Dovezi pentru teoria Big Bang. Există dovezi ale unui big bang? A fost o explozie mare?

Astronomia, adică Știința Universului a suferit o dezvoltare enormă în ultimii 60 de ani, ceea ce este de fapt comparabil cu o revoluție. Până de curând, oamenii de știință credeau că Universul nostru este staționar, adică. nu au loc schimbări în ea și că astăzi este la fel ca acum sute de ani. De fapt, Universul se află într-o stare de dezvoltare dinamică rapidă și acolo au loc catastrofe, nașterea și moartea de noi stele, ciocniri de galaxii, formarea de noi stele, inclusiv stele neutronice și găuri negre. Universul se extinde și totul în interiorul Universului se mișcă și se schimbă, distanțele dintre galaxii cresc și se îndepărtează de noi și unele de altele cu accelerație. Studierea dependenței vitezei de îndepărtare a galaxiilor de distanța dintre ele a permis lui E. Hubble să determine vârsta Universului. Cu cât distanța dintre două galaxii este mai mare, cu atât se îndepărtează mai repede una de cealaltă (legea lui Hubble). Legea lui Hubble ne permite să determinăm vârsta Universului. S-a dovedit că Universul nostru s-a format aproximativ 14 miliarde de ani. Există o cantitate imensă de întuneric în interiorul Universului, de exemplu. materia invizibilă (și materia întunecată), care ține galaxiile împreună și energia întunecată (și energia întunecată) sau forța de respingere responsabilă de accelerarea galaxiilor. Materia vizibilă reprezintă doar 4% și este unul dintre motivele pentru care oamenii de știință au construit un super-colisionator pentru a înțelege natura materiei invizibile, pentru a explora unde a dispărut antimateria din Univers și, de asemenea, a testa predicțiile noilor modele fizice și, în special, model standard și diverse supersimetrii. Cu alte cuvinte, Universul se află într-o stare de dezvoltare rapidă și un număr imens de descoperiri revoluționare au schimbat atitudinea față de el nu numai a oamenilor de știință, ci și a publicului larg.

Am predat astronomie mulți ani la o universitate din Chicago. Destul de des, într-un cadru informal, rudele, prietenii și doar cunoscuții mei îmi cer să vorbesc despre trăsăturile Universului nostru și, în special, despre momentul originii sale și etapele dezvoltării sale. Când spun că Universul nostru a apărut cu aproximativ 14 miliarde de ani în urmă, ca urmare a Big Bang-ului (un Big Bang), ei nu vor uita să-mi pună întrebarea, de unde știi toate acestea, pentru că nu erai acolo atunci și nu puteai vedea momentul în care a apărut. Sau, după cum s-ar spune la Odesa, nu ai fost acolo. Scopul acestui articol nu este doar de a vorbi despre dovezile care confirmă Big Bang-ul, ci și de a arăta cum înțelegem Universul nostru. Cunoștințele noastre se bazează pe două fapte - observații folosind telescoape, o găleată ușoară și aplicarea legilor relevante ale fizicii. Putem obține informații complete despre Univers folosind diverse telescoape, înregistrând toate tipurile de radiații care vin la noi din spațiu - de la unde radio la raze gamma.

Să ne uităm la câteva exemple despre modul în care astronomii determină anumite caracteristici ale Universului. De exemplu, pentru a determina masa Soarelui, trebuie să luăm în considerare mișcarea Pământului în jurul Soarelui, să măsurăm perioada lui de revoluție (1 an) și distanța de la Pământ la Soare (egale cu 1 UA sau 150 milioane km). ). Apoi, folosind legea gravitațională Newton-Kepler, care leagă trei mărimi - masa, perioada și distanța, determinăm masa Soarelui. S-a dovedit că masa Soarelui este de 330.000 de ori mai mare decât masa Pământului. În mod similar, putem determina masa galaxiei noastre folosind perioada de revoluție a Soarelui în jurul centrului galaxiei (200 de milioane de ani) și distanța până la centrul galaxiei (28 mii de ani lumină). Permiteți-mi să vă reamintesc că un an lumină este distanța pe care lumina o parcurge într-un an cu o viteză de 300.000 km/sec. Soarele nostru se rotește în jurul centrului galaxiei cu o viteză de 220 km/sec. De-a lungul întregii istorii a existenței sale, Soarele nostru a finalizat doar 23 de revoluții în jurul centrului Galaxiei. S-a dovedit că masa galaxiei noastre este de 100 de miliarde de ori mai mare decât masa Soarelui, adică. Galaxia noastră este formată din 100 de miliarde de stele similare cu Soarele nostru. Întregul Univers este format din 100 de miliarde de galaxii și numărul total de stele este astfel de 10 la puterea a 22, ceea ce este comparabil cu numărul de boabe de nisip de pe toate plajele de pe Pământ. Numărul de galaxii din Univers a fost determinat cu ajutorul telescopului spațial Hubble. Pentru a face acest lucru, o anumită zonă a cerului este fotografiată și se determină numărul de galaxii din imagine. Cunoscând suprafața totală a Universului, putem determina numărul total de galaxii.

Pentru a găsi dovezi ale Big Bang-ului, trebuie să măsurăm radiația care există în spațiu și, folosind legile fizicii, să determinăm anumite caracteristici ale Universului. Astfel de măsurători au fost efectuate pentru prima dată de doi fizicieni americani A. Penzias și R. Wilson în 1967 folosind un radiotelescop de 6 metri. Ei au măsurat radiația reziduală în spațiu (o radiație cosmică de fond), care a apărut în momentul Big Bang-ului și pe care o putem măsura astăzi, adică. aproape 14 miliarde de ani mai târziu. Aceasta a fost o confirmare clară că Big Bang-ul a avut loc. Pentru această descoperire extraordinară, Penzias și Wilson au devenit laureați ai Premiului Nobel. Măsurând dependența intensității acestei radiații de lungimea de undă, care este o curbă asimetrică în formă de clopot, oamenii de știință au măsurat lungimea de undă a radiației corespunzătoare maximului acestei curbe și au descoperit că lungimea de undă a radiației la maxim este de 1,1 mm (radiație cu microunde). Lungimea de undă a radiației s-a schimbat (a crescut) - de la lungimea de undă a luminii vizibile la lungimea de undă a radiației cu microunde datorită expansiunii Universului. Folosind una dintre legile radiației termice (legea lui Wien, care raportează lungimea de undă a radiației corespunzătoare maximului acestei curbe și temperatura), putem determina temperatura spațiului. Temperatura spațiului s-a dovedit a fi de numai 3 K (Kelvin). Este interesant că extinderea ulterioară a Universului va duce la o deplasare a maximului acestei curbe către valuri mari și, în consecință, temperaturi scăzute. Dacă temperatura spațiului scade la 0 K, lungimea de undă va crește la infinit și Universul va înceta să mai existe. Permiteți-mi să vă reamintesc că în fizică temperatura se măsoară în K sau C și sunt legate prin relația K = C + 273. Temperatura în Celsius C s-a dovedit a fi – 270 C. Motivul unei temperaturi atât de scăzute a spațiului este expansiunea Universului pe o perioadă foarte lungă de timp. În momentul exploziei, temperatura era gigantică și egală cu puterea 10 până la a 32-a, iar lungimea de undă a radiației spațiale era practic egală cu zero. O astfel de temperatură este chiar imposibil de imaginat. Temperatura din centrul Soarelui nostru, de exemplu, este de numai 15 milioane C, adică. mult mai scăzută decât temperatura din timpul exploziei. Cu toate acestea, după explozie din primele secunde, aceasta a scăzut la 10 miliarde C și continuă să scadă și astăzi datorită expansiunii Universului. Este interesant că dacă temperatura scade la 0 K, Universul nostru va dispărea, va părea să se dizolve în spațiu - densitatea și temperatura vor deveni aproape de zero. Am încercat chiar să determin prin calcule teoretice când se va întâmpla asta. S-a dovedit că nu curând, pentru că... Scăderea temperaturii a încetinit foarte mult și se va apropia de 0 K nu curând, ci după multe miliarde de ani.

Există, totuși, alte dovezi pentru Big Bang? Există mai multe astfel de dovezi. Una dintre ele are de-a face cu cantitatea de hidrogen și heliu din Universul timpuriu, care era 75% hidrogen și 25% heliu. Calculele bazate pe teoria Big Bang duc la exact același rezultat. Cu alte cuvinte, ceea ce măsurăm și ceea ce obținem pe baza calculelor teoretice se dovedesc a fi în excelent acord unul cu celălalt, adică. Înțelegerea noastră a universului bazată pe teoria Big Bang este corectă. Dar de unde provin alte elemente din Univers, deoarece astăzi există întregul sistem periodic al elementelor lui Mendeleev? Fără aceste elemente, apariția vieții pe Pământ ar fi pur și simplu imposibilă. Cert este că în Univers nu există doar stele cu o masă comparabilă cu masa Soarelui nostru (o stea cu masă mică), ci și stele cu o masă mult mai mare decât masa Soarelui nostru (o stea cu masă mare). Soarele nostru, când rezervele sale de hidrogen se vor epuiza, se va transforma într-o pitică albă (o pitică albă) de dimensiunea Pământului nostru, adică. Soarele se va micșora de peste 100 de ori. Densitatea acestui obiect este atât de mare încât o linguriță de substanță va cântări câteva tone. Reacțiile termonucleare din interiorul Soarelui transformă 4 hidrogen în heliu, eliberând o energie enormă. Acestea. cantitatea de hidrogen scade și cantitatea de heliu crește. Înțelegerea acestor reacții în interiorul Soarelui de către fizicianul german și câștigător al Premiului Nobel G. Bethe le-a permis fizicienilor să efectueze aceste reacții pe Pământ atunci când creează bomba cu hidrogen, care este un mic Soare creat de om, creat de oamenii de știință de pe Pământ. Stele masive „mor” diferit, pentru că... în aceste stele, reacțiile termonucleare din nucleele lor au loc la temperaturi mai ridicate datorită presiunii mai mari în interiorul stelei, iar în aceste stele nu numai He este format din H, ci și alte elemente - C, O, Ne, Mg, Si, Fe, Pb, U De fapt, întregul tabel periodic. Când o stea trece prin stadiul exploziei unei supernove, de exemplu. explodează, aceste elemente sunt împrăștiate în spațiu și se stabilesc în alte sisteme stelare, inclusiv planeta noastră. Corpul nostru, de exemplu, conține mai mult de 70 de elemente. Etapa finală a unei astfel de stele este formarea unei stele neutronice sau a unei găuri negre. Este interesant că expansiunea Universului a început de la o singularitate, adică. spatii cu presiune si temperatura gigantice si dimensiuni nesemnificative. Dacă Universul nostru este inversat, se va micșora până la punctul de singularitate. Universul a fost mai mic în trecut și va fi mai mare în viitor. Descoperirea deplasării către roșu indică faptul că galaxiile se îndepărtează de noi și unele de altele. O altă dovadă a Big Bang-ului este prezența spațiilor goale (goluri) și a superclusterelor în spațiu, i.e. clustere de galaxii gigantice care au fost descoperite.

Big Bang-ul este confirmat de multe fapte:

Din teoria generală a relativității a lui Einstein rezultă că universul nu poate fi static; trebuie fie să se extindă, fie să se contracte.

Cu cât o galaxie este mai departe, cu atât se îndepărtează mai repede de noi (legea lui Hubble). Aceasta indică expansiunea universului. Expansiunea universului înseamnă că în trecutul îndepărtat universul era mic și compact.

Modelul Big Bang prezice că radiația cosmică de fond cu microunde ar trebui să apară în toate direcțiile, având un spectru de corp negru și o temperatură de aproximativ 3°K. Observăm spectrul exact al unui corp negru cu o temperatură de 2,73°K.

Radiația CMB este uniformă până la 0,00001. Trebuie să existe o mică denivelare pentru a explica distribuția neuniformă a materiei în univers astăzi. O astfel de neuniformitate se observă și în dimensiunea prevăzută.

Teoria Big Bang prezice cantitățile observate de hidrogen primordial, deuteriu, heliu și litiu. Niciun alt model nu poate face asta.

Teoria Big Bang prezice că universul se schimbă în timp. Deoarece viteza luminii este finită, observarea la distanțe lungi ne permite să privim în trecut. Printre alte schimbări, vedem că atunci când universul era mai tânăr, quasarii erau mai des întâlniți, iar stelele erau mai albastre.

Există cel puțin 3 moduri de a determina vârsta Universului. Voi descrie mai jos:
*Vârsta elementelor chimice.
*Vârsta celor mai vechi clustere globulare.
*Vârsta celor mai vechi stele pitice albe.
*Vârsta Universului poate fi estimată și pe baza modelelor cosmologice bazate pe Constanta Hubble, precum și pe densitățile materiei și a energiei întunecate.Această vârstă bazată pe model este în prezent de 13,7 ± 0,2 miliarde de ani.

Măsurătorile experimentale sunt în concordanță cu modelul bazat pe vârstă, ceea ce ne întărește încrederea în modelul Big Bang.

Până în prezent, satelitul COBE a cartografiat radiația de fond cu structurile sale asemănătoare undelor și fluctuațiile de amplitudine pe câteva miliarde de ani lumină de Pământ. Toate aceste valuri sunt imagini mult mărite ale acelor structuri minuscule de la care a început Big Bang-ul. Dimensiunea acestor structuri a fost chiar mai mică decât dimensiunea particulelor subatomice.
Noul satelit MAP (Microwave Anisotropy Probe), care a fost trimis în spațiu anul trecut, se confruntă cu aceleași probleme. Misiunea sa este de a colecta informații despre radiația cu microunde rămasă de la Big Bang.

Lumina care vine pe Pământ de la stele și galaxii îndepărtate (indiferent de locația lor față de Sistemul Solar) are o schimbare caracteristică spre roșu (Barrow, 1994). Această schimbare se datorează efectului Doppler - o creștere a lungimii undelor de lumină pe măsură ce sursa de lumină se îndepărtează rapid de observator. Interesant este că acest efect este observat în toate direcțiile, ceea ce înseamnă că toate obiectele îndepărtate se îndepărtează de sistemul solar. Totuși, acest lucru nu se întâmplă deoarece Pământul este centrul Universului. Mai degrabă, situația poate fi descrisă folosind o comparație cu un balon pictat cu buline. Pe măsură ce balonul se umflă, distanța dintre mazăre crește. Universul se extinde și o face de mult timp. Cosmologii cred că Universul s-a format într-un minut în urmă cu 10-20 de miliarde de ani. A „zburat în toate direcțiile” dintr-un punct în care materia se afla într-o stare de concentrare inimaginabilă. Acest eveniment se numește Big Bang.

Dovada decisivă în favoarea teoriei Big Bang a fost existența radiației cosmice de fond, așa-numita radiație cosmică de fond cu microunde. Această radiație este un semn rezidual al energiei eliberate la începutul exploziei. CMB a fost prezis în 1948 și detectat experimental în 1965. Este radiația cu microunde care poate fi detectată oriunde în spațiu și creează un fundal pentru toate celelalte unde radio. Radiația are o temperatură de 2,7 grade Kelvin (Taubes, 1997). Omniprezența acestei energii reziduale confirmă nu numai faptul originii (și nu existența eternă) a Universului, ci și că nașterea lui a fost explozivă.

Dacă presupunem că Big Bang-ul a avut loc acum 13.500 de milioane de ani (ceea ce este susținut de mai multe fapte), atunci primele galaxii au apărut din acumulări gigantice de gaze cu aproximativ 12.500 de milioane de ani în urmă (Calder, 1983). Stelele acestor galaxii erau acumulări microscopice de gaz puternic comprimat. Presiunea gravitațională puternică din miezurile lor a inițiat reacții de fuziune termonucleară, transformând hidrogenul în heliu cu o emisie de energie ca produs secundar (Davies, 1994). Pe măsură ce stelele îmbătrânesc, masa atomică a elementelor din interiorul lor a crescut. De fapt, toate elementele mai grele decât hidrogenul sunt produse ale stelelor. În cuptorul fierbinte al nucleului stelar s-au format elemente din ce în ce mai grele. În acest fel au apărut fierul și elementele cu masă atomică mai mică. Când stelele timpurii și-au consumat combustibilul, nu au mai putut rezista forțelor gravitației. Stelele s-au prăbușit și apoi au explodat ca supernove. În timpul exploziilor de supernove au apărut elemente cu o masă atomică mai mare decât cea a fierului. Gazul intrastelar eterogen lăsat în urmă de stelele timpurii a devenit materialul de construcție din care se puteau forma noi sisteme solare. Acumulările acestui gaz și praf s-au format parțial ca urmare a atracției reciproce a particulelor. Dacă masa norului de gaz a atins o anumită limită critică, presiunea gravitațională a declanșat procesul de fuziune nucleară și s-a născut unul nou din rămășițele vechii stele.

Dovezile pentru modelul Big Bang provin dintr-o varietate de date observate care sunt în concordanță cu modelul Big Bang. Niciuna dintre aceste dovezi pentru Big Bang nu este concludentă ca teorie științifică. Multe dintre aceste fapte sunt în concordanță atât cu Big Bang-ul, cât și cu alte modele cosmologice, dar luate împreună, aceste observații arată că modelul Big Bang este cel mai bun model al Universului de astăzi. Aceste observații includ:

Întunericul cerului nopții - Paradoxul lui Olber.
Legea lui Hubble - Legea dependenței liniare a distanței de deplasarea spre roșu. Aceste date sunt foarte precise astăzi.
Omogenitatea reprezintă date clare care arată că locația noastră în Univers nu este unică.
Izotropia spațiului reprezintă date foarte clare care arată că cerul arată la fel în toate direcțiile, până la o parte din 100.000.
Dilatarea timpului în curbele de luminozitate supernova.
Observațiile de mai sus sunt în concordanță atât cu Big Bang-ul, cât și cu modelul în stare de echilibru, dar multe observații susțin Big Bang-ul mai bine decât modelul în stare de echilibru:
Dependența numărului de surse radio și de quasari de luminozitate. Arată că Universul a evoluat.
Existența radiației de fond cu microunde cosmice a corpului negru. Aceasta arată că Universul a evoluat dintr-o stare densă, izotermă.
Schimbați Trelikt. cu o modificare a valorii deplasării spre roșu. Aceasta este o observare directă a evoluției Universului.
Conținutul Deuteriului, 3He, 4He și 7Li. Abundența tuturor acestor izotopi de lumină corespunde bine reacțiilor prezise care au loc în primele trei minute.
În cele din urmă, anizotropia de intensitate unghiulară de o parte pe milion a CMB este în concordanță cu un model Big Bang dominat de materia întunecată care a trecut printr-o etapă inflaționistă.

Măsurătorile precise efectuate de satelitul COBE au confirmat că radiația cosmică de fond cu microunde umple Universul și are o temperatură de 2,7 grade Kelvin.Această radiație este înregistrată din toate direcțiile și este destul de uniformă. Conform teoriei, Universul se extinde și, prin urmare, ar fi trebuit să fie mai dens în trecut. Și, prin urmare, temperatura de radiație în acel moment ar trebui să fie mai mare. Acum acesta este un fapt incontestabil.

Cronologie:

* Timp Planck: 10-43 secunde. Prin acest gol timp, gravitația poate fi considerată ca un fundal clasic pe care particulele și câmpurile se dezvoltă, respectând legile mecanicii cuantice. Zona de circa 10-33 cm în diametru este omogenă și izotropă, Temperatura T=1032K.
* Inflația. În modelul de inflație haotic al lui Linde, inflația începe la ora Planck, deși poate începe atunci când temperatura scade până la punctul în care simetria Grand Unified Theory (GUT) se rupe brusc. Acest lucru se întâmplă la temperaturi cuprinse între 1027 și 1028K, la 10 până la 35 de secunde după Big Bang.
* Inflația se termină. Timpul este de 10-33 de secunde, temperatura este încă 1027 - 1028K deoarece densitatea de energie a vidului, care accelerează inflația, este transformată în căldură. La sfârșitul inflației, rata de expansiune este atât de mare încât vârsta aparentă a Universului este de doar 10-35 de secunde. Din cauza inflației, regiunea omogenă din momentul Planck are un diametru de cel puțin 100 cm, adică. a crescut de peste 1035 de ori de la ora Planck. Cu toate acestea, fluctuațiile cuantice din timpul inflației creează regiuni de neomogenitate cu amplitudine redusă și distribuție aleatorie, având aceeași energie în toate intervalele.
* Bariogeneză: diferența ușoară a vitezei de reacție pentru materie și antimaterie are ca rezultat un amestec care conține aproximativ 100.000.001 de protoni pentru fiecare 100.000.000 de antiprotoni (și 100.000.000 de fotoni).
* Universul crește și se răcește până la 0,0001 secunde după Big Bang și o temperatură de aproximativ T=1013 K. Antiprotonii se anihilează cu protoni, lăsând doar materie, dar cu un număr foarte mare de fotoni pentru fiecare proton și neutron supraviețuitor.
* Universul crește și se răcește până la 1 secundă după Big Bang, temperatura T = 1010 K. Interacțiunile slabe sunt înghețate la un raport protoni/neutroni de aproximativ 6. Regiunea omogenă atinge o dimensiune de 1019,5 cm în acest moment.
* Universul crește și se răcește până la 100 de secunde după Big Bang. Temperatura 1 miliard de grade, 109 K. Electronii și pozitronii se anihilează, formând și mai mulți fotoni, în timp ce protonii și neutronii se combină pentru a forma nuclee de deuteriu (hidrogen greu). Majoritatea nucleelor ​​de deuteriu se combină pentru a forma nuclee de heliu. În cele din urmă, masa este de aproximativ 3/4 hidrogen, 1/4 heliu; raportul deuteriu/protoni este de 30 ppm. Pentru fiecare proton sau neutron, există aproximativ 2 miliarde de fotoni.
* La o lună după BW, procesele care transformă câmpul de radiații în spectrul de radiații al unui corp complet negru slăbesc; acum rămân în urmă expansiunii Universului, astfel încât spectrul radiației cosmice de fond cu microunde reține informații referitoare la acest timp. .
* Densitatea materiei în comparație cu densitatea radiațiilor la 56.000 de ani după WW. Temperatura 9000 K. Neomogenitățile materiei întunecate pot începe să se micșoreze.
* Protonii și electronii se combină pentru a forma hidrogen neutru. Universul devine transparent. Temperatura T=3000 K, timp 380.000 de ani după WW. Materia obișnuită poate cădea acum pe norii de materie întunecată. CMB călătorește liber din această perioadă până în prezent, așa că anizotropia CMB oferă o imagine a Universului la acel moment.
* La 100-200 de milioane de ani după BV, se formează primele stele, iar cu radiațiile lor ionizează din nou Universul.
* Primele supernove explodează, umplând Universul cu carbon, azot, oxigen, siliciu, magneziu, fier și așa mai departe, până la Uranus.
* Pe măsură ce norii de materie întunecată, stelele și gazele se adună, se formează galaxii.
* Se formează grupuri de galaxii.
* Acum 4,6 miliarde de ani s-au format Soarele și Sistemul Solar.
* Astăzi: Timp de 13,7 miliarde de ani după Big Bang, temperatura T=2,725 K. Zona omogenă de astăzi are cel puțin 1029 cm în diametru, ceea ce este mai mare decât partea observabilă a Universului.

A fost un Big Bang! Iată ce a scris, de exemplu, academicianul Ya.B. despre asta. Zeldovich în 1983: „Teoria Big Bang în acest moment nu are deficiențe notabile. S-ar putea chiar spune că este la fel de ferm stabilit și adevărat pe cât este adevărat că Pământul se învârte în jurul Soarelui. Ambele teorii ocupau un loc central în tabloul universului timpului lor și ambele aveau mulți oponenți care susțineau că noile idei conținute în ele sunt absurde și contrare bunului simț. Dar astfel de discursuri nu sunt capabile să împiedice succesul noilor teorii.”

Datele de radioastronomie indică faptul că în trecut, sursele radio extragalactice îndepărtate au emis mai multe radiații decât acum. În consecință, aceste surse radio evoluează. Când observăm acum o sursă radio puternică, nu trebuie să uităm că ne uităm la trecutul ei îndepărtat (la urma urmei, astăzi radiotelescoapele primesc unde care au fost emise cu miliarde de ani în urmă). Faptul că galaxiile radio și quasarii evoluează, iar timpul evoluției lor este proporțional cu timpul de existență a Metagalaxiei, este de asemenea considerat în general în favoarea teoriei Big Bang.

O confirmare importantă a „Universului fierbinte” rezultă dintr-o comparație a abundenței observate de elemente chimice cu raportul dintre cantitatea de heliu și hidrogen (aproximativ 1/4 heliu și aproximativ 3/4 hidrogen) care a apărut în timpul fuziunii termonucleare primordiale.

Abundență de elemente ușoare
Universul timpuriu era foarte fierbinte. Chiar dacă protonii și neutronii s-au combinat în timpul unei coliziuni și au format nuclee mai grele, durata lor de viață a fost neglijabilă, deoarece data viitoare când s-au ciocnit cu o altă particulă grea și rapidă, nucleul s-a dezintegrat din nou în componente elementare. Se pare că au trebuit să treacă aproximativ trei minute din momentul Big Bang înainte ca Universul să se răcească suficient pentru ca energia coliziunilor să se înmoaie oarecum și particulele elementare au început să formeze nuclee stabile. În istoria Universului timpuriu, aceasta a marcat deschiderea unei ferestre de oportunitate pentru formarea nucleelor ​​de elemente luminoase. Toate nucleele formate în primele trei minute s-au dezintegrat inevitabil; Ulterior, au început să apară nuclee stabile.

Cu toate acestea, această formare inițială a nucleelor ​​(așa-numita nucleosinteză) în stadiul incipient al expansiunii Universului nu a durat foarte mult. La scurt timp după primele trei minute, particulele au zburat atât de departe încât coliziunile dintre ele au devenit extrem de rare, iar acest lucru a marcat închiderea ferestrei de fuziune nucleară. În această scurtă perioadă de nucleosinteză primară, ciocnirile dintre protoni și neutroni au produs deuteriu (un izotop greu de hidrogen cu un proton și un neutron în nucleu), heliu-3 (doi protoni și un neutron), heliu-4 (doi protoni). și doi neutroni) și, în cantități mici, litiu-7 (trei protoni și patru neutroni). Toate elementele mai grele se formează mai târziu - în timpul formării stelelor (vezi Evoluția stelelor).

Teoria Big Bang ne permite să determinăm temperatura Universului timpuriu și frecvența ciocnirilor de particule în el. În consecință, putem calcula raportul dintre numărul de nuclee diferite de elemente luminoase în stadiul primar al dezvoltării Universului. Comparând aceste predicții cu rapoartele observate reale ale elementelor luminoase (ajustate pentru producția lor în stele), găsim un acord impresionant între teorie și observații. În opinia mea, aceasta este cea mai bună confirmare a ipotezei Big Bang.

Pe lângă cele două dovezi prezentate mai sus (fondul cu microunde și raportul elementelor luminoase), lucrările recente (vezi Stadiul inflaționist al expansiunii Universului) au arătat că fuziunea dintre cosmologia Big Bang și teoria modernă a particulelor elementare rezolvă multe întrebări cardinale. a structurii Universului. Desigur, problemele rămân: nu putem explica chiar cauza principală a universului; De asemenea, nu ne este clar dacă legile fizice actuale erau în vigoare în momentul originii sale. Dar astăzi există mai mult decât suficiente argumente convingătoare în favoarea teoriei Big Bang.

Terry Pratchett a descris astfel viziunea tradițională despre crearea universului: „La început nu a fost nimic care să explodeze”. Viziunea actuală asupra cosmologiei implică faptul că un univers în expansiune a avut originea în Big Bang, iar acest lucru este bine susținut de dovezile din radiația cosmică de fond cu microunde și deplasarea spre roșu a luminii îndepărtate: universul este în continuă expansiune.

Și totuși, nu toată lumea era convinsă de acest lucru. De-a lungul anilor, au fost propuse o varietate de alternative și opinii. Unele ipoteze interesante rămân, din păcate, netestabile folosind tehnologiile noastre moderne. Altele sunt zboruri ale fanteziei care se răzvrătesc împotriva incomprehensibilitatii universului, care pare să sfideze noțiunile umane de bun simț.

Teoria Universului Staționar

Potrivit manuscrisului recent recuperat de Albert Einstein, marele om de știință i-a adus un omagiu astrofizicianului britanic Fred Hoyle pentru teoria sa conform căreia spațiul s-ar putea extinde la infinit, menținând în același timp densitatea uniformă, dacă materie nouă ar fi creată constant printr-un proces de generare spontană. Timp de zeci de ani, mulți au respins ideile lui Hoyle drept o prostie, dar un document recent descoperit arată că Einstein a luat cel puțin în serios teoria sa.

Teoria unui univers staționar a fost propusă în 1948 de Hermann Bondi, Thomas Gold și Fred Hoyle. Ea provine din principiul cosmologic ideal, care afirmă că universul arată în esență același în fiecare punct și în orice moment (în sens macroscopic). Din punct de vedere filozofic este atractiv pentru că atunci universul nu are început și nici sfârșit. Teoria a fost populară în anii 50 și 60. Confruntați cu indicii că universul se extinde, susținătorii săi au propus că în univers se creează în mod constant materie nouă, la o rată constantă, dar moderată, de câțiva atomi pe kilometru cub pe an.

Observațiile de quasari în galaxii îndepărtate (și vechi, din punctul nostru de vedere) care nu există în vecinătatea noastră stelară au diminuat entuziasmul teoreticienilor și a fost în cele din urmă dezmințit când oamenii de știință au descoperit radiația cosmică de fond. Cu toate acestea, deși teoria lui Hoyle nu i-a adus lauri, el a efectuat o serie de studii care au arătat cum au apărut în univers atomi mai grei decât heliul. (Au apărut în timpul ciclului de viață al primelor stele la temperaturi și presiune ridicate). În mod ironic, el a fost și unul dintre inițiatorii termenului „big bang”.

Lumină obosită

Edwin Hubble a observat că lungimile de undă ale luminii din galaxiile îndepărtate se deplasează spre capătul roșu al spectrului în comparație cu lumina emisă de corpurile stelare din apropiere, ceea ce indică faptul că fotonii pierd energie. „Deplasarea spre roșu” este explicată în contextul expansiunii după Big Bang în funcție de efectul Doppler. Susținătorii modelelor în stare staționară au propus în schimb că fotonii luminii pierd energie treptat pe măsură ce se deplasează prin spațiu, deplasându-se la lungimi de undă mai mari, mai puțin energice la capătul roșu al spectrului. Această teorie a fost propusă pentru prima dată de Fritz Zwicky în 1929.

O serie de probleme sunt asociate cu lumina obosită. În primul rând, nu există nicio modalitate de a schimba energia fotonului fără a-i schimba impulsul, ceea ce ar duce la un efect de estompare pe care nu-l observăm. În al doilea rând, nu explică modelele observate de emisie de lumină a supernovei, care se potrivesc perfect cu universul în expansiune și modelele relativității speciale. În cele din urmă, majoritatea modelelor de lumină obosită se bazează pe un univers care nu se extinde, dar acest lucru are ca rezultat un spectru de emisie de fundal care nu se potrivește cu observațiile noastre. Din punct de vedere numeric, dacă ipoteza luminii obosite ar fi corectă, toate radiațiile cosmice de fond observate ar trebui să provină din surse care sunt mai apropiate de noi decât Galaxia Andromeda (cea mai apropiată galaxie de noi), iar totul dincolo de ea ar fi invizibil pentru noi.

Inflația veșnică

Cele mai multe modele actuale ale Universului timpuriu postulează o perioadă scurtă de creștere exponențială (cunoscută sub numele de inflație) cauzată de energia vidului, în timpul căreia particulele învecinate au fost separate rapid de regiuni vaste ale spațiului. După această umflare, energia vidului s-a dezintegrat într-un bulion de plasmă fierbinte, în care s-au format atomi, molecule și așa mai departe. În teoria inflației eterne, acest proces inflaționist nu sa încheiat niciodată. În schimb, bulele spațiale ar înceta să se umfle și ar intra într-o stare de energie scăzută, pentru a se extinde apoi în spațiul inflaționist. Astfel de bule ar fi asemănătoare cu bulele de abur dintr-o cratiță cu apă clocotită, doar că de această dată tigaia s-ar extinde continuu.

Conform acestei teorii, Universul nostru este una dintre bulele unui univers multiplu caracterizat de inflație constantă. Un aspect al acestei teorii care ar putea fi testat este presupunerea că două universuri care sunt suficient de aproape pentru a se întâlni vor provoca perturbări în spațiu-timpul fiecărui univers. Cel mai bun sprijin pentru o astfel de teorie ar fi descoperirea dovezilor unei astfel de încălcări pe fundalul radiației cosmice de fond cu microunde.

Primul model inflaționist a fost propus de omul de știință sovietic Alexei Starobinsky, dar a devenit celebru în Occident datorită fizicianului Alan Guth, care a propus că universul timpuriu s-ar fi putut suprarăci și a permis creșterea exponențială să înceapă înainte de Big Bang. Andrei Linde a preluat aceste teorii și a dezvoltat pe baza lor teoria „expansiunii haotice eterne”, conform căreia, în loc de necesitatea unui Big Bang, cu energia potențială necesară, expansiunea poate începe în orice punct al spațiului scalar și poate avea loc constant. de-a lungul întregului multivers.

Iată ce spune Linde: „În loc de un univers cu o singură lege a fizicii, inflația veșnică haotică sugerează un multivers auto-replicat și veșnic în care orice este posibil”.

Mirajul unei găuri negre 4D

Modelul Big Bang Standard presupune că universul a explodat dintr-o singularitate infinit de densă, dar asta nu face mai ușor de explicat temperatura sa aproape uniformă, având în vedere timpul relativ scurt (după standardele cosmice) care a trecut de la acel eveniment violent. Unii cred că acest lucru ar putea explica o formă necunoscută de energie care a făcut ca universul să se extindă mai repede decât viteza luminii. O echipă de fizicieni de la Institutul Perimetru de Fizică Teoretică a propus că universul ar putea fi în esență un miraj tridimensional creat pe orizontul evenimentelor al unei stele cu patru dimensiuni care se prăbușește într-o gaură neagră.

Niayesh Afshordi și colegii săi au studiat o propunere din 2000 făcută de o echipă de la Universitatea Ludwig Maximilian din München, potrivit căreia universul nostru ar putea fi doar o membrană existentă într-un „univers în vrac” cu patru dimensiuni. Ei au motivat că, dacă acest univers în vrac ar conține și stele cu patru dimensiuni, ele s-ar putea comporta ca omologii lor tridimensionali din universul nostru - explodând în supernove și prăbușindu-se în găuri negre.

Găurile negre tridimensionale sunt înconjurate de o suprafață sferică numită orizont de evenimente. În timp ce suprafața orizontului de evenimente al unei găuri negre 3D este bidimensională, forma orizontului de evenimente al unei găuri negre 4D trebuie să fie tridimensională - o hipersferă. Când echipa lui Afshordi a simulat moartea unei stele cu patru dimensiuni, ei au descoperit că materialul erupt a format o brană (membrană) tridimensională în jurul orizontului evenimentului și s-a extins încet. Echipa a sugerat că Universul nostru ar putea fi un miraj format din resturi din straturile exterioare ale unei stele cu patru dimensiuni care se prăbușește.

Deoarece universul în vrac cu patru dimensiuni poate fi mult mai vechi, sau chiar infinit de vechi, acest lucru ar explica temperatura uniformă observată în universul nostru, deși unele dovezi recente sugerează că ar putea exista abateri care fac ca modelul tradițional să se potrivească mai bine.

Univers oglindă

Una dintre problemele năucitoare ale fizicii este că aproape toate modelele acceptate, inclusiv gravitația, electrodinamica și relativitatea, funcționează la fel de bine în descrierea universului, indiferent dacă timpul se mișcă înainte sau înapoi. În lumea reală, știm că timpul se mișcă într-o singură direcție, iar explicația standard pentru aceasta este că percepția noastră asupra timpului este doar un produs al entropiei, în procesul căruia ordinea se dizolvă în dezordine. Problema cu această teorie este că implică faptul că Universul nostru a început cu o stare foarte ordonată și entropie scăzută. Mulți oameni de știință nu sunt de acord cu conceptul unui univers timpuriu cu entropie scăzută care fixează direcția timpului.

Julian Barbour de la Universitatea din Oxford, Tim Kozlowski de la Universitatea din New Brunswick și Flavio Mercati de la Institutul Perimetru de Fizică Teoretică au dezvoltat o teorie conform căreia gravitația a făcut ca timpul să curgă înainte. Ei au studiat simulări pe computer ale particulelor de 1.000 de puncte care interacționează între ele sub influența gravitației newtoniene. Rezultă că, indiferent de dimensiunea sau dimensiunea lor, particulele formează în cele din urmă o stare de complexitate scăzută cu o dimensiune minimă și o densitate maximă. Acest sistem de particule se extinde apoi în ambele direcții, creând două „săgeți ale timpului” simetrice și opuse și, odată cu el, structuri mai ordonate și complexe de ambele părți.

Acest lucru sugerează că Big Bang-ul a dus la crearea nu a unuia, ci a două universuri, în fiecare dintre care timpul curge în direcția opusă celuilalt. Potrivit lui Barbour:

„Această situație cu două viitoare ar prezenta un singur trecut haotic în ambele direcții, ceea ce înseamnă că ar exista în esență două universuri de fiecare parte a statului central. Dacă sunt suficient de complexe, ambele părți vor sprijini observatorii care pot percepe trecerea timpului în sens invers. Orice ființă inteligentă își va defini săgeata timpului ca fiind îndepărtată de statul central. Vor crede că acum trăim în trecutul lor îndepărtat.”

Cosmologie ciclică conformă

Sir Roger Penrose, un fizician la Universitatea din Oxford, crede că Big Bang-ul nu a fost începutul Universului, ci doar o tranziție pe măsură ce a trecut prin cicluri de expansiune și contracție. Penrose a propus că geometria spațiului se schimbă în timp și devine din ce în ce mai complicată, așa cum este descris de conceptul matematic al tensorului de curbură Weyl, care începe de la zero și crește în timp. El crede că găurile negre acționează prin reducerea entropiei universului, iar când entropia ajunge la sfârșitul expansiunii sale, găurile negre consumă materie și energie și, în cele din urmă, unele pe altele. Pe măsură ce materia se descompune în găurile negre, ea dispare prin procesul de radiație Hawking, spațiul devine omogen și umplut cu energie inutilă.

Aceasta duce la conceptul de invarianță conformă, simetria geometriilor cu scări diferite, dar cu aceeași formă. Când Universul nu mai poate îndeplini condițiile sale originale, Penrose crede că o transformare conformă va netezi geometria spațiului, iar particulele degradate vor reveni la o stare de entropie zero. Universul se prăbușește în sine, gata să izbucnească într-un alt Big Bang. Rezultă că Universul este caracterizat de un proces repetat de expansiune și contracție, pe care Penrose l-a împărțit în perioade numite „eoni”.

Panrose și partenerul său, Vahagn (Vage) Gurzadyan de la Institutul de Fizică din Erevan din Armenia, au colectat date din satelitul NASA pe CMB și au spus că au găsit 12 inele concentrice distincte în date, despre care cred că ar putea fi dovezi ale undelor gravitaționale cauzate de coliziunea dintre găuri negre supermasive la sfârșitul eonului precedent. Până acum aceasta este principala dovadă a teoriei cosmologiei ciclice conforme.

Big Bang-ul rece și universul contractant

Modelul Big Bang Standard spune că, după ce toată materia a explodat din singularitate, s-a umflat într-un univers fierbinte și dens și a început să se răcească încet de-a lungul miliardelor de ani. Dar această singularitate ridică o serie de probleme atunci când încearcă să o introducă în relativitatea generală și mecanica cuantică, așa că cosmologul Kristof Wetterich de la Universitatea din Heidelberg a sugerat că universul poate să fi început ca un spațiu gol, rece și vast, care devine activ doar pentru că se contractă, mai degrabă decât se extinde conform modelului standard.

În acest model, deplasarea spre roșu observată de astronomi ar putea fi cauzată de creșterea masei universului pe măsură ce se contractă. Lumina emisă de atomi este determinată de masa particulelor, mai multă energie apărând pe măsură ce lumina se deplasează spre porțiunea albastră a spectrului și mai puțin spre roșu.

Principala problemă a teoriei lui Wetterich este că nu poate fi confirmată prin măsurători, deoarece comparăm doar rapoartele diferitelor mase și nu masele în sine. Un fizician s-a plâns că acest model seamănă cu a spune că nu Universul se extinde, ci rigla cu care îl măsurăm se contractă. Wetterich a spus că nu a considerat teoria lui un înlocuitor pentru Big Bang; el a remarcat doar că se corelează cu toate observațiile cunoscute ale Universului și ar putea fi o explicație mai „naturală”.

Cercuri Carter

Jim Carter este un om de știință amator care a dezvoltat o teorie personală despre univers bazată pe o ierarhie eternă de „zircloni”, obiecte mecanice rotunde ipotetice. El crede că întreaga istorie a Universului poate fi explicată ca generații de zirloni care se dezvoltă printr-un proces de reproducere și divizare. Omul de știință a ajuns la această concluzie după ce a observat un inel perfect de bule ieșind din aparatul său de respirație în timp ce face scufundări în anii 1970 și și-a perfecționat teoria cu experimente care implică inele de fum controlat, coșuri de gunoi și foi de cauciuc. Carter le-a considerat ca fiind întruchiparea fizică a unui proces numit sincronicitate zirlon.

El a spus că sincronicitatea zirconică este o explicație mai bună a creării Universului decât teoria Big Bang. Teoria sa despre un univers viu postulează că cel puțin un atom de hidrogen a existat întotdeauna. La început, un singur atom de antihidrogen plutea într-un gol tridimensional. Această particulă avea aceeași masă ca întregul univers și era alcătuită dintr-un proton încărcat pozitiv și un antiproton încărcat negativ. Universul era într-o dualitate completă perfectă, dar antiprotonul negativ se extinde gravitațional puțin mai repede decât protonul pozitiv, făcându-l să piardă masa relativă. S-au extins unul spre celălalt până când particula negativă a absorbit-o pe cea pozitivă și au format un antineutron.

Antineutronul a fost, de asemenea, dezechilibrat în masă, dar în cele din urmă a revenit la echilibru, făcându-l să se împartă în doi neutroni noi dintr-o particulă și o antiparticulă. Acest proces a determinat o creștere exponențială a numărului de neutroni, dintre care unii nu au mai fost divizați, ci anihilati în fotoni, care au stat la baza razelor cosmice. În cele din urmă, universul a devenit o masă de neutroni stabili care a durat un anumit timp înainte de a se descompune, permițând electronilor să se combine cu protoni pentru prima dată, formând primii atomi de hidrogen și umplând universul cu electroni și protoni, care au interacționat activ pentru a forma noi. elemente.

Puțină nebunie nu va strica. Majoritatea fizicienilor consideră ideile lui Carter a fi delirul unei persoane dezechilibrate, care nici măcar nu este supusă examinării empirice. Experimentele cu inelele de fum ale lui Carter au fost folosite ca dovezi pentru teoria eterului, acum discreditată, acum 13 ani.

Universul plasmatic

Dacă în cosmologia standard gravitația rămâne principala forță guvernantă, în cosmologia plasmei (în teoria universului electric) un mare accent se pune pe electromagnetism. Unul dintre primii susținători ai acestei teorii a fost psihiatrul rus Immanuel Velikovsky, care a scris o lucrare în 1946 intitulată „Spațiu fără gravitație”, în care a afirmat că gravitația este un fenomen electromagnetic rezultat din interacțiunea dintre sarcinile atomilor, sarcinile libere. și câmpurile magnetice ale soarelui.și planetelor. Aceste teorii au fost dezvoltate în continuare în anii 70 de Ralph Jurgens, care a susținut că stelele funcționează mai degrabă pe procese electrice decât termonucleare.

Există multe iterații ale teoriei, dar o serie de elemente rămân aceleași. Teoriile universului plasmatic presupun că Soarele și stelele sunt alimentate electric de curenții de derivă, că anumite caracteristici ale suprafeței planetare sunt cauzate de „superfulgere” și că cozile cometei, diavolii de praf marțian și formarea galaxiilor sunt toate procese electrice. Conform acestor teorii, spațiul adânc este umplut cu fire gigantice de electroni și ioni care se răsucesc datorită acțiunii forțelor electromagnetice din spațiu și creează materie fizică precum galaxiile. Cosmologii cu plasmă acceptă că Universul este infinit ca mărime și vârstă.

Una dintre cele mai influente cărți pe această temă a fost „The Big Bang Never Happened”, scrisă de Eric Lerner în 1991. El a susținut că teoria Big Bang a prezis incorect densitățile elementelor ușoare precum deuteriu, litiu-7 și heliu-4, că golurile dintre galaxii erau prea mari pentru a fi explicate prin intervalul de timp al teoriei Big Bang și că luminozitatea suprafeței S-a observat că galaxiile îndepărtate sunt constante, în timp ce într-un univers în expansiune această luminozitate ar trebui să scadă odată cu distanța din cauza deplasării spre roșu. El a mai susținut că teoria Big Bang-ului necesită prea multe ipotetice (inflație, materie întunecată, energie întunecată) și încalcă legea conservării energiei, deoarece se presupune că universul s-a născut din nimic.

Dimpotrivă, spune el, teoria plasmei prezice corect abundența elementelor luminoase, structura macroscopică a universului și absorbția undelor radio care cauzează fundalul cosmic cu microunde. Mulți cosmologi susțin că critica lui Lerner la adresa cosmologiei Big Bang se bazează pe concepte care erau considerate incorecte la momentul scrierii cărții sale și pe explicația sa că observațiile cosmologilor Big Bang aduc mai multe probleme decât pot rezolva.

Bindu Whipshot

Până acum nu am atins poveștile creației religioase sau mitologice, dar vom face o excepție pentru povestea creației hinduse, deoarece poate fi ușor legată de teoriile științifice. Carl Sagan a spus odată că este „singura religie în care intervalul de timp corespunde cosmologiei științifice moderne. Ciclurile sale merg de la ziua și noaptea obișnuită până la cele 8,64 miliarde de ani zi și noapte ale lui Brahma. Mai mult decât Pământul sau Soarele a existat, aproape jumătate din timp de la Big Bang.”

Cel mai apropiat lucru de ideea tradițională a Big Bang-ului universului se găsește în conceptul hindus de bindu-vipshot (literal „explozie de punct” în sanscrită). Imnurile vedice din India antică afirmau că bindu-vipshot producea unde sonore ale silabei „om”, care înseamnă Brahman, Realitatea Absolută sau Dumnezeu. Cuvântul „Brahman” are rădăcina sanscrită brh, care înseamnă „mare creștere”, care poate fi asociată cu Big Bang, conform scripturii Shabda Brahman. Primul sunet „om” este interpretat ca vibrația Big Bang, detectată de astronomi sub formă de radiație cosmică de fond cu microunde.

Upanishad-urile explică Big Bang-ul ca unul (Brahman) care dorește să devină mulți, lucru pe care l-a realizat prin Big Bang ca un efort de voință. Creația este adesea descrisă ca o lila, sau „joc divin”, în sensul că universul a fost creat ca parte a jocului, iar lansarea în big bang a fost și ea parte. Dar va fi jocul interesant dacă există un jucător omniscient care știe cum se va desfășura?

Pe baza materialelor de pe listverse.com

• Traducere

Cum o caracteristică bazată pe observarea inflației cosmice ar putea introduce revoluția științifică a secolului (18 martie 2014)

În ciuda numelui său, Big Bang Theory nu este deloc o teorie bang. Aceasta este teoria consecințelor exploziei.
- Alan Guth

Când vă imaginați începutul universului, probabil vă gândiți la o stare fierbinte, densă, plină de materie și radiații care se extinde și se răcește incredibil de repede (și, apropo, exact asta s-a întâmplat). Dar ceea ce nu poți face este să extrapolezi înapoi la o stare arbitrar de fierbinte și densă. Ați putea crede că puteți călători cu ușurință înapoi în timp la o „singularitate” cu temperatură și densitate infinite, când toată energia Universului a fost comprimată într-un singur punct - dar acest lucru nu este adevărat.

Unul dintre lucrurile minunate despre Univers este că radiația care a apărut în acel moment încă există. A experimentat reflexii de la particulele încărcate când Universul era tânăr, fierbinte și ionizat (și acest lucru a durat 380.000 de ani). Când Universul a devenit neutru din punct de vedere electric (când materia a format prima dată atomi neutri), radiația rămasă de la Big Bang s-a repezit în linie dreaptă, neîntreruptă de această materie neutră.

Pe măsură ce Universul s-a extins - deoarece energia radiației este determinată de lungimea de undă - aceste lungimi de undă s-au întins odată cu expansiunea spațiului, iar energia a scăzut de atunci destul de semnificativ. Dar asta ne ajută foarte mult, pentru că oferă material pentru observații.

Și dacă am putea vedea și măsura aceste valuri, ne-ar oferi o fereastră către Universul timpuriu! Și astfel, în anii 1960, Arno Penzias și Robert Wilson au descoperit această strălucire reziduală de la Big Bang - radiația care călătorește uniform în toate direcțiile, la doar câteva grade peste zero absolut - și oamenii de știință au recunoscut-o imediat ca fiind radiația de fond cosmic de microunde care se uita. de atâta timp!

După 50 de ani, am făcut progrese incredibile. Am putut nu numai să măsurăm spectrul energetic al acestei radiații, ci și să măsurăm micile fluctuații de temperatură inerente acesteia, precum și amploarea lor, relația lor între ele și modul în care toate acestea se leagă de evoluția Universului.

În special, am aflat cum arăta universul la o vechime de 380.000 de ani, din ce era făcut și modul în care materia interacționând a afectat radiațiile în călătoria sa de 13,8 miliarde de ani către ochii noștri.

Dar mai este ceva care ne poate oferi informații despre aceste lucruri: putem studia nu numai energia și temperatura luminii, ci și polarizarea acesteia. Lasă-mă să explic.

În esență, lumina este o undă electromagnetică. Aceasta înseamnă că este format din câmpuri electrice și magnetice oscilante perpendiculare între ele, are o lungime de undă specifică (determinată de energie) și călătorește cu viteza luminii.

Zburând pe lângă particulele încărcate, reflectându-se de la suprafață, interacționând cu alte fenomene electromagnetice, câmpurile electrice și magnetice reacționează cu mediul lor.

Lumina primită ar trebui să fie inițial nepolarizată, dar un număr mare de lucruri o fac să fie polarizată într-o varietate de moduri. Cu alte cuvinte, lumina, care are în mod normal câmpuri electrice și magnetice orientate aleatoriu, poate experimenta interacțiuni care le determină să aibă o orientare preferată. Și acum ea va putea să ne spună o mulțime de lucruri informative despre cine a interacționat lumina de-a lungul istoriei sale.

Efectul de polarizare al radiației de fond cu microunde a fost descoperit pentru prima dată deceniul trecut folosind satelitul WMAP și se așteaptă rezultate și mai bune de la Observatorul Planck în viitor (dar acest tip de cercetare, trebuie remarcat, este foarte greu de implementat). Polarizarea care face ca lumina să pară „radială” se numește polarizare în modul E (pentru câmpuri electrice), iar cea care face lumina „răsucită” se numește polarizare în modul B (pentru câmpuri magnetice).

Cele mai multe dintre efectele observate s-au datorat miliardelor de ani-lumină de materie prin care a trecut lumina; numim acest lucru „prim-plan”. A trebuit să călătorească până la capăt în toate direcțiile din epoca radiațiilor pentru a ajunge astăzi la ochii noștri.

Dar o mică parte din polarizare trebuie să fi ajuns la noi din vremuri mai vechi. Vedeți, înainte de Big Bang - înainte ca Universul să poată fi chiar descris ca fierbinte, dens și plin de materie și radiații - Universul pur și simplu se extindea exponențial; a fost o perioadă de inflație cosmică. În acest moment, Universul era dominat de energia inerentă spațiului gol însuși - energie în cantități mult mai mari decât ceea ce este prezent în el astăzi.

În acest timp, fluctuațiile cuantice - inerente spațiului însuși - s-au întins pe tot Universul și au furnizat fluctuațiile inițiale de densitate care au dat naștere Universului de astăzi.

Dar numai în regiunile în care inflația s-a încheiat și unde această energie inerentă spațiului este convertită în materie și radiații, are loc Big Bang-ul.

Și în aceste regiuni - unde inflația s-a încheiat - obținem un Univers mult mai mare decât partea observată a acestuia. Aceasta este ideea unui multivers și de aceea credem că cel mai probabil trăim într-unul.

Dar această inflație în sine? Putem afla ceva despre ea?

S-ar putea să credeți că fluctuațiile cuantice – și fluctuațiile de densitate pe care le generează – sunt tot ce avem. Și până de curând, așa ți-aș fi spus. Dar, teoretic, inflația generează și unde gravitaționale, pe care încă nu le-am putut detecta. LISA, antena spațială cu interferometru laser (un proiect împins în cel mai bun caz până în anii 2030), a fost cea mai bună speranță a noastră pentru detectarea directă a undelor.

Dar chiar și fără LISA, undele gravitaționale pot fi detectate indirect. Deși undele gravitaționale și lumina călătoresc cu aceeași viteză, lumina încetinește pe măsură ce trece printr-un mediu. Acest lucru se întâmplă chiar și într-un mediu atât de rarefiat precum spațiul intergalactic și interstelar! Și întrucât undele gravitaționale nu încetinesc - sunt afectate doar de curbura spațiu-timpului - ele depășesc lumina și conduc la polarizare!

În general, deformațiile spațiului-timp la anumite scări sunt cele care întind undele luminoase într-un anumit fel, pe măsură ce se deplasează de la Big Bang la ochii noștri.

Mai exact, semnăturile undelor gravitaționale ar trebui să apară ca polarizare în modul B și ar trebui să lase un model specific la scară mare.

Deși Observatorul Planck ar trebui să vadă și să confirme acest lucru, a fost bătut până la capăt de echipa care lucrează la Polul Sud: BICEP2!

La scări de aproximativ 1,5 grade, polarizarea în modul B este foarte evidentă și a fost deja declarată descoperită, deși cu o semnificație de 2,7σ (notă: la aceste scări semnificația este de 5,2σ, dar trebuie să convingă pe toată lumea că acest nivel de detecție nu a apărut datorită unei combinații de prim-plan și sistematică). 2.7σ înseamnă că există o șansă de 2% ca această detectare să fie falsă și să dispară cu mai multe date. Dar în lumea științei, aceasta este o probabilitate destul de mare, așa că această descoperire nu trebuie considerată încă un fapt împlinit.

Dacă descoperirea va rezista controlului, va fi o evoluție foarte serioasă. Acesta este ceea ce trebuie să măsurăm, nu doar pentru a afla dacă a existat inflație (cel mai probabil a fost), ci și pentru a afla ce model de inflație descrie Universul?

Planck, când a lansat primele rezultate anul trecut, nu a găsit nimic.

Există mai multe tipuri generale de inflație care ar putea apărea: în special, dacă valoarea lui r din graficele de mai sus se dovedește a fi zero, va fi în favoarea modelului „marje mici” și dacă se dovedește a fi ceva imens (de exemplu, 0,2, judecând după aceste rezultate), aceasta va fi o dovadă a modelului „câmpuri mari”.

Este acesta un rezultat clar? Nu. Avem nevoie de statistici mult mai bune pentru a declara aceasta o descoperire - nu putem accepta aceste rezultate și declara „da, acestea sunt unde gravitaționale primordiale rămase dinaintea inflației”, pentru că avem nevoie de dovezi mai bune. 2,7σ nu este rău, dar în lumea crudă a fizicii avem nevoie de un rezultat confirmat de 5σ. Coșul de gunoi al istoriei fizicii este plin de 3σ „descoperiri” care au dispărut odată cu sosirea de noi date.

Știm că a existat inflație; Originile structurii în Univers – apariția sa astăzi, apariția sa acum 13,8 miliarde de ani și peste tot între ele – ne-au spus deja acest lucru. Dar există posibilitatea, și primele indicii, ca și undele gravitaționale să rămână. Și dacă se dovedește că chiar i-am văzut, ar trebui să avem confirmarea acestui lucru în următorii câțiva ani. Dar dacă o observație devine nesemnificativă pe măsură ce sunt colectate datele, aceasta nu înseamnă că modelul de inflație este greșit - doar că nu produce cele mai puternice moduri B.

Nu este încă o „descoperire”, dar este un indiciu că am fi dat peste ceva uimitor: primul indiciu despre cum s-a născut universul nostru. Dacă se va dovedi a fi corect, va fi descoperirea secolului. Dar dacă noile date o infirmă – ceea ce se poate întâmpla – asta nu înseamnă că modelul inflației este greșit; aceasta înseamnă că undele gravitaționale de la inflație sunt mai mici decât au prezis modelele cele mai optimiste.

Dar indiferent dacă este real sau nu, vom afla încă puțin mai multe despre cum a apărut întregul nostru Univers.

Actualizare: În comentariile la articolul original, cititorii au raportat că lucrarea a menționat o semnificație mai mare de 5σ. Mai exact, ei se uită la o zonă specifică a scării unghiulare unde văd de fapt un semnal cu o semnificație de 5,2σ.

Ar putea concentrarea să fie responsabilă pentru asta? Aceasta este singura componentă care poate fi eliminată - dacă am înțeles corect lucrul, desigur - cu o semnificație de doar 2,7σ.

Convinge-te singur.

Semnificația rezultatului nu este mai mare decât cea a celei mai probabile surse de incertitudine și, chiar dacă r poate fi zero, este foarte important să excludem această posibilitate. Poate că a fost exclus din muncă, dar nu mi s-a părut că acest lucru s-a făcut clar și clar. Cu toate acestea, sunt foarte interesat de cum se va dezvolta toate acestea! Dacă elimină focalizarea, precum și emisia de sincrotron, limita de 5σ va fi îndeplinită, iar asta va însemna deja un premiu Nobel!

Pe 17 martie 2014, oamenii de știință de la Centrul Harvard-Smithsonian pentru Astrofizică au anunțat descoperirea unui mod B la nivelul r = 0,2. Cu toate acestea, o analiză mai recentă (publicată pe 19 septembrie 2014) de către un alt grup de cercetători care utilizează date de la Observatorul Planck a arătat că rezultatul BICEP2 poate fi atribuit în întregime prafului galactic.

A FOST UN BIG BANG?

În timpul nostru, există două teorii „științifice” principale ale originii Universului nostru. Conform teoriei stării de echilibru, materia/energia, spațiul și timpul au existat dintotdeauna. Dar imediat apare o întrebare logică: de ce nimeni nu reușește acum să creeze materie și energie? Acest lucru este afirmat de Prima lege a termodinamicii, nu a fost găsită o singură excepție. Dimpotrivă, totul tinde să se degradeze și să se distrugă, energia se epuizează, devenind din ce în ce mai puțin capabilă să lucreze (aceasta se numește a doua lege a termodinamicii). Un Univers infinit de vechi ar fi complet lipsit de energie utilă și orice schimbare - ajungând la o stare numită moarte prin căldură.

Cea mai populară teorie a originii Universului, susținută de majoritatea teoreticienilor, este Teoria Big Bang. Asemenea relatării biblice despre Creație, acesta susține că universul a luat ființă brusc, dar că a fost un eveniment întâmplător care s-a întâmplat cu miliarde de ani în urmă. Estimările vârstei Universului au fluctuat recent între 8 și 20 de miliarde de ani; în prezent vorbim de 12 miliarde de ani.

Teoria Big Bang a fost propusă în anii 20 ai secolului nostru de oamenii de știință Friedman și Lemaitre; în anii patruzeci a fost completată și revizuită de Gamow. Conform acestei teorii, cândva, Universul nostru a fost o grămadă infinitezimală, super-densă și încălzită la temperaturi de neimaginat. Această formațiune instabilă a explodat brusc, spațiul s-a extins rapid și temperatura particulelor de înaltă energie zburătoare a început să scadă. După aproximativ primul milion de ani, atomii celor mai ușoare două elemente, hidrogen și heliu, au devenit stabili. Sub influența gravitației, norii de materie au început să se concentreze. Ca urmare, s-au format galaxii, stele și alte corpuri cerești. Stelele îmbătrânesc, supernovele au explodat, după care au apărut elemente mai grele. Ei au format stele ale unei generații ulterioare, cum ar fi Soarele nostru. Ca dovadă că Big Bang-ul a avut loc la un moment dat, ei vorbesc despre schimbarea roșie a luminii de la obiecte situate la distanțe mari și radiația de fundal cu microunde.

Tura roșie

Spectrul observat al elementelor situate la o distanță foarte mare de noi este în general același ca pe Pământ, dar liniile spectrale sunt deplasate către o regiune de frecvență joasă - la o lungime de undă mai mare. Acest fenomen se numește redshift. Ei încearcă să explice spunând că Pământul și obiectul zboară cu viteză mare în direcții diferite. Urmând această teorie, dacă urmăriți acest proces înapoi în timp, totul ar fi trebuit să înceapă de la un punct - Big Bang.

Este posibil ca deplasarea la roșu în spectrul galaxiilor îndepărtate să se producă deoarece acestea se îndepărtează de noi. Biblia spune că Domnul a întins cerurile. Acțiunea acestei mișcări este opusă acțiunii forțelor de atracție, care stabilizează întregul sistem. Cu toate acestea, dacă cerurile au fost create cu această energie cinetică „încorporată” cu doar câteva mii de ani în urmă, atunci dacă încercăm să ne uităm la vremuri mai vechi, putem ajunge la concluzii false. Situația care s-a dezvoltat în Universul observabil până la vremea noastră ne poate oferi o oarecare înțelegere a ceea ce s-a întâmplat în trecut, dar nu putem spune nimic cu deplină încredere.

O altă posibilă explicație pentru deplasarea spre roșu este atracția gravitațională a luminii care vine dintr-o galaxie sau stea. Un caz extrem al acestui efect ar putea fi o gaură neagră, în care lumina nu poate învinge deloc atracția gravitațională (Potrivit teoriei, găurile negre au apărut ca urmare a plierii gravitaționale (prăbușirii) stelelor gigantice vechi, epuizate. particularităţile structurii şi funcţionării găurilor negre sunt extrem de greu de detectat. Până în prezent nu putem spune cu certitudine dacă a fost descoperită cel puţin una dintre ele).

Oamenii de știință sovietici au sugerat că deplasarea la roșu poate apărea din cauza scăderii vitezei luminii în timp. ( Troitskii, Astrofizică și spațiu Ştiinţă, 139, (1987) 389). Acest efect poate genera și radiații de fond.

Radiația de fundal

Teoreticienii au sugerat că „ecoul” Big Bang-ului primordial a suferit, de asemenea, o schimbare spre roșu și acum trebuie căutat în intervalul de microunde al spectrului. În 1965, Penzias și Wilson ( Penzias, Wilson) a descoperit radiația de fond cu microunde cu o temperatură de numai 3° peste zero absolut. Ar putea fi aceasta dovada unui big bang?

Radiația de fundal de aproximativ 3°K este exact aceeași în toate direcțiile, adică. izotrop. Universul este format din vaste spații goale și grupuri gigantice de galaxii. Dacă radiația indică trecutul Universului, atunci nu ar trebui să fie izotrop. Din cauza acestei discrepanțe, NASA a trimis un satelit special (COBE) pentru a măsura mai precis radiația de fond. Și din nou s-a dovedit că radiația a fost exact aceeași în toate direcțiile. Cu toate acestea, cu ajutorul amplificării multiple computerizate a semnalului, astronomii au obținut în sfârșit anizotropia mult așteptată. Diferența de temperatură a fost de milionimi de grad. 1 mai 1992 în revistă Ştiinţă a fost publicat un articol care spunea că diferența de temperatură „este mult sub nivelul de zgomot al instrumentelor de măsură”.

Ceva din nimic

Astronom David Darling ( Dragă) în articolul din Un nou om de știință(14 septembrie 1996, p. 49) avertizează: „Nu lăsați interpreții cosmologici să vă păcălească. Nici ei nu au răspunsuri la întrebări – deși au muncit din greu pentru a convinge pe toți, inclusiv pe ei înșiși, că totul este clar pentru ei... De fapt, explicația despre cum și unde a început totul este încă. Este o problemă serioasă acum. Nici măcar apelarea la mecanica cuantică nu ajută. Sau nu exista nimic din care să poată începe totul – nici vid cuantic, nici praf pre-geometric, nici timp în care să se întâmple ceva, nici legi fizice de orice fel, conform cărora nimic nu se putea transforma în ceva. Sau a existat ceva, caz în care necesită o explicație.”

Prima lege, despre care am vorbit deja, spune: nu poți obține ceva din nimic.

Ordin de la explozie? Conform celei de-a doua legi a termodinamicii, ordinea observată în sistemul nostru solar nu poate fi rezultatul unei explozii. O explozie nu duce la ordine. Pentru a obține o anumită ordine, este necesar să introduceți nu numai energie, ci și informații.

Materie întunecată rece ascunsă

O problemă uriașă cu teoria Big Bang este modul în care presupusa radiație primordială de înaltă energie, care se presupune că se împrăștie în direcții diferite, s-ar putea combina în structuri precum stele, galaxii și grupuri de galaxii. Această teorie presupune prezența unor surse suplimentare de masă care oferă valorile corespunzătoare ale forței de atracție. Această materie, care nu a fost niciodată descoperită, a fost numită Cold Dark Matter (CDM). S-a calculat că pentru formarea galaxiilor este necesar ca o astfel de materie să constituie 95-99% din Univers. Acest material este asemănător cu noua ținută a regelui din basmul lui Andersen - toată lumea vorbește despre el, dar nimeni nu l-a văzut. Oricare ar fi sursele CDM care au fost inventate! M. Hawkins ( Hawkins) in carte Vânând Universul(1997) au propus că 99% din masa totală a Universului constă din mini găuri negre, fiecare de dimensiunea unui pat dublu. Dar dacă aceste găuri negre misterioase s-ar forma prin prăbușirea stelelor, așa cum sugerează teoria, este puțin probabil ca ele să fie cauza formării stelelor - stelele se formează doar din stele. Un alt concurent pentru sursa pierdută de gravitație este „benzile zdruncinate de materie fibroasă care se întind milioane de kilometri în spațiu, precum și bulgări de energie super-grele în formă de covrigi” ( Un nou om de știință, 27 septembrie 1997, p. treizeci). Au piticii roșii vreo legătură cu gravitația dorită? Nu, răspund experții în cosmologie, sunt prea puțini, iar densitatea lor nu este atât de mare. Până în august 1997, doar șase pitice brune au fost înregistrate, sau mai bine zis, doar șase se pot spune cu siguranță. revista 30 aprilie 1992 Natură a scris: „În afara domeniului cosmologiei pentru care au fost inventate, nici materia întunecată, nici expansiunea universului nu au un sprijin credibil”.

Antimaterie pierdută

Dacă materia a apărut din radiația de înaltă energie generată de big bang, atunci ar fi trebuit creată o cantitate egală de antimaterie în același timp. Dar nu s-a format. Dacă s-ar întâmpla acest lucru, materia și antimateria s-ar anihila reciproc.

Nașterea și moartea stelelor

Biblia spune că Creatorul și-a încheiat lucrarea în șase zile. Conform teoriei Big Bang, stelele se nasc și mor alternativ. Se crede că stelele se formează atunci când norii de praf se îngroașă. Din moment ce se spune că acest proces va dura milioane de ani, nimeni nu a văzut o singură stea născută. Astronomii pot indica orice nebuloasă și pot declara că este o protostea. Dar este? În timp, steaua se arde și începe să se micșoreze sub propria gravitație. Rezultatul este o explozie de supernovă. Un spectacol similar a putut fi observat în 1987 și timp de câteva luni. La 4 iulie 1054, potrivit cronicilor chineze, același fenomen a fost observat în zona cerului unde se află acum Nebuloasa Crabului. Moartea și distrugerea se vor întâmpla cu tot ceea ce există, așa cum afirmă a doua lege a termodinamicii. Stelele sunt clasificate în trei categorii principale: secvența principală (cum ar fi Soarele nostru), giganți roșii și pitici albe. Se crede că o stea trebuie să treacă prin toate aceste trei etape pe parcursul a milioane de ani de viață. Diagramele care prezintă luminozitatea stelelor în funcție de temperatura lor arată clar existența a trei tipuri de stele.

Steaua Sirius este cea mai strălucitoare stea pe care o putem vedea și a cincea cea mai apropiată de Pământ. O stea pitică albă slabă se învârte în jurul ei. Dar judecând după cronici, în urmă cu doar o mie și jumătate de ani, această stea însoțitoare era o gigantă roșie. Moartea și distrugerea stelelor nu este, evident, un proces atât de lent.

Dimensiunea și vârsta Universului

Distanțele în spațiu sunt estimate folosind constanta Hubble, care relaționează distanța cu viteza de retragere. Adică pentru a afla distanța, folosim aceeași distanță! Vorbind despre incertitudinea valorii acestei constante, editorul revistei Natură(27 iulie 1995, p. 291), a remarcat: „Este păcat că atâta timp cât discrepanțele persistă, cosmologii nu vor ști cum să abordeze întrebări precum dacă Big Bang-ul s-a întâmplat cu adevărat”.

Câmpurile magnetice găsite pe Ganymede, Marte și alte planete sfidează explicația atunci când sunt măsurate în milioane de ani. În ciuda faptului că întrebarea cu privire la momentul acumulării de praf pe Lună a fost revizuită radical, problema nu a fost încă rezolvată - de ce există atât de puțin praf pe Lună? Nici problema instabilității inelelor lui Saturn nu a fost rezolvată.

Principiul antropic

Nucleul unui atom al oricărui element chimic este format din protoni și neutroni. Protonii sunt puțin mai mari decât neutronii. Dacă protonul ar cântări cu 0,2% mai mult, ar fi instabil și s-ar descompune într-un neutron, pozitron și neutrin. Există un proton în nucleul atomilor de hidrogen, așa că dacă protonul ar fi instabil, nu ar exista nici stele, nici apă, nici molecule organice. Stabilitatea protonului nu este o chestiune de selecție naturală, ceea ce înseamnă că trebuie să fi fost așa de la bun început.

Forța de atracție a gravitației este invers proporțională cu pătratul distanței R dintre mase, mai precis - R-2,00000. Dacă această relație nu ar fi atât de ultra-precisă, Universul nu ar fi un singur întreg.

Pământul este situat la o distanță de Soare care este optimă pentru existența vieții pe planeta noastră. Viteza de rotație a Pământului; oceanele și atmosfera acestuia; Luna; Jupiterul masiv defăcând comete care amenință planeta noastră (cum ar fi cometa Shoemaker-Levy) cu gravitația sa - toate acestea servesc la susținerea vieții pe Pământ.

Se pare că Universul, Sistemul Solar și Pământul au fost toate create special pentru oameni. Știința recunoaște acest fapt și îl numește principiul antropic.

Faptul că Creatorul nu poate fi detectat și măsurat folosind instrumente științifice nu înseamnă că El nu există. Dar acest lucru îi împinge pe oamenii de știință să caute explicații alternative. Un astronom a sugerat că Universul nostru a fost creat de ființe inteligente care au venit de nicăieri! Și altul crede că Universul nostru este unul dintre miliardele de universuri, singurul care are toate condițiile pentru existența vieții...

Univers inteligent

Sir Fred Hoyle ( Hoyle), un astronom celebru, scria odată: „Tabloul Universului, formarea galaxiilor și a stelelor, cel puțin așa cum apare în astronomie, este surprinzător de neclară, ca un peisaj vizibil în ceață... Este evident că în studiul cosmologiei lipsește o componentă - una care presupune un design inteligent.”

Deci a fost un big bang? Redshift-ul și radiațiile de fond nu pot oferi dovezi concludente în acest sens. Legile termodinamicii, gravitației și teoria informației oferă totuși un răspuns destul de clar. Nu a fost nicio explozie.

Dr. David Roseware

Dr. David Rosevear. A existat un Big Bang?

Creation Science Movement (Marea Britanie), Pamflet 317. Traducere din engleză de Elena Buklerskaya.