Yksi tärkeimmistä kysymyksistä, jotka eivät tule ihmistietoisuudesta, on aina ollut ja on kysymys: "Kuinka maailmankaikkeus ilmestyi?" Tietysti tähän kysymykseen ei ole yksiselitteistä vastausta, ja sitä ei todennäköisesti saada lähitulevaisuudessa, mutta tiede työskentelee tässä suunnassa ja muodostaa tietyn teoreettisen mallin maailmankaikkeuden alkuperästä. Ensinnäkin tulisi ottaa huomioon maailmankaikkeuden perusominaisuudet, jotka tulisi kuvata kosmologisen mallin puitteissa.
*** Mallissa on otettava huomioon havaitut etäisyydet esineiden välillä sekä niiden liikkumisnopeus ja -suunta. Tällaiset laskelmat perustuvat Hubblen lakiin: cz = H0D, jossa z on kohteen punasiirtymä, D on etäisyys tähän esineeseen ja c on valon nopeus.
*** Mallissa olevan maailmankaikkeuden iän on ylitettävä maailman vanhimpien esineiden ikä.
*** Mallissa tulisi ottaa huomioon alkuaineiden alkuvaihe.
*** Mallissa tulisi ottaa huomioon havaittu maailmankaikkeuden laajamittainen rakenne.
*** Mallissa tulisi ottaa huomioon havaittu taustan tausta.
Mainosvideo:
Lyhyt historia maailmankaikkeudesta. Taiteilijan näkemä singulariteetti (kuva)
Tarkastellaan lyhyesti yleisesti hyväksyttyä teoriaa maailmankaikkeuden alkuperästä ja varhaisesta evoluutiosta, jota useimmat tutkijat tukevat. Nykyään Big Bang -teoria tarkoittaa yhdistelmää kuuman maailmankaikkeuden mallista Big Bangin kanssa. Ja vaikka nämä käsitteet olivat ensin olemassa toisistaan riippumatta, niiden yhdistymisen seurauksena oli mahdollista selittää maailmankaikkeuden alkuperäinen kemiallinen koostumus sekä reliikkisäteilyn läsnäolo.
Tämän teorian mukaan maailmankaikkeus syntyi noin 13,77 miljardia vuotta sitten jostakin tiheästä kuumennetusta esineestä - yksikkötilasta, jota on vaikea kuvata nykyaikaisen fysiikan puitteissa. Kosmologisen singulariteetin ongelma on muun muassa se, että sitä kuvattaessa useimmat fyysiset määrät, kuten tiheys ja lämpötila, pyrkivät äärettömyyteen. Samanaikaisesti tiedetään, että äärettömällä tiheydellä entropian (kaaoksen mittari) tulisi pyrkiä nollaan, mikä ei ole sama kuin ääretön lämpötila.
Maailmankaikkeuden kehitys
*** Ensimmäisiä 10 sekuntia -43 sekunnissa Ison räjähdyksen jälkeen kutsutaan kvanttikaaoksen vaiheeksi. Universumin luonne tässä olemassaolovaiheessa vastustaa kuvausta meille tunnetun fysiikan puitteissa. Jatkuva yksittäinen aika-aika hajoaa kvantteihin.
*** Planck-hetki - kvanttikaoson loppuhetki, joka putoaa 10: een -43 sekunnissa. Tällä hetkellä maailmankaikkeuden parametrit olivat yhtä suuret kuin Planck-arvot, kuten Planckin lämpötila (noin 1032 K). Planckin aikakauden aikaan kaikki neljä perusvaikutusta (heikko, vahva, sähkömagneettinen ja gravitaatio) yhdistettiin yhdeksi vuorovaikutukseksi. Planckin hetkeä ei voida pitää tietynä pitkänä ajanjaksona, koska nykyaikainen fysiikka ei toimi vähemmän kuin Planckin parametrit.
*** Inflaation vaihe. Seuraava vaihe maailmankaikkeuden historiassa oli inflaatiovaihe. Inflaation ensimmäisellä hetkellä gravitaatiovuorovaikutus erottui yhtenäisestä supersymmetrisestä kentästä (joka aiemmin sisälsi perusvuorovaikutusten kentät). Tänä aikana aineella on negatiivinen paine, mikä aiheuttaa eksponentiaalisen kasvun maailmankaikkeuden kineettisessä energiassa. Yksinkertaisesti sanottuna, tänä aikana maailmankaikkeus alkoi turvota hyvin nopeasti, ja loppupuolella fyysisten kenttien energia muuttuu tavallisten hiukkasten energiaksi. Tämän vaiheen lopussa aineen ja säteilyn lämpötila nousee merkittävästi. Inflaatiovaiheen päättymisen myötä erottuu vahva vuorovaikutus. Myös tällä hetkellä syntyy maailmankaikkeuden baryonin epäsymmetria.
[Universumin Baryonin epäsymmetria on havaittu ilmiö aineen hallitsemisesta antiaineeseen nähden universumissa]
*** Säteilyn hallitsevuus. Seuraava vaihe maailmankaikkeuden kehityksessä, joka sisältää useita vaiheita. Tässä vaiheessa maailmankaikkeuden lämpötila alkaa laskea, muodostuu kvarkkeja, sitten hadroneja ja leptoneja. Nukleosynteesin aikakaudella tapahtuu alkukemiallisten alkuaineiden muodostumista, heliumia syntetisoidaan. Säteily hallitsee kuitenkin edelleen ainetta.
*** Aineen hallitsevuuden aikakausi. 10000 vuoden kuluttua aineenergia ylittää vähitellen säteilyenergian ja niiden erottuminen tapahtuu. Aine alkaa hallita säteilyä, näkyviin tulee jäänne. Myös aineen erottaminen säteilyllä lisäsi merkittävästi alkuperäisiä epähomogeenisuuksia aineen jakautumisessa, minkä seurauksena galaksit ja supergalaxit alkoivat muodostua. Maailmankaikkeuden lait ovat tulleet muotoon, jossa me noudatamme niitä tänään.
Yllä oleva kuva koostuu useista perusteorioista ja antaa yleiskuvan maailmankaikkeuden muodostumisesta sen olemassaolon alkuvaiheessa.
Mistä maailmankaikkeus tuli?
Jos maailmankaikkeus syntyi kosmologisesta singulariteetista, niin mistä singulariteetti tuli? Tähän kysymykseen ei ole vielä mahdollista antaa tarkkaa vastausta. Tarkastellaan joitain kosmologisia malleja, jotka vaikuttavat "maailmankaikkeuden syntymiseen".
Sykliset mallit. Leseiden mallinnus (valokuva)
Nämä mallit perustuvat väitteeseen, että maailmankaikkeus on aina ollut olemassa ja ajan myötä vain sen tila muuttuu, siirtymällä laajenemisesta supistumiseen - ja päinvastoin.
*** Steinhardt-Turok-malli. Tämä malli perustuu merkkijonoteoriaan (M-teoria), koska se käyttää objektia, kuten "brane".
[Leseet (membraanista) merkkijonoteoriassa (M-teoria) on hypoteettinen moniulotteinen perustavanlaatuinen fyysinen ulottuvuusobjekti, joka on pienempi kuin avaruuden ulottuvuus, jossa se sijaitsee]
Tämän mallin mukaan näkyvä maailmankaikkeus sijaitsee kolmen rungon sisällä, joka ajoittain, useita triljoonia vuosia, törmää toiseen tri-raajaan, mikä aiheuttaa eräänlaisen Big Bangin. Edelleen tri-brane alkaa siirtyä pois toisesta ja laajentua. Jossain vaiheessa pimeän energian osuus on etusijalla ja tri-rungon laajenemisnopeus kasvaa. Valtava laajeneminen hajottaa ainetta ja säteilyä niin paljon, että maailmasta tulee melkein homogeeninen ja tyhjä. Loppujen lopuksi tapahtuu toistuva tri-rintojen törmäys, jonka seurauksena meidän palaa syklin alkuvaiheeseen synnyttäen jälleen "universumimme".
*** Loris Baumin ja Paul Framptonin teoria kertoo myös maailmankaikkeuden syklisyydestä. Heidän teoriansa mukaan jälkimmäinen Suuren räjähdyksen jälkeen laajenee pimeän energian ansiosta, kunnes se lähestyy itse aika-ajan "hajoamisen" hetkeä - Isoa Ripiä. Kuten tiedät, "suljetussa järjestelmässä entropia ei vähene" (termodynamiikan toinen laki). Tästä lausunnosta seuraa, että maailmankaikkeus ei voi palata alkuperäiseen tilaansa, koska tällaisen prosessin aikana entropian on vähennettävä. Tämä ongelma on kuitenkin ratkaistu tämän teorian puitteissa. Baumin ja Framptonin teorian mukaan hetki ennen isoa rippiä universumi hajoaa moniksi "laastareiksi", joista jokaisella on melko pieni entropian arvo. Nämä kokeneet vaihesiirtymät, nämä entisen maailmankaikkeuden "romut" synnyttävät ainetta ja kehittyvät samalla tavalla kuin alkuperäinen maailmankaikkeus. Nämä uudet maailmat eivät ole vuorovaikutuksessa toistensa kanssa, koska ne sirottelevat valon nopeutta suuremmalla nopeudella. Siksi tutkijat ovat välttäneet kosmologista singulariteettia, jolla maailmankaikkeuden syntymä alkaa useimpien kosmologisten teorioiden mukaan. Toisin sanoen maailmankaikkeus hajoaa syklinsä lopussa moniin muihin vuorovaikutteisiin maailmoihin, joista tulee uusia universumeja.
*** Konforminen syklinen kosmologia on Roger Penrosen ja Vahagn Gurzadyanin syklinen malli. Tämän mallin mukaan maailmankaikkeus pystyy siirtymään uuteen sykliin rikkomatta termodynamiikan toista lakia. Tämä teoria perustuu olettamukseen, että mustat aukot tuhoavat absorboidun tiedon, mikä jotenkin "laillisesti" alentaa universumin entropiaa. Sitten kukin tällainen maailmankaikkeuden olemassaolosykli alkaa Suuren paukun ulkoasulla ja päättyy singulariteetilla.
Muut mallit maailmankaikkeuden alkuperästä
Muiden näkyvän maailmankaikkeuden ulkonäköä selittävien hypoteesien joukossa seuraavat kaksi ovat suosituimpia:
*** Inflaation kaoottinen teoria - Andrey Linden teoria. Tämän teorian mukaan on olemassa tietty skalaarikenttä, joka on epähomogeeninen koko tilavuudellaan. Toisin sanoen maailmankaikkeuden eri alueilla skalaarikentällä on erilaiset merkitykset. Sitten alueilla, joilla kenttä on heikko, mitään ei tapahdu, kun taas alueet, joilla on vahvat kentät, alkavat laajentua (inflaatio) energiansa ansiosta muodostaen siten uusia maailmankaikkeuksia. Tällainen skenaario viittaa monien maailmojen olemassaoloon, jotka eivät syntyneet samanaikaisesti ja joilla on oma joukko alkeishiukkasia, ja siten myös luonnon lait.
*** Lee Smolinin teoria - oletetaan, että Iso Bang ei ole maailmankaikkeuden olemassaolon alku, vaan vain vaihesiirtymä sen kahden tilan välillä. Koska ennen suurta räjähdystä maailmankaikkeus oli olemassa kosmologisen singulariteetin muodossa, joka oli luonteeltaan lähellä mustan aukon singulariteettia, Smolin ehdottaa, että maailmankaikkeus olisi voinut syntyä mustasta aukosta.
On myös malleja, joissa universumit syntyvät jatkuvasti, itävät vanhemmiltaan ja löytävät oman paikkansa. Lisäksi ei ole lainkaan välttämätöntä, että samat fyysiset lait perustuvat tällaisiin maailmoihin. Kaikki nämä maailmat ovat "sisäkkäisiä" yhteen avaruus-aika-jatkumoon, mutta ne ovat niin erillään toisistaan, etteivät ne tunne toistensa läsnäoloa millään tavalla. Yleensä inflaation käsite antaa - lisäksi pakottaa! - uskomaan, että jättiläisissä megakosmosissa on monia eristettyjä universumeja, joilla on erilainen järjestely.
Huolimatta siitä, että sykliset ja muut mallit vastaavat moniin kysymyksiin, joihin vastauksia ei voida antaa Big Bang -teoriassa, mukaan lukien kosmologisen singulaarisuuden ongelma. Kuitenkin yhdessä inflaatioteorian kanssa, Big Bang selittää täydellisemmin maailmankaikkeuden alkuperän ja yhtyy myös moniin havaintoihin.
Nykyään tutkijat jatkavat kuitenkin maailmankaikkeuden alkuperän mahdollisten skenaarioiden intensiivistä tutkimista antaakseen kiistattoman vastauksen kysymykseen "Kuinka maailmankaikkeus ilmestyi?" - ei todennäköisesti onnistu lähitulevaisuudessa. Tähän on kaksi syytä: suora todiste kosmologisista teorioista on käytännössä mahdotonta, vain epäsuora; edes teoreettisesti ei ole mitään keinoa saada tarkkaa tietoa maailmasta ennen Suurta Bangta. Näistä kahdesta syystä tutkijat voivat esittää vain hypoteeseja ja rakentaa kosmologisia malleja, jotka kuvaavat tarkimmin tarkkailtavan maailmankaikkeuden luonnetta.