Big bang evolusjon av universet vår galakse. Fremveksten av Big Bang-teorien

I den vitenskapelige verden er det generelt akseptert at universet oppsto som et resultat av Big Bang. Under konstruksjon denne teorien på det faktum at energi og materie (grunnlaget for alle ting) tidligere var i en tilstand av singularitet. Den er på sin side preget av uendelig temperatur, tetthet og trykk. Selve tilstanden av singularitet avviser alle fysikkens lover kjent for den moderne verden. Forskere tror at universet oppsto fra en mikroskopisk partikkel, som av fortsatt ukjente årsaker kom i en ustabil tilstand i en fjern fortid og eksploderte.

Begrepet "Big Bang" begynte å bli brukt i 1949 etter publiseringen av verkene til vitenskapsmannen F. Hoyle i populærvitenskapelige publikasjoner. I dag er teorien om den "dynamiske utviklingsmodellen" så godt utviklet at fysikere kan beskrive prosessene som skjer i universet innen 10 sekunder etter eksplosjonen av en mikroskopisk partikkel som la grunnlaget for alle ting.

Det er flere bevis på teorien. En av de viktigste er den kosmiske mikrobølgebakgrunnsstrålingen, som gjennomsyrer hele universet. Det kunne ha oppstått, ifølge moderne forskere, bare som et resultat av Big Bang, på grunn av samspillet mellom mikroskopiske partikler. Det er reliktstrålingen som lar oss lære om de gangene universet var som et brennende rom, og det var ingen stjerner, planeter og selve galaksen. Det andre beviset på fødselen av alle ting fra Big Bang anses å være det kosmologiske røde skiftet, som består i en reduksjon i frekvensen av stråling. Dette bekrefter fjerningen av stjerner og galakser fra Melkeveien spesielt og fra hverandre generelt. Det vil si at det indikerer at universet ekspanderte tidligere og fortsetter å gjøre det til i dag.

En kort historie om universet

10 -45 - 10 -37 sek- inflasjonsekspansjon

10 -6 sek- fremvekst av kvarker og elektroner

10 -5 sek- dannelse av protoner og nøytroner

10 -4 sek - 3 min- fremvekst av deuterium, helium og litiumkjerner

400 tusen år- dannelse av atomer

15 millioner år- fortsatt utvidelse av gasskyen

1 milliard år- fødselen til de første stjernene og galaksene

10-15 milliarder år- fremveksten av planeter og intelligent liv

10 14 milliarder år- opphør av prosessen med stjernefødsel

10 37 milliarder år- energiutarming av alle stjerner

10 40 milliarder år- fordampning av sorte hull og fødsel elementærpartikler

10 100 milliarder år- fullføring av fordampningen av alle sorte hull

Big Bang-teorien var et virkelig gjennombrudd innen vitenskapen. Det tillot forskere å svare på mange spørsmål angående universets fødsel. Men samtidig ga denne teorien opphav til nye mysterier. Den viktigste er årsaken til selve Big Bang. Det andre spørsmålet som ikke har noe svar moderne vitenskap- hvordan rom og tid dukket opp. Ifølge noen forskere ble de født sammen med materie og energi. Det vil si at de er resultatet av Big Bang. Men så viser det seg at tid og rom må ha en slags begynnelse. Det vil si at en viss enhet, konstant eksisterende og uavhengig av deres indikatorer, kunne godt ha satt i gang prosessene med ustabilitet i den mikroskopiske partikkelen som fødte universet.

Jo mer forskning som utføres i denne retningen, jo flere spørsmål har astrofysikere. Svarene på dem venter på menneskeheten i fremtiden.

« For meg er livet for kort til å bekymre meg for ting utenfor min kontroll og kanskje til og med umulig. Så de spør: "Hva om jorden slukes opp av et sort hull, eller det oppstår en forvrengning av rom-tid - er dette en grunn til bekymring?" Svaret mitt er nei, for vi vil først vite om det når det når vårt... vår plass i rom-tid. Vi får støt når naturen bestemmer at tiden er riktig: det være seg lydens hastighet, lysets hastighet, hastigheten til elektriske impulser - vi vil alltid være ofre for tidsforsinkelsen mellom informasjonen rundt oss og vår evne til å motta den.»

Neil deGrasse Tyson

Tid er en fantastisk ting. Det gir oss fortid, nåtid og fremtid. På grunn av tiden har alt rundt oss en alder. For eksempel er jordens alder omtrent 4,5 milliarder år. For omtrent like mange år siden tok også den nærmeste stjernen til oss, Solen, fyr. Hvis denne figuren virker overveldende for deg, ikke glem det lenge før dannelsen av vår innfødte solsystemet galaksen vi lever i dukket opp - Melkeveien. I følge de siste estimatene fra forskere er Melkeveiens alder 13,6 milliarder år. Men vi vet med sikkerhet at galakser også har en fortid, og verdensrommet er rett og slett enormt, så vi må se enda lenger. Og denne refleksjonen fører oss uunngåelig til øyeblikket da det hele begynte - Big Bang.

Einstein og universet

Folks oppfatning av verden rundt dem har alltid vært tvetydig. Noen mennesker tror fortsatt ikke på eksistensen av et enormt univers rundt oss, andre tror at jorden er flat. Før det vitenskapelige gjennombruddet på 1900-tallet fantes det bare et par versjoner av verdens opprinnelse. Følgere religiøse synspunkter trodde på guddommelig inngripen og skapelse høyere intelligens, de som var uenige ble noen ganger brent. Det var en annen side som trodde at verden rundt oss, så vel som universet, er uendelig.

For mange mennesker endret alt seg da Albert Einstein holdt en tale i 1917, og presenterte sitt livsverk – den generelle relativitetsteorien – for allmennheten. Geniet på 1900-tallet koblet romtid med romspørsmålet ved å bruke ligningene han utledet. Som et resultat viste det seg at universet er begrenset, uendret i størrelse og har formen av en vanlig sylinder.

Ved begynnelsen av det tekniske gjennombruddet kunne ingen tilbakevise Einsteins ord, siden teorien hans var for kompleks selv for de største hjernene på begynnelsen av det 20. århundre. Siden det ikke var andre alternativer, ble modellen av et sylindrisk stasjonært univers akseptert av det vitenskapelige samfunnet som den allment aksepterte modellen for vår verden. Imidlertid var hun i stand til å leve bare noen få år. Etter at fysikere var i stand til å komme seg fra Einsteins vitenskapelige arbeider og begynte å skille dem fra hverandre, parallelt med dette, begynte justeringer av relativitetsteorien og spesifikke beregninger til den tyske forskeren.

I 1922 publiserte tidsskriftet Izvestia Physics plutselig en artikkel av den russiske matematikeren Alexander Friedman, der han uttalte at Einstein tok feil og at universet vårt ikke er stasjonært. Friedman forklarer at den tyske forskerens uttalelser angående uforanderligheten til krumningsradiusen til rommet er misoppfatninger; faktisk endres radius med hensyn til tid. Derfor må universet utvide seg.

Dessuten ga Friedman her sine antakelser om nøyaktig hvordan universet kunne utvide seg. Det var tre modeller totalt: et pulserende univers (antagelsen om at universet utvider seg og trekker seg sammen med en viss periodisitet i tid); det ekspanderende universet fra masse og den tredje modellen – ekspansjon fra et punkt. Siden det på den tiden ikke fantes andre modeller, med unntak av guddommelig intervensjon, noterte fysikere raskt alle tre Friedman-modellene og begynte å utvikle dem i sin egen retning.

Arbeidet til den russiske matematikeren svi litt for Einstein, og samme år publiserte han en artikkel der han uttrykte sine kommentarer til Friedmanns arbeid. I den prøver en tysk fysiker å bevise riktigheten av beregningene hans. Dette viste seg å være ganske lite overbevisende, og da smerten fra slaget til selvtilliten avtok litt, publiserte Einstein et nytt notat i tidsskriftet Izvestia Physics, der han sa:

« I et tidligere innlegg kritiserte jeg arbeidet ovenfor. Men min kritikk, som jeg ble overbevist om fra Friedmans brev, formidlet til meg av Mr. Krutkov, var basert på en feil i beregningene. Jeg tror Friedmans resultater er korrekte og kaster nytt lys».

Forskere måtte innrømme at alle de tre Friedman-modellene av universets utseende og eksistens er absolutt logiske og har rett til liv. Alle tre er forklart med klare matematiske beregninger og etterlater ingen spørsmål. Bortsett fra én ting: hvorfor skulle universet begynne å utvide seg?

Teorien som forandret verden

Uttalelsene til Einstein og Friedman førte til at det vitenskapelige miljøet på alvor stilte spørsmål ved universets opprinnelse. Takk til generell teori relativitetsteorien hadde en sjanse til å kaste lys over vår fortid, og fysikere unnlot ikke å utnytte den. En av forskerne som prøvde å presentere en modell av vår verden var astrofysiker Georges Lemaitre fra Belgia. Det er bemerkelsesverdig at Lemaitre var det katolsk prest, men samtidig studerte han matematikk og fysikk, noe som er skikkelig tull for vår tid.

Georges Lemaitre ble interessert i Einsteins ligninger, og ved hjelp av dem var han i stand til å beregne at universet vårt dukket opp som et resultat av forfallet til en viss superpartikkel, som var utenfor rom og tid før fisjonen begynte, som faktisk kan betraktes som en eksplosjon. Samtidig bemerker fysikere at Lemaitre var den første som kastet lys over universets fødsel.

Teorien om et eksplodert superatom passet ikke bare forskere, men også presteskapet, som var svært misfornøyd med moderne vitenskapelige funn, der vi måtte komme med nye tolkninger av Bibelen. Big Bang kom ikke i nevneverdig konflikt med religion; kanskje var dette påvirket av oppveksten til Lemaître selv, som viet livet sitt ikke bare til vitenskap, men også til å tjene Gud.

Den 22. november 1951 ga pave Pius XII en uttalelse om at Big Bang Theory ikke er i konflikt med Bibelen og det katolske dogmet om verdens opprinnelse. Ortodokse presteskap uttalte også at de ser positivt på denne teorien. Denne teorien ble også relativt nøytralt mottatt av tilhengere av andre religioner, noen av dem sa til og med at det var referanser til Big Bang i deres hellige skrifter.

Til tross for at Big Bang Theory for tiden er den allment aksepterte kosmologiske modellen, har den ført mange forskere inn i en blindvei. På den ene siden passet eksplosjonen av en superpartikkel perfekt inn i logikken moderne fysikk, men på den annen side, som et resultat av en slik eksplosjon, hovedsakelig bare tungmetaller, spesielt jern. Men som det viste seg, består universet hovedsakelig av ultralette gasser - hydrogen og helium. Noe stemte ikke, så fysikere fortsatte å jobbe med teorien om verdens opprinnelse.

Opprinnelig eksisterte ikke begrepet "Big Bang". Lemaître og andre fysikere tilbød bare det kjedelige navnet "dynamisk evolusjonsmodell", som forårsaket gjesp blant studenter. Først i 1949, på en av forelesningene hans, sa den britiske astronomen og kosmologen Freud Hoyle:

"Denne teorien er basert på antagelsen om at universet oppsto i prosessen med en enkelt kraftig eksplosjon og derfor eksisterer bare i en begrenset tid... Denne ideen om et Big Bang virker for meg fullstendig utilfredsstillende.".

Siden den gang har begrepet blitt mye brukt i vitenskapelige kretser og allmennhetens forståelse av universets struktur.

Hvor kom hydrogen og helium fra?

Tilstedeværelsen av lette elementer har forvirret fysikere, og mange tilhengere av Big Bang Theory satte ut for å finne deres kilde. I mange år klarte de ikke å oppnå spesiell suksess, inntil i 1948 var den briljante vitenskapsmannen George Gamow fra Leningrad endelig i stand til å fastslå denne kilden. Gamow var en av Friedmans elever, så han tok gjerne på seg utviklingen av lærerens teori.

Gamow prøvde å forestille seg universets liv i motsatt retning, og spole tilbake tiden til øyeblikket da det nettopp begynte å utvide seg. På den tiden, som vi vet, hadde menneskeheten allerede oppdaget prinsippene for termonukleær fusjon, så Friedmann-Lemaitre-teorien fikk retten til liv. Da universet var veldig lite, var det veldig varmt, i henhold til fysikkens lover.

Ifølge Gamow, bare et sekund etter Big Bang, ble rommet til det nye universet fylt med elementære partikler som begynte å samhandle med hverandre. Som et resultat av dette begynte termonukleær fusjon av helium, som Odessa-matematikeren Ralph Asher Alfer var i stand til å beregne for Gamow. I følge Alfers beregninger, bare fem minutter etter Big Bang, ble universet fylt med helium så mye at selv innbitte motstandere av Big Bang Theory vil måtte forsone seg med og akseptere denne modellen som den viktigste innen kosmologi. Med sin forskning åpnet Gamow ikke bare nye måter å studere universet på, men gjenopplivet Lemaîtres teori.

Til tross for stereotypiene om forskere, kan de ikke nektes romantikk. Gamow publiserte sin forskning på teorien om et superhot univers på tidspunktet for Big Bang i 1948 i sitt arbeid "The Origin of kjemiske elementer" Som medassistenter indikerte han ikke bare Ralph Asher Alpher, men også Hans Bethe, en amerikansk astrofysiker og fremtidig prisvinner Nobel pris. På forsiden av boken viste det seg: Alpher, Bethe, Gamow. Minner deg ikke om noe?

Men til tross for at Lemaîtres verk fikk et nytt liv, kunne fysikere fortsatt ikke svare på det mest spennende spørsmålet: hva skjedde før Big Bang?

Forsøk på å gjenopplive Einsteins stasjonære univers

Ikke alle vitenskapsmenn var enige i Friedmann-Lemaitre-teorien, men til tross for dette måtte de undervise i den allment aksepterte kosmologiske modellen ved universiteter. For eksempel trodde astronomen Fred Hoyle, som selv laget begrepet "Big Bang", faktisk at det ikke var noen eksplosjon, og viet livet sitt til å prøve å bevise det.
Hoyle ble en av de forskerne som i vår tid foreslår alternativt utseende på moderne verden. De fleste fysikere er ganske kule når det gjelder uttalelsene til slike mennesker, men dette plager dem ikke i det hele tatt.

For å gjøre Gamow og hans begrunnelse for Big Bang Theory til skamme, bestemte Hoyle og likesinnede seg for å utvikle sin egen modell for universets opprinnelse. Som grunnlag tok de Einsteins forslag om at universet er stasjonært, og gjorde noen justeringer som antydet alternative årsaker til utvidelsen av universet.

Hvis tilhengere av Lemaitre-Friedmann-teorien trodde at universet oppsto fra ett enkelt supertett punkt med en uendelig liten radius, foreslo Hoyle at materie stadig dannes fra punkter som er plassert mellom galakser som beveger seg bort fra hverandre. I det første tilfellet ble hele universet, med dets uendelige antall stjerner og galakser, dannet av én partikkel. I et annet tilfelle gir ett punkt nok stoff til å produsere bare én galakse.

Feilen i Hoyles teori er at han aldri var i stand til å forklare hvor selve stoffet som fortsetter å skape galakser som inneholder hundrevis av milliarder stjerner kommer fra. Faktisk antydet Fred Hoyle at alle tror at universets struktur dukker opp fra ingensteds. Til tross for at mange fysikere prøvde å finne en løsning på Hoyles teori, lyktes ingen med dette, og etter et par tiår mistet dette forslaget sin relevans.

Ubesvarte spørsmål

Faktisk gir Big Bang Theory oss heller ikke svar på mange spørsmål. For eksempel i sinnet vanlig person Vi kan ikke fatte det faktum at all materie rundt oss en gang ble komprimert til ett singularitetspunkt, som er mye mindre i størrelse enn et atom. Og hvordan gikk det til at denne superpartikkelen ble varmet opp i en slik grad at en eksplosjonsreaksjon startet.

Fram til midten av 1900-tallet ble teorien om det ekspanderende universet aldri bekreftet eksperimentelt, og var derfor ikke utbredt i utdanningsinstitusjoner. Alt endret seg i 1964, da to amerikanske astrofysikere – Arno Penzias og Robert Wilson – bestemte seg for å studere radiosignaler fra stjernehimmelen.

Mens de skannet strålingen fra himmellegemer, nemlig Cassiopeia A (en av de kraftigste kildene til radioutslipp på stjernehimmelen), la forskerne merke til noe fremmed støy som konstant forstyrret registrering av nøyaktige strålingsdata. Uansett hvor de pekte antennen, uansett når på døgnet de begynte forskningen, fulgte denne karakteristiske og konstante støyen dem alltid. Til en viss grad sinte bestemte Penzias og Wilson seg for å studere kilden til denne støyen og gjorde uventet en oppdagelse som forandret verden. De oppdaget reliktstråling, som er et ekko av den samme Big Bang.

Universet vårt avkjøles mye saktere enn en kopp varm te, og CMB antyder at saken rundt oss en gang var veldig varm, og nå avkjøles når universet utvides. Dermed ble alle teorier knyttet til det kalde universet etterlatt, og Big Bang Theory ble til slutt vedtatt.

I sine skrifter antok Georgy Gamow at det i verdensrommet ville være mulig å oppdage fotoner som har eksistert siden Big Bang; alt som behøvdes var mer avansert teknisk utstyr. Reliktstrålingen bekreftet alle hans antagelser om eksistensen av universet. Det var også mulig å fastslå at universets alder er omtrent 14 milliarder år.

Som alltid, når praktisk bevis enhver teori, mange alternative meninger oppstår umiddelbart. Noen fysikere latterliggjorde oppdagelsen av den kosmiske mikrobølgebakgrunnsstrålingen som bevis på Big Bang. Selv om Penzias og Wilson vant Nobelprisen for sin historiske oppdagelse, var det mange som var uenige i forskningen deres.

Hovedargumentene til fordel for svikt i utvidelsen av universet var inkonsekvenser og logiske feil. For eksempel akselererte eksplosjonen alle galakser i verdensrommet like mye, men i stedet for å bevege seg bort fra oss, nærmer Andromeda-galaksen seg sakte men sikkert Melkeveien. Forskere antyder at disse to galaksene vil kollidere med hverandre om bare 4 milliarder år. Dessverre er menneskeheten fortsatt for ung til å svare på dette og andre spørsmål.

Likevektsteori

I dag tilbyr fysikere ulike modeller for universets eksistens. Mange av dem tåler ikke selv enkel kritikk, mens andre får livets rett.

På slutten av 1900-tallet foreslo den amerikanske astrofysikeren Edward Tryon sammen med sin australske kollega Warren Kerry en grunnleggende ny modell Universet, og gjorde det uavhengig av hverandre. Forskere baserte sin forskning på antagelsen om at alt i universet er balansert. Masse ødelegger energi og omvendt. Dette prinsippet begynte å bli kalt prinsippet om Zero Universe. Innenfor dette universet oppstår ny materie ved singularitetspunkter mellom galakser, hvor tiltrekning og frastøting av materie er balansert.

Teorien om Null-universet ble ikke revet i filler fordi forskere etter en tid var i stand til å oppdage eksistensen av mørk materie - en mystisk substans som nesten 27% av universet vårt består av. Ytterligere 68,3 % av universet består av den mer mystiske og mystiske mørke energien.

Det er på grunn av gravitasjonseffekter mørk energi og er kreditert med å akselerere utvidelsen av universet. Forresten, tilstedeværelsen av mørk energi i rommet ble spådd av Einstein selv, som så at noe i ligningene hans ikke konvergerte; universet kunne ikke gjøres stasjonært. Derfor introduserte han den kosmologiske konstanten i ligningene - Lambda-begrepet, som han så gjentatte ganger skyldte seg selv og hatet seg selv for.

Det hendte slik at det teoretisk tomme rommet i universet likevel er fylt med et eller annet spesialfelt, som setter Einsteins modell ut i livet. I et nøkternt sinn og i henhold til datidens logikk var eksistensen av et slikt felt ganske enkelt umulig, men faktisk visste den tyske fysikeren rett og slett ikke hvordan han skulle beskrive mørk energi.

***
Vi vet kanskje aldri hvordan og fra hva universet vårt oppsto. Det vil være enda vanskeligere å fastslå hva som skjedde før det eksisterte. Folk har en tendens til å frykte det de ikke kan forklare, så det er mulig at menneskeheten frem til tidens ende også vil tro på guddommelig innflytelse i skapelsen av verden rundt oss.

Svaret på spørsmålet "Hva er Big Bang?" kan fås under en lang diskusjon, siden det tar mye tid. Jeg skal prøve å forklare denne teorien kort og konkret. Så, Big Bang-teorien postulerer at universet vårt plutselig ble til for omtrent 13,7 milliarder år siden (alt kom fra ingenting). Og det som skjedde da påvirker fortsatt hvordan og på hvilke måter alt i universet samhandler med hverandre. La oss vurdere nøkkelpunktene i teorien.

Hva skjedde før Big Bang?

Big Bang-teorien inkluderer et veldig interessant konsept - singularitet. Jeg vedder på at dette får deg til å lure på: hva er en singularitet? Astronomer, fysikere og andre forskere stiller også dette spørsmålet. Singulariteter antas å eksistere i kjernene til sorte hull. Et svart hull er et område med intenst gravitasjonstrykk. Dette trykket er ifølge teorien så intenst at stoffet komprimeres til det har en uendelig tetthet. Denne uendelige tettheten kalles singularitet. Vårt univers skal ha startet som en av disse uendelig små, uendelig varme, uendelig tette singularitetene. Vi har imidlertid ennå ikke kommet til selve Big Bang. The Big Bang er øyeblikket da denne singulariteten plutselig "eksploderte" og begynte å utvide seg og skapte universet vårt.

Big Bang-teorien ser ut til å antyde at tid og rom eksisterte før universet vårt ble til. Imidlertid utviklet Stephen Hawking, George Ellis og Roger Penrose (og andre) en teori på slutten av 1960-tallet som forsøkte å forklare at tid og rom ikke eksisterte før utvidelsen av singulariteten. Med andre ord, verken tid eller rom eksisterte før universet eksisterte.

Hva skjedde etter Big Bang?

Øyeblikket for Big Bang er øyeblikket for tidenes begynnelse. Etter Big Bang, men lenge før det første sekundet (10 -43 sekunder), opplever verdensrommet ultrarask inflasjonsutvidelse, og ekspanderer 1050 ganger på en brøkdel av et sekund.

Deretter avtar utvidelsen, men det første sekundet har ennå ikke kommet (kun 10 -32 sekunder igjen). I dette øyeblikket er universet en kokende "buljong" (med en temperatur på 10 27 ° C) av elektroner, kvarker og andre elementære partikler.

Den raske avkjølingen av rommet (opptil 10 13 °C) gjør at kvarker kan kombineres til protoner og nøytroner. Det første sekundet har imidlertid ikke kommet ennå (det er fortsatt bare 10 -6 sekunder).

Etter 3 minutter, for varmt til å kombineres til atomer, hindrer de ladede elektronene og protonene utslipp av lys. Universet er en supervarm tåke (10 8 °C).

Etter 300 000 år avkjøles universet til 10 000 °C, elektroner med protoner og nøytroner danner atomer, hovedsakelig hydrogen og helium.

1 milliard år etter Big Bang, da temperaturen i universet nådde -200 °C, danner hydrogen og helium gigantiske "skyer" som senere vil bli galakser. De første stjernene dukker opp.

12. Hva forårsaket Big Bang?

Fremvekstens paradoks

Ikke en av forelesningene om kosmologi som jeg noen gang har lest var komplett uten spørsmålet om hva som forårsaket Big Bang? Inntil for noen år siden visste jeg ikke det virkelige svaret; i dag, tror jeg, han er berømt.

I hovedsak inneholder dette spørsmålet to spørsmål i tilslørt form. Først vil vi gjerne vite hvorfor utviklingen av universet begynte med en eksplosjon og hva som forårsaket denne eksplosjonen i utgangspunktet. Men for sakens skyld fysisk problem et annet, dypere problem av filosofisk art er skjult. Hvis Big Bang markerer begynnelsen på universets fysiske eksistens, inkludert fremveksten av rom og tid, i hvilken forstand kan vi snakke om hva som forårsaket denne eksplosjonen?

Fra et fysikksynspunkt virker den plutselige fremveksten av universet som et resultat av en gigantisk eksplosjon til en viss grad paradoksalt. Av de fire interaksjonene som styrer verden, er det bare tyngdekraften som manifesterer seg på en kosmisk skala, og som vår erfaring viser, har tyngdekraften karakter av tiltrekning. Imidlertid krevde eksplosjonen som markerte universets fødsel tilsynelatende en frastøtende kraft av utrolig størrelse, som kunne rive kosmos i filler og forårsake utvidelse, som fortsetter til i dag.

Dette virker rart, for hvis gravitasjonskrefter dominerer i universet, bør det ikke utvide seg, men trekke seg sammen. Ja, gravitasjonskrefter får fysiske objekter til å krympe i stedet for å eksplodere. For eksempel mister en veldig tett stjerne sin evne til å tåle sin egen vekt og kollapser og dannes nøytronstjerne eller et svart hull. Graden av kompresjon av materie i det tidlige universet var betydelig høyere enn for den tetteste stjernen; Derfor oppstår ofte spørsmålet om hvorfor det urkosmos ikke kollapset i et sort hull helt fra begynnelsen.

Det vanlige svaret på dette er at primæreksplosjonen ganske enkelt skal tas som innledende tilstand. Dette svaret er tydeligvis utilfredsstillende og skaper forvirring. Selvfølgelig, under påvirkning av tyngdekraften, har hastigheten av kosmisk ekspansjon vært kontinuerlig redusert helt fra begynnelsen, men i det øyeblikket det ble født, utvidet universet seg uendelig raskt. Eksplosjonen ble ikke forårsaket av noen kraft - utviklingen av universet begynte ganske enkelt med utvidelse. Hvis eksplosjonen hadde vært mindre sterk, ville tyngdekraften veldig snart ha forhindret spredning av materie. Som et resultat ville utvidelsen vike for kompresjon, som ville bli katastrofal og gjøre universet til noe som ligner på et svart hull. Men i virkeligheten viste eksplosjonen seg å være ganske "stor", noe som gjorde det mulig for universet, etter å ha overvunnet sin egen tyngdekraft, enten å fortsette å utvide seg for alltid på grunn av kraften fra den primære eksplosjonen, eller i det minste å eksistere for mange milliarder år før de ble komprimert og forsvant inn i glemselen.

Problemet med dette tradisjonelle bildet er at det på ingen måte forklarer Big Bang. Den grunnleggende egenskapen til universet blir igjen ganske enkelt tolket som den aksepterte startbetingelsen ad hoc(for dette tilfellet); I hovedsak står det bare at Big Bang fant sted. Det er fortsatt uklart hvorfor eksplosjonens kraft var akkurat som den var og ikke en annen. Hvorfor var ikke eksplosjonen enda sterkere slik at universet utvider seg mye raskere nå? Man kan også spørre hvorfor universet for tiden ikke utvider seg mye saktere eller trekker seg sammen i det hele tatt. Selvfølgelig, hvis eksplosjonen ikke var kraftig nok, ville universet snart kollapse, og det ville ikke være noen til å stille slike spørsmål. Det er imidlertid lite sannsynlig at slike resonnementer kan tas som en forklaring.

Med flere detaljert analyse Det viser seg at paradokset med universets opprinnelse faktisk er enda mer komplekst enn beskrevet ovenfor. Nøysomme målinger viser at ekspansjonshastigheten til universet er veldig nær den kritiske verdien som universet er i stand til å overvinne sin egen tyngdekraft og ekspandere for alltid. Hvis denne hastigheten var litt mindre, ville universets kollaps ha skjedd, og hvis det var litt mer, ville kosmisk materie ha forsvunnet fullstendig for lenge siden. Det vil være interessant å finne ut hvor nøyaktig ekspansjonshastigheten til universet faller innenfor dette svært smale akseptable intervallet mellom to mulige katastrofer. Hvis i et tidsøyeblikk tilsvarende 1 s, når ekspansjonsmønsteret allerede er klart definert, vil ekspansjonshastigheten avvike fra dens reelle verdi med mer enn 10^-18, vil dette være tilstrekkelig for fullstendig brudd delikat balanse. Dermed samsvarer kraften fra universets eksplosjon med nesten utrolig nøyaktighet til dets gravitasjonsinteraksjon. Big Bang er derfor ikke bare en fjern eksplosjon - det var en eksplosjon av en veldig spesifikk kraft. I den tradisjonelle versjonen av Big Bang-teorien må man ikke bare akseptere selve eksplosjonen, men også det faktum at eksplosjonen skjedde på en ekstremt finurlig måte. Med andre ord viser startforholdene seg å være ekstremt spesifikke.

Utvidelseshastigheten til universet er bare en av flere åpenbare rommysterier. Den andre er relatert til bildet av universets utvidelse i verdensrommet. I følge moderne observasjoner. Universet i store skalaer er ekstremt homogent når det gjelder fordeling av materie og energi. Den globale strukturen i rommet er nesten den samme både når den observeres fra Jorden og fra en fjern galakse. Galakser er spredt i verdensrommet med samme gjennomsnittlige tetthet, og fra hvert punkt ser universet likt ut i alle retninger. Den primære termiske strålingen som fyller universet faller på jorden, og har samme temperatur i alle retninger med en nøyaktighet på ikke mindre enn 10-4. På vei til oss går denne strålingen gjennom verdensrommet i milliarder av lysår og bærer preg av ethvert avvik fra homogenitet den møter.

Universets storskalahomogenitet opprettholdes når universet ekspanderer. Det følger at ekspansjonen skjer jevnt og isotropisk med en meget høy grad av nøyaktighet. Dette betyr at universets ekspansjonshastighet ikke bare er den samme i alle retninger, men også konstant i forskjellige regioner. Hvis universet ekspanderte raskere i én retning enn i andre, ville dette føre til en reduksjon i temperaturen i bakgrunnen termisk stråling i denne retningen ville endre bildet av galaksebevegelsen synlig fra jorden. Dermed begynte utviklingen av universet ikke bare med en eksplosjon av en strengt definert kraft - eksplosjonen var tydelig "organisert", dvs. skjedde samtidig, med nøyaktig samme kraft på alle punkter og i alle retninger.

Det er ekstremt usannsynlig at et slikt samtidig og samordnet utbrudd kan skje rent spontant, og denne tvilen forsterkes av tradisjonell teori Big Bang er at ulike regioner i det opprinnelige kosmos ikke er kausalt relatert til hverandre. Faktum er at ifølge relativitetsteorien kan ingen fysisk effekt forplante seg raskere enn lys. Følgelig kan forskjellige områder av rommet bli kausalt forbundet med hverandre først etter at en viss tidsperiode har gått. For eksempel, 1 s etter eksplosjonen, kan lys reise en avstand på ikke mer enn ett lyssekund, som tilsvarer 300 tusen km. Regioner i universet atskilt med stor avstand vil fortsatt ikke påvirke hverandre etter 1 s. Men i dette øyeblikket okkuperte området av universet vi observerte allerede en plass på minst 10^14 km i diameter. Derfor besto universet av omtrent 10^27 kausalt relatert venn med hverandre områder, som likevel utvidet seg med nøyaktig samme hastighet. Selv i dag observerer termisk kosmisk stråling som kommer fra motsatte sider stjernehimmel, registrerer vi nøyaktig de samme "fingeravtrykkene" av regioner i universet atskilt med enorme avstander: disse avstandene viser seg å være mer enn 90 ganger større enn avstanden som lyset kunne reise fra øyeblikket av utslipp av termisk stråling.

Hvordan forklare en så bemerkelsesverdig sammenheng mellom forskjellige romområder som åpenbart aldri var forbundet med hverandre? Hvordan oppsto en slik lignende oppførsel? Det tradisjonelle svaret viser igjen til spesielle startforhold. Den eksepsjonelle homogeniteten til egenskapene til den primære eksplosjonen betraktes ganske enkelt som et faktum: dette er hvordan universet oppsto.

Universets storskalahomogenitet ser enda mer mystisk ut hvis vi tenker på at universet i små skalaer på ingen måte er homogent. Eksistensen av individuelle galakser og galaksehoper indikerer et avvik fra streng homogenitet, og dette avviket er også overalt det samme i skala og størrelse. Fordi tyngdekraften har en tendens til å forstørre enhver innledende akkumulering av materie, var graden av heterogenitet som kreves for å danne galakser mye mindre under Big Bang enn den er nå. Imidlertid må det fortsatt ha vært en viss inhomogenitet i startfasen av Big Bang, ellers ville galakser aldri ha blitt dannet. I den gamle Big Bang-teorien ble disse tidlige diskontinuitetene også tilskrevet «initielle forhold». Derfor måtte vi tro at utviklingen av universet ikke begynte fra en fullstendig ideell tilstand, men fra en ekstremt uvanlig tilstand.

Alt som er sagt kan oppsummeres som følger: hvis den eneste kraften i universet er gravitasjonsattraksjon, så bør Big Bang tolkes som "sendt fra Gud", dvs. uten årsak, med gitte startbetingelser. Den er også preget av bemerkelsesverdig konsistens; for å komme frem til den nåværende strukturen, må universet ha utviklet seg riktig helt fra begynnelsen. Dette er paradokset for universets opprinnelse.

Søk etter antigravitasjon

Paradokset rundt universets opprinnelse har blitt løst først de siste årene; Imidlertid kan den grunnleggende ideen om løsningen spores tilbake til fjern historie, til en tid da verken teorien om utvidelsen av universet eller Big Bang-teorien eksisterte. Newton forsto også hvor vanskelig problemet med universets stabilitet var. Hvordan opprettholder stjerner sin posisjon i verdensrommet uten støtte? Den universelle naturen til gravitasjonsattraksjon skulle ha ført til at stjerner ble trukket sammen til klynger nær hverandre.

For å unngå denne absurditeten, tydde Newton til et veldig nysgjerrig resonnement. Hvis universet skulle kollapse under sin egen tyngdekraft, ville hver stjerne "falle" mot midten av stjernehopen. Anta imidlertid at universet er uendelig og at stjernene i gjennomsnitt er jevnt fordelt over uendelig plass. I dette tilfellet ville det ikke være noe felles senter i det hele tatt, som alle stjernene kunne falle mot - tross alt, i et uendelig univers er alle områder identiske. Enhver stjerne vil oppleve påvirkningen av gravitasjonsattraksjonen til alle naboene, men på grunn av gjennomsnittet av disse påvirkningene i forskjellige retninger, vil det ikke være noen resulterende kraft som har en tendens til å flytte en gitt stjerne til en bestemt posisjon i forhold til hele settet med stjerner .

Da Einstein skapte en ny teori om tyngdekraften 200 år etter Newton, ble han også forundret over problemet med hvordan universet unngikk kollaps. Hans første arbeid om kosmologi ble publisert før Hubble oppdaget utvidelsen av universet; derfor antok Einstein, i likhet med Newton, at universet var statisk. Einstein prøvde imidlertid å løse problemet med universets stabilitet på en mye mer direkte måte. Han mente at for å forhindre sammenbruddet av universet under påvirkning av dets egen tyngdekraft, måtte det være en annen kosmisk kraft som kunne motstå tyngdekraften. Denne kraften må være en frastøtende kraft i stedet for en attraktiv for å kompensere for gravitasjonskraften. I denne forstand kan en slik kraft kalles "antigravitasjon", selv om det ville være mer korrekt å snakke om kraften til kosmisk frastøtelse. Einstein i dette tilfellet oppfant ikke bare denne kraften vilkårlig. Han viste at det er mulig å introdusere et tilleggsbegrep i ligningene hans av gravitasjonsfeltet, som fører til utseendet til en kraft med de ønskede egenskapene.

Til tross for at ideen om en frastøtende kraft mot tyngdekraften i seg selv er ganske enkel og naturlig, viser egenskapene til en slik kraft seg å være helt uvanlige. Selvfølgelig har ingen slik kraft blitt lagt merke til på jorden, og ingen antydning til det har blitt oppdaget i løpet av flere århundrer med planetarisk astronomi. Det er klart, hvis kraften til kosmisk frastøtning eksisterer, bør den ikke ha noen merkbar effekt på små avstander, men dens størrelse øker betydelig på astronomisk skala. Denne oppførselen motsier all tidligere erfaring med å studere krefters natur: de er vanligvis intense på korte avstander og svekkes med økende avstand. Dermed avtar elektromagnetiske og gravitasjonsinteraksjoner kontinuerlig i henhold til den omvendte kvadratloven. Men i Einsteins teori dukket det naturligvis opp en kraft med slike ganske uvanlige egenskaper.

Man bør ikke tenke på kraften til kosmisk frastøtning introdusert av Einstein som den femte interaksjonen i naturen. Det er bare en bisarr manifestasjon av selve tyngdekraften. Det er ikke vanskelig å vise at effektene av kosmisk frastøtning kan tilskrives vanlig gravitasjon dersom et medium med uvanlige egenskaper velges som kilde til gravitasjonsfeltet. Regelmessig materielle omgivelser(f.eks. gass) utøver trykk, mens det hypotetiske mediet som er diskutert her burde ha negativ trykk eller spenning. For å tydeligere forestille oss hva vi snakker om, la oss forestille oss at vi klarte å fylle et kar med en slik kosmisk substans. Da, i motsetning til vanlig gass, vil det hypotetiske rommiljøet ikke legge press på karets vegger, men vil ha en tendens til å trekke dem inn i karet.

Dermed kan vi betrakte kosmisk frastøtning som et slags komplement til tyngdekraften, eller som et fenomen på grunn av vanlig tyngdekraft som ligger i et usynlig gassformig medium som fyller hele rommet og har et undertrykk. Det er ingen motsetning i det faktum at på den ene siden ser det ut til at det negative trykket suger inn i fartøyets vegg, og på den andre siden avviser dette hypotetiske miljøet galakser i stedet for å tiltrekke dem. Tross alt er frastøting forårsaket av miljøets tyngdekraft, og ikke av noen mekanisk handling. I alle fall skapes de mekaniske kreftene ikke av selve trykket, men av trykkforskjellen, men det antas at det hypotetiske mediet fyller hele rommet. Det kan ikke begrenses veggene til fartøyet, og en observatør i dette miljøet ville ikke oppfatte det som et håndgripelig stoff i det hele tatt. Plassen ville se ut og føles helt tom.

Til tross for slike fantastiske trekk ved det hypotetiske miljøet, erklærte Einstein på et tidspunkt at han hadde bygget en tilfredsstillende modell av universet, der det opprettholdes en balanse mellom gravitasjonsattraksjon og den kosmiske frastøtningen han oppdaget. Ved å bruke enkle beregninger estimerte Einstein størrelsen på den kosmiske frastøtningskraften som kreves for å balansere tyngdekraften i universet. Han var i stand til å bekrefte at frastøtningen må være så liten i solsystemet (og til og med på Galaxy-skalaen) at den ikke kan oppdages eksperimentelt. En tid så det ut til at det eldgamle mysteriet hadde blitt løst på en glimrende måte.

Men da endret situasjonen seg til det verre. Først av alt oppsto problemet med likevektsstabilitet. Einsteins grunnleggende idé var basert på en streng balanse mellom attraktive og frastøtende krefter. Men, som i mange tilfeller av streng balanse, dukket også subtile detaljer opp. Hvis for eksempel Einsteins statiske univers skulle utvide seg litt, så ville gravitasjonsattraksjonen (svekkes med avstand) avta litt, mens kraften til kosmisk frastøtning (øker med avstand) ville øke litt. Dette ville føre til en ubalanse til fordel for frastøtende krefter, noe som ville føre til ytterligere ubegrenset utvidelse av universet under påvirkning av altovervinnende frastøtelse. Hvis tvert imot Einsteins statiske univers skulle krympe litt, ville gravitasjonskraften øke og kraften til kosmisk frastøtelse ville avta, noe som ville føre til en ubalanse til fordel for tiltrekningskreftene og, som en konsekvens, til en evig raskere kompresjon, og til slutt til kollapsen som Einstein trodde han hadde unngått. Dermed, med det minste avvik, ville den strenge balansen bli forstyrret, og romkatastrofe ville være uunngåelig.

Senere, i 1927, oppdaget Hubble fenomenet galaksers resesjon (dvs. utvidelsen av universet), noe som gjorde problemet med likevekt meningsløst. Det ble klart at universet ikke er i fare for komprimering og kollaps, siden det utvider seg. Hvis Einstein ikke hadde blitt distrahert av søket etter kraften til kosmisk frastøtning, ville han sannsynligvis ha kommet til denne konklusjonen teoretisk, og dermed forutsagt utvidelsen av universet godt ti år tidligere enn astronomene klarte å oppdage det. En slik spådom vil utvilsomt gå inn i vitenskapshistorien som en av de mest fremragende (en slik spådom ble gjort på grunnlag av Einsteins ligning i 1922-1923 av professor ved Petrograd University A. A. Friedman). Til slutt måtte Einstein sint gi avkall på kosmisk frastøtelse, som han senere anså som «det mest». stor tabbe eget liv". Dette er imidlertid ikke slutten på historien.

Einstein oppfant kosmisk frastøtning for å løse det ikke-eksisterende problemet med et statisk univers. Men, som alltid skjer, når anden er ute av flasken, er det umulig å sette den tilbake. Ideen om at dynamikken i universet kan skyldes konfrontasjonen mellom kreftene til tiltrekning og frastøting fortsatte å leve. Og selv om astronomiske observasjoner ikke ga noen bevis på eksistensen av kosmisk frastøtelse, kunne de ikke bevise fraværet - det kunne rett og slett være for svakt til å manifestere seg.

Selv om Einsteins gravitasjonsfeltligninger tillater tilstedeværelsen av en frastøtende kraft, legger de ikke begrensninger på størrelsen. Lært av bitter erfaring, hadde Einstein rett til å postulere at størrelsen på denne kraften er strengt tatt lik null, og dermed fullstendig eliminert frastøting. Dette var imidlertid på ingen måte nødvendig. Noen forskere fant det nødvendig å beholde frastøtelsen i ligningene, selv om dette ikke lenger var nødvendig fra det opprinnelige problemets synspunkt. Disse forskerne mente at i mangel av skikkelige bevis, var det ingen grunn til å tro at den frastøtende kraften var null.

Det var ikke vanskelig å spore konsekvensene av å opprettholde den frastøtende kraften i scenariet med et ekspanderende univers. På de tidlige stadiene av utviklingen, når universet fortsatt er i en komprimert tilstand, kan frastøting neglisjeres. I løpet av denne fasen bremset gravitasjonsattraksjonen ekspansjonshastigheten - i fullstendig analogi med måten jordens tyngdekraft bremser bevegelsen til en rakett som ble skutt vertikalt oppover. Hvis vi uten forklaring aksepterer at utviklingen av universet begynte med rask ekspansjon, bør tyngdekraften konstant redusere ekspansjonshastigheten til verdien observert i dag. Over tid, ettersom materie forsvinner, svekkes gravitasjonsinteraksjonen. I stedet øker den kosmiske frastøtningen når galakser fortsetter å bevege seg bort fra hverandre. Til syvende og sist vil frastøting overvinne gravitasjonstiltrekningen og ekspansjonshastigheten til universet vil begynne å øke igjen. Fra dette kan vi konkludere med at kosmisk frastøtelse dominerer i universet, og ekspansjonen vil fortsette for alltid.

Astronomer har vist at denne uvanlige oppførselen til universet, når ekspansjonen først bremses ned og deretter akselererer igjen, bør gjenspeiles i den observerte bevegelsen til galakser. Men med den mest forsiktige astronomiske observasjoner Det har ikke vært mulig å identifisere noen overbevisende bevis for slik oppførsel, selv om det fra tid til annen har blitt fremsatt påstander om det motsatte.

Det er interessant at ideen om et ekspanderende univers ble fremmet av den nederlandske astronomen Wilem de Sitter tilbake i 1916 - mange år før Hubble eksperimentelt oppdaget dette fenomenet. De Sitter hevdet at hvis vanlig materie fjernes fra universet, vil gravitasjonsattraksjonen forsvinne, og frastøtende krefter vil regjere i verdensrommet. Dette ville føre til utvidelse av universet - på den tiden var dette en nyskapende idé.

Siden observatøren ikke er i stand til å oppfatte det merkelige usynlige gassformige mediet med negativt trykk, vil det ganske enkelt se ut for ham som om det tomme rommet utvider seg. Utvidelsen kunne oppdages ved å henge testkropper på forskjellige steder og observere deres avstand fra hverandre. Ideen om å utvide tomt rom ble ansett som en kuriositet på den tiden, selv om det, som vi vil se, viste seg å være profetisk.

Så, hvilken konklusjon kan trekkes fra denne historien? Det faktum at astronomer ikke oppdager kosmisk frastøtning kan ennå ikke tjene som logisk bevis på fraværet i naturen. Det er godt mulig at den rett og slett er for svak til å bli registrert moderne enheter. Nøyaktigheten av observasjonen er alltid begrenset, og derfor kan bare den øvre grensen for denne kraften estimeres. Det kan argumenteres mot dette at naturlovene fra et estetisk synspunkt ville se enklere ut i fravær av kosmisk frastøtelse. Slike diskusjoner trakk ut i mange år uten at det førte til visse resultater, helt til problemet plutselig ble sett på fra et helt nytt perspektiv, noe som ga det uventet relevans.

Inflasjon: Big Bang forklart

I tidligere avsnitt sa vi at hvis kraften til kosmisk frastøtning eksisterer, så må den være veldig svak, så svak at den ikke vil ha noen signifikant effekt på Big Bang. Denne konklusjonen er imidlertid basert på antakelsen om at størrelsen på frastøtingen ikke endres med tiden. På Einsteins tid ble denne oppfatningen delt av alle forskere, siden kosmisk frastøtelse ble introdusert i teorien "menneskeskapt". Det gikk aldri opp for noen at kosmisk frastøtelse kunne bli tilkalt andre fysiske prosesser som oppstår når universet utvider seg. Hvis en slik mulighet hadde vært gitt, kunne kosmologien ha vist seg å være annerledes. Spesielt er et scenario for utviklingen av universet ikke utelukket, som antar at under de ekstreme forholdene i de tidlige stadiene av evolusjonen seiret kosmisk frastøtelse over tyngdekraften et øyeblikk, noe som fikk universet til å eksplodere, hvoretter dets rolle praktisk talt var redusert til null.

Dette generelle bildet kommer fra nyere arbeid med å studere oppførselen til materie og krefter i de tidlige stadiene av universets utvikling. Det ble klart at den gigantiske kosmiske frastøtelsen var det uunngåelige resultatet av supermaktens handling. Så "antigravitasjonen" som Einstein sendte ut døren kom tilbake gjennom vinduet!

Nøkkelen til å forstå den nye oppdagelsen av kosmisk frastøtning kommer fra naturen til kvantevakuumet. Vi har sett hvordan slik frastøtning kan være forårsaket av et uvanlig usynlig medium, som ikke kan skilles fra tomt rom, men som har negativt trykk. I dag tror fysikere at kvantevakuumet har nettopp disse egenskapene.

I kapittel 7 ble det bemerket at vakuumet skulle betraktes som et slags "enzym" av kvanteaktivitet, fylt av virtuelle partikler og mettet komplekse interaksjoner. Det er veldig viktig å forstå at innenfor kvantebeskrivelsen spiller vakuum en avgjørende rolle. Det vi kaller partikler er bare sjeldne forstyrrelser, som "bobler" på overflaten av et helt hav av aktivitet.

På slutten av 70-tallet ble det åpenbart at foreningen av de fire interaksjonene krever en fullstendig revisjon av ideer om vakuumets fysiske natur. Teorien antyder at vakuumenergi ikke manifesteres entydig. Enkelt sagt, et vakuum kan begeistres og være i en av mange tilstander med vidt varierende energier, akkurat som et atom kan begeistres til å bevege seg til høyere energinivåer. Disse egentilstander vakuum - hvis vi kunne observere dem - ville sett akkurat like ut, selv om de har helt forskjellige egenskaper.

Først av alt, energien som finnes i et vakuum i enorme mengder flyter fra en tilstand til en annen. I Grand Unified-teorier, for eksempel, er forskjellen mellom den laveste og høyeste energien i vakuumet ufattelig stor. For å få en ide om den gigantiske skalaen til disse mengdene, la oss estimere energien som frigjøres av solen over hele dens eksistensperiode (omtrent 5 milliarder år). La oss forestille oss at all denne kolossale energimengden som sendes ut av solen, finnes i et romområde som er mindre i størrelse enn solsystemet. Energitetthetene oppnådd i dette tilfellet er nær energitetthetene som tilsvarer vakuumtilstanden i TVO.

Sammen med enorme energiforskjeller tilsvarer de ulike vakuumtilstandene like gigantiske trykkforskjeller. Men her ligger "trikset": alt dette presset - negativ. Kvantevakuumet oppfører seg nøyaktig som det tidligere nevnte hypotetiske miljøet som skaper kosmisk frastøtning, bare denne gangen er de numeriske trykkene så store at frastøtningen er 10^120 ganger større enn kraften som Einstein trengte for å opprettholde likevekt i et statisk univers.

Veien er nå åpen for å forklare Big Bang. La oss anta at universet i begynnelsen var i en opphisset tilstand av vakuum, som kalles et "falskt" vakuum. I denne tilstanden var det en kosmisk frastøtelse i universet av en slik størrelsesorden at det ville forårsake en ukontrollert og rask utvidelse av universet. I hovedsak vil universet i denne fasen tilsvare de Sitter-modellen diskutert i forrige avsnitt. Forskjellen er imidlertid at for de Sitter utvider universet seg stille på astronomiske tidsskalaer, mens "de Sitter-fasen" i universets utvikling fra det "falske" kvantevakuumet i virkeligheten er langt fra rolig. Volumet av plass okkupert av universet bør i dette tilfellet dobles hver 10^-34 s (eller et tidsintervall av samme rekkefølge).

Slik superekspansjon av universet har en rekke karakteristiske trekk: alle avstander øker i henhold til den eksponentielle loven (vi har allerede møtt begrepet eksponentiell i kapittel 4). Dette betyr at hver 10^-34 s dobler alle områder av universet størrelsen, og så fortsetter denne doblingsprosessen i geometrisk progresjon. Denne typen utvidelse, først vurdert i 1980. Alan Guth fra MIT (Massachusetts Institute of Technology, USA), ble kalt "inflasjon". Som et resultat av den ekstremt raske og kontinuerlig akselererende ekspansjonen, skulle det veldig snart vise seg at alle deler av universet ville fly fra hverandre, som i en eksplosjon. Og dette er Big Bang!

Men på en eller annen måte må inflasjonsfasen avsluttes. Som i alle eksiterte kvantesystemer, er det "falske" vakuumet ustabilt og har en tendens til å forfalle. Når forfallet oppstår, forsvinner frastøtingen. Dette fører igjen til opphør av inflasjon og overgangen til universet til kraften til vanlig gravitasjonsattraksjon. Selvfølgelig vil universet fortsette å ekspandere i dette tilfellet takket være den første impulsen som ble oppnådd i løpet av inflasjonsperioden, men ekspansjonshastigheten vil stadig synke. Dermed er det eneste sporet som har overlevd til i dag fra kosmisk frastøtelse, en gradvis nedgang i universets utvidelse.

I følge det "inflasjonsscenarioet" begynte universet sin eksistens fra en tilstand av vakuum, blottet for materie og stråling. Men selv om de var tilstede i utgangspunktet, ville sporene deres raskt gå tapt pga enorm fart ekspansjon i inflasjonsfasen. I løpet av den ekstremt korte tidsperioden som tilsvarer denne fasen, har området av verdensrommet som i dag opptar hele det observerbare universet vokst fra en milliarddel av størrelsen på et proton til flere centimeter. Tettheten til ethvert stoff som opprinnelig eksisterte ville effektivt bli null.

Så ved slutten av inflasjonsfasen var universet tomt og kaldt. Men da inflasjonen tørket opp, ble universet plutselig ekstremt "varmt". Dette varmeutbruddet som opplyste rommet skyldes de enorme energireservene som finnes i det "falske" vakuumet. Når vakuumtilstanden gikk i oppløsning, ble dens energi frigjort til form for stråling, som øyeblikkelig varmet opp universet til omtrent 10^27 K, noe som er tilstrekkelig for forekomsten av prosesser i GEO. Fra det øyeblikket utviklet universet seg i henhold til standardteorien om det "varme" Big Bang. Takket være termisk energi oppsto materie og antimaterie, så begynte universet å avkjøles, og gradvis begynte alle elementene som ble observert i dag å "fryse ut."

Så det vanskelige problemet er hva som forårsaket Big Bang? - klarte å løse ved hjelp av teorien om inflasjon; tomrom eksploderte spontant under påvirkning av frastøtelse iboende i et kvantevakuum. Mysteriet gjenstår imidlertid fortsatt. Den kolossale energien til den primære eksplosjonen, som gikk inn i dannelsen av materie og stråling som eksisterer i universet, måtte komme fra et sted! Vi kan ikke forklare eksistensen av universet før vi finner kilden til primærenergi.

Space bootstrap

Engelsk Støvelhempe i bokstavelig forstand betyr det "snøring", i overført betydning betyr det selvkonsistens, fravær av hierarki i systemet av elementærpartikler.

Universet ble født i prosessen med en gigantisk frigjøring av energi. Vi oppdager fortsatt spor av det - dette er termisk bakgrunnsstråling og kosmisk materie (spesielt atomene som utgjør stjerner og planeter), som lagrer en viss energi i form av "masse". Spor av denne energien vises også i tilbaketrekningen av galakser og i den voldsomme aktiviteten til astronomiske objekter. Primærenergi "startet våren" til det begynnende universet og fortsetter å drive det frem til i dag.

Hvor kom denne energien fra som blåste liv inn i universet vårt? I følge teorien om inflasjon er dette energien til tomt rom, ellers kjent som kvantevakuum. Men kan et slikt svar tilfredsstille oss fullt ut? Det er naturlig å spørre hvordan vakuumet tilegnet seg energi.

Generelt, når vi stiller spørsmålet om hvor energien kommer fra, gjør vi i hovedsak en viktig antagelse om naturen til den energien. En av fysikkens grunnleggende lover er lov om energisparing, Hvorved ulike former energier kan endres og transformeres til hverandre, men den totale energimengden forblir uendret.

Det er ikke vanskelig å gi eksempler der effekten av denne loven kan etterprøves. Anta at vi har en motor og en tilførsel av drivstoff, og motoren brukes som drivkraft for en elektrisk generator, som igjen leverer strøm til varmeren. Når drivstoff brenner, omdannes den kjemiske energien som er lagret i den til mekanisk energi, deretter til elektrisk energi og til slutt til termisk energi. Eller anta at en motor brukes til å løfte en last til toppen av et tårn, hvoretter lasten faller fritt; ved støt med bakken genereres nøyaktig samme mengde termisk energi som i eksemplet med varmeren. Faktum er at uansett hvordan energi overføres eller hvordan dens form endres, kan den åpenbart ikke skapes eller ødelegges. Ingeniører bruker denne loven i hverdagen.

Hvis energi verken kan skapes eller ødelegges, hvordan oppstår da primærenergi? Er det ikke bare injisert i første øyeblikk (en slags ny starttilstand antatt ad hoc)? Hvis ja, hvorfor inneholder universet denne og ikke en annen mengde energi? Det er omtrent 10^68 J (joule) energi i det observerbare universet - hvorfor ikke for eksempel 10^99 eller 10^10000 eller et annet tall?

Inflasjonsteorien tilbyr en mulig vitenskapelig forklaring på dette mysteriet. I følge denne teorien. Universet hadde i begynnelsen praktisk talt null energi, og i løpet av de første 10^32 sekundene klarte det å vekke liv til hele den gigantiske energimengden. Nøkkelen til å forstå dette miraklet er å finne i det bemerkelsesverdige faktum at loven om bevaring av energi i vanlig forstand ikke aktuelt til det ekspanderende universet.

I hovedsak har vi allerede møtt et lignende faktum. Kosmologisk ekspansjon fører til en reduksjon i universets temperatur: følgelig blir energien til termisk stråling, så stor i primærfasen, oppbrukt og temperaturen faller til verdier nær absolutt null. Hvor ble alt dette av? Termisk energi? På en måte ble det brukt opp av universet til å utvide seg og ga press for å supplere kraften til Big Bang. Når en vanlig væske ekspanderer, fungerer dens ytre trykk ved å bruke væskens energi. Når en vanlig gass utvider seg, brukes dens indre energi på å utføre arbeid. I fullstendig kontrast til dette, ligner kosmisk frastøtning oppførselen til et medium med negativ press. Når et slikt medium utvider seg, reduseres ikke energien, men øker. Dette er nøyaktig hva som skjedde under inflasjonsperioden, da kosmisk frastøtelse fikk universet til å utvide seg i en akselerert hastighet. Gjennom denne perioden fortsatte den totale energien til vakuumet å øke inntil det på slutten av inflasjonsperioden nådde en enorm verdi. Så snart inflasjonsperioden var over, ble all den lagrede energien frigjort i ett gigantisk utbrudd, og genererte varme og materie i full skala til Big Bang. Fra dette øyeblikket begynte den vanlige ekspansjonen med positivt trykk, slik at energien begynte å avta igjen.

Fremveksten av primærenergi er preget av en slags magi. Et vakuum med mystisk undertrykk er tilsynelatende utstyrt med helt utrolige evner. På den ene siden skaper den en gigantisk frastøtende kraft, som sikrer dens stadig akselererende ekspansjon, og på den andre siden tvinger selve ekspansjonen frem en økning i vakuumets energi. Vakuumet mater seg selv med energi i enorme mengder. Den inneholder en indre ustabilitet som sikrer kontinuerlig ekspansjon og ubegrenset energiproduksjon. Og bare kvanteforfallet til det falske vakuumet setter en grense for denne «kosmiske ekstravagansen».

Vakuum fungerer som en magisk, bunnløs kanne med energi i naturen. I prinsippet er det ingen grense for hvor mye energi som kan frigjøres under en inflasjonsekspansjon. Denne uttalelsen markerer en revolusjon i tradisjonell tenkning med sin hundre år gamle "ut av ingenting blir ingenting født" (dette ordtaket dateres tilbake i det minste til Parmenides-epoken, dvs. 5. århundre f.Kr.). Inntil nylig var ideen om muligheten for "skapelse" fra ingenting helt innenfor religionens område. Spesielt har kristne lenge trodd at Gud skapte verden fra ingenting, men ideen om muligheten for spontan fremvekst av all materie og energi som et resultat av rent fysiske prosesser ble ansett som absolutt uakseptabel av forskere for ti år siden.

De som internt ikke kan forsone seg med hele konseptet om fremveksten av "noe" fra "ingenting", har muligheten til å se annerledes på fremveksten av energi under utvidelsen av universet. Siden vanlig tyngdekraft er attraktivt, må det arbeides for å overvinne tyngdekraften som virker mellom disse delene for å flytte deler av materie bort fra hverandre. Dette betyr at gravitasjonsenergien til kroppssystemet er negativ; Når nye kropper legges til systemet, frigjøres energi, og som et resultat blir gravitasjonsenergien «enda mer negativ». Hvis vi bruker dette resonnementet på universet på inflasjonsstadiet, så er det utseendet til varme og materie som "kompenserer" for den negative gravitasjonsenergien til de dannede massene. I dette tilfellet er den totale energien til universet som helhet null og nei ny energi forekommer ikke i det hele tatt! Et slikt syn på prosessen med å "skape verden" er selvfølgelig attraktivt, men det bør likevel ikke tas for seriøst, siden statusen til energibegrepet i forhold til tyngdekraften generelt viser seg å være tvilsom.

Alt som er sagt her om vakuumet minner veldig om historien elsket av fysikere om en gutt som, etter å ha falt i en myr, trakk seg ut av sine egne skolisser. Det selvskapende universet minner om denne gutten - det trekker seg også opp av sine egne "lisser" (denne prosessen blir referert til som "bootstrap"). Faktisk, på grunn av sin egen fysiske natur, eksiterer universet i seg selv all energien som er nødvendig for "skaping" og "revitalisering" av materie, og initierer også eksplosjonen som genererer den. Dette er den kosmiske bootstrap; Vi skylder vår eksistens til hans fantastiske kraft.

Fremskritt innen inflasjonsteori

Etter at Guth la frem den banebrytende ideen om at universet gjennomgikk en tidlig periode med ekstremt rask ekspansjon, ble det klart at et slikt scenario fint kunne forklare mange trekk ved Big Bang-kosmologien som tidligere hadde blitt tatt for gitt.

I en av de foregående delene møtte vi veldig paradokser høy grad organisering og koordinering av primæreksplosjonen. Et av de bemerkelsesverdige eksemplene på dette er eksplosjonens kraft, som viste seg å være nøyaktig "justert" til størrelsen på tyngdekraften i rommet, som et resultat av at ekspansjonshastigheten til universet i vår tid er veldig nær grenseverdien som skiller kompresjon (kollaps) og rask ekspansjon. Den avgjørende testen for inflasjonsscenarioet er om det innebærer et Big Bang av en så nøyaktig definert størrelsesorden. Det viser seg at på grunn av den eksponentielle ekspansjonen i inflasjonsfasen (som er dens mest karakteristiske egenskap), sikrer eksplosjonens kraft automatisk universets evne til å overvinne sin egen tyngdekraft. Inflasjon kan føre til nøyaktig den ekspansjonshastigheten som faktisk observeres.

Et annet "stort mysterium" er knyttet til homogeniteten til universet i store skalaer. Det er også umiddelbart løst basert på teorien om inflasjon. Eventuelle innledende inhomogeniteter i universets struktur bør slettes fullstendig med en enorm økning i størrelsen, akkurat som rynkene på en tømt ballong jevnes ut når den blåses opp. Og som et resultat av en økning i størrelsen på romlige områder med omtrent 10^50 ganger, blir enhver innledende forstyrrelse ubetydelig.

Det ville imidlertid være feil å snakke om full homogenitet. For å gjøre utseendet til moderne galakser og galaksehoper mulig, må strukturen til det tidlige universet ha hatt en viss "klumpethet". Opprinnelig håpet astronomer at eksistensen av galakser kunne forklares med akkumulering av materie under påvirkning av gravitasjonsattraksjon etter Big Bang. Gassskyen skal komprimeres under påvirkning av sin egen tyngdekraft, og deretter brytes opp i mindre fragmenter, og de i sin tur til enda mindre osv. Kanskje var fordelingen av gass fra Big Bang helt ensartet, men på grunn av rent tilfeldige prosesser oppsto det her og der kondensasjoner og sjeldenheter. Tyngdekraften forsterket disse svingningene ytterligere, noe som førte til vekst av områder med kondens og deres absorpsjon av tilleggsstoff. Deretter ble disse områdene komprimert og suksessivt oppløst, og de minste kondensasjonene ble til stjerner. Etter hvert oppsto et hierarki av strukturer: stjerner ble forent i grupper, de i galakser, og deretter i klynger av galakser.

Dessverre, hvis det ikke var noen inhomogeniteter i gassen helt fra begynnelsen, ville en slik mekanisme for dannelse av galakser ha fungert i en tid som betydelig oversteg universets alder. Faktum er at prosessene med fortykning og fragmentering konkurrerte med utvidelse av universet, som ble ledsaget av gassdispersjon. I den opprinnelige versjonen av Big Bang-teorien ble det antatt at "frøene" til galakser eksisterte i utgangspunktet i universets struktur ved opprinnelsen. Dessuten måtte disse innledende inhomogenitetene ha ganske bestemte størrelser: ikke for små, ellers ville de aldri ha dannet seg, men ikke for store, ellers regionene høy tetthet de ville rett og slett kollapset i enorme sorte hull. Samtidig er det helt uklart hvorfor galakser har akkurat slike størrelser eller hvorfor akkurat så mange galakser inngår i klyngen.

Inflasjonsscenarioet gir en mer konsistent forklaring på galaktisk struktur. Grunnideen er ganske enkel. Inflasjon skyldes det faktum at universets kvantetilstand er en ustabil tilstand av et falskt vakuum. Til slutt brytes denne vakuumtilstanden ned og dens overskuddsenergi omdannes til varme og materie. I dette øyeblikket forsvinner den kosmiske frastøtelsen – og inflasjonen stopper. Imidlertid skjer ikke forfallet av det falske vakuumet strengt tatt samtidig i hele rommet. Som i alle kvanteprosesser, svinger nedbrytningshastighetene til det falske vakuumet. I noen områder av universet skjer forfallet noe raskere enn i andre. I disse områdene vil inflasjonen ta slutt tidligere. Som et resultat beholdes inhomogeniteter i den endelige tilstanden. Det er mulig at disse inhomogenitetene kan tjene som "frø" (sentre) for gravitasjonskompresjon og til slutt førte til dannelsen av galakser og deres klynger. Matematisk modellering av fluktuasjonsmekanismen er imidlertid utført med svært begrenset suksess. Som regel viser effekten seg å være for stor, de beregnede inhomogenitetene er for betydelige. Riktignok var modellene som ble brukt for grove, og kanskje en mer subtil tilnærming ville vært mer vellykket. Selv om teorien er langt fra komplett, beskriver den i det minste arten av mekanismen som kan føre til dannelsen av galakser uten behov for spesielle startforhold.

I Guths versjon av inflasjonsscenarioet blir det falske vakuumet først til et "ekte" vakuum, eller den laveste energivakuumtilstanden som vi identifiserer med tomrom. Naturen til denne endringen er ganske lik en faseovergang (for eksempel fra gass til væske). I dette tilfellet, i et falskt vakuum, vil den tilfeldige dannelsen av ekte vakuumbobler oppstå, som utvider seg med lysets hastighet og vil fange opp stadig større områder i rommet. For at det falske vakuumet skal eksistere lenge nok til at inflasjonen kan gjøre sitt "mirakuløse" arbeid, må disse to tilstandene være atskilt av en energibarriere som "kvantetunnelering" av systemet må skje gjennom, lik det som skjer med elektroner (se kap.). Imidlertid har denne modellen en alvorlig ulempe: all energien som frigjøres fra det falske vakuumet er konsentrert i boblenes vegger, og det er ingen mekanisme for omfordeling gjennom boblen. Etter hvert som boblene kolliderte og slo seg sammen, ville energien til slutt samle seg i de tilfeldig blandede lagene. Som et resultat ville universet inneholde veldig sterke inhomogeniteter, og alt arbeidet med inflasjon for å skape homogenitet i stor skala ville mislykkes.

Med ytterligere forbedring av inflasjonsscenarioet ble disse vanskelighetene overvunnet. I ny teori det er ingen tunnelering mellom to vakuumtilstander; i stedet er parametrene valgt slik at nedbrytningen av det falske vakuumet skjer veldig sakte og dermed gir universet tilstrekkelig tid til å blåse seg opp. Når forfallet er fullført, frigjøres energien til det falske vakuumet i hele volumet av "boblen", som raskt varmes opp til 10^27 K. Det antas at hele det observerbare universet er inneholdt i en slik boble. På ultra-store skalaer kan derfor universet være ekstremt uregelmessig, men området som er tilgjengelig for vår observasjon (og enda mye større deler av universet) ligger innenfor en fullstendig homogen sone.

Det er merkelig at Guth i utgangspunktet utviklet sin inflasjonsteori for å løse et helt annet kosmologisk problem - fraværet av magnetiske monopoler i naturen. Som vist i kapittel 9, forutsier standard Big Bang-teorien at i den primære fasen av universets utvikling, bør monopoler oppstå i overflod. De er muligens ledsaget av sine en- og todimensjonale motstykker - merkelige objekter som har en "streng" og "ark"-karakter. Problemet var å kvitte universet for disse "uønskede" objektene. Inflasjon løser automatisk problemet med monopoler og andre lignende problemer, siden den gigantiske utvidelsen av plass effektivt reduserer deres tetthet til null.

Selv om inflasjonsscenarioet bare er delvis utviklet og bare er plausibelt, ikke noe mer, har det tillatt oss å formulere en rekke ideer som lover å ugjenkallelig forandre kosmologiens ansikt. Nå kan vi ikke bare gi en forklaring på årsaken til Big Bang, men vi begynner også å forstå hvorfor det var så "stort" og hvorfor det fikk en slik karakter. Vi kan nå begynne å ta opp spørsmålet om hvordan universets storskalahomogenitet oppsto, og sammen med den de observerte inhomogenitetene i mindre skala (for eksempel galakser). Den primære eksplosjonen, der det vi kaller universet oppsto, har heretter sluttet å være et mysterium som ligger utenfor fysisk vitenskaps grenser.

Et univers som skaper seg selv

Og likevel, til tross for inflasjonsteoriens enorme suksess med å forklare universets opprinnelse, gjenstår mysteriet. Hvordan havnet universet i utgangspunktet i en tilstand av falskt vakuum? Hva skjedde før inflasjonen?

En konsekvent, fullstendig tilfredsstillende vitenskapelig beskrivelse av universets opprinnelse må forklare hvordan selve rommet (mer presist, rom-tid) oppsto, som deretter gjennomgikk inflasjon. Noen forskere er klare til å innrømme at rom alltid eksisterer, andre mener at dette problemet generelt går utover omfanget av den vitenskapelige tilnærmingen. Og bare noen få hevder mer og er overbevist om at det er helt legitimt å reise spørsmålet om hvordan rom generelt (og et falskt vakuum, spesielt) kan oppstå bokstavelig talt fra "ingenting" som et resultat av fysiske prosesser som i prinsippet, kan studeres.

Som nevnt har vi bare nylig utfordret den vedvarende troen på at "ingenting kommer fra ingenting." Den kosmiske bootstrap er nær det teologiske konseptet om skapelsen av verden fra ingenting (eks nihilo). Uten tvil, i verden rundt oss, er eksistensen av noen gjenstander vanligvis på grunn av tilstedeværelsen av andre gjenstander. Dermed oppsto jorden fra den protosolare tåken, som igjen - fra galaktiske gasser, etc. Hvis vi tilfeldigvis så en gjenstand som plutselig dukket opp «ut av ingenting», ville vi sannsynligvis oppfattet det som et mirakel; for eksempel ville vi bli overrasket hvis vi plutselig oppdaget en masse mynter, kniver eller søtsaker i en låst, tom safe. I Hverdagen vi er vant til å erkjenne at alt oppstår fra et sted eller fra noe.

Alt er imidlertid ikke så åpenbart når det kommer til mindre spesifikke ting. Hva kommer for eksempel et maleri fra? Dette krever selvfølgelig pensel, maling og lerret, men dette er bare verktøy. Måten bildet er malt på - valg av form, farge, tekstur, komposisjon - er ikke født med pensler og maling. Dette er resultatet av kunstnerens kreative fantasi.

Hvor kommer tanker og ideer fra? Tanker, uten tvil, eksisterer virkelig og krever tilsynelatende alltid deltagelse fra hjernen. Men hjernen sørger bare for implementeringen av tanker, og er ikke deres årsak. Hjernen selv genererer tanker ikke mer enn for eksempel en datamaskin genererer beregninger. Tanker kan være forårsaket av andre tanker, men dette avslører ikke tankens natur. Noen tanker kan være født av sansninger; Hukommelse føder også tanker. De fleste kunstnere ser imidlertid på arbeidet sitt som resultatet uventet inspirasjon. Hvis dette virkelig er tilfelle, så er skapelsen av et maleri - eller i det minste fødselen av dets idé - nettopp et eksempel på fødselen av noe fra ingenting.

Og likevel, kan vi tenke på at fysiske objekter og til og med universet som helhet oppstår fra ingenting? Denne dristige hypotesen diskuteres ganske seriøst, for eksempel i vitenskapelige institusjonerøstkysten av USA, hvor ganske mange teoretiske fysikere og kosmologer utvikler seg matematisk apparat, som vil hjelpe med å finne ut muligheten for at noe blir født ut av ingenting. Denne utvalgte kretsen inkluderer Alan Guth fra MIT, Sydney Coleman fra Harvard University, Alex Vilenkin fra Tufts University og Ed Tyon og Heinz Pagels fra New York. De tror alle at i en eller annen forstand "ingenting er ustabilt" og at det fysiske universet spontant "blomstret ut av ingenting", kun styrt av fysikkens lover. "Slike ideer er rent spekulative," innrømmer Guth, "men på et eller annet nivå kan de være riktige... Noen ganger sier de at det ikke er gratis lunsj, men universet er tilsynelatende nettopp en slik "gratis lunsj".

I alle disse hypotesene spiller kvanteatferd en nøkkelrolle. Som vi diskuterte i kapittel 2, er hovedtrekket ved kvanteatferd tap av strenge årsak-virkning-forhold. I klassisk fysikk fulgte presentasjonen av mekanikk streng overholdelse av kausalitet. Alle detaljer om bevegelsen til hver partikkel var strengt forhåndsbestemt av bevegelseslovene. Det ble antatt at bevegelse var kontinuerlig og strengt bestemt av handlende krefter. Bevegelseslover i bokstavelig legemliggjorde forholdet mellom årsak og virkning. Universet ble sett på som en gigantisk urverksmekanisme, hvis oppførsel er strengt regulert av hva som skjer i øyeblikket. Det var troen på en så omfattende og absolutt streng kausalitet som fikk Pierre Laplace til å argumentere for at en superkraftig kalkulator i prinsippet kunne forutsi, basert på mekanikkens lover, både universets historie og skjebne. I følge dette synet er universet dømt til å følge sin foreskrevne vei for alltid.

Kvantefysikk har ødelagt det metodiske, men sterile Laplacean-skjemaet. Fysikere har blitt overbevist om at på atomnivå er materie og dens bevegelse usikre og uforutsigbare. Partikler kan oppføre seg "merkelig", som om de motstår strengt foreskrevne bevegelser, plutselig dukker opp på de mest uventede stedene uten noen åpenbar grunn, og noen ganger dukker det opp og forsvinner "uten forvarsel."

Kvanteverdenen er ikke helt fri for kausalitet, men den manifesterer seg ganske nølende og tvetydig. For eksempel, hvis ett atom er i en eksitert tilstand som et resultat av en kollisjon med et annet atom, går det vanligvis raskt tilbake til sin laveste energitilstand, og sender ut et foton. Utseendet til et foton er selvfølgelig en konsekvens av at atomet tidligere har gått over i en eksitert tilstand. Vi kan med sikkerhet si at det var eksitasjonen som førte til opprettelsen av fotonet, og i denne forstand består forholdet mellom årsak og virkning. Imidlertid er det faktiske øyeblikket et foton dukker opp uforutsigbart: et atom kan sende det ut når som helst. Fysikere er i stand til å beregne det sannsynlige, eller gjennomsnittlige, tidspunktet for forekomsten av et foton, men i hvert enkelt tilfelle er det umulig å forutsi øyeblikket når denne hendelsen vil skje. Tilsynelatende, for å karakterisere en slik situasjon, er det best å si at eksitasjonen av et atom ikke så mye fører til utseendet til et foton som "skyver" det mot dette.

Dermed er ikke kvantemikroverdenen viklet inn i et tett nett av årsakssammenhenger, men "lytter" fortsatt til en rekke diskrete kommandoer og forslag. I det gamle Newtonske opplegget så det ut til at styrken adresserte objektet med den uimotsagte kommandoen: "Flytt!" I kvantefysikk er forholdet mellom kraft og objekt en invitasjon snarere enn kommando.

Hvorfor anser vi generelt at ideen om den plutselige fødselen av et objekt "ut av ingenting" er så uakseptabelt? Hva får oss til å tenke på mirakler og overnaturlige fenomener? Kanskje det hele bare er et spørsmål om uvanlig lignende hendelser: I hverdagen møter vi aldri utseendet til gjenstander uten grunn. Når for eksempel en tryllekunstner trekker en kanin opp av hatten, vet vi at vi blir lurt.

Anta at vi faktisk lever i en verden der gjenstander dukker opp fra tid til annen tilsynelatende "ut av ingensteds", uten grunn og på en helt uforutsigbar måte. Etter å ha blitt vant til slike fenomener, ville vi slutte å bli overrasket over dem. Spontan fødsel ville bli oppfattet som en av naturens særheter. Kanskje i en slik verden ville vi ikke lenger behøve å anstrenge vår godtroenhet for å forestille oss den plutselige fremveksten ut av ingenting av hele det fysiske universet.

Denne imaginære verdenen er i hovedsak ikke så forskjellig fra den virkelige. Hvis vi direkte kunne oppfatte atferden til atomer ved hjelp av sansene våre (og ikke gjennom formidling av spesielle instrumenter), ville vi ofte måtte observere gjenstander dukke opp og forsvinne uten klart definerte årsaker.

Fenomenet nærmest "fødsel fra ingenting" oppstår i et tilstrekkelig sterkt elektrisk felt. Ved en kritisk verdi av feltstyrken begynner elektroner og positroner å dukke opp "ut av ingenting" helt tilfeldig. Beregninger viser at nær overflaten av urankjernen er den elektriske feltstyrken ganske nær grensen for hvilken denne effekten oppstår. Hvis det var atomkjerner, som inneholder 200 protoner (det er 92 av dem i urankjernen), vil spontan dannelse av elektroner og positroner skje. Dessverre ser en kjerne med så mange protoner ut til å bli ekstremt ustabil, men dette er ikke helt sikkert.

Den spontane dannelsen av elektroner og positroner i et sterkt elektrisk felt kan betraktes som en spesiell type radioaktivitet når forfallet skjer i et tomt rom, et vakuum. Vi har allerede snakket om overgangen av en vakuumtilstand til en annen som et resultat av forfall. I dette tilfellet brytes vakuumet ned til en tilstand der partikler er tilstede.

Selv om forfallet av rommet forårsaket av et elektrisk felt er vanskelig å forstå, kan en lignende prosess under påvirkning av tyngdekraften godt forekomme i naturen. Nær overflaten av sorte hull er tyngdekraften så sterk at vakuumet vrimler av stadig fødende partikler. Dette er den berømte strålingen fra sorte hull, oppdaget av Stephen Hawking. Til syvende og sist er det tyngdekraften som er ansvarlig for fødselen av denne strålingen, men det kan ikke sies at dette skjer "i gammel Newtonsk forstand": det kan ikke sies at noen bestemt partikkel skal dukke opp på et bestemt sted på et eller annet tidspunkt som et resultat av virkningen av gravitasjonskrefter. I alle fall, siden tyngdekraften bare er en krumning av rom-tid, kan vi si at rom-tid forårsaker fødselen av materie.

Den spontane fremveksten av materie fra det tomme rommet blir ofte omtalt som fødsel "ut av ingenting", som i ånd ligner fødsel ex nihilo i kristen lære. For en fysiker er imidlertid ikke tomrom "ingenting" i det hele tatt, men en svært betydelig del av det fysiske universet. Hvis vi fortsatt ønsker å svare på spørsmålet om hvordan universet ble til, er det ikke nok å anta at det har eksistert tomt rom helt fra begynnelsen. Det er nødvendig å forklare hvor denne plassen kom fra. Tenkte på fødsel selve rommet Det kan virke rart, men på en måte skjer dette rundt oss hele tiden. Utvidelsen av universet er ikke noe mer enn den kontinuerlige "hevelsen" av rommet. Hver dag øker området av universet som er tilgjengelig for teleskopene våre med 10^18 kubikk lysår. Hvor kommer denne plassen fra? Analogien av gummi er nyttig her. Hvis det elastiske gummibåndet trekkes ut, «blir det større». Rommet ligner superelastisk ved at det, så vidt vi vet, kan strekke seg i det uendelige uten å gå i stykker.

Strekkingen og krumningen av rommet ligner deformasjonen av et elastisk legeme ved at "bevegelsen" av rommet skjer i henhold til mekanikkens lover på nøyaktig samme måte som bevegelsen av vanlig materie. I dette tilfellet er dette tyngdelovene. Kvanteteori i likt gjelder materie, rom og tid. I tidligere kapitler sa vi at kvantetyngdekraften blir sett på som et nødvendig skritt i jakten på supermakten. Dette reiser en interessant mulighet; hvis iht kvanteteori, partikler av materie kan oppstå «ut av ingenting», så i forhold til tyngdekraften, vil det ikke beskrive fremveksten «ut av ingenting» av rommet? Hvis dette skjer, er ikke universets fødsel for 18 milliarder år siden et eksempel på nettopp en slik prosess?

Gratis lunsj?

Hovedideen til kvantekosmologi er anvendelsen av kvanteteori på universet som helhet: til rom-tid og materie; Teoretikere tar denne ideen spesielt alvorlig. Ved første øyekast er det en selvmotsigelse her: kvantefysikk omhandler de minste systemene, mens kosmologien omhandler de største. Imidlertid var universet en gang også begrenset til svært små dimensjoner, og derfor var kvanteeffekter ekstremt viktige da. Beregningsresultatene indikerer at kvantelover bør tas i betraktning i GUT-tiden (10^-32 s), og i Planck-tiden (10^-43 s) bør de trolig spille en avgjørende rolle. I følge noen teoretikere (for eksempel Vilenkin) var det mellom disse to epokene et øyeblikk da universet oppsto. I følge Sidney Coleman har vi tatt et kvantesprang fra ingenting til tid. Tilsynelatende er rom-tid en relikvie fra denne epoken. Kvantespranget Coleman snakker om kan betraktes som en slags «tunnelprosess». Vi la merke til at i den opprinnelige versjonen av inflasjonsteorien, var det meningen at tilstanden til det falske vakuumet skulle gå gjennom energibarrieren til tilstanden til det sanne vakuumet. Imidlertid, i tilfelle av den spontane fremveksten av kvanteuniverset "ut av ingenting", når vår intuisjon grensen for dens evner. Den ene enden av tunnelen representerer det fysiske universet i rom og tid, som kommer dit gjennom kvantetunnel "ut av ingenting." Derfor representerer den andre enden av tunnelen dette svært ingenting! Kanskje det ville være bedre å si at tunnelen bare har en ende, og den andre rett og slett "ikke eksisterer."

Den største vanskeligheten med disse forsøkene på å forklare universets opprinnelse er å beskrive prosessen med dets fødsel fra en tilstand av falskt vakuum. Hvis den nyskapte rom-tid var i en tilstand av ekte vakuum, kunne inflasjon aldri forekomme. Big bang ville bli redusert til et svakt plask, og rom-tid ville slutte å eksistere et øyeblikk senere igjen - det ville bli ødelagt av selve kvanteprosessene som det opprinnelig oppsto på grunn av. Hvis universet ikke hadde befunnet seg i en tilstand av falskt vakuum, ville det aldri ha vært involvert i den kosmiske bootstrap og ville ikke ha materialisert sin illusoriske eksistens. Kanskje tilstanden til et falskt vakuum er å foretrekke på grunn av dets karakteristikk ekstreme forhold. For eksempel, hvis universet oppsto med en tilstrekkelig høy starttemperatur og deretter avkjølt, kan det til og med "gå på grunn" i et falskt vakuum, men så langt er mange tekniske spørsmål av denne typen uløste.

Men uansett realiteten til disse grunnleggende spørsmålene, må universet bli til på en eller annen måte, og kvantefysikk er den eneste grenen av vitenskapen der det gir mening å snakke om en hendelse som skjer uten en åpenbar årsak. Hvis vi snakker om rom-tid, så gir det i alle fall ingen mening å snakke om kausalitet i vanlig forstand. Vanligvis er begrepet kausalitet nært knyttet til begrepet tid, og derfor må alle betraktninger om prosessene for tidens fremvekst eller dens "fremvekst fra ikke-eksistens" baseres på en bredere idé om kausalitet.

Hvis rommet virkelig er ti-dimensjonalt, anser teorien at alle ti dimensjonene er ganske like i de tidlige stadiene. Det er attraktivt å kunne koble fenomenet inflasjon med spontan komprimering (folding) av syv av de ti dimensjonene. I følge dette scenariet er "drivkraften" til inflasjon et biprodukt av interaksjoner som manifesteres gjennom flere romdimensjoner. Videre kan ti-dimensjonalt rom naturlig nok utvikle seg på en slik måte at tre romlige dimensjoner under inflasjon utvides kraftig på bekostning av de syv andre, som tvert imot krymper og blir usynlige? Dermed blir kvantemikroboblen til ti-dimensjonalt rom komprimert, og tre dimensjoner blåses dermed opp, og danner universet: de resterende syv dimensjonene forblir fanget i mikrokosmos, hvorfra de manifesterer seg bare indirekte - i form av interaksjoner. Denne teorien virker veldig attraktiv.

Selv om teoretikere fortsatt har mye arbeid å gjøre for å studere naturen til det veldig tidlige universet, er det allerede mulig å gi en generell oversikt over hendelsene som resulterte i at universet fikk den formen vi ser i dag. Helt i begynnelsen oppsto universet spontant «ut av ingenting». Takket være kvanteenergiens evne til å fungere som et slags enzym, kunne bobler av tomt rom blåses opp i en stadig økende hastighet, og skape kolossale energireserver takket være støvelstroppen. Dette falske vakuumet, fylt med egengenerert energi, viste seg å være ustabilt og begynte å gå i oppløsning, og frigjorde energi i form av varme, slik at hver boble ble fylt med ildpustende materie (ildkule). Oppblåsingen av bobler stoppet, men Big Bang begynte. På "klokken" til universet i det øyeblikket var det 10^-32 s.

Fra en slik ildkule oppsto all materie og alle fysiske gjenstander. Etter hvert som det kosmiske materialet avkjølte, opplevde det suksessivt faseoverganger. Med hver overgang ble flere og flere forskjellige strukturer "frosset ut" fra det primære formløse materialet. Den ene etter den andre ble interaksjoner skilt fra hverandre. Trinn for trinn fikk objektene som vi nå kaller subatomære partikler funksjonene som er iboende i dem i dag. Etter hvert som sammensetningen av den "kosmiske suppen" ble mer og mer kompleks, vokste storskala uregelmessigheter igjen fra inflasjonstidene til galakser. I ferd med ytterligere dannelse av strukturer og separasjon forskjellige typer stoffer, tok universet stadig mer kjente former; det varme plasmaet kondenserte til atomer, og dannet stjerner, planeter og til slutt liv. Dette er hvordan universet "realiserte" seg selv.

Materie, energi, rom, tid, interaksjoner, felt, orden og struktur - Alle disse konseptene, lånt fra «skaperens prisliste», tjener som integrerte kjennetegn ved universet. Ny fysikkåpner for den fristende muligheten for en vitenskapelig forklaring på opprinnelsen til alle disse tingene. Vi trenger ikke lenger spesifikt angi dem "manuelt" helt fra begynnelsen. Vi kan se hvordan alle de grunnleggende egenskapene til den fysiske verden kan bli til automatisk som konsekvenser av fysikkens lover, uten behov for å anta eksistensen av svært spesifikke startbetingelser. Den nye kosmologien hevder at den opprinnelige tilstanden til kosmos ikke spiller noen rolle, siden all informasjon om den ble slettet under inflasjon. Universet vi observerer bærer bare preg av de fysiske prosessene som har skjedd siden begynnelsen av inflasjonen.

I tusenvis av år har menneskeheten trodd at «ut av ingenting kan ingenting bli født». I dag kan vi si at alt kom fra ingenting. Det er ikke nødvendig å "betale" for universet - det er absolutt en "gratis lunsj".

I følge denne teorien dukket universet opp i form av en varm klump av supertett stoff, hvoretter det begynte å utvide seg og avkjøles. På det aller første stadiet av evolusjonen var universet i en supertett tilstand og var et -gluonplasma. Hvis protoner og nøytroner kolliderte og dannet tyngre kjerner, var levetiden ubetydelig. Neste gang de kolliderte med en hvilken som helst rask partikkel, gikk de umiddelbart i oppløsning til elementære komponenter.

For omtrent 1 milliard år siden begynte dannelsen av galakser, da universet begynte å vagt ligne det vi kan se nå. 300 tusen år etter Big Bang ble det avkjølt så mye at elektroner begynte å bli fast holdt fast av kjerner, noe som resulterte i stabile atomer som ikke forfalt umiddelbart etter kollidering med en annen kjerne.

Partikkeldannelse

Dannelsen av partikler begynte som et resultat av utvidelsen av universet. Dens ytterligere avkjøling førte til dannelsen av heliumkjerner, som skjedde som et resultat av primær nukleosyntese. Fra øyeblikket av Big Bang måtte det gå rundt tre minutter før universet kjølte seg ned, og kollisjonsenergien sank så mye at partiklene begynte å danne stabile kjerner. I de første tre minuttene var universet et varmt hav av elementære partikler.

Den primære dannelsen av kjerner varte ikke lenge, etter de første tre minuttene beveget partiklene seg bort fra hverandre slik at kollisjoner mellom dem ble ekstremt sjeldne. I løpet av denne korte perioden med primær nukleosyntese dukket deuterium opp, en tung isotop av hydrogen, hvis kjerne inneholder ett proton og ett. Samtidig med deuterium ble det dannet helium-3, helium-4 og en liten mengde litium-7. Stadig tyngre grunnstoffer dukket opp under dannelsen av stjerner.

Etter universets fødsel

Omtrent hundre tusendels sekund etter begynnelsen av universet ble kvarker kombinert til elementærpartikler. Fra det øyeblikket ble universet et avkjølende hav av elementære partikler. Etter dette startet en prosess som kalles den store foreningen av grunnleggende krefter. På den tiden var det energier i universet som tilsvarer de maksimale energiene som kan oppnås i moderne akseleratorer. Så begynte en krampaktig inflasjonsekspansjon, og samtidig forsvant antipartiklene.