Veliki prasak evolucija svemira naše galaksije. Pojava teorije Velikog praska

U znanstvenom svijetu općenito je prihvaćeno da je Svemir nastao kao rezultat Velikog praska. Ova teorija temelji se na činjenici da su energija i materija (temelji svih stvari) prethodno bili u stanju singularnosti. Nju, pak, karakterizira beskonačnost temperature, gustoće i tlaka. Samo stanje singularnosti prkosi svim zakonima fizike koje poznaje moderni svijet. Znanstvenici smatraju da je Svemir nastao iz mikroskopske čestice, koja je iz nepoznatih razloga u dalekoj prošlosti došla u nestabilno stanje i eksplodirala.

Izraz "Veliki prasak" počeo se koristiti od 1949. nakon objavljivanja radova znanstvenika F. Hoylea u popularnoznanstvenim publikacijama. Danas je teorija “dinamičkog evoluirajućeg modela” toliko dobro razvijena da fizičari mogu opisati procese koji se događaju u Svemiru već 10 sekundi nakon eksplozije mikroskopske čestice koja je postavila temelje svemu.

Postoji nekoliko dokaza teorije. Jedno od glavnih je reliktno zračenje, koje prožima cijeli Svemir. Mogla je nastati, prema suvremenim znanstvenicima, samo kao rezultat Velikog praska, zbog interakcije mikroskopskih čestica. Reliktno zračenje omogućuje učenje o onim vremenima kada je Svemir izgledao kao plamteći prostor, a nije bilo zvijezda, planeta i same galaksije. Drugi dokaz rođenja svega što postoji od Velikog praska je kozmološki crveni pomak, koji se sastoji u smanjenju frekvencije zračenja. To potvrđuje uklanjanje zvijezda, galaksija posebno iz Mliječne staze i jedne od drugih općenito. Odnosno, to ukazuje da se Svemir ranije proširio i da se tako nastavlja sve do sada.

Kratka povijest svemira

• 10 -45 - 10 -37 sek- inflatorna ekspanzija


• 10 -6 sek- pojava kvarkova i elektrona


• 10 -5 sek- stvaranje protona i neutrona


• 10 -4 sek - 3 min- pojava jezgri deuterija, helija i litija


• 400 tisuća godina- formiranje atoma


• 15 milijuna godina- nastavak širenja oblaka plina


• 1 milijardu godina- rođenje prvih zvijezda i galaksija


• 10-15 milijardi godina- pojava planeta i inteligentnog života


• 10 14 milijardi godina- prekid procesa rađanja zvijezda


• 10 37 milijardi godina- iscrpljivanje energije svih zvijezda


• 10 40 milijardi godina- isparavanje crnih rupa i rađanje elementarnih čestica


• 10 100 milijardi godina- završetak isparavanja svih crnih rupa

Teorija Velikog praska postala je pravi proboj u znanosti. To je omogućilo znanstvenicima da odgovore na mnoga pitanja u vezi s rođenjem svemira. Ali u isto vrijeme, ova teorija je dovela do novih misterija. Glavni među njima je uzrok samog Velikog praska. Drugo pitanje na koje moderna znanost nema odgovor je kako su se pojavili prostor i vrijeme. Prema nekim istraživačima, rođeni su zajedno s materijom, energijom. Odnosno, oni su rezultat Velikog praska. Ali onda se ispostavi da vrijeme i prostor moraju imati nekakav početak. Odnosno, određeni entitet, koji trajno postoji i nije ovisan o svojim pokazateljima, mogao bi pokrenuti procese nestabilnosti u mikroskopskoj čestici koja je stvorila Svemir.

Što se više istražuje u tom smjeru, to se više pitanja postavlja pred astrofizičare. Odgovori na njih čekaju čovječanstvo u budućnosti.

« Za mene je život prekratak da bih se brinuo o stvarima izvan moje kontrole, a možda čak i nemogućim. Ovdje se pitaju: "Što ako Zemlju proguta crna rupa, ili postoji izobličenje prostor-vremena - je li to razlog za uzbuđenje?" Moj odgovor je ne, jer ćemo za njega znati tek kada dođe do našeg ... našeg mjesta u prostor-vremenu. Dobivamo udarce kad priroda odluči da je vrijeme: bilo da se radi o brzini zvuka, brzini svjetlosti, brzini električnih impulsa, uvijek ćemo biti žrtve vremenskog kašnjenja između informacija oko nas i naše sposobnosti da ih primimo.»

Neil deGrasse Tyson

Vrijeme je nevjerojatna stvar. Daje nam prošlost, sadašnjost i budućnost. Zbog vremena sve što nas okružuje ima svoju starost. Na primjer, starost Zemlje je otprilike 4,5 milijardi godina. Prije otprilike isto toliko godina zasvijetlila je i nama najbliža zvijezda Sunce. Ako vam se ova brojka čini zapanjujućom, nemojte zaboraviti da se mnogo prije formiranja našeg matičnog Sunčevog sustava pojavila galaksija u kojoj živimo - Mliječni put. Prema posljednjim procjenama znanstvenika, starost Mliječne staze je 13,6 milijardi godina. Ali sigurno znamo da i galaksije imaju prošlost, a prostor je jednostavno ogroman, pa trebamo tražiti još dalje. I to promišljanje nas neminovno vodi do trenutka kada je sve počelo – Velikog praska.

Einstein i svemir

Percepcija okolnog svijeta od strane ljudi oduvijek je bila dvosmislena. Netko još uvijek ne vjeruje u postojanje ogromnog svemira oko nas, netko smatra da je Zemlja ravna. Prije znanstvenog proboja u 20. stoljeću, postojalo je samo nekoliko verzija o nastanku svijeta. Pristaše religioznih pogleda vjerovali su u božansku intervenciju i stvaranje višeg uma, oni koji se nisu slagali ponekad su bili spaljeni. Postojala je druga strana koja je vjerovala da je svijet oko nas, kao i Svemir, beskonačan.

Za mnoge se sve promijenilo kada je Albert Einstein 1917. održao govor, predstavljajući široj javnosti djelo svog života - Opću teoriju relativnosti. Genij 20. stoljeća povezao je prostor-vrijeme s materijom prostora uz pomoć jednadžbi koje je izveo. Kao rezultat toga, pokazalo se da je Svemir konačan, nepromijenjene veličine i da ima oblik pravilnog cilindra.

U osvit tehničkog proboja nitko nije mogao opovrgnuti Einsteinove riječi, jer je njegova teorija bila previše komplicirana čak i za najveće umove ranog 20. stoljeća. Budući da nije bilo drugih opcija, model cilindričnog stacionarnog svemira znanstvena je zajednica prihvatila kao općeprihvaćen model našeg svijeta. Međutim, mogla je živjeti samo nekoliko godina. Nakon što su se fizičari uspjeli oporaviti od Einsteinovih znanstvenih radova i počeli ih slagati po policama, paralelno s tim, počele su se prilagođavati teoriji relativnosti i specifičnim izračunima njemačkog znanstvenika.

Godine 1922. ruski matematičar Alexander Fridman iznenada je objavio članak u časopisu Izvestiya Fiziki, u kojem navodi da je Einstein pogriješio i da naš Svemir nije stacionaran. Friedman objašnjava da su izjave njemačkog znanstvenika o nepromjenjivosti polumjera zakrivljenosti prostora zablude, zapravo se radijus mijenja u odnosu na vrijeme. Sukladno tome, svemir se mora širiti.

Štoviše, ovdje je Friedman iznio svoje pretpostavke o tome kako se točno Svemir može širiti. Postojala su tri modela ukupno: pulsirajući Svemir (pretpostavka da se Svemir širi i skuplja s određenom periodičnošću u vremenu); Svemir koji se širi iz mase i treći model – širenje iz točke. Budući da u to vrijeme nije bilo drugih modela, osim božanske intervencije, fizičari su brzo primili na znanje sva tri Friedmanova modela i počeli ih razvijati u svom smjeru.

Rad ruskog matematičara pomalo je zapeo Einsteina, te je iste godine objavio članak u kojem je iznio svoje komentare na Friedmanovo djelo. U njemu njemački fizičar pokušava dokazati točnost svojih proračuna. Ispalo je prilično neuvjerljivo, a kada je bol od udarca u samopoštovanje malo popustila, Einstein je u časopisu Izvestiya Fiziki objavio još jednu bilješku u kojoj je rekao:

« U prethodnoj sam bilješci kritizirao gornji rad. Međutim, moja se kritika, kao što sam vidio iz Fridmanovog pisma koje mi je prenio gospodin Krutkov, temeljila na pogrešci u izračunima. Mislim da su Friedmanovi rezultati točni i bacaju novo svjetlo.».

Znanstvenici su morali priznati da su sva tri Friedmanova modela izgleda i postojanja našeg Svemira apsolutno logična i imaju pravo na život. Sva tri su objašnjena razumljivim matematičkim izračunima i ne ostavljaju pitanja. Osim jedne stvari: zašto bi se Svemir počeo širiti?

Teorija koja je promijenila svijet

Izjave Einsteina i Friedmana navele su znanstvenu zajednicu da ozbiljno dovede u pitanje podrijetlo svemira. Zahvaljujući općoj teoriji relativnosti, postojala je šansa da se rasvijetli naša prošlost, a fizičari to nisu propustili iskoristiti. Jedan od znanstvenika koji je pokušao predstaviti model našeg svijeta bio je astrofizičar Georges Lemaitre iz Belgije. Važno je napomenuti da je Lemaitre bio katolički svećenik, ali se u isto vrijeme bavio matematikom i fizikom, što je prava glupost za naše vrijeme.

Georges Lemaitre se zainteresirao za Einsteinove jednadžbe, te je uz njihovu pomoć uspio izračunati da je naš Svemir nastao kao rezultat raspada neke vrste superčestice, koja je prije početka fisije bila izvan prostora i vremena, što se zapravo može smatra eksplozijom. Istodobno, fizičari primjećuju da je Lemaitre prvi bacio svjetlo na rođenje Svemira.

Teorija eksplodiranog superatoma nije odgovarala samo znanstvenicima, već i svećenstvu, koje je bilo vrlo nezadovoljno suvremenim znanstvenim otkrićima, za koje su morali smisliti nova tumačenja Biblije. Veliki prasak nije došao u značajniji sukob s religijom, možda je na to utjecao odgoj samog Lemaitrea, koji je svoj život posvetio ne samo znanosti, već i služenju Bogu.

Papa Pio XII je 22. studenog 1951. dao izjavu da teorija velikog praska nije u suprotnosti s Biblijom i katoličkom dogmom o podrijetlu svijeta. Pravoslavno svećenstvo također je izjavilo da je pozitivno o ovoj teoriji. Ovu teoriju su također relativno neutralno prihvatili sljedbenici drugih religija, neki od njih su čak rekli da se u njihovim spisima spominje Veliki prasak.

Međutim, unatoč činjenici da je teorija velikog praska trenutno općeprihvaćeni kozmološki model, mnoge je znanstvenike dovela u slijepu ulicu. S jedne strane, eksplozija superčestice savršeno se uklapala u logiku moderne fizike, ali s druge strane, kao rezultat takve eksplozije, uglavnom su mogli nastati samo teški metali, posebice željezo. Ali, kako se pokazalo, Svemir se uglavnom sastoji od ultralakih plinova - vodika i helija. Nešto se nije uklapalo, pa su fizičari nastavili raditi na teoriji o nastanku svijeta.

U početku, izraz "Big Bang" nije postojao. Lemaitre i drugi fizičari ponudili su samo dosadan naziv "dinamički evolucijski model", zbog čega su studenti zijevali. Tek 1949. godine, na jednom od svojih predavanja, britanski astronom i kozmolog Freud Hoyle je rekao:

“Ova teorija temelji se na pretpostavci da je svemir nastao u procesu jedne snažne eksplozije i stoga postoji samo ograničeno vrijeme... Ova ideja Velikog praska čini mi se potpuno nezadovoljavajućom”.

Od tada je ovaj izraz postao široko korišten u znanstvenim krugovima i ideji šire javnosti o strukturi svemira.

Odakle vodik i helij?

Prisutnost svjetlosnih elemenata zbunila je fizičare, a mnogi teoretičari Velikog praska krenuli su pronaći njihov izvor. Dugi niz godina nisu uspjeli postići veliki uspjeh, sve dok 1948. briljantni znanstvenik Georgy Gamov iz Lenjingrada konačno nije uspio identificirati ovaj izvor. Gamow je bio jedan od Friedmanovih učenika, pa se rado prihvatio razvoja teorije svog učitelja.

Gamow je pokušao zamisliti život Svemira u suprotnom smjeru i premotao vrijeme do trenutka kada se tek počeo širiti. U to vrijeme, kao što je poznato, čovječanstvo je već otkrilo principe termonuklearne fuzije, pa je Friedmann-Lemaitreova teorija dobila pravo na život. Kada je svemir bio vrlo mali, bilo je vrlo vruće, prema zakonima fizike.

Prema Gamowu, samo sekundu nakon Velikog praska, prostor novog Svemira bio je ispunjen elementarnim česticama koje su počele međusobno komunicirati. Kao rezultat toga, započela je termonuklearna fuzija helija, koju je Ralph Asher Alfer, matematičar iz Odese, uspio izračunati za Gamowa. Prema Alpherovim izračunima, već pet minuta nakon Velikog praska, Svemir je bio ispunjen helijem do te mjere da će se čak i zagriženi protivnici teorije Velikog praska morati pomiriti i prihvatiti ovaj model kao glavni u kozmologiji. Svojim istraživanjem Gamow ne samo da je otvorio nove načine proučavanja svemira, već je i uskrsnuo Lemaitreovu teoriju.

Unatoč stereotipima o znanstvenicima, romantizam im se ne može poreći. Gamow je objavio svoje istraživanje o teoriji Supervrućeg svemira u vrijeme Velikog praska 1948. u svom djelu Porijeklo kemijskih elemenata. Kao kolege asistente naveo je ne samo Ralpha Ashera Alfera, već i Hansa Bethea, američkog astrofizičara i budućeg dobitnika Nobelove nagrade. Na naslovnici knjige ispalo je: Alfer, Bethe, Gamow. Ne podsjeća li vas ni na što?

Međutim, unatoč činjenici da su Lemaitreova djela dobila drugi život, fizičari još uvijek nisu mogli odgovoriti na najuzbudljivije pitanje: što se dogodilo prije Velikog praska?

Pokušaji uskrsnuća Einsteinovog nepokretnog svemira

Nisu se svi znanstvenici složili s Friedmann-Lemaitreovom teorijom, ali unatoč tome, morali su predavati općeprihvaćeni kozmološki model na sveučilištima. Na primjer, astronom Fred Hoyle, koji je sam skovao pojam "Veliki prasak", zapravo je vjerovao da eksplozije nije bilo, te je svoj život posvetio pokušaju da to dokaže.
Hoyle je postao jedan od onih znanstvenika koji u naše vrijeme nude alternativni pogled na suvremeni svijet. Većina fizičara prilično je hladna prema izjavama takvih ljudi, ali im to nimalo ne smeta.

Kako bi posramio Gamowa i njegovo opravdanje Teorije velikog praska, Hoyle je zajedno s istomišljenicima odlučio razviti vlastiti model nastanka Svemira. Kao osnovu su uzeli Einsteinove prijedloge da je Svemir stacionaran i napravili neke prilagodbe koje nude alternativne razloge za širenje Svemira.

Ako su pristaše teorije Lemaitre-Friedmanna vjerovali da je Svemir nastao iz jedne superguste točke s beskonačno malim radijusom, onda je Hoyle sugerirao da se materija neprestano formira iz točaka koje se nalaze između galaksija koje se udaljuju jedna od druge. U prvom slučaju cijeli je Svemir nastao od jedne čestice, sa svojim beskonačnim brojem zvijezda i galaksija. U drugom slučaju, jedna točka daje onoliko materije koliko je dovoljno za stvaranje samo jedne galaksije.

Nedosljednost Hoyleove teorije je u tome što on nikada nije uspio objasniti odakle dolazi sama tvar koja nastavlja stvarati galaksije u kojima postoje stotine milijardi zvijezda. Zapravo, Fred Hoyle je sugerirao da svi vjeruju da se struktura svemira pojavljuje niotkuda. Unatoč činjenici da su mnogi fizičari pokušali pronaći rješenje za Hoyleovu teoriju, nikome to nije uspjelo, a nakon nekoliko desetljeća ovaj prijedlog je izgubio na važnosti.

Pitanja bez odgovora

Zapravo, teorija velikog praska također nam ne daje odgovore na mnoga pitanja. Na primjer, u umu običnog čovjeka ne može se uklopiti činjenica da je sva materija oko nas nekada bila sabijena u jednu točku singularnosti, koja je mnogo manja od atoma. I kako se dogodilo da se ta superčestica zagrijala do te mjere da je krenula reakcija eksplozije.

Sve do sredine 20. stoljeća teorija širenja svemira nikada nije bila eksperimentalno potvrđena, stoga nije bila široko korištena u obrazovnim ustanovama. Sve se promijenilo 1964. godine, kada dvojica američkih astrofizičara - Arno Penzias i Robert Wilson - nisu odlučili proučavati radio signale zvjezdanog neba.

Skenirajući zračenje nebeskih tijela, odnosno Kasiopeje A (jedan od najmoćnijih izvora radio-emisije na zvjezdanom nebu), znanstvenici su primijetili neku vrstu vanjske buke koja je stalno ometala bilježenje točnih podataka o zračenju. Gdje god su usmjerili svoju antenu, bez obzira u koje doba dana započeli istraživanje, ova karakteristična i stalna buka uvijek ih je progonila. Do određene mjere ljuti, Penzias i Wilson odlučili su proučiti izvor ove buke i neočekivano došli do otkrića koje je promijenilo svijet. Otkrili su reliktnu radijaciju, koja je odjek tog istog Velikog praska.

Naš se svemir hladi puno sporije od šalice vrućeg čaja, a CMB ukazuje da je materija oko nas nekoć bila vrlo vruća, a sada se hladi kako se svemir širi. Tako su izostavljene sve teorije vezane za hladni svemir, a teorija velikog praska je konačno usvojena.

U svojim je spisima Georgy Gamow sugerirao da bi bilo moguće otkriti fotone u svemiru koji postoje od Velikog praska, samo je potrebna naprednija tehnička oprema. Reliktno zračenje potvrdilo je sve njegove pretpostavke o postojanju svemira. Također, uz njegovu pomoć bilo je moguće utvrditi da je starost našeg Svemira otprilike 14 milijardi godina.

Kao i uvijek, uz praktičan dokaz bilo koje teorije, odmah se pojavljuju mnoga alternativna mišljenja. Neki su se fizičari rugali otkriću CMB-a kao dokazu Velikog praska. Unatoč činjenici da su Penzias i Wilson dobili Nobelovu nagradu za svoje povijesno otkriće, mnogi se nisu složili s njihovim istraživanjem.

Glavni argumenti u prilog nedosljednosti širenja Svemira bili su nepodudarnosti i logičke pogreške. Primjerice, eksplozija je jednoliko ubrzala sve galaksije u svemiru, ali umjesto da se udalji od nas, galaksija Andromeda se polako, ali sigurno približava Mliječnoj stazi. Znanstvenici sugeriraju da će se ove dvije galaksije sudariti jedna s drugom za samo oko 4 milijarde godina. Nažalost, čovječanstvo je još premlado da odgovori na ovo i druga pitanja.

Teorija ravnoteže

U naše vrijeme fizičari nude različite modele postojanja svemira. Mnogi od njih ne podnose ni običnu kritiku, dok drugi dobivaju pravo na život.

Krajem 20. stoljeća astrofizičar iz Amerike Edward Tryon zajedno sa svojim kolegom iz Australije Warrenom Kerryjem predložio je temeljno novi model svemira, i to neovisno jedan o drugom. Znanstvenici su svoje istraživanje temeljili na pretpostavci da je sve u svemiru uravnoteženo. Masa uništava energiju, i obrnuto. Ovaj princip postao je poznat kao princip Zero Universe. Unutar ovog svemira nova materija se pojavljuje na pojedinačnim točkama između galaksija, gdje je privlačenje i odbijanje materije uravnoteženo.

Teorija Zero Universe nije razbijena u paramparčad jer su nakon nekog vremena znanstvenici uspjeli otkriti postojanje tamne tvari – tajanstvene tvari koja čini gotovo 27% našeg Svemira. Još 68,3% svemira je tajanstvenija i tajanstvenija tamna energija.

Upravo se zahvaljujući gravitacijskim učincima tamne energije pripisuje ubrzanje širenja Svemira. Inače, prisutnost tamne energije u svemiru predvidio je sam Einstein, koji je vidio da se nešto ne konvergira u njegovim jednadžbama, Svemir se ne može učiniti stacionarnim. Stoga je u jednadžbe uveo kozmološku konstantu – Lambda pojam, za koji je kasnije više puta krivio i mrzio sebe.

Dogodilo se da je prostor u Svemiru, teoretski prazan, ipak ispunjen određenim posebnim poljem, koje pokreće Einsteinov model. U trijeznom umu i po logici tog vremena, postojanje takvog polja bilo je jednostavno nemoguće, ali zapravo njemački fizičar jednostavno nije znao kako opisati tamnu energiju.

***
Možda nikada nećemo saznati kako i iz čega je nastao naš svemir. Bit će još teže ustanoviti što je bilo prije njegovog postojanja. Ljudi se nastoje bojati onoga što ne mogu objasniti, pa je moguće da će do kraja vremena i čovječanstvo vjerovati u božanski utjecaj na stvaranje svijeta oko nas.

Odgovor na pitanje "Što je Veliki prasak?" može se dobiti tijekom duge rasprave, budući da je potrebno puno vremena. Pokušat ću objasniti ovu teoriju ukratko i sadržajno. Dakle, teorija "Velikog praska" postulira da se naš svemir iznenada pojavio prije otprilike 13,7 milijardi godina (sve se pojavilo ni iz čega). A ono što se tada dogodilo još uvijek utječe na to kako i na koji način sve u svemiru međusobno djeluje. Razmotrite ključne točke teorije.

Što se dogodilo prije Velikog praska?

Teorija Velikog praska uključuje vrlo zanimljiv koncept – singularnost. Kladim se da se pitate: što je singularnost? Astronomi, fizičari i drugi znanstvenici također postavljaju ovo pitanje. Vjeruje se da singularnosti postoje u jezgri crnih rupa. Crna rupa je područje intenzivnog gravitacijskog pritiska. Taj je pritisak, prema teoriji, toliko intenzivan da se materija komprimira dok ne dobije beskonačnu gustoću. Ova beskonačna gustoća se zove singularnost. Pretpostavlja se da je naš svemir započeo kao jedna od ovih beskonačno malih, beskonačno vrućih i beskonačno gustih singulariteta. Međutim, do samog Velikog praska još nismo došli. Veliki prasak je trenutak u kojem je ova singularnost iznenada "eksplodirala" i počela se širiti i stvorila naš Svemir.

Čini se da teorija Velikog praska implicira da su vrijeme i prostor postojali prije nego što je nastao naš svemir. Međutim, Stephen Hawking, George Ellis i Roger Penrose (et al.) razvili su teoriju kasnih 1960-ih koja je pokušala objasniti da vrijeme i prostor nisu postojali prije širenja singularnosti. Drugim riječima, ni vrijeme ni prostor nisu postojali dok nije postojao svemir.

Što se dogodilo nakon Velikog praska?

Trenutak Velikog praska je trenutak početka vremena. Nakon Velikog praska, ali mnogo prije prve sekunde (10 -43 sekunde), kozmos doživljava ultrabrzu inflacijsku ekspanziju, šireći se 1050 puta u djeliću sekunde.

Zatim se širenje usporava, ali prva sekunda još nije stigla (još samo 10 -32 sekunde). U ovom trenutku, Svemir je kipuća "juha" (s temperaturom od 10 27 °C) od elektrona, kvarkova i drugih elementarnih čestica.

Brzo hlađenje prostora (do 10 13 °C) omogućuje spajanje kvarkova u protone i neutrone. Međutim, prva sekunda još nije stigla (još samo 10 -6 sekundi).

Na 3 minute, previše vruće da se spoje u atome, nabijeni elektroni i protoni sprječavaju emitiranje svjetlosti. Svemir je supervruća magla (10 8 °C).

Nakon 300 000 godina svemir se ohladi na 10 000 °C, elektroni s protonima i neutronima tvore atome, uglavnom vodik i helij.

1 milijardu godina nakon Velikog praska, kada je temperatura svemira dosegnula -200°C, vodik i helij formiraju divovske "oblake" koji će kasnije postati galaksije. Pojavljuju se prve zvijezde.

12. Što je uzrokovalo Veliki prasak?

Paradoks nastanka

Niti jedno od predavanja o kozmologiji koje sam ikada pročitao nije bilo potpuno bez pitanja što je uzrokovalo Veliki prasak? Do prije nekoliko godina nisam znao pravi odgovor; Danas je, vjerujem, poznat.

U biti, ovo pitanje sadrži dva pitanja u prikrivenom obliku. Prvo bismo željeli znati zašto je razvoj svemira započeo eksplozijom i što je uopće uzrokovalo tu eksploziju. Ali iza čisto fizičkog problema krije se još jedan, dublji problem filozofske prirode. Ako Veliki prasak označava početak fizičkog postojanja svemira, uključujući nastanak prostora i vremena, u kojem smislu onda možemo reći da što je uzrokovalo ovu eksploziju?

Sa stajališta fizike, iznenadni nastanak svemira kao rezultat divovske eksplozije čini se donekle paradoksalnim. Od četiri interakcije koje upravljaju svijetom, samo se gravitacija manifestira u kozmičkim razmjerima, a, kako pokazuje naše iskustvo, gravitacija ima karakter privlačnosti. Međutim, za eksploziju koja je obilježila rođenje svemira, očito je bila potrebna odbojna sila nevjerojatne veličine, koja bi mogla rastrgati kozmos u komadiće i uzrokovati njegovo širenje, koje traje do danas.

To se čini čudnim, jer ako svemirom dominiraju gravitacijske sile, onda se ne bi trebao širiti, već skupljati. Doista, gravitacijske sile privlačenja uzrokuju da se fizički objekti skupljaju umjesto da eksplodiraju. Na primjer, vrlo gusta zvijezda gubi sposobnost da izdrži vlastitu težinu i kolabira stvarajući neutronsku zvijezdu ili crnu rupu. Stupanj kompresije materije u vrlo ranom svemiru bio je mnogo veći od onog kod najgušće zvijezde; stoga se često postavlja pitanje zašto se prakozmos od samog početka nije srušio u crnu rupu.

Uobičajeni odgovor na ovo je da primarnu eksploziju jednostavno treba uzeti kao početni uvjet. Ovaj odgovor je očito nezadovoljavajući i zbunjujući. Naravno, pod utjecajem gravitacije, brzina kozmičkog širenja se od samog početka kontinuirano smanjivala, ali u trenutku rođenja, Svemir se širio beskonačno brzo. Eksploziju nije izazvala nikakva sila - samo je razvoj svemira započeo širenjem. Da je eksplozija manje jaka, gravitacija bi vrlo brzo spriječila širenje materije. Kao rezultat toga, širenje bi se zamijenilo kontrakcijom, što bi poprimilo katastrofalni karakter i pretvorilo Svemir u nešto slično crnoj rupi. Ali u stvarnosti, eksplozija se pokazala "dovoljno velikom" da je omogućila da se Svemir, nakon što je prevladao vlastitu gravitaciju, ili nastavi zauvijek širiti zbog sile primarne eksplozije, ili barem da postoji mnogo milijardi godina prije nego što se podvrgne kompresiji i nestane u zaboravu.

Problem s ovom tradicionalnom slikom je što ni na koji način ne objašnjava Veliki prasak. Temeljno svojstvo Univerzuma opet se jednostavno tretira kao početni uvjet, prihvaćen ad hoc(za ovaj slučaj); u biti samo navodi da se Veliki prasak dogodio. Još uvijek ostaje nejasno zašto je snaga eksplozije bila upravo to, a ne neka druga. Zašto eksplozija nije bila još snažnija pa se svemir sada širi mnogo brže? Moglo bi se također zapitati zašto se svemir trenutno ne širi puno sporije ili se uopće ne skuplja. Naravno, da eksplozija ne bi imala dovoljnu snagu, svemir bi se ubrzo urušio i ne bi bilo tko postavljati takva pitanja. Međutim, malo je vjerojatno da se takvo razmišljanje može uzeti kao objašnjenje.

Pomnijom analizom ispada da je paradoks nastanka svemira zapravo još složeniji od gore opisanog. Pažljiva mjerenja pokazuju da je brzina širenja svemira vrlo blizu kritičnoj vrijednosti pri kojoj je svemir u stanju nadvladati vlastitu gravitaciju i zauvijek se širiti. Da je ova brzina malo manja – i došlo bi do kolapsa Svemira, a da je malo više – kozmička bi se materija odavno potpuno raspršila. Zanimljivo je saznati kako točno stopa širenja Svemira spada u ovaj vrlo uski dopušteni interval između dvije moguće katastrofe. Ako bi se u trenutku koji odgovara 1 s, kada je obrazac ekspanzije već bio jasno definiran, brzina širenja razlikovala od svoje stvarne vrijednosti za više od 10^-18, to bi bilo dovoljno da potpuno poremeti osjetljivu ravnotežu. Dakle, sila eksplozije Svemira s gotovo nevjerojatnom točnošću odgovara njegovoj gravitacijskoj interakciji. Veliki prasak, dakle, nije bio samo neka udaljena eksplozija – to je bila eksplozija vrlo specifične sile. U tradicionalnoj verziji teorije Velikog praska potrebno je prihvatiti ne samo činjenicu same eksplozije, već i činjenicu da se eksplozija dogodila na krajnje hirovit način. Drugim riječima, početni uvjeti ispadaju krajnje specifični.

Brzina širenja svemira samo je jedna od nekoliko prividnih kozmičkih misterija. Drugi je povezan sa slikom širenja Svemira u svemiru. Prema suvremenim opažanjima. Svemir je, u velikim razmjerima, iznimno homogen što se tiče raspodjele materije i energije. Globalna struktura kozmosa je gotovo ista kada se gleda sa Zemlje i iz daleke galaksije. Galaksije su raštrkane u svemiru s istom prosječnom gustoćom, a iz svake točke Svemir izgleda isto u svim smjerovima. Primarno toplinsko zračenje koje ispunjava Svemir pada na Zemlju, imajući istu temperaturu u svim smjerovima s točnošću od najmanje 10-4 . Ovo zračenje putuje kroz svemir milijarde svjetlosnih godina na svom putu do nas i nosi otisak svakog odstupanja od homogenosti na koje naiđe.

Homogenost svemira velikih razmjera opstaje kako se svemir širi. Iz toga slijedi da se širenje odvija jednoliko i izotropno s vrlo visokim stupnjem točnosti. To znači da je brzina širenja svemira ne samo ista u svim smjerovima, već je i konstantna u različitim područjima. Kada bi se Svemir širio brže u jednom smjeru nego u drugim, onda bi to dovelo do smanjenja temperature pozadinskog toplinskog zračenja u tom smjeru i promijenilo bi sliku kretanja galaksija vidljivu sa Zemlje. Dakle, evolucija Svemira nije tek započela eksplozijom strogo definirane sile – eksplozija je bila jasno „organizirana“, t.j. dogodio istovremeno, s potpuno istom silom u svim točkama iu svim smjerovima.

Izuzetno je malo vjerojatno da bi se takva istovremena i koordinirana erupcija mogla dogoditi čisto spontano, a ta je sumnja pojačana u tradicionalnoj teoriji Velikog praska činjenicom da različite regije primordijalnog kozmosa nisu međusobno uzročno povezane. Činjenica je da se, prema teoriji relativnosti, nijedan fizički učinak ne može širiti brže od svjetlosti. Posljedično, različita područja prostora mogu biti uzročno povezana jedna s drugom tek nakon što prođe određeno vremensko razdoblje. Na primjer, 1 s nakon eksplozije, svjetlost može prijeći udaljenost od najviše jedne svjetlosne sekunde, što odgovara 300 000 km. Područja svemira, odvojena velikom udaljenosti, nakon 1s još neće utjecati jedno na drugo. Ali do tog trenutka, područje svemira koje smo promatrali već je zauzimalo prostor od najmanje 10^14 km u promjeru. Stoga se svemir sastojao od otprilike 10^27 uzročno nepovezanih regija, od kojih se svaka ipak širila potpuno istom brzinom. Čak i danas, promatrajući toplinsko kozmičko zračenje koje dolazi sa suprotnih strana zvjezdanog neba, bilježimo potpuno iste otiske "otisaka prstiju" regija svemira razdvojenih ogromnim udaljenostima: te udaljenosti su više od 90 puta veće od udaljenosti koja svjetlost je mogla putovati od emisije toplinskog zračenja .

Kako objasniti tako izvanrednu koherentnost različitih područja prostora, koja, očito, nikada nisu bila međusobno povezana? Kako je došlo do ovog sličnog ponašanja? U tradicionalnom odgovoru opet se spominju posebni početni uvjeti. Iznimna homogenost svojstava primarne eksplozije smatra se jednostavno činjenicom: tako je nastao Svemir.

Homogenost svemira velikih razmjera još je zbunjujuća kada se uzme u obzir da svemir nipošto nije homogen u maloj skali. Postojanje pojedinačnih galaksija i jata galaksija ukazuje na odstupanje od stroge homogenosti, a to je odstupanje, štoviše, svugdje isto po mjerilu i veličini. Budući da gravitacija nastoji povećati svako početno nakupljanje materije, stupanj heterogenosti potreban za formiranje galaksija bio je mnogo manji u vrijeme Velikog praska nego sada. Međutim, u početnoj fazi Velikog praska još uvijek bi trebala biti prisutna blaga nehomogenost, inače se galaksije nikada ne bi stvorile. U staroj teoriji Velikog praska, te su se nehomogenosti također u ranoj fazi pripisivale "početnim uvjetima". Stoga smo morali vjerovati da razvoj svemira nije započeo iz potpuno idealnog, već iz vrlo neobičnog stanja.

Sve navedeno može se sažeti na sljedeći način: ako je jedina sila u svemiru gravitacijsko privlačenje, onda Veliki prasak treba tumačiti kao „bog poslat“, t.j. bez uzroka, uz zadane početne uvjete. Osim toga, karakterizira ga nevjerojatna dosljednost; da bi došao do postojeće strukture, svemir se morao pravilno razvijati od samog početka. Ovo je paradoks nastanka svemira.

Potraga za antigravitacijom

Paradoks nastanka svemira razriješen je tek posljednjih godina; međutim, glavna ideja rješenja može se pratiti u daleku povijest, u vrijeme kada ni teorija ekspanzije ni teorija Velikog praska još nisu postojale. Čak je i Newton shvatio koliko je težak problem stabilnost svemira. Kako zvijezde održavaju svoj položaj u svemiru bez podrške? Univerzalna priroda gravitacijskog privlačenja trebala je dovesti do sužanja zvijezda u skupove koji su bliski jedno drugom.

Kako bi izbjegao ovaj apsurd, Newton je pribjegao vrlo znatiželjnom obrazloženju. Ako bi se svemir srušio pod vlastitom gravitacijom, svaka bi zvijezda "pala" prema središtu skupa zvijezda. Pretpostavimo, međutim, da je svemir beskonačan i da su zvijezde u prosjeku jednoliko raspoređene na beskonačnom prostoru. U tom slučaju uopće ne bi postojalo zajedničko središte prema kojem bi sve zvijezde mogle pasti, jer su u beskonačnom Svemiru sve regije identične. Na svaku zvijezdu utjecalo bi gravitacijsko privlačenje svih svojih susjeda, ali zbog usrednjavanja tih utjecaja u različitim smjerovima, ne bi postojala rezultantna sila koja bi pomaknula ovu zvijezdu na određeni položaj u odnosu na cijeli skup zvijezda.

Kada je, 200 godina nakon Newtona, Einstein stvorio novu teoriju gravitacije, bio je zbunjen i problemom kako svemir uspijeva izbjeći kolaps. Njegovo prvo djelo o kozmologiji objavljeno je prije nego što je Hubble otkrio širenje svemira; pa je Einstein, kao i Newton, pretpostavio da je svemir statičan. Međutim, Einstein je pokušao riješiti problem stabilnosti svemira na mnogo izravniji način. Vjerovao je da, kako bi se spriječio kolaps svemira pod utjecajem vlastite gravitacije, mora postojati još jedna kozmička sila koja bi se mogla oduprijeti gravitaciji. Ova sila mora biti odbojna, a ne privlačna sila da nadoknadi gravitaciju. U tom smislu bi se takva sila mogla nazvati "antigravitacijskom", iako je ispravnije govoriti o sili kozmičkog odbijanja. Einstein u ovom slučaju nije samo proizvoljno izmislio ovu silu. Pokazao je da se u njegove jednadžbe gravitacijskog polja može uvesti dodatni član, što dovodi do pojave sile sa željenim svojstvima.

Unatoč činjenici da je koncept odbojne sile koja se suprotstavlja gravitacijskoj sili sam po sebi prilično jednostavan i prirodan, u stvarnosti se svojstva takve sile pokazuju prilično neobična. Naravno, takva sila nije uočena na Zemlji, a nije pronađen ni nagovještaj za nekoliko stoljeća postojanja planetarne astronomije. Očito, ako sila kozmičkog odbijanja postoji, onda ne bi trebala imati nikakav zamjetan učinak na malim udaljenostima, ali se njezina veličina značajno povećava na astronomskim ljestvicama. Takvo ponašanje proturječi svim dosadašnjim iskustvima u proučavanju prirode sila: one su obično intenzivne na malim udaljenostima i slabe s povećanjem udaljenosti. Dakle, elektromagnetske i gravitacijske interakcije kontinuirano se smanjuju prema zakonu inverznog kvadrata. Ipak, u Einsteinovoj teoriji prirodno se pojavila sila s takvim prilično neobičnim svojstvima.

Ne treba razmišljati o sili kozmičke odbijanja koju je uveo Einstein kao o petoj interakciji u prirodi. To je samo bizarna manifestacija same gravitacije. Lako je pokazati da se učinci kozmičkog odbijanja mogu pripisati običnoj gravitaciji, ako se kao izvor gravitacijskog polja odabere medij s neobičnim svojstvima. Običan materijalni medij (na primjer, plin) vrši pritisak, dok bi hipotetski medij o kojem se ovdje raspravljalo trebao imati negativan pritisak ili napetost. Kako bismo jasnije zamislili o čemu govorimo, zamislimo da smo uspjeli napuniti posudu takvom kozmičkom tvari. Tada, za razliku od običnog plina, hipotetski svemirski medij neće vršiti pritisak na stijenke posude, već će ih težiti uvući u posudu.

Dakle, kozmičko odbijanje možemo promatrati kao svojevrsni dodatak gravitaciji ili kao pojavu zbog obične gravitacije svojstvene nevidljivom plinovitom mediju koji ispunjava sav prostor i ima negativan tlak. Nema proturječnosti u činjenici da, s jedne strane, negativni tlak, takoreći, usisava stijenke posude, a s druge strane, ovaj hipotetski medij odbija galaksije, a ne privlači ih. Uostalom, odbijanje je posljedica gravitacije medija, a nikako mehaničkog djelovanja. U svakom slučaju, mehaničke sile ne stvara sam tlak, već razlika tlaka, ali se pretpostavlja da hipotetski medij ispunjava cijeli prostor. Ne može se ograničiti stijenkama posude, a promatrač koji se nalazi u ovom okruženju uopće ga ne bi doživio kao opipljivu tvar. Prostor bi izgledao i osjećao se potpuno prazan.

Unatoč tako nevjerojatnim značajkama hipotetskog medija, Einstein je jednom rekao da je izgradio zadovoljavajući model svemira, u kojem se održava ravnoteža između gravitacijske privlačnosti i kozmičke odbijanja koju je otkrio. Uz pomoć jednostavnih proračuna, Einstein je procijenio veličinu kozmičke sile odbijanja potrebne za uravnoteženje gravitacije u svemiru. Uspio je potvrditi da odbojnost mora biti toliko mala unutar Sunčevog sustava (pa čak i na razmjerima Galaksije) da se ne može eksperimentalno detektirati. Neko vrijeme se činilo da je vjekovni misterij briljantno riješen.

Međutim, tada se situacija promijenila na gore. Prije svega, pojavio se problem stabilnosti ravnoteže. Einsteinova osnovna ideja temeljila se na strogoj ravnoteži između privlačnih i odbojnih sila. No, kao iu mnogim drugim slučajevima stroge ravnoteže, i ovdje su na vidjelo izašli suptilni detalji. Kada bi se, na primjer, Einsteinov statični svemir malo proširio, tada bi se gravitacijsko privlačenje (slabljenje s udaljenosti) donekle smanjilo, dok bi se kozmička sila odbijanja (rastući s udaljenosti) neznatno povećala. To bi dovelo do neravnoteže u korist odbojnih sila, što bi uzrokovalo daljnje neograničeno širenje Svemira pod utjecajem svepobedničke odbojnosti. Ako bi se, naprotiv, Einsteinov statični svemir lagano skupio, tada bi se gravitacijska sila povećala, a sila kozmičkog odbijanja smanjila, što bi dovelo do neravnoteže u korist sila privlačenja i, kao rezultat, do sve brže kontrakcije, i na kraju do kolapsa za koji je Einstein mislio da ga je izbjegao. Tako bi se i kod najmanjeg odstupanja stroga ravnoteža narušila, a kozmička katastrofa bila bi neizbježna.

Kasnije, 1927., Hubble je otkrio recesiju galaksija (tj. širenje svemira), što je obesmislilo problem ravnoteže. Postalo je jasno da svemiru ne prijeti kompresija i kolaps, budući da je širi se. Da Einsteina nije odvratila potraga za silom kozmičkog odbijanja, do tog bi zaključka zasigurno došao teoretski, predviđajući tako širenje Svemira dobrih deset godina prije nego što su ga astronomi uspjeli otkriti. Takvo predviđanje nesumnjivo bi ušlo u povijest znanosti kao jedno od najistaknutijih (takvo je predviđanje na temelju Einsteinove jednadžbe 1922.-1923. napravio profesor A. A. Fridman s Petrogradskog sveučilišta). Na kraju se Einstein morao žalosno odreći kozmičke odbojnosti, koju je kasnije smatrao "najvećom pogreškom u svom životu". Međutim, tu priči nije bio kraj.

Einstein je smislio kozmičku odbojnost kako bi riješio nepostojeći problem statičkog svemira. Ali, kao što uvijek biva, duh iz boce se ne može otjerati natrag. Ideja da je dinamika svemira, možda zbog sukoba sila privlačenja i odbijanja, nastavila živjeti. I premda astronomska promatranja nisu dala nikakve dokaze o postojanju kozmičkog odbijanja, nisu mogla dokazati njegovo odsutnost – jednostavno bi mogla biti preslaba da se manifestira.

Einsteinove jednadžbe gravitacijskog polja, iako priznaju prisutnost odbojne sile, ne nameću ograničenja njezinoj veličini. Poučen gorkim iskustvom, Einstein je bio u pravu kad je pretpostavio da je veličina ove sile striktno jednaka nuli, čime je potpuno eliminirao odbojnost. Međutim, to nikako nije bilo potrebno. Neki su znanstvenici smatrali potrebnim zadržati odbojnost u jednadžbama, iako to više nije bilo potrebno sa stajališta izvornog problema. Ovi znanstvenici su vjerovali da, u nedostatku odgovarajućih dokaza, nema razloga vjerovati da je odbojna sila nula.

Nije bilo teško pratiti posljedice očuvanja odbojne sile u scenariju širenja svemira. U ranim fazama razvoja, kada je Svemir još u komprimiranom stanju, odbojnost se može zanemariti. Tijekom ove faze, gravitacijsko povlačenje usporilo je brzinu širenja, na isti način na koji Zemljina gravitacija usporava raketu ispaljenu okomito prema gore. Ako bez objašnjenja prihvatimo da je evolucija Svemira započela brzim širenjem, onda bi gravitacija trebala stalno smanjivati ​​brzinu širenja na vrijednost koja se promatra u ovom trenutku. S vremenom, kako se materija raspršuje, gravitacijska interakcija slabi. Naprotiv, kozmičko odbijanje raste kako se galaksije nastavljaju udaljavati jedna od druge. U konačnici, odbijanje će prevladati gravitacijsko privlačenje i brzina širenja Svemira će ponovno početi rasti. Iz ovoga možemo zaključiti da svemirom dominira kozmička odbojnost, a širenje će se nastaviti zauvijek.

Astronomi su pokazali da bi se ovo neobično ponašanje svemira, kada se širenje prvo usporava, a zatim ponovno ubrzava, trebalo odraziti na promatrano kretanje galaksija. Ali najpažljivija astronomska promatranja nisu uspjela otkriti uvjerljive dokaze takvog ponašanja, iako se s vremena na vrijeme iznosi suprotna tvrdnja.

Zanimljivo je da je nizozemski astronom Willem de Sitter iznio ideju o širenju svemira još 1916. godine - mnogo godina prije nego što je Hubble eksperimentalno otkrio ovaj fenomen. De Sitter je tvrdio da ako se obična materija ukloni iz svemira, onda će gravitacijsko privlačenje nestati, a odbojne sile će vladati u svemiru. To će uzrokovati širenje svemira – u to vrijeme to je bila inovativna ideja.

Budući da promatrač nije u stanju uočiti čudni nevidljivi plinoviti medij s negativnim tlakom, jednostavno će mu se činiti da se prazan prostor širi. Širenje bi se moglo otkriti vješanjem ispitnih tijela na raznim mjestima i promatranjem njihove udaljenosti jedna od druge. Pojam širenja praznog prostora u to se vrijeme smatrao svojevrsnom kuriozitetom, iako se, kako ćemo vidjeti, upravo to pokazalo proročkim.

Dakle, kakav zaključak se može izvući iz ove priče? Činjenica da astronomi ne otkrivaju kozmičku odbojnost još uvijek ne može poslužiti kao logičan dokaz njezine odsutnosti u prirodi. Sasvim je moguće da je jednostavno preslab da bi ga moderni instrumenti otkrili. Točnost promatranja je uvijek ograničena, pa se stoga može procijeniti samo gornja granica ove sile. Tome bi se moglo prigovoriti da bi, s estetske točke gledišta, zakoni prirode izgledali jednostavnije u nedostatku kozmičke odbojnosti. Takve su se rasprave vukle dugi niz godina, bez konačnih rezultata, sve dok se odjednom problem nije sagledao iz potpuno novog kuta, što mu je dalo neočekivanu aktualnost.

Inflacija: Objašnjenje Velikog praska

U prethodnim odjeljcima rekli smo da ako postoji kozmička sila odbijanja, onda ona mora biti vrlo slaba, toliko slaba da nema nikakav značajan učinak na Veliki prasak. Međutim, ovaj zaključak temelji se na pretpostavci da se veličina odbijanja ne mijenja s vremenom. U vrijeme Einsteina, ovo mišljenje dijelili su svi znanstvenici, budući da je kozmička odbojnost uvedena u teoriju “uvijena čovjeka”. Nikome nije palo na pamet da bi kozmička odbojnost mogla biti pozvan drugi fizički procesi koji nastaju kako se svemir širi. Kad bi se takva mogućnost predvidjela, onda bi se kozmologija mogla pokazati drugačijom. Konkretno, nije isključen scenarij evolucije Svemira, pod pretpostavkom da je u ekstremnim uvjetima ranih faza evolucije kozmičko odbijanje na trenutak prevladalo nad gravitacijom, uzrokujući eksploziju Svemira, nakon čega se njegova uloga praktički svela na nula.

Ova opća slika proizlazi iz nedavnog rada o ponašanju materije i sila u vrlo ranim fazama razvoja svemira. Postalo je jasno da je divovska kozmička odbojnost neizbježan rezultat Supersile. Dakle, "antigravitacija" koju je Einstein protjerao kroz vrata vratila se kroz prozor!

Ključ za razumijevanje novog otkrića kozmičke odbijanja daje priroda kvantnog vakuuma. Vidjeli smo kako takva odbojnost može biti posljedica neobičnog nevidljivog medija, koji se ne razlikuje od praznog prostora, ali s negativnim pritiskom. Danas fizičari vjeruju da su to svojstva kvantnog vakuuma.

U 7. poglavlju napomenuto je da vakuum treba smatrati svojevrsnim "enzimom" kvantne aktivnosti, koji vrvi virtualnim česticama i zasićen složenim interakcijama. Vrlo je važno razumjeti da vakuum igra odlučujuću ulogu u okviru kvantnog opisa. Ono što nazivamo česticama samo su rijetke smetnje, poput "mjehurića" na površini cijelog mora aktivnosti.

Krajem 1970-ih postalo je očito da je ujedinjenje četiriju interakcija zahtijevalo potpunu reviziju ideja o fizičkoj prirodi vakuuma. Teorija pretpostavlja da se energija vakuuma nikako ne očituje jednoznačno. Jednostavno rečeno, vakuum može biti uzbuđen i biti u jednom od mnogih stanja s vrlo različitim energijama, baš kao što se atom može podražiti odlaskom na više energetske razine. Ova vlastita stanja vakuuma – kada bismo ih mogli promatrati – izgledala bi potpuno isto, iako imaju potpuno različita svojstva.

Prije svega, energija sadržana u vakuumu teče u ogromnim količinama iz jednog stanja u drugo. U Grand Unified Theories, na primjer, razlika između najniže i najviše energije vakuuma je nezamislivo velika. Da bismo dobili neku ideju o gigantskoj skali ovih količina, procijenimo energiju koju je Sunce oslobodilo tijekom cijelog razdoblja svog postojanja (oko 5 milijardi godina). Zamislite da je sva ta kolosalna količina energije koju emitira Sunce sadržana u području prostora manjem od veličine Sunčevog sustava. Postignute gustoće energije u ovom slučaju su bliske gustoći energije koja odgovara stanju vakuuma u HWO.

Uz nevjerojatne razlike u energiji, jednako goleme razlike tlaka odgovaraju različitim vakuumskim stanjima. Ali tu leži "trik": svi ti pritisci - negativan. Kvantni vakuum ponaša se točno kao prethodno spomenuti hipotetski kozmički odbojni medij, samo što su ovaj put numeričke vrijednosti tlaka toliko velike da je odbijanje 10^120 puta veće od sile koja je Einsteinu bila potrebna za održavanje ravnoteže u statičkom svemiru .

Sada je otvoren put za objašnjenje Velikog praska. Pretpostavimo da je Svemir u početku bio u pobuđenom stanju vakuuma, koje se naziva "lažni" vakuum. U tom stanju, u Svemiru je postojala kozmička odbojnost takve veličine da bi izazvala neobuzdano i brzo širenje Svemira. U biti, u ovoj fazi svemir bi odgovarao de Sitterovom modelu o kojem se raspravljalo u prethodnom odjeljku. Razlika je, međutim, u tome što se kod de Sittera svemir tiho širi na astronomskim vremenskim skalama, dok je "de Sitterova faza" u evoluciji svemira iz "lažnog" kvantnog vakuuma zapravo daleko od tihe. Volumen prostora koji zauzima Svemir trebao bi se u ovom slučaju udvostručiti svakih 10^-34 s (ili vremenski interval istog reda).

Takvo superširenje Svemira ima niz karakterističnih značajki: sve udaljenosti rastu prema eksponencijalnom zakonu (s konceptom eksponenta smo se već susreli u 4. poglavlju). To znači da svakih 10^-34 s sva područja svemira udvostručuju svoju veličinu, a zatim se ovaj proces udvostručenja nastavlja eksponencijalno. Ova vrsta proširenja prvi put je razmatrana 1980. godine. Alana Gutha s MIT-a (Massachusetts Institute of Technology, SAD), nazvao je "inflacija". Kao rezultat iznimno brzog i neprestano ubrzanog širenja, vrlo brzo bi se pokazalo da se svi dijelovi svemira razlijeću, kao u eksploziji. A ovo je Veliki prasak!

Međutim, na ovaj ili onaj način, ali faza inflacije mora prestati. Kao iu svim pobuđenim kvantnim sustavima, "lažni" vakuum je nestabilan i sklon je raspadu. Kada dođe do propadanja, odbojnost nestaje. To pak dovodi do prestanka inflacije i prijelaza svemira u moć uobičajene gravitacijske privlačnosti. Naravno, u ovom slučaju Svemir bi se nastavio širiti zbog početnog impulsa stečenog tijekom razdoblja inflacije, ali bi se brzina širenja stalno smanjivala. Dakle, jedini trag koji je do danas preživio od kozmičkog odbijanja je postupno usporavanje širenja Svemira.

Prema "inflatornom scenariju", Svemir je započeo svoje postojanje iz stanja vakuuma, lišenog materije i zračenja. No, čak i da su bili prisutni od početka, brzo bi im se izgubio trag zbog velike stope ekspanzije u fazi inflacije. U iznimno kratkom vremenskom razdoblju koje odgovara ovoj fazi, područje prostora koje danas zauzima cijeli vidljivi Svemir naraslo je s milijardnog dijela veličine protona na nekoliko centimetara. Gustoća bilo koje izvorno postojeće tvari zapravo bi postala jednaka nuli.

Dakle, do kraja faze inflacije, svemir je bio prazan i hladan. Međutim, kada je inflacija presušila, svemir je odjednom postao iznimno "vruć". Ovaj nalet topline koji je osvijetlio kozmos je zbog ogromnih rezervi energije sadržanih u "lažnom" vakuumu. Kada se vakuumsko stanje srušilo, njegova se energija oslobodila u obliku zračenja, koje je u trenu zagrijalo Svemir na oko 10^27 K, što je dovoljno da se odvijaju procesi u GUT-u. Od tog trenutka, Svemir je evoluirao prema standardnoj teoriji „vrućeg“ Velikog praska. Zahvaljujući toplinskoj energiji nastala je materija i antimaterija, zatim se Svemir počeo hladiti, a svi njegovi elementi koji se danas promatraju postupno su se počeli "zamrznuti".

Dakle, teži problem je što je uzrokovalo Veliki prasak? - uspjeli riješiti korištenjem teorije inflacije; prazan prostor spontano je eksplodirao pod odbojnošću svojstvenom kvantnom vakuumu. Međutim, misterij i dalje ostaje. Kolosalna energija primarne eksplozije, koja je ušla u stvaranje materije i zračenja postojećeg u Svemiru, morala je doći odnekud! Nećemo moći objasniti postojanje svemira dok ne pronađemo izvor primarne energije.

space bootstrap

Engleski bootstrap u doslovnom smislu znači "vezivanje", u prenesenom značenju znači samodosljednost, odsutnost hijerarhije u sustavu elementarnih čestica.

Svemir je rođen u procesu gigantskog izljeva energije. Još uvijek nalazimo tragove toga - to je pozadinsko toplinsko zračenje i kozmička tvar (osobito atomi koji čine zvijezde i planete), koja pohranjuje određenu energiju u obliku "mase". Tragovi te energije očituju se i u povlačenju galaksija i u nasilnoj aktivnosti astronomskih objekata. Primarna energija je "pokrenula proljeće" svemira u nastajanju i nastavlja ga pokretati do danas.

Odakle je došla ta energija koja je udahnula život našem Svemiru? Prema teoriji inflacije, to je energija praznog prostora, drugim riječima, kvantni vakuum. Međutim, može li nas takav odgovor u potpunosti zadovoljiti? Prirodno je zapitati se kako je vakuum stekao energiju.

Općenito, postavljajući pitanje odakle dolazi energija, u biti donosimo važnu pretpostavku o prirodi te energije. Jedan od temeljnih zakona fizike je zakon očuvanja energije, prema kojem se različiti oblici energije mogu mijenjati i prelaziti jedan u drugi, ali ukupna količina energije ostaje nepromijenjena.

Nije teško navesti primjere u kojima se može provjeriti djelovanje ovog zakona. Pretpostavimo da imamo motor i dovod goriva, a motor se koristi za pogon električnog generatora, koji zauzvrat pokreće grijač. Tijekom izgaranja goriva, kemijska energija pohranjena u njemu pretvara se u mehaničku, zatim u električnu i na kraju u toplinu. Ili pretpostavimo da se motor koristi za podizanje tereta na vrh tornja, nakon čega teret slobodno pada; pri udaru o tlo oslobađa se točno ista količina toplinske energije kao u primjeru s grijačem. Činjenica je da, bez obzira na to kako se energija prenosi ili kako se mijenja njezin oblik, ona se očito ne može stvoriti ili uništiti. Inženjeri koriste ovaj zakon u svakodnevnoj praksi.

Ako se energija ne može niti stvoriti niti uništiti, kako onda nastaje primarna energija? Nije li to samo ubrizgano u prvom trenutku (neka vrsta novog početnog stanja koje prihvaća ad hoc)? Ako je tako, zašto svemir sadrži ovu količinu energije, a ne neku drugu količinu? Postoji oko 10^68 J (džula) energije u vidljivom Svemiru - zašto ne, recimo, 10^99 ili 10^10000 ili bilo koji drugi broj?

Teorija inflacije nudi jedno moguće znanstveno objašnjenje za ovu zagonetku. Prema ovoj teoriji. Svemir je u početku imao energiju koja je zapravo bila jednaka nuli, a u prvih 10^32 sekunde uspio je oživjeti cijelu gigantsku količinu energije. Ključ za razumijevanje ovog čuda nalazi se u izvanrednoj činjenici da zakon održanja energije u uobičajenom smislu nije primjenjivo na svemir koji se širi.

Zapravo, već smo se susreli sa sličnom činjenicom. Kozmološka ekspanzija dovodi do smanjenja temperature Svemira: u skladu s tim, energija toplinskog zračenja, koja je tako velika u primarnoj fazi, se iscrpljuje i temperatura pada na vrijednosti blizu apsolutne nule. Gdje je nestala sva ta toplinska energija? U određenom smislu, svemir ga je iskoristio za širenje i pružio pritisak da dopuni snagu Velikog praska. Kada se obična tekućina širi, njezin vanjski tlak radi koristeći energiju tekućine. Kada se obični plin širi, njegova se unutarnja energija troši na rad. U potpunoj suprotnosti s tim, kozmička odbojnost je slična ponašanju medija s negativan pritisak. Kada se takav medij širi, njegova energija se ne smanjuje, već se povećava. Upravo se to dogodilo tijekom razdoblja inflacije, kada je kozmička odbojnost uzrokovala naglo širenje Svemira. Tijekom cijelog tog razdoblja ukupna energija vakuuma nastavila je rasti sve dok do kraja razdoblja inflacije nije dosegnula enormnu vrijednost. Kada je razdoblje inflacije završilo, sva pohranjena energija se oslobodila u jednom divovskom prasku, što je dovelo do topline i tvari u punoj skali Velikog praska. Od tog trenutka počelo je uobičajeno širenje s pozitivnim tlakom, tako da je energija ponovno počela opadati.

Pojava primarne energije obilježena je nekom vrstom magije. Vakuum s tajanstvenim negativnim tlakom, očito je obdaren apsolutno nevjerojatnim mogućnostima. S jedne strane stvara gigantsku odbojnu silu koja osigurava njegovo sve brže širenje, a s druge strane, samo širenje tjera povećanje energije vakuuma. Vakuum se, u biti, hrani energijom u ogromnim količinama. Ima unutarnju nestabilnost koja osigurava kontinuirano širenje i neograničenu proizvodnju energije. I samo kvantno raspadanje lažnog vakuuma postavlja granicu ovoj "kozmičkoj ekstravaganciji".

Vakuum služi prirodi kao čarobna posuda energije bez dna. U principu, ne postoji ograničenje količine energije koja bi se mogla osloboditi tijekom inflatorne ekspanzije. Ova izjava označava revoluciju u tradicionalnom razmišljanju sa svojim stoljetnim “ništa se neće roditi iz ničega” (ova izreka potječe barem iz doba Parmenida, tj. 5. stoljeća prije Krista). Ideja o mogućnosti "stvaranja" iz ničega donedavno je bila u potpunosti u nadležnosti religija. Konkretno, kršćani su dugo vjerovali da je Bog stvorio svijet iz ničega, ali ideju o mogućnosti spontanog nastanka sve materije i energije kao rezultat čisto fizičkih procesa znanstvenici su prije desetak godina smatrali apsolutno neprihvatljivom. .

Oni koji se iznutra ne mogu pomiriti s cijelim konceptom nastanka "nečega" iz "ništa" imaju priliku drugačije gledati na pojavu energije tijekom širenja Svemira. Budući da obična gravitacija ima karakter privlačenja, da bi se uklonili dijelovi materije jedni od drugih, potrebno je izvršiti rad na prevladavanju gravitacije koja djeluje između tih dijelova. To znači da je gravitacijska energija sustava tijela negativna; kada se u sustav dodaju nova tijela, energija se oslobađa, a kao rezultat toga, gravitacijska energija postaje "još negativnija". Ako ovo razmišljanje primijenimo na Svemir u fazi inflacije, tada je pojava topline i materije koja, takoreći, "kompenzira" negativnu gravitacijsku energiju formiranih masa. U ovom slučaju, ukupna energija Svemira kao cjeline jednaka je nuli i uopće ne nastaje nova energija! Takav pogled na proces "stvaranja svijeta" svakako je privlačan, ali ga ipak ne treba shvaćati previše ozbiljno, budući da se općenito status pojma energije u odnosu na gravitaciju pokazuje sumnjivim.

Sve što je ovdje rečeno o vakuumu jako podsjeća na omiljenu priču fizičara o dječaku koji se, pavši u močvaru, izvukao za svoje pertle. Svemir koji sam stvara nalikuje ovom dječaku - također se izvlači vlastitim "vezicama" (ovaj proces označava se izrazom "bootstrap"). Doista, zbog svoje fizičke prirode, Univerzum u sebi pobuđuje svu energiju potrebnu za “stvaranje” i “oživljavanje” materije, a također pokreće eksploziju koja je stvara. Ovo je space bootstrap; njegovoj nevjerojatnoj moći dugujemo svoje postojanje.

Napredak u teoriji inflacije

Nakon što je Guth iznio temeljnu ideju da je svemir prošao rano razdoblje iznimno brzog širenja, postalo je jasno da bi takav scenarij mogao lijepo objasniti mnoge značajke kozmologije Velikog praska koje su se prije uzimale zdravo za gotovo.

U jednom od prethodnih odjeljaka susreli smo se s paradoksima vrlo visokog stupnja organizacije i koordinacije primarne eksplozije. Jedan od sjajnih primjera za to je sila eksplozije, za koju se pokazalo da je točno "prilagođena" veličini kozmičke gravitacije, zbog čega je brzina širenja Svemira u naše vrijeme vrlo blizu granična vrijednost koja razdvaja kompresiju (kolaps) i brzo širenje. Odlučujući test inflatornog scenarija upravo je predviđa li Veliki prasak tako precizno definirane snage. Ispada da zbog eksponencijalnog širenja u fazi inflacije (što je njegovo najkarakterističnije svojstvo), sila eksplozije automatski striktno osigurava mogućnost prevladavanja vlastite gravitacije Svemira. Inflacija može dovesti točno do stope ekspanzije koja se uočava u stvarnosti.

Još jedna "velika misterija" povezana je s homogenošću svemira u velikim razmjerima. Također se odmah rješava na temelju teorije inflacije. Sve početne nehomogenosti u strukturi svemira moraju se apsolutno izbrisati s grandioznim povećanjem njegove veličine, kao što se bore na ispuhanom balonu izglađuju kada se napuhne. A kao rezultat povećanja veličine prostornih područja za oko 10^50 puta, svaka početna perturbacija postaje beznačajna.

Međutim, o tome bi bilo pogrešno govoriti potpuni homogenost. Da bi se omogućila pojava modernih galaksija i klastera galaksija, struktura ranog svemira morala je imati neku "zgrudanost". U početku su se astronomi nadali da bi se postojanje galaksija moglo objasniti nakupljanjem materije pod utjecajem gravitacijskog privlačenja nakon Velikog praska. Oblak plina mora se skupiti pod vlastitom gravitacijom, a zatim se raspasti na manje fragmente, a oni, pak, na još manje, i tako dalje. Moguće je da je raspodjela plina koja je nastala kao rezultat Velikog praska bila potpuno homogena, ali je zbog čisto slučajnih procesa tu i tamo nastalo zgušnjavanje i razrjeđivanje zbog čisto slučajnih procesa. Gravitacija je dodatno pojačala te fluktuacije, što je dovelo do rasta područja kondenzacije i njihove apsorpcije dodatne tvari. Zatim su se te regije skupljale i sukcesivno raspadale, a najsitnije nakupine su se pretvarale u zvijezde. Na kraju je nastala hijerarhija struktura: zvijezde sjedinjene u skupine, one u galaksije i dalje u nakupine galaksija.

Nažalost, da u plinu nije bilo nehomogenosti od samog početka, tada bi takav mehanizam za nastanak galaksija funkcionirao u vremenu puno dužem od starosti Svemira. Činjenica je da su se procesi kondenzacije i fragmentacije natjecali s širenjem Svemira, što je bilo popraćeno raspršenjem plina. U izvornoj verziji teorije Velikog praska, pretpostavljalo se da su "klice" galaksija u početku postojale u strukturi Svemira na njegovom nastanku. Štoviše, te su početne nehomogenosti morale imati sasvim određene dimenzije: ne premale, inače se nikada ne bi formirale, ali ni prevelike, inače bi se područja velike gustoće jednostavno urušila, pretvarajući se u ogromne crne rupe. Pritom je potpuno neshvatljivo zašto galaksije imaju upravo takve veličine ili zašto je toliki broj galaksija uključen u jato.

Inflatorni scenarij daje dosljednije objašnjenje za galaktičku strukturu. Glavna ideja je prilično jednostavna. Inflacija je posljedica činjenice da je kvantno stanje Svemira nestabilno stanje lažnog vakuuma. Konačno, ovo vakuumsko stanje se raspada i njegov višak energije pretvara se u toplinu i materiju. U ovom trenutku kozmička odbojnost nestaje - i inflacija prestaje. Međutim, raspad lažnog vakuuma ne događa se striktno istovremeno u cijelom prostoru. Kao iu svakom kvantnom procesu, lažne stope raspada vakuuma fluktuiraju. U nekim dijelovima svemira propadanje se događa nešto brže nego u drugim. U tim područjima inflacija će prije završiti. Kao rezultat toga, nehomogenosti su očuvane iu konačnom stanju. Moguće je da bi te nehomogenosti mogle poslužiti kao "klice" (centre) gravitacijske kontrakcije i na kraju dovele do stvaranja galaksija i njihovih nakupina. Matematičko modeliranje mehanizma fluktuacija provedeno je, međutim, s vrlo ograničenim uspjehom. U pravilu se učinak pokaže prevelikim, a izračunate nehomogenosti suviše značajne. Istina, korišteni su pregrubi modeli i možda bi suptilniji pristup bio uspješniji. Iako je teorija daleko od potpune, ona barem opisuje prirodu mehanizma koji bi mogao dovesti do stvaranja galaksija bez potrebe za posebnim početnim uvjetima.

U Guthovoj verziji inflatornog scenarija, lažni vakuum se prvo pretvara u "istinsko" ili najnižeenergetsko vakuumsko stanje, koje identificiramo s praznim prostorom. Priroda ove promjene je vrlo slična faznom prijelazu (na primjer, iz plina u tekućinu). U tom slučaju, u lažnom vakuumu, nasumično bi se formirali mjehurići pravog vakuuma, koji bi, šireći se brzinom svjetlosti, zahvatili sva velika područja prostora. Da bi lažni vakuum postojao dovoljno dugo da inflacija obavi svoje "čudesno" djelo, ta dva stanja moraju biti razdvojena energetskom barijerom kroz koju se mora dogoditi "kvantno tuneliranje" sustava, slično kao što se događa s elektronima (vidi pogl.) . Međutim, ovaj model ima jedan ozbiljan nedostatak: sva energija oslobođena iz lažnog vakuuma koncentrirana je u stijenkama mjehurića i ne postoji mehanizam za njezinu preraspodjelu kroz mjehur. Kako su se mjehurići sudarali i spajali, energija bi se na kraju akumulirala u nasumično pomiješanim slojevima. Kao rezultat toga, svemir bi sadržavao vrlo jake nehomogenosti, a cjelokupni rad inflacije na stvaranju uniformnosti velikih razmjera bi se urušio.

Daljnjim poboljšanjem inflatornog scenarija ove su poteškoće prevladane. Novoj teoriji nedostaje tuneliranje između dva vakuumska stanja; umjesto toga, parametri su odabrani tako da je raspadanje lažnog vakuuma vrlo sporo, te tako svemir dobiva dovoljno vremena da se napuhne. Kada se raspad završi, oslobađa se energija lažnog vakuuma u cijelom volumenu "mjehurića", koji se brzo zagrijava do 10^27 K. Pretpostavlja se da je cijeli vidljivi Svemir sadržan u jednom takvom mjehuru. Stoga, na ultravelikim razmjerima, svemir može biti vrlo nepravilan, ali područje dostupno našem promatranju (pa čak i mnogo veći dijelovi svemira) leži unutar potpuno homogene zone.

Zanimljivo je da je Guth izvorno razvio svoju inflacijsku teoriju kako bi riješio potpuno drugačiji kozmološki problem – odsutnost magnetskih monopola u prirodi. Kao što je prikazano u 9. poglavlju, standardna teorija Velikog praska predviđa da bi se u primarnoj fazi evolucije svemira trebali pojaviti prekomjerni monopoli. Oni mogu biti praćeni svojim jednodimenzionalnim i dvodimenzionalnim parnjacima - čudnim objektima koji imaju karakter "žice" i "list". Problem je bio osloboditi svemir ovih "nepoželjnih" objekata. Inflacija automatski rješava problem monopola i druge slične probleme, budući da divovsko širenje prostora učinkovito smanjuje njihovu gustoću na nulu.

Iako je inflatorni scenarij razvijen samo djelomično i samo je vjerojatan, ne više, omogućio je formuliranje niza ideja koje obećavaju da će nepovratno promijeniti lice kozmologije. Sada ne samo da možemo ponuditi objašnjenje za uzrok Velikog praska, već i početi shvaćati zašto je bio tako "velik" i zašto je poprimio takav karakter. Sada možemo početi rješavati pitanje kako je nastala homogenost svemira velikih razmjera, a uz nju i uočene nehomogenosti manjeg razmjera (na primjer, galaksije). Primordijalna eksplozija koja je stvorila ono što nazivamo svemirom više nije misterij izvan fizičke znanosti.

Svemir stvara sam sebe

Pa ipak, unatoč velikom uspjehu teorije inflacije u objašnjavanju nastanka svemira, misterij ostaje. Kako je svemir na početku završio u stanju lažnog vakuuma? Što se dogodilo prije inflacije?

Dosljedan, sasvim zadovoljavajući znanstveni opis nastanka svemira trebao bi objasniti kako je nastao sam prostor (točnije prostor-vrijeme), koji je potom doživio inflaciju. Neki su znanstvenici spremni priznati da prostor uvijek postoji, drugi smatraju da je to pitanje općenito izvan dosega znanstvenog pristupa. A samo rijetki tvrde više i uvjereni su da je sasvim legitimno postavljati pitanje kako bi prostor općenito (a posebno lažni vakuum) mogao doslovno nastati iz "ničega" kao rezultat fizičkih procesa koji, u principu, mogu biti proučavan.

Kao što je navedeno, tek smo nedavno osporili uporno uvjerenje da "ništa ne dolazi ni iz čega". Kozmički bootstrap blizak je teološkom konceptu stvaranja svijeta iz ničega (ex nihilo). Bez sumnje, u svijetu oko nas postojanje nekih objekata obično je posljedica prisutnosti drugih objekata. Dakle, Zemlja je nastala iz protosolarne maglice, koja je, pak, iz galaktičkih plinova itd. Kad bismo slučajno vidjeli predmet koji se iznenada pojavio "ni iz čega", očito bismo to doživjeli kao čudo; na primjer, iznenadilo bi nas kad bismo iznenada pronašli puno novčića, noževa ili slatkiša u zaključanom praznom sefu. U svakodnevnom životu navikli smo biti svjesni da sve proizlazi odnekud ili iz nečega.

Međutim, nije sve tako očito kada su u pitanju manje specifične stvari. Iz čega, na primjer, nastaje slika? Naravno, za to je potreban kist, boje i platno, ali to su samo alati. Način na koji je slika naslikana – izbor oblika, boje, teksture, kompozicije – ne rađa se četkicama i bojama. To je rezultat kreativne mašte umjetnika.

Odakle dolaze misli i ideje? Misli su, bez sumnje, stvarne i, očito, uvijek zahtijevaju sudjelovanje mozga. Ali mozak samo osigurava realizaciju misli, a nije njihov uzrok. Sam po sebi, mozak ne stvara misli ništa više od, na primjer, računala - kalkulacije. Misli mogu biti uzrokovane drugim mislima, ali to ne otkriva prirodu same misli. Mogu se roditi neke misli, senzacije; misao rađa pamćenje. Većina umjetnika, međutim, na svoj rad gleda kao na rezultat neočekivano inspiracija. Ako je to točno, onda je stvaranje slike – ili barem rođenje njezine ideje – samo primjer rađanja nečega iz ničega.

Pa ipak, možemo li smatrati da fizički objekti, pa čak i Svemir u cjelini nastaju iz ničega? O ovoj smjeloj hipotezi ozbiljno se raspravlja, primjerice, u znanstvenim institucijama na istočnoj obali Sjedinjenih Država, gdje nemali broj teoretskih fizičara i kozmologa razvija matematički aparat koji bi pomogao otkriti mogućnost stvaranja nečega iz ničega. Ovaj elitni krug uključuje Alana Gutha s MIT-a, Sydneyja Colemana sa Sveučilišta Harvard, Alexa Vilenkina sa Sveučilišta Tufts, Eda Tyona i Heinza Pagelsa iz New Yorka. Svi oni vjeruju da u ovom ili onom smislu "ništa nije nestabilno" i da je fizički svemir spontano "procvjetao iz ničega", kojim upravljaju samo zakoni fizike. “Takve su ideje čisto spekulativne,” priznaje Guth, “ali na određenoj razini mogu biti točne... Ponekad se kaže da nema besplatnog ručka, ali Svemir je, očito, upravo takav “besplatan ručak”.

U svim ovim hipotezama, kvantno ponašanje igra ključnu ulogu. Kao što smo rekli u 2. poglavlju, glavna značajka kvantnog ponašanja je gubitak stroge uzročne veze. U klasičnoj fizici, izlaganje mehanike slijedilo je strogo poštivanje uzročnosti. Svi detalji gibanja svake čestice bili su strogo unaprijed određeni zakonima gibanja. Vjerovalo se da je kretanje kontinuirano i strogo određeno djelovanjem sila. Zakoni kretanja doslovno su utjelovili odnos između uzroka i posljedice. Svemir je viđen kao gigantski sat, čije je ponašanje strogo regulirano onim što se događa u ovom trenutku. Upravo je vjera u tako sveobuhvatnu i apsolutno strogu uzročnost potaknula Pierrea Laplacea da tvrdi da je super-moćni kalkulator u načelu sposoban predvidjeti, na temelju zakona mehanike, i povijest i sudbinu svemir. Prema ovom gledištu, svemir je osuđen zauvijek slijediti svoj propisani put.

Kvantna fizika je uništila metodičnu, ali besplodnu Laplasovu shemu. Fizičari su se uvjerili da su, na atomskoj razini, materija i njezino kretanje nesigurni i nepredvidivi. Čestice se mogu ponašati "ludo", kao da se opiru strogo propisanim pokretima, iznenada se pojavljuju na najneočekivanijim mjestima bez ikakvog razloga, a ponekad se pojavljuju i nestaju "bez upozorenja".

Kvantni svijet nije potpuno oslobođen uzročnosti, ali se očituje prilično neodlučno i dvosmisleno. Na primjer, ako je jedan atom u pobuđenom stanju kao rezultat sudara s drugim atomom, obično se brzo vraća u stanje s najnižom energijom, emitirajući pri tome foton. Pojava fotona je, naravno, posljedica činjenice da je atom prethodno prešao u pobuđeno stanje. Sa sigurnošću možemo reći da je do pojave fotona dovela ekscitacija te je u tom smislu očuvana povezanost uzroka i posljedice. Međutim, pravi trenutak pojave fotona je nepredvidiv: atom ga može emitirati u svakom trenutku. Fizičari su u stanju izračunati vjerojatno, odnosno prosječno, vrijeme pojave fotona, ali u svakom slučaju nemoguće je predvidjeti trenutak kada će se taj događaj dogoditi. Očigledno, za karakterizaciju takve situacije najbolje je reći da pobuđivanje atoma ne dovodi toliko do pojave fotona koliko ga "gura" prema njemu.

Dakle, kvantni mikrosvijet nije zapetljan u gustu mrežu uzročno-posledičnih veza, ali ipak “sluša” brojne nenametljive naredbe i sugestije. U staroj Newtonovskoj shemi, sila se, takoreći, okrenula prema objektu uz neodgovornu naredbu: "Pokret!". U kvantnoj fizici, odnos između sile i objekta temelji se na pozivu, a ne na naredbi.

Zašto uopće smatramo da je ideja o iznenadnom rođenju objekta "ni iz čega" tako neprihvatljiva? Što nas onda tjera na razmišljanje o čudima i nadnaravnim pojavama? Možda je cijela poanta samo u neobičnosti takvih događaja: u svakodnevnom životu nikada se ne susrećemo s nerazumnim izgledom predmeta. Kada, na primjer, mađioničar izvuče zeca iz šešira, znamo da nas se zavarava.

Pretpostavimo da stvarno živimo u svijetu u kojem se objekti pojavljuju „niotkuda“ s vremena na vrijeme, bez razloga i na potpuno nepredvidiv način. Kad smo se jednom navikli na takve pojave, prestali bismo se njima čuditi. Spontano rođenje bi se doživljavalo kao jedan od hirova prirode. Možda u takvom svijetu više ne bismo morali naprezati svoju lakovjernost da zamislimo iznenadni nastanak cijelog fizičkog svemira iz ničega.

Ovaj imaginarni svijet u biti nije toliko različit od stvarnog. Kad bismo mogli izravno percipirati ponašanje atoma našim osjetilima (a ne posredovanjem posebnih instrumenata), često bismo morali promatrati objekte kako se pojavljuju i nestaju bez jasno definiranih razloga.

Fenomen najbliži "rađanju iz ničega" događa se u dovoljno jakom električnom polju. Pri kritičnoj vrijednosti jakosti polja, elektroni i pozitroni počinju se pojavljivati ​​"iz ničega" na potpuno nasumičan način. Proračuni pokazuju da je u blizini površine jezgre urana jakost električnog polja dovoljno blizu granice iznad koje dolazi do tog efekta. Da postoje atomske jezgre koje sadrže 200 protona (u jezgri urana ih ima 92), tada bi došlo do spontanog rađanja elektrona i pozitrona. Nažalost, čini se da jezgra s tako velikim brojem protona postaje izrazito nestabilna, ali to nije sasvim sigurno.

Spontana proizvodnja elektrona i pozitrona u jakom električnom polju može se smatrati posebnom vrstom radioaktivnosti, kada raspad doživljava prazan prostor, vakuum. Već smo govorili o prijelazu iz jednog vakuumskog stanja u drugo kao rezultat raspadanja. U tom slučaju, vakuum se raspada, pretvarajući se u stanje u kojem su prisutne čestice.

Iako je raspad prostora uzrokovan električnim poljem teško pojmljiv, sličan proces pod utjecajem gravitacije mogao bi se dogoditi u prirodi. U blizini površine crnih rupa, gravitacija je toliko jaka da vakuum vrvi česticama koje se neprestano rađaju. Ovo je poznato zračenje crne rupe koje je otkrio Stephen Hawking. U konačnici, gravitacija je ta koja je odgovorna za nastanak ovog zračenja, ali se ne može reći da se to događa "u starom Newtonovom smislu": ne može se reći da bi se neka određena čestica trebala pojaviti na određenom mjestu u određenom trenutku u vremenu. kao rezultat djelovanja gravitacijskih sila . U svakom slučaju, budući da je gravitacija samo zakrivljenost prostor-vremena, može se reći da prostor-vrijeme uzrokuje rađanje materije.

Spontani izlazak materije iz praznog prostora često se naziva rođenjem "iz ničega", što je duhom blisko rođenju. ex nihilo u kršćanskoj doktrini. Međutim, za fizičara, prazan prostor nije "ništa", već vrlo bitan dio fizičkog svemira. Ako ipak želimo odgovoriti na pitanje kako je nastao svemir, onda nije dovoljno pretpostaviti da je prazan prostor postojao od samog početka. Potrebno je objasniti otkud ovaj prostor. pomisao na rođenje sam prostor Možda se čini čudnim, ali na neki način to se događa stalno oko nas. Širenje svemira nije ništa drugo do kontinuirano "nabujanje" prostora. Svaki dan, područje svemira dostupno našim teleskopima povećava se za 10 ^ 18 kubičnih svjetlosnih godina. Odakle dolazi ovaj prostor? Analogija s gumom je ovdje korisna. Ako se elastična gumica izvuče, ona se „povećava“. Prostor podsjeća na superelastičnost po tome što se, koliko znamo, može protezati beskonačno bez kidanja.

Rastezanje i zakrivljenost prostora nalikuje deformaciji elastičnog tijela po tome što se "gibanje" prostora događa prema zakonima mehanike na potpuno isti način kao i kretanje obične materije. U ovom slučaju to su zakoni gravitacije. Kvantna teorija jednako je primjenjiva na materiju, kao i na prostor i vrijeme. U prethodnim poglavljima rekli smo da se kvantna gravitacija smatra nužnim korakom u potrazi za Supersilom. S tim u vezi javlja se neobična mogućnost; ako, prema kvantnoj teoriji, čestice materije mogu nastati "ni iz čega", onda, u odnosu na gravitaciju, neće li to opisati nastanak "iz ničega" i prostora? Ako se to dogodi, nije li onda rođenje Svemira prije 18 milijardi godina primjer upravo takvog procesa?

Besplatan ručak?

Glavna ideja kvantne kozmologije je primjena kvantne teorije na svemir u cjelini: na prostor-vrijeme i materiju; teoretičari ovu ideju shvaćaju posebno ozbiljno. Na prvi pogled ovdje postoji kontradikcija: kvantna fizika se bavi najmanjim sustavima, dok se kozmologija bavi najvećim. Međutim, svemir je nekada također bio ograničen na vrlo malu veličinu, pa su kvantni efekti tada bili iznimno važni. Rezultati proračuna pokazuju da bi kvantne zakone trebalo uzeti u obzir u GUT eri (10^-32 s), au Planck eri (10^-43 s) vjerojatno bi trebali imati odlučujuću ulogu. Prema nekim teoretičarima (na primjer, Vilenkin), između ove dvije epohe postojao je trenutak u vremenu kada je Svemir nastao. Prema Sydneyju Colemanu, napravili smo kvantni skok iz ničega u vrijeme. Očigledno je prostor-vrijeme relikt ovog doba. Kvantni skok o kojem Coleman govori može se promatrati kao svojevrsni "proces tuneliranja". Primijetili smo da je u izvornoj verziji teorije inflacije lažno vakuumsko stanje moralo tunelirati kroz energetsku barijeru do pravog vakuumskog stanja. Međutim, u slučaju spontanog nastanka kvantnog svemira „ni iz čega“, naša intuicija doseže granicu svojih mogućnosti. Jedan kraj tunela predstavlja fizički svemir u prostoru i vremenu, koji tamo dolazi kvantnim tuneliranjem "iz ničega". Dakle, drugi kraj tunela je upravo to Ništa! Možda bi bilo bolje reći da tunel ima samo jedan kraj, a drugi jednostavno "ne postoji".

Glavna poteškoća ovih pokušaja objašnjenja nastanka Svemira leži u opisu procesa njegova rođenja iz stanja lažnog vakuuma. Kad bi novonastali prostor-vrijeme bio u stanju istinskog vakuuma, inflacija se nikada ne bi mogla dogoditi. Veliki prasak bi se sveo na slabi prasak, a prostor-vrijeme bi trenutak kasnije ponovno prestalo postojati – bilo bi uništeno samim kvantnim procesima zbog kojih je izvorno nastao. Da se Svemir nije našao u stanju lažnog vakuuma, nikada se ne bi uključio u kozmičku početnu traku i ne bi materijalizirao svoje iluzorno postojanje. Možda je lažno vakuumsko stanje favorizirano zbog njegovih ekstremnih uvjeta. Na primjer, ako je svemir započeo na dovoljno visokoj početnoj temperaturi, a zatim se ohladio, tada bi se mogao čak i "nasukati" u lažnom vakuumu, ali zasad mnoga tehnička pitanja ovog tipa ostaju neriješena.

No, bez obzira na stvarnost ovih temeljnih problema, svemir mora nastati na ovaj ili onaj način, a kvantna fizika jedina je grana znanosti u kojoj ima smisla govoriti o događaju koji se dogodio bez očitog razloga. Ako govorimo o prostor-vremenu, onda je u svakom slučaju besmisleno govoriti o kauzalnosti u uobičajenom smislu. Obično je koncept kauzalnosti usko povezan s pojmom vremena, pa se stoga svako razmatranje procesa nastanka vremena ili njegovog „izlaska iz nepostojanja“ mora temeljiti na široj ideji uzročnosti.

Ako je prostor stvarno deseterodimenzionalan, onda teorija smatra da je svih deset dimenzija prilično jednakih u najranijim fazama. Privlačno je povezati fenomen inflacije sa spontanom kompaktifikacijom (preklapanjem) sedam od deset dimenzija. Prema ovom scenariju, "pokretačka snaga" inflacije nusprodukt je interakcija koje se očituju kroz dodatne dimenzije prostora. Nadalje, desetodimenzionalni prostor mogao bi se prirodno razvijati na način da tijekom inflacije tri prostorne dimenzije snažno rastu na račun ostalih sedam, koje se, naprotiv, smanjuju, postajući nevidljive? Dakle, kvantni mikromjehur desetdimenzionalnog prostora je komprimiran, a zbog toga se tri dimenzije napuhuju, tvoreći Svemir: preostalih sedam dimenzija ostaju u zarobljeništvu mikrokozmosa, odakle se pojavljuju samo posredno - u obliku interakcije. Ova se teorija čini vrlo privlačnom.

Unatoč činjenici da teoretičari još uvijek imaju puno posla u proučavanju prirode vrlo ranog svemira, već je moguće dati opći pregled događaja koji su rezultirali time da je Svemir postao vidljiv danas. Na samom početku, Svemir je spontano nastao "ni iz čega". Zahvaljujući sposobnosti kvantne energije da služi kao vrsta enzima, mjehurići praznog prostora mogli bi se napuhati sve većom brzinom, stvarajući ogromne rezerve energije zahvaljujući bootstrap-u. Ovaj lažni vakuum, ispunjen energijom koju sam stvara, pokazao se nestabilnim i počeo se raspadati, oslobađajući energiju u obliku topline, tako da je svaki mjehur bio ispunjen tvari koja diše vatru (vatrena lopta). Prestala je inflacija (inflacija) mjehurića, ali je počeo Veliki prasak. Na "satu" Svemira u tom trenutku je bilo 10^-32 s.

Iz takve vatrene lopte proizašla je sva materija i svi fizički objekti. Kako se svemirski materijal hladio, doživio je uzastopne fazne prijelaze. Sa svakim od prijelaza, sve je više različitih struktura "zamrznuto" iz primarnog bezobličnog materijala. Jedna po jedna, interakcije su se odvajale jedna od druge. Korak po korak, objekti koje danas nazivamo subatomskim česticama dobivali su svoja sadašnja obilježja. Kako je sastav "kozmičke juhe" postajao sve kompliciraniji, velike nepravilnosti preostale iz vremena inflacije prerasle su u galaksije. U procesu daljnjeg formiranja struktura i odvajanja raznih vrsta materije, Svemir je sve više dobivao poznate oblike; vruća plazma kondenzirala se u atome, tvoreći zvijezde, planete i, konačno, život. Tako se Univerzum "ostvario" sam sebe.

Supstancija, energija, prostor, vrijeme, interakcije, polja, urednost i struktura - svi ti koncepti, posuđeni iz "cjenika stvaratelja", služe kao sastavne karakteristike svemira. Nova fizika otvara primamljivu mogućnost znanstvenog objašnjenja podrijetla svih ovih stvari. Više ih ne trebamo posebno unositi "ručno" od samog početka. Možemo vidjeti kako se mogu pojaviti sva temeljna svojstva fizičkog svijeta automatski kao posljedica zakona fizike, a da se ne mora pretpostaviti postojanje vrlo specifičnih početnih uvjeta. Nova kozmologija tvrdi da početno stanje kozmosa ne igra nikakvu ulogu, jer su svi podaci o njemu izbrisani tijekom inflacije. Svemir koji promatramo nosi samo otiske onih fizičkih procesa koji su se odvijali od početka inflacije.

Tisućama godina čovječanstvo je vjerovalo da se „ništa neće roditi iz ničega“. Danas možemo reći da je sve nastalo ni iz čega. Ne morate “platiti” za Svemir – to je apsolutno “besplatan ručak”.

Prema ovoj teoriji, Svemir se pojavio u obliku vruće hrpe superguste materije, nakon čega se počeo širiti i hladiti. Na samom prvom stupnju evolucije, Svemir je bio u supergustom stanju i bio je -gluonska plazma. Ako su se protoni i neutroni sudarili i formirali teže jezgre, vrijeme njihovog postojanja bilo je zanemarivo. Prilikom sljedećeg sudara s bilo kojom brzom česticom, one su se odmah raspale na elementarne komponente.

Prije otprilike 1 milijardu godina počelo je formiranje galaksija, u tom trenutku Svemir je počeo nadaleko nalikovati onome što možemo vidjeti sada. 300 000 godina nakon Velikog praska, toliko se ohladio da su elektroni čvrsto držali jezgre, uslijed čega su se pojavili stabilni atomi koji se nisu raspali odmah nakon sudara s drugom jezgrom.

Formiranje čestica

Formiranje čestica počelo je kao rezultat širenja svemira. Njegovo daljnje hlađenje dovelo je do stvaranja jezgri helija, što je nastalo kao rezultat primarne nukleosinteze. Otprilike tri minute trebale su proći od Velikog praska prije nego što se Svemir ohladio, a energija udarca se toliko smanjila da su čestice počele stvarati stabilne jezgre. U prve tri minute Svemir je bio usijano more elementarnih čestica.

Primarno formiranje jezgri nije dugo trajalo, nakon prve tri minute čestice su se udaljile jedna od druge tako da su sudari među njima postali iznimno rijetki. U tom kratkom razdoblju primarne nukleosinteze pojavio se deuterij - teški izotop vodika, čija jezgra sadrži jedan i jedan proton. Istovremeno s deuterijem nastali su helij-3, helij-4 i mala količina litija-7. U fazi nastanka zvijezda pojavljivali su se sve teži elementi.

Nakon rođenja svemira

Otprilike stotisuću sekunde od početka rođenja svemira, kvarkovi su se kombinirali u elementarne čestice. Od tog trenutka, Svemir je postao rashladno more elementarnih čestica. Nakon toga započeo je proces koji se naziva veliko ujedinjenje temeljnih sila. Tada su u Svemiru postojale energije koje odgovaraju maksimalnim energijama koje se mogu dobiti u modernim akceleratorima. Nakon toga je započela nagla inflacijska ekspanzija, a istovremeno su nestale i antičestice.