Big bang evolusi alam semesta galaksi kita. Kemunculan teori Big Bang

Dalam dunia saintifik, secara umum diterima bahawa Alam Semesta berasal daripada Ledakan Besar. dalam pembinaan teori ini pada hakikat bahawa tenaga dan jirim (asas segala sesuatu) sebelum ini berada dalam keadaan singulariti. Ia pula dicirikan oleh infiniti suhu, ketumpatan dan tekanan. Keadaan singulariti itu sendiri menentang semua undang-undang fizik yang diketahui oleh dunia moden. Para saintis percaya bahawa Alam Semesta timbul daripada zarah mikroskopik, yang, kerana sebab yang tidak diketahui, datang ke dalam keadaan tidak stabil pada masa lalu yang jauh dan meletup.

Istilah "Big Bang" mula digunakan sejak 1949 selepas penerbitan karya saintis F. Hoyle dalam penerbitan sains popular. Hari ini, teori "model berkembang dinamik" telah dibangunkan dengan begitu baik sehingga ahli fizik boleh menerangkan proses yang berlaku di Alam Semesta seawal 10 saat selepas letupan zarah mikroskopik yang meletakkan asas untuk segala-galanya.

Terdapat beberapa bukti teori tersebut. Salah satu yang utama ialah sinaran peninggalan, yang meresap ke seluruh Alam Semesta. Ia mungkin timbul, menurut saintis moden, hanya akibat Big Bang, disebabkan oleh interaksi zarah mikroskopik. Sinaran peninggalan inilah yang memungkinkan untuk mengetahui tentang masa-masa ketika Alam Semesta kelihatan seperti ruang yang menyala, dan tidak ada bintang, planet dan galaksi itu sendiri. Bukti kedua kelahiran segala-galanya yang wujud dari Big Bang ialah anjakan merah kosmologi, yang terdiri daripada penurunan frekuensi radiasi. Ini mengesahkan penyingkiran bintang, galaksi dari Bima Sakti khususnya dan antara satu sama lain secara amnya. Iaitu, ia menunjukkan bahawa Alam Semesta berkembang lebih awal dan terus melakukannya sehingga sekarang.

Sejarah Ringkas Alam Semesta

10 -45 - 10 -37 saat- pengembangan inflasi

10 -6 saat- kemunculan kuark dan elektron

10 -5 saat- pembentukan proton dan neutron

10 -4 saat - 3 min- kemunculan nukleus deuterium, helium dan litium

400 ribu tahun- pembentukan atom

15 juta tahun- pengembangan berterusan awan gas

1 bilion tahun- kelahiran bintang dan galaksi pertama

10 - 15 bilion tahun- kemunculan planet dan kehidupan pintar

10 14 bilion tahun- penamatan proses kelahiran bintang

10 37 bilion tahun- kehabisan tenaga semua bintang

10 40 bilion tahun- Penyejatan lubang hitam dan kelahiran zarah asas

10 100 bilion tahun- penyelesaian penyejatan semua lubang hitam

Teori Big Bang telah menjadi satu kejayaan sebenar dalam sains. Ia membolehkan saintis menjawab banyak soalan mengenai kelahiran alam semesta. Tetapi pada masa yang sama, teori ini menimbulkan misteri baru. Ketua di kalangan mereka adalah punca Big Bang itu sendiri. Soalan kedua yang tiada jawapan sains moden Bagaimanakah ruang dan masa berlaku? Menurut beberapa penyelidik, mereka dilahirkan bersama dengan jirim, tenaga. Iaitu, mereka adalah hasil daripada Big Bang. Tetapi kemudian ternyata masa dan ruang mesti mempunyai semacam permulaan. Iaitu, entiti tertentu, yang sentiasa wujud dan tidak bergantung pada penunjuknya, boleh memulakan proses ketidakstabilan dalam zarah mikroskopik yang menimbulkan Alam Semesta.

Lebih banyak penyelidikan dilakukan ke arah ini, lebih banyak persoalan timbul untuk ahli astrofizik. Jawapan kepada mereka menanti manusia pada masa hadapan.

« Bagi saya, hidup ini terlalu singkat untuk bimbang tentang perkara di luar kawalan saya dan mungkin juga mustahil. Di sini mereka bertanya: "Bagaimana jika Bumi ditelan oleh lubang hitam, atau terdapat herotan ruang-masa - adakah ini sebab untuk keseronokan?" Jawapan saya adalah tidak, kerana kita hanya akan mengetahuinya apabila ia sampai ke tempat kita dalam ruang-masa. Kita mendapat sepakan apabila alam menentukan masanya: sama ada kelajuan bunyi, kelajuan cahaya, kelajuan impuls elektrik, kita akan sentiasa menjadi mangsa kelewatan masa antara maklumat di sekeliling kita dan keupayaan kita untuk menerimanya.»

Neil deGrasse Tyson

Masa adalah sesuatu yang menakjubkan. Ia memberi kita masa lalu, masa kini dan masa depan. Kerana masa, semua yang mengelilingi kita mempunyai usia. Sebagai contoh, umur Bumi adalah kira-kira 4.5 bilion tahun. Kira-kira jumlah yang sama tahun lalu, bintang yang paling dekat dengan kita, Matahari, juga menyala. Jika angka ini kelihatan menarik perhatian anda, jangan lupa bahawa jauh sebelum pembentukan anak negeri kita sistem suria Galaksi yang kita tinggali ialah Bima Sakti. Menurut anggaran terkini saintis, umur Bima Sakti ialah 13.6 bilion tahun. Tetapi kita tahu pasti bahawa galaksi juga mempunyai masa lalu, dan ruang angkasa sangat besar, jadi kita perlu melihat lebih jauh. Dan renungan ini tidak dapat dielakkan membawa kita ke saat apabila semuanya bermula - Big Bang.

Einstein dan Alam Semesta

Persepsi dunia sekeliling oleh orang sentiasa samar-samar. Seseorang masih tidak percaya dengan kewujudan Alam Semesta yang besar di sekeliling kita, seseorang menganggap Bumi itu datar. Sebelum kejayaan saintifik pada abad ke-20, terdapat hanya beberapa versi asal usul dunia. Penganut pandangan agama percaya kepada campur tangan dan penciptaan ilahi fikiran yang lebih tinggi, penentang kadang-kadang dibakar. Terdapat satu lagi pihak yang percaya bahawa dunia di sekeliling kita, serta Alam Semesta, adalah tidak terhingga.

Bagi kebanyakan orang, segala-galanya berubah apabila Albert Einstein memberi ceramah pada tahun 1917, menyampaikan kepada masyarakat umum karya hidupnya - Teori Relativiti Umum. Genius abad ke-20 menghubungkan ruang-masa dengan masalah ruang dengan bantuan persamaan yang diperolehnya. Akibatnya, ternyata Alam Semesta adalah terhingga, tidak berubah saiz dan mempunyai bentuk silinder biasa.

Pada permulaan kejayaan teknikal, tiada siapa yang dapat menyangkal kata-kata Einstein, kerana teorinya terlalu rumit walaupun untuk pemikiran terhebat pada awal abad ke-20. Oleh kerana tiada pilihan lain, model alam semesta pegun silinder telah diterima oleh komuniti saintifik sebagai model dunia kita yang diterima umum. Walau bagaimanapun, dia boleh hidup hanya beberapa tahun. Selepas ahli fizik dapat pulih dari karya saintifik Einstein dan mula menyusunnya di rak, selari dengan ini, pelarasan mula dibuat kepada teori relativiti dan pengiraan khusus saintis Jerman.

Pada tahun 1922, ahli matematik Rusia Alexander Fridman tiba-tiba menerbitkan artikel dalam jurnal Izvestiya Fiziki, di mana dia menyatakan bahawa Einstein salah dan Alam Semesta kita tidak pegun. Friedman menjelaskan bahawa kenyataan saintis Jerman mengenai invarian jejari kelengkungan ruang adalah khayalan, sebenarnya, jejari berubah berkenaan dengan masa. Sehubungan itu, alam semesta mesti berkembang.

Lebih-lebih lagi, di sini Friedman memberikan andaian tentang bagaimana sebenarnya Alam Semesta boleh berkembang. Terdapat tiga model secara keseluruhan: Alam Semesta yang berdenyut (andaian bahawa Alam Semesta mengembang dan menguncup dengan tempoh tertentu dalam masa); Alam Semesta yang berkembang dari jisim dan model ketiga - pengembangan dari titik. Oleh kerana pada masa itu tidak ada model lain, kecuali campur tangan ilahi, ahli fizik dengan cepat mengambil perhatian terhadap ketiga-tiga model Friedman dan mula mengembangkannya ke arah mereka sendiri.

Kerja ahli matematik Rusia sedikit menyengat Einstein, dan pada tahun yang sama dia menerbitkan artikel di mana dia menyatakan ulasannya mengenai karya Friedman. Di dalamnya, seorang ahli fizik Jerman cuba membuktikan ketepatan pengiraannya. Ternyata agak tidak meyakinkan, dan apabila kesakitan akibat pukulan kepada harga diri berkurangan sedikit, Einstein menerbitkan nota lain dalam jurnal Izvestiya Fiziki, di mana dia berkata:

« Dalam nota sebelum ini, saya mengkritik kerja di atas. Walau bagaimanapun, kritikan saya, seperti yang saya lihat dari surat Fridman yang disampaikan kepada saya oleh Encik Krutkov, adalah berdasarkan kesilapan dalam pengiraan. Saya fikir keputusan Friedman adalah betul dan memberi sinar baru.».

Para saintis terpaksa mengakui bahawa ketiga-tiga model Friedman penampilan dan kewujudan Alam Semesta kita adalah benar-benar logik dan mempunyai hak untuk hidup. Ketiga-tiganya dijelaskan dengan pengiraan matematik yang boleh difahami dan tidak meninggalkan soalan. Kecuali satu perkara: mengapa Alam Semesta mula berkembang?

Teori yang mengubah dunia

Kenyataan Einstein dan Friedman membawa komuniti saintifik untuk serius mempersoalkan asal usul alam semesta. Terima kasih kepada teori umum relativiti, terdapat peluang untuk menjelaskan masa lalu kita, dan ahli fizik tidak gagal untuk mengambil kesempatan daripada ini. Salah seorang saintis yang cuba membentangkan model dunia kita ialah ahli astrofizik Georges Lemaitre dari Belgium. Yang ketara ialah hakikat bahawa Lemaitre adalah paderi Katolik, tetapi pada masa yang sama dia terlibat dalam matematik dan fizik, yang merupakan karut sebenar untuk zaman kita.

Georges Lemaitre mula berminat dengan persamaan Einstein, dan dengan bantuan mereka dia dapat mengira bahawa Alam Semesta kita muncul sebagai hasil daripada pereputan sejenis zarah super, yang berada di luar ruang dan masa sebelum permulaan pembelahan, yang sebenarnya boleh dianggap sebagai letupan. Pada masa yang sama, ahli fizik menyatakan bahawa Lemaitre adalah orang pertama yang memberi penerangan tentang kelahiran Alam Semesta.

Teori superatom yang meletup sesuai bukan sahaja saintis, tetapi juga paderi, yang sangat tidak berpuas hati dengan moden. penemuan saintifik yang mana tafsiran baru Bible terpaksa dicipta. Big Bang tidak mengalami konflik yang ketara dengan agama, mungkin ini dipengaruhi oleh didikan Lemaitre sendiri, yang mengabdikan hidupnya bukan sahaja untuk sains, tetapi juga untuk perkhidmatan Tuhan.

Pada 22 November 1951, Pope Pius XII membuat kenyataan bahawa Teori Big Bang tidak bercanggah dengan Bible dan dogma Katolik tentang asal usul dunia. Pendeta Ortodoks juga berkata mereka positif tentang teori ini. Teori ini juga secara relatifnya diterima secara neutral oleh penganut agama lain, malah ada di antara mereka yang mengatakan bahawa terdapat rujukan kepada Big Bang dalam kitab suci mereka.

Walau bagaimanapun, walaupun pada hakikatnya Teori Big Bang kini merupakan model kosmologi yang diterima umum, ia telah menyebabkan ramai saintis menemui jalan buntu. Di satu pihak, letupan superpartikel sesuai dengan logiknya fizik moden, tetapi sebaliknya, akibat daripada letupan sedemikian, terutamanya sahaja logam berat, khususnya besi. Tetapi, ternyata, Alam Semesta terdiri terutamanya daripada gas ultralight - hidrogen dan helium. Sesuatu yang tidak sesuai, jadi ahli fizik terus mengusahakan teori asal usul dunia.

Pada mulanya, istilah "Big Bang" tidak wujud. Lemaitre dan ahli fizik lain hanya menawarkan nama yang membosankan "model evolusi dinamik", yang menyebabkan pelajar menguap. Hanya pada tahun 1949, di salah satu kuliahnya, ahli astronomi dan kosmologi British Freud Hoyle berkata:

"Teori ini berdasarkan andaian bahawa alam semesta timbul dalam proses satu letupan yang kuat dan oleh itu wujud hanya untuk masa yang terhad ... Idea Big Bang ini nampaknya saya tidak memuaskan".

Sejak itu, istilah ini telah digunakan secara meluas dalam kalangan saintifik dan idea orang ramai tentang struktur Alam Semesta.

Dari mana asalnya hidrogen dan helium?

Kehadiran unsur cahaya telah membingungkan ahli fizik, dan ramai Ahli Teori Big Bang berusaha mencari sumbernya. Selama bertahun-tahun mereka gagal mencapainya kejayaan istimewa sehingga pada tahun 1948 saintis cemerlang Georgy Gamov dari Leningrad akhirnya dapat mengenal pasti sumber ini. Gamow adalah salah seorang pelajar Friedman, jadi dia dengan senang hati menerima perkembangan teori gurunya.

Gamow cuba membayangkan kehidupan Alam Semesta dalam arah yang bertentangan, dan memutar semula masa sehingga saat ia baru mula berkembang. Pada masa itu, seperti yang diketahui, manusia telah pun menemui prinsip pelakuran termonuklear, jadi teori Friedmann-Lemaitre mendapat hak untuk hidup. Apabila alam semesta sangat kecil, ia sangat panas, mengikut undang-undang fizik.

Menurut Gamow, hanya sesaat selepas Big Bang, ruang Alam Semesta baharu dipenuhi dengan zarah asas yang mula berinteraksi antara satu sama lain. Akibatnya, pelakuran termonuklear helium bermula, yang Ralph Asher Alfer, seorang ahli matematik dari Odessa, dapat mengira untuk Gamow. Mengikut pengiraan Alfer, sudah lima minit selepas Big Bang, Alam Semesta dipenuhi dengan helium sehinggakan penentang tegas Teori Big Bang perlu akur dan menerima model ini sebagai model utama dalam kosmologi. Dengan penyelidikannya, Gamow bukan sahaja membuka cara baru untuk mengkaji Alam Semesta, tetapi juga membangkitkan teori Lemaitre.

Walaupun stereotaip tentang saintis, mereka tidak boleh dinafikan romantisme. Gamow menerbitkan penyelidikannya mengenai teori Alam Semesta Superhot pada masa Big Bang pada tahun 1948 dalam karyanya "The Origin of unsur kimia". Sebagai rakan pembantu, dia bukan sahaja menunjukkan Ralph Asher Alfer, tetapi juga Hans Bethe, seorang ahli astrofizik Amerika dan pemenang masa depan hadiah Nobel. Pada kulit buku itu ternyata: Alfer, Bethe, Gamow. Tidakkah ia mengingatkan anda tentang apa-apa?

Walau bagaimanapun, walaupun pada hakikatnya karya Lemaitre menerima kehidupan kedua, ahli fizik masih tidak dapat menjawab soalan yang paling menarik: apa yang berlaku sebelum Big Bang?

Percubaan untuk menghidupkan semula alam semesta pegun Einstein

Tidak semua saintis bersetuju dengan teori Friedmann-Lemaitre, tetapi walaupun demikian, mereka terpaksa mengajar model kosmologi yang diterima umum di universiti. Sebagai contoh, ahli astronomi Fred Hoyle, yang mencipta istilah "Big Bang", sebenarnya percaya bahawa tidak ada letupan, dan menumpukan hidupnya untuk mencuba membuktikannya.
Hoyle menjadi salah seorang saintis yang pada masa kita menawarkan rupa alternatif pada dunia moden. Kebanyakan ahli fizik agak tenang tentang kenyataan orang sedemikian, tetapi ini tidak mengganggu mereka sama sekali.

Untuk memalukan Gamow dan justifikasinya terhadap Teori Big Bang, Hoyle, bersama-sama dengan orang yang berfikiran sama, memutuskan untuk membangunkan model mereka sendiri tentang asal usul Alam Semesta. Sebagai asas, mereka mengambil cadangan Einstein bahawa Alam Semesta adalah pegun, dan membuat beberapa pelarasan yang menawarkan sebab alternatif untuk pengembangan Alam Semesta.

Jika penganut teori Lemaitre-Friedmann percaya bahawa Alam Semesta timbul dari satu titik superdens tunggal dengan jejari yang sangat kecil, maka Hoyle mencadangkan bahawa jirim sentiasa terbentuk daripada titik yang berada di antara galaksi yang bergerak menjauhi satu sama lain. Dalam kes pertama, seluruh Alam Semesta terbentuk daripada satu zarah, dengan bilangan bintang dan galaksi yang tidak terhingga. Dalam kes lain, satu titik memberikan jirim sebanyak yang cukup untuk menghasilkan hanya satu galaksi.

Ketidakkonsistenan teori Hoyle ialah dia tidak pernah dapat menjelaskan dari mana bahan itu berasal, yang terus mencipta galaksi di mana terdapat ratusan bilion bintang. Malah, Fred Hoyle mencadangkan agar semua orang percaya bahawa struktur alam semesta muncul entah dari mana. Walaupun fakta bahawa ramai ahli fizik cuba mencari penyelesaian kepada teori Hoyle, tiada siapa yang berjaya melakukan ini, dan selepas beberapa dekad cadangan ini kehilangan kaitannya.

Soalan tanpa jawapan

Malah, Teori Big Bang juga tidak memberikan kita jawapan kepada banyak persoalan. Sebagai contoh, dalam fikiran orang biasa hakikat bahawa semua perkara di sekeliling kita pernah dimampatkan menjadi satu titik ketunggalan, yang jauh lebih kecil daripada atom, tidak boleh disimpan di dalam. Dan bagaimana ia berlaku bahawa superpartikel ini dipanaskan sehingga tahap tindak balas letupan bermula.

Sehingga pertengahan abad ke-20, teori alam semesta yang mengembang tidak pernah disahkan secara eksperimen, oleh itu ia tidak digunakan secara meluas dalam institusi pendidikan. Segala-galanya berubah pada tahun 1964, apabila dua ahli astrofizik Amerika - Arno Penzias dan Robert Wilson - tidak membuat keputusan untuk mengkaji isyarat radio langit berbintang.

Mengimbas sinaran badan angkasa, iaitu Cassiopeia A (salah satu sumber pancaran radio yang paling berkuasa di langit berbintang), saintis melihat beberapa jenis bunyi luar yang sentiasa mengganggu rakaman data sinaran yang tepat. Ke mana-mana sahaja mereka menghalakan antena mereka, tidak kira pada waktu hari mereka memulakan penyelidikan mereka, ciri-ciri dan bunyi yang berterusan ini sentiasa mengejar mereka. Marah pada tahap tertentu, Penzias dan Wilson memutuskan untuk mengkaji sumber bunyi ini dan tanpa diduga membuat penemuan yang mengubah dunia. Mereka menemui sinaran peninggalan, yang merupakan gema Big Bang yang sama.

Alam semesta kita menyejuk jauh lebih perlahan daripada secawan teh panas, dan CMB menunjukkan bahawa perkara di sekeliling kita dahulunya sangat panas dan kini menyejuk apabila alam semesta mengembang. Oleh itu, semua teori yang berkaitan dengan Alam Semesta yang sejuk ditinggalkan, dan Teori Big Bang akhirnya diterima pakai.

Dalam tulisannya, Georgy Gamow mencadangkan bahawa adalah mungkin untuk mengesan foton di angkasa lepas yang telah wujud sejak Big Bang, hanya peralatan teknikal yang lebih canggih diperlukan. Sinaran relik mengesahkan semua andaiannya tentang kewujudan alam semesta. Selain itu, dengan bantuannya, adalah mungkin untuk menentukan bahawa umur Alam Semesta kita adalah kira-kira 14 bilion tahun.

Seperti biasa, dengan bukti praktikal mana-mana teori, banyak pendapat alternatif segera timbul. Beberapa ahli fizik mengejek penemuan CMB sebagai bukti Letupan Besar. Walaupun Penzias dan Wilson memenangi Hadiah Nobel untuk penemuan bersejarah mereka, ramai yang tidak bersetuju dengan penyelidikan mereka.

Hujah utama yang memihak kepada ketidakkonsistenan pengembangan Alam Semesta adalah percanggahan dan kesilapan logik. Sebagai contoh, letupan secara seragam mempercepatkan semua galaksi di angkasa, tetapi bukannya bergerak menjauhi kita, galaksi Andromeda perlahan-lahan tetapi pasti menghampiri Bima Sakti. Para saintis mencadangkan bahawa kedua-dua galaksi ini akan berlanggar antara satu sama lain dalam masa 4 bilion tahun sahaja. Malangnya, manusia masih terlalu muda untuk menjawab soalan ini dan lain-lain.

Teori keseimbangan

Pada zaman kita, ahli fizik menawarkan pelbagai model untuk kewujudan alam semesta. Ramai daripada mereka tidak tahan walaupun kritikan mudah, manakala yang lain menerima hak untuk hidup.

Pada akhir abad ke-20, ahli astrofizik Amerika Edward Tryon, bersama rakannya dari Australia, Warren Kerry, mencadangkan secara prinsip model baru alam semesta, sambil melakukannya secara bebas. Para saintis mengasaskan penyelidikan mereka pada andaian bahawa segala-galanya di alam semesta adalah seimbang. Jisim memusnahkan tenaga, dan sebaliknya. Prinsip ini dikenali sebagai prinsip Alam Semesta Sifar. Dalam alam semesta ini, jirim baharu muncul pada titik tunggal antara galaksi, di mana tarikan dan penolakan jirim adalah seimbang.

Teori Alam Semesta Sifar tidak hancur berkeping-keping kerana selepas beberapa ketika saintis dapat menemui kewujudan jirim gelap - bahan misteri yang membentuk hampir 27% Alam Semesta kita. 68.3% lagi alam semesta adalah tenaga gelap yang lebih misteri dan misteri.

Ia disebabkan oleh kesan graviti tenaga gelap dan dikreditkan dengan mempercepatkan pengembangan alam semesta. Dengan cara ini, kehadiran tenaga gelap di angkasa telah diramalkan oleh Einstein sendiri, yang melihat bahawa sesuatu tidak menumpu dalam persamaannya, Alam Semesta tidak boleh dibuat pegun. Oleh itu, dia memperkenalkan pemalar kosmologi ke dalam persamaan - istilah Lambda, yang kemudiannya berulang kali menyalahkan dan membenci dirinya sendiri.

Kebetulan ruang di Alam Semesta, kosong dalam teori, namun dipenuhi dengan medan khas tertentu, yang memacu model Einstein. Dalam fikiran yang waras dan mengikut logik pada masa itu, kewujudan bidang sedemikian adalah mustahil, tetapi sebenarnya ahli fizik Jerman itu tidak tahu bagaimana untuk menggambarkan tenaga gelap.

***
Mungkin kita tidak akan pernah tahu bagaimana dan dari apa alam semesta kita muncul. Ia akan menjadi lebih sukar untuk menetapkan apa yang sebelum kewujudannya. Orang cenderung takut dengan apa yang tidak dapat mereka jelaskan, jadi ada kemungkinan sehingga akhir zaman manusia juga akan percaya kepada pengaruh ilahi terhadap penciptaan dunia di sekeliling kita.

Jawapan kepada soalan "Apakah Big Bang?" boleh diperolehi dalam perjalanan perbincangan yang panjang, kerana ia memerlukan banyak masa. Saya akan cuba menerangkan teori ini secara ringkas dan tepat. Jadi, teori "Big Bang" menyatakan bahawa alam semesta kita tiba-tiba muncul kira-kira 13.7 bilion tahun yang lalu (semuanya muncul dari tiada). Dan apa yang berlaku pada masa itu masih mempengaruhi bagaimana dan bagaimana segala sesuatu di alam semesta berinteraksi antara satu sama lain. Pertimbangkan perkara utama teori.

Apa yang berlaku sebelum Big Bang?

Teori Big Bang merangkumi konsep yang sangat menarik - singulariti. Saya yakin ia membuatkan anda tertanya-tanya: apakah itu singulariti? Ahli astronomi, ahli fizik dan saintis lain juga bertanya soalan ini. Singulariti dipercayai wujud dalam teras lubang hitam. Lubang hitam ialah kawasan yang mempunyai tekanan graviti yang kuat. Tekanan ini, mengikut teori, sangat kuat sehingga jirim dimampatkan sehingga ia mempunyai ketumpatan tak terhingga. Ketumpatan tak terhingga ini dipanggil ketunggalan. Alam Semesta kita sepatutnya bermula sebagai salah satu daripada singulariti yang sangat kecil, sangat panas dan padat yang tidak terhingga ini. Walau bagaimanapun, kita masih belum sampai ke Big Bang itu sendiri. Ledakan Besar adalah saat di mana ketunggalan ini tiba-tiba "meletup" dan mula berkembang dan mencipta Alam Semesta kita.

Teori Big Bang nampaknya membayangkan bahawa masa dan ruang wujud sebelum alam semesta kita muncul. Walau bagaimanapun, Stephen Hawking, George Ellis dan Roger Penrose (et al.) mengembangkan teori pada akhir 1960-an yang cuba menjelaskan bahawa masa dan ruang tidak wujud sebelum pengembangan singulariti. Dengan kata lain, masa dan ruang tidak wujud sehingga alam semesta wujud.

Apa yang berlaku selepas Big Bang?

Detik Big Bang adalah detik permulaan masa. Selepas Letupan Besar, tetapi jauh sebelum detik pertama (10 -43 saat), kosmos mengalami pengembangan inflasi yang sangat pantas, berkembang 1050 kali dalam pecahan sesaat.

Kemudian pengembangan menjadi perlahan, tetapi saat pertama masih belum tiba (hanya 10 -32 saat lagi). Pada masa ini, Alam Semesta adalah "kuah" mendidih (dengan suhu 10 27 °C) elektron, kuark dan zarah asas lain.

Penyejukan angkasa yang pantas (sehingga 10 13 ° C) membolehkan kuark bergabung menjadi proton dan neutron. Namun, saat pertama masih belum tiba (hanya 10 -6 saat lagi).

Pada 3 minit, terlalu panas untuk bergabung menjadi atom, elektron dan proton bercas menghalang cahaya daripada dipancarkan. Alam Semesta ialah kabus super panas (10 8 °C).

Selepas 300,000 tahun, alam semesta menyejuk hingga 10,000 °C, elektron dengan proton dan neutron membentuk atom, terutamanya hidrogen dan helium.

1 bilion tahun selepas Letupan Besar, apabila suhu alam semesta mencapai -200 ° C, hidrogen dan helium membentuk "awan" gergasi yang kemudiannya akan menjadi galaksi. Bintang pertama muncul.

12. Apakah yang menyebabkan Big Bang?

Paradoks Kemunculan

Tiada satu pun kuliah kosmologi yang pernah saya baca lengkap tanpa persoalan apakah yang menyebabkan Big Bang? Sehingga beberapa tahun yang lalu, saya tidak tahu jawapan yang sebenar; Hari ini, saya percaya, dia terkenal.

Pada asasnya, soalan ini mengandungi dua soalan dalam bentuk bertudung. Pertama, kami ingin mengetahui mengapa perkembangan alam semesta bermula dengan letupan dan apa yang menyebabkan letupan ini pada mulanya. Tetapi untuk tulen masalah fizikal menyembunyikan satu lagi masalah yang lebih mendalam yang bersifat falsafah. Jika Big Bang menandakan permulaan kewujudan fizikal alam semesta, termasuk kemunculan ruang dan masa, maka dalam erti kata apa kita boleh mengatakan bahawa apa yang menyebabkan letupan ini?

Dari sudut pandangan fizik, kemunculan alam semesta secara tiba-tiba akibat letupan gergasi nampaknya agak paradoks. Daripada empat interaksi yang mengawal dunia, hanya graviti yang menunjukkan dirinya pada skala kosmik, dan, seperti yang ditunjukkan oleh pengalaman kami, graviti mempunyai ciri tarikan. Walau bagaimanapun, untuk letupan yang menandakan kelahiran alam semesta, nampaknya, kuasa tolakan dengan magnitud yang luar biasa diperlukan, yang boleh merobek kosmos dan menyebabkan pengembangannya, yang berterusan hingga ke hari ini.

Ini kelihatan aneh, kerana jika alam semesta dikuasai oleh daya graviti, maka ia tidak seharusnya mengembang, tetapi mengecut. Sesungguhnya, daya tarikan graviti menyebabkan objek fizikal mengecut dan bukannya meletup. Sebagai contoh, bintang yang sangat padat kehilangan keupayaannya untuk menyokong beratnya sendiri dan runtuh untuk terbentuk bintang neutron atau lubang hitam. Darjah mampatan jirim di alam semesta awal adalah lebih tinggi daripada bintang paling tumpat; Oleh itu, persoalan sering timbul mengapa kosmos purba tidak runtuh ke dalam lubang hitam sejak awal lagi.

Jawapan biasa untuk ini ialah letupan utama hanya perlu diambil sebagai keadaan awal. Jawapan ini jelas tidak memuaskan dan membingungkan. Sudah tentu, di bawah pengaruh graviti, kadar pengembangan kosmik terus menurun dari awal lagi, tetapi pada saat kelahiran, Alam Semesta berkembang dengan pantas tidak terhingga. Letupan itu tidak disebabkan oleh sebarang kuasa - hanya perkembangan alam semesta bermula dengan pengembangan. Jika letupan kurang kuat, graviti akan menghalang pengembangan jirim tidak lama lagi. Akibatnya, pengembangan akan digantikan dengan penguncupan, yang akan mengambil watak bencana dan mengubah Alam Semesta menjadi sesuatu yang serupa dengan lubang hitam. Tetapi pada hakikatnya, letupan itu ternyata "cukup besar" sehingga memungkinkan alam semesta, setelah mengatasi gravitinya sendiri, sama ada untuk terus mengembang selama-lamanya disebabkan oleh kuasa letupan utama, atau sekurang-kurangnya wujud untuk berbilion-bilion tahun sebelum mengalami pemampatan dan hilang dalam kelalaian.

Masalah dengan gambar tradisional ini ialah ia tidak menjelaskan Big Bang dalam apa cara sekalipun. Harta asas Alam Semesta sekali lagi hanya dianggap sebagai syarat awal, diterima ad hoc(untuk kes ini); pada dasarnya, ia hanya menyatakan bahawa Big Bang berlaku. Ia masih tidak jelas mengapa kekuatan letupan itu hanya itu, dan bukan yang lain. Mengapakah letupan itu tidak lebih kuat sehingga alam semesta berkembang lebih cepat sekarang? Seseorang juga mungkin bertanya mengapa alam semesta pada masa ini tidak berkembang dengan lebih perlahan, atau tidak mengecut sama sekali. Sudah tentu, jika letupan itu tidak mempunyai kuasa yang mencukupi, alam semesta akan runtuh tidak lama lagi dan tidak akan ada sesiapa yang bertanya soalan sedemikian. Walau bagaimanapun, tidak mungkin alasan sedemikian boleh diambil sebagai penjelasan.

Dengan lebih analisis terperinci ternyata paradoks asal usul alam semesta sebenarnya lebih kompleks daripada yang diterangkan di atas. Pengukuran yang teliti menunjukkan bahawa kadar pengembangan alam semesta adalah sangat hampir dengan nilai kritikal di mana alam semesta dapat mengatasi gravitinya sendiri dan mengembang selama-lamanya. Jika kelajuan ini kurang sedikit - dan keruntuhan Alam Semesta akan berlaku, dan jika ia lebih sedikit - jirim kosmik akan hilang sepenuhnya sejak dahulu lagi. Adalah menarik untuk mengetahui bagaimana sebenarnya kadar pengembangan Alam Semesta berada dalam selang yang dibenarkan yang sangat sempit ini antara dua kemungkinan malapetaka. Jika pada saat masa bersamaan dengan 1 s, apabila corak pengembangan telah ditakrifkan dengan jelas, kadar pengembangan akan berbeza daripada nilai sebenar lebih daripada 10^-18 , ini akan mencukupi untuk pelanggaran sepenuhnya keseimbangan yang halus. Oleh itu, kuasa letupan Alam Semesta dengan ketepatan yang hampir luar biasa sepadan dengan interaksi gravitinya. Maka, letupan besar itu bukan sekadar letupan jauh - ia adalah letupan kuasa yang sangat spesifik. Dalam versi tradisional teori Big Bang, seseorang perlu menerima bukan sahaja fakta letupan itu sendiri, tetapi juga hakikat bahawa letupan itu berlaku dengan cara yang sangat aneh. Dalam erti kata lain, syarat awal ternyata sangat spesifik.

Kadar pengembangan alam semesta hanyalah satu daripada beberapa yang jelas misteri angkasa lepas. Yang lain dihubungkan dengan gambaran pengembangan Alam Semesta di angkasa. Mengikut pemerhatian moden. Alam semesta, secara besar-besaran, adalah sangat homogen setakat pengedaran jirim dan tenaga. Struktur global kosmos hampir sama apabila dilihat dari Bumi dan dari galaksi yang jauh. Galaksi bertaburan di angkasa dengan ketumpatan purata yang sama, dan dari setiap titik Alam Semesta kelihatan sama dalam semua arah. Sinaran terma utama yang memenuhi Alam Semesta jatuh di Bumi, mempunyai suhu yang sama dalam semua arah dengan ketepatan sekurang-kurangnya 10-4 . Sinaran ini bergerak melalui angkasa selama berbilion-bilion tahun cahaya dalam perjalanannya ke kita dan menanggung kesan sebarang penyelewengan daripada kehomogenan yang ditemuinya.

Kehomogenan skala besar alam semesta berterusan apabila alam semesta mengembang. Ia berikutan bahawa pengembangan berlaku secara seragam dan isotropik dengan tahap ketepatan yang sangat tinggi. Ini bermakna kadar pengembangan alam semesta bukan sahaja sama dalam semua arah, tetapi juga malar di kawasan yang berbeza. Jika alam semesta mengembang lebih cepat dalam satu arah berbanding yang lain, maka ini akan menyebabkan penurunan suhu latar belakang sinaran haba ke arah ini dan akan mengubah gambar pergerakan galaksi yang boleh dilihat dari Bumi. Oleh itu, evolusi Alam Semesta bukan sahaja bermula dengan letupan kuasa yang ditakrifkan dengan ketat - letupan itu jelas "tersusun", i.e. berlaku serentak, dengan daya yang sama pada semua titik dan semua arah.

Adalah sangat tidak mungkin bahawa letusan serentak dan selaras sedemikian boleh berlaku secara spontan semata-mata, dan keraguan ini diperkukuh dalam rangka kerja teori tradisional Ledakan besar adalah bahawa kawasan yang berbeza dalam kosmos primordial tidak berkaitan secara kausal antara satu sama lain. Hakikatnya, menurut teori relativiti, tiada kesan fizikal boleh merambat lebih cepat daripada cahaya. Akibatnya, kawasan ruang yang berbeza boleh dihubungkan secara bersebab antara satu sama lain hanya selepas tempoh masa tertentu berlalu. Sebagai contoh, 1 s selepas letupan, cahaya boleh menempuh jarak tidak lebih daripada satu saat cahaya, yang sepadan dengan 300,000 km. Kawasan Alam Semesta, dipisahkan oleh jarak yang jauh, selepas 1s belum lagi akan mempengaruhi satu sama lain. Tetapi pada masa ini, rantau Alam Semesta yang kita amati sudah menempati ruang sekurang-kurangnya 10^14 km diameter. Oleh itu, alam semesta terdiri daripada kira-kira 10^27 secara kausal kawan terikat dengan kawasan lain, yang setiap satunya, bagaimanapun, berkembang pada kadar yang sama. Malah pada hari ini, memerhatikan sinaran kosmik terma yang datang dari sisi bertentangan langit berbintang, kami mendaftarkan cetakan "cap jari" yang sama persis di kawasan Alam Semesta yang dipisahkan oleh jarak yang jauh: jarak ini ternyata lebih daripada 90 kali lebih besar daripada jarak yang boleh dilalui cahaya dari saat pancaran sinaran haba.

Bagaimana untuk menerangkan koheren yang luar biasa bagi kawasan ruang yang berbeza, yang, jelas sekali, tidak pernah dihubungkan antara satu sama lain? Bagaimanakah tingkah laku serupa ini berlaku? Dalam jawapan tradisional, terdapat sekali lagi rujukan kepada syarat awal khas. Kehomogenan luar biasa sifat-sifat letupan utama dianggap hanya sebagai fakta: ini adalah bagaimana Alam Semesta tercipta.

Kehomogenan skala besar alam semesta adalah lebih membingungkan apabila seseorang menganggap bahawa alam semesta sama sekali tidak homogen pada skala kecil. Kewujudan galaksi individu dan gugusan galaksi menunjukkan sisihan daripada kehomogenan yang ketat, dan sisihan ini, lebih-lebih lagi, di mana-mana sama dalam skala dan magnitud. Memandangkan graviti cenderung untuk meningkatkan sebarang pengumpulan awal jirim, tahap heterogeniti yang diperlukan untuk pembentukan galaksi adalah lebih rendah pada masa Big Bang berbanding sekarang. Walau bagaimanapun, dalam fasa awal Letupan Besar, sedikit ketidakhomogenan masih perlu ada, jika tidak, galaksi tidak akan pernah terbentuk. Dalam teori Big Bang lama, ketidakhomogenan ini juga dikaitkan pada peringkat awal kepada "keadaan awal". Oleh itu, kita harus percaya bahawa perkembangan alam semesta bermula bukan dari ideal sepenuhnya, tetapi dari keadaan yang sangat luar biasa.

Semua perkara di atas boleh diringkaskan seperti berikut: jika satu-satunya daya di alam semesta ialah tarikan graviti, maka Big Bang harus ditafsirkan sebagai "diturunkan oleh Tuhan", i.e. tidak mempunyai sebab, dengan syarat awal yang diberikan. Di samping itu, ia dicirikan oleh konsistensi yang menakjubkan; untuk datang kepada struktur yang sedia ada, alam semesta perlu berkembang dengan baik dari awal lagi. Inilah paradoks asal usul alam semesta.

Cari antigraviti

Paradoks asal usul alam semesta telah diselesaikan hanya dalam beberapa tahun kebelakangan ini; Walau bagaimanapun, idea utama penyelesaian itu boleh dikesan kembali ke sejarah yang jauh, hingga ke masa di mana teori pengembangan mahupun teori Big Bang belum wujud. Malah Newton memahami betapa sukarnya masalah itu ialah kestabilan alam semesta. Bagaimanakah bintang mengekalkan kedudukannya di angkasa tanpa sokongan? Sifat universal tarikan graviti sepatutnya membawa kepada penyempitan bintang menjadi gugusan yang berdekatan antara satu sama lain.

Untuk mengelakkan kekasaran ini, Newton menggunakan alasan yang sangat ingin tahu. Sekiranya alam semesta runtuh di bawah gravitinya sendiri, setiap bintang akan "jatuh" ke arah pusat gugusan bintang. Katakan, bagaimanapun, bahawa alam semesta adalah tak terhingga dan bintang-bintang diedarkan secara purata secara seragam ke atas ruang tak terhingga. Dalam kes ini, tidak akan ada pusat bersama sama sekali, di mana semua bintang boleh jatuh, kerana di Alam Semesta yang tidak terhingga semua wilayah adalah sama. Mana-mana bintang akan dipengaruhi oleh tarikan graviti semua jirannya, tetapi disebabkan oleh purata pengaruh ini dalam pelbagai arah, tidak akan ada daya paduan yang cenderung untuk menggerakkan bintang ini ke kedudukan tertentu berbanding keseluruhan set bintang.

Apabila, 200 tahun selepas Newton, Einstein mencipta teori graviti baru, dia juga hairan dengan masalah bagaimana alam semesta berjaya mengelakkan keruntuhan. Karya pertamanya mengenai kosmologi telah diterbitkan sebelum Hubble menemui pengembangan alam semesta; jadi Einstein, seperti Newton, mengandaikan bahawa alam semesta adalah statik. Walau bagaimanapun, Einstein cuba menyelesaikan masalah kestabilan alam semesta dengan cara yang lebih langsung. Dia percaya bahawa untuk mengelakkan keruntuhan alam semesta di bawah pengaruh gravitinya sendiri, mesti ada satu lagi kuasa kosmik yang boleh menahan graviti. Daya ini mestilah tolakan dan bukannya daya tarikan untuk mengimbangi tarikan graviti. Dalam pengertian ini, daya sedemikian boleh dipanggil "anti-graviti", walaupun lebih tepat untuk bercakap tentang daya tolakan kosmik. Einstein dalam kes ini tidak sewenang-wenangnya mencipta kuasa ini. Dia menunjukkan bahawa istilah tambahan boleh dimasukkan ke dalam persamaan medan gravitinya, yang membawa kepada kemunculan daya dengan sifat yang dikehendaki.

Walaupun konsep daya tolakan yang menentang daya graviti itu sendiri agak mudah dan semula jadi, pada hakikatnya sifat daya sedemikian ternyata agak luar biasa. Sudah tentu, tiada kuasa sedemikian telah diperhatikan di Bumi, dan tiada petunjuk mengenainya telah ditemui selama beberapa abad kewujudan astronomi planet. Jelas sekali, jika daya tolakan kosmik wujud, maka ia tidak sepatutnya mempunyai kesan yang ketara pada jarak yang kecil, tetapi magnitudnya meningkat dengan ketara pada skala astronomi. Tingkah laku sedemikian bercanggah dengan semua pengalaman terdahulu dalam mengkaji sifat daya: mereka biasanya sengit pada jarak yang kecil dan melemah dengan jarak yang semakin meningkat. Oleh itu, interaksi elektromagnet dan graviti terus berkurangan mengikut undang-undang kuasa dua songsang. Namun begitu, dalam teori Einstein, satu kuasa dengan sifat yang agak luar biasa itu secara semula jadi muncul.

Seseorang tidak sepatutnya memikirkan kuasa tolakan kosmik yang diperkenalkan oleh Einstein sebagai interaksi kelima dalam alam semula jadi. Ia hanya satu manifestasi pelik graviti itu sendiri. Adalah mudah untuk menunjukkan bahawa kesan tolakan kosmik boleh dikaitkan dengan graviti biasa, jika medium dengan sifat luar biasa dipilih sebagai sumber medan graviti. Kosong persekitaran material(contohnya, gas) mengenakan tekanan, manakala medium hipotesis yang dibincangkan di sini mesti mempunyai negatif tekanan atau ketegangan. Untuk lebih jelas membayangkan apa yang kita bicarakan, mari kita bayangkan bahawa kita berjaya mengisi sebuah kapal dengan bahan kosmik sedemikian. Kemudian, tidak seperti gas biasa, medium ruang hipotesis tidak akan memberi tekanan pada dinding kapal, tetapi akan cenderung menariknya ke dalam kapal.

Oleh itu, kita boleh menganggap tolakan kosmik sebagai sejenis tambahan kepada graviti atau sebagai fenomena disebabkan oleh graviti biasa yang wujud dalam medium gas yang tidak kelihatan yang memenuhi semua ruang dan mempunyai tekanan negatif. Tidak ada percanggahan dalam fakta bahawa, dalam satu pihak, tekanan negatif, seolah-olah, menghisap dinding kapal, dan, sebaliknya, medium hipotesis ini menolak galaksi, dan tidak menarik mereka. Lagipun, penolakan adalah disebabkan oleh graviti medium, dan sama sekali bukan tindakan mekanikal. Walau apa pun, daya mekanikal dicipta bukan oleh tekanan itu sendiri, tetapi oleh perbezaan tekanan, tetapi diandaikan bahawa medium hipotesis memenuhi seluruh ruang. Ia tidak boleh terhad dinding kapal, dan pemerhati yang berada dalam persekitaran ini tidak akan menganggapnya sama sekali sebagai bahan ketara. Ruang akan kelihatan dan terasa kosong sepenuhnya.

Di sebalik ciri-ciri luar biasa dari medium hipotesis itu, Einstein pernah berkata bahawa dia telah membina model Alam Semesta yang memuaskan, di mana keseimbangan dikekalkan antara tarikan graviti dan tolakan kosmik yang ditemui olehnya. Dengan bantuan pengiraan mudah, Einstein menganggarkan magnitud daya tolakan kosmik yang diperlukan untuk mengimbangi graviti di alam semesta. Dia dapat mengesahkan bahawa tolakan mestilah sangat kecil dalam Sistem Suria (dan juga pada skala Galaxy) sehingga ia tidak dapat dikesan secara eksperimen. Untuk seketika, nampaknya misteri lama itu telah diselesaikan dengan cemerlang.

Namun, kemudian keadaan berubah menjadi lebih teruk. Pertama sekali, masalah kestabilan keseimbangan timbul. Idea asas Einstein adalah berdasarkan keseimbangan yang ketat antara daya menarik dan menolak. Tetapi, seperti dalam banyak kes keseimbangan ketat yang lain, butiran halus turut didedahkan di sini. Jika, sebagai contoh, alam semesta statik Einstein mengembang sedikit, maka tarikan graviti (melemah dengan jarak) akan berkurangan sedikit, manakala daya tolakan kosmik (bertambah dengan jarak) akan meningkat sedikit. Ini akan membawa kepada ketidakseimbangan yang memihak kepada daya tolakan, yang akan menyebabkan pengembangan Alam Semesta tanpa had selanjutnya di bawah pengaruh tolakan yang menakluki semua. Jika, sebaliknya, alam semesta statik Einstein mengecut sedikit, maka daya graviti akan meningkat dan daya tolakan kosmik akan berkurangan, yang akan membawa kepada ketidakseimbangan yang memihak kepada daya tarikan dan, akibatnya, kepada penguncupan yang lebih cepat, dan akhirnya kepada keruntuhan yang Einstein fikir dia telah dielakkan. Oleh itu, pada penyimpangan sedikit pun, imbangan yang ketat akan terganggu, dan bencana angkasa tidak dapat dielakkan.

Kemudian, pada tahun 1927, Hubble menemui kemelesetan galaksi (iaitu, pengembangan alam semesta), yang menjadikan masalah keseimbangan tidak bermakna. Ia menjadi jelas bahawa alam semesta tidak terancam oleh mampatan dan keruntuhan, kerana ia mengembang. Sekiranya Einstein tidak terganggu oleh pencarian kuasa tolakan kosmik, dia pasti akan membuat kesimpulan ini secara teori, dengan itu meramalkan pengembangan Alam Semesta sepuluh tahun yang baik sebelum ahli astronomi berjaya menemuinya. Ramalan sebegini sudah pasti akan turun dalam sejarah sains sebagai salah satu yang paling cemerlang (ramalan sedemikian dibuat berdasarkan persamaan Einstein pada 1922-1923 oleh Profesor A. A. Fridman dari Universiti Petrograd). Pada akhirnya, Einstein terpaksa dengan sedih meninggalkan penolakan kosmik, yang kemudiannya dianggapnya "yang paling kesilapan besar nyawa sendiri". Namun, kisah itu tidak berakhir di situ.

Einstein datang dengan penolakan kosmik untuk menyelesaikan masalah alam semesta statik yang tidak wujud. Tetapi, seperti biasa, jin keluar dari botol tidak boleh dihalau kembali. Idea bahawa dinamika alam semesta, mungkin disebabkan oleh konfrontasi antara daya tarikan dan penolakan, terus hidup. Dan walaupun pemerhatian astronomi tidak memberikan sebarang bukti tentang kewujudan tolakan kosmik, mereka tidak dapat membuktikan ketiadaannya - ia mungkin terlalu lemah untuk menampakkan dirinya.

Persamaan medan graviti Einstein, walaupun mereka mengakui kehadiran daya tolakan, tidak mengenakan sekatan pada magnitudnya. Dididik melalui pengalaman pahit, Einstein betul untuk membuat postulat bahawa magnitud daya ini sama dengan sifar, dengan itu menghapuskan tolakan sepenuhnya. Walau bagaimanapun, ini sama sekali tidak perlu. Sesetengah saintis mendapati perlu untuk mengekalkan penolakan dalam persamaan, walaupun ini tidak lagi diperlukan dari sudut pandangan masalah asal. Para saintis ini percaya bahawa, tanpa bukti yang tepat, tidak ada sebab untuk mempercayai bahawa daya tolakan adalah sifar.

Tidak sukar untuk mengesan akibat pemuliharaan daya tolakan dalam senario alam semesta yang semakin berkembang. Pada peringkat awal pembangunan, apabila Alam Semesta masih dalam keadaan mampat, penolakan boleh diabaikan. Semasa fasa ini, tarikan graviti memperlahankan kadar pengembangan, dengan cara yang sama seperti graviti Bumi memperlahankan roket yang dilepaskan secara menegak ke atas. Jika kita menerima tanpa penjelasan bahawa evolusi Alam Semesta bermula dengan pengembangan yang pesat, maka graviti harus sentiasa mengurangkan kadar pengembangan kepada nilai yang diperhatikan pada masa ini. Lama kelamaan, apabila jirim melesap, interaksi graviti menjadi lemah. Sebaliknya, tolakan kosmik meningkat apabila galaksi terus bergerak menjauhi satu sama lain. Akhirnya, tolakan akan mengatasi tarikan graviti dan kadar pengembangan Alam Semesta akan mula meningkat semula. Dari sini kita boleh membuat kesimpulan bahawa alam semesta dikuasai oleh tolakan kosmik, dan pengembangan akan berterusan selama-lamanya.

Ahli astronomi telah menunjukkan bahawa tingkah laku luar biasa alam semesta ini, apabila pengembangan mula perlahan dan kemudian dipercepatkan semula, harus dicerminkan dalam pergerakan galaksi yang diperhatikan. Tetapi dengan yang paling berhati-hati pemerhatian astronomi tiada bukti muktamad tentang tingkah laku sedemikian telah ditemui, walaupun hujah balas telah dibuat dari semasa ke semasa.

Adalah menarik bahawa ahli astronomi Belanda Willem de Sitter mengemukakan idea tentang alam semesta yang berkembang seawal tahun 1916 - bertahun-tahun sebelum Hubble menemui fenomena ini secara eksperimen. De Sitter berhujah bahawa jika bahan biasa dikeluarkan dari alam semesta, maka tarikan graviti akan hilang, dan daya tolakan akan berkuasa di angkasa. Ini akan menyebabkan pengembangan alam semesta - pada masa itu ia adalah idea yang inovatif.

Oleh kerana pemerhati tidak dapat melihat medium gas halimunan aneh dengan tekanan negatif, ia hanya akan kelihatan kepadanya bahawa ruang kosong sedang mengembang. Pengembangan boleh dikesan dengan menggantung badan ujian di pelbagai tempat dan memerhatikan jaraknya antara satu sama lain. Tanggapan tentang perluasan ruang kosong dianggap pada masa itu sebagai sejenis rasa ingin tahu, walaupun, seperti yang akan kita lihat, justru inilah yang menjadi kenabian.

Jadi apakah kesimpulan yang boleh dibuat daripada cerita ini? Fakta bahawa ahli astronomi tidak mengesan penolakan kosmik belum boleh berfungsi sebagai bukti logik tentang ketiadaannya dalam alam semula jadi. Ada kemungkinan ia terlalu lemah untuk didaftarkan. peralatan moden. Ketepatan pemerhatian sentiasa terhad, dan oleh itu hanya had atas daya ini boleh dianggarkan. Ia boleh dibantah bahawa, dari sudut pandangan estetik, undang-undang alam akan kelihatan lebih mudah jika tiada tolakan kosmik. Perbincangan sedemikian berlarutan selama bertahun-tahun, tanpa membawa kepada keputusan tertentu sehingga tiba-tiba masalah itu dilihat dari sudut yang sama sekali baru, yang memberikannya kaitan yang tidak dijangka.

Inflasi: Menjelaskan Ledakan Besar

Dalam bahagian sebelumnya, kami mengatakan bahawa jika terdapat daya tolakan kosmik, maka ia mesti sangat lemah, sangat lemah sehingga ia tidak mempunyai kesan yang signifikan terhadap Big Bang. Walau bagaimanapun, kesimpulan ini adalah berdasarkan andaian bahawa magnitud tolakan tidak berubah mengikut masa. Pada masa Einstein, pendapat ini dikongsi oleh semua saintis, kerana penolakan kosmik diperkenalkan ke dalam teori "buatan manusia". Tidak pernah terfikir oleh sesiapa pun bahawa penolakan kosmik boleh dipanggil proses fizikal lain yang timbul semasa alam semesta mengembang. Sekiranya kemungkinan sedemikian telah diramalkan, maka kosmologi boleh berubah menjadi berbeza. Khususnya, senario evolusi Alam Semesta tidak diketepikan, dengan mengandaikan bahawa dalam keadaan melampau peringkat awal evolusi, tolakan kosmik mengatasi graviti untuk seketika, menyebabkan Alam Semesta meletup, selepas itu peranannya secara praktikal berkurangan kepada sifar.

Gambaran umum ini muncul daripada kerja baru-baru ini mengenai tingkah laku jirim dan kuasa pada peringkat awal perkembangan alam semesta. Ia menjadi jelas bahawa tolakan kosmik gergasi adalah hasil yang tidak dapat dielakkan dari Kuasa Besar. Jadi, "anti-graviti" yang dipandu oleh Einstein melalui pintu telah kembali melalui tingkap!

Kunci untuk memahami penemuan baru penolakan kosmik diberikan oleh sifat vakum kuantum. Kami telah melihat bagaimana penolakan sedemikian boleh disebabkan oleh medium halimunan yang luar biasa, tidak dapat dibezakan daripada ruang kosong, tetapi dengan tekanan negatif. Hari ini, ahli fizik percaya bahawa ini adalah sifat-sifat vakum kuantum.

Dalam Bab 7 telah dinyatakan bahawa vakum harus dianggap sebagai sejenis "enzim" aktiviti kuantum, penuh dengan zarah maya dan tepu. interaksi yang kompleks. Adalah sangat penting untuk memahami bahawa vakum memainkan peranan yang menentukan dalam rangka kerja penerangan kuantum. Apa yang kita panggil zarah hanyalah gangguan yang jarang berlaku, seperti "gelembung" di permukaan seluruh lautan aktiviti.

Pada akhir 1970-an, menjadi jelas bahawa penyatuan empat interaksi memerlukan semakan lengkap idea tentang sifat fizikal vakum. Teori ini mengandaikan bahawa tenaga vakum menampakkan dirinya dengan tidak jelas. Ringkasnya, vakum boleh teruja dan berada di salah satu daripada banyak keadaan dengan tenaga yang sangat berbeza, sama seperti atom boleh teruja dengan pergi ke tahap tenaga yang lebih tinggi. Ini eigenstates vakum - jika kita dapat memerhatikannya - akan kelihatan sama, walaupun ia mempunyai sifat yang berbeza.

Pertama sekali, tenaga yang terkandung dalam vakum dalam kuantiti yang banyak mengalir dari satu negeri ke negeri yang lain. Dalam Grand Unified Theories, sebagai contoh, perbezaan antara tenaga vakum terendah dan tertinggi adalah sangat besar. Untuk mendapatkan gambaran tentang skala besar kuantiti ini, mari kita anggarkan tenaga yang dikeluarkan oleh Matahari sepanjang tempoh kewujudannya (kira-kira 5 bilion tahun). Bayangkan bahawa semua jumlah tenaga besar yang dipancarkan oleh Matahari ini terkandung dalam kawasan ruang yang lebih kecil daripada saiz Sistem Suria. Ketumpatan tenaga yang dicapai dalam kes ini adalah hampir dengan ketumpatan tenaga yang sepadan dengan keadaan vakum dalam HWO.

Bersama-sama dengan perbezaan tenaga yang menakjubkan, perbezaan tekanan yang sama besar sepadan dengan keadaan vakum yang berbeza. Tetapi di sini terletak "helah": semua tekanan ini - negatif. Vakum kuantum berkelakuan sama seperti medium tolakan kosmik hipotetikal yang dinyatakan sebelum ini, cuma kali ini nilai berangka tekanan adalah sangat besar sehingga tolakan adalah 10^120 kali lebih besar daripada daya yang diperlukan Einstein untuk mengekalkan keseimbangan dalam alam semesta statik .

Caranya kini terbuka untuk menerangkan Big Bang. Mari kita anggap bahawa Alam Semesta pada mulanya berada dalam keadaan vakum yang teruja, yang dipanggil vakum "palsu". Dalam keadaan ini, terdapat penolakan kosmik di Alam Semesta dengan magnitud sedemikian sehingga ia akan menyebabkan pengembangan Alam Semesta yang tidak terkawal dan pesat. Pada dasarnya, dalam fasa ini Alam Semesta akan sepadan dengan model de Sitter yang dibincangkan dalam bahagian sebelumnya. Perbezaannya, bagaimanapun, adalah bahawa dalam de Sitter alam semesta secara senyap-senyap berkembang pada skala masa astronomi, manakala "fasa de Sitter" dalam evolusi alam semesta daripada vakum kuantum "palsu" sebenarnya jauh dari tenang. Isipadu ruang yang diduduki oleh Alam Semesta hendaklah dalam kes ini dua kali ganda setiap 10^-34 s (atau selang masa urutan yang sama).

Pengembangan hebat Alam Semesta sedemikian mempunyai satu siri ciri ciri: semua jarak meningkat mengikut undang-undang eksponen (kita sudah bertemu dengan konsep eksponen dalam Bab 4). Ini bermakna setiap 10^-34 s semua kawasan alam semesta menggandakan saiznya, dan kemudian proses penggandaan ini berterusan secara eksponen. Jenis sambungan ini, pertama kali dipertimbangkan pada tahun 1980. Alan Guth dari MIT (Institut Teknologi Massachusetts, Amerika Syarikat), dipanggil olehnya "inflasi". Hasil daripada pengembangan yang sangat pantas dan terus dipercepatkan, tidak lama lagi semua bahagian Alam Semesta akan berterbangan, seperti dalam letupan. Dan ini adalah Big Bang!

Walau bagaimanapun, satu cara atau yang lain, tetapi fasa inflasi mesti berhenti. Seperti dalam semua sistem kuantum yang teruja, vakum "palsu" tidak stabil dan cenderung untuk mereput. Apabila pereputan berlaku, tolakan hilang. Ini, seterusnya, membawa kepada pemberhentian inflasi dan peralihan alam semesta kepada kuasa tarikan graviti biasa. Sudah tentu, dalam kes ini, Alam Semesta akan terus berkembang kerana dorongan awal yang diperoleh semasa tempoh inflasi, tetapi kadar pengembangan akan semakin berkurangan. Oleh itu, satu-satunya jejak yang terselamat sehingga hari ini dari penolakan kosmik ialah kelembapan beransur-ansur dalam pengembangan Alam Semesta.

Menurut "senario inflasi", Alam Semesta memulakan kewujudannya dari keadaan hampa, tanpa bahan dan sinaran. Tetapi, walaupun mereka hadir dari awal, jejak mereka akan cepat hilang kerana kelajuan yang hebat pengembangan dalam fasa inflasi. Dalam tempoh masa yang sangat singkat bersamaan dengan fasa ini, kawasan ruang yang diduduki oleh seluruh Alam Semesta yang boleh diperhatikan hari ini telah berkembang daripada satu bilion saiz proton kepada beberapa sentimeter. Ketumpatan mana-mana bahan yang sedia ada sebenarnya akan menjadi sama dengan sifar.

Jadi, menjelang akhir fasa inflasi, alam semesta kosong dan sejuk. Walau bagaimanapun, apabila inflasi mengering, alam semesta tiba-tiba menjadi sangat "panas". Ledakan haba yang menerangi kosmos ini adalah disebabkan oleh rizab tenaga yang besar yang terkandung dalam vakum "palsu". Apabila keadaan vakum runtuh, tenaganya dilepaskan ke dalam bentuk sinaran, yang serta-merta memanaskan Alam Semesta kepada kira-kira 10^27 K, yang mencukupi untuk proses berlaku dalam HWO. Sejak saat itu, Alam Semesta telah berkembang mengikut teori standard Big Bang "panas". Terima kasih kepada tenaga haba, jirim dan antimateri timbul, maka Alam Semesta mula sejuk, dan semua unsurnya yang diperhatikan hari ini secara beransur-ansur mula "membeku".

Jadi masalah yang sukar ialah apa yang menyebabkan Big Bang? - berjaya menyelesaikan menggunakan teori inflasi; ruang kosong secara spontan meletup di bawah tolakan yang wujud dalam vakum kuantum. Namun, misteri itu masih kekal. Tenaga besar letupan utama, yang memasuki pembentukan jirim dan sinaran yang wujud di Alam Semesta, harus datang dari suatu tempat! Kita tidak akan dapat menjelaskan kewujudan alam semesta sehingga kita menemui sumber tenaga primer.

bootstrap angkasa

Inggeris bootstrap dalam erti kata literal ia bermaksud "lacing", dalam erti kata kiasan ia bermaksud ketekalan diri, ketiadaan hierarki dalam sistem zarah asas.

Alam semesta dilahirkan dalam proses ledakan tenaga yang besar. Kami masih menemui kesannya - ini adalah sinaran haba latar belakang dan bahan kosmik (khususnya, atom yang membentuk bintang dan planet), yang menyimpan tenaga tertentu dalam bentuk "jisim". Jejak tenaga ini juga ditunjukkan dalam kemelesetan galaksi dan dalam aktiviti ganas objek astronomi. Tenaga utama "memulakan musim bunga" Alam Semesta yang baru muncul dan terus menggerakkannya hingga ke hari ini.

Dari manakah tenaga ini datang, yang menghembuskan kehidupan ke dalam Alam Semesta kita? Menurut teori inflasi, ini adalah tenaga ruang kosong, dengan kata lain, vakum kuantum. Namun, adakah jawapan sedemikian dapat memuaskan hati kita sepenuhnya? Adalah wajar untuk bertanya bagaimana vakum memperoleh tenaga.

Secara umum, dengan bertanya dari mana tenaga berasal, kita pada dasarnya membuat andaian penting tentang sifat tenaga itu. Salah satu hukum asas fizik ialah undang-undang penjimatan tenaga, Dimana pelbagai bentuk tenaga boleh berubah dan berpindah satu sama lain, tetapi jumlah tenaga kekal tidak berubah.

Tidak sukar untuk memberikan contoh di mana pengendalian undang-undang ini boleh disahkan. Katakan kita mempunyai enjin dan bekalan bahan api, dan enjin digunakan untuk memacu penjana elektrik, yang seterusnya memberi kuasa kepada pemanas. Semasa pembakaran bahan api, tenaga kimia yang disimpan di dalamnya ditukar menjadi mekanikal, kemudian menjadi elektrik, dan akhirnya menjadi haba. Atau andaikan enjin digunakan untuk mengangkat beban ke puncak menara, selepas itu beban itu jatuh dengan bebas; apabila mencecah tanah, jumlah tenaga haba yang sama dilepaskan seperti dalam contoh dengan pemanas. Hakikatnya, tidak kira bagaimana tenaga dipindahkan atau bagaimana bentuknya berubah, ia jelas tidak boleh dicipta atau dimusnahkan. Jurutera menggunakan undang-undang ini dalam amalan harian.

Jika tenaga tidak boleh dicipta atau dimusnahkan, maka bagaimana tenaga primer timbul? Bukankah ia hanya disuntik pada saat pertama (sejenis syarat awal yang baru diterima oleh ad hoc)? Jika ya, mengapakah alam semesta mengandungi jumlah tenaga ini dan bukan jumlah lain? Terdapat kira-kira 10^68 J (joule) tenaga dalam Alam Semesta yang boleh diperhatikan - mengapa tidak, katakan, 10^99 atau 10^10000 atau mana-mana nombor lain?

Teori inflasi menawarkan satu penjelasan saintifik yang mungkin untuk teka-teki ini. Mengikut teori ini. Alam Semesta pada mulanya mempunyai tenaga yang sebenarnya sama dengan sifar, dan dalam 10^32 saat pertama ia berjaya menghidupkan keseluruhan jumlah tenaga yang sangat besar. Kunci untuk memahami keajaiban ini boleh didapati dalam fakta yang luar biasa bahawa undang-undang pemuliharaan tenaga dalam erti kata biasa. tidak berkaitan kepada alam semesta yang mengembang.

Malah, kita telah pun bertemu dengan fakta yang serupa. Pengembangan kosmologi membawa kepada penurunan suhu Alam Semesta: oleh itu, tenaga sinaran haba, yang begitu besar dalam fasa utama, habis dan suhu menurun kepada nilai yang hampir kepada sifar mutlak. Kemana perginya semua ini tenaga haba? Dari satu segi, ia telah digunakan oleh alam semesta untuk mengembang dan memberikan tekanan untuk menambah kekuatan Big Bang. Apabila cecair biasa mengembang, tekanan luarnya berfungsi menggunakan tenaga cecair. Apabila gas biasa mengembang, tenaga dalamannya dibelanjakan untuk melakukan kerja. Berbeza dengan ini, tolakan kosmik adalah serupa dengan tingkah laku medium dengan negatif tekanan. Apabila medium sedemikian mengembang, tenaganya tidak berkurangan, tetapi bertambah. Inilah yang berlaku semasa tempoh inflasi, apabila tolakan kosmik menyebabkan Alam Semesta berkembang pesat. Sepanjang tempoh ini, jumlah tenaga vakum terus meningkat sehingga, menjelang akhir tempoh inflasi, ia mencapai nilai yang sangat besar. Sebaik sahaja tempoh inflasi berakhir, semua tenaga yang disimpan dilepaskan dalam satu letupan gergasi, menimbulkan haba dan jirim pada skala penuh Big Bang. Sejak itu, pengembangan biasa dengan tekanan positif bermula, supaya tenaga mula berkurangan semula.

Kemunculan tenaga primer ditandai dengan sejenis sihir. Vakum dengan tekanan negatif yang misterius, dikurniakan, nampaknya, dengan kemungkinan yang sangat luar biasa. Di satu pihak, ia mencipta daya tolakan gergasi yang memastikan pengembangannya yang sentiasa mempercepatkan, dan sebaliknya, pengembangan itu sendiri memaksa peningkatan tenaga vakum. Vakum, pada dasarnya, membekalkan dirinya dengan tenaga dalam kuantiti yang banyak. Ia mempunyai ketidakstabilan dalaman yang memastikan pengembangan berterusan dan pengeluaran tenaga tanpa had. Dan hanya pereputan kuantum vakum palsu meletakkan had kepada "keborosan kosmik" ini.

Vakum berfungsi kepada alam semula jadi sebagai jag tenaga yang ajaib dan tanpa dasar. Pada dasarnya, tiada had kepada jumlah tenaga yang boleh dikeluarkan semasa pengembangan inflasi. Pernyataan ini menandakan revolusi dalam pemikiran tradisional dengan berabad-abad lamanya "tiada apa yang akan dilahirkan dari ketiadaan" (pepatah ini bermula sekurang-kurangnya dari era Parmenid, iaitu abad ke-5 SM). Idea kemungkinan "penciptaan" dari tiada, sehingga baru-baru ini, adalah sepenuhnya dalam kecekapan agama. Khususnya, orang Kristian telah lama percaya bahawa Tuhan mencipta dunia daripada Tiada, tetapi idea tentang kemungkinan kemunculan spontan semua jirim dan tenaga sebagai hasil daripada proses fizikal semata-mata dianggap oleh saintis sama sekali tidak dapat diterima sedozen tahun yang lalu.

Mereka yang secara dalaman tidak dapat memahami keseluruhan konsep kemunculan "sesuatu" daripada "tiada" mempunyai peluang untuk melihat secara berbeza pada kemunculan tenaga semasa pengembangan Alam Semesta. Oleh kerana graviti biasa mempunyai sifat tarikan, untuk mengeluarkan bahagian-bahagian jirim antara satu sama lain, adalah perlu untuk melakukan kerja untuk mengatasi graviti yang bertindak antara bahagian-bahagian ini. Ini bermakna tenaga graviti sistem badan adalah negatif; apabila badan baru ditambah ke dalam sistem, tenaga dibebaskan, dan akibatnya, tenaga graviti menjadi "lebih negatif." Jika kita menggunakan penaakulan ini kepada Alam Semesta pada peringkat inflasi, maka ia adalah rupa haba dan jirim yang, seolah-olah, "mengimbangi" tenaga graviti negatif jisim yang terbentuk. Dalam kes ini, jumlah tenaga Alam Semesta secara keseluruhan adalah sama dengan sifar dan tidak tenaga baru tidak berlaku sama sekali! Pandangan sedemikian tentang proses "penciptaan dunia", sudah tentu menarik, tetapi ia masih tidak boleh dianggap terlalu serius, kerana secara umum status konsep tenaga berhubung dengan graviti ternyata meragukan.

Semua yang dikatakan di sini tentang vakum sangat mengingatkan kisah kegemaran ahli fizik tentang seorang budak lelaki yang, setelah jatuh ke dalam paya, menarik dirinya dengan tali kasutnya sendiri. Alam semesta yang mencipta sendiri menyerupai budak ini - ia juga menarik diri dengan "tali"nya sendiri (proses ini dilambangkan dengan istilah "bootstrap"). Sesungguhnya, disebabkan sifat fizikalnya sendiri, Alam Semesta merangsang dengan sendirinya semua tenaga yang diperlukan untuk "penciptaan" dan "penyegaran" jirim, dan juga memulakan letupan yang menjananya. Ini ialah bootstrap angkasa; kepada kuasa-Nya yang menakjubkan kita berhutang kewujudan kita.

Kemajuan dalam teori inflasi

Selepas Guth mengemukakan idea asas bahawa alam semesta mengalami tempoh awal pengembangan yang sangat pesat, ia menjadi jelas bahawa senario seperti itu dapat menjelaskan dengan indah banyak ciri kosmologi Big Bang yang sebelum ini dianggap remeh.

Dalam salah satu bahagian sebelumnya, kami bertemu dengan paradoks yang sangat darjat tinggi organisasi dan keselarasan letupan utama. Salah satu contoh hebat ini ialah kuasa letupan, yang ternyata betul-betul "disesuaikan" dengan magnitud graviti kosmik, akibatnya kadar pengembangan Alam Semesta pada zaman kita sangat dekat dengan nilai sempadan memisahkan mampatan (runtuh) dan pengembangan pesat. Ujian penentu bagi senario inflasi adalah sama ada ia menyediakan Big Bang dengan kuasa yang ditakrifkan dengan tepat. Ternyata disebabkan oleh pengembangan eksponen dalam fasa inflasi (yang merupakan sifat paling cirinya), kuasa letupan secara automatik memastikan kemungkinan mengatasi graviti Alam Semesta sendiri. Inflasi boleh membawa tepat kepada kadar pengembangan yang diperhatikan dalam realiti.

Satu lagi "misteri besar" mempunyai kaitan dengan kehomogenan alam semesta secara besar-besaran. Ia juga segera diselesaikan berdasarkan teori inflasi. Sebarang ketidakhomogenan awal dalam struktur alam semesta mesti benar-benar dipadamkan dengan peningkatan besar dalam saiznya, sama seperti kedutan pada belon kempis dilicinkan apabila ia ditiup. Dan akibat daripada peningkatan dalam saiz kawasan spatial sebanyak kira-kira 10^50 kali ganda, sebarang gangguan awal menjadi tidak ketara.

Walau bagaimanapun, adalah salah untuk bercakap lengkap kehomogenan. Untuk membolehkan kemunculan galaksi moden dan gugusan galaksi, struktur alam semesta awal mesti mempunyai beberapa "kegumpalan". Pada mulanya, ahli astronomi berharap kewujudan galaksi dapat dijelaskan oleh pengumpulan jirim di bawah pengaruh tarikan graviti selepas Letupan Besar. Awan gas mesti mengecut di bawah gravitinya sendiri, dan kemudian pecah menjadi serpihan yang lebih kecil, dan seterusnya, menjadi lebih kecil, dan seterusnya. Ada kemungkinan bahawa pengagihan gas yang timbul akibat Big Bang adalah homogen sepenuhnya, tetapi disebabkan oleh proses rawak semata-mata, penebalan dan jarang berlaku di sana sini disebabkan oleh proses rawak semata-mata. Graviti meningkatkan lagi turun naik ini, membawa kepada pertumbuhan kawasan pemeluwapan dan penyerapan bahan tambahan oleh mereka. Kemudian kawasan-kawasan ini menguncup dan hancur berturut-turut, dan rumpun terkecil bertukar menjadi bintang. Pada akhirnya, satu hierarki struktur timbul: bintang bersatu menjadi kumpulan, mereka menjadi galaksi dan seterusnya menjadi gugusan galaksi.

Malangnya, jika tidak ada ketidakhomogenan dalam gas dari awal lagi, maka mekanisme seperti itu untuk kemunculan galaksi akan berfungsi dalam masa yang lebih lama daripada usia Alam Semesta. Hakikatnya ialah proses pemeluwapan dan pemecahan bersaing dengannya pengembangan alam semesta, yang disertai oleh penyerakan gas. Dalam versi asal teori Big Bang, diandaikan bahawa "kuman" galaksi wujud pada mulanya dalam struktur Alam Semesta pada asalnya. Selain itu, ketidakhomogenan awal ini sepatutnya mempunyai dimensi yang agak pasti: tidak terlalu kecil, jika tidak, mereka tidak akan pernah terbentuk, tetapi tidak terlalu besar, jika tidak kawasan ketumpatan tinggi hanya akan mengalami keruntuhan, bertukar menjadi lubang hitam yang besar. Pada masa yang sama, ia sama sekali tidak dapat difahami mengapa galaksi mempunyai saiz yang sama atau mengapa bilangan galaksi sedemikian dimasukkan ke dalam kelompok.

Senario inflasi memberikan penjelasan yang lebih konsisten untuk struktur galaksi. Idea utama agak mudah. Inflasi disebabkan oleh fakta bahawa keadaan kuantum Alam Semesta adalah keadaan vakum palsu yang tidak stabil. Akhirnya, keadaan vakum ini rosak dan tenaga berlebihannya ditukar kepada haba dan jirim. Pada masa ini, penolakan kosmik hilang - dan inflasi berhenti. Walau bagaimanapun, pereputan vakum palsu tidak berlaku secara serentak di semua ruang. Seperti dalam mana-mana proses kuantum, kadar pereputan vakum palsu berubah-ubah. Di sesetengah kawasan alam semesta, pereputan berlaku agak lebih cepat daripada yang lain. Di kawasan ini, inflasi akan berakhir lebih awal. Akibatnya, ketidakhomogenan dikekalkan dalam keadaan akhir juga. Ada kemungkinan ketidakhomogenan ini boleh berfungsi sebagai "kuman" (pusat) penguncupan graviti dan, pada akhirnya, membawa kepada pembentukan galaksi dan kelompoknya. Pemodelan matematik mekanisme turun naik telah dijalankan, bagaimanapun, dengan kejayaan yang sangat terhad. Sebagai peraturan, kesannya ternyata terlalu besar, dan ketidakhomogenan yang dikira terlalu ketara. Benar, model yang terlalu kasar telah digunakan dan mungkin pendekatan yang lebih halus akan lebih berjaya. Walaupun teori itu masih jauh dari lengkap, ia sekurang-kurangnya menerangkan sifat mekanisme yang boleh membawa kepada pembentukan galaksi tanpa memerlukan syarat awal khas.

Dalam senario inflasi versi Guth, vakum palsu mula-mula bertukar menjadi keadaan vakum "benar" atau tenaga terendah, yang kami kenal pasti dengan ruang kosong. Sifat perubahan ini agak serupa dengan peralihan fasa (contohnya, daripada gas kepada cecair). Dalam kes ini, dalam vakum palsu, gelembung vakum benar akan terbentuk secara rawak, yang, mengembang pada kelajuan cahaya, akan menangkap semua kawasan ruang yang luas. Agar vakum palsu wujud cukup lama untuk inflasi melakukan kerja "ajaib", kedua-dua keadaan ini mesti dipisahkan oleh penghalang tenaga yang melaluinya "terowong kuantum" sistem mesti berlaku, sama seperti bagaimana ia berlaku dengan elektron (lihat Bab.) . Walau bagaimanapun, model ini mempunyai satu kelemahan yang serius: semua tenaga yang dikeluarkan daripada vakum palsu tertumpu pada dinding gelembung dan tiada mekanisme untuk pengagihan semulanya ke seluruh gelembung. Apabila gelembung berlanggar dan bergabung, tenaga akhirnya akan terkumpul dalam lapisan bercampur secara rawak. Akibatnya, alam semesta akan mengandungi ketidakhomogenan yang sangat kuat, dan keseluruhan kerja inflasi untuk mewujudkan keseragaman berskala besar akan runtuh.

Dengan penambahbaikan lagi senario inflasi, kesukaran ini dapat diatasi. AT teori baru tiada terowong antara dua keadaan vakum; sebaliknya, parameter dipilih supaya pereputan vakum palsu sangat perlahan, dan dengan itu alam semesta mendapat masa yang cukup untuk mengembang. Apabila pereputan selesai, tenaga vakum palsu dibebaskan dalam keseluruhan isipadu "gelembung", yang dengan cepat memanaskan sehingga 10^27 K. Diandaikan bahawa seluruh Alam Semesta yang boleh diperhatikan terkandung dalam satu gelembung sedemikian. Oleh itu, pada skala ultra-besar, alam semesta mungkin sangat tidak teratur, tetapi rantau yang boleh diakses oleh pemerhatian kita (dan bahagian yang lebih besar dari alam semesta) terletak dalam zon homogen sepenuhnya.

Adalah pelik bahawa Guth pada asalnya mengembangkan teori inflasinya untuk menyelesaikan masalah kosmologi yang sama sekali berbeza - ketiadaan monopol magnet dalam alam semula jadi. Seperti yang ditunjukkan dalam Bab 9, teori Big Bang standard meramalkan bahawa dalam fasa utama evolusi Alam Semesta, monopol harus timbul secara berlebihan. Mereka mungkin disertai oleh rakan satu dan dua dimensi mereka - objek aneh yang mempunyai watak "rentetan" dan "daun". Masalahnya adalah untuk membersihkan alam semesta dari objek "tidak diingini" ini. Inflasi secara automatik menyelesaikan masalah monopol dan masalah lain yang serupa, kerana pengembangan ruang angkasa secara berkesan mengurangkan ketumpatannya kepada sifar.

Walaupun senario inflasi telah dibangunkan hanya sebahagian dan hanya munasabah, tidak lebih, ia telah membenarkan perumusan beberapa idea yang menjanjikan untuk mengubah wajah kosmologi secara tidak boleh ditarik balik. Sekarang kita bukan sahaja boleh memberikan penjelasan tentang punca Big Bang, tetapi juga mula memahami mengapa ia begitu "besar" dan mengapa ia mengambil watak sedemikian. Kita kini boleh mula menyelesaikan persoalan bagaimana kehomogenan berskala besar Alam Semesta timbul, dan bersama-sama dengannya, ketidakhomogenan yang diperhatikan dalam skala yang lebih kecil (contohnya, galaksi). Letupan primordial yang mencipta apa yang kita panggil alam semesta bukan lagi misteri di luar sains fizikal.

Alam semesta mencipta dirinya sendiri

Namun begitu, di sebalik kejayaan besar teori inflasi dalam menerangkan asal usul alam semesta, misteri itu kekal. Bagaimanakah alam semesta pada mulanya berakhir dalam keadaan vakum palsu? Apa yang berlaku sebelum inflasi?

Penerangan saintifik yang konsisten dan memuaskan sepenuhnya tentang asal usul alam semesta harus menjelaskan bagaimana ruang itu sendiri (lebih tepat, ruang-masa) timbul, yang kemudiannya mengalami inflasi. Sesetengah saintis bersedia untuk mengakui bahawa ruang sentiasa wujud, yang lain percaya bahawa isu ini secara amnya di luar skop pendekatan saintifik. Dan hanya sebilangan kecil yang mendakwa lebih banyak dan yakin bahawa adalah agak sah untuk menimbulkan persoalan tentang bagaimana ruang secara umum (dan vakum palsu khususnya) secara literal boleh timbul daripada "tiada apa-apa" sebagai hasil daripada proses fizikal yang, pada dasarnya, boleh dikaji.

Seperti yang dinyatakan, kami baru-baru ini mencabar kepercayaan berterusan bahawa "tidak ada yang datang daripada tiada." Bootstrap kosmik adalah dekat dengan konsep teologi penciptaan dunia daripada tiada (ex nihilo). Tidak dinafikan, dalam dunia sekeliling kita, kewujudan beberapa objek biasanya disebabkan oleh kehadiran objek lain. Jadi, Bumi timbul dari nebula protosolar, yang seterusnya, dari gas galaksi, dll. Jika kita kebetulan melihat objek yang tiba-tiba muncul "daripada ketiadaan", kita, nampaknya, akan menganggapnya sebagai satu keajaiban; sebagai contoh, kami akan terkejut jika kami tiba-tiba menemui banyak syiling, pisau atau gula-gula dalam peti besi kosong yang berkunci. AT Kehidupan seharian kita terbiasa menyedari bahawa segala-galanya timbul dari suatu tempat atau dari sesuatu.

Walau bagaimanapun, semuanya tidak begitu jelas apabila ia berkaitan dengan perkara yang kurang spesifik. Daripada apa, sebagai contoh, lukisan muncul? Sudah tentu, ini memerlukan berus, cat dan kanvas, tetapi ini hanyalah alat. Cara lukisan gambar - pilihan bentuk, warna, tekstur, komposisi - tidak dilahirkan dengan berus dan cat. Ini adalah hasil imaginasi kreatif artis.

Dari mana datangnya pemikiran dan idea? Fikiran, tidak syak lagi, adalah nyata dan, nampaknya, sentiasa memerlukan penyertaan otak. Tetapi otak hanya menyediakan kesedaran pemikiran, dan bukan punca mereka. Dengan sendirinya, otak menjana pemikiran tidak lebih daripada, sebagai contoh, komputer - pengiraan. Pemikiran boleh disebabkan oleh pemikiran lain, tetapi ini tidak mendedahkan sifat pemikiran itu sendiri. Beberapa pemikiran boleh dilahirkan, sensasi; pemikiran menimbulkan ingatan. Kebanyakan artis, bagaimanapun, melihat karya mereka sebagai hasil daripada tidak dijangka inspirasi. Jika ini benar, maka penciptaan lukisan - atau sekurang-kurangnya kelahiran ideanya - hanyalah contoh kelahiran sesuatu daripada tiada.

Namun, bolehkah kita menganggap bahawa objek fizikal dan juga Alam Semesta secara keseluruhannya timbul daripada tiada? Hipotesis berani ini dibincangkan dengan agak serius, sebagai contoh, dalam institusi saintifik Pantai Timur Amerika Syarikat, di mana beberapa ahli fizik teori dan kosmologi sedang berkembang radas matematik, yang akan membantu untuk mengetahui kemungkinan kelahiran sesuatu daripada ketiadaan. Bulatan elit ini termasuk Alan Guth dari MIT, Sydney Coleman dari Universiti Harvard, Alex Vilenkin dari Universiti Tufts, Ed Tyon, dan Heinz Pagels dari New York. Mereka semua percaya bahawa dari satu segi atau yang lain "tidak ada yang tidak stabil" dan bahawa alam semesta fizikal secara spontan "berkembang daripada ketiadaan", hanya dikawal oleh undang-undang fizik. "Idea sedemikian adalah spekulatif semata-mata," Guth mengakui, "tetapi pada tahap tertentu ia mungkin betul ... Kadang-kadang dikatakan bahawa tidak ada makan tengah hari percuma, tetapi Alam Semesta, nampaknya, hanyalah" makan tengah hari percuma.

Dalam semua hipotesis ini, tingkah laku kuantum memainkan peranan penting. Seperti yang kita katakan dalam Bab 2, ciri utama tingkah laku kuantum ialah kehilangan hubungan sebab akibat yang ketat. Dalam fizik klasik, eksposisi mekanik mengikuti pematuhan ketat kausalitas. Semua butiran gerakan setiap zarah telah ditentukan dengan ketat oleh undang-undang gerakan. Adalah dipercayai bahawa pergerakan itu berterusan dan ditentukan dengan ketat oleh kuasa yang bertindak. Undang-undang pergerakan dalam secara literal mewujudkan hubungan antara sebab dan akibat. Alam semesta dilihat sebagai jam gergasi, yang tingkah lakunya dikawal ketat oleh apa yang berlaku pada masa ini. Kepercayaan terhadap kausaliti yang menyeluruh dan sangat ketat yang mendorong Pierre Laplace berhujah bahawa kalkulator yang sangat berkuasa mampu, pada dasarnya, meramalkan, berdasarkan undang-undang mekanik, kedua-dua sejarah dan nasib Alam semesta. Menurut pandangan ini, alam semesta ditakdirkan untuk mengikuti jalan yang ditetapkan untuk selama-lamanya.

Fizik kuantum telah memusnahkan skema Laplacian yang berkaedah tetapi tidak membuahkan hasil. Ahli fizik telah menjadi yakin bahawa, pada peringkat atom, jirim dan pergerakannya tidak pasti dan tidak dapat diramalkan. Zarah boleh berkelakuan "gila", seolah-olah menentang pergerakan yang ditetapkan dengan ketat, tiba-tiba muncul di tempat yang paling tidak dijangka tanpa sebab yang jelas, dan kadang-kadang muncul dan hilang "tanpa amaran".

Dunia kuantum tidak sepenuhnya bebas daripada kausalitas, tetapi ia menampakkan dirinya secara tidak pasti dan samar-samar. Contohnya, jika satu atom berada dalam keadaan teruja akibat perlanggaran dengan atom lain, ia biasanya cepat kembali ke keadaan dengan tenaga paling rendah, memancarkan foton dalam proses itu. Kemunculan foton, sudah tentu, adalah akibat daripada fakta bahawa atom sebelum ini telah berpindah ke dalam keadaan teruja. Kita boleh mengatakan dengan pasti bahawa ia adalah pengujaan yang membawa kepada kemunculan foton, dan dalam pengertian ini hubungan sebab dan akibat dipelihara. Walau bagaimanapun, momen sebenar kejadian foton tidak dapat diramalkan: atom boleh memancarkannya pada bila-bila masa. Ahli fizik dapat mengira kemungkinan, atau purata, masa kejadian foton, tetapi dalam mana-mana keadaan tertentu adalah mustahil untuk meramalkan saat peristiwa ini akan berlaku. Nampaknya, untuk mencirikan keadaan sedemikian, adalah lebih baik untuk mengatakan bahawa pengujaan atom tidak begitu banyak membawa kepada penampilan foton sebagai "menolak" ke arahnya.

Oleh itu, dunia mikro kuantum tidak terjerat dalam jaringan hubungan sebab akibat yang padat, tetapi bagaimanapun "mendengar" banyak arahan dan cadangan yang tidak mengganggu. Dalam skema Newtonian lama, daya, seolah-olah, beralih ke objek dengan arahan yang tidak dapat dijawab: "Bergerak!". Dalam fizik kuantum, hubungan antara daya dan objek adalah berdasarkan jemputan dan bukannya arahan.

Mengapa kita mendapati idea kelahiran tiba-tiba objek "daripada ketiadaan" sangat tidak boleh diterima sama sekali? Apa yang membuatkan kita berfikir tentang mukjizat dan fenomena ghaib? Mungkin ini semua tentang menjadi pelik. peristiwa serupa: Dalam kehidupan seharian, kita tidak pernah menemui rupa objek yang tidak munasabah. Apabila, sebagai contoh, ahli silap mata mengeluarkan arnab dari topi, kita tahu bahawa kita sedang diperbodohkan.

Mari kita anggap bahawa kita benar-benar hidup dalam dunia di mana objek muncul "entah dari mana" dari semasa ke semasa, tanpa sebab, dan dengan cara yang tidak dapat diramalkan sama sekali. Apabila sudah terbiasa dengan fenomena sedemikian, kita tidak lagi terkejut dengannya. Kelahiran secara spontan akan dianggap sebagai salah satu kehendak alam semula jadi. Mungkin, dalam dunia sebegitu, kita tidak perlu lagi memaksakan kepercayaan kita untuk membayangkan kemunculan mendadak seluruh alam semesta fizikal daripada tiada.

Dunia khayalan ini pada dasarnya tidak begitu berbeza dengan dunia sebenar. Jika kita dapat melihat secara langsung tingkah laku atom melalui deria kita (dan bukan melalui pengantaraan instrumen khas), kita selalunya perlu memerhati objek yang muncul dan hilang tanpa sebab yang jelas.

Fenomena yang paling hampir dengan "kelahiran daripada tiada" berlaku dalam medan elektrik yang cukup kuat. Pada nilai kritikal kekuatan medan, elektron dan positron mula muncul "daripada tiada" secara rawak sepenuhnya. Pengiraan menunjukkan bahawa berhampiran permukaan nukleus uranium, kekuatan medan elektrik adalah cukup dekat dengan had di mana kesan ini berlaku. Jika ada nukleus atom mengandungi 200 proton (terdapat 92 daripadanya dalam nukleus uranium), maka kelahiran spontan elektron dan positron akan berlaku. Malangnya, nukleus dengan bilangan proton yang begitu besar nampaknya menjadi sangat tidak stabil, tetapi ini tidak pasti sepenuhnya.

Pengeluaran spontan elektron dan positron dalam medan elektrik yang kuat boleh dianggap sebagai jenis radioaktiviti khas, apabila pereputan mengalami ruang kosong, vakum. Kami telah pun bercakap tentang peralihan dari satu keadaan vakum ke keadaan vakum yang lain akibat daripada pereputan. Dalam kes ini, vakum mereput, berubah menjadi keadaan di mana zarah hadir.

Walaupun perpecahan ruang yang disebabkan oleh medan elektrik sukar untuk difahami, proses serupa di bawah pengaruh graviti boleh berlaku di alam semula jadi. Berhampiran permukaan lubang hitam, graviti sangat kuat sehingga vakum dipenuhi dengan zarah yang dilahirkan secara berterusan. Ini adalah sinaran lubang hitam terkenal yang ditemui oleh Stephen Hawking. Pada akhirnya, graviti yang bertanggungjawab untuk kelahiran sinaran ini, tetapi tidak boleh dikatakan bahawa ini berlaku "dalam pengertian Newtonian lama": seseorang tidak boleh mengatakan bahawa mana-mana zarah tertentu harus muncul di tempat tertentu pada masa tertentu. akibat daripada tindakan daya graviti . Walau apa pun, kerana graviti hanyalah kelengkungan ruang-masa, boleh dikatakan bahawa ruang-masa menyebabkan kelahiran jirim.

Kemunculan bahan secara spontan dari ruang kosong sering disebut sebagai kelahiran "dari ketiadaan", yang dekat dengan roh dengan kelahiran. bekas nihilo dalam doktrin Kristian. Walau bagaimanapun, bagi ahli fizik, ruang kosong bukanlah "tiada" sama sekali, tetapi bahagian yang sangat penting dari Alam Semesta fizikal. Jika kita masih mahu menjawab persoalan bagaimana alam semesta tercipta, maka tidak cukup untuk menganggap ruang kosong itu wujud sejak awal lagi. Ia adalah perlu untuk menjelaskan dari mana datangnya ruang ini. memikirkan kelahiran ruang itu sendiri Ia mungkin kelihatan pelik, tetapi dalam erti kata ia berlaku sepanjang masa di sekeliling kita. Pengembangan alam semesta tidak lain hanyalah "bengkak" ruang angkasa yang berterusan. Setiap hari, kawasan alam semesta yang boleh diakses oleh teleskop kami meningkat sebanyak 10 ^ 18 tahun cahaya padu. Dari mana datangnya ruang ini? Analogi getah berguna di sini. Jika gelang getah elastik ditarik keluar, ia "semakin besar". Ruang menyerupai superelasticity kerana, sejauh yang kita tahu, ia boleh meregang selama-lamanya tanpa koyak.

Regangan dan kelengkungan ruang menyerupai ubah bentuk jasad anjal kerana "pergerakan" ruang berlaku mengikut undang-undang mekanik dengan cara yang sama seperti pergerakan jirim biasa. Dalam kes ini, ini adalah undang-undang graviti. teori kuantum dalam sama-sama terpakai kepada jirim serta ruang dan masa. Dalam bab-bab sebelumnya, kami telah mengatakan bahawa graviti kuantum dilihat sebagai langkah yang perlu dalam pencarian kuasa Besar. Dalam hubungan ini, kemungkinan ingin tahu timbul; jika, mengikut teori kuantum, zarah jirim boleh timbul "daripada tiada", maka, berhubung dengan graviti, adakah ia tidak akan menggambarkan kemunculan "daripada tiada" dan angkasa? Jika ini berlaku, bukankah kelahiran Alam Semesta 18 bilion tahun dahulu merupakan contoh proses sedemikian?

Makan tengah hari percuma?

Idea utama kosmologi kuantum ialah penerapan teori kuantum kepada alam semesta secara keseluruhan: kepada ruang-masa dan jirim; ahli teori memandang serius idea ini. Pada pandangan pertama, terdapat percanggahan di sini: fizik kuantum berurusan dengan sistem terkecil, manakala kosmologi berurusan dengan yang terbesar. Walau bagaimanapun, alam semesta pernah juga terhad kepada saiz yang sangat kecil, dan oleh itu kesan kuantum sangat penting ketika itu. Keputusan pengiraan menunjukkan bahawa undang-undang kuantum perlu diambil kira dalam era GUT (10^-32 s), dan dalam era Planck (10^-43 s) mereka mungkin harus memainkan peranan yang menentukan. Menurut beberapa ahli teori (contohnya, Vilenkin), di antara kedua-dua zaman ini terdapat satu saat ketika Alam Semesta bangkit. Menurut Sydney Coleman, kami telah membuat lompatan kuantum dari Nothing to Time. Rupa-rupanya, ruang-masa adalah peninggalan zaman ini. Lompatan kuantum yang dibincangkan oleh Coleman boleh dilihat sebagai sejenis "proses terowong". Kami menyatakan bahawa dalam versi asal teori inflasi, keadaan vakum palsu terpaksa melalui penghalang tenaga kepada keadaan vakum yang sebenar. Walau bagaimanapun, dalam kes kemunculan spontan alam semesta kuantum "daripada ketiadaan", gerak hati kita mencapai had keupayaannya. Satu hujung terowong mewakili alam semesta fizikal dalam ruang dan masa, yang sampai ke sana dengan terowong kuantum "daripada tiada". Oleh itu, hujung terowong yang lain adalah ini sangat Tiada! Mungkin lebih baik untuk mengatakan bahawa terowong hanya mempunyai satu hujung, dan yang lain hanya "tidak wujud."

Kesukaran utama percubaan ini untuk menerangkan asal usul Alam Semesta terletak pada perihalan proses kelahirannya daripada keadaan vakum palsu. Jika ruang-masa yang baru muncul berada dalam keadaan vakum sebenar, maka inflasi tidak akan pernah berlaku. Dentuman besar akan dikurangkan kepada letusan yang lemah, dan ruang-masa akan tidak lagi wujud sejurus kemudian - ia akan dimusnahkan oleh proses kuantum yang disebabkan ia pada asalnya timbul. Jika Alam Semesta tidak mendapati dirinya dalam keadaan hampa palsu, ia tidak akan pernah terlibat dalam bootstrap kosmik dan tidak akan mewujudkan kewujudan ilusinya. Mungkin keadaan vakum palsu lebih disukai kerana cirinya keadaan yang melampau. Sebagai contoh, jika alam semesta bermula pada suhu awal yang cukup tinggi dan kemudian menjadi sejuk, ia juga boleh "terkandas" dalam vakum palsu, tetapi setakat ini banyak persoalan teknikal jenis ini masih tidak dapat diselesaikan.

Tetapi apa pun realiti masalah asas ini, alam semesta mesti wujud dalam satu cara atau yang lain, dan fizik kuantum adalah satu-satunya cabang sains yang masuk akal untuk bercakap tentang peristiwa yang berlaku tanpa sebab yang jelas. Jika kita bercakap tentang ruang-masa, maka dalam apa jua keadaan adalah tidak bermakna untuk bercakap tentang kausalitas dalam erti kata biasa. Biasanya konsep kausalitas berkait rapat dengan konsep masa, dan oleh itu sebarang pertimbangan tentang proses kemunculan masa atau "keluar daripada ketiadaan" mesti berdasarkan idea kausalitas yang lebih luas.

Jika ruang benar-benar sepuluh dimensi, maka teori itu menganggap kesemua sepuluh dimensi itu agak sama pada peringkat terawal. Menarik untuk mengaitkan fenomena inflasi dengan pemadatan spontan (lipatan) tujuh daripada sepuluh dimensi. Mengikut senario ini, "pemacu" inflasi adalah hasil sampingan daripada interaksi yang menampakkan diri melalui dimensi tambahan ruang. Selanjutnya, ruang sepuluh dimensi secara semula jadi boleh berkembang sedemikian rupa sehingga semasa inflasi, tiga dimensi spatial berkembang dengan kuat dengan mengorbankan tujuh yang lain, yang, sebaliknya, mengecut, menjadi tidak kelihatan? Oleh itu, gelembung mikro kuantum ruang sepuluh dimensi dimampatkan, dan disebabkan ini, tiga dimensi melambung, membentuk Alam Semesta: tujuh dimensi yang tinggal kekal dalam kurungan mikrokosmos, dari mana ia hanya muncul secara tidak langsung - dalam bentuk daripada interaksi. Teori ini kelihatan sangat menarik.

Walaupun fakta bahawa masih terdapat banyak kerja untuk ahli teori untuk mengkaji sifat Alam Semesta yang sangat awal, adalah mungkin untuk memberikan garis besar umum tentang peristiwa yang menyebabkan Alam Semesta menjadi boleh diperhatikan hari ini. Pada awalnya, Alam Semesta secara spontan muncul "daripada tiada". Terima kasih kepada keupayaan tenaga kuantum untuk berfungsi sebagai sejenis enzim, gelembung ruang kosong boleh mengembang pada kadar yang semakin meningkat, mewujudkan rizab tenaga yang besar berkat bootstrap. Vakum palsu ini, diisi dengan tenaga yang dihasilkan sendiri, ternyata tidak stabil dan mula mereput, melepaskan tenaga dalam bentuk haba, sehingga setiap gelembung dipenuhi dengan bahan pernafasan api (bola api). Inflasi (inflasi) gelembung berhenti, tetapi Big Bang bermula. Pada "jam" Alam Semesta pada masa itu ialah 10^-32 s.

Dari bola api seperti itu, semua jirim dan semua objek fizikal timbul. Apabila bahan angkasa sejuk, ia mengalami berturut-turut peralihan fasa. Dengan setiap peralihan, semakin banyak struktur berbeza "dibekukan" daripada bahan utama yang tidak berbentuk. Satu persatu interaksi itu terpisah antara satu sama lain. Langkah demi langkah, objek yang kini kita panggil zarah subatom memperoleh ciri semasa mereka. Apabila komposisi "sup kosmik" menjadi semakin rumit, penyelewengan berskala besar yang tinggal dari masa inflasi berkembang menjadi galaksi. Dalam proses pembentukan struktur dan pengasingan selanjutnya pelbagai jenis jirim, alam semesta mengambil bentuk yang lebih dan lebih biasa; plasma panas terpeluwap menjadi atom, membentuk bintang, planet dan, akhirnya, kehidupan. Maka Alam Semesta "menyedari" dirinya sendiri.

Bahan, tenaga, ruang, masa, interaksi, medan, keteraturan dan struktur - semua konsep ini, yang dipinjam daripada "senarai harga pencipta", berfungsi sebagai ciri penting alam semesta. Fizik baru membuka kemungkinan menggoda penjelasan saintifik tentang asal usul semua perkara ini. Kami tidak lagi perlu memasukkannya secara khusus "secara manual" dari awal lagi. Kita dapat melihat bagaimana semua sifat asas dunia fizikal boleh muncul secara automatik sebagai akibat daripada undang-undang fizik, tanpa perlu menganggap kewujudan keadaan awal yang sangat spesifik. Kosmologi baharu mendakwa bahawa keadaan awal kosmos tidak memainkan peranan, kerana semua maklumat mengenainya telah dipadamkan semasa inflasi. Alam Semesta yang kita amati hanya menanggung kesan proses fizikal yang telah berlaku sejak permulaan inflasi.

Selama beribu-ribu tahun, manusia telah percaya bahawa "tiada apa yang akan dilahirkan daripada ketiadaan." Hari ini kita boleh mengatakan bahawa segala-galanya datang dari tiada. Anda tidak perlu "membayar" untuk Universe - ini benar-benar "makan tengah hari percuma".

Menurut teori ini, Alam Semesta muncul dalam bentuk sekumpulan bahan superdense panas, selepas itu ia mula mengembang dan menjadi sejuk. Pada peringkat pertama evolusi, Alam Semesta berada dalam keadaan superdense dan merupakan plasma -gluon. Jika proton dan neutron berlanggar dan membentuk nukleus yang lebih berat, masa kewujudannya boleh diabaikan. Pada perlanggaran seterusnya dengan mana-mana zarah pantas, mereka serta-merta mereput menjadi komponen asas.

Kira-kira 1 bilion tahun yang lalu, pembentukan galaksi bermula, pada masa itu Alam Semesta mula jauh menyerupai apa yang boleh kita lihat sekarang. 300,000 tahun selepas Letupan Besar, ia telah menjadi sejuk sehingga elektron dipegang kuat oleh nukleus, akibatnya atom-atom stabil muncul yang tidak reput serta-merta selepas berlanggar dengan nukleus lain.

Pembentukan zarah

Pembentukan zarah bermula akibat pengembangan alam semesta. Penyejukan selanjutnya membawa kepada pembentukan nukleus helium, yang berlaku sebagai hasil daripada nukleosintesis primer. Kira-kira tiga minit perlu berlalu sejak Letupan Besar sebelum Alam Semesta menjadi sejuk, dan tenaga hentaman berkurangan sehingga zarah mula membentuk nukleus yang stabil. Dalam tiga minit pertama, Alam Semesta adalah lautan zarah asas yang merah panas.

Pembentukan utama nukleus tidak bertahan lama, selepas tiga minit pertama zarah-zarah bergerak menjauhi satu sama lain sehingga perlanggaran antara mereka menjadi sangat jarang berlaku. Dalam tempoh singkat nukleosintesis primer ini, deuterium muncul - isotop hidrogen berat, nukleusnya mengandungi satu proton dan satu. Serentak dengan deuterium, helium-3, helium-4 dan sejumlah kecil litium-7 terbentuk. Unsur-unsur yang semakin berat muncul pada peringkat pembentukan bintang.

Selepas kelahiran alam semesta

Kira-kira seratus ribu saat dari permulaan kelahiran Alam Semesta, kuark digabungkan menjadi zarah asas. Sejak saat itu, Alam Semesta menjadi lautan zarah asas yang menyejukkan. Selepas ini, satu proses bermula yang dipanggil penyatuan besar kuasa asas. Kemudian di Alam Semesta terdapat tenaga yang sepadan dengan tenaga maksimum yang boleh diperolehi dalam pemecut moden. Selepas itu, pengembangan inflasi yang mendadak bermula, dan antizarah hilang pada masa yang sama.