Care este teoria big bang-ului în fizică. Big bang

Lucrări de curs pe tema „Bazele teoretice ale tehnologiilor avansate”

Completat de: Larisa Mirzodzhonovna Belozerskaya, Cursul I

Universitatea Deschisă de Stat din Moscova, filiala

Cosmologia este un studiu fizic al Universului, care include teoria a tot ceea ce este acoperit de observațiile astronomice ale lumii ca parte a Universului.

Cea mai mare realizare a cosmologiei moderne a fost modelul Universului în expansiune, numit teoria Big Bang.

Conform acestei teorii, tot spațiul observabil se extinde. Dar ce s-a întâmplat chiar la început? Toată materia din Cosmos la un moment dat inițial a fost literalmente comprimată în nimic - comprimată într-un singur punct. Avea o densitate fantastic de enormă - este aproape imposibil de imaginat, se exprimă ca un număr în care sunt 96 de zerouri după unu - și o temperatură la fel de inimaginabil de ridicată. Astronomii au numit această stare o singularitate.

Din anumite motive, acest echilibru uimitor a fost distrus brusc de acțiunea forțelor gravitaționale - este greu de imaginat cum ar fi trebuit să fie, având în vedere densitatea infinit uriașă a „materiei primare”!

Oamenii de știință au dat acestui moment numele „Big Bang”. Universul a început să se extindă și să se răcească.

Trebuie remarcat faptul că întrebarea ce fel de naștere a fost Universul - „fierbinte” sau „rece” - nu a fost rezolvată imediat fără ambiguitate și a ocupat mintea astronomilor pentru o lungă perioadă de timp. Interesul pentru problemă a fost departe de a fi inactiv - la urma urmei, de exemplu, vârsta Universului depinde de starea fizică a materiei la momentul inițial. În plus, reacțiile termonucleare pot avea loc la temperaturi ridicate. În consecință, compoziția chimică a Universului „fierbinte” ar trebui să difere de compoziția Universului „rece”. Și aceasta, la rândul său, determină dimensiunea și rata de dezvoltare a corpurilor cerești...

Timp de câteva decenii, ambele versiuni - nașterea „fierbinte” și „rece” a Universului - au existat în cosmologie în condiții egale, având atât susținători, cât și critici. Problema a rămas „mică” - a fost necesar să le confirmăm cu observații.

Astronomia modernă poate da un răspuns afirmativ la întrebarea dacă există dovezi pentru ipoteza unui Univers fierbinte și Big Bang. În 1965, a fost făcută o descoperire care, conform oamenilor de știință, confirmă direct că în trecut materia Universului era foarte densă și fierbinte. S-a dovedit că în spațiul cosmic există unde electromagnetice care s-au născut în acea eră îndepărtată când nu existau stele, galaxii sau sistemul nostru solar.

Posibilitatea existenței unei astfel de radiații a fost prezisă de astronomi mult mai devreme. La mijlocul anilor 1940. Fizicianul american George Gamow (1904-1968) a abordat problemele originii Universului și originii elementelor chimice. Calculele efectuate de Gamow și studenții săi au permis să ne imaginăm că Universul a avut o temperatură foarte ridicată în primele secunde de existență. Substanța încălzită „strălucea” - a emis unde electromagnetice. Gamow a sugerat că ar trebui observate în epoca modernă sub formă de unde radio slabe și chiar a prezis temperatura acestei radiații - aproximativ 5-6 K.

În 1965, inginerii radio americani Arno Penzias și Robert Wilson au detectat radiații cosmice care nu puteau fi atribuite vreunei surse cosmice cunoscute la acea vreme. Astronomii au ajuns la concluzia că această radiație, care are o temperatură de aproximativ 3 K, este o relicvă (din latinescul „rămășiță”, de unde și numele radiației - „relicvă”) a acelor vremuri îndepărtate când Universul era fantastic. Fierbinte. Acum, astronomii au putut face o alegere în favoarea nașterii „fierbinte” a Universului. A. Penzias și R. Wilson au primit Premiul Nobel în 1978 pentru descoperirea fondului cosmic cu microunde (denumirea oficială a radiației cosmice de fond cu microunde) la o lungime de undă de 7,35 cm.

Big Bang este numele dat originii Universului. În cadrul acestui concept, se crede că starea inițială a Universului era un punct numit punct de singularitate, în care erau concentrate toată materia și energia. Era caracterizat printr-o densitate infinit de mare a materiei. Proprietățile specifice ale punctului de singularitate sunt necunoscute, la fel cum este necunoscut ceea ce a precedat starea de singularitate.

O cronologie aproximativă a evenimentelor care au urmat din punctul zero în timp - începutul expansiunii - este prezentată mai jos:

Nu există informații sigure cu privire la condițiile și evenimentele care au avut loc înainte de momentul de 5·10-44 secunde - sfârșitul cuantumului pentru prima dată. Despre parametrii fizici ai acelei epoci, putem spune doar că atunci temperatura era de 1,3·1032 K, iar densitatea materiei era de aproximativ 1096 kg/m3. Valorile date sunt limitele de aplicare a teoriilor existente. Ele decurg din relațiile dintre viteza luminii, constanta gravitațională, constantele lui Planck și Boltzmann și se numesc „cele lui Planck”.

Evenimentele din perioada de la 5·10-44 la 10-36 secunde sunt reflectate de modelul „Universului inflaționist”, descriere dificilă și care nu poate fi dată în cadrul acestei prezentări. Cu toate acestea, trebuie remarcat faptul că, conform acestui model, expansiunea Universului a avut loc fără o scădere a concentrației volumetrice de energie și sub presiunea negativă a amestecului primar de materie și energie, adică, așa cum spune, respingerea obiectelor materiale. unul de celălalt, care a provocat expansiunea Universului, care continuă până în zilele noastre.

Pentru a înțelege procesele care au avut loc în perioada de 10-36-10-4 secunde de la începutul exploziei, este necesară o cunoaștere profundă a fizicii particulelor elementare. În această perioadă, radiațiile electromagnetice și particulele elementare - diferite tipuri de mezoni, hiperoni, protoni și antiprotoni, neutroni și antineutroni, neutrini și antineutrini etc. a existat în echilibru, adică concentrațiile lor în volum au fost egale. Un rol foarte important în acest moment l-au jucat mai întâi câmpurile de interacțiuni puternice și apoi slabe.

În perioada de 10-4 - 10-3 secunde a avut loc formarea întregului set de particule elementare care, transformându-se una în alta, alcătuiesc acum întregul Univers. A avut loc anihilarea majorității covârșitoare a particulelor elementare și a antiparticulelor care existau anterior. În această perioadă a apărut asimetria barionică, care s-a dovedit a fi rezultatul unui foarte mic, de doar o miliardime, exces al numărului de barioni față de antibarioni. A apărut, se pare, imediat după epoca expansiunii inflaționiste a Universului. La o temperatură de 1011 grade, densitatea Universului scăzuse deja la o valoare caracteristică nucleelor ​​atomice.În această perioadă, temperatura s-a înjumătățit în miimi de secundă. În același timp, s-a născut radiația neutrină existentă și acum relictă. Cu toate acestea, în ciuda densității sale semnificative, în valoare de nu mai puțin de 400 bucăți/cm3, și a posibilității de a obține cu ajutorul său cele mai importante informații despre acea perioadă de formare a Universului, înregistrarea acesteia nu este încă fezabilă.

În perioada de la 10-3 până la 10-120 de secunde, ca urmare a reacțiilor termonucleare, s-au format nuclee de heliu și un număr foarte mic de nuclee ale altor elemente chimice ușoare, iar o parte semnificativă a protoni - nuclee de hidrogen - s-au format. necombinate în nuclee atomice. Toți au rămas scufundați în „oceanul” de electroni liberi și fotoni de radiații electromagnetice. Din acest moment s-a stabilit un raport în gazul primar: 75-78% hidrogen și 25-22% heliu - în masa acestor gaze.

În perioada cuprinsă între 300 de mii și 1 milion de ani, temperatura Universului a scăzut la 3000 - 45000 K și a început epoca recombinării. Electronii liberi anterior combinați cu nuclee atomice ușoare și protoni. S-au format atomi de hidrogen, heliu și un număr de atomi de litiu. Materia a devenit transparentă și radiația cosmică de fond cu microunde, observată până acum, s-a „separat” de ea. Toate caracteristicile observate în prezent ale radiației cosmice de fond cu microunde, de exemplu, fluctuațiile de temperatură ale fluxurilor sale care provin din diferite zone de pe sfera cerească sau polarizarea lor, reflectă imaginea proprietăților și distribuției materiei la acel moment.

În următorii - primul miliard de ani de existență a Universului, temperatura acestuia a scăzut de la 3000 - 45000 K la 300 K. Datorită faptului că în această perioadă de timp, sursele de radiații electromagnetice - stele, quasari etc. - au avut neformat încă în Univers Radiația relictă s-a răcit deja; această eră este numită „Epoca Întunecată” a Universului.

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, iar 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 unei temperaturi ridicate a substanței inițiale. 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 egală cu 3 K. Această informație a devenit cea mai importantă confirmare a lucrării lui Gamow și a existenței radiației cosmice de fond cu microunde. Măsurătorile ulterioare ale fondului cosmic, efectuate în spațiul cosmic, au 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, începutul universului a fost pus în urmă cu cel puțin 13,7 miliarde de ani.

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 în diferite puncte ale Universului este aceeași? După Big Bang, materia nu s-a împrăștiat imediat în Univers; 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, au primit Premiul Nobel pentru 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 o cantitate suficientă de confirmare care o face modelul principal și acceptabil de apariția universului.

12. Ce a cauzat Big Bang-ul?

Paradoxul apariției

Nici una dintre prelegerile despre cosmologie pe care le-am citit vreodată nu a fost completă fără întrebarea ce a cauzat Big Bang-ul? Până acum câțiva ani nu știam răspunsul adevărat; astăzi, cred, el este celebru.

În esență, această întrebare conține două întrebări într-o formă acoperită. În primul rând, am dori să știm de ce dezvoltarea Universului a început cu o explozie și ce a provocat această explozie în primul rând. Dar în spatele problemei pur fizice se află o altă problemă, mai profundă, de natură filozofică. Dacă Big Bang-ul marchează începutul existenței fizice a Universului, inclusiv apariția spațiului și a timpului, atunci în ce sens putem vorbi despre ce a cauzat explozia asta?

Din punctul de vedere al fizicii, apariția bruscă a Universului ca urmare a unei explozii gigantice pare într-o oarecare măsură paradoxală. Dintre cele patru interacțiuni care guvernează lumea, numai gravitația se manifestă la scară cosmică și, după cum arată experiența noastră, gravitația are natura atracției. Cu toate acestea, explozia care a marcat nașterea Universului a necesitat aparent o forță respingătoare de o magnitudine incredibilă, care ar putea sfâșie cosmosul și să-i provoace expansiunea, care continuă și astăzi.

Acest lucru pare ciudat, pentru că dacă forțele gravitaționale domină în Univers, atunci acesta nu ar trebui să se extindă, ci să se contracte. Într-adevăr, forțele gravitaționale de atracție fac obiectele fizice să se micșoreze mai degrabă decât să explodeze. De exemplu, o stea foarte densă își pierde capacitatea de a rezista propriei greutăți și se prăbușește, formând o stea neutronică sau o gaură neagră. Gradul de compresie a materiei în Universul foarte timpuriu a fost semnificativ mai mare decât cel al celei mai dense stele; Prin urmare, se pune adesea întrebarea de ce cosmosul primordial nu s-a prăbușit într-o gaură neagră încă de la început.

Răspunsul obișnuit la aceasta este că explozia primară ar trebui pur și simplu considerată condiția inițială. Acest răspuns este în mod clar nesatisfăcător și provoacă confuzie. Desigur, sub influența gravitației, rata de expansiune cosmică a scăzut continuu încă de la început, dar în momentul nașterii sale Universul se extindea infinit de repede. Explozia nu a fost cauzată de nicio forță - dezvoltarea Universului a început pur și simplu cu expansiune. Dacă explozia ar fi fost mai puțin puternică, gravitația ar fi împiedicat foarte curând răspândirea materiei. Ca urmare, expansiunea ar lăsa loc compresiei, care ar deveni catastrofală și ar transforma Universul în ceva asemănător cu o gaură neagră. Dar, în realitate, explozia s-a dovedit a fi destul de „mare”, ceea ce a făcut posibil ca Universul, depășind propria gravitație, fie să continue să se extindă pentru totdeauna datorită forței exploziei primare, fie cel puțin să existe pentru multe miliarde de ani înainte de a fi comprimat și de a dispărea în uitare.

Problema cu această imagine tradițională este că nu explică în niciun fel Big Bang-ul. Proprietatea fundamentală a Universului este din nou pur și simplu interpretată ca condiția inițială acceptată ad-hoc(pentru acest caz); În esență, spune doar că Big Bang-ul a avut loc. Încă rămâne neclar de ce forța exploziei a fost exact așa cum a fost și nu alta. De ce nu a fost explozia și mai puternică, astfel încât Universul se extinde mult mai repede acum? De asemenea, s-ar putea întreba de ce Universul nu se extinde în prezent mult mai lent sau nu se contractă deloc. Desigur, dacă explozia nu ar fi suficient de puternică, Universul s-ar prăbuși în curând și nu ar fi nimeni care să pună astfel de întrebări. Cu toate acestea, este puțin probabil ca un astfel de raționament să poată fi luat ca o explicație.

La o analiză mai atentă, se dovedește că paradoxul originii Universului este de fapt chiar mai complex decât cel descris mai sus. Măsurătorile atente arată că rata de expansiune a Universului este foarte apropiată de valoarea critică la care Universul este capabil să-și depășească propria gravitație și să se extindă pentru totdeauna. Dacă această viteză ar fi fost puțin mai mică, s-ar fi produs prăbușirea Universului, iar dacă ar fi fost puțin mai mult, materia cosmică s-ar fi disipat complet cu mult timp în urmă. Va fi interesant să aflăm cât de exact se încadrează rata de expansiune a Universului în acest interval acceptabil foarte îngust dintre două posibile catastrofe. Dacă în momentul de timp corespunzător lui 1 s, când modelul de expansiune era deja clar definit, rata de expansiune ar diferi de valoarea sa reală cu mai mult de 10^-18, aceasta ar fi suficientă pentru a perturba complet echilibrul delicat. Astfel, forța exploziei Universului corespunde cu o acuratețe aproape incredibilă interacțiunii sale gravitaționale. Prin urmare, Big Bang-ul nu este doar o explozie îndepărtată - a fost o explozie a unei forțe foarte specifice. În versiunea tradițională a teoriei Big Bang, trebuie să acceptăm nu numai faptul exploziei în sine, ci și faptul că explozia a avut loc într-un mod extrem de capricios. Cu alte cuvinte, condițiile inițiale se dovedesc a fi extrem de specifice.

Rata de expansiune a Universului este doar unul dintre câteva mistere cosmice evidente. Celălalt este legat de imaginea expansiunii Universului în spațiu. Conform observaţiilor moderne. Universul la scară mare este extrem de omogen în ceea ce privește distribuția materiei și a energiei. Structura globală a spațiului este aproape aceeași atât atunci când este observată de pe Pământ, cât și dintr-o galaxie îndepărtată. Galaxiile sunt împrăștiate în spațiu cu aceeași densitate medie, iar din fiecare punct Universul arată la fel în toate direcțiile. Radiația termică primară care umple Universul cade pe Pământ, având aceeași temperatură în toate direcțiile cu o precizie de nu mai puțin de 10-4. În drumul său către noi, această radiație călătorește prin spațiu timp de miliarde de ani lumină și poartă amprenta oricărei abateri de la omogenitatea pe care o întâlnește.

Omogenitatea pe scară largă a Universului este menținută pe măsură ce Universul se extinde. Rezultă că expansiunea are loc uniform și izotrop cu un grad foarte mare de precizie. Aceasta înseamnă că rata de expansiune a Universului nu este doar aceeași în toate direcțiile, ci și constantă în diferite regiuni. Dacă Universul s-ar extinde mai repede într-o direcție decât în ​​altele, aceasta ar duce la o scădere a temperaturii radiației termice de fond în acea direcție și ar schimba modelul de mișcare a galaxiei vizibil de pe Pământ. Astfel, evoluția Universului nu a început doar cu o explozie a unei forțe strict definite - explozia a fost în mod clar „organizată”, adică. a avut loc simultan, cu exact aceeași forță în toate punctele și în toate direcțiile.

Este extrem de puțin probabil ca o astfel de erupție simultană și coordonată să poată avea loc pur spontan, iar această îndoială este întărită în cadrul teoriei tradiționale Big Bang de faptul că diferitele regiuni ale cosmosului primordial nu sunt legate cauzal între ele. Cert este că, conform teoriei relativității, niciun efect fizic nu se poate propaga mai repede decât lumina. În consecință, diferite regiuni ale spațiului pot deveni cauzal conectate unele cu altele numai după ce a trecut o anumită perioadă de timp. De exemplu, la 1 s după explozie, lumina poate parcurge o distanță de cel mult o secundă lumină, ceea ce corespunde la 300 de mii de km. Regiunile Universului separate de o distanță mare încă nu se vor influența reciproc după 1 s. Dar în acest moment, regiunea Universului pe care am observat-o ocupa deja un spațiu de cel puțin 10^14 km în diametru. În consecință, Universul a constat din aproximativ 10^27 de regiuni care nu au legătură între ele cauzal, fiecare dintre acestea, totuși, extinsă exact în aceeași rată. Chiar și astăzi, observând radiațiile cosmice termice care provin din părți opuse ale cerului înstelat, înregistrăm exact aceleași „amprente” ale unor regiuni ale Universului separate de distanțe enorme: aceste distanțe se dovedesc a fi de peste 90 de ori mai mari decât distanța pe care lumina putea călători din momentul în care radiația termică a fost emisă .

Cum să explic o coerență atât de remarcabilă a diferitelor zone ale spațiului care, evident, nu au fost niciodată conectate între ele? Cum a apărut un astfel de comportament similar? Răspunsul tradițional se referă din nou la condiții inițiale speciale. Omogenitatea excepțională a proprietăților exploziei primare este considerată pur și simplu ca un fapt: așa a apărut Universul.

Omogenitatea pe scară largă a Universului pare și mai misterioasă dacă ne gândim că la scară mică Universul nu este deloc omogen. Existența galaxiilor individuale și a grupurilor de galaxii indică o abatere de la omogenitatea strictă, iar această abatere este, de asemenea, peste tot aceeași ca scară și magnitudine. Deoarece gravitația tinde să mărească orice acumulare inițială de materie, gradul de eterogenitate necesar pentru formarea galaxiilor a fost mult mai mic în timpul Big Bang-ului decât este acum. Cu toate acestea, trebuie să fi existat încă o ușoară neomogenitate în faza inițială a Big Bang-ului, altfel galaxiile nu s-ar fi format niciodată. În vechea teorie Big Bang, aceste discontinuități timpurii au fost atribuite și „condițiilor inițiale”. Astfel, a trebuit să credem că dezvoltarea Universului a început nu dintr-o stare complet ideală, ci dintr-o stare extrem de neobișnuită.

Tot ceea ce s-a spus poate fi rezumat după cum urmează: dacă singura forță din Univers este atracția gravitațională, atunci Big Bang-ul ar trebui interpretat ca „trimis de la Dumnezeu”, adică. fără o cauză, cu condiții inițiale date. De asemenea, se caracterizează printr-o consistență remarcabilă; pentru a ajunge la structura actuală, Universul trebuie să fi evoluat corespunzător încă de la început. Acesta este paradoxul originii Universului.

Caută antigravitație

Paradoxul originii Universului a fost rezolvat abia în ultimii ani; cu toate acestea, ideea de bază a soluției poate fi urmărită din istoria îndepărtată, într-o perioadă în care nici teoria expansiunii Universului, nici teoria Big Bang nu existau. Newton a înțeles și cât de dificilă este problema stabilității Universului. Cum își mențin stelele poziția în spațiu fără sprijin? Natura universală a atracției gravitaționale ar fi trebuit să ducă la unirea stelelor în grupuri apropiate unele de altele.

Pentru a evita această absurditate, Newton a recurs la un raționament foarte curios. Dacă Universul s-ar prăbuși sub propria sa gravitație, fiecare stea ar „cădea” spre centrul grupului de stele. Să presupunem, totuși, că Universul este infinit și stelele sunt distribuite, în medie, uniform pe spațiul infinit. În acest caz, nu ar exista deloc un centru comun, spre care ar putea cădea toate stelele - la urma urmei, într-un Univers infinit, toate regiunile sunt identice. Orice stea ar experimenta influența atracției gravitaționale a tuturor vecinilor săi, dar datorită medierii acestor influențe în diferite direcții, nu ar exista nicio forță rezultată care să tindă să miște o stea dată într-o anumită poziție în raport cu întregul set de stele. .

Când Einstein a creat o nouă teorie a gravitației la 200 de ani după Newton, a fost, de asemenea, nedumerit de problema modului în care Universul a evitat colapsul. Prima sa lucrare despre cosmologie a fost publicată înainte ca Hubble să descopere expansiunea Universului; prin urmare, Einstein, la fel ca Newton, a presupus că Universul era static. Cu toate acestea, Einstein a încercat să rezolve problema stabilității Universului într-un mod mult mai direct. El credea că, pentru a preveni prăbușirea Universului sub influența propriei gravitații, trebuie să existe o altă forță cosmică care ar putea rezista gravitației. Această forță trebuie să fie mai degrabă o forță de respingere decât una atractivă pentru a compensa atracția gravitațională. În acest sens, o astfel de forță ar putea fi numită „antigravitațională”, deși ar fi mai corect să vorbim despre forța de repulsie cosmică. În acest caz, Einstein nu a inventat doar în mod arbitrar această forță. El a arătat că este posibil să se introducă un termen suplimentar în ecuațiile sale ale câmpului gravitațional, ceea ce duce la apariția unei forțe cu proprietățile dorite.

În ciuda faptului că ideea unei forțe respingătoare care se opune forței gravitației este în sine destul de simplă și naturală, în realitate proprietățile unei astfel de forțe se dovedesc a fi complet neobișnuite. Desigur, nicio astfel de forță nu a fost observată pe Pământ și nici un indiciu al acesteia nu a fost descoperit de-a lungul mai multor secole de astronomie planetară. Evident, dacă forța de repulsie cosmică există, atunci ea nu ar trebui să aibă niciun efect vizibil la distanțe mici, dar amploarea sa crește semnificativ la scară astronomică. Acest comportament contrazice toată experiența anterioară în studierea naturii forțelor: ele sunt de obicei intense la distanțe scurte și slăbesc odată cu creșterea distanței. Astfel, interacțiunile electromagnetice și gravitaționale scad continuu conform legii inversului pătratului. Cu toate acestea, în teoria lui Einstein a apărut în mod natural o forță cu asemenea proprietăți destul de neobișnuite.

Nu ar trebui să ne gândim la forța de repulsie cosmică introdusă de Einstein ca la a cincea interacțiune din natură. Este doar o manifestare bizară a gravitației însăși. Nu este greu de demonstrat că efectele respingerii cosmice pot fi atribuite gravitației obișnuite dacă se alege ca sursă a câmpului gravitațional un mediu cu proprietăți neobișnuite. Un mediu material obișnuit (de exemplu, un gaz) exercită presiune, în timp ce mediul ipotetic discutat aici ar trebui să aibă negativ presiune sau tensiune. Pentru a ne imagina mai clar despre ce vorbim, să ne imaginăm că am reușit să umplem un vas cu o astfel de substanță cosmică. Apoi, spre deosebire de gazul obișnuit, mediul spațial ipotetic nu va pune presiune pe pereții vasului, ci va tinde să-i tragă în interiorul vasului.

Astfel, putem considera respingerea cosmică ca un fel de complement al gravitației, sau ca un fenomen datorat gravitației obișnuite inerent unui mediu gazos invizibil care umple tot spațiul și are o presiune negativă. Nu există nicio contradicție în faptul că, pe de o parte, presiunea negativă pare să suge în interiorul peretelui vasului și, pe de altă parte, acest mediu ipotetic respinge galaxiile, mai degrabă decât să le atrage. La urma urmei, repulsia este cauzată de gravitația mediului, și nu de orice acțiune mecanică. În orice caz, forțele mecanice sunt create nu de presiunea în sine, ci de diferența de presiune, dar se presupune că mediul ipotetic umple tot spațiul. Nu poate fi limitat la pereții vasului, iar un observator din acest mediu nu l-ar percepe deloc ca pe o substanță tangibilă. Spațiul ar părea complet gol.

În ciuda unor astfel de trăsături uimitoare ale mediului ipotetic, Einstein a declarat la un moment dat că a construit un model satisfăcător al Universului, în care se menține un echilibru între atracția gravitațională și repulsia cosmică pe care a descoperit-o. Folosind calcule simple, Einstein a estimat magnitudinea forței de repulsie cosmică necesară pentru a echilibra gravitația în Univers. El a putut confirma că repulsia trebuie să fie atât de mică în Sistemul Solar (și chiar pe scara galaxiei) încât nu poate fi detectată experimental. Pentru o vreme, părea că vechiul mister fusese rezolvat cu brio.

Cu toate acestea, atunci situația s-a schimbat în rău. În primul rând, a apărut problema stabilității echilibrului. Ideea de bază a lui Einstein se baza pe un echilibru strict de forțe atractive și respingătoare. Dar, ca în multe cazuri de echilibru strict, au apărut și detalii subtile. Dacă, de exemplu, universul static al lui Einstein s-ar extinde puțin, atunci atracția gravitațională (slăbită odată cu distanța) ar scădea ușor, în timp ce forța de repulsie cosmică (crește cu distanța) ar crește ușor. Acest lucru ar duce la un dezechilibru în favoarea forțelor de respingere, care ar provoca o expansiune nelimitată în continuare a Universului sub influența repulsiunii atotcuceritoare. Dacă, dimpotrivă, universul static al lui Einstein s-ar micșora ușor, forța gravitațională ar crește, iar forța de repulsie cosmică ar scădea, ceea ce ar duce la un dezechilibru în favoarea forțelor de atracție și, în consecință, la un compresie mai rapidă și, în cele din urmă, la prăbușirea pe care Einstein credea că l-a evitat. Astfel, la cea mai mică abatere, echilibrul strict ar fi perturbat, iar o catastrofă cosmică ar fi inevitabilă.

Mai târziu, în 1927, Hubble a descoperit fenomenul recesiunii galaxiilor (adică expansiunea Universului), ceea ce a făcut ca problema echilibrului să nu aibă sens. A devenit clar că Universul nu este în pericol de comprimare și prăbușire, deoarece acesta se extinde. Dacă Einstein nu ar fi fost distras de căutarea forței de repulsie cosmică, probabil că ar fi ajuns teoretic la această concluzie, prezicând astfel expansiunea Universului cu bine zece ani mai devreme decât au reușit astronomii să o descopere. O astfel de predicție ar intra, fără îndoială, în istoria științei ca una dintre cele mai remarcabile (o astfel de predicție a fost făcută pe baza ecuației lui Einstein în 1922-1923 de profesorul de la Universitatea din Petrograd A. A. Friedman). În cele din urmă, Einstein a trebuit să renunțe cu furie la repulsia cosmică, pe care a considerat-o mai târziu „cea mai mare greșeală a vieții sale”. Totuși, acesta nu este sfârșitul poveștii.

Einstein a inventat repulsia cosmică pentru a rezolva problema inexistentă a unui univers static. Dar, așa cum se întâmplă întotdeauna, odată ce geniul este scos din sticlă, este imposibil să-l puneți înapoi. Ideea că dinamica Universului se poate datora confruntării dintre forțele de atracție și repulsie a continuat să trăiască. Și deși observațiile astronomice nu au furnizat nicio dovadă a existenței repulsiunii cosmice, ele nu au putut dovedi absența acesteia - ar putea fi pur și simplu prea slabă pentru a se manifesta.

Deși ecuațiile câmpului gravitațional ale lui Einstein permit prezența unei forțe de respingere, ele nu impun restricții asupra mărimii acesteia. Învățat de o experiență amară, Einstein a avut dreptul să postuleze că mărimea acestei forțe este strict egală cu zero, eliminând astfel complet repulsia. Cu toate acestea, acest lucru nu a fost în niciun caz necesar. Unii oameni de știință au considerat că este necesar să se păstreze repulsia în ecuații, deși acest lucru nu mai era necesar din punctul de vedere al problemei inițiale. Acești oameni de știință credeau că, în absența unor dovezi adecvate, nu exista niciun motiv să creadă că forța de respingere este zero.

Nu a fost greu de urmărit consecințele menținerii forței respingătoare în scenariul unui Univers în expansiune. În primele etape de dezvoltare, când Universul este încă într-o stare comprimată, repulsia poate fi neglijată. În această fază, atracția gravitațională a încetinit viteza de expansiune - în totală analogie cu modul în care gravitația Pământului încetinește mișcarea unei rachete lansate vertical în sus. Dacă acceptăm fără explicații că evoluția Universului a început cu o expansiune rapidă, atunci gravitația ar trebui să reducă constant rata de expansiune la valoarea observată în prezent. În timp, pe măsură ce materia se disipă, interacțiunea gravitațională slăbește. În schimb, repulsia cosmică crește pe măsură ce galaxiile continuă să se îndepărteze unele de altele. În cele din urmă, repulsia va depăși atracția gravitațională și rata de expansiune a Universului va începe să crească din nou. Din aceasta putem concluziona că repulsia cosmică domină în Univers, iar expansiunea va continua pentru totdeauna.

Astronomii au arătat că acest comportament neobișnuit al Universului, atunci când expansiunea încetinește mai întâi și apoi accelerează din nou, ar trebui să se reflecte în mișcarea observată a galaxiilor. Dar cele mai atente observații astronomice nu au reușit să dezvăluie nicio dovadă convingătoare a unui astfel de comportament, deși din când în când se fac declarații contrare.

Este interesant că ideea unui Univers în expansiune a fost propusă de astronomul olandez Wilem de Sitter încă din 1916 - cu mulți ani înainte ca Hubble să descopere experimental acest fenomen. De Sitter a susținut că, dacă materia obișnuită este îndepărtată din Univers, atunci atracția gravitațională va dispărea, iar forțele de respingere vor domni în spațiu. Acest lucru ar provoca expansiunea Universului - la acea vreme aceasta era o idee inovatoare.

Deoarece observatorul este incapabil să perceapă ciudatul mediu gazos invizibil cu presiune negativă, pur și simplu i se va părea ca și cum spațiul gol se extinde. Expansiunea ar putea fi detectată prin agățarea corpurilor de testare în locuri diferite și observându-le distanța unul față de celălalt. Ideea extinderii spațiului gol a fost considerată o curiozitate la acea vreme, deși, după cum vom vedea, s-a dovedit a fi profetică.

Deci, ce concluzie se poate trage din această poveste? Faptul că astronomii nu detectează repulsia cosmică nu poate servi încă drept dovadă logică a absenței acesteia în natură. Este foarte posibil ca acesta să fie pur și simplu prea slab pentru a fi detectat de instrumentele moderne. Precizia observației este întotdeauna limitată și, prin urmare, poate fi estimată doar limita superioară a acestei puteri. S-ar putea argumenta împotriva acestui fapt că, din punct de vedere estetic, legile naturii ar părea mai simple în absența repulsiunii cosmice. Asemenea discuții s-au prelungit mulți ani fără să ducă la niciun rezultat cert, până când deodată problema a fost privită dintr-un unghi cu totul nou, ceea ce i-a conferit o relevanță neașteptată.

Inflația: Big Bang-ul explicat

În secțiunile anterioare, am spus că dacă forța de repulsie cosmică există, atunci trebuie să fie foarte slabă, atât de slabă încât nu ar avea niciun efect semnificativ asupra Big Bang-ului. Cu toate acestea, această concluzie se bazează pe presupunerea că amploarea repulsiei nu se modifică în timp. Pe vremea lui Einstein, această opinie era împărtășită de toți oamenii de știință, deoarece repulsia cosmică a fost introdusă în teoria „făcută de om”. Nimănui nu i-a trecut prin cap că repulsia cosmică ar putea fi chemat alte procese fizice care apar pe măsură ce Universul se extinde. Dacă ar fi fost oferită o astfel de posibilitate, atunci cosmologia s-ar fi putut dovedi a fi diferită. În special, nu este exclus un scenariu de evoluție a Universului, care presupune că în condițiile extreme ale stadiilor incipiente ale evoluției, repulsia cosmică a prevalat pentru o clipă asupra gravitației, provocând explozia Universului, după care rolul său a fost practic. redus la zero.

Această imagine generală reiese din lucrări recente care studiază comportamentul materiei și al forțelor în stadiile foarte timpurii ale dezvoltării Universului. A devenit clar că repulsia cosmică gigantică era rezultatul inevitabil al acțiunii Superputerii. Deci, „antigravitația” pe care Einstein a trimis-o pe ușă a revenit pe fereastră!

Cheia pentru înțelegerea noii descoperiri a respingerii cosmice vine din natura vidului cuantic. Am văzut cum o astfel de repulsie poate fi cauzată de un mediu invizibil neobișnuit, care nu se poate distinge de spațiul gol, dar care posedă presiune negativă. Astăzi, fizicienii cred că vidul cuantic are tocmai aceste proprietăți.

În capitolul 7 s-a observat că vidul ar trebui considerat ca un fel de „enzimă” a activității cuantice, plină de particule virtuale și saturată de interacțiuni complexe. Este foarte important să înțelegem că în cadrul descrierii cuantice, vidul joacă un rol decisiv. Ceea ce numim particule sunt doar tulburări rare, precum „bulele” de pe suprafața unei mări întregi de activitate.

La sfârșitul anilor '70, a devenit evident că unificarea celor patru interacțiuni necesită o revizuire completă a ideilor despre natura fizică a vidului. Teoria sugerează că energia vidului nu se manifestă fără ambiguitate. Pur și simplu, un vid poate fi excitat și poate fi într-una dintre multele stări cu energii foarte diferite, la fel cum un atom poate fi excitat să treacă la niveluri de energie mai înalte. Aceste stări proprii de vid - dacă le-am putea observa - ar arăta exact la fel, deși au proprietăți complet diferite.

În primul rând, energia conținută în vid curge în cantități uriașe de la o stare la alta. În teoriile Grand Unified, de exemplu, diferența dintre cele mai joase și cele mai înalte energii ale vidului este inimaginabil de mare. Pentru a ne face o idee despre scara gigantică a acestor cantități, să estimăm energia eliberată de Soare pe întreaga perioadă a existenței sale (aproximativ 5 miliarde de ani). Să ne imaginăm că toată această cantitate colosală de energie emisă de Soare este conținută într-o regiune a spațiului mai mică ca dimensiune decât Sistemul Solar. Densitățile de energie realizate în acest caz sunt apropiate de densitățile de energie corespunzătoare stării de vid din TVO.

Alături de diferențe extraordinare de energie, diferitele stări de vid corespund unor diferențe de presiune la fel de gigantice. Dar aici se află „smecheria”: toate aceste presiuni - negativ. Vidul cuantic se comportă exact ca mediul ipotetic menționat anterior care creează repulsie cosmică, doar că de această dată presiunile numerice sunt atât de mari încât repulsia este de 10^120 de ori mai mare decât forța de care Einstein avea nevoie pentru a menține echilibrul într-un Univers static.

Acum este deschisă calea pentru a explica Big Bang-ul. Să presupunem că la început Universul era într-o stare excitată de vid, care se numește vid „fals”. În această stare, a existat o repulsie cosmică în Univers de o asemenea amploare încât ar provoca o expansiune necontrolată și rapidă a Universului. În esență, în această fază Universul ar corespunde modelului de Sitter discutat în secțiunea anterioară. Totuși, diferența este că, pentru de Sitter, Universul se extinde liniștit pe scale de timp astronomice, în timp ce „faza de Sitter” din evoluția Universului din vidul cuantic „fals” este în realitate departe de a fi calmă. Volumul spațiului ocupat de Univers ar trebui, în acest caz, să se dubleze la fiecare 10^-34 s (sau un interval de timp de același ordin).

O astfel de supraexpansiune a Universului are o serie de trăsături caracteristice: toate distanțele cresc conform unei legi exponențiale (am întâlnit deja conceptul de exponențial în capitolul 4). Aceasta înseamnă că la fiecare 10^-34 s toate regiunile Universului își dublează dimensiunea, iar apoi acest proces de dublare continuă în progresie geometrică. Acest tip de extindere, luat în considerare pentru prima dată în 1980. Alan Guth de la MIT (Massachusetts Institute of Technology, SUA), a fost numit „inflație”. Ca rezultat al expansiunii extrem de rapide și care se accelerează continuu, s-ar dovedi foarte curând că toate părțile Universului s-ar despărți, ca într-o explozie. Și acesta este Big Bang-ul!

Oricum, într-un fel sau altul, faza de inflație trebuie să se încheie. Ca în toate sistemele cuantice excitate, vidul „fals” este instabil și tinde să se degradeze. Când apare degradarea, repulsia dispare. Aceasta, la rândul său, duce la încetarea inflației și la trecerea Universului la puterea de atracție gravitațională obișnuită. Desigur, Universul ar continua să se extindă în acest caz datorită impulsului inițial dobândit în perioada inflației, dar rata de expansiune ar scădea constant. Astfel, singura urmă care a supraviețuit până astăzi din repulsia cosmică este o încetinire treptată a expansiunii Universului.

Potrivit „scenariului inflaționist”, Universul și-a început existența dintr-o stare de vid, lipsită de materie și radiații. Dar chiar dacă ar fi prezente inițial, urmele lor s-ar pierde rapid din cauza ratei enorme de expansiune din timpul fazei de inflație. În perioada extrem de scurtă de timp corespunzătoare acestei faze, regiunea spațiului care astăzi ocupă întregul Univers observabil a crescut de la o miliardime din dimensiunea unui proton la câțiva centimetri. Densitatea oricărei substanțe care a existat inițial ar deveni efectiv zero.

Deci, până la sfârșitul fazei de inflație, Universul era gol și rece. Cu toate acestea, când inflația a secat, Universul a devenit brusc extrem de „fierbinte”. Această explozie de căldură care a iluminat spațiul se datorează rezervelor enorme de energie conținute în vidul „fals”. Când starea de vid a scăzut, energia sa a fost eliberată sub formă de radiație, care a încălzit instantaneu Universul la aproximativ 10^27 K, ceea ce este suficient pentru ca procesele din GUT să aibă loc. Din acel moment, Universul s-a dezvoltat conform teoriei standard a Big Bang-ului „fierbinte”. Datorită energiei termice, materia și antimateria au apărut, apoi Universul a început să se răcească și, treptat, toate elementele sale observate astăzi au început să „înghețe”.

Deci problema grea este ce a cauzat Big Bang-ul? - a reusit sa rezolve folosind teoria inflatiei; spațiul gol a explodat spontan sub influența repulsiei inerente unui vid cuantic. Cu toate acestea, misterul rămâne. Energia colosală a exploziei primare, care a intrat în formarea materiei și radiațiilor existente în Univers, trebuia să vină de undeva! Nu putem explica existența Universului până când nu găsim sursa energiei primare.

Bootstrap spațial

Engleză bootstrapîn sens literal înseamnă „încingere”, în sens figurat înseamnă autoconsistență, absența ierarhiei în sistemul de particule elementare.

Universul s-a născut în procesul unei eliberări gigantice de energie. Încă detectăm urme ale acesteia - aceasta este radiația termică de fundal și materia cosmică (în special, atomii care alcătuiesc stelele și planetele), stochând o anumită energie sub formă de „masă”. Urme ale acestei energii apar și în retragerea galaxiilor și în activitatea violentă a obiectelor astronomice. Energia primară „a început primăvara” Universului în curs de dezvoltare și continuă să o alimenteze până în zilele noastre.

De unde a venit această energie din acea viață insuflată în Universul nostru? Conform teoriei inflației, aceasta este energia spațiului gol, altfel cunoscut sub numele de vid cuantic. Cu toate acestea, ne poate satisface pe deplin un astfel de răspuns? Este firesc să întrebăm cum a dobândit vidul energie.

În general, atunci când punem întrebarea de unde provine energia, facem în esență o presupunere importantă cu privire la natura acelei energii. Una dintre legile fundamentale ale fizicii este legea conservării energiei, conform căreia diferite forme de energie se pot schimba și transforma una în alta, dar cantitatea totală de energie rămâne neschimbată.

Nu este greu de dat exemple în care efectul acestei legi poate fi verificat. Să presupunem că avem un motor și o sursă de combustibil, iar motorul este folosit ca motor pentru un generator electric, care, la rândul său, furnizează energie electrică încălzitorului. Când combustibilul arde, energia chimică stocată în acesta este transformată în energie mecanică, apoi în energie electrică și în final în energie termică. Sau să presupunem că un motor este folosit pentru a ridica o sarcină în vârful unui turn, după care sarcina cade liber; la impactul cu solul, se generează exact aceeași cantitate de energie termică ca în exemplul cu încălzitorul. Faptul este că, indiferent de modul în care se transmite energia sau de modul în care se schimbă forma ei, ea nu poate fi creată sau distrusă. Inginerii folosesc această lege în practica de zi cu zi.

Dacă energia nu poate fi nici creată, nici distrusă, atunci cum apare energia primară? Nu este pur și simplu injectat în primul moment (un fel de stare inițială nouă asumată ad-hoc)? Dacă da, atunci de ce universul conține aceasta și nu o altă cantitate de energie? Există aproximativ 10^68 J (jouli) de energie în Universul observabil - de ce nu, să zicem, 10^99 sau 10^10000 sau orice alt număr?

Teoria inflației oferă o posibilă explicație științifică pentru acest mister. Conform acestei teorii. Universul la început avea practic zero energie, iar în primele 10^32 de secunde a reușit să aducă la viață întreaga cantitate gigantică de energie. Cheia înțelegerii acestui miracol se găsește în faptul remarcabil că legea conservării energiei în sensul obișnuit nu se aplică către Universul în expansiune.

În esență, am întâlnit deja un fapt similar. Expansiunea cosmologică duce la o scădere a temperaturii Universului: în consecință, energia radiației termice, atât de mare în faza primară, se epuizează, iar temperatura scade la valori apropiate de zero absolut. Unde s-a dus toată această energie termică? Într-un fel, a fost folosit de univers pentru a se extinde și a furnizat presiune pentru a suplimenta forța Big Bang-ului. Când un lichid obișnuit se dilată, presiunea lui exterioară funcționează folosind energia lichidului. Când un gaz obișnuit se extinde, energia sa internă este cheltuită pentru a lucra. În total contrast cu aceasta, repulsia cosmică este similară cu comportamentul unui mediu cu negativ presiune. Când un astfel de mediu se extinde, energia lui nu scade, ci crește. Este exact ceea ce s-a întâmplat în perioada inflației, când repulsia cosmică a făcut ca Universul să se extindă într-un ritm accelerat. In toata aceasta perioada, energia totala a vidului a continuat sa creasca pana cand, la sfarsitul perioadei de inflatie, a atins o valoare enorma. Odată ce perioada de inflație s-a încheiat, toată energia stocată a fost eliberată într-o explozie uriașă, generând căldură și materie pe întreaga scară a Big Bang-ului. Din acest moment a început expansiunea obișnuită cu presiune pozitivă, astfel încât energia a început din nou să scadă.

Apariția energiei primare este marcată de un fel de magie. Un vid cu o presiune negativă misterioasă este aparent înzestrat cu capacități absolut incredibile. Pe de o parte, creează o forță respingătoare gigantică, asigurând o expansiune mereu accelerată, iar pe de altă parte, expansiunea în sine forțează o creștere a energiei vidului. Aspiratorul se alimentează în esență cu energie în cantități uriașe. Conține o instabilitate internă care asigură expansiune continuă și producție nelimitată de energie. Și numai decăderea cuantică a vidului fals pune o limită acestei „extravaganțe cosmice”.

Vidul servește ca o ulcior magic, fără fund de energie în natură. În principiu, nu există o limită a cantității de energie care ar putea fi eliberată în timpul unei expansiuni inflaționiste. Această afirmație marchează o revoluție în gândirea tradițională, cu „din nimic nu se naște nimic” vechi de secole (această zicală datează cel puțin din epoca Parmenidelor, adică secolul al V-lea î.Hr.). Până de curând, ideea posibilității de „creare” din nimic era în întregime în domeniul religiilor. În special, creștinii au crezut de mult timp că Dumnezeu a creat lumea din Nimic, dar ideea posibilității apariției spontane a întregii materii și energie ca urmare a unor procese pur fizice a fost considerată absolut inacceptabilă de oamenii de știință în urmă cu zece ani.

Cei care nu se pot împăca în interior cu întregul concept al apariției „ceva” din „nimic” au ocazia să arunce o privire diferită asupra apariției energiei în timpul expansiunii Universului. Deoarece gravitația obișnuită este atractivă, pentru a îndepărta părți de materie una de cealaltă, trebuie să se lucreze pentru a depăși gravitația care acționează între aceste părți. Aceasta înseamnă că energia gravitațională a sistemului de corpuri este negativă; Când corpuri noi sunt adăugate sistemului, energia este eliberată și, ca rezultat, energia gravitațională devine „și mai negativă”. Dacă aplicăm acest raționament Universului în stadiul de inflație, atunci apariția căldurii și a materiei este cea care „compensează” energia gravitațională negativă a maselor formate. În acest caz, energia totală a Universului în ansamblu este zero și nu apare deloc energie nouă! O astfel de viziune asupra procesului de „creare a lumii” este, desigur, atractivă, dar totuși nu ar trebui luată prea în serios, deoarece, în general, statutul conceptului de energie în raport cu gravitația se dovedește a fi dubios.

Tot ce se spune aici despre vid amintește foarte mult de povestea îndrăgită de fizicieni despre un băiat care, căzut într-o mlaștină, s-a scos de propriile șireturile pantofilor. Universul auto-creator amintește de acest băiat - se trage, de asemenea, prin propriile sale „șireturi” (acest proces este denumit „bootstrap”). Într-adevăr, datorită propriei sale naturi fizice, Universul excită în sine toată energia necesară pentru „crearea” și „revitalizarea” materiei și, de asemenea, inițiază explozia care o generează. Acesta este bootstrap-ul cosmic; Ne datorăm existența puterii sale uimitoare.

Progrese în teoria inflației

După ce Guth a prezentat ideea fundamentală că Universul a trecut printr-o perioadă timpurie de expansiune extrem de rapidă, a devenit clar că un astfel de scenariu ar putea explica frumos multe caracteristici ale cosmologiei Big Bang, care anterior fuseseră considerate de la sine înțelese.

Într-una din secțiunile anterioare am întâlnit paradoxurile unui grad foarte înalt de organizare și consistență a exploziei primare. Unul dintre exemplele remarcabile în acest sens este forța exploziei, care s-a dovedit a fi precis „ajustată” la mărimea gravitației spațiului, drept urmare rata de expansiune a Universului în timpul nostru este foarte apropiată de valoarea limită care separă compresia (colapsul) și expansiunea rapidă. Testul decisiv al scenariului inflaționist este dacă acesta implică un Big Bang de o amploare atât de precis definită. Se dovedește că, datorită expansiunii exponențiale în faza de inflație (care este proprietatea sa cea mai caracteristică), forța exploziei asigură automat strict capacitatea Universului de a-și depăși propria gravitație. Inflația poate duce la exact rata de expansiune care se observă de fapt.

Un alt „mare mister” se referă la omogenitatea Universului la scară largă. De asemenea, se rezolvă imediat pe baza teoriei inflației. Orice neomogenitate inițială în structura Universului ar trebui să fie complet ștearsă cu o creștere extraordinară a dimensiunii sale, la fel cum ridurile de pe un balon dezumflat sunt netezite atunci când este umflat. Și ca urmare a creșterii dimensiunii regiunilor spațiale de aproximativ 10^50 de ori, orice perturbare inițială devine nesemnificativă.

Cu toate acestea, ar fi greșit să vorbim despre deplin omogenitate. Pentru a face posibilă apariția galaxiilor moderne și a grupurilor de galaxii, structura Universului timpuriu trebuie să fi avut o oarecare „aglomerație”. Inițial, astronomii sperau că existența galaxiilor ar putea fi explicată prin acumularea de materie sub influența atracției gravitaționale după Big Bang. Norul de gaz ar trebui să fie comprimat sub influența propriei gravitații, apoi să se spargă în fragmente mai mici, iar acestea, la rândul lor, în altele și mai mici etc. Poate că distribuția gazului rezultat în urma Big Bang a fost complet uniformă, dar din cauza unor procese pur aleatorii au apărut ici și colo condensări și rarefacții. Gravitația a intensificat și mai mult aceste fluctuații, ducând la creșterea zonelor de condensare și la absorbția lor de materie suplimentară. Apoi aceste regiuni au fost comprimate și s-au dezintegrat succesiv, iar cele mai mici condensări s-au transformat în stele. În cele din urmă, a apărut o ierarhie a structurilor: stelele au fost unite în grupuri, cele în galaxii și apoi în grupuri de galaxii.

Din păcate, dacă nu ar fi existat neomogenități în gaz de la bun început, atunci un astfel de mecanism de formare a galaxiilor ar fi funcționat într-un timp care depășește semnificativ vârsta Universului. Cert este că procesele de condensare și fragmentare au concurat cu expansiunea Universului, care a fost însoțită de dispersia gazului. În versiunea originală a teoriei Big Bang, s-a presupus că „semințele” galaxiilor existau inițial în structura Universului la originea sa. Mai mult, aceste neomogenități inițiale trebuiau să aibă dimensiuni foarte specifice: nu prea mici, altfel nu s-ar fi format niciodată, dar nici prea mari, altfel zonele de mare densitate s-ar prăbuși pur și simplu, transformându-se în găuri negre uriașe. În același timp, este complet neclar de ce galaxiile au exact astfel de dimensiuni sau de ce exact un astfel de număr de galaxii sunt incluse în cluster.

Scenariul inflaționist oferă o explicație mai consistentă a structurii galactice. Ideea de bază este destul de simplă. Inflația se datorează faptului că starea cuantică a Universului este o stare instabilă a unui vid fals. În cele din urmă, această stare de vid se descompune și excesul de energie este transformat în căldură și materie. În acest moment, repulsia cosmică dispare - și inflația se oprește. Cu toate acestea, decăderea vidului fals nu are loc strict simultan în tot spațiul. Ca în orice proces cuantic, ratele de dezintegrare ale vidului fals fluctuează. În unele zone ale Universului, dezintegrarea are loc ceva mai repede decât în ​​altele. În aceste zone, inflația se va încheia mai devreme. Ca urmare, neomogenitățile sunt păstrate în starea finală. Este posibil ca aceste neomogenități să servească drept „semințe” (centre) de compresie gravitațională și, în cele din urmă, să ducă la formarea galaxiilor și a clusterelor lor. Modelarea matematică a mecanismului de fluctuație a fost efectuată, totuși, cu un succes foarte limitat. De regulă, efectul se dovedește a fi prea mare, neomogenitățile calculate sunt prea semnificative. Adevărat, modelele folosite au fost prea grosolane și poate că o abordare mai subtilă ar fi avut mai mult succes. Deși teoria este departe de a fi completă, cel puțin descrie natura mecanismului care ar putea duce la formarea galaxiilor fără a fi nevoie de condiții inițiale speciale.

În versiunea lui Guth a scenariului inflaționist, vidul fals se transformă mai întâi într-un vid „adevărat”, sau în starea de vid cu cea mai mică energie pe care o identificăm cu spațiul gol. Natura acestei schimbări este destul de similară cu o tranziție de fază (de exemplu, de la gaz la lichid). În acest caz, într-un vid fals, s-ar produce formarea aleatorie a bulelor de vid adevărate, care, extinzându-se cu viteza luminii, ar capta zone din ce în ce mai mari din spațiu. Pentru ca vidul fals să existe suficient de mult pentru ca inflația să-și facă munca „miraculoasă”, aceste două stări trebuie separate printr-o barieră energetică prin care trebuie să aibă loc „tunele cuantică” a sistemului, similar cu ceea ce se întâmplă cu electronii (vezi cap.) . Cu toate acestea, acest model are un dezavantaj serios: toată energia eliberată din vidul fals este concentrată în pereții bulelor și nu există niciun mecanism de redistribuire a acesteia în bule. Pe măsură ce bulele se ciocneau și se îmbinau, energia s-ar acumula în cele din urmă în straturile amestecate aleatoriu. Drept urmare, Universul ar conține neomogenități foarte puternice și toată munca inflației pentru a crea omogenitate la scară largă ar eșua.

Odată cu îmbunătățirea în continuare a scenariului inflației, aceste dificultăți au fost depășite. În noua teorie, nu există nici un tunel între două stări de vid; în schimb, parametrii sunt aleși astfel încât decăderea vidului fals să se producă foarte lent și astfel să ofere Universului suficient timp pentru a se umfla. Când dezintegrarea este completă, energia vidului fals este eliberată în întregul volum al „bulei”, care se încălzește rapid până la 10^27 K. Se presupune că întregul Univers observabil este conținut într-o astfel de bule. Astfel, la scară foarte mare, Universul poate fi extrem de neregulat, dar regiunea accesibilă observării noastre (și chiar părți mult mai mari ale Universului) se află într-o zonă complet omogenă.

Este curios că Guth și-a dezvoltat inițial teoria inflaționistă pentru a rezolva o problemă cosmologică complet diferită - absența monopolurilor magnetice în natură. După cum se arată în capitolul 9, teoria standard Big Bang prezice că în faza primară a evoluției Universului, monopolurile ar trebui să apară din abundență. Ei sunt eventual însoțiți de omologii lor uni și bidimensionali - obiecte ciudate care au un caracter „șir” și „foaie”. Problema era să scape Universul de aceste obiecte „indezirabile”. Inflația rezolvă automat problema monopolurilor și a altor probleme similare, deoarece extinderea gigantică a spațiului reduce efectiv densitatea acestora la zero.

Deși scenariul inflaționist a fost dezvoltat doar parțial și este doar plauzibil, nimic mai mult, acesta ne-a permis să formulăm o serie de idei care promit să schimbe irevocabil fața cosmologiei. Acum nu putem oferi doar o explicație pentru cauza Big Bang-ului, dar începem și să înțelegem de ce a fost atât de „mare” și de ce a luat un astfel de caracter. Acum putem începe să abordăm întrebarea cum a apărut omogenitatea pe scară largă a Universului și, odată cu aceasta, neomogenitățile observate la o scară mai mică (de exemplu, galaxiile). Explozia primară, în care a apărut ceea ce numim Univers, a încetat de acum înainte să mai fie un mister care se află dincolo de granițele științei fizice.

Un univers care se creează pe sine

Și totuși, în ciuda succesului enorm al teoriei inflaționiste în explicarea originii Universului, misterul rămâne. Cum a ajuns Universul inițial într-o stare de vid fals? Ce s-a întâmplat înainte de inflație?

O descriere științifică consistentă, complet satisfăcătoare a originii Universului trebuie să explice cum a apărut spațiul însuși (mai precis, spațiu-timp), care apoi a suferit inflație. Unii oameni de știință sunt gata să admită că spațiul există întotdeauna, alții cred că această problemă depășește în general sfera abordării științifice. Și doar câțiva pretind mai mult și sunt convinși că este destul de legitim să se ridice întrebarea cum spațiul în general (și un vid fals, în special) ar putea apărea literalmente din „nimic” ca urmare a unor procese fizice care, în principiu, poate fi studiat.

După cum am menționat, abia recent am contestat credința persistentă că „nimic nu vine din nimic”. Bootstrap-ul cosmic este aproape de conceptul teologic al creării lumii din nimic (ex nihilo). Fără îndoială, în lumea din jurul nostru, existența unor obiecte se datorează de obicei prezenței altor obiecte. Astfel, Pământul a luat naștere din nebuloasa protosolară, care la rândul ei - din gazele galactice etc. Dacă s-ar întâmpla să vedem un obiect apărând dintr-o dată „din nimic”, probabil l-am percepe ca pe un miracol; de exemplu, am fi uimiți dacă într-un seif încuiat, gol, am descoperi dintr-o dată o masă de monede, cuțite sau dulciuri. În viața de zi cu zi, suntem obișnuiți să recunoaștem că totul vine de undeva sau din ceva.

Totuși, totul nu este atât de evident când vine vorba de lucruri mai puțin specifice. Din ce provine, de exemplu, un tablou? Desigur, acest lucru necesită o pensulă, vopsele și pânză, dar acestea sunt doar instrumente. Modul în care este pictată tabloul - alegerea formei, culorii, texturii, compoziției - nu se naște cu pensule și vopsele. Acesta este rezultatul imaginației creatoare a artistului.

De unde vin gândurile și ideile? Gândurile, fără îndoială, există cu adevărat și, aparent, necesită întotdeauna participarea creierului. Dar creierul asigură doar punerea în aplicare a gândurilor și nu este cauza lor. Creierul însuși generează gânduri nu mai mult decât, de exemplu, un computer generează calcule. Gândurile pot fi cauzate de alte gânduri, dar acest lucru nu dezvăluie natura gândului în sine. Unele gânduri pot fi născute din senzații; Memoria dă naștere și gândurilor. Majoritatea artiștilor, totuși, văd munca lor ca rezultat neașteptat inspirație. Dacă acesta este într-adevăr cazul, atunci crearea unui tablou - sau cel puțin nașterea ideii sale - este tocmai un exemplu de naștere a ceva din nimic.

Și totuși, putem considera că obiectele fizice și chiar și Universul în ansamblu apar din nimic? Această ipoteză îndrăzneață este discutată destul de serios, de exemplu, în instituțiile științifice de pe coasta de est a Statelor Unite, unde destul de mulți fizicieni teoreticieni și specialiști în cosmologie dezvoltă un aparat matematic care ar ajuta la clarificarea posibilității nașterii a ceva din nimic. Acest cerc select îi include pe Alan Guth de la MIT, Sydney Coleman de la Universitatea Harvard, Alex Vilenkin de la Universitatea Tufts și Ed Tyon și Heinz Pagels de la New York. Toți cred că într-un sens sau altul „nimic nu este instabil” și că universul fizic „a înflorit spontan din nimic”, guvernat doar de legile fizicii. „Asemenea idei sunt pur speculative”, admite Guth, „dar la un anumit nivel pot fi corecte... Uneori se spune că nu există prânz gratuit, dar Universul, aparent, este doar un astfel de „pranz gratuit”.

În toate aceste ipoteze, comportamentul cuantic joacă un rol cheie. După cum am discutat în capitolul 2, principala caracteristică a comportamentului cuantic este pierderea relațiilor stricte cauză-efect. În fizica clasică, prezentarea mecanicii a urmat respectarea strictă a cauzalității. Toate detaliile mișcării fiecărei particule au fost strict predeterminate de legile mișcării. Se credea că mișcarea era continuă și strict determinată de forțele care acționează. Legile mișcării au întruchipat literalmente relația dintre cauză și efect. Universul a fost privit ca un mecanism gigant de ceas, al cărui comportament este strict reglementat de ceea ce se întâmplă în acest moment. Credința într-o cauzalitate atât de cuprinzătoare și absolut strictă l-a determinat pe Pierre Laplace să susțină că un calculator super-puternic ar putea, în principiu, să prezică, pe baza legilor mecanicii, atât istoria, cât și soarta Universului. Conform acestui punct de vedere, universul este sortit să-și urmeze calea prescrisă pentru totdeauna.

Fizica cuantică a distrus schema Laplaceană metodică, dar sterilă. Fizicienii au devenit convinși că la nivel atomic, materia și mișcarea ei sunt incerte și imprevizibile. Particulele se pot comporta „ciudat”, ca și cum ar rezista mișcărilor strict prescrise, apărând brusc în locurile cele mai neașteptate fără niciun motiv aparent și uneori apărând și dispărând „fără avertisment”.

Lumea cuantică nu este complet lipsită de cauzalitate, dar se manifestă destul de ezitant și ambiguu. De exemplu, dacă un atom este într-o stare excitată ca urmare a unei coliziuni cu un alt atom, de obicei revine rapid la starea sa de cea mai scăzută energie, emițând un foton. Apariția unui foton este, desigur, o consecință a faptului că atomul a trecut anterior într-o stare excitată. Putem spune cu încredere că excitația a fost cea care a dus la crearea fotonului, iar în acest sens rămâne relația dintre cauză și efect. Totuși, momentul real în care apare un foton este imprevizibil: un atom îl poate emite în orice moment. Fizicienii sunt capabili să calculeze timpul probabil sau mediu de apariție a unui foton, dar în fiecare caz specific este imposibil să prezică momentul în care va avea loc acest eveniment. Aparent, pentru a caracteriza o astfel de situație, cel mai bine este să spunem că excitația unui atom nu duce atât la apariția unui foton, cât la „împinge” spre acesta.

Astfel, microlumea cuantică nu este încurcată într-o rețea densă de relații cauzale, ci totuși „ascultă” numeroase comenzi și sugestii discrete. În vechea schemă newtoniană, forța părea să se adreseze obiectului cu comanda necontestată: „Mișcă-te!” În fizica cuantică, relația dintre forță și obiect este mai degrabă una de invitație decât de comandă.

De ce considerăm, în general, ideea nașterii subite a unui obiect „din nimic” atât de inacceptabilă? Ce ne face să ne gândim la miracole și fenomene supranaturale? Poate că ideea este doar în neobișnuirea unor astfel de evenimente: în viața de zi cu zi nu întâlnim niciodată apariția obiectelor fără motiv. Când, de exemplu, un magician scoate un iepure dintr-o pălărie, știm că suntem păcăliți.

Să presupunem că trăim de fapt într-o lume în care obiectele apar din când în când aparent „din senin”, fără motiv și într-un mod complet imprevizibil. Obișnuindu-ne cu astfel de fenomene, am înceta să fim surprinși de ele. Nașterea spontană ar fi percepută ca una dintre ciudateniile naturii. Poate că într-o astfel de lume nu ar mai fi nevoie să ne încordăm credulitatea pentru a ne imagina apariția bruscă din nimic a întregului Univers fizic.

Această lume imaginară nu este în esență atât de diferită de cea reală. Dacă am putea percepe direct comportamentul atomilor cu ajutorul simțurilor noastre (și nu prin mijlocirea unor instrumente speciale), de multe ori ar trebui să observăm obiecte care apar și dispar fără cauze clar definite.

Fenomenul cel mai apropiat de „nașterea din nimic” are loc într-un câmp electric suficient de puternic. La o valoare critică a intensității câmpului, electronii și pozitronii încep să apară „din nimic” complet aleatoriu. Calculele arată că în apropierea suprafeței nucleului de uraniu intensitatea câmpului electric este destul de aproape de limita dincolo de care apare acest efect. Dacă ar exista nuclee atomice care conțin 200 de protoni (sunt 92 în nucleul de uraniu), atunci ar avea loc crearea spontană de electroni și pozitroni. Din păcate, un nucleu cu atât de mulți protoni pare să devină extrem de instabil, dar acest lucru nu este complet sigur.

Crearea spontană de electroni și pozitroni într-un câmp electric puternic poate fi considerată ca un tip special de radioactivitate atunci când dezintegrarea are loc în spațiul gol, un vid. Am vorbit deja despre trecerea unei stări de vid la alta ca urmare a dezintegrarii. În acest caz, vidul se descompune într-o stare în care sunt prezente particule.

Deși degradarea spațiului cauzată de un câmp electric este greu de înțeles, un proces similar sub influența gravitației ar putea avea loc în natură. Aproape de suprafața găurilor negre, gravitația este atât de puternică încât vidul este plin de particule care se nasc constant. Aceasta este faimoasa radiație din găurile negre, descoperită de Stephen Hawking. În cele din urmă, gravitația este responsabilă pentru nașterea acestei radiații, dar nu se poate spune că acest lucru se întâmplă „în vechiul sens newtonian”: nu se poate spune că orice particulă anume ar trebui să apară într-un anumit loc la un moment dat sau altul. ca urmare a acţiunii forţelor gravitaţionale . În orice caz, deoarece gravitația este doar o curbură a spațiului-timp, putem spune că spațiu-timp provoacă nașterea materiei.

Apariția spontană a materiei din spațiul gol este adesea numită naștere „din nimic”, care este similară în spirit cu nașterea. ex nihiloîn doctrina creştină. Cu toate acestea, pentru un fizician, spațiul gol nu este „nimic” deloc, ci o parte foarte semnificativă a Universului fizic. Dacă încă vrem să răspundem la întrebarea cum a luat ființă Universul, atunci nu este suficient să presupunem că spațiul gol a existat de la bun început. Este necesar să explicăm de unde provine acest spațiu. Gând la naștere spațiul însuși Poate părea ciudat, dar într-un anumit sens acest lucru se întâmplă tot timpul în jurul nostru. Expansiunea Universului nu este altceva decât „umflarea” continuă a spațiului. În fiecare zi, aria Universului accesibilă telescoapelor noastre crește cu 10^18 ani lumină cubi. De unde vine acest spațiu? Analogia cauciucului este utilă aici. Dacă banda elastică de cauciuc este scoasă, aceasta „devine mai mare”. Spațiul seamănă cu superelastic prin faptul că, din câte știm, se poate întinde la infinit fără a se rupe.

Întinderea și curbura spațiului seamănă cu deformarea unui corp elastic prin aceea că „mișcarea” spațiului are loc conform legilor mecanicii exact în același mod ca și mișcarea materiei obișnuite. În acest caz, acestea sunt legile gravitației. Teoria cuantică este aplicabilă în mod egal materiei, spațiului și timpului. În capitolele anterioare am spus că gravitația cuantică este văzută ca un pas necesar în căutarea Superputerii. Acest lucru ridică o posibilitate interesantă; dacă, conform teoriei cuantice, particulele de materie pot apărea „din nimic”, atunci în raport cu gravitația, nu va descrie ea apariția „din nimic” a spațiului? Dacă se întâmplă acest lucru, atunci nașterea Universului în urmă cu 18 miliarde de ani nu este un exemplu al unui astfel de proces?

Pranz gratuit?

Ideea principală a cosmologiei cuantice este aplicarea teoriei cuantice asupra Universului în ansamblu: spațiu-timp și materie; Teoreticienii iau această idee în mod deosebit în serios. La prima vedere, există o contradicție aici: fizica cuantică se ocupă de cele mai mici sisteme, în timp ce cosmologia se ocupă de cele mai mari. Cu toate acestea, Universul a fost cândva limitat și la dimensiuni foarte mici și, prin urmare, efectele cuantice erau extrem de importante atunci. Rezultatele calculului indică faptul că legile cuantice ar trebui luate în considerare în epoca GUT (10^-32 s), iar în epoca Planck (10^-43 s) ele ar trebui să joace probabil un rol decisiv. Potrivit unor teoreticieni (de exemplu, Vilenkin), între aceste două ere a existat un moment în timp în care a apărut Universul. Potrivit Sidney Coleman, am făcut un salt cuantic de la Nimic la Timp. Aparent, spațiu-timp este o relicvă a acestei ere. Saltul cuantic despre care vorbește Coleman poate fi considerat un fel de „proces de tunel”. Am observat că în versiunea originală a teoriei inflației, starea vidului fals trebuia să treacă prin bariera energetică în starea de vid adevărat. Cu toate acestea, în cazul apariției spontane a Universului cuantic „din nimic”, intuiția noastră atinge limita capacităților sale. Un capăt al tunelului reprezintă Universul fizic în spațiu și timp, care ajunge acolo prin tunelul cuantic „din nimic”. Prin urmare, celălalt capăt al tunelului reprezintă tocmai acest Nimic! Poate că ar fi mai bine să spunem că tunelul are doar un capăt, iar celălalt pur și simplu „nu există”.

Principala dificultate a acestor încercări de a explica originea Universului este de a descrie procesul nașterii sale dintr-o stare de vid fals. Dacă spațiul-timp nou creat ar fi într-o stare de vid adevărat, atunci inflația nu ar putea apărea niciodată. Big Bang-ul ar fi redus la o stropire slabă, iar spațiul-timp ar înceta să mai existe o clipă mai târziu - ar fi distrus chiar de procesele cuantice din cauza cărora a apărut inițial. Dacă Universul nu s-ar fi găsit într-o stare de vid fals, nu ar fi fost niciodată implicat în bootstrap-ul cosmic și nu și-ar fi materializat existența iluzorie. Poate că starea de vid fals este de preferat datorită condițiilor sale extreme caracteristice. De exemplu, dacă Universul a apărut cu o temperatură inițială suficient de ridicată și apoi s-a răcit, atunci s-ar putea chiar „să eșueze” într-un vid fals, dar până acum multe întrebări tehnice de acest tip rămân nerezolvate.

Dar indiferent de realitatea acestor probleme fundamentale, universul trebuie să ia ființă într-un fel sau altul, iar fizica cuantică este singura ramură a științei în care are sens să vorbim despre un eveniment care are loc fără o cauză aparentă. Dacă vorbim despre spațiu-timp, atunci în orice caz nu are sens să vorbim despre cauzalitate în sensul obișnuit. În mod obișnuit, conceptul de cauzalitate este strâns legat de conceptul de timp și, prin urmare, orice considerație despre procesele de apariție a timpului sau „apariția sa din inexistență” trebuie să se bazeze pe o idee mai largă a cauzalității.

Dacă spațiul este cu adevărat zece-dimensional, atunci teoria consideră că toate cele zece dimensiuni sunt destul de egale în primele etape. Este atractiv să poți conecta fenomenul inflației cu compactarea (plierea) spontană a șapte din cele zece dimensiuni. Conform acestui scenariu, „forța motrice” a inflației este un produs secundar al interacțiunilor manifestate prin dimensiuni suplimentare ale spațiului. Mai mult, spațiul zece-dimensional ar putea evolua în mod natural în așa fel încât în ​​timpul inflației, trei dimensiuni spațiale se extind foarte mult în detrimentul celorlalte șapte, care, dimpotrivă, se micșorează, devenind invizibile? Astfel, microbula cuantică a spațiului cu zece dimensiuni este comprimată și trei dimensiuni sunt astfel umflate, formând Universul: celelalte șapte dimensiuni rămân captive în microcosmos, de unde se manifestă doar indirect - sub formă de interacțiuni. Această teorie pare foarte atractivă.

Deși teoreticienii au încă mult de lucru pentru a studia natura Universului foarte timpuriu, este deja posibil să oferim o schiță generală a evenimentelor care au dus la ca Universul să capete forma pe care o vedem astăzi. La început, Universul a apărut spontan „din nimic”. Datorită capacității energiei cuantice de a acționa ca un fel de enzimă, bulele de spațiu gol s-ar putea umfla într-un ritm din ce în ce mai mare, creând rezerve colosale de energie datorită bootstrap-ului. Acest vid fals, umplut cu energie autogenerată, s-a dovedit a fi instabil și a început să se dezintegreze, eliberând energie sub formă de căldură, astfel încât fiecare bulă a fost umplută cu materie care suflă foc (minge de foc). Inflația bulelor s-a oprit, dar a început Big Bang-ul. Pe „ceasul” Universului în acel moment era 10^-32 s.

Dintr-o astfel de minge de foc au apărut toată materia și toate obiectele fizice. Pe măsură ce materialul spațial s-a răcit, a experimentat tranziții succesive de fază. Cu fiecare tranziție, din ce în ce mai multe structuri diferite au fost „înghețate” din materialul primar fără formă. Una după alta, interacțiunile au fost separate unele de altele. Pas cu pas, obiectele pe care le numim acum particule subatomice au dobândit caracteristicile care le sunt inerente astăzi. Pe măsură ce compoziția „supei cosmice” a devenit din ce în ce mai complexă, neregulile pe scară largă rămase din vremurile inflației s-au transformat în galaxii. În procesul de formare ulterioară a structurilor și separarea diferitelor tipuri de materie, Universul a dobândit din ce în ce mai multe forme familiare; plasma fierbinte s-a condensat în atomi, formând stele, planete și, în cele din urmă, viață. Așa s-a „realizat” Universul.

Materie, energie, spațiu, timp, interacțiuni, câmpuri, ordine și structură - Toate aceste concepte, împrumutate din „lista de prețuri a creatorului”, servesc ca caracteristici integrale ale Universului. Noua fizică deschide posibilitatea tentantă a unei explicații științifice pentru originea tuturor acestor lucruri. Nu mai trebuie să le introducem în mod specific „manual” de la bun început. Putem vedea cum toate proprietățile fundamentale ale lumii fizice pot apărea automat ca urmare a legilor fizicii, fără a fi nevoie să presupunem existența unor condiții inițiale foarte specifice. Noua cosmologie susține că starea inițială a cosmosului nu joacă niciun rol, deoarece toate informațiile despre acesta au fost șterse în timpul inflației. Universul pe care îl observăm poartă doar amprentele acelor procese fizice care au avut loc de la începutul inflației.

De mii de ani, omenirea a crezut că „din nimic nu se poate naște”. Astăzi putem spune că totul a venit din nimic. Nu este nevoie să „plătiți” pentru Univers - este absolut un „pranz gratuit”.

Toată lumea a auzit de teoria Big Bang, care explică (cel puțin deocamdată) originea Universului nostru. Cu toate acestea, în cercurile științifice vor exista întotdeauna cei care vor să conteste ideile - de aici, apropo, de multe ori apar mari descoperiri.

Totuși, Dicke și-a dat seama că dacă acest model ar fi real, atunci nu ar exista două tipuri de stele - Populația I și Populația II, stele tinere și bătrâne. Și au fost. Aceasta înseamnă că Universul din jurul nostru s-a dezvoltat totuși dintr-o stare fierbinte și densă. Chiar dacă nu a fost singurul Big Bang din istorie.

Uimitor, nu? Dacă ar fi mai multe dintre aceste explozii? Zeci, sute? Știința încă nu a aflat acest lucru. Dicke l-a invitat pe colegul său Peebles să calculeze temperatura necesară proceselor descrise și temperatura probabilă a radiației reziduale de astăzi. Calculele brute ale lui Peebles au arătat că astăzi Universul ar trebui să fie umplut cu radiații de microunde cu o temperatură mai mică de 10 K, iar Roll și Wilkinson se pregăteau deja să caute această radiație când a sunat clopoțelul...

Pierdut în traducere

Cu toate acestea, aici merită să te muți într-un alt colț al globului - în URSS. Cei mai apropiați oameni de descoperirea radiațiilor cosmice de fond cu microunde (și, de asemenea, nu au finalizat treaba!) au fost în URSS. După ce a lucrat enorm de-a lungul mai multor luni, un raport despre care a fost publicat în 1964, oamenii de știință sovietici păreau să fi pus cap la cap toate piesele puzzle-ului, doar una lipsea. Iakov Borisovici Zeldovich, unul dintre colosii științei sovietice, a efectuat calcule similare cu cele efectuate de echipa lui Gamow (un fizician sovietic care trăiește în SUA), și a ajuns, de asemenea, la concluzia că Universul trebuie să fi început cu un fierbinte. Big Bang, care a lăsat radiația de fundal cu o temperatură de câțiva kelvin.

Iakov Borisovici Zeldovich, -

El știa chiar și despre articolul lui Ed Ohm din Bell System Technical Journal, care calcula aproximativ temperatura radiației cosmice de fond cu microunde, dar a interpretat greșit concluziile autorului. De ce nu și-au dat seama cercetătorii sovietici că Ohm descoperise deja această radiație? Din cauza unei erori de traducere. Lucrarea lui Ohm a afirmat că temperatura cerului pe care a măsurat-o a fost de aproximativ 3 K. Aceasta însemna că a scăzut toate sursele posibile de interferență radio și că 3 K era temperatura fondului rămas.

Totuși, prin coincidență, și temperatura radiațiilor atmosferice a fost aceeași (3 K), pentru care Ohm a făcut și o corecție. Specialiștii sovietici au decis în mod eronat că acești 3 K îi lăsase Ohm după toate ajustările anterioare, i-au scăzut și ei și au rămas fără nimic.

În zilele noastre, astfel de neînțelegeri ar fi ușor de corectat prin corespondență electronică, dar la începutul anilor 1960, comunicarea dintre oamenii de știință din Uniunea Sovietică și Statele Unite era foarte dificilă. Acesta a fost motivul unei astfel de greșeli ofensatoare.

Premiul Nobel care a plutit

Să ne întoarcem la ziua când a sunat telefonul în laboratorul lui Dicke. Se pare că, în același timp, astronomii Arno Penzias și Robert Wilson au raportat că au reușit din greșeală să detecteze un zgomot radio slab provenit din toate. Apoi nu știau încă că o altă echipă de oameni de știință a venit în mod independent cu ideea existenței unei astfel de radiații și chiar a început să construiască un detector pentru a o căuta. Era echipa formată din Dicke și Peebles.

Și mai surprinzător este că fondul cosmic cu microunde, sau, așa cum este numit și radiația cosmică de fond cu microunde, a fost descris cu mai bine de zece ani mai devreme în cadrul modelului apariției Universului ca urmare a Big Bang-ului de către George Gamow și colegii săi. Nici unul, nici celălalt grup de oameni de știință nu știau despre asta.

Penzias și Wilson au aflat din greșeală despre munca oamenilor de știință sub conducerea lui Dicke și au decis să-i cheme pentru a discuta despre asta. Dicke l-a ascultat cu atenție pe Penzias și a făcut câteva comentarii. După ce a închis, s-a întors către colegii săi și a spus: „Băieți, ne-am devansat.”

Aproape 15 ani mai târziu, după ce multe măsurători efectuate la o varietate de lungimi de undă de către multe grupuri de astronomi au confirmat că radiația pe care au descoperit-o era într-adevăr un ecou relicvă al Big Bang-ului, având o temperatură de 2,712 K, Penzias și Wilson au împărțit Premiul Nobel pentru invenția lor. Deși la început nici nu au vrut să scrie un articol despre descoperirea lor, pentru că o considerau insuportabilă și nu se încadra în modelul unui Univers staționar la care au aderat!

Se spune că Penzias și Wilson ar fi considerat suficient să fie menționați ca al cincilea și al șaselea nume de pe listă după Dicke, Peebles, Roll și Wilkinson. În acest caz, se pare că premiul Nobel i-ar reveni lui Dicke. Dar totul s-a întâmplat așa cum s-a întâmplat.

P.S.: Abonează-te la newsletter-ul nostru. O dată la două săptămâni vom trimite 10 dintre cele mai interesante și utile materiale de pe blogul MYTH.

« Pentru mine, viața este prea scurtă pentru a-mi face griji pentru lucruri care nu sunt sub controlul meu și poate chiar imposibile. Așa că ei întreabă: „Ce se întâmplă dacă Pământul este înghițit de o gaură neagră sau are loc o distorsiune a spațiului-timp – este acesta un motiv de îngrijorare?” Răspunsul meu este nu, pentru că vom ști despre asta doar când va ajunge la... locul nostru în spațiu-timp. Avem șocuri când natura decide că este momentul potrivit: fie că este vorba de viteza sunetului, viteza luminii, viteza impulsurilor electrice - vom fi întotdeauna victimele întârzierii între informațiile din jurul nostru și capacitatea noastră de a le primi.»

Neil deGrasse Tyson

Timpul este un lucru uimitor. Ne oferă trecutul, prezentul și viitorul. Din cauza timpului, totul în jurul nostru are o vârstă. De exemplu, vârsta Pământului este de aproximativ 4,5 miliarde de ani. Aproximativ cu același număr de ani în urmă, a luat foc și cea mai apropiată stea de noi, Soarele. Dacă această cifră vi se pare uimitoare, nu uitați că cu mult înainte de formarea sistemului nostru solar nativ, galaxia în care trăim, Calea Lactee, a apărut. Conform celor mai recente estimări ale oamenilor de știință, vârsta Căii Lactee este de 13,6 miliarde de ani. Dar știm sigur că și galaxiile au un trecut, iar spațiul este pur și simplu uriaș, așa că trebuie să căutăm și mai departe. Și această reflecție ne duce inevitabil la momentul în care totul a început - Big Bang-ul.

Einstein și Universul

Percepția oamenilor asupra lumii din jurul lor a fost întotdeauna ambiguă. Unii oameni încă nu cred în existența unui Univers imens în jurul nostru, alții cred că Pământul este plat. Înainte de descoperirea științifică din secolul al XX-lea, existau doar câteva versiuni ale originii lumii. Adepții opiniilor religioase credeau în intervenția divină și în crearea unei minți superioare; cei care nu erau de acord erau uneori arși. A existat o altă parte care credea că lumea din jurul nostru, precum și Universul, este infinită.

Pentru mulți oameni, totul s-a schimbat când Albert Einstein a ținut un discurs în 1917, prezentând publicului larg lucrarea vieții sale - Teoria generală a relativității. Geniul secolului al XX-lea a conectat spațiu-timp cu materia spațiului folosind ecuațiile pe care le-a derivat. Drept urmare, s-a dovedit că Universul este finit, neschimbat ca mărime și are forma unui cilindru obișnuit.

În zorii descoperirii tehnice, nimeni nu a putut respinge cuvintele lui Einstein, deoarece teoria lui era prea complexă chiar și pentru cele mai mari minți de la începutul secolului al XX-lea. Deoarece nu existau alte opțiuni, modelul unui Univers cilindric staționar a fost acceptat de comunitatea științifică drept modelul general acceptat al lumii noastre. Cu toate acestea, ea a putut trăi doar câțiva ani. După ce fizicienii au reușit să-și revină din lucrările științifice ale lui Einstein și au început să le demonteze, în paralel cu aceasta, au început să se facă ajustări la teoria relativității și calculele specifice ale savantului german.

În 1922, revista Izvestia Physics a publicat brusc un articol al matematicianului rus Alexander Friedman, în care afirma că Einstein s-a înșelat și Universul nostru nu este staționar. Friedman explică că afirmațiile omului de știință german cu privire la invariabilitatea razei de curbură a spațiului sunt concepții greșite; de ​​fapt, raza se modifică în funcție de timp. În consecință, Universul trebuie să se extindă.

Mai mult decât atât, aici Friedman și-a dat ipotezele cu privire la modul exact în care s-ar putea extinde Universul. Au fost trei modele în total: un Univers pulsatoriu (presupunerea că Universul se extinde și se contractă cu o anumită periodicitate în timp); Universul în expansiune din masă și al treilea model – expansiunea dintr-un punct. Deoarece la acel moment nu existau alte modele, cu excepția intervenției divine, fizicienii au luat rapid notă de toate cele trei modele Friedman și au început să le dezvolte în propria lor direcție.

Lucrarea matematicianului rus l-a înțepat ușor pe Einstein și, în același an, a publicat un articol în care și-a exprimat comentariile asupra lucrării lui Friedmann. În ea, un fizician german încearcă să demonstreze corectitudinea calculelor sale. Acest lucru s-a dovedit a fi destul de neconvingător, iar când durerea de la lovitura la stima de sine s-a domolit puțin, Einstein a publicat o altă notă în jurnalul Izvestia Physics, în care spunea:

« Într-o postare anterioară am criticat lucrarea de mai sus. Cu toate acestea, critica mea, după cum am fost convins din scrisoarea lui Friedman, comunicată mie de domnul Krutkov, s-a bazat pe o eroare în calcule. Cred că rezultatele lui Friedman sunt corecte și aruncă o lumină nouă».

Oamenii de știință au trebuit să admită că toate cele trei modele Friedman ale apariției și existenței Universului nostru sunt absolut logice și au dreptul la viață. Toate trei sunt explicate cu calcule matematice clare și nu lasă întrebări. Cu excepția unui singur lucru: de ce ar începe Universul să se extindă?

Teoria care a schimbat lumea

Declarațiile lui Einstein și Friedman au determinat comunitatea științifică să pună la îndoială serios originea Universului. Datorită teoriei generale a relativității, a existat șansa de a face lumină asupra trecutului nostru, iar fizicienii nu au reușit să profite de el. Unul dintre oamenii de știință care a încercat să prezinte un model al lumii noastre a fost astrofizicianul Georges Lemaitre din Belgia. Este de remarcat faptul că Lemaitre a fost un preot catolic, dar în același timp a studiat matematica și fizica, ceea ce este o adevărată prostie pentru vremea noastră.

Georges Lemaitre a devenit interesat de ecuațiile lui Einstein și, cu ajutorul lor, a putut să calculeze că Universul nostru a apărut ca urmare a dezintegrarii unei anumite superparticule, care se afla în afara spațiului și timpului înainte de începerea fisiunii, ceea ce poate fi considerat de fapt un explozie. În același timp, fizicienii notează că Lemaitre a fost primul care a făcut lumină asupra nașterii Universului.

Teoria unui superatom explodat s-a potrivit nu numai oamenilor de știință, ci și clerului, care erau foarte nemulțumiți de descoperirile științifice moderne, pentru care trebuiau să vină cu noi interpretări ale Bibliei. Big Bang-ul nu a intrat în conflict semnificativ cu religia; poate că acest lucru a fost influențat de educația lui Lemaître însuși, care și-a dedicat viața nu numai științei, ci și slujirii lui Dumnezeu.

La 22 noiembrie 1951, Papa Pius al XII-lea a făcut o declarație conform căreia Teoria Big Bang-ului nu intră în conflict cu Biblia și cu dogma catolică despre originea lumii. De asemenea, clerul ortodox a declarat că ei consideră această teorie în mod pozitiv. Această teorie a fost, de asemenea, primită relativ neutru de către adepții altor religii, unii dintre ei chiar spunând că au existat referiri la Big Bang în scripturile lor sacre.

Cu toate acestea, în ciuda faptului că Teoria Big Bang este în prezent modelul cosmologic general acceptat, ea a condus mulți oameni de știință într-o fundătură. Pe de o parte, explozia unei superparticule se încadrează perfect în logica fizicii moderne, dar, pe de altă parte, în urma unei astfel de explozii, s-au putut forma în principal doar metale grele, în special fier. Dar, după cum sa dovedit, Universul este format în principal din gaze ultra-ușoare - hidrogen și heliu. Ceva nu s-a potrivit, așa că fizicienii au continuat să lucreze la teoria originii lumii.

Inițial, termenul „Big Bang” nu a existat. Lemaître și alți fizicieni au oferit doar numele plictisitor de „model evolutiv dinamic”, care a provocat căscături în rândul studenților. Abia în 1949, la una dintre prelegerile sale, astronomul și cosmologul britanic Freud Hoyle a spus:

„Această teorie se bazează pe presupunerea că Universul a apărut în procesul unei singure explozii puternice și, prin urmare, există doar pentru un timp finit... Această idee a unui Big Bang mi se pare complet nesatisfăcătoare.”.

De atunci, termenul a devenit utilizat pe scară largă în cercurile științifice și în înțelegerea de către publicul larg a structurii Universului.

De unde au venit hidrogenul și heliul?

Prezența elementelor ușoare i-a derutat pe fizicieni, iar mulți adepți ai Teoriei Big Bang și-au propus să-și găsească sursa. Mulți ani nu au reușit să obțină prea mult succes, până când în 1948, genialul om de știință Georgiy Gamow din Leningrad a reușit în sfârșit să stabilească această sursă. Gamow a fost unul dintre elevii lui Friedman, așa că și-a asumat cu bucurie dezvoltarea teoriei profesorului său.

Gamow a încercat să-și imagineze viața Universului în direcția opusă și a derulat timpul până la momentul în care tocmai a început să se extindă. Până atunci, după cum știm, omenirea descoperise deja principiile fuziunii termonucleare, așa că teoria Friedmann-Lemaitre a câștigat dreptul la viață. Când Universul era foarte mic, era foarte cald, conform legilor fizicii.

Potrivit lui Gamow, la doar o secundă după Big Bang, spațiul noului Univers a fost umplut cu particule elementare care au început să interacționeze între ele. Ca urmare a acestui fapt, a început fuziunea termonucleară a heliului, pe care matematicianul din Odessa Ralph Asher Alfer a putut să o calculeze pentru Gamow. Conform calculelor lui Alfer, la doar cinci minute după Big Bang, Universul a fost plin de heliu atât de mult încât chiar și oponenții convinși ai Teoriei Big Bang vor trebui să se împace și să accepte acest model ca principal în cosmologie. Prin cercetările sale, Gamow nu numai că a deschis noi modalități de a studia Universul, dar a reînviat și teoria lui Lemaître.

În ciuda stereotipurilor despre oamenii de știință, aceștia nu li se poate nega romantismul. Gamow și-a publicat cercetările despre teoria Universului Superfierbinte la momentul Big Bang-ului din 1948 în lucrarea sa „Originea elementelor chimice”. Ca colegi asistenți, el l-a indicat nu numai pe Ralph Asher Alpher, ci și pe Hans Bethe, un astrofizician american și viitor laureat al Premiului Nobel. Pe coperta cărții a rezultat: Alpher, Bethe, Gamow. Nu-ți aduce aminte de nimic?

Cu toate acestea, în ciuda faptului că lucrările lui Lemaître au primit o a doua viață, fizicienii încă nu au putut răspunde la cea mai interesantă întrebare: ce s-a întâmplat înainte de Big Bang?

Încercările de a resuscita Universul staționar al lui Einstein

Nu toți oamenii de știință au fost de acord cu teoria Friedmann-Lemaître, dar, în ciuda acestui fapt, au trebuit să predea modelul cosmologic general acceptat la universități. De exemplu, astronomul Fred Hoyle, care a inventat el însuși termenul „Big Bang”, a crezut de fapt că nu a existat nicio explozie și și-a dedicat viața încercând să o demonstreze.
Hoyle a devenit unul dintre acei oameni de știință care în timpul nostru oferă o viziune alternativă asupra lumii moderne. Majoritatea fizicienilor sunt destul de cool cu ​​privire la declarațiile unor astfel de oameni, dar acest lucru nu îi deranjează deloc.

Pentru a-i face de rușine pe Gamow și raționamentul său pentru Teoria Big Bang, Hoyle și oameni care au păreri asemănătoare au decis să-și dezvolte propriul model al originii Universului. Ca bază, au luat propunerile lui Einstein că Universul este staționar și au făcut unele ajustări sugerând motive alternative pentru expansiunea Universului.

Dacă adepții teoriei Lemaitre-Friedmann credeau că Universul a apărut dintr-un singur punct superdens cu o rază infinitezimală, atunci Hoyle a sugerat că materia se formează în mod constant din puncte care sunt situate între galaxii care se îndepărtează unele de altele. În primul caz, întregul Univers, cu numărul său infinit de stele și galaxii, a fost format dintr-o singură particulă. Într-un alt caz, un punct oferă suficientă substanță pentru a produce o singură galaxie.

Eșecul teoriei lui Hoyle este că el nu a fost niciodată capabil să explice de unde provine însăși substanța care continuă să creeze galaxii care conțin sute de miliarde de stele. De fapt, Fred Hoyle a sugerat ca toată lumea să creadă că structura universului apare de nicăieri. În ciuda faptului că mulți fizicieni au încercat să găsească o soluție la teoria lui Hoyle, nimeni nu a reușit să facă acest lucru și, după câteva decenii, această propunere și-a pierdut relevanța.

Întrebări fără răspuns

De fapt, nici Teoria Big Bang-ului nu ne oferă răspunsuri la multe întrebări. De exemplu, mintea unei persoane obișnuite nu poate înțelege faptul că toată materia din jurul nostru a fost odată comprimată într-un singur punct de singularitate, care este mult mai mic ca dimensiune decât un atom. Și cum s-a întâmplat ca această superparticulă să se încălzească într-o asemenea măsură încât să declanșeze o reacție de explozie.

Până la mijlocul secolului al XX-lea, teoria Universului în expansiune nu a fost niciodată confirmată experimental și, prin urmare, nu a fost utilizată pe scară largă în instituțiile de învățământ. Totul s-a schimbat în 1964, când doi astrofizicieni americani - Arno Penzias și Robert Wilson - au decis să studieze semnalele radio de pe cerul înstelat.

În timp ce scanau radiația corpurilor cerești, și anume Cassiopeia A (una dintre cele mai puternice surse de emisie radio pe cerul înstelat), oamenii de știință au observat un zgomot străin care interfera constant cu înregistrarea datelor exacte de radiație. Oriunde își îndreptau antena, indiferent la ce oră din zi și-au început cercetările, acest zgomot caracteristic și constant îi urmărea mereu. Supărați într-o anumită măsură, Penzias și Wilson au decis să studieze sursa acestui zgomot și au făcut pe neașteptate o descoperire care a schimbat lumea. Ei au descoperit radiații relicte, care este un ecou al aceluiași Big Bang.

Universul nostru se răcește mult mai lent decât o ceașcă de ceai fierbinte, iar CMB sugerează că materia din jurul nostru a fost cândva foarte fierbinte, iar acum se răcește pe măsură ce Universul se extinde. Astfel, toate teoriile legate de Universul rece au fost lăsate în urmă, iar Teoria Big Bang a fost în cele din urmă adoptată.

În scrierile sale, Georgy Gamow a presupus că în spațiu ar fi posibil să se detecteze fotonii care au existat de la Big Bang; tot ce era nevoie era echipamente tehnice mai avansate. Radiația relictă a confirmat toate presupunerile sale cu privire la existența Universului. De asemenea, a fost posibil să se stabilească că vârsta Universului nostru este de aproximativ 14 miliarde de ani.

Ca întotdeauna, odată cu demonstrarea practică a unei teorii, apar imediat multe opinii alternative. Unii fizicieni au ridiculizat descoperirea radiației cosmice de fond cu microunde ca dovadă a Big Bang-ului. Chiar dacă Penzias și Wilson au câștigat Premiul Nobel pentru descoperirea lor istorică, au fost mulți care nu au fost de acord cu cercetările lor.

Principalele argumente în favoarea eșecului expansiunii Universului au fost inconsecvențele și erorile logice. De exemplu, explozia a accelerat în mod egal toate galaxiile din spațiu, dar în loc să se îndepărteze de noi, galaxia Andromeda se apropie încet, dar sigur de Calea Lactee. Oamenii de știință sugerează că aceste două galaxii se vor ciocni una cu cealaltă în doar 4 miliarde de ani. Din păcate, omenirea este încă prea tânără pentru a răspunde la aceasta și la alte întrebări.

Teoria echilibrului

În zilele noastre, fizicienii oferă diverse modele ale existenței Universului. Mulți dintre ei nu suportă nici măcar simple critici, în timp ce alții primesc dreptul la viață.

La sfârșitul secolului al XX-lea, astrofizicianul american Edward Tryon, împreună cu colegul său australian Warren Kerry, au propus un model fundamental nou al Universului și au făcut acest lucru independent unul de celălalt. Oamenii de știință și-au bazat cercetările pe presupunerea că totul în Univers este echilibrat. Masa distruge energia și invers. Acest principiu a început să fie numit principiul Universului Zero. În cadrul acestui Univers, materie nouă apare în punctele de singularitate dintre galaxii, unde atracția și respingerea materiei sunt echilibrate.

Teoria Universului Zero nu a fost ruptă în bucăți, deoarece după ceva timp oamenii de știință au reușit să descopere existența materiei întunecate - o substanță misterioasă din care constă aproape 27% din Universul nostru. Un alt 68,3% din Univers este alcătuit din energia întunecată mai misterioasă și mai misterioasă.

Efectele gravitaționale ale energiei întunecate sunt creditate cu accelerarea expansiunii Universului. Apropo, prezența energiei întunecate în spațiu a fost prezisă de însuși Einstein, care a văzut că ceva din ecuațiile sale nu converge; Universul nu putea fi staționat. Prin urmare, el a introdus constanta cosmologică în ecuații - termenul Lambda, pentru care apoi s-a învinuit în mod repetat și s-a urât pe sine.

S-a întâmplat că spațiul teoretic gol din Univers este totuși umplut cu un câmp special, care pune în acțiune modelul lui Einstein. Într-o minte sobră și conform logicii acelor vremuri, existența unui astfel de câmp era pur și simplu imposibilă, dar, de fapt, fizicianul german pur și simplu nu știa cum să descrie energia întunecată.

***
S-ar putea să nu știm niciodată cum și din ce a apărut Universul nostru. Va fi și mai greu de stabilit ce s-a întâmplat înainte de existența sa. Oamenii tind să se teamă de ceea ce nu pot explica, așa că este posibil ca până la sfârșitul timpurilor, omenirea să creadă și în influența divină în crearea lumii din jurul nostru.