Meie galaktika universumi suure paugu areng. Suure Paugu teooria tekkimine

Teadusmaailmas on üldtunnustatud seisukoht, et universum tekkis Suure Paugu tulemusena. See teooria põhineb asjaolul, et energia ja mateeria (kõigi asjade alused) olid varem singulaarsuse seisundis. Seda omakorda iseloomustab temperatuuri, tiheduse ja rõhu lõpmatus. Singulaarsusseisund ise trotsib kõiki tänapäeva maailmas tuntud füüsikaseadusi. Teadlased usuvad, et universum tekkis mikroskoopilisest osakesest, mis teadmata põhjustel sattus kauges minevikus ebastabiilsesse olekusse ja plahvatas.

Mõistet "Big Bang" hakati kasutama alates 1949. aastast pärast teadlase F. Hoyle'i tööde avaldamist populaarteaduslikes väljaannetes. Tänaseks on “dünaamilise areneva mudeli” teooria nii hästi välja töötatud, et füüsikud suudavad kirjeldada Universumis toimuvaid protsesse juba 10 sekundit pärast kõigele aluse pannud mikroskoopilise osakese plahvatust.

Teoorial on mitu tõestust. Üks peamisi on reliktkiirgus, mis läbib kogu Universumit. Kaasaegsete teadlaste arvates võis see tekkida ainult Suure Paugu tagajärjel, mikroskoopiliste osakeste koosmõjul. Just reliikvia kiirgus võimaldab õppida tundma neid aegu, mil universum nägi välja nagu lõõmav ruum ning seal polnud tähti, planeete ega galaktikat ennast. Teiseks tõendiks kõige eksisteeriva sünnist Suurest Paugust on kosmoloogiline punanihe, mis seisneb kiirgussageduse vähenemises. See kinnitab tähtede, galaktikate eemaldamist eelkõige Linnuteelt ja üldiselt üksteisest. See tähendab, et see näitab, et universum laienes varem ja jätkab seda siiani.

Universumi lühiajalugu

• 10 -45 - 10 -37 sek- inflatsiooniline ekspansioon


• 10-6 sek- kvarkide ja elektronide tekkimine


• 10-5 sek- prootonite ja neutronite teke


• 10 -4 sek - 3 min- deuteeriumi, heeliumi ja liitiumi tuumade tekkimine


• 400 tuhat aastat- aatomite moodustumine


• 15 miljonit aastat- gaasipilve jätkuv laienemine


• 1 miljard aastat- esimeste tähtede ja galaktikate sünd


• 10-15 miljardit aastat- planeetide ja intelligentse elu tekkimine


• 10 14 miljardit aastat- tähtede sünniprotsessi lõpetamine


• 10 37 miljardit aastat- kõigi tähtede energia ammendumine


• 10 40 miljardit aastat- mustade aukude aurustumine ja elementaarosakeste sünd


• 10 100 miljardit aastat- kõigi mustade aukude aurustamise lõpuleviimine

Suure Paugu teooriast on saanud tõeline läbimurre teaduses. See võimaldas teadlastel vastata paljudele universumi sünniga seotud küsimustele. Kuid samal ajal tekitas see teooria uusi mõistatusi. Peamine neist on Suure Paugu põhjus ise. Teine küsimus, millele kaasaegsel teadusel vastust pole, on see, kuidas ruum ja aeg tekkisid. Mõnede teadlaste arvates sündisid nad koos aine, energiaga. See tähendab, et need on Suure Paugu tulemus. Siis aga selgub, et ajal ja ruumil peab olema mingisugune algus. See tähendab, et teatud üksus, mis on püsivalt olemas ja ei sõltu nende indikaatoritest, võib hästi käivitada ebastabiilsuse protsessid mikroskoopilises osakeses, mis tekitas universumi.

Mida rohkem sellesuunalisi uuringuid tehakse, seda rohkem tekib astrofüüsikutel küsimusi. Vastused neile ootavad inimkonda tulevikus.

« Minu jaoks on elu liiga lühike, et muretseda asjade pärast, mis ei ole minu kontrolli all ja võib-olla isegi võimatu. Siin nad küsivad: "Mis saab siis, kui Maa neelab must auk või aegruumi moonutamine - kas see on põnevuse põhjus?" Minu vastus on ei, sest me saame sellest teada alles siis, kui see jõuab meie ... meie kohale aegruumis. Saame löögid siis, kui loodus otsustab, et on aeg: olgu selleks helikiirus, valguse kiirus või elektriimpulsside kiirus, jääme alati viivituse ohvriks meid ümbritseva teabe ja meie võime vahel seda vastu võtta.»

Neil deGrasse Tyson

Aeg on hämmastav asi. See annab meile mineviku, oleviku ja tuleviku. Aja tõttu on kõigel, mis meid ümbritseb, vanus. Näiteks Maa vanus on ligikaudu 4,5 miljardit aastat. Umbes sama palju aastaid tagasi süttis ka meile lähim täht Päike. Kui see kujund tundub teile mõistusevastane, ärge unustage, et ammu enne meie loodusliku päikesesüsteemi teket ilmus galaktika, milles me elame - Linnutee. Teadlaste viimaste hinnangute kohaselt on Linnutee vanus 13,6 miljardit aastat. Kuid me teame kindlalt, et galaktikatel on ka minevik ja ruum on lihtsalt tohutu, seega peame vaatama veelgi kaugemale. Ja see peegeldus viib meid paratamatult hetkeni, mil see kõik algas – Suure Pauguni.

Einstein ja universum

Inimeste ettekujutus ümbritsevast maailmast on alati olnud mitmetähenduslik. Keegi ei usu ikka veel tohutu universumi olemasolusse meie ümber, keegi peab Maad lamedaks. Enne teaduslikku läbimurret 20. sajandil oli maailma tekke kohta vaid paar versiooni. Religioossete vaadete järgijad uskusid jumalikku sekkumisse ja kõrgema meele loomisse, eriarvamusel osalejaid põletati mõnikord. Oli ka teine ​​pool, kes uskus, et nii meid ümbritsev maailm kui ka universum on lõpmatu.

Paljude inimeste jaoks muutus kõik, kui Albert Einstein pidas 1917. aastal ettekande, tutvustades laiemale avalikkusele oma elutööd – üldist relatiivsusteooriat. 20. sajandi geenius sidus enda tuletatud võrrandite abil aegruumi ruumiainega. Selle tulemusena selgus, et universum on lõplik, muutumatu suurusega ja tavalise silindri kujuga.

Tehnilise läbimurde koidikul ei suutnud keegi Einsteini sõnu ümber lükata, sest tema teooria oli liiga keeruline isegi 20. sajandi alguse suurimate vaimude jaoks. Kuna muid võimalusi polnud, aktsepteeris teadlaskond silindrilise statsionaarse universumi mudelit meie maailma üldtunnustatud mudelina. Siiski võis ta elada vaid paar aastat. Pärast seda, kui füüsikud suutsid Einsteini teadustöödest toibuda ja hakkasid neid riiulitel sorteerima, hakati sellega paralleelselt korrigeerima relatiivsusteooriat ja saksa teadlase konkreetseid arvutusi.

1922. aastal avaldas vene matemaatik Aleksandr Fridman ootamatult ajakirjas Izvestija Fiziki artikli, milles nendib, et Einstein eksis ja meie universum ei seisa paigal. Friedman selgitab, et saksa teadlase väited ruumi kõverusraadiuse muutumatuse kohta on meelepetted, tegelikult raadius muutub aja suhtes. Vastavalt sellele peab universum laienema.

Veelgi enam, siin esitas Friedman oma oletused selle kohta, kuidas täpselt universum võib paisuda. Kokku oli kolm mudelit: pulseeriv Universum (eeldus, et Universum paisub ja kahaneb ajas teatud perioodilisusega); paisuv Universum massist ja kolmas mudel – paisumine punktist. Kuna sel ajal polnud muid mudeleid, välja arvatud jumalik sekkumine, võtsid füüsikud kiiresti teadmiseks kõik kolm Friedmani mudelit ja asusid neid omas suunas arendama.

Vene matemaatiku töö torkas Einsteini kergelt ja samal aastal avaldas ta artikli, milles avaldas oma kommentaare Friedmani töö kohta. Selles püüab saksa füüsik tõestada oma arvutuste õigsust. See osutus üsna ebaveenvaks ja kui valu enesehinnangule antud löögist veidi vaibus, avaldas Einstein ajakirjas Izvestija Fiziki järjekordse märkuse, milles ta ütles:

« Eelmises märkuses kritiseerisin ülaltoodud tööd. Minu kriitika, nagu nägin Fridmani kirjast, mille härra Krutkov mulle edastas, põhines aga arvutusveal. Arvan, et Friedmani tulemused on õiged ja annavad uut valgust.».

Teadlased pidid tunnistama, et kõik kolm Friedmani mudelit meie universumi välimuse ja olemasolu kohta on täiesti loogilised ja neil on õigus elule. Kõik kolm on seletatud arusaadavate matemaatiliste arvutustega ega jäta küsimusi. Välja arvatud üks asi: miks peaks universum paisuma?

Teooria, mis muutis maailma

Einsteini ja Friedmani avaldused panid teadusringkonnad tõsiselt kahtluse alla seadma universumi päritolu. Tänu üldisele relatiivsusteooriale avanes võimalus heita valgust meie minevikule ja füüsikud ei jätnud seda võimalust kasutamata. Üks teadlasi, kes püüdis meie maailma mudelit esitada, oli astrofüüsik Georges Lemaitre Belgiast. Tähelepanuväärne on, et Lemaitre oli katoliku preester, kuid samal ajal tegeles ta matemaatika ja füüsikaga, mis on meie aja kohta tõeline jama.

Georges Lemaitre hakkas Einsteini võrrandite vastu huvi tundma ja ta suutis nende abil välja arvutada, et meie universum tekkis mingi superosakese lagunemise tulemusena, mis oli enne lõhustumise algust ruumist ja ajast väljas, mis tegelikult võib olla peeti plahvatuseks. Samas märgivad füüsikud, et Lemaitre oli esimene, kes universumi sünnile valgust heitis.

Plahvatanud superaatomi teooria ei sobinud mitte ainult teadlastele, vaid ka vaimulikele, kes ei olnud väga rahul kaasaegsete teaduslike avastustega, mille jaoks tuli välja mõelda uued piiblitõlgendused. Suur Pauk ei sattunud religiooniga märkimisväärsesse konflikti, võib-olla mõjutas seda Lemaitre'i enda kasvatus, kes pühendas oma elu mitte ainult teadusele, vaid ka jumalateenistusele.

22. novembril 1951 tegi paavst Pius XII avalduse, et Suure Paugu teooria ei lähe vastuollu Piibli ja katoliku dogmaga maailma päritolu kohta. Ka õigeusu vaimulikud ütlesid, et suhtusid sellesse teooriasse positiivselt. Seda teooriat võtsid suhteliselt neutraalselt vastu ka teiste religioonide pooldajad, mõned neist isegi väitsid, et nende pühakirjades on viiteid Suurele Paugule.

Vaatamata sellele, et Suure Paugu teooria on praegu üldtunnustatud kosmoloogiline mudel, on see aga viinud paljud teadlased ummikusse. Ühest küljest sobis superosakese plahvatus suurepäraselt kaasaegse füüsika loogikasse, kuid teisest küljest võis sellise plahvatuse tulemusena tekkida peamiselt ainult raskemetalle, eelkõige raud. Kuid nagu selgus, koosneb universum peamiselt ülikergetest gaasidest - vesinikust ja heeliumist. Midagi ei sobinud, nii et füüsikud jätkasid tööd maailma päritolu teooria kallal.

Algselt ei eksisteerinud mõistet "Suur Pauk". Lemaitre ja teised füüsikud pakkusid vaid igavat nimetust "dünaamiline evolutsiooniline mudel", mis pani õpilaste haigutama. Alles 1949. aastal ütles Briti astronoom ja kosmoloog Freud Hoyle ühes oma loengus:

"See teooria põhineb eeldusel, et universum tekkis ühe võimsa plahvatuse käigus ja eksisteerib seetõttu ainult piiratud aja ... See Suure Paugu idee tundub mulle täiesti ebarahuldav.".

Sellest ajast alates on seda terminit laialdaselt kasutatud teadusringkondades ja üldsuse ettekujutuses universumi struktuurist.

Kust tulid vesinik ja heelium?

Valguselementide olemasolu on füüsikud hämmingus ja paljud Suure Paugu teoreetikud asusid otsima nende allikat. Aastaid ei suutnud nad erilist edu saavutada, kuni 1948. aastal suutis geniaalne teadlane Georgi Gamov Leningradist lõpuks selle allika kindlaks teha. Gamow oli üks Friedmani õpilastest, mistõttu asus ta hea meelega oma õpetaja teooriat arendama.

Gamow püüdis ette kujutada Universumi elu vastupidises suunas ja keris aega tagasi hetkeni, mil see oli just paisuma hakanud. Teatavasti oli inimkond selleks ajaks juba avastanud termotuumasünteesi põhimõtted, mistõttu Friedmann-Lemaitre’i teooria sai õiguse elule. Kui universum oli väga väike, oli see füüsikaseaduste kohaselt väga kuum.

Gamow sõnul täitus vaid sekund pärast Suurt Pauku uue universumi ruum elementaarosakestega, mis hakkasid omavahel suhtlema. Selle tulemusena algas heeliumi termotuumasünteesi, mille Odessa matemaatik Ralph Asher Alfer suutis Gamow jaoks välja arvutada. Alpheri arvutuste kohaselt täitus universum juba viis minutit pärast Suurt Pauku sedavõrd heeliumiga, et isegi Suure Paugu teooria veendunud vastased peavad leppima ja leppima selle mudeliga kosmoloogias peamise mudelina. Oma uurimistööga Gamow mitte ainult ei avanud uusi viise universumi uurimiseks, vaid äratas ellu ka Lemaitre'i teooria.

Hoolimata stereotüüpidest teadlaste kohta, ei saa neile romantilisust eitada. Gamow avaldas oma uurimuse ülikuuma universumi teooriast Suure Paugu ajal 1948. aastal oma teoses The Origin of the Chemical Elements. Kaasassistentidena nimetas ta mitte ainult Ralph Asher Alferi, vaid ka Hans Bethet, Ameerika astrofüüsikut ja tulevast Nobeli preemia laureaadi. Raamatu kaanel selgus: Alfer, Bethe, Gamow. Kas see ei tuleta sulle midagi meelde?

Vaatamata sellele, et Lemaitre’i teosed said teise elu, ei osanud füüsikud siiski vastata kõige põnevamale küsimusele: mis juhtus enne Suurt Pauku?

Katsed taaselustada Einsteini statsionaarset universumit

Mitte kõik teadlased ei nõustunud Friedmann-Lemaitre'i teooriaga, kuid vaatamata sellele pidid nad ülikoolides õpetama üldtunnustatud kosmoloogilist mudelit. Näiteks astronoom Fred Hoyle, kes ise lõi termini "Suur Pauk", uskus tegelikult, et plahvatust ei olnud, ja pühendas oma elu selle tõestamisele.
Hoyle'ist on saanud üks neist teadlastest, kes meie ajal pakuvad kaasaegsele maailmale alternatiivset vaadet. Enamik füüsikuid suhtub selliste inimeste väidetesse pigem lahedalt, kuid see ei häiri neid üldse.

Gamowi ja tema Suure Paugu teooria õigustuse häbistamiseks otsustas Hoyle koos mõttekaaslastega välja töötada oma mudeli universumi tekke kohta. Aluseks võtsid nad Einsteini ettepanekud, et universum on paigal, ja tegid mõned kohandused, mis pakuvad Universumi paisumiseks alternatiivseid põhjuseid.

Kui Lemaitre-Friedmanni teooria järgijad uskusid, et universum tekkis ühest ülitihedast punktist, mille raadius on lõpmatult väike, siis Hoyle väitis, et aine moodustub pidevalt punktidest, mis asuvad üksteisest eemalduvate galaktikate vahel. Esimesel juhul moodustus ühest osakesest kogu Universum koos selle lõpmatu arvu tähtede ja galaktikatega. Teisel juhul annab üks punkt nii palju ainet, kui on ainult ühe galaktika tekitamiseks.

Hoyle'i teooria ebajärjekindlus seisneb selles, et ta ei suutnud kunagi selgitada, kust pärineb see aine, mis jätkab galaktikate loomist, milles on sadu miljardeid tähti. Tegelikult soovitas Fred Hoyle kõigil uskuda, et universumi struktuur tekib eikusagilt. Vaatamata sellele, et paljud füüsikud püüdsid Hoyle’i teooriale lahendust leida, ei õnnestunud kellelgi seda teha ja paarikümne aasta pärast kaotas see ettepanek oma aktuaalsuse.

Küsimused ilma vastusteta

Tegelikult ei anna ka Suure Paugu teooria meile vastuseid paljudele küsimustele. Näiteks tavainimese teadvusse ei mahu ära see, et kogu meid ümbritsev mateeria oli kunagi kokku surutud ühte singulaarsuspunkti, mis on aatomist palju väiksem. Ja kuidas juhtus, et see superosake kuumenes sedavõrd, et algas plahvatusreaktsioon.

Kuni 20. sajandi keskpaigani ei leidnud paisuva universumi teooria kunagi eksperimentaalset kinnitust, seetõttu ei leidnud see laialdast kasutamist ka õppeasutustes. Kõik muutus 1964. aastal, kui kaks Ameerika astrofüüsikut – Arno Penzias ja Robert Wilson – ei otsustanud tähistaeva raadiosignaale uurida.

Taevakehade, nimelt Cassiopeia A (tähistaeva üks võimsamaid raadiokiirguse allikaid) kiirgust skaneerides märkasid teadlased mingit kõrvalist müra, mis segas pidevalt täpsete kiirgusandmete salvestamist. Ükskõik, kuhu nad oma antenni suunasid, olenemata kellaajast, mil nad uurimistööd alustasid, jälitas see iseloomulik ja pidev müra neid alati. Teatud määral vihasena otsustasid Penzias ja Wilson selle müra allikat uurida ja tegid ootamatult avastuse, mis muutis maailma. Nad avastasid reliikvia kiirguse, mis on selle sama Suure Paugu kaja.

Meie universum jahtub palju aeglasemalt kui tass kuuma teed ja CMB näitab, et meid ümbritsev aine oli kunagi väga kuum ja jahtub nüüd, kui universum paisub. Seega jäeti välja kõik külma Universumiga seotud teooriad ja lõpuks võeti kasutusele Suure Paugu teooria.

Georgy Gamow pakkus oma kirjutistes, et kosmoses oleks võimalik tuvastada footoneid, mis on eksisteerinud Suurest Paugust saadik, vaja on vaid arenenumat tehnilist varustust. Reliikvia kiirgus kinnitas kõiki tema oletusi universumi olemasolu kohta. Samuti oli tema abiga võimalik kindlaks teha, et meie universumi vanus on ligikaudu 14 miljardit aastat.

Nagu alati, tekib iga teooria praktilise tõestamise korral kohe palju alternatiivseid arvamusi. Mõned füüsikud irvitasid KMB avastamist kui tõendit Suure Paugu kohta. Hoolimata asjaolust, et Penzias ja Wilson võitsid ajaloolise avastuse eest Nobeli preemia, ei nõustunud paljud oma uurimistööga.

Peamised argumendid Universumi paisumise ebajärjekindluse kasuks olid lahknevused ja loogikavead. Näiteks kiirendas plahvatus ühtlaselt kõiki kosmose galaktikaid, kuid selle asemel, et meist eemalduda, läheneb Andromeeda galaktika aeglaselt, kuid kindlalt Linnuteele. Teadlased oletavad, et need kaks galaktikat põrkuvad üksteisega vaid umbes 4 miljardi aasta pärast. Kahjuks on inimkond veel liiga noor, et sellele ja teistele küsimustele vastata.

Tasakaaluteooria

Meie ajal pakuvad füüsikud universumi eksisteerimiseks erinevaid mudeleid. Paljud neist ei talu isegi lihtsat kriitikat, samas kui teised saavad õiguse elule.

20. sajandi lõpus pakkus Ameerikast pärit astrofüüsik Edward Tryon koos oma Austraalia kolleegi Warren Kerryga välja põhimõtteliselt uue universumi mudeli ja nad tegid seda üksteisest sõltumatult. Teadlased põhinesid oma uurimistöös eeldusel, et universumis on kõik tasakaalus. Mass hävitab energiat ja vastupidi. Seda põhimõtet hakati nimetama nulluniversumi printsiibiks. Selles universumis tekib uus aine galaktikate vahelistes üksikutes punktides, kus mateeria külgetõmbe- ja tõukejõud on tasakaalus.

Nulluniversumi teooriat ei purustatud puruks, sest mõne aja pärast suutsid teadlased avastada tumeaine olemasolu - salapärase aine, mis moodustab peaaegu 27% meie universumist. Veel 68,3% universumist on salapärasem ja salapärasem tumeenergia.

Universumi paisumise kiirenemise põhjuseks on tumeenergia gravitatsioonilised mõjud. Muide, tumeenergia olemasolu kosmoses ennustas Einstein ise, kes nägi, et tema võrrandites midagi ei ühtlustu, Universumit ei saa paigalseisvaks muuta. Seetõttu võttis ta võrranditesse sisse kosmoloogilise konstandi – lambda termini, mille pärast ta ennast hiljem korduvalt süüdistas ja vihkas.

Juhtus nii, et universumis teoreetiliselt tühi ruum on sellest hoolimata täidetud teatud eriväljaga, mis juhib Einsteini mudelit. Kaine peaga ja tolle aja loogika järgi oli sellise välja olemasolu lihtsalt võimatu, kuid tegelikult ei osanud saksa füüsik tumeenergiat lihtsalt kirjeldada.

***
Võib-olla ei saa me kunagi teada, kuidas ja millest meie universum tekkis. Veelgi keerulisem on kindlaks teha, mis oli enne selle olemasolu. Inimesed kipuvad kartma seda, mida nad ei oska seletada, mistõttu on võimalik, et aegade lõpuni usub inimkond ka jumalikku mõju meid ümbritseva maailma loomisele.

Vastus küsimusele "Mis on suur pauk?" võib saada pika arutelu käigus, kuna see võtab palju aega. Püüan seda teooriat lühidalt ja asjalikult selgitada. Niisiis, "Suure Paugu" teooria postuleerib, et meie universum tekkis ootamatult umbes 13,7 miljardit aastat tagasi (kõik ilmus mitte millestki). Ja see, mis siis juhtus, mõjutab siiani seda, kuidas ja mil viisil kõik universumis omavahel suhtleb. Mõelge teooria põhipunktidele.

Mis juhtus enne Suurt Pauku?

Suure Paugu teooria sisaldab väga huvitavat mõistet – singulaarsust. Vean kihla, et see paneb sind mõtlema: mis on singulaarsus? Seda küsivad ka astronoomid, füüsikud ja teised teadlased. Arvatakse, et mustade aukude tuumades eksisteerivad singulaarsused. Must auk on intensiivse gravitatsioonilise rõhu ala. See rõhk on teooria kohaselt nii intensiivne, et ainet surutakse kokku, kuni sellel on lõpmatu tihedus. Seda lõpmatut tihedust nimetatakse singulaarsus. Arvatakse, et meie universum sai alguse ühena neist lõpmatult väikestest, lõpmatult kuumadest ja lõpmatult tihedatest singulaarsustest. Suure Paugu endani pole me aga veel jõudnud. Suur Pauk on hetk, mil see singulaarsus järsku "plahvatas" ja hakkas laienema ning lõi meie universumi.

Suure Paugu teooria näib viitavat sellele, et aeg ja ruum eksisteerisid enne meie universumi tekkimist. Stephen Hawking, George Ellis ja Roger Penrose (jt) töötasid aga 1960. aastate lõpus välja teooria, mis püüdis selgitada, et aega ja ruumi ei eksisteerinud enne singulaarsuse laienemist. Teisisõnu, aega ega ruumi ei eksisteerinud enne universumi olemasolu.

Mis juhtus pärast Suurt Pauku?

Suure Paugu hetk on aegade alguse hetk. Pärast Suurt Pauku, kuid juba ammu enne esimest sekundit (10–43 sekundit), kogeb kosmos ülikiiret inflatsioonipaisumist, mis paisub sekundi murdosa jooksul 1050 korda.

Seejärel laienemine aeglustub, kuid esimene sekund pole veel saabunud (ainult 10 -32 sekundit rohkem). Praegusel hetkel on Universum elektronidest, kvarkidest ja muudest elementaarosakestest koosnev keev "puljong" (temperatuuriga 10 27 °C).

Ruumi kiire jahutamine (kuni 10 13 ° C) võimaldab kvarkidel ühineda prootoniteks ja neutroniteks. Esimene sekund pole aga veel saabunud (ainult 10 -6 sekundit rohkem).

3 minuti jooksul, mis on aatomiteks ühinemiseks liiga kuum, takistavad laetud elektronid ja prootonid valguse kiirgamist. Universum on ülikuum udu (10 8 °C).

300 000 aasta pärast jahtub universum temperatuurini 10 000 °C, elektronid koos prootonite ja neutronitega moodustavad aatomeid, peamiselt vesinikku ja heeliumi.

1 miljard aastat pärast Suurt Pauku, kui universumi temperatuur jõudis -200 ° C-ni, moodustavad vesinik ja heelium hiiglaslikud "pilved", millest saavad hiljem galaktikad. Ilmuvad esimesed tähed.

12. Mis põhjustas Suure Paugu?

Tekkimise paradoks

Ükski kosmoloogialoeng, mida ma kunagi lugenud olen, ei olnud täielik ilma küsimuseta, mis põhjustas Suure Paugu? Veel paar aastat tagasi ei teadnud ma õiget vastust; Usun, et täna on ta kuulus.

Põhimõtteliselt sisaldab see küsimus kahte varjatud küsimust. Esiteks tahaksime teada, miks universumi areng algas plahvatusega ja mis selle plahvatuse üldse põhjustas. Kuid puhtfüüsilise probleemi taga peitub teine, sügavam, filosoofilist laadi probleem. Kui Suur Pauk tähistab universumi füüsilise eksisteerimise algust, sealhulgas ruumi ja aja tekkimist, siis mis mõttes saame öelda, et mis põhjustas see plahvatus?

Füüsika seisukohalt tundub universumi ootamatu tekkimine hiiglasliku plahvatuse tagajärjel mingil määral paradoksaalne. Neljast maailma valitsevast vastasmõjust avaldub kosmilisel skaalal ainult gravitatsioon ja nagu meie kogemus näitab, on gravitatsioonil külgetõmbe iseloom. Universumi sündi tähistanud plahvatuse jaoks oli aga ilmselt vaja uskumatu ulatusega tõukejõudu, mis võib kosmose tükkideks rebida ja põhjustada selle paisumise, mis kestab tänaseni.

See tundub kummaline, sest kui universumis domineerivad gravitatsioonijõud, siis ei peaks see paisuma, vaid kokku tõmbuma. Tõepoolest, gravitatsioonilised külgetõmbejõud põhjustavad füüsiliste objektide pigem kokkutõmbumist kui plahvatust. Näiteks kaotab väga tihe täht võime oma raskust taluda ja variseb kokku, moodustades neutronitähe või musta augu. Aine kokkusurumisaste väga varases universumis oli palju kõrgem kui kõige tihedamal tähel; seetõttu tekib sageli küsimus, miks ürgkosmos kohe algusest peale mustaks auguks ei varisenud.

Tavaline vastus sellele on see, et esmast plahvatust tuleks võtta lihtsalt esialgse tingimusena. See vastus on ilmselgelt mitterahuldav ja segadust tekitav. Muidugi vähenes gravitatsiooni mõjul kosmilise paisumise kiirus algusest peale pidevalt, kuid sünnihetkel paisus Universum lõpmatult kiiresti. Plahvatust ei põhjustanud ükski jõud – lihtsalt universumi areng algas paisumisest. Kui plahvatus oleks vähem tugev, takistaks gravitatsioon väga kiiresti aine paisumist. Selle tulemusena asenduks paisumine kokkutõmbumisega, mis omandaks katastroofilise iseloomu ja muudaks Universumi millekski musta augu sarnaseks. Kuid tegelikkuses osutus plahvatus "piisavalt suureks", et võimaldas universumil, olles ületanud oma gravitatsiooni, kas esmase plahvatuse jõu tõttu igavesti paisuda või vähemalt eksisteerida. miljardeid aastaid enne kokkusurumist ja unustuse hõlma kadumist.

Selle traditsioonilise pildi probleem seisneb selles, et see ei seleta Suurt Pauku kuidagi. Universumi põhiomadust käsitletakse jällegi lihtsalt algtingimusena, aktsepteeritakse ad hoc(sel juhul); sisuliselt on seal kirjas vaid, et Suur Pauk toimus. Siiani on ebaselge, miks plahvatuse jõud oli just selline, mitte mõni muu. Miks ei olnud plahvatus veelgi võimsam, nii et universum paisub praegu palju kiiremini? Samuti võib küsida, miks universum ei paisu praegu palju aeglasemalt või ei tõmbu üldse kokku. Muidugi, kui plahvatusel poleks piisavalt jõudu, kukuks universum varsti kokku ja poleks kellelgi selliseid küsimusi esitada. Siiski on ebatõenäoline, et sellist arutluskäiku saab võtta selgitusena.

Lähemal analüüsimisel selgub, et universumi tekke paradoks on tegelikult veelgi keerulisem, kui eespool kirjeldatud. Hoolikad mõõtmised näitavad, et universumi paisumiskiirus on väga lähedal kriitilisele väärtusele, mille juures universum suudab ületada oma gravitatsiooni ja paisuda igaveseks. Kui see kiirus oleks veidi väiksem – ja toimuks universumi kokkuvarisemine, ja kui see oleks veidi suurem –, oleks kosmiline aine juba ammu täielikult hajunud. Huvitav on teada saada, kuidas täpselt Universumi paisumiskiirus langeb sellesse väga kitsasse lubatud intervalli kahe võimaliku katastroofi vahel. Kui 1 s-le vastaval ajahetkel, mil paisumismuster oli juba selgelt määratletud, erineks paisumiskiirus selle tegelikust väärtusest rohkem kui 10^-18, piisaks sellest õrna tasakaalu täielikuks rikkumiseks. Seega vastab Universumi plahvatuse jõud peaaegu uskumatu täpsusega selle gravitatsioonilisele vastasmõjule. Suur pauk ei olnud seega lihtsalt mingi kauge plahvatus – see oli väga spetsiifilise jõu plahvatus. Suure Paugu teooria traditsioonilises versioonis tuleb leppida mitte ainult plahvatuse enda faktiga, vaid ka tõsiasjaga, et plahvatus toimus äärmiselt kapriissel viisil. Ehk siis algtingimused osutuvad äärmiselt spetsiifilisteks.

Universumi paisumiskiirus on vaid üks paljudest ilmsetest kosmilistest mõistatustest. Teine on seotud pildiga Universumi paisumisest ruumis. Kaasaegsete vaatluste järgi. Universum on suures plaanis aine ja energia jaotuse osas äärmiselt homogeenne. Kosmose globaalne struktuur on Maalt ja kaugest galaktikast vaadatuna peaaegu sama. Galaktikad on ruumis hajutatud ühesuguse keskmise tihedusega ja igast punktist paistab Universum igas suunas ühesugune. Universumit täitev esmane soojuskiirgus langeb Maale, omades igas suunas sama temperatuuri täpsusega vähemalt 10-4 . See kiirgus liigub teel meieni miljardeid valgusaastaid läbi kosmose ja kannab endas iga homogeensuse kõrvalekalde jälje.

Universumi laiaulatuslik homogeensus püsib universumi paisumise ajal. Sellest järeldub, et paisumine toimub ühtlaselt ja isotroopselt väga suure täpsusega. See tähendab, et universumi paisumiskiirus pole mitte ainult kõigis suundades ühesugune, vaid ka erinevates piirkondades konstantne. Kui Universum paisuks ühes suunas kiiremini kui teistes, siis tooks see kaasa taustsoojuskiirguse temperatuuri languse selles suunas ja muudaks pilti Maalt nähtavate galaktikate liikumisest. Seega ei alanud Universumi areng pelgalt rangelt määratletud jõu plahvatusest – plahvatus oli selgelt "organiseeritud", s.t. toimus samaaegselt, täpselt sama jõuga kõikides punktides ja kõikides suundades.

On äärmiselt ebatõenäoline, et selline samaaegne ja koordineeritud purse saaks toimuda puhtalt spontaanselt ning seda kahtlust tugevdab traditsioonilises Suure Paugu teoorias ka asjaolu, et ürgkosmose erinevad piirkonnad ei ole üksteisega põhjuslikult seotud. Fakt on see, et relatiivsusteooria järgi ei saa ükski füüsiline efekt levida kiiremini kui valgus. Järelikult saab erinevaid ruumipiirkondi omavahel põhjuslikult seostada alles pärast teatud aja möödumist. Näiteks 1 s pärast plahvatust võib valgus läbida mitte rohkem kui ühe valgussekundi, mis vastab 300 000 km-le. Universumi piirkonnad, mis on eraldatud suure vahemaaga, pärast 1 sekundit ei mõjuta veel üksteist. Kuid selleks hetkeks hõivas meie vaadeldud universumi piirkond juba vähemalt 10^14 km läbimõõduga ruumi. Seetõttu koosnes universum ligikaudu 10^27 põhjuslikult mitteseotud piirkonnast, millest igaüks siiski paisus täpselt sama kiirusega. Ka tänapäeval registreerime tähistaeva vastaskülgedelt tulevat kosmilist soojuskiirgust jälgides täpselt samasugused "sõrmejäljed" universumi piirkondadest, mis on eraldatud tohutute vahemaadega: need vahemaad osutuvad enam kui 90 korda suuremaks kui kaugus, valgus võib liikuda alates hetkest, kui soojuskiirgus kiirgas.

Kuidas seletada erinevate ruumipiirkondade nii märkimisväärset sidusust, mis ilmselgelt pole kunagi olnud omavahel seotud? Kuidas selline käitumine tekkis? Traditsioonilises vastuses on taas viide erilistele algtingimustele. Primaarse plahvatuse omaduste erakordset homogeensust peetakse lihtsalt faktiks: nii tekkis universum.

Universumi laiaulatuslik homogeensus on veelgi mõistatuslikum, kui mõelda, et universum pole väikeses mastaabis sugugi homogeenne. Üksikute galaktikate ja galaktikaparvede olemasolu viitab kõrvalekaldumisele rangest homogeensusest ning pealegi on see kõrvalekalle kõikjal ühesugune nii mastaabilt kui ka suuruselt. Kuna gravitatsioon kipub suurendama aine esialgset kogunemist, oli galaktikate tekkeks vajalik heterogeensus Suure Paugu ajal palju väiksem kui praegu. Suure Paugu algfaasis peaks siiski esinema väike ebahomogeensus, muidu poleks galaktikad kunagi tekkinud. Vanas Suure Paugu teoorias omistati need ebahomogeensused ka varakult "algtingimustele". Seega pidime uskuma, et universumi areng ei saanud alguse mitte täiesti ideaalist, vaid ülimalt ebatavalisest olekust.

Kõike eelnevat saab kokku võtta järgmiselt: kui universumi ainsaks jõuks on gravitatsiooniline külgetõmme, siis Suurt Pauku tuleks tõlgendada kui "Jumala poolt alla saadetud", s.t. põhjuseta, antud algtingimustega. Lisaks iseloomustab seda hämmastav järjepidevus; olemasoleva struktuurini jõudmiseks pidi universum algusest peale korralikult arenema. See on universumi tekke paradoks.

Otsige antigravitatsiooni

Universumi tekke paradoks on lahenenud alles viimastel aastatel; lahenduse põhiidee võib aga ulatuda kaugesse ajalugu, aega, mil ei paisumise teooriat ega ka Suure Paugu teooriat veel ei eksisteerinud. Isegi Newton mõistis, kui keeruline probleem on universumi stabiilsuses. Kuidas säilitavad tähed ilma toetuseta oma positsiooni kosmoses? Gravitatsioonilise külgetõmbe universaalne olemus oleks pidanud viima tähtede ahenemiseni üksteise lähedal asuvateks parvedeks.

Selle absurdi vältimiseks kasutas Newton väga uudishimulikku arutluskäiku. Kui universum peaks oma gravitatsiooni mõjul kokku kukkuma, "kukkuks" iga täht tähtede parve keskpunkti poole. Oletame aga, et universum on lõpmatu ja tähed jagunevad lõpmatus ruumis keskmiselt ühtlaselt. Sel juhul poleks üldse ühist keskpunkti, mille poole kõik tähed võiksid langeda, sest lõpmatus Universumis on kõik piirkonnad identsed. Iga tähte mõjutaks kõigi tema naabrite gravitatsiooniline külgetõmbejõud, kuid nende mõjude keskmistamise tõttu erinevates suundades poleks mingit resultatiivset jõudu, mis seda tähte kogu tähtede suhtes teatud asendisse liigutaks.

Kui 200 aastat pärast Newtonit lõi Einstein uue gravitatsiooniteooria, oli ta hämmingus ka probleemist, kuidas universum suudab kokkuvarisemist vältida. Tema esimene kosmoloogiaalane töö avaldati enne, kui Hubble avastas universumi paisumise; seega eeldas Einstein, nagu ka Newton, et universum on staatiline. Einstein püüdis aga universumi stabiilsuse probleemi lahendada palju otsesemalt. Ta uskus, et selleks, et vältida universumi kokkuvarisemist tema enda gravitatsiooni mõjul, peab olema veel üks kosmiline jõud, mis suudaks gravitatsioonile vastu seista. See jõud peab olema pigem eemaletõukav kui ligitõmbav jõud, et kompenseerida gravitatsioonilist tõmmet. Selles mõttes võiks sellist jõudu nimetada "antigravitatsiooniliseks", kuigi õigem on rääkida kosmilise tõukejõust. Antud juhul ei leiutanud Einstein seda jõudu lihtsalt meelevaldselt. Ta näitas, et tema gravitatsioonivälja võrranditesse saab lisada täiendava termini, mis viib soovitud omadustega jõu ilmnemiseni.

Vaatamata sellele, et gravitatsioonijõule vastandliku tõukejõu mõiste on iseenesest üsna lihtne ja loomulik, osutuvad tegelikkuses sellise jõu omadused üsna ebatavalisteks. Loomulikult pole Maal sellist jõudu täheldatud ja planeetide astronoomia eksisteerimise mitme sajandi jooksul pole sellele vihjet leitud. Ilmselgelt, kui kosmilise tõukejõud eksisteerib, siis väikestel vahemaadel ei tohiks sellel olla märgatavat mõju, kuid selle suurus suureneb astronoomilistel skaalal oluliselt. Selline käitumine on vastuolus kõigi varasemate kogemustega jõudude olemuse uurimisel: need on tavaliselt väikestel vahemaadel intensiivsed ja nõrgenevad distantsi suurenedes. Seega elektromagnetiline ja gravitatsiooniline vastastikmõju väheneb pidevalt vastavalt pöördruuduseadusele. Sellegipoolest ilmnes Einsteini teoorias selliste üsna ebatavaliste omadustega jõud loomulikult.

Ei tohiks mõelda Einsteini kasutusele võetud kosmilise tõukejõule kui viiendale vastasmõjule looduses. See on lihtsalt gravitatsiooni enda veider ilming. On lihtne näidata, et kosmilise tõukejõu mõju võib seostada tavalise gravitatsiooniga, kui gravitatsioonivälja allikaks valida ebatavaliste omadustega keskkond. Tavaline materiaalne keskkond (näiteks gaas) avaldab survet, samas kui siin käsitletav hüpoteetiline keskkond peaks olema negatiivne surve või pinge. Et paremini ette kujutada, millest me räägime, kujutagem ette, et meil õnnestus täita anum sellise kosmilise ainega. Siis erinevalt tavalisest gaasist ei avalda hüpoteetiline ruumikeskkond anuma seintele survet, vaid kipub need anumasse tõmbama.

Seega võime kosmilist tõrjumist käsitleda kui gravitatsiooni omamoodi lisandit või nähtust, mis on tingitud tavalisest gravitatsioonist, mis on omane nähtamatule gaasilisele keskkonnale, mis täidab kogu ruumi ja millel on negatiivne rõhk. Selles pole vastuolu, et ühelt poolt imeb alarõhk justkui anuma seintesse ja teisest küljest tõrjub see hüpoteetiline keskkond galaktikaid, mitte ei tõmba neid ligi. Tõrjumine on ju tingitud meediumi raskusjõust ja mitte mingil juhul mehaanilisest tegevusest. Igal juhul ei tekita mehaanilisi jõude mitte rõhk ise, vaid rõhkude erinevus, kuid eeldatakse, et hüpoteetiline keskkond täidab kogu ruumi. Seda ei saa piirata anuma seintega ja selles keskkonnas asuv vaatleja ei tajuks seda üldse käegakatsutava substantsina. Ruum näeks välja ja tunduks täiesti tühi.

Vaatamata hüpoteetilise meediumi hämmastavatele omadustele ütles Einstein kunagi, et on ehitanud rahuldava universumi mudeli, milles säilitatakse tasakaal gravitatsioonilise külgetõmbe ja tema avastatud kosmilise tõukejõu vahel. Einstein hindas lihtsate arvutuste abil universumi gravitatsiooni tasakaalustamiseks vajaliku kosmilise tõukejõu suuruse. Ta suutis kinnitada, et tõrjumine peab Päikesesüsteemis (ja isegi Galaktika skaalal) olema nii väike, et seda ei saa eksperimentaalselt tuvastada. Korraks tundus, et igivana mõistatus on hiilgavalt lahendatud.

Siis aga muutus olukord hullemaks. Kõigepealt tekkis tasakaalu stabiilsuse probleem. Einsteini põhiidee põhines atraktiivsete ja tõrjuvate jõudude rangel tasakaalul. Kuid nagu paljudel teistel range tasakaalu juhtumitel, tulid ka siin esile peened detailid. Kui näiteks Einsteini staatiline universum veidi paisuks, siis gravitatsiooniline külgetõmme (nõrgeneb koos kaugusega) mõnevõrra väheneks, samas kui kosmiline tõukejõud (suurenedes kaugusega) veidi suureneks. See tooks kaasa tasakaalustamatuse tõukejõudude kasuks, mis põhjustaks Universumi edasise piiramatu paisumise kõikevõitva tõukejõu mõjul. Kui Einsteini staatiline universum peaks vastupidiselt veidi kokku tõmbuma, siis gravitatsioonijõud suureneks ja kosmilise tõukejõud väheneks, mis tooks kaasa tõmbejõudude tasakaalustamatuse ja selle tulemusena üha kiirem kokkutõmbumine ja lõpuks kokkuvarisemine, mida Einstein arvas olevat vältinud. Seega läheks vähimagi kõrvalekalde korral range tasakaal paigast ning kosmiline katastroof oleks vältimatu.

Hiljem, 1927. aastal, avastas Hubble galaktikate majanduslanguse (st universumi paisumise), mis muutis tasakaaluprobleemi mõttetuks. Sai selgeks, et universumit ei ohusta kokkusurumine ja kokkuvarisemine, sest see laieneb. Kui Einsteini poleks hajutanud kosmilise tõukejõu otsingud, oleks ta kindlasti teoreetiliselt sellele järeldusele jõudnud, ennustades seega Universumi paisumist tubli kümme aastat enne seda, kui astronoomidel õnnestus see avastada. Selline ennustus jääks kahtlemata teaduse ajalukku ühe silmapaistvama (sellise ennustuse tegi Einsteini võrrandi põhjal aastatel 1922–1923 Petrogradi ülikooli professor A. A. Fridman). Lõpuks pidi Einstein kahetsusväärselt loobuma kosmilisest tõrjumisest, mida ta hiljem pidas "oma elu suurimaks veaks". Sellega lugu aga ei lõppenud.

Einstein mõtles välja kosmilise tõrjumise, et lahendada staatilise universumi olematu probleem. Aga nagu ikka, pudelist välja tulnud džinni tagasi ajada ei saa. Mõte, et universumi dünaamika, võib-olla tõmbe- ja tõukejõudude vastasseisu tõttu, jäi elama. Ja kuigi astronoomilised vaatlused ei andnud ühtegi tõendit kosmilise tõrjumise olemasolust, ei suutnud nad tõestada ka selle puudumist – see võis lihtsalt olla liiga nõrk, et end avaldada.

Einsteini gravitatsioonivälja võrrandid, kuigi nad tunnistavad tõukejõu olemasolu, ei sea selle suurusele piiranguid. Kibedatest kogemustest õpetatuna oli Einsteinil õigus, kui postuleeris, et selle jõu suurus on rangelt võrdne nulliga, kõrvaldades sellega täielikult tõrjumise. See polnud aga sugugi vajalik. Mõned teadlased pidasid vajalikuks tõrjumist võrrandites säilitada, kuigi algse probleemi seisukohalt polnud see enam vajalik. Need teadlased uskusid, et korralike tõendite puudumisel pole põhjust arvata, et tõukejõud on null.

Paisuva universumi stsenaariumi korral ei olnud raske jälgida tõukejõu säilimise tagajärgi. Arengu algfaasis, kui Universum on veel kokkusurutud olekus, võib tõrjumise tähelepanuta jätta. Selles faasis aeglustas gravitatsiooniline tõmbejõud paisumiskiirust, samamoodi nagu Maa gravitatsioon aeglustab vertikaalselt üles tulistatud raketti. Kui leppida ilma selgituseta, et universumi areng sai alguse kiirest paisumisest, siis peaks gravitatsioon paisumiskiirust pidevalt vähendama praegusel ajal täheldatud väärtuseni. Aja jooksul, kui aine hajub, gravitatsiooniline vastastikmõju nõrgeneb. Vastupidi, kosmiline tõrjumine suureneb, kui galaktikad jätkavad üksteisest eemaldumist. Lõppkokkuvõttes saab tõrjumine jagu gravitatsioonilisest külgetõmbejõust ja universumi paisumiskiirus hakkab taas kasvama. Sellest võime järeldada, et universumis domineerib kosmiline tõrjumine ja paisumine jätkub igavesti.

Astronoomid on näidanud, et see universumi ebatavaline käitumine, kui paisumine esmalt aeglustub ja seejärel taas kiireneb, peaks kajastuma galaktikate vaadeldavas liikumises. Kuid kõige hoolikamad astronoomilised vaatlused ei näidanud sellise käitumise kohta ühtegi veenvat tõendit, kuigi aeg-ajalt väidetakse vastupidist.

Huvitav on see, et Hollandi astronoom Willem de Sitter esitas laieneva universumi idee juba 1916. aastal – palju aastaid enne seda, kui Hubble selle nähtuse eksperimentaalselt avastas. De Sitter väitis, et kui tavaline aine universumist eemaldada, siis gravitatsiooniline külgetõmme kaob ja tõrjuvad jõud hakkavad ruumis valitsema. See põhjustab universumi paisumise – tol ajal oli see uuenduslik idee.

Kuna vaatleja ei suuda alarõhuga kummalist nähtamatut gaasilist keskkonda tajuda, tundub talle lihtsalt, et tühi ruum paisub. Laienemist sai tuvastada katsekehade erinevatesse kohtadesse riputamisega ja nende kauguse jälgimisega. Tühja ruumi laienemise kontseptsiooni peeti tol ajal omamoodi kurioosumiks, kuigi, nagu näeme, osutus just see prohvetlikuks.

Millise järelduse sellest loost siis teha saab? Asjaolu, et astronoomid ei tuvasta kosmilist tõrjumist, ei saa veel olla loogiline tõend selle puudumisest looduses. On täiesti võimalik, et see on lihtsalt liiga nõrk, et seda tänapäevaste instrumentidega tuvastada. Vaatluse täpsus on alati piiratud ja seetõttu saab hinnata ainult selle jõu ülemist piiri. Sellele võib vastu vaielda, et esteetilisest vaatenurgast näeksid loodusseadused kosmilise tõrjumise puudumisel lihtsamad. Sellised arutelud venisid aastaid, ilma lõplike tulemusteta, kuni ühtäkki vaadeldi probleemi täiesti uue nurga alt, mis andis sellele ootamatu aktuaalsuse.

Inflatsioon: Suure Paugu selgitamine

Eelmistes osades ütlesime, et kui on olemas kosmiline tõukejõud, siis see peab olema väga nõrk, nii nõrk, et sellel pole suurt mõju Suurele Paugule. See järeldus põhineb aga eeldusel, et tõukejõu suurus ajas ei muutu. Einsteini ajal jagasid seda arvamust kõik teadlased, kuna kosmiline tõrjumine toodi teooriasse "inimese loodud". Kellelegi ei tulnud pähe, et kosmiline tõrjumine võiks olla kutsutakse muud füüsikalised protsessid, mis tekivad universumi paisumisel. Kui sellist võimalust ette näha, siis võib kosmoloogia osutuda teistsuguseks. Eelkõige ei ole välistatud universumi evolutsiooni stsenaarium, eeldades, et evolutsiooni varases staadiumis äärmuslikes tingimustes võitis kosmiline tõukejõud mõne hetke gravitatsiooni üle, põhjustades universumi plahvatuse, misjärel selle roll praktiliselt vähenes. null.

See üldpilt ilmneb hiljutisest tööst aine ja jõudude käitumise kohta universumi arengu väga varases staadiumis. Sai selgeks, et hiiglaslik kosmiline tõrjumine on suurriigi vältimatu tagajärg. Niisiis, "antigravitatsioon", mille Einstein läbi ukse sõitis, on akna kaudu tagasi tulnud!

Võtme kosmilise tõrjumise uue avastuse mõistmiseks annab kvantvaakumi olemus. Oleme näinud, kuidas selline tõrjumine võib olla tingitud ebatavalisest nähtamatust meediumist, mida ei erista tühjast ruumist, kuid millel on negatiivne rõhk. Tänapäeval usuvad füüsikud, et need on kvantvaakumi omadused.

Seitsmendas peatükis märgiti, et vaakumit tuleks käsitleda kui omamoodi kvantaktiivsuse "ensüümi", mis on täis virtuaalseid osakesi ja küllastunud keerukatest interaktsioonidest. On väga oluline mõista, et vaakum mängib kvantkirjelduse raamistikus otsustavat rolli. See, mida me nimetame osakesteks, on lihtsalt haruldased häired, nagu "mullid" terve tegevusmere pinnal.

1970. aastate lõpus sai selgeks, et nelja interaktsiooni ühendamine eeldas vaakumi füüsikalise olemuse ideede täielikku läbivaatamist. Teooria eeldab, et vaakumenergia ei avaldu sugugi üheselt. Lihtsamalt öeldes võib vaakum ergastuda ja olla ühes paljudest väga erineva energiaga olekutest, nii nagu aatom saab ergastuda kõrgemale energiatasemele minnes. Need vaakumomaseisundid – kui saaksime neid jälgida – näeksid täpselt samasugused välja, kuigi neil on täiesti erinevad omadused.

Esiteks voolab vaakumis sisalduv energia tohututes kogustes ühest olekust teise. Näiteks suurtes ühtsetes teooriates on erinevus madalaima ja kõrgeima vaakumenergia vahel kujuteldamatult suur. Et saada aimu nende koguste hiiglaslikust ulatusest, hinnakem Päikese poolt kogu oma eksisteerimisperioodi jooksul (umbes 5 miljardit aastat) vabanevat energiat. Kujutage ette, et kogu see Päikese poolt kiiratav kolossaalne energiakogus asub Päikesesüsteemi suurusest väiksemas ruumipiirkonnas. Sel juhul saavutatud energiatihedused on lähedased HWO vaakumi olekule vastavatele energiatihedustele.

Koos hämmastavate energiaerinevustega vastavad erinevatele vaakumolekutele võrdselt hiiglaslikud rõhuerinevused. Kuid siin peitub "trikk": kõik need surved - negatiivne. Kvantvaakum käitub täpselt nagu eelnevalt mainitud hüpoteetiline kosmiline tõukekeskkond, ainult seekord on rõhu arvväärtused nii suured, et tõukejõud on 10^120 korda suurem kui jõud, mida Einstein vajas staatilises universumis tasakaalu säilitamiseks. .

Nüüd on tee Suure Paugu selgitamiseks avatud. Oletame, et Universum oli alguses ergastatud vaakumis, mida nimetatakse "valeks" vaakumiks. Selles olekus toimus Universumis nii suur kosmiline tõuge, mis oleks põhjustanud Universumi ohjeldamatu ja kiire paisumise. Sisuliselt vastaks universum selles faasis eelmises jaotises käsitletud de Sitteri mudelile. Erinevus seisneb aga selles, et de Sitteris paisub universum vaikselt astronoomilistel ajakavadel, samas kui "de Sitteri faas" universumi evolutsioonis "valest" kvantvaakumist ei ole tegelikult vaikne. Universumi poolt hõivatud ruumi maht peaks sel juhul kahekordistuma iga 10^-34 s (või samas suurusjärgus ajaintervalli) järel.

Universumi sellisel ülipaisumisel on mitmeid iseloomulikke jooni: kõik kaugused suurenevad vastavalt eksponentsiaalseadusele (eksponenti mõistega kohtusime juba 4. peatükis). See tähendab, et iga 10^-34 s kahekordistavad kõik universumi alad oma suurust ja seejärel jätkub see kahekordistumisprotsess eksponentsiaalselt. Seda tüüpi laiendust võeti esmakordselt arvesse 1980. aastal. Alan Guthi MIT-st (Massachusettsi Tehnoloogiainstituut, USA) nimetas ta "inflatsiooniks". Äärmiselt kiire ja pidevalt kiireneva paisumise tulemusena selgub üsna pea, et kõik universumi osad lendavad laiali nagu plahvatuse korral. Ja see on Suur Pauk!

Küll aga nii või teisiti, aga inflatsioonifaas peab peatuma. Nagu kõigis ergastatud kvantsüsteemides, on "vale" vaakum ebastabiilne ja kipub lagunema. Kui toimub lagunemine, kaob tõrjumine. See omakorda viib inflatsiooni lakkamiseni ja universumi üleminekuni tavapärase gravitatsioonilise külgetõmbe jõule. Loomulikult jätkaks Universum sel juhul inflatsiooniperioodil saadud algimpulsi paisumist, kuid paisumiskiirus väheneks pidevalt. Seega on ainus kosmilisest tõrjumisest tänaseni säilinud jälg Universumi paisumise järkjärguline aeglustumine.

"Inflatsioonistsenaariumi" kohaselt alustas Universum oma eksisteerimist vaakumi seisundist, kus puudub aine ja kiirgus. Kuid isegi kui need oleksid algusest peale olemas, kaoksid nende jäljed kiiresti inflatsioonifaasi tohutu laienemiskiiruse tõttu. Sellele faasile vastava ülilühikese aja jooksul on kogu tänapäeval vaadeldava universumi poolt hõivatud ruumipiirkond kasvanud prootoni suuruse miljardindikult mitme sentimeetrini. Mis tahes algselt eksisteeriva aine tihedus oleks tegelikult võrdne nulliga.

Seega oli inflatsioonifaasi lõpuks universum tühi ja külm. Kui aga inflatsioon kokku kuivas, muutus universum ühtäkki äärmiselt "kuumaks". See kuumusepuhang, mis kosmost valgustas, on tingitud "vales" vaakumis sisalduvatest tohututest energiavarudest. Vaakumseisundi kokkuvarisemisel vabanes selle energia kiirguse kujul, mis soojendas universumi hetkega umbes 10^27 K-ni, millest piisab protsesside toimumiseks GUT-s. Sellest hetkest alates on universum arenenud vastavalt "kuuma" Suure Paugu standardsele teooriale. Tänu soojusenergiale tekkisid aine ja antiaine, seejärel hakkas universum jahtuma ja kõik selle tänapäeval vaadeldavad elemendid hakkasid järk-järgult "välja külmuma".

Nii et raske probleem on selles, mis põhjustas Suure Paugu? - õnnestus lahendada inflatsiooniteooriat kasutades; tühi ruum plahvatas spontaanselt kvantvaakumile omase tõrjumise all. Kuid mõistatus jääb endiselt alles. Kuskilt pidi tulema primaarplahvatuse kolossaalne energia, mis läks Universumis eksisteeriva aine ja kiirguse tekkeks! Me ei saa seletada universumi olemasolu enne, kui oleme leidnud primaarenergia allika.

space bootstrap

Inglise bootstrap otseses mõttes tähendab see "nööritust", ülekantud tähenduses enesejärjekindlust, hierarhia puudumist elementaarosakeste süsteemis.

Universum sündis hiiglasliku energiapuhangu käigus. Selle jälgi leiame endiselt - see on taustsoojuskiirgus ja kosmiline aine (eelkõige tähtedest ja planeetidest koosnevad aatomid), mis salvestab teatud energia "massi" kujul. Selle energia jäljed avalduvad ka galaktikate languses ja astronoomiliste objektide vägivaldses tegevuses. Primaarenergia "alustas tärkava Universumi kevade" ja paneb seda käima tänaseni.

Kust tuli see energia, mis puhus meie universumile elu sisse? Inflatsiooniteooria järgi on see tühja ruumi energia ehk teisisõnu kvantvaakum. Kuid kas selline vastus võib meid täielikult rahuldada? On loomulik küsida, kuidas vaakum energiat omandas.

Üldiselt, küsides, kust energia tuli, teeme sisuliselt olulise eelduse selle energia olemuse kohta. Üks füüsika põhiseadusi on energia jäävuse seadus, mille kohaselt võivad erinevad energiavormid muutuda ja üksteiseks üle minna, kuid energia koguhulk jääb muutumatuks.

Näiteid, milles selle seaduse toimimist saab kontrollida, pole raske tuua. Oletame, et meil on mootor ja kütusevaru ning mootorit kasutatakse elektrigeneraatori käitamiseks, mis omakorda toidab kütteseadet. Kütuse põlemisel muundub sellesse salvestunud keemiline energia mehaaniliseks, seejärel elektriliseks ja lõpuks soojuseks. Või oletame, et mootorit kasutatakse koorma tõstmiseks torni tippu, misjärel koorem vabalt langeb; maapinnale löömisel eraldub täpselt sama palju soojusenergiat kui näites küttekehaga. Fakt on see, et hoolimata sellest, kuidas energiat üle kantakse või kuidas selle vorm muutub, ei saa seda ilmselgelt luua ega hävitada. Insenerid kasutavad seda seadust igapäevases praktikas.

Kui energiat ei saa luua ega hävitada, siis kuidas primaarenergia tekib? Eks see lihtsalt esimesel hetkel süstitud (mingi uus algseisund, mis on aktsepteeritud ad hoc)? Kui jah, siis miks sisaldab universum seda energiahulka ja mitte mõnda muud kogust? Vaadeldavas universumis on umbes 10^68 J (džauli) energiat – miks mitte näiteks 10^99 või 10^10000 või mõni muu arv?

Inflatsiooniteooria pakub sellele mõistatusele ühe võimaliku teadusliku seletuse. Selle teooria järgi. Universumi energia oli algselt võrdne nulliga ja esimese 10^32 sekundiga õnnestus tal ellu äratada kogu hiiglaslik energiahulk. Võti selle ime mõistmiseks peitub tähelepanuväärses tõsiasjas, et energia jäävuse seadus tavapärases tähenduses ei ole kohaldatav laienevale universumile.

Tegelikult oleme sarnase faktiga juba kokku puutunud. Kosmoloogiline paisumine toob kaasa universumi temperatuuri languse: vastavalt sellele ammendub primaarfaasis nii suur soojuskiirguse energia ja temperatuur langeb absoluutse nulli lähedale. Kuhu kogu see soojusenergia kadus? Teatud mõttes kasutas universum selle ära, et laieneda ja see avaldas survet Suure Paugu jõu täiendamiseks. Kui tavaline vedelik paisub, töötab selle väljapoole suunatud rõhk vedeliku energiat kasutades. Kui tavaline gaas paisub, kulub selle siseenergia töö tegemiseks. Selle täieliku kontrastina sarnaneb kosmiline tõrjumine meediumi käitumisega negatiivne survet. Kui selline keskkond paisub, siis selle energia ei vähene, vaid suureneb. Täpselt nii juhtus inflatsiooni perioodil, mil kosmilise tõuke tõttu Universum kiiresti paisus. Kogu selle perioodi jooksul jätkas vaakumi koguenergia suurenemist, kuni inflatsiooniperioodi lõpuks saavutas see tohutu väärtuse. Kui inflatsiooniperiood oli möödas, vabanes kogu salvestatud energia ühe hiiglasliku purskega, põhjustades soojust ja ainet Suure Paugu täies ulatuses. Sellest hetkest algas tavapärane plussrõhuga paisumine, nii et energia hakkas taas vähenema.

Primaarenergia tekkimist iseloomustab mingi maagia. Salapärase negatiivse rõhuga vaakum on ilmselt varustatud täiesti uskumatute võimalustega. Ühelt poolt tekitab see hiiglasliku tõukejõu, mis tagab selle üha kiireneva paisumise, teisalt aga sunnib paisumine ise suurendama vaakumienergiat. Vaakum sisuliselt toidab end tohututes kogustes energiaga. Sellel on sisemine ebastabiilsus, mis tagab pideva laienemise ja piiramatu energiatootmise. Ja ainult valevaakumi kvantlagunemine seab sellele "kosmilisele ekstravagantsusele" piiri.

Vaakum teenib loodust maagilise põhjatu energiakannina. Põhimõtteliselt ei ole inflatsioonilise laienemise käigus eralduvale energiahulgale piiranguid. See väide tähistab revolutsiooni traditsioonilises mõtlemises oma sajanditepikkuse “millestki ei sünni midagi” (see ütlus pärineb vähemalt Parmeniidi ajastust, s.o. 5. sajandist eKr). Mõte eimillestki "loomise" võimalusest oli kuni viimase ajani täielikult religioonide pädevuses. Eeskätt on kristlased pikka aega uskunud, et Jumal lõi maailma eimillestki, kuid ideed kogu aine ja energia iseenesliku tekke võimalusest puhtfüüsikaliste protsesside tulemusena pidasid teadlased kümmekond aastat tagasi täiesti vastuvõetamatuks. .

Neil, kes ei suuda sisemiselt leppida kogu kontseptsiooniga "millegi" tekkimisest "millestki", on võimalus Universumi paisumise käigus energia tekkele teisiti vaadata. Kuna tavalisel gravitatsioonil on külgetõmbe iseloom, on aineosade üksteisest eemaldamiseks vaja teha tööd nende osade vahel mõjuva gravitatsiooni ületamiseks. See tähendab, et kehade süsteemi gravitatsioonienergia on negatiivne; uute kehade lisandumisel süsteemi vabaneb energia ja selle tulemusena muutub gravitatsioonienergia "veel negatiivsemaks". Kui rakendada seda arutlust Universumi kohta inflatsiooni staadiumis, siis just soojuse ja aine ilmumine justkui "kompenseerib" moodustunud masside negatiivset gravitatsioonienergiat. Sel juhul on Universumi kui terviku koguenergia võrdne nulliga ja uut energiat ei teki üldse! Selline vaade "maailma loomise" protsessile on kindlasti atraktiivne, kuid siiski ei tohiks seda liiga tõsiselt võtta, kuna üldiselt osutub energia mõiste staatus gravitatsiooni suhtes kahtlaseks.

Kõik siin vaakumi kohta öeldu meenutab väga füüsikute lemmiklugu poisist, kes rabasse kukkununa end oma kingapaelte abil välja tõmbas. Iseloov universum meenutab seda poissi – ka tõmbab end välja omaenda "paelte" abil (seda protsessi tähistatakse mõistega "bootstrap"). Tõepoolest, Universum ergastab oma füüsilise olemuse tõttu endas kogu mateeria "loomiseks" ja "elustamiseks" vajaliku energia ning käivitab ka seda tekitava plahvatuse. See on ruumi alglaadimine; tema hämmastavale jõule võlgneme oma olemasolu.

Edusammud inflatsiooniteoorias

Pärast seda, kui Guth esitas põhimõttelise idee, et universum läbis varase ülikiire paisumise perioodi, sai selgeks, et selline stsenaarium võib kaunilt seletada paljusid Suure Paugu kosmoloogia tunnuseid, mida varem peeti iseenesestmõistetavaks.

Ühes eelnevatest lõikudest kohtasime esmase plahvatuse väga kõrge organiseerituse ja koordineerimise paradoksi. Üks selle suurepäraseid näiteid on plahvatuse jõud, mis osutus täpselt "sobivaks" kosmilise gravitatsiooni suurusele, mille tulemusena on meie aja universumi paisumiskiirus väga lähedane pakkimist (kokkuvarisemist) ja kiiret laienemist eraldav piirväärtus. Inflatsioonistsenaariumi määrav test on just see, kas see näeb ette nii täpselt määratletud jõuga Suure Paugu. Selgub, et tänu eksponentsiaalsele paisumisele inflatsioonifaasis (mis on selle kõige iseloomulikum omadus) tagab plahvatuse jõud automaatselt rangelt võimaluse ületada Universumi enda gravitatsioon. Inflatsioon võib viia täpselt sellise laienemismäärani, mida tegelikkuses täheldatakse.

Veel üks "suur mõistatus" on seotud universumi homogeensusega suures ulatuses. Samuti lahendatakse see kohe inflatsiooniteooria põhjal. Kõik universumi struktuuri esialgsed ebaühtlused tuleb selle suuruse suurejoonelise suurendamisega absoluutselt kustutada, nagu ka tühjendatud õhupalli kortsud siluvad selle täispuhumisel. Ja ruumiliste piirkondade suuruse suurenemise tõttu umbes 10^50 korda muutub igasugune esialgne häirimine tähtsusetuks.

Sellest oleks aga vale rääkida täielik homogeensus. Et võimaldada moodsate galaktikate ja galaktikaparvede teket, pidi varase universumi struktuur olema teatud määral "tükiline". Algselt lootsid astronoomid, et galaktikate olemasolu saab seletada pärast Suurt Pauku gravitatsioonilise külgetõmbe mõjul mateeria kuhjumisega. Gaasipilv peab oma raskusjõu toimel kokku tõmbuma ja seejärel lagunema väiksemateks kildudeks ja need omakorda veelgi väiksemateks tükkideks jne. Võimalik, et Suure Paugu tulemusena tekkinud gaasi jaotus oli täiesti homogeenne, kuid puhtjuhuslike protsesside tõttu tekkis siin-seal paksenemine ja harvendamine puhtjuhuslike protsesside tõttu. Gravitatsioon suurendas neid kõikumisi veelgi, põhjustades kondensatsioonialade kasvu ja täiendava aine neeldumise nende poolt. Seejärel need piirkonnad tõmbusid kokku ja lagunesid järjestikku ning väikseimad tükid muutusid tähtedeks. Lõpuks tekkis struktuuride hierarhia: tähed ühinesid rühmadeks, need galaktikateks ja edasi galaktikate parvedeks.

Kahjuks, kui gaasis ei oleks algusest peale ebahomogeensust, siis selline galaktikate tekkemehhanism toimiks Universumi vanusest palju pikema aja jooksul. Fakt on see, et kondenseerumise ja killustumise protsessid võistlesid universumi paisumisega, millega kaasnes gaasi hajumine. Suure Paugu teooria algses versioonis eeldati, et galaktikate "idud" eksisteerisid algselt Universumi struktuuris selle tekkekohas. Pealegi pidid need esialgsed ebahomogeensused olema üsna kindlate mõõtmetega: mitte liiga väikesed, muidu poleks nad kunagi tekkinud, aga ka mitte liiga suured, vastasel juhul varisevad suure tihedusega piirkonnad lihtsalt kokku, muutudes tohututeks mustadeks aukudeks. Samas on täiesti arusaamatu, miks galaktikad on täpselt selliste mõõtmetega või miks selline arv galaktikaid parve kaasatakse.

Inflatsioonistsenaarium annab järjekindlama selgituse galaktilise struktuuri kohta. Põhiidee on üsna lihtne. Inflatsioon on tingitud asjaolust, et universumi kvantolek on ebastabiilne valevaakumi olek. Lõpuks see vaakumseisund laguneb ja selle liigne energia muundatakse soojuseks ja aineks. Sel hetkel kosmiline tõrjumine kaob – ja inflatsioon peatub. Kuid valevaakumi lagunemine ei toimu kogu ruumis rangelt üheaegselt. Nagu iga kvantprotsessi puhul, kõiguvad valevaakumi lagunemise määrad. Mõnes universumi piirkonnas toimub lagunemine mõnevõrra kiiremini kui teistes. Nendes piirkondades lõpeb inflatsioon varem. Selle tulemusena säilivad ebahomogeensused ka lõppseisundis. Võimalik, et need ebahomogeensused võivad toimida gravitatsiooni kokkutõmbumise "idudena" (keskustena) ja lõpuks viia galaktikate ja nende parvede tekkeni. Kõikumiste mehhanismi matemaatilist modelleerimist on tehtud aga väga vähese eduga. Reeglina osutub mõju liiga suureks ja arvutatud ebahomogeensused on liiga olulised. Tõsi, kasutati liiga jämedaid mudeleid ja võib-olla oleks peenem lähenemine õnnestunud. Kuigi teooria pole kaugeltki täielik, kirjeldab see vähemalt mehhanismi olemust, mis võib viia galaktikate tekkeni, ilma et oleks vaja erilisi algtingimusi.

Guthi versioonis inflatsioonistsenaariumist muutub valevaakum esmalt "tõeliseks" ehk madalaima energiatarbega vaakumi olekuks, mida me samastame tühja ruumiga. Selle muutuse olemus on üsna sarnane faasiüleminekuga (näiteks gaasist vedelikuks). Sel juhul tekiksid valevaakumis juhuslikult tõelise vaakumi mullid, mis valguse kiirusel paisudes haaraksid endasse kõik suured ruumialad. Selleks, et valevaakum eksisteeriks piisavalt kaua, et inflatsioon saaks teha oma "imelise" töö, peavad need kaks olekut olema eraldatud energiabarjääriga, mille kaudu peab toimuma süsteemi "kvanttunnelistumine", sarnaselt elektronidega. (vt ptk.) . Sellel mudelil on aga üks tõsine puudus: kogu valevaakumist vabanev energia on koondunud mulli seintesse ja puudub mehhanism selle ümberjaotamiseks kogu mulli ulatuses. Kui mullid põrkasid kokku ja ühinesid, kogunes energia lõpuks juhuslikult segunenud kihtidesse. Selle tulemusena sisaldaks universum väga tugevaid ebahomogeensusi ja kogu inflatsioonitöö laiaulatusliku ühtluse loomiseks kukuks kokku.

Inflatsioonistsenaariumi edasise paranemisega need raskused ületati. Uues teoorias puudub tunneldamine kahe vaakumoleku vahel; selle asemel valitakse parameetrid nii, et valevaakumi lagunemine on väga aeglane ja seega saab universum piisavalt aega paisuda. Kui lagunemine on lõppenud, vabaneb vale vaakumenergia kogu “mulli” ruumalas, mis kuumeneb kiiresti temperatuurini 10^27 K. Eeldatakse, et kogu vaadeldav universum sisaldub ühes sellises mullis. Seega võib ülisuurtel skaalal universum olla väga ebaregulaarne, kuid meie vaatlusele juurdepääsetav piirkond (ja isegi palju suuremad universumi osad) asub täiesti homogeenses tsoonis.

On uudishimulik, et Guth töötas algselt välja oma inflatsiooniteooria täiesti erineva kosmoloogilise probleemi – magnetiliste monopoolide puudumise – lahendamiseks. Nagu on näidatud 9. peatükis, ennustab standardne Suure Paugu teooria, et Universumi evolutsiooni esmases faasis peaks monopole tekkima liigselt. Nendega võivad kaasneda nende ühe- ja kahemõõtmelised vasted - kummalised objektid, millel on "nööri" ja "lehe" iseloom. Probleem oli vabastada universum nendest "ebasoovitavatest" objektidest. Inflatsioon lahendab automaatselt monopoolide probleemi ja muud sarnased probleemid, kuna ruumi hiiglaslik laienemine vähendab nende tihedust tõhusalt nullini.

Kuigi inflatsioonistsenaarium on välja töötatud vaid osaliselt ja usutav, mitte enam, on see võimaldanud sõnastada mitmeid ideid, mis lubavad pöördumatult muuta kosmoloogia palet. Nüüd ei saa me mitte ainult pakkuda selgitust Suure Paugu põhjusele, vaid hakata ka mõistma, miks see nii "suur" oli ja miks see sellise iseloomu omandas. Nüüd saame asuda lahendama küsimust, kuidas tekkis universumi suuremahuline homogeensus ja koos sellega ka väiksema ulatusega (näiteks galaktikate) täheldatud ebahomogeensus. Algne plahvatus, mis lõi selle, mida me nimetame universumiks, ei ole enam füüsikateadusest kaugemale jääv mõistatus.

Universum loob ennast ise

Ja ometi, hoolimata inflatsiooniteooria tohutust edust universumi päritolu selgitamisel, jääb mõistatus alles. Kuidas sattus universum algselt valevaakumi seisundisse? Mis juhtus enne inflatsiooni?

Universumi tekke järjekindel, täiesti rahuldav teaduslik kirjeldus peaks selgitama, kuidas ruum ise (täpsemalt aegruum) tekkis, mis seejärel inflatsiooni tegi. Mõned teadlased on valmis tunnistama, et ruum on alati olemas, teised usuvad, et see küsimus jääb üldiselt teadusliku lähenemisviisi ulatusest välja. Ja ainult vähesed väidavad rohkem ja on veendunud, et on täiesti õigustatud tõstatada küsimus, kuidas ruum üldiselt (ja eriti vale vaakum) võib sõna otseses mõttes tekkida "millestki" füüsiliste protsesside tulemusena, mis põhimõtteliselt võivad olema uuritud.

Nagu märgitud, oleme alles hiljuti vaidlustanud püsiva veendumuse, et "miski ei tule mitte millestki". Kosmiline bootstrap on lähedane teoloogilisele kontseptsioonile maailma loomisest eimillestki (endine nihilo). Kahtlemata on meid ümbritsevas maailmas mõne objekti olemasolu tavaliselt tingitud teiste objektide olemasolust. Niisiis tekkis Maa protosolaarsest udukogust, mis omakorda galaktilistest gaasidest jne. Kui juhtuksime nägema objekti, mis ootamatult ilmus "millestki", tajuksime seda ilmselt imena; näiteks üllataks meid see, kui leiame lukustatud tühjast seifist ootamatult palju münte, nuge või maiustusi. Igapäevaelus oleme harjunud teadvustama, et kõik tekib kuskilt või millestki.

Vähem spetsiifiliste asjade puhul pole aga kõik nii ilmne. Millest tekib näiteks maal? Muidugi on selleks vaja pintslit, värve ja lõuendit, aga need on vaid tööriistad. Pildi maalimisviis – vormi, värvi, tekstuuri, kompositsiooni valik – ei sünni pintslite ja värvidega. See on kunstniku loomingulise kujutlusvõime tulemus.

Kust tulevad mõtted ja ideed? Mõtted on kahtlemata tõelised ja nõuavad ilmselt alati aju osalust. Kuid aju pakub ainult mõtete elluviimist ja ei ole nende põhjus. Iseenesest genereerib aju mõtteid mitte rohkem kui näiteks arvuti – arvutused. Mõtteid võivad tekitada ka teised mõtted, kuid see ei paljasta mõtte enda olemust. Mõned mõtted võivad sündida, aistingud; mõte tekitab mälu. Enamik kunstnikke suhtub oma töösse aga kui selle tulemuseni ootamatu inspiratsiooni. Kui see on tõsi, siis on maali loomine – või vähemalt selle idee sünd – vaid näide millegi sünnist eimillestki.

Ja siiski, kas võime arvata, et füüsilised objektid ja isegi universum tervikuna tekivad mitte millestki? Seda julget hüpoteesi arutatakse tõsiselt näiteks USA idaranniku teadusasutustes, kus päris paljud teoreetilised füüsikud ja kosmoloogid töötavad välja matemaatilist aparaati, mis aitaks välja selgitada võimaluse luua midagi mitte millestki. Sellesse eliitringi kuuluvad Alan Guth MIT-st, Sydney Coleman Harvardi ülikoolist, Alex Vilenkin Tuftsi ülikoolist, Ed Tyon ja Heinz Pagels New Yorgist. Nad kõik usuvad, et ühes või teises mõttes "miski pole ebastabiilne" ja füüsiline universum "õitses iseeneslikult eimillestki", mida juhivad ainult füüsikaseadused. "Sellised ideed on puhtalt spekulatiivsed," tunnistab Guth, "kuid teatud tasemel võivad need olla õiged ... Mõnikord öeldakse, et tasuta lõunasööki pole olemas, kuid Universum on ilmselt just selline" tasuta lõunasöök.

Kõigis neis hüpoteesides mängib võtmerolli kvantkäitumine. Nagu 2. peatükis ütlesime, on kvantkäitumise põhitunnuseks range põhjusliku seose kadumine. Klassikalises füüsikas järgis mehaanika ekspositsioon põhjuslikkuse ranget järgimist. Iga osakese liikumise kõik üksikasjad olid liikumisseadustega rangelt ette määratud. Usuti, et liikumine on pidev ja tegutsevate jõudude poolt rangelt määratud. Liikumisseadused kehastasid sõna otseses mõttes põhjuse ja tagajärje vahelist suhet. Universumit nähti kui hiiglaslikku kellavärki, mille käitumist reguleerib rangelt hetkel toimuv. Just usk sellisesse kõikehõlmavasse ja absoluutselt rangesse põhjuslikku seosesse ajendas Pierre Laplace’i väitma, et ülivõimas kalkulaator on põhimõtteliselt võimeline mehaanikaseaduste alusel ennustama nii eaka ajalugu kui ka saatust. universum. Selle vaate kohaselt on universum määratud järgima oma ettekirjutatud rada igavesti.

Kvantfüüsika on hävitanud metoodilise, kuid viljatu Laplacia skeemi. Füüsikud on veendunud, et aatomitasandil on aine ja selle liikumine ebakindel ja ettearvamatu. Osakesed võivad käituda "hullult", justkui seistes vastu rangelt ettekirjutatud liigutustele, ilmudes ootamatult ilma nähtava põhjuseta kõige ootamatumatesse kohtadesse ning mõnikord ilmuvad ja kaovad "ilma ette hoiatamata".

Kvantmaailm pole põhjuslikkusest täiesti vaba, vaid avaldub üsna otsustamatult ja mitmetähenduslikult. Näiteks kui üks aatom on teise aatomiga kokkupõrke tagajärjel ergastatud olekus, läheb see tavaliselt kiiresti tagasi madalaima energiaga olekusse, kiirgades selle käigus footoni. Footoni ilmumine on loomulikult selle tagajärg, et aatom on eelnevalt ergastatud olekusse läinud. Võime kindlalt väita, et footoni ilmumiseni viis ergastus ja selles mõttes säilib põhjuse ja tagajärje seos. Footoni tegelik tekkimishetk on aga ettearvamatu: aatom võib selle igal hetkel kiirata. Füüsikud suudavad välja arvutada footoni tõenäolise ehk keskmise esinemisaja, kuid igal juhul on võimatu ennustada hetke, millal see sündmus aset leiab. Ilmselt on sellise olukorra iseloomustamiseks kõige parem öelda, et aatomi ergastamine ei too kaasa mitte niivõrd footoni ilmumist, kuivõrd selle "tõukamist" selle poole.

Seega pole kvantmikromaailm mässitud tihedasse põhjuslike seoste võrku, vaid "kuulab" sellegipoolest arvukaid pealetükkimatuid käske ja ettepanekuid. Vanas Newtoni skeemis pöördus jõud justkui objekti poole vastamatu käsuga: “Liiku!”. Kvantfüüsikas põhineb jõu ja objekti suhe pigem kutsel kui käsul.

Miks on meile idee objekti äkilisest sünnist "millestki" nii vastuvõetamatu? Mis siis paneb meid mõtlema imedest ja üleloomulikest nähtustest? Võib-olla on kogu mõte ainult selliste sündmuste ebatavalisuses: igapäevaelus ei kohta me kunagi objektide ebamõistlikku välimust. Kui mustkunstnik tõmbab näiteks jänese mütsist välja, siis teame, et meid tehakse lolliks.

Oletame, et me elame tõesti maailmas, kus objektid ilmuvad aeg-ajalt "ei-kusagilt", ilma põhjuseta ja täiesti ettearvamatult. Kui oleme selliste nähtustega harjunud, ei imesta me enam neid. Spontaanset sündi tajutaks kui üht looduse kapriisidest. Võib-olla ei peaks me sellises maailmas enam oma kergeusklikkust pingutama, et kujutada ette kogu füüsilise universumi järsku tekkimist tühjast.

See kujutletav maailm ei erine sisuliselt nii palju tegelikust. Kui suudaksime aatomite käitumist vahetult tajuda oma meelte kaudu (mitte spetsiaalsete instrumentide vahendusel), peaksime sageli jälgima objektide tekkimist ja kadumist ilma selgelt määratletud põhjusteta.

"Mitte millestki sündimisele" lähim nähtus leiab aset piisavalt tugevas elektriväljas. Väljatugevuse kriitilise väärtuse korral hakkavad elektronid ja positronid ilmuma täiesti juhuslikult "millestki". Arvutused näitavad, et uraani tuuma pinna lähedal on elektrivälja tugevus piisavalt lähedane piirile, millest kaugemale see mõju avaldub. Kui oleks 200 prootonit sisaldavaid aatomituumasid (neid on uraani tuumas 92), siis toimuks elektronide ja positronite spontaanne sünd. Kahjuks näib nii suure prootonite arvuga tuum muutuvat äärmiselt ebastabiilseks, kuid see pole täiesti kindel.

Radioaktiivsuse eriliigiks võib pidada elektronide ja positronite spontaanset teket tugevas elektriväljas, kui lagunemisel tekib tühi ruum, vaakum. Oleme juba rääkinud lagunemise tagajärjel ühest vaakumolekust teise üleminekust. Sel juhul vaakum laguneb, muutudes olekuks, milles esinevad osakesed.

Kuigi elektrivälja põhjustatud ruumi lagunemine on raskesti hoomatav, võib sarnane protsess gravitatsiooni mõjul looduses aset leida. Mustade aukude pinna lähedal on gravitatsioon nii tugev, et vaakum kubiseb pidevalt sündivatest osakestest. See on kuulus musta augu kiirgus, mille avastas Stephen Hawking. Lõppkokkuvõttes on selle kiirguse sünni eest vastutav gravitatsioon, kuid ei saa öelda, et see juhtub "vanas Newtoni mõistes": ei saa öelda, et mingi konkreetne osake peaks teatud ajahetkel teatud kohta ilmuma. gravitatsioonijõudude toime tulemusena . Igal juhul, kuna gravitatsioon on ainult aegruumi kõverus, võib öelda, et aegruum põhjustab mateeria sünni.

Aine spontaanset esilekerkimist tühjast ruumist nimetatakse sageli "eimillestki" sündimiseks, mis on hingelt sünnile lähedane. endine nihilo kristlikus õpetuses. Kuid füüsiku jaoks pole tühi ruum mitte midagi, vaid väga oluline osa füüsilisest universumist. Kui tahame ikkagi vastata küsimusele, kuidas universum tekkis, siis ei piisa eeldusest, et tühi ruum eksisteeris algusest peale. Tuleb selgitada, kust see ruum tuli. mõtlesin sünnile ruum ise See võib tunduda kummaline, kuid mõnes mõttes juhtub seda meie ümber kogu aeg. Universumi paisumine pole midagi muud kui kosmose pidev "paisumine". Iga päev suureneb meie teleskoopidele juurdepääsetav universumi piirkond 10 ^ 18 kuupvalgusaasta võrra. Kust see ruum tuleb? Kummi analoogia on siin kasulik. Kui elastne kummipael välja tõmmata, siis see "suureneb". Ruum meenutab superelastsust selle poolest, et meile teadaolevalt võib see lõpmatuseni venida, ilma rebenemata.

Ruumi venitamine ja kõverdumine meenutab elastse keha deformatsiooni selle poolest, et ruumi “liikumine” toimub mehaanikaseaduste järgi täpselt samamoodi nagu tavaaine liikumine. Sel juhul on need gravitatsiooniseadused. Kvantteooria on ühtviisi rakendatav nii mateeria kui ka ruumi ja aja suhtes. Eelmistes peatükkides oleme öelnud, et kvantgravitatsiooni peetakse ülijõu otsingul vajalikuks sammuks. Sellega seoses tekib kurioosne võimalus; kui kvantteooria järgi võivad aineosakesed tekkida “millestki”, siis kas see ei kirjelda gravitatsiooni suhtes “millestki” ja ruumi tekkimist? Kui see juhtub, siis kas Universumi sünd 18 miljardit aastat tagasi pole just sellise protsessi näide?

Tasuta lõunasöök?

Kvantkosmoloogia põhiidee on kvantteooria rakendamine universumile tervikuna: aegruumile ja ainele; teoreetikud võtavad seda ideed eriti tõsiselt. Esmapilgul on siin vastuolu: kvantfüüsika tegeleb kõige väiksemate süsteemidega, kosmoloogia aga kõige suurematega. Kuid universum oli kunagi piiratud ka väga väikese suurusega ja seetõttu olid kvantefektid tollal äärmiselt olulised. Arvutuste tulemused näitavad, et kvantseadusi tuleks arvesse võtta GUT ajastul (10^-32 s) ja Plancki ajastul (10^-43 s) peaks neil ilmselt olema määrav roll. Mõnede teoreetikute (näiteks Vilenkin) arvates oli nende kahe ajastu vahel universumi tekkimise hetk. Sydney Colemani sõnul oleme teinud kvanthüppe nullist aega. Ilmselt on aegruum selle ajastu jäänuk. Kvanthüpet, millest Coleman räägib, võib vaadelda kui omamoodi "tunnelitamisprotsessi". Märkasime, et inflatsiooniteooria algses versioonis pidi vale vaakum olek tunneleerima läbi energiabarjääri tõelise vaakumolekuni. Kvantuniversumi spontaanse "millestki välja" tekkimise puhul jõuab aga meie intuitsioon oma võimaluste piirini. Tunneli üks ots esindab füüsilist universumit ruumis ja ajas, mis jõuab sinna kvanttunnelimise teel "eimillestki". Seetõttu on tunneli teine ​​ots see väga Mitte midagi! Võib-olla oleks õigem öelda, et tunnelil on ainult üks ots ja teist lihtsalt "ei ole olemas".

Nende universumi päritolu seletamise katsete peamine raskus seisneb selle valevaakumi seisundist sündimise protsessi kirjeldamises. Kui äsja tekkinud aegruum oleks tõelises vaakumis, ei saaks inflatsiooni kunagi tekkida. Suur pauk taandataks nõrgaks purskeks ja aegruum lakkaks hetk hiljem uuesti eksisteerimast – selle hävitaksid just need kvantprotsessid, mille tõttu see algselt tekkis. Kui Universum poleks sattunud valevaakumi seisundisse, poleks ta kunagi sattunud kosmilisse saapapaela ega oleks realiseerinud oma illusoorset olemasolu. Võib-olla eelistatakse valevaakumolekut selle äärmuslike tingimuste tõttu. Näiteks kui universum sai alguse piisavalt kõrgel algtemperatuuril ja seejärel jahtus, siis võib see valevaakumis isegi "madalile sõita", kuid seni on paljud seda tüüpi tehnilised küsimused lahendamata.

Kuid olenemata nende põhiprobleemide tegelikkusest, universum peab kuidagi tekkima ja kvantfüüsika on ainus teadusvaldkond, kus on mõttekas rääkida sündmusest, mis toimub ilma nähtava põhjuseta. Kui me räägime aegruumist, siis on igal juhul mõttetu rääkida põhjuslikkusest selle tavatähenduses. Tavaliselt on põhjuslikkuse mõiste tihedalt seotud aja mõistega ja seetõttu peavad kõik kaalutlused aja tekkimise protsesside või selle "olematusest väljumise" kohta põhinema laiemal põhjuslikkuse ideel.

Kui ruum on tõesti kümnemõõtmeline, siis teooria peab kõiki kümmet mõõdet kõige varasemates staadiumides üsna võrdseks. Ahvatlev on seostada inflatsiooni nähtust seitsme mõõtme spontaanse tihenemisega (voltimisega) kümnest. Selle stsenaariumi kohaselt on inflatsiooni "tõukur" interaktsioonide kõrvalsaadus, mis avaldub ruumi täiendavate mõõtmete kaudu. Edasi võib kümnemõõtmeline ruum loomulikult areneda nii, et inflatsiooni ajal kasvavad kolm ruumimõõdet tugevalt ülejäänud seitsme arvelt, mis vastupidi kahanevad, muutudes nähtamatuks? Seega surutakse kümnemõõtmelise ruumi kvant-mikromull kokku ja tänu sellele pumbatakse täis kolm mõõdet, moodustades universumi: ülejäänud seitse dimensiooni jäävad mikrokosmose vangistusse, kust nad ilmuvad vaid kaudselt - universumi kujul. interaktsioonid. See teooria tundub väga atraktiivne.

Hoolimata sellest, et teoreetikutel on väga varajase Universumi olemuse uurimisel veel palju tööd, on juba praegu võimalik anda üldine ülevaade sündmustest, mille tulemusena universum muutus tänapäeval vaadeldavaks. Kohe alguses tekkis Universum spontaanselt "millestki". Tänu kvantenergia võimele toimida omamoodi ensüümina, võivad tühja ruumi mullid paisuda üha kasvava kiirusega, luues tänu bootstrapile tohutuid energiavarusid. See valevaakum, mis oli täidetud isetekkelise energiaga, osutus ebastabiilseks ja hakkas lagunema, vabastades energiat soojuse kujul, nii et iga mull täitus tuld hingava ainega (tulekeraga). Mullide inflatsioon (inflatsioon) peatus, kuid algas Suur Pauk. Universumi "kellal" oli sel hetkel 10^-32 s.

Sellisest tulekerast tekkis kogu aine ja kõik füüsilised objektid. Kui kosmosematerjal jahtus, koges see järjestikuseid faasisiirdeid. Iga üleminekuga "külmutati" esmasest vormitust materjalist välja üha rohkem erinevaid struktuure. Ükshaaval eraldusid interaktsioonid üksteisest. Samm-sammult omandasid objektid, mida me praegu nimetame subatomaarseteks osakesteks, oma praegused omadused. Kui "kosmilise supi" koostis muutus järjest keerulisemaks, kasvasid inflatsiooniajast alles jäänud mastaapsed ebakorrapärasused galaktikateks. Struktuuride edasise kujunemise ja erinevat tüüpi mateeria eraldumise käigus omandas Universum üha enam tuttavaid vorme; kuum plasma kondenseerus aatomiteks, moodustades tähti, planeete ja lõpuks elu. Nii "teos" universum ennast.

Aine, energia, ruum, aeg, vastastikmõjud, väljad, korrastatus ja struktuur - kõik need mõisted, mis on laenatud "looja hinnakirjast", on universumi lahutamatud tunnused. Uus füüsika avab ahvatleva võimaluse kõigi nende asjade päritolu teaduslikuks seletuseks. Me ei pea enam neid algusest peale käsitsi "käsitsi" sisestama. Näeme, kuidas kõik füüsilise maailma põhiomadused võivad ilmneda automaatselt füüsikaseaduste tagajärjena, ilma et peaks eeldama väga spetsiifiliste algtingimuste olemasolu. Uus kosmoloogia väidab, et kosmose algseisund ei mängi mingit rolli, kuna kogu teave selle kohta on inflatsiooni käigus kustutatud. Meie vaadeldav universum kannab ainult nende füüsikaliste protsesside jäljed, mis on toimunud inflatsiooni algusest peale.

Inimkond on tuhandeid aastaid uskunud, et "millestki ei sünni midagi". Täna võime öelda, et kõik tekkis tühjast. Sa ei pea Universumi eest "tasuma" – see on absoluutselt "tasuta lõuna".

Selle teooria kohaselt ilmus Universum kuuma ülitiheda aine hunnikuna, misjärel see hakkas paisuma ja jahtuma. Evolutsiooni esimeses etapis oli Universum ülitihedas olekus ja see oli -gluoonplasma. Kui prootonid ja neutronid põrkasid kokku ja moodustasid raskemaid tuumasid, oli nende eksisteerimise aeg tühine. Järgmisel kokkupõrkel mis tahes kiire osakesega lagunesid need kohe elementaarseteks komponentideks.

Umbes 1 miljard aastat tagasi algas galaktikate moodustumine, sel hetkel hakkas Universum eemalt meenutama seda, mida me praegu näeme. 300 000 aastat pärast Suurt Pauku jahtus see nii palju, et elektronid jäid tuumade külge kindlalt kinni, mille tulemusena tekkisid stabiilsed aatomid, mis ei lagunenud kohe pärast kokkupõrget teise tuumaga.

Osakeste moodustumine

Osakeste teke algas universumi paisumise tulemusena. Selle edasine jahutamine viis heeliumi tuumade moodustumiseni, mis toimus primaarse nukleosünteesi tulemusena. Suurest Paugust oleks pidanud möödunud umbes kolm minutit, enne kui universum jahtus ja löögienergia vähenes nii palju, et osakesed hakkasid moodustama stabiilseid tuumasid. Esimese kolme minutiga oli universum elementaarosakeste tulikuum meri.

Tuumade esmane moodustumine ei kestnud kuigi kaua, pärast esimest kolme minutit liikusid osakesed üksteisest eemale nii, et nendevahelised kokkupõrked muutusid üliharvaliseks. Sellel lühikesel primaarse nukleosünteesi perioodil ilmus deuteerium - raske vesiniku isotoop, mille tuum sisaldab ühte prootonit ja ühte. Samaaegselt deuteeriumiga tekkisid heelium-3, heelium-4 ja vähesel määral liitium-7. Tähtede tekkimise etapis ilmusid üha raskemad elemendid.

Pärast universumi sündi

Universumi sünni algusest umbes sajatuhandiksekundi jooksul ühinesid kvargid elementaarosakesteks. Sellest hetkest alates muutus universum elementaarosakeste jahutavaks mereks. Pärast seda algas protsess, mida nimetatakse põhijõudude suureks ühendamiseks. Siis olid Universumis energiad, mis vastasid maksimaalsetele energiatele, mida on võimalik saada tänapäevastes kiirendites. Pärast seda algas järsk inflatsiooniline ekspansioon ja antiosakesed kadusid samal ajal.