Una dintre principalele întrebări care nu părăsesc conștiința umană a fost întotdeauna și este întrebarea: „cum a apărut Universul?” Desigur, nu există un răspuns neechivoc la această întrebare și este puțin probabil să fie primit în viitorul apropiat, dar știința lucrează în această direcție și formează un anumit model teoretic al originii Universului nostru. În primul rând, ar trebui să se ia în considerare proprietățile de bază ale Universului, care ar trebui descrise în cadrul modelului cosmologic.
*** Modelul ar trebui să ia în considerare distanțele observate între obiecte, precum și viteza și direcția mișcării lor. Astfel de calcule se bazează pe legea lui Hubble: cz = H0D, unde z este deplasarea spre roșu a unui obiect, D este distanța față de acest obiect și c este viteza luminii.
*** Vârsta Universului din model trebuie să depășească vârsta celor mai vechi obiecte din lume.
*** Modelul ar trebui să ia în considerare abundența inițială a elementelor.
*** Modelul ar trebui să ia în considerare structura observată pe scară largă a Universului.
*** Modelul ar trebui să ia în considerare fundalul de fundal observat.
Video promotional:
O scurtă istorie a universului. Singularitate văzută de artist (foto)
Luați în considerare pe scurt teoria general acceptată a originii și evoluției timpurii a Universului, care este susținută de majoritatea oamenilor de știință. Astăzi, teoria Big Bang-ului înseamnă o combinație a unui model de Univers fierbinte cu un Big Bang. Și, deși aceste concepte au existat mai întâi independent unul de celălalt, ca urmare a unificării lor, a fost posibil să se explice compoziția chimică inițială a Universului, precum și prezența radiației relicve.
Conform acestei teorii, Universul a apărut cu aproximativ 13,77 miliarde de ani în urmă dintr-un obiect dens încălzit - o stare singulară greu de descris în cadrul fizicii moderne. Problema cu singularitatea cosmologică, printre altele, este că atunci când o descriem, majoritatea mărimilor fizice, cum ar fi densitatea și temperatura, tind spre infinit. În același timp, se știe că la o densitate infinită entropia (o măsură a haosului) ar trebui să tindă la zero, ceea ce nu coincide cu o temperatură infinită.
Evoluția universului
*** Primele 10 în -43 secunde după Big Bang sunt numite stadiul haosului cuantic. Natura universului în acest stadiu al existenței sfidează descrierea în cadrul fizicii cunoscute de noi. Există o dezintegrare a unui singur spațiu-timp continuu în cuante.
*** Momentul Planck - momentul sfârșitului haosului cuantic, care cade la 10 în -43 secunde. În acest moment, parametrii Universului erau egali cu valorile Planck, cum ar fi temperatura Planck (aproximativ 1032 K). În timpul erei Planck, toate cele patru interacțiuni fundamentale (slabe, puternice, electromagnetice și gravitaționale) erau combinate într-un singur tip de interacțiune. Nu este posibil să considerăm momentul Planck ca pe o anumită perioadă lungă, deoarece fizica modernă nu funcționează cu parametri mai mici decât cei Planck.
*** Etapa inflației. Următoarea etapă din istoria Universului a fost etapa inflaționistă. În primul moment al inflației, interacțiunea gravitațională s-a separat de câmpul supersimetric unificat (care anterior includea câmpurile interacțiunilor fundamentale). În această perioadă, materia are presiune negativă, ceea ce determină o creștere exponențială a energiei cinetice a universului. Mai simplu spus, în această perioadă Universul a început să se umfle foarte repede, iar spre sfârșit energia câmpurilor fizice este transformată în energia particulelor obișnuite. La sfârșitul acestei etape, temperatura substanței și a radiației crește semnificativ. Odată cu sfârșitul etapei inflației, se evidențiază o interacțiune puternică. De asemenea, în acest moment apare asimetria barionică a Universului.
[Asimetria barionică a Universului este fenomenul observat al predominanței materiei asupra antimateriei în Univers]
*** Stadiul dominanței radiațiilor. Următoarea etapă a dezvoltării Universului, care include mai multe etape. În acest stadiu, temperatura Universului începe să scadă, se formează quarcuri, apoi hadroni și leptoni. În era nucleosintezei, are loc formarea elementelor chimice inițiale, heliul este sintetizat. Cu toate acestea, radiațiile domină încă asupra materiei.
*** Era dominanței substanței. După 10.000 de ani, energia materiei depășește treptat energia radiației și are loc separarea lor. Substanța începe să domine radiația, apare un fundal de relicvă. De asemenea, separarea materiei de radiații a crescut semnificativ neomogenitățile inițiale în distribuția materiei, ca urmare a cărora au început să se formeze galaxii și supergalaxii. Legile Universului au ajuns la forma în care le observăm astăzi.
Imaginea de mai sus este compusă din mai multe teorii fundamentale și oferă o idee generală despre formarea universului în primele etape ale existenței sale.
De unde a venit universul?
Dacă universul a apărut dintr-o singularitate cosmologică, atunci de unde a provenit singularitatea? Nu este încă posibil să oferim un răspuns exact la această întrebare. Luați în considerare câteva dintre modelele cosmologice care afectează „nașterea universului”.
Modele ciclice. Modelarea tărâțelor (foto)
Aceste modele se bazează pe afirmația că Universul a existat dintotdeauna și de-a lungul timpului doar starea sa se schimbă, trecând de la expansiune la contracție - și invers.
*** Modelul Steinhardt-Turok. Acest model se bazează pe teoria șirurilor (teoria M), întrucât folosește un astfel de obiect ca „brane”.
[Tărâțul (din membrană) în teoria corzilor (teoria M) este un obiect fizic fundamental multidimensional ipotetic de dimensiune mai mic decât dimensiunea spațiului în care este situat]
Conform acestui model, Universul vizibil este situat în interiorul unui tri-brane, care periodic, la fiecare câteva trilioane de ani, se ciocnește cu un alt tri-brane, care provoacă un fel de Big Bang. Mai mult, tri-brana noastră începe să se îndepărteze de cealaltă și să se extindă. La un moment dat, ponderea energiei întunecate are prioritate și rata de expansiune a tri-branei crește. Expansiunea colosală împrăștie materie și radiații atât de mult încât lumea devine aproape omogenă și goală. În cele din urmă, există o coliziune repetată de trei brane, în urma căreia a noastră revine la faza inițială a ciclului său, dând naștere din nou „Universului” nostru.
*** Teoria lui Loris Baum și Paul Frampton spune, de asemenea, despre natura ciclică a universului. Potrivit teoriei lor, acesta din urmă după Big Bang se va extinde datorită energiei întunecate până se va apropia de momentul "dezintegrării" spațiului-timp însuși - Big Rip. După cum știți, într-un „sistem închis, entropia nu scade” (a doua lege a termodinamicii). Din această afirmație rezultă că Universul nu poate reveni la starea sa inițială, deoarece în timpul unui astfel de proces, entropia trebuie să scadă. Cu toate acestea, această problemă este rezolvată în cadrul acestei teorii. Conform teoriei lui Baum și Frampton, cu o clipă înainte de Big Rip, Universul se dezintegrează în multe „patch-uri”, fiecare dintre acestea având o valoare de entropie destul de mică. Experimentând o serie de tranziții de fază, aceste „resturi” ale fostului Univers dau naștere materiei și se dezvoltă similar cu Universul original. Aceste lumi noi nu interacționează între ele, deoarece se împrăștie cu o viteză mai mare decât viteza luminii. Astfel, oamenii de știință au evitat singularitatea cosmologică, cu care nașterea universului începe în conformitate cu majoritatea teoriilor cosmologice. Adică, la sfârșitul ciclului său, Universul se desparte în multe alte lumi care nu interacționează, care vor deveni universuri noi.
*** Cosmologia ciclică conformă este modelul ciclic al lui Roger Penrose și Vahagn Gurzadyan. Conform acestui model, Universul este capabil să intre într-un nou ciclu fără a încălca a doua lege a termodinamicii. Această teorie se bazează pe presupunerea că găurile negre distrug informațiile absorbite, ceea ce într-un fel „legal” scade entropia Universului. Apoi, fiecare astfel de ciclu al existenței Universului începe cu o aparență de Big Bang și se încheie cu o singularitate.
Alte modele ale originii universului
Printre alte ipoteze care explică apariția Universului vizibil, următoarele două sunt cele mai populare:
*** Teoria haotică a inflației - teoria lui Andrey Linde. Conform acestei teorii, există un anumit câmp scalar care este neomogen pe întregul său volum. Adică, în diferite regiuni ale universului, câmpul scalar are semnificații diferite. Apoi, în zonele în care câmpul este slab, nu se întâmplă nimic, în timp ce zonele cu câmpuri puternice încep să se extindă (inflația) datorită energiei sale, formând astfel noi universuri. Un astfel de scenariu implică existența multor lumi care nu au apărut simultan și au propriul lor set de particule elementare și, în consecință, legile naturii.
*** Teoria lui Lee Smolin - presupune că Big Bang-ul nu este începutul existenței Universului, ci doar o tranziție de fază între cele două stări ale sale. Întrucât, înainte de Big Bang, universul exista sub forma unei singularități cosmologice, apropiate în natură de singularitatea unei găuri negre, Smolin sugerează că universul ar fi putut apărea dintr-o gaură neagră.
Există, de asemenea, modele în care universurile apar continuu, încolțesc de la părinți și își găsesc propriul loc. Mai mult, nu este deloc necesar ca aceleași legi fizice să fie stabilite în astfel de lumi. Toate aceste lumi sunt „cuibărite” într-un singur continuum spațiu-timp, dar sunt atât de distanțate încât nu simt prezența celuilalt în niciun fel. În general, conceptul de inflație permite - mai mult, obligă! - să creadă că în gigacosmosul gigantic există multe universuri izolate cu aranjamente diferite.
În ciuda faptului că modelele ciclice și alte modele răspund la o serie de întrebări, răspunsuri cărora nu le poate da teoria Big Bangului, inclusiv problema singularității cosmologice. Totuși, împreună cu teoria inflaționistă, Big Bang-ul explică mai complet originea universului și converge, de asemenea, cu multe observații.
Astăzi, cercetătorii continuă să studieze intens scenariile posibile pentru originea Universului, totuși, pentru a da un răspuns irefutabil la întrebarea „Cum a apărut Universul?” - este puțin probabil să reușească în viitorul apropiat. Există două motive pentru aceasta: dovada directă a teoriilor cosmologice este practic imposibilă, doar indirectă; chiar și teoretic nu există nicio modalitate de a obține informații exacte despre lume înainte de Big Bang. Din aceste două motive, oamenii de știință nu pot decât să prezinte ipoteze și să construiască modele cosmologice care să descrie cel mai exact natura universului pe care îl observăm.
