Lielā sprādziena teorija: kā sākās Visums


Lielā sprādziena teorija ir kosmologu labākais mēģinājums rekonstruēt 14 miljardu gadu stāstu par Visumu, pamatojoties uz šodien redzamo eksistenci.

Dažādi cilvēki lieto terminu "lielais sprādziens" dažādos veidos. Visbiežāk tā ilustrē novērojamās Visuma loka izskatu un atdzesē no sākotnēji blīva, karsta stāvokļa. Šis apraksts liek domāt, ka kosmoss paplašinās, un tas ir plašs princips, kas ir analoģisks bioloăijas vistālākai izdzīvošanai, ko maz varētu uzskatīt par apšaubāmu.

Precīzāk, lielais sprādziens var atsaukties arī uz novērojamās Visuma dzimšanu – brīdī, kad kaut kas mainījās, uzsākot notikumus, kas noveda pie šodienas. Kosmologi jau vairākus gadu desmitus ir apgalvojuši par šīs sekundes daļas detaļām, un diskusija turpinās šodien. [From Big Bang to Present: Snapshots of Our Universe Through Time]

Lielākajai daļai cilvēces vēstures debesu novērotāji to uzņēma mūžīgi un nemainīgi. Edvins Habls šo stāstu 20. gadsimta divdesmitajos gados izskatīja kā eksperimentālu triecienu, kad viņa novērojumi parādīja, ka eksistē galaktikas ārpus Piena ceļa un ka viņu gaisma parādījās izstiepts – zīme, ka viņi steidzās prom no Zemes.

Mūsdienu Beļģijas fiziķis Džordžs Lemačts (George Lemaître) interpretēja datus no Habla un citiem kā pierādījumu paplašinošam visumam, kas ir iespējama Einšteina nesen publicētajās vispārējās relativitātes lauka vienādojumos. Domājot par atpakaļ, Lemaître secināja, ka šodienas atdalošajām galaktikām jāsāk kopā, ko sauc par "pirmatnējo atomu".

Pirmais publiskā modernā termina lietojums Lemaître idejai faktiski bija kritiķis – angļu astronoms Freds Hoyle. 1949. gada 28. martā Hoyle izdomāja frāzi, aizstāvot savu vēlamo mūžīgās Visuma teoriju, kas radīja jautājumu, lai atceltu paplašināšanās atšķaidījumu. Hoyle teica, ka priekšstats, ka "viss Visuma jautājums radīts vienā lielā sprādzienā kādā konkrētā laikā attālā pagātnē," bija neracionāls. Vēlākajās intervijās Hoyle noliedza apzināti izdomājot apkaunojošu vārdu, bet monķieris iestrēdzis, daudziem no dažu vilšanās.

"Lielais sprādziens ir patiešām slikts termins," sacīja Prinstonas kosmologs Paul Steinhardt. "Lielā stiepšanās notvertu pareizo ideju." Sprādziena garīgais tēls rada visu veidu neskaidrības, kā to norāda Steinhardts. Tas nozīmē centrālo punktu, paplašinošu robežu un skatuves, kur viegls šrapnels lido ātrāk nekā smagāki gabali. Bet paplašinošais visums neko tādu neredz, viņš teica. Nav neviena centra, ne malas, un galaktikas lielas un mazas vienādi izšķiras vienādi (lai gan tālākās galaktikas straujāk virzās prom no kosmoloģiski nesenās tumšās enerģijas ietekmes).

Neatkarīgi no tā nosaukuma, Lielā sprādziena teorija atklāja plašu akceptu par tās nepārspējamo spēju izskaidrot, ko mēs redzam. Piemēram, gaismas līdzsvars ar daļiņām, piemēram, protoniem un neitroniem, pirmajās 3 minūtēs ļauj agrīnajiem elementiem veidot ātrumu, kas paredz pašreizējos hēlija un citu vieglo atomu daudzumus.

"Laika gaitā bija neliels logs, kurā bija iespējams veidot kodolus," sacīja Ņujorkas universitātes kosmologs Glennys Farrars. "Pēc tam visums turpināja paplašināties, un viņi nevarēja atrast viens otru un pirms tam [the window] tas bija pārāk karsts. "

Mākoņainā plazma piepildīja Visumu nākamajiem 378 000 gadiem, līdz tālāka dzesēšana ļāva elektroniem un protoniem veidot neitrālus ūdeņraža atomus, un migla notika. Šī procesa laikā izstarotā gaisma, kas kopš tā laika ir izstiepta mikroviļņos, ir agrākais zināms objekta pētnieks, kas var mācīties tieši. Zināms kā kosmiskā mikroviļņu fona (CMB) starojums, daudzi pētnieki to uzskata par spēcīgāko pierādījumu lielajam sprādzienam.

Bet, tā kā kosmologi vēl vairāk atgriezās Visuma pirmajos brīžos, stāsts atšķīra. Vispārējās relativitātes vienādojumi ierosināja sākotnējo neierobežota karstuma un blīvuma plankumu – singularitāti. Papildus tam, ka nav daudz fiziskas izjūtas, vienskaitļa izcelsme nesakrita ar gludu, plakanu CMB. Plankumu milzīgās temperatūras un blīvuma svārstības būtu radījušas debesis ar dažādām īpašībām, bet CMB temperatūra svārstās tikai ar daļu no pakāpes. Kosmosa laika izliekums arī izskatās diezgan plakans, kas nozīmē sākotnēji gandrīz perfektu materiāla un izliekuma līdzsvaru, ko vairums kosmologu uzskata par neiespējamu.

Alans Gutts ierosināja jaunu priekšstatu par otrās daļas pirmo daļu 1980. gados, liekot domāt, ka Visums savu agrāko brīdi iztērēja eksponenciāli straujāk nekā šodien. Kādā brīdī šis process apstājās, un bremžu uzlikšana radīja blīvu un karstu (bet ne bezgalīgi) daļiņu dalījumu, kas ieņem vietu. "Manuprāt, es domāju par to kā lielo sprādzienu, kad visums karstās," sacīja Farrars.

Inflācijas teorijai, kā to sauc, tagad ir daudz konkurējošu modeļu. Lai gan neviens nezināja daudz par to, kas padarīja Visumu tik strauji paplašinājušies, teorija ir kļuvusi populāra, jo tā spēja izskaidrot šķietami neiespējamo bezpriekšmetu CMB: Inflācija saglabāja nelielas svārstības (kas attīstījās šodienas galaktikas klasteros), vienlaikus saplūstot lielākās. "Tas ir ļoti salds stāsts," teica Steinhardts, kurš palīdzēja attīstīt teoriju. "Tas ir tas, ko mēs pastāstām saviem bērniem."

Nesenie pētījumi inflācijas teorijas kosmiskajā stāstījumā ir ieviesuši divas grumbas. Steinhardta un citu darbu rezultāti liecina, ka dažos reģionos (piemēram, mūsu novērojamā visumā) inflācija būtu apstājusies, bet turpinājās citos, radot atsevišķu teritoriju kopumu ar "visu iespējamo kosmoloģisko īpašību kopumu", kā to norāda Steinhardt. Daudzi fiziķi uzskata, ka šis "multiverse" attēls ir neticams, jo tas rada bezgalīgu skaitu nepieredzamu prognožu.

Eksperimentālā priekšā kosmologi sagaida, ka inflācijai CMB būtu bijis jāsagatavo galaktikas atstarojošie viļņi, tāpat kā tas izraisīja nelielas temperatūras un blīvuma izmaiņas. Pašreizējiem eksperimentiem jābūt pietiekami jutīgiem, lai tos atrastu, bet pirmie kosmosa laika ripļi nav parādījušies (neskatoties uz vienu nepareizu trauksmi 2014. gadā).

Daudzi pētnieki gaida precīzākus CMB mērījumus, kas varētu nogalināt vai apstiprināt daudzos inflācijas modeļus, kas joprojām ir spēkā. Citi fiziķi tomēr neredz kosmosa gludumu kā problēmu vispār – tas sākās vienveidīgi un tam nav nepieciešams paskaidrojums.

Kaut arī eksperimentālisti cenšas panākt jaunus precizitātes līmeņus, daži teorētiķi ir vērsušies prom no inflācijas, lai meklētu citus veidus, kā izlīdzināt Visumu. Steinhardts, piemēram, strādā pie "lielā lieluma" modeļa, kas nospiež sākuma pulksteni vēl tālāk, uz agrāku kontrakcijas periodu, kas izlīdzināja telpas laiku un noteica sprādzienbīstamas paplašināšanās posmu. Viņš cer, ka pirms pārāk ilgi jauni paraksti, papildus tādām problēmām kā primāro gravitācijas viļņu trūkums, radīs kosmologus ar jaunu radīšanas stāstu. "Vai ir kādas citas novērojamas funkcijas, ko meklēt?" Steinhardts teica: "Jautājiet man pēc dažiem gadiem, un es ceru, ka jums būs atbilde."

Papildus resursiem: