Kaip atsirado mūsų visata? Kaip ji virto iš pažiūros begaline erdve? O kas ji bus po daugelio milijonų ir milijardų metų? Šie klausimai kankina (ir toliau kankina) filosofų ir mokslininkų protus, atrodo, nuo laiko pradžios, kartu sukeldami daugybę įdomių ir kartais net beprotiškų teorijų. Šiandien dauguma astronomų ir kosmologų pasiekė bendrą susitarimą, kad Visata, kaip mes žinome, atsirado kaip milžiniško sprogimo, sukėlusio ne tik didžiąją dalį medžiagos, rezultatas, bet buvęs pagrindinių fizinių dėsnių, pagal kuriuos egzistuoja mus supanti kosmosas, šaltinis. Visa tai vadinama didžiojo sprogimo teorija.
Didžiojo sprogimo teorijos pagrindai yra gana paprasti. Trumpai tariant, pasak jos, visa materija, kuri egzistavo ir egzistuoja dabar Visatoje, atsirado tuo pačiu metu - maždaug prieš 13,8 milijardo metų. Tuo metu visa materija egzistavo kaip labai kompaktiškas abstraktus rutulys (arba taškas), turintis begalinį tankį ir temperatūrą. Ši būsena buvo vadinama išskirtinumu. Staiga išskirtinumas ėmė plėstis ir pagimdė visatą tokią, kokią mes ją žinome.
- „Salik.biz“
Verta paminėti, kad Didžiojo sprogimo teorija yra tik viena iš daugelio siūlomų Visatos kilmės hipotezių (pavyzdžiui, yra ir nejudančios Visatos teorija), tačiau ji sulaukė plačiausio pripažinimo ir populiarumo. Tai ne tik paaiškina visų žinomų materijos šaltinį, fizikos dėsnius ir didelę Visatos struktūrą, bet ir aprašo Visatos išsiplėtimo priežastis bei daugelį kitų aspektų ir reiškinių.
Įvykių chronologija Didžiojo sprogimo teorijoje
Remdamiesi žiniomis apie dabartinę Visatos būklę, mokslininkai siūlo, kad viskas turėjo prasidėti nuo vieno taško su begaliniu tankiu ir baigtiniu laiku, kuris pradėjo plėstis. Teorija sako, kad po pradinio išsiplėtimo Visata išgyveno aušinimo fazę, leidžiančią atsirasti subatominėms dalelėms ir vėliau paprastiems atomams. Šių senovinių elementų milžiniški debesys vėliau, gravitacijos dėka, pradėjo formuoti žvaigždes ir galaktikas.
Visa tai, pasak mokslininkų, prasidėjo maždaug prieš 13,8 milijardo metų, todėl šis atskaitos taškas laikomas visatos amžiumi. Tyrinėdami įvairius teorinius principus, eksperimentus, kuriuose dalyvavo dalelių greitintuvai ir didelės energijos būsenos, taip pat atlikdami astronominius tolimiausių Visatos kampelių tyrimus, mokslininkai išvedė ir pasiūlė įvykių, kurie prasidėjo nuo Didžiojo sprogimo ir sukėlė Visatą galutinai į kosminės evoliucijos būseną, chronologiją. vyksta dabar.
Reklaminis vaizdo įrašas:
Mokslininkai mano, kad ankstyviausi Visatos gimimo laikotarpiai - trunkantys nuo 10–43 iki 10–11 sekundžių po Didžiojo sprogimo - vis dar yra diskusijų ir diskusijų objektas. Atsižvelgiant į tai, kad fizikos dėsniai, kuriuos dabar žinome, šiuo metu negalėjo egzistuoti, labai sunku suprasti, kaip buvo reguliuojami procesai šioje ankstyvojoje visatoje. Be to, dar nebuvo atlikti eksperimentai, naudojant tas galimas energijos rūšis, kurios tuo metu galėjo būti. Kad ir kaip būtų, daugelis teorijų apie visatos kilmę galiausiai sutinka, kad tam tikru metu buvo atspirties taškas, nuo kurio viskas prasidėjo.
Išskirtinumo era
Taip pat žinomas kaip Plancko era (arba Plancko era), manoma, kad tai yra anksčiausias žinomas laikotarpis visatos evoliucijoje. Tuo metu visa materija buvo viename begalinio tankio ir temperatūros taške. Šiuo laikotarpiu mokslininkai mano, kad gravitacinės sąveikos kvantinis poveikis dominavo fiziniame, ir nė vienos fizinės jėgos nebuvo lygios gravitacijai.
Tariamai Plancko era truko nuo 0 iki 10-43 sekundžių ir yra pavadinta todėl, kad jos trukmę galima matuoti tik pagal Plancko laiką. Dėl kraštutinių temperatūrų ir begalinio materijos tankio Visatos būklė šiuo laikotarpiu buvo nepaprastai nestabili. Po to vyko išsiplėtimo ir atvėsimo laikotarpiai, kurie paskatino pagrindinių fizikos jėgų atsiradimą.
Maždaug nuo 10–43 iki 10–36 sekundžių Visatoje vyko pereinamosios temperatūros būsenų susidūrimo procesas. Manoma, kad būtent šią akimirką pagrindinės jėgos, valdančios dabartinę visatą, pradėjo atsiskirti viena nuo kitos. Pirmasis žingsnis šiame skyriuje buvo gravitacinių jėgų, stiprios ir silpnos branduolinės sąveikos ir elektromagnetizmo atsiradimas.
Maždaug nuo 10-36 iki 10-32 sekundžių po Didžiojo sprogimo Visatos temperatūra tapo pakankamai žema (1028 K), todėl elektromagnetinės jėgos (stipri sąveika) ir silpna branduolinė sąveika (silpna sąveika) atsiskyrė.
Infliacijos era
Atsiradus pirmosioms pagrindinėms jėgoms Visatoje, prasidėjo infliacijos era, kuri truko nuo 10-32 sekundžių pagal Plancko laiką iki nežinomo laiko momento. Daugelyje kosmologinių modelių daroma prielaida, kad šiuo laikotarpiu Visata buvo vienodai užpildyta didelio tankio energija, o neįtikėtinai aukšta temperatūra ir slėgis lėmė greitą jos plėtimąsi ir aušinimą.
Jis prasidėjo per 10–37 sekundes, kai pereinamąją fazę, sukėlusią jėgų atskyrimą, lydėjo eksponentinis Visatos išsiplėtimas. Tuo pačiu laikotarpiu Visata buvo biogenezės būsenoje, kai temperatūra buvo tokia aukšta, kad netvarkingas dalelių judėjimas erdvėje įvyko beveik šviesos greičiu.
Šiuo metu susiformuoja dalelių poros - antidalelės ir iškart susiduriančios susiduria - tai, manoma, lėmė materijos dominavimą prieš antimedžiagą šiuolaikinėje Visatoje. Pasibaigus infliacijai, Visatą sudarė kvarko-gluono plazma ir kitos elementariosios dalelės. Nuo tos akimirkos Visata pradėjo atvėsti, materija pradėjo formuotis ir derėti.
Aušinimo era
Mažėjant tankiui ir temperatūrai Visatos viduje, kiekvienoje dalelėje pradėjo mažėti energija. Ši pereinamoji būsena truko tol, kol pagrindinės jėgos ir elementariosios dalelės įgavo dabartinę formą. Kadangi dalelių energija sumažėjo iki verčių, kurias šiandien galima pasiekti atliekant eksperimentus, tikrasis galimas šio laikotarpio buvimas sukelia daug mažiau ginčų tarp mokslininkų.
Pavyzdžiui, mokslininkai mano, kad praėjus 10–11 sekundžių po Didžiojo sprogimo, dalelių energija smarkiai sumažėjo. Maždaug po 10–6 sekundžių kvarkai ir gluonai pradėjo formuoti baronus - protonus ir neutronus. Kvarkai pradėjo dominuoti prieš antikvarus, o tai savo ruožtu lėmė baronų vyravimą prieš antikarionus.
Kadangi temperatūra nebebuvo tokia aukšta, kad būtų sukurtos naujos protonų-antiprotonų poros (arba neutronų ir antineutronų poros), sekė masinis šių dalelių sunaikinimas, dėl kurio likę tik 1/1010 pradinių protonų ir neutronų skaičiaus ir visiškai išnyko jų antidalelės. Panašus procesas vyko maždaug po 1 sekundės po Didžiojo sprogimo. Tik „aukos“šį kartą buvo elektronai ir pozitronai. Po masinio sunaikinimo likę protonai, neutronai ir elektronai sustabdė atsitiktinį judesį, o Visatos energijos tankis buvo užpildytas fotonais ir, mažesniu mastu, neutrinu.
Pirmosiomis Visatos išsiplėtimo minutėmis prasidėjo nukleosintezės (cheminių elementų sintezės) laikotarpis. Dėl temperatūros kritimo iki 1 milijardo kelvinų ir sumažėjus energijos tankiui iki maždaug verčių, prilygstančių oro tankiui, neutronai ir protonai pradėjo maišyti ir sudaryti pirmąjį stabilų vandenilio (deuterio) izotopą, taip pat helio atomus. Nepaisant to, dauguma protonų Visatoje liko kaip nenuoseklūs vandenilio atomų branduoliai.
Maždaug po 379 000 metų elektronai sujungė su šiais vandenilio branduoliais ir sudarė atomus (vėlgi, daugiausia vandenilį), o radiacija atsiskyrė nuo materijos ir toliau beveik netrukdomai plėtėsi erdvėje. Ši radiacija paprastai vadinama relikvine spinduliuote ir yra seniausias šviesos šaltinis Visatoje.
Besiplečiant, CMB pamažu prarado savo tankį ir energiją, o šiuo metu jo temperatūra yra 2,7260 ± 0,0013 K (-270,424 ° C), o energijos tankis yra 0,25 eV (arba 4,005 × 10–14 J / m³; 400–500 fotonų / cm³). Relikvinė spinduliuotė tęsiasi visomis kryptimis ir maždaug per 13,8 milijardo šviesos metų atstumu, tačiau faktinis jos sklidimas rodo maždaug 46 milijardus šviesmečių nuo Visatos centro.
Struktūros amžius (hierarchinis amžius)
Per ateinančius kelis milijardus metų tankesni materijos regionai, beveik tolygiai pasiskirstę Visatoje, ėmė traukti vienas kitą. Dėl to jie dar tankesni, pradėjo formuotis dujų, žvaigždžių, galaktikų ir kitų astronominių struktūrų debesys, kuriuos galime stebėti šiuo metu. Šis laikotarpis vadinamas hierarchine era. Tuo metu Visata, kurią dabar matome, pradėjo įgyti savo formą. Medžiaga pradėjo derėti į įvairaus dydžio struktūras - žvaigždes, planetas, galaktikas, galaktikų sankaupas, taip pat galaktikos superklasterius, atskirtus tarpgalaktinėmis užtvaromis, turinčiomis tik keletą galaktikų.
Šio proceso detales galima apibūdinti atsižvelgiant į Visatoje pasiskirstančios medžiagos kiekį ir tipą, kuris yra atvaizduojamas šaltos, šiltos, karštos tamsiosios medžiagos ir baryoninės medžiagos pavidalu. Tačiau dabartinis standartinis Didžiojo sprogimo kosmologinis modelis yra „Lambda-CDM“modelis, pagal kurį tamsiosios medžiagos dalelės juda lėčiau nei šviesos greitis. Jis buvo pasirinktas todėl, kad išsprendžia visus prieštaravimus, kurie atsirado kituose kosmologiniuose modeliuose.
Pagal šį modelį šaltos tamsiosios medžiagos sudaro apie 23 procentus visos visatos materijos / energijos. Baryoninės medžiagos dalis yra apie 4,6 procento. „Lambda CDM“nurodo vadinamąją kosmologinę konstantą: Alberto Einšteino pasiūlyta teorija, apibūdinanti vakuumo savybes ir parodanti masės ir energijos balansą kaip pastovų, statinį dydį. Šiuo atveju jis yra susijęs su tamsiąja energija, kuri tarnauja kaip visatos plėtimosi greitintuvas ir palaiko milžiniškas kosmologines struktūras iš esmės vienalytėmis.
Ilgalaikės Visatos ateities prognozės
Hipotezės, kad Visatos evoliucija turi atspirties tašką, natūraliai veda mokslininkus į klausimus apie galimą šio proceso pabaigą. Jei Visata savo istoriją pradėjo nuo mažo taško su begaliniu tankiu, kuris staiga pradėjo plėstis, ar tai reiškia, kad jis taip pat plėsis be galo? Arba vieną dieną jam pritrūks ekspansinės jėgos ir prasidės atvirkštinis suspaudimo procesas, kurio galutinis rezultatas bus tas pats be galo tankus taškas?
Atsakymai į šiuos klausimus buvo pagrindinis kosmologų tikslas nuo pat diskusijų apie tai, kuris kosmologinis Visatos modelis yra teisingas. Priimdami Didžiojo sprogimo teoriją, tačiau iš esmės dėl to, kad 1990 m. Buvo stebima tamsi energija, mokslininkai susitarė dėl dviejų labiausiai tikėtinų Visatos raidos scenarijų.
Pagal pirmąją, vadinamą „dideliu suspaudimu“, Visata pasieks savo maksimalų dydį ir pradės žlugti. Šis scenarijus bus įmanomas, jei tik Visatos masės tankis taps didesnis už patį kritinį tankį. Kitaip tariant, jei materijos tankis pasieks tam tikrą vertę arba taps didesnis už šią vertę (1–3 × 10–26 kg medžiagos viename m³), Visata pradės trauktis.
Alternatyva yra kitas scenarijus, kuriame teigiama, kad jei tankis Visatoje yra lygus kritiniam tankiui ar mažesnis, tada jo plėtimasis sulėtės, bet niekada visiškai nesustos. Ši hipotezė, pavadinta „Visatos mirtimi“, toliau plėtosis, kol žvaigždžių formavimasis nebebus sunaudojęs tarpžvaigždinių dujų kiekvienoje iš aplinkinių galaktikų. T. y., Energijos ir materijos perkėlimas iš vieno objekto į kitą visiškai sustos. Visos esamos žvaigždės tokiu atveju sudegs ir virsta baltosiomis nykštukėmis, neutroninėmis žvaigždėmis ir juodosiomis skylėmis.
Palaipsniui juodosios skylės susidurs su kitomis juodosiomis skylėmis, dėl kurių susidarys vis didesnės ir didesnės. Vidutinė Visatos temperatūra priartės prie absoliučios nulio. Juodosios skylės ilgainiui „išgarins“, išleisdamos paskutinę Hawkingo radiaciją. Galų gale termodinaminė entropija Visatoje taps maksimalia. Ateis karšta mirtis.
Šiuolaikiniai stebėjimai, kuriuose atsižvelgiama į tamsiosios energijos buvimą ir jos poveikį erdvės plėtimuisi, paskatino mokslininkus padaryti išvadą, kad laikui bėgant vis daugiau visatos erdvės peržengs mūsų įvykių horizontą ir taps mums nematomos. Galutinis ir logiškas to rezultatas mokslininkams dar nežinomas, tačiau „karšta mirtis“gali būti tokių įvykių pabaiga.
Yra ir kitų hipotezių, susijusių su tamsiosios energijos, tiksliau tariant, jos galimų rūšių pasiskirstymu (pavyzdžiui, fantominė energija). Anot jų, galaktikos klasteriai, žvaigždės, planetos, atomai, atomų branduoliai ir pati materija bus suplėšyti dėl begalinio jos plėtimosi. Šis evoliucijos scenarijus vadinamas „didele spraga“. Pagal šį scenarijų pati išsiplėtimas yra Visatos mirties priežastis.
Didžiojo sprogimo teorijos istorija
Ankstyviausias Didžiojo sprogimo paminėjimas datuojamas XX amžiaus pradžia ir yra susijęs su kosmoso stebėjimais. 1912 m. Amerikiečių astronomas Vesto Slipheris atliko spiralinių galaktikų (kurios iš pradžių atrodė kaip ūkas) stebėjimų seriją ir išmatavo jų Doplerio raudoną poslinkį. Beveik visais atvejais stebėjimai parodė, kad spiralinės galaktikos tolsta nuo mūsų Paukščių Tako.
Išskirtinis rusų matematikas ir kosmologas Aleksandras Fridmanas 1922 m. Iš Einšteino lygčių išvedė vadinamąsias Friedmano lygtis, skirtas bendrajai reliatyvumo teorijai. Nepaisant Einšteino teorijos pažangumo kosmologinės konstantos naudai, Friedmanno darbai parodė, kad visata gana plečiasi.
1924 m. Edvino Hablo atlikti atstumo iki artimiausio spiralinio ūko matavimai parodė, kad šios sistemos iš tikrųjų yra kitos galaktikos. Tuo pačiu metu Hablas pradėjo kurti atstumų atimties metrikos serijas, naudodamas 2,5 metro ilgio „Hooker“teleskopą Mount Wilson observatorijoje. Iki 1929 m. Hablas atrado ryšį tarp atstumo ir galaktikų mažėjančio greičio, kuris vėliau tapo Hablo įstatymu.
1927 m. Belgų matematikas, fizikas ir katalikų kunigas Georges Lemaitre savarankiškai pasiekė tuos pačius rezultatus, kuriuos parodo Friedmanno lygtys, ir pirmasis suformulavo atstumo ir galaktikų greičio santykį, pasiūlęs pirmąjį šio santykio koeficiento įvertinimą. Lemaiteris manė, kad kažkur praeityje visa Visatos masė buvo sukoncentruota viename taške (atome).
Šie atradimai ir prielaidos sukėlė daug ginčų tarp 20–30-ųjų fizikų, kurių dauguma tikėjo, jog Visata yra nejudančioje būsenoje. Pagal tuo metu sukurtą modelį, kartu su begaliniu Visatos plėtimusi, sukuriama nauja materija, tolygiai ir vienodo tankio pasiskirsčiusi per visą ilgį. Tarp jį palaikančių mokslininkų Didžiojo sprogimo idėja atrodė labiau teologinė nei mokslinė. Lemaitre buvo kritikuojamas dėl šališkumo, pagrįsto religiniu šališkumu.
Pažymėtina, kad tuo pat metu egzistavo ir kitos teorijos. Pavyzdžiui, Milne'o Visatos modelis ir ciklinis modelis. Abu rėmėsi Einšteino bendrosios reliatyvumo teorijos postulatais ir vėliau sulaukė palaikymo iš paties mokslininko. Pagal šiuos modelius Visata egzistuoja begaliniame sraute, kuriame kartojasi išsiplėtimo ir žlugimo ciklai.
Po Antrojo pasaulinio karo kilo stambi visatos modelio šalininkai (kuriuos iš tikrųjų apibūdino astronomas ir fizikas Fredis Hoyle'as) ir Didžiojo sprogimo teorijos šalininkai, kurie sparčiai populiarėjo mokslo bendruomenėje. Ironiška, bet būtent Hoyle'as sugalvojo frazę „didelis sprogimas“, kuri vėliau tapo naujos teorijos pavadinimu. Tai įvyko 1949 m. Kovo mėn. Britų radijuje BBC.
Galiausiai tolesni moksliniai tyrimai ir stebėjimai vis labiau pasisakė už Didžiojo sprogimo teoriją ir vis labiau kvestionavo nejudančios visatos modelį. 1965 m. Atradęs ir patvirtinęs CMB galutinai patvirtino Didįjį sprogimą kaip geriausią Visatos kilmės ir evoliucijos teoriją. Nuo septintojo dešimtmečio pabaigos iki 1990-ųjų astronomai ir kosmologai dar labiau tyrinėjo Didįjį sprogimą ir rado daugelio teorinių problemų, kurios trukdo šiai teorijai, sprendimus.
Šie sprendimai apima, pavyzdžiui, Stepheno Hawkingo ir kitų fizikų, įrodžiusių, kad išskirtinumas buvo neginčijama pradinė bendrojo reliatyvumo būsena ir Didžiojo sprogimo kosmologinis modelis, pavyzdį. 1981 m. Fizikas Alanas Gutas sukūrė teoriją, apibūdinančią greito kosminio plėtimosi periodą (infliacijos epocha), kuri išsprendė daugelį anksčiau neišspręstų teorinių klausimų ir problemų.
Dešimtajame dešimtmetyje išaugo susidomėjimas tamsiąja energija, kuri buvo laikoma raktu norint išspręsti daugelį neišspręstų kosmologijos klausimų. Be noro rasti atsakymą į klausimą, kodėl visata praranda savo masę kartu su tamsiąja motina (hipotezę dar 1932 m. Pasiūlė Janas Oortas), taip pat reikėjo rasti paaiškinimą, kodėl visata vis dar įsibėgėja.
Tolesnę tyrimų pažangą lemia pažangių teleskopų, palydovų ir kompiuterinių modelių sukūrimas, kurie leido astronomams ir kosmologams pažvelgti į visatą toliau ir geriau suprasti tikrąjį jos amžių. Kosminių teleskopų tobulinimas ir tokių, kaip, pavyzdžiui, kosminio fono tyrinėtojo (arba COBE), Hablo kosminio teleskopo, Wilkinsono mikrobangų anizotropijos zondo (WMAP) ir Plancko kosmoso observatorijos atsiradimas taip pat padarė neįkainojamą indėlį tiriant šią problemą.
Šiandien kosmologai gana dideliu tikslumu gali išmatuoti įvairius Didžiojo sprogimo teorijos modelio parametrus ir charakteristikas, jau nekalbant apie tikslesnius aplink mus esančios erdvės amžiaus skaičiavimus. Bet viskas prasidėjo nuo įprasto masinių kosminių objektų stebėjimo, esančio per daug šviesmečių nuo mūsų ir lėtai toliau tolsta nuo mūsų. Ir net jei mes net neįsivaizduojame, kaip viskas baigsis, kosmologiniai standartai tai užtruks per ilgai.