Sự tiến hóa vụ nổ lớn của vũ trụ, thiên hà của chúng ta. Sự xuất hiện của thuyết Vụ nổ lớn

Trong giới khoa học, người ta thường chấp nhận rằng Vũ trụ có nguồn gốc là kết quả của Vụ nổ lớn. Lý thuyết này dựa trên thực tế là trước đây năng lượng và vật chất (nền tảng của vạn vật) đều ở trạng thái kỳ dị. Đến lượt nó, nó được đặc trưng bởi sự vô hạn của nhiệt độ, mật độ và áp suất. Bản thân trạng thái kỳ dị bất chấp tất cả các định luật vật lý mà thế giới hiện đại đã biết. Các nhà khoa học tin rằng Vũ trụ hình thành từ một hạt cực nhỏ, do không rõ nguyên nhân, đã rơi vào trạng thái không ổn định trong quá khứ xa xôi và phát nổ.

Thuật ngữ "Vụ nổ lớn" bắt đầu được sử dụng từ năm 1949 sau khi các công trình của nhà khoa học F. Hoyle được công bố trên các ấn phẩm khoa học phổ thông. Ngày nay, lý thuyết về “mô hình tiến hóa động” đã được phát triển tốt đến mức các nhà vật lý có thể mô tả các quá trình xảy ra trong Vũ trụ sớm nhất là 10 giây sau vụ nổ của một hạt cực nhỏ đã đặt nền móng cho mọi thứ.

Có một số bằng chứng về lý thuyết. Một trong những cái chính là bức xạ di tích, xuyên qua toàn bộ Vũ trụ. Theo các nhà khoa học hiện đại, nó có thể phát sinh chỉ là kết quả của Vụ nổ lớn, do sự tương tác của các hạt cực nhỏ. Chính bức xạ di tích giúp chúng ta có thể tìm hiểu về những thời điểm mà Vũ trụ trông giống như một không gian rực lửa, và không có các ngôi sao, hành tinh và thiên hà. Bằng chứng thứ hai về sự ra đời của mọi thứ tồn tại từ Vụ nổ lớn là dịch chuyển đỏ vũ trụ, bao gồm sự giảm tần số bức xạ. Điều này khẳng định việc loại bỏ các ngôi sao, các thiên hà khỏi Dải Ngân hà nói riêng và khỏi nhau nói chung. Nghĩa là, nó chỉ ra rằng Vũ trụ đã mở rộng trước đó và tiếp tục như vậy cho đến bây giờ.

Lược sử vũ trụ

• 10 -45 - 10 -37 giây- lạm phát mở rộng


• 10 -6 giây- sự xuất hiện của quark và electron


• 10 -5 giây- sự hình thành của proton và neutron


• 10 -4 giây - 3 phút- sự xuất hiện của các hạt nhân đơteri, heli và liti


• 400 nghìn năm- sự hình thành các nguyên tử


• 15 triệu năm- tiếp tục mở rộng của đám mây khí


• 1 tỷ năm- sự ra đời của những ngôi sao và thiên hà đầu tiên


• 10 - 15 tỷ năm- sự xuất hiện của các hành tinh và sự sống thông minh


• 10 14 tỷ năm- chấm dứt quá trình sinh ra các vì sao


• 10 37 tỷ năm- cạn kiệt năng lượng của tất cả các ngôi sao


• 10 40 tỷ năm- sự bay hơi của lỗ đen và sự ra đời của các hạt cơ bản


• 10 100 tỷ năm- hoàn thành quá trình bay hơi của tất cả các lỗ đen

Lý thuyết Vụ nổ lớn đã trở thành một bước đột phá thực sự trong khoa học. Nó cho phép các nhà khoa học trả lời nhiều câu hỏi liên quan đến sự ra đời của vũ trụ. Nhưng đồng thời, lý thuyết này đã làm nảy sinh những bí ẩn mới. Đứng đầu trong số đó là nguyên nhân của chính vụ nổ Big Bang. Câu hỏi thứ hai mà khoa học hiện đại chưa có câu trả lời là không gian và thời gian đã xuất hiện như thế nào. Theo một số nhà nghiên cứu, chúng được sinh ra cùng với vật chất, năng lượng. Đó là, chúng là kết quả của Vụ nổ lớn. Nhưng rồi hóa ra thời gian và không gian nhất định phải có một sự khởi đầu nào đó. Có nghĩa là, một thực thể nhất định, tồn tại vĩnh viễn và không phụ thuộc vào các chỉ số của chúng, có thể bắt đầu quá trình bất ổn định trong một hạt cực nhỏ đã hình thành nên Vũ trụ.

Càng nhiều nghiên cứu được thực hiện theo hướng này, càng có nhiều câu hỏi đặt ra cho các nhà vật lý thiên văn. Câu trả lời cho chúng đang chờ đợi nhân loại trong tương lai.

« Đối với tôi, cuộc sống quá ngắn ngủi để lo lắng về những điều ngoài tầm kiểm soát của mình và thậm chí có thể là không thể. Tại đây, họ đặt câu hỏi: "Điều gì sẽ xảy ra nếu Trái đất bị nuốt chửng bởi một lỗ đen, hoặc có sự biến dạng của không-thời gian - đây có phải là lý do cho sự phấn khích?" Câu trả lời của tôi là không, bởi vì chúng ta sẽ chỉ biết về nó khi nó đến ... vị trí của chúng ta trong không-thời gian. Chúng ta nhận được cú hích khi thiên nhiên quyết định đã đến lúc: cho dù đó là tốc độ âm thanh, tốc độ ánh sáng, tốc độ xung điện, chúng ta sẽ luôn là nạn nhân của sự chậm trễ về thời gian giữa thông tin xung quanh chúng ta và khả năng tiếp nhận nó.»

Neil deGrasse Tyson

Thời gian là một điều đáng kinh ngạc. Nó cho chúng ta quá khứ, hiện tại và tương lai. Vì thời gian, mọi thứ xung quanh chúng ta đều có tuổi. Ví dụ, tuổi của Trái đất là xấp xỉ 4,5 tỷ năm. Khoảng cùng số năm trước, ngôi sao gần chúng ta nhất, Mặt trời, cũng sáng lên. Nếu con số này có vẻ khiến bạn bối rối, đừng quên rằng rất lâu trước khi hình thành hệ mặt trời bản địa của chúng ta, thiên hà mà chúng ta đang sống - Dải Ngân hà - đã xuất hiện. Theo ước tính mới nhất của các nhà khoa học, tuổi của Dải Ngân hà là 13,6 tỷ năm. Nhưng chúng ta biết chắc rằng các thiên hà cũng có quá khứ, và không gian đơn giản là rất lớn, vì vậy chúng ta cần phải nhìn xa hơn nữa. Và sự phản chiếu này chắc chắn dẫn chúng ta đến thời điểm mà tất cả bắt đầu - Vụ nổ lớn.

Einstein và vũ trụ

Nhận thức về thế giới xung quanh của con người luôn mơ hồ. Có người vẫn chưa tin vào sự tồn tại của một Vũ trụ khổng lồ quanh ta, có người coi Trái đất là phẳng. Trước khi có bước đột phá khoa học vào thế kỷ 20, chỉ có một vài phiên bản về nguồn gốc của thế giới. Những người theo quan điểm tôn giáo tin vào sự can thiệp của thần thánh và sự sáng tạo của tâm trí cao hơn, những người không đồng ý đôi khi bị thiêu đốt. Có một phe khác tin rằng thế giới xung quanh chúng ta, cũng như Vũ trụ, là vô hạn.

Đối với nhiều người, mọi thứ đã thay đổi khi Albert Einstein có một bài nói chuyện vào năm 1917, giới thiệu với công chúng tác phẩm của cuộc đời ông - Thuyết Tương đối Tổng quát. Thiên tài của thế kỷ 20 đã kết nối không-thời gian với vấn đề không gian với sự trợ giúp của các phương trình mà ông suy ra. Kết quả là, Vũ trụ là hữu hạn, không thay đổi về kích thước và có hình dạng của một hình trụ thông thường.

Vào buổi bình minh của bước đột phá kỹ thuật, không ai có thể bác bỏ lời nói của Einstein, bởi vì lý thuyết của ông quá phức tạp ngay cả đối với những bộ óc vĩ đại nhất đầu thế kỷ 20. Vì không còn lựa chọn nào khác, nên mô hình vũ trụ đứng yên hình trụ đã được cộng đồng khoa học chấp nhận như một mô hình được chấp nhận chung của thế giới chúng ta. Tuy nhiên, cô chỉ có thể sống được vài năm. Sau khi các nhà vật lý có thể phục hồi các công trình khoa học của Einstein và bắt đầu sắp xếp chúng trên giá, song song với việc này, các điều chỉnh bắt đầu được thực hiện đối với lý thuyết tương đối và các tính toán cụ thể của nhà khoa học người Đức.

Năm 1922, nhà toán học người Nga Alexander Fridman bất ngờ đăng một bài báo trên tạp chí Izvestiya Fiziki, trong đó ông nói rằng Einstein đã sai và Vũ trụ của chúng ta không đứng yên. Friedman giải thích rằng những tuyên bố của nhà khoa học người Đức về sự bất biến của bán kính cong của không gian là ảo tưởng, trên thực tế, bán kính thay đổi theo thời gian. Theo đó, vũ trụ phải giãn nở.

Hơn nữa, tại đây Friedman đã đưa ra các giả định của mình về cách chính xác mà Vũ trụ có thể giãn nở. Tổng cộng có ba mô hình: một Vũ trụ đang chuyển động (giả định rằng Vũ trụ giãn nở và co lại với một chu kỳ nhất định theo thời gian); Vũ trụ giãn nở từ khối lượng và mô hình thứ ba - sự giãn nở từ điểm. Vì lúc đó không có bất kỳ mô hình nào khác, ngoại trừ sự can thiệp của thần thánh, các nhà vật lý đã nhanh chóng ghi nhận cả ba mô hình Friedman và bắt đầu phát triển chúng theo hướng riêng của họ.

Công việc của nhà toán học người Nga đã khiến Einstein hơi đau đầu, và cùng năm đó, ông đã xuất bản một bài báo trong đó ông bày tỏ nhận xét của mình về công trình của Friedman. Trong đó, một nhà vật lý người Đức cố gắng chứng minh tính đúng đắn của các tính toán của mình. Điều đó thực sự không thuyết phục, và khi nỗi đau từ việc giáng đòn vào lòng tự trọng giảm đi một chút, Einstein đã xuất bản một ghi chú khác trên tạp chí Izvestiya Fiziki, trong đó ông nói:

« Trong một ghi chép trước đây, tôi đã phê bình việc làm trên. Tuy nhiên, lời chỉ trích của tôi, như tôi thấy từ bức thư của Fridman do ông Krutkov gửi cho tôi, dựa trên một sai sót trong tính toán. Tôi coi kết quả của Friedman là đúng và làm sáng tỏ thêm.».

Các nhà khoa học đã phải thừa nhận rằng cả ba mô hình Friedman về sự xuất hiện và tồn tại của Vũ trụ của chúng ta là hoàn toàn hợp lý và có quyền sống. Cả ba đều được giải thích bằng các phép tính toán học dễ hiểu và không để lại câu hỏi. Ngoại trừ một điều: tại sao Vũ trụ lại bắt đầu mở rộng?

Lý thuyết đã thay đổi thế giới

Tuyên bố của Einstein và Friedman khiến giới khoa học đặt câu hỏi nghiêm túc về nguồn gốc của vũ trụ. Nhờ có thuyết tương đối rộng, đã có cơ hội làm sáng tỏ quá khứ của chúng ta, và các nhà vật lý đã không tận dụng điều này. Một trong những nhà khoa học đã cố gắng đưa ra một mô hình về thế giới của chúng ta là nhà vật lý thiên văn Georges Lemaitre đến từ Bỉ. Đáng chú ý là Lemaitre là một linh mục Công giáo, nhưng đồng thời ông cũng tham gia vào toán học và vật lý, một điều thực sự vô nghĩa đối với thời đại của chúng ta.

Georges Lemaitre bắt đầu quan tâm đến các phương trình của Einstein, và với sự giúp đỡ của họ, ông đã có thể tính toán rằng Vũ trụ của chúng ta xuất hiện do sự phân rã của một loại siêu hạt nào đó, nằm ngoài không gian và thời gian trước khi quá trình phân hạch bắt đầu, điều này thực sự có thể được coi là một vụ nổ. Đồng thời, các nhà vật lý lưu ý rằng Lemaitre là người đầu tiên làm sáng tỏ sự ra đời của Vũ trụ.

Lý thuyết về siêu nguyên tử bùng nổ không chỉ phù hợp với các nhà khoa học, mà còn cả giới tăng lữ, những người rất không hài lòng với những khám phá khoa học hiện đại, mà họ phải đưa ra những cách giải thích mới về Kinh thánh. Vụ nổ Big Bang không xảy ra xung đột đáng kể với tôn giáo, có lẽ điều này bị ảnh hưởng bởi sự nuôi dạy của chính Lemaitre, người đã cống hiến cuộc đời mình không chỉ cho khoa học mà còn cho việc phụng sự Chúa.

Vào ngày 22 tháng 11 năm 1951, Giáo hoàng Pius XII đã tuyên bố rằng Thuyết Vụ nổ lớn không mâu thuẫn với Kinh thánh và giáo điều Công giáo về nguồn gốc của thế giới. Các giáo sĩ chính thống cũng cho biết họ tích cực về lý thuyết này. Lý thuyết này cũng được các tín đồ của các tôn giáo khác chấp nhận một cách tương đối trung lập, một số người trong số họ thậm chí còn nói rằng có đề cập đến Vụ nổ lớn trong kinh sách của họ.

Tuy nhiên, bất chấp thực tế là Lý thuyết Vụ nổ lớn hiện đang là mô hình vũ trụ được chấp nhận rộng rãi, nó đã khiến nhiều nhà khoa học đi vào ngõ cụt. Một mặt, vụ nổ của một siêu hạt hoàn toàn phù hợp với logic của vật lý hiện đại, nhưng mặt khác, do kết quả của một vụ nổ như vậy, chủ yếu chỉ có các kim loại nặng, đặc biệt là sắt, có thể được hình thành. Nhưng hóa ra, Vũ trụ chủ yếu bao gồm các khí siêu nhẹ - hydro và heli. Có điều gì đó không phù hợp, vì vậy các nhà vật lý tiếp tục nghiên cứu lý thuyết về nguồn gốc của thế giới.

Ban đầu, thuật ngữ "Big Bang" không tồn tại. Lemaitre và các nhà vật lý khác chỉ đưa ra cái tên nhàm chán "mô hình tiến hóa động học", khiến học sinh ngáp dài. Chỉ vào năm 1949, tại một trong những bài giảng của mình, nhà thiên văn học và vũ trụ học người Anh Freud Hoyle đã nói:

"Lý thuyết này dựa trên giả định rằng vũ trụ phát sinh trong quá trình của một vụ nổ mạnh duy nhất và do đó chỉ tồn tại trong một thời gian hữu hạn ... Ý tưởng về Vụ nổ lớn này đối với tôi dường như hoàn toàn không thỏa đáng".

Kể từ đó, thuật ngữ này đã được sử dụng rộng rãi trong giới khoa học và ý tưởng của công chúng về \ u200b \ u200 cấu trúc của Vũ trụ.

Hydro và heli đến từ đâu?

Sự hiện diện của các nguyên tố nhẹ đã khiến các nhà vật lý bối rối, và nhiều nhà Lý thuyết Vụ nổ lớn bắt đầu tìm ra nguồn gốc của chúng. Trong nhiều năm họ đã không thể đạt được nhiều thành công, cho đến năm 1948, nhà khoa học lỗi lạc Georgy Gamov từ Leningrad cuối cùng đã có thể xác định được nguồn gốc này. Gamow là một trong những học trò của Friedman, vì vậy ông vui vẻ tiếp thu việc phát triển lý thuyết của thầy mình.

Gamow đã cố gắng tưởng tượng sự sống của Vũ trụ theo hướng ngược lại, và tua lại thời gian cho đến thời điểm nó vừa mới bắt đầu giãn nở. Như đã biết vào thời điểm đó, nhân loại đã khám phá ra các nguyên lý của phản ứng tổng hợp nhiệt hạch, vì vậy lý thuyết Friedmann-Lemaitre đã giành được quyền sống. Theo quy luật vật lý, khi vũ trụ còn rất nhỏ, nó rất nóng.

Theo Gamow, chỉ một giây sau Vụ nổ lớn, không gian của Vũ trụ mới chứa đầy các hạt cơ bản bắt đầu tương tác với nhau. Kết quả của việc này là phản ứng tổng hợp nhiệt hạch helium bắt đầu, mà Ralph Asher Alfer, một nhà toán học đến từ Odessa, đã có thể tính toán cho Gamow. Theo tính toán của Alfer, năm phút sau Vụ nổ lớn, Vũ trụ đã chứa đầy heli đến mức ngay cả những người phản đối thuyết Vụ nổ lớn cũng phải chấp nhận và chấp nhận mô hình này là mô hình chính trong vũ trụ học. Với nghiên cứu của mình, Gamow không chỉ mở ra những phương pháp mới để nghiên cứu Vũ trụ mà còn làm sống lại lý thuyết của Lemaitre.

Bất chấp những định kiến ​​về các nhà khoa học, họ không thể phủ nhận chủ nghĩa lãng mạn. Gamow đã công bố nghiên cứu của mình về lý thuyết về vũ trụ siêu bắn vào thời điểm xảy ra vụ nổ Big Bang năm 1948 trong tác phẩm Nguồn gốc của các nguyên tố hóa học. Với tư cách là trợ lý đồng nghiệp, ông không chỉ chỉ ra Ralph Asher Alfer, mà còn cả Hans Bethe, một nhà vật lý thiên văn người Mỹ và người đoạt giải Nobel trong tương lai. Trên trang bìa của cuốn sách, nó bật ra: Alfer, Bethe, Gamow. Nó không nhắc bạn về điều gì sao?

Tuy nhiên, bất chấp việc các công trình của Lemaitre nhận được sự sống thứ hai, các nhà vật lý vẫn không thể trả lời câu hỏi thú vị nhất: điều gì đã xảy ra trước vụ nổ Big Bang?

Nỗ lực hồi sinh vũ trụ tĩnh của Einstein

Không phải tất cả các nhà khoa học đều đồng ý với lý thuyết Friedmann-Lemaitre, nhưng bất chấp điều này, họ phải giảng dạy mô hình vũ trụ được chấp nhận chung tại các trường đại học. Ví dụ, nhà thiên văn học Fred Hoyle, người đã tự đặt ra thuật ngữ "Vụ nổ lớn", thực sự tin rằng không có vụ nổ nào và đã dành cả cuộc đời mình để cố gắng chứng minh điều đó.
Hoyle đã trở thành một trong những nhà khoa học trong thời đại chúng ta đưa ra một cái nhìn khác về thế giới hiện đại. Hầu hết các nhà vật lý khá mát mẻ về phát biểu của những người như vậy, nhưng điều này không làm họ bận tâm chút nào.

Để làm xấu hổ Gamow và lời biện minh của anh ta về Thuyết Vụ nổ lớn, Hoyle, cùng với những người cùng chí hướng, quyết định phát triển mô hình của riêng họ về nguồn gốc của Vũ trụ. Để làm cơ sở, họ lấy đề xuất của Einstein rằng Vũ trụ là đứng yên, và thực hiện một số điều chỉnh nhằm đưa ra những lý do thay thế cho sự giãn nở của Vũ trụ.

Nếu những người theo thuyết Lemaitre-Friedmann tin rằng Vũ trụ sinh ra từ một điểm siêu đặc duy nhất có bán kính nhỏ vô hạn, thì Hoyle cho rằng vật chất liên tục được hình thành từ các điểm nằm giữa các thiên hà chuyển động ra xa nhau. Trong trường hợp đầu tiên, toàn bộ Vũ trụ được hình thành từ một hạt, với vô số các ngôi sao và thiên hà. Trong một trường hợp khác, một điểm cho nhiều vật chất đến mức chỉ tạo ra một thiên hà.

Sự mâu thuẫn trong lý thuyết của Hoyle là ông không bao giờ có thể giải thích được nguồn gốc của chính chất này, thứ tiếp tục tạo ra các thiên hà trong đó có hàng trăm tỷ ngôi sao. Trên thực tế, Fred Hoyle gợi ý rằng mọi người hãy tin rằng cấu trúc của vũ trụ xuất hiện từ hư không. Mặc dù thực tế là nhiều nhà vật lý đã cố gắng tìm ra lời giải cho lý thuyết của Hoyle, nhưng không ai làm được điều này, và sau một vài thập kỷ, đề xuất này đã mất đi tính phù hợp.

Câu hỏi không có câu trả lời

Trên thực tế, Lý thuyết Vụ nổ lớn cũng không cho chúng ta câu trả lời cho nhiều câu hỏi. Ví dụ, trong tâm trí của một người bình thường, thực tế là tất cả các vật chất xung quanh chúng ta đã từng bị nén vào một điểm kỳ dị duy nhất, nhỏ hơn nhiều so với một nguyên tử, không thể phù hợp. Và làm thế nào mà siêu hạt này lại nóng lên đến mức bắt đầu phản ứng nổ.

Cho đến giữa thế kỷ 20, lý thuyết về vũ trụ giãn nở chưa bao giờ được xác nhận bằng thực nghiệm, do đó nó không được sử dụng rộng rãi trong các cơ sở giáo dục. Mọi thứ thay đổi vào năm 1964, khi hai nhà vật lý thiên văn người Mỹ - Arno Penzias và Robert Wilson - không quyết định nghiên cứu các tín hiệu vô tuyến của bầu trời đầy sao.

Khi quét bức xạ của các thiên thể, cụ thể là Cassiopeia A (một trong những nguồn phát xạ vô tuyến mạnh nhất trên bầu trời đầy sao), các nhà khoa học nhận thấy một số loại tạp âm liên tục cản trở việc ghi dữ liệu bức xạ chính xác. Bất cứ nơi nào họ hướng ăng-ten của mình, bất kể họ bắt đầu nghiên cứu vào thời điểm nào trong ngày, đặc tính này và tiếng ồn liên tục luôn theo đuổi họ. Tức giận ở một mức độ nhất định, Penzias và Wilson quyết định nghiên cứu nguồn gốc của tiếng ồn này và bất ngờ đưa ra phát hiện làm thay đổi thế giới. Họ đã phát hiện ra bức xạ di tích, là tiếng vang của vụ nổ Big Bang tương tự.

Vũ trụ của chúng ta nguội chậm hơn nhiều so với một tách trà nóng và CMB chỉ ra rằng vật chất xung quanh chúng ta đã từng rất nóng và hiện đang nguội đi khi vũ trụ giãn nở. Do đó, tất cả các lý thuyết liên quan đến Vũ trụ lạnh giá đã bị loại bỏ, và cuối cùng Lý thuyết Vụ nổ lớn đã được thông qua.

Trong các bài viết của mình, Georgy Gamow cho rằng có thể phát hiện ra các photon trong không gian đã tồn tại kể từ Vụ nổ lớn, chỉ cần thiết bị kỹ thuật tiên tiến hơn. Bức xạ di tích đã xác nhận tất cả các giả định của ông về sự tồn tại của vũ trụ. Ngoài ra, với sự trợ giúp của nó, có thể xác định rằng tuổi của Vũ trụ của chúng ta là khoảng 14 tỷ năm.

Như mọi khi, với sự chứng minh thực tế của bất kỳ lý thuyết nào, nhiều ý kiến ​​khác nhau ngay lập tức nảy sinh. Một số nhà vật lý chế giễu việc phát hiện ra CMB là bằng chứng của Vụ nổ lớn. Bất chấp sự thật là Penzias và Wilson đã giành được giải Nobel cho khám phá lịch sử của họ, nhiều người không đồng ý với nghiên cứu của họ.

Các lập luận chính ủng hộ sự không nhất quán của sự mở rộng của Vũ trụ là sự khác biệt và lỗi lôgic. Ví dụ, vụ nổ làm tăng tốc đồng đều tất cả các thiên hà trong không gian, nhưng thay vì di chuyển ra xa chúng ta, thiên hà Andromeda đang tiến dần đến Dải Ngân hà một cách chậm rãi nhưng chắc chắn. Các nhà khoa học cho rằng hai thiên hà này sẽ va chạm với nhau chỉ trong khoảng 4 tỷ năm nữa. Thật không may, nhân loại vẫn còn quá trẻ để trả lời câu hỏi này và câu hỏi khác.

Lý thuyết về trạng thái cân bằng

Trong thời đại của chúng ta, các nhà vật lý đưa ra nhiều mô hình khác nhau cho sự tồn tại của vũ trụ. Nhiều người trong số họ không chịu được những lời chỉ trích dù đơn giản, trong khi những người khác nhận được quyền được sống.

Vào cuối thế kỷ 20, một nhà vật lý thiên văn đến từ Mỹ, Edward Tryon, cùng với đồng nghiệp của ông đến từ Úc, Warren Kerry, đã đề xuất một mô hình về cơ bản mới của Vũ trụ, và họ đã thực hiện nó một cách độc lập với nhau. Các nhà khoa học đã nghiên cứu dựa trên giả định rằng mọi thứ trong vũ trụ đều cân bằng. Khối lượng phá hủy năng lượng, và ngược lại. Nguyên lý này được gọi là nguyên lý của Vũ trụ Zero. Trong vũ trụ này, vật chất mới xuất hiện tại các điểm kỳ dị giữa các thiên hà, nơi mà lực hút và lực đẩy của vật chất được cân bằng.

Lý thuyết về Vũ trụ Zero đã không bị phá vỡ tan tành vì sau một thời gian, các nhà khoa học đã có thể phát hiện ra sự tồn tại của vật chất tối - một chất bí ẩn chiếm gần 27% Vũ trụ của chúng ta. 68,3% khác của vũ trụ là năng lượng tối huyền bí và bí ẩn hơn.

Chính nhờ tác dụng hấp dẫn của năng lượng tối mà người ta quy ra gia tốc giãn nở của Vũ trụ. Nhân tiện, sự hiện diện của năng lượng tối trong không gian đã được dự đoán bởi chính Einstein, người đã thấy rằng có một thứ gì đó không hội tụ trong phương trình của ông, thì Vũ trụ không thể đứng yên. Do đó, ông đã đưa một hằng số vũ trụ vào các phương trình - thuật ngữ Lambda, mà sau này ông đã nhiều lần tự trách và căm ghét bản thân.

Điều đã xảy ra là không gian trong Vũ trụ, trống rỗng về mặt lý thuyết, tuy nhiên lại được lấp đầy bởi một trường đặc biệt nhất định, điều này thúc đẩy mô hình Einstein. Trong một trí óc tỉnh táo và theo logic của thời đó, sự tồn tại của một trường như vậy đơn giản là không thể, nhưng thực tế thì nhà vật lý người Đức đơn giản là không biết cách mô tả năng lượng tối.

***
Có lẽ chúng ta sẽ không bao giờ biết được vũ trụ của chúng ta đã phát sinh như thế nào và từ đâu. Sẽ càng khó khăn hơn để thiết lập những gì đã có trước khi nó tồn tại. Con người có xu hướng sợ hãi những gì họ không thể giải thích, vì vậy có thể cho đến tận cùng thời gian, nhân loại cũng sẽ tin vào ảnh hưởng của thần thánh đối với sự sáng tạo của thế giới xung quanh chúng ta.

Câu trả lời cho câu hỏi "Vụ nổ lớn là gì?" có thể thu được trong quá trình thảo luận dài, vì nó mất rất nhiều thời gian. Tôi sẽ cố gắng giải thích lý thuyết này một cách ngắn gọn và chính xác. Vì vậy, lý thuyết "Vụ nổ lớn" giả định rằng vũ trụ của chúng ta đột nhiên hình thành cách đây khoảng 13,7 tỷ năm (từ khi mọi thứ không xuất hiện). Và những gì đã xảy ra sau đó vẫn ảnh hưởng đến cách thức và cách thức mà mọi thứ trong vũ trụ tương tác với nhau. Hãy xem xét những điểm chính của lý thuyết.

Điều gì đã xảy ra trước vụ nổ Big Bang?

Lý thuyết Vụ nổ lớn bao gồm một khái niệm rất thú vị - điểm kỳ dị. Tôi cá rằng nó khiến bạn tự hỏi: điểm kỳ dị là gì? Các nhà thiên văn học, vật lý học và các nhà khoa học khác cũng đang đặt câu hỏi này. Các điểm kỳ dị được cho là tồn tại trong lõi của các lỗ đen. Lỗ đen là một khu vực có áp suất hấp dẫn mạnh. Theo lý thuyết, áp suất này có cường độ lớn đến mức vật chất bị nén lại cho đến khi nó có mật độ vô hạn. Mật độ vô hạn này được gọi là điểm kỳ dị. Vũ trụ của chúng ta được cho là đã bắt đầu như một trong những điểm kỳ dị nhỏ vô cùng, nóng vô hạn và dày đặc vô hạn này. Tuy nhiên, chúng ta vẫn chưa đến với chính vụ nổ Big Bang. Vụ nổ lớn là thời điểm mà điểm kỳ dị này đột nhiên "bùng nổ" và bắt đầu mở rộng và tạo ra Vũ trụ của chúng ta.

Lý thuyết Vụ nổ lớn dường như ngụ ý rằng thời gian và không gian tồn tại trước khi vũ trụ của chúng ta hình thành. Tuy nhiên, Stephen Hawking, George Ellis và Roger Penrose (et al.) Đã phát triển một lý thuyết vào cuối những năm 1960 để cố gắng giải thích rằng thời gian và không gian không tồn tại trước sự mở rộng của điểm kỳ dị. Nói cách khác, cả thời gian và không gian đều không tồn tại cho đến khi vũ trụ tồn tại.

Điều gì đã xảy ra sau vụ nổ Big Bang?

Khoảnh khắc của Vụ nổ lớn là khoảnh khắc của sự bắt đầu của thời gian. Sau Vụ nổ lớn, nhưng rất lâu trước giây đầu tiên (10-43 giây), vũ trụ trải qua sự giãn nở lạm phát cực nhanh, mở rộng 1050 lần trong một phần nhỏ của giây.

Sau đó sự mở rộng chậm lại, nhưng giây đầu tiên vẫn chưa đến (chỉ 10 -32 giây nữa). Tại thời điểm này, Vũ trụ là một "nồi canh" sôi (với nhiệt độ 10 27 ° C) của các electron, hạt quark và các hạt cơ bản khác.

Sự lạnh đi nhanh chóng của không gian (lên đến 10 13 ° C) cho phép các quark kết hợp thành proton và neutron. Tuy nhiên, giây đầu tiên vẫn chưa đến (chỉ còn 10 -6 giây nữa).

Ở phút thứ 3, quá nóng để kết hợp thành nguyên tử, các electron và proton mang điện ngăn cản ánh sáng phát ra. Vũ trụ là một màn sương mù siêu lớn (10 8 ° C).

Sau 300.000 năm, vũ trụ nguội dần xuống 10.000 ° C, các electron với proton và neutron tạo thành nguyên tử, chủ yếu là hydro và heli.

1 tỷ năm sau Vụ nổ lớn, khi nhiệt độ của vũ trụ lên tới -200 ° C, hydro và heli tạo thành những "đám mây" khổng lồ mà sau này sẽ trở thành thiên hà. Những ngôi sao đầu tiên xuất hiện.

12. Điều gì đã gây ra vụ nổ Big Bang?

Nghịch lý của sự xuất hiện

Không một bài giảng nào về vũ trụ học mà tôi từng đọc hoàn chỉnh nếu không có câu hỏi về nguyên nhân gây ra Vụ nổ lớn? Cho đến một vài năm trước, tôi không biết câu trả lời thực sự; Hôm nay, tôi tin rằng, anh ấy đã nổi tiếng.

Về cơ bản, câu hỏi này bao gồm hai câu hỏi ở dạng ẩn. Trước tiên, chúng ta muốn biết tại sao sự phát triển của vũ trụ lại bắt đầu bằng một vụ nổ và điều gì đã gây ra vụ nổ này ngay từ đầu. Nhưng đằng sau vấn đề thuần túy vật lý ấy lại ẩn chứa một vấn đề khác, sâu xa hơn, có tính chất triết học. Nếu Vụ nổ lớn đánh dấu sự khởi đầu của sự tồn tại vật chất của vũ trụ, bao gồm cả sự xuất hiện của không gian và thời gian, thì chúng ta có thể nói điều đó theo nghĩa nào điều gì đã gây ra vụ nổ này?

Theo quan điểm của vật lý học, sự xuất hiện đột ngột của vũ trụ là kết quả của một vụ nổ khổng lồ ở một mức độ nào đó dường như là nghịch lý. Trong bốn tương tác chi phối thế giới, chỉ có lực hấp dẫn thể hiện ở quy mô vũ trụ, và như kinh nghiệm của chúng tôi cho thấy, lực hấp dẫn có đặc tính là lực hút. Tuy nhiên, đối với vụ nổ đánh dấu sự ra đời của vũ trụ, rõ ràng, một lực đẩy có cường độ đáng kinh ngạc là cần thiết, có thể xé vụn vũ trụ và gây ra sự giãn nở của nó, điều này vẫn tiếp tục cho đến ngày nay.

Điều này có vẻ kỳ lạ, bởi vì nếu vũ trụ bị chi phối bởi lực hấp dẫn, thì nó sẽ không giãn nở, mà co lại. Thật vậy, lực hấp dẫn của lực hút làm cho các vật thể vật chất co lại chứ không nổ. Ví dụ, một ngôi sao rất đặc mất khả năng hỗ trợ trọng lượng của chính nó và sụp đổ để tạo thành một ngôi sao neutron hoặc lỗ đen. Mức độ nén của vật chất trong vũ trụ sơ khai cao hơn nhiều so với mức độ dày đặc nhất của ngôi sao; do đó, câu hỏi thường được đặt ra tại sao vũ trụ nguyên thủy không sụp đổ thành một lỗ đen ngay từ đầu.

Câu trả lời thông thường cho điều này là vụ nổ sơ cấp chỉ nên được coi là điều kiện ban đầu. Câu trả lời này rõ ràng là không thỏa đáng và khó hiểu. Tất nhiên, dưới tác động của lực hấp dẫn, tốc độ giãn nở của vũ trụ liên tục giảm ngay từ đầu, nhưng vào thời điểm sinh ra, Vũ trụ đang giãn nở nhanh vô hạn. Vụ nổ không phải do bất kỳ lực nào gây ra - chỉ là sự phát triển của vũ trụ bắt đầu bằng sự giãn nở. Nếu vụ nổ ít mạnh hơn, lực hấp dẫn sẽ rất sớm ngăn cản sự giãn nở của vật chất. Kết quả là, sự giãn nở sẽ được thay thế bằng sự co lại, điều này sẽ mang một nhân vật thảm khốc và biến Vũ trụ thành một thứ gì đó tương tự như một lỗ đen. Nhưng trên thực tế, vụ nổ hóa ra “đủ lớn” để có thể tồn tại trong Vũ trụ, khi vượt qua được lực hấp dẫn của chính nó, hoặc tiếp tục giãn nở mãi mãi do lực của vụ nổ sơ cấp, hoặc ít nhất là tồn tại trong nhiều tỷ năm trước khi trải qua quá trình nén và biến mất vào quên lãng.

Vấn đề với bức tranh truyền thống này là nó không giải thích được Big Bang theo bất kỳ cách nào. Thuộc tính cơ bản của Vũ trụ một lần nữa được coi đơn giản như một điều kiện ban đầu, được chấp nhận đặc biệt(đối với trường hợp này); về bản chất, nó chỉ nói rằng Vụ nổ lớn đã diễn ra. Hiện vẫn chưa rõ lý do tại sao lực của vụ nổ lại là như vậy mà không phải là thứ khác. Tại sao vụ nổ không còn mạnh hơn để vũ trụ đang giãn nở nhanh hơn nhiều? Người ta cũng có thể hỏi tại sao vũ trụ hiện không giãn nở chậm hơn nhiều, hoặc không co lại chút nào. Tất nhiên, nếu vụ nổ không có đủ lực, vũ trụ sẽ sớm sụp đổ và sẽ chẳng còn ai đặt câu hỏi như vậy. Tuy nhiên, không có khả năng lý luận như vậy có thể được coi là một lời giải thích.

Khi phân tích kỹ hơn, nó chỉ ra rằng nghịch lý về nguồn gốc của vũ trụ thực sự thậm chí còn phức tạp hơn mô tả ở trên. Các phép đo cẩn thận cho thấy tốc độ giãn nở của vũ trụ rất gần với giá trị tới hạn mà tại đó vũ trụ có thể vượt qua lực hấp dẫn của chính nó và giãn nở vĩnh viễn. Nếu tốc độ này nhỏ hơn một chút - và sự sụp đổ của Vũ trụ sẽ xảy ra, và nếu nó nhiều hơn một chút - thì vật chất vũ trụ đã hoàn toàn tan biến từ lâu. Thật thú vị khi tìm ra tốc độ giãn nở của Vũ trụ chính xác như thế nào trong khoảng thời gian cho phép rất hẹp giữa hai thảm họa có thể xảy ra. Nếu tại thời điểm tương ứng với 1 s, khi dạng mở rộng đã được xác định rõ ràng, tốc độ mở rộng sẽ khác với giá trị thực của nó hơn 10 ^ -18, điều này đủ để làm đảo lộn hoàn toàn sự cân bằng mong manh. Do đó, lực của vụ nổ Vũ trụ với độ chính xác gần như đáng kinh ngạc tương ứng với tương tác hấp dẫn của nó. Vụ nổ lớn, sau đó, không chỉ là một vụ nổ ở xa - nó là một vụ nổ của một lực rất cụ thể. Trong phiên bản truyền thống của lý thuyết Vụ nổ lớn, người ta không chỉ phải chấp nhận thực tế của vụ nổ mà còn cả thực tế là vụ nổ xảy ra theo một cách cực kỳ kỳ quái. Nói cách khác, các điều kiện ban đầu hóa ra lại cực kỳ cụ thể.

Tốc độ giãn nở của vũ trụ chỉ là một trong số những bí ẩn vũ trụ rõ ràng. Bức còn lại được kết nối với bức tranh về sự giãn nở của Vũ trụ trong không gian. Theo quan sát hiện đại. Vũ trụ, trên một quy mô lớn, là cực kỳ đồng nhất cho đến khi có liên quan đến sự phân bố của vật chất và năng lượng. Cấu trúc toàn cầu của vũ trụ gần như giống nhau khi nhìn từ Trái đất và từ một thiên hà xa xôi. Các thiên hà nằm rải rác trong không gian với mật độ trung bình như nhau, và từ mọi điểm Vũ trụ trông giống nhau theo mọi hướng. Bức xạ nhiệt sơ cấp lấp đầy Vũ trụ rơi xuống Trái đất, có cùng nhiệt độ theo mọi hướng với độ chính xác ít nhất là 10-4. Bức xạ này di chuyển trong không gian hàng tỷ năm ánh sáng trên đường tới chúng ta và mang dấu ấn của bất kỳ sự sai lệch nào so với tính đồng nhất mà nó gặp phải.

Tính đồng nhất quy mô lớn của vũ trụ vẫn tồn tại khi vũ trụ giãn nở. Kéo theo đó là sự giãn nở xảy ra đồng nhất và đẳng hướng với độ chính xác rất cao. Điều này có nghĩa là tốc độ giãn nở của vũ trụ không chỉ giống nhau theo mọi hướng mà còn không đổi ở các khu vực khác nhau. Nếu Vũ trụ giãn nở theo một hướng nhanh hơn theo hướng khác, thì điều này sẽ dẫn đến giảm nhiệt độ của bức xạ nhiệt nền theo hướng này và sẽ thay đổi bức tranh chuyển động của các thiên hà nhìn thấy từ Trái đất. Do đó, sự tiến hóa của Vũ trụ không chỉ bắt đầu bằng một vụ nổ của một lực lượng được xác định chặt chẽ - vụ nổ rõ ràng là "có tổ chức", tức là. xảy ra đồng thời, với cùng một lực tại mọi điểm và theo mọi hướng.

Rất khó có khả năng một vụ phun trào đồng thời và phối hợp như vậy có thể xảy ra hoàn toàn tự phát, và nghi ngờ này được củng cố trong lý thuyết Vụ nổ lớn truyền thống bởi thực tế là các vùng khác nhau của vũ trụ nguyên thủy không liên quan đến nhau về mặt nhân quả. Thực tế là, theo thuyết tương đối, không có hiệu ứng vật lý nào có thể lan truyền nhanh hơn ánh sáng. Do đó, các vùng không gian khác nhau có thể được kết nối nhân quả với nhau chỉ sau một khoảng thời gian nhất định đã trôi qua. Ví dụ, 1 giây sau vụ nổ, ánh sáng có thể đi được quãng đường không quá một giây ánh sáng, tương ứng với 300.000 km. Các vùng của Vũ trụ, cách nhau một khoảng lớn, sau 1s sẽ chưa ảnh hưởng lẫn nhau. Nhưng vào thời điểm này, khu vực của Vũ trụ mà chúng ta quan sát đã chiếm một khoảng không gian có đường kính ít nhất là 10 ^ 14 km. Do đó, vũ trụ bao gồm khoảng 10 ^ 27 vùng không liên quan về mặt nhân quả, tuy nhiên, mỗi vùng đều giãn nở với tốc độ chính xác như nhau. Thậm chí ngày nay, khi quan sát bức xạ vũ trụ nhiệt đến từ các phía đối diện của bầu trời đầy sao, chúng ta ghi nhận chính xác các dấu vết "dấu vân tay" giống nhau của các vùng trong Vũ trụ cách nhau một khoảng cách rất lớn: những khoảng cách này hóa ra lớn hơn 90 lần so với khoảng cách mà ánh sáng có thể truyền từ thời điểm bức xạ nhiệt được phát ra.

Làm thế nào để giải thích sự gắn kết đáng chú ý như vậy của các vùng không gian khác nhau, rõ ràng là chưa bao giờ được kết nối với nhau? Làm thế nào mà hành vi tương tự này xảy ra? Trong câu trả lời truyền thống, một lần nữa có tham chiếu đến các điều kiện ban đầu đặc biệt. Tính đồng nhất đặc biệt của các thuộc tính của vụ nổ sơ cấp được coi đơn giản như một sự thật: đây là cách Vũ trụ ra đời.

Tính đồng nhất ở quy mô lớn của vũ trụ càng khó hiểu hơn khi người ta cho rằng vũ trụ hoàn toàn không đồng nhất ở quy mô nhỏ. Sự tồn tại của các thiên hà và cụm thiên hà riêng lẻ cho thấy sự sai lệch so với tính đồng nhất nghiêm ngặt, và sự sai lệch này, hơn nữa, ở mọi nơi đều giống nhau về quy mô và độ lớn. Vì lực hấp dẫn có xu hướng làm tăng bất kỳ sự tích tụ ban đầu nào của vật chất, mức độ không đồng nhất cần thiết để hình thành các thiên hà vào thời điểm xảy ra Vụ nổ lớn ít hơn nhiều so với hiện tại. Tuy nhiên, trong giai đoạn đầu của vụ nổ Big Bang, một chút không đồng nhất sẽ vẫn còn tồn tại, nếu không các thiên hà sẽ không bao giờ hình thành. Trong lý thuyết Big Bang cũ, những tính không đồng nhất này cũng được quy ở giai đoạn đầu là "điều kiện ban đầu". Vì vậy, chúng ta phải tin rằng sự phát triển của vũ trụ bắt đầu không phải từ một lý tưởng hoàn toàn, mà là từ một trạng thái rất bất thường.

Tất cả những điều trên có thể được tóm tắt như sau: nếu lực duy nhất trong vũ trụ là lực hấp dẫn, thì Vụ nổ lớn nên được hiểu là "do Chúa gửi xuống", tức là. không có nguyên nhân, với các điều kiện ban đầu nhất định. Ngoài ra, nó được đặc trưng bởi tính nhất quán đáng kinh ngạc; để đi đến cấu trúc hiện có, vũ trụ đã phải phát triển đúng cách ngay từ đầu. Đây là nghịch lý về nguồn gốc của vũ trụ.

Tìm kiếm phản trọng lực

Nghịch lý về nguồn gốc của vũ trụ chỉ mới được giải quyết trong những năm gần đây; tuy nhiên, ý tưởng chính của giải pháp có thể bắt nguồn từ lịch sử xa xôi, vào thời điểm mà cả lý thuyết mở rộng và lý thuyết Vụ nổ lớn đều chưa tồn tại. Ngay cả Newton cũng hiểu vấn đề khó khăn như thế nào là sự ổn định của vũ trụ. Làm thế nào để các ngôi sao duy trì vị trí của họ trong không gian mà không cần hỗ trợ? Bản chất phổ quát của lực hút hấp dẫn đã dẫn đến sự co lại của các ngôi sao thành các cụm gần nhau.

Để tránh điều vô lý này, Newton đã dùng đến một suy luận rất tò mò. Nếu vũ trụ sụp đổ dưới lực hấp dẫn của chính nó, mỗi ngôi sao sẽ "rơi" về phía trung tâm của cụm sao. Tuy nhiên, giả sử rằng vũ trụ là vô hạn và các ngôi sao phân bố trung bình một cách đồng đều trong không gian vô hạn. Trong trường hợp này, sẽ không có trung tâm chung nào, về phía mà tất cả các ngôi sao có thể rơi xuống, bởi vì trong Vũ trụ vô tận, tất cả các vùng đều giống hệt nhau. Bất kỳ ngôi sao nào cũng sẽ bị ảnh hưởng bởi lực hút hấp dẫn của tất cả các ngôi sao lân cận của nó, nhưng do tính trung bình của những ảnh hưởng này theo nhiều hướng khác nhau, sẽ không có lực kết quả nào có xu hướng di chuyển ngôi sao này đến một vị trí nhất định so với toàn bộ tập hợp các ngôi sao.

Khi, 200 năm sau Newton, Einstein tạo ra một lý thuyết mới về lực hấp dẫn, ông cũng bối rối trước vấn đề làm thế nào để vũ trụ tránh được sự sụp đổ. Công trình đầu tiên của ông về vũ trụ học được xuất bản trước khi Hubble phát hiện ra sự giãn nở của vũ trụ; vì vậy Einstein, giống như Newton, đã giả định rằng vũ trụ là tĩnh. Tuy nhiên, Einstein đã cố gắng giải quyết vấn đề về sự ổn định của vũ trụ theo một cách trực tiếp hơn nhiều. Ông tin rằng để ngăn chặn sự sụp đổ của vũ trụ dưới tác động của lực hấp dẫn của chính nó, cần phải có một lực vũ trụ khác có thể chống lại lực hấp dẫn. Lực này phải là một lực đẩy chứ không phải là một lực hấp dẫn để bù lại lực hút. Theo nghĩa này, một lực như vậy có thể được gọi là "phản lực hấp dẫn", mặc dù nói về lực đẩy vũ trụ thì đúng hơn. Einstein trong trường hợp này không chỉ tùy tiện phát minh ra lực này. Ông đã chỉ ra rằng một thuật ngữ bổ sung có thể được đưa vào phương trình của trường hấp dẫn, dẫn đến sự xuất hiện của một lực với các đặc tính mong muốn.

Mặc dù thực tế là khái niệm về một lực đẩy ngược lại với lực hấp dẫn về bản thân nó khá đơn giản và tự nhiên, nhưng trên thực tế, các tính chất của một lực như vậy lại khá bất thường. Tất nhiên, không có lực nào như vậy được quan sát thấy trên Trái đất, và không có dấu hiệu nào về nó đã được tìm thấy trong vài thế kỷ về sự tồn tại của thiên văn học hành tinh. Rõ ràng, nếu lực đẩy vũ trụ tồn tại, thì nó sẽ không có tác dụng đáng chú ý nào ở khoảng cách nhỏ, nhưng cường độ của nó tăng lên đáng kể trên quy mô thiên văn. Hành vi như vậy mâu thuẫn với tất cả kinh nghiệm trước đây trong việc nghiên cứu bản chất của các lực: chúng thường có cường độ mạnh ở khoảng cách nhỏ và yếu đi khi khoảng cách tăng dần. Do đó, tương tác điện từ và hấp dẫn liên tục giảm theo quy luật nghịch đảo bình phương. Tuy nhiên, trong lý thuyết của Einstein, một lực với những đặc tính khá bất thường như vậy đã tự nhiên xuất hiện.

Người ta không nên nghĩ lực đẩy vũ trụ do Einstein giới thiệu là tương tác thứ năm trong tự nhiên. Nó chỉ là một biểu hiện kỳ ​​lạ của chính lực hấp dẫn. Dễ dàng chỉ ra rằng các tác động của lực đẩy vũ trụ có thể được quy cho lực hấp dẫn thông thường, nếu một môi trường có các đặc tính khác thường được chọn làm nguồn của trường hấp dẫn. Một môi trường vật chất thông thường (ví dụ, một chất khí) tạo ra áp suất, trong khi môi trường giả định được thảo luận ở đây phải có từ chốiáp lực hoặc căng thẳng. Để hình dung rõ ràng hơn những gì chúng ta đang nói đến, chúng ta hãy tưởng tượng rằng chúng ta đã xoay sở để lấp đầy một bình chứa chất vũ trụ như vậy. Khi đó, không giống như khí thông thường, môi trường không gian giả định sẽ không tạo áp lực lên thành bình mà sẽ có xu hướng hút chúng vào trong bình.

Như vậy, chúng ta có thể coi lực đẩy vũ trụ như một dạng cộng với lực hấp dẫn hoặc như một hiện tượng do lực hấp dẫn thông thường vốn có trong một môi trường khí vô hình lấp đầy không gian và có áp suất âm. Thực tế là không có gì mâu thuẫn khi một mặt, áp suất âm hút vào thành bình, và mặt khác, phương tiện giả định này đẩy lùi các thiên hà, và không thu hút chúng. Rốt cuộc, lực đẩy là do trọng lực của môi trường, và không phải là một tác động cơ học. Trong mọi trường hợp, lực cơ học được tạo ra không phải bởi chính áp suất, mà bởi sự chênh lệch áp suất, nhưng nó được cho là môi trường giả định lấp đầy toàn bộ không gian. Nó không thể bị giới hạn bởi các bức tường của bình, và một người quan sát ở trong môi trường này sẽ hoàn toàn không coi nó như một chất hữu hình. Không gian sẽ trông và cảm thấy hoàn toàn trống rỗng.

Bất chấp những đặc điểm đáng kinh ngạc của phương tiện giả thuyết như vậy, Einstein từng nói rằng ông đã xây dựng được một mô hình vũ trụ ưng ý, trong đó sự cân bằng được duy trì giữa lực hấp dẫn và lực đẩy vũ trụ do ông phát hiện ra. Với sự trợ giúp của các phép tính đơn giản, Einstein đã ước tính độ lớn của lực đẩy vũ trụ cần thiết để cân bằng lực hấp dẫn trong vũ trụ. Ông đã có thể xác nhận rằng lực đẩy phải nhỏ đến mức trong Hệ Mặt trời (và thậm chí trên quy mô của Thiên hà) đến mức không thể phát hiện được bằng thực nghiệm. Trong một thời gian, có vẻ như bí ẩn lâu đời đã được giải quyết một cách xuất sắc.

Tuy nhiên, sau đó tình hình đã thay đổi theo chiều hướng xấu hơn. Trước hết, vấn đề ổn định cân bằng nảy sinh. Ý tưởng cơ bản của Einstein dựa trên sự cân bằng chặt chẽ giữa lực hút và lực đẩy. Nhưng, như trong nhiều trường hợp cân bằng nghiêm ngặt khác, các chi tiết tinh tế cũng được đưa ra ánh sáng ở đây. Ví dụ, nếu vũ trụ tĩnh của Einstein giãn nở một chút, thì lực hấp dẫn (suy yếu theo khoảng cách) sẽ giảm đi phần nào, trong khi lực đẩy vũ trụ (tăng theo khoảng cách) sẽ tăng lên một chút. Điều này sẽ dẫn đến sự mất cân bằng có lợi cho các lực đẩy, điều này sẽ gây ra sự mở rộng không giới hạn của Vũ trụ dưới tác động của một lực đẩy toàn thắng. Ngược lại, nếu vũ trụ tĩnh của Einstein co lại một chút, thì lực hấp dẫn sẽ tăng lên và lực đẩy vũ trụ sẽ giảm, điều này sẽ dẫn đến sự mất cân bằng có lợi cho các lực hút và kết quả là, co lại nhanh hơn bao giờ hết, và cuối cùng dẫn đến sự sụp đổ mà Einstein nghĩ rằng ông đã tránh được. Do đó, ở một độ lệch nhỏ nhất, sự cân bằng chặt chẽ sẽ bị đảo lộn, và một thảm họa vũ trụ sẽ không thể tránh khỏi.

Sau đó, vào năm 1927, Hubble phát hiện ra sự suy thoái của các thiên hà (tức là sự giãn nở của vũ trụ), điều này làm cho vấn đề cân bằng trở nên vô nghĩa. Rõ ràng là vũ trụ không bị đe dọa bởi sự nén và sụp đổ, vì nó mở rộng. Nếu Einstein không bị phân tâm bởi việc tìm kiếm lực đẩy vũ trụ, ông chắc chắn đã đưa ra kết luận này về mặt lý thuyết, do đó dự đoán sự giãn nở của Vũ trụ 10 năm trước khi các nhà thiên văn học phát hiện ra nó. Dự đoán như vậy chắc chắn sẽ đi vào lịch sử khoa học như một trong những dự đoán nổi bật nhất (dự đoán như vậy được đưa ra dựa trên cơ sở của phương trình Einstein vào năm 1922-1923 bởi Giáo sư A. A. Fridman của Đại học Petrograd). Cuối cùng, Einstein đã phải dứt khoát từ bỏ lực đẩy vũ trụ, điều mà sau này ông coi là "sai lầm lớn nhất của cuộc đời mình". Tuy nhiên, câu chuyện không kết thúc ở đó.

Einstein đã đưa ra lực đẩy vũ trụ để giải quyết vấn đề không tồn tại của một vũ trụ tĩnh. Nhưng, như mọi khi, một thần đèn ra khỏi chai không thể quay trở lại. Ý tưởng cho rằng động lực học của vũ trụ, có lẽ do sự đối đầu giữa lực hút và lực đẩy, vẫn tiếp tục tồn tại. Và mặc dù các quan sát thiên văn không đưa ra bất kỳ bằng chứng nào về sự tồn tại của lực đẩy vũ trụ, họ không thể chứng minh sự vắng mặt của nó - nó có thể đơn giản là quá yếu để tự biểu hiện ra.

Các phương trình trường hấp dẫn của Einstein, mặc dù chúng thừa nhận sự có mặt của lực đẩy, nhưng không áp đặt các hạn chế về độ lớn của nó. Được đúc kết bằng kinh nghiệm cay đắng, Einstein đã đúng khi đưa ra định đề rằng độ lớn của lực này hoàn toàn bằng 0, do đó loại bỏ hoàn toàn lực đẩy. Tuy nhiên, điều này không cần thiết. Một số nhà khoa học nhận thấy cần phải giữ lực đẩy trong các phương trình, mặc dù điều này không còn cần thiết theo quan điểm của bài toán ban đầu. Các nhà khoa học này tin rằng, trong trường hợp không có bằng chứng xác đáng, không có lý do gì để tin rằng lực đẩy bằng không.

Không khó để tìm ra hậu quả của sự bảo toàn lực đẩy trong kịch bản vũ trụ giãn nở. Trong giai đoạn đầu của quá trình phát triển, khi Vũ trụ vẫn ở trạng thái bị nén, lực đẩy có thể bị bỏ qua. Trong giai đoạn này, lực hấp dẫn làm chậm tốc độ giãn nở, giống như cách mà lực hấp dẫn của Trái đất làm chậm một tên lửa được bắn theo phương thẳng đứng lên trên. Nếu chúng ta chấp nhận mà không giải thích rằng sự tiến hóa của Vũ trụ bắt đầu với sự giãn nở nhanh chóng, thì lực hấp dẫn phải liên tục giảm tốc độ giãn nở đến giá trị quan sát được ở thời điểm hiện tại. Theo thời gian, khi vật chất tan biến, tương tác hấp dẫn yếu đi. Ngược lại, lực đẩy vũ trụ tăng lên khi các thiên hà tiếp tục di chuyển ra xa nhau. Cuối cùng, lực đẩy sẽ vượt qua lực hấp dẫn và tốc độ giãn nở của Vũ trụ sẽ bắt đầu tăng trở lại. Từ đó chúng ta có thể kết luận rằng vũ trụ bị chi phối bởi lực đẩy vũ trụ, và sự giãn nở sẽ tiếp tục mãi mãi.

Các nhà thiên văn đã chỉ ra rằng hành vi bất thường này của vũ trụ, khi sự giãn nở đầu tiên chậm lại và sau đó tăng tốc trở lại, nên được phản ánh trong chuyển động quan sát của các thiên hà. Nhưng những quan sát thiên văn cẩn thận nhất đã không tiết lộ bất kỳ bằng chứng thuyết phục nào về hành vi đó, mặc dù thỉnh thoảng vẫn có khẳng định ngược lại.

Điều thú vị là nhà thiên văn học người Hà Lan Willem de Sitter đã đưa ra ý tưởng về một vũ trụ đang giãn nở ngay từ năm 1916 - nhiều năm trước khi Hubble phát hiện ra hiện tượng này bằng thực nghiệm. De Sitter lập luận rằng nếu vật chất thông thường bị loại bỏ khỏi vũ trụ, thì lực hút hấp dẫn sẽ biến mất, và lực đẩy sẽ ngự trị tối cao trong không gian. Điều này sẽ gây ra sự giãn nở của vũ trụ - vào thời điểm đó đó là một ý tưởng sáng tạo.

Vì người quan sát không thể cảm nhận được môi trường khí vô hình kỳ lạ có áp suất âm, nên đối với anh ta, nó chỉ đơn giản là không gian trống đang mở rộng. Sự giãn nở có thể được phát hiện bằng cách treo các cơ quan thử nghiệm ở nhiều nơi khác nhau và quan sát khoảng cách của chúng với nhau. Vào thời điểm đó, khái niệm về sự mở rộng của không gian trống được coi là một dạng tò mò, mặc dù, như chúng ta sẽ thấy, chính điều này đã trở thành một lời tiên tri.

Vậy có thể rút ra kết luận gì từ câu chuyện này? Việc các nhà thiên văn học không phát hiện ra lực đẩy vũ trụ vẫn chưa thể coi là một bằng chứng hợp lý về sự không có mặt của nó trong tự nhiên. Rất có thể nó chỉ đơn giản là quá yếu để được phát hiện bởi các thiết bị hiện đại. Độ chính xác của quan sát luôn bị giới hạn, và do đó chỉ có thể ước lượng giới hạn trên của lực này. Có thể phản đối điều này rằng, theo quan điểm thẩm mỹ, các quy luật tự nhiên sẽ trông đơn giản hơn nếu không có lực đẩy vũ trụ. Những cuộc thảo luận như vậy kéo dài trong nhiều năm mà không dẫn đến kết quả rõ ràng, cho đến khi vấn đề đột nhiên được nhìn từ một góc độ hoàn toàn mới, khiến nó có sự liên quan không ngờ.

Lạm phát: Giải thích Vụ nổ lớn

Ở các phần trước, chúng ta đã nói rằng nếu có một lực đẩy vũ trụ thì chắc chắn nó phải rất yếu, yếu đến mức không có tác dụng đáng kể nào đối với Vụ nổ lớn. Tuy nhiên, kết luận này dựa trên giả thiết rằng độ lớn của lực đẩy không thay đổi theo thời gian. Vào thời Einstein, ý kiến ​​này đã được tất cả các nhà khoa học chia sẻ, vì lực đẩy vũ trụ đã được đưa vào lý thuyết “nhân tạo”. Không ai có thể nghĩ rằng lực đẩy vũ trụ có thể được gọi là các quá trình vật lý khác phát sinh khi vũ trụ giãn nở. Nếu có thể thấy trước một khả năng như vậy, thì vũ trụ học có thể sẽ khác. Đặc biệt, không loại trừ kịch bản về sự tiến hóa của Vũ trụ, giả sử rằng trong những điều kiện khắc nghiệt của giai đoạn đầu của quá trình tiến hóa, lực đẩy vũ trụ chiếm ưu thế hơn lực hấp dẫn trong một khoảng thời gian, khiến Vũ trụ nổ tung, sau đó vai trò của nó thực tế giảm xuống. số không.

Bức tranh tổng quát này xuất hiện từ công trình nghiên cứu gần đây về hành vi của vật chất và các lực trong giai đoạn rất sớm của sự phát triển của vũ trụ. Rõ ràng là lực đẩy vũ trụ khổng lồ là kết quả tất yếu của Siêu năng lực. Vì vậy, "phản trọng lực" mà Einstein lái qua cửa đã trở lại qua cửa sổ!

Chìa khóa để hiểu khám phá mới về lực đẩy vũ trụ được đưa ra bởi bản chất của chân không lượng tử. Chúng ta đã thấy làm thế nào một lực đẩy như vậy có thể là do một phương tiện vô hình bất thường, không thể phân biệt được với không gian trống, nhưng với áp suất âm. Ngày nay, các nhà vật lý tin rằng đây là những đặc tính của chân không lượng tử.

Trong Chương 7, người ta lưu ý rằng chân không nên được coi như một loại "enzym" hoạt động lượng tử, chứa đầy các hạt ảo và bão hòa với các tương tác phức tạp. Điều rất quan trọng là phải hiểu rằng chân không đóng một vai trò quyết định trong khuôn khổ của mô tả lượng tử. Cái mà chúng ta gọi là hạt chỉ là những nhiễu động hiếm gặp, giống như "bong bóng" trên bề mặt của cả một vùng biển hoạt động.

Vào cuối những năm 1970, rõ ràng là sự thống nhất của bốn tương tác đòi hỏi một sự sửa đổi hoàn chỉnh các ý tưởng về bản chất vật lý của chân không. Lý thuyết giả định rằng năng lượng chân không biểu hiện một cách rõ ràng. Nói một cách đơn giản, chân không có thể bị kích thích và ở một trong nhiều trạng thái với năng lượng rất khác nhau, giống như một nguyên tử có thể bị kích thích bằng cách đi lên mức năng lượng cao hơn. Các eigenstates chân không này - nếu chúng ta có thể quan sát được - sẽ trông giống hệt nhau, mặc dù chúng có các đặc tính hoàn toàn khác nhau.

Trước hết, năng lượng chứa trong chân không chảy với số lượng rất lớn từ trạng thái này sang trạng thái khác. Ví dụ, trong Thuyết thống nhất lớn, sự khác biệt giữa năng lượng chân không thấp nhất và cao nhất là lớn không thể tưởng tượng được. Để có một số ý tưởng về quy mô khổng lồ của những đại lượng này, chúng ta hãy ước tính năng lượng do Mặt trời giải phóng trong toàn bộ thời gian tồn tại của nó (khoảng 5 tỷ năm). Hãy tưởng tượng rằng tất cả lượng năng lượng khổng lồ do Mặt trời phát ra được chứa trong một vùng không gian nhỏ hơn kích thước của Hệ Mặt trời. Mật độ năng lượng đạt được trong trường hợp này gần với mật độ năng lượng tương ứng với trạng thái chân không trong HWO.

Cùng với sự khác biệt về năng lượng đáng kinh ngạc, sự chênh lệch áp suất khổng lồ như nhau tương ứng với các trạng thái chân không khác nhau. Nhưng ở đây là "mẹo": tất cả những áp lực này - từ chối. Chân không lượng tử hoạt động chính xác giống như môi trường đẩy vũ trụ giả định đã đề cập trước đó, chỉ khác là lần này các giá trị số của áp suất lớn đến mức lực đẩy lớn hơn 10 ^ 120 lần lực mà Einstein cần để duy trì trạng thái cân bằng trong vũ trụ tĩnh. .

Giờ đây, con đường đã mở để giải thích vụ nổ Big Bang. Chúng ta hãy giả định rằng Vũ trụ ban đầu ở trạng thái kích thích của chân không, được gọi là chân không "giả". Ở trạng thái này, có một lực đẩy vũ trụ trong Vũ trụ với cường độ lớn đến mức nó có thể gây ra sự giãn nở nhanh chóng và không thể kiềm chế của Vũ trụ. Về bản chất, trong giai đoạn này, Vũ trụ sẽ tương ứng với mô hình de Sitter đã thảo luận trong phần trước. Tuy nhiên, sự khác biệt là ở de Sitter, vũ trụ đang lặng lẽ giãn nở theo các khoảng thời gian thiên văn, trong khi "pha de Sitter" trong quá trình tiến hóa của vũ trụ ra khỏi chân không lượng tử "giả" thực sự không yên tĩnh. Trong trường hợp này, thể tích không gian bị chiếm giữ bởi Vũ trụ sẽ tăng gấp đôi sau mỗi 10 ^ -34 s (hoặc một khoảng thời gian có cùng thứ tự).

Sự siêu giãn nở của Vũ trụ như vậy có một số đặc điểm đặc trưng: mọi khoảng cách đều tăng theo quy luật hàm mũ (chúng ta đã gặp khái niệm số mũ trong Chương 4). Điều này có nghĩa là cứ sau 10 ^ -34 giây, tất cả các khu vực trong vũ trụ sẽ tăng gấp đôi kích thước của chúng, và sau đó quá trình nhân đôi này tiếp tục diễn ra theo cấp số nhân. Loại mở rộng này, được xem xét lần đầu tiên vào năm 1980. Alan Guth của MIT (Viện Công nghệ Massachusetts, Hoa Kỳ), được ông gọi bằng cái tên "lạm phát". Kết quả của một sự giãn nở cực kỳ nhanh và liên tục tăng tốc, sẽ rất nhanh chóng hóa ra rằng tất cả các phần của vũ trụ đang bay ra ngoài, giống như trong một vụ nổ. Và đây là Vụ nổ lớn!

Tuy nhiên, bằng cách này hay cách khác, nhưng giai đoạn của lạm phát phải dừng lại. Như trong tất cả các hệ lượng tử bị kích thích, chân không "giả" không ổn định và có xu hướng phân rã. Khi sự phân rã xảy ra, lực đẩy biến mất. Điều này, đến lượt nó, dẫn đến sự ngừng lạm phát và sự chuyển đổi của vũ trụ thành sức mạnh của lực hấp dẫn thông thường. Tất nhiên, trong trường hợp này, Vũ trụ sẽ tiếp tục mở rộng do xung lực ban đầu có được trong thời kỳ lạm phát, nhưng tốc độ giãn nở sẽ giảm dần đều. Do đó, dấu vết duy nhất còn tồn tại cho đến ngày nay từ lực đẩy của vũ trụ là sự chậm lại dần dần trong quá trình giãn nở của Vũ trụ.

Theo "kịch bản lạm phát", Vũ trụ bắt đầu tồn tại từ trạng thái chân không, không có vật chất và bức xạ. Nhưng, ngay cả khi chúng có mặt ngay từ đầu, dấu vết của chúng sẽ nhanh chóng bị mất đi do tốc độ mở rộng quá lớn trong giai đoạn lạm phát. Trong khoảng thời gian cực ngắn tương ứng với pha này, vùng không gian được chiếm bởi toàn bộ Vũ trụ có thể quan sát được ngày nay đã phát triển từ một phần tỷ kích thước của một proton lên vài cm. Mật độ của bất kỳ chất nào tồn tại ban đầu sẽ thực sự trở nên bằng không.

Vì vậy, vào cuối giai đoạn lạm phát, vũ trụ trống rỗng và lạnh lẽo. Tuy nhiên, khi lạm phát cạn kiệt, vũ trụ đột nhiên trở nên cực kỳ "nóng". Vụ nổ nhiệt lượng thắp sáng vũ trụ này là do năng lượng dự trữ khổng lồ chứa trong chân không "giả". Khi trạng thái chân không sụp đổ, năng lượng của nó được giải phóng dưới dạng bức xạ, tức thời làm nóng Vũ trụ đến khoảng 10 ^ 27 K, đủ để các quá trình trong GUT diễn ra. Kể từ thời điểm đó, Vũ trụ đã phát triển theo lý thuyết tiêu chuẩn của Vụ nổ lớn "nóng". Nhờ năng lượng nhiệt, vật chất và phản vật chất xuất hiện, sau đó Vũ trụ bắt đầu nguội đi, và tất cả các nguyên tố của nó mà chúng ta quan sát được ngày nay dần dần bắt đầu "đóng băng".

Vậy vấn đề khó là điều gì đã gây ra vụ nổ Big Bang? - quản lý để giải quyết bằng cách sử dụng lý thuyết lạm phát; không gian trống tự phát nổ dưới lực đẩy vốn có trong chân không lượng tử. Tuy nhiên, bí ẩn vẫn còn đó. Năng lượng khổng lồ của vụ nổ sơ cấp, đi vào quá trình hình thành vật chất và bức xạ tồn tại trong Vũ trụ, phải đến từ một nơi nào đó! Chúng ta sẽ không thể giải thích sự tồn tại của vũ trụ cho đến khi chúng ta tìm ra nguồn năng lượng sơ cấp.

bootstrap không gian

Tiếng Anh bootstrap theo nghĩa đen nó có nghĩa là "sự thắt", theo nghĩa bóng thì nó có nghĩa là sự tự nhất quán, không có sự phân chia thứ bậc trong hệ thống các hạt cơ bản.

Vũ trụ được sinh ra trong quá trình bùng phát năng lượng khổng lồ. Chúng tôi vẫn tìm thấy dấu vết của nó - đây là bức xạ nhiệt nền và vật chất vũ trụ (đặc biệt là các nguyên tử tạo nên các ngôi sao và hành tinh), những thứ lưu trữ một năng lượng nhất định ở dạng "khối lượng". Dấu vết của năng lượng này cũng được thể hiện trong sự suy thoái của các thiên hà và trong hoạt động dữ dội của các đối tượng thiên văn. Năng lượng sơ cấp "bắt đầu mùa xuân" của Vũ trụ mới nổi và tiếp tục khiến nó chuyển động cho đến ngày nay.

Năng lượng này đến từ đâu, thổi luồng sinh khí vào Vũ trụ của chúng ta? Theo lý thuyết lạm phát, đây là năng lượng của không gian trống, hay nói cách khác là chân không lượng tử. Tuy nhiên, câu trả lời như vậy có thể làm chúng ta hài lòng hoàn toàn? Nó là tự nhiên để hỏi làm thế nào chân không thu được năng lượng.

Nói chung, bằng cách hỏi năng lượng đến từ đâu, về cơ bản chúng ta đang đưa ra một giả định quan trọng về bản chất của năng lượng đó. Một trong những định luật vật lý cơ bản là định luật bảo toàn năng lượng, theo đó các dạng năng lượng khác nhau có thể thay đổi và truyền cho nhau, nhưng tổng năng lượng không đổi.

Không khó để đưa ra các ví dụ để có thể xác minh hoạt động của luật này. Giả sử chúng ta có một động cơ và một nguồn cung cấp nhiên liệu, và động cơ được sử dụng để điều khiển một máy phát điện, từ đó cung cấp năng lượng cho máy sưởi. Trong quá trình đốt cháy nhiên liệu, năng lượng hóa học được lưu trữ trong nó được chuyển đổi thành cơ năng, sau đó thành điện và cuối cùng thành nhiệt. Hoặc giả sử một động cơ được sử dụng để nâng một tải lên đỉnh tháp, sau đó tải đó rơi tự do; khi chạm đất, nhiệt năng được giải phóng chính xác như trong ví dụ với lò sưởi. Thực tế là, cho dù năng lượng được truyền đi như thế nào hoặc hình thức của nó thay đổi như thế nào, thì rõ ràng nó không thể được tạo ra hoặc bị phá hủy. Các kỹ sư sử dụng luật này trong thực tế hàng ngày.

Nếu năng lượng không thể được tạo ra cũng như không bị phá hủy, thì năng lượng sơ cấp phát sinh như thế nào? Nó không phải chỉ được tiêm vào thời điểm đầu tiên (một loại điều kiện ban đầu mới được chấp nhận bởi đặc biệt)? Nếu vậy, tại sao vũ trụ lại chứa một lượng năng lượng này mà không phải một số lượng khác? Có khoảng 10 ^ 68 J (jun) năng lượng trong Vũ trụ quan sát được - tại sao không, giả sử là 10 ^ 99 hoặc 10 ^ 10000 hoặc bất kỳ con số nào khác?

Lý thuyết lạm phát đưa ra một giải thích khoa học khả thi cho câu đố này. Theo lý thuyết này. Ban đầu, Vũ trụ có một năng lượng thực sự bằng 0, và trong 10 ^ 32 giây đầu tiên, nó đã thành công trong việc mang lại sự sống cho toàn bộ lượng năng lượng khổng lồ. Chìa khóa để hiểu điều kỳ diệu này là nằm ở một thực tế đáng chú ý là định luật bảo toàn năng lượng theo nghĩa thông thường không áp dụngđến vũ trụ đang giãn nở.

Trên thực tế, chúng tôi đã gặp một thực tế tương tự. Sự giãn nở vũ trụ dẫn đến giảm nhiệt độ của Vũ trụ: theo đó, năng lượng của bức xạ nhiệt, vốn rất lớn trong pha sơ cấp, bị cạn kiệt và nhiệt độ giảm xuống các giá trị gần bằng không tuyệt đối. Tất cả nhiệt năng này đã đi đâu? Theo một nghĩa nào đó, nó đã được vũ trụ sử dụng hết để giãn nở và tạo ra áp suất bổ sung cho lực của Vụ nổ lớn. Khi một chất lỏng thông thường nở ra, áp suất bên ngoài của nó hoạt động bằng cách sử dụng năng lượng của chất lỏng. Khi một chất khí thông thường nở ra, nội năng của nó được sử dụng để thực hiện công việc. Trái ngược hoàn toàn với điều này, lực đẩy vũ trụ tương tự như hành vi của một phương tiện có từ chối sức ép. Khi một môi trường mở rộng như vậy, năng lượng của nó không giảm, nhưng tăng lên. Đây chính xác là những gì đã xảy ra trong thời kỳ lạm phát, khi lực đẩy vũ trụ khiến Vũ trụ giãn nở nhanh chóng. Trong suốt thời kỳ này, tổng năng lượng của chân không tiếp tục tăng cho đến khi kết thúc thời kỳ lạm phát, nó đạt đến một giá trị khổng lồ. Khi thời kỳ lạm phát kết thúc, tất cả năng lượng dự trữ được giải phóng trong một vụ nổ khổng lồ, làm phát sinh nhiệt và vật chất ở quy mô đầy đủ của Vụ nổ lớn. Từ thời điểm đó, sự giãn nở thông thường với áp suất dương bắt đầu, do đó năng lượng lại bắt đầu giảm.

Sự xuất hiện của năng lượng sơ cấp được đánh dấu bởi một số loại ma thuật. Chân không với một áp suất âm bí ẩn, dường như được ban tặng cho những khả năng hoàn toàn đáng kinh ngạc. Một mặt, nó tạo ra một lực đẩy khổng lồ đảm bảo sự giãn nở không ngừng tăng tốc của nó, và mặt khác, sự giãn nở tự nó buộc tăng năng lượng chân không. Về bản chất, chân không tự cung cấp năng lượng cho chính nó với số lượng rất lớn. Nó có một sự không ổn định bên trong đảm bảo sự mở rộng liên tục và sản xuất năng lượng không giới hạn. Và chỉ sự phân rã lượng tử của chân không giả mới đặt ra giới hạn cho "sự xa hoa vũ trụ" này.

Chân không phục vụ tự nhiên như một bình năng lượng kỳ diệu, không đáy. Về nguyên tắc, không có giới hạn nào đối với lượng năng lượng có thể được giải phóng trong quá trình mở rộng lạm phát. Câu nói này đánh dấu một cuộc cách mạng trong tư duy truyền thống với hàng thế kỷ “không có gì sẽ được sinh ra từ hư vô” (câu nói này ít nhất có từ thời Parmenid, tức là thế kỷ thứ 5 trước Công nguyên). Cho đến gần đây, ý tưởng về khả năng "sáng tạo" từ con số không, hoàn toàn nằm trong khả năng của các tôn giáo. Đặc biệt, những người theo đạo Thiên Chúa từ lâu đã tin rằng Chúa tạo ra thế giới từ Không có gì, nhưng ý tưởng về khả năng xuất hiện tự phát của tất cả vật chất và năng lượng là kết quả của các quá trình vật lý thuần túy đã được các nhà khoa học coi là hoàn toàn không thể chấp nhận được cách đây hàng chục năm. .

Những người không thể hiểu được toàn bộ khái niệm về sự xuất hiện của “cái gì đó” từ “không có gì” một cách nội tâm có cơ hội nhìn khác về sự xuất hiện của năng lượng trong quá trình mở rộng của Vũ trụ. Vì lực hấp dẫn thông thường có đặc tính là lực hút, để tách các phần của vật chất ra khỏi nhau, cần phải làm công việc khắc phục lực hấp dẫn tác dụng giữa các phần này. Điều này có nghĩa là năng lượng hấp dẫn của hệ thống các vật thể là âm; khi các vật thể mới được thêm vào hệ thống, năng lượng sẽ được giải phóng, và kết quả là, năng lượng hấp dẫn trở nên "thậm chí còn tiêu cực hơn." Nếu chúng ta áp dụng lý luận này cho Vũ trụ ở giai đoạn lạm phát, thì sự xuất hiện của nhiệt và vật chất, như nó vốn có, sẽ "bù đắp" năng lượng hấp dẫn âm của các khối được hình thành. Trong trường hợp này, tổng năng lượng của Vũ trụ nói chung bằng 0 và không có năng lượng mới nào phát sinh cả! Tất nhiên, một quan điểm như vậy về quá trình “tạo ra thế giới” là hấp dẫn, nhưng vẫn không nên quá coi trọng, vì nhìn chung tình trạng của khái niệm năng lượng trong mối quan hệ với lực hấp dẫn trở nên đáng nghi ngờ.

Tất cả những gì được nói ở đây về chân không rất gợi nhớ đến câu chuyện yêu thích của các nhà vật lý về một cậu bé bị rơi xuống đầm lầy, đã tự rút dây giày của mình ra. Vũ trụ tự tạo giống như cậu bé này - nó cũng tự kéo ra ngoài bằng "dây buộc" của chính nó (quá trình này được biểu thị bằng thuật ngữ "bootstrap"). Thật vậy, do bản chất vật lý của chính nó, Vũ trụ tự kích thích tất cả năng lượng cần thiết cho sự “sáng tạo” và “hồi sinh” của vật chất, đồng thời khởi động vụ nổ tạo ra nó. Đây là bootstrap không gian; trước sức mạnh tuyệt vời của anh ấy, chúng tôi nợ sự tồn tại của chúng tôi.

Những tiến bộ trong lý thuyết lạm phát

Sau khi Guth đưa ra ý tưởng cơ bản rằng vũ trụ trải qua thời kỳ đầu của quá trình giãn nở cực kỳ nhanh chóng, rõ ràng là một kịch bản như vậy có thể giải thích một cách tuyệt vời nhiều đặc điểm của vũ trụ Big Bang mà trước đây vẫn được coi là điều hiển nhiên.

Trong một trong những phần trước, chúng ta đã gặp nghịch lý về mức độ tổ chức và phối hợp rất cao của vụ nổ sơ cấp. Một trong những ví dụ tuyệt vời về điều này là lực của vụ nổ, hóa ra chính xác là "phù hợp" với độ lớn của lực hấp dẫn vũ trụ, do đó tốc độ giãn nở của Vũ trụ trong thời đại của chúng ta rất gần với giá trị ranh giới ngăn cách giữa nén (thu gọn) và giãn nở nhanh chóng. Bài kiểm tra quyết định của kịch bản lạm phát là liệu nó có cung cấp cho một vụ nổ Big Bang một lực lượng được xác định chính xác như vậy hay không. Nó chỉ ra rằng do sự mở rộng theo cấp số nhân trong giai đoạn lạm phát (đó là tính chất đặc trưng nhất của nó), lực của vụ nổ tự động đảm bảo nghiêm ngặt khả năng vượt qua lực hấp dẫn của chính Vũ trụ. Lạm phát có thể dẫn chính xác đến tốc độ mở rộng được quan sát trong thực tế.

Một "bí ẩn lớn" khác liên quan đến tính đồng nhất của vũ trụ trên quy mô lớn. Nó cũng được giải quyết ngay lập tức trên cơ sở lý thuyết lạm phát. Mọi sự không đồng nhất ban đầu trong cấu trúc của vũ trụ phải hoàn toàn bị xóa bỏ với sự gia tăng đáng kể về kích thước của nó, giống như những nếp nhăn trên một quả bóng bị xì hơi sẽ được làm phẳng khi nó được thổi phồng. Và do sự gia tăng kích thước của các vùng không gian lên khoảng 10 ^ 50 lần, bất kỳ sự nhiễu loạn ban đầu nào cũng trở nên không đáng kể.

Tuy nhiên, sẽ là sai lầm nếu nói về hoàn thành tính đồng nhất. Để có thể có sự xuất hiện của các thiên hà hiện đại và các cụm thiên hà, cấu trúc của vũ trụ sơ khai hẳn phải có một số "khối". Ban đầu, các nhà thiên văn học hy vọng rằng sự tồn tại của các thiên hà có thể được giải thích bằng sự tích tụ của vật chất dưới tác động của lực hấp dẫn sau vụ nổ Big Bang. Một đám mây khí phải co lại dưới lực hấp dẫn của chính nó, và sau đó vỡ ra thành những mảnh nhỏ hơn, và những mảnh đó, đến lượt nó, thành những mảnh thậm chí còn nhỏ hơn, v.v. Có thể sự phân bố khí sinh ra từ kết quả của Vụ nổ lớn là hoàn toàn đồng nhất, nhưng do các quá trình hoàn toàn ngẫu nhiên, sự dày đặc và hiếm dần phát sinh ở đây và ở đó do các quá trình hoàn toàn ngẫu nhiên. Lực hấp dẫn làm tăng thêm những dao động này, dẫn đến sự phát triển của các khu vực ngưng tụ và hấp thụ thêm vật chất của chúng. Sau đó, các vùng này co lại và liên tiếp tan rã, và các đám nhỏ nhất biến thành các ngôi sao. Cuối cùng, một hệ thống phân cấp cấu trúc hình thành: các ngôi sao hợp nhất thành nhóm, những ngôi sao thành thiên hà và xa hơn nữa thành những cụm thiên hà.

Thật không may, nếu không có sự bất đồng nhất trong khí ngay từ ban đầu, thì cơ chế hình thành các thiên hà như vậy sẽ hoạt động trong một thời gian dài hơn nhiều so với tuổi của Vũ trụ. Thực tế là các quá trình ngưng tụ và phân mảnh đã cạnh tranh với sự giãn nở của Vũ trụ, đi kèm với hiện tượng tán xạ khí. Trong phiên bản ban đầu của lý thuyết Vụ nổ lớn, người ta cho rằng ban đầu "vi trùng" của các thiên hà tồn tại trong cấu trúc của Vũ trụ tại nguồn gốc của nó. Hơn nữa, những vật thể không đồng nhất ban đầu này phải có kích thước khá xác định: không quá nhỏ, nếu không chúng sẽ không bao giờ hình thành, nhưng cũng không quá lớn, nếu không các vùng có mật độ cao sẽ đơn giản sụp đổ, biến thành các lỗ đen khổng lồ. Đồng thời, hoàn toàn không thể hiểu được tại sao các thiên hà lại có kích thước chính xác như vậy hoặc tại sao lại có một số lượng lớn các thiên hà như vậy trong cụm.

Kịch bản lạm phát cung cấp một lời giải thích nhất quán hơn cho cấu trúc thiên hà. Ý tưởng chính là khá đơn giản. Lạm phát là do trạng thái lượng tử của Vũ trụ là trạng thái không ổn định của chân không giả. Cuối cùng, trạng thái chân không này bị phá vỡ và năng lượng dư thừa của nó được chuyển thành nhiệt và vật chất. Tại thời điểm này, lực đẩy vũ trụ biến mất - và lạm phát dừng lại. Tuy nhiên, sự phân rã của chân không giả không xảy ra đồng thời trong mọi không gian. Như trong bất kỳ quá trình lượng tử nào, tốc độ phân rã chân không giả dao động. Ở một số vùng của vũ trụ, sự phân rã xảy ra nhanh hơn những vùng khác. Ở những khu vực này, lạm phát sẽ kết thúc sớm hơn. Kết quả là, các tính không đồng nhất cũng được bảo tồn ở trạng thái cuối cùng. Có thể những điểm không đồng nhất này có thể đóng vai trò là "mầm mống" (trung tâm) của sự co hấp dẫn và cuối cùng, dẫn đến sự hình thành các thiên hà và các cụm của chúng. Tuy nhiên, mô hình toán học về cơ chế dao động đã được thực hiện với thành công rất hạn chế. Theo quy luật, hiệu ứng hóa ra là quá lớn và các tính không đồng nhất được tính toán là quá đáng kể. Các mô hình đúng, quá thô đã được sử dụng và có lẽ một cách tiếp cận tinh tế hơn sẽ thành công hơn. Mặc dù lý thuyết này vẫn chưa hoàn thiện, nhưng ít nhất nó cũng mô tả bản chất của cơ chế có thể dẫn đến sự hình thành các thiên hà mà không cần các điều kiện ban đầu đặc biệt.

Trong phiên bản của kịch bản lạm phát của Guth, chân không giả lần đầu tiên chuyển thành trạng thái chân không "đúng" hoặc trạng thái chân không có năng lượng thấp nhất, mà chúng ta xác định được với không gian trống. Bản chất của sự thay đổi này khá giống với sự chuyển pha (ví dụ, từ chất khí sang chất lỏng). Trong trường hợp này, trong một chân không giả, các bong bóng của chân không thật sẽ ngẫu nhiên hình thành, chúng nở ra với tốc độ ánh sáng, sẽ chiếm được tất cả các vùng không gian rộng lớn. Để chân không giả tồn tại đủ lâu để lạm phát thực hiện công việc "kỳ diệu" của nó, hai trạng thái này phải được ngăn cách bởi một rào cản năng lượng mà qua đó "đường hầm lượng tử" của hệ thống phải xảy ra, tương tự như cách nó xảy ra với các electron. (xem Chap.). Tuy nhiên, mô hình này có một nhược điểm nghiêm trọng: tất cả năng lượng giải phóng từ chân không giả đều tập trung trong thành bong bóng và không có cơ chế phân phối lại nó trong toàn bộ bong bóng. Khi các bong bóng va chạm và hợp nhất, năng lượng cuối cùng sẽ tích tụ trong các lớp hỗn hợp ngẫu nhiên. Kết quả là, vũ trụ sẽ chứa các tính không đồng nhất rất mạnh, và toàn bộ công việc lạm phát để tạo ra sự đồng nhất trên quy mô lớn sẽ sụp đổ.

Với việc tiếp tục cải thiện kịch bản lạm phát, những khó khăn này đã được khắc phục. Lý thuyết mới thiếu đường hầm giữa hai trạng thái chân không; thay vào đó, các tham số được chọn sao cho sự phân rã của chân không giả rất chậm, và do đó vũ trụ có đủ thời gian để phồng lên. Khi quá trình phân rã hoàn thành, năng lượng chân không giả được giải phóng trong toàn bộ thể tích của “bong bóng”, nhanh chóng nóng lên đến 10 ^ 27 K. Người ta cho rằng toàn bộ Vũ trụ quan sát được chứa trong một bong bóng như vậy. Do đó, ở quy mô cực lớn, vũ trụ có thể rất bất thường, nhưng vùng có thể quan sát được của chúng ta (và thậm chí là những phần lớn hơn nhiều của vũ trụ) nằm trong một vùng hoàn toàn đồng nhất.

Điều tò mò là Guth ban đầu đã phát triển lý thuyết lạm phát của mình để giải quyết một vấn đề vũ trụ học hoàn toàn khác - sự thiếu vắng các đơn cực từ trong tự nhiên. Như đã trình bày trong Chương 9, lý thuyết Big Bang tiêu chuẩn dự đoán rằng trong giai đoạn sơ khai của quá trình tiến hóa của Vũ trụ, các đơn cực sẽ xuất hiện quá mức. Chúng có thể được đi kèm với các đối tác một và hai chiều của chúng - những vật thể lạ có đặc điểm là "chuỗi" và "lá". Vấn đề là phải loại bỏ những vật thể "không mong muốn" này trong vũ trụ. Lạm phát tự động giải quyết vấn đề đơn cực và các vấn đề tương tự khác, vì sự mở rộng không gian khổng lồ làm giảm mật độ của chúng xuống 0 một cách hiệu quả.

Mặc dù kịch bản lạm phát chỉ được phát triển một phần và chỉ hợp lý, không hơn thế nữa, nó đã cho phép hình thành một số ý tưởng hứa hẹn sẽ thay đổi không thể thay đổi bộ mặt của vũ trụ học. Giờ đây, chúng ta không chỉ có thể đưa ra lời giải thích cho nguyên nhân của vụ nổ Big Bang mà còn bắt đầu hiểu tại sao nó lại "lớn" như vậy và tại sao nó lại có một nhân vật như vậy. Bây giờ chúng ta có thể bắt đầu giải quyết câu hỏi làm thế nào mà tính đồng nhất quy mô lớn của Vũ trụ hình thành, và cùng với nó, các tính không đồng nhất quan sát được ở quy mô nhỏ hơn (ví dụ, các thiên hà). Vụ nổ nguyên thủy tạo ra cái mà chúng ta gọi là vũ trụ không còn là điều bí ẩn ngoài khoa học vật lý.

Vũ trụ tạo ra chính nó

Tuy nhiên, bất chấp thành công to lớn của lý thuyết lạm phát trong việc giải thích nguồn gốc của vũ trụ, bí ẩn vẫn còn đó. Làm thế nào mà vũ trụ ban đầu kết thúc trong trạng thái chân không giả? Điều gì đã xảy ra trước lạm phát?

Một mô tả khoa học nhất quán, khá thỏa đáng về nguồn gốc của vũ trụ sẽ giải thích cách thức mà không gian (chính xác hơn là không-thời gian) hình thành, sau đó trải qua lạm phát. Một số nhà khoa học sẵn sàng thừa nhận rằng không gian luôn tồn tại, những người khác tin rằng vấn đề này nói chung nằm ngoài phạm vi của cách tiếp cận khoa học. Và chỉ có một số tuyên bố nhiều hơn và tin rằng việc đặt ra câu hỏi về việc làm thế nào không gian nói chung (và chân không giả nói riêng) có thể phát sinh từ “hư không” theo nghĩa đen là kết quả của các quá trình vật lý mà về nguyên tắc có thể được nghiên cứu.

Như đã lưu ý, gần đây chúng ta chỉ mới thử thách niềm tin bền bỉ rằng "không có gì đến từ không có gì". Bootstrap vũ trụ gần với khái niệm thần học về việc tạo ra thế giới từ hư không (ví dụ: nihilo). Không nghi ngờ gì nữa, trong thế giới xung quanh chúng ta, sự tồn tại của một số đối tượng thường là do sự hiện diện của các đối tượng khác. Vì vậy, Trái đất hình thành từ tinh vân tiền cực, đến lượt nó, từ các khí thiên hà, v.v. Nếu chúng ta tình cờ nhìn thấy một vật thể đột nhiên xuất hiện "từ hư vô", dường như chúng ta sẽ cảm nhận nó như một phép màu; chẳng hạn, chúng ta sẽ ngạc nhiên nếu chúng ta đột nhiên tìm thấy rất nhiều tiền xu, dao hoặc đồ ngọt trong một chiếc két sắt trống không có khóa. Trong cuộc sống hàng ngày, chúng ta quen với việc nhận thức rằng mọi thứ phát sinh từ đâu đó hoặc từ một cái gì đó.

Tuy nhiên, mọi thứ không quá rõ ràng khi nói đến những thứ ít cụ thể hơn. Ví dụ, từ cái gì, một bức tranh nổi lên? Tất nhiên, điều này đòi hỏi một bàn chải, sơn và canvas, nhưng đây chỉ là những công cụ. Cách thức mà một bức tranh được vẽ - sự lựa chọn về hình thức, màu sắc, kết cấu, bố cục - không được sinh ra bằng bút vẽ và sơn. Đây là kết quả của trí tưởng tượng sáng tạo của người nghệ sĩ.

Suy nghĩ và ý tưởng đến từ đâu? Không nghi ngờ gì nữa, suy nghĩ là có thật và dường như luôn đòi hỏi sự tham gia của bộ não. Nhưng bộ não chỉ cung cấp khả năng hiện thực hóa các suy nghĩ, và không phải là nguyên nhân của chúng. Tự nó, não bộ tạo ra những suy nghĩ không hơn một máy tính - các phép tính. Suy nghĩ có thể được gây ra bởi những suy nghĩ khác, nhưng điều này không tiết lộ bản chất của chính suy nghĩ đó. Một số suy nghĩ có thể được sinh ra, cảm giác; suy nghĩ làm nảy sinh trí nhớ. Tuy nhiên, hầu hết các nghệ sĩ xem tác phẩm của họ là kết quả của bất ngờ nguồn cảm hứng. Nếu điều này là đúng, thì việc tạo ra một bức tranh - hoặc ít nhất là sự ra đời của ý tưởng của nó - chỉ là một ví dụ về sự ra đời của một thứ gì đó từ hư vô.

Chưa hết, chúng ta có thể coi rằng các đối tượng vật chất và thậm chí cả Vũ trụ như một tổng thể sinh ra từ hư không? Giả thuyết táo bạo này đang được thảo luận nghiêm túc, chẳng hạn, trong các viện khoa học ở bờ biển phía đông Hoa Kỳ, nơi có khá nhiều nhà vật lý lý thuyết và vũ trụ học đang phát triển một bộ máy toán học có thể giúp tìm ra khả năng tạo ra thứ gì đó từ con số không. Giới thượng lưu này bao gồm Alan Guth của MIT, Sydney Coleman của Đại học Harvard, Alex Vilenkin của Đại học Tufts, Ed Tyon và Heinz Pagels của New York. Tất cả họ đều tin rằng theo nghĩa này hay cách khác "không có gì là không ổn định" và vũ trụ vật chất "nở ra từ hư vô" một cách tự phát, chỉ bị chi phối bởi các định luật vật lý. “Những ý tưởng như vậy hoàn toàn là suy đoán,” Guth thừa nhận, “nhưng ở một mức độ nào đó thì chúng có thể đúng ... Đôi khi người ta nói rằng không có bữa trưa miễn phí, nhưng Vũ trụ, rõ ràng, chỉ là một“ bữa trưa miễn phí.

Trong tất cả các giả thuyết này, hành vi lượng tử đóng một vai trò quan trọng. Như chúng ta đã nói trong Chương 2, đặc điểm chính của hành vi lượng tử là mất đi mối quan hệ nhân quả chặt chẽ. Trong vật lý cổ điển, sự giải thích của cơ học tuân theo sự tuân thủ nghiêm ngặt của quan hệ nhân quả. Tất cả các chi tiết về chuyển động của từng hạt đã được xác định trước bởi các quy luật chuyển động. Người ta tin rằng chuyển động là liên tục và được xác định chặt chẽ bởi các lực tác động. Các quy luật chuyển động thể hiện mối quan hệ giữa nguyên nhân và kết quả theo đúng nghĩa đen. Vũ trụ được xem như một cỗ máy đồng hồ khổng lồ, có hành vi được điều chỉnh chặt chẽ bởi những gì đang xảy ra vào lúc này. Chính niềm tin vào mối quan hệ nhân quả toàn diện và chặt chẽ như vậy đã thúc đẩy Pierre Laplace lập luận rằng một máy tính siêu mạnh có khả năng dự đoán, về nguyên tắc, dựa trên các quy luật cơ học, cả lịch sử và số phận của vũ trụ. Theo quan điểm này, vũ trụ sẽ vĩnh viễn đi theo con đường quy định của nó.

Vật lý lượng tử đã phá hủy kế hoạch Laplacian có phương pháp nhưng không có kết quả. Các nhà vật lý đã tin chắc rằng, ở cấp độ nguyên tử, vật chất và chuyển động của nó là không chắc chắn và không thể đoán trước được. Các hạt có thể hành xử "điên rồ", như thể chống lại các chuyển động được quy định nghiêm ngặt, đột ngột xuất hiện ở những nơi bất ngờ nhất mà không có lý do rõ ràng, và đôi khi xuất hiện và biến mất "không báo trước".

Thế giới lượng tử không hoàn toàn thoát khỏi mối quan hệ nhân quả, nhưng nó biểu hiện ra ngoài một cách thiếu quyết đoán và mơ hồ. Ví dụ, nếu một nguyên tử ở trạng thái kích thích do va chạm với nguyên tử khác, nó thường nhanh chóng trở lại trạng thái có năng lượng thấp nhất, phát ra một photon trong quá trình này. Tất nhiên, sự xuất hiện của một photon là hệ quả của việc nguyên tử trước đó đã chuyển sang trạng thái kích thích. Chúng ta có thể nói một cách chắc chắn rằng chính sự kích thích đã dẫn đến sự xuất hiện của photon, và theo nghĩa này, mối liên hệ của nhân và quả vẫn được duy trì. Tuy nhiên, khoảnh khắc xuất hiện thực sự của một photon là không thể đoán trước: một nguyên tử có thể phát ra nó bất cứ lúc nào. Các nhà vật lý có thể tính toán thời gian có thể xảy ra hoặc trung bình của một photon, nhưng trong mọi trường hợp nhất định thì không thể dự đoán được thời điểm mà sự kiện này sẽ xảy ra. Rõ ràng, để mô tả một tình huống như vậy, tốt nhất là nói rằng sự kích thích của một nguyên tử không dẫn đến sự xuất hiện của một photon như "đẩy" nó về phía nó.

Do đó, microworld lượng tử không bị vướng vào một mạng lưới dày đặc các mối quan hệ nhân quả, nhưng vẫn "lắng nghe" nhiều lệnh và đề xuất không phô trương. Trong sơ đồ Newton cũ, lực chuyển sang vật thể bằng một lệnh không thể trả lời được: “Di chuyển!”. Trong vật lý lượng tử, mối quan hệ giữa lực và vật thể dựa trên một lời mời hơn là một mệnh lệnh.

Tại sao chúng ta thấy ý tưởng về sự ra đời đột ngột của một vật thể “từ hư vô” là điều không thể chấp nhận được? Sau đó, điều gì khiến chúng ta liên tưởng đến những điều kỳ diệu và hiện tượng siêu nhiên? Có lẽ toàn bộ vấn đề chỉ nằm ở sự bất thường của những sự kiện như vậy: trong cuộc sống hàng ngày, chúng ta không bao giờ gặp phải sự xuất hiện bất hợp lý của các đồ vật. Ví dụ, khi một nhà ảo thuật kéo một con thỏ ra khỏi mũ, chúng ta biết rằng mình đang bị lừa.

Hãy giả sử rằng chúng ta thực sự đang sống trong một thế giới mà các vật thể xuất hiện "từ hư không" thỉnh thoảng, không vì lý do gì và theo một cách hoàn toàn không thể đoán trước được. Khi đã quen với những hiện tượng như vậy, chúng ta sẽ không khỏi ngạc nhiên trước chúng. Sinh đẻ tự phát sẽ được coi là một trong những ý tưởng bất chợt của tự nhiên. Có lẽ, trong một thế giới như vậy, chúng ta sẽ không còn phải căng thẳng tin tưởng để tưởng tượng sự xuất hiện đột ngột của toàn bộ vũ trụ vật chất từ ​​hư không.

Thế giới tưởng tượng này về cơ bản không quá khác biệt so với thế giới thực. Nếu chúng ta có thể trực tiếp cảm nhận hành vi của các nguyên tử thông qua các giác quan của chúng ta (và không thông qua trung gian của các công cụ đặc biệt), chúng ta thường phải quan sát các vật thể xuất hiện và biến mất mà không có lý do xác định rõ ràng.

Hiện tượng gần nhất với "sinh ra từ hư không" xảy ra trong một điện trường đủ mạnh. Tại một giá trị tới hạn của cường độ trường, các electron và positron bắt đầu xuất hiện “từ hư vô” một cách hoàn toàn ngẫu nhiên. Các tính toán cho thấy rằng gần bề mặt của hạt nhân uranium, cường độ điện trường đủ gần với giới hạn mà hiệu ứng này xảy ra. Nếu có hạt nhân nguyên tử chứa 200 proton (có 92 trong số chúng trong hạt nhân uranium), thì sự sinh ra tự phát của các electron và positron sẽ xảy ra. Thật không may, một hạt nhân với một số lượng lớn các proton dường như trở nên cực kỳ không ổn định, nhưng điều này không hoàn toàn chắc chắn.

Sự sản sinh tự phát của các electron và positron trong một điện trường mạnh có thể được coi là một loại phóng xạ đặc biệt, khi sự phân rã trải qua không gian trống, chân không. Chúng ta đã nói về sự chuyển đổi từ trạng thái chân không này sang trạng thái chân không khác do kết quả của sự phân rã. Trong trường hợp này, chân không phân rã, chuyển sang trạng thái có các hạt.

Mặc dù khó có thể hiểu được sự phân rã của không gian do điện trường gây ra, nhưng một quá trình tương tự dưới tác động của lực hấp dẫn cũng có thể xảy ra trong tự nhiên. Gần bề mặt của các lỗ đen, lực hấp dẫn mạnh đến mức chân không chứa đầy các hạt sinh ra liên tục. Đây là bức xạ lỗ đen nổi tiếng do Stephen Hawking phát hiện. Cuối cùng, chính lực hấp dẫn là nguyên nhân tạo ra bức xạ này, nhưng không thể nói rằng điều này xảy ra "theo nghĩa Newton cũ": người ta không thể nói rằng bất kỳ hạt cụ thể nào sẽ xuất hiện ở một nơi nhất định vào một thời điểm cụ thể. do tác dụng của lực hấp dẫn. Trong mọi trường hợp, vì lực hấp dẫn chỉ là một đường cong của không-thời gian, nên có thể nói rằng không-thời gian là nguyên nhân sinh ra vật chất.

Sự xuất hiện tự phát của vật chất từ ​​không gian trống rỗng thường được gọi là sự ra đời "từ hư không", gần về mặt tinh thần với sự ra đời. ex nihilo trong giáo lý Cơ đốc. Tuy nhiên, đối với một nhà vật lý, không gian trống không hoàn toàn là “không có gì”, mà là một phần rất thiết yếu của Vũ trụ vật chất. Nếu chúng ta vẫn muốn trả lời câu hỏi vũ trụ ra đời như thế nào, thì việc cho rằng không gian trống đã tồn tại ngay từ ban đầu là chưa đủ. Cần phải giải thích không gian này đến từ đâu. nghĩ về sự ra đời không gian chính nó Nó có vẻ kỳ lạ, nhưng theo một nghĩa nào đó, nó xảy ra mọi lúc xung quanh chúng ta. Sự giãn nở của vũ trụ không là gì khác ngoài sự "phồng lên" liên tục của không gian. Mỗi ngày, khu vực vũ trụ có thể tiếp cận được với kính thiên văn của chúng ta tăng thêm 10 ^ 18 năm ánh sáng. Không gian này đến từ đâu? Sự tương tự cao su rất hữu ích ở đây. Nếu dây cao su đàn hồi bị kéo ra, nó "to ra". Không gian giống như siêu đàn hồi ở chỗ, theo như chúng ta biết, nó có thể kéo dài vô thời hạn mà không bị rách.

Sự giãn và cong của không gian giống như sự biến dạng của một vật thể đàn hồi ở chỗ “chuyển động” của không gian xảy ra theo các định luật cơ học giống hệt như chuyển động của vật chất thông thường. Trong trường hợp này, đây là định luật hấp dẫn. Lý thuyết lượng tử có thể áp dụng như nhau cho vật chất, cũng như cho không gian và thời gian. Trong các chương trước, chúng ta đã nói rằng lực hấp dẫn lượng tử được coi là bước cần thiết trong việc tìm kiếm Siêu năng lực. Trong mối liên hệ này, một khả năng gây tò mò nảy sinh; Nếu, theo lý thuyết lượng tử, các hạt vật chất có thể sinh ra “từ hư không”, thì trong mối quan hệ với lực hấp dẫn, nó sẽ không mô tả sự xuất hiện “từ hư không” và không gian sao? Nếu điều này xảy ra, thì sự ra đời của Vũ trụ cách đây 18 tỷ năm chẳng phải là một ví dụ của một quá trình như vậy sao?

Ăn trưa miễn phí?

Ý tưởng chính của vũ trụ học lượng tử là ứng dụng của lý thuyết lượng tử vào vũ trụ nói chung: không-thời gian và vật chất; các nhà lý thuyết đặc biệt coi trọng ý tưởng này. Thoạt nhìn, có một sự mâu thuẫn ở đây: vật lý lượng tử đề cập đến các hệ thống nhỏ nhất, trong khi vũ trụ học đề cập đến hệ thống lớn nhất. Tuy nhiên, vũ trụ đã từng bị giới hạn ở một kích thước rất nhỏ, và do đó các hiệu ứng lượng tử cực kỳ quan trọng vào thời đó. Kết quả tính toán chỉ ra rằng các định luật lượng tử nên được tính đến trong kỷ nguyên GUT (10 ^ -32 giây), và trong kỷ nguyên Planck (10 ^ -43 giây), chúng có lẽ nên đóng một vai trò quyết định. Theo một số nhà lý thuyết (ví dụ, Vilenkin), giữa hai kỷ nguyên này có một thời điểm khi Vũ trụ hình thành. Theo Sydney Coleman, chúng ta đã thực hiện một bước nhảy vọt lượng tử từ Không có gì sang Thời gian. Rõ ràng, không-thời gian là một di tích của thời đại này. Bước nhảy lượng tử mà Coleman nói đến có thể được coi là một loại "quá trình đào đường hầm". Chúng tôi lưu ý rằng trong phiên bản gốc của lý thuyết lạm phát, trạng thái chân không giả phải đào xuyên qua rào cản năng lượng để đến trạng thái chân không thực. Tuy nhiên, trong trường hợp sự xuất hiện tự phát của vũ trụ lượng tử "từ hư vô", trực giác của chúng ta đạt đến giới hạn khả năng của nó. Một đầu của đường hầm đại diện cho vũ trụ vật lý trong không gian và thời gian, đến đó bằng cách đào đường hầm lượng tử "từ hư vô". Do đó, đầu kia của đường hầm này là Không có gì cả! Có lẽ sẽ tốt hơn nếu nói rằng đường hầm chỉ có một đầu, và đầu kia chỉ đơn giản là "không tồn tại."

Khó khăn chính của những nỗ lực này nhằm giải thích nguồn gốc của Vũ trụ nằm ở việc mô tả quá trình sinh ra nó từ một trạng thái chân không giả. Nếu không-thời gian mới xuất hiện ở trong trạng thái chân không thực sự, thì lạm phát không bao giờ có thể xảy ra. Vụ nổ lớn sẽ giảm xuống thành một vụ nổ yếu, và không-thời gian sẽ không còn tồn tại nữa sau một thời gian nữa - nó sẽ bị phá hủy bởi chính các quá trình lượng tử do nó phát sinh ban đầu. Nếu Vũ trụ không ở trong trạng thái chân không giả, nó sẽ không bao giờ tham gia vào kế hoạch khởi động vũ trụ và sẽ không hiện thực hóa sự tồn tại ảo tưởng của nó. Có lẽ trạng thái chân không giả được ưa chuộng do các điều kiện khắc nghiệt của nó. Ví dụ, nếu vũ trụ bắt đầu ở nhiệt độ ban đầu đủ cao và sau đó nguội đi, thì nó thậm chí có thể "mắc cạn" trong chân không giả, nhưng cho đến nay nhiều câu hỏi kỹ thuật thuộc loại này vẫn chưa được giải đáp.

Nhưng cho dù thực tế của những vấn đề cơ bản này là gì, thì vũ trụ bằng cách nào đó phải ra đời, và vật lý lượng tử là lĩnh vực khoa học duy nhất mà nó có ý nghĩa khi nói về một sự kiện xảy ra mà không có lý do rõ ràng. Nếu chúng ta đang nói về không-thời gian, thì trong mọi trường hợp, nói về quan hệ nhân quả theo nghĩa thông thường là vô nghĩa. Thông thường, khái niệm nhân quả có liên quan chặt chẽ với khái niệm thời gian, và do đó, bất kỳ cân nhắc nào về các quá trình xuất hiện của thời gian hoặc “lối thoát khỏi sự không tồn tại” của nó phải dựa trên một ý tưởng rộng hơn về quan hệ nhân quả.

Nếu không gian thực sự là mười chiều, thì lý thuyết coi tất cả mười chiều là khá bằng nhau trong giai đoạn đầu. Thật hấp dẫn khi liên kết hiện tượng lạm phát với sự tổng hợp tự phát (gấp lại) của bảy trên mười chiều. Theo kịch bản này, "động lực" của lạm phát là sản phẩm phụ của các tương tác tự biểu hiện thông qua các chiều không gian bổ sung. Hơn nữa, không gian mười chiều có thể phát triển một cách tự nhiên theo cách mà trong thời kỳ lạm phát, ba chiều không gian phát triển mạnh mẽ với chi phí của bảy chiều kia, mà ngược lại, thu nhỏ lại, trở nên vô hình? Do đó, vi hạt lượng tử của không gian mười chiều bị nén lại, và do đó, ba chiều được thổi phồng lên, tạo thành Vũ trụ: bảy chiều còn lại vẫn nằm trong sự giam cầm của vi vũ trụ, từ đó chúng chỉ xuất hiện một cách gián tiếp - dưới dạng các tương tác. Lý thuyết này có vẻ rất hấp dẫn.

Mặc dù thực tế là các nhà lý thuyết vẫn còn nhiều việc phải làm trong việc nghiên cứu bản chất của Vũ trụ rất sơ khai, nhưng người ta đã có thể đưa ra một phác thảo tổng quát về các sự kiện dẫn đến việc Vũ trụ trở nên có thể quan sát được ngày nay. Vào lúc ban đầu, Vũ trụ tự phát sinh ra “từ hư vô”. Nhờ khả năng đóng vai trò như một loại enzyme của năng lượng lượng tử, các bong bóng của không gian trống có thể phồng lên với tốc độ ngày càng tăng, tạo ra nguồn năng lượng dự trữ khổng lồ nhờ vào bootstrap. Chân không giả này, chứa đầy năng lượng tự sinh ra, hóa ra không ổn định và bắt đầu phân hủy, giải phóng năng lượng dưới dạng nhiệt, để mỗi bong bóng chứa đầy vật chất thở ra lửa (quả cầu lửa). Lạm phát (lạm phát) của bong bóng đã dừng lại, nhưng Vụ nổ lớn bắt đầu. Trên "đồng hồ" của Vũ trụ tại thời điểm đó là 10 ^ -32 giây.

Từ một quả cầu lửa như vậy, mọi vật chất và mọi đối tượng vật chất đều nảy sinh. Khi vật chất không gian nguội đi, nó trải qua các quá trình chuyển pha liên tiếp. Với mỗi lần chuyển đổi, ngày càng có nhiều cấu trúc khác nhau bị "đóng băng" khỏi vật liệu không hình dạng chính. Từng cái một, các tương tác tách rời nhau. Từng bước, các đối tượng mà chúng ta gọi là hạt hạ nguyên tử đã có được các đặc điểm hiện tại của chúng. Khi thành phần của "súp vũ trụ" ngày càng trở nên phức tạp hơn, những bất thường quy mô lớn còn sót lại từ thời kỳ lạm phát lớn dần thành các thiên hà. Trong quá trình tiếp tục hình thành các cấu trúc và sự phân tách của nhiều loại vật chất khác nhau, Vũ trụ ngày càng có nhiều hình thức quen thuộc hơn; plasma nóng ngưng tụ thành các nguyên tử, tạo thành các ngôi sao, hành tinh và cuối cùng là sự sống. Như vậy Vũ trụ đã "nhận ra" chính nó.

Chất, năng lượng, không gian, thời gian, tương tác, trường, trật tự và cấu trúc - tất cả các những khái niệm này, được mượn từ "bảng giá của đấng sáng tạo", đóng vai trò như những đặc điểm không thể thiếu của vũ trụ. Vật lý học mới mở ra khả năng hấp dẫn của một giải thích khoa học về nguồn gốc của tất cả những thứ này. Chúng tôi không còn cần phải nhập cụ thể chúng “theo cách thủ công” ngay từ đầu. Chúng ta có thể thấy tất cả các thuộc tính cơ bản của thế giới vật chất có thể xuất hiện như thế nào tự động như một hệ quả của các định luật vật lý, mà không cần phải giả định sự tồn tại của các điều kiện ban đầu rất cụ thể. Vũ trụ học mới tuyên bố rằng trạng thái ban đầu của vũ trụ không đóng vai trò gì, vì tất cả thông tin về nó đã bị xóa trong thời kỳ lạm phát. Vũ trụ mà chúng ta quan sát chỉ mang dấu ấn của những quá trình vật chất đã diễn ra kể từ khi bắt đầu lạm phát.

Trong hàng ngàn năm, nhân loại đã tin rằng "không có gì sẽ được sinh ra từ không có gì". Ngày nay chúng ta có thể nói rằng mọi thứ đến từ con số không. Bạn không phải "trả tiền" cho Vũ trụ - đó hoàn toàn là một "bữa trưa miễn phí".

Theo lý thuyết này, Vũ trụ xuất hiện dưới dạng một đám vật chất siêu đặc nóng, sau đó nó bắt đầu nở ra và nguội đi. Ở giai đoạn tiến hóa đầu tiên, Vũ trụ ở trạng thái siêu đặc và là plasma -gluon. Nếu proton và neutron va chạm và tạo thành hạt nhân nặng hơn thì thời gian tồn tại của chúng là không đáng kể. Ở lần va chạm tiếp theo với bất kỳ hạt nhanh nào, chúng ngay lập tức bị phân rã thành các thành phần cơ bản.

Khoảng 1 tỷ năm trước, sự hình thành các thiên hà bắt đầu, vào thời điểm đó Vũ trụ bắt đầu giống với những gì chúng ta có thể thấy bây giờ. 300.000 năm sau vụ nổ Big Bang, nó nguội đi rất nhiều đến mức các electron được giữ chặt bởi các hạt nhân, do đó các nguyên tử ổn định xuất hiện không bị phân rã ngay sau khi va chạm với một hạt nhân khác.

Sự hình thành hạt

Sự hình thành các hạt bắt đầu do sự giãn nở của vũ trụ. Sự nguội lạnh hơn nữa của nó dẫn đến sự hình thành hạt nhân heli, xảy ra do quá trình tổng hợp hạt nhân sơ cấp. Khoảng ba phút đáng lẽ đã trôi qua kể từ khi xảy ra Vụ nổ lớn trước khi vũ trụ nguội đi, và năng lượng va chạm giảm đi rất nhiều để các hạt bắt đầu hình thành hạt nhân ổn định. Trong ba phút đầu tiên, Vũ trụ là một biển nóng đỏ của các hạt cơ bản.

Quá trình hình thành sơ cấp của hạt nhân không kéo dài lâu lắm, sau ba phút đầu tiên các hạt di chuyển ra xa nhau do đó va chạm giữa chúng trở nên cực kỳ hiếm. Trong giai đoạn ngắn của quá trình tổng hợp hạt nhân sơ cấp này, đơteri đã xuất hiện - một đồng vị nặng của hydro, hạt nhân của nó chứa một proton và một. Đồng thời với đơteri, heli-3, heli-4 và một lượng nhỏ lithium-7 được hình thành. Các nguyên tố ngày càng nặng hơn xuất hiện ở giai đoạn hình thành sao.

Sau khi vũ trụ ra đời

Khoảng một phần trăm nghìn giây kể từ thời điểm bắt đầu khai sinh Vũ trụ, các hạt quark kết hợp thành các hạt cơ bản. Kể từ thời điểm đó, Vũ trụ trở thành một biển lạnh của các hạt cơ bản. Sau đó, một quá trình bắt đầu được gọi là sự thống nhất vĩ đại của các lực lượng cơ bản. Khi đó trong Vũ trụ có những năng lượng tương ứng với những năng lượng tối đa có thể thu được trong các máy gia tốc hiện đại. Sau đó, một sự mở rộng lạm phát đột ngột bắt đầu, và các phản hạt biến mất đồng thời.