تطور الانفجار العظيم للكون مجرتنا. ظهور نظرية الانفجار العظيم

في العالم العلمي ، من المقبول عمومًا أن الكون نشأ نتيجة للانفجار العظيم. تحت التشيد هذه النظريةعلى حقيقة أن الطاقة والمادة (أسس كل الأشياء) كانت في السابق في حالة تفرد. وهي بدورها تتميز بدرجة حرارة لا متناهية وكثافة وضغط. حالة التفرد نفسها تتحدى جميع قوانين الفيزياء المعروفة في العالم الحديث. يعتقد العلماء أن الكون نشأ من جسيم مجهري ، والذي ، لأسباب غير معروفة ، دخل في حالة غير مستقرة في الماضي البعيد وانفجر.

بدأ استخدام مصطلح "Big Bang" منذ عام 1949 بعد نشر أعمال العالم F.Hoyle في المنشورات العلمية الشعبية. اليوم ، تم تطوير نظرية "نموذج التطور الديناميكي" بشكل جيد بحيث يمكن للفيزيائيين وصف العمليات التي تحدث في الكون في وقت مبكر يصل إلى 10 ثوانٍ بعد انفجار الجسيم المجهري الذي وضع الأساس لكل شيء.

هناك عدة براهين على هذه النظرية. أحد أهم هذه العوامل هو إشعاع البقايا ، الذي يخترق الكون بأكمله. وفقًا للعلماء المعاصرين ، يمكن أن يكون قد نشأ فقط نتيجة للانفجار العظيم ، بسبب تفاعل الجسيمات المجهرية. إن الإشعاع المتبقي هو الذي يجعل من الممكن التعرف على تلك الأوقات التي بدا فيها الكون وكأنه فضاء مشتعل ، ولم تكن هناك نجوم وكواكب والمجرة نفسها. الدليل الثاني على ولادة كل ما هو موجود من الانفجار العظيم هو الانزياح الأحمر الكوني ، والذي يتكون من انخفاض في تواتر الإشعاع. وهذا يؤكد إزالة النجوم والمجرات من مجرة ​​درب التبانة بشكل خاص وعن بعضها البعض بشكل عام. أي أنه يشير إلى أن الكون توسع في وقت مبكر ويستمر في القيام بذلك حتى الآن.

تاريخ موجز للكون

• 10-45-10-37 ثانية- التوسع التضخمي


• من 10 إلى 6 ثوانٍ- ظهور الكواركات والإلكترونات


• 10-5 ثوانى- تكوين البروتونات والنيوترونات


• 10 -4 ثانية - 3 دقائق- ظهور نوى الديوتيريوم والهيليوم والليثيوم


• 400 ألف سنة- تكوين الذرات


• 15 مليون سنة- استمرار توسع سحابة الغاز


• مليار سنة- ولادة النجوم والمجرات الأولى


• 10 - 15 مليار سنة- نشأة الكواكب وحياة ذكية


• 10 14 مليار سنة- إنهاء عملية ولادة النجوم


• 10 37 مليار سنة- نضوب طاقة كل النجوم


• 10 40 مليار سنة- تبخر الثقوب السوداء وولادة الجسيمات الأولية


• 10100 مليار سنة- استكمال تبخر جميع الثقوب السوداء

أصبحت نظرية الانفجار العظيم اختراقًا حقيقيًا في العلوم. سمح للعلماء بالإجابة على العديد من الأسئلة المتعلقة بميلاد الكون. لكن في الوقت نفسه ، أدت هذه النظرية إلى ظهور ألغاز جديدة. أهمها سبب الانفجار العظيم نفسه. السؤال الثاني الذي لا إجابة عليه العلم الحديثكيف نشأ المكان والزمان؟ وفقًا لبعض الباحثين ، فقد ولدوا مع المادة والطاقة. أي أنهم نتيجة الانفجار العظيم. ولكن بعد ذلك اتضح أن الزمان والمكان يجب أن يكون لهما نوع من البداية. أي أن كيانًا معينًا ، موجودًا باستمرار ولا يعتمد على مؤشراته ، يمكن أن يبدأ عمليات عدم الاستقرار في جسيم مجهري أدى إلى نشوء الكون.

كلما تم إجراء المزيد من الأبحاث في هذا الاتجاه ، زادت الأسئلة التي تطرأ على علماء الفيزياء الفلكية. الإجابات عليها تنتظر البشرية في المستقبل.

« بالنسبة لي ، الحياة أقصر من أن تقلق بشأن أشياء خارجة عن إرادتي وربما مستحيلة. يسألون هنا: "ماذا لو ابتلع ثقب أسود الأرض ، أو كان هناك تشويه للزمكان - هل هذا سبب للإثارة؟" جوابي هو لا ، لأننا سنعرف عنه فقط عندما يصل إلى ... مكاننا في الزمكان. نحصل على ركلات عندما تقرر الطبيعة أن الوقت قد حان: سواء كانت سرعة الصوت أو سرعة الضوء أو سرعة النبضات الكهربائية ، سنكون دائمًا ضحايا للتأخير الزمني بين المعلومات من حولنا وقدرتنا على تلقيها.»

نيل دي جراس تايسون

الوقت شيء رائع. إنه يعطينا الماضي والحاضر والمستقبل. بسبب الوقت ، كل ما يحيط بنا له عمر. على سبيل المثال ، يبلغ عمر الأرض حوالي 4.5 مليار سنة. منذ نفس العدد تقريبًا من السنوات ، أضاء أقرب نجم لنا ، الشمس ، أيضًا. إذا كان هذا الرقم يبدو لك لالتقاط الأنفاس ، فلا تنسى ذلك بوقت طويل قبل تشكيل مواطننا النظام الشمسيالمجرة التي نعيش فيها هي درب التبانة. وفقًا لأحدث تقديرات العلماء ، يبلغ عمر مجرة ​​درب التبانة 13.6 مليار سنة. لكننا نعلم على وجه اليقين أن المجرات لها أيضًا ماضي ، وأن الفضاء ببساطة ضخم ، لذلك نحن بحاجة إلى مزيد من البحث. وهذا التفكير يقودنا حتمًا إلى اللحظة التي بدأ فيها كل شيء - الانفجار العظيم.

أينشتاين والكون

لطالما كان تصور الناس للعالم المحيط غامضًا. لا يزال شخص ما لا يؤمن بوجود كون ضخم من حولنا ، شخص ما يعتبر الأرض مسطحة. قبل الاختراق العلمي في القرن العشرين ، لم يكن هناك سوى نسختين من أصل العالم. أتباع آراء دينيةيؤمن بالتدخل الإلهي والخلق عقل أعلىفي بعض الأحيان يتم حرق المنشقين. كان هناك جانب آخر يعتقد أن العالم من حولنا ، وكذلك الكون ، لا حصر له.

بالنسبة للعديد من الناس ، تغير كل شيء عندما ألقى ألبرت أينشتاين كلمة في عام 1917 ، حيث قدم للجمهور أعمال حياته - النظرية العامة للنسبية. ربطت عبقرية القرن العشرين الزمكان بمسألة الفضاء بمساعدة المعادلات التي اشتقها. نتيجة لذلك ، اتضح أن الكون محدود ، ولم يتغير حجمه وله شكل أسطوانة عادية.

في فجر الاختراق التقني ، لم يستطع أحد دحض كلمات أينشتاين ، لأن نظريته كانت معقدة للغاية حتى بالنسبة للعقول العظيمة في أوائل القرن العشرين. نظرًا لعدم وجود خيارات أخرى ، تم قبول نموذج الكون الأسطواني الثابت من قبل المجتمع العلمي كنموذج مقبول بشكل عام لعالمنا. ومع ذلك ، يمكنها أن تعيش بضع سنوات فقط. بعد أن تمكن الفيزيائيون من التعافي من الأعمال العلمية لأينشتاين وبدأوا في فرزها على الرفوف ، بالتوازي مع ذلك ، بدأ إجراء تعديلات على نظرية النسبية والحسابات المحددة للعالم الألماني.

في عام 1922 ، نشر عالم الرياضيات الروسي ألكسندر فريدمان فجأة مقالًا في مجلة إزفيستيا فيزيكي ، ذكر فيه أن أينشتاين كان مخطئًا وأن كوننا ليس ثابتًا. يوضح فريدمان أن تصريحات العالم الألماني بشأن ثبات نصف قطر انحناء الفضاء هي أوهام ، في الواقع ، يتغير نصف القطر فيما يتعلق بالوقت. وفقًا لذلك ، يجب أن يتمدد الكون.

علاوة على ذلك ، قدم فريدمان هنا افتراضاته حول كيفية تمدد الكون بالضبط. كانت هناك ثلاثة نماذج إجمالاً: الكون النابض (افتراض أن الكون يتوسع ويتقلص مع تواتر زمني معين) ؛ الكون المتوسع من الكتلة والنموذج الثالث - التوسع من النقطة. نظرًا لعدم وجود نماذج أخرى في ذلك الوقت ، باستثناء التدخل الإلهي ، سرعان ما لاحظ الفيزيائيون نماذج فريدمان الثلاثة وبدأوا في تطويرها في اتجاههم الخاص.

أذهل عمل عالم الرياضيات الروسي أينشتاين قليلاً ، وفي نفس العام نشر مقالاً أعرب فيه عن تعليقاته على عمل فريدمان. في ذلك ، يحاول عالم فيزيائي ألماني إثبات صحة حساباته. اتضح أنه غير مقنع إلى حد ما ، وعندما هدأ الألم من ضربة احترام الذات قليلاً ، نشر أينشتاين ملاحظة أخرى في مجلة Izvestiya Fiziki ، قال فيها:

« في ملاحظة سابقة ، انتقدت العمل أعلاه. ومع ذلك ، فإن انتقاداتي ، كما رأيت من رسالة فريدمان التي أبلغني بها السيد كروتكوف ، كانت مبنية على خطأ في الحسابات. أعتقد أن نتائج فريدمان صحيحة وتلقي ضوءًا جديدًا.».

كان على العلماء أن يعترفوا بأن جميع نماذج فريدمان الثلاثة لمظهر ووجود كوننا منطقية تمامًا ولها الحق في الحياة. يتم شرح الثلاثة من خلال حسابات رياضية مفهومة ولا تترك أي أسئلة. باستثناء شيء واحد: لماذا يبدأ الكون في التوسع؟

النظرية التي غيرت العالم

قادت تصريحات آينشتاين وفريدمان المجتمع العلمي إلى التشكيك بجدية في أصل الكون. شكرا ل النظرية العامةالنسبية ، كانت هناك فرصة لإلقاء الضوء على ماضينا ، ولم يفشل الفيزيائيون في الاستفادة من ذلك. كان عالم الفيزياء الفلكية جورج ليميتر من بلجيكا أحد العلماء الذين حاولوا تقديم نموذج لعالمنا. اللافت هو حقيقة أن Lemaitre كان كاهن كاثوليكي، لكنه في الوقت نفسه كان منخرطًا في الرياضيات والفيزياء ، وهو هراء حقيقي في عصرنا.

أصبح جورج ليميتر مهتمًا بمعادلات أينشتاين ، وبمساعدتهم تمكن من حساب أن كوننا ظهر نتيجة لانحلال نوع من الجسيمات الفائقة ، والذي كان خارج المكان والزمان قبل بدء الانشطار ، والذي يمكن أن يكون في الواقع. يعتبر انفجار. في الوقت نفسه ، لاحظ الفيزيائيون أن Lemaitre كان أول من سلط الضوء على ولادة الكون.

لم تناسب نظرية الذرة المتفجرة المنفجرة العلماء فحسب ، بل تناسب أيضًا رجال الدين ، الذين كانوا غير راضين جدًا عن العصر الحديث. اكتشافات علميةالتي كان لابد من اختراع تفسيرات جديدة للكتاب المقدس. لم يدخل الانفجار الكبير في صراع كبير مع الدين ، ربما كان ذلك متأثرًا بتنشئة لوميتر نفسه ، الذي كرس حياته ليس فقط للعلم ، ولكن أيضًا لخدمة الله.

في 22 نوفمبر 1951 ، أدلى البابا بيوس الثاني عشر بتصريح مفاده أن نظرية الانفجار العظيم لا تتعارض مع الكتاب المقدس والعقيدة الكاثوليكية حول أصل العالم. قال رجال الدين الأرثوذكس أيضًا إنهم كانوا إيجابيين بشأن هذه النظرية. تم قبول هذه النظرية أيضًا بشكل محايد نسبيًا من قبل معتنقي الديانات الأخرى ، حتى أن بعضهم قال أن هناك إشارات إلى الانفجار العظيم في كتبهم المقدسة.

ومع ذلك ، على الرغم من حقيقة أن نظرية الانفجار العظيم هي حاليًا النموذج الكوني المقبول عمومًا ، فقد أدت بالعديد من العلماء إلى طريق مسدود. من ناحية أخرى ، فإن انفجار الجسيمات الفائقة يتوافق تمامًا مع المنطق الفيزياء الحديثة، ولكن من ناحية أخرى ، نتيجة لمثل هذا الانفجار ، بشكل أساسي فقط معادن ثقيلةوخاصة الحديد. ولكن ، كما اتضح فيما بعد ، يتكون الكون أساسًا من غازات خفيفة للغاية - الهيدروجين والهيليوم. شيء ما لم يكن مناسبًا ، لذلك استمر الفيزيائيون في العمل على نظرية أصل العالم.

في البداية ، لم يكن مصطلح "الانفجار الكبير" موجودًا. قدم Lemaitre وغيره من الفيزيائيين فقط الاسم الممل "نموذج التطور الديناميكي" ، مما تسبب في تثاؤب الطلاب. فقط في عام 1949 ، في إحدى محاضراته ، قال عالم الفلك وعالم الكونيات البريطاني فرويد هويل:

"تستند هذه النظرية إلى افتراض أن الكون نشأ في عملية انفجار قوي واحد وبالتالي فهو موجود فقط لفترة محدودة ... تبدو لي فكرة الانفجار العظيم هذه غير مرضية تمامًا".

منذ ذلك الحين ، أصبح هذا المصطلح مستخدمًا على نطاق واسع في الأوساط العلمية وفكرة عامة الناس عن بنية الكون.

من أين أتى الهيدروجين والهيليوم؟

حير وجود العناصر الخفيفة علماء الفيزياء ، وقد شرع العديد من منظري الانفجار العظيم في العثور على مصدرها. لسنوات عديدة فشلوا في تحقيقها نجاح خاصحتى عام 1948 ، تمكن العالم اللامع جورجي جاموف من لينينغراد أخيرًا من تحديد هذا المصدر. كان جامو أحد طلاب فريدمان ، لذلك تناول بكل سرور تطوير نظرية أستاذه.

حاول جامو تخيل حياة الكون في الاتجاه المعاكس ، ووقت التكرار حتى اللحظة التي بدأ فيها للتو في التوسع. بحلول ذلك الوقت ، كما هو معروف ، كانت البشرية قد اكتشفت بالفعل مبادئ الاندماج النووي الحراري ، لذلك اكتسبت نظرية فريدمان-ليميتر الحق في الحياة. عندما كان الكون صغيرًا جدًا ، كان الجو حارًا جدًا وفقًا لقوانين الفيزياء.

وفقًا لجامو ، بعد ثانية واحدة فقط من الانفجار العظيم ، كان الفضاء في الكون الجديد مليئًا بالجسيمات الأولية التي بدأت في التفاعل مع بعضها البعض. نتيجة لذلك ، بدأ اندماج الهيليوم النووي الحراري ، والذي تمكن رالف آشر ألفير ، عالم رياضيات من أوديسا ، من حسابه لجامو. وفقًا لحسابات ألفير ، بعد خمس دقائق من الانفجار العظيم ، كان الكون مليئًا بالهيليوم لدرجة أنه حتى المعارضين الأقوياء لنظرية الانفجار العظيم سيتعين عليهم قبول هذا النموذج باعتباره النموذج الرئيسي في علم الكونيات. من خلال بحثه ، لم يفتح جامو طرقًا جديدة لدراسة الكون فحسب ، بل أعاد إحياء نظرية ليميتر أيضًا.

على الرغم من الصور النمطية عن العلماء ، لا يمكن إنكار الرومانسية. نشر جامو بحثه حول نظرية الكون الفائق في وقت الانفجار العظيم عام 1948 في عمله "أصل العناصر الكيميائية". بصفته زملائه المساعدين ، لم يشر إلى رالف آشر ألفير فحسب ، بل أشار أيضًا إلى هانز بيته ، عالم الفيزياء الفلكية الأمريكي والحائز على جائزة المستقبل. جائزة نوبل. ظهر على غلاف الكتاب: ألفر ، بيته ، جامو. ألا يذكرك بشيء؟

ومع ذلك ، على الرغم من حقيقة أن أعمال Lemaitre حصلت على حياة ثانية ، إلا أن الفيزيائيين ما زالوا غير قادرين على الإجابة على السؤال الأكثر إثارة: ماذا حدث قبل الانفجار العظيم؟

محاولات لإحياء الكون الثابت لأينشتاين

لم يتفق جميع العلماء مع نظرية فريدمان-ليميتر ، لكن على الرغم من ذلك ، كان عليهم تدريس النموذج الكوني المقبول عمومًا في الجامعات. على سبيل المثال ، يعتقد عالم الفلك فريد هويل ، الذي ابتكر هو نفسه مصطلح "الانفجار الكبير" ، أنه لم يكن هناك انفجار ، وكرس حياته لمحاولة إثبات ذلك.
أصبح هويل أحد هؤلاء العلماء الذين يقدمون في عصرنا نظرة بديلةعلى ال العالم الحديث. معظم الفيزيائيين لطيفون إلى حد ما بشأن تصريحات هؤلاء الأشخاص ، لكن هذا لا يزعجهم على الإطلاق.

لإحراج جامو وتبريره لنظرية الانفجار العظيم ، قرر هويل ، جنبًا إلى جنب مع الأشخاص ذوي التفكير المماثل ، تطوير نموذجهم الخاص لأصل الكون. كأساس ، أخذوا مقترحات أينشتاين بأن الكون ثابت ، وأجروا بعض التعديلات التي تقدم أسبابًا بديلة لتوسع الكون.

إذا اعتقد أتباع نظرية Lemaitre-Friedmann أن الكون نشأ من نقطة مفردة فائقة الكثافة بنصف قطر صغير غير محدود ، فقد اقترح هويل أن المادة تتشكل باستمرار من نقاط بين المجرات تتحرك بعيدًا عن بعضها البعض. في الحالة الأولى ، تشكل الكون كله من جسيم واحد بعدد لا نهائي من النجوم والمجرات. في حالة أخرى ، تعطي نقطة واحدة قدرًا كافيًا من المادة لإنتاج مجرة ​​واحدة فقط.

التناقض في نظرية هويل هو أنه لم يكن قادرًا على شرح من أين تأتي المادة ذاتها ، والتي تستمر في تكوين المجرات التي يوجد فيها مئات المليارات من النجوم. في الواقع ، اقترح فريد هويل أن يعتقد الجميع أن بنية الكون تظهر من العدم. على الرغم من حقيقة أن العديد من علماء الفيزياء حاولوا إيجاد حل لنظرية هويل ، لم ينجح أحد في القيام بذلك ، وبعد عقدين من الزمن فقد هذا الاقتراح أهميته.

أسئلة بدون إجابات

في الواقع ، لا تقدم لنا نظرية الانفجار العظيم أيضًا إجابات على العديد من الأسئلة. على سبيل المثال ، في العقل شخص عاديحقيقة أن كل المادة من حولنا كانت مضغوطة ذات مرة في نقطة مفردة واحدة ، وهي أصغر بكثير من الذرة ، لا يمكن الاحتفاظ بها في الداخل. وكيف حدث أن ارتفعت درجة حرارة هذا الجسيم الفائق لدرجة أن الانفجار بدأ في التفاعل.

حتى منتصف القرن العشرين ، لم يتم تأكيد نظرية توسع الكون بشكل تجريبي ، لذلك لم يتم استخدامها على نطاق واسع في المؤسسات التعليمية. تغير كل شيء في عام 1964 ، عندما لم يقرر اثنان من علماء الفيزياء الفلكية الأمريكيين - أرنو بينزياس وروبرت ويلسون - دراسة الإشارات اللاسلكية للسماء المرصعة بالنجوم.

بمسح إشعاع الأجرام السماوية ، وبالتحديد Cassiopeia A (أحد أقوى مصادر الانبعاثات الراديوية في السماء المرصعة بالنجوم) ، لاحظ العلماء نوعًا من الضوضاء الخارجية التي تتداخل باستمرار مع تسجيل بيانات إشعاعية دقيقة. أينما وجهوا هوائيهم ، وبغض النظر عن الوقت من اليوم الذي بدأوا فيه بحثهم ، فإن هذه الضوضاء المميزة والمستمرة تلاحقهم دائمًا. غاضبًا إلى حد ما ، قرر Penzias و Wilson دراسة مصدر هذا الضجيج وقاموا بشكل غير متوقع باكتشاف غير العالم. اكتشفوا بقايا الإشعاع ، وهو صدى لنفس الانفجار العظيم.

يبرد كوننا بشكل أبطأ بكثير من فنجان الشاي الساخن ، ويشير CMB إلى أن المادة من حولنا كانت في يوم من الأيام شديدة السخونة وتبرد الآن مع توسع الكون. وهكذا ، تم استبعاد جميع النظريات المتعلقة بالكون البارد ، وتم اعتماد نظرية الانفجار العظيم أخيرًا.

اقترح جورجي جامو في كتاباته أنه سيكون من الممكن اكتشاف الفوتونات الموجودة في الفضاء منذ الانفجار العظيم ، ولا يلزم سوى معدات تقنية أكثر تقدمًا. أكد إشعاع بقايا كل افتراضاته حول وجود الكون. أيضًا ، بمساعدتها ، كان من الممكن إثبات أن عمر كوننا يقارب 14 مليار سنة.

كما هو الحال دائمًا ، مع دليل عمليأي نظرية ، تظهر العديد من الآراء البديلة على الفور. سخر بعض الفيزيائيين من اكتشاف CMB كدليل على الانفجار العظيم. على الرغم من حقيقة فوز بينزياس وويلسون بجائزة نوبل لاكتشافهما التاريخي ، اختلف الكثير مع بحثهما.

كانت الحجج الرئيسية المؤيدة لعدم اتساق توسع الكون هي التناقضات والأخطاء المنطقية. على سبيل المثال ، أدى الانفجار إلى تسريع جميع المجرات في الفضاء بشكل موحد ، ولكن بدلاً من الابتعاد عنا ، فإن مجرة ​​المرأة المسلسلة تقترب ببطء ولكن بثبات درب التبانة. يقترح العلماء أن هاتين المجرتين ستصطدمان مع بعضهما البعض في حوالي 4 مليارات سنة فقط. لسوء الحظ ، لا تزال الإنسانية أصغر من أن تجيب على هذا السؤال وغيره.

نظرية التوازن

في عصرنا هذا ، يقدم الفيزيائيون نماذج مختلفة لوجود الكون. كثير منهم لا يتحملون حتى النقد البسيط ، بينما يحصل الآخرون على الحق في الحياة.

في نهاية القرن العشرين ، اقترح عالم الفيزياء الفلكية الأمريكي إدوارد تريون ، مع زميله من أستراليا ، وارن كيري ، من حيث المبدأ موديل جديدالكون ، أثناء القيام بذلك بشكل مستقل. استند العلماء في بحثهم إلى افتراض أن كل شيء في الكون متوازن. الكتلة تدمر الطاقة ، والعكس صحيح. أصبح هذا المبدأ معروفًا باسم مبدأ الكون الصفري. داخل هذا الكون ، تظهر مادة جديدة في نقاط مفردة بين المجرات ، حيث يكون جاذبية وتنافر المادة متوازنين.

لم يتم تحطيم نظرية الكون الصفري إلى قطع صغيرة لأنه بعد مرور بعض الوقت تمكن العلماء من اكتشاف وجود المادة المظلمة - وهي مادة غامضة تشكل ما يقرب من 27٪ من كوننا. 68.3٪ أخرى من الكون هي طاقة مظلمة غامضة وغامضة.

إنه بسبب آثار الجاذبية الطاقة المظلمةويعود الفضل في تسريع توسع الكون. بالمناسبة ، توقع أينشتاين نفسه وجود الطاقة المظلمة في الفضاء ، حيث رأى أن شيئًا ما لم يتقارب في معادلاته ، لا يمكن جعل الكون ثابتًا. لذلك ، أدخل ثابتًا كونيًا في المعادلات - مصطلح لامدا ، الذي ألقى باللوم عليه وكره نفسه مرارًا وتكرارًا.

لقد حدث أن الفضاء في الكون ، الخالي من الناحية النظرية ، مليء مع ذلك بحقل خاص معين ، والذي يقود نموذج أينشتاين. في عقل رصين ووفقًا لمنطق تلك الأوقات ، كان وجود مثل هذا المجال مستحيلًا ، لكن في الواقع لم يكن الفيزيائي الألماني ببساطة يعرف كيف يصف الطاقة المظلمة.

***
ربما لن نعرف أبدًا كيف ومن ما نشأ كوننا. سيكون من الصعب تحديد ما كان قبل وجودها. يميل الناس إلى الخوف مما لا يستطيعون تفسيره ، لذلك من الممكن أن تؤمن البشرية أيضًا بالتأثير الإلهي على خلق العالم من حولنا حتى نهاية الوقت.

الجواب على السؤال "ما هو الانفجار العظيم؟" يمكن الحصول عليها من خلال مناقشة طويلة ، لأنها تستغرق الكثير من الوقت. سأحاول شرح هذه النظرية بإيجاز وفي صلب الموضوع. لذا ، تفترض نظرية "الانفجار العظيم" أن كوننا ظهر فجأة منذ حوالي 13.7 مليار سنة (ظهر كل شيء من لا شيء). وما حدث بعد ذلك لا يزال يؤثر على كيفية وكيفية تفاعل كل شيء في الكون مع بعضهم البعض. ضع في اعتبارك النقاط الرئيسية للنظرية.

ماذا حدث قبل الانفجار العظيم؟

تتضمن نظرية الانفجار العظيم مفهومًا مثيرًا للاهتمام - التفرد. أراهن أنه يجعلك تتساءل: ما هو التفرد؟ يطرح علماء الفلك والفيزياء وعلماء آخرون هذا السؤال أيضًا. يُعتقد أن التفردات موجودة في نوى الثقوب السوداء. الثقب الأسود هو منطقة ذات ضغط جاذبية شديد. هذا الضغط ، وفقًا للنظرية ، شديد جدًا بحيث يتم ضغط المادة حتى تصبح كثافتها غير محدودة. هذه الكثافة اللانهائية تسمى التفرد. من المفترض أن كوننا قد بدأ كواحد من هذه التفردات الصغيرة للغاية ، والحرارة اللامتناهية ، والكثافة اللانهائية. ومع ذلك ، لم نصل بعد إلى الانفجار العظيم نفسه. الانفجار العظيم هو اللحظة التي "انفجرت" فيها هذه التفرد فجأة وبدأت في التوسع وخلقت كوننا.

يبدو أن نظرية الانفجار العظيم تشير إلى وجود الزمان والمكان قبل نشوء كوننا. ومع ذلك ، طور ستيفن هوكينج وجورج إليس وروجر بنروز (وآخرون) نظرية في أواخر الستينيات حاولت تفسير أن الزمان والمكان لم يكن موجودًا قبل توسع التفرد. بعبارة أخرى ، لا الزمان ولا المكان موجودين حتى وجود الكون.

ماذا حدث بعد الانفجار العظيم؟

لحظة الانفجار العظيم هي لحظة بداية الزمن. بعد الانفجار العظيم ، ولكن قبل الثانية الأولى بوقت طويل (10-43 ثانية) ، شهد الكون تمددًا تضخميًا سريعًا للغاية ، تمدد 1050 مرة في جزء من الثانية.

ثم يتباطأ التمدد ، لكن الثانية الأولى لم تصل بعد (فقط من 10 إلى 32 ثانية أخرى). في هذه اللحظة ، الكون عبارة عن "حساء" يغلي (بدرجة حرارة 10 27 درجة مئوية) من الإلكترونات والكواركات والجسيمات الأولية الأخرى.

يسمح التبريد السريع للفضاء (حتى 10 13 درجة مئوية) للكواركات بالاندماج في بروتونات ونيوترونات. ومع ذلك ، فإن الثانية الأولى لم تصل بعد (فقط 10-6 ثوانٍ أخرى).

في 3 دقائق ، وهي ساخنة جدًا بحيث لا يمكن دمجها في الذرات ، تمنع الإلكترونات والبروتونات المشحونة انبعاث الضوء. الكون عبارة عن ضباب شديد الحرارة (10 8 درجات مئوية).

بعد 300000 عام ، يبرد الكون إلى 10000 درجة مئوية ، وتشكل الإلكترونات مع البروتونات والنيوترونات الذرات ، وخاصة الهيدروجين والهيليوم.

بعد مليار سنة من الانفجار العظيم ، عندما وصلت درجة حرارة الكون إلى -200 درجة مئوية ، شكل الهيدروجين والهيليوم "غيومًا" عملاقة ستصبح فيما بعد مجرات. تظهر النجوم الأولى.

12. ما الذي تسبب في الانفجار العظيم؟

مفارقة الظهور

لم تكن أي من المحاضرات التي قرأتها عن علم الكونيات مكتملة بدون التساؤل عن سبب الانفجار العظيم؟ حتى سنوات قليلة ماضية لم أكن أعرف الجواب الصحيح. اليوم ، على ما أعتقد ، هو مشهور.

في الأساس ، يحتوي هذا السؤال على سؤالين بشكل محجب. أولاً ، نود أن نعرف لماذا بدأ تطور الكون بانفجار وما سبب هذا الانفجار في المقام الأول. لكن لنقي مشكلة جسديةيخفي مشكلة أخرى أعمق ذات طبيعة فلسفية. إذا كان الانفجار العظيم يمثل بداية الوجود المادي للكون ، بما في ذلك ظهور المكان والزمان ، فبأي معنى يمكننا أن نقول ذلك ما السببهذا الانفجار؟

من وجهة نظر الفيزياء ، فإن الظهور المفاجئ للكون نتيجة انفجار عملاق يبدو متناقضًا إلى حد ما. من بين التفاعلات الأربعة التي تحكم العالم ، تظهر الجاذبية فقط على نطاق كوني ، وكما تظهر تجربتنا ، فإن الجاذبية لها طابع الجاذبية. ومع ذلك ، بالنسبة للانفجار الذي ميز ولادة الكون ، على ما يبدو ، كانت هناك حاجة إلى قوة طاردة ذات حجم لا يُصدق ، والتي يمكن أن تمزق الكون إلى أشلاء وتتسبب في تمدده ، والذي يستمر حتى يومنا هذا.

يبدو هذا غريبًا ، لأنه إذا كانت قوى الجاذبية تهيمن على الكون ، فلا ينبغي أن يتمدد ، بل يتقلص. في الواقع ، تتسبب قوى الجاذبية في تقلص الأجسام المادية بدلاً من انفجارها. على سبيل المثال ، يفقد النجم شديد الكثافة قدرته على تحمل وزنه وينهار ليتشكل النجم النيوترونيأو ثقب أسود. كانت درجة انضغاط المادة في بدايات الكون أعلى بكثير من درجة انضغاط النجم الأكثر كثافة. لذلك ، غالبًا ما يطرح السؤال لماذا لم ينهار الكون البدائي في ثقب أسود منذ البداية.

الجواب المعتاد على هذا هو أن الانفجار الأولي يجب أن يؤخذ على أنه الشرط الأولي. من الواضح أن هذه الإجابة غير مرضية ومحيرة. بالطبع ، تحت تأثير الجاذبية ، كان معدل التوسع الكوني يتناقص باستمرار منذ البداية ، ولكن في لحظة الولادة ، كان الكون يتوسع بسرعة غير محدودة. لم يكن الانفجار ناتجًا عن أي قوة - فقط تطور الكون بدأ بالتوسع. إذا كان الانفجار أقل قوة ، فإن الجاذبية ستمنع في القريب العاجل تمدد المادة. نتيجة لذلك ، سيتم استبدال التمدد بالانكماش ، والذي سيأخذ طابعًا كارثيًا ويحول الكون إلى شيء مشابه للثقب الأسود. لكن في الواقع ، تبين أن الانفجار كان "كبيرًا بما يكفي" بحيث جعل من الممكن للكون ، بعد أن تغلب على جاذبيته ، إما أن يستمر في التوسع إلى الأبد بسبب قوة الانفجار الأولي ، أو على الأقل للوجود من أجل عدة بلايين من السنين قبل أن تخضع للضغط وتختفي في غياهب النسيان.

مشكلة هذه الصورة التقليدية هي أنها لا تفسر الانفجار العظيم بأي شكل من الأشكال. يتم التعامل مع الخاصية الأساسية للكون مرة أخرى ببساطة على أنها حالة أولية مقبولة مخصصة(لهذه الحالة) ؛ من حيث الجوهر ، فإنه ينص فقط على حدوث الانفجار العظيم. لا يزال من غير الواضح لماذا كانت قوة الانفجار على هذا النحو ، وليس قوة أخرى. لماذا لم يكن الانفجار أقوى حتى أن الكون يتمدد بشكل أسرع الآن؟ قد يتساءل المرء أيضًا لماذا لا يتوسع الكون حاليًا بشكل أبطأ بكثير ، أو لا يتقلص على الإطلاق. بالطبع ، إذا لم يكن للانفجار القوة الكافية ، سينهار الكون قريبًا ولن يكون هناك من يطرح مثل هذه الأسئلة. ومع ذلك ، فمن غير المرجح أن يؤخذ مثل هذا المنطق على أنه تفسير.

مع المزيد تحليل تفصيلياتضح أن مفارقة أصل الكون هي في الواقع أكثر تعقيدًا مما تم وصفه أعلاه. تظهر القياسات الدقيقة أن معدل تمدد الكون قريب جدًا من القيمة الحرجة التي يستطيع عندها الكون التغلب على جاذبيته والتوسع إلى الأبد. إذا كانت هذه السرعة أقل قليلاً - وكان انهيار الكون سيحدث ، وإذا كان أكثر قليلاً - لكانت المادة الكونية قد تبددت تمامًا منذ فترة طويلة. من المثير للاهتمام معرفة كيف يقع معدل تمدد الكون بالضبط ضمن هذه الفترة الزمنية الضيقة المسموح بها بين كارثتين محتملتين. إذا كان في الوقت الحالي يتوافق مع 1 ثانية ، عندما تم تحديد نمط التمدد بوضوح بالفعل ، فإن معدل التوسع سيختلف عن قيمته الحقيقية بأكثر من 10 ^ -18 ، فسيكون هذا كافيًا لـ انتهاك كاملالتوازن الدقيق. وبالتالي ، فإن قوة انفجار الكون بدقة لا تصدق تتوافق مع تفاعل الجاذبية. لم يكن الانفجار العظيم إذن مجرد انفجار بعيدًا - لقد كان انفجارًا لقوة محددة للغاية. في النسخة التقليدية لنظرية الانفجار العظيم ، يجب على المرء أن يقبل ليس فقط حقيقة الانفجار نفسه ، ولكن أيضًا حقيقة أن الانفجار حدث بطريقة غريبة للغاية. بمعنى آخر ، تبين أن الشروط الأولية محددة للغاية.

معدل تمدد الكون هو مجرد واحد من عدة معدلات واضحة ألغاز الفضاء. والآخر مرتبط بصورة توسع الكون في الفضاء. حسب الملاحظات الحديثة. الكون ، على نطاق واسع ، متجانس للغاية فيما يتعلق بتوزيع المادة والطاقة. التركيب العالمي للكون هو نفسه تقريبًا عند النظر إليه من الأرض ومن مجرة ​​بعيدة. تنتشر المجرات في الفضاء بنفس الكثافة المتوسطة ، ومن كل نقطة يبدو الكون متماثلًا في جميع الاتجاهات. يسقط الإشعاع الحراري الأساسي الذي يملأ الكون على الأرض ، ويكون له نفس درجة الحرارة في جميع الاتجاهات بدقة لا تقل عن 10-4. ينتقل هذا الإشعاع عبر الفضاء لمليارات السنين الضوئية في طريقه إلينا ويحمل بصمة أي انحراف عن التجانس يصادفه.

يستمر تجانس الكون على نطاق واسع مع توسع الكون. ويترتب على ذلك أن التمدد يحدث بشكل موحد ومتناحي بدرجة عالية من الدقة. هذا يعني أن معدل تمدد الكون ليس هو نفسه فقط في جميع الاتجاهات ، ولكنه أيضًا ثابت في مناطق مختلفة. إذا تمدد الكون في اتجاه واحد بشكل أسرع من غيره ، فسيؤدي ذلك إلى انخفاض درجة حرارة الخلفية الإشعاع الحراريفي هذا الاتجاه وستغير صورة حركة المجرات المرئية من الأرض. وهكذا ، فإن تطور الكون لم يبدأ فقط بانفجار قوة محددة بدقة - كان الانفجار "منظمًا" بوضوح ، أي حدثت في وقت واحد ، بنفس القوة بالضبط في جميع النقاط وفي جميع الاتجاهات.

من غير المحتمل للغاية أن يحدث مثل هذا الانفجار المتزامن والمنسق بشكل تلقائي بحت ، ويتعزز هذا الشك في إطار النظرية التقليديةالانفجار الأعظم هو أن مناطق مختلفة من الكون البدائي ليست مرتبطة سببيًا ببعضها البعض. الحقيقة هي أنه وفقًا لنظرية النسبية ، لا يمكن لأي تأثير فيزيائي أن ينتشر أسرع من الضوء. وبالتالي ، لا يمكن أن ترتبط مناطق مختلفة من الفضاء ببعضها بشكل سببي إلا بعد مرور فترة زمنية معينة. على سبيل المثال ، بعد ثانية واحدة من الانفجار ، يمكن للضوء أن يقطع مسافة لا تزيد عن ثانية ضوئية واحدة ، وهو ما يعادل 300000 كم. مناطق الكون ، مفصولة بمسافة كبيرة ، بعد 1 ثانية لن تؤثر على بعضها البعض. لكن في هذه اللحظة ، احتلت منطقة الكون التي لاحظناها بالفعل مساحة لا يقل قطرها عن 10 ^ 14 كم. لذلك ، يتكون الكون من حوالي 10 ^ 27 سببيًا صديق مقيدمع مناطق أخرى ، كل منها ، مع ذلك ، توسعت بنفس المعدل تمامًا. حتى اليوم ، مراقبة الأشعة الكونية الحرارية القادمة من الأطراف المقابلةالسماء المرصعة بالنجوم ، نسجل بالضبط نفس بصمات "بصمات الأصابع" لمناطق الكون مفصولة بمسافات شاسعة: تبين أن هذه المسافات تزيد بأكثر من 90 مرة عن المسافة التي يمكن أن يقطعها الضوء من لحظة انبعاث الإشعاع الحراري.

كيف نفسر مثل هذا التماسك الرائع لمناطق مختلفة من الفضاء ، والتي ، من الواضح أنها لم تكن مرتبطة ببعضها البعض؟ كيف حدث هذا السلوك المماثل؟ في الإجابة التقليدية ، هناك مرة أخرى إشارة إلى شروط أولية خاصة. يعتبر التجانس الاستثنائي لخصائص الانفجار الأولي مجرد حقيقة: هكذا نشأ الكون.

إن تجانس الكون على نطاق واسع يكون أكثر إثارة للحيرة عندما يعتبر المرء أن الكون ليس متجانسًا بأي حال من الأحوال على نطاق صغير. يشير وجود المجرات الفردية والعناقيد المجرية إلى انحراف عن التجانس الصارم ، وهذا الانحراف ، علاوة على ذلك ، هو نفسه في كل مكان من حيث الحجم والحجم. نظرًا لأن الجاذبية تميل إلى زيادة أي تراكم أولي للمادة ، فإن درجة عدم التجانس المطلوبة لتشكيل المجرات كانت أقل بكثير في وقت الانفجار العظيم مما هي عليه الآن. ومع ذلك ، في المرحلة الأولى من الانفجار العظيم ، يجب أن يكون هناك عدم تجانس طفيف ، وإلا لما تشكلت المجرات. في نظرية الانفجار العظيم القديمة ، نُسبت حالات عدم التجانس هذه أيضًا في مرحلة مبكرة إلى "الظروف الأولية". وبالتالي ، كان علينا أن نصدق أن تطور الكون لم يبدأ من حالة مثالية تمامًا ، ولكن من حالة غير عادية للغاية.

يمكن تلخيص كل ما سبق على النحو التالي: إذا كانت القوة الوحيدة في الكون هي الجاذبية ، فيجب تفسير الانفجار العظيم على أنه "أرسله الله" ، أي بدون سبب ، بشروط أولية معينة. بالإضافة إلى ذلك ، يتميز بتناسق مذهل ؛ للوصول إلى الهيكل الحالي ، كان على الكون أن يتطور بشكل صحيح منذ البداية. هذا هو التناقض في أصل الكون.

ابحث عن الجاذبية المضادة

لم تحل مفارقة أصل الكون إلا في السنوات الأخيرة ؛ ومع ذلك ، يمكن إرجاع الفكرة الرئيسية للحل إلى تاريخ بعيد ، إلى وقت لم تكن فيه نظرية التوسع ولا نظرية الانفجار العظيم موجودة بعد. حتى نيوتن أدرك مدى صعوبة المشكلة في استقرار الكون. كيف تحافظ النجوم على موقعها في الفضاء بدون دعم؟ يجب أن تؤدي الطبيعة العالمية لجاذبية الجاذبية إلى انقباض النجوم في مجموعات قريبة من بعضها البعض.

لتجنب هذه العبثية ، لجأ نيوتن إلى منطق غريب للغاية. إذا انهار الكون بفعل جاذبيته ، فسوف "يسقط" كل نجم باتجاه مركز عنقود النجوم. افترض ، مع ذلك ، أن الكون لانهائي وأن النجوم موزعة في المتوسط ​​بشكل موحد على مساحة لانهائية. في هذه الحالة ، لن يكون هناك مركز مشترك على الإطلاق ، يمكن أن تسقط جميع النجوم تجاهه ، لأنه في الكون اللامتناهي جميع المناطق متطابقة. سيتأثر أي نجم بجاذبية جميع جيرانه ، ولكن بسبب متوسط ​​هذه التأثيرات في اتجاهات مختلفة ، لن تكون هناك قوة ناتجة تميل إلى تحريك هذا النجم إلى موضع معين بالنسبة لمجموعة النجوم بأكملها.

عندما ابتكر أينشتاين ، بعد 200 عام من نيوتن ، نظرية جديدة للجاذبية ، فقد حيرته أيضًا مشكلة كيفية تمكن الكون من تجنب الانهيار. نُشر أول عمل له في علم الكونيات قبل أن يكتشف هابل توسع الكون. لذلك افترض أينشتاين ، مثل نيوتن ، أن الكون ثابت. ومع ذلك ، حاول أينشتاين حل مشكلة استقرار الكون بطريقة مباشرة أكثر. كان يعتقد أنه من أجل منع انهيار الكون تحت تأثير جاذبيته ، يجب أن تكون هناك قوة كونية أخرى يمكنها مقاومة الجاذبية. يجب أن تكون هذه القوة منفرة وليست قوة جذابة لتعويض قوة الجاذبية. بهذا المعنى ، يمكن تسمية هذه القوة بـ "مقاومة الجاذبية" ، على الرغم من أنه من الأصح الحديث عن قوة التنافر الكوني. لم يخترع أينشتاين هذه القوة بشكل تعسفي في هذه الحالة. أظهر أنه يمكن إدخال مصطلح إضافي في معادلاته الخاصة بمجال الجاذبية ، مما يؤدي إلى ظهور قوة بالخصائص المرغوبة.

على الرغم من حقيقة أن مفهوم القوة الطاردة التي تعارض قوة الجاذبية هو في حد ذاته بسيط وطبيعي للغاية ، إلا أن خصائص هذه القوة في الواقع تبدو غير عادية تمامًا. بالطبع ، لم يتم رصد مثل هذه القوة على الأرض ، ولم يتم العثور على أي تلميح لها لعدة قرون من وجود علم الفلك الكوكبي. من الواضح ، إذا كانت قوة التنافر الكوني موجودة ، فلا ينبغي أن يكون لها أي تأثير ملحوظ على مسافات صغيرة ، لكن حجمها يزيد بشكل كبير على المقاييس الفلكية. يتعارض مثل هذا السلوك مع جميع التجارب السابقة في دراسة طبيعة القوى: فهي عادة ما تكون شديدة على مسافات صغيرة وتضعف مع زيادة المسافة. وهكذا ، تتناقص التفاعلات الكهرومغناطيسية والتثاقلية باستمرار وفقًا لقانون التربيع العكسي. ومع ذلك ، في نظرية أينشتاين ، ظهرت بشكل طبيعي قوة ذات خصائص غير عادية إلى حد ما.

لا ينبغي للمرء أن يفكر في قوة التنافر الكوني التي قدمها أينشتاين على أنها التفاعل الخامس في الطبيعة. إنه مجرد مظهر غريب من مظاهر الجاذبية نفسها. من السهل إظهار أن تأثيرات التنافر الكوني يمكن أن تُعزى إلى الجاذبية العادية ، إذا تم اختيار وسيط بخصائص غير عادية كمصدر لمجال الجاذبية. عادي البيئة المادية(على سبيل المثال ، الغاز) يمارس ضغطًا ، بينما يجب أن يكون للوسيط الافتراضي الذي تمت مناقشته هنا نفيالضغط أو التوتر. من أجل تخيل ما نتحدث عنه بشكل أوضح ، دعونا نتخيل أننا تمكنا من ملء وعاء بمثل هذه المادة الكونية. بعد ذلك ، على عكس الغاز العادي ، لن يضغط وسيط الفضاء الافتراضي على جدران الوعاء ، ولكنه يميل إلى جذبها إلى الوعاء.

وبالتالي ، يمكننا اعتبار التنافر الكوني نوعًا من الإضافة إلى الجاذبية أو كظاهرة بسبب الجاذبية العادية المتأصلة في وسط غازي غير مرئي يملأ كل الفضاء وله ضغط سلبي. لا تناقض في حقيقة أن الضغط السلبي ، كما كان ، يمتص جدران الوعاء من ناحية ، ومن ناحية أخرى ، هذا الوسط الافتراضي يصد المجرات ولا يجذبها. بعد كل شيء ، التنافر هو بسبب خطورة الوسط ، وليس بأي حال من الأحوال عمل ميكانيكي. على أي حال ، لا تنشأ القوى الميكانيكية عن طريق الضغط نفسه ، ولكن بفارق الضغط ، ولكن يُفترض أن الوسيط الافتراضي يملأ الفراغ بأكمله. لا يمكن حصرها جدران السفينة، والمراقب الموجود في هذه البيئة لن ينظر إليها على الإطلاق على أنها مادة ملموسة. ستبدو المساحة وتشعر بأنها فارغة تمامًا.

على الرغم من هذه السمات المذهلة للوسط الافتراضي ، قال أينشتاين ذات مرة إنه بنى نموذجًا مرضيًا للكون ، حيث يتم الحفاظ على التوازن بين الجاذبية والتنافر الكوني الذي اكتشفه. بمساعدة حسابات بسيطة ، قدر أينشتاين حجم قوة التنافر الكونية اللازمة لموازنة الجاذبية في الكون. لقد كان قادرًا على تأكيد أن التنافر يجب أن يكون صغيرًا جدًا داخل النظام الشمسي (وحتى على مقياس المجرة) بحيث لا يمكن اكتشافه تجريبيًا. لفترة من الوقت ، بدا أن اللغز القديم قد تم حله ببراعة.

ومع ذلك ، تغير الوضع إلى الأسوأ. بادئ ذي بدء ، نشأت مشكلة استقرار التوازن. استندت فكرة أينشتاين الأساسية على توازن صارم بين قوى الجاذبية والقوى البغيضة. ولكن ، كما هو الحال في العديد من حالات التوازن الدقيق الأخرى ، ظهرت هنا أيضًا تفاصيل دقيقة. على سبيل المثال ، إذا تمدد الكون الثابت لأينشتاين قليلاً ، فإن الجاذبية (تضعف مع المسافة) ستنخفض إلى حد ما ، في حين أن قوة التنافر الكونية (تزداد مع المسافة) ستزداد قليلاً. هذا من شأنه أن يؤدي إلى عدم التوازن لصالح قوى التنافر ، مما قد يتسبب في مزيد من التوسع غير المحدود للكون تحت تأثير التنافر الشامل. على العكس من ذلك ، إذا انكمش الكون الساكن لأينشتاين بشكل طفيف ، فإن قوة الجاذبية ستزداد وستنخفض قوة التنافر الكوني ، مما سيؤدي إلى عدم توازن لصالح قوى الجذب ، ونتيجة لذلك ، الانكماش الأسرع من أي وقت مضى ، وفي النهاية إلى الانهيار الذي اعتقد أينشتاين أنه قد تجنبه. وهكذا ، عند أدنى انحراف ، ينزعج التوازن الصارم ، و كارثة فضائيةسيكون لا مفر منه.

في وقت لاحق ، في عام 1927 ، اكتشف هابل انحسار المجرات (أي توسع الكون) ، مما جعل مشكلة التوازن بلا معنى. اتضح أن الكون لا يهدده الانضغاط والانهيار منذ ذلك الحين يتوسع.إذا لم يكن أينشتاين مشتتًا بالبحث عن قوة التنافر الكوني ، لكان بالتأكيد قد توصل إلى هذا الاستنتاج نظريًا ، وبالتالي توقع توسع الكون قبل عشر سنوات من تمكن الفلكيين من اكتشافه. من المؤكد أن مثل هذا التنبؤ سيدرج في تاريخ العلم باعتباره أحد أكثر التنبؤات تميزًا (تم إجراء مثل هذا التنبؤ على أساس معادلة أينشتاين في 1922-1923 من قبل البروفيسور أ. أ. فريدمان من جامعة بتروغراد). في النهاية ، كان على أينشتاين أن يتخلى بشكل حزين عن التنافر الكوني ، والذي اعتبره لاحقًا "أكثر شيء خطأ فادحالحياة الخاصة ". ومع ذلك ، فإن القصة لم تنته عند هذا الحد.

ابتكر أينشتاين التنافر الكوني ليحل المشكلة غير الموجودة للكون الساكن. ولكن ، كما هو الحال دائمًا ، لا يمكن إرجاع الجني خارج الزجاجة. فكرة أن ديناميكيات الكون ، ربما بسبب المواجهة بين قوى الجذب والتنافر ، استمرت في الحياة. وعلى الرغم من أن الملاحظات الفلكية لم تقدم أي دليل على وجود التنافر الكوني ، إلا أنها لم تستطع إثبات غيابها - فقد تكون أضعف من أن تظهر نفسها.

معادلات أينشتاين لمجال الجاذبية ، على الرغم من أنها تعترف بوجود قوة طاردة ، إلا أنها لا تفرض قيودًا على حجمها. علم أينشتاين بتجربة مريرة ، وكان على حق في افتراض أن حجم هذه القوة يساوي صفرًا تمامًا ، وبالتالي القضاء تمامًا على التنافر. ومع ذلك ، لم يكن هذا ضروريا بأي حال من الأحوال. وجد بعض العلماء أنه من الضروري الحفاظ على التنافر في المعادلات ، على الرغم من أن هذا لم يعد ضروريًا من وجهة نظر المشكلة الأصلية. اعتقد هؤلاء العلماء أنه في حالة عدم وجود دليل مناسب ، لم يكن هناك سبب للاعتقاد بأن القوة الطاردة كانت صفرًا.

لم يكن من الصعب تتبع نتائج الحفاظ على القوة الطاردة في سيناريو الكون المتوسع. في المراحل الأولى من التطور ، عندما يكون الكون لا يزال في حالة مضغوطة ، يمكن إهمال التنافر. خلال هذه المرحلة ، أدى سحب الجاذبية إلى إبطاء معدل التمدد ، بنفس الطريقة التي تبطئ بها جاذبية الأرض سرعة إطلاق صاروخ عموديًا لأعلى. إذا قبلنا دون تفسير أن تطور الكون بدأ بتوسع سريع ، فيجب أن تقلل الجاذبية باستمرار معدل التمدد إلى القيمة التي لوحظت في الوقت الحاضر. بمرور الوقت ، مع تبدد المادة ، يضعف تفاعل الجاذبية. على العكس من ذلك ، يزداد التنافر الكوني مع استمرار المجرات في الابتعاد عن بعضها البعض. في النهاية ، سيتغلب التنافر على جاذبية الجاذبية وسيبدأ معدل تمدد الكون في الزيادة مرة أخرى. من هذا يمكننا أن نستنتج أن التنافر الكوني يهيمن على الكون ، وأن التوسع سيستمر إلى الأبد.

أظهر علماء الفلك أن هذا السلوك غير العادي للكون ، عندما يتباطأ التمدد لأول مرة ثم يتسارع مرة أخرى ، يجب أن ينعكس في الحركة المرصودة للمجرات. ولكن مع الحذر الشديد الملاحظات الفلكيةلم يتم العثور على دليل قاطع على مثل هذا السلوك ، على الرغم من تقديم الحجج المضادة من وقت لآخر.

من المثير للاهتمام أن عالم الفلك الهولندي ويليم دي سيتر طرح فكرة توسع الكون منذ عام 1916 - قبل سنوات عديدة من اكتشاف هابل لهذه الظاهرة تجريبياً. جادل دي سيتر بأنه إذا تمت إزالة المادة العادية من الكون ، فإن الجاذبية ستختفي ، وستسود قوى التنافر في الفضاء. سيؤدي هذا إلى توسع الكون - في ذلك الوقت كانت فكرة مبتكرة.

نظرًا لأن الراصد غير قادر على إدراك الوسط الغازي الغريب غير المرئي ذي الضغط السلبي ، سيظهر له ببساطة أن الفضاء الفارغ يتوسع. يمكن اكتشاف التمدد عن طريق تعليق أجسام الاختبار في أماكن مختلفة ومراقبة المسافة بينها وبين بعضها البعض. كان يُنظر إلى فكرة توسع المساحة الفارغة في ذلك الوقت على أنها نوع من الفضول ، على الرغم من أنه ، كما سنرى ، كان هذا هو بالضبط ما اتضح أنه نبوي.

إذن ما هو الاستنتاج الذي يمكن استخلاصه من هذه القصة؟ حقيقة أن علماء الفلك لا يكتشفون التنافر الكوني لا يمكن أن تكون بمثابة دليل منطقي على غيابه في الطبيعة. من الممكن أنه ببساطة أضعف من أن يتم تسجيله. الأجهزة الحديثة. دائمًا ما تكون دقة الملاحظة محدودة ، وبالتالي لا يمكن تقدير سوى الحد الأعلى لهذه القوة. يمكن الاعتراض على أن قوانين الطبيعة ، من وجهة نظر جمالية ، ستبدو أبسط في غياب التنافر الكوني. استمرت هذه المناقشات لسنوات عديدة دون أن تؤدي إلى ذلك نتائج معينةحتى فجأة تم النظر إلى المشكلة من زاوية جديدة تمامًا ، مما منحها صلة غير متوقعة.

التضخم: شرح الانفجار العظيم

قلنا في الأقسام السابقة أنه إذا كانت هناك قوة تنافر كونية ، فلا بد أنها ضعيفة جدًا ، ضعيفة جدًا بحيث لا يكون لها أي تأثير كبير على الانفجار العظيم. ومع ذلك ، فإن هذا الاستنتاج مبني على افتراض أن حجم التنافر لا يتغير بمرور الوقت. في زمن أينشتاين ، كان هذا الرأي مشتركًا بين جميع العلماء ، حيث تم إدخال التنافر الكوني في نظرية "من صنع الإنسان". لم يخطر ببال أحد أن التنافر الكوني يمكن أن يحدث يدعى يسمىالعمليات الفيزيائية الأخرى التي تنشأ مع توسع الكون. إذا تم توقع مثل هذا الاحتمال ، فقد يتضح أن علم الكونيات مختلف. على وجه الخصوص ، لم يتم استبعاد سيناريو تطور الكون ، بافتراض أنه في الظروف القاسية للمراحل الأولى من التطور ، ساد التنافر الكوني على الجاذبية لبعض الوقت ، مما تسبب في انفجار الكون ، وبعد ذلك تقلص دوره عمليا. إلى الصفر.

تظهر هذه الصورة العامة من العمل الأخير حول سلوك المادة والقوى في المراحل المبكرة جدًا من تطور الكون. أصبح من الواضح أن التنافر الكوني العملاق هو نتيجة حتمية للقوة العظمى. لذا ، فإن "مقاومة الجاذبية" التي قادها أينشتاين عبر الباب قد عادت عبر النافذة!

يتم إعطاء مفتاح فهم الاكتشاف الجديد للتنافر الكوني من خلال طبيعة الفراغ الكمومي. لقد رأينا كيف يمكن أن يكون هذا التنافر ناتجًا عن وسيط غير مرئي غير عادي ، لا يمكن تمييزه عن الفضاء الفارغ ، ولكن بضغط سلبي. يعتقد الفيزيائيون اليوم أن هذه هي خصائص الفراغ الكمومي.

في الفصل السابع ، لوحظ أن الفراغ يجب اعتباره نوعًا من "إنزيم" النشاط الكمي ، يعج بالجسيمات الافتراضية والمشبعة تفاعلات معقدة. من المهم جدًا أن نفهم أن الفراغ يلعب دورًا حاسمًا في إطار الوصف الكمي. ما نسميه الجسيمات هو مجرد اضطرابات نادرة ، مثل "الفقاعات" على سطح بحر كامل من النشاط.

في أواخر السبعينيات ، أصبح من الواضح أن توحيد التفاعلات الأربعة يتطلب مراجعة كاملة للأفكار حول الطبيعة الفيزيائية للفراغ. تفترض النظرية أن طاقة الفراغ لا تتجلى بأي حال من الأحوال بشكل لا لبس فيه. ببساطة ، يمكن أن يكون الفراغ متحمسًا ويكون في واحدة من العديد من الحالات ذات الطاقات المختلفة تمامًا ، تمامًا كما يمكن أن تثير الذرة بالانتقال إلى مستويات طاقة أعلى. هؤلاء eigenstatesالفراغ - إذا تمكنا من ملاحظتها - سيبدو متماثلًا تمامًا ، على الرغم من أن لهما خصائص مختلفة تمامًا.

بادئ ذي بدء ، الطاقة الموجودة في الفراغ في بكميات ضخمةيتدفق من دولة إلى أخرى. في النظريات الموحدة الكبرى ، على سبيل المثال ، الفرق بين طاقات الفراغ الأدنى والأعلى كبير بشكل لا يمكن تصوره. للحصول على فكرة عن الحجم الهائل لهذه الكميات ، دعونا نقدر الطاقة التي تطلقها الشمس طوال فترة وجودها (حوالي 5 مليارات سنة). تخيل أن كل هذه الكمية الهائلة من الطاقة المنبعثة من الشمس موجودة في منطقة من الفضاء أصغر من حجم النظام الشمسي. كثافة الطاقة المحققة في هذه الحالة قريبة من كثافات الطاقة المقابلة لحالة الفراغ في HWO.

إلى جانب الاختلافات المذهلة في الطاقة ، تتوافق اختلافات الضغط الهائلة مع حالات الفراغ المختلفة. ولكن هنا تكمن "الحيلة": كل هذه الضغوط - نفي.يتصرف الفراغ الكمومي تمامًا مثل الوسط الكوني الافتراضي المثير للاشمئزاز المذكور سابقًا ، ولكن هذه المرة فقط تكون القيم العددية للضغط كبيرة جدًا لدرجة أن التنافر أكبر بمقدار 10 ^ 120 مرة من القوة التي يحتاجها أينشتاين للحفاظ على التوازن في عالم ثابت .

الطريق مفتوح الآن لشرح الانفجار العظيم. لنفترض أن الكون كان في البداية في حالة فراغ متحمس ، وهو ما يسمى بالفراغ "الزائف". في هذه الحالة ، كان هناك تنافر كوني في الكون من هذا الحجم لدرجة أنه كان من الممكن أن يتسبب في التوسع غير المقيد والسريع للكون. من حيث الجوهر ، في هذه المرحلة ، سيتوافق الكون مع نموذج de Sitter الذي تمت مناقشته في القسم السابق. ومع ذلك ، فإن الاختلاف هو أن الكون في دي سيتر يتمدد بهدوء على المقاييس الزمنية الفلكية ، في حين أن "مرحلة دي سيتر" في تطور الكون من الفراغ الكمومي "الخاطئ" بعيدة كل البعد عن الهدوء. يجب أن يتضاعف حجم المساحة التي يشغلها الكون في هذه الحالة كل 10 ^ -34 ثانية (أو فاصل زمني من نفس الترتيب).

مثل هذا التوسع الفائق للكون له سلسلة السمات المميزة: تزداد جميع المسافات وفقًا للقانون الأسي (التقينا بالفعل بمفهوم الأس في الفصل 4). هذا يعني أن كل 10 ^ -34 ثانية كل مناطق الكون تضاعف حجمها ، ومن ثم تستمر عملية المضاعفة هذه بشكل كبير. تم النظر في هذا النوع من التمديد لأول مرة في عام 1980. آلان جوث من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ، الولايات المتحدة الأمريكية) ، أطلق عليه اسم "التضخم". نتيجة لتوسع سريع للغاية ومتسارع باستمرار ، سيتبين قريبًا أن جميع أجزاء الكون تتطاير عن بعضها البعض ، كما هو الحال في الانفجار. وهذا هو الانفجار العظيم!

ومع ذلك ، بطريقة أو بأخرى ، ولكن مرحلة التضخم يجب أن تتوقف. كما هو الحال في جميع أنظمة الكم المثارة ، فإن الفراغ "الزائف" غير مستقر ويميل إلى الاضمحلال. عندما يحدث الاضمحلال ، يختفي التنافر. وهذا بدوره يؤدي إلى توقف التضخم وتحول الكون إلى قوة الجاذبية المعتادة. بالطبع ، في هذه الحالة ، سيستمر الكون في التوسع بسبب الدافع الأولي المكتسب خلال فترة التضخم ، لكن معدل التوسع سينخفض ​​بشكل مطرد. وبالتالي ، فإن الأثر الوحيد الذي نجا حتى يومنا هذا من التنافر الكوني هو التباطؤ التدريجي في تمدد الكون.

حسب "السيناريو التضخمي" ، بدأ الكون في وجوده من حالة فراغ ، خالية من المادة والإشعاع. ولكن ، حتى لو كانوا حاضرين منذ البداية ، فسوف تضيع آثارهم بسرعة بسبب بسرعة كبيرةالتوسع في المرحلة التضخمية. في الفترة الزمنية القصيرة للغاية المقابلة لهذه المرحلة ، نمت منطقة الفضاء التي يشغلها الكون المرئي بأكمله اليوم من جزء من المليار من حجم البروتون إلى عدة سنتيمترات. ستصبح كثافة أي مادة موجودة أصلاً مساوية للصفر.

لذلك ، بنهاية مرحلة التضخم ، كان الكون فارغًا وباردًا. ومع ذلك ، عندما جف التضخم ، أصبح الكون فجأة "ساخنًا" للغاية. هذا الانفجار من الحرارة الذي أضاء الكون يرجع إلى الاحتياطيات الهائلة من الطاقة الموجودة في الفراغ "الزائف". عندما انهارت حالة الفراغ ، تم إطلاق طاقتها في شكل من أشكال الإشعاع، والذي أدى إلى تسخين الكون على الفور إلى حوالي 10 ^ 27 كلفن ، وهو ما يكفي لحدوث العمليات في HWO. منذ تلك اللحظة فصاعدًا ، تطور الكون وفقًا للنظرية القياسية للانفجار العظيم "الساخن". بفضل الطاقة الحرارية ، نشأت المادة والمادة المضادة ، ثم بدأ الكون يبرد ، وبدأت جميع عناصره التي يتم ملاحظتها اليوم في "التجمد" تدريجيًا.

لذا فإن المشكلة الصعبة هي ما الذي تسبب في الانفجار العظيم؟ - تمكن من حل نظرية التضخم. انفجر الفضاء الفارغ تلقائيًا تحت وطأة التنافر المتأصل في الفراغ الكمومي. ومع ذلك ، لا يزال اللغز قائما. يجب أن تأتي الطاقة الهائلة للانفجار الأولي ، الذي أدى إلى تكوين المادة والإشعاع الموجودين في الكون ، من مكان ما! لن نتمكن من تفسير وجود الكون حتى نجد مصدر الطاقة الأولية.

التمهيد الفضاء

إنجليزي التمهيدبالمعنى الحرفي ، تعني "الربط" ، بالمعنى المجازي ، تعني الاتساق الذاتي ، وغياب التسلسل الهرمي في نظام الجسيمات الأولية.

وُلِد الكون في عملية انفجار هائل للطاقة. ما زلنا نعثر على آثار لها - هذا هو الإشعاع الحراري في الخلفية والمادة الكونية (على وجه الخصوص ، الذرات التي تتكون منها النجوم والكواكب) ، والتي تخزن طاقة معينة في شكل "كتلة". تتجلى آثار هذه الطاقة أيضًا في تراجع المجرات وفي النشاط العنيف للأجسام الفلكية. الطاقة الأولية "بدأت ربيع" الكون الناشئ وتستمر في تحريكه حتى يومنا هذا.

من أين أتت هذه الطاقة التي بثت الحياة في كوننا؟ وفقًا لنظرية التضخم ، هذه هي طاقة الفضاء الفارغ ، بمعنى آخر ، الفراغ الكمومي. ومع ذلك ، هل يمكن لمثل هذه الإجابة أن ترضينا تمامًا؟ من الطبيعي أن نتساءل كيف اكتسب الفراغ الطاقة.

بشكل عام ، من خلال السؤال عن مصدر الطاقة ، فإننا نقوم بشكل أساسي بعمل افتراض مهم حول طبيعة تلك الطاقة. أحد القوانين الأساسية للفيزياء هو قانون الحفاظ على الطاقة ،بواسطة أشكال مختلفةيمكن أن تتغير الطاقات وتمرر إحداها إلى أخرى ، لكن المقدار الإجمالي للطاقة يبقى دون تغيير.

ليس من الصعب إعطاء أمثلة يمكن من خلالها التحقق من عمل هذا القانون. لنفترض أن لدينا محركًا ومصدرًا للوقود ، ويتم استخدام المحرك لتشغيل مولد كهربائي ، والذي بدوره يقوم بتشغيل المدفأة. أثناء احتراق الوقود ، يتم تحويل الطاقة الكيميائية المخزنة فيه إلى طاقة ميكانيكية ، ثم إلى طاقة كهربائية ، وأخيراً إلى حرارة. أو افترض أن المحرك يستخدم لرفع الحمولة إلى أعلى البرج ، وبعد ذلك ينخفض ​​الحمل بحرية ؛ عند الاصطدام بالأرض ، يتم إطلاق نفس القدر من الطاقة الحرارية تمامًا كما في المثال مع السخان. الحقيقة هي أنه بغض النظر عن كيفية نقل الطاقة أو كيف يتغير شكلها ، فمن الواضح أنه لا يمكن إنشاؤها أو تدميرها. يستخدم المهندسون هذا القانون في الممارسة اليومية.

إذا كانت الطاقة لا يمكن إنشاؤها أو تدميرها ، فكيف تنشأ الطاقة الأولية؟ أليس هذا مجرد حقنة في اللحظة الأولى (نوع من الشرط الأولي الجديد مقبول مخصصة)؟ إذا كان الأمر كذلك ، فلماذا يحتوي الكون على هذه الكمية من الطاقة وليس كمية أخرى؟ يوجد حوالي 10 ^ 68 جول (جول) من الطاقة في الكون المرئي - لماذا لا ، لنقل ، 10 ^ 99 أو 10 ^ 10000 أو أي رقم آخر؟

تقدم نظرية التضخم تفسيرًا علميًا محتملاً لهذا اللغز. حسب هذه النظرية. كانت طاقة الكون في البداية تساوي صفرًا ، وفي أول 10 ^ 32 ثانية نجح الكون في إعادة الحياة إلى كمية هائلة من الطاقة. إن مفتاح فهم هذه المعجزة يكمن في الحقيقة الرائعة وهي أن قانون الحفاظ على الطاقة بالمعنى المعتاد لا ينطبقإلى الكون المتوسع.

في الواقع ، لقد التقينا بالفعل بحقيقة مماثلة. يؤدي التمدد الكوني إلى انخفاض درجة حرارة الكون: وفقًا لذلك ، يتم استنفاد طاقة الإشعاع الحراري ، والتي تكون كبيرة جدًا في المرحلة الأولية ، وتنخفض درجة الحرارة إلى قيم قريبة من الصفر المطلق. أين ذهب كل هذا طاقة حرارية؟ بمعنى ما ، تم استخدامه من قبل الكون للتوسع وتوفير الضغط لتكملة قوة الانفجار العظيم. عندما يتمدد سائل عادي ، فإن ضغطه الخارجي يعمل باستخدام طاقة السائل. عندما يتمدد الغاز العادي ، يتم إنفاق طاقته الداخلية على القيام بالعمل. على النقيض تمامًا من هذا ، فإن التنافر الكوني يشبه سلوك وسيط مع نفيالضغط. عندما يتوسع هذا الوسيط ، لا تنخفض طاقته ، بل تزداد. هذا بالضبط ما حدث خلال فترة التضخم ، عندما تسبب التنافر الكوني في توسع الكون بسرعة. طوال هذه الفترة ، استمرت الطاقة الإجمالية للفراغ في الزيادة حتى وصلت ، بنهاية فترة التضخم ، إلى قيمة هائلة. بمجرد انتهاء فترة التضخم ، تم إطلاق كل الطاقة المخزنة في انفجار عملاق واحد ، مما أدى إلى ارتفاع الحرارة والمادة على النطاق الكامل للانفجار العظيم. من تلك النقطة فصاعدًا ، بدأ التمدد المعتاد بالضغط الإيجابي ، بحيث بدأت الطاقة في الانخفاض مرة أخرى.

يتميز ظهور الطاقة الأولية بنوع من السحر. الفراغ ذو الضغط السلبي الغامض ، يتمتع ، على ما يبدو ، بإمكانيات لا تصدق على الإطلاق. من ناحية ، تخلق قوة طاردة هائلة تضمن تمددها المتسارع ، ومن ناحية أخرى ، يفرض التوسع نفسه زيادة في طاقة الفراغ. الفراغ ، في جوهره ، يغذي نفسه بالطاقة بكميات ضخمة. لديها عدم استقرار داخلي يضمن التوسع المستمر وإنتاج الطاقة غير المحدود. وفقط الانحلال الكمي للفراغ الزائف هو الذي يضع حداً لهذا "الإسراف الكوني".

يخدم الفراغ الطبيعة كإناء سحري لا نهاية له من الطاقة. من حيث المبدأ ، لا يوجد حد لكمية الطاقة التي يمكن إطلاقها أثناء التوسع التضخمي. يمثل هذا البيان ثورة في التفكير التقليدي مع "لا شيء سوف يولد من لا شيء" (هذا القول يعود على الأقل إلى عصر بارمنيد ، أي القرن الخامس قبل الميلاد). كانت فكرة إمكانية "الخلق" من العدم ، حتى وقت قريب ، بالكامل من اختصاص الأديان. على وجه الخصوص ، اعتقد المسيحيون منذ فترة طويلة أن الله خلق العالم من لا شيء ، لكن فكرة إمكانية الظهور التلقائي لكل المادة والطاقة نتيجة لعمليات فيزيائية بحتة اعتبرها العلماء غير مقبولة على الإطلاق منذ اثني عشر عامًا.

أولئك الذين لا يستطيعون التصالح داخليًا مع المفهوم الكامل لظهور "شيء" من "لا شيء" لديهم الفرصة للنظر بشكل مختلف في ظهور الطاقة أثناء توسع الكون. نظرًا لأن الجاذبية العادية لها صفة الجذب ، فمن أجل إزالة أجزاء من المادة من بعضها البعض ، من الضروري القيام بعمل للتغلب على الجاذبية التي تعمل بين هذه الأجزاء. هذا يعني أن طاقة الجاذبية لنظام الأجسام سالبة ؛ عند إضافة أجسام جديدة إلى النظام ، يتم إطلاق الطاقة ، ونتيجة لذلك ، تصبح طاقة الجاذبية "أكثر سلبية". إذا طبقنا هذا المنطق على الكون في مرحلة التضخم ، فإن مظهر الحرارة والمادة ، كما كان ، "يعوض" طاقة الجاذبية السلبية للكتل المتكونة. في هذه الحالة ، الطاقة الإجمالية للكون ككل تساوي صفرًا ولا طاقة جديدةلا يحدث إطلاقا! إن مثل هذه النظرة إلى عملية "خلق العالم" جذابة بالطبع ، ولكن لا يزال من الواجب عدم أخذها على محمل الجد ، حيث يتبين بشكل عام أن وضع مفهوم الطاقة بالنسبة للجاذبية مشكوك فيه.

كل ما يقال هنا عن الفراغ يذكرنا كثيرًا بالقصة المفضلة لعلماء الفيزياء عن صبي ، سقط في مستنقع ، انتزع نفسه من رباط حذائه. الكون الخلق ذاتيًا يشبه هذا الصبي - إنه يسحب نفسه أيضًا من خلال "الأربطة" الخاصة به (يُشار إلى هذه العملية بمصطلح "bootstrap"). في الواقع ، نظرًا لطبيعته الفيزيائية ، يثير الكون في حد ذاته كل الطاقة اللازمة "لخلق" و "تنشيط" المادة ، كما أنه يبدأ الانفجار الذي يولدها. هذا هو الفضاء التمهيد. لقوته المذهلة نحن مدينون بوجودنا.

التقدم في نظرية التضخم

بعد أن طرح غوث الفكرة الأساسية القائلة بأن الكون قد مر بفترة مبكرة من التوسع السريع للغاية ، أصبح من الواضح أن مثل هذا السيناريو يمكن أن يفسر بشكل جميل العديد من سمات علم الكون الانفجار العظيم التي كانت تعتبر في السابق أمرًا مفروغًا منه.

في أحد الأقسام السابقة ، التقينا بمفارقات شديدة درجة عاليةتنظيم وتماسك الانفجار الأولي. أحد أعظم الأمثلة على ذلك هو قوة الانفجار ، التي اتضح أنها "ملائمة" تمامًا لحجم الجاذبية الكونية ، ونتيجة لذلك فإن معدل تمدد الكون في عصرنا قريب جدًا من قيمة حدية تفصل الضغط (الانهيار) والتوسع السريع. الاختبار الحاسم للسيناريو التضخمي هو بالتحديد ما إذا كان يوفر انفجارًا كبيرًا لمثل هذه القوة المحددة بدقة. اتضح أنه نظرًا للتوسع الأسي في مرحلة التضخم (وهي أكثر خصائصها المميزة) ، فإن قوة الانفجار تضمن تلقائيًا بشكل صارم إمكانية التغلب على جاذبية الكون. يمكن أن يؤدي التضخم بالضبط إلى معدل التوسع الذي يتم ملاحظته في الواقع.

هناك "لغز عظيم" آخر يتعلق بتجانس الكون على نطاق واسع. كما يتم حلها على الفور على أساس نظرية التضخم. يجب محو أي عدم تجانس مبدئي في بنية الكون مع زيادة هائلة في حجمه ، تمامًا كما يتم تنعيم التجاعيد الموجودة على البالون المنكمش عند نفخه. وكنتيجة لزيادة حجم المناطق المكانية بنحو 10 ^ 50 مرة ، يصبح أي اضطراب أولي غير ذي أهمية.

ومع ذلك ، سيكون من الخطأ التحدث عنه مكتملتجانس. لجعل ظهور المجرات الحديثة والعناقيد المجرية أمرًا ممكنًا ، يجب أن يكون لبنية الكون المبكر بعض "التكتل". في البداية ، كان علماء الفلك يأملون في إمكانية تفسير وجود المجرات من خلال تراكم المادة تحت تأثير الجاذبية بعد الانفجار العظيم. يجب أن تنكمش سحابة من الغاز بفعل جاذبيتها ، ثم تنقسم إلى أجزاء أصغر ، وهذه بدورها إلى أجزاء أصغر ، وهكذا. من الممكن أن يكون توزيع الغاز الذي نشأ نتيجة الانفجار العظيم متجانسًا تمامًا ، ولكن بسبب العمليات العشوائية البحتة ، نشأ السماكة والخلخلة هنا وهناك بسبب عمليات عشوائية بحتة. عززت الجاذبية هذه التقلبات ، مما أدى إلى نمو مناطق التكثيف وامتصاص المواد الإضافية بواسطتها. ثم تقلصت هذه المناطق وتفككت تباعا ، وتحولت أصغر التكتلات إلى نجوم. في النهاية ، نشأ تسلسل هرمي للبنى: اتحدت النجوم في مجموعات ، وتلك في مجرات ثم في مجموعات من المجرات.

لسوء الحظ ، إذا لم يكن هناك عدم تجانس في الغاز منذ البداية ، فإن مثل هذه الآلية لظهور المجرات كانت ستعمل في وقت أطول بكثير من عمر الكون. الحقيقة هي أن عمليات التكثيف والتفتت تنافست توسع الكونالذي كان مصحوبًا بتناثر الغازات. في النسخة الأصلية من نظرية الانفجار العظيم ، كان من المفترض أن "جراثيم" المجرات موجودة في البداية في بنية الكون في أصله. علاوة على ذلك ، كان ينبغي أن يكون لهذه عدم التجانس الأولي أبعاد محددة تمامًا: ليست صغيرة جدًا ، وإلا لما تشكلت أبدًا ، ولكنها ليست كبيرة جدًا ، وإلا فإن المناطق كثافة عاليةستشهد ببساطة الانهيار ، وتتحول إلى ثقوب سوداء ضخمة. في الوقت نفسه ، من غير المفهوم تمامًا سبب امتلاك المجرات لمثل هذه الأحجام بالضبط أو سبب تضمين هذا العدد من المجرات في العنقود.

يوفر السيناريو التضخمي تفسيرًا أكثر اتساقًا لبنية المجرة. الفكرة الرئيسية بسيطة للغاية. يرجع التضخم إلى حقيقة أن الحالة الكمومية للكون هي حالة غير مستقرة من الفراغ الزائف. في النهاية ، تتفكك حالة الفراغ هذه وتتحول طاقتها الزائدة إلى حرارة ومادة. في هذه اللحظة ، يختفي التنافر الكوني - ويتوقف التضخم. ومع ذلك ، فإن اضمحلال الفراغ الزائف لا يحدث بشكل صارم في وقت واحد في كل الفضاء. كما هو الحال في أي عملية كمية ، تتقلب معدلات اضمحلال الفراغ الزائف. في بعض مناطق الكون ، يحدث الانحلال بشكل أسرع إلى حد ما من مناطق أخرى. في هذه المناطق ، سينتهي التضخم في وقت مبكر. نتيجة لذلك ، يتم الحفاظ على عدم التجانس في الحالة النهائية أيضًا. من الممكن أن تكون هذه عدم التجانس بمثابة "جراثيم" (مراكز) لانقباض الجاذبية ، وفي النهاية ، أدت إلى تكوين المجرات وعناقيدها. تم تنفيذ النمذجة الرياضية لآلية التقلبات ، مع ذلك ، بنجاح محدود للغاية. كقاعدة عامة ، تبين أن التأثير كبير جدًا ، وأن عدم التجانس المحسوب كبير جدًا. صحيح ، تم استخدام نماذج خشنة للغاية وربما كان النهج الأكثر دقة أكثر نجاحًا. على الرغم من أن النظرية بعيدة عن الاكتمال ، إلا أنها تصف على الأقل طبيعة الآلية التي يمكن أن تؤدي إلى تكوين المجرات دون الحاجة إلى شروط أولية خاصة.

في نسخة غوث للسيناريو التضخمي ، يتحول الفراغ الخاطئ أولاً إلى حالة فراغ "حقيقية" أو أقل طاقة ، والتي نحددها مع الفضاء الفارغ. تشبه طبيعة هذا التغيير إلى حد كبير انتقال الطور (على سبيل المثال ، من غاز إلى سائل). في هذه الحالة ، في فراغ كاذب ، تتشكل فقاعات من الفراغ الحقيقي بشكل عشوائي ، والتي تتوسع بسرعة الضوء ، وتلتقط جميع المساحات الكبيرة من الفضاء. من أجل وجود الفراغ الزائف لفترة كافية حتى يقوم التضخم بعمله "المعجزة" ، يجب فصل هاتين الحالتين بحاجز طاقة يجب أن يحدث من خلاله "النفق الكمي" للنظام ، على غرار كيفية حدوثه مع الإلكترونات (انظر الفصل). ومع ذلك ، فإن هذا النموذج له عيب خطير: كل الطاقة المنبعثة من الفراغ الزائف تتركز في جدران الفقاعات ولا توجد آلية لإعادة توزيعها في جميع أنحاء الفقاعة. عندما تصطدم الفقاعات وتندمج ، تتراكم الطاقة في النهاية في الطبقات المختلطة عشوائيًا. نتيجة لذلك ، سيحتوي الكون على عدم تجانس قوي للغاية ، وسينهار عمل التضخم بأكمله لخلق انتظام واسع النطاق.

مع مزيد من التحسين في السيناريو التضخمي ، تم التغلب على هذه الصعوبات. في نظرية جديدةلا يوجد نفق بين حالتين من الفراغ ؛ بدلاً من ذلك ، يتم اختيار المعلمات بحيث يكون اضمحلال الفراغ الزائف بطيئًا جدًا ، وبالتالي يحصل الكون على وقت كافٍ للتضخم. عند اكتمال الاضمحلال ، يتم إطلاق طاقة الفراغ الزائفة في الحجم الكامل لـ "الفقاعة" ، والتي تسخن بسرعة تصل إلى 10 ^ 27 ك. ومن المفترض أن الكون المرئي بأكمله موجود في واحدة من هذه الفقاعة. وهكذا ، في المقاييس الكبيرة جدًا ، قد يكون الكون غير منتظم للغاية ، لكن المنطقة التي يمكن ملاحظتنا (وحتى الأجزاء الأكبر من الكون) تقع داخل منطقة متجانسة تمامًا.

من الغريب أن غوث طور في الأصل نظريته التضخمية لحل مشكلة كونية مختلفة تمامًا - عدم وجود أحادي القطب المغناطيسي في الطبيعة. كما هو مبين في الفصل التاسع ، تتنبأ نظرية الانفجار العظيم القياسي أنه في المرحلة الأولية من تطور الكون ، يجب أن تظهر أحاديات القطب بشكل زائد. قد تكون مصحوبة بنظيراتها أحادية البعد وثنائية الأبعاد - وهي أشياء غريبة لها طابع "الخيط" و "الورقة". كانت المشكلة هي تخليص الكون من هذه الأشياء "غير المرغوب فيها". يحل التضخم تلقائيًا مشكلة الأقطاب أحادية القطب والمشكلات المماثلة الأخرى ، نظرًا لأن التوسع العملاق للفضاء يقلل بشكل فعال من كثافتها إلى الصفر.

على الرغم من أن السيناريو التضخمي قد تم تطويره جزئيًا فقط وهو معقول فقط ، إلا أنه لم يعد يسمح بصياغة عدد من الأفكار التي تعد بتغيير لا رجعة فيه لوجه علم الكونيات. لا يمكننا الآن تقديم تفسير لسبب الانفجار العظيم فحسب ، بل نبدأ أيضًا في فهم سبب كونه "كبيرًا" جدًا ولماذا اتخذ مثل هذه الشخصية. يمكننا الآن البدء في حل مسألة كيفية نشوء التجانس الواسع النطاق للكون ، ومعه ، عدم التجانس الملحوظ على نطاق أصغر (على سبيل المثال ، المجرات). الانفجار البدائي الذي خلق ما نسميه الكون لم يعد لغزا يتجاوز العلوم الفيزيائية.

الكون يخلق نفسه

ومع ذلك ، على الرغم من النجاح الهائل للنظرية التضخمية في تفسير أصل الكون ، يبقى اللغز قائمًا. كيف انتهى الكون في البداية في حالة من الفراغ الزائف؟ ماذا حدث قبل التضخم؟

يجب أن يشرح الوصف العلمي المتسق والمرضي تمامًا لأصل الكون كيف نشأ الفضاء نفسه (بتعبير أدق ، المكان والزمان) ، والذي خضع بعد ذلك للتضخم. بعض العلماء على استعداد للاعتراف بوجود الفضاء دائمًا ، بينما يعتقد البعض الآخر أن هذه المشكلة بشكل عام خارج نطاق النهج العلمي. وهناك عدد قليل فقط من يزعم أكثر وهم مقتنعون بأنه من المشروع تمامًا طرح السؤال حول كيف يمكن للفضاء بشكل عام (والفراغ الزائف على وجه الخصوص) أن ينشأ حرفيًا من "لا شيء" نتيجة للعمليات الفيزيائية التي ، من حيث المبدأ ، يمكن تدرس.

كما لوحظ ، لقد تحدنا مؤخرًا الاعتقاد المستمر بأن "لا شيء يأتي من لا شيء". الحذاء الكوني قريب من المفهوم اللاهوتي لخلق العالم من العدم (من العدم).بدون شك ، في العالم من حولنا ، عادة ما يكون وجود بعض الأشياء بسبب وجود أشياء أخرى. لذلك ، نشأت الأرض من السديم الأولي ، والذي بدوره من غازات المجرة ، إلخ. إذا صادفنا أن نرى شيئًا ظهر فجأة "من لا شيء" ، فسننظر إليه على ما يبدو على أنه معجزة ؛ على سبيل المثال ، قد يفاجئنا إذا وجدنا فجأة الكثير من العملات المعدنية أو السكاكين أو الحلويات في خزانة فارغة مقفلة. في الحياة اليوميةلقد اعتدنا أن ندرك أن كل شيء ينشأ من مكان ما أو من شيء ما.

ومع ذلك ، فإن كل شيء ليس واضحًا جدًا عندما يتعلق الأمر بأشياء أقل تحديدًا. مما ، على سبيل المثال ، تظهر اللوحة؟ بالطبع ، هذا يتطلب فرشاة ودهانات ولوحة قماشية ، لكن هذه مجرد أدوات. الطريقة التي يتم بها رسم الصورة - اختيار الشكل واللون والملمس والتكوين - لا تولد بالفرش والدهانات. هذه هي نتيجة الخيال الإبداعي للفنان.

من أين تأتي الأفكار والأفكار؟ الأفكار ، بلا شك ، حقيقية ، ويبدو أنها تتطلب دائمًا مشاركة الدماغ. لكن الدماغ يوفر فقط إدراك الأفكار ، وليس سببها. في حد ذاته ، لا يولد الدماغ الأفكار أكثر من ، على سبيل المثال ، حسابات الكمبيوتر. يمكن أن تكون الأفكار ناتجة عن أفكار أخرى ، لكن هذا لا يكشف عن طبيعة الفكر نفسه. يمكن أن تولد بعض الأفكار والأحاسيس ؛ الفكر يولد الذاكرة. ومع ذلك ، ينظر معظم الفنانين إلى عملهم على أنه نتيجة لـ غير متوقعوحي - الهام. إذا كان هذا صحيحًا ، فإن إنشاء لوحة - أو على الأقل ولادة فكرتها - هو مجرد مثال على ولادة شيء من لا شيء.

ومع ذلك ، هل يمكننا اعتبار أن الأشياء المادية وحتى الكون ككل ينشأان من لا شيء؟ تمت مناقشة هذه الفرضية الجريئة بجدية ، على سبيل المثال ، في المؤسسات العلميةالساحل الشرقي للولايات المتحدة ، حيث يتطور عدد غير قليل من علماء الفيزياء النظرية وعلماء الكون جهاز رياضي، والتي من شأنها أن تساعد في معرفة إمكانية ولادة شيء من لا شيء. تضم دائرة النخبة هذه آلان جوث من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا وسيدني كولمان من جامعة هارفارد وأليكس فيلينكين من جامعة تافتس وإد تيون وهاينز باجلز من نيويورك. جميعهم يؤمنون بأن "لا شيء غير مستقر" بمعنى أو بآخر وأن الكون المادي "ازدهر من العدم" بشكل تلقائي ، ولا تحكمه سوى قوانين الفيزياء. يعترف غوث أن "مثل هذه الأفكار تخمينية بحتة ، ولكن على مستوى معين قد تكون صحيحة ... يقال أحيانًا أنه لا يوجد غداء مجاني ، لكن الكون ، على ما يبدو ، هو مجرد" وجبة غداء مجانية.

في كل هذه الفرضيات ، يلعب السلوك الكمي دورًا رئيسيًا. كما قلنا في الفصل 2 ، فإن السمة الرئيسية للسلوك الكمومي هي فقدان علاقة سببية صارمة. في الفيزياء الكلاسيكية ، اتبع عرض الميكانيكا التقيد الصارم بالسببية. تم تحديد جميع تفاصيل حركة كل جسيم بشكل صارم بواسطة قوانين الحركة. كان يعتقد أن الحركة مستمرة ويتم تحديدها بدقة من قبل القوى العاملة. قوانين الحركة في حرفياتجسد العلاقة بين السبب والنتيجة. كان يُنظر إلى الكون على أنه آلية ساعة عملاقة ، يتم تنظيم سلوكها بدقة من خلال ما يحدث في الوقت الحالي. كان الاعتقاد في مثل هذه السببية الشاملة والصارمة تمامًا هو الذي دفع بيير لابلاس إلى القول بأن الآلة الحاسبة فائقة القوة قادرة ، من حيث المبدأ ، على التنبؤ ، على أساس قوانين الميكانيكا ، بتاريخ ومصير كل من كون. وفقًا لهذا الرأي ، فإن الكون محكوم عليه باتباع المسار المحدد له إلى الأبد.

لقد دمرت فيزياء الكم مخطط لابلاسيا المنهجي ولكن غير المجدي. أصبح الفيزيائيون مقتنعين بأن المادة وحركتها على المستوى الذري غير مؤكدة ولا يمكن التنبؤ بها. يمكن للجسيمات أن تتصرف "بجنون" ، وكأنها تقاوم حركات محددة بدقة ، وتظهر فجأة في أكثر الأماكن غير المتوقعة دون سبب واضح ، وأحيانًا تظهر وتختفي "دون سابق إنذار".

العالم الكمي ليس خاليًا تمامًا من السببية ، لكنه يتجلى بشكل غير حاسم وغامض. على سبيل المثال ، إذا كانت إحدى الذرات في حالة إثارة نتيجة تصادم مع ذرة أخرى ، فإنها عادة ما تعود بسرعة إلى الحالة ذات الطاقة الأقل ، مما يؤدي إلى إصدار فوتون في هذه العملية. إن ظهور الفوتون هو بالطبع نتيجة لحقيقة أن الذرة قد انتقلت سابقًا إلى حالة الإثارة. يمكننا أن نقول على وجه اليقين أن الإثارة هي التي أدت إلى ظهور الفوتون ، وبهذا المعنى يتم الحفاظ على العلاقة بين السبب والنتيجة. ومع ذلك ، فإن اللحظة الحقيقية لحدوث الفوتون لا يمكن التنبؤ بها: يمكن للذرة أن تنبعث منها في أي لحظة. يستطيع الفيزيائيون حساب الوقت المحتمل أو المتوسط ​​لحدوث الفوتون ، ولكن في أي حالة معينة من المستحيل التنبؤ باللحظة التي سيحدث فيها هذا الحدث. على ما يبدو ، لوصف مثل هذا الموقف ، من الأفضل أن نقول إن إثارة الذرة لا تؤدي إلى ظهور الفوتون بقدر ما تؤدي إلى "دفعها" نحوها.

وهكذا ، فإن العالم الدقيق الكمومي ليس متشابكًا في شبكة كثيفة من العلاقات السببية ، ولكنه مع ذلك "يستمع" إلى العديد من الأوامر والاقتراحات غير المزعجة. في المخطط النيوتوني القديم ، تحولت القوة ، كما كانت ، إلى الكائن بأمر غير قابل للإجابة: "تحريك!". في فيزياء الكم ، تستند العلاقة بين القوة والكائن على دعوة وليس أمرًا.

لماذا نجد فكرة الولادة المفاجئة لشيء ما "من لا شيء" غير مقبولة على الإطلاق؟ إذن ما الذي يجعلنا نفكر في المعجزات والظواهر الخارقة للطبيعة؟ ربما يتعلق الأمر بكونك غريبًا. أحداث مماثلة: في الحياة اليومية ، لا نواجه أبدًا المظهر غير المعقول للأشياء. عندما يسحب ساحر أرنبًا من القبعة ، على سبيل المثال ، نعلم أننا نُخدع.

لنفترض أننا نعيش حقًا في عالم تظهر فيه الأشياء "من العدم" من وقت لآخر ، بدون سبب ، وبطريقة غير متوقعة تمامًا. بمجرد اعتيادنا على مثل هذه الظواهر ، فإننا لن نتفاجأ بها. يُنظر إلى الولادة العفوية على أنها إحدى أهواء الطبيعة. ربما ، في مثل هذا العالم ، لن نضطر بعد الآن إلى إجهاد سذاجتنا لنتخيل الظهور المفاجئ للكون المادي بأسره من لا شيء.

هذا العالم الخيالي في الأساس لا يختلف كثيرًا عن العالم الحقيقي. إذا تمكنا من إدراك سلوك الذرات بشكل مباشر من خلال حواسنا (وليس من خلال وساطة أدوات خاصة) ، فسنضطر غالبًا إلى ملاحظة ظهور الأشياء وتختفي دون أسباب محددة بوضوح.

تحدث الظاهرة الأقرب إلى "الولادة من لا شيء" في مجال كهربائي قوي بدرجة كافية. عند القيمة الحرجة لشدة المجال ، تبدأ الإلكترونات والبوزيترونات في الظهور "من لا شيء" بطريقة عشوائية تمامًا. تظهر الحسابات أنه بالقرب من سطح نواة اليورانيوم ، تكون شدة المجال الكهربائي قريبة بدرجة كافية من الحد الذي يحدث بعده هذا التأثير. إذا كانت هناك النوى الذريةتحتوي على 200 بروتون (يوجد 92 منها في نواة اليورانيوم) ، ثم تحدث ولادة تلقائية للإلكترونات والبوزيترونات. لسوء الحظ ، تبدو النواة التي تحتوي على مثل هذا العدد الكبير من البروتونات غير مستقرة للغاية ، لكن هذا ليس مؤكدًا تمامًا.

يمكن اعتبار الإنتاج التلقائي للإلكترونات والبوزيترونات في مجال كهربائي قوي نوعًا خاصًا من النشاط الإشعاعي ، عندما يختبر الانحلال مساحة فارغة ، فراغ. لقد تحدثنا بالفعل عن الانتقال من حالة فراغ إلى أخرى نتيجة الاضمحلال. في هذه الحالة ، يتحلل الفراغ ، ويتحول إلى حالة توجد فيها الجسيمات.

على الرغم من صعوبة فهم تفكك الفضاء الناجم عن مجال كهربائي ، إلا أن عملية مماثلة تحت تأثير الجاذبية يمكن أن تحدث في الطبيعة. بالقرب من سطح الثقوب السوداء ، تكون الجاذبية قوية جدًا لدرجة أن الفراغ يعج بالجزيئات التي تتولد باستمرار. هذا هو إشعاع الثقب الأسود الشهير الذي اكتشفه ستيفن هوكينج. في النهاية ، الجاذبية هي المسؤولة عن ولادة هذا الإشعاع ، لكن لا يمكن القول أن هذا يحدث "بالمعنى النيوتوني القديم": لا يمكن للمرء أن يقول إن أي جسيم معين يجب أن يظهر في مكان معين في لحظة معينة من الزمن نتيجة عمل قوى الجاذبية. على أي حال ، نظرًا لأن الجاذبية ليست سوى انحناء للزمكان والمكان ، يمكن القول أن الزمكان يتسبب في ولادة المادة.

غالبًا ما يُشار إلى الظهور التلقائي للمادة من الفضاء الفارغ على أنه الولادة "من لا شيء" ، والتي تقترب في الروح من الولادة. من العدمفي العقيدة المسيحية. ومع ذلك ، بالنسبة للفيزيائي ، فإن الفضاء الفارغ ليس "لا شيء" على الإطلاق ، ولكنه جزء أساسي جدًا من الكون المادي. إذا كنا لا نزال نرغب في الإجابة على السؤال حول كيفية نشوء الكون ، فلا يكفي أن نفترض أن الفضاء الفارغ كان موجودًا منذ البداية. من الضروري شرح من أين أتت هذه المساحة. فكر في الولادة الفضاء نفسهقد يبدو الأمر غريبًا ، لكنه يحدث طوال الوقت من حولنا. إن توسع الكون ليس سوى "انتفاخ" الفضاء المستمر. كل يوم ، تزداد مساحة الكون التي يمكن الوصول إليها من خلال تلسكوباتنا بمقدار 10 ^ 18 سنة ضوئية مكعبة. من أين تأتي هذه المساحة؟ التشبيه المطاطي مفيد هنا. إذا تم سحب الشريط المطاطي ، فإنه "يكبر". يشبه الفضاء المرونة الفائقة في أنه ، على حد علمنا ، يمكن أن يمتد إلى أجل غير مسمى دون تمزق.

يشبه تمدد وانحناء الفضاء تشوه الجسم المرن من حيث أن "حركة" الفضاء تحدث وفقًا لقوانين الميكانيكا بنفس الطريقة تمامًا مثل حركة المادة العادية. في هذه الحالة ، هذه هي قوانين الجاذبية. نظرية الكم في بالتساويتنطبق على المادة وكذلك على المكان والزمان. قلنا في الفصول السابقة أن الجاذبية الكمية تعتبر خطوة ضرورية في البحث عن القوة العظمى. في هذا الصدد ، ينشأ احتمال غريب ؛ إذا ، وفقا ل نظرية الكم، جسيمات المادة يمكن أن تنشأ "من لا شيء" ، إذن ، فيما يتعلق بالجاذبية ، ألن تصف ظهور "من لا شيء" والفضاء؟ إذا حدث هذا ، أليس ولادة الكون قبل 18 مليار سنة مثالاً على مثل هذه العملية؟

غداء مجاني؟

الفكرة الرئيسية لعلم الكونيات الكمومية هي تطبيق نظرية الكم على الكون ككل: على الزمكان والمادة. يأخذ المنظرون هذه الفكرة بجدية خاصة. للوهلة الأولى ، هناك تناقض هنا: فيزياء الكم تتعامل مع أصغر الأنظمة ، بينما يتعامل علم الكون مع أكبرها. ومع ذلك ، كان الكون في يوم من الأيام محدودًا أيضًا بحجم صغير جدًا ، وبالتالي كانت التأثيرات الكمومية مهمة للغاية في ذلك الوقت. تشير نتائج الحسابات إلى أن قوانين الكم يجب أن تؤخذ في الاعتبار في عصر GUT (10 ^ -32 ثانية) ، وفي عصر بلانك (10 ^ -43 ثانية) من المحتمل أن تلعب دورًا حاسمًا. وفقًا لبعض المنظرين (على سبيل المثال ، فيلينكين) ، بين هذين الحقبتين كانت هناك لحظة في الوقت الذي نشأ فيه الكون. وفقًا لسيدني كولمان ، فقد حققنا قفزة نوعية من لا شيء إلى زمن. على ما يبدو ، الزمكان من بقايا هذا العصر. يمكن النظر إلى القفزة الكمية التي تحدث عنها كولمان على أنها نوع من "عملية حفر الأنفاق". لاحظنا أنه في النسخة الأصلية من نظرية التضخم ، كان على حالة الفراغ الزائفة أن تمر عبر حاجز الطاقة إلى حالة الفراغ الحقيقية. ومع ذلك ، في حالة الظهور التلقائي للكون الكمومي "من لا شيء" ، فإن حدسنا يصل إلى حدود قدراته. يمثل أحد طرفي النفق الكون المادي في المكان والزمان ، والذي يصل إلى هناك عن طريق النفق الكمي "من لا شيء". لذلك ، فإن الطرف الآخر من النفق هو هذا لا شيء! ربما يكون من الأفضل القول أن النفق له طرف واحد ، والآخر ببساطة "غير موجود".

تكمن الصعوبة الرئيسية لهذه المحاولات لشرح أصل الكون في وصف عملية ميلاده من حالة فراغ زائف. إذا كان الزمكان الناشئ حديثًا في حالة فراغ حقيقي ، فلن يحدث التضخم أبدًا. سينخفض ​​الانفجار الأعظم إلى انفجار ضعيف ، وسيختفي الزمان والمكان من الوجود مرة أخرى بعد ذلك بلحظة - سوف يتم تدميره من خلال العمليات الكمية ذاتها التي نشأ بسببها في الأصل. إذا لم يكن الكون قد وجد نفسه في حالة من الفراغ الزائف ، فلن يكون قد تورط في الحذاء الكوني ولم يكن ليتجسد وجوده الوهمي. ربما تكون حالة الفراغ الزائفة مفضلة بسبب خصائصها الظروف القاسية. على سبيل المثال ، إذا بدأ الكون بدرجة حرارة ابتدائية عالية بما فيه الكفاية ثم برد ، فقد "يركض" في فراغ زائف ، ولكن حتى الآن تظل العديد من الأسئلة التقنية من هذا النوع بدون حل.

ولكن مهما كانت حقيقة هذه المشاكل الأساسية ، يجب أن يظهر الكون بطريقة أو بأخرى ، وفيزياء الكم هي الفرع الوحيد من العلم الذي من المنطقي الحديث عن حدث يقع بدون سبب واضح. إذا كنا نتحدث عن الزمكان ، فلا معنى على أي حال أن نتحدث عن السببية بالمعنى المعتاد. عادةً ما يرتبط مفهوم السببية ارتباطًا وثيقًا بمفهوم الوقت ، وبالتالي فإن أي اعتبارات حول عمليات ظهور الوقت أو "خروجه من العدم" يجب أن تستند إلى فكرة أوسع عن السببية.

إذا كان الفضاء ثلاثي الأبعاد حقًا ، فإن النظرية تعتبر أن جميع الأبعاد العشرة متساوية تمامًا في المراحل الأولى. من الجذاب ربط ظاهرة التضخم بالدمج التلقائي (الطي) لسبعة من عشرة أبعاد. وفقًا لهذا السيناريو ، فإن "المحرك" للتضخم هو نتاج ثانوي للتفاعلات التي تتجلى من خلال أبعاد إضافية للفضاء. علاوة على ذلك ، يمكن للفضاء ذي الأبعاد العشرة أن يتطور بشكل طبيعي بطريقة تجعل ثلاثة أبعاد مكانية تنمو بقوة أثناء التضخم على حساب الأبعاد السبعة الأخرى ، والتي ، على العكس من ذلك ، تتقلص وتصبح غير مرئية؟ وهكذا ، يتم ضغط الفقاعة الدقيقة الكمومية للفضاء ذي الأبعاد العشرة ، ونتيجة لذلك ، يتم تضخيم الأبعاد الثلاثة ، لتشكيل الكون: تبقى الأبعاد السبعة المتبقية في أسر العالم المصغر ، حيث تظهر بشكل غير مباشر فقط - في الشكل من التفاعلات. تبدو هذه النظرية جذابة للغاية.

على الرغم من حقيقة أنه لا يزال هناك الكثير من العمل بالنسبة للمنظرين لدراسة طبيعة الكون المبكر جدًا ، فمن الممكن بالفعل تقديم مخطط عام للأحداث التي أدت إلى جعل الكون مرئيًا اليوم. في البداية ، نشأ الكون تلقائيًا "من لا شيء". بفضل قدرة الطاقة الكمومية على العمل كنوع من الإنزيم ، يمكن أن تتضخم فقاعات الفضاء الفارغ بمعدل متزايد باستمرار ، مما يخلق احتياطيات ضخمة من الطاقة بفضل الحذاء. تبين أن هذا الفراغ الزائف ، المليء بالطاقة المولدة ذاتيًا ، غير مستقر وبدأ في الاضمحلال ، مُطلقًا طاقة على شكل حرارة ، بحيث تمتلئ كل فقاعة بمادة تنفث النار (كرة نارية). توقف تضخم (تضخم) الفقاعات ، لكن الانفجار العظيم بدأ. على "ساعة" الكون في تلك اللحظة كانت 10 ^ -32 ثانية.

من هذه الكرة النارية ، نشأت كل المواد وجميع الأشياء المادية. عندما يتم تبريد مادة الفضاء ، تم اختبارها على التوالي انتقالات المرحلة. مع كل من التحولات ، تم "تجميد" المزيد والمزيد من الهياكل المختلفة من المواد الأولية عديمة الشكل. انفصلت التفاعلات واحدة تلو الأخرى عن بعضها البعض. خطوة بخطوة ، اكتسبت الأشياء التي نسميها الآن الجسيمات دون الذرية ميزاتها الحالية. عندما أصبح تكوين "الحساء الكوني" أكثر تعقيدًا ، نمت المخالفات واسعة النطاق المتبقية من وقت التضخم إلى مجرات. في عملية تكوين مزيد من الهياكل والعزلة أنواع مختلفةالمادة ، اتخذ الكون أشكالًا مألوفة أكثر فأكثر ؛ تكثفت البلازما الساخنة في الذرات ، مكونة النجوم والكواكب ، وفي النهاية الحياة. وهكذا "أدرك" الكون نفسه.

المادة والطاقة والفضاء والوقت والتفاعلات والمجالات والنظام والهيكل - الكلهذه المفاهيم ، المستعارة من "قائمة أسعار المنشئ" ، تعمل كخصائص متكاملة للكون. فيزياء جديدةيفتح الإمكانية المغرية لتفسير علمي لأصل كل هذه الأشياء. لم نعد بحاجة إلى إدخالها "يدويًا" على وجه التحديد من البداية. يمكننا أن نرى كيف يمكن أن تظهر جميع الخصائص الأساسية للعالم المادي تلقائياكنتيجة لقوانين الفيزياء ، دون الحاجة إلى افتراض وجود شروط أولية محددة للغاية. يدعي علم الكونيات الجديد أن الحالة الأولية للكون لا تلعب أي دور ، حيث تم محو جميع المعلومات المتعلقة بها أثناء التضخم. الكون الذي نلاحظه يحمل فقط بصمات تلك العمليات الفيزيائية التي حدثت منذ بداية التضخم.

منذ آلاف السنين ، اعتقدت البشرية أنه "لن يولد شيء من لا شيء". اليوم يمكننا القول أن كل شيء جاء من لا شيء. ليس عليك أن "تدفع" مقابل الكون - إنها "وجبة غداء مجانية" على الإطلاق.

وفقًا لهذه النظرية ، ظهر الكون على شكل مجموعة ساخنة من المادة فائقة الكثافة ، وبعد ذلك بدأ في التمدد والتبريد. في المرحلة الأولى من التطور ، كان الكون في حالة كثيفة للغاية وكان بلازما -gluon. إذا اصطدمت البروتونات والنيوترونات وشكلت نوى أثقل ، فإن وقت وجودها كان ضئيلًا. عند الاصطدام التالي مع أي جسيم سريع ، فإنها تتحلل على الفور إلى مكونات أولية.

منذ حوالي مليار سنة ، بدأ تكوين المجرات ، في تلك اللحظة بدأ الكون يشبه عن بعد ما يمكننا رؤيته الآن. بعد 300000 سنة من الانفجار العظيم ، بردت لدرجة أن الإلكترونات كانت ممسكة بقوة بالنواة ، ونتيجة لذلك ظهرت ذرات مستقرة لم تتحلل مباشرة بعد اصطدامها بنواة أخرى.

تكوين الجسيمات

بدأ تكوين الجسيمات نتيجة لتوسع الكون. أدى تبريده الإضافي إلى تكوين نوى الهيليوم ، والذي حدث نتيجة للتخليق النووي الأولي. كان لا بد من مرور حوالي ثلاث دقائق منذ الانفجار العظيم قبل أن يبرد الكون ، وتناقصت طاقة الاصطدام كثيرًا لدرجة أن الجسيمات بدأت في تكوين نوى مستقرة. في الدقائق الثلاث الأولى ، كان الكون بحرًا شديد الحرارة من الجسيمات الأولية.

لم يستمر التكوين الأولي للنواة طويلاً ، فبعد الدقائق الثلاث الأولى ، ابتعدت الجسيمات عن بعضها البعض بحيث أصبح التصادم بينها نادرًا للغاية. في هذه الفترة القصيرة من التركيب النووي الأولي ، ظهر الديوتيريوم - وهو نظير ثقيل للهيدروجين ، تحتوي نواته على بروتون واحد وواحد. بالتزامن مع الديوتيريوم ، تم تشكيل الهيليوم 3 ، الهليوم 4 وكمية صغيرة من الليثيوم 7. ظهرت عناصر أثقل بشكل متزايد في مرحلة تشكل النجوم.

بعد ولادة الكون

ما يقرب من مائة ألف من الثانية منذ بداية ولادة الكون ، تم دمج الكواركات في جسيمات أولية. منذ تلك اللحظة ، أصبح الكون بحرًا باردًا من الجسيمات الأولية. بعد ذلك ، بدأت عملية تسمى التوحيد العظيم للقوى الأساسية. ثم في الكون كانت هناك طاقات تقابل أقصى طاقات يمكن الحصول عليها في المسرعات الحديثة. بعد ذلك ، بدأ التوسع التضخمي المفاجئ واختفت الجسيمات المضادة في نفس الوقت.