Alles over de oerknal. Wat gebeurde er vóór de oerknal

De wetenschap die het heelal als één geheel bestudeert en de metagalaxie als onderdeel van het heelal wordt genoemd kosmologie. George Gamow, een Amerikaanse theoretisch natuurkundige, suggereert dat ons heelal, d.w.z. Metagalaxy, geboren in een warme toestand met een temperatuur van ongeveer 10 32 K. Gamow noemde dit model "Big Bang-kosmologie".

Gamow heeft 10 jaar aan dit model gewerkt. In 1948 publiceerde hij de theorie " oerknal" Volgens theorie "Oerknal" ons heelal breidt zich uit. De uitbreiding is begonnen 15 miljard jaar geleden vanaf de aanvankelijke zeer hete toestand. Volgens deze theorie bevond de materie van het heelal zich op het eerste moment in een toestand van fysiek vacuüm. Het fysieke vacuüm bevond zich sindsdien in een onstabiele, opgewonden toestand enorme energie: w=, waarbij g/cm 3 de dichtheid van vacuümmaterie is, en Met- lichtsnelheid. De energie zorgt voor een enorme druk. Op een moment in de tijd 10 43 s., Door de enorme druk begint het vacuüm opblazen, d.w.z. het vacuüm begint energie te verliezen. Vanaf het moment 10 ─43 s. tot 10 ─35 s breidt de vacuümmaterie exponentieel uit en neemt de omvang ervan 10 50 keer toe. In het tijdsinterval van 10 ─35 s tot 10 ─32 s, fase transitie, d.w.z. de “Big Bang”, waarbij de vacuümtoestand van de materie doorbreekt tunneleffect verandert in een heet, dicht heelal met een temperatuur 10 32K, met materie in de vorm elektromagnetische golven(radiogolven, infrarood, zichtbaar, ultraviolet, röntgenstraling en gammastraling).

Zo werd ons universum geboren in de vorm van een vuurbal, die werd genoemd "Ilem"(Grieks ylem - primaire materie). Ilem was een neutraal gas van elektromagnetische golven en elementaire deeltjes.

Wegens snel extensies, kwestie van het universum koelt af en het verschijnen van deeltjes door straling begint. In het begin was het aantal deeltjes en antideeltjes gelijk. Dan gebeurt het spontane overtreding symmetrie leidt dit tot de overheersing van deeltjes ten opzichte van antideeltjes. In de eerste seconden na de explosie worden ze geboren hadronen(baryonen en mesonen). Na ongeveer 1000 sec na de explosie wordt de temperatuur ongeveer 10 10 K en de gelijkheid van de concentraties van protonen en neutronen wordt geschonden omdat de levensduur van protonen gelijk is 10 31 jaar, en de levensduur van het neutron duurt ongeveer 800 sec. Neutronen vervallen en de verhoudingen worden vastgesteld: 77% protonen en 22% neutronen. In het tijdsinterval van 1000 s tot 10.000 s vindt de vorming van lichte waterstof- en heliumatomen plaats. Bijna alle neutronen gaan over in de vorming van een heliumkern, en het volgende verband wordt vastgesteld: 77% waterstof en 22% helium.

Wetenschappers verdelen het tijdsinterval voor de vorming van het heelal in vier “tijdperken” in overeenstemming met de heersende bestaansvorm van de materie.

1. Hadron-tijdperk duurt 0,0001 seconden. Het hadrontijdperk is het tijdperk van de zware deeltjes. De deeltjesdichtheid is ρ>10 14 g/cm 3, en de temperatuur T>10 12 K. Aan het einde van het tijdperk vindt er een plotselinge schending van de symmetrie plaats, de gelijkheid van deeltjes en antideeltjes. De reden voor het verbreken van de symmetrie wordt beschouwd als het niet behouden van de baryonenlading. Als gevolg hiervan zijn er voor elke miljoen (10 6) antideeltjes een miljoen plus één (10 6 +1) deeltjes.

2. Tijdperk van leptonen. De duur van het tijdperk is van 0,0001 s tot 10 s, de temperatuur is van 10 10 K tot 10 12 K, de dichtheid is van 10 4 tot 10 14 g/cm 3 . In dit tijdperk wordt de hoofdrol gespeeld door lichte deeltjes, die deelnemen aan reacties tussen protonen en neutronen. Er vinden wederzijdse transformaties van protonen in neutronen en omgekeerd plaats. Mu-mesonen, elektronen, neutrino's en hun antideeltjes hopen zich geleidelijk op. Aan het einde van het tijdperk van leptonen vindt plaats vernietiging van deeltjes en antideeltjes. In het heelal verdwijnen dus antideeltjes, waardoor deeltjes en straling achterblijven. Het heelal wordt transparant voor elektronenneutrino's. Deze neutrino's hebben tot op de dag van vandaag overleefd.

3. Het tijdperk van straling. De duur ervan is 70 miljoen jaar, de temperatuur daalt van 10,10 K naar 3000 K, en de dichtheid van 10,4 naar 10,21 g/cm3. Aan het begin van het stralingstijdperk is het aantal protonen en neutronen ongeveer gelijk. Naarmate de temperatuur daalt, wordt de hoeveelheid er zijn meer protonen als gevolg van neutronenverval. Aan het einde van het tijdperk ontstaan er omstandigheden voor de vorming van primaire atomen, waardoor een nieuw tijdperk begint: het tijdperk van de materie.

4. Het tijdperk van de inhoud. Dit tijdperk begon 70 miljoen jaar na de “Big Bang” met een temperatuur van ongeveer 3000 K en een dichtheid van ongeveer 10,4 g/cm 3 . Aan het begin van het tijdperk waren de stralingsdichtheid en de dichtheid van materie (deeltjes) gelijk - ongeveer 10 −26 g/cm 3, ze bevonden zich in omstandigheden van thermisch evenwicht. In evenwicht evolutieproces vindt niet plaats, d.w.z. de zaak kan niet complexer worden. Naarmate het heelal echter uitdijt, koelt de materie af en koelt de straling af volgens verschillende wetten. De temperatuur van de materie neemt omgekeerd evenredig af met het kwadraat van de grootte van het heelal: T-stof ~1/R 2. De temperatuur van de straling neemt omgekeerd evenredig af met de grootte van het heelal: T-straling ~1/R. Vandaar, de substantie koelt veel sneller af. Het universum beweegt zich van een evenwichtstoestand naar een niet-evenwichtstoestand. Bevoegdheden zwaartekracht zorgt voor instabiliteit en er ontstaat turbulente beweging schokgolven. Dit alles leidt tot fragmentatie van de materie van het heelal. Er ontstaan kleine en grote gaswolken, bestaande uit straling, elementaire deeltjes, waterstof- en heliumatomen. In een tijdsinterval van 3 uur tot 3 miljoen jaar ontstaan sterren uit kleine wolken, en hele sterrenstelsels uit grote wolken.

Het mechanisme van de vorming van sterren, Amerikaanse wetenschapper Trumpler (1930) eerst uitgelegd het feit dat de gas- en stofwolk samenperst en opwarmt, verhoogt de druk en de temperatuur binnenin, waardoor de compressie wordt vertraagd. Bij 20 miljoen graden begint het Nucleaire reactie, vindt er een explosie plaats en verschijnt er een nieuwe ster. Onze zon maakte deze reis in ongeveer 1 miljoen jaar, ongeveer 5 miljard jaar geleden.

De oerknal behoort tot de categorie theorieën die proberen de geschiedenis van de geboorte van het heelal volledig te traceren, om de initiële, huidige en uiteindelijke processen in zijn leven te bepalen.

Was er iets voordat het heelal ontstond? Deze fundamentele, bijna metafysische vraag wordt tot op de dag van vandaag door wetenschappers gesteld. De opkomst en evolutie van het universum is en blijft altijd het onderwerp van verhitte debatten, ongelooflijke hypothesen en elkaar uitsluitende theorieën. De belangrijkste versies van de oorsprong van alles om ons heen gingen, volgens de interpretatie van de kerk, uit van goddelijke tussenkomst, en de wetenschappelijke wereld ondersteunde de hypothese van Aristoteles over de statische aard van het universum. Dit laatste model werd gevolgd door Newton, die de grenzeloosheid en standvastigheid van het heelal verdedigde, en door Kant, die deze theorie in zijn werken ontwikkelde. In 1929 veranderde de Amerikaanse astronoom en kosmoloog Edwin Hubble de kijk van wetenschappers op de wereld radicaal.

Hij ontdekte niet alleen de aanwezigheid van talloze sterrenstelsels, maar ook de uitdijing van het heelal: een voortdurende isotrope toename van de omvang van de ruimte die begon op het moment van de oerknal.

Aan wie hebben we de ontdekking van de oerknal te danken?

Dankzij Albert Einsteins werk op het gebied van de relativiteitstheorie en zijn zwaartekrachtvergelijkingen kon De Sitter een kosmologisch model van het heelal creëren. Verder onderzoek was aan dit model gekoppeld. In 1923 suggereerde Weyl dat materie die in de ruimte wordt geplaatst, zou moeten uitzetten. Het werk van de uitmuntende wiskundige en natuurkundige A.A. Friedman is van groot belang bij de ontwikkeling van deze theorie. In 1922 stond hij de uitdijing van het heelal toe en trok redelijke conclusies dat het begin van alle materie zich op een punt met een oneindige dichtheid bevond, en dat de ontwikkeling van alles werd bepaald door de oerknal. In 1929 publiceerde Hubble zijn artikelen waarin hij de ondergeschiktheid van radiale snelheid aan afstand uitlegde; dit werk werd later bekend als ‘de wet van Hubble’.

G. A. Gamow ontwikkelde, vertrouwend op Friedmans theorie van de oerknal, het idee van een hoge temperatuur van de oorspronkelijke substantie. Hij suggereerde ook de aanwezigheid van kosmische straling, die niet verdween met de uitdijing en afkoeling van de wereld. De wetenschapper voerde voorlopige berekeningen uit van de mogelijke temperatuur van reststraling. De waarde die hij aannam lag in het bereik van 1-10 K. In 1950 maakte Gamow nauwkeurigere berekeningen en kondigde een resultaat van 3 K aan. In 1964 bepaalden radioastronomen uit Amerika, terwijl ze de antenne verbeterden door alle mogelijke signalen te elimineren, de parameters van kosmische straling. De temperatuur bleek gelijk te zijn aan 3 K. Deze informatie werd de belangrijkste bevestiging van het werk van Gamow en het bestaan van kosmische achtergrondstraling. Daaropvolgende metingen van de kosmische achtergrond, uitgevoerd in de ruimte, bewezen uiteindelijk de nauwkeurigheid van de berekeningen van de wetenschapper. U kunt kennismaken met de kaart van kosmische achtergrondstraling op.

Moderne ideeën over de oerknaltheorie: hoe is dat gebeurd?

Eén van de modellen die de ons bekende ontstaans- en ontwikkelingsprocessen van het heelal uitvoerig verklaren, is de oerknaltheorie. Volgens de vandaag de dag algemeen aanvaarde versie was er oorspronkelijk sprake van een kosmologische singulariteit: een toestand van oneindige dichtheid en temperatuur. Natuurkundigen hebben een theoretische rechtvaardiging ontwikkeld voor de geboorte van het heelal vanuit een punt met een extreme dichtheid en temperatuur. Nadat de oerknal had plaatsgevonden, begonnen de ruimte en de materie van de kosmos aan een voortdurend proces van uitzetting en stabiele afkoeling. Volgens recente studies werd het begin van het heelal minstens 13,7 miljard jaar geleden gelegd.

Beginperioden in de vorming van het heelal

Het eerste moment, waarvan de reconstructie door fysische theorieën wordt toegestaan, is het Planck-tijdperk, waarvan de vorming 10-43 seconden na de oerknal mogelijk werd. De temperatuur van de materie bereikte 10*32 K en de dichtheid was 10*93 g/cm3. Gedurende deze periode werd de zwaartekracht onafhankelijk en scheidde zich af van de fundamentele interacties. De voortdurende uitzetting en temperatuurdaling veroorzaakte een faseovergang van elementaire deeltjes.

De volgende periode, gekenmerkt door de exponentiële uitdijing van het heelal, volgde na nog eens 10-35 seconden. Het heette "Kosmische inflatie". Er vond een abrupte expansie plaats, vele malen groter dan normaal. Deze periode gaf antwoord op de vraag: waarom is de temperatuur op verschillende punten in het heelal hetzelfde? Na de oerknal verspreidde de materie zich niet onmiddellijk door het heelal; gedurende nog eens 10-35 seconden was ze behoorlijk compact en werd er een thermisch evenwicht in gevestigd, dat niet werd verstoord door inflatoire expansie. Deze periode leverde het basismateriaal op: quark-gluonplasma, dat werd gebruikt om protonen en neutronen te vormen. Dit proces vond plaats na een verdere temperatuurdaling en wordt ‘baryogenese’ genoemd. De oorsprong van materie ging gepaard met de gelijktijdige opkomst van antimaterie. De twee antagonistische stoffen vernietigden en werden straling, maar het aantal gewone deeltjes had de overhand, waardoor het heelal kon ontstaan.

De volgende faseovergang, die plaatsvond nadat de temperatuur daalde, leidde tot het ontstaan van de ons bekende elementaire deeltjes. Het tijdperk van ‘nucleosynthese’ dat hierna volgde, werd gekenmerkt door de combinatie van protonen tot lichte isotopen. De eerste gevormde kernen hadden een korte levensduur; ze vielen uiteen tijdens onvermijdelijke botsingen met andere deeltjes. Stabielere elementen ontstonden binnen drie minuten na de schepping van de wereld.

De volgende belangrijke mijlpaal was de dominantie van de zwaartekracht over andere beschikbare krachten. 380 duizend jaar na de oerknal verscheen het waterstofatoom. De toename van de invloed van de zwaartekracht markeerde het einde van de beginperiode van de vorming van het heelal en zette het proces van de opkomst van de eerste stellaire systemen in gang.

Zelfs na bijna 14 miljard jaar is er nog steeds kosmische achtergrondstraling in de ruimte. Het bestaan ervan in combinatie met de roodverschuiving wordt aangehaald als argument om de geldigheid van de oerknaltheorie te bevestigen.

Kosmologische singulariteit

Als we, gebruikmakend van de algemene relativiteitstheorie en het feit van de voortdurende uitdijing van het heelal, terugkeren naar het begin der tijden, dan zal de grootte van het universum gelijk zijn aan nul. Het initiële moment kan de wetenschap niet nauwkeurig genoeg beschrijven met behulp van fysieke kennis. De gebruikte vergelijkingen zijn niet geschikt voor zo'n klein object. Er is een symbiose nodig die de kwantummechanica en de algemene relativiteitstheorie kan combineren, maar die is helaas nog niet tot stand gekomen.

De evolutie van het heelal: wat staat ons te wachten in de toekomst?

Wetenschappers overwegen twee mogelijke scenario's: de uitdijing van het heelal zal nooit eindigen, of het zal een kritiek punt bereiken en het omgekeerde proces zal beginnen: compressie. Deze fundamentele keuze hangt af van de gemiddelde dichtheid van de stof in zijn samenstelling. Als de berekende waarde kleiner is dan de kritische waarde, is de voorspelling gunstig; als deze hoger is, zal de wereld terugkeren naar een bijzondere toestand. Wetenschappers kennen momenteel de exacte waarde van de beschreven parameter niet, dus de vraag naar de toekomst van het heelal hangt in de lucht.

De relatie van religie met de oerknaltheorie

De belangrijkste religies van de mensheid: het katholicisme, de orthodoxie en de islam ondersteunen op hun eigen manier dit model van de schepping van de wereld. Liberale vertegenwoordigers van deze religieuze denominaties zijn het eens met de theorie over de oorsprong van het universum als gevolg van een onverklaarbare interventie, gedefinieerd als de oerknal.

De naam van de theorie, bekend bij de hele wereld - "Big Bang" - werd onbewust gegeven door de tegenstander van de versie van de uitbreiding van het heelal door Hoyle. Hij beschouwde een dergelijk idee als 'totaal onbevredigend'. Na de publicatie van zijn thematische lezingen werd de interessante term meteen opgepikt door het publiek.

De redenen die de oerknal veroorzaakten zijn niet met zekerheid bekend. Volgens een van de vele versies, die toebehoorden aan A. Yu.Glushko, was de oorspronkelijke substantie die tot een punt was samengeperst een zwart hypergat, en de oorzaak van de explosie was het contact van twee van dergelijke objecten bestaande uit deeltjes en antideeltjes. Tijdens de vernietiging overleefde de materie gedeeltelijk en ontstond ons heelal.

Ingenieurs Penzias en Wilson, die de kosmische achtergrondstraling ontdekten, ontvingen de Nobelprijs voor de natuurkunde.

De temperatuur van de kosmische achtergrondstraling was aanvankelijk erg hoog. Na enkele miljoenen jaren bleek deze parameter binnen de grenzen te liggen die de oorsprong van het leven garanderen. Maar tegen die tijd had zich nog maar een klein aantal planeten gevormd.

Astronomische observaties en onderzoek helpen antwoorden te vinden op de belangrijkste vragen voor de mensheid: "Hoe is alles verschenen en wat staat ons te wachten in de toekomst?" Ondanks het feit dat nog niet alle problemen zijn opgelost en dat er geen strikte en harmonieuze verklaring bestaat voor de grondoorzaak van het ontstaan van het heelal, heeft de oerknaltheorie voldoende bevestiging gekregen, waardoor ze het belangrijkste en aanvaardbare model is geworden van de toekomst. het ontstaan van het heelal.

Oerknal

Oerknal. Dit is de naam van de theorie, of beter gezegd een van de theorieën, over de oorsprong of, zo je wilt, de schepping van het heelal. De naam is misschien te frivool voor zo'n angstaanjagende en ontzagwekkende gebeurtenis. Vooral beangstigend als je jezelf ooit hele moeilijke vragen hebt gesteld over het universum.

Als het heelal bijvoorbeeld alles is wat er is, hoe is het dan begonnen? En wat gebeurde daaraan vooraf? Als de ruimte niet oneindig is, wat ligt daar dan achter? En waar zou dit iets eigenlijk moeten passen? Hoe kunnen we het woord ‘oneindig’ begrijpen?

Deze dingen zijn moeilijk te begrijpen. Bovendien krijg je, als je erover nadenkt, het griezelige gevoel van iets majestueus en verschrikkelijks. Maar vragen over het universum zijn een van de belangrijkste vragen die de mensheid zichzelf door de geschiedenis heen heeft gesteld.

Wat was het begin van het bestaan van het heelal?

De meeste wetenschappers zijn ervan overtuigd dat het bestaan van het heelal begon met een enorm grote explosie van materie die ongeveer 15 miljard jaar geleden plaatsvond. Jarenlang deelden de meeste wetenschappers de hypothese dat het begin van het heelal werd gelegd door een grote explosie, die wetenschappers gekscherend de ‘oerknal’ noemden. Naar hun mening paste alle materie en alle ruimte, die nu wordt vertegenwoordigd door miljarden en miljoenen sterrenstelsels en sterren, 15 miljard jaar geleden in een kleine ruimte die niet groter was dan een paar woorden in deze zin.

Gerelateerde materialen:

De grootste planeten in het heelal

Hoe is het heelal ontstaan?

Wetenschappers geloven dat dit kleine volume 15 miljard jaar geleden explodeerde in kleine deeltjes kleiner dan atomen, waardoor het ontstaan van het heelal ontstond. Aanvankelijk was het een nevel van kleine deeltjes. Later, toen deze deeltjes zich verenigden, werden atomen gevormd. Sterstelsels zijn gevormd uit atomen. Sinds die oerknal is het heelal blijven uitdijen, als een opblazende ballon.

Twijfels over de oerknaltheorie

Maar de afgelopen jaren hebben wetenschappers die de structuur van het heelal bestuderen verschillende onverwachte ontdekkingen gedaan. Sommigen van hen trekken de oerknaltheorie in twijfel. Wat kun je doen, onze wereld komt niet altijd overeen met onze handige ideeën daarover.

Verdeling van materie tijdens een explosie

Eén probleem is de manier waarop materie door het universum wordt verdeeld. Wanneer een voorwerp explodeert, verspreidt de inhoud zich gelijkmatig in alle richtingen. Met andere woorden: als materie aanvankelijk tot een klein volume was samengeperst en vervolgens explodeerde, dan had de materie gelijkmatig over de ruimte van het heelal moeten zijn verdeeld.

De werkelijkheid is echter heel anders dan de verwachte ideeën. We leven in een zeer ongelijk gevuld heelal. Als je in de ruimte kijkt, verschijnen individuele klontjes materie op een afstand van elkaar. Enorme sterrenstelsels zijn hier en daar verspreid door de ruimte. Tussen de sterrenstelsels bevinden zich enorme gebieden met ongevulde leegte. Op een hoger niveau zijn sterrenstelsels gegroepeerd in clusters, en deze laatste in megaclusters. Hoe het ook zij, wetenschappers zijn nog niet tot overeenstemming gekomen over de vraag hoe en waarom precies dergelijke structuren werden gevormd. Bovendien is er onlangs met alles een nieuw, nog ernstiger probleem ontstaan.

Het antwoord op de vraag “Wat is de oerknal?” kan worden verkregen tijdens een lange discussie, omdat het veel tijd kost. Ik zal proberen deze theorie kort en to the point uit te leggen. De Big Bang-theorie stelt dus dat ons heelal ongeveer 13,7 miljard jaar geleden plotseling ontstond (alles kwam uit het niets). En wat er toen gebeurde heeft nog steeds invloed op hoe en op welke manier alles in het heelal met elkaar interageert. Laten we eens kijken naar de belangrijkste punten van de theorie.

Wat gebeurde er vóór de oerknal?

De Big Bang-theorie omvat een heel interessant concept: singulariteit. Ik wed dat je je hierdoor afvraagt: wat is een singulariteit? Astronomen, natuurkundigen en andere wetenschappers stellen deze vraag ook. Er wordt aangenomen dat er singulariteiten bestaan in de kernen van zwarte gaten. Een zwart gat is een gebied met intense zwaartekrachtdruk. Deze druk is volgens de theorie zo intens dat de substantie wordt samengedrukt totdat deze een oneindige dichtheid heeft. Deze oneindige dichtheid wordt genoemd singulariteit. Ons heelal zou zijn begonnen als een van deze oneindig kleine, oneindig hete, oneindig dichte singulariteiten. We zijn echter nog niet bij de oerknal zelf aangekomen. De oerknal is het moment waarop deze singulariteit plotseling ‘explodeerde’ en begon uit te breiden en ons universum creëerde.

De Big Bang-theorie lijkt te impliceren dat tijd en ruimte bestonden voordat ons universum ontstond. Stephen Hawking, George Ellis en Roger Penrose (en anderen) ontwikkelden eind jaren zestig echter een theorie die probeerde uit te leggen dat tijd en ruimte niet bestonden vóór de uitbreiding van de singulariteit. Met andere woorden: tijd en ruimte bestonden niet totdat het universum bestond.

Wat gebeurde er na de oerknal?

Het moment van de oerknal is het moment van het begin van de tijd. Na de oerknal, maar lang vóór de eerste seconde (10-43 seconden), ervaart de ruimte een ultrasnelle inflatoire expansie, die zich 1050 keer uitbreidt in een fractie van een seconde.

Dan vertraagt de expansie, maar de eerste seconde is nog niet aangebroken (nog maar 10 -32 seconden te gaan). Op dit moment is het heelal een kokende “bouillon” (met een temperatuur van 10-27 ° C) van elektronen, quarks en andere elementaire deeltjes.

Door de snelle afkoeling van de ruimte (tot 10-13 °C) kunnen quarks zich combineren tot protonen en neutronen. De eerste seconde is echter nog niet aangebroken (er zijn nog maar 10 -6 seconden).

Op 3 minuten, te heet om te combineren tot atomen, voorkomen de geladen elektronen en protonen de emissie van licht. Het heelal is een superhete mist (10 8 °C).

Na 300.000 jaar koelt het heelal af tot 10.000 °C, elektronen met protonen en neutronen vormen atomen, voornamelijk waterstof en helium.

1 miljard jaar na de oerknal, toen de temperatuur van het heelal -200 °C bereikte, vormen waterstof en helium gigantische ‘wolken’ die later sterrenstelsels zullen worden. De eerste sterren verschijnen.

De Big Bang-theorie wordt nu als even zeker beschouwd als het Copernicaanse systeem. Tot de tweede helft van de jaren zestig genoot het echter geen universele erkenning, en niet alleen omdat veel wetenschappers aanvankelijk het idee van de uitdijing van het heelal ontkenden. Het is alleen dat dit model een serieuze concurrent had.

Over elf jaar zal de kosmologie als wetenschap haar honderdjarig bestaan kunnen vieren. In 1917 realiseerde Albert Einstein zich dat de vergelijkingen van de algemene relativiteitstheorie het mogelijk maakten om fysiek redelijke modellen van het universum te berekenen. De klassieke mechanica en de zwaartekrachttheorie bieden zo'n mogelijkheid niet: Newton probeerde een algemeen beeld van het heelal op te bouwen, maar in alle scenario's stortte het onvermijdelijk in onder invloed van de zwaartekracht.

Einstein geloofde absoluut niet in het begin en het einde van het heelal en bedacht daarom een eeuwig bestaand statisch heelal. Om dit te doen moest hij een speciale component in zijn vergelijkingen introduceren, die ‘anti-zwaartekracht’ creëerde en daardoor formeel de stabiliteit van de wereldorde verzekerde. Einstein vond deze toevoeging (de zogenaamde kosmologische term) onelegant, lelijk, maar toch noodzakelijk (de auteur van Algemene Relativiteitstheorie vertrouwde niet tevergeefs op zijn esthetische instinct - later werd bewezen dat het statische model onstabiel en daarom fysiek zinloos is).

Het model van Einstein had al snel concurrenten: het model van een wereld zonder materie van Willem de Sitter (1917), gesloten en open niet-stationaire modellen van Alexander Friedman (1922 en 1924). Maar deze prachtige constructies bleven voorlopig puur wiskundige oefeningen. Om niet speculatief over het heelal als geheel te kunnen praten, moet je op zijn minst weten dat er werelden zijn die zich buiten de sterrenhoop bevinden waarin het zonnestelsel en wij ons daarnaast bevinden. En de kosmologie kreeg pas de kans om steun te zoeken in astronomische waarnemingen nadat Edwin Hubble in 1926 zijn werk ‘Extragalactic Nebulae’ publiceerde, waarin sterrenstelsels voor het eerst werden beschreven als onafhankelijke sterrenstelsels die geen deel uitmaakten van de Melkweg.

De creatie van het heelal duurde geen zes dagen - het grootste deel van het werk was veel eerder voltooid. Hier is zijn geschatte chronologie.

0. Oerknal.

Planck-tijdperk: 10-43 s. Planck-momentje. Zwaartekrachtinteractie is gescheiden. De grootte van het heelal bedraagt op dit moment 10-35 m (de zogenaamde Plancklengte). 10-37 sec. Inflatoire expansie van het heelal.

Het tijdperk van de grote eenwording: 10-35 pp. Scheiding van sterke en elektrozwakke interacties. 10-12 sec. Scheiding van zwakke interacties en uiteindelijke scheiding van interacties.

Hadron-tijdperk: 10-6 s. Vernietiging van proton-antiprotonparen. Quarks en antiquarks bestaan niet meer als vrije deeltjes.

Lepton-tijdperk: 1 s. Er worden waterstofkernen gevormd. Kernfusie van helium begint.

Tijdperk van nucleosynthese: 3 minuten. Het universum bestaat voor 75% uit waterstof en voor 25% uit helium, evenals uit sporen van zware elementen.

Stralingstijd: 1 week. Tegen die tijd is de straling gethermaliseerd.

Het tijdperk van de materie: 10.000 jaar. Materie begint het heelal te domineren. 380 duizend jaar. Waterstofkernen en elektronen recombineren, het heelal wordt transparant voor straling.

Stellair tijdperk: 1 miljard jaar. Vorming van de eerste sterrenstelsels. 1 miljard jaar. Vorming van de eerste sterren. 9 miljard jaar. Vorming van het zonnestelsel. 13,5 miljard jaar. Dit moment

Terugtrekking van sterrenstelsels

Deze kans werd snel gerealiseerd. De Belg Georges Henri Lemaître, die astrofysica studeerde aan het Massachusetts Institute of Technology, hoorde geruchten dat Hubble dicht bij een revolutionaire ontdekking was - een bewijs van de recessie van sterrenstelsels. In 1927, nadat hij naar zijn thuisland was teruggekeerd, publiceerde Lemaitre (en in de daaropvolgende jaren verfijnde en ontwikkelde) een model van het heelal dat was gevormd als resultaat van een explosie van superdichte materie die zich uitbreidde in overeenstemming met de vergelijkingen van de algemene relativiteitstheorie. Hij bewees wiskundig dat hun radiale snelheid evenredig zou moeten zijn met hun afstand tot het zonnestelsel. Een jaar later kwam de wiskundige Howard Robertson uit Princeton onafhankelijk tot dezelfde conclusie.

En in 1929 verkreeg Hubble experimenteel dezelfde afhankelijkheid door gegevens te verwerken over de afstand van vierentwintig sterrenstelsels en de roodverschuiving van het licht dat daaruit kwam. Vijf jaar later leverden Hubble en zijn waarnemingsassistent Milton Humason verder bewijs voor deze conclusie door zeer zwakke sterrenstelsels te monitoren die zich aan de uiterste rand van de waarneembare ruimte bevinden. De voorspellingen van Lemaître en Robertson waren volledig gerechtvaardigd, en de kosmologie van het niet-stationaire heelal leek een beslissende overwinning te hebben behaald.

Onbekend model

Maar toch hadden astronomen geen haast om hoera te roepen. Het model van Lemaitre maakte het mogelijk om de duur van het bestaan van het heelal te schatten - hiervoor was het alleen nodig om de numerieke waarde van de constante in de Hubble-vergelijking te achterhalen. Pogingen om deze constante te bepalen leidden tot de conclusie dat onze wereld slechts ongeveer twee miljard jaar geleden ontstond. Geologen voerden echter aan dat de aarde veel ouder was, en astronomen twijfelden er niet aan dat de ruimte vol was met sterren van een respectabelere leeftijd. Astrofysici hadden ook hun eigen redenen voor wantrouwen: de procentuele samenstelling van de verdeling van chemische elementen in het heelal op basis van het Lemetre-model (dit werk werd voor het eerst gedaan door Chandrasekhar in 1942) was duidelijk in tegenspraak met de werkelijkheid.

Het scepticisme van specialisten werd ook verklaard door filosofische redenen. De astronomische gemeenschap is net gewend geraakt aan het idee dat zich een eindeloze wereld, bevolkt door vele sterrenstelsels, voor haar heeft geopend. Het leek vanzelfsprekend dat het in zijn fundamenten niet verandert en voor altijd bestaat. En nu werd aan wetenschappers gevraagd toe te geven dat de Kosmos niet alleen eindig is in de ruimte, maar ook in de tijd (bovendien suggereerde dit idee een goddelijke schepping). Daarom bleef de theorie van Lemetre lange tijd werkloos. Een nog erger lot trof echter het model van een eeuwig oscillerend heelal, voorgesteld in 1934 door Richard Tolman. Het kreeg helemaal geen serieuze erkenning en eind jaren zestig werd het verworpen omdat het wiskundig onjuist was.

De aandelen van de ‘bloat world’ stegen niet veel nadat George Gamow en zijn afgestudeerde student Ralph Alpher begin 1948 een nieuwe, meer realistische versie van dit model bouwden. Het universum van Lemaître werd geboren uit de explosie van een hypothetisch ‘primair atoom’, dat duidelijk verder ging dan de ideeën van natuurkundigen over de aard van de microkosmos.

Lange tijd werd de theorie van Gamow nogal academisch genoemd: het 'dynamisch evoluerende model'. En de uitdrukking ‘Big Bang’ werd vreemd genoeg niet bedacht door de auteur van deze theorie, of zelfs niet door haar aanhangers. In 1949 nodigde BBC-wetenschapsproducent Peter Laslett Fred Hoyle uit om een reeks van vijf lezingen voor te bereiden. Hoyle schitterde voor de microfoon en kreeg meteen een enorme aanhang onder radioluisteraars. In zijn laatste toespraak sprak hij over kosmologie, sprak hij over zijn model en besloot uiteindelijk de rekeningen te vereffenen met zijn concurrenten. Hun theorie, zei Hoyle, "is gebaseerd op de veronderstelling dat het universum tot stand is gekomen in een enkele krachtige explosie en daarom slechts voor een eindige tijd bestaat ... Dit Big Bang-idee lijkt mij volkomen onbevredigend." Dit is hoe deze uitdrukking voor het eerst verscheen. Het kan ook in het Russisch worden vertaald als ‘Big Cotton’, wat waarschijnlijk beter overeenkomt met de denigrerende betekenis die Hoyle erin heeft gestopt. Een jaar later werden zijn lezingen gepubliceerd en ging de nieuwe term de wereld rond

George Gamow en Ralph Alpher stelden voor dat het heelal kort na zijn geboorte bestond uit de bekende deeltjes: elektronen, fotonen, protonen en neutronen. In hun model werd dit mengsel tot hoge temperaturen verwarmd en stevig verpakt in een klein (vergeleken met het huidige) volume. Gamow en Alfer toonden aan dat thermonucleaire fusie plaatsvindt in deze superhete soep, resulterend in de vorming van de belangrijkste isotoop van helium, helium-4. Ze berekenden zelfs dat materie al na een paar minuten in een evenwichtstoestand verkeert, waarin er voor elke heliumkern ongeveer een dozijn waterstofkernen zijn.

Deze verhouding kwam redelijk overeen met astronomische gegevens over de verdeling van lichte elementen in het heelal. Deze bevindingen werden al snel bevestigd door Enrico Fermi en Anthony Turkiewicz. Ze stelden ook vast dat thermonucleaire fusieprocessen een lichte isotoop helium-3 en zware isotopen van waterstof - deuterium en tritium - moeten produceren. Hun schattingen van de concentraties van deze drie isotopen in de ruimte vielen ook samen met de waarnemingen van astronomen.

Probleem theorie

Maar praktiserende astronomen bleven twijfelen. Ten eerste bleef er het probleem van de ouderdom van het heelal bestaan, dat Gamows theorie niet kon oplossen. Het was alleen mogelijk om de duur van het bestaan van de wereld te verlengen door te bewijzen dat sterrenstelsels veel langzamer wegvliegen dan algemeen wordt aangenomen (uiteindelijk gebeurde dit, en voor een groot deel met behulp van waarnemingen gedaan bij het Palomar Observatorium, maar al in de jaren zestig).

Ten tweede liep Gams theorie vast op het gebied van de nucleosynthese. Nadat ze de opkomst van helium, deuterium en tritium had verklaard, was ze niet in staat door te gaan naar zwaardere kernen. De helium-4-kern bestaat uit twee protonen en twee neutronen. Alles zou in orde zijn als het een proton zou kunnen hechten en in een lithiumkern zou kunnen veranderen. Kernen van drie protonen en twee neutronen of twee protonen en drie neutronen (lithium-5 en helium-5) zijn echter uiterst onstabiel en vervallen onmiddellijk. Daarom bestaat er in de natuur alleen stabiel lithium-6 (drie protonen en drie neutronen). Voor de vorming ervan door directe fusie is het noodzakelijk dat zowel een proton als een neutron tegelijkertijd samensmelten met een heliumkern, en de waarschijnlijkheid van deze gebeurtenis is extreem laag. Het is waar dat onder omstandigheden met een hoge materiedichtheid in de eerste minuten van het bestaan van het heelal dergelijke reacties nog steeds af en toe voorkomen, wat de zeer lage concentratie van de oudste lithiumatomen verklaart.

De natuur bereidde een nieuwe onaangename verrassing voor Gamow voor. De weg naar zware elementen zou ook via de fusie van twee heliumkernen kunnen lopen, maar ook deze combinatie is niet haalbaar. Er was geen manier om de oorsprong van elementen zwaarder dan lithium te verklaren, en eind jaren veertig leek dit obstakel onoverkomelijk (we weten nu dat ze alleen in stabiele en exploderende sterren en in kosmische straling worden geboren, maar Gamow wist dit niet).

Het model van de ‘hete’ geboorte van het heelal had echter nog één kaart in reserve, die na verloop van tijd een troefkaart werd. In 1948 kwamen Alpher en een andere assistent van Gamow, Robert Herman, tot de conclusie dat de ruimte doordrongen was van microgolfstraling die 300.000 jaar na de grote ramp ontstond. Radioastronomen toonden echter geen interesse in deze voorspelling en deze bleef op papier staan.

De opkomst van een concurrent

Gamow en Alpher vonden hun ‘hete’ model uit in de Amerikaanse hoofdstad, waar Gamow sinds 1934 lesgaf aan de George Washington Universiteit. Veel van hun productieve ideeën ontstonden tijdens een bescheiden drankje in de Little Vienna-bar aan Pennsylvania Avenue, vlakbij het Witte Huis. En als dit pad naar de constructie van een kosmologische theorie voor sommigen exotisch lijkt, wat kan er dan gezegd worden over het alternatief dat geboren werd onder invloed van een horrorfilm?

Fred Hoyle: Het heelal breidt zich voor altijd uit! Materie wordt spontaan in de leegte geboren met zo’n snelheid dat de gemiddelde dichtheid van het heelal constant blijft

In het goede oude Engeland, aan de Universiteit van Cambridge, vestigden zich na de oorlog drie opmerkelijke wetenschappers: Fred Hoyle, Herman Bondi en Thomas Gold. Daarvoor werkten ze in het radarlaboratorium van de Britse marine, waar ze vrienden werden. Hoyle, een Engelsman uit Yorkshire, was nog geen 30 toen Duitsland zich overgaf, en zijn vrienden, inwoners van Wenen, waren 25. Hoyle en zijn vrienden wijdden zich in hun ‘radartijdperk’ aan gesprekken over de problemen van het universum en kosmologie. Alle drie hadden ze een hekel aan het model van Lemaitre, maar ze namen de wet van Hubble serieus en verwierpen daarom het concept van een statisch heelal. Na de oorlog kwamen ze bij Bondi bijeen en bespraken dezelfde problemen. De inspiratie kwam na het zien van de horrorfilm ‘Dead in the Night’. De hoofdpersoon, Walter Craig, bevond zich in een gesloten lus van gebeurtenissen, waardoor hij aan het einde van de film terugkeerde naar dezelfde situatie waarmee het allemaal begon. Een film met zo'n plot kan eeuwig duren (zoals een gedicht over een priester en zijn hond). Op dat moment besefte Gold dat het heelal een analogie van dit complot zou kunnen blijken te zijn: tegelijkertijd veranderend en onveranderlijk!

Vrienden vonden het een gek idee, maar besloten toen dat er iets in zat. Samen veranderden ze de hypothese in een samenhangende theorie. Bondi en Gold gaven er een algemene presentatie van, en Hoyle gaf in een aparte publicatie, ‘A New Model of the Expanding Universe’, wiskundige berekeningen. Hij nam de algemene relativiteitsvergelijkingen als basis, maar vulde deze aan met een hypothetisch “Scheppingsveld” (C-veld), dat onderdruk heeft. Iets dergelijks verscheen dertig jaar later in inflatoire kosmologische theorieën, die Hoyle met veel plezier benadrukte.

Steady State-kosmologie

Het nieuwe model is de geschiedenis van de wetenschap binnengegaan als Steady State Kosmologie. Ze verkondigde niet alleen de volledige gelijkheid van alle punten in de ruimte (dit was het geval bij Einstein), maar ook van alle momenten in de tijd: het heelal dijt uit, maar heeft geen begin, omdat het altijd op zichzelf blijft lijken. Gold noemde deze verklaring het perfecte kosmologische principe. De geometrie van de ruimte in dit model blijft vlak, net als die van Newton. Sterrenstelsels verspreiden zich, maar in de ruimte “uit het niets” (meer precies, vanuit het veld van de schepping) verschijnt nieuwe materie, en met zo’n intensiteit dat de gemiddelde dichtheid van materie onveranderd blijft. In overeenstemming met de toen bekende waarde van de Hubble-constante berekende Hoyle dat er in de loop van 300.000 jaar slechts één deeltje in elke kubieke meter ruimte wordt geboren. De vraag verdween meteen waarom de instrumenten deze processen niet registreren – ze zijn naar menselijke maatstaven te traag. De nieuwe kosmologie ondervond geen problemen die verband hielden met de leeftijd van het heelal; dit probleem bestond er eenvoudigweg niet voor.

Om zijn model te bevestigen, stelde Hoyle voor om gegevens over de ruimtelijke verdeling van jonge sterrenstelsels te gebruiken. Als het C-veld overal uniform materie creëert, zou de gemiddelde dichtheid van dergelijke sterrenstelsels ongeveer hetzelfde moeten zijn. Integendeel, het model van de cataclysmische geboorte van het heelal voorspelt dat aan de uiterste rand van de waarneembare ruimte deze dichtheid maximaal is - van daaruit komt het licht van sterrenhopen die nog geen tijd hebben gehad om oud te worden naar ons toe. Het criterium van Hoyle was volkomen redelijk, maar op dat moment was het niet mogelijk om het te testen vanwege het ontbreken van voldoende krachtige telescopen.

Triomf en nederlaag

Ruim vijftien jaar lang vochten rivaliserende theorieën bijna als gelijken. Het is waar dat de Engelse radioastronoom en toekomstige Nobelprijswinnaar Martin Ryle in 1955 ontdekte dat de dichtheid van zwakke radiobronnen aan de kosmische periferie groter is dan in de buurt van onze melkweg. Hij verklaarde dat deze resultaten niet stroken met de Steady State Kosmologie. Een paar jaar later kwamen zijn collega's echter tot de conclusie dat Ryle de verschillen in dichtheden had overdreven, dus de vraag bleef open.

Maar op zijn twintigste begon Hoyle's kosmologie snel te vervagen. Tegen die tijd hadden astronomen bewezen dat de constante van Hubble een orde van grootte kleiner was dan eerdere schattingen, waardoor het mogelijk werd de geschatte leeftijd van het heelal te verhogen tot 10-20 miljard jaar (de moderne schatting is 13,7 miljard jaar ± 200 miljoen jaar). ). En in 1965 ontdekten Arno Penzias en Robert Wilson de door Alpher en Herman voorspelde straling en trokken daarmee onmiddellijk een groot aantal aanhangers voor de oerknaltheorie.

Al veertig jaar wordt deze theorie beschouwd als het standaard en algemeen aanvaarde kosmologische model. Er zijn ook concurrenten van verschillende leeftijden, maar niemand neemt de theorie van Hoyle nog serieus. Zelfs de ontdekking (in 1999) van het versnellen van de uitdijing van sterrenstelsels, waarover zowel Hoyle als Bondi en Gold schreven, hielp haar niet. Haar tijd is onherroepelijk verstreken.

Nieuwsaankondigingen