Μεγάλη έκρηξη εξέλιξη του σύμπαντος ο γαλαξίας μας. Η εμφάνιση της θεωρίας του Big Bang

Στον επιστημονικό κόσμο, είναι γενικά αποδεκτό ότι το Σύμπαν προήλθε ως αποτέλεσμα της Μεγάλης Έκρηξης. υπό κατασκευή αυτή η θεωρίαγια το γεγονός ότι η ενέργεια και η ύλη (τα θεμέλια όλων των πραγμάτων) βρίσκονταν προηγουμένως σε κατάσταση μοναδικότητας. Αυτό, με τη σειρά του, χαρακτηρίζεται από το άπειρο θερμοκρασίας, πυκνότητας και πίεσης. Η ίδια η κατάσταση της μοναδικότητας αψηφά όλους τους νόμους της φυσικής που είναι γνωστοί στον σύγχρονο κόσμο. Οι επιστήμονες πιστεύουν ότι το Σύμπαν προέκυψε από ένα μικροσκοπικό σωματίδιο, το οποίο, για άγνωστους λόγους, ήρθε σε ασταθή κατάσταση στο μακρινό παρελθόν και εξερράγη.

Ο όρος «Big Bang» άρχισε να χρησιμοποιείται από το 1949 μετά τη δημοσίευση των εργασιών του επιστήμονα F. Hoyle σε εκδόσεις δημοφιλούς επιστήμης. Σήμερα, η θεωρία του «δυναμικού εξελισσόμενου μοντέλου» έχει αναπτυχθεί τόσο καλά που οι φυσικοί μπορούν να περιγράψουν τις διαδικασίες που συμβαίνουν στο Σύμπαν ήδη 10 δευτερόλεπτα μετά την έκρηξη ενός μικροσκοπικού σωματιδίου που έθεσε τα θεμέλια για τα πάντα.

Υπάρχουν πολλές αποδείξεις της θεωρίας. Ένα από τα κυριότερα είναι η ακτινοβολία λειψάνων, που διαπερνά ολόκληρο το Σύμπαν. Θα μπορούσε να έχει προκύψει, σύμφωνα με τους σύγχρονους επιστήμονες, μόνο ως αποτέλεσμα της Μεγάλης Έκρηξης, λόγω της αλληλεπίδρασης μικροσκοπικών σωματιδίων. Είναι η ακτινοβολία λειψάνων που καθιστά δυνατό να μάθουμε για εκείνες τις στιγμές που το Σύμπαν έμοιαζε με ένα φλεγόμενο διάστημα και δεν υπήρχαν αστέρια, πλανήτες και ο ίδιος ο γαλαξίας. Η δεύτερη απόδειξη της γέννησης όλων όσων υπάρχουν από τη Μεγάλη Έκρηξη είναι η κοσμολογική μετατόπιση του κόκκινου, η οποία συνίσταται στη μείωση της συχνότητας της ακτινοβολίας. Αυτό επιβεβαιώνει την απομάκρυνση των άστρων, των γαλαξιών από τον Γαλαξία ειδικότερα και ο ένας από τον άλλο γενικότερα. Δηλαδή, δείχνει ότι το Σύμπαν επεκτάθηκε νωρίτερα και συνεχίζει να το κάνει μέχρι τώρα.

Μια Σύντομη Ιστορία του Σύμπαντος

• 10 -45 - 10 -37 δευτ- πληθωριστική επέκταση


• 10 -6 δευτ- η εμφάνιση κουάρκ και ηλεκτρονίων


• 10 -5 δευτ- ο σχηματισμός πρωτονίων και νετρονίων


• 10 -4 δευτερόλεπτα - 3 λεπτά- η εμφάνιση πυρήνων δευτερίου, ηλίου και λιθίου


• 400 χιλιάδες χρόνια- σχηματισμός ατόμων


• 15 εκατομμύρια χρόνια- συνεχιζόμενη επέκταση του νέφους αερίων


• 1 δισεκατομμύριο χρόνια- η γέννηση των πρώτων αστέρων και γαλαξιών


• 10-15 δισεκατομμύρια χρόνια- η εμφάνιση πλανητών και ευφυής ζωή


• 10 14 δισεκατομμύρια χρόνια- τερματισμός της διαδικασίας γέννησης των αστεριών


• 10 37 δισεκατομμύρια χρόνια- εξάντληση της ενέργειας όλων των άστρων


• 10 40 δισεκατομμύρια χρόνια- Εξάτμιση μαύρων τρυπών και γέννηση στοιχειώδη σωματίδια


• 10 100 δισεκατομμύρια χρόνια- ολοκλήρωση της εξάτμισης όλων των μαύρων οπών

Η θεωρία του Big Bang έχει γίνει μια πραγματική ανακάλυψη στην επιστήμη. Επέτρεψε στους επιστήμονες να απαντήσουν σε πολλές ερωτήσεις σχετικά με τη γέννηση του σύμπαντος. Αλλά ταυτόχρονα, αυτή η θεωρία έδωσε αφορμή για νέα μυστήρια. Η κυριότερη από αυτές είναι η αιτία της ίδιας της Μεγάλης Έκρηξης. Το δεύτερο ερώτημα στο οποίο δεν υπάρχει απάντηση σύγχρονη επιστήμηΠώς προέκυψε ο χώρος και ο χρόνος; Σύμφωνα με ορισμένους ερευνητές, γεννήθηκαν μαζί με την ύλη, την ενέργεια. Είναι δηλαδή το αποτέλεσμα του Big Bang. Αλλά μετά αποδεικνύεται ότι ο χρόνος και ο χώρος πρέπει να έχουν κάποιου είδους αρχή. Δηλαδή, μια συγκεκριμένη οντότητα, που υπάρχει συνεχώς και δεν εξαρτάται από τους δείκτες τους, θα μπορούσε κάλλιστα να ξεκινήσει τις διαδικασίες αστάθειας σε ένα μικροσκοπικό σωματίδιο που δημιούργησε το Σύμπαν.

Όσο περισσότερες έρευνες γίνονται προς αυτή την κατεύθυνση, τόσο περισσότερα ερωτήματα προκύπτουν για τους αστροφυσικούς. Οι απαντήσεις σε αυτά περιμένουν την ανθρωπότητα στο μέλλον.

« Για μένα, η ζωή είναι πολύ μικρή για να ανησυχώ για πράγματα πέρα ​​από τον έλεγχό μου και ίσως ακόμη και αδύνατη. Εδώ ρωτούν: «Τι γίνεται αν η Γη καταπιεί μια μαύρη τρύπα ή υπάρχει παραμόρφωση του χωροχρόνου - είναι αυτό ένας λόγος ενθουσιασμού;» Η απάντησή μου είναι όχι, γιατί θα το μάθουμε μόνο όταν φτάσει στη θέση μας στον χωροχρόνο. Δεχόμαστε κλωτσιές όταν η φύση αποφασίζει ότι είναι η ώρα: είτε είναι η ταχύτητα του ήχου, η ταχύτητα του φωτός, η ταχύτητα των ηλεκτρικών παλμών, θα είμαστε πάντα θύματα μιας χρονικής καθυστέρησης μεταξύ των πληροφοριών γύρω μας και της ικανότητάς μας να τις λαμβάνουμε.»

Neil deGrasse Tyson

Ο χρόνος είναι καταπληκτικό πράγμα. Μας δίνει το παρελθόν, το παρόν και το μέλλον. Λόγω χρόνου, ό,τι μας περιβάλλει έχει ηλικία. Για παράδειγμα, η ηλικία της Γης είναι περίπου 4,5 δισεκατομμύρια χρόνια. Περίπου τον ίδιο αριθμό ετών πριν, άναψε και το πλησιέστερο σε εμάς αστέρι, ο Ήλιος. Αν αυτή η φιγούρα σας κόβει την ανάσα, μην ξεχνάτε ότι πολύ πριν από το σχηματισμό της ιθαγενούς μας ηλιακό σύστημαΟ γαλαξίας στον οποίο ζούμε είναι ο Γαλαξίας. Σύμφωνα με τις τελευταίες εκτιμήσεις των επιστημόνων, η ηλικία του Γαλαξία είναι 13,6 δισεκατομμύρια χρόνια. Αλλά γνωρίζουμε με βεβαιότητα ότι οι γαλαξίες έχουν επίσης παρελθόν, και το διάστημα είναι απλά τεράστιο, επομένως πρέπει να κοιτάξουμε ακόμη πιο μακριά. Και αυτός ο προβληματισμός μας οδηγεί αναπόφευκτα στη στιγμή που ξεκίνησαν όλα - τη Μεγάλη Έκρηξη.

Ο Αϊνστάιν και το Σύμπαν

Η αντίληψη του περιβάλλοντος κόσμου από τους ανθρώπους ήταν πάντα διφορούμενη. Κάποιος ακόμα δεν πιστεύει στην ύπαρξη ενός τεράστιου Σύμπαντος γύρω μας, κάποιος θεωρεί ότι η Γη είναι επίπεδη. Πριν από την επιστημονική ανακάλυψη του 20ου αιώνα, υπήρχαν μόνο μερικές εκδοχές για την προέλευση του κόσμου. Υποστηρικτές θρησκευτικές απόψειςπίστευε στη θεϊκή παρέμβαση και δημιουργία υψηλότερη νοημοσύνη, οι διαφωνούντες κάηκαν μερικές φορές. Υπήρχε μια άλλη πλευρά που πίστευε ότι ο κόσμος γύρω μας, όπως και το Σύμπαν, είναι άπειρος.

Για πολλούς ανθρώπους, όλα άλλαξαν όταν ο Άλμπερτ Αϊνστάιν έδωσε μια ομιλία το 1917, παρουσιάζοντας στο ευρύ κοινό το έργο της ζωής του - τη Γενική Θεωρία της Σχετικότητας. Η ιδιοφυΐα του 20ου αιώνα συνέδεσε τον χωροχρόνο με την ύλη του χώρου με τη βοήθεια των εξισώσεων που έβγαλε. Ως αποτέλεσμα, αποδείχθηκε ότι το Σύμπαν είναι πεπερασμένο, αμετάβλητο σε μέγεθος και έχει το σχήμα ενός κανονικού κυλίνδρου.

Στην αυγή μιας τεχνικής ανακάλυψης, κανείς δεν μπορούσε να αντικρούσει τα λόγια του Αϊνστάιν, επειδή η θεωρία του ήταν πολύ περίπλοκη ακόμη και για τα μεγαλύτερα μυαλά των αρχών του 20ου αιώνα. Δεδομένου ότι δεν υπήρχαν άλλες επιλογές, το μοντέλο ενός κυλινδρικού ακίνητου σύμπαντος έγινε αποδεκτό από την επιστημονική κοινότητα ως ένα γενικά αποδεκτό μοντέλο του κόσμου μας. Ωστόσο, μπορούσε να ζήσει μόνο λίγα χρόνια. Αφού οι φυσικοί κατάφεραν να συνέλθουν από τις επιστημονικές εργασίες του Αϊνστάιν και άρχισαν να τις ταξινομούν στα ράφια, παράλληλα με αυτό, άρχισαν να γίνονται προσαρμογές στη θεωρία της σχετικότητας και στους συγκεκριμένους υπολογισμούς του Γερμανού επιστήμονα.

Το 1922, ο Ρώσος μαθηματικός Alexander Fridman δημοσίευσε ξαφνικά ένα άρθρο στο περιοδικό Izvestiya Fiziki, στο οποίο δηλώνει ότι ο Αϊνστάιν έκανε λάθος και το Σύμπαν μας δεν είναι ακίνητο. Ο Friedman εξηγεί ότι οι δηλώσεις του Γερμανού επιστήμονα σχετικά με το αμετάβλητο της ακτίνας καμπυλότητας του χώρου είναι αυταπάτες, στην πραγματικότητα, η ακτίνα αλλάζει σε σχέση με το χρόνο. Κατά συνέπεια, το σύμπαν πρέπει να διαστέλλεται.

Επιπλέον, εδώ ο Friedman έδωσε τις υποθέσεις του για το πώς ακριβώς μπορεί να διασταλεί το Σύμπαν. Υπήρχαν τρία μοντέλα συνολικά: ένα παλλόμενο Σύμπαν (η υπόθεση ότι το Σύμπαν διαστέλλεται και συστέλλεται με μια ορισμένη περιοδικότητα στο χρόνο). το διαστελλόμενο Σύμπαν από τη μάζα και το τρίτο μοντέλο - η διαστολή από το σημείο. Δεδομένου ότι εκείνη την εποχή δεν υπήρχαν άλλα μοντέλα, με εξαίρεση τη θεϊκή παρέμβαση, οι φυσικοί γρήγορα σημείωσαν και τα τρία μοντέλα του Friedman και άρχισαν να τα αναπτύσσουν προς τη δική τους κατεύθυνση.

Το έργο του Ρώσου μαθηματικού τσίμπησε ελαφρώς τον Αϊνστάιν και την ίδια χρονιά δημοσίευσε ένα άρθρο στο οποίο εξέφρασε τα σχόλιά του για το έργο του Φρίντμαν. Σε αυτό, ένας Γερμανός φυσικός προσπαθεί να αποδείξει την ορθότητα των υπολογισμών του. Αποδείχθηκε μάλλον μη πειστικό, και όταν ο πόνος από το χτύπημα στην αυτοεκτίμηση υποχώρησε λίγο, ο Αϊνστάιν δημοσίευσε ένα άλλο σημείωμα στο περιοδικό Izvestiya Fiziki, στο οποίο έλεγε:

« Σε προηγούμενο σημείωμα επέκρινα το παραπάνω έργο. Ωστόσο, η κριτική μου, όπως είδα από την επιστολή του Fridman που μου κοινοποίησε ο κ. Krutkov, βασίστηκε σε λάθος στους υπολογισμούς. Νομίζω ότι τα αποτελέσματα του Friedman είναι σωστά και ρίχνουν νέο φως.».

Οι επιστήμονες έπρεπε να παραδεχτούν ότι και τα τρία μοντέλα Friedman για την εμφάνιση και την ύπαρξη του Σύμπαντος μας είναι απολύτως λογικά και έχουν δικαίωμα στη ζωή. Και τα τρία εξηγούνται με κατανοητούς μαθηματικούς υπολογισμούς και δεν αφήνουν ερωτήσεις. Εκτός από ένα πράγμα: γιατί το Σύμπαν θα αρχίσει να διαστέλλεται;

Η θεωρία που άλλαξε τον κόσμο

Οι δηλώσεις του Αϊνστάιν και του Φρίντμαν οδήγησαν την επιστημονική κοινότητα να αμφισβητήσει σοβαρά την προέλευση του σύμπαντος. Χάρη σε γενική θεωρίατη σχετικότητα, υπήρχε μια ευκαιρία να ρίξουμε φως στο παρελθόν μας, και οι φυσικοί δεν παρέλειψαν να το εκμεταλλευτούν αυτό. Ένας από τους επιστήμονες που προσπάθησαν να παρουσιάσουν ένα μοντέλο του κόσμου μας ήταν ο αστροφυσικός Georges Lemaitre από το Βέλγιο. Αξιοσημείωτο είναι το γεγονός ότι ο Λεμέτρ ήταν Καθολικός ιερέας, αλλά ταυτόχρονα ασχολούνταν με τα μαθηματικά και τη φυσική, πράγμα που είναι πραγματική ανοησία για την εποχή μας.

Ο Georges Lemaitre ενδιαφέρθηκε για τις εξισώσεις του Αϊνστάιν και με τη βοήθειά τους μπόρεσε να υπολογίσει ότι το Σύμπαν μας εμφανίστηκε ως αποτέλεσμα της διάσπασης κάποιου είδους υπερσωματιδίου, το οποίο ήταν εκτός χώρου και χρόνου πριν από την έναρξη της σχάσης, το οποίο μπορεί να είναι θεωρείται έκρηξη. Την ίδια στιγμή, οι φυσικοί σημειώνουν ότι ο Λεμέτρ ήταν ο πρώτος που έριξε φως στη γέννηση του Σύμπαντος.

Η θεωρία του εκρηκτικού υπερατόμου ταίριαζε όχι μόνο στους επιστήμονες, αλλά και στους κληρικούς, οι οποίοι ήταν πολύ δυσαρεστημένοι με τη σύγχρονη επιστημονικές ανακαλύψειςγια την οποία έπρεπε να εφευρεθούν νέες ερμηνείες της Βίβλου. Το Big Bang δεν ήρθε σε σημαντική σύγκρουση με τη θρησκεία, ίσως αυτό επηρεάστηκε από την ανατροφή του ίδιου του Lemaitre, ο οποίος αφιέρωσε τη ζωή του όχι μόνο στην επιστήμη, αλλά και στην υπηρεσία του Θεού.

Στις 22 Νοεμβρίου 1951, ο Πάπας Πίος XII έκανε μια δήλωση ότι η Θεωρία της Μεγάλης Έκρηξης δεν έρχεται σε αντίθεση με τη Βίβλο και το Καθολικό δόγμα για την προέλευση του κόσμου. Ορθόδοξοι κληρικοί δήλωσαν επίσης θετικοί σε αυτή τη θεωρία. Αυτή η θεωρία έγινε επίσης σχετικά ουδέτερα αποδεκτή από οπαδούς άλλων θρησκειών, μερικοί από αυτούς είπαν μάλιστα ότι υπήρχαν αναφορές στη Μεγάλη Έκρηξη στις γραφές τους.

Ωστόσο, παρά το γεγονός ότι η Θεωρία της Μεγάλης Έκρηξης είναι επί του παρόντος το γενικά αποδεκτό κοσμολογικό μοντέλο, έχει οδηγήσει πολλούς επιστήμονες σε αδιέξοδο. Από τη μια πλευρά, η έκρηξη ενός υπερσωματιδίου ταιριάζει απόλυτα στη λογική σύγχρονη φυσική, αλλά από την άλλη, ως αποτέλεσμα μιας τέτοιας έκρηξης, κυρίως μόνο βαριά μέταλλα, ιδίως σίδηρος. Αλλά, όπως αποδείχθηκε, το Σύμπαν αποτελείται κυρίως από υπερελαφρά αέρια - υδρογόνο και ήλιο. Κάτι δεν ταίριαζε, έτσι οι φυσικοί συνέχισαν να εργάζονται στη θεωρία της προέλευσης του κόσμου.

Αρχικά ο όρος «Big Bang» δεν υπήρχε. Ο Λεμέτρ και άλλοι φυσικοί πρόσφεραν μόνο το βαρετό όνομα «δυναμικό εξελικτικό μοντέλο», το οποίο έκανε τους μαθητές να χασμουριούνται. Μόλις το 1949, σε μια από τις διαλέξεις του, ο Βρετανός αστρονόμος και κοσμολόγος Freud Hoyle είπε:

"Αυτή η θεωρία βασίζεται στην υπόθεση ότι το σύμπαν προέκυψε κατά τη διαδικασία μιας μόνο ισχυρής έκρηξης και επομένως υπάρχει μόνο για ένα πεπερασμένο χρονικό διάστημα ... Αυτή η ιδέα της Μεγάλης Έκρηξης μου φαίνεται εντελώς μη ικανοποιητική".

Από τότε, αυτός ο όρος χρησιμοποιείται ευρέως στους επιστημονικούς κύκλους και στην ιδέα του ευρύτερου κοινού για τη δομή του Σύμπαντος.

Από πού προήλθαν το υδρογόνο και το ήλιο;

Η παρουσία φωτεινών στοιχείων έχει μπερδέψει τους φυσικούς και πολλοί θεωρητικοί του Big Bang ξεκίνησαν να βρουν την πηγή τους. Για πολλά χρόνια δεν τα κατάφεραν ιδιαίτερη επιτυχίαώσπου το 1948 ο λαμπρός επιστήμονας Georgy Gamov από το Λένινγκραντ μπόρεσε τελικά να αναγνωρίσει αυτή την πηγή. Ο Gamow ήταν ένας από τους μαθητές του Friedman, οπότε με χαρά ασχολήθηκε με την ανάπτυξη της θεωρίας του δασκάλου του.

Ο Gamow προσπάθησε να φανταστεί τη ζωή του Σύμπαντος προς την αντίθετη κατεύθυνση και το χρόνο να ξαναγυρίσει μέχρι τη στιγμή που μόλις είχε αρχίσει να διαστέλλεται. Μέχρι τότε, όπως είναι γνωστό, η ανθρωπότητα είχε ήδη ανακαλύψει τις αρχές της θερμοπυρηνικής σύντηξης, έτσι η θεωρία Friedmann-Lemaitre απέκτησε το δικαίωμα στη ζωή. Όταν το σύμπαν ήταν πολύ μικρό, έκανε πολύ ζέστη, σύμφωνα με τους νόμους της φυσικής.

Σύμφωνα με τον Gamow, μόλις ένα δευτερόλεπτο μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, ο χώρος του νέου Σύμπαντος γέμισε με στοιχειώδη σωματίδια που άρχισαν να αλληλεπιδρούν μεταξύ τους. Ως αποτέλεσμα αυτού, ξεκίνησε η θερμοπυρηνική σύντηξη ηλίου, την οποία ο Ralph Asher Alfer, ένας μαθηματικός από την Οδησσό, μπόρεσε να υπολογίσει για τον Gamow. Σύμφωνα με τους υπολογισμούς του Alfer, ήδη πέντε λεπτά μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, το Σύμπαν ήταν γεμάτο με ήλιο τόσο πολύ που ακόμη και οι ένθερμοι αντίπαλοι της Θεωρίας του Big Bang θα πρέπει να συμβιβαστούν και να αποδεχθούν αυτό το μοντέλο ως το κύριο στην κοσμολογία. Με την έρευνά του, ο Gamow όχι μόνο άνοιξε νέους τρόπους μελέτης του Σύμπαντος, αλλά και ανέστησε τη θεωρία του Lemaitre.

Παρά τα στερεότυπα για τους επιστήμονες, δεν μπορεί να τους αρνηθεί κανείς τον ρομαντισμό. Ο Gamow δημοσίευσε την έρευνά του σχετικά με τη θεωρία του Υπερκαυτού Σύμπαντος την εποχή του Big Bang το 1948 στο έργο του «The Origin of χημικά στοιχεία". Ως βοηθοί, υπέδειξε όχι μόνο τον Ralph Asher Alfer, αλλά και τον Hans Bethe, έναν Αμερικανό αστροφυσικό και μελλοντικό βραβευμένο βραβείο Νόμπελ. Στο εξώφυλλο του βιβλίου αποδείχτηκε: Alfer, Bethe, Gamow. Δεν σου θυμίζει τίποτα;

Ωστόσο, παρά το γεγονός ότι τα έργα του Lemaitre έλαβαν μια δεύτερη ζωή, οι φυσικοί δεν μπορούσαν ακόμα να απαντήσουν στην πιο συναρπαστική ερώτηση: τι συνέβη πριν από τη Μεγάλη Έκρηξη;

Προσπάθειες να αναστηθεί το ακίνητο σύμπαν του Αϊνστάιν

Δεν συμφώνησαν όλοι οι επιστήμονες με τη θεωρία Friedmann-Lemaitre, αλλά παρόλα αυτά, έπρεπε να διδάξουν το γενικά αποδεκτό κοσμολογικό μοντέλο στα πανεπιστήμια. Για παράδειγμα, ο αστρονόμος Φρεντ Χόιλ, ο οποίος επινόησε ο ίδιος τον όρο «Μεγάλη Έκρηξη», πίστευε στην πραγματικότητα ότι δεν υπήρξε έκρηξη και αφιέρωσε τη ζωή του στην προσπάθεια να το αποδείξει.
Ο Χόιλ έγινε ένας από αυτούς τους επιστήμονες που στην εποχή μας προσφέρουν εναλλακτική εμφάνισηεπί σύγχρονος κόσμος. Οι περισσότεροι φυσικοί είναι μάλλον ψύχραιμοι με τις δηλώσεις τέτοιων ανθρώπων, αλλά αυτό δεν τους ενοχλεί καθόλου.

Για να ντροπιάσει τον Gamow και τη δικαιολόγησή του για τη Θεωρία της Μεγάλης Έκρηξης, ο Hoyle, μαζί με τους ομοϊδεάτες του, αποφάσισαν να αναπτύξουν το δικό τους μοντέλο για την προέλευση του Σύμπαντος. Ως βάση, πήραν τις προτάσεις του Αϊνστάιν ότι το Σύμπαν είναι ακίνητο, και έκαναν κάποιες προσαρμογές που προσφέρουν εναλλακτικούς λόγους για τη διαστολή του Σύμπαντος.

Εάν οι οπαδοί της θεωρίας Lemaitre-Friedmann πίστευαν ότι το Σύμπαν προέκυψε από ένα μόνο υπερπυκνό σημείο με απείρως μικρή ακτίνα, τότε ο Hoyle πρότεινε ότι η ύλη σχηματίζεται συνεχώς από σημεία που βρίσκονται μεταξύ γαλαξιών που απομακρύνονται ο ένας από τον άλλο. Στην πρώτη περίπτωση, ολόκληρο το Σύμπαν σχηματίστηκε από ένα σωματίδιο, με τον άπειρο αριθμό των αστεριών και των γαλαξιών του. Σε μια άλλη περίπτωση, ένα σημείο δίνει όση ύλη αρκεί για να παραχθεί μόνο ένας γαλαξίας.

Η ασυνέπεια της θεωρίας του Hoyle είναι ότι ποτέ δεν μπόρεσε να εξηγήσει από πού προέρχεται η ίδια η ουσία, η οποία συνεχίζει να δημιουργεί γαλαξίες στους οποίους υπάρχουν εκατοντάδες δισεκατομμύρια αστέρια. Στην πραγματικότητα, ο Fred Hoyle πρότεινε να πιστεύουν όλοι ότι η δομή του σύμπαντος εμφανίζεται από το πουθενά. Παρά το γεγονός ότι πολλοί φυσικοί προσπάθησαν να βρουν μια λύση στη θεωρία του Hoyle, κανείς δεν κατάφερε να το κάνει και μετά από μερικές δεκαετίες αυτή η πρόταση έχασε τη σημασία της.

Ερωτήσεις χωρίς απαντήσεις

Στην πραγματικότητα, η Θεωρία της Μεγάλης Έκρηξης επίσης δεν μας δίνει απαντήσεις σε πολλά ερωτήματα. Για παράδειγμα, στο μυαλό φυσιολογικό άτομοΤο γεγονός ότι όλη η ύλη γύρω μας κάποτε συμπιέστηκε σε ένα μόνο σημείο ιδιομορφίας, το οποίο είναι πολύ μικρότερο από ένα άτομο, δεν μπορεί να κρατηθεί μέσα. Και πώς συνέβη που αυτό το υπερσωματίδιο θερμάνθηκε σε τέτοιο βαθμό που ξεκίνησε η αντίδραση της έκρηξης.

Μέχρι τα μέσα του 20ου αιώνα, η θεωρία του διαστελλόμενου σύμπαντος δεν επιβεβαιώθηκε ποτέ πειραματικά, επομένως δεν χρησιμοποιήθηκε ευρέως σε Εκπαιδευτικά ιδρύματα. Όλα άλλαξαν το 1964, όταν δύο Αμερικανοί αστροφυσικοί - ο Arno Penzias και ο Robert Wilson - δεν αποφάσισαν να μελετήσουν τα ραδιοφωνικά σήματα του έναστρου ουρανού.

Σαρώνοντας την ακτινοβολία των ουράνιων σωμάτων, συγκεκριμένα της Κασσιόπης Α (μία από τις πιο ισχυρές πηγές ραδιοεκπομπών στον έναστρο ουρανό), οι επιστήμονες παρατήρησαν κάποιο είδος εξωτερικού θορύβου που παρενέβαινε συνεχώς στην καταγραφή ακριβών δεδομένων ακτινοβολίας. Όπου κι αν έστρεφαν την κεραία τους, όποια ώρα κι αν ξεκινούσαν την έρευνά τους, αυτός ο χαρακτηριστικός και συνεχής θόρυβος τους καταδίωκε πάντα. Θυμωμένοι ως ένα βαθμό, ο Penzias και ο Wilson αποφάσισαν να μελετήσουν την πηγή αυτού του θορύβου και απροσδόκητα έκαναν μια ανακάλυψη που άλλαξε τον κόσμο. Ανακάλυψαν την ακτινοβολία λειψάνων, η οποία είναι ηχώ της ίδιας Μεγάλης Έκρηξης.

Το σύμπαν μας κρυώνει πολύ πιο αργά από ένα φλιτζάνι ζεστό τσάι και το CMB δείχνει ότι η ύλη γύρω μας κάποτε ήταν πολύ ζεστή και τώρα ψύχεται καθώς το σύμπαν διαστέλλεται. Έτσι, όλες οι θεωρίες που σχετίζονται με το ψυχρό Σύμπαν έμειναν έξω και τελικά υιοθετήθηκε η Θεωρία της Μεγάλης Έκρηξης.

Στα γραπτά του, ο Georgy Gamow πρότεινε ότι θα ήταν δυνατό να ανιχνευθούν φωτόνια στο διάστημα που υπήρχαν από τη Μεγάλη Έκρηξη, μόνο πιο προηγμένος τεχνικός εξοπλισμός χρειάζεται. Η ακτινοβολία λειψάνων επιβεβαίωσε όλες τις υποθέσεις του για την ύπαρξη του σύμπαντος. Επίσης, με τη βοήθειά του, κατέστη δυνατό να διαπιστωθεί ότι η ηλικία του Σύμπαντος μας είναι περίπου 14 δισεκατομμύρια χρόνια.

Όπως πάντα, με πρακτική απόδειξηοποιαδήποτε θεωρία, προκύπτουν αμέσως πολλές εναλλακτικές απόψεις. Μερικοί φυσικοί χλεύασαν την ανακάλυψη του CMB ως απόδειξη της Μεγάλης Έκρηξης. Παρά το γεγονός ότι ο Penzias και ο Wilson κέρδισαν το βραβείο Νόμπελ για την ιστορική τους ανακάλυψη, πολλοί διαφώνησαν με την έρευνά τους.

Τα κύρια επιχειρήματα υπέρ της ασυνέπειας της διαστολής του Σύμπαντος ήταν οι αποκλίσεις και τα λογικά λάθη. Για παράδειγμα, η έκρηξη επιτάχυνε ομοιόμορφα όλους τους γαλαξίες στο διάστημα, αλλά αντί να απομακρυνθεί από εμάς, ο γαλαξίας της Ανδρομέδας πλησιάζει αργά αλλά σταθερά Γαλαξίας. Οι επιστήμονες προτείνουν ότι αυτοί οι δύο γαλαξίες θα συγκρουστούν μεταξύ τους σε μόλις 4 δισεκατομμύρια χρόνια. Δυστυχώς, η ανθρωπότητα είναι ακόμα πολύ μικρή για να απαντήσει σε αυτό και σε άλλες ερωτήσεις.

Θεωρία της ισορροπίας

Στην εποχή μας, οι φυσικοί προσφέρουν διάφορα μοντέλα για την ύπαρξη του σύμπαντος. Πολλοί από αυτούς δεν αντέχουν ούτε την απλή κριτική, ενώ άλλοι λαμβάνουν το δικαίωμα στη ζωή.

Στα τέλη του 20ου αιώνα, ο Αμερικανός αστροφυσικός Edward Tryon, μαζί με τον συνάδελφό του από την Αυστραλία, Warren Kerry, πρότειναν κατ' αρχήν νέο μοντέλοσύμπαν, ενώ το κάνει αυτό ανεξάρτητα. Οι επιστήμονες στήριξαν την έρευνά τους στην υπόθεση ότι τα πάντα στο σύμπαν είναι ισορροπημένα. Η μάζα καταστρέφει την ενέργεια και το αντίστροφο. Αυτή η αρχή έγινε γνωστή ως η αρχή του Μηδενικού Σύμπαντος. Μέσα σε αυτό το σύμπαν, νέα ύλη αναδύεται σε μοναδικά σημεία μεταξύ των γαλαξιών, όπου η έλξη και η απώθηση της ύλης είναι ισορροπημένη.

Η θεωρία του Μηδενικού Σύμπαντος δεν συντρίφτηκε γιατί μετά από λίγο καιρό οι επιστήμονες μπόρεσαν να ανακαλύψουν την ύπαρξη της σκοτεινής ύλης - μια μυστηριώδη ουσία που αποτελεί σχεδόν το 27% του Σύμπαντος μας. Ένα άλλο 68,3% του σύμπαντος είναι πιο μυστηριώδης και μυστηριώδης σκοτεινή ενέργεια.

Οφείλεται στις βαρυτικές επιδράσεις σκοτεινή ενέργειακαι πιστώνονται με την επιτάχυνση της διαστολής του σύμπαντος. Παρεμπιπτόντως, η παρουσία της σκοτεινής ενέργειας στο διάστημα είχε προβλεφθεί από τον ίδιο τον Αϊνστάιν, ο οποίος είδε ότι κάτι δεν συνέκλινε στις εξισώσεις του, το Σύμπαν δεν μπορούσε να γίνει ακίνητο. Ως εκ τούτου, εισήγαγε μια κοσμολογική σταθερά στις εξισώσεις - τον όρο Λάμδα, για τον οποίο αργότερα κατηγόρησε επανειλημμένα και μισούσε τον εαυτό του.

Έτυχε ο χώρος στο Σύμπαν, κενός στη θεωρία, να γεμίσει ωστόσο με ένα συγκεκριμένο ειδικό πεδίο, το οποίο οδηγεί το μοντέλο του Αϊνστάιν. Σε νηφάλιο μυαλό και σύμφωνα με τη λογική εκείνης της εποχής, η ύπαρξη ενός τέτοιου πεδίου ήταν απλά αδύνατη, αλλά στην πραγματικότητα ο Γερμανός φυσικός απλά δεν ήξερε πώς να περιγράψει τη σκοτεινή ενέργεια.

***
Ίσως δεν θα μάθουμε ποτέ πώς και από τι προέκυψε το σύμπαν μας. Θα είναι ακόμη πιο δύσκολο να διαπιστωθεί τι υπήρχε πριν από την ύπαρξή του. Οι άνθρωποι τείνουν να φοβούνται αυτό που δεν μπορούν να εξηγήσουν, επομένως είναι πιθανό ότι μέχρι το τέλος του χρόνου η ανθρωπότητα θα πιστεύει επίσης στη θεϊκή επιρροή στη δημιουργία του κόσμου γύρω μας.

Η απάντηση στην ερώτηση "Τι είναι η Μεγάλη Έκρηξη;" μπορεί να ληφθεί κατά τη διάρκεια μιας μακράς συζήτησης, καθώς χρειάζεται πολύς χρόνος. Θα προσπαθήσω να εξηγήσω αυτή τη θεωρία εν συντομία και επί της ουσίας. Έτσι, η θεωρία της «Μεγάλης Έκρηξης» υποστηρίζει ότι το σύμπαν μας εμφανίστηκε ξαφνικά πριν από περίπου 13,7 δισεκατομμύρια χρόνια (τα πάντα εμφανίστηκαν από το τίποτα). Και αυτό που συνέβη τότε εξακολουθεί να επηρεάζει το πώς και με ποιον τρόπο τα πάντα στο σύμπαν αλληλεπιδρούν μεταξύ τους. Εξετάστε τα βασικά σημεία της θεωρίας.

Τι συνέβη πριν το Big Bang;

Η θεωρία του Big Bang περιλαμβάνει μια πολύ ενδιαφέρουσα έννοια - τη μοναδικότητα. Στοιχηματίζω ότι σε κάνει να αναρωτιέσαι: τι είναι η μοναδικότητα; Αστρονόμοι, φυσικοί και άλλοι επιστήμονες θέτουν επίσης αυτό το ερώτημα. Οι ιδιομορφίες πιστεύεται ότι υπάρχουν στους πυρήνες των μαύρων τρυπών. Μια μαύρη τρύπα είναι μια περιοχή έντονης βαρυτικής πίεσης. Αυτή η πίεση, σύμφωνα με τη θεωρία, είναι τόσο έντονη που η ύλη συμπιέζεται μέχρι να αποκτήσει άπειρη πυκνότητα. Αυτή η άπειρη πυκνότητα ονομάζεται μοναδικότητα. Το Σύμπαν μας υποτίθεται ότι ξεκίνησε ως μια από αυτές τις απείρως μικρές, απείρως καυτές και απείρως πυκνές ιδιομορφίες. Ωστόσο, δεν έχουμε φτάσει ακόμη στην ίδια τη Μεγάλη Έκρηξη. Η Μεγάλη Έκρηξη είναι η στιγμή κατά την οποία αυτή η μοναδικότητα ξαφνικά «έσκασε» και άρχισε να διαστέλλεται και δημιούργησε το Σύμπαν μας.

Η θεωρία της Μεγάλης Έκρηξης φαίνεται να υπονοεί ότι ο χρόνος και ο χώρος υπήρχαν πριν την εμφάνιση του σύμπαντος. Ωστόσο, οι Stephen Hawking, George Ellis και Roger Penrose (et al.) ανέπτυξαν μια θεωρία στα τέλη της δεκαετίας του 1960 που προσπάθησε να εξηγήσει ότι ο χρόνος και ο χώρος δεν υπήρχαν πριν από την επέκταση της μοναδικότητας. Με άλλα λόγια, ούτε χρόνος ούτε χώρος υπήρχαν μέχρι να υπάρξει το σύμπαν.

Τι συνέβη μετά το Big Bang;

Η στιγμή της Μεγάλης Έκρηξης είναι η στιγμή της αρχής του χρόνου. Μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, αλλά πολύ πριν από το πρώτο δευτερόλεπτο (10 -43 δευτερόλεπτα), ο κόσμος βιώνει μια εξαιρετικά γρήγορη πληθωριστική επέκταση, που διαστέλλεται 1050 φορές σε κλάσματα του δευτερολέπτου.

Στη συνέχεια, η επέκταση επιβραδύνεται, αλλά το πρώτο δευτερόλεπτο δεν έχει φτάσει ακόμη (μόνο 10 -32 δευτερόλεπτα ακόμη). Αυτή τη στιγμή, το Σύμπαν είναι ένας «ζωμός» που βράζει (με θερμοκρασία 10 27 °C) ηλεκτρονίων, κουάρκ και άλλων στοιχειωδών σωματιδίων.

Η ταχεία ψύξη του χώρου (έως 10 13 ° C) επιτρέπει στα κουάρκ να συνδυάζονται σε πρωτόνια και νετρόνια. Ωστόσο, το πρώτο δευτερόλεπτο δεν έχει φτάσει ακόμη (μόνο 10 -6 δευτερόλεπτα ακόμη).

Στα 3 λεπτά, πολύ ζεστό για να συνδυαστούν σε άτομα, τα φορτισμένα ηλεκτρόνια και τα πρωτόνια εμποδίζουν την εκπομπή φωτός. Το Σύμπαν είναι μια υπερκαυτή ομίχλη (10 8 °C).

Μετά από 300.000 χρόνια, το σύμπαν ψύχεται στους 10.000 °C, τα ηλεκτρόνια με τα πρωτόνια και τα νετρόνια σχηματίζουν άτομα, κυρίως υδρογόνο και ήλιο.

1 δισεκατομμύριο χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, όταν η θερμοκρασία του σύμπαντος έφτασε τους -200 ° C, το υδρογόνο και το ήλιο σχηματίζουν γιγάντια «σύννεφα» που αργότερα θα γίνουν γαλαξίες. Εμφανίζονται τα πρώτα αστέρια.

12. Τι προκάλεσε τη Μεγάλη Έκρηξη;

Το Παράδοξο της Ανάδυσης

Καμία από τις διαλέξεις για την κοσμολογία που έχω διαβάσει ποτέ δεν ήταν πλήρης χωρίς το ερώτημα τι προκάλεσε τη Μεγάλη Έκρηξη; Μέχρι πριν από λίγα χρόνια, δεν ήξερα την αληθινή απάντηση. Σήμερα, πιστεύω, είναι διάσημος.

Ουσιαστικά, αυτή η ερώτηση περιέχει δύο ερωτήσεις σε καλυμμένη μορφή. Πρώτον, θα θέλαμε να μάθουμε γιατί η ανάπτυξη του σύμπαντος ξεκίνησε με μια έκρηξη και τι προκάλεσε αυτή την έκρηξη αρχικά. Αλλά για καθαρό σωματικό πρόβλημακρύβει ένα άλλο, βαθύτερο πρόβλημα φιλοσοφικής φύσεως. Εάν το Big Bang σηματοδοτεί την αρχή της φυσικής ύπαρξης του σύμπαντος, συμπεριλαμβανομένης της εμφάνισης του χώρου και του χρόνου, τότε με ποια έννοια μπορούμε να πούμε ότι τι προκάλεσεαυτή η έκρηξη;

Από τη σκοπιά της φυσικής, η ξαφνική εμφάνιση του σύμπαντος ως αποτέλεσμα μιας γιγάντιας έκρηξης φαίνεται σε κάποιο βαθμό παράδοξη. Από τις τέσσερις αλληλεπιδράσεις που διέπουν τον κόσμο, μόνο η βαρύτητα εκδηλώνεται σε κοσμική κλίμακα και, όπως δείχνει η εμπειρία μας, η βαρύτητα έχει τον χαρακτήρα της έλξης. Ωστόσο, για την έκρηξη που σηματοδότησε τη γέννηση του σύμπαντος, προφανώς χρειαζόταν μια απωθητική δύναμη απίστευτου μεγέθους, που θα μπορούσε να θρυμματίσει το σύμπαν και να προκαλέσει τη διαστολή του, η οποία συνεχίζεται μέχρι σήμερα.

Αυτό φαίνεται περίεργο, γιατί αν το σύμπαν κυριαρχείται από βαρυτικές δυνάμεις, τότε δεν πρέπει να διαστέλλεται, αλλά να συστέλλεται. Πράγματι, οι βαρυτικές δυνάμεις έλξης προκαλούν τα φυσικά αντικείμενα να συρρικνώνονται αντί να εκραγούν. Για παράδειγμα, ένα πολύ πυκνό αστέρι χάνει την ικανότητά του να υποστηρίζει το βάρος του και καταρρέει για να σχηματιστεί αστέρι νετρονίωνή μια μαύρη τρύπα. Ο βαθμός συμπίεσης της ύλης στο πολύ πρώιμο σύμπαν ήταν πολύ υψηλότερος από αυτόν του πυκνότερου αστέρα. Επομένως, τίθεται συχνά το ερώτημα γιατί ο αρχέγονος κόσμος δεν κατέρρευσε σε μαύρη τρύπα από την αρχή.

Η συνήθης απάντηση σε αυτό είναι ότι η πρωταρχική έκρηξη πρέπει απλώς να ληφθεί ως αρχική κατάσταση. Αυτή η απάντηση είναι σαφώς μη ικανοποιητική και μπερδεμένη. Φυσικά, υπό την επίδραση της βαρύτητας, ο ρυθμός της κοσμικής διαστολής μειώνονταν συνεχώς από την αρχή, αλλά τη στιγμή της γέννησης, το Σύμπαν επεκτεινόταν απείρως γρήγορα. Η έκρηξη δεν προκλήθηκε από καμία δύναμη - απλώς η ανάπτυξη του σύμπαντος ξεκίνησε με τη διαστολή. Εάν η έκρηξη ήταν λιγότερο ισχυρή, η βαρύτητα θα εμπόδιζε πολύ σύντομα τη διαστολή της ύλης. Ως αποτέλεσμα, η διαστολή θα αντικατασταθεί από συστολή, η οποία θα έπαιρνε έναν καταστροφικό χαρακτήρα και θα μετέτρεπε το Σύμπαν σε κάτι παρόμοιο με μια μαύρη τρύπα. Αλλά στην πραγματικότητα, η έκρηξη αποδείχθηκε «αρκετά μεγάλη» που έδωσε τη δυνατότητα στο σύμπαν, έχοντας ξεπεράσει τη δική του βαρύτητα, είτε να συνεχίσει να διαστέλλεται για πάντα λόγω της δύναμης της πρωταρχικής έκρηξης, είτε τουλάχιστον να υπάρχει για πολλά δισεκατομμύρια χρόνια πριν υποστεί συμπίεση και εξαφανιστεί στη λήθη.

Το πρόβλημα με αυτή την παραδοσιακή εικόνα είναι ότι δεν εξηγεί με κανέναν τρόπο τη Μεγάλη Έκρηξη. Η θεμελιώδης ιδιότητα του Σύμπαντος και πάλι απλώς αντιμετωπίζεται ως αρχική συνθήκη, αποδεκτή ad hoc(για αυτή την περίπτωση) στην ουσία δηλώνει μόνο ότι έγινε το Big Bang. Παραμένει ακόμη ασαφές γιατί η δύναμη της έκρηξης ήταν ακριβώς αυτή και όχι άλλη. Γιατί η έκρηξη δεν ήταν ακόμη πιο ισχυρή, έτσι ώστε το σύμπαν να διαστέλλεται πολύ πιο γρήγορα τώρα; Θα μπορούσε επίσης να ρωτήσει κανείς γιατί το σύμπαν δεν διαστέλλεται επί του παρόντος πολύ πιο αργά ή δεν συστέλλεται καθόλου. Φυσικά, εάν η έκρηξη δεν είχε επαρκή δύναμη, το σύμπαν θα κατέρρεε σύντομα και δεν θα υπήρχε κανείς να κάνει τέτοιες ερωτήσεις. Είναι απίθανο, ωστόσο, ότι ένας τέτοιος συλλογισμός μπορεί να ληφθεί ως εξήγηση.

Με περισσότερα λεπτομερής ανάλυσηαποδεικνύεται ότι το παράδοξο της προέλευσης του σύμπαντος είναι στην πραγματικότητα ακόμη πιο περίπλοκο από αυτό που περιγράφηκε παραπάνω. Προσεκτικές μετρήσεις δείχνουν ότι ο ρυθμός διαστολής του σύμπαντος είναι πολύ κοντά στην κρίσιμη τιμή στην οποία το σύμπαν είναι σε θέση να ξεπεράσει τη δική του βαρύτητα και να διαστέλλεται για πάντα. Αν αυτή η ταχύτητα ήταν λίγο μικρότερη - και θα συνέβαινε η κατάρρευση του Σύμπαντος, και αν ήταν λίγο μεγαλύτερη - η κοσμική ύλη θα είχε διαλυθεί τελείως εδώ και πολύ καιρό. Είναι ενδιαφέρον να μάθουμε πώς ακριβώς ο ρυθμός διαστολής του Σύμπαντος εμπίπτει σε αυτό το πολύ στενό επιτρεπόμενο διάστημα μεταξύ δύο πιθανών καταστροφών. Εάν τη χρονική στιγμή που αντιστοιχεί σε 1 s, όταν το μοτίβο επέκτασης ήταν ήδη σαφώς καθορισμένο, ο ρυθμός επέκτασης θα διέφερε από την πραγματική του τιμή περισσότερο από 10^-18, αυτό θα ήταν αρκετό για πλήρης παραβίασηλεπτή ισορροπία. Έτσι, η δύναμη της έκρηξης του Σύμπαντος με σχεδόν απίστευτη ακρίβεια αντιστοιχεί στη βαρυτική του αλληλεπίδραση. Η μεγάλη έκρηξη, λοιπόν, δεν ήταν απλώς κάποια μακρινή έκρηξη - ήταν μια έκρηξη μιας πολύ συγκεκριμένης δύναμης. Στην παραδοσιακή εκδοχή της θεωρίας της Μεγάλης Έκρηξης, πρέπει κανείς να αποδεχθεί όχι μόνο το γεγονός της ίδιας της έκρηξης, αλλά και το γεγονός ότι η έκρηξη συνέβη με έναν εξαιρετικά ιδιότροπο τρόπο. Με άλλα λόγια, οι αρχικές συνθήκες αποδεικνύονται εξαιρετικά συγκεκριμένες.

Ο ρυθμός διαστολής του σύμπαντος είναι μόνο ένα από τα πολλά προφανή διαστημικά μυστήρια. Το άλλο συνδέεται με την εικόνα της διαστολής του Σύμπαντος στο διάστημα. Σύμφωνα με σύγχρονες παρατηρήσεις. Το σύμπαν, σε μεγάλη κλίμακα, είναι εξαιρετικά ομοιογενές όσον αφορά την κατανομή της ύλης και της ενέργειας. Η παγκόσμια δομή του σύμπαντος είναι σχεδόν η ίδια όταν την βλέπουμε από τη Γη και από έναν μακρινό γαλαξία. Οι γαλαξίες είναι διάσπαρτοι στο διάστημα με την ίδια μέση πυκνότητα και από κάθε σημείο το Σύμπαν φαίνεται το ίδιο προς όλες τις κατευθύνσεις. Η πρωτογενής θερμική ακτινοβολία που γεμίζει το Σύμπαν πέφτει στη Γη, έχοντας την ίδια θερμοκρασία προς όλες τις κατευθύνσεις με ακρίβεια τουλάχιστον 10-4 . Αυτή η ακτινοβολία ταξιδεύει στο διάστημα για δισεκατομμύρια έτη φωτός στο δρόμο της προς εμάς και φέρει το αποτύπωμα οποιασδήποτε απόκλισης από την ομοιογένεια που συναντά.

Η μεγάλης κλίμακας ομοιογένεια του σύμπαντος παραμένει καθώς το σύμπαν διαστέλλεται. Από αυτό προκύπτει ότι η διαστολή γίνεται ομοιόμορφα και ισότροπα με πολύ υψηλό βαθμό ακρίβειας. Αυτό σημαίνει ότι ο ρυθμός διαστολής του σύμπαντος δεν είναι μόνο ο ίδιος προς όλες τις κατευθύνσεις, αλλά είναι και σταθερός σε διαφορετικές περιοχές. Εάν το σύμπαν επεκτεινόταν ταχύτερα προς μία κατεύθυνση από ό,τι σε άλλες, τότε αυτό θα οδηγούσε σε μείωση της θερμοκρασίας του φόντου θερμική ακτινοβολίαπρος αυτή την κατεύθυνση και θα άλλαζε την εικόνα της κίνησης των γαλαξιών ορατών από τη Γη. Έτσι, η εξέλιξη του Σύμπαντος δεν ξεκίνησε απλώς με μια έκρηξη μιας αυστηρά καθορισμένης δύναμης - η έκρηξη ήταν ξεκάθαρα «οργανωμένη», δηλ. συνέβη ταυτόχρονα, με ακριβώς την ίδια δύναμη σε όλα τα σημεία και προς όλες τις κατευθύνσεις.

Είναι εξαιρετικά απίθανο μια τέτοια ταυτόχρονη και συντονισμένη έκρηξη να συμβεί καθαρά αυθόρμητα, και αυτή η αμφιβολία ενισχύεται στο πλαίσιο της παραδοσιακή θεωρίαΗ μεγάλη έκρηξη είναι ότι διαφορετικές περιοχές του αρχέγονου σύμπαντος δεν σχετίζονται αιτιακά μεταξύ τους. Το γεγονός είναι ότι, σύμφωνα με τη θεωρία της σχετικότητας, κανένα φυσικό φαινόμενο δεν μπορεί να διαδοθεί ταχύτερα από το φως. Κατά συνέπεια, διαφορετικές περιοχές του χώρου μπορούν να συνδεθούν αιτιακά μεταξύ τους μόνο αφού περάσει ένα ορισμένο χρονικό διάστημα. Για παράδειγμα, 1 δευτερόλεπτο μετά την έκρηξη, το φως μπορεί να διανύσει μια απόσταση όχι μεγαλύτερη από ένα δευτερόλεπτο φωτός, που αντιστοιχεί σε 300.000 km. Οι περιοχές του Σύμπαντος, που χωρίζονται από μεγάλη απόσταση, μετά από 1 δευτερόλεπτα δεν θα επηρεάσουν ακόμη η μία την άλλη. Αλλά αυτή τη στιγμή, η περιοχή του Σύμπαντος που παρατηρήσαμε καταλάμβανε ήδη ένα χώρο διαμέτρου τουλάχιστον 10^14 km. Επομένως, το σύμπαν αποτελούνταν από περίπου 10^27 αιτιατά δεμένος φίλοςμε άλλες περιοχές, καθεμία από τις οποίες όμως επεκτάθηκε με τον ίδιο ακριβώς ρυθμό. Ακόμη και σήμερα, παρατηρώντας τη θερμική κοσμική ακτινοβολία που προέρχεται από αντίθετες πλευρέςΟ έναστρος ουρανός, καταγράφουμε ακριβώς τα ίδια «δαχτυλικά αποτυπώματα» περιοχών του Σύμπαντος που χωρίζονται από τεράστιες αποστάσεις: αυτές οι αποστάσεις αποδεικνύεται ότι είναι περισσότερες από 90 φορές μεγαλύτερες από την απόσταση που θα μπορούσε να διανύσει το φως από τη στιγμή της εκπομπής της θερμικής ακτινοβολίας.

Πώς εξηγείται μια τόσο αξιοσημείωτη συνοχή διαφορετικών περιοχών του χώρου, οι οποίες, προφανώς, ποτέ δεν έχουν συνδεθεί μεταξύ τους; Πώς προέκυψε αυτή η παρόμοια συμπεριφορά; Στην παραδοσιακή απάντηση γίνεται και πάλι αναφορά σε ειδικές αρχικές συνθήκες. Η εξαιρετική ομοιογένεια των ιδιοτήτων της πρωταρχικής έκρηξης θεωρείται απλώς ως γεγονός: έτσι δημιουργήθηκε το Σύμπαν.

Η μεγάλης κλίμακας ομοιογένεια του σύμπαντος είναι ακόμη πιο αινιγματική αν σκεφτεί κανείς ότι το σύμπαν δεν είναι σε καμία περίπτωση ομοιογενές σε μικρή κλίμακα. Η ύπαρξη μεμονωμένων γαλαξιών και σμηνών γαλαξιών δείχνει μια απόκλιση από την αυστηρή ομοιογένεια και αυτή η απόκλιση, επιπλέον, είναι παντού η ίδια σε κλίμακα και μέγεθος. Δεδομένου ότι η βαρύτητα τείνει να αυξάνει οποιαδήποτε αρχική συσσώρευση ύλης, ο βαθμός ετερογένειας που απαιτείται για το σχηματισμό των γαλαξιών ήταν πολύ μικρότερος την εποχή της Μεγάλης Έκρηξης από ό,τι είναι τώρα. Ωστόσο, στην αρχική φάση της Μεγάλης Έκρηξης, μια ελαφρά ανομοιογένεια θα πρέπει να εξακολουθεί να υπάρχει, διαφορετικά δεν θα είχαν σχηματιστεί ποτέ γαλαξίες. Στην παλιά θεωρία του Big Bang, αυτές οι ανομοιογένειες αποδίδονταν επίσης σε πρώιμο στάδιο σε «αρχικές συνθήκες». Έτσι, έπρεπε να πιστέψουμε ότι η ανάπτυξη του σύμπαντος ξεκίνησε όχι από μια εντελώς ιδανική, αλλά από μια εξαιρετικά ασυνήθιστη κατάσταση.

Όλα τα παραπάνω μπορούν να συνοψιστούν ως εξής: εάν η μόνη δύναμη στο σύμπαν είναι η βαρυτική έλξη, τότε η Μεγάλη Έκρηξη θα πρέπει να ερμηνευθεί ως «αποσταλμένη από τον Θεό», δηλ. χωρίς αιτία, με δεδομένες αρχικές συνθήκες. Επιπλέον, χαρακτηρίζεται από εκπληκτική συνέπεια. για να έρθει στην υπάρχουσα δομή, το σύμπαν έπρεπε να αναπτυχθεί σωστά από την αρχή. Αυτό είναι το παράδοξο της προέλευσης του σύμπαντος.

Αναζήτηση για αντιβαρύτητα

Το παράδοξο της προέλευσης του σύμπαντος έχει λυθεί μόνο τα τελευταία χρόνια. Ωστόσο, η κύρια ιδέα της λύσης μπορεί να αναχθεί στη μακρινή ιστορία, σε μια εποχή που ούτε η θεωρία της επέκτασης ούτε η θεωρία της Μεγάλης Έκρηξης υπήρχαν ακόμη. Ακόμη και ο Νεύτωνας κατάλαβε πόσο δύσκολο είναι το πρόβλημα η σταθερότητα του σύμπαντος. Πώς διατηρούν τα αστέρια τη θέση τους στο διάστημα χωρίς υποστήριξη; Η καθολική φύση της βαρυτικής έλξης θα έπρεπε να είχε οδηγήσει στη συστολή των αστεριών σε σμήνη κοντά το ένα στο άλλο.

Για να αποφύγει αυτόν τον παραλογισμό, ο Νεύτων κατέφυγε σε έναν πολύ περίεργο συλλογισμό. Εάν το σύμπαν κατέρρεε υπό τη δική του βαρύτητα, κάθε αστέρι θα «έπεφτε» προς το κέντρο του σμήνος των αστεριών. Ας υποθέσουμε, ωστόσο, ότι το σύμπαν είναι άπειρο και ότι τα αστέρια κατανέμονται κατά μέσο όρο ομοιόμορφα στο άπειρο διάστημα. Σε αυτή την περίπτωση, δεν θα υπήρχε καθόλου κοινό κέντρο, προς το οποίο θα μπορούσαν να πέσουν όλα τα αστέρια, γιατί στο άπειρο Σύμπαν όλες οι περιοχές είναι πανομοιότυπες. Οποιοδήποτε αστέρι θα επηρεαζόταν από τη βαρυτική έλξη όλων των γειτόνων του, αλλά λόγω του μέσου όρου αυτών των επιρροών σε διάφορες κατευθύνσεις, δεν θα υπήρχε δύναμη που θα τείνει να μετακινήσει αυτό το αστέρι σε μια συγκεκριμένη θέση σε σχέση με ολόκληρο το σύνολο των αστεριών.

Όταν, 200 χρόνια μετά τον Νεύτωνα, ο Αϊνστάιν δημιούργησε μια νέα θεωρία της βαρύτητας, μπερδεύτηκε επίσης με το πρόβλημα του πώς το σύμπαν καταφέρνει να αποφύγει την κατάρρευση. Η πρώτη του εργασία για την κοσμολογία δημοσιεύτηκε πριν ο Hubble ανακαλύψει τη διαστολή του σύμπαντος. έτσι ο Αϊνστάιν, όπως ο Νεύτωνας, υπέθεσε ότι το σύμπαν είναι στατικό. Ωστόσο, ο Αϊνστάιν προσπάθησε να λύσει το πρόβλημα της σταθερότητας του σύμπαντος με πολύ πιο άμεσο τρόπο. Πίστευε ότι για να αποτραπεί η κατάρρευση του σύμπαντος υπό την επίδραση της δικής του βαρύτητας, πρέπει να υπάρχει μια άλλη κοσμική δύναμη που θα μπορούσε να αντισταθεί στη βαρύτητα. Αυτή η δύναμη πρέπει να είναι μια απωστική και όχι μια ελκτική δύναμη για να αντισταθμίσει τη βαρυτική έλξη. Υπό αυτή την έννοια, μια τέτοια δύναμη θα μπορούσε να ονομαστεί «αντιβαρυτική», αν και είναι πιο σωστό να μιλάμε για τη δύναμη της κοσμικής απώθησης. Ο Αϊνστάιν σε αυτή την περίπτωση δεν επινόησε απλώς αυθαίρετα αυτή τη δύναμη. Έδειξε ότι ένας επιπλέον όρος μπορεί να εισαχθεί στις εξισώσεις του του βαρυτικού πεδίου, ο οποίος οδηγεί στην εμφάνιση μιας δύναμης με τις επιθυμητές ιδιότητες.

Παρά το γεγονός ότι η έννοια μιας απωστικής δύναμης που αντιτίθεται στη βαρυτική δύναμη είναι από μόνη της αρκετά απλή και φυσική, στην πραγματικότητα οι ιδιότητες μιας τέτοιας δύναμης αποδεικνύονται αρκετά ασυνήθιστες. Φυσικά, καμία τέτοια δύναμη δεν έχει παρατηρηθεί στη Γη, και κανένας υπαινιγμός της δεν έχει βρεθεί εδώ και αρκετούς αιώνες για την ύπαρξη της πλανητικής αστρονομίας. Προφανώς, αν υπάρχει η δύναμη της κοσμικής απώθησης, τότε δεν θα έπρεπε να έχει κάποια αισθητή επίδραση σε μικρές αποστάσεις, αλλά το μέγεθός της αυξάνεται σημαντικά σε αστρονομικές κλίμακες. Μια τέτοια συμπεριφορά έρχεται σε αντίθεση με κάθε προηγούμενη εμπειρία στη μελέτη της φύσης των δυνάμεων: είναι συνήθως έντονες σε μικρές αποστάσεις και εξασθενούν με την αύξηση της απόστασης. Έτσι, οι ηλεκτρομαγνητικές και βαρυτικές αλληλεπιδράσεις μειώνονται συνεχώς σύμφωνα με τον νόμο του αντίστροφου τετραγώνου. Ωστόσο, στη θεωρία του Αϊνστάιν, εμφανίστηκε φυσικά μια δύναμη με τόσο ασυνήθιστες ιδιότητες.

Δεν πρέπει να σκεφτόμαστε τη δύναμη της κοσμικής απώθησης που εισήγαγε ο Αϊνστάιν ως την πέμπτη αλληλεπίδραση στη φύση. Είναι απλώς μια παράξενη εκδήλωση της ίδιας της βαρύτητας. Είναι εύκολο να δείξουμε ότι τα αποτελέσματα της κοσμικής απώθησης μπορούν να αποδοθούν στη συνηθισμένη βαρύτητα, εάν επιλεγεί ένα μέσο με ασυνήθιστες ιδιότητες ως πηγή του βαρυτικού πεδίου. Πεδιάδα υλικό περιβάλλον(για παράδειγμα, ένα αέριο) ασκεί πίεση, ενώ το υποθετικό μέσο που συζητείται εδώ πρέπει να έχει αρνητικόςπίεση ή ένταση. Για να φανταστούμε πιο καθαρά τι μιλάμε, ας φανταστούμε ότι καταφέραμε να γεμίσουμε ένα δοχείο με τέτοια κοσμική ουσία. Τότε, σε αντίθεση με το συνηθισμένο αέριο, το υποθετικό διαστημικό μέσο δεν θα ασκήσει πίεση στα τοιχώματα του σκάφους, αλλά θα τείνει να τα τραβήξει μέσα στο δοχείο.

Έτσι, μπορούμε να θεωρήσουμε την κοσμική απώθηση ως ένα είδος προσθήκης στη βαρύτητα ή ως ένα φαινόμενο που οφείλεται στη συνηθισμένη βαρύτητα που είναι εγγενές σε ένα αόρατο αέριο μέσο που γεμίζει όλο το διάστημα και έχει αρνητική πίεση. Δεν υπάρχει καμία αντίφαση στο γεγονός ότι, αφενός, η αρνητική πίεση, όπως λες, απορροφά τα τοιχώματα του σκάφους, και, αφετέρου, αυτό το υποθετικό μέσο απωθεί τους γαλαξίες και δεν τους έλκει. Άλλωστε, η απώθηση οφείλεται στη βαρύτητα του μέσου και σε καμία περίπτωση σε μηχανική δράση. Σε κάθε περίπτωση, οι μηχανικές δυνάμεις δεν δημιουργούνται από την ίδια την πίεση, αλλά από τη διαφορά πίεσης, αλλά υποτίθεται ότι το υποθετικό μέσο γεμίζει ολόκληρο τον χώρο. Δεν μπορεί να περιοριστεί τοιχώματα αγγείων, και ένας παρατηρητής που βρίσκεται σε αυτό το περιβάλλον δεν θα το αντιλαμβανόταν καθόλου ως απτή ουσία. Ο χώρος θα φαινόταν και θα ένιωθε εντελώς άδειος.

Παρά τα εκπληκτικά χαρακτηριστικά του υποθετικού μέσου, ο Αϊνστάιν είπε κάποτε ότι είχε κατασκευάσει ένα ικανοποιητικό μοντέλο του Σύμπαντος, στο οποίο διατηρείται μια ισορροπία μεταξύ της βαρυτικής έλξης και της κοσμικής απώθησης που ανακάλυψε. Με τη βοήθεια απλών υπολογισμών, ο Αϊνστάιν υπολόγισε το μέγεθος της κοσμικής δύναμης απώθησης που απαιτείται για την εξισορρόπηση της βαρύτητας στο σύμπαν. Μπόρεσε να επιβεβαιώσει ότι η απώθηση πρέπει να είναι τόσο μικρή μέσα στο Ηλιακό Σύστημα (και ακόμη και στην κλίμακα του Γαλαξία) που δεν μπορεί να ανιχνευθεί πειραματικά. Για λίγο, φαινόταν ότι το πανάρχαιο μυστήριο είχε λυθεί έξοχα.

Ωστόσο, στη συνέχεια η κατάσταση άλλαξε προς το χειρότερο. Πρώτα απ 'όλα, προέκυψε το πρόβλημα της σταθερότητας της ισορροπίας. Η βασική ιδέα του Αϊνστάιν βασίστηκε σε μια αυστηρή ισορροπία μεταξύ ελκτικών και απωστικών δυνάμεων. Όμως, όπως και σε πολλές άλλες περιπτώσεις αυστηρής ισορροπίας, έτσι και εδώ ήρθαν στο φως λεπτές λεπτομέρειες. Αν, για παράδειγμα, το στατικό σύμπαν του Αϊνστάιν επεκτείνονταν λίγο, τότε η βαρυτική έλξη (εξασθένηση με την απόσταση) θα μειωνόταν κάπως, ενώ η κοσμική δύναμη απώθησης (αυξανόμενη με την απόσταση) θα αυξανόταν ελαφρώς. Αυτό θα οδηγούσε σε μια ανισορροπία υπέρ των απωστικών δυνάμεων, που θα προκαλούσαν περαιτέρω απεριόριστη διαστολή του Σύμπαντος υπό την επίδραση μιας παντοδύναμης απώθησης. Αν, αντίθετα, το στατικό σύμπαν του Αϊνστάιν συστέλλονταν ελαφρά, τότε η βαρυτική δύναμη θα αυξανόταν και η δύναμη της κοσμικής απώθησης θα μειωνόταν, γεγονός που θα οδηγούσε σε ανισορροπία υπέρ των δυνάμεων έλξης και, ως αποτέλεσμα, σε όλο και πιο γρήγορη συστολή, και τελικά στην κατάρρευση που ο Αϊνστάιν νόμιζε ότι είχε αποφύγει. Έτσι, με την παραμικρή απόκλιση, η αυστηρή ισορροπία θα διαταράσσονταν και διαστημική καταστροφήθα ήταν αναπόφευκτη.

Αργότερα, το 1927, ο Χαμπλ ανακάλυψε την ύφεση των γαλαξιών (δηλαδή τη διαστολή του σύμπαντος), η οποία έκανε το πρόβλημα της ισορροπίας χωρίς νόημα. Έγινε σαφές ότι το σύμπαν δεν απειλείται από συμπίεση και κατάρρευση, αφού επεκτείνεται.Αν ο Αϊνστάιν δεν είχε αποσπαστεί από την αναζήτηση της δύναμης της κοσμικής απώθησης, σίγουρα θα είχε καταλήξει σε αυτό το συμπέρασμα θεωρητικά, προβλέποντας έτσι τη διαστολή του Σύμπαντος δέκα χρόνια πριν οι αστρονόμοι καταφέρουν να το ανακαλύψουν. Μια τέτοια πρόβλεψη θα έμενε αναμφίβολα στην ιστορία της επιστήμης ως μια από τις πιο εξαιρετικές (μια τέτοια πρόβλεψη έγινε με βάση την εξίσωση Αϊνστάιν το 1922-1923 από τον καθηγητή A. A. Fridman του Πανεπιστημίου της Πετρούπολης). Στο τέλος, ο Αϊνστάιν έπρεπε να αποκηρύξει με θλίψη την κοσμική απώθηση, την οποία αργότερα θεώρησε «το πιο μεγάλο λάθοςτην ίδια τη ζωή». Ωστόσο, η ιστορία δεν τελείωσε εκεί.

Ο Αϊνστάιν βρήκε την κοσμική απώθηση για να λύσει το ανύπαρκτο πρόβλημα ενός στατικού σύμπαντος. Αλλά, όπως συμβαίνει πάντα, ένα τζίνι από το μπουκάλι δεν μπορεί να ανατραπεί. Η ιδέα ότι η δυναμική του σύμπαντος, ίσως λόγω της αντιπαράθεσης μεταξύ των δυνάμεων της έλξης και της απώθησης, συνέχισε να ζει. Και παρόλο που οι αστρονομικές παρατηρήσεις δεν έδωσαν καμία απόδειξη για την ύπαρξη κοσμικής απώθησης, δεν μπορούσαν να αποδείξουν την απουσία της - θα μπορούσε απλώς να είναι πολύ αδύναμη για να εκδηλωθεί.

Οι εξισώσεις βαρυτικού πεδίου του Αϊνστάιν, αν και παραδέχονται την παρουσία απωστικής δύναμης, δεν επιβάλλουν περιορισμούς στο μέγεθός της. Διδασκόμενος από την πικρή εμπειρία, ο Αϊνστάιν είχε δίκιο να υποθέσει ότι το μέγεθος αυτής της δύναμης είναι αυστηρά ίσο με το μηδέν, εξαλείφοντας έτσι εντελώς την απώθηση. Ωστόσο, αυτό δεν ήταν σε καμία περίπτωση απαραίτητο. Ορισμένοι επιστήμονες θεώρησαν απαραίτητο να διατηρήσουν την απώθηση στις εξισώσεις, αν και αυτό δεν ήταν πλέον απαραίτητο από την άποψη του αρχικού προβλήματος. Αυτοί οι επιστήμονες πίστευαν ότι, ελλείψει κατάλληλων αποδεικτικών στοιχείων, δεν υπήρχε λόγος να πιστεύουμε ότι η απωστική δύναμη ήταν μηδενική.

Δεν ήταν δύσκολο να εντοπιστούν οι συνέπειες της διατήρησης της απωστικής δύναμης στο σενάριο ενός διαστελλόμενου σύμπαντος. Στα πρώτα στάδια ανάπτυξης, όταν το Σύμπαν βρίσκεται ακόμα σε συμπιεσμένη κατάσταση, η απώθηση μπορεί να παραμεληθεί. Κατά τη διάρκεια αυτής της φάσης, η βαρυτική έλξη επιβράδυνε τον ρυθμό διαστολής, με τον ίδιο σχεδόν τρόπο που η βαρύτητα της Γης επιβραδύνει έναν πύραυλο που εκτοξεύεται κάθετα προς τα πάνω. Εάν δεχτούμε χωρίς εξήγηση ότι η εξέλιξη του Σύμπαντος ξεκίνησε με μια ταχεία διαστολή, τότε η βαρύτητα θα πρέπει να μειώνει συνεχώς τον ρυθμό διαστολής στην τιμή που παρατηρείται αυτή τη στιγμή. Με την πάροδο του χρόνου, καθώς η ύλη διαχέεται, η βαρυτική αλληλεπίδραση εξασθενεί. Αντίθετα, η κοσμική απώθηση αυξάνεται καθώς οι γαλαξίες συνεχίζουν να απομακρύνονται ο ένας από τον άλλο. Τελικά, η απώθηση θα ξεπεράσει τη βαρυτική έλξη και ο ρυθμός διαστολής του Σύμπαντος θα αρχίσει να αυξάνεται ξανά. Από αυτό μπορούμε να συμπεράνουμε ότι το σύμπαν κυριαρχείται από κοσμική απώθηση και η διαστολή θα συνεχιστεί για πάντα.

Οι αστρονόμοι έχουν δείξει ότι αυτή η ασυνήθιστη συμπεριφορά του σύμπαντος, όταν η διαστολή πρώτα επιβραδύνεται και μετά επιταχύνεται ξανά, θα πρέπει να αντανακλάται στην παρατηρούμενη κίνηση των γαλαξιών. Αλλά με το πιο προσεκτικό αστρονομικές παρατηρήσειςδεν έχουν βρεθεί οριστικά στοιχεία για μια τέτοια συμπεριφορά, αν και κατά καιρούς έχουν προβληθεί αντεπιχειρήματα.

Είναι ενδιαφέρον ότι ο Ολλανδός αστρονόμος Willem de Sitter πρότεινε την ιδέα ενός διαστελλόμενου σύμπαντος ήδη από το 1916 - πολλά χρόνια πριν ο Hubble ανακαλύψει αυτό το φαινόμενο πειραματικά. Ο De Sitter υποστήριξε ότι εάν η συνηθισμένη ύλη αφαιρεθεί από το σύμπαν, τότε η βαρυτική έλξη θα εξαφανιστεί και οι απωστικές δυνάμεις θα κυριαρχήσουν στο διάστημα. Αυτό θα προκαλέσει τη διαστολή του σύμπαντος - εκείνη την εποχή ήταν μια καινοτόμος ιδέα.

Δεδομένου ότι ο παρατηρητής δεν είναι σε θέση να αντιληφθεί το παράξενο αόρατο αέριο μέσο με αρνητική πίεση, απλά θα του φανεί ότι ο κενός χώρος διαστέλλεται. Η διαστολή μπορούσε να ανιχνευθεί αν κρέμονται σώματα δοκιμών σε διάφορα σημεία και παρατηρώντας την απόστασή τους το ένα από το άλλο. Η ιδέα της επέκτασης του κενού χώρου θεωρήθηκε εκείνη την εποχή ως ένα είδος περιέργειας, αν και, όπως θα δούμε, ήταν ακριβώς αυτό που αποδείχθηκε προφητικό.

Τι συμπέρασμα λοιπόν μπορεί να εξαχθεί από αυτή την ιστορία; Το γεγονός ότι οι αστρονόμοι δεν ανιχνεύουν την κοσμική απώθηση δεν μπορεί ακόμη να χρησιμεύσει ως λογική απόδειξη της απουσίας της στη φύση. Είναι πιθανό ότι είναι απλώς πολύ αδύναμο για να εγγραφεί. σύγχρονες συσκευές. Η ακρίβεια της παρατήρησης είναι πάντα περιορισμένη, και επομένως μόνο το ανώτερο όριο αυτής της δύναμης μπορεί να εκτιμηθεί. Θα μπορούσε να αντιταχθεί σε αυτό ότι, από αισθητική άποψη, οι νόμοι της φύσης θα έμοιαζαν πιο απλοί απουσία κοσμικής απώθησης. Τέτοιες συζητήσεις κράτησαν πολλά χρόνια, χωρίς να οδηγήσουν σε ορισμένα αποτελέσματαώσπου ξαφνικά το πρόβλημα εξετάστηκε από μια εντελώς νέα οπτική γωνία, που του έδωσε μια απροσδόκητη συνάφεια.

Πληθωρισμός: Εξήγηση της Μεγάλης Έκρηξης

Στις προηγούμενες ενότητες, είπαμε ότι εάν υπάρχει μια κοσμική δύναμη απώθησης, τότε πρέπει να είναι πολύ αδύναμη, τόσο αδύναμη που να μην έχει καμία σημαντική επίδραση στη Μεγάλη Έκρηξη. Ωστόσο, αυτό το συμπέρασμα βασίζεται στην υπόθεση ότι το μέγεθος της απώθησης δεν αλλάζει με το χρόνο. Την εποχή του Αϊνστάιν, αυτή η άποψη συμμεριζόταν όλοι οι επιστήμονες, αφού η κοσμική απώθηση εισήχθη στη θεωρία «ανθρωπογενής». Ποτέ δεν πέρασε από το μυαλό σε κανέναν ότι η κοσμική απώθηση μπορούσε να κληθείάλλες φυσικές διεργασίες που προκύπτουν καθώς το σύμπαν διαστέλλεται. Εάν προβλεπόταν μια τέτοια πιθανότητα, τότε η κοσμολογία θα μπορούσε να αποδειχθεί διαφορετική. Συγκεκριμένα, δεν αποκλείεται το σενάριο της εξέλιξης του Σύμπαντος, αν υποτεθεί ότι στις ακραίες συνθήκες των πρώιμων σταδίων της εξέλιξης, η κοσμική απώθηση επικράτησε της βαρύτητας για κάποια στιγμή, προκαλώντας την έκρηξη του Σύμπαντος, μετά την οποία ο ρόλος του ουσιαστικά μειώθηκε στο μηδέν.

Αυτή η γενική εικόνα προκύπτει από πρόσφατες εργασίες σχετικά με τη συμπεριφορά της ύλης και των δυνάμεων στα πολύ πρώιμα στάδια της ανάπτυξης του σύμπαντος. Έγινε σαφές ότι η γιγάντια κοσμική απώθηση είναι το αναπόφευκτο αποτέλεσμα της Υπερδύναμης. Έτσι, η «αντιβαρύτητα» που πέρασε ο Αϊνστάιν από την πόρτα επέστρεψε από το παράθυρο!

Το κλειδί για την κατανόηση της νέας ανακάλυψης της κοσμικής απώθησης δίνεται από τη φύση του κβαντικού κενού. Είδαμε πώς μια τέτοια απώθηση μπορεί να οφείλεται σε ένα ασυνήθιστο αόρατο μέσο, ​​που δεν διακρίνεται από τον κενό χώρο, αλλά με αρνητική πίεση. Σήμερα, οι φυσικοί πιστεύουν ότι αυτές είναι οι ιδιότητες του κβαντικού κενού.

Στο Κεφάλαιο 7 σημειώθηκε ότι το κενό πρέπει να θεωρηθεί ως ένα είδος «ενζύμου» κβαντικής δραστηριότητας, γεμάτο εικονικά σωματίδια και κορεσμένα σύνθετες αλληλεπιδράσεις. Είναι πολύ σημαντικό να κατανοήσουμε ότι το κενό παίζει καθοριστικό ρόλο στο πλαίσιο της κβαντικής περιγραφής. Αυτό που ονομάζουμε σωματίδια είναι απλώς σπάνιες διαταραχές, όπως «φυσαλίδες» στην επιφάνεια μιας ολόκληρης θάλασσας δραστηριότητας.

Στα τέλη της δεκαετίας του 1970, έγινε φανερό ότι η ενοποίηση των τεσσάρων αλληλεπιδράσεων απαιτούσε μια πλήρη αναθεώρηση των ιδεών σχετικά με τη φυσική φύση του κενού. Η θεωρία υποθέτει ότι η ενέργεια του κενού δεν εκδηλώνεται με κανένα τρόπο αναμφισβήτητα. Με απλά λόγια, το κενό μπορεί να διεγείρεται και να βρίσκεται σε μία από τις πολλές καταστάσεις με πολύ διαφορετικές ενέργειες, όπως ένα άτομο μπορεί να διεγερθεί πηγαίνοντας σε υψηλότερα επίπεδα ενέργειας. Αυτά τα ιδιοκράτητο κενό - αν μπορούσαμε να τα παρατηρήσουμε - θα έμοιαζαν ακριβώς το ίδιο, αν και έχουν εντελώς διαφορετικές ιδιότητες.

Πρώτα απ 'όλα, η ενέργεια που περιέχεται στο κενό μέσα τεράστιες ποσότητεςρέει από τη μια κατάσταση στην άλλη. Στις Grand Unified Theories, για παράδειγμα, η διαφορά μεταξύ της χαμηλότερης και της υψηλότερης ενέργειας κενού είναι αφάνταστα μεγάλη. Για να έχουμε κάποια ιδέα της γιγαντιαίας κλίμακας αυτών των ποσοτήτων, ας υπολογίσουμε την ενέργεια που εκλύεται από τον Ήλιο σε όλη την περίοδο της ύπαρξής του (περίπου 5 δισεκατομμύρια χρόνια). Φανταστείτε ότι όλη αυτή η κολοσσιαία ποσότητα ενέργειας που εκπέμπεται από τον Ήλιο περιέχεται σε μια περιοχή του διαστήματος μικρότερη από το μέγεθος του Ηλιακού Συστήματος. Οι ενεργειακές πυκνότητες που επιτυγχάνονται σε αυτή την περίπτωση είναι κοντά στις ενεργειακές πυκνότητες που αντιστοιχούν στην κατάσταση κενού στο HWO.

Μαζί με τις εκπληκτικές ενεργειακές διαφορές, εξίσου γιγαντιαίες διαφορές πίεσης αντιστοιχούν σε διαφορετικές καταστάσεις κενού. Αλλά εδώ βρίσκεται το "κόλπο": όλες αυτές οι πιέσεις - αρνητικός.Το κβαντικό κενό συμπεριφέρεται ακριβώς όπως το προαναφερθέν υποθετικό κοσμικό απωστικό μέσο, ​​μόνο που αυτή τη φορά οι αριθμητικές τιμές της πίεσης είναι τόσο μεγάλες που η απώθηση είναι 10^120 φορές μεγαλύτερη από τη δύναμη που χρειαζόταν ο Αϊνστάιν για να διατηρήσει την ισορροπία σε ένα στατικό σύμπαν .

Ο δρόμος είναι πλέον ανοιχτός για να εξηγήσουμε τη Μεγάλη Έκρηξη. Ας υποθέσουμε ότι το Σύμπαν βρισκόταν στην αρχή σε μια διεγερμένη κατάσταση κενού, η οποία ονομάζεται "ψευδές" κενό. Σε αυτή την κατάσταση, υπήρχε μια κοσμική απώθηση στο Σύμπαν τέτοιου μεγέθους που θα είχε προκαλέσει την ασυγκράτητη και ταχεία διαστολή του Σύμπαντος. Ουσιαστικά, σε αυτή τη φάση το Σύμπαν θα αντιστοιχεί στο μοντέλο de Sitter που συζητήθηκε στην προηγούμενη ενότητα. Η διαφορά, ωστόσο, είναι ότι στον de Sitter το σύμπαν διαστέλλεται αθόρυβα σε αστρονομικά χρονοδιαγράμματα, ενώ η «φάση de Sitter» στην εξέλιξη του σύμπαντος από το «ψεύτικο» κβαντικό κενό στην πραγματικότητα απέχει πολύ από το να είναι ήσυχη. Ο όγκος του χώρου που καταλαμβάνει το Σύμπαν θα πρέπει σε αυτή την περίπτωση να διπλασιάζεται κάθε 10^-34 s (ή ένα χρονικό διάστημα της ίδιας τάξης).

Μια τέτοια υπερ-διαστολή του Σύμπαντος έχει μια σειρά ιδιαίτερα χαρακτηριστικά: όλες οι αποστάσεις αυξάνονται σύμφωνα με τον εκθετικό νόμο (ήδη συναντήσαμε την έννοια του εκθέτη στο Κεφάλαιο 4). Αυτό σημαίνει ότι κάθε 10^-34 δευτερόλεπτα όλες οι περιοχές του σύμπαντος διπλασιάζουν το μέγεθός τους, και στη συνέχεια αυτή η διαδικασία διπλασιασμού συνεχίζεται εκθετικά. Αυτός ο τύπος επέκτασης, που εξετάστηκε για πρώτη φορά το 1980. Ο Άλαν Γκουθ του MIT (Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Μασαχουσέτης, ΗΠΑ), αποκλήθηκε από τον ίδιο «πληθωρισμός». Ως αποτέλεσμα μιας εξαιρετικά γρήγορης και συνεχώς επιταχυνόμενης διαστολής, πολύ σύντομα θα αποδεικνυόταν ότι όλα τα μέρη του σύμπαντος πετούν χώρια, όπως σε μια έκρηξη. Και αυτό είναι το Big Bang!

Ωστόσο, με τον ένα ή τον άλλο τρόπο, αλλά η φάση του πληθωρισμού πρέπει να σταματήσει. Όπως σε όλα τα διεγερμένα κβαντικά συστήματα, το «ψεύτικο» κενό είναι ασταθές και τείνει να αποσυντεθεί. Όταν εμφανίζεται η αποσύνθεση, η απώθηση εξαφανίζεται. Αυτό, με τη σειρά του, οδηγεί στη διακοπή του πληθωρισμού και στη μετάβαση του σύμπαντος στη δύναμη της συνήθους βαρυτικής έλξης. Φυσικά, σε αυτή την περίπτωση το Σύμπαν θα συνέχιζε να διαστέλλεται λόγω της αρχικής ώθησης που αποκτήθηκε κατά την περίοδο του πληθωρισμού, αλλά ο ρυθμός διαστολής θα μειωνόταν σταθερά. Έτσι, το μόνο ίχνος που έχει διασωθεί μέχρι σήμερα από την κοσμική απώθηση είναι μια σταδιακή επιβράδυνση της διαστολής του Σύμπαντος.

Σύμφωνα με το «πληθωριστικό σενάριο», το Σύμπαν ξεκίνησε την ύπαρξή του από μια κατάσταση κενού, χωρίς ύλη και ακτινοβολία. Αλλά, ακόμα κι αν ήταν παρόντες από την αρχή, τα ίχνη τους θα χάνονταν γρήγορα λόγω μεγάλη ταχύτηταεπέκταση στη φάση του πληθωρισμού. Στο εξαιρετικά σύντομο χρονικό διάστημα που αντιστοιχεί σε αυτή τη φάση, η περιοχή του διαστήματος που καταλαμβάνεται από ολόκληρο το παρατηρήσιμο Σύμπαν σήμερα έχει αυξηθεί από το ένα δισεκατομμυριοστό του μεγέθους ενός πρωτονίου σε αρκετά εκατοστά. Η πυκνότητα οποιασδήποτε αρχικά υπάρχουσας ουσίας θα ήταν στην πραγματικότητα ίση με μηδέν.

Έτσι, στο τέλος της φάσης του πληθωρισμού, το σύμπαν ήταν άδειο και κρύο. Ωστόσο, όταν ο πληθωρισμός στέγνωσε, το σύμπαν έγινε ξαφνικά εξαιρετικά «ζεστό». Αυτή η έκρηξη θερμότητας που φώτισε το σύμπαν οφείλεται στα τεράστια αποθέματα ενέργειας που περιέχονται στο «ψεύτικο» κενό. Όταν η κατάσταση κενού κατέρρευσε, η ενέργειά της απελευθερώθηκε μορφή ακτινοβολίας, το οποίο θέρμανε αμέσως το Σύμπαν σε περίπου 10^27 K, το οποίο είναι αρκετό για να συμβούν οι διεργασίες στο HWO. Από εκείνη τη στιγμή, το Σύμπαν έχει εξελιχθεί σύμφωνα με την τυπική θεωρία της «καυτής» Μεγάλης Έκρηξης. Χάρη στη θερμική ενέργεια, προέκυψε η ύλη και η αντιύλη, τότε το Σύμπαν άρχισε να ψύχεται και όλα τα στοιχεία του που παρατηρούνται σήμερα άρχισαν σταδιακά να «παγώνουν».

Το δύσκολο πρόβλημα λοιπόν είναι τι προκάλεσε τη Μεγάλη Έκρηξη; - κατάφερε να λύσει χρησιμοποιώντας τη θεωρία του πληθωρισμού. ο κενός χώρος εξερράγη αυθόρμητα κάτω από την απώθηση που είναι εγγενής στο κβαντικό κενό. Ωστόσο, το μυστήριο παραμένει. Η κολοσσιαία ενέργεια της πρωτογενούς έκρηξης, η οποία πήγε στο σχηματισμό της ύλης και της ακτινοβολίας που υπάρχει στο Σύμπαν, έπρεπε να προέλθει από κάπου! Δεν θα μπορέσουμε να εξηγήσουμε την ύπαρξη του σύμπαντος μέχρι να βρούμε την πηγή της πρωτογενούς ενέργειας.

space bootstrap

Αγγλικά bootstrapμε την κυριολεκτική έννοια σημαίνει «δέσιμο», με μεταφορική έννοια σημαίνει αυτοσυνέπεια, απουσία ιεραρχίας στο σύστημα των στοιχειωδών σωματιδίων.

Το σύμπαν γεννήθηκε στη διαδικασία μιας γιγαντιαίας έκρηξης ενέργειας. Εξακολουθούμε να βρίσκουμε ίχνη του - αυτή είναι η θερμική ακτινοβολία υποβάθρου και η κοσμική ύλη (ιδίως, τα άτομα που αποτελούν αστέρια και πλανήτες), η οποία αποθηκεύει μια συγκεκριμένη ενέργεια με τη μορφή "μάζας". Ίχνη αυτής της ενέργειας εκδηλώνονται επίσης στην ύφεση των γαλαξιών και στη βίαιη δραστηριότητα των αστρονομικών αντικειμένων. Η πρωτογενής ενέργεια «ξεκίνησε την άνοιξη» του αναδυόμενου Σύμπαντος και συνεχίζει να το θέτει σε κίνηση μέχρι σήμερα.

Από πού προήλθε αυτή η ενέργεια, που έδωσε ζωή στο Σύμπαν μας; Σύμφωνα με τη θεωρία του πληθωρισμού, αυτή είναι η ενέργεια του κενού χώρου, με άλλα λόγια, το κβαντικό κενό. Μπορεί όμως μια τέτοια απάντηση να μας ικανοποιήσει πλήρως; Είναι φυσικό να ρωτάμε πώς το κενό απέκτησε ενέργεια.

Γενικά, ρωτώντας από πού προήλθε η ενέργεια, ουσιαστικά κάνουμε μια σημαντική υπόθεση για τη φύση αυτής της ενέργειας. Ένας από τους θεμελιώδεις νόμους της φυσικής είναι νόμος εξοικονόμησης ενέργειας,Διά του οποίου διάφορες μορφέςΟι ενέργειες μπορούν να αλλάξουν και να περάσουν η μία στην άλλη, αλλά η συνολική ποσότητα ενέργειας παραμένει αμετάβλητη.

Δεν είναι δύσκολο να δώσουμε παραδείγματα στα οποία μπορεί να επαληθευτεί η λειτουργία αυτού του νόμου. Ας υποθέσουμε ότι έχουμε έναν κινητήρα και μια παροχή καυσίμου, και ο κινητήρας χρησιμοποιείται για την κίνηση μιας ηλεκτρικής γεννήτριας, η οποία με τη σειρά της τροφοδοτεί τον θερμαντήρα. Κατά την καύση του καυσίμου, η χημική ενέργεια που αποθηκεύεται σε αυτό μετατρέπεται σε μηχανική, μετά σε ηλεκτρική και τέλος σε θερμότητα. Ή ας υποθέσουμε ότι ένας κινητήρας χρησιμοποιείται για την ανύψωση ενός φορτίου στην κορυφή ενός πύργου, μετά τον οποίο το φορτίο πέφτει ελεύθερα. όταν χτυπάτε στο έδαφος, απελευθερώνεται ακριβώς η ίδια ποσότητα θερμικής ενέργειας όπως στο παράδειγμα με μια θερμάστρα. Γεγονός είναι ότι, ανεξάρτητα από το πώς μεταφέρεται η ενέργεια ή πώς αλλάζει η μορφή της, προφανώς δεν μπορεί να δημιουργηθεί ή να καταστραφεί. Οι μηχανικοί χρησιμοποιούν αυτόν τον νόμο στην καθημερινή πρακτική.

Εάν η ενέργεια δεν μπορεί ούτε να δημιουργηθεί ούτε να καταστραφεί, τότε πώς προκύπτει η πρωτογενής ενέργεια; Δεν γίνεται μόνο με ένεση την πρώτη στιγμή (ένα είδος νέας αρχικής κατάστασης αποδεκτή από ad hoc)? Εάν ναι, γιατί το σύμπαν περιέχει αυτή την ποσότητα ενέργειας και όχι κάποια άλλη ποσότητα; Υπάρχουν περίπου 10^68 J (joules) ενέργειας στο παρατηρήσιμο Σύμπαν - γιατί όχι, ας πούμε, 10^99 ή 10^10000 ή οποιοσδήποτε άλλος αριθμός;

Η θεωρία του πληθωρισμού προσφέρει μια πιθανή επιστημονική εξήγηση για αυτό το παζλ. Σύμφωνα με αυτή τη θεωρία. Το Σύμπαν είχε αρχικά μια ενέργεια που ήταν στην πραγματικότητα ίση με το μηδέν και στα πρώτα 10^32 δευτερόλεπτα πέτυχε να ζωντανέψει ολόκληρη τη γιγαντιαία ποσότητα ενέργειας. Το κλειδί για την κατανόηση αυτού του θαύματος βρίσκεται στο αξιοσημείωτο γεγονός ότι ο νόμος της διατήρησης της ενέργειας με τη συνήθη έννοια Δεν εφαρμόζεταιστο διαστελλόμενο σύμπαν.

Μάλιστα, έχουμε ήδη συναντήσει ένα παρόμοιο γεγονός. Η κοσμολογική διαστολή οδηγεί σε μείωση της θερμοκρασίας του Σύμπαντος: κατά συνέπεια, η ενέργεια της θερμικής ακτινοβολίας, η οποία είναι τόσο μεγάλη στην πρωτογενή φάση, εξαντλείται και η θερμοκρασία πέφτει σε τιμές κοντά στο απόλυτο μηδέν. Πού πήγαν όλα αυτά θερμική ενέργεια? Κατά μία έννοια, χρησιμοποιήθηκε από το σύμπαν για να διασταλεί και παρείχε πίεση για να συμπληρώσει τη δύναμη της Μεγάλης Έκρηξης. Όταν ένα συνηθισμένο υγρό διαστέλλεται, η πίεση του προς τα έξω λειτουργεί χρησιμοποιώντας την ενέργεια του υγρού. Όταν ένα συνηθισμένο αέριο διαστέλλεται, η εσωτερική του ενέργεια δαπανάται για να κάνει εργασία. Σε πλήρη αντίθεση με αυτό, η κοσμική απώθηση είναι παρόμοια με τη συμπεριφορά ενός μέσου με αρνητικόςπίεση. Όταν ένα τέτοιο μέσο διαστέλλεται, η ενέργειά του δεν μειώνεται, αλλά αυξάνεται. Αυτό ακριβώς συνέβη κατά την περίοδο του πληθωρισμού, όταν η κοσμική απώθηση προκάλεσε την ταχεία διαστολή του Σύμπαντος. Καθ' όλη τη διάρκεια αυτής της περιόδου, η συνολική ενέργεια του κενού συνέχισε να αυξάνεται έως ότου, στο τέλος της περιόδου πληθωρισμού, έφτασε σε τεράστια τιμή. Μόλις τελείωσε η περίοδος του πληθωρισμού, όλη η αποθηκευμένη ενέργεια απελευθερώθηκε σε μια γιγαντιαία έκρηξη, προκαλώντας θερμότητα και ύλη σε όλη την κλίμακα της Μεγάλης Έκρηξης. Από εκείνο το σημείο άρχισε η συνηθισμένη διαστολή με θετική πίεση, ώστε η ενέργεια άρχισε να μειώνεται ξανά.

Η εμφάνιση της πρωτογενούς ενέργειας χαρακτηρίζεται από κάποιο είδος μαγείας. Το κενό με μια μυστηριώδη αρνητική πίεση, είναι προικισμένο, προφανώς, με απολύτως απίστευτες δυνατότητες. Αφενός δημιουργεί μια γιγαντιαία απωστική δύναμη που εξασφαλίζει την διαρκώς επιταχυνόμενη διαστολή του και αφετέρου η ίδια η διαστολή αναγκάζει την αύξηση της ενέργειας του κενού. Το κενό, στην ουσία, τρέφεται με ενέργεια σε τεράστιες ποσότητες. Έχει εσωτερική αστάθεια που εξασφαλίζει συνεχή επέκταση και απεριόριστη παραγωγή ενέργειας. Και μόνο η κβαντική διάσπαση ενός ψευδούς κενού βάζει ένα όριο σε αυτή την «κοσμική υπερβολή».

Το κενό εξυπηρετεί τη φύση ως ένα μαγικό, απύθμενο βάζο ενέργειας. Κατ' αρχήν, δεν υπάρχει όριο στην ποσότητα ενέργειας που θα μπορούσε να απελευθερωθεί κατά τη διάρκεια της πληθωριστικής επέκτασης. Αυτή η δήλωση σηματοδοτεί μια επανάσταση στην παραδοσιακή σκέψη με το παμπάλαιο «τίποτα δεν θα γεννηθεί από το τίποτα» (αυτό το ρητό χρονολογείται τουλάχιστον από την εποχή των Παρμενιδών, δηλαδή τον 5ο αιώνα π.Χ.). Η ιδέα της δυνατότητας «δημιουργίας» από το τίποτα, μέχρι πρόσφατα, ήταν εξ ολοκλήρου στην αρμοδιότητα των θρησκειών. Συγκεκριμένα, οι Χριστιανοί πίστευαν από καιρό ότι ο Θεός δημιούργησε τον κόσμο από το Τίποτα, αλλά η ιδέα της δυνατότητας αυθόρμητης εμφάνισης όλης της ύλης και της ενέργειας ως αποτέλεσμα καθαρά φυσικών διεργασιών θεωρήθηκε από τους επιστήμονες απολύτως απαράδεκτη πριν από δώδεκα χρόνια.

Όσοι δεν μπορούν εσωτερικά να συμβιβαστούν με την όλη έννοια της ανάδυσης του «κάτι» από το «τίποτα» έχουν την ευκαιρία να δουν διαφορετικά την ανάδυση της ενέργειας κατά τη διαστολή του Σύμπαντος. Δεδομένου ότι η συνηθισμένη βαρύτητα έχει τον χαρακτήρα της έλξης, προκειμένου να αφαιρεθούν μέρη της ύλης το ένα από το άλλο, είναι απαραίτητο να γίνει εργασία για να ξεπεραστεί η βαρύτητα που ενεργεί μεταξύ αυτών των μερών. Αυτό σημαίνει ότι η βαρυτική ενέργεια του συστήματος των σωμάτων είναι αρνητική. όταν προστίθενται νέα σώματα στο σύστημα, απελευθερώνεται ενέργεια και ως αποτέλεσμα, η βαρυτική ενέργεια γίνεται «ακόμα πιο αρνητική». Αν εφαρμόσουμε αυτό το σκεπτικό στο Σύμπαν στο στάδιο του πληθωρισμού, τότε είναι η εμφάνιση της θερμότητας και της ύλης που, όπως λέγαμε, «αντισταθμίζει» την αρνητική βαρυτική ενέργεια των σχηματισμένων μαζών. Σε αυτή την περίπτωση, η συνολική ενέργεια του Σύμπαντος στο σύνολό του είναι ίση με μηδέν και όχι νέα ενέργειαδεν συμβαίνει καθόλου! Μια τέτοια άποψη για τη διαδικασία της "δημιουργίας του κόσμου", φυσικά, είναι ελκυστική, αλλά δεν πρέπει να ληφθεί πολύ σοβαρά υπόψη, αφού γενικά η κατάσταση της έννοιας της ενέργειας σε σχέση με τη βαρύτητα αποδεικνύεται αμφίβολη.

Όλα όσα λέγονται εδώ για το κενό θυμίζουν πολύ την αγαπημένη ιστορία των φυσικών για ένα αγόρι που, έχοντας πέσει σε ένα βάλτο, τραβήχτηκε από τα δικά του κορδόνια. Το σύμπαν που δημιουργεί τον εαυτό του μοιάζει με αυτό το αγόρι - τραβάει επίσης τον εαυτό του με τα δικά του "δαντέλες" (αυτή η διαδικασία υποδηλώνεται με τον όρο "bootstrap"). Πράγματι, λόγω της δικής του φυσικής φύσης, το Σύμπαν διεγείρει από μόνο του όλη την ενέργεια που είναι απαραίτητη για τη «δημιουργία» και την «αναζωογόνηση» της ύλης και επίσης ξεκινά την έκρηξη που τη δημιουργεί. Αυτό είναι το space bootstrap. στην εκπληκτική του δύναμη οφείλουμε την ύπαρξή μας.

Πρόοδοι στη θεωρία του πληθωρισμού

Αφού ο Guth πρότεινε τη θεμελιώδη ιδέα ότι το σύμπαν υπέστη μια πρώιμη περίοδο εξαιρετικά γρήγορης διαστολής, έγινε σαφές ότι ένα τέτοιο σενάριο θα μπορούσε να εξηγήσει όμορφα πολλά χαρακτηριστικά της κοσμολογίας του Big Bang που προηγουμένως θεωρούνταν δεδομένα.

Σε μια από τις προηγούμενες ενότητες, συναντήσαμε πολύ παράδοξα υψηλός βαθμόςοργάνωση και συνοχή της πρωτογενούς έκρηξης. Ένα από τα σπουδαία παραδείγματα αυτού είναι η δύναμη της έκρηξης, η οποία αποδείχθηκε ότι ήταν ακριβώς «ταιριασμένη» στο μέγεθος της κοσμικής βαρύτητας, με αποτέλεσμα ο ρυθμός διαστολής του Σύμπαντος στην εποχή μας να είναι πολύ κοντά στον οριακή τιμή που διαχωρίζει τη συμπίεση (κατάρρευση) και την ταχεία διαστολή. Η αποφασιστική δοκιμασία του πληθωριστικού σεναρίου είναι ακριβώς αν προβλέπει μια Μεγάλη Έκρηξη μιας τέτοιας ακριβώς καθορισμένης δύναμης. Αποδεικνύεται ότι λόγω της εκθετικής διαστολής στη φάση του φουσκώματος (που είναι η πιο χαρακτηριστική του ιδιότητα), η δύναμη της έκρηξης εξασφαλίζει αυτόματα αυστηρά τη δυνατότητα υπέρβασης της ίδιας της βαρύτητας του Σύμπαντος. Ο πληθωρισμός μπορεί να οδηγήσει ακριβώς στον ρυθμό επέκτασης που παρατηρείται στην πραγματικότητα.

Ένα άλλο «μεγάλο μυστήριο» έχει να κάνει με την ομοιογένεια του σύμπαντος σε μεγάλη κλίμακα. Επιλύεται επίσης άμεσα με βάση τη θεωρία του πληθωρισμού. Οποιεσδήποτε αρχικές ανομοιογένειες στη δομή του σύμπαντος πρέπει οπωσδήποτε να διαγραφούν με μια μεγαλειώδη αύξηση του μεγέθους του, όπως ακριβώς οι ρυτίδες σε ένα ξεφουσκωμένο μπαλόνι εξομαλύνονται όταν φουσκώνει. Και ως αποτέλεσμα της αύξησης του μεγέθους των χωρικών περιοχών κατά περίπου 10^50 φορές, οποιαδήποτε αρχική διαταραχή γίνεται ασήμαντη.

Ωστόσο, θα ήταν λάθος να μιλήσουμε πλήρηςομοιογένεια. Για να καταστεί δυνατή η εμφάνιση των σύγχρονων γαλαξιών και σμηνών γαλαξιών, η δομή του πρώιμου σύμπαντος πρέπει να είχε κάποια «συσσωμάτωση». Αρχικά, οι αστρονόμοι ήλπιζαν ότι η ύπαρξη γαλαξιών θα μπορούσε να εξηγηθεί από τη συσσώρευση ύλης υπό την επίδραση της βαρυτικής έλξης μετά τη Μεγάλη Έκρηξη. Ένα νέφος αερίου πρέπει να συστέλλεται υπό τη δική του βαρύτητα, και στη συνέχεια να διασπαστεί σε μικρότερα θραύσματα, και αυτά, με τη σειρά τους, σε ακόμη μικρότερα, κ.ο.κ. Είναι πιθανό ότι η κατανομή του αερίου που προέκυψε ως αποτέλεσμα της Μεγάλης Έκρηξης ήταν εντελώς ομοιογενής, αλλά λόγω καθαρά τυχαίων διεργασιών, η πάχυνση και η αραίωση προέκυψαν εδώ και εκεί λόγω καθαρά τυχαίων διεργασιών. Η βαρύτητα ενίσχυσε περαιτέρω αυτές τις διακυμάνσεις, οδηγώντας στην ανάπτυξη περιοχών συμπύκνωσης και απορρόφησης πρόσθετης ύλης από αυτές. Στη συνέχεια, αυτές οι περιοχές συρρικνώθηκαν και διαδοχικά διαλύθηκαν, και οι μικρότερες συστάδες μετατράπηκαν σε αστέρια. Στο τέλος, προέκυψε μια ιεραρχία δομών: αστέρια ενώθηκαν σε ομάδες, αυτά σε γαλαξίες και περαιτέρω σε σμήνη γαλαξιών.

Δυστυχώς, αν δεν υπήρχαν εξαρχής ανομοιογένειες στο αέριο, τότε ένας τέτοιος μηχανισμός για την εμφάνιση γαλαξιών θα είχε λειτουργήσει σε χρόνο πολύ μεγαλύτερο από την ηλικία του Σύμπαντος. Γεγονός είναι ότι οι διαδικασίες συμπύκνωσης και κατακερματισμού συναγωνίστηκαν διαστολή του σύμπαντος, η οποία συνοδεύτηκε από διασπορά αερίων. Στην αρχική εκδοχή της θεωρίας του Big Bang, υποτίθεται ότι τα «μικρόβια» των γαλαξιών υπήρχαν αρχικά στη δομή του Σύμπαντος στην αρχή του. Επιπλέον, αυτές οι αρχικές ανομοιογένειες θα έπρεπε να είχαν αρκετά συγκεκριμένες διαστάσεις: όχι πολύ μικρές, διαφορετικά δεν θα είχαν σχηματιστεί ποτέ, αλλά όχι πολύ μεγάλες, διαφορετικά οι περιοχές υψηλής πυκνότηταςθα βιώσει απλώς την κατάρρευση, μετατρέποντας σε τεράστιες μαύρες τρύπες. Ταυτόχρονα, είναι εντελώς ακατανόητο γιατί οι γαλαξίες έχουν ακριβώς τέτοια μεγέθη ή γιατί ένας τέτοιος αριθμός γαλαξιών περιλαμβάνεται στο σμήνος.

Το πληθωριστικό σενάριο παρέχει μια πιο συνεπή εξήγηση για τη γαλαξιακή δομή. Η κύρια ιδέα είναι αρκετά απλή. Ο πληθωρισμός οφείλεται στο γεγονός ότι η κβαντική κατάσταση του Σύμπαντος είναι μια ασταθής κατάσταση ψευδούς κενού. Τελικά, αυτή η κατάσταση κενού διασπάται και η περίσσεια ενέργειά της μετατρέπεται σε θερμότητα και ύλη. Αυτή τη στιγμή, η κοσμική απώθηση εξαφανίζεται - και ο πληθωρισμός σταματά. Ωστόσο, η αποσύνθεση ενός ψευδούς κενού δεν συμβαίνει αυστηρά ταυτόχρονα σε όλο το χώρο. Όπως σε κάθε κβαντική διεργασία, οι ψευδείς ρυθμοί διάσπασης του κενού κυμαίνονται. Σε ορισμένες περιοχές του σύμπαντος, η αποσύνθεση συμβαίνει κάπως πιο γρήγορα από ό,τι σε άλλες. Σε αυτές τις περιοχές, ο πληθωρισμός θα τελειώσει νωρίτερα. Ως αποτέλεσμα, οι ανομοιογένειες διατηρούνται και στην τελική κατάσταση. Είναι πιθανό ότι αυτές οι ανομοιογένειες θα μπορούσαν να χρησιμεύσουν ως «μικρόβια» (κέντρα) βαρυτικής συστολής και, στο τέλος, να οδηγήσουν στο σχηματισμό γαλαξιών και των σμηνών τους. Η μαθηματική μοντελοποίηση του μηχανισμού των διακυμάνσεων έχει πραγματοποιηθεί, ωστόσο, με πολύ περιορισμένη επιτυχία. Κατά κανόνα, το αποτέλεσμα αποδεικνύεται πολύ μεγάλο και οι υπολογιζόμενες ανομοιογένειες είναι πολύ σημαντικές. Είναι αλήθεια ότι χρησιμοποιήθηκαν πολύ χονδροειδή μοντέλα και ίσως μια πιο λεπτή προσέγγιση θα ήταν πιο επιτυχημένη. Αν και η θεωρία απέχει πολύ από το να είναι ολοκληρωμένη, περιγράφει τουλάχιστον τη φύση του μηχανισμού που θα μπορούσε να οδηγήσει στο σχηματισμό γαλαξιών χωρίς την ανάγκη ειδικών αρχικών συνθηκών.

Στην εκδοχή του πληθωριστικού σεναρίου του Guth, το ψευδές κενό μετατρέπεται πρώτα σε μια «αληθινή» ή χαμηλότερης ενέργειας κατάσταση κενού, την οποία ταυτίζουμε με τον κενό χώρο. Η φύση αυτής της αλλαγής είναι αρκετά παρόμοια με μια μετάβαση φάσης (για παράδειγμα, από ένα αέριο σε ένα υγρό). Σε αυτήν την περίπτωση, σε ένα ψευδές κενό, θα σχηματίζονταν τυχαία φυσαλίδες ενός πραγματικού κενού, οι οποίες, διασταλόμενες με την ταχύτητα του φωτός, θα συλλάβουν όλες τις μεγάλες περιοχές του χώρου. Προκειμένου το ψευδές κενό να υπάρχει αρκετό καιρό ώστε ο πληθωρισμός να κάνει το «θαυματουργό» του έργο, αυτές οι δύο καταστάσεις πρέπει να χωρίζονται από ένα ενεργειακό φράγμα μέσω του οποίου πρέπει να συμβεί η «κβαντική σήραγγα» του συστήματος, παρόμοια με το πώς συμβαίνει με τα ηλεκτρόνια. (βλ. Κεφ.) . Ωστόσο, αυτό το μοντέλο έχει ένα σοβαρό μειονέκτημα: όλη η ενέργεια που απελευθερώνεται από το ψευδές κενό συγκεντρώνεται στα τοιχώματα των φυσαλίδων και δεν υπάρχει μηχανισμός για την ανακατανομή της σε όλη τη φυσαλίδα. Καθώς οι φυσαλίδες συγκρούονταν και συγχωνεύονταν, η ενέργεια τελικά θα συσσωρευόταν στα τυχαία αναμεμειγμένα στρώματα. Ως αποτέλεσμα, το σύμπαν θα περιέχει πολύ ισχυρές ανομοιογένειες και ολόκληρο το έργο του πληθωρισμού για τη δημιουργία ομοιομορφίας μεγάλης κλίμακας θα κατέρρεε.

Με περαιτέρω βελτίωση του πληθωριστικού σεναρίου, αυτές οι δυσκολίες ξεπεράστηκαν. ΣΤΟ νέα θεωρίαδεν υπάρχει σήραγγα μεταξύ δύο καταστάσεων κενού. Αντίθετα, οι παράμετροι επιλέγονται έτσι ώστε η διάσπαση του ψευδούς κενού να είναι πολύ αργή, και έτσι το σύμπαν να έχει αρκετό χρόνο για να φουσκώσει. Όταν ολοκληρωθεί η διάσπαση, η ψευδής ενέργεια κενού απελευθερώνεται σε ολόκληρο τον όγκο της «φυσαλίδας», η οποία θερμαίνεται γρήγορα έως και 10^27 K. Υποτίθεται ότι ολόκληρο το παρατηρήσιμο Σύμπαν περιέχεται σε μια τέτοια φυσαλίδα. Έτσι, σε εξαιρετικά μεγάλες κλίμακες, το σύμπαν μπορεί να είναι εξαιρετικά ακανόνιστο, αλλά η περιοχή που είναι προσβάσιμη στην παρατήρησή μας (και ακόμη πολύ μεγαλύτερα μέρη του σύμπαντος) βρίσκεται μέσα σε μια εντελώς ομοιογενή ζώνη.

Είναι περίεργο ότι ο Guth ανέπτυξε αρχικά την πληθωριστική θεωρία του για να λύσει ένα εντελώς διαφορετικό κοσμολογικό πρόβλημα - την απουσία μαγνητικών μονοπόλων στη φύση. Όπως φαίνεται στο Κεφάλαιο 9, η τυπική θεωρία της Μεγάλης Έκρηξης προβλέπει ότι στην πρωταρχική φάση της εξέλιξης του Σύμπαντος, τα μονόπολα θα πρέπει να προκύψουν σε περίσσεια. Μπορεί να συνοδεύονται από μονοδιάστατα και δισδιάστατα αντίστοιχά τους - παράξενα αντικείμενα που έχουν τον χαρακτήρα «χορδής» και «φύλλου». Το πρόβλημα ήταν να απαλλάξουμε το σύμπαν από αυτά τα «ανεπιθύμητα» αντικείμενα. Ο πληθωρισμός λύνει αυτόματα το πρόβλημα των μονοπόλων και άλλων παρόμοιων προβλημάτων, αφού η γιγάντια διαστολή του χώρου ουσιαστικά μειώνει την πυκνότητά τους στο μηδέν.

Αν και το πληθωριστικό σενάριο έχει αναπτυχθεί μόνο εν μέρει και είναι μόνο εύλογο, όχι περισσότερο, επέτρεψε τη διατύπωση μιας σειράς ιδεών που υπόσχονται να αλλάξουν αμετάκλητα το πρόσωπο της κοσμολογίας. Τώρα μπορούμε όχι μόνο να προσφέρουμε μια εξήγηση για την αιτία του Big Bang, αλλά και να αρχίσουμε να καταλαβαίνουμε γιατί ήταν τόσο «μεγάλο» και γιατί πήρε τέτοιο χαρακτήρα. Μπορούμε τώρα να αρχίσουμε να λύνουμε το ερώτημα πώς προέκυψε η μεγάλης κλίμακας ομοιογένεια του Σύμπαντος, και μαζί με αυτήν, οι παρατηρούμενες ανομοιογένειες μικρότερης κλίμακας (για παράδειγμα, γαλαξίες). Η αρχέγονη έκρηξη που δημιούργησε αυτό που ονομάζουμε σύμπαν δεν είναι πλέον ένα μυστήριο πέρα ​​από τη φυσική επιστήμη.

Το σύμπαν που δημιουργεί τον εαυτό του

Και όμως, παρά την τεράστια επιτυχία της πληθωριστικής θεωρίας στην εξήγηση της προέλευσης του σύμπαντος, το μυστήριο παραμένει. Πώς το σύμπαν κατέληξε αρχικά σε μια κατάσταση ψευδούς κενού; Τι συνέβη πριν από τον πληθωρισμό;

Μια συνεπής, απολύτως ικανοποιητική επιστημονική περιγραφή της προέλευσης του σύμπαντος θα πρέπει να εξηγήσει πώς προέκυψε ο ίδιος ο χώρος (ακριβέστερα ο χωροχρόνος), ο οποίος στη συνέχεια διογκώθηκε. Ορισμένοι επιστήμονες είναι έτοιμοι να παραδεχτούν ότι το διάστημα υπάρχει πάντα, άλλοι πιστεύουν ότι αυτό το ζήτημα είναι γενικά πέρα ​​από το πεδίο της επιστημονικής προσέγγισης. Και μόνο λίγοι ισχυρίζονται περισσότερα και είναι πεπεισμένοι ότι είναι απολύτως θεμιτό να τίθεται το ερώτημα πώς ο χώρος γενικά (και ένα ψευδές κενό ειδικότερα) θα μπορούσε κυριολεκτικά να προκύψει από το «τίποτα» ως αποτέλεσμα φυσικών διεργασιών που, κατ' αρχήν, μπορούν να μελετηθεί.

Όπως σημειώθηκε, μόλις πρόσφατα αμφισβητήσαμε την επίμονη πεποίθηση ότι «τίποτα δεν προέρχεται από το τίποτα». Το κοσμικό bootstrap είναι κοντά στη θεολογική έννοια της δημιουργίας του κόσμου από το τίποτα (ex nihilo).Χωρίς αμφιβολία, στον κόσμο γύρω μας, η ύπαρξη κάποιων αντικειμένων οφείλεται συνήθως στην παρουσία άλλων αντικειμένων. Έτσι, η Γη προέκυψε από το πρωτοηλιακό νεφέλωμα, το οποίο, με τη σειρά του, από γαλαξιακά αέρια κ.λπ. Αν τύχαινε να δούμε ένα αντικείμενο που εμφανίστηκε ξαφνικά «από το τίποτα», προφανώς θα το αντιλαμβανόμασταν ως θαύμα. για παράδειγμα, θα μας ξάφνιαζε αν ξαφνικά βρίσκαμε πολλά νομίσματα, μαχαίρια ή γλυκά σε ένα κλειδωμένο άδειο χρηματοκιβώτιο. ΣΤΟ Καθημερινή ζωήέχουμε συνηθίσει να γνωρίζουμε ότι όλα προκύπτουν από κάπου ή από κάτι.

Ωστόσο, δεν είναι όλα τόσο προφανή όταν πρόκειται για λιγότερο συγκεκριμένα πράγματα. Από τι προκύπτει, για παράδειγμα, ένας πίνακας; Φυσικά, αυτό απαιτεί πινέλο, μπογιές και καμβά, αλλά αυτά είναι απλά εργαλεία. Ο τρόπος με τον οποίο ζωγραφίζεται μια εικόνα - η επιλογή μορφής, χρώματος, υφής, σύνθεσης - δεν γεννιέται με πινέλα και χρώματα. Αυτό είναι το αποτέλεσμα της δημιουργικής φαντασίας του καλλιτέχνη.

Από πού προέρχονται οι σκέψεις και οι ιδέες; Οι σκέψεις, αναμφίβολα, είναι πραγματικές και, προφανώς, απαιτούν πάντα τη συμμετοχή του εγκεφάλου. Αλλά ο εγκέφαλος παρέχει μόνο την πραγματοποίηση των σκέψεων, και δεν είναι η αιτία τους. Από μόνος του, ο εγκέφαλος παράγει σκέψεις όχι περισσότερες από, για παράδειγμα, έναν υπολογιστή - υπολογισμούς. Οι σκέψεις μπορούν να προκληθούν από άλλες σκέψεις, αλλά αυτό δεν αποκαλύπτει τη φύση της ίδιας της σκέψης. Μπορούν να γεννηθούν κάποιες σκέψεις, αισθήσεις. η σκέψη γεννά μνήμη. Οι περισσότεροι καλλιτέχνες, ωστόσο, θεωρούν τη δουλειά τους ως αποτέλεσμα απροσδόκητοςέμπνευση. Αν αυτό είναι αλήθεια, τότε η δημιουργία ενός πίνακα - ή τουλάχιστον η γέννηση της ιδέας του - είναι απλώς ένα παράδειγμα γέννησης κάτι από το τίποτα.

Κι όμως, μπορούμε να θεωρήσουμε ότι τα φυσικά αντικείμενα και ακόμη και το Σύμπαν στο σύνολό του προκύπτουν από το τίποτα; Αυτή η τολμηρή υπόθεση συζητείται αρκετά σοβαρά, για παράδειγμα, στο επιστημονικά ιδρύματαΑνατολική Ακτή των Ηνωμένων Πολιτειών, όπου αναπτύσσονται αρκετοί θεωρητικοί φυσικοί και κοσμολόγοι μαθηματική συσκευή, που θα βοηθούσε να ανακαλύψουμε την πιθανότητα να γεννηθεί κάτι από το τίποτα. Αυτός ο κύκλος της ελίτ περιλαμβάνει τον Άλαν Γκουθ του MIT, τον Σίδνεϊ Κόλμαν του Πανεπιστημίου Χάρβαρντ, τον Άλεξ Βίλενκιν του Πανεπιστημίου Tufts, τον Εντ Τάιον και τον Χάιντς Πέιτζελς της Νέας Υόρκης. Όλοι πιστεύουν ότι με τη μία ή την άλλη έννοια «τίποτα δεν είναι ασταθές» και ότι το φυσικό σύμπαν αυθόρμητα «άνθισε από το τίποτα», που διέπεται μόνο από τους νόμους της φυσικής. «Τέτοιες ιδέες είναι καθαρά εικασιακές», παραδέχεται ο Guth, «αλλά σε ένα ορισμένο επίπεδο μπορεί να είναι σωστές... Μερικές φορές λέγεται ότι δεν υπάρχει δωρεάν γεύμα, αλλά το Σύμπαν, προφανώς, είναι ακριβώς ένα τέτοιο «δωρεάν γεύμα.

Σε όλες αυτές τις υποθέσεις, η κβαντική συμπεριφορά παίζει βασικό ρόλο. Όπως είπαμε στο Κεφάλαιο 2, το κύριο χαρακτηριστικό της κβαντικής συμπεριφοράς είναι η απώλεια μιας αυστηρής αιτιώδους σχέσης. Στην κλασική φυσική, η έκθεση της μηχανικής ακολουθούσε την αυστηρή τήρηση της αιτιότητας. Όλες οι λεπτομέρειες της κίνησης κάθε σωματιδίου ήταν αυστηρά προκαθορισμένες από τους νόμους της κίνησης. Θεωρήθηκε ότι η κίνηση είναι συνεχής και αυστηρά καθορισμένη από τις δρώντες δυνάμεις. Οι νόμοι της κίνησης σε Κυριολεκτικάενσωματώνουν τη σχέση μεταξύ αιτίας και αποτελέσματος. Το σύμπαν θεωρήθηκε ως ένας γιγαντιαίος ρολόι, του οποίου η συμπεριφορά ρυθμίζεται αυστηρά από αυτό που συμβαίνει αυτή τη στιγμή. Ήταν η πίστη σε μια τόσο περιεκτική και απολύτως αυστηρή αιτιότητα που ώθησε τον Pierre Laplace να υποστηρίξει ότι ένας υπερ-ισχυρός υπολογιστής είναι ικανός, κατ' αρχήν, να προβλέψει, με βάση τους νόμους της μηχανικής, τόσο την ιστορία όσο και τη μοίρα του σύμπαν. Σύμφωνα με αυτή την άποψη, το σύμπαν είναι καταδικασμένο να ακολουθεί την προδιαγεγραμμένη πορεία του για πάντα.

Η κβαντική φυσική έχει καταστρέψει το μεθοδικό αλλά άκαρπο σχήμα της Λαπλάκας. Οι φυσικοί έχουν πειστεί ότι, σε ατομικό επίπεδο, η ύλη και η κίνησή της είναι αβέβαιες και απρόβλεπτες. Τα σωματίδια μπορεί να συμπεριφέρονται «τρελά», σαν να αντιστέκονται σε αυστηρά καθορισμένες κινήσεις, να εμφανίζονται ξαφνικά στα πιο απροσδόκητα μέρη χωρίς προφανή λόγο και μερικές φορές να εμφανίζονται και να εξαφανίζονται «χωρίς προειδοποίηση».

Ο κβαντικός κόσμος δεν είναι εντελώς απαλλαγμένος από αιτιότητα, αλλά εκδηλώνεται μάλλον αναποφασιστικά και διφορούμενα. Για παράδειγμα, εάν ένα άτομο βρίσκεται σε διεγερμένη κατάσταση ως αποτέλεσμα σύγκρουσης με ένα άλλο άτομο, συνήθως επιστρέφει γρήγορα στην κατάσταση με τη χαμηλότερη ενέργεια, εκπέμποντας ένα φωτόνιο στη διαδικασία. Η εμφάνιση ενός φωτονίου είναι, φυσικά, συνέπεια του γεγονότος ότι το άτομο έχει προηγουμένως περάσει σε διεγερμένη κατάσταση. Μπορούμε να πούμε με βεβαιότητα ότι ήταν η διέγερση που οδήγησε στην εμφάνιση του φωτονίου και με αυτή την έννοια διατηρείται η σύνδεση αιτίας και αποτελέσματος. Ωστόσο, η πραγματική στιγμή εμφάνισης ενός φωτονίου είναι απρόβλεπτη: ένα άτομο μπορεί να το εκπέμψει ανά πάσα στιγμή. Οι φυσικοί είναι σε θέση να υπολογίσουν τον πιθανό, ή τον μέσο όρο, χρόνο εμφάνισης ενός φωτονίου, αλλά σε κάθε δεδομένη περίπτωση είναι αδύνατο να προβλεφθεί η στιγμή που θα συμβεί αυτό το γεγονός. Προφανώς, για να χαρακτηρίσουμε μια τέτοια κατάσταση, είναι καλύτερο να πούμε ότι η διέγερση ενός ατόμου δεν οδηγεί τόσο στην εμφάνιση ενός φωτονίου όσο στο να το «σπρώχνει» προς το μέρος του.

Έτσι, ο κβαντικός μικρόκοσμος δεν μπλέκεται σε έναν πυκνό ιστό αιτιακών σχέσεων, αλλά παρόλα αυτά «ακούει» πολυάριθμες διακριτικές εντολές και προτάσεις. Στο παλιό σχήμα του Νεύτωνα, η δύναμη, όπως ήταν, στράφηκε προς το αντικείμενο με μια αναπάντητη εντολή: «Μετακίνηση!». Στην κβαντική φυσική, η σχέση μεταξύ δύναμης και αντικειμένου βασίζεται σε μια πρόσκληση και όχι σε μια εντολή.

Γιατί βρίσκουμε την ιδέα της ξαφνικής γέννησης ενός αντικειμένου «από το τίποτα» τόσο απαράδεκτη; Τι μας κάνει λοιπόν να σκεφτόμαστε θαύματα και υπερφυσικά φαινόμενα; Ίσως το όλο θέμα είναι να είσαι παράξενος. παρόμοιες εκδηλώσεις: Στην καθημερινή ζωή δεν συναντάμε ποτέ την παράλογη εμφάνιση αντικειμένων. Όταν, για παράδειγμα, ένας μάγος βγάζει ένα κουνέλι από το καπέλο, ξέρουμε ότι μας κοροϊδεύουν.

Ας υποθέσουμε ότι ζούμε πραγματικά σε έναν κόσμο όπου αντικείμενα εμφανίζονται «από το πουθενά» κατά καιρούς, χωρίς λόγο και με εντελώς απρόβλεπτο τρόπο. Μόλις συνηθίσουμε σε τέτοια φαινόμενα, θα πάψαμε να μας εκπλήσσει. Η αυθόρμητη γέννηση θα γινόταν αντιληπτή ως μια από τις ιδιοτροπίες της φύσης. Ίσως, σε έναν τέτοιο κόσμο, δεν θα χρειαζόταν πλέον να τεντώνουμε την ευπιστία μας για να φανταστούμε την ξαφνική εμφάνιση ολόκληρου του φυσικού σύμπαντος από το τίποτα.

Αυτός ο φανταστικός κόσμος ουσιαστικά δεν είναι τόσο διαφορετικός από τον πραγματικό. Αν μπορούσαμε να αντιληφθούμε άμεσα τη συμπεριφορά των ατόμων μέσω των αισθήσεών μας (και όχι με τη μεσολάβηση ειδικών οργάνων), θα έπρεπε συχνά να παρατηρούμε αντικείμενα να εμφανίζονται και να εξαφανίζονται χωρίς σαφώς καθορισμένους λόγους.

Το φαινόμενο που πλησιάζει περισσότερο στη «γέννηση από το τίποτα» εμφανίζεται σε ένα αρκετά ισχυρό ηλεκτρικό πεδίο. Σε μια κρίσιμη τιμή της έντασης του πεδίου, τα ηλεκτρόνια και τα ποζιτρόνια αρχίζουν να εμφανίζονται «από το τίποτα» με εντελώς τυχαίο τρόπο. Οι υπολογισμοί δείχνουν ότι κοντά στην επιφάνεια του πυρήνα του ουρανίου, η ένταση του ηλεκτρικού πεδίου είναι αρκετά κοντά στο όριο πέρα ​​από το οποίο συμβαίνει αυτό το φαινόμενο. Αν υπήρχαν ατομικούς πυρήνεςπου περιέχει 200 ​​πρωτόνια (υπάρχουν 92 από αυτά στον πυρήνα του ουρανίου), τότε θα συμβεί αυθόρμητη γέννηση ηλεκτρονίων και ποζιτρονίων. Δυστυχώς, ένας πυρήνας με τόσο μεγάλο αριθμό πρωτονίων φαίνεται να γίνεται εξαιρετικά ασταθής, αλλά αυτό δεν είναι απολύτως βέβαιο.

Η αυθόρμητη παραγωγή ηλεκτρονίων και ποζιτρονίων σε ένα ισχυρό ηλεκτρικό πεδίο μπορεί να θεωρηθεί ως ένα ειδικό είδος ραδιενέργειας, όταν η διάσπαση βιώνει κενό χώρο, κενό. Έχουμε ήδη μιλήσει για τη μετάβαση από τη μια κατάσταση κενού σε μια άλλη ως αποτέλεσμα της αποσύνθεσης. Σε αυτή την περίπτωση, το κενό διασπάται, μετατρέποντας σε μια κατάσταση στην οποία υπάρχουν σωματίδια.

Αν και η αποσύνθεση του χώρου που προκαλείται από ένα ηλεκτρικό πεδίο είναι δύσκολο να κατανοηθεί, μια παρόμοια διαδικασία υπό την επίδραση της βαρύτητας θα μπορούσε κάλλιστα να συμβεί στη φύση. Κοντά στην επιφάνεια των μαύρων τρυπών, η βαρύτητα είναι τόσο ισχυρή που το κενό βρίθει από συνεχώς γεννημένα σωματίδια. Αυτή είναι η διάσημη ακτινοβολία μαύρης τρύπας που ανακάλυψε ο Στίβεν Χόκινγκ. Τελικά, είναι η βαρύτητα που είναι υπεύθυνη για τη γέννηση αυτής της ακτινοβολίας, αλλά δεν μπορεί να ειπωθεί ότι αυτό συμβαίνει «με την παλιά νευτώνεια έννοια»: δεν μπορούμε να πούμε ότι κάποιο συγκεκριμένο σωματίδιο θα πρέπει να εμφανίζεται σε ένα συγκεκριμένο μέρος σε μια συγκεκριμένη χρονική στιγμή ως αποτέλεσμα της δράσης των βαρυτικών δυνάμεων . Σε κάθε περίπτωση, καθώς η βαρύτητα είναι μόνο μια καμπυλότητα του χωροχρόνου, μπορεί να ειπωθεί ότι ο χωροχρόνος προκαλεί τη γέννηση της ύλης.

Η αυθόρμητη ανάδυση της ύλης από τον κενό χώρο αναφέρεται συχνά ως γέννηση «από το τίποτα», η οποία είναι κοντά στο πνεύμα της γέννησης. ex nihiloστο χριστιανικό δόγμα. Ωστόσο, για έναν φυσικό, ο κενός χώρος δεν είναι καθόλου «τίποτα», αλλά ένα πολύ ουσιαστικό μέρος του φυσικού Σύμπαντος. Αν πάλι θέλουμε να απαντήσουμε στο ερώτημα πώς δημιουργήθηκε το σύμπαν, τότε δεν αρκεί να υποθέσουμε ότι ο κενός χώρος υπήρχε από την αρχή. Είναι απαραίτητο να εξηγήσουμε από πού προήλθε αυτός ο χώρος. σκέψη της γέννησης ο ίδιος ο χώροςΜπορεί να φαίνεται περίεργο, αλλά κατά μία έννοια συμβαίνει όλη την ώρα γύρω μας. Η διαστολή του σύμπαντος δεν είναι παρά η συνεχής «διόγκωση» του διαστήματος. Κάθε μέρα, η περιοχή του σύμπαντος που είναι προσβάσιμη στα τηλεσκόπια μας αυξάνεται κατά 10 ^ 18 κυβικά έτη φωτός. Από πού προέρχεται αυτός ο χώρος; Η αναλογία καουτσούκ είναι χρήσιμη εδώ. Εάν τραβήξετε το ελαστικό λάστιχο, "μεγαλώνει". Το διάστημα μοιάζει με υπερελαστικότητα καθώς, από όσο γνωρίζουμε, μπορεί να τεντώνεται επ' αόριστον χωρίς να σχίζεται.

Το τέντωμα και η καμπυλότητα του χώρου μοιάζει με την παραμόρφωση ενός ελαστικού σώματος στο ότι η «κίνηση» του χώρου συμβαίνει σύμφωνα με τους νόμους της μηχανικής με τον ίδιο ακριβώς τρόπο όπως η κίνηση της συνηθισμένης ύλης. Σε αυτή την περίπτωση, αυτοί είναι οι νόμοι της βαρύτητας. κβαντική θεωρία σε εξίσουισχύει τόσο για την ύλη όσο και για το χώρο και τον χρόνο. Σε προηγούμενα κεφάλαια, έχουμε πει ότι η κβαντική βαρύτητα θεωρείται ως ένα απαραίτητο βήμα στην αναζήτηση της Υπερδύναμης. Σε αυτό το πλαίσιο, προκύπτει μια περίεργη πιθανότητα. εάν, σύμφωνα με κβαντική θεωρία, τα σωματίδια της ύλης μπορούν να προκύψουν «από το τίποτα», τότε, σε σχέση με τη βαρύτητα, δεν θα περιγράψει την ανάδυση «από το τίποτα» και το διάστημα; Αν συμβεί αυτό, τότε δεν είναι η γέννηση του Σύμπαντος πριν από 18 δισεκατομμύρια χρόνια ένα παράδειγμα ακριβώς μιας τέτοιας διαδικασίας;

Δωρεάν γεύμα?

Η κύρια ιδέα της κβαντικής κοσμολογίας είναι η εφαρμογή της κβαντικής θεωρίας στο σύμπαν ως σύνολο: στον χωροχρόνο και την ύλη. οι θεωρητικοί παίρνουν αυτή την ιδέα ιδιαίτερα σοβαρά. Με την πρώτη ματιά, εδώ υπάρχει μια αντίφαση: η κβαντική φυσική ασχολείται με τα μικρότερα συστήματα, ενώ η κοσμολογία τα μεγαλύτερα. Ωστόσο, το σύμπαν κάποτε περιοριζόταν επίσης σε πολύ μικρό μέγεθος, και ως εκ τούτου τα κβαντικά φαινόμενα ήταν εξαιρετικά σημαντικά τότε. Τα αποτελέσματα των υπολογισμών δείχνουν ότι οι κβαντικοί νόμοι θα πρέπει να ληφθούν υπόψη στην εποχή του GUT (10^-32 s) και στην εποχή του Planck (10^-43 s) θα πρέπει πιθανώς να διαδραματίσουν καθοριστικό ρόλο. Σύμφωνα με ορισμένους θεωρητικούς (για παράδειγμα, ο Vilenkin), μεταξύ αυτών των δύο εποχών υπήρξε μια χρονική στιγμή που εμφανίστηκε το Σύμπαν. Σύμφωνα με τον Sydney Coleman, έχουμε κάνει ένα κβαντικό άλμα από το τίποτα στον χρόνο. Προφανώς, ο χωροχρόνος είναι κατάλοιπο αυτής της εποχής. Το κβαντικό άλμα για το οποίο μιλάει ο Coleman μπορεί να θεωρηθεί ως ένα είδος «διαδικασίας σήραγγας». Σημειώσαμε ότι στην αρχική εκδοχή της θεωρίας του πληθωρισμού, η κατάσταση ψευδούς κενού έπρεπε να περάσει μέσα από το ενεργειακό φράγμα στην πραγματική κατάσταση κενού. Ωστόσο, στην περίπτωση της αυθόρμητης ανάδυσης του κβαντικού σύμπαντος «από το τίποτα», η διαίσθησή μας φτάνει στο όριο των δυνατοτήτων της. Το ένα άκρο της σήραγγας αντιπροσωπεύει το φυσικό σύμπαν στον χώρο και τον χρόνο, το οποίο φτάνει εκεί με κβαντική σήραγγα «από το τίποτα». Επομένως, η άλλη άκρη του τούνελ είναι αυτό ακριβώς το Τίποτα! Ίσως θα ήταν καλύτερο να πούμε ότι το τούνελ έχει μόνο το ένα άκρο και το άλλο απλά «δεν υπάρχει».

Η κύρια δυσκολία αυτών των προσπαθειών να εξηγηθεί η προέλευση του Σύμπαντος έγκειται στην περιγραφή της διαδικασίας γέννησής του από μια κατάσταση ψευδούς κενού. Εάν ο νεοεμφανιζόμενος χωροχρόνος βρισκόταν σε κατάσταση πραγματικού κενού, τότε ο πληθωρισμός δεν θα μπορούσε ποτέ να συμβεί. Η μεγάλη έκρηξη θα μειωνόταν σε μια αδύναμη έκρηξη και ο χωροχρόνος θα έπαυε να υπάρχει ξανά μια στιγμή αργότερα - θα καταστρεφόταν από τις ίδιες τις κβαντικές διεργασίες λόγω των οποίων προέκυψε αρχικά. Εάν το Σύμπαν δεν είχε βρεθεί σε μια κατάσταση ψευδούς κενού, δεν θα είχε εμπλακεί ποτέ στο κοσμικό bootstrap και δεν θα είχε υλοποιήσει την απατηλή ύπαρξή του. Ίσως προτιμάται η κατάσταση ψευδούς κενού λόγω του χαρακτηριστικού της ακραίες συνθήκες. Για παράδειγμα, εάν το σύμπαν ξεκίνησε σε αρκετά υψηλή αρχική θερμοκρασία και στη συνέχεια κρυώσει, τότε θα μπορούσε ακόμη και να «προσαράξει» σε ψευδές κενό, αλλά μέχρι στιγμής πολλά τεχνικά ερωτήματα αυτού του τύπου παραμένουν άλυτα.

Αλλά όποια κι αν είναι η πραγματικότητα αυτών των θεμελιωδών προβλημάτων, το σύμπαν πρέπει να δημιουργηθεί με τον ένα ή τον άλλο τρόπο, και η κβαντική φυσική είναι ο μόνος κλάδος της επιστήμης στον οποίο έχει νόημα να μιλάμε για ένα γεγονός που συμβαίνει χωρίς προφανή λόγο. Αν μιλάμε για χωροχρόνο, τότε σε κάθε περίπτωση δεν έχει νόημα να μιλάμε για αιτιότητα με τη συνήθη έννοια. Συνήθως η έννοια της αιτιότητας είναι στενά συνδεδεμένη με την έννοια του χρόνου και επομένως οποιεσδήποτε σκέψεις σχετικά με τις διαδικασίες εμφάνισης του χρόνου ή την «έξοδό του από την ανυπαρξία» πρέπει να βασίζονται σε μια ευρύτερη ιδέα της αιτιότητας.

Εάν ο χώρος είναι πραγματικά δεκαδιάστατος, τότε η θεωρία θεωρεί ότι και οι δέκα διαστάσεις είναι αρκετά ίσες στα πρώτα στάδια. Είναι ελκυστικό να συσχετίσουμε το φαινόμενο του πληθωρισμού με την αυθόρμητη συμπύκνωση (δίπλωμα) επτά στις δέκα διαστάσεις. Σύμφωνα με αυτό το σενάριο, ο «κινητήριος μοχλός» του πληθωρισμού είναι ένα υποπροϊόν αλληλεπιδράσεων που εκδηλώνονται μέσω πρόσθετων διαστάσεων του χώρου. Επιπλέον, ο δεκαδιάστατος χώρος θα μπορούσε φυσικά να εξελιχθεί με τέτοιο τρόπο ώστε κατά τη διάρκεια του πληθωρισμού, τρεις χωρικές διαστάσεις να αναπτύσσονται έντονα σε βάρος των άλλων επτά, οι οποίες, αντίθετα, συρρικνώνονται, γίνονται αόρατες; Έτσι, η κβαντική μικροφυσαλίδα του δεκαδιάστατου χώρου συμπιέζεται, και λόγω αυτού, διογκώνονται τρεις διαστάσεις, σχηματίζοντας το Σύμπαν: οι υπόλοιπες επτά διαστάσεις παραμένουν στην αιχμαλωσία του μικρόκοσμου, από όπου εμφανίζονται μόνο έμμεσα - στη μορφή των αλληλεπιδράσεων. Αυτή η θεωρία φαίνεται πολύ ελκυστική.

Παρά το γεγονός ότι υπάρχει ακόμη πολλή δουλειά για τους θεωρητικούς να μελετήσουν τη φύση του πολύ πρώιμου Σύμπαντος, είναι ήδη δυνατό να δοθεί μια γενική περιγραφή των γεγονότων που είχαν ως αποτέλεσμα το Σύμπαν να γίνει παρατηρήσιμο σήμερα. Στην αρχή, το Σύμπαν προέκυψε αυθόρμητα «από το τίποτα». Χάρη στην ικανότητα της κβαντικής ενέργειας να χρησιμεύει ως ένα είδος ενζύμου, οι φυσαλίδες του κενού χώρου θα μπορούσαν να φουσκώσουν με ολοένα αυξανόμενο ρυθμό, δημιουργώντας τεράστια αποθέματα ενέργειας χάρη στο bootstrap. Αυτό το ψεύτικο κενό, γεμάτο με αυτοπαραγόμενη ενέργεια, αποδείχθηκε ασταθές και άρχισε να αποσυντίθεται, απελευθερώνοντας ενέργεια με τη μορφή θερμότητας, έτσι ώστε κάθε φούσκα να γεμίζει με ύλη που αναπνέει φωτιά (βολίδα). Το φούσκωμα (φούσκωμα) των φυσαλίδων σταμάτησε, αλλά άρχισε το Big Bang. Στο «ρολόι» του Σύμπαντος εκείνη τη στιγμή ήταν 10^-32 s.

Από μια τέτοια βολίδα προέκυψε όλη η ύλη και όλα τα φυσικά αντικείμενα. Καθώς το διαστημικό υλικό ψύχθηκε, βίωσε διαδοχικά μεταβάσεις φάσης. Με κάθε μία από τις μεταβάσεις, όλο και περισσότερες διαφορετικές δομές «παγώνονταν» από το πρωτεύον άμορφο υλικό. Μία προς μία, οι αλληλεπιδράσεις χώρισαν η μία από την άλλη. Βήμα προς βήμα, τα αντικείμενα που τώρα ονομάζουμε υποατομικά σωματίδια απέκτησαν τα σημερινά χαρακτηριστικά τους. Καθώς η σύνθεση της «κοσμικής σούπας» γινόταν όλο και πιο περίπλοκη, οι μεγάλης κλίμακας παρατυπίες που είχαν απομείνει από την εποχή του πληθωρισμού μετατράπηκαν σε γαλαξίες. Στη διαδικασία περαιτέρω σχηματισμού δομών και απομόνωσης διάφορα είδηύλη, το σύμπαν έπαιρνε όλο και πιο οικείες μορφές. το καυτό πλάσμα συμπυκνώθηκε σε άτομα, σχηματίζοντας αστέρια, πλανήτες και, τελικά, ζωή. Έτσι το Σύμπαν «συνειδητοποίησε» τον εαυτό του.

Ουσία, ενέργεια, χώρος, χρόνος, αλληλεπιδράσεις, πεδία, τάξη και δομή - Ολοιαυτές οι έννοιες, δανεισμένες από τον «τιμοκατάλογο του δημιουργού», χρησιμεύουν ως αναπόσπαστα χαρακτηριστικά του σύμπαντος. Νέα φυσικήανοίγει τη δελεαστική δυνατότητα μιας επιστημονικής εξήγησης της προέλευσης όλων αυτών των πραγμάτων. Δεν χρειάζεται πλέον να τα εισάγουμε συγκεκριμένα «χειροκίνητα» από την αρχή. Μπορούμε να δούμε πώς μπορούν να εμφανιστούν όλες οι θεμελιώδεις ιδιότητες του φυσικού κόσμου αυτομάτωςως συνέπεια των νόμων της φυσικής, χωρίς να χρειάζεται να υποθέσουμε την ύπαρξη πολύ ειδικών αρχικών συνθηκών. Η νέα κοσμολογία ισχυρίζεται ότι η αρχική κατάσταση του σύμπαντος δεν παίζει κανένα ρόλο, αφού όλες οι πληροφορίες σχετικά με αυτόν έχουν διαγραφεί κατά τη διάρκεια του πληθωρισμού. Το Σύμπαν που παρατηρούμε φέρει μόνο τα αποτυπώματα εκείνων των φυσικών διεργασιών που έχουν λάβει χώρα από την αρχή του πληθωρισμού.

Για χιλιάδες χρόνια, η ανθρωπότητα πίστευε ότι «τίποτα δεν θα γεννηθεί από το τίποτα». Σήμερα μπορούμε να πούμε ότι όλα προήλθαν από το τίποτα. Δεν χρειάζεται να «πληρώσετε» για το Σύμπαν - είναι απολύτως ένα «δωρεάν γεύμα».

Σύμφωνα με αυτή τη θεωρία, το Σύμπαν εμφανίστηκε με τη μορφή μιας καυτής δέσμης υπερπυκνής ύλης, μετά την οποία άρχισε να διαστέλλεται και να ψύχεται. Στο πρώτο κιόλας στάδιο της εξέλιξης, το Σύμπαν βρισκόταν σε υπερπυκνή κατάσταση και ήταν ένα πλάσμα -γλουονίων. Εάν τα πρωτόνια και τα νετρόνια συγκρούονταν και σχημάτιζαν βαρύτερους πυρήνες, ο χρόνος ύπαρξής τους ήταν αμελητέος. Στην επόμενη σύγκρουση με οποιοδήποτε γρήγορο σωματίδιο, διασπάστηκαν αμέσως σε στοιχειώδη συστατικά.

Πριν από περίπου 1 δισεκατομμύριο χρόνια, άρχισε ο σχηματισμός των γαλαξιών, εκείνη τη στιγμή το Σύμπαν άρχισε να μοιάζει πολύ με αυτό που μπορούμε να δούμε τώρα. 300.000 χρόνια μετά το Big Bang, είχε κρυώσει τόσο πολύ που τα ηλεκτρόνια συγκρατήθηκαν σταθερά από τους πυρήνες, με αποτέλεσμα να εμφανιστούν σταθερά άτομα που δεν διασπώνται αμέσως μετά τη σύγκρουση με άλλον πυρήνα.

Σχηματισμός σωματιδίων

Ο σχηματισμός σωματιδίων ξεκίνησε ως αποτέλεσμα της διαστολής του σύμπαντος. Η περαιτέρω ψύξη του οδήγησε στο σχηματισμό πυρήνων ηλίου, που προέκυψε ως αποτέλεσμα της πρωτογενούς πυρηνοσύνθεσης. Έπρεπε να περάσουν περίπου τρία λεπτά από τη Μεγάλη Έκρηξη πριν κρυώσει το Σύμπαν και η ενέργεια κρούσης μειώθηκε τόσο πολύ που τα σωματίδια άρχισαν να σχηματίζουν σταθερούς πυρήνες. Στα πρώτα τρία λεπτά, το Σύμπαν ήταν μια καυτή θάλασσα από στοιχειώδη σωματίδια.

Ο πρωταρχικός σχηματισμός πυρήνων δεν κράτησε πολύ, μετά τα τρία πρώτα λεπτά τα σωματίδια απομακρύνθηκαν το ένα από το άλλο, έτσι ώστε οι συγκρούσεις μεταξύ τους έγιναν εξαιρετικά σπάνιες. Σε αυτή τη σύντομη περίοδο της πρωτογενούς νουκλεοσύνθεσης, εμφανίστηκε το δευτέριο - ένα βαρύ ισότοπο υδρογόνου, ο πυρήνας του οποίου περιέχει ένα πρωτόνιο και ένα. Ταυτόχρονα με το δευτέριο, σχηματίστηκαν ήλιο-3, ήλιο-4 και μια μικρή ποσότητα λιθίου-7. Στο στάδιο του σχηματισμού των άστρων εμφανίστηκαν όλο και πιο βαριά στοιχεία.

Μετά τη γέννηση του σύμπαντος

Περίπου ένα εκατο χιλιοστό του δευτερολέπτου από την αρχή της γέννησης του Σύμπαντος, τα κουάρκ συνδυάστηκαν σε στοιχειώδη σωματίδια. Από εκείνη τη στιγμή, το Σύμπαν έγινε μια δροσερή θάλασσα στοιχειωδών σωματιδίων. Μετά από αυτό, ξεκίνησε μια διαδικασία που ονομάζεται μεγάλη ενοποίηση των θεμελιωδών δυνάμεων. Τότε στο Σύμπαν υπήρχαν ενέργειες που αντιστοιχούσαν στις μέγιστες ενέργειες που μπορούν να ληφθούν στους σύγχρονους επιταχυντές. Μετά από αυτό, άρχισε μια απότομη πληθωριστική επέκταση και τα αντισωματίδια εξαφανίστηκαν ταυτόχρονα.