Kaikki alkuräjähdyksestä. Mitä tapahtui ennen alkuräjähdystä

Mitä tapahtui ennen alkuräjähdystä?

Big Bang -teoria sisältää erittäin mielenkiintoisen käsitteen - singulaarisuuden. Lyön vetoa, että se saa sinut miettimään: mikä on singulariteetti? Myös tähtitieteilijät, fyysikot ja muut tiedemiehet kysyvät tämän kysymyksen. Singulariteettien uskotaan olevan mustien aukkojen ytimissä. Musta aukko on voimakkaan gravitaatiopaineen alue. Tämä paine on teorian mukaan niin voimakas, että ainetta puristetaan, kunnes sen tiheys on ääretön. Tätä ääretöntä tiheyttä kutsutaan singulariteetti. Maailmankaikkeutemme oletetaan alkaneen yhdestä näistä äärettömän pienistä, äärettömän kuumista ja äärettömän tiheistä singulariteeteista. Emme kuitenkaan ole vielä tulleet itse alkuräjähdystä. Alkuräjähdys on hetki, jolloin tämä singulaarisuus yhtäkkiä "räjähti" ja alkoi laajentua ja loi universumimme.

Alkuräjähdysteoria näyttäisi viittaavan siihen, että aika ja avaruus olivat olemassa ennen universumimme syntyä. Stephen Hawking, George Ellis ja Roger Penrose (et al.) kehittivät kuitenkin 1960-luvun lopulla teorian, joka yritti selittää, että aikaa ja tilaa ei ollut olemassa ennen singulaarisuuden laajentumista. Toisin sanoen, aikaa tai tilaa ei ollut olemassa ennen kuin maailmankaikkeus oli olemassa.

Mitä tapahtui alkuräjähdyksen jälkeen?

Alkuräjähdyksen hetki on ajan alun hetki. Alkuräjähdyksen jälkeen, mutta paljon ennen ensimmäistä sekuntia (10-43 sekuntia), kosmos kokee erittäin nopean inflaatiolaajenemisen, joka laajenee 1050 kertaa sekunnin murto-osassa.

Sitten laajennus hidastuu, mutta ensimmäinen sekunti ei ole vielä saapunut (vain 10 -32 sekuntia enemmän). Tällä hetkellä universumi on elektronien, kvarkkien ja muiden alkuainehiukkasten kiehuva "liemi" (lämpötila 10 27 °C).

Avaruuden nopea jäähtyminen (jopa 10 13 °C) mahdollistaa kvarkkien yhdistymisen protoneiksi ja neutroneiksi. Ensimmäinen sekunti ei kuitenkaan ole vielä saapunut (vain 10 -6 sekuntia enemmän).

Kolmen minuutin kohdalla, joka on liian kuuma atomeiksi yhdistettäväksi, varautuneet elektronit ja protonit estävät valoa säteilemästä. Universumi on superkuuma sumu (10 8 °C).

300 000 vuoden kuluttua maailmankaikkeus jäähtyy 10 000 °C:seen, elektronit protonien ja neutronien kanssa muodostavat atomeja, pääasiassa vetyä ja heliumia.

Miljardi vuotta alkuräjähdyksen jälkeen, kun maailmankaikkeuden lämpötila saavutti -200 °C, vety ja helium muodostavat jättimäisiä "pilviä", joista myöhemmin tulee galakseja. Ensimmäiset tähdet ilmestyvät.

Alkuräjähdysteoriaa pidetään nykyään yhtä varmana kuin Kopernikaanisen järjestelmän. Kuitenkin 1960-luvun jälkipuoliskolle asti sillä ei ollut yleistä tunnustusta, eikä vain siksi, että monet kynnyksen tutkijat kielsivät ajatuksen maailmankaikkeuden laajenemisesta. Tällä mallilla oli vain vakava kilpailija.

11 vuoden kuluttua kosmologia tieteenä voi juhlia satavuotisjuhliaan. Albert Einstein tajusi vuonna 1917, että yleisen suhteellisuusteorian yhtälöiden avulla on mahdollista laskea fyysisesti järkeviä maailmankaikkeuden malleja. Klassinen mekaniikka ja painovoimateoria eivät tarjoa tällaista mahdollisuutta: Newton yritti rakentaa yleiskuvan maailmankaikkeudesta, mutta kaikissa tapauksissa se väistämättä romahti painovoiman vaikutuksesta.

Einstein ei vahvasti uskonut maailmankaikkeuden alkuun ja loppuun ja siksi keksi aina olemassa olevan staattisen universumin. Tätä varten hänen täytyi sisällyttää yhtälöihinsä erityinen komponentti, joka loi "antipainovoiman" ja varmisti siten muodollisesti maailmanjärjestyksen vakauden. Einstein piti tätä lisäystä (ns. kosmologinen termi) epäeleganttina, rumana, mutta silti tarpeellisena (yleisen suhteellisuusteorian kirjoittaja ei uskonut turhaan esteettistä vaistoaan - myöhemmin todistettiin, että staattinen malli on epävakaa ja siksi fyysisesti merkityksetön).

Einsteinin mallille tuli nopeasti kilpailijoita – Willem de Sitterin (1917) maailman ilman materiaa malli, Alexander Friedmanin suljetut ja avoimet ei-kiinteät mallit (1922 ja 1924). Mutta nämä kauniit rakenteet jäivät toistaiseksi puhtaasti matemaattisiksi harjoituksiksi. Puhuaksesi universumista kokonaisuutena ei ole spekulaatiota, sinun on ainakin tiedettävä, että on olemassa maailmoja, jotka sijaitsevat sen tähtijoukon ulkopuolella, jossa aurinkokunta sijaitsee ja me olemme sen kanssa. Ja kosmologia pystyi hakemaan tukea tähtitieteellisissä havainnoissa vasta sen jälkeen, kun Edwin Hubble julkaisi teoksensa "Extragalactic Nebulae" vuonna 1926, jossa annettiin ensimmäistä kertaa kuvaus galakseista itsenäisinä tähtijärjestelminä, jotka eivät ole osa Linnunrataa.

Universumin luominen ei kestänyt ollenkaan kuutta päivää - suurin osa työstä valmistui paljon aikaisemmin. Tässä on hänen likimääräinen kronologiansa.

0. Big bang.

Planck-aika: 10-43 s. Planckin hetki. Gravitaatiovuorovaikutus on erotettu toisistaan. Universumin koko on tällä hetkellä 10-35 m (ns. Planckin pituus). 10-37 s. universumin inflaatiolaajeneminen.

Suuren yhdistymisen aika: 10-35 s. Vahvojen ja sähköheikkojen vuorovaikutusten erottaminen. 10-12 s. Heikon vuorovaikutuksen erottaminen ja vuorovaikutusten lopullinen erottelu.

Hadronin aikakausi: 10-6 s. Protoni-antiprotoni-parien tuhoutuminen. Kvarkit ja antikvarkit lakkaavat olemasta vapaina hiukkasina.

Leptonin aikakausi: 1 s. Muodostuu vetyytimiä. Heliumin ydinfuusio alkaa.

Nukleosynteesin aikakausi: 3 minuuttia. Maailmankaikkeus koostuu 75 % vedystä ja 25 % heliumista sekä vähäisistä määristä raskaita alkuaineita.

Säteilyaika: 1 viikko. Tähän mennessä säteily on termistynyt.

Aineen aikakausi: 10 tuhatta vuotta. Aine alkaa hallita maailmankaikkeutta. 380 tuhatta vuotta. Vetyytimet ja elektronit yhdistyvät uudelleen, universumi muuttuu läpinäkyväksi säteilylle.

Tähtien aikakausi: 1 miljardi vuotta. Ensimmäisten galaksien muodostuminen. 1 miljardi vuotta. Ensimmäisten tähtien muodostuminen. 9 miljardia vuotta. Aurinkokunnan muodostuminen. 13,5 miljardia vuotta. Tämä hetki

Väistyvät galaksit

Tämä mahdollisuus toteutui nopeasti. Belgialainen Georges Henri Lemaitre, joka opiskeli astrofysiikkaa Massachusetts Institute of Technologyssa, kuuli huhuja, että Hubble oli lähellä vallankumouksellista löytöä - todistetta galaksien taantumasta. Vuonna 1927, palattuaan kotimaahansa, Lemaitre julkaisi (ja myöhempinä vuosina jalosti ja kehitti) mallin maailmankaikkeudesta, joka muodostui yleisen suhteellisuusteorian yhtälöiden mukaisesti laajenevan supertiheän aineen räjähdyksen seurauksena. Hän osoitti matemaattisesti, että niiden radiaalisen nopeuden tulisi olla verrannollinen niiden etäisyyteen aurinkokunnasta. Vuotta myöhemmin Princetonin matemaatikko Howard Robertson päätyi itsenäisesti samaan johtopäätökseen.

Ja vuonna 1929 Hubble sai saman riippuvuuden kokeellisesti käsittelemällä tietoja 24 galaksin etäisyydestä ja niistä tulevan valon punasiirtymästä. Viisi vuotta myöhemmin Hubble ja hänen apulaistarkkailijansa Milton Humason esittivät uusia todisteita tälle johtopäätökselle tarkkailemalla erittäin heikkoja galakseja havaittavan avaruuden äärimmäisillä reuna-alueilla. Lemaitren ja Robertsonin ennusteet olivat täysin perusteltuja, ja ei-stationaarisen universumin kosmologia näytti voittavan ratkaisevan voiton.

Tuntematon malli

Mutta silti tähtitieteilijillä ei ollut kiirettä huutaa hurraa. Lemaitren malli mahdollisti universumin olemassaolon keston arvioimisen - tätä varten tarvittiin vain selvittää Hubblen yhtälöön sisältyvän vakion numeerinen arvo. Yritykset määrittää tämä vakio johtivat johtopäätökseen, että maailmamme syntyi vasta noin kaksi miljardia vuotta sitten. Geologit kuitenkin väittivät, että maapallo on paljon vanhempi, ja tähtitieteilijöillä ei ollut epäilystäkään siitä, että avaruus on täynnä kunnioitettavamman ikäisiä tähtiä. Astrofyysikoilla oli myös omat syynsä epäluottamukseen: Lemaitren malliin perustuva kemiallisten alkuaineiden jakautumisen prosenttiosuus maailmankaikkeudessa (tämän työn teki ensimmäisen kerran Chandrasekhar vuonna 1942) oli selvästi ristiriidassa todellisuuden kanssa.

Asiantuntijoiden skeptisyys selittyy myös filosofisilla syillä. Tähtitieteellinen yhteisö on juuri tottunut ajatukseen, että sen eteen on avautunut loputon monien galaksien asuttama maailma. Tuntui luonnolliselta, että se ei perustu perusteissaan muutu ja on olemassa ikuisesti. Ja nyt tutkijoita pyydettiin myöntämään, että kosmos on rajallinen paitsi avaruudessa, myös ajassa (lisäksi tämä ajatus ehdotti jumalallista luomista). Siksi Lemaitren teoria jäi toimimatta pitkään. Vielä pahempi kohtalo kohtasi kuitenkin Richard Tolmanin vuonna 1934 ehdottaman ikuisesti värähtelevän universumin mallin. Se ei saanut vakavaa tunnustusta ollenkaan, ja 1960-luvun lopulla se hylättiin matemaattisesti virheellisenä.

Ilmapallojen pörssiosakkeet eivät juurikaan nousseet sen jälkeen, kun George Gamow ja hänen jatko-opiskelijansa Ralph Alfer rakensivat mallista uuden, realistisemman version vuoden 1948 alussa. Lemaitren maailmankaikkeus syntyi hypoteettisen "primaariatomin" räjähdyksestä, joka selvästi ylitti fyysikkojen mikromaailman luonteen käsityksen.

Gamowin teoriaa kutsuttiin pitkään melko akateemisesti - "dynaamiseksi kehittyväksi malliksi". Ja ilmaisun "Big Bang", kummallista kyllä, ei tämän teorian kirjoittaja eikä edes sen kannattaja tuonut liikkeeseen. Vuonna 1949 BBC:n tiedetuottaja Peter Laslett ehdotti Fred Hoylelle viiden luennon sarjaa. Hoyle loisti mikrofonin edessä ja sai välittömästi paljon faneja radiokuuntelijoiden keskuudessa. Viimeisessä puheessaan hän puhui kosmologiasta, puhui mallistaan ​​ja päätti lopulta tehdä pisteet kilpailijoiden kanssa. Heidän teoriansa, Hoyle sanoi, "perustuu olettamukseen, että maailmankaikkeus syntyi yhden voimakkaan räjähdyksen prosessissa ja on siksi olemassa vain rajallisen ajan ... Tämä alkuräjähdyksen idea näyttää minusta täysin epätyydyttävältä ." Näin ilmaisu ilmestyi ensimmäisen kerran. Se voidaan kääntää myös venäjäksi "Big Cotton", mikä luultavasti vastaa tarkemmin u:n halventavaa merkitystä, jonka Hoyle laittoi siihen. Vuotta myöhemmin hänen luennot julkaistiin, ja uusi termi levisi ympäri maailmaa.

George Gamow ja Ralph Alpher ehdottivat, että maailmankaikkeus koostui pian sen syntymän jälkeen tunnetuista hiukkasista - elektroneista, fotoneista, protoneista ja neutroneista. Heidän mallissaan tämä seos kuumennettiin korkeisiin lämpötiloihin ja pakattiin tiiviisti pieneen (nykyiseen) tilavuuteen. Gamow ja Alfer osoittivat, että tässä superkuumassa keitossa tapahtuu lämpöydinfuusio, jonka seurauksena muodostuu heliumin pääisotooppi, helium-4. He jopa laskevat, että muutaman minuutin kuluttua aine siirtyy tasapainotilaan, jossa jokaista heliumydintä kohti on noin tusina vetyytimiä.

Tämä osuus oli täysin yhtäpitävä tähtitieteellisten tietojen kanssa valoelementtien jakautumisesta universumissa. Enrico Fermi ja Anthony Turkevich vahvistivat pian nämä johtopäätökset. He havaitsivat myös, että fuusioprosessien on tuotettava osa kevyestä helium-3-isotoopista ja vedyn, deuteriumin ja tritiumin raskaita isotooppeja. Heidän arvionsa näiden kolmen isotoopin pitoisuudesta ulkoavaruudessa osuivat myös yhteen tähtitieteilijöiden havaintojen kanssa.

Ongelma teoria

Mutta käytännön tähtitieteilijät epäilivät edelleen. Ensinnäkin jäljellä oli maailmankaikkeuden iän ongelma, jota Gamowin teoria ei pystynyt ratkaisemaan. Maailman olemassaolon kestoa oli mahdollista pidentää vain todistamalla, että galaksit lentää erilleen paljon hitaammin kuin yleisesti uskotaan (lopussa näin tapahtui ja suurelta osin Palomarin observatoriossa tehtyjen havaintojen avulla , mutta jo 1960-luvulla).

Toiseksi Gamow'n teoria pysähtyi nukleosynteesiin. Selitettyään heliumin, deuteriumin ja tritiumin alkuperän hän ei voinut siirtyä raskaampiin ytimiin. Helium-4-ydin koostuu kahdesta protonista ja kahdesta neutronista. Kaikki olisi hyvin, jos se voisi kiinnittää protonin ja muuttua litiumytimeksi. Kolmen protonin ja kahden neutronin tai kahden protonin ja kolmen neutronin (litium-5 ja helium-5) ytimet ovat kuitenkin erittäin epävakaita ja hajoavat välittömästi. Siksi luonnossa on vain stabiilia litium-6:ta (kolme protonia ja kolme neutronia). Sen muodostamiseksi suoralla fuusiolla on välttämätöntä, että sekä protoni että neutroni sulautuvat samanaikaisesti heliumytimeen, ja tämän tapahtuman todennäköisyys on erittäin pieni. Totta, korkean aineentiheyden olosuhteissa maailmankaikkeuden olemassaolon ensimmäisten minuuttien aikana tällaisia ​​reaktioita tapahtuu edelleen satunnaisesti, mikä selittää vanhimpien litiumatomien erittäin alhaisen pitoisuuden.

Luonto on valmistanut Gamowille toisen epämiellyttävän yllätyksen. Polku raskaisiin elementteihin voisi kulkea myös kahden heliumytimen fuusion kautta, mutta tämä yhdistelmä ei myöskään ole elinkelpoinen. Litiumia raskaampien alkuaineiden alkuperää ei voitu selittää, ja 1940-luvun lopulla tämä este vaikutti ylitsepääsemättömältä (nyt tiedämme, että ne syntyvät vain vakaissa ja räjähtävissä tähdissä ja kosmisissa säteissä, mutta Gamow ei tiennyt tätä).

Universumin "kuuman" syntymän mallissa oli kuitenkin vielä yksi kortti varassa, josta tuli lopulta valttikortti. Vuonna 1948 Alfer ja toinen Gamowin avustaja, Robert Herman, päättelivät, että kosmos oli läpäissyt mikroaaltosäteilyn, joka syntyi 300 000 vuotta ensisijaisen kataklysmin jälkeen. Radioastronomit eivät kuitenkaan osoittaneet kiinnostusta tähän ennustukseen, ja se jäi paperille.

Kilpailijan ilmaantuminen

Gamow ja Alfer keksivät "kuuman" mallinsa Yhdysvaltain pääkaupungissa, jossa Gamow opetti vuodesta 1934 George Washingtonin yliopistossa. He saivat monia tuottavia ideoita juoessaan maltillisesti Little Vienna -baarissa Pennsylvania Avenuella lähellä Valkoista taloa. Ja jos tämä polku kosmologisen teorian rakentamiseen näyttää joillekin eksoottiselta, entä kauhuelokuvavaikutteinen vaihtoehto?

Fred Hoyle: Universumin laajeneminen jatkuu ikuisesti! Aine syntyy spontaanisti tyhjiössä sellaisella nopeudella, että universumin keskimääräinen tiheys pysyy vakiona

Vanhassa hyvässä Englannissa, Cambridgen yliopistossa, sodan jälkeen asettui kolme merkittävää tiedemiestä - Fred Hoyle, Herman Bondi ja Thomas Gold. Sitä ennen he työskentelivät Britannian laivaston tutkalaboratoriossa, jossa heistä tuli ystäviä. Yorkshiresta kotoisin oleva englantilainen Hoyle ei ollut vielä 30-vuotias Saksan antautuessa, ja hänen ystävänsä, Wienistä kotoisin olevat, täyttivät 25 vuotta. Hoyle ja hänen ystävänsä "tutka-aikakaudellaan" ottivat mielensä keskusteluihin maan ongelmista. maailmankaikkeus ja kosmologia. Kaikki kolme eivät pitäneet Lemaitren mallista, mutta Hubblen laki otettiin vakavasti, ja siksi he hylkäsivät käsitteen staattisesta universumista. Sodan jälkeen he tapasivat Bondy'sissa ja keskustelivat samoista ongelmista. Ymmärrys laskeutui "Dead in the Night" -kauhuelokuvan katsomisen jälkeen. Sen päähenkilö Walter Craig joutui suljettuun tapahtumasilmukkaan, joka kuvan lopussa palautti hänet samaan tilanteeseen, josta kaikki alkoi. Tällaisen juonen elokuva voi jatkua loputtomiin (kuten runo papista ja hänen koirastaan). Silloin Gold tajusi, että universumi voisi osoittautua tämän juonen analogiksi - samanaikaisesti muuttuvana ja muuttumattomana!

Ystävät pitivät ideaa hulluna, mutta sitten he päättivät, että siinä oli jotain. Yhdessä he muuttivat hypoteesit y yhtenäiseksi teoriaksi. Bondy ja Gold pitivät yleisesityksensä ja Hoyle erillisessä julkaisussa "A New Model of the Expanding Universe" - matemaattisia laskelmia. Hän otti yleisen suhteellisuusteorian yhtälöt perustaksi, mutta täydensi niitä hypoteettisella "luomisen kentällä" (Creation field, C-field), jolla on negatiivinen paine. Jotain tämän kaltaista ilmestyi 30 vuotta myöhemmin inflaatiokosmologisissa teorioissa, joita Hoyle korosti suurella ilolla.

Vakaan tilan kosmologia

Uusi malli astui tieteen historiaan tasaisen tilan kosmologiana. Hän julisti ei vain kaikkien avaruuden pisteiden (tämä oli Einsteinilla), vaan myös kaikkien ajan hetkien täydellistä tasa-arvoa: Universumi laajenee, mutta sillä ei ole alkua, koska se pysyy aina samanlaisena itsensä kanssa. Gold kutsui tätä väitettä täydelliseksi kosmologiseksi periaatteeksi. Avaruuden geometria pysyy tässä mallissa tasaisena, kuten Newtonissa. Galaksit hajoavat, mutta avaruudessa "tyhmisestä" (tarkemmin sanottuna luomiskentästä) ilmaantuu uutta ainetta, ja niin intensiteetillä, että aineen keskimääräinen tiheys pysyy muuttumattomana. Tuolloin tunnetun Hubble-vakion arvon mukaisesti Hoyle laski, että jokaisessa tilan kuutiometrissä syntyy vain yksi hiukkanen 300 000 vuoden ajan. Kysymys poistettiin heti, miksi instrumentit eivät rekisteröi näitä prosesseja - ne ovat liian hitaita inhimillisesti katsottuna. Uusi kosmologia ei kokenut mitään universumin ikään liittyviä vaikeuksia, tätä ongelmaa ei yksinkertaisesti ollut sille.

Mallinsa vahvistamiseksi Hoyle ehdotti tietojen käyttämistä nuorten galaksien tilajakaumasta. Jos C-kenttä luo tasaisesti ainetta kaikkialla, tällaisten galaksien keskimääräisen tiheyden pitäisi olla suunnilleen sama. Päinvastoin, maailmankaikkeuden kataklysmisen syntymän malli ennustaa, että tämä tiheys on suurin havaittavan avaruuden kauimpana - sieltä tulee meille vielä vanhentumattomien tähtijoukkojen valo. Hoylen kriteeri oli täysin kohtuullinen, mutta tuolloin sitä ei ollut mahdollista testata riittävän tehokkaiden kaukoputkien puutteen vuoksi.

Voitto ja tappio

Kilpailevat teoriat ovat taistelleet lähes tasaisesti yli 15 vuoden ajan. Totta, vuonna 1955 englantilainen radioastronomi ja tuleva Nobel-palkittu Martin Ryle havaitsi, että heikkojen radiolähteiden tiheys kosmisella reuna-alueella on suurempi kuin lähellä galaksiamme. Hän totesi, että nämä tulokset ovat ristiriidassa vakaan tilan kosmologian kanssa. Muutaman vuoden kuluttua hänen kollegansa tulivat kuitenkin siihen tulokseen, että Ryle liioitteli tiheyserot, joten kysymys jäi avoimeksi.

Mutta hänen kahdentenakymmenentenä vuotenaan Hoylen kosmologia alkoi hiipua nopeasti. Siihen mennessä tähtitieteilijät olivat osoittaneet, että Hubble-vakio oli suuruusluokkaa pienempi kuin aikaisemmat arviot, mikä mahdollisti maailmankaikkeuden arvioitu iän nostamisen 10-20 miljardiin vuoteen (nykyinen arvio on 13,7 miljardia vuotta ± 200 miljoonaa). ). Ja vuonna 1965 Arno Penzias ja Robert Wilson havaitsivat Alpherin ja Hermannin ennustaman säteilyn ja saivat siten välittömästi suuren määrän kannattajia Big Bang -teorialle.

Tätä teoriaa on pidetty vakiona ja yleisesti hyväksyttynä kosmologisena mallina jo neljänkymmenen vuoden ajan. Hänellä on myös eri-ikäisiä kilpailijoita, mutta kukaan ei enää ota Hoylen teoriaa vakavasti. Häntä ei auttanut edes löytö (vuonna 1999) galaksien laajenemisen kiihtymisestä, jonka mahdollisuudesta sekä Hoyle että Bondy ja Gold kirjoittivat. Hänen aikansa on peruuttamattomasti mennyt.