Nasz Wszechświat powstał 13,7 miliardów lat temu w wyniku Wielkiego Wybuchu i od kilku pokoleń naukowcy próbują zrozumieć to zjawisko.
Pod koniec lat 20. XX wieku Edwin Hubble odkrył, że wszystkie galaktyki, które widzimy, rozpraszają się - jak fragmenty granatu po eksplozji, jednocześnie belgijski astronom i teolog Georges Lemaitre wysunął swoją hipotezę (w 1931 r. Opublikowano ją na łamach „Nature”)). Uważa, że historia wszechświata rozpoczęła się wraz z eksplozją „pierwotnego atomu”, co dało początek czasowi, przestrzeni i materii (wcześniej, na początku lat dwudziestych, radziecki naukowiec Alexander Fridman, analizując równania Einsteina, również doszedł do wniosku, że „Wszechświat został stworzony z punktu” i zajęło to „dziesiątki miliardów naszych zwykłych lat”).
Początkowo astronomowie stanowczo odrzucali rozumowanie belgijskiego teologa. Ponieważ teoria Wielkiego Wybuchu była doskonale połączona z chrześcijańską wiarą w Boga Stwórcę. Przez dwa stulecia naukowcy powstrzymywali przenikanie do nauki wszelkiego rodzaju spekulacji religijnych na temat „początku wszystkich początków”. A teraz Bóg, wygnany z natury pod miarowym kołysaniem kół mechaniki Newtona, nieoczekiwanie powraca. Przychodzi w płomieniach Wielkiego Wybuchu i trudno wyobrazić sobie bardziej triumfalny obraz jego wyglądu.
Problem dotyczył jednak nie tylko teologii - Wielki Wybuch nie przestrzegał praw nauk ścisłych. Najważniejszy moment w historii Wszechświata był nie do pojęcia. W tym osobliwym (specjalnym) punkcie, położonym na osi czasoprzestrzeni, przestała działać ogólna teoria względności, ponieważ ciśnienie, temperatura, gęstość energii i krzywizna przestrzeni pospieszyły do nieskończoności, to znaczy straciły wszelkie fizyczne znaczenie. W tym momencie wszystkie te sekundy, metry i jednostki astronomiczne zniknęły, zamieniły się nie w zero, nie w wartości ujemne, ale w ich całkowity brak, w absolutną bezsensowność. Ten punkt jest luką, której nie można pokonać na szczudłach logiki lub matematyki, dziurą w czasie i przestrzeni.
Dopiero pod koniec lat 60. Roger Penrose i Stephen Hawking wykazali w przekonujący sposób, że w ramach teorii Einsteina osobliwość Wielkiego Wybuchu jest nieunikniona. Nie mogło to jednak ułatwić pracy teoretyków. Jak opisać Wielki Wybuch? Jaka była na przykład przyczyna tego wydarzenia? W końcu, jeśli przed nim w ogóle nie było czasu, to wydawało się, że nie ma powodu, który go urodził.
Jak teraz rozumiemy, aby stworzyć kompletną teorię Wielkiego Wybuchu, konieczne jest połączenie doktryny Einsteina, która opisuje przestrzeń i czas, z teorią kwantową, która zajmuje się cząstkami elementarnymi i ich interakcjami. Prawdopodobnie może minąć ponad dekada, zanim będzie można to zrobić i wyprowadzić jedną „formułę wszechświata”.
A gdzie, na przykład, mogłaby pojawić się ogromna ilość energii, która dała początek tej eksplozji niesamowitej mocy? Być może został odziedziczony przez nasz Wszechświat po swoim poprzedniku, który zapadł się w osobliwy punkt? Jednak skąd ona to wzięła? A może energia została wlana do pierwotnej próżni, z której nasz Wszechświat wyśliznął się jak „bańka piany”? A może wszechświaty starszej generacji przekazują energię do wszechświatów młodszego pokolenia poprzez czarne dziury - te pojedyncze punkty - w głębi których być może rodzą się nowe światy, których nigdy nie zobaczymy? Tak czy inaczej, Wszechświat w takich modelach jawi się jako „system otwarty”, który nie w pełni odpowiada „klasycznemu” obrazowi Wielkiego Wybuchu: „Nie było nic i nagle wszechświat się narodził”.
Wszechświat w momencie powstania był w niezwykle gęstym i gorącym stanie.
Film promocyjny:
A może zdaniem niektórych badaczy nasz Wszechświat jest generalnie … pozbawiony energii, a raczej jego całkowita energia wynosi zero? Dodatnia energia promieniowania emitowanego przez materię nakłada się na ujemną energię grawitacji. Plus i minus dają zero. To notoryczne „0” wydaje się być kluczem do zrozumienia natury Wielkiego Wybuchu. Od niego - od „zera”, z „niczego” - wszystko narodziło się natychmiast. Przez przypadek. Spontanicznie. Właśnie. Znikome odchylenie od 0 spowodowało powszechną lawinę wydarzeń. Można też dokonać takiego porównania: kamienna kula, balansująca na szczycie jakiejś cienkiej jak iglica Chomolungmy, nagle zakołysała się i stoczyła w dół, tworząc „lawinę wydarzeń”.
1973 - fizyk Edward Trion z Ameryki próbował opisać proces narodzin naszego wszechświata, używając zasady nieoznaczoności Heisenberga, jednej z podstaw teorii kwantowej. Zgodnie z tą zasadą im dokładniej np. Mierzymy energię, tym bardziej niepewny staje się czas. Tak więc, jeśli energia jest równa zeru, czas może być dowolnie długi. Tak duża, że prędzej czy później nastąpi fluktuacja w próżni kwantowej, z której ma się narodzić Wszechświat. Doprowadzi to do szybkiego wzrostu przestrzeni, pozornie z niczego. „Po prostu czasami rodzą się Wszechświaty, to wszystko” - tak prosto Trion wyjaśnił tło Wielkiego Wybuchu. To była wielka Losowa Eksplozja. To wszystko.
Czy Wielki Wybuch może się powtórzyć?
O dziwo, tak. Żyjemy we wszechświecie, który wciąż może przynosić owoce i rodzić nowe światy. Powstało kilka modeli, które opisują „Wielkie Wybuchy” przyszłości.
Dlaczego, na przykład, w tej samej próżni, z której zrodził się nasz Wszechświat, nie pojawiają się nowe fluktuacje? Być może w ciągu tych 13,7 miliardów lat obok naszego wszechświata pojawił się niezliczony zestaw światów, które w żaden sposób się nie stykały. Mają różne prawa natury, są różne stałe fizyczne. W większości tych światów życie nigdy nie mogło powstać. Wielu z nich umiera natychmiast, upada. Ale w niektórych wszechświatach - przez czysty przypadek! - istnieją warunki, w których życie może się zapoczątkować.
Ale nie chodzi tylko o próżnię, która pozostaje przed początkiem „wszystkich czasów i narodów”. Wahania obfitujące w przyszłe światy mogą również powstać w próżni, która jest rozproszona w naszym Wszechświecie - a dokładniej w ciemnej energii, która go wypełnia. Taki model „odnawiającego się Wszechświata” został opracowany przez pochodzącego ze Związku Radzieckiego amerykańskiego kosmologa Aleksandra Vilenkina. Te nowe „wielkie wybuchy” nam nie grożą. Nie zniszczą struktury Wszechświata, nie spalą go na popiół, a jedynie stworzą nową przestrzeń poza granicami naszej obserwacji i zrozumienia. Być może takie „eksplozje”, oznaczające narodziny nowych światów, zdarzają się w głębinach licznych czarnych dziur, uważa amerykański astrofizyk Lee Smolin.
Inny pochodzący z ZSRR, mieszkający na Zachodzie kosmolog Andrei Linde uważa, że my sami jesteśmy w stanie stworzyć nowy Wielki Wybuch, po zebraniu w kosmosie ogromnej ilości energii przekraczającej pewien krytyczny limit. Według jego obliczeń inżynierowie kosmosu przyszłości mogliby wziąć niewidzialną szczyptę materii - zaledwie kilkaset setnych miligrama - i skondensować ją do tego stopnia, że energia tego skrzepu będzie wynosić 1015 gigalektronowoltów. Utworzy się mała czarna dziura, która zacznie się rozszerzać wykładniczo. Stworzy to „wszechświat potomny” z własną czasoprzestrzenią, szybko oddzielający się od naszego wszechświata.
… W naturze Wielkiego Wybuchu jest wiele fantastycznych rzeczy. Ale o słuszności tej teorii świadczy szereg zjawisk naturalnych. Należą do nich obserwowana ekspansja Wszechświata, obraz rozmieszczenia pierwiastków chemicznych, a także kosmiczne promieniowanie tła, zwane „reliktem Wielkiego Wybuchu”.
Przed Wielkim Wybuchem?
Świat nie istnieje wiecznie. Powstał w płomieniach Wielkiego Wybuchu. Czy jednak było to wyjątkowe zjawisko w historii kosmosu? A może powtarzające się wydarzenie, takie jak narodziny gwiazd i planet? A co, jeśli Wielki Wybuch jest tylko fazą przejścia z jednego stanu Wieczności do innego?
Wielu fizyków twierdzi, że początkowo było Coś, a nie Nic. Być może nasz wszechświat - podobnie jak inne - narodził się z elementarnej próżni kwantowej. Ale bez względu na to, jak „minimalnie prosty” jest taki stan - a prawa fizyki nie pozwalają na istnienie mniej niż próżni kwantowej - nie można go nazwać „niczym”.
Być może Wszechświat, który widzimy, jest tylko kolejnym zbiorczym stanem Wieczności? A dziwaczny układ galaktyk i gromad galaktyk - coś w rodzaju sieci krystalicznej, która w n-wymiarowym świecie, który istniał przed narodzinami naszego Wszechświata, miała zupełnie inną strukturę i którą prawdopodobnie przewidywał „wzór na wszystko”, którego szukał Einstein? Czy zostanie znaleziony w nadchodzących dziesięcioleciach? Naukowcy zaglądają uważnie przez ścianę Nieznanego, która odgrodziła nasz wszechświat, próbując zrozumieć, co wydarzyło się chwilę wcześniej, zgodnie z naszymi zwykłymi wyobrażeniami, nie było absolutnie nic. Jakie formy Wiecznego kosmosu można sobie wyobrazić, wyposażając czas i przestrzeń w te cechy, które są niepojęte w naszym wszechświecie?
Niektóre z najbardziej obiecujących teorii, w które fizycy próbują wcisnąć całą Wieczność, to być może teoria geometrii kwantowej, kwantowej dynamiki spinu lub kwantowej grawitacji. Największy wkład w ich rozwój wnieśli Abei Ashtekar, Ted Jacobson, Jerzy Lewandowski, Carlo Rovelli, Lee Smolin i Thomas Thiemann. To wszystko najbardziej złożone konstrukcje fizyczne, całe pałace, wzniesione z formuł i hipotez, tylko po to, by ukryć lukę ukrytą w ich głębi i ciemności, osobliwości czasu i przestrzeni.
Era osobliwości
Okrężne ścieżki nowych teorii zmuszają nas do przekraczania pozornie oczywistych prawd. Tak więc w geometrii kwantowej przestrzeń i czas, wcześniej nieskończenie pofragmentowane, nagle rozpadają się na oddzielne wyspy - części, kwanty, mniej niż których nie ma. Wszystkie osobliwe punkty mogą być osadzone w tych „głazach”. Sama czasoprzestrzeń zamienia się w przeplatanie jednowymiarowych struktur - „sieć spinów”, czyli staje się strukturą dyskretną, rodzajem łańcucha utkanego z oddzielnych ogniw.
Objętość najmniejszej możliwej pętli przestrzeni wynosi tylko 10-99 centymetrów sześciennych. Wartość ta jest tak mała, że w jednym centymetrze sześciennym jest znacznie więcej kwantów przestrzeni niż tych samych centymetrów sześciennych we Wszechświecie, który obserwujemy (jego objętość wynosi 1085 centymetrów w sześcianie). W kwantach przestrzeni nie ma nic, nie ma energii, nieważne - tak jak w punkcie matematycznym - z definicji - nie ma trójkąta ani dwudziestościanu. Ale jeśli zastosujemy hipotezę „submikroskopowej tkanki wszechświata” do opisu Wielkiego Wybuchu, otrzymamy niesamowite rezultaty, jak wykazali Abei Ashtekar i Martin Bojovald z University of Pennsylvania.
Jeśli zastąpimy równania różniczkowe ze standardowej teorii kosmologii, które zakładają ciągły przepływ przestrzeni, innymi równaniami różniczkowymi wynikającymi z teorii geometrii kwantowej, to tajemnicza osobliwość znika. Fizyka nie kończy się tam, gdzie zaczyna się Wielki Wybuch - to pierwszy zachęcający wniosek kosmologów, którzy odmówili przyjęcia właściwości wszechświata, który uważamy za ostateczną prawdę.
W teorii grawitacji kwantowej przyjmuje się, że nasz Wszechświat (podobnie jak wszystkie inne) narodził się w wyniku przypadkowej fluktuacji próżni kwantowej - globalnego makroskopowego środowiska, w którym nie było czasu. Za każdym razem, gdy w próżni kwantowej pojawia się fluktuacja określonej wielkości, rodzi się nowy Wszechświat. „Odgałęzia się” od jednorodnego środowiska, w którym powstał i zaczyna własne życie. Teraz ma swoją własną historię, własną przestrzeń, swój własny czas, własną strzałę czasu.
We współczesnej fizyce powstało wiele teorii pokazujących, jak z wiecznie istniejącego środowiska, w którym nie ma czasu makro, ale w niektórych punktach, w których płynie jego mikroczas, może powstać tak ogromny świat jak nasz.
Na przykład fizycy Gabriele Veneziano i Maurizio Gasperini z Włoch w ramach teorii strun sugerują, że pierwotnie istniała tak zwana „próżnia strun”. Losowe fluktuacje kwantowe w nim doprowadziły do tego, że gęstość energii osiągnęła wartość krytyczną, a to spowodowało lokalne załamanie. Co zakończyło się narodzinami naszego Wszechświata z próżni.
W ramach teorii geometrii kwantowej Abei Ashtekar i Martin Bojovald wykazali, że przestrzeń i czas mogą powstać z bardziej prymitywnych struktur podstawowych, a mianowicie „sieci spinowych”.
Eckhard Rebhan z Uniwersytetu w Düsseldorfie oraz - niezależnie od niego - George Ellis i Roy Maartens z University of Cape Town rozwijają ideę „statycznego wszechświata”, nad którą zastanawiali się już Albert Einstein i brytyjski astronom Arthur Eddington. W swoim dążeniu do pozbycia się efektów grawitacji kwantowej Rebhan i jego koledzy wymyślili sferyczną przestrzeń, która znajduje się w środku wiecznej pustki (lub, jeśli wolisz, pustej wieczności), w której nie ma czasu. Z powodu pewnej niestabilności rozwija się tu proces inflacyjny, który prowadzi do gorącego Wielkiego Wybuchu.
Oczywiście wymienione modele mają charakter spekulatywny, ale zasadniczo odpowiadają współczesnemu poziomowi rozwoju fizyki i wynikom obserwacji astronomicznych z ostatnich kilkudziesięciu lat. W każdym razie jedno jest jasne. Wielki Wybuch był raczej zwykłym, naturalnym wydarzeniem, a nie jedynym w swoim rodzaju.
Czy tego rodzaju teoria pomoże nam zrozumieć, co mogło się wydarzyć przed Wielkim Wybuchem? Jeśli wszechświat się narodził, co go zrodziło? Gdzie we współczesnych teoriach kosmologii pojawia się „odcisk genetyczny” rodzica? 2005 - Abei Ashtekar na przykład podał do publicznej wiadomości wyniki swoich nowych obliczeń (pomagali w nich Tomasz Pavlovsky i Paramprit Singh). Z nich było jasne, że jeśli początkowe przesłanki są poprawne, to ta sama czasoprzestrzeń istniała przed Wielkim Wybuchem, co po tym wydarzeniu. Fizyka naszego wszechświata, jakby w lustrze, znalazła odzwierciedlenie w fizyce innego świata. W tych obliczeniach Wielki Wybuch, niczym lustrzany ekran, przeciął Wieczność, stawiając obok niekompatybilności - naturę i jej odbicie. A co to jest autentyczność, czym jest duch?
Jedyne, co można zobaczyć „z drugiej strony lustra”, to to, że Wszechświat w tym czasie nie rozszerzał się, ale kurczył. Wielki Wybuch stał się punktem jego upadku. W tym momencie przestrzeń i czas zostały na chwilę przerwane, aby odbijać się ponownie - kontynuować - wznieść się jak feniks w świecie, który znamy, w tym wszechświecie, który odmierzamy naszymi formułami, kodami i liczbami. Wszechświat dosłownie wywrócił się na lewą stronę, jak rękawiczka lub koszula i od tego czasu stale się rozszerza. Wielki Wybuch nie był, według Ashtekara, „stworzeniem całego Wszechświata z niczego”, a jedynie przejściem z jednej dynamicznej formy Wieczności do innej. Być może Wszechświat przechodzi przez niekończącą się serię „wielkiego wybuchu”, a te dziesiątki miliardów (lub cokolwiek) lat oddzielających jego oddzielne fazy to tylko okresy „kosmicznej sinusoidy”według praw, według których żyje wszechświat?
Zalecane do oglądania: „Kto stworzył wszechświat? Wielki Wybuch - ważne naukowe wyjaśnienie: wszystkie argumenty”
A. Volkov