En av de viktigaste frågorna som inte kommer ut ur det mänskliga medvetandet har alltid varit och är frågan: "Hur verkade universum?" Naturligtvis finns det inget entydigt svar på denna fråga, och det kommer troligen inte att tas emot inom en snar framtid, men vetenskapen arbetar i den riktningen och bildar en viss teoretisk modell för vårt universums ursprung. Först och främst bör man överväga universums grundläggande egenskaper, som ska beskrivas inom ramen för den kosmologiska modellen.
*** Modellen bör ta hänsyn till de observerade avstånden mellan föremål, liksom hastigheten och riktningen för deras rörelse. Sådana beräkningar är baserade på Hubbles lag: cz = H0D, där z är ett förskjutning av ett objekt, D är avståndet till detta objekt och c är ljusets hastighet.
*** Universums ålder i modellen måste överstiga åldern för de äldsta objekten i världen.
*** Modellen bör ta hänsyn till det ursprungliga överflödet av element.
*** Modellen bör ta hänsyn till den observerade storskaliga strukturen i universum.
*** Modellen bör ta hänsyn till den observerade bakgrundsbakgrunden.
Kampanjvideo:
En kort historia av universum. Singularitet sett av konstnären (foto)
Tänk kortfattat på den allmänt accepterade teorin om universums ursprung och tidiga utveckling, som stöds av de flesta forskare. Idag betyder Big Bang-teorin en kombination av en modell av ett hett universum med Big Bang. Och även om dessa begrepp först fanns oberoende av varandra var det möjligt att förklara universums ursprungliga kemiska sammansättning, liksom närvaron av relikstrålning.
Enligt denna teori uppstod universum för ungefär 13,77 miljarder år sedan från något tätt uppvärmt objekt - ett enastående tillstånd som är svårt att beskriva inom ramen för modern fysik. Problemet med den kosmologiska singulariteten är bland annat att när man beskriver den tenderar de flesta fysiska storheter, såsom densitet och temperatur, att vara oändliga. Samtidigt är det känt att entropin (ett mått på kaos) vid en oändlig densitet bör tendera till noll, vilket inte sammanfaller med en oändlig temperatur.
Utveckling av universum
*** De första 10 på -43 sekunder efter Big Bang kallas scenen för kvantkaos. Universets natur i detta skede av existensen trotsar beskrivningen inom den fysik som vi känner till. Det finns en sönderdelning av en kontinuerlig enda rymdtid till kvantiteter.
*** Planck-ögonblick - ögonblicket för slutet av kvantkaos, som faller vid 10 på -43 sekunder. För närvarande var universums parametrar lika med Planck-värden, som Planck-temperaturen (cirka 1032 K). Vid tiden för Planck-eran kombinerades alla fyra grundläggande interaktioner (svag, stark, elektromagnetisk och gravitationell) till en typ av interaktion. Det är inte möjligt att betrakta Planck-ögonblicket som en viss lång period, eftersom modern fysik inte fungerar med mindre parametrar än Planck-parametrarna.
*** Inflationsstadium. Nästa steg i universums historia var inflationsstadiet. I första ögonblicket av inflationen separerade gravitationsinteraktionen från det enhetliga supersymmetriska fältet (som tidigare inkluderade fälten för grundläggande interaktioner). Under denna period har materia ett negativt tryck, vilket orsakar en exponentiell ökning av universums kinetiska energi. Enkelt uttryckt, under denna period började universum att svälla mycket snabbt, och mot slutet omvandlas energin i fysiska fält till energin hos vanliga partiklar. I slutet av detta steg stiger ämnets temperatur och strålningen avsevärt. Tillsammans med slutet av inflationsstadiet sticker en stark interaktion ut. Också i detta ögonblick uppstår universums baryonasymmetri.
[Baryon-asymmetri i universum är det observerade fenomenet med övervägande av materia över antimateria i universum]
*** Stadium av strålningsdominans. Nästa steg i utvecklingen av universum, som inkluderar flera steg. I detta skede börjar temperaturen i universum minska, kvarkar bildas, sedan hadroner och leptoner. Under nukleosyntesens tid uppstår bildandet av initiala kemiska element, helium syntetiseras. Men strålningen dominerar fortfarande över materien.
*** Ära av substansens dominans. Efter 10 000 år överstiger materiens energi gradvis strålningsenergin och deras separation sker. Ämnet börjar dominera strålningen, en relikbakgrund dyker upp. Separationen av materia med strålning ökade också de initiala inhomogeniteterna i fördelningen av materia, vilket resulterade i att galaxer och supergalaxer började bildas. Universums lagar har kommit till den form som vi iakttar dem idag.
Ovanstående bild består av flera grundläggande teorier och ger en allmän uppfattning om universums bildande i de tidiga stadierna av dess existens.
Var kom universum ifrån?
Om universum härstammar från en kosmologisk singularitet, varifrån kom singulariteten ifrån? Det är ännu inte möjligt att ge ett exakt svar på denna fråga. Tänk på några av de kosmologiska modeller som påverkar”universums födelse”.
Cykliska modeller. Klimodellering (foto)
Dessa modeller är baserade på påståendet att universum alltid har existerat och med tiden ändras bara dess tillstånd och går från expansion till kontraktion - och vice versa.
*** Steinhardt-Turok-modell. Denna modell är baserad på strängteori (M-teori), eftersom den använder ett objekt som "brane".
[Kli (från membranet) i strängteori (M-teori) är ett hypotetiskt grundläggande flerdimensionellt fysiskt objekt med dimension som är mindre än dimensionen i utrymmet där det ligger]
Enligt denna modell är det synliga universum beläget i en tri-brane, som periodvis en gång i flera biljoner år kolliderar med en annan tri-brane, vilket orsakar en slags Big Bang. Vidare börjar vår tri-brane att röra sig bort från den andra och expandera. Vid någon tidpunkt har andelen mörk energi företräde och expansionshastigheten för tri-branen ökar. Den kolossala expansionen sprider materia och strålning så mycket att världen blir nästan homogen och tom. I slutändan inträffar en upprepad kollision av tre-branes, vilket resulterar i att vårt återgår till den inledande fasen av sin cykel och återskapar vårt "universum".
*** Teorin om Loris Baum och Paul Frampton säger också om universums cykliska natur. Enligt deras teori kommer den senare efter Big Bang att expandera på grund av mörk energi tills den närmar sig ögonblicket för "upplösningen" av själva rymdtiden - Big Rip. Som ni vet minskar inte entropin i ett”slutet system” (termodynamikens andra lag). Det följer av detta uttalande att universum inte kan återgå till sitt ursprungliga tillstånd, eftersom entropin måste minska under en sådan process. Detta problem löses dock inom ramen för denna teori. Enligt teorin om Baum och Frampton, ett ögonblick före Big Rip, sönderdelas universum i många "lappar", som alla har ett ganska litet värde av entropi. Genom att uppleva en serie fasövergångar ger dessa "skrot" från det tidigare universum upphov till materia och utvecklas på samma sätt som det ursprungliga universum. Dessa nya världar interagerar inte med varandra, eftersom de sprids med en hastighet som är högre än ljusets hastighet. Således har forskare undvikit den kosmologiska singularitet, med vilken universums födelse börjar enligt de flesta kosmologiska teorier. Det vill säga i slutet av sin cykel bryter universum upp i många andra icke-interagerande världar som kommer att bli nya universum.
*** Konformell cyklisk kosmologi är den cykliska modellen för Roger Penrose och Vahagn Gurzadyan. Enligt denna modell kan universum gå in i en ny cykel utan att bryta mot termodynamikens andra lag. Denna teori bygger på antagandet att svarta hål förstör den absorberade informationen, vilket på något sätt "lagligt" sänker universums entropi. Därefter börjar varje sådan cykel av universums existens med en framtoning av Big Bang och slutar med en singularitet.
Andra modeller av universums ursprung
Bland andra hypoteser som förklarar det synliga universums utseende är följande två mest populära:
*** Kaotisk inflationsteori - Andrey Lindes teori. Enligt denna teori finns det ett visst skalärt fält som är inhomogent i hela sin volym. Det vill säga, i olika regioner i universum har det skalära fältet olika betydelser. Sedan, i områden där fältet är svagt, händer ingenting, medan områden med starka fält börjar expandera (inflation) på grund av dess energi och därmed bilda nya universum. Detta scenario innebär att det finns många världar som inte uppstod samtidigt och har sin egen uppsättning elementära partiklar och följaktligen naturlagarna.
*** Teorin om Lee Smolin - antar att Big Bang inte är början på universums existens, utan bara en fasövergång mellan dess två stater. Eftersom universum före Big Bang existerade i form av en kosmologisk singularitet, nära naturen till ett svart håls singularitet, föreslår Smolin att universum kunde ha uppstått från ett svart hål.
Det finns också mönster där universum dyker upp kontinuerligt, spirar från sina föräldrar och hittar sin egen plats. Dessutom är det inte alls nödvändigt att samma fysiska lagar etableras i sådana världar. Alla dessa världar är "kapslade" i ett enda rum-tid kontinuum, men de är så åtskilda att de inte känner varandras närvaro på något sätt. Generellt tillåter begreppet inflation - dessutom tvingar! - att tro att det i det gigantiska megakosmos finns många isolerade universum med olika arrangemang.
Trots det faktum att cykliska och andra modeller svarar på ett antal frågor, vars svar inte kan ges av Big Bang-teorin, inklusive problemet med den kosmologiska singulariteten. Men tillsammans med inflationsteorin förklarar Big Bang mer fullständigt universums ursprung och konvergerar också med många observationer.
Idag fortsätter forskare att intensivt studera möjliga scenarier för universums ursprung, för att ge ett obestridligt svar på frågan "Hur verkade universum?" - kommer sannolikt inte att lyckas inom en snar framtid. Det finns två skäl till detta: direkt bevis för kosmologiska teorier är praktiskt taget omöjligt, bara indirekt; även teoretiskt finns det inget sätt att få korrekt information om världen före Big Bang. Av dessa två skäl kan forskare bara lägga fram hypoteser och bygga kosmologiska modeller som på bästa sätt kommer att beskriva naturen i det universum vi observerar.
