Vienas pagrindinių klausimų, kuris neišeina iš žmogaus sąmonės, visada buvo ir yra klausimas: "Kaip atsirado Visata?" Žinoma, į šį klausimą nėra vienareikšmiško atsakymo ir vargu ar jis bus gautas artimiausiu metu, tačiau mokslas dirba šia linkme ir formuoja tam tikrą teorinį mūsų Visatos atsiradimo modelį. Pirmiausia reikėtų atsižvelgti į pagrindines Visatos savybes, kurios turėtų būti aprašytos kosmologinio modelio rėmuose.
*** Modelis turėtų atsižvelgti į pastebėtus atstumus tarp objektų, taip pat į jų judėjimo greitį ir kryptį. Tokie skaičiavimai yra pagrįsti Hablo dėsniu: cz = H0D, kur z yra raudonas objekto poslinkis, D yra atstumas iki šio objekto ir c - šviesos greitis.
*** Modelio Visatos amžius turi viršyti seniausių pasaulyje objektų amžių.
*** Modelis turėtų atsižvelgti į pradinę elementų gausą.
*** Modelis turėtų atsižvelgti į pastebėtą didelio masto Visatos struktūrą.
*** Modelis turėtų atsižvelgti į pastebėtą foną.
Reklaminis vaizdo įrašas:
Trumpa Visatos istorija. Menininko matomas išskirtinumas (nuotrauka)
Trumpai apsvarstykite visuotinai priimtą Visatos atsiradimo ir ankstyvosios evoliucijos teoriją, kurią palaiko dauguma mokslininkų. Šiandien Didžiojo sprogimo teorija reiškia karštosios Visatos modelio ir Didžiojo sprogimo derinį. Nors šios sąvokos pirmiausia egzistavo nepriklausomai viena nuo kitos, dėl jų suvienijimo buvo galima paaiškinti pradinę Visatos cheminę sudėtį, taip pat relikvinės spinduliuotės buvimą.
Pagal šią teoriją Visata atsirado maždaug prieš 13,77 milijardus metų iš kokio nors tankio įkaitusio objekto - vienaskaitos būsenos, kurią sunku apibūdinti šiuolaikinės fizikos rėmuose. Be kita ko, kosmologinio singuliarumo problema yra ta, kad jį apibūdinant dauguma fizinių dydžių, pavyzdžiui, tankis ir temperatūra, linkę į begalybę. Tuo pačiu metu yra žinoma, kad esant begaliniam tankiui entropija (chaoso matas) turėtų būti nulis, o tai nesutampa su begaline temperatūra.
Visatos evoliucija
*** Pirmieji 10 -43 sekundžių po Didžiojo sprogimo vadinami kvantinio chaoso stadija. Visatos prigimtis šiame egzistavimo etape prieštarauja apibūdinimui mums žinomos fizikos rėmuose. Vyksta ištisinio vienintelio erdvėlaikio irimas į kvantus.
*** Planko momentas - kvantinio chaoso pabaigos akimirka, kuri 10-oje krinta per -43 sekundes. Šiuo metu Visatos parametrai buvo lygūs Planko reikšmėms, pavyzdžiui, Planko temperatūrai (apie 1032 K). Plancko epochos metu visos keturios pagrindinės sąveikos (silpnos, stiprios, elektromagnetinės ir gravitacinės) buvo sujungtos į vienos rūšies sąveiką. Plancko momento neįmanoma laikyti tam tikru ilgu periodu, nes šiuolaikinė fizika neveikia mažesniais parametrais nei Plancko.
*** Infliacijos stadija. Kitas Visatos istorijos etapas buvo infliacijos etapas. Pirmuoju infliacijos momentu gravitacinė sąveika atsiskyrė nuo vieningo supersimetrinio lauko (kuris anksčiau apėmė pagrindinės sąveikos laukus). Šiuo laikotarpiu materija turi neigiamą slėgį, dėl kurio eksponentiškai padidėja visatos kinetinė energija. Paprasčiau tariant, per šį laikotarpį Visata pradėjo labai greitai išsipūsti, o pabaigoje fizinių laukų energija virsta paprastų dalelių energija. Šio etapo pabaigoje žymiai pakyla medžiagos ir radiacijos temperatūra. Kartu su infliacijos etapo pabaiga išsiskiria stipri sąveika. Taip pat šią akimirką kyla Visatos barionų asimetrija.
[Visatos bariono asimetrija yra pastebėtas materijos dominavimo prieš antimateriją Visatoje reiškinys]
*** Radiacijos dominavimo stadija. Kitas Visatos vystymosi etapas, apimantis kelis etapus. Šiame etape Visatos temperatūra pradeda mažėti, susidaro kvarkai, tada hadronai ir leptonai. Nukleosintezės eroje susidaro pradiniai cheminiai elementai, sintetinamas helis. Tačiau radiacija vis dar dominuoja materijoje.
*** substancijos dominavimo era. Po 10 000 metų materijos energija palaipsniui viršija radiacijos energiją ir įvyksta jų atskyrimas. Medžiaga pradeda dominuoti radiacijoje, atsiranda relikvijos fonas. Taip pat materijos atskyrimas su radiacija žymiai padidino pradinius nehomogeniškumus materijos pasiskirstyme, dėl ko pradėjo formuotis galaktikos ir supergalaktikos. Visatos dėsniai atėjo į tokią formą, kokia mes juos laikomės šiandien.
Aukščiau pateiktas paveikslas susideda iš kelių pagrindinių teorijų ir pateikia bendrą idėją apie visatos formavimąsi ankstyvosiose jos egzistavimo stadijose.
Iš kur atsirado visata?
Jei visata kilo iš kosmologinio singuliarumo, tai iš kur atsirado singuliarumas? Kol kas neįmanoma tiksliai atsakyti į šį klausimą. Apsvarstykite keletą kosmologinių modelių, turinčių įtakos „visatos gimimui“.
Cikliniai modeliai. Sėlenų modeliavimas (nuotrauka)
Šie modeliai yra pagrįsti tvirtinimu, kad Visata visada egzistavo ir laikui bėgant keičiasi tik jos būsena, pereinant nuo plėtimosi prie susitraukimo - ir atvirkščiai.
*** Steinhardto-Turoko modelis. Šis modelis pagrįstas stygų teorija (M-teorija), nes jis naudoja tokį objektą kaip „braną“.
[Sėlenos (iš membranos) stygų teorijoje (M-teorija) yra hipotetinis pamatinis daugialypis fizinis matmens objektas, mažesnis už erdvės, kurioje jis yra, matmenį]
Pagal šį modelį matoma Visata yra trijų branų viduje, kuris periodiškai, kas kelis trilijonus metų, susiduria su kitu tribranu, kuris sukelia savotišką Didįjį sprogimą. Toliau mūsų tribranis pradeda tolti nuo kito ir plėstis. Tam tikru momentu tamsiosios energijos dalis turi pirmenybę, o tribranio plėtimosi greitis didėja. Didžiulis išsiplėtimas taip išsklaido materiją ir radiaciją, kad pasaulis tampa beveik vienalytis ir tuščias. Pabaigoje pasikartoja trijų branų susidūrimas, dėl kurio mūsiškis grįžta į pradinę ciklo fazę, vėl pagimdydamas mūsų „Visatą“.
*** Loriso Baumo ir Paulo Framptono teorija taip pat sako apie visatos cikliškumą. Pagal jų teoriją, pastarieji po Didžiojo sprogimo išsiplės dėl tamsios energijos, kol artės prie paties erdvė-laiko „iširimo“momento - Didžiojo plyšio. Kaip žinote, „uždaroje sistemoje entropija nemažėja“(antrasis termodinamikos dėsnis). Iš šio teiginio išplaukia, kad Visata negali grįžti į pradinę būseną, nes tokio proceso metu entropija turi sumažėti. Tačiau ši problema išspręsta šios teorijos rėmuose. Pagal Baumo ir Framptono teoriją, akimirksniu prieš Didžiąjį plyšį Visata suyra į daugelį „lopų“, kurių kiekvienas turi gana mažą entropijos vertę. Patyrę fazinių perėjimų seriją, šie buvusios Visatos „atraižos“sukelia materiją ir vystosi panašiai kaip pradinė Visata. Šie nauji pasauliai nebendrauja tarpusavyje, nes jie sklaidosi didesniu nei šviesos greitis. Taigi mokslininkai išvengė kosmologinio singuliarumo, kuriuo remiantis dauguma kosmologinių teorijų prasideda visatos gimimas. Tai yra, savo ciklo pabaigoje Visata suyra į daugelį kitų nesąveikaujančių pasaulių, kurie taps naujomis visatomis.
*** Konforminė ciklinė kosmologija yra Rogerio Penrose'o ir Vahagno Gurzadyano ciklinis modelis. Pagal šį modelį Visata sugeba įeiti į naują ciklą, nepažeisdama antrojo termodinamikos dėsnio. Ši teorija pagrįsta prielaida, kad juodosios skylės sunaikina sugertą informaciją, kuri kažkaip „teisėtai“sumažina Visatos entropiją. Tada kiekvienas toks Visatos egzistavimo ciklas prasideda Didžiojo sprogimo išvaizda ir baigiasi singuliarumu.
Kiti visatos atsiradimo modeliai
Be kitų hipotezių, paaiškinančių matomos Visatos išvaizdą, populiariausios šios dvi:
*** Chaotiška infliacijos teorija - Andrey Linde teorija. Pagal šią teoriją egzistuoja tam tikras skaliarinis laukas, kuris yra nevienalytis visame tūryje. Tai yra, skirtinguose visatos regionuose skaliarinis laukas turi skirtingas prasmes. Tada vietovėse, kuriose laukas silpnas, nieko nevyksta, tuo tarpu vietovės, kuriose yra stiprūs laukai, dėl savo energijos pradeda plėstis (infliacija), taip formuodamos naujas visatas. Šis scenarijus reiškia daugelio pasaulių egzistavimą, kurie atsirado ne vienu metu ir turi savo elementariųjų dalelių rinkinį, taigi ir gamtos dėsnius.
*** Lee Smolino teorija - daroma prielaida, kad Didysis sprogimas nėra Visatos egzistavimo pradžia, o tik fazinis perėjimas tarp dviejų jos būsenų. Kadangi iki Didžiojo sprogimo visata egzistavo kaip kosmologinis singuliarumas, savo pobūdžiu artimas juodosios skylės išskirtinumui, Smolinas teigia, kad visata galėjo atsirasti iš juodosios skylės.
Taip pat yra modelių, kuriuose visatos atsiranda nuolat, atsišakoja nuo tėvų ir randa savo vietą. Be to, visai nebūtina, kad tokiuose pasauliuose būtų nustatyti tie patys fiziniai dėsniai. Visi šie pasauliai yra „įdėti“į vieną erdvės-laiko tęstinumą, tačiau jie yra taip nutolę vienas nuo kito, kad niekaip nejaučia vienas kito buvimo. Apskritai infliacijos samprata leidžia - be to, verčia! - manyti, kad gigantiškoje megakozmoje yra daugybė izoliuotų visatų su skirtingais susitarimais.
Nepaisant to, kad cikliniai ir kiti modeliai atsako į daugybę klausimų, į kuriuos atsakymų negali pateikti Didžiojo sprogimo teorija, įskaitant ir kosmologinio singuliarumo problemą. Vis dėlto kartu su infliacijos teorija Didysis sprogimas išsamiau paaiškina visatos kilmę, taip pat sutampa su daugeliu pastebėjimų.
Šiandien mokslininkai toliau intensyviai tiria galimus Visatos atsiradimo scenarijus, tačiau norėdami suteikti nepaneigiamą atsakymą į klausimą "Kaip atsirado Visata?" - vargu ar pavyks artimiausiu metu. Tam yra dvi priežastys: tiesioginis kosmologinių teorijų įrodymas yra praktiškai neįmanomas, tik netiesioginis; net teoriškai nėra galimybės gauti tikslios informacijos apie pasaulį iki Didžiojo sprogimo. Dėl šių dviejų priežasčių mokslininkai gali pateikti tik hipotezes ir sukurti kosmologinius modelius, kurie tiksliausiai apibūdins mūsų stebimos visatos pobūdį.