Een van de belangrijkste vragen die het menselijk bewustzijn niet verlaten, is altijd de vraag geweest en is: "hoe is het heelal ontstaan?" Natuurlijk is er geen eenduidig antwoord op deze vraag, en het is onwaarschijnlijk dat dit in de nabije toekomst zal worden verkregen, maar de wetenschap werkt in deze richting en vormt een bepaald theoretisch model van de oorsprong van ons universum. Allereerst moet men rekening houden met de basiseigenschappen van het heelal, die beschreven moeten worden in het kader van het kosmologische model.
*** Het model moet rekening houden met de waargenomen afstanden tussen objecten, evenals met de snelheid en richting van hun beweging. Dergelijke berekeningen zijn gebaseerd op de wet van Hubble: cz = H0D, waarbij z de roodverschuiving van een object is, D de afstand tot dit object en c de lichtsnelheid.
*** De leeftijd van het heelal in het model moet de ouderdom van de oudste objecten ter wereld overschrijden.
*** Het model moet rekening houden met de aanvankelijke overvloed aan elementen.
*** Het model dient rekening te houden met de waargenomen grootschalige structuur van het heelal.
*** Het model dient rekening te houden met de waargenomen achtergrondachtergrond.
Promotie video:
Een korte geschiedenis van het heelal. Singulariteit zoals gezien door de kunstenaar (foto)
Beschouw kort de algemeen aanvaarde theorie van de oorsprong en vroege evolutie van het heelal, die door de meeste wetenschappers wordt ondersteund. Tegenwoordig betekent de oerknaltheorie een combinatie van een model van een heet heelal met een oerknal. En hoewel deze concepten eerst onafhankelijk van elkaar bestonden, was het als resultaat van hun eenwording mogelijk om de oorspronkelijke chemische samenstelling van het heelal te verklaren, evenals de aanwezigheid van relikwie-straling.
Volgens deze theorie is het heelal ongeveer 13,77 miljard jaar geleden ontstaan uit een of ander dicht verwarmd object - een bijzondere toestand die moeilijk te beschrijven is in het kader van de moderne fysica. Het probleem met onder andere de kosmologische singulariteit is dat de meeste fysische grootheden, zoals dichtheid en temperatuur, bij het beschrijven ervan naar oneindig neigen. Tegelijkertijd is bekend dat bij een oneindige dichtheid de entropie (een maat voor chaos) naar nul moet neigen, wat niet samenvalt met een oneindige temperatuur.
Evolutie van het universum
*** De eerste 10 in -43 seconden na de oerknal wordt het stadium van kwantumchaos genoemd. De aard van het universum in dit stadium van het bestaan tart elke beschrijving binnen het raamwerk van de ons bekende fysica. Er vindt een uiteenvallen plaats van een continue enkele ruimte-tijd in kwanta.
*** Planck-moment - het moment van het einde van de kwantumchaos, die valt op 10 in -43 seconden. Op dit moment waren de parameters van het heelal gelijk aan de Planck-waarden, zoals de Planck-temperatuur (ongeveer 1032 K). Ten tijde van het Planck-tijdperk werden alle vier de fundamentele interacties (zwak, sterk, elektromagnetisch en zwaartekracht) gecombineerd tot één soort interactie. Het is niet mogelijk om het Planck-moment als een bepaalde lange periode te beschouwen, aangezien de moderne natuurkunde niet werkt met parameters die kleiner zijn dan die van Planck.
*** Stadium van inflatie. De volgende fase in de geschiedenis van het heelal was de inflatoire fase. Op het eerste moment van inflatie scheidde de gravitatie-interactie zich van het verenigde supersymmetrische veld (dat voorheen de velden van fundamentele interacties omvatte). Gedurende deze periode heeft materie een negatieve druk, wat een exponentiële toename van de kinetische energie van het universum veroorzaakt. Simpel gezegd, tijdens deze periode begon het universum erg snel te zwellen, en tegen het einde wordt de energie van fysieke velden omgezet in de energie van gewone deeltjes. Aan het einde van deze fase stijgt de temperatuur van de stof en straling aanzienlijk. Samen met het einde van de inflatiefase valt een sterke interactie op. Ook op dit moment ontstaat de baryon-asymmetrie van het heelal.
[Baryon-asymmetrie van het heelal is het waargenomen fenomeen van de overheersing van materie boven antimaterie in het heelal]
*** Stadium van stralingsdominantie. De volgende fase in de ontwikkeling van het universum, die verschillende fasen omvat. In dit stadium begint de temperatuur van het universum te dalen, worden quarks gevormd, dan hadronen en leptonen. In het tijdperk van nucleosynthese vindt de vorming van initiële chemische elementen plaats, wordt helium gesynthetiseerd. Maar straling domineert nog steeds de materie.
*** Het tijdperk van de dominantie van substantie. Na 10.000 jaar overschrijdt de energie van materie geleidelijk de energie van straling en vindt hun scheiding plaats. De stof begint de straling te domineren, er verschijnt een relikwie-achtergrond. Ook verhoogde de scheiding van materie met straling de initiële inhomogeniteiten in de verdeling van materie aanzienlijk, waardoor sterrenstelsels en supergalaxies zich begonnen te vormen. De wetten van het heelal hebben de vorm gekregen waarin we ze tegenwoordig waarnemen.
De bovenstaande afbeelding is samengesteld uit verschillende fundamentele theorieën en geeft een algemeen beeld van de vorming van het universum in de vroege stadia van zijn bestaan.
Waar komt het universum vandaan?
Als het universum is ontstaan uit een kosmologische singulariteit, waar kwam de singulariteit dan vandaan? Een exact antwoord op deze vraag is nog niet te geven. Beschouw eens enkele van de kosmologische modellen die de "geboorte van het universum" beïnvloeden.
Cyclische modellen. Bran-modellering (foto)
Deze modellen zijn gebaseerd op de bewering dat het universum altijd heeft bestaan en dat in de loop van de tijd alleen zijn toestand verandert, van expansie naar contractie - en vice versa.
*** Steinhardt-Turok-model. Dit model is gebaseerd op de snaartheorie (M-theorie), aangezien het een object zoals "braan" gebruikt.
[Bran (van het membraan) in de snaartheorie (M-theorie) is een hypothetisch fundamenteel multidimensionaal fysiek object met een afmeting kleiner dan de afmeting van de ruimte waarin het zich bevindt]
Volgens dit model bevindt het zichtbare heelal zich in een tri-braan, dat periodiek, om de triljoen jaar, in botsing komt met een ander tri-braan, wat een soort oerknal veroorzaakt. Verder begint ons tri-braan van de ander af te bewegen en uit te zetten. Op een gegeven moment krijgt het aandeel donkere energie voorrang en neemt de expansiesnelheid van het tri-braan toe. De kolossale expansie verstrooit materie en straling zo erg dat de wereld bijna homogeen en leeg wordt. Uiteindelijk vindt er een herhaalde botsing van tri-branen plaats, waardoor de onze terugkeert naar de beginfase van zijn cyclus en opnieuw ons "Universum" baart.
*** De theorie van Loris Baum en Paul Frampton zegt ook over de cyclische aard van het universum. Volgens hun theorie zal de laatste zich na de oerknal uitbreiden als gevolg van donkere energie tot het het moment nadert van de "desintegratie" van ruimte-tijd zelf - de Big Rip. Zoals u weet, neemt de entropie in een "gesloten systeem niet af" (de tweede wet van de thermodynamica). Uit deze verklaring volgt dat het heelal niet naar zijn oorspronkelijke staat kan terugkeren, aangezien tijdens zo'n proces de entropie moet afnemen. Dit probleem wordt echter opgelost in het kader van deze theorie. Volgens de theorie van Baum en Frampton valt het heelal een moment voor de Big Rip uiteen in vele "patches", die elk een vrij kleine waarde van entropie hebben. Door een reeks faseovergangen te ervaren, geven deze 'stukjes' van het voormalige heelal aanleiding tot materie en ontwikkelen ze zich op dezelfde manier als het oorspronkelijke heelal. Deze nieuwe werelden hebben geen interactie met elkaar, omdat ze zich verspreiden met een snelheid die groter is dan de snelheid van het licht. Zo hebben wetenschappers de kosmologische singulariteit vermeden waarmee de geboorte van het universum volgens de meeste kosmologische theorieën begint. Dat wil zeggen, aan het einde van zijn cyclus valt het universum uiteen in vele andere niet-interacterende werelden die nieuwe universums zullen worden.
*** Conforme cyclische kosmologie is het cyclische model van Roger Penrose en Vahagn Gurzadyan. Volgens dit model kan het heelal een nieuwe cyclus ingaan zonder de tweede wet van de thermodynamica te schenden. Deze theorie is gebaseerd op de veronderstelling dat zwarte gaten de geabsorbeerde informatie vernietigen, wat op de een of andere manier de entropie van het heelal "rechtmatig" verlaagt. Dan begint elke dergelijke bestaanscyclus van het heelal met een schijn van de oerknal en eindigt met een singulariteit.
Andere modellen van de oorsprong van het universum
Naast andere hypothesen die het uiterlijk van het zichtbare heelal verklaren, zijn de volgende twee het populairst:
*** Chaotische inflatie - de theorie van Andrey Linde. Volgens deze theorie is er een bepaald scalair veld dat over het gehele volume niet homogeen is. Dat wil zeggen, in verschillende regio's van het universum heeft het scalaire veld verschillende betekenissen. Dan, in gebieden waar het veld zwak is, gebeurt er niets, terwijl gebieden met sterke velden beginnen uit te breiden (inflatie) vanwege zijn energie, en aldus nieuwe universums vormen. Dit scenario impliceert het bestaan van vele werelden die niet gelijktijdig zijn ontstaan en hun eigen set elementaire deeltjes hebben, en bijgevolg de natuurwetten.
*** De theorie van Lee Smolin - gaat ervan uit dat de oerknal niet het begin is van het bestaan van het heelal, maar slechts een faseovergang tussen zijn twee toestanden. Aangezien het universum vóór de oerknal bestond in de vorm van een kosmologische singulariteit, dicht in de natuur aan de singulariteit van een zwart gat, suggereert Smolin dat het universum uit een zwart gat zou kunnen zijn ontstaan.
Er zijn ook patronen waarin universums continu ontstaan, ontkiemen bij hun ouders en hun eigen plek vinden. Bovendien is het helemaal niet nodig dat in dergelijke werelden dezelfde natuurwetten worden vastgesteld. Al deze werelden zijn "genest" in een enkel ruimte-tijd continuüm, maar ze zijn zo uit elkaar geplaatst dat ze elkaars aanwezigheid op geen enkele manier voelen. Over het algemeen laat het concept van inflatie het toe - bovendien dwingt het! - te geloven dat er in de gigantische megacosmos veel geïsoleerde universums zijn met verschillende arrangementen.
Ondanks het feit dat cyclische en andere modellen een aantal vragen beantwoorden, waarop de oerknaltheorie geen antwoorden kan geven, inclusief het probleem van de kosmologische singulariteit. Maar, samen met de inflatoire theorie, verklaart de oerknal vollediger de oorsprong van het universum, en convergeert ook met veel waarnemingen.
Tegenwoordig blijven onderzoekers mogelijke scenario's voor het ontstaan van het heelal intensief bestuderen om een onweerlegbaar antwoord te geven op de vraag "Hoe is het heelal ontstaan?" - zal in de nabije toekomst waarschijnlijk niet slagen. Daar zijn twee redenen voor: direct bewijs van kosmologische theorieën is praktisch onmogelijk, alleen indirect; zelfs theoretisch is er geen manier om nauwkeurige informatie over de wereld vóór de oerknal te krijgen. Om deze twee redenen kunnen wetenschappers alleen hypothesen naar voren brengen en kosmologische modellen bouwen die de aard van het universum dat we waarnemen het meest nauwkeurig beschrijven.
