Един от основните въпроси, които не напускат човешкото съзнание, винаги е бил и е въпросът: "как се е появила Вселената?" Разбира се, няма еднозначен отговор на този въпрос и е малко вероятно той да бъде получен в близко бъдеще, но науката работи в тази посока и формира определен теоретичен модел за произхода на нашата Вселена. На първо място, трябва да се разгледат основните свойства на Вселената, които трябва да бъдат описани в рамките на космологичния модел.
*** Моделът трябва да отчита наблюдаваните разстояния между обектите, както и скоростта и посоката на тяхното движение. Такива изчисления се основават на закона на Хъбъл: cz = H0D, където z е червеното изместване на обект, D е разстоянието до този обект и c е скоростта на светлината.
*** Възрастта на Вселената в модела трябва да надвишава възрастта на най-старите обекти в света.
*** Моделът трябва да отчита първоначалното изобилие от елементи.
*** Моделът трябва да вземе предвид наблюдаваната мащабна структура на Вселената.
*** Моделът трябва да отчита наблюдавания фон.
Промоционално видео:
Кратка история на Вселената. Сингулярност, както се вижда от художника (снимка)
Помислете накратко за общоприетата теория за произхода и ранната еволюция на Вселената, която се поддържа от повечето учени. Днес теорията за Големия взрив означава комбинация от модел на гореща Вселена с Голям взрив. И въпреки че тези концепции първоначално са съществували независимо една от друга, в резултат на тяхното обединение е възможно да се обясни първоначалният химичен състав на Вселената, както и наличието на реликтово лъчение.
Според тази теория Вселената е възникнала преди около 13,77 милиарда години от някакъв плътен нагрят обект - единично състояние, което е трудно да се опише в рамките на съвременната физика. Проблемът с космологичната особеност, наред с други неща, е, че когато я описват, повечето физически величини, като плътност и температура, са склонни към безкрайност. В същото време е известно, че при безкрайна плътност ентропията (мярка за хаос) трябва да се стреми към нула, което не съвпада с безкрайна температура.
Еволюция на Вселената
*** Първите 10 за -43 секунди след Големия взрив се наричат стадия на квантовия хаос. Природата на Вселената на този етап от съществуването се противопоставя на описанието в рамките на познатата ни физика. Има дезинтеграция на непрекъснато единично пространство-време в кванти.
*** Планков момент - моментът на края на квантовия хаос, който пада на 10 за -43 секунди. В този момент параметрите на Вселената бяха равни на стойностите на Планк, като температурата на Планк (около 1032 К). По времето на ерата на Планк и четирите фундаментални взаимодействия (слабо, силно, електромагнитно и гравитационно) се комбинират в един вид взаимодействие. Не е възможно да се разглежда моментът на Планк като определен дълъг период, тъй като съвременната физика не работи с параметри, по-малки от тези на Планк.
*** Етап на инфлация. Следващият етап в историята на Вселената беше инфлационният етап. В първия момент на инфлацията гравитационното взаимодействие се отдели от единното суперсиметрично поле (което преди това включваше полетата на фундаменталните взаимодействия). През този период материята има отрицателно налягане, което води до експоненциално увеличение на кинетичната енергия на Вселената. Най-просто казано, през този период Вселената започва да набъбва много бързо и към края енергията на физическите полета се превръща в енергия на обикновените частици. В края на този етап температурата на веществото и радиацията се повишава значително. Заедно с края на етапа на инфлацията се откроява силно взаимодействие. Също в този момент възниква барионната асиметрия на Вселената.
[Барионната асиметрия на Вселената е наблюдаваното явление на преобладаването на материята над антиматерията във Вселената]
*** Етап на радиационно доминиране. Следващият етап от развитието на Вселената, който включва няколко етапа. На този етап температурата на Вселената започва да намалява, образуват се кварки, след това адрони и лептони. В ерата на нуклеосинтезата настъпва образуването на начални химични елементи, синтезира се хелий. Въпреки това радиацията все още доминира над материята.
*** Ерата на господството на веществото. След 10 000 години енергията на материята постепенно надвишава енергията на радиация и настъпва тяхното разделяне. Веществото започва да доминира в радиацията, появява се реликвен фон. Също така разделянето на материята с радиация значително увеличи първоначалните нехомогенности в разпределението на материята, в резултат на което започнаха да се образуват галактики и супергалактики. Законите на Вселената дойдоха във вида, в който ги наблюдаваме днес.
Горната картина е съставена от няколко фундаментални теории и дава обща представа за формирането на Вселената в ранните етапи от нейното съществуване.
Откъде дойде Вселената?
Ако Вселената произхожда от космологична сингулярност, тогава откъде идва сингулярността? Все още не е възможно да се даде точен отговор на този въпрос. Помислете за някои от космологичните модели, влияещи върху „раждането на Вселената“.
Циклични модели. Моделиране на трици (снимка)
Тези модели се основават на твърдението, че Вселената винаги е съществувала и с течение на времето само нейното състояние се променя, преминавайки от разширяване към свиване - и обратно.
*** Модел на Щайнхард-Турок. Този модел се основава на теория на струните (М-теория), тъй като използва обект като "brane".
[Бран (от мембраната) в теорията на струните (М-теория) е хипотетичен основен многомерен физически обект с размер, по-малък от измерението на пространството, в което се намира]
Според този модел видимата Вселена се намира вътре в трибрана, която периодично, веднъж на няколко трилиона години, се сблъсква с друга трибрана, което предизвиква вид Голям взрив. Освен това нашата трибрана започва да се отдалечава от другата и да се разширява. В един момент делът на тъмната енергия има предимство и скоростта на разширяване на трибраната се увеличава. Колосалното разширение разпръсква материята и радиацията толкова много, че светът става почти хомогенен и празен. В крайна сметка се случва повторен сблъсък на трибрани, в резултат на което нашият се връща в началната фаза на своя цикъл, раждайки отново нашата "Вселена".
*** Теорията на Лорис Баум и Пол Фрамптън също казва за цикличната природа на Вселената. Според тяхната теория последният след Големия взрив ще се разширява поради тъмната енергия, докато наближи момента на "разпадането" на самото пространство-време - Големия разрив. Както знаете, в „затворена система ентропията не намалява“(вторият закон на термодинамиката). От това твърдение следва, че Вселената не може да се върне в първоначалното си състояние, тъй като по време на такъв процес ентропията трябва да намалее. Този проблем обаче е решен в рамките на тази теория. Според теорията на Баум и Фрамптън, миг преди Голямото разкъсване, Вселената се разпада на много „петна“, всеки от които има доста малка стойност на ентропията. Изживявайки поредица от фазови преходи, тези „остатъци“от бившата Вселена пораждат материята и се развиват подобно на първоначалната Вселена. Тези нови светове не си взаимодействат помежду си, тъй като се разпръскват със скорост, по-голяма от скоростта на светлината. По този начин учените са избегнали космологичната сингулярност, с която започва раждането на Вселената според повечето космологични теории. Тоест в края на своя цикъл Вселената се разпада на много други невзаимодействащи си светове, които ще се превърнат в нови вселени.
*** Конформната циклична космология е цикличният модел на Роджър Пенроуз и Ваагн Гурзадян. Според този модел Вселената е в състояние да влезе в нов цикъл, без да нарушава втория закон на термодинамиката. Тази теория се основава на предположението, че черните дупки унищожават погълнатата информация, което по някакъв начин „законно“намалява ентропията на Вселената. Тогава всеки такъв цикъл на съществуване на Вселената започва с подобие на Големия взрив и завършва със сингулярност.
Други модели на произхода на Вселената
Сред другите хипотези, обясняващи появата на видимата Вселена, следните две са най-популярни:
*** Хаотична теория за инфлацията - теорията на Андрей Линде. Според тази теория има определено скаларно поле, което е нехомогенно в целия си обем. Тоест в различните региони на Вселената скаларното поле има различни значения. След това, в райони, където полето е слабо, нищо не се случва, докато областите със силни полета започват да се разширяват (инфлация) поради неговата енергия, като по този начин образуват нови вселени. Този сценарий предполага съществуването на много светове, които не са възникнали едновременно и имат свой собствен набор от елементарни частици и, следователно, природните закони.
*** Теорията на Лий Смолин - приема, че Големият взрив не е началото на съществуването на Вселената, а само фазов преход между двете й състояния. Тъй като преди Големия взрив Вселената е съществувала под формата на космологична сингулярност, близка по природа до сингулярността на черна дупка, Смолин предполага, че Вселената е могла да възникне от черна дупка.
Има и модели, при които вселените се появяват непрекъснато, разклоняват се от родителите си и намират своето място. Нещо повече, изобщо не е необходимо да се установяват едни и същи физически закони в такива светове. Всички тези светове са "вложени" в един пространствено-времеви континуум, но те са толкова раздалечени, че по никакъв начин не усещат присъствието на другия. Като цяло концепцията за инфлацията позволява - освен това принуждава! - да вярваме, че в гигантския мегакосмос има много изолирани вселени с различни договорености.
Въпреки факта, че цикличните и други модели отговарят на редица въпроси, отговори на които не могат да бъдат дадени от теорията за Големия взрив, включително проблема за космологичната сингулярност. И все пак, заедно с инфлационната теория, Големият взрив по-пълно обяснява произхода на Вселената и също така се сближава с много наблюдения.
Днес изследователите продължават интензивно да изучават възможни сценарии за произхода на Вселената, но да дадат неопровержим отговор на въпроса "Как се появи Вселената?" - е малко вероятно да успее в близко бъдеще. Причините за това са две: прякото доказване на космологични теории е практически невъзможно, само косвено; дори теоретично няма начин да получим точна информация за света преди Големия взрив. По тези две причини учените могат само да излагат хипотези и да изграждат космологични модели, които най-точно ще опишат природата на Вселената, която наблюдаваме.
