Теорія Великого вибуху та початок нашого Всесвіту

Всім привіт. Сьогодні в мене перший день відпочинку після довгого та тяжкого року (шкільного), і я вирішила розбавити свою “діяльність” та написати статтю. Сьогодні вона буде на тему “Теорія Великого вибуху та початок нашого Всесвіту”. Якщо такий формат сподобається, то в наступні рази теми будуть ще цікавішими.

Теорія Великого вибуху.

Ви, мабуть, не раз чули, що теорія Великого вибуху – основна і єдина правильна, що пояснює початок нашого Всесвіту. Але це не так, в неї теж є свої мінуси та недоліки.

Сама теорія звучить так: «Всесвіт розпочався з точки нескінченної щільності і температури, природу якої тяжко зрозуміти нашому розуму». Ця точка була маленькою та містила в собі енергію та атоми всього, що буде коли-небудь існувати в космосі, але в іншій формі. Також вона повинна була містити в собі увесь простір та час. Цей момент вчені називають «сингулярністю». Зрозуміти нам це буде складно, бо ми намагаємося помістити цю точку в якесь місце в просторі. Але простір зародився з цієї точки.

Ось тому ми не можемо говорити про те, де була ця точка сингулярності в просторі. Також ми не можемо говорити про те, що було до вибуху, бо тоді часу ще не було. Все зародилося після Великого вибуху.

А тепер до тих моментів, що не пояснює ця теорія.

-> Та сама сингулярність. Така точка з великою кількістю енергії у нескінченому часі вказує на те, що ЗТВ (загальна теорія відносності) Айнштайна на якій, власне, базується ідея сингулярності, не є найкращим описом законів фізики саме в цей час.

-> Чому Всесвіт був рівним та однорідним, чому різні його частини почали одночасно рухатися. Ось це, на відміну від теорії Великого вибуху, пояснює «теорія інфляції». Її вчені запропонували в 80-х роках 20-го століття. В цій теорії йдеться про те, що в період інфляції (про нього – далі) Всесвіт майже не містив матерію, яку ми знаємо. Натомість, в ньому домінувала форма енергії, яку назвали «інфлатоним полем» (інфлятон – гіпотетична частинка-носій інфлятоного поля). Попри це пояснення, теорія інфляції теж є предметом для дискусії та має багато недорахунків.

Періоди та епохи.

І. «Епоха Планка». Вона названа в честь найменшої шкали вимірювань та була в період від 0-10⁻⁴³ секунд з початку Великого вибуху. Тоді Всесвіт був найгарячішим та найщільнішим в своїй історії.

На цьому етапі зародження Всесвіту чотири фундаментальні сили, а саме: електромагнітна сила, сильна та слабка ядерні сили та гравітаційна сила були об’єднанні в одну.

ІІ. «Велика епоха об’єднання». Була вона в період між 10⁻⁴³—10⁻³⁷ секунд після Великого вибуху. Тут температура Всесвіту почала падати, а основні сили почали відокремлюватися одна від одної. В цей момент квантові ефекти стають слабкішими та починають вступати в силу закони ЗТВ. Приблизно через 10⁻³⁷ секунд після розширення відбулося те, що сьогодні вчені називають «космічною інфляцією». Всесвіт почав розширюватися з надзвичайною швидкістю, яка фактично була швидшою за швидкість світла. Цей період був дуже короткий, але драматичний, під час якого Всесвіт збільшився у 1078 разів, і це лише за крихітні долі секунди.

В цей період Всесвіт все ще був заповнений випромінюванням, однак вже почали утворюватися елементарні частинки: кварки, електрони, нейтрино (стабільні нейтральні лептони з напівцілим спіном, що беруть участь лиш у слабкій і гравітаційній взаємодіях — надзвичайно мляво взаємодіють з речовиною).

Коли космічна інфляція дійшла до раптового і досі загадкового кінця, настав період більш класичного опису Великого вибуху. Справа в тому, що під час стрімкого розширення температура Всесвіту впала приблизно в 100 000 разів, однак, коли інфляція закінчилася, температура повернулася до попередньої, до інфляційної позначки.

Можливо, саме тоді Всесвіт став гарячою кулею, як описано в теорії Великого вибуху.

Увесь будівельний матеріал Всесвіту представляв собою кварк-глюонну плазму. В цьому густому, гарячому супі утворювалися пари елементарних частинок та античастинок усіх видів та неминуче зіштовхувалися між собою, що призводило до їх анігіляції (взаємному руйнуванню). Однак в якийсь момент виникла невідома реакція, що порушила баланс між кількістю частинок речовини та антиречовини.

Пімоя порушення, кількість кварків та лептонів перевищила кількість антикварків та антилептонів приблизно на 1 частинку на кожні 30 млн. Це призвело до переважання матерії над антиматерією в сучасному Всесвіті. Отже, розширення продовжувалося, а температура та тиск почали зменшуватися.

Через 10⁻⁶ секунди після Великого вибуху кварки та гліони почали об’єднуватися, створюючи нейтрони та протони. Так як кількість кварків перевищувала кількість антикварків, то і кількість протонів була більшою за кількість антипротонів.

Так як температура була вже недостатньо високою, щоб створити нові пари протон-антипротон або нейтрон-антинейтрон, відразу почалося знищення маси, залишивши лише один протон та нейтрон із кожних 100 млн. частинок, при цьому не залишивши жодної античастинки. Теж саме відбулося через секунду після Великого вибуху з електронами та позитронами. Через такі анігіляції частинок, нейтрино нарешті змогли вирватися з цієї плазми заряджених частинок і почали вільно подорожувати в космосі, тоді як фотони все ще продовжували затримуватися плазмою.

ІІІ. «Нуклеосинтез Великого вибуху». Завдяки зменшенню температури до 1 млрд. Кельвінів і зниженню щільності енергії, нейтрони та протони почали об’єднуватися, створюючи перші у Всесвіті ядра легких хімічних елементів, таких як: Водень, Гелій та Літій.

Водень заполонив 74% усієї нормальної речовини у Всесвіті, адже його ядро складалося з одного протона, який так і не знайшов собі партнера. Другий за поширеністю – Гелій, який складає приблизно 24% маси усієї речовини.

Приблизно через 379 тисяч років густий суп з частинок охолонув настільки, що електрони почали взаємодіяти з ядрами, утворюючі атоми. Завдяки цьому процесу, який також відомий як «рекомбінація», фотони нарешті звільнилися і почали подорожувати Всесвітом. Саме ці фотони є найстарішим світлом у Всесвіті. Сьогодні його називають «космічним мікрохвильовим фоном» або «реліктовим випромінюванням», яке в 1965 році було зафіксовано фізиками А. Пензіасом та Р. Вульдо Вільсоном.

Сьогодні реліктове випромінювання цінне для космології та є важливим фактом, який підтверджує теорію Великого вибуху.

ІV. «Темні віки». Не дивлячись на те, що зовсім скоро після того, як реліктове випромінювання почало проявлятися, нейтральні частинки Водню перетворилися на газ, що заполонив Всесвіт, на той момент все ще не було жодних об’єктів, які б давали світло космосу. Тобто, випромінювали фотони високої енергії. Тому цей період і називають «Темними віками».

Початок утворення галактик та інших об’єктів.

Впродовж наступних 300 мільйонів років після Великого вибуху, дещо щільніші ділянки, майже рівномірно розподіленої матерії Всесвіту, почали гравітаційно притягуватися один до одного, що стало початком галактик.

Усередині галактик речовина в більш щільних регіонах продовжувала зближуватися, завдяки гравітаційній взаємодії, доки тиск та температура не досягли позначок, при яких став можливим ядерний синтез. Так народилися перші зорі, а Всесвіт почав наповнюватися світлом.

Завдяки раннім зіркам і, можливо, іншим таємничим джерелам, які виконували випромінення, відбулося розподілення більшої частини Водню назад на складові – протони та електрони. Цей процес відомий як «реонізація», в результаті якого кількість Водню у Всесвіті надзвичайно зменшився, майже до теперішньої кількості.

Спалюючи Гелій та Водень в своїх надрах, зорі виробляли важкі хімічні елементи і коли в кінці свого життя вони вибухали надновими, ці важкі елементи розносилися по Всесвіту, стаючи основою для утворення нових небесних тіл, таких як планети.

Врешті-решт, на сьогодні, після 13,8 млрд. років з моменту Великого вибуху, ми маємо холодний космос, який досі розширюється і навіть з прискоренням, як колись у період інфляції, однак, звісно, набагато повільніше, ніж тоді.

Циклічна модель утворення Всесвіту.

У 1930-х деякі фізики, включаючи і Альберта Ейнштейна, передбачали модель циклічного Всесвіту як альтернативу вічного розширення (гіпотезі теплової смерті). Однак робота Річарда Толмана, що вийшла в 1934, показала неспроможність моделі через проблеми ентропії: згідно Другому закону термодинаміки, ентропія може тільки зростати. Відповідно, подальші цикли збільшуються в розмірі і тривалості; екстраполяція назад в часі показує, що попередні цикли стають все коротшими, знову приводячи до Великого Вибуху (але не замінюючи його).

Новий етап в дослідженні циклічної моделі настав з початком 21-го століття, з приходом в космологію понять темної матерії і темної енергії.

-> Ідея Пенроуза.

Його ідея, як на мене, дуже крута. В його теорії описана модель Всесвіту без інфляції та початкової сингулярності, а сам він – не закінчується Великим стисканням. Його Всесвіт – це безкінечні цикли з утворення та руйнування, але, знову ж таки – без етапів стискання. Тобто, в його ідеї розширення Всесвіту відбувається до якогось моменту, а потім все починається заново.

Його теорія називається КЦМ (конформна циклічна модель) або англійською – conformal cyclic cosmology.

Джерела:

Ютуб: Всесвіт UA;

Вікіпедія: “Циклічна модель (космологія)”; “Хронологія Всесвіту”.

Будь ласка, зауважте на мої помилки та напишіть про них, щоб Вам було приємніше читати в майбутньому.