universul în trecutul îndepărtat nu era doar dens, ci și foarte fierbinte, atât de mult încât s-ar putea întâmpla lucruri în el reacții termonucleare sinteza elementelor chimice dintr-un amestec de protoni, neutroni si electroni. Nucleul de hidrogen este format dintr-un proton, deci putem spune că, după gândirea lui Gamow, la început a existat doar hidrogen. Acesta este, de asemenea, cel mai comun în Universul modern. element chimic. Orice altceva, inclusiv heliul, următorul element cel mai abundent, a apărut în urma reacțiilor nucleare. Gamow a calculat condițiile în care s-a format cantitatea modernă de heliu în primele câteva minute după explozie și a ajuns la concluzia că pe durata de viață a Universului, radiația caldă primară ar fi trebuit să se răcească la 5 grade Kelvin (zero din aceasta. scara corespunde unei temperaturi de -273 grade Celsius). În 1964, această presupunere a fost confirmată cu brio: radioastronomii americani PenziasŞi Wilson a descoperit această radiație în intervalul de centimetri ca un fundal uniform al cerului. Măsurătorile ulterioare de la sateliți au arătat că temperatura acestui fundal (radiație relicvă) este de 2,7 grade Kelvin.
Radiația CMB este un argument decisiv în favoarea teoriei Big Bang. Strălucirea radiației cosmice de fond cu microunde ne permite să înțelegem multe lucruri, inclusiv nașterea galaxiilor și a clusterelor de galaxii. Cert este că la început Universul a fost absolut omogen. Dar în timpul procesului de expansiune, micile perturbări de densitate inițială au început să se intensifice din cauza auto-atractiei gravitaționale, așa cum o planetă este atrasă de Soare, o piatră cade pe pământ. Forța gravitației face ca aceste nereguli să devină și mai dense. Așa s-au format galaxiile și clusterele de galaxii, stele și planete.
Teoria Big Bang are un concurent puternic în deceniul actual - teoria ciclică.
Teoria Big Bang este de încredere de marea majoritate a oamenilor de știință care studiază istoria timpurie a Universului nostru. De fapt explică multe și nu contrazice în niciun fel datele experimentale. Cu toate acestea, recent are un concurent sub forma unei noi teorii ciclice, ale cărei baze au fost dezvoltate de doi fizicieni de top - directorul Institutului de Științe Teoretice de la Universitatea Princeton, Paul Steinhardt, și câștigătorul premiului. Medalia Maxwell și prestigiosul premiu internațional TED, Neil Turok, director al Institutului Canadian pentru Studii Avansate în Științe Teoretice (Institutul Perimetru pentru Fizică Teoretică). Cu ajutorul profesorului Steinhardt, Popular Mechanics a încercat să vorbească despre teoria ciclică și motivele apariției acesteia.
Titlul acestui articol poate să nu pară o glumă foarte inteligentă. Conform conceptului cosmologic general acceptat, teoria Big Bang, Universul nostru a apărut dintr-o stare extremă de vid fizic generată de o fluctuație cuantică. În această stare, nici timpul, nici spațiul nu existau (sau erau încurși într-o spumă spațiu-timp) și toate interacțiunile fizice fundamentale erau topite împreună. Mai târziu s-au separat și au dobândit existență independentă - mai întâi gravitația, apoi interacțiunea puternică și abia apoi slabă și electromagnetică.
Momentul care precede aceste modificări este de obicei notat ca timp zero, t=0, dar aceasta este convenție pură, un tribut adus formalismului matematic. Conform teoriei standard, trecerea continuă a timpului a început abia după ce forța gravitațională a devenit independentă. Acest moment este de obicei atribuit valorii t = 10 -43 s (mai precis, 5,4x10 -44 s), care se numește timpul Planck. Teoriile fizice moderne pur și simplu nu sunt capabile să funcționeze în mod semnificativ cu perioade mai scurte de timp (se crede că aceasta necesită o teorie cuantică a gravitației, care nu a fost încă creată). În contextul cosmologiei tradiționale, nu are rost să vorbim despre ceea ce sa întâmplat înainte de momentul inițial al timpului, deoarece timpul în înțelegerea noastră pur și simplu nu exista atunci.
Marea majoritate a oamenilor de știință care studiază istoria timpurie a Universului nostru are încredere în teoria Big Bang. De fapt explică multe și nu contrazice în niciun fel datele experimentale. Cu toate acestea, recent are un concurent sub forma unei noi teorii ciclice, ale cărei fundamente au fost dezvoltate de doi fizicieni de top - directorul Institutului de Științe Teoretice de la Universitatea Princeton, Paul Steinhardt, și câștigătorul premiului. Medalia Maxwell și prestigiosul premiu internațional TED, Neil Turok, director al Institutului Canadian pentru Studii Avansate în Științe Teoretice (Institutul Perimetru pentru Fizică Teoretică). Cu ajutorul profesorului Steinhardt, Popular Mechanics a încercat să vorbească despre teoria ciclică și motivele apariției acesteia.
Cosmologie inflaționistă
O parte integrantă a teoriei cosmologice standard este conceptul de inflație (vezi bara laterală). După sfârșitul inflației, gravitația și-a devenit proprie, iar Universul a continuat să se extindă, dar cu o viteză în scădere. Această evoluție a durat 9 miliarde de ani, după care a intrat în joc un alt câmp antigravitațional de natură încă necunoscută, care se numește energie întunecată. A adus din nou Universul într-un regim de expansiune exponențială, care pare să fie păstrat în timpurile viitoare. De remarcat că aceste concluzii se bazează pe descoperirile astrofizice făcute la sfârșitul secolului trecut, la aproape 20 de ani de la apariția cosmologiei inflaționiste.
Interpretarea inflaționistă a Big Bang-ului a fost propusă pentru prima dată acum aproximativ 30 de ani și a fost rafinată de multe ori de atunci. Această teorie ne-a permis să rezolvăm câteva probleme fundamentale cărora cosmologia anterioară nu le putea face față. De exemplu, ea a explicat de ce trăim într-un Univers cu geometrie euclidiană plată - conform ecuațiilor clasice Friedmann, aceasta este exact ceea ce ar trebui să devină cu expansiunea exponențială. Teoria inflației a explicat de ce materia cosmică este granulară la o scară care nu depășește sute de milioane de ani lumină, dar este distribuită uniform pe distanțe mari. Ea a oferit, de asemenea, o interpretare a eșecului oricăror încercări de a detecta monopoluri magnetice, particulele foarte masive cu un singur pol magnetic despre care se crede că au fost produse din abundență înainte de debutul inflației (inflația a întins spațiul cosmic atât de mult încât densitatea monopolurilor a fost redusă la aproape zero, astfel încât dispozitivele noastre nu le pot detecta).
La scurt timp după apariția modelului inflaționist, mai mulți teoreticieni și-au dat seama că logica sa internă nu contrazice ideea nașterii multiple permanente a tot mai multe universuri noi. De fapt, fluctuațiile cuantice, precum cele cărora le datorăm existența lumii noastre, pot apărea în orice cantitate dacă sunt prezente condiții adecvate. Este posibil ca universul nostru să fi apărut din zona de fluctuație care s-a format în lumea predecesorului. În același mod, putem presupune că într-o zi și undeva în propriul nostru Univers se va forma o fluctuație care va „expulsa” un univers tânăr de un tip complet diferit, capabil și de „naștere” cosmologică. Există modele în care astfel de universuri fiice apar continuu, înflorind de la părinți și găsindu-și propriul loc. Mai mult, nu este deloc necesar ca aceleași legi fizice să fie stabilite în astfel de lumi. Toate aceste lumi sunt „încorporate” într-un singur continuum spațiu-timp, dar sunt atât de separate în el, încât nu simt prezența celuilalt. În general, conceptul de inflație permite — într-adevăr, forțe! — să credem că în megacosmosul gigantic există multe universuri izolate unele de altele cu structuri diferite.
Alternativă
Fizicienilor teoreticieni le place să vină cu alternative chiar și la cele mai general acceptate teorii. Au apărut și concurenți pentru modelul de inflație Big Bang. Ei nu au primit un sprijin larg, dar au avut și au în continuare adepții lor. Teoria lui Steinhardt și Turok nu este prima dintre ele și cu siguranță nici ultima. Cu toate acestea, astăzi a fost dezvoltat mai în detaliu decât altele și explică mai bine proprietățile observate ale lumii noastre. Are mai multe versiuni, dintre care unele se bazează pe teoria corzilor cuantice și a spațiilor multidimensionale, în timp ce altele se bazează pe teoria tradițională a câmpurilor cuantice. Prima abordare oferă mai multe imagini vizuale ale proceselor cosmologice, așa că ne vom concentra asupra ei.
Cea mai avansată versiune a teoriei corzilor este cunoscută sub numele de teoria M. Ea susține că lumea fizică are 11 dimensiuni - zece spațiale și o singură dată. În el plutesc spații de dimensiuni mai mici, așa-numitele brane. Universul nostru este pur și simplu una dintre aceste brane, cu trei dimensiuni spațiale. Este umplut cu diverse particule cuantice (electroni, quarci, fotoni etc.), care sunt de fapt șiruri deschise vibrante cu o singură dimensiune spațială - lungime. Capetele fiecărei sfori sunt fixate strâns în interiorul branei tridimensionale, iar sfoara nu poate părăsi brana. Dar există și șiruri închise care pot migra dincolo de granițele branelor - acestea sunt gravitonii, cuante ale câmpului gravitațional.
Cum explică teoria ciclică trecutul și viitorul universului? Să începem cu epoca actuală. Primul loc aparține acum energiei întunecate, care face ca Universul nostru să se extindă exponențial, dublându-și periodic dimensiunea. Ca urmare, densitatea materiei și a radiațiilor scade constant, curbura gravitațională a spațiului slăbește, iar geometria sa devine din ce în ce mai plată. În următorii trilioane de ani, dimensiunea Universului se va dubla de aproximativ o sută de ori și se va transforma într-o lume aproape goală, complet lipsită de structuri materiale. Există o altă brană tridimensională în apropiere, separată de noi printr-o mică distanță în a patra dimensiune și, de asemenea, suferă o întindere și aplatizare exponențială similară. În tot acest timp, distanța dintre brane rămâne practic neschimbată.
Și apoi aceste brane paralele încep să se apropie. Ele sunt împinse unul spre celălalt de un câmp de forță, a cărui energie depinde de distanța dintre brane. Acum, densitatea energetică a unui astfel de câmp este pozitivă, astfel încât spațiul ambelor brane se extinde exponențial - prin urmare, acest câmp este cel care oferă efectul care se explică prin prezența energiei întunecate! Cu toate acestea, acest parametru scade treptat după un trilion anii vor cădea la zero. Ambele brane vor continua să se extindă, dar nu exponențial, ci într-un ritm foarte lent. În consecință, în lumea noastră densitatea particulelor și a radiațiilor va rămâne aproape zero, iar geometria va rămâne plată.
Ciclu nou
Dar finalul veche poveste- doar un preludiu al următorului ciclu. Branele se deplasează unele spre altele și în cele din urmă se ciocnesc. În această etapă, densitatea de energie a câmpului interbranar scade sub zero și începe să acționeze ca gravitația (permiteți-mi să vă reamintesc că gravitația energie potenţială negativ!). Când branele sunt foarte apropiate, câmpul interbrane începe să amplifice fluctuațiile cuantice în fiecare punct al lumii noastre și le transformă în deformații macroscopice ale geometriei spațiale (de exemplu, cu o milioneme de secundă înainte de coliziune, dimensiunea estimată a unor astfel de deformații atinge câțiva metri). După o coliziune, în aceste zone este eliberată partea leului din energia cinetică eliberată în timpul impactului. Drept urmare, acolo apare cea mai fierbinte plasmă, cu o temperatură de aproximativ 1023 de grade. Aceste regiuni devin noduri gravitaționale locale și se transformă în embrioni de galaxii viitoare.
O astfel de coliziune înlocuiește Big Bang-ul cosmologiei inflaționiste. Este foarte important ca toată materia nou apărută cu energie pozitivă să apară datorită energiei negative acumulate a câmpului interbranal, prin urmare legea conservării energiei nu este încălcată.
Teoria inflaționistă permite formarea mai multor universuri fiice, care se desprind continuu din cele existente.
Cum se comportă un astfel de domeniu în acest moment decisiv? Înainte de coliziune, densitatea sa de energie atinge un minim (și negativ), apoi începe să crească, iar în timpul coliziunii devine zero. Branele apoi se resping reciproc și încep să se depărteze. Densitatea de energie interbranală suferă o evoluție inversă – devine din nou negativă, zero, pozitivă. Îmbogățită cu materie și radiații, brana se extinde mai întâi cu o viteză descrescătoare sub influența de frânare a propriei gravitații, apoi trece din nou la expansiune exponențială. Noul ciclu se termină ca și precedentul - și așa mai departe la infinit. Cicluri care precedă ale noastre au avut loc și în trecut - în acest model, timpul este continuu, așa că trecutul există dincolo de cele 13,7 miliarde de ani care au trecut de la ultima îmbogățire a branei noastre cu materie și radiații! Fie că au avut vreun început, teoria tace.
Teoria ciclică explică proprietățile lumii noastre într-un mod nou. Are o geometrie plată deoarece se întinde enorm la sfârșitul fiecărui ciclu și se deformează doar puțin înainte de începerea unui nou ciclu. Fluctuațiile cuantice, care devin precursorii galaxiilor, apar haotic, dar în medie uniform - prin urmare, spațiul exterior este umplut cu aglomerări de materie, dar la distanțe foarte mari este destul de omogen. Nu putem detecta monopolul magnetic pur și simplu pentru că temperatura maximă a plasmei nou-născutului nu a depășit 10 23 K, iar formarea unor astfel de particule necesită energii mult mai mari - de ordinul a 10 27 K.
Momentul Big Bang-ului este o ciocnire de brane. Se eliberează o cantitate imensă de energie, branele se despart, are loc o încetinire a expansiunii, materia și radiația se răcesc și se formează galaxii. Expansiunea este din nou accelerată datorită densității pozitive de energie interbranală, apoi încetinește, geometria devine plată. Branele sunt atrase unele de altele, iar înainte de ciocnire, fluctuațiile cuantice sunt amplificate și transformate în deformații ale geometriei spațiale, care în viitor vor deveni embrionii galaxiilor. Are loc o coliziune și ciclul începe din nou.
O lume fără început și sfârșit
Teoria ciclică există în mai multe versiuni, la fel ca și teoria inflației. Totuși, potrivit lui Paul Steinhardt, diferențele dintre ele sunt pur tehnice și interesează doar specialiștii, însă conceptul general rămâne neschimbat: „În primul rând, în teoria noastră nu există nici un moment al începutului lumii, nici o singularitate. Există faze periodice de creare intensă a materiei și radiațiilor, fiecare dintre acestea putând fi numită, dacă se dorește, Big Bang. Dar oricare dintre aceste faze nu marchează apariția unui nou univers, ci doar o tranziție de la un ciclu la altul. Atât spațiul, cât și timpul există atât înainte, cât și după oricare dintre aceste cataclisme. Prin urmare, este destul de firesc să ne întrebăm care era starea de lucruri cu 10 miliarde de ani înainte de ultimul Big Bang, din care se măsoară istoria universului.
A doua diferență cheie este natura și rolul energiei întunecate. Cosmologia inflaționistă nu a prezis tranziția expansiunii încetinite a Universului într-una accelerată. Și când astrofizicienii au descoperit acest fenomen observând explozii îndepărtate de supernove, cosmologia standard nici măcar nu știa ce să facă cu el. Ipoteza energiei întunecate a fost prezentată pur și simplu pentru a lega cumva rezultatele paradoxale ale acestor observații în teorie. Iar abordarea noastră este mult mai bine asigurată de logica internă, deoarece energia întunecată este prezentă în noi inițial și aceasta este cea care asigură alternarea ciclurilor cosmologice.” Cu toate acestea, după cum notează Paul Steinhardt, teoria ciclică are și ele puncte slabe: „Nu am reușit încă să descriem în mod convingător procesul de coliziune și rebound al branelor paralele care are loc la începutul fiecărui ciclu. Alte aspecte ale teoriei ciclice sunt mult mai bine dezvoltate, dar aici sunt încă multe ambiguități de eliminat.”
Testarea prin practică
Dar chiar și cele mai frumoase modele teoretice au nevoie de verificare experimentală. Cosmologia ciclică poate fi confirmată sau infirmată prin observație? „Ambele teorii, inflaționistă și ciclică, prezic existența relictei unde gravitationale, explică Paul Steinhardt. - În primul caz, ele apar din fluctuațiile cuantice primare, care, în timpul inflației, sunt răspândite în spațiu și dau naștere unor fluctuații periodice în geometria acestuia - iar aceasta, conform teoriei generale a relativității, este undele gravitaționale. În scenariul nostru, cauza principală a unor astfel de unde sunt și fluctuațiile cuantice - aceleași care sunt amplificate atunci când branele se ciocnesc. Calculele au arătat că fiecare mecanism generează unde cu un spectru specific și o polarizare specifică. Aceste unde au fost obligate să lase amprente asupra radiației cosmice cu microunde, care servește ca o sursă neprețuită de informații despre spațiul timpuriu. Până acum, astfel de urme nu au fost găsite, dar cel mai probabil acest lucru se va face în următorul deceniu. În plus, fizicienii se gândesc deja la înregistrarea directă a undelor gravitaționale relicte folosind nave spațiale, care vor apărea în două până la trei decenii.”
Alternativa radicala
În anii 1980, profesorul Steinhardt a adus contribuții semnificative la dezvoltarea teoriei standard a Big Bang. Acest lucru nu l-a împiedicat însă să caute o alternativă radicală la teoria în care s-a investit atât de multă muncă. După cum a spus însuși Paul Steinhardt pentru Popular Mechanics, ipoteza inflației dezvăluie într-adevăr multe mistere cosmologice, dar asta nu înseamnă că nu are rost să caut alte explicații: „La început am fost doar interesat să încerc să înțeleg proprietățile de bază ale noastre. lume fără a recurge la inflație. Mai târziu, când am aprofundat această problemă, m-am convins că teoria inflației nu este deloc atât de perfectă pe cât susțin susținătorii ei. Când a fost creată pentru prima dată cosmologia inflaționistă, am sperat că aceasta va explica tranziția de la starea haotică inițială a materiei la Universul ordonat actual. Ea a făcut asta - dar a mers mult mai departe. Logica internă a teoriei a cerut recunoașterea faptului că inflația creează în mod constant un număr infinit de lumi. Nu ar fi nimic greșit în asta dacă structura lor fizică ar copia-o pe a noastră, dar tocmai asta nu se întâmplă. De exemplu, cu ajutorul ipotezei inflației a fost posibil să explicăm de ce trăim într-o lume euclidiană plată, dar majoritatea celorlalte universuri cu siguranță nu vor avea aceeași geometrie. Pe scurt, am construit o teorie pentru a explica propria noastră lume și a scăpat de sub control și a dat naștere unei varietăți nesfârșite de lumi exotice. Această stare de lucruri nu-mi mai convine. Mai mult, teoria standard nu poate explica natura stării anterioare care a precedat expansiunea exponențială. În acest sens, este la fel de incompletă ca și cosmologia pre-inflaționistă. În cele din urmă, nu poate spune nimic despre natura energiei întunecate, care a condus expansiunea Universului nostru timp de 5 miliarde de ani.”
O altă diferență, potrivit profesorului Steinhardt, este distribuția temperaturii radiației de fond cu microunde: „Această radiație, venită din diferite părți ale cerului, nu este complet uniformă ca temperatură, are mai multe și mai puțin zone încălzite. La nivelul preciziei de măsurare oferite de echipamentele moderne, numărul de zone calde și reci este aproximativ același, ceea ce coincide cu concluziile ambelor teorii - inflaționiste și ciclice. Cu toate acestea, aceste teorii prezic diferențe mai subtile între zone. În principiu, ele pot fi detectate de observatorul spațial european Planck lansat anul trecut și de alte nave spațiale noi. Sper că rezultatele acestor experimente vor ajuta la alegerea între teoriile inflaționiste și cele ciclice. Dar se poate întâmpla, de asemenea, ca situația să rămână incertă și niciuna dintre teorii să nu primească sprijin experimental fără ambiguități. Ei bine, atunci va trebui să venim cu ceva nou.”
Teoria Big Bang a devenit un model cosmologic aproape la fel de larg acceptat ca și rotația Pământului în jurul Soarelui. Conform teoriei, acum aproximativ 14 miliarde de ani, vibrațiile spontane în vidul absolut au dus la apariția Universului. Ceva comparabil ca dimensiune cu o particulă subatomică sa extins la dimensiuni inimaginabile într-o fracțiune de secundă. Dar există multe probleme în această teorie cu care se luptă fizicienii, propunând din ce în ce mai multe ipoteze noi.
Ce este în neregulă cu teoria Big Bang?
Din teorie rezultă că toate planetele și stelele s-au format din praful împrăștiat în spațiu ca urmare a unei explozii. Dar ce l-a precedat nu este clar: iată-l pe al nostru model matematic spațiu-timp nu mai funcționează. Universul a apărut dintr-o stare inițială singulară, căreia nu se poate aplica fizica modernă. De asemenea, teoria nu ia în considerare cauzele singularității sau materia și energia pentru apariția ei. Se crede că răspunsul la întrebarea existenței și originii singularității inițiale va fi oferit de teoria gravitației cuantice.
Majoritatea modelelor cosmologice prezic că întregul Univers este mult mai mare ca dimensiune decât partea observabilă - o regiune sferică cu un diametru de aproximativ 90 de miliarde de ani lumină. Vedem doar acea parte a Universului, a cărei lumină a reușit să ajungă pe Pământ în 13,8 miliarde de ani. Dar telescoapele sunt din ce în ce mai bune, descoperim din ce în ce mai multe obiecte îndepărtate și nu există niciun motiv să credem că acest proces se va opri.
De la Big Bang, Universul s-a extins într-un ritm accelerat. Cea mai dificilă ghicitoare fizica modernă este întrebarea ce cauzează accelerația. Conform ipoteza de lucru, Universul conține o componentă invizibilă numită „ energie întunecată" Teoria Big Bang nu explică dacă Universul se va extinde la infinit și, dacă da, la ce va duce acest lucru - dispariția lui sau altceva.
Deși mecanica newtoniană a fost înlocuită de fizica relativistă, nu poate fi numită eronată. Cu toate acestea, percepția asupra lumii și modelele de descriere a Universului s-au schimbat complet. Teoria Big Bang a prezis o serie de lucruri care nu erau cunoscute înainte. Astfel, dacă o altă teorie vine să o înlocuiască, ar trebui să fie similară și să extindă înțelegerea lumii.
Ne vom concentra asupra celor mai interesante teorii care descriu modele alternative ale Big Bang-ului.
Universul este ca un miraj al unei găuri negre
Universul a apărut din cauza prăbușirii unei stele într-un Univers cu patru dimensiuni, potrivit oamenilor de știință de la Institutul de Fizică Teoretică Perimetru. Rezultatele studiului lor au fost publicate de Scientific American. Niayesh Afshordi, Robert Mann și Razi Pourhasan spun că Universul nostru tridimensional a devenit un fel de „miraj olografic” atunci când o stea cu patru dimensiuni s-a prăbușit. Spre deosebire de teoria Big Bang, care presupune că universul a apărut dintr-un spațiu-timp extrem de fierbinte și dens în care legile standard ale fizicii nu se aplică, noua ipoteză a unui univers cu patru dimensiuni explică atât originile, cât și expansiunea rapidă a acestuia.
Conform scenariului formulat de Afshordi și colegii săi, Universul nostru tridimensional este un fel de membrană care plutește printr-un univers și mai mare care există deja în patru dimensiuni. Dacă acest spațiu cu patru dimensiuni ar avea propriile stele cu patru dimensiuni, ar exploda și ele, la fel ca cele tridimensionale din Universul nostru. Stratul interior ar deveni gaura neagra, iar cel extern ar fi aruncat în spațiu.
În Universul nostru, găurile negre sunt înconjurate de o sferă numită orizont de evenimente. Și dacă în spațiul tridimensional această graniță este bidimensională (ca o membrană), atunci într-un univers cu patru dimensiuni orizontul evenimentelor va fi limitat la o sferă care există în trei dimensiuni. Simulările computerizate ale prăbușirii unei stele cu patru dimensiuni au arătat că orizontul său de evenimente tridimensional se va extinde treptat. Este exact ceea ce observăm, numind creșterea membranei 3D expansiunea Universului, cred astrofizicienii.
Îngheț mare
O alternativă la Big Bang este Big Freeze. O echipă de fizicieni de la Universitatea din Melbourne, condusă de James Kvatch, a prezentat un model al nașterii Universului, care amintește mai mult de procesul treptat de înghețare a energiei amorfe decât de eliberarea și expansiunea acesteia în trei direcții ale spațiului.
Energia fără formă, conform oamenilor de știință, precum apa, s-a răcit până la cristalizare, creând cele trei dimensiuni spațiale și una temporală obișnuite.
Teoria Big Freeze contestă afirmația acceptată în prezent a lui Albert Einstein privind continuitatea și fluiditatea spațiului și timpului. Este posibil ca spațiul să aibă componente - blocuri de construcție indivizibile, cum ar fi atomi mici sau pixeli în grafica computerizată. Aceste blocuri sunt atât de mici încât nu pot fi observate, totuși, urmând noua teorie, este posibil să se detecteze defecte care ar trebui să refracte fluxul altor particule. Oamenii de știință au calculat astfel de efecte folosind matematică, iar acum vor încerca să le detecteze experimental.
Univers fără început și sfârșit
Ahmed Farag Ali de la Universitatea Benha din Egipt și Saurya Das de la Universitatea din Lethbridge din Canada au propus o nouă soluție la problema singularității prin abandonarea Big Bang-ului. Ei au introdus ideile celebrului fizician David Bohm în ecuația Friedmann care descrie expansiunea Universului și Big Bang-ul. „Este uimitor că micile ajustări pot rezolva atât de multe probleme”, spune Das.
Modelul rezultat a combinat relativitatea generală și teoria cuantică. Nu numai că neagă singularitatea care a precedat Big Bang-ul, dar nici nu admite că Universul se va prăbuși în cele din urmă înapoi în starea sa originală. Conform datelor obținute, Universul are o dimensiune finită și o viață infinită. În termeni fizici, modelul descrie un Univers plin cu un fluid cuantic ipotetic, care constă din gravitoni - particule care asigură interacțiunea gravitațională.
Oamenii de știință susțin, de asemenea, că descoperirile lor sunt în concordanță cu măsurători recente ale densității Universului.
Inflație haotică nesfârșită
Termenul de „inflație” se referă la expansiunea rapidă a Universului, care a avut loc exponențial în primele momente după Big Bang. Teoria inflației în sine nu infirmă teoria Big Bang, ci doar o interpretează diferit. Această teorie rezolvă mai multe probleme fundamentale din fizică.
Conform modelului inflaționist, la scurt timp după naștere, Universul s-a extins exponențial pentru o perioadă foarte scurtă de timp: dimensiunea sa s-a dublat de multe ori. Oamenii de știință cred că în 10 până la -36 de secunde, Universul a crescut în dimensiune de cel puțin 10 până la 30 până la 50 de ori și, posibil, mai mult. La sfârșitul fazei inflaționiste, Universul a fost umplut cu plasmă superfierbintă de quarci liberi, gluoni, leptoni și cuante de înaltă energie.
Conceptul presupune ce există în lume multe universuri izolate unele de altele cu dispozitiv diferit
Fizicienii au ajuns la concluzia că logica modelului inflaționist nu contrazice ideea nașterii multiple constante a noilor universuri. Fluctuațiile cuantice - la fel ca cele care au creat lumea noastră - pot apărea în orice cantitate, dacă condițiile sunt potrivite pentru ele. Este foarte posibil ca universul nostru să fi ieșit din zona de fluctuație care s-a format în lumea predecesorului. De asemenea, se poate presupune că într-o zi și undeva în Universul nostru se va forma o fluctuație care va „exploda” un Univers tânăr de un tip complet diferit. Conform acestui model, universurile fiice pot să apară continuu. Mai mult, nu este deloc necesar ca aceleași legi fizice să fie stabilite în lumi noi. Conceptul implică faptul că în lume există multe universuri izolate unele de altele cu structuri diferite.
Teoria ciclică
Paul Steinhardt, unul dintre fizicienii care au pus bazele cosmologiei inflaționiste, a decis să dezvolte în continuare această teorie. Omul de știință, care conduce Centrul de Fizică Teoretică de la Princeton, împreună cu Neil Turok de la Institutul Perimetru de Fizică Teoretică, a subliniat o teorie alternativă în cartea Endless Universe: Beyond the Big Bang. („Universul infinit: dincolo de Big Bang”). Modelul lor se bazează pe o generalizare a teoriei superstringurilor cuantice cunoscută sub numele de teoria M. Potrivit acesteia, lumea fizică are 11 dimensiuni - zece spațiale și una temporală. Spațiile de dimensiuni mai mici, așa-numitele brane, „plutesc” în el. (prescurtare de la „membrană”). Universul nostru este pur și simplu una dintre aceste brane.
Modelul Steinhardt și Turok afirmă că Big Bang-ul a avut loc ca urmare a ciocnirii branei noastre cu o altă brană - un univers necunoscut. În acest scenariu, coliziunile apar la nesfârșit. Conform ipotezei lui Steinhardt și Turok, o altă brană tridimensională „plutește” lângă brana noastră, separată de o distanță mică. De asemenea, se extinde, se aplatizează și se golește, dar după un trilion de ani branele vor începe să se apropie și în cele din urmă să se ciocnească. Acest lucru va elibera o cantitate imensă de energie, particule și radiații. Acest cataclism va declanșa un alt ciclu de expansiune și răcire a Universului. Din modelul lui Steinhardt și Turok rezultă că aceste cicluri au existat în trecut și se vor repeta cu siguranță în viitor. Teoria tace despre cum au început aceste cicluri.
Univers
ca un calculator
O altă ipoteză despre structura universului spune că întreaga noastră lume nu este altceva decât o matrice sau un program de calculator. Ideea că Universul este un computer digital a fost prezentată pentru prima dată de inginerul german și pionierul computerelor Konrad Zuse în cartea sa Calculating Space. („Spațiu de calcul”). Printre cei care au considerat și Universul ca pe un computer gigant se numără fizicienii Stephen Wolfram și Gerard 't Hooft.
Teoreticienii în fizica digitală propun că universul este în esență informație și, prin urmare, computabil. Din aceste presupuneri rezultă că Universul poate fi considerat ca rezultat al muncii program de calculator sau dispozitiv de calcul digital. Acest computer ar putea fi, de exemplu, un automat celular gigant sau o mașină Turing universală.
Dovezi indirecte natura virtuală a universului numit principiul incertitudinii în mecanica cuantică
Conform teoriei, fiecare obiect și eveniment din lumea fizică provine din adresarea întrebărilor și înregistrarea răspunsurilor „da” sau „nu”. Adică, în spatele a tot ceea ce ne înconjoară, se află un anumit cod, asemănător codului binar al unui program de calculator. Și suntem un fel de interfață prin care apare accesul la datele „Internetului universal”. O dovadă indirectă a naturii virtuale a Universului se numește principiul incertitudinii în mecanica cuantică: particulele de materie pot exista într-o formă instabilă și sunt „fixate” într-o stare specifică numai atunci când sunt observate.
Fizicianul digital John Archibald Wheeler a scris: „Nu ar fi nerezonabil să ne imaginăm că informația se află în miezul fizicii ca și în miezul unui computer. Totul este de la bit. Cu alte cuvinte, tot ceea ce există - fiecare particulă, fiecare câmp de forță, chiar și continuumul spațiu-timp în sine - își primește funcția, sensul și, în cele din urmă, însăși existența sa."
26 noiembrie 2014
Ei spun că timpul este cea mai misterioasă chestiune. Indiferent cât de mult încearcă o persoană să-și înțeleagă legile și să învețe să le controleze, el are întotdeauna probleme. Făcând ultimul pas spre rezolvarea marelui mister și având în vedere că practic este deja în buzunarul nostru, suntem mereu convinși că este tot la fel de evaziv. Cu toate acestea, omul este o creatură curios și căutarea răspunsurilor la întrebări eterne pentru mulți devine sensul vieții.
Unul dintre aceste secrete a fost crearea lumii. Adepții „Teoriei Big Bang”, care explică în mod logic originea vieții pe Pământ, au început să se întrebe ce s-a întâmplat înainte de Big Bang și dacă a existat ceva. Tema de cercetare este fertilă, iar rezultatele pot fi de interes pentru publicul larg.
Totul în lume are un trecut - Soarele, Pământul, Universul, dar de unde a venit toată această diversitate și ce a apărut înaintea ei?
Cu greu este posibil să dai un răspuns cert, dar este foarte posibil să înaintăm ipoteze și să cauți dovezi pentru ele. În căutarea adevărului, cercetătorii au primit nu unul, ci mai multe răspunsuri la întrebarea „ce s-a întâmplat înainte de Big Bang?” Cel mai popular dintre ei sună oarecum descurajator și destul de îndrăzneț - Nimic. Este posibil ca tot ce există să vină din nimic? Că Nimicul a dat naștere la tot ce există?
De fapt, acest lucru nu poate fi numit golicitate absolută și se mai întâmplă unele procese acolo? S-a născut totul din nimic? Nimicul este absența completă nu numai a materiei, a moleculelor și a atomilor, ci chiar și a timpului și a spațiului. Pământ bogat pentru activitatea scriitorilor de science fiction!
Opiniile oamenilor de știință despre era dinaintea Big Bang-ului
Cu toate acestea, Nimic nu poate fi atins, nu i se aplică legile obișnuite, ceea ce înseamnă că fie speculezi și construiești teorii, fie încerci să creezi condiții apropiate de cele care au dus la Big Bang și să te asiguri că presupunerile tale sunt corecte. În camerele speciale din care au fost îndepărtate particulele de materie, temperatura a fost scăzută, apropiindu-l de condițiile spațiului. Rezultatele observaționale au oferit o confirmare indirectă a teoriilor științifice: oamenii de știință au studiat mediul în care Big Bang-ul ar putea apărea teoretic, dar numirea acestui mediu „Nimic” s-a dovedit a nu fi în întregime corectă. Mini-exploziile care au loc ar putea duce la o explozie mai mare care a dat naștere Universului.
Teoriile universurilor înainte de Big Bang
Adepții unei alte teorii susțin că înainte de Big Bang au existat alte două Universuri care s-au dezvoltat conform propriilor legi. Ce anume au fost ei este greu de răspuns, dar conform teoriei prezentate, Big Bang-ul a avut loc ca urmare a ciocnirii lor și a dus la distrugerea completă a Universurilor anterioare și, în același timp, la nașterea Universurilor noastre, care există astăzi.
Teoria „compresiei” spune că Universul există și a existat dintotdeauna doar condițiile dezvoltării sale, care duc la dispariția vieții într-o regiune și la apariția în alta. Viața dispare ca urmare a „prăbușirii” și apare după explozie. Oricât de paradoxal ar suna. Această ipoteză are număr mare suporteri.
Există o altă presupunere: ca urmare a Big Bang-ului, un nou Univers a apărut din neant și s-a umflat, ca un balon de săpun, în proporții gigantice. În acest moment, din el au apărut „bule”, care mai târziu au devenit alte galaxii și universuri.
Teorie" selecția naturală” sugerează că vorbim de „selecție cosmică naturală”, precum cea despre care vorbea Darwin, doar la scară mai mare. Universul nostru a avut propriul său strămoș și, la rândul său, a avut și propriul său strămoș. Conform acestei teorii, Universul nostru a fost creat de o gaură neagră. și sunt de mare interes pentru oamenii de știință. Conform acestei teorii, pentru a apărea un nou Univers, sunt necesare mecanisme de „reproducție”. Gaura Neagră devine un astfel de mecanism.
Sau poate cei care cred că pe măsură ce Universul nostru crește și se dezvoltă se extinde, îndreptându-se spre Big Bang, care va fi începutul unui nou Univers, au dreptate. Aceasta înseamnă că odată ca niciodată, un Univers necunoscut și, din păcate, dispărut a devenit progenitorul noului nostru univers. Natura ciclică a acestui sistem pare logică și această teorie are mulți adepți.
Este greu de spus în ce măsură adepții uneia sau aceleia ipoteze s-au apropiat de adevăr. Fiecare alege ceea ce este mai aproape în spirit și înțelegere. Lumea religioasă oferă propriile răspunsuri la toate întrebările și pune imaginea creării lumii într-un cadru divin. Ateii caută răspunsuri, încercând să ajungă la fundul lucrurilor și să atingă tocmai această esență cu propriile mâini. Se poate întreba ce a cauzat o asemenea persistență în căutarea unui răspuns la întrebarea ce s-a întâmplat înainte de Big Bang, deoarece este destul de problematic să tragem beneficii practice din această cunoaștere: o persoană nu va deveni conducătorul Universului, conform lui. cuvânt și dorință, stele noi nu se vor aprinde, iar cele existente nu se vor stinge. Dar ceea ce este atât de interesant este ceea ce nu a fost studiat! Omenirea se luptă să rezolve misterele și cine știe, poate mai devreme sau mai târziu vor cădea în mâinile omului. Dar cum va folosi el această cunoaștere secretă?
Ilustrații: KLAUS BACHMANN, revista GEO
(26
voturi, medie: 4,85
din 5)
- Rupor
- Serghei Irkhuzhin
- Andrei Moskvin
- Miracolul romilor
- Dmitri
- Vitali Efimenko
- Kair Nukenov
- Semenchegnko Vladimr
- oaspete
- Vova
- Liubov Marchenko
- Stanislav
- Andrei
- Iuri Germanovici Bubnov
- Atman
- Oaspete
- Pavel Shutov
- Vlad Menbek
Big Bang-ul aparține categoriei de teorii care încearcă să urmărească pe deplin istoria nașterii Universului, să determine procesele inițiale, actuale și finale din viața lui.
A existat ceva înainte de apariția Universului? Această întrebare fundamentală, aproape metafizică, este pusă de oamenii de știință până astăzi. Apariția și evoluția universului a fost și rămâne întotdeauna subiect de dezbateri aprinse, de ipoteze incredibile și de teorii care se exclud reciproc. Principalele versiuni ale originii a tot ceea ce ne înconjoară, conform interpretării bisericești, au presupus intervenția divină și lumea științifică a susținut ipoteza lui Aristotel despre natura statică a universului. Ultimul model a fost respectat de Newton, care a apărat nemărginirea și constanța Universului, și de Kant, care a dezvoltat această teorie în lucrările sale. În 1929, astronomul și cosmologul american Edwin Hubble a schimbat radical viziunea oamenilor de știință asupra lumii.
El a descoperit nu numai prezența a numeroase galaxii, ci și expansiunea Universului - o creștere izotropă continuă a dimensiunii spațiului cosmic care a început în momentul Big Bang-ului.
Cui îi datorăm descoperirea Big Bang-ului?
Lucrările lui Albert Einstein privind teoria relativității și ecuațiile sale gravitaționale i-au permis lui de Sitter să creeze un model cosmologic al Universului. Cercetările ulterioare au fost legate de acest model. În 1923, Weyl a sugerat că materia plasată în spațiul cosmic ar trebui să se extindă. Lucrarea remarcabilului matematician și fizician A. A. Friedman este de mare importanță în dezvoltarea acestei teorii. În 1922, el a permis expansiunea Universului și a făcut concluzii rezonabile că începutul întregii materii a fost într-un punct infinit de dens, iar dezvoltarea tuturor a fost dată de Big Bang. În 1929, Hubble și-a publicat lucrările care explică subordonarea vitezei radiale față de distanță, această lucrare a devenit ulterior cunoscută sub numele de „legea lui Hubble”.
G. A. Gamow, bazându-se pe teoria lui Friedman despre Big Bang, a dezvoltat ideea de temperatură ridicată substanta originala. El a sugerat, de asemenea, prezența radiațiilor cosmice care nu a dispărut odată cu expansiunea și răcirea lumii. Omul de știință a efectuat calcule preliminare ale temperaturii posibile a radiațiilor reziduale. Valoarea pe care și-a asumat-o era în intervalul 1-10 K. Până în 1950, Gamow a făcut calcule mai precise și a anunțat un rezultat de 3 K. În 1964, radioastronomii din America, în timp ce îmbunătățiu antena, prin eliminarea tuturor semnalelor posibile, au determinat parametrii radiațiilor cosmice. Temperatura sa s-a dovedit a fi de 3 K. Această informație a devenit cea mai importantă confirmare a lucrării lui Gamow și a existenței radiațiilor cosmice de fond cu microunde. Măsurătorile ulterioare ale fondului cosmic efectuate în spațiul cosmic, a dovedit în cele din urmă acuratețea calculelor omului de știință. Vă puteți familiariza cu harta radiației cosmice de fond cu microunde la.
Idei moderne despre teoria Big Bang: cum s-a întâmplat?
Unul dintre modelele care explică cuprinzător procesele de apariție și dezvoltare ale Universului cunoscut nouă este teoria Big Bang. Conform versiunii larg acceptate astăzi, a existat inițial o singularitate cosmologică - o stare de densitate și temperatură infinite. Fizicienii au dezvoltat o justificare teoretică pentru nașterea Universului dintr-un punct care avea un grad extrem de densitate și temperatură. După ce a avut loc Big Bang, spațiul și materia Cosmosului au început un proces continuu de expansiune și răcire stabilă. Potrivit unor studii recente, universul a început cu cel puțin 13,7 miliarde de ani în urmă.
Perioade de început în formarea Universului
Primul moment, a cărui reconstrucție este permisă de teoriile fizice, este epoca Planck, a cărei formare a devenit posibilă la 10-43 de secunde după Big Bang. Temperatura materiei a atins 10*32 K, iar densitatea sa a fost de 10*93 g/cm3. În această perioadă, gravitația a câștigat independență, separându-se de interacțiunile fundamentale. Expansiunea continuă și scăderea temperaturii au determinat o tranziție de fază a particulelor elementare.
Următoarea perioadă, caracterizată de expansiunea exponențială a Universului, a venit după alte 10-35 de secunde. A fost numită „inflație cosmică”. A avut loc o expansiune bruscă, de multe ori mai mare decât de obicei. Această perioadă a oferit un răspuns la întrebarea, de ce temperatura este aceeași în diferite puncte ale Universului? După Big Bang, materia nu s-a împrăștiat imediat în tot Universul pentru încă 10-35 de secunde, a fost destul de compactă și s-a stabilit în ea un echilibru termic, care nu a fost perturbat de expansiunea inflaționistă. Perioada a furnizat materialul de bază - plasma cuarc-gluon, folosită pentru a forma protoni și neutroni. Acest proces a avut loc după o scădere suplimentară a temperaturii și se numește „bariogeneză”. Originea materiei a fost însoțită de apariția simultană a antimateriei. Cele două substanțe antagoniste s-au anihilat, devenind radiații, dar a prevalat numărul de particule obișnuite, ceea ce a permis crearea Universului.
Următoarea tranziție de fază, care a avut loc după scăderea temperaturii, a dus la apariția particulelor elementare cunoscute nouă. Epoca „nucleosintezei” care a venit după aceasta a fost marcată de combinarea protonilor în izotopi de lumină. Primele nuclee formate au avut o durată de viață scurtă, s-au dezintegrat în timpul ciocnirilor inevitabile cu alte particule. Elemente mai stabile au apărut în trei minute de la crearea lumii.
Următoarea etapă semnificativă a fost dominația gravitației asupra altor forțe disponibile. La 380 de mii de ani după Big Bang, a apărut atomul de hidrogen. Creșterea influenței gravitației a marcat sfârșitul perioadei inițiale de formare a Universului și a început procesul de apariție a primelor sisteme stelare.
Chiar și după aproape 14 miliarde de ani, radiația cosmică de fond cu microunde rămâne încă în spațiu. Existența sa în combinație cu schimbarea roșie este citată ca argument pentru a confirma validitatea teoriei Big Bang.
Singularitatea cosmologică
Dacă, folosind teoria generală a relativității și faptul expansiunii continue a Universului, ne întoarcem la începutul timpului, atunci dimensiunea universului va fi egală cu zero. Momentul inițial sau știința nu îl poate descrie suficient de precis folosind cunoștințele fizice. Ecuațiile folosite nu sunt potrivite pentru un obiect atât de mic. Este nevoie de o simbioză care să poată combina mecanica cuantică și teoria generală a relativității, dar, din păcate, nu a fost încă creată.
Evoluția Universului: ce îl așteaptă în viitor?
Oamenii de știință iau în considerare două scenarii posibile: expansiunea Universului nu se va termina niciodată, sau va ajunge la un punct critic și va începe procesul invers - compresia. Această alegere fundamentală depinde de densitatea medie a substanței în compoziția sa. Dacă valoarea calculată este mai mică decât valoarea critică, prognoza este favorabilă dacă este mai mare, atunci lumea va reveni la o stare singulară. Oamenii de știință nu cunosc în prezent valoarea exactă a parametrului descris, așa că întrebarea despre viitorul Universului este în aer.
Relația religiei cu teoria Big Bang
Principalele religii ale omenirii: Catolicismul, Ortodoxia, Islamul, susțin în felul lor acest model de creație a lumii. Reprezentanții liberali ai acestor culte religioase sunt de acord cu teoria originii universului ca urmare a unei intervenții inexplicabile, definită ca Big Bang.
Numele teoriei, familiar întregii lumi - „Big Bang” - a fost dat fără să vrea de adversarul versiunii expansiunii Universului de către Hoyle. El a considerat o astfel de idee „total nesatisfăcătoare”. După publicarea prelegerilor sale tematice, termenul interesant a fost imediat preluat de public.
Motivele care au provocat Big Bang-ul nu sunt cunoscute cu certitudine. Potrivit uneia dintre numeroasele versiuni, aparținând lui A. Yu Glushko, substanța originală comprimată într-un punct a fost o hiper-găură neagră, iar cauza exploziei a fost contactul a două astfel de obiecte formate din particule și antiparticule. În timpul anihilării, materia a supraviețuit parțial și a dat naștere Universului nostru.
Inginerii Penzias și Wilson, care au descoperit radiația cosmică de fond cu microunde a Universului, au primit Premiile Nobelîn fizică.
Temperatura radiației cosmice de fond cu microunde a fost inițial foarte ridicată. După câteva milioane de ani, acest parametru s-a dovedit a fi în limitele care asigură originea vieții. Dar până în această perioadă se formase doar un număr mic de planete.
Observațiile și cercetările astronomice ajută la găsirea răspunsurilor la cele mai importante întrebări pentru umanitate: „Cum a apărut totul și ce ne așteaptă în viitor?” În ciuda faptului că nu toate problemele au fost rezolvate, iar cauza principală a apariției Universului nu are o explicație strictă și armonioasă, teoria Big Bang a câștigat cantitate suficientă confirmări care îl fac modelul principal și acceptabil al apariției universului.