Az egyik fő kérdés, amely nem jön ki az emberi tudatból, mindig is az volt, és ez a kérdés: "Hogyan jelent meg az Univerzum?" Természetesen erre a kérdésre nincs egyértelmű válasz, és nem valószínű, hogy a közeljövőben megkapják, de a tudomány ebben az irányban dolgozik, és egy bizonyos elméleti modellt alkot Univerzumunk keletkezéséről. Először is figyelembe kell venni az Univerzum alapvető tulajdonságait, amelyeket a kozmológiai modell keretein belül kell leírni.
*** A modellnek figyelembe kell vennie a tárgyak közötti megfigyelt távolságokat, valamint mozgásuk sebességét és irányát. Az ilyen számítások a Hubble-törvényen alapulnak: cz = H0D, ahol z az objektum vöröseltolódása, D az objektum távolsága és c a fénysebesség.
*** A modellben szereplő Univerzum korának meg kell haladnia a világ legrégebbi tárgyainak életkorát.
*** A modellnek figyelembe kell vennie az elemek kezdeti rengetegségét.
*** A modellnek figyelembe kell vennie az Univerzum megfigyelt nagyszabású szerkezetét.
*** A modellnek figyelembe kell vennie a megfigyelt hátteret.
Promóciós videó:
Az univerzum rövid története. A művész által látott szingularitás (fotó)
Vizsgáljuk meg röviden az Univerzum keletkezésének és korai evolúciójának általánosan elfogadott elméletét, amelyet a legtöbb tudós támogat. Ma az ősrobbanás elmélete egy forró világegyetem és egy nagy durranás kombinációját jelenti. És bár ezek a fogalmak először egymástól függetlenül léteztek, egyesülésük eredményeként meg lehetett magyarázni az Univerzum kezdeti kémiai összetételét, valamint a relikviás sugárzás jelenlétét.
Ezen elmélet szerint az Univerzum mintegy 13,77 milliárd évvel ezelőtt keletkezett valamilyen sűrű, fűtött tárgyból - olyan egyedi állapotból, amelyet a modern fizika keretében nehéz leírni. A kozmológiai szingularitás problémája többek között az, hogy leírásakor a legtöbb fizikai mennyiség, például a sűrűség és a hőmérséklet a végtelenségig hajlik. Ugyanakkor ismert, hogy végtelen sűrűség esetén az entrópiának (a káosz mértékének) nullára kell tendálnia, ami nem esik egybe a végtelen hőmérséklettel.
A világegyetem evolúciója
*** Az ősrobbanás után -43 másodperc alatt az első 10-et kvantummáosznak nevezzük. A világegyetem természete a létezés ezen szakaszában meghiúsítja a leírást a számunkra ismert fizika keretein belül. A folyamatos egyetlen tér-idő kvantumokra bomlik.
*** Planck-pillanat - a kvantum-káosz végének pillanata, amely -43 másodperc alatt 10-re esik. Ebben a pillanatban az Univerzum paraméterei megegyeztek a Planck-értékekkel, például a Planck-hőmérséklettel (kb. 1032 K). A Planck-korszak idején mind a négy alapvető kölcsönhatást (gyenge, erős, elektromágneses és gravitációs) egyfajta interakcióvá egyesítették. A Planck-momentumot nem lehet egy bizonyos hosszú periódusnak tekinteni, mivel a modern fizika nem a Planck-nál kisebb paraméterekkel működik.
*** Az infláció szakasza. Az Univerzum történelmének következő állomása az inflációs szakasz volt. Az infláció első pillanatában a gravitációs interakció elkülönült az egységes szuperszimmetrikus mezőtől (amely korábban az alapvető interakciók mezejeit is magába foglalta). Ebben az időszakban az anyagnak negatív nyomása van, ami az univerzum mozgási energiájának exponenciális növekedését okozza. Egyszerűen fogalmazva: ebben az időszakban az Univerzum nagyon gyorsan duzzadni kezdett, és a vége felé a fizikai mezők energiája átalakul közönséges részecskék energiájává. Ennek a szakasznak a végén az anyag hőmérséklete és a sugárzás jelentősen megemelkedik. Az infláció szakaszának végével együtt egy erős kölcsönhatás tűnik ki. Ebben a pillanatban szintén felmerül az Univerzum barion aszimmetriája.
[Az Univerzum Baryon-aszimmetriája az anyagnak az antianyaggal szembeni túlsúlyának megfigyelt jelensége a Világegyetemben]
*** A sugárzás dominanciájának szakasza. Az Univerzum fejlődésének következő szakasza, amely több szakaszból áll. Ebben a szakaszban az Univerzum hőmérséklete csökkenni kezd, kvarkok keletkeznek, majd hadronok és leptonok. A nukleoszintézis korában bekövetkezik a kezdeti kémiai elemek képződése, a hélium szintetizálódik. A sugárzás azonban továbbra is uralja az anyagot.
*** A szubsztancia dominanciájának korszaka. 10 000 év után az anyag energiája fokozatosan meghaladja a sugárzás energiáját, és elválik egymástól. Az anyag elkezdi uralni a sugárzást, megjelenik egy ereklye háttér. Emellett az anyag sugárzással történő elválasztása jelentősen megnövelte az anyageloszlás kezdeti inhomogenitásait, ennek következtében galaxisok és szupergalaxiák kezdtek kialakulni. Az Univerzum törvényei eljutottak abba a formába, ahogyan azokat ma betartjuk.
A fenti kép több alapvető elméletből áll, és általános elképzelést ad a világegyetem kialakulásának létének korai szakaszában.
Honnan jött az univerzum?
Ha az univerzum egy kozmológiai szingularitásból fakadt, akkor honnan jött a szingularitás? Erre a kérdésre még nem lehet pontos választ adni. Tekintsünk néhány olyan kozmológiai modellt, amely befolyásolja az "univerzum születését".
Ciklikus modellek. Korpamodellezés (fotó)
Ezek a modellek azon az állításon alapulnak, hogy az Univerzum mindig is létezett, és az idő múlásával csak az állapota változik, a terjeszkedésből az összehúzódás felé halad - és fordítva.
*** Steinhardt-Turok modell. Ez a modell a húrelméleten (M-elmélet) alapul, mivel olyan objektumot használ, mint a "brane".
[A korpa (a membránból) a húrelméletben (M-elmélet) egy hipotetikus alapvető többdimenziós fizikai dimenziótárgy, amely kisebb, mint a tér mérete, amelyben található.]
E modell szerint a látható univerzum egy háromkorong belsejében helyezkedik el, amely rendszeresen, több billió évente ütközik egy másik tribránnal, ami egyfajta Nagy Bummot okoz. Továbbá a hárombranúsunk kezd távolodni a másiktól és tágulni. Egy bizonyos ponton a sötét energia részesedése élvez elsőbbséget, és a három-sáv tágulási sebessége növekszik. A hatalmas terjeszkedés annyira szétszórja az anyagot és a sugárzást, hogy a világ szinte homogénné és üressé válik. Végül ismétlődő három-sávos ütközés következik be, amelynek eredményeként a mieink visszatérnek ciklusuk kezdeti szakaszába, újból megszülve az "Univerzumunkat".
*** Loris Baum és Paul Frampton elmélete szintén az univerzum ciklikusságáról szól. Elméletük szerint az utóbbi az Ősrobbanás után a sötét energia hatására kitágul, amíg meg nem közelíti maga a téridő "felbomlásának" pillanatát - a Nagy Szakadást. Mint tudják, egy "zárt rendszerben az entrópia nem csökken" (a termodinamika második törvénye). Ebből a megállapításból következik, hogy az Univerzum nem térhet vissza eredeti állapotába, mivel egy ilyen folyamat során az entrópiának csökkentenie kell. Ez a probléma azonban ezen elmélet keretein belül megoldódik. Baum és Frampton elmélete szerint egy pillanat alatt a Nagy Rip előtt az Univerzum sok "foltra" bomlik, amelyek mindegyikének meglehetősen kicsi az entrópiája. A fázisátmenetek sorozatát átélve az egykori Világegyetem ezen "maradékai" anyagot eredményeznek és az eredeti Világegyetemhez hasonlóan fejlődnek. Ezek az új világok nem lépnek kölcsönhatásba egymással, mivel a fénysebességnél nagyobb sebességgel szóródnak szét. Így a tudósok elkerülték a kozmológiai szingularitást, amellyel a világegyetem születése a legtöbb kozmológiai elmélet szerint kezdődik. Vagyis ciklusának végén az Univerzum sok más, nem kölcsönhatásban álló világra bomlik, amelyek új univerzumokká válnak.
*** A konform ciklusos kozmológia Roger Penrose és Vahagn Gurzadyan ciklikus modellje. E modell szerint az Univerzum képes új ciklusba lépni anélkül, hogy megsértené a termodinamika második törvényét. Ez az elmélet azon a feltételezésen alapul, hogy a fekete lyukak elpusztítják az elnyelt információkat, ami valahogy "törvényesen" csökkenti az Univerzum entrópiáját. Ezután az Univerzum létezésének minden ilyen ciklusa az Ősrobbanás látszatával kezdődik, és szingularitással zárul.
Az univerzum eredetének más modelljei
A látható univerzum megjelenését magyarázó egyéb hipotézisek közül a következő kettő a legnépszerűbb:
*** Az infláció kaotikus elmélete - Andrey Linde elmélete. Ezen elmélet szerint létezik egy bizonyos skaláris mező, amely teljes térfogatában inhomogén. Vagyis az univerzum különböző régióiban a skaláris mezőnek más jelentése van. Ezután azokon a területeken, ahol a mező gyenge, semmi sem történik, míg az erős mezővel rendelkező területek energiája miatt tágulni (infláció) kezdenek, így új univerzumokat alkotnak. Egy ilyen forgatókönyv sok olyan világ létét vonja maga után, amely nem egyszerre merült fel, és rendelkezik saját elemi részecskékkel, következésképpen a természet törvényeivel.
*** Lee Smolin elmélete - azt feltételezi, hogy az Ősrobbanás nem az Univerzum létezésének kezdete, hanem csak egy fázisátmenet a két állapota között. Mivel az ősrobbanás előtt az univerzum kozmológiai szingularitás formájában létezett, természeténél fogva közel a fekete lyuk szingularitásához, Smolin azt sugallja, hogy az univerzum egy fekete lyukból keletkezhetett.
Vannak olyan minták is, amelyekben az univerzumok folyamatosan jelennek meg, kihajtják szüleiket és megtalálják a maguk helyét. Sőt, egyáltalán nem szükséges, hogy ugyanazok a fizikai törvények létrejöjjenek az ilyen világokban. Mindezek a világok egyetlen tér-idő kontinuumban "beágyazódnak", de annyira el vannak választva egymástól, hogy semmilyen módon nem érzik egymás jelenlétét. Az infláció fogalma általánosságban lehetővé teszi - ráadásul arra készteti! - azt hinni, hogy a gigantikus megakozmoszban sok elszigetelt univerzum létezik, eltérő elrendezéssel.
Annak ellenére, hogy a ciklikus és más modellek számos kérdésre adnak választ, amelyekre az ősrobbanás-elmélet nem adhat választ, ideértve a kozmológiai szingularitás problémáját is. Az inflációs elmélettel együtt azonban az Ősrobbanás teljesebben megmagyarázza az Univerzum eredetét, és számos megfigyeléssel konvergál is.
Ma a kutatók továbbra is intenzíven tanulmányozzák az Univerzum keletkezésének lehetséges forgatókönyveit, hogy megcáfolhatatlan választ adjanak a "Hogyan jelent meg az Univerzum?" Kérdésre. - valószínűleg nem sikerül a közeljövőben. Ennek két oka van: a kozmológiai elméletek közvetlen bizonyítása gyakorlatilag lehetetlen, csak közvetett; elméletileg sem lehet pontos információkat szerezni az ősrobbanás előtti világról. E két okból a tudósok csak hipotéziseket terjeszthetnek elő és olyan kozmológiai modelleket készíthetnek, amelyek a legpontosabban leírják a megfigyelt univerzum természetét.