Теорията за големия взрив за произхода на живота. Какво се случи преди Големия взрив? Ранен етап от еволюцията на Вселената

Теория голям взривсе превърна в почти толкова широко приет космологичен модел, колкото въртенето на Земята около Слънцето. Според теорията преди около 14 милиарда години спонтанни вибрации в абсолютната празнота са довели до появата на Вселената. Нещо, сравнимо по размер със субатомна частица, се разширява до невъобразими размери за част от секундата. Но в тази теория има много проблеми, с които физиците се борят, излагайки все повече и повече нови хипотези.

Какво не е наред с теорията за големия взрив

От теорията следваче всички планети и звезди са се образували от прах, разпръснат из космоса в резултат на експлозия. Но какво го предшества не е ясно: тук нашият математически модел на пространство-времето спира да работи. Вселената е възникнала от първоначално сингулярно състояние, към което съвременната физика не може да бъде приложена. Теорията също така не разглежда причините за сингулярността или материята и енергията за нейното възникване. Смята се, че отговорът на въпроса за съществуването и произхода на първоначалната сингулярност ще бъде даден от теорията на квантовата гравитация.

Повечето космологични модели предсказватче цялата Вселена е много по-голяма от наблюдаваната част - сферична област с диаметър приблизително 90 милиарда светлинни години. Ние виждаме само тази част от Вселената, светлината от която успя да достигне до Земята за 13,8 милиарда години. Но телескопите стават все по-добри, откриваме все по-далечни обекти и няма причина да смятаме, че този процес ще спре.

След Големия взрив Вселената се разширява с ускоряваща се скорост.Най-трудната мистерия на съвременната физика е въпросът какво причинява ускорението. Според работната хипотеза Вселената съдържа невидим компонент, наречен „тъмна енергия“. Теорията за Големия взрив не обяснява дали Вселената ще се разширява безкрайно и ако да, до какво ще доведе това - до нейното изчезване или до нещо друго.

Въпреки че Нютоновата механика беше изместена от релативистката физика,не може да се нарече погрешно. Въпреки това възприемането на света и моделите за описание на Вселената са напълно променени. Теорията за Големия взрив предсказва редица неща, които не са били известни преди. Следователно, ако друга теория дойде да я замести, тя трябва да бъде подобна и да разшири разбирането за света.

Ще се съсредоточим върху най-интересните теории, описващи алтернативни модели на Големия взрив.

Вселената е като мираж на черна дупка

Вселената е възникнала поради колапса на звезда в четириизмерна Вселена, смятат учени от института теоретична физика"Периметър". Резултатите от изследването им са публикувани от Scientific American. Ниайеш Афшорди, Робърт Ман и Рази Пурхасан казват, че нашата триизмерна Вселена се е превърнала в един вид „холографски мираж“, когато четириизмерна звезда се е сринала. За разлика от теорията за Големия взрив, която твърди, че Вселената е възникнала от изключително горещо и плътно пространство-време, където стандартните закони на физиката не са приложими, нова хипотезаза четириизмерната вселена обяснява както причините за нейния произход, така и бързото й разширяване

Според сценария, формулиран от Афшорди и колегите му, нашата триизмерна Вселена е вид мембрана, която плава през още по-голяма вселена, която вече съществува в четири измерения. Ако това четириизмерно пространство имаше свои собствени четириизмерни звезди, те също щяха да експлодират, точно както триизмерните в нашата Вселена. Вътрешният слой ще се превърне в черна дупка, а външният ще бъде изхвърлен в космоса.

В нашата Вселена черните дупки са заобиколени от сфера, наречена хоризонт на събитията. И ако в тримерното пространство тази граница е двумерна (като мембрана), тогава в четириизмерна вселена хоризонтът на събитията ще бъде ограничен до сфера, която съществува в три измерения. Компютърни симулации на колапса на четириизмерна звезда показаха, че нейният триизмерен хоризонт на събитията постепенно ще се разширява. Точно това наблюдаваме, наричайки растежа на 3D мембраната разширение на Вселената, смятат астрофизиците.

Голямо замразяване

Алтернатива на Големия взрив е Голямото замразяване. Екип от физици от университета в Мелбърн, ръководен от Джеймс Квач, представи модел на раждането на Вселената, който напомня повече за постепенното замразяване на аморфна енергия, отколкото за нейното освобождаване и разширяване в три посоки на пространството.

Безформена енергия, според учените, като вода, охладена до кристализация, създавайки обичайните три пространствени и едно времево измерение.

Теорията за голямото замръзване оспорва понастоящем приетото твърдение на Алберт Айнщайн за непрекъснатостта и течливостта на пространството и времето. Възможно е пространството да има компоненти - неделими градивни елементи като малки атоми или пиксели в компютърната графика. Тези блокове са толкова малки, че не могат да бъдат наблюдавани, но следвайки новата теория, е възможно да се открият дефекти, които трябва да пречупват потока на други частици. Учените са изчислили подобни ефекти с помощта на математика и сега ще се опитат да ги открият експериментално.

Вселена без начало и край

Ахмед Фараг Али от университета Бенха в Египет и Саурия Дас от университета в Летбридж в Канада предложиха ново решение на проблема със сингулярността чрез изоставяне на Големия взрив. Те въвеждат идеите на известния физик Дейвид Бом в уравнението на Фридман, описващо разширяването на Вселената и Големия взрив. „Удивително е, че малки корекции могат потенциално да решат толкова много проблеми“, казва Дас.

Полученият модел съчетава общата теория на относителността и квантовата теория. Той не само отрича сингулярността, предшестваща Големия взрив, но също така не признава, че Вселената в крайна сметка ще се срине обратно в първоначалното си състояние. Според получените данни Вселената има краен размер и безкраен живот. Във физически план моделът описва Вселена, изпълнена с хипотетична квантова течност, която се състои от гравитони - частици, които осигуряват гравитационно взаимодействие.

Учените също твърдят, че техните открития са в съответствие с последните измервания на плътността на Вселената.

Безкрайна хаотична инфлация

Терминът „инфлация“ се отнася до бързото разширяване на Вселената, което се е случило експоненциално в първите моменти след Големия взрив. Самата теория за инфлацията не опровергава теорията за Големия взрив, а само я интерпретира по различен начин. Тази теория решава няколко фундаментални проблема във физиката.

Според инфлационния модел малко след раждането си Вселената се разширява експоненциално за много кратко време: нейният размер се удвоява многократно. Учените смятат, че за 10 до -36 секунди Вселената се е увеличила по размер най-малко от 10 до 30 до 50 пъти, а вероятно и повече. В края на инфлационната фаза Вселената беше изпълнена със свръхгореща плазма от свободни кварки, глуони, лептони и високоенергийни кванти.

Концепцията предполагакоето съществува в света много вселени, изолирани една от другас различно устройство

Физиците са стигнали до извода, че логиката на инфлационния модел не противоречи на идеята за постоянното многократно раждане на нови вселени. Квантовите флуктуации – същите като тези, създали нашия свят – могат да възникнат във всякакви количества, ако условията са подходящи за тях. Напълно възможно е нашата вселена да е излязла от зоната на флуктуация, която се е образувала в предшестващия свят. Може също така да се предположи, че някой ден и някъде в нашата Вселена ще се образува флуктуация, която ще „издуха“ млада Вселена от съвсем различен вид. Според този модел дъщерните вселени могат непрекъснато да се развиват. Освен това изобщо не е необходимо същите физически закони да бъдат установени в нови светове. Концепцията предполага, че в света има много вселени, изолирани една от друга с различни структури.

Циклична теория

Пол Щайнхард, един от физиците, поставили основите на инфлационната космология, решава да доразвие тази теория. Ученият, който ръководи Центъра за теоретична физика в Принстън, заедно с Нийл Турок от Perimeter Institute for Theoretical Physics, очертаха алтернативна теория в книгата Endless Universe: Beyond the Big Bang („Безкрайната вселена: Отвъд Големия взрив“).Техният модел се основава на обобщение на квантовата суперструнна теория, известна като М-теория. Според нея физическият свят има 11 измерения – десет пространствени и едно времево. В него „плуват“ пространства с по-ниски измерения, така наречените брани. (съкратено от "мембрана").Нашата Вселена е просто една от тези брани.

Моделът на Steinhardt и Turok твърди, че Големият взрив е настъпил в резултат на сблъсъка на нашата брана с друга брана – неизвестна вселена. При този сценарий сблъсъците възникват безкрайно. Според хипотезата на Steinhardt и Turok, друга триизмерна брана „плува“ до нашата брана, разделена на малко разстояние. Освен това се разширява, сплесква и изпразва, но след трилион години браните ще започнат да се приближават една до друга и в крайна сметка ще се сблъскат. Това ще освободи огромно количество енергия, частици и радиация. Този катаклизъм ще предизвика нов цикъл на разширяване и охлаждане на Вселената. От модела на Steinhardt и Turok следва, че тези цикли са съществували в миналото и със сигурност ще се повторят в бъдеще. Теорията мълчи за това как са започнали тези цикли.

Вселена
като компютър

Друга хипотеза за структурата на Вселената казва, че целият ни свят не е нищо повече от матрица или компютърна програма. Идеята, че Вселената е цифров компютър, е представена за първи път от немския инженер и компютърен пионер Конрад Цузе в книгата му „Изчисляване на пространството“. („Изчислително пространство“).Сред онези, които също смятат Вселената за гигантски компютър, са физиците Стивън Волфрам и Джерард 'т Хоофт.

Теоретиците на цифровата физика предполагат, че вселената е по същество информация и следователно изчислима. От тези предположения следва, че Вселената може да се разглежда като резултат от компютърна програма или цифрово изчислително устройство. Този компютър може да бъде например гигантски клетъчен автомат или универсална машина на Тюринг.

Косвени доказателства виртуалната природа на Вселенатанаречен принцип на неопределеността в квантовата механика

Според теорията всеки обект и събитие във физическия свят идва от задаване на въпроси и записване на отговори „да“ или „не“. Тоест зад всичко, което ни заобикаля, стои определен код, подобен на двоичния код на компютърна програма. И ние сме един вид интерфейс, чрез който се появява достъп до данните на „универсалния интернет“. Косвено доказателство за виртуалната природа на Вселената се нарича принцип на несигурност в квантовата механика: частиците на материята могат да съществуват в нестабилна форма и се „фиксират“ в определено състояние само когато се наблюдават.

Цифровият физик Джон Арчибалд Уилър пише: „Не би било неразумно да си представим, че информацията се намира в ядрото на физиката, както в ядрото на компютъра. Всичко е от бита. С други думи, всичко, което съществува - всяка частица, всяко силово поле, дори самият пространствено-времеви континуум - получава своята функция, своето значение и в крайна сметка самото си съществуване."

Идеята за развитието на Вселената естествено доведе до формулирането на проблема за началото на еволюцията (раждането) на Вселената и нейното

край (смърт). В момента съществуват няколко космологични модела, които обясняват определени аспекти от възникването на материята във Вселената, но те не обясняват причините и процеса на раждането на самата Вселена. От целия набор от съвременни космологични теории само теорията за Големия взрив на Г. Гамов е успяла да обясни задоволително почти всички факти, свързани с този проблем досега. Основните характеристики на модела на Големия взрив са запазени и до днес, въпреки че по-късно са допълнени от теорията за инфлацията или теорията за раздуващата се Вселена, разработена от американските учени А. Гут и П. Щайнхард и допълнена от Съветският физик A.D. Линда.

През 1948 г. изключителният американски физик от руски произход Г. Гамов предположи, че физическата Вселена се е образувала в резултат на гигантска експлозия, настъпила преди около 15 милиарда години. Тогава цялата материя и цялата енергия на Вселената бяха концентрирани в една малка свръхплътна бучка. Ако вярвате на математическите изчисления, тогава в началото на разширяването радиусът на Вселената беше напълно равен на нула, а плътността му беше равна на безкрайност. Това начално състояние се нарича уникалност -точков обем с безкрайна плътност. Известните закони на физиката не се прилагат в единичност. В това състояние понятията пространство и време губят значението си, така че няма смисъл да се питаме къде е била тази точка. Също така съвременната наука не може да каже нищо за причините за появата на това състояние.

Въпреки това, според принципа на неопределеността на Хайзенберг, материята не може да бъде компресирана в една точка, така че се смята, че Вселената в първоначалното си състояние е имала определена плътност и размер. Според някои изчисления, ако цялата материя на наблюдаваната Вселена, която се оценява на приблизително 10 61 g, се компресира до плътност от 10 94 g/cm 3, тогава тя ще заеме обем от около 10 -33 cm 3. Би било невъзможно да се види с електронен микроскоп. Дълго време не можеше да се каже нищо за причините за Големия взрив и прехода на Вселената към разширение. Но днес се появиха някои хипотези, които се опитват да обяснят тези процеси. Те са в основата на инфлационния модел на развитие на Вселената.

"Начало" на Вселената

Основната идея на концепцията за Големия взрив е, че Вселената в ранните етапи на своето възникване е имала нестабилно вакуумно състояние с висока енергийна плътност. Тази енергия произхожда от квантово излъчване, т.е. сякаш от нищото. Факт е, че във физическия вакуум няма фиксирани

частици, полета и вълни, но не е безжизнена празнота. Във вакуум има виртуални частици, които се раждат, имат мимолетно съществуване и веднага изчезват. Следователно вакуумът „кипи“ от виртуални частици и е наситен със сложни взаимодействия между тях. Освен това енергията, съдържаща се във вакуума, се намира, така да се каже, на различните му етажи, т.е. има феномен на разлики в енергийните нива на вакуума.

Докато вакуумът е в равновесно състояние, в него съществуват само виртуални (призрачни) частици, които заемат енергия от вакуума за кратък период от време, за да се родят, и бързо връщат заетата енергия, за да изчезнат. Когато по някаква причина вакуумът в някаква начална точка (сингулярност) се възбуди и излезе от състоянието на равновесие, тогава виртуалните частици започнаха да улавят енергия без откат и се превърнаха в реални частици. В крайна сметка в определена точка в пространството се образуваха огромен брой реални частици, заедно с енергията, свързана с тях. Когато възбуденият вакуум се срути, се освободи гигантска радиационна енергия и суперсилата компресира частиците в свръхплътна материя. Екстремните условия на „началото“, когато дори пространство-времето е било деформирано, предполагат, че вакуумът също е бил в специално състояние, което се нарича „фалшив“ вакуум. Характеризира се с изключително висока плътност на енергията, която съответства на изключително висока плътност на материята. В това състояние на материята в нея могат да възникнат силни напрежения и отрицателни налягания, еквивалентни на гравитационно отблъскване с такава величина, че да причини неконтролираното и бързо разширяване на Вселената - Големия взрив. Това беше първоначалният тласък, „началото“ на нашия свят.

От този момент започва бързото разширяване на Вселената, възниква времето и пространството. По това време има неконтролируемо надуване на „космически балони“, зародиши на една или няколко вселени, които могат да се различават една от друга по своите фундаментални константи и закони. Един от тях стана ембрионът на нашата Метагалактика.

Според различни оценки периодът на "инфлация", който протича експоненциално, отнема невъобразимо кратък период от време - до 10 - 33 s след "старта". Нарича се инфлационен период.През това време размерът на Вселената се е увеличил 10 50 пъти, от една милиардна от размера на протон до размера на кибритена кутийка.

Към края на фазата на надуване Вселената беше празна и студена, но когато инфлацията пресъхна, Вселената изведнъж стана изключително „гореща“. Този изблик на топлина, който освети пространството, се дължи на огромните запаси от енергия, съдържащи се във „фалшивия“ вакуум. Това състояние на вакуум е много нестабилно и има тенденция да се разпада. Кога

колапсът е завършен, отблъскването изчезва и инфлацията свършва. И енергията, свързана под формата на много реални частици, се освобождава под формата на радиация, моментално нагрявайки Вселената до 10 27 K. От този момент нататък Вселената се развива според стандартната теория за „горещия“ Голям взрив .

Ранен етап от еволюцията на Вселената

Непосредствено след Големия взрив Вселената представлява плазма от елементарни частици от всякакъв вид и техните античастици в състояние на термодинамично равновесие при температура 10 27 K, които свободно се трансформират една в друга. В този съсирек имаше само гравитационни и големи (велики) взаимодействия. След това Вселената започва да се разширява, като в същото време нейната плътност и температура намаляват. По-нататъшното развитие на Вселената протича на етапи и се придружава, от една страна, от диференциация, а от друга, от усложняване на нейните структури. Етапите на еволюцията на Вселената се различават по характеристиките на взаимодействието на елементарните частици и се наричат епохи.Най-важните промени отнеха по-малко от три минути.

Адронна ерапродължи 10-7 s. На този етап температурата пада до 10 13 K. В същото време се появяват и четирите фундаментални взаимодействия, свободното съществуване на кварките се прекратява, те се сливат в адрони, най-важните сред които са протоните и неутроните. Най-значимото събитие беше глобалното нарушаване на симетрията, настъпило в първите моменти от съществуването на нашата Вселена. Броят на частиците се оказа малко по-голям от броя на античастиците. Причините за тази асиметрия все още не са известни. В общото подобно на плазма струпване на всеки милиард двойки частици и античастици имаше още една частица; тя нямаше достатъчно двойки за анихилация. Това определя по-нататъшното възникване на материалната Вселена с галактики, звезди, планети и разумни същества на някои от тях.

Лептонова ерапродължи до 1 s след старта. Температурата на Вселената падна до 10 10 K. Нейните основни елементи бяха лептони, които участваха във взаимните трансформации на протони и неутрони. В края на тази ера материята стана прозрачна за неутриното, те престанаха да взаимодействат с материята и оттогава оцеляха до днес.

Радиационна ера (фотонна ера)продължи 1 милион години. През това време температурата на Вселената се понижава от 10 милиарда K до 3000 K. През този етап се извършват най-важните процеси на първичен нуклеосинтез за по-нататъшната еволюция на Вселената - комбинацията от протони и неутрони (има около 8 пъти по-малко от тях).

по-високи от протоните) в атомни ядра. В края на този процес материята на Вселената се състои от 75% протони (водородни ядра), около 25% са ядра на хелий, стотни от процента са деутерий, литий и други леки елементи, след което Вселената става прозрачна за фотоните , тъй като радиацията се отделя от веществата и образува това, което в нашата ера се нарича реликтово излъчване.

След това, в продължение на почти 500 хиляди години, не настъпват качествени промени - има бавно охлаждане и разширяване на Вселената. Въпреки че оставаше хомогенна, Вселената ставаше все по-разредена. Когато се охлади до 3000 K, ядрата на водородните и хелиевите атоми вече могат да уловят свободни електрони и да се трансформират в неутрални водородни и хелиеви атоми. В резултат на това се образува хомогенна Вселена, която представлява смес от три почти невзаимодействащи вещества: барионна материя (водород, хелий и техните изотопи), лептони (неутрино и антинеутрино) и радиация (фотони). По това време вече нямаше високи температури и високо налягане. Изглеждаше, че в бъдеще Вселената ще претърпи допълнително разширяване и охлаждане, образуването на „лептонна пустиня“ - нещо като термична смърт. Но това не се случи; напротив, имаше скок, който създаде съвременната структурна Вселена, което според съвременните оценки отне от 1 до 3 милиарда години.

Нашето тяло, храна, дом, планета и вселена са съставени от малки частици. Какви са тези частици и как се появяват в природата? Как си взаимодействат, обединяват се в атоми, молекули, тела, планети, звезди, галактики и накрая как изчезват от съществуването? Има доста хипотези за образуването на всичко около нас, от най-малкия атом до най-големите галактики, но сред тях се откроява една, която е може би най-основната. Вярно, повдига повече въпроси, отколкото аргументирани отговори. Говорим за теорията за Големия взрив.
Отначало няколко интересни фактисвързани с тази теория.
Първо.Теорията за Големия взрив е създадена от свещеник.
Въпреки факта, че християнската религия все още се придържа към такива канони като създаването на всичко, което съществува за 7 дни, теорията за Големия взрив е разработена от католически свещеник, който също е бил астроном физик. Името на свещеника беше Жорж Льометр. Той е първият, който повдига въпроса за произхода на наблюдаваната мащабна структура на Вселената.
Той представи концепцията за „Големия взрив“, така наречения „първоначален атом“ и последващото превръщане на неговите фрагменти в звезди и галактики. През 1927 г. е публикувана статията на J. Lemaître „Хомогенна вселена с постоянна маса и нарастващ радиус, обясняваща радиалните скорости на извънгалактическите мъглявини“.
Интересното е, че Айнщайн, който научил за тази теория, казал следното: „Вашите изчисления са правилни, но познанията ви по физика са ужасни.“ Въпреки това свещеникът продължава да защитава своята теория и още през 1933 г. Айнщайн се отказва, като публично посочва, че обяснението на теорията за Големия взрив е едно от най-убедителните от всички, които е чувал.
Наскоро беше открит ръкописът на Айнщайн от 1931 г., в който той излага алтернативна теория за раждането на Вселената спрямо Големия взрив. Тази теория е почти идентична с тази, която Алфред Хойл развива независимо в края на 40-те години на миналия век, без да знае за работата на Айнщайн. В теорията за Големия взрив Айнщайн не е бил доволен от сингулярното (единично, единично - бел. ред.) състояние на материята преди експлозията, така че е мислил за безкрайно разширяваща се Вселена. В него материята се появи сама, за да запази своята плътност, докато безкрайната Вселена се разширяваше безкрайно. Айнщайн вярва, че този процес може да бъде описан с помощта на обща теорияотносителността без никакви модификации, но той задраска някои изчисления в бележките. Ученият откри грешка в разсъжденията си и изостави тази теория, която така или иначе нямаше да бъде потвърдена от допълнителни наблюдения.
Второ.Писателят на научна фантастика Едгар Алън По предложи нещо подобно през 1848 г. Разбира се, той не беше физик, така че не можеше да създаде теория, подкрепена от изчисления. Да, по това време не е имало математически апарат, достатъчен за създаване на изчислителна система за такъв модел. Вместо това той създаде произведение на изкуството„Еврика“, който предвижда откриването на „черни дупки“ и обяснява парадокса на Олберс. Пълно заглавие на произведението: „Еврика (преживяване за материалната и духовна Вселена)“. Самият автор смята тази книга за „най-великото откровение, което човечеството някога е чувало“. (В науката парадоксът на Олберс е прост аргумент, който ни казва, че тъмнината на нощното небе противоречи на теорията за безкрайността на нашата Вселена. Парадоксът на Олберс има и второ име – „парадокс на тъмното небе“. Това означава че при абсолютно всеки ъгъл на гледане от линията на зрението на Земята веднага ще свърши, когато достигне звезда, подобно на това как в много гъста гора се оказваме заобиколени от „стена" от далечни дървета. Парадоксът на Олберс се счита за косвено потвърждение на моделът на Големия взрив за нестатична Вселена). Освен това в „Еврика“ Е. По говори за „примитивна частица“, „абсолютно уникална, индивидуална“. Самата поема беше критикувана на пух и прах и беше счетена за неуспешна от художествена гледна точка. Въпреки това учените все още не разбират как Е. По успя да изпревари науката толкова много.
трето.Името на теорията е създадено случайно.
Самият автор на името, английският астроном сър Алфред Хойл, беше противник на тази теория, той вярваше в стабилността на съществуването на Вселената и беше първият, който използва името на теорията за „Големия взрив“. Говорейки по радиото през 1949 г., той критикува теорията, която няма кратко и лаконично име. За да „прецени“ теорията за Големия взрив, той измисли този термин. „Големият взрив“ обаче вече е официалното и общоприето наименование на теорията за произхода на Вселената.
Развитието на теорията за Големия взрив е извършено от учените А. Фридман и Д. Гамов в средата на 60-те години на миналия век, въз основа на общата теория на относителността на Айнщайн. Според техните предположения нашата Вселена някога е била безкрайно малка бучка, супер плътна и нагрята до много високи температури (до милиарди градуси). Това нестабилно образувание внезапно избухна. Според теоретичните изчисления формирането на Вселената е започнало преди 13,5 милиарда години в много малък обем с огромна плътност и температура. В резултат на това Вселената започна да се разширява бързо.
Периодът на експлозия в космическата наука се нарича космическа сингулярност. В момента на експлозията частици материя се разпръснаха в различни посоки с огромна скорост. Моментът след експлозията, когато младата Вселена започва да се разширява, е наречен Големият взрив.
Освен това, според теорията, събитията се развиха по следния начин. Разпръснатите във всички посоки горещи частици имаха твърде висока температура и не можеха да се комбинират в атоми. Този процес започна много по-късно, милион години по-късно, когато новообразуваната Вселена се охлади до температура от приблизително 40 000 C. Първи започнаха да се образуват химически елементи като водород и хелий. Докато Вселената се охлаждаше, се образуваха други химически елементи, по-тежки. В подкрепа на това привържениците на теорията цитират характерния факт, че този процес на образуване на елементи и атоми продължава и в момента, в дълбините на всяка звезда, включително нашето слънце. Температурата на звездните ядра все още е много висока. Докато частиците се охлаждаха, те образуваха облаци от газ и прах. Сблъсквайки се, те се слепиха, образувайки едно цяло.
Основните сили, влияещи върху това обединение, бяха силите на гравитацията. Именно благодарение на процеса на привличане на малки обекти към по-големи са се образували планетите, звездите и галактиките. Разширяването на Вселената все още се случва, защото дори сега учените казват, че най-близките галактики се разширяват и се отдалечават от нас.
Много по-късно (преди 5 милиарда години), отново според теорията на учените, нашата Слънчева система се е образувала в резултат на уплътняване на облаци от прах и газ. Кондензацията на мъглявината доведе до образуването на Слънцето; по-малки натрупвания на прах и газ образуваха планети, включително нашата Земя. Мощно гравитационно поле задържа тези зараждащи се планети, принуждавайки ги да се въртят около Слънцето, което непрекъснато се кондензира, което означава, че вътре в нововъзникващата звезда възниква мощно налягане, което в крайна сметка намира изход, превръщайки се в топлинна енергия и следователно в слънчеви лъчи, които можем да наблюдаваме днес.
Докато планетата Земя се охлаждаше, нейните скали също се стопиха, образувайки първичната земна кора след втвърдяване.

Газовете, изхвърлени от недрата на Земята по време на охлаждането, се изпариха в космоса, но поради силата на гравитацията на Земята по-тежките образуваха атмосферата, тоест въздухът, който ни позволява да дишаме. Така за почти 4,5 милиарда години са създадени условията за възникване на живот на нашата планета.
Според съвременните данни нашата Вселена е на около 13,8 милиарда години. Размерът на наблюдаваната Вселена е 13,7 милиарда светлинни години. Средната плътност на съставното му вещество е 10-29 g/cm 3 . Тегло - повече от 1050 тона.
Не всички учени обаче се съгласиха с теорията за Големия взрив, без да получат отговори на много въпроси. На първо място, как би могъл да възникне Големият взрив в разрез с основния закон на природата – закона Съхранение на енергия? И също така с невъобразима температура, противна на законите на термодинамиката?
Според Д. Таланцев „концепцията за съществуването на пълен хаос и последваща експлозия противоречи на втория закон на термодинамиката, според който всички природни спонтанни процесивървят към увеличаване на ентропията (т.е. хаос, безредие) на системата.
Еволюцията като спонтанно самоусложняване на природните системи е напълно и абсолютно недвусмислено забранена от втория закон на термодинамиката. Този закон ни казва, че хаосът никога и при никакви обстоятелства не може сам да установи ред. Спонтанно усложнение на всяко естествена системаневъзможен. Например, „първичната супа“ никога, при никакви условия, в продължение на трилиони или милиарди години, не би могла да породи по-високо организирани протеинови тела, които от своя страна никога, в продължение на трилиони години, не биха могли да „еволюират“ в такава силно организирана структура, като човек.
Така че тази „общоприета“ съвременна гледна точка за произхода на Вселената е абсолютно неправилна, тъй като противоречи на един от основните емпирично установени научни закони - вторият закон на термодинамиката.
Въпреки това теорията за Големия взрив, поддържана от много учени (А. Пензиас, Р. Уилсън, У. Де Ситър, А. Едингтън, К. Вирц и др.), продължава да доминира в научните среди. Те цитират следните факти, за да докажат своята теория. Така през 1929 г. американският астроном Едуин Хъбъл открива така нареченото червено изместване или, с други думи, забелязва, че светлината на далечните галактики е малко по-червена от очакваното, т.е. тяхната радиация се измества към червената страна на спектъра.
Още по-рано беше установено, че когато дадено тяло се отдалечава от нас, излъчването му се измества към червената страна на спектъра (червено изместване), а когато, напротив, се приближава към нас, излъчването му се измества към виолетовата страна на спектъра (виолетово изместване). По този начин червеното отместване, открито от Хъбъл, показва, че галактиките се отдалечават от нас и една от друга с огромни скорости, т.е., изненадващо, Вселената в момента се разширява, и то еднакво във всички посоки. Тоест взаимното разположение на космическите обекти не се променя, а само разстоянията между тях. Точно както разположението на точките на повърхността на балон не се променя, но разстоянията между тях се променят, когато той се надуе.
Но ако Вселената се разширява, тогава неизбежно възниква въпросът: какви сили придават първоначалната скорост на разпръснатите галактики и осигуряват необходимата енергия. Съвременна наукапредполага, че началният момент и причина за сегашното разширяване на Вселената е Големият взрив.
Друго косвено потвърждение на хипотезата за Големия взрив е откритието през 1965 г космическо микровълново фоново лъчение(от лат. relictum - остатък) от Вселената. Това е радиация, чиито останки достигат до нас от онова далечно време, когато още не е имало звезди и планети, а материята на Вселената е била представена от хомогенна плазма, която е имала колосална температура (около 4000 градуса), съдържаща се в малка площ с радиус от 15 милиона .светлинни години.
Противниците на теорията посочват, че авторите в своите изследвания само спекулативно описват частите от секундите, когато във Вселената уж са се появили електрони, кварки, неутрони и протони; след това минути - когато се появиха ядра на водород и хелий; хиляди години и милиарди години - когато са възникнали атоми, тела, звезди, галактики, планети и т.н., без да обясняват на каква база дават подобни заключения. Да не говорим за въпросите защо и как се случи всичко това? По думите на Б. Ръсел: „Много понятия изглеждат дълбоки само защото са неясни и объркани. И всеки път, когато концепцията за Големия взрив води до задънена улица, ние трябва да въведем в нея, без доказателства, някаква нова „удивителна“ същност, като например необяснима космическа инфлация в ранния етап на Големия взрив, по време на който в малка част от секундата Вселената необяснимо бързо внезапно се разшири с много порядъци и продължава да се разширява до ден днешен, и по някаква причина с ускорение.
Има много въпроси, на които бих искал да получа отговор. Съвременните астрономи и физици работят, за да намерят отговори. Какво доведе до образуването на наблюдаваната в момента Вселена, до началото на експлозията? Защо пространството има три измерения, а времето има едно? Как могат да се появят неподвижни обекти - звезди и галактики - в бързо разширяващата се Вселена? Какво се случи преди Големия взрив? Защо Вселената има клетъчна структура от суперкупове и галактически купове? И защо продължава да се разширява по начин, различен от този, който трябва след експлозията? В края на краищата не се разпръскват звезди или дори отделни галактики, а само клъстери от галактики. Докато звездите и галактиките, напротив, са някак свързани помежду си и образуват стабилни структури? Нещо повече, куповете галактики, в която и посока да погледнете, се разпръскват с приблизително еднаква скорост? И не забавяне, а ускоряване? И много, много други въпроси, на които тази теория не дава отговор.
Един от най-известните физици на нашето време, Стивън Хокинг, отбеляза: „Докато повечето учени са твърде заети с разработването на нови теории, описващи какво представлява Вселената, те нямат време да се запитат защо тя е там. Философите, чиято работа е да задават въпроса „защо“, не могат да бъдат в крак с развитието на научните теории. Но ако наистина открием пълната теория, тогава с времето нейните основни принципи ще станат разбираеми за всички, а не само за няколко специалисти. И тогава всички ние, философи, учени и просто обикновените хора, ще можем да участваме в дискусия защо се случи така, че ни има и Вселената съществува. И ако отговорът на такъв въпрос бъде намерен, това ще бъде пълен триумф на човешкия ум, защото тогава Божият план ще ни стане ясен.
Това казаха известни физици за Божествения произход на Вселената и всичко на Земята.
Исак Нютон (1643 -1727) - английски физик, математик, астроном. Основател класическа теорияфизици: „Прекрасната структура на космоса и хармонията в него могат да се обяснят само с факта, че космосът е създаден по план на Всезнаещо и Всемогъщо Същество. Това е първата и последната ми дума.”
Алберт Айнщайн (1879 -1955)- автор на специалната и общата теория на относителността, въвежда понятието фотон, открива законите на фотоелектричния ефект, работи върху проблемите на космологията и единната теория на полето. Според много видни физици Айнщайн е най-значимата фигура в историята на физиката. Носителят на Нобелова награда за физика от 1921 г. каза: „Моята религия се състои в чувство на смирено възхищение към безкрайния интелект, който се проявява в най-малките детайли на онази картина на света, която ние сме в състояние само частично да разберем и опознаем с ума си. . Тази дълбока емоционална увереност в най-висшия логичен ред на структурата на Вселената е моята представа за Бог.
Артър Комптън (1892 -1962),Американски физик, носител на Нобелова награда за физика през 1927 г.: „За мен Вярата започва със знанието, че Висшият разум е създал Вселената и човека. Не ми е трудно да повярвам в това, защото фактът на съществуването на план и следователно на Разум е неопровержим. Подредбата на Вселената, която се разкрива пред очите ни, сама по себе си свидетелства за истинността на най-великото и възвишено твърдение: „В началото е Бог“.
Но ето думите на друг ракетен физик, Dr. Вернер фон Браун:„Такова организирано, прецизно балансирано, величествено творение като Вселената може да бъде само въплъщение на Божествения план.“
Много разпространена гледна точка е, че съществуването на Бог не може да бъде доказано с рационални и логически средства, че Неговото съществуване може да се приеме само на вяра като аксиома. „Блажен е този, който вярва“ - има един израз. Вярвайте, ако искате, вярвайте, ако искате, това е личен въпрос за всеки. Що се отнася до науката, най-често се смята, че нейната работа е да изучава нашия материален свят, да го изучава с помощта на рационално-емпирични методи и тъй като Бог е нематериален, науката няма нищо общо с Него - нека религията, така да се каже, " занимавай се с Него.” Всъщност това е точно погрешно - науката е тази, която ни предоставя най-убедителните доказателства за съществуването на Бог - Създателят на целия материален свят около нас. Докато учените се опитват да обяснят всички процеси в природата само от материалистична гледна точка, те няма да могат да намерят решения, които дори приблизително да са подобни на истината.
За да потвърдим всичко казано, цитираме думите Създателят от книгата „Откровения към хората на Новото време“.
„20. Опитът да се изследва причината за Големия взрив демонстрира само вашето пълно неразбиране на ПРИРОДАТА НА ЧУДО-КОСМОСА или по-скоро нежеланието на хората на науката да гледат на този свят като на свят, създаден по подобие на Божественото пространство! Трябва да кажа, че вашият модел или теория за Големия взрив няма нищо общо с истинската природа на произхода на световете!“
(Съобщение от 14.05.10 г. „Съвършенство на духа“).
„25. Ако ви кажа кога и при какви условия е станала МАТЕРИАЛИЗАЦИЯТА на вас и вашата планета, тогава цялата ви теория за Големия взрив не само ще се разпадне, но и ще се окаже празен опит на материалния човек да обясни Божественото произход на живота не само на Земята, но и във Вселената!
(Съобщение от 09.10.10 „Мистерията на произхода на живота“).
„4. Този естествен процес на САМОусъвършенстване съдържа не само Канона на фракталното подобие, но и всички Канони на Вечността, защото ако няма движение напред, тогава няма Велик творчески ум, а след това и закона за случайните числа (идеята на произволността) влиза в сила и идеята за Големите инциденти, наречена Теория за Големия взрив, която отхвърля, и завинаги, присъствието на РЕД, присъствието на Висшия космически разум и, освен това, отхвърля Голямата НАДЕЖДА на хората да бъдат съвършени, и най-важното, отхвърля самия смисъл на човека като обективна реалност!
(Съобщение от 19.12.13 г. „Надеждата се обръща навътре“).

В една галактика има около 100 милиарда звезди, а общо в нашата Вселена има 100 милиарда галактики. Ако искате да пътувате от Земята до самия край на Вселената, това ще ви отнеме повече от 15 милиарда години, при условие че се движите със скоростта на светлината - 300 000 км в секунда. Но откъде идва космическата материя? Как е възникнала Вселената? Историята на Земята датира от около 4,6 милиарда години. През това време са възникнали и изчезнали много милиони видове растения и животни; най-високите израснаха и се превърнаха в прах планински вериги; Огромни континенти или се разделиха на парчета и се разпръснаха в различни посоки, или се сблъскаха един с друг, образувайки нови гигантски земни маси. Откъде знаем всичко това? Факт е, че въпреки всички бедствия и катаклизми, с които е толкова богата историята на нашата планета, изненадващо много от нейното бурно минало е запечатано в съществуващите днес скали, във вкаменелостите, които се намират в тях, както и в организмите на живите същества, живеещи днес на Земята. Разбира се, тази хроника е непълна. Срещаме само фрагменти от него, зеещи празнини между тях, цели глави, които са изключително важни за разбирането на това, което наистина се е случило, отпадат от повествованието. И все пак, дори в такъв съкратен вид, историята на нашата Земя не отстъпва по очарование на всеки детективски роман.

Астрономите смятат, че нашият свят е възникнал в резултат на Големия взрив. Експлодирайки, гигантската огнена топка разпръсна материя и енергия в пространството, които впоследствие се кондензираха, образувайки милиарди звезди, които на свой ред се сляха в множество галактики.

Теория за Големия взрив.

Теорията, следвана от повечето съвременни учени, гласи, че Вселената се е образувала в резултат на така наречения Голям взрив. Невероятно горещо огнено кълбо, чиято температура достигна милиарди градуси, в един момент избухна и разпръсна потоци от енергия и частици материя във всички посоки, давайки им колосално ускорение.
Всяко вещество се състои от малки частици - атоми. Атомите са най-малките материални частици, които могат да участват в химични реакции. Те обаче от своя страна се състоят от още по-малки, елементарни частици. В света има много разновидности на атоми, които се наричат ​​химични елементи. Всеки химичен елемент съдържа атоми с определен размер и тегло и е различен от другите химични елементи. Следователно по време на химични реакции всеки химичен елемент се държи само по свой начин. Всичко във Вселената, от най-големите галактики до най-малките живи организми, се състои от химически елементи.

След Големия взрив.

Тъй като огненото кълбо, което се разпадна при Големия взрив, беше толкова горещо, малките частици материя първоначално бяха твърде енергични, за да се комбинират една с друга, за да образуват атоми. След около милион години обаче температурата на Вселената падна до 4000 "C и от елементарни частици започнаха да се образуват различни атоми. Първо се появиха най-леките химични елементи - хелий и водород. Постепенно Вселената се охлаждаше все повече и повече и образуваха се по-тежки елементи.Процесът на образуване на нови атоми и елементи продължава и до днес в дълбините на звезди като нашето Слънце, чиито температури са необичайно високи.
Вселената изстиваше. Новообразуваните атоми се събраха в гигантски облаци от прах и газ. Частиците прах се сблъскаха една с друга и се сляха в едно цяло. Гравитационните сили привличат малки обекти към по-големи. В резултат на това във Вселената с течение на времето са се образували галактики, звезди и планети.

Земята има разтопено ядро, богато на желязо и никел. Земната кора се състои от по-леки елементи и изглежда, че плава върху повърхността на частично разтопени скали, които образуват мантията на Земята.

Разширяваща се Вселена.

Големият взрив се оказа толкова мощен, че цялата материя на Вселената се разпръсна в космоса с голяма скорост. Освен това Вселената продължава да се разширява и до днес. Можем да кажем това с увереност, защото далечните галактики все още се отдалечават от нас, а разстоянията между тях непрекъснато се увеличават. Това означава, че в даден момент галактиките са били разположени много по-далеч една от друга. по-близък приятелна приятел, отколкото в наши дни.

Никой не знае как точно се е формирала Слънчевата система. Водещата теория е, че Слънцето и планетите са се образували от въртящ се облак от космически газ и прах. По-плътните части на този облак с помощта на гравитационните сили привличаха все повече материя отвън. В резултат на това Слънцето и всичките му планети възникнаха от него.

Микровълни от миналото.

Въз основа на предположението, че Вселената се е образувала в резултат на „горещ“ Голям взрив, тоест тя е възникнала от гигантска огнена топка, учените се опитаха да изчислят до каква степен би трябвало да се е охладила досега. Те заключиха, че температурата на междугалактическото пространство трябва да бъде около -270°C. Учените определят и температурата на Вселената по интензивността на микровълновото (топлинно) излъчване, идващо от дълбините на космоса. Извършените измервания потвърдиха, че наистина е приблизително -270 "C.

На колко години е Вселената?

За да разберат разстоянието до определена галактика, астрономите определят нейния размер, яркост и цвят на светлината, която излъчва. Ако теорията за Големия взрив е вярна, тогава това означава, че всички съществуващи галактики първоначално са били събрани в една супер плътна и гореща огнена топка. Просто трябва да разделите разстоянието от една галактика до друга на скоростта, с която се отдалечават една от друга, за да установите преди колко време са образували едно цяло. Това ще бъде възрастта на Вселената. Разбира се, този метод не дава точни данни, но все пак дава основание да се смята, че възрастта на Вселената е от 12 до 20 милиарда години.

Поток от лава изтича от кратера на вулкана Килауеа, разположен на остров Хавай. Когато лавата достигне повърхността на Земята, тя се втвърдява, образувайки нови скали.

Образуване на Слънчевата система.

Галактиките вероятно са се образували около 1 до 2 милиарда години след Големия взрив, а слънчевата система е възникнала около 8 милиарда години по-късно. В крайна сметка материята не е била разпределена равномерно в пространството. Плътните зони, благодарение на гравитационните сили, привличаха все повече и повече прах и газ. Размерът на тези зони нараства бързо. Те се превърнаха в гигантски въртящи се облаци от прах и газ - така наречените мъглявини.
Една такава мъглявина - а именно слънчевата мъглявина - кондензира и образува нашето Слънце. От други части на облака се появиха бучки материя, които се превърнаха в планети, включително Земята. Те бяха задържани в техните слънчеви орбити от мощното гравитационно поле на Слънцето. Тъй като гравитационните сили притегляха частици от слънчевата материя все по-близо една до друга, Слънцето ставаше по-малко и по-плътно. В същото време в слънчевото ядро ​​възникна чудовищно налягане. Тя беше преобразувана в колосална топлинна енергия, а това от своя страна ускори хода на термоядрените реакции вътре в Слънцето. В резултат на това се образуват нови атоми и се отделя още повече топлина.

Появата на условия на живот.

Приблизително същите процеси, макар и в много по-малък мащаб, се случиха на Земята. Земното ядро ​​бързо се свиваше. Поради ядрените реакции и разпадането на радиоактивните елементи в недрата на Земята се отделя толкова много топлина, че образувалите я скали се стопяват. По-леки вещества, богати на силиций, подобен на стъкло минерал, отделен от по-плътното желязо и никел в земното ядро, за да образуват първата кора. След около милиард години, когато Земята се охлади значително, земната кора се втвърди в здрава външна обвивка на нашата планета, състояща се от твърди скали.
Когато Земята се охлади, тя изхвърли много различни газове от ядрото си. Това обикновено се случва по време на вулканични изригвания. Леките газове, като водород или хелий, са избягали предимно в открития космос. Гравитацията на Земята обаче беше достатъчно силна, за да задържи по-тежки газове близо до нейната повърхност. Те формират основата на земната атмосфера. Част от водните пари от атмосферата се кондензираха и на Земята се появиха океани. Сега нашата планета беше напълно готова да се превърне в люлка на живота.

Раждането и смъртта на скалите.

Сушата на Земята се формира от твърди скали, често покрити със слой почва и растителност. Но откъде идват тези скали? Нови скали се образуват от материал, роден дълбоко в Земята. В долните слоеве земната коратемпературата е много по-висока, отколкото на повърхността, а скалите, които ги изграждат, са под огромно налягане. Под въздействието на топлина и натиск скалите се огъват и омекват или дори напълно се стопяват. След като в земната кора се образува слабо място, разтопената скала - наречена магма - изригва на повърхността на Земята. Магмата изтича от вулканични отвори под формата на лава и се разпространява в голяма площ. Когато лавата се втвърди, тя се превръща в твърда скала.

Експлозии и огнени фонтани.

В някои случаи раждането на скалите е придружено от грандиозни катаклизми, в други се случва тихо и незабелязано. Има много разновидности на магмата и те образуват различни видове скали. Например базалтовата магма е много течна, лесно излиза на повърхността, разпространява се в широки потоци и бързо се втвърдява. Понякога избухва от кратера на вулкан като ярък „огнен фонтан“ - това се случва, когато земната кора не може да издържи натиска му.
Други видове магма са много по-дебели: тяхната плътност или консистенция е по-скоро като черна меласа. Газовете, съдържащи се в такава магма, трудно си проправят път към повърхността през нейната плътна маса. Спомнете си колко лесно въздушните мехурчета излизат от вряща вода и колко по-бавно става това, когато загрявате нещо по-гъсто, като желе. Тъй като по-плътната магма се издига по-близо до повърхността, налягането върху нея намалява. Газовете, разтворени в него, са склонни да се разширяват, но не могат. Когато магмата най-накрая избухне, газовете се разширяват толкова бързо, че възниква огромна експлозия. Лава, скални отломки и пепел излитат във всички посоки като снаряди, изстреляни от оръдие. Подобно изригване е имало през 1902 г. на остров Мартиника в Карибско море. Катастрофалното изригване на вулкана Moptap-Pelé унищожи напълно пристанището на Sept-Pierre. Загиват около 30 000 души.

Образуване на кристали.

Скалите, които се образуват от охлаждаща лава, се наричат ​​вулканични или магмени скали. Докато лавата се охлажда, минералите, съдържащи се в разтопената скала, постепенно се превръщат в твърди кристали. Ако лавата се охлади бързо, кристалите нямат време да растат и остават много малки. Подобно нещо се случва при образуването на базалт. Понякога лавата се охлажда толкова бързо, че произвежда гладка, стъклена скала, която изобщо не съдържа кристали, като обсидиан (вулканично стъкло). Това обикновено се случва по време на подводно изригване или когато малки частици лава се изхвърлят от кратера на вулкана високо в студения въздух.

Ерозия и изветряне на скали в каньоните Cedar Breaks, Юта, САЩ. Тези каньони са се образували в резултат на ерозионното действие на реката, която е прокарала своя канал през слоеве от седиментни скали, „изцедени“ нагоре от движенията на земната кора. Оголените планински склонове постепенно се ерозираха и върху тях скалните отломки образуваха скални сипеи. Всред тези сипеи стърчат издатини от все още здрави скали, които оформят ръбовете на каньоните.

Свидетелство за миналото.

Размерът на кристалите, съдържащи се във вулканичните скали, ни позволява да преценим колко бързо се е охладила лавата и на какво разстояние от повърхността на Земята е лежала. Ето парче гранит, както изглежда в поляризирана светлина под микроскоп. Различните кристали имат различни цветове в това изображение.

Гнайсът е метаморфна скала, образувана от седиментна скала под въздействието на топлина и налягане. Моделът от многоцветни ивици, който виждате на това парче гнайс, ви позволява да определите посоката, в която земната кора, движейки се, е притиснала скалните слоеве. Така придобиваме представа за събитията, случили се преди 3,5 милиарда години.
По гънки и разломи (разломи) в скалите можем да преценим в каква посока са действали колосални напрежения в земната кора в отдавна отминали геоложки епохи. Тези гънки са възникнали в резултат на планиностроителни движения на земната кора, започнали преди 26 милиона години. На тези места чудовищни ​​сили компресираха слоеве от седиментни скали - и се образуваха гънки.
Магмата не винаги достига земната повърхност. Може да се задържи в долните слоеве на земната кора и след това да се охлади много по-бавно, образувайки възхитителни големи кристали. Така възниква гранитът. Размерът на кристалите в някои камъчета ни позволява да установим как тази скала се е образувала преди много милиони години.

Худус, Алберта, Канада. Дъждът и пясъчните бури разрушават меките скали по-бързо от твърдите, което води до изпъкналости (издатини) с причудливи очертания.

Седиментни "сандвичи".

Не всички скали са вулканични, като гранит или базалт. Много от тях имат много слоеве и приличат на огромна купчина сандвичи. Някога те са били образувани от други скали, разрушени от вятър, дъжд и реки, чиито фрагменти са били измити в езера или морета и са се утаили на дъното под водния стълб. Постепенно се натрупва огромно количество такива валежи. Те се натрупват един върху друг, образувайки пластове с дебелина стотици и дори хиляди метри. Водата на езеро или море притиска тези отлагания с колосална сила. Водата вътре в тях се изцежда и те се пресоват в плътна маса. В същото време минералните вещества, предварително разтворени в изцедената вода, сякаш циментират цялата тази маса и в резултат на това от нея се образува нова скала, която се нарича седиментна.
Както вулканичните, така и седиментните скали могат да бъдат изтласкани нагоре под въздействието на движенията на земната кора, образувайки нови планински системи. Колосални сили участват във формирането на планините. Под тяхно влияние скалите или се нагряват силно, или се компресират чудовищно. В същото време те се трансформират - трансформират: един минерал може да се превърне в друг, кристалите се сплескват и приемат различна подредба. В резултат на това на мястото на една скала се появява друга. Скалите, образувани от трансформацията на други скали под въздействието на горните сили, се наричат ​​метаморфни.

Нищо не е вечно, дори планините.

На пръв поглед нищо не може да бъде по-силно и по-издръжливо от огромна планина. Уви, това е само илюзия. Въз основа на геоложки времеви мащаби от милиони и дори стотици милиони години, планините се оказват толкова преходни, колкото всичко останало, включително вас и мен.
Всяка скала, веднага щом започне да бъде изложена на атмосферата, моментално ще се срути. Ако погледнете прясно парче скала или натрошено камъче, ще видите, че новообразуваната повърхност на скалата често е с напълно различен цвят от старата, която е била във въздуха дълго време. Това се дължи на влиянието на кислорода, съдържащ се в атмосферата, а в много случаи и на дъждовната вода. Поради тях на повърхността на скалата протичат различни химични реакции, които постепенно променят нейните свойства.
С течение на времето тези реакции причиняват освобождаване на минералите, които държат скалата заедно, и тя започва да се разпада. В скалата се образуват малки пукнатини, които позволяват на водата да проникне. Когато тази вода замръзне, тя се разширява и разкъсва скалата отвътре. Когато ледът се стопи, такава скала просто ще се разпадне. Съвсем скоро падналите скални късове ще бъдат отнесени от дъждовете. Този процес се нарича ерозия.

Ледникът Муир в Аляска. Разрушителното въздействие на ледника и замръзналите в него камъни отдолу и отстрани постепенно причинява ерозия на стените и дъното на долината, по която се движи. В резултат на това върху леда се образуват дълги ивици от скални късове - т. нар. морени. Когато два съседни ледника се слеят, техните морени също се съединяват.

Водата е разрушител.

Парчета разрушена скала в крайна сметка се озовават в реките. Течението ги влачи по коритото на реката и ги унищожава в скалата, която образува самото корито, докато оцелелите фрагменти най-накрая намерят тихо убежище на дъното на езеро или море. Замръзналата вода (лед) има още по-голяма разрушителна сила. Ледниците и ледените покривки влачат след себе си много големи и малки скални късове, замръзнали в ледените им страни и кореми. Тези фрагменти правят дълбоки бразди в скалите, по които се движат ледниците. Глетчерът може да носи скални фрагменти, които падат върху него на стотици километри.

Скулптури, създадени от вятъра

Вятърът също разрушава скалите. Това се случва особено често в пустините, където вятърът носи милиони малки песъчинки. Пясъчните зърна са съставени предимно от кварц, изключително издръжлив минерал. Вихрушка от пясъчни зърна се удря в скалите, избивайки все повече и повече песъчинки от тях.
Често вятърът натрупва пясък в големи пясъчни хълмове или дюни. Всеки порив на вятъра отлага нов слой пясъчни зърна върху дюните. Разположението на склоновете и стръмността на тези пясъчни хълмове позволяват да се прецени посоката и силата на вятъра, който ги е създал.

Ледниците издълбават дълбоки U-образни долини по пътя си. В Нантфранкон, Уелс, ледниците изчезнаха в праисторически времена, оставяйки след себе си широка долина, която очевидно е твърде голяма за малката река, която сега тече през нея. Малкото езеро на преден план е блокирано от ивица особено здрава скала.

12. Какво е причинило Големия взрив?

Парадоксът на възникването

Нито една от лекциите по космология, които някога съм чел, не беше пълна без въпроса какво е причинило Големия взрив? Допреди няколко години не знаех истинския отговор; днес, вярвам, той е известен.

По същество този въпрос съдържа два въпроса в завоалирана форма. Първо, бихме искали да разберем защо развитието на Вселената е започнало с експлозия и какво е причинило тази експлозия на първо място. Но зад чисто физическия проблем се крие друг, по-дълбок проблем от философско естество. Ако Големият взрив бележи началото на физическото съществуване на Вселената, включително възникването на пространството и времето, тогава в какъв смисъл можем да говорим за какво причинитази експлозия?

От гледна точка на физиката внезапното възникване на Вселената в резултат на гигантска експлозия изглежда до известна степен парадоксално. От четирите взаимодействия, които управляват света, само гравитацията се проявява в космически мащаб и, както показва нашият опит, гравитацията има природата на привличане. Въпреки това, експлозията, белязала раждането на Вселената, очевидно е изисквала сила на отблъскване с невероятна величина, която може да разкъса космоса на парчета и да причини неговото разширяване, което продължава и до днес.

Това изглежда странно, защото ако във Вселената доминират гравитационните сили, то тя не трябва да се разширява, а да се свива. Наистина, гравитационните сили на привличане карат физическите обекти да се свиват, вместо да експлодират. Например много плътна звезда губи способността си да устои на собственото си тегло и се срива, образувайки неутронна звезда или черна дупка. Степента на компресия на материята в много ранната Вселена е била значително по-висока от тази на най-плътната звезда; Затова често възниква въпросът защо първичният космос не е колабирал в черна дупка от самото начало.

Обичайният отговор на това е, че първичната експлозия просто трябва да се приеме като първоначално условие. Този отговор е очевидно незадоволителен и предизвиква объркване. Разбира се, под въздействието на гравитацията скоростта на космическото разширение непрекъснато намалява от самото начало, но в момента на своето раждане Вселената се разширява безкрайно бързо. Експлозията не е причинена от някаква сила - развитието на Вселената просто е започнало с разширяване. Ако експлозията беше по-малко силна, гравитацията много скоро щеше да предотврати разпространението на материята. В резултат на това разширяването ще отстъпи място на компресия, която ще стане катастрофална и ще превърне Вселената в нещо подобно на черна дупка. Но в действителност експлозията се оказа доста „голяма“, което направи възможно Вселената, преодоляла собствената си гравитация, или да продължи да се разширява вечно поради силата на първичната експлозия, или поне да съществува за много милиарди години, преди да бъдат компресирани и изчезнали в забрава.

Проблемът с тази традиционна картина е, че тя по никакъв начин не обяснява Големия взрив. Фундаменталното свойство на Вселената отново се тълкува просто като прието първоначално условие ad hoc(за този случай); По същество той само заявява, че Големият взрив се е състоял. Все още остава неясно защо силата на експлозията е била точно такава, а не друга. Защо експлозията не беше още по-силна, така че Вселената да се разширява много по-бързо сега? Човек може също да попита защо Вселената в момента не се разширява много по-бавно или изобщо не се свива. Разбира се, ако експлозията не беше достатъчно мощна, Вселената скоро щеше да се срине и нямаше да има кой да задава подобни въпроси. Малко вероятно е обаче подобно разсъждение да може да се приеме като обяснение.

При по-внимателен анализ се оказва, че парадоксът за произхода на Вселената всъщност е още по-сложен от описания по-горе. Внимателни измервания показват, че скоростта на разширяване на Вселената е много близка до критичната стойност, при която Вселената е в състояние да преодолее собствената си гравитация и да се разширява завинаги. Ако тази скорост беше малко по-малка, щеше да настъпи колапсът на Вселената, а ако беше малко по-голяма, космическата материя отдавна щеше да се разсее напълно. Ще бъде интересно да разберем колко точно скоростта на разширяване на Вселената попада в този много тесен приемлив интервал между две възможни катастрофи. Ако в момента, съответстващ на 1 s, когато моделът на разширение вече е ясно дефиниран, скоростта на разширение би се различавала от реалната си стойност с повече от 10^-18, това би било достатъчно, за да наруши напълно деликатния баланс. Така силата на експлозията на Вселената съответства с почти невероятна точност на нейното гравитационно взаимодействие. Следователно Големият взрив не е просто някаква далечна експлозия - това е експлозия с много специфична сила. В традиционната версия на теорията за Големия взрив човек трябва да приеме не само факта на самата експлозия, но и факта, че експлозията е станала по изключително причудлив начин. С други думи, началните условия се оказват изключително специфични.

Скоростта на разширяване на Вселената е само една от няколкото очевидни космически мистерии. Другата е свързана с картината на разширяването на Вселената в космоса. Според съвременните наблюдения. Вселената в големи мащаби е изключително хомогенна по отношение на разпределението на материя и енергия. Глобалната структура на космоса е почти еднаква както при наблюдение от Земята, така и от далечна галактика. Галактиките са разпръснати в пространството с еднаква средна плътност и от всяка точка Вселената изглежда еднакво във всички посоки. Първичното топлинно лъчение, изпълващо Вселената, пада върху Земята с еднаква температура във всички посоки с точност не по-малка от 10-4. По пътя си към нас това лъчение пътува през космоса милиарди светлинни години и носи отпечатъка на всяко отклонение от хомогенността, което среща.

Мащабната хомогенност на Вселената се поддържа, докато Вселената се разширява. От това следва, че разширението се извършва равномерно и изотропно с много висока степен на точност. Това означава, че скоростта на разширяване на Вселената е не само еднаква във всички посоки, но и постоянна в различните региони. Ако Вселената се разширяваше по-бързо в една посока, отколкото в други, това би довело до намаляване на температурата на фоновото топлинно излъчване в тази посока и би променило модела на движение на галактиката, видим от Земята. По този начин, еволюцията на Вселената не просто започва с експлозия със строго определена сила - експлозията е ясно "организирана", т.е. се случиха едновременно, с абсолютно еднаква сила във всички точки и във всички посоки.

Изключително малко вероятно е такова едновременно и координирано изригване да се случи чисто спонтанно и това съмнение се засилва в рамките на традиционната теория за Големия взрив от факта, че различните региони на първичния космос не са причинно свързани помежду си. Факт е, че според теорията на относителността нито един физически ефект не може да се разпространява по-бързо от светлината. Следователно, различни региони на пространството могат да станат причинно свързани помежду си само след определен период от време. Например 1 s след експлозията светлината може да измине разстояние не повече от една светлинна секунда, което съответства на 300 хил. км. Регионите на Вселената, разделени на голямо разстояние, все още няма да си влияят един на друг след 1 s. Но към този момент наблюдаваната от нас област на Вселената вече заема пространство от най-малко 10^14 km в диаметър. Следователно Вселената се състоеше от приблизително 10^27 области, причинно несвързани една с друга, всяка от които въпреки това се разширяваше с точно същата скорост. Дори и днес, наблюдавайки топлинно космическо лъчение, идващо от противоположните страни на звездното небе, ние регистрираме точно същите „пръстови отпечатъци“ на региони от Вселената, разделени от огромни разстояния: тези разстояния се оказват повече от 90 пъти по-големи от разстоянието, което светлината може да пътува от момента на излъчване на топлинното лъчение.

Как да обясним такава забележителна съгласуваност на различни области на пространството, които очевидно никога не са били свързани помежду си? Как се появи подобно поведение? Традиционният отговор отново се отнася до специални начални условия. Изключителната хомогенност на свойствата на първичния взрив се приема просто като факт: така е възникнала Вселената.

Мащабната хомогенност на Вселената изглежда още по-мистериозна, ако вземем предвид, че в малки мащаби Вселената в никакъв случай не е хомогенна. Съществуването на отделни галактики и галактически купове показва отклонение от стриктната хомогенност и това отклонение също навсякъде е еднакво по мащаб и величина. Тъй като гравитацията има тенденция да увеличава всяко първоначално натрупване на материя, степента на хетерогенност, необходима за образуването на галактики, е била много по-малка по време на Големия взрив, отколкото е сега. Все пак трябва да е имало някаква лека нехомогенност в началната фаза на Големия взрив, в противен случай галактиките никога не биха се образували. В старата теория за Големия взрив тези ранни прекъсвания също се приписват на "първоначалните условия". Така трябваше да вярваме, че развитието на Вселената започва не от напълно идеално състояние, а от изключително необичайно състояние.

Всичко казано може да се обобщи по следния начин: ако единствената сила във Вселената е гравитационното привличане, то Големият взрив трябва да се тълкува като „изпратен от Бога“, т.е. без причина, при зададени начални условия. Характеризира се и със забележителна консистенция; за да достигне до настоящата структура, Вселената трябва да се е развила правилно от самото начало. Това е парадоксът на произхода на Вселената.

Търсене на антигравитация

Парадоксът за произхода на Вселената е разрешен едва през последните години; но основната идея на решението може да бъде проследена назад в далечната история, до време, когато не е съществувала нито теорията за разширяването на Вселената, нито теорията за Големия взрив. Нютон също разбира колко труден е проблемът за стабилността на Вселената. Как звездите поддържат позицията си в космоса без подкрепа? Универсален характер гравитационно привличанетрябваше да доведе до събиране на звезди в клъстери близо един до друг.

За да избегне този абсурд, Нютон прибягва до много любопитно разсъждение. Ако Вселената се срине под собствената си гравитация, всяка звезда ще „падне“ към центъра на звездния куп. Да предположим обаче, че Вселената е безкрайна и звездите са разпределени средно равномерно в безкрайно пространство. В този случай изобщо няма да има общ център, към който да падат всички звезди - в крайна сметка в една безкрайна Вселена всички региони са идентични. Всяка звезда би изпитала влиянието на гравитационното привличане на всички нейни съседи, но поради осредняването на тези влияния в различни посоки, няма да има произтичаща сила, стремяща се да премести дадена звезда до определена позиция спрямо целия набор от звезди .

Когато Айнщайн създава нова теория за гравитацията 200 години след Нютон, той също е озадачен от проблема как Вселената избягва колапса. Първата му работа по космология е публикувана преди Хъбъл да открие разширяването на Вселената; следователно Айнщайн, подобно на Нютон, приема, че Вселената е статична. Айнщайн обаче се опитва да реши проблема за стабилността на Вселената по много по-пряк начин. Той вярваше, че за да се предотврати разпадането на Вселената под въздействието на нейната собствена гравитация, трябва да има друга космическа сила, която да устои на гравитацията. Тази сила трябва да е по-скоро отблъскваща, отколкото привличаща, за да компенсира гравитационното привличане. В този смисъл такава сила може да се нарече „антигравитационна“, въпреки че би било по-правилно да се говори за силата на космическото отблъскване. В този случай Айнщайн не просто произволно е измислил тази сила. Той показа, че е възможно да се въведе допълнителен член в неговите уравнения на гравитационното поле, което води до появата на сила с желаните свойства.

Въпреки факта, че идеята за отблъскваща сила, противопоставяща се на силата на гравитацията, сама по себе си е доста проста и естествена, в действителност свойствата на такава сила се оказват напълно необичайни. Разбира се, такава сила не е забелязана на Земята и не е открит намек за нея в течение на няколко века планетарна астрономия. Очевидно, ако силата на космическото отблъскване съществува, тогава тя не би трябвало да има забележим ефект на малки разстояния, но нейната величина нараства значително в астрономически мащаб. Това поведение противоречи на целия предишен опит в изучаването на природата на силите: те обикновено са интензивни на къси разстояния и отслабват с увеличаване на разстоянието. По този начин електромагнитните и гравитационните взаимодействия непрекъснато намаляват според закона на обратния квадрат. Но в теорията на Айнщайн естествено се появява сила с такива доста необичайни свойства.

Не трябва да мислим за силата на космическото отблъскване, въведена от Айнщайн, като петото взаимодействие в природата. Това е просто странно проявление на самата гравитация. Не е трудно да се покаже, че ефектите от космическото отблъскване могат да бъдат приписани на обикновената гравитация, ако среда с необичайни свойства е избрана като източник на гравитационното поле. Обикновена материална среда (например газ) упражнява натиск, докато хипотетичната среда, обсъждана тук, трябва да има отрицателеннатиск или напрежение. За да си представим по-ясно за какво говорим, нека си представим, че сме успели да напълним съд с такова космическо вещество. Тогава, за разлика от обикновения газ, хипотетичната космическа среда няма да оказва натиск върху стените на съда, а ще се стреми да ги издърпа вътре в съда.

По този начин можем да разглеждаме космическото отблъскване като вид допълнение към гравитацията или като феномен, дължащ се на обикновената гравитация, присъща на невидима газова среда, която изпълва цялото пространство и има отрицателно налягане. Няма противоречие във факта, че от една страна отрицателното налягане сякаш засмуква стената на съда, а от друга страна тази хипотетична среда отблъсква галактиките, вместо да ги привлича. В крайна сметка отблъскването се причинява от гравитацията на околната среда, а не от някакво механично действие. Така или иначе, механични силисе създават не от самото налягане, а от разликата в налягането, но се предполага, че хипотетичната среда запълва цялото пространство. Тя не може да бъде ограничена до стените на съда и наблюдател в тази среда изобщо не би я възприел като осезаема субстанция. Пространството ще изглежда и ще се чувства напълно празно.

Въпреки такива удивителни характеристики на хипотетичната среда, Айнщайн навремето заяви, че е изградил задоволителен модел на Вселената, в който се поддържа баланс между гравитационното привличане и космическото отблъскване, което той откри. Използвайки прости изчисления, Айнщайн оценява величината на космическата сила на отблъскване, необходима за балансиране на гравитацията във Вселената. Той успя да потвърди, че отблъскването трябва да е толкова малко в рамките на Слънчевата система (и дори в мащаба на Галактиката), че не може да бъде открито експериментално. За известно време изглеждаше, че вековната мистерия е брилянтно разрешена.

След това обаче ситуацията се промени към по-лошо. На първо място възникна проблемът за стабилността на равновесието. Основната идея на Айнщайн се основава на строгия баланс на привличащи и отблъскващи сили. Но, както в много случаи на строг баланс, изплуваха и фини детайли. Ако, например, статичната вселена на Айнщайн се разшири малко, тогава гравитационното привличане (отслабващо с разстоянието) ще намалее леко, докато силата на космическото отблъскване (увеличаващо се с разстоянието) ще се увеличи леко. Това би довело до дисбаланс в полза на отблъскващите сили, което би предизвикало по-нататъшно неограничено разширяване на Вселената под влияние на всепобеждаващото отблъскване. Ако, напротив, статичната вселена на Айнщайн се свие леко, гравитационната сила ще се увеличи и силата на космическото отблъскване ще намалее, което ще доведе до дисбаланс в полза на силите на привличане и, като следствие, до вечно по-бързо компресиране и в крайна сметка до колапса, който Айнщайн смяташе, че е избегнал. Така при най-малкото отклонение строгият баланс би бил нарушен и космическата катастрофа би била неизбежна.

По-късно, през 1927 г., Хъбъл открива феномена на рецесията на галактиките (т.е. разширяването на Вселената), което обезсмисля проблема за равновесието. Стана ясно, че Вселената не е застрашена от компресия и колапс, тъй като тя се разширява.Ако Айнщайн не беше разсеян от търсенето на силата на космическото отблъскване, той вероятно щеше да стигне до това заключение теоретично, предсказвайки разширяването на Вселената добри десет години по-рано, отколкото астрономите успяха да го открият. Подобна прогноза несъмнено ще остане в историята на науката като една от най-забележителните (подобна прогноза е направена на базата на уравнението на Айнщайн през 1922-1923 г. от професора от Петроградския университет А. А. Фридман). В крайна сметка Айнщайн трябваше гневно да се откаже от космическото отблъскване, което по-късно той смята за „най-голямата грешка в живота си“. Това обаче не е краят на историята.

Айнщайн изобретил космическото отблъскване, за да разреши несъществуващия проблем на статичната вселена. Но, както винаги се случва, след като духът излезе от бутилката, е невъзможно да го върнете обратно. Идеята, че динамиката на Вселената може да се дължи на конфронтацията между силите на привличане и отблъскване, продължава да живее. И въпреки че астрономическите наблюдения не предоставиха никакви доказателства за съществуването на космическо отблъскване, те не можаха да докажат липсата му - може просто да е твърде слабо, за да се прояви.

Въпреки че уравненията на гравитационното поле на Айнщайн допускат наличието на отблъскваща сила, те не налагат ограничения върху нейната величина. Подучен от горчив опит, Айнщайн има право да постулира, че величината на тази сила е строго равна на нула, като по този начин напълно елиминира отблъскването. Това обаче в никакъв случай не беше необходимо. Някои учени намериха за необходимо да запазят отблъскването в уравненията, въпреки че това вече не беше необходимо от гледна точка на първоначалния проблем. Тези учени смятат, че при липсата на подходящи доказателства няма причина да се смята, че отблъскващата сила е нула.

Не беше трудно да се проследят последствията от запазването на отблъскващата сила в сценария на разширяваща се Вселена. В ранните етапи на развитие, когато Вселената все още е в компресирано състояние, отблъскването може да бъде пренебрегнато. По време на тази фаза гравитационното привличане забави скоростта на разширяване - в пълна аналогия с начина, по който гравитацията на Земята забавя движението на ракета, изстреляна вертикално нагоре. Ако приемем без обяснение, че еволюцията на Вселената е започнала с бързо разширяване, тогава гравитацията трябва постоянно да намалява скоростта на разширение до стойността, наблюдавана в момента. С течение на времето, когато материята се разсейва, гравитационното взаимодействие отслабва. Вместо това космическото отблъскване се увеличава, докато галактиките продължават да се отдалечават една от друга. В крайна сметка отблъскването ще преодолее гравитационното привличане и скоростта на разширяване на Вселената ще започне да се увеличава отново. От това можем да заключим, че космическото отблъскване доминира във Вселената и разширяването ще продължи вечно.

Астрономите са показали, че това необичайно поведение на Вселената, когато разширяването първо се забавя и след това се ускорява отново, трябва да бъде отразено в наблюдаваното движение на галактиките. Но най-внимателните астрономически наблюдения не успяха да разкрият никакви убедителни доказателства за такова поведение, въпреки че от време на време се правят противоположни твърдения.

Интересно е, че идеята за разширяваща се Вселена е представена от холандския астроном Wilem de Sitter през 1916 г. - много години преди Хъбъл експериментално да открие това явление. Де Ситер твърди, че ако обикновената материя бъде премахната от Вселената, тогава гравитационното привличане ще изчезне и силите на отблъскване ще властват в космоса. Това би предизвикало разширяването на Вселената - по това време това беше новаторска идея.

Тъй като наблюдателят не е в състояние да възприеме странната невидима газообразна среда с отрицателно налягане, просто ще му се стори, че празното пространство се разширява. Разширяването може да бъде открито чрез окачване на тестови тела на различни места и наблюдение на разстоянието им едно от друго. Идеята за разширяване на празното пространство се смяташе за любопитна по това време, въпреки че, както ще видим, се оказа пророческа.

И така, какво заключение може да се направи от тази история? Фактът, че астрономите не откриват космическо отблъскване, все още не може да служи като логично доказателство за липсата му в природата. Напълно възможно е той просто да е твърде слаб, за да бъде открит от съвременните инструменти. Точността на наблюдението винаги е ограничена и следователно може да се оцени само горната граница на тази мощност. Срещу това може да се твърди, че от естетическа гледна точка законите на природата биха изглеждали по-прости в отсъствието на космическо отблъскване. Подобни дискусии се проточиха дълги години, без да доведат до категорични резултати, докато изведнъж проблемът не беше погледнат от съвсем нов ъгъл, което му придаде неочаквана актуалност.

Инфлация: Големият взрив обяснен

В предишните раздели казахме, че ако силата на космическото отблъскване съществува, тогава тя трябва да е много слаба, толкова слаба, че няма да има значителен ефект върху Големия взрив. Това заключение обаче се основава на предположението, че величината на отблъскването не се променя с времето. По времето на Айнщайн това мнение се споделяше от всички учени, тъй като космическото отблъскване беше въведено в теорията „създадено от човека“. На никого не му е хрумвало, че космическото отблъскване може бъде призовандруги физически процеси, които възникват, когато Вселената се разширява. Ако беше предвидена такава възможност, тогава космологията можеше да се окаже друга. По-специално, не е изключен сценарий за еволюцията на Вселената, който предполага, че в екстремните условия на ранните етапи на еволюцията космическото отблъскване надделява над гравитацията за момент, причинявайки експлозия на Вселената, след което ролята му е практически намалена до нула.

Тази обща картина възниква от скорошна работа, изучаваща поведението на материята и силите в много ранните етапи от развитието на Вселената. Стана ясно, че гигантското космическо отблъскване е неизбежен резултат от действието на Суперсилата. И така, „антигравитацията“, която Айнщайн изпрати през вратата, се върна през прозореца!

Ключът към разбирането на новото откритие на космическото отблъскване идва от природата на квантовия вакуум. Видяхме как такова отблъскване може да бъде причинено от необичайна невидима среда, неразличима от празното пространство, но притежаваща отрицателно налягане. Днес физиците смятат, че квантовият вакуум има точно тези свойства.

В глава 7 беше отбелязано, че вакуумът трябва да се разглежда като вид „ензим“ на квантовата активност, гъмжащ от виртуални частици и наситен със сложни взаимодействия. Много е важно да се разбере, че в рамките на квантовото описание вакуумът играе решаваща роля. Това, което наричаме частици, са просто редки смущения, като „мехурчета“ на повърхността на цяло море от активност.

В края на 70-те години става очевидно, че обединяването на четирите взаимодействия изисква пълна ревизия на представите за физическата природа на вакуума. Теорията предполага, че енергията на вакуума не се проявява еднозначно. Просто казано, вакуумът може да бъде възбуден и да бъде в едно от многото състояния с много различни енергии, точно както атомът може да бъде възбуден да премине към по-високи енергийни нива. Тези вакуумни собствени състояния - ако можехме да ги наблюдаваме - биха изглеждали точно по същия начин, въпреки че имат напълно различни свойства.

На първо място, енергията, съдържаща се във вакуума, тече в огромни количества от едно състояние в друго. В теориите на Grand Unified, например, разликата между най-ниската и най-високата енергия на вакуума е невъобразимо голяма. За да добием известна представа за гигантския мащаб на тези количества, нека оценим енергията, освободена от Слънцето през целия период на неговото съществуване (около 5 милиарда години). Нека си представим, че цялото това колосално количество енергия, излъчвана от Слънцето, се съдържа в област от пространството, по-малка по размер от Слънчевата система. Постигнатите в този случай енергийни плътности са близки до енергийните плътности, съответстващи на състоянието на вакуум в TVO.

Наред с огромните разлики в енергията, различните състояния на вакуум съответстват на еднакво гигантски разлики в налягането. Но тук се крие "трикът": всички тези натиск - отрицателен.Квантовият вакуум се държи точно като споменатата по-горе хипотетична среда, която създава космическо отблъскване, само че този път численото налягане е толкова голямо, че отблъскването е 10^120 пъти по-голямо от силата, необходима на Айнщайн, за да поддържа равновесие в статична Вселена.

Вече е отворен пътят за обяснение на Големия взрив. Да приемем, че в началото Вселената е била във възбудено състояние на вакуум, което се нарича „фалшив” вакуум. В това състояние е имало космическо отблъскване във Вселената с такава величина, че би причинило неконтролирано и бързо разширяване на Вселената. По същество в тази фаза Вселената ще съответства на модела на де Ситер, обсъден в предишния раздел. Разликата обаче е, че за де Ситер Вселената тихо се разширява в астрономически времеви мащаби, докато „фазата на де Ситер“ в еволюцията на Вселената от „фалшивия“ квантов вакуум в действителност далеч не е тиха. Обемът на пространството, заемано от Вселената, в този случай трябва да се удвоява на всеки 10^-34 s (или интервал от време от същия порядък).

Такова свръхразширение на Вселената има редица характерни черти: всички разстояния се увеличават по експоненциален закон (вече се сблъскахме с понятието експоненциал в глава 4). Това означава, че на всеки 10^-34 s всички региони на Вселената удвояват размера си и след това този процес на удвояване продължава в геометрична прогресия. Този тип разширение, разгледан за първи път през 1980 г. Алън Гут от Масачузетския технологичен институт (Масачузетски технологичен институт, САЩ), беше наречена „инфлация“. В резултат на изключително бързото и непрекъснато ускоряващо се разширяване много скоро ще се окаже, че всички части на Вселената ще се разлетят, като при експлозия. И това е Големият взрив!

Въпреки това, по един или друг начин, фазата на инфлация трябва да приключи. Както във всички възбудени квантови системи, „фалшивият“ вакуум е нестабилен и има тенденция да се разпада. Когато настъпи разпад, отблъскването изчезва. Това от своя страна води до спиране на инфлацията и преминаване на Вселената към силата на обикновеното гравитационно привличане. Разбира се, в този случай Вселената ще продължи да се разширява благодарение на първоначалния импулс, придобит по време на периода на инфлация, но скоростта на разширяване постоянно ще намалява. Така единствената следа, оцеляла до днес от космическото отблъскване, е постепенното забавяне на разширяването на Вселената.

Според „инфлационния сценарий“ Вселената започва своето съществуване от състояние на вакуум, лишено от материя и радиация. Но дори и да са присъствали първоначално, следите им бързо биха се изгубили поради огромния темп на разширяване по време на фазата на инфлация. За изключително краткия период от време, съответстващ на тази фаза, областта на пространството, която днес заема цялата наблюдавана Вселена, е нараснала от една милиардна част от размера на протон до няколко сантиметра. Плътността на всяко вещество, което първоначално е съществувало, на практика ще стане нула.

И така, до края на фазата на надуване Вселената беше празна и студена. Въпреки това, когато инфлацията пресъхна, Вселената изведнъж стана изключително „гореща“. Този изблик на топлина, който освети пространството, се дължи на огромните запаси от енергия, съдържащи се във „фалшивия“ вакуум. Когато вакуумното състояние се разпада, неговата енергия се освобождава под формата на радиация, която мигновено нагрява Вселената до приблизително 10^27 K, което е достатъчно за протичане на процесите в GUT. От този момент нататък Вселената се развива според стандартната теория за „горещия“ Голям взрив. Благодарение на топлинната енергия възникват материята и антиматерията, след което Вселената започва да изстива и постепенно всички нейни елементи, наблюдавани днес, започват да „замръзват“.

Значи трудният проблем е какво е причинило Големия взрив? - успя да реши с помощта на теорията на инфлацията; празното пространство спонтанно експлодира под въздействието на отблъскване, присъщо на квантовия вакуум. Мистерията обаче все още остава. Колосалната енергия на първичния взрив, която е влязла в образуването на съществуващата във Вселената материя и радиация, трябваше да дойде отнякъде! Не можем да обясним съществуването на Вселената, докато не открием източника на първичната енергия.

Космическо стартиране

Английски начално зарежданев буквалния смисъл означава „връзка“, в преносния смисъл означава самосъгласуваност, липса на йерархия в системата от елементарни частици.

Вселената е родена в процеса на гигантско освобождаване на енергия. Все още откриваме следи от него - това е фоново топлинно излъчване и космическа материя (по-специално атомите, които изграждат звезди и планети), съхраняващи определена енергия под формата на „маса“. Следи от тази енергия се появяват и при отдръпването на галактиките и при бурната активност на астрономическите обекти. Първичната енергия „започна пролетта“ на зараждащата се Вселена и продължава да я захранва до ден днешен.

Откъде дойде тази енергия, която вдъхна живот на нашата Вселена? Според теорията на инфлацията, това е енергията на празното пространство, иначе известна като квантовия вакуум. Може ли обаче такъв отговор да ни удовлетвори напълно? Естествено е да се запитаме как вакуумът е придобил енергия.

Като цяло, когато задаваме въпроса откъде идва енергията, ние по същество правим важно предположение за природата на тази енергия. Един от основните закони на физиката е закон за запазване на енергията,според който различните форми на енергия могат да се променят и трансформират една в друга, но общото количество енергия остава непроменено.

Не е трудно да се дадат примери, в които може да се провери действието на този закон. Да предположим, че имаме двигател и запас от гориво и двигателят се използва като задвижване на електрически генератор, който от своя страна доставя електричество на нагревателя. Когато горивото гори, химическата енергия, съхранявана в него, се преобразува в механична енергия, след това в електрическа енергия и накрая в топлинна енергия. Или да предположим, че се използва двигател за повдигане на товар до върха на кула, след което товарът пада свободно; при удар в земята се генерира абсолютно същото количество топлинна енергия, както в примера с нагревателя. Факт е, че без значение как се предава енергията или как се променя формата й, тя очевидно не може да бъде създадена или унищожена. Инженерите използват този закон в ежедневната практика.

Ако енергията не може нито да бъде създадена, нито унищожена, тогава как възниква първичната енергия? Не е ли просто инжектирано в първия момент (предполага се вид ново първоначално състояние ad hoc)? Ако е така, тогава защо Вселената съдържа това, а не друго количество енергия? Има около 10^68 J (джаула) енергия в наблюдаваната Вселена - защо не, да речем, 10^99 или 10^10000 или някое друго число?

Теорията за инфлацията предлага едно възможно научно обяснение на тази мистерия. Според тази теория. В началото Вселената имаше практически нулева енергия и в първите 10^32 секунди успя да съживи цялото гигантско количество енергия. Ключът към разбирането на това чудо се крие в забележителния факт, че законът за запазване на енергията в обикновения смисъл не е приложимокъм разширяващата се Вселена.

По същество вече сме се сблъсквали с подобен факт. Космологичното разширение води до намаляване на температурата на Вселената: съответно енергията на топлинното излъчване, толкова голяма в първичната фаза, се изчерпва и температурата пада до стойности, близки до абсолютната нула. Къде отиде цялата тази топлинна енергия? В известен смисъл той е бил използван от Вселената за разширяване и е осигурил натиск, за да допълни силата на Големия взрив. Когато обикновена течност се разширява, нейният натиск навън работи, използвайки енергията на течността. Когато обикновен газ се разширява, неговата вътрешна енергия се изразходва за извършване на работа. В пълен контраст с това, космическото отблъскване е подобно на поведението на среда с отрицателенналягане. Когато такава среда се разширява, нейната енергия не намалява, а се увеличава. Точно това се случи в периода на инфлация, когато космическото отблъскване накара Вселената да се разшири с ускорена скорост. През целия този период общата енергия на вакуума продължава да нараства, докато в края на периода на инфлация достигне огромна стойност. След като периодът на инфлация приключи, цялата съхранена енергия беше освободена в един гигантски изблик, генерирайки топлина и материя в пълния мащаб на Големия взрив. От този момент нататък започна обичайното разширение с положително налягане, така че енергията отново започна да намалява.

Появата на първичната енергия е белязана от някакъв вид магия. Вакуум с мистериозно отрицателно налягане очевидно е надарен с абсолютно невероятни възможности. От една страна, той създава гигантска отблъскваща сила, осигуряваща все по-ускореното му разширяване, а от друга, самото разширение води до увеличаване на енергията на вакуума. Вакуумът по същество се захранва с енергия в огромни количества. Той съдържа вътрешна нестабилност, която осигурява непрекъснато разширяване и неограничено производство на енергия. И само квантовият разпад на фалшивия вакуум поставя граница на тази „космическа екстравагантност“.

Вакуумът служи като магическа, бездънна кана с енергия в природата. По принцип няма ограничение за количеството енергия, което може да бъде освободено по време на инфлационна експанзия. Това твърдение бележи революция в традиционното мислене с неговото вековно „от нищото нищо не се ражда“ (тази поговорка датира поне от епохата на Парменид, т.е. 5 век пр. н. е.). Доскоро идеята за възможността за „сътворение“ от нищото беше изцяло в обсега на религиите. По-конкретно, християните отдавна вярват, че Бог е създал света от нищото, но идеята за възможността за спонтанно възникване на цялата материя и енергия в резултат на чисто физически процеси се смяташе за абсолютно неприемлива от учените преди десет години.

Тези, които вътрешно не могат да се примирят с цялата концепция за възникването на „нещо” от „нищото”, имат възможността да погледнат по различен начин на възникването на енергията по време на разширяването на Вселената. Тъй като обикновената гравитация е привлекателна, за да се отдалечат части от материята една от друга, трябва да се работи за преодоляване на гравитацията, действаща между тези части. Това означава, че гравитационната енергия на системата от тела е отрицателна; Когато към системата се добавят нови тела, се освобождава енергия и в резултат на това гравитационната енергия става „още по-отрицателна“. Ако приложим това разсъждение към Вселената на етапа на инфлация, тогава появата на топлина и материя е тази, която „компенсира“ отрицателната гравитационна енергия на образуваните маси. В този случай общата енергия на Вселената като цяло е нула и никаква нова енергияизобщо не се получава! Подобен възглед за процеса на „сътворяване на света“ е, разбира се, привлекателен, но все пак не трябва да се приема твърде сериозно, тъй като като цяло статусът на понятието енергия по отношение на гравитацията се оказва съмнителен.

Всичко, казано тук за вакуума, много напомня любимата на физиците история за момче, което, паднало в блатото, се измъкнало с връзките на обувките си. Самосъздаващата се Вселена напомня на това момче - тя също се издърпва от собствените си „дантели“ (този процес се нарича „bootstrap“). Наистина, благодарение на нашите собствени физическа природаВселената възбужда в себе си цялата енергия, необходима за „създаване” и „съживяване” на материята, а също така инициира експлозията, която я генерира. Това е космическият бутстрап; Дължим съществуването си на неговата удивителна сила.

Напредък в теорията на инфлацията

След като Гут изложи основополагащата идея, че Вселената е претърпяла ранен период на изключително бързо разширяване, стана ясно, че подобен сценарий може добре да обясни много характеристики на космологията на Големия взрив, които преди са били приемани за даденост.

В един от предишните раздели се натъкнахме на парадоксите на много високата степен на организираност и последователност на първичната експлозия. Един от забележителните примери за това е силата на експлозията, която се оказа прецизно „нагласена” спрямо величината на гравитацията на космоса, в резултат на което скоростта на разширяване на Вселената в наше време е много близка до граничната стойност, разделяща компресията (свиването) и бързото разширяване. Решаващият тест на инфлационния сценарий е дали той включва Голям взрив с толкова точно определена величина. Оказва се, че поради експоненциалното разширение във фазата на надуване (което е най-характерното й свойство), силата на експлозията автоматично строго осигурява способността на Вселената да преодолее собствената си гравитация. Инфлацията може да доведе до точно този темп на разширяване, който реално се наблюдава.

Друг " голяма мистерия"се свързва с хомогенността на Вселената в големи мащаби. Също така веднага се решава въз основа на теорията за инфлацията. Всички първоначални нехомогенности в структурата на Вселената трябва да бъдат напълно изтрити с огромно увеличаване на нейния размер, точно както гънките на дефлирана балон с горещ въздухизглажда се при надуване. И в резултат на увеличаване на размера на пространствените области с приблизително 10^50 пъти, всяко първоначално смущение става незначително.

Въпреки това би било погрешно да се говори за пъленхомогенност. За да стане възможна появата на съвременни галактики и галактически клъстери, структурата на ранната Вселена трябва да е имала някаква „бучка“. Първоначално астрономите се надяваха, че съществуването на галактики може да се обясни с натрупването на материя под въздействието на гравитационното привличане след Големия взрив. Облакът от газ трябва да бъде компресиран под въздействието на собствената си гравитация и след това да се разпадне на по-малки фрагменти, а тези от своя страна на още по-малки и т.н. Може би разпределението на газа, произтичащо от Големия взрив, е било напълно равномерно, но поради чисто случайни процеси тук и там са възниквали кондензации и разреждания. Гравитацията допълнително засили тези колебания, което доведе до нарастване на зони на кондензация и абсорбиране на допълнителна материя. След това тези региони бяха компресирани и последователно се разпаднаха, а най-малките кондензации се превърнаха в звезди. В крайна сметка възникна йерархия от структури: звездите бяха обединени в групи, тези в галактики и след това в клъстери от галактики.

За съжаление, ако не е имало нехомогенности в газа от самото начало, тогава такъв механизъм за образуване на галактики щеше да работи за време, значително надвишаващо възрастта на Вселената. Факт е, че процесите на кондензация и фрагментация се конкурират с разширяването на Вселената, което е придружено от дисперсия на газ. В първоначалната версия на теорията за Големия взрив се приемаше, че „семената“ на галактиките са съществували първоначално в структурата на Вселената при нейния произход. Освен това тези първоначални нехомогенности трябваше да имат много специфични размери: не твърде малки, в противен случай те никога не биха се образували, но не и твърде големи, в противен случай зони с висока плътност просто биха се срутили, превръщайки се в огромни черни дупки. В същото време е напълно неясно защо галактиките имат точно такива размери или защо точно такъв брой галактики са включени в клъстера.

Инфлационният сценарий предоставя по-последователно обяснение на галактическата структура. Основната идея е доста проста. Инфлацията се дължи на факта, че квантовото състояние на Вселената е нестабилно състояние на фалшив вакуум. В крайна сметка това вакуумно състояние се разпада и излишната му енергия се превръща в топлина и материя. В този момент космическото отблъскване изчезва - и инфлацията спира. Въпреки това, разпадането на фалшивия вакуум не се случва строго едновременно в цялото пространство. Както при всички квантови процеси, скоростите на разпадане на фалшивия вакуум варират. В някои области на Вселената разпадането става малко по-бързо, отколкото в други. В тези области инфлацията ще приключи по-рано. В резултат на това нехомогенностите се запазват в крайното състояние. Възможно е тези нехомогенности да служат като „семена“ (центрове) на гравитационно свиване и в крайна сметка да доведат до образуването на галактики и техните клъстери. Математическото моделиране на флуктуационния механизъм обаче е извършено с много ограничен успех. По правило ефектът се оказва твърде голям, изчислените нееднородности са твърде значителни. Вярно е, че използваните модели бяха твърде груби и може би един по-фин подход би бил по-успешен. Въпреки че теорията далеч не е завършена, тя поне описва естеството на механизма, който би могъл да доведе до образуването на галактики, без да са необходими специални начални условия.

Във версията на Гът за инфлационния сценарий, фалшивият вакуум първо се превръща в "истински" вакуум или най-нискоенергийното вакуумно състояние, което идентифицираме с празно пространство. Характерът на тази промяна е доста подобен на фазов преход (например от газ към течност). В този случай при фалшив вакуум би се получило произволно образуване на истински вакуумни мехурчета, които, разширявайки се със скоростта на светлината, биха завладели все по-големи области от пространството. За да може фалшивият вакуум да съществува достатъчно дълго, за да може инфлацията да свърши своята „чудодейна“ работа, тези две състояния трябва да бъдат разделени от енергийна бариера, през която трябва да настъпи „квантово тунелиране“ на системата, подобно на това, което се случва с електроните (вж. гл.) . Този модел обаче има един сериозен недостатък: цялата енергия, освободена от фалшивия вакуум, се концентрира в стените на мехурчетата и няма механизъм за нейното преразпределение в целия мехур. Докато мехурчетата се сблъскват и сливат, енергията в крайна сметка ще се натрупа в произволно смесените слоеве. В резултат на това Вселената ще съдържа много силни нехомогенности и цялата работа на инфлацията за създаване на широкомащабна хомогенност ще се провали.

С по-нататъшното подобряване на инфлационния сценарий тези трудности бяха преодолени. В новата теория няма тунелиране между две вакуумни състояния; вместо това параметрите са избрани така, че разпадането на фалшивия вакуум става много бавно и по този начин дава на Вселената достатъчно време да се раздуе. Когато разпадът приключи, енергията на фалшивия вакуум се освобождава в целия обем на „балона“, който бързо се нагрява до 10^27 K. Предполага се, че цялата наблюдавана Вселена се съдържа в един такъв балон. По този начин в свръхголеми мащаби Вселената може да бъде изключително неправилна, но регионът, достъпен за нашето наблюдение (и дори много по-големи части от Вселената), лежи в напълно хомогенна зона.

Любопитно е, че Гут първоначално развива своята инфлационна теория, за да реши съвсем различен космологичен проблем - липсата на магнитни монополи в природата. Както е показано в глава 9, стандартната теория за Големия взрив предсказва, че в първичната фаза на еволюцията на Вселената монополите трябва да възникнат в изобилие. Те вероятно са придружени от своите едно- и двуизмерни двойници - странни обекти, които имат "низов" и "листов" характер. Проблемът беше да се освободи Вселената от тези „нежелани“ обекти. Инфлацията автоматично решава проблема с монополите и други подобни проблеми, тъй като гигантското разширяване на пространството ефективно намалява тяхната плътност до нула.

Въпреки че инфлационният сценарий е само частично разработен и е само правдоподобен, нищо повече, той ни позволи да формулираме редица идеи, които обещават да променят безвъзвратно лицето на космологията. Сега можем не само да предложим обяснение за причината за Големия взрив, но и започваме да разбираме защо е бил толкова „голям“ и защо е придобил такъв характер. Сега можем да започнем да разглеждаме въпроса как е възникнала широкомащабната хомогенност на Вселената, а заедно с нея и наблюдаваните нехомогенности от по-малък мащаб (например галактики). Първичната експлозия, в която е възникнало това, което наричаме Вселена, отсега нататък е престанала да бъде мистерия, която се намира отвъд границите на физическата наука.

Вселена, създаваща се сама

И все пак, въпреки огромния успех на инфлационната теория в обяснението на произхода на Вселената, мистерията остава. Как Вселената първоначално се озова в състояние на фалшив вакуум? Какво се случи преди инфлацията?

Едно последователно, напълно задоволително научно описание на произхода на Вселената трябва да обясни как е възникнало самото пространство (по-точно пространство-времето), което след това е претърпяло инфлация. Някои учени са готови да признаят, че космосът винаги съществува, други смятат, че този въпрос като цяло излиза извън рамките на научния подход. И само малцина твърдят повече и са убедени, че е съвсем основателно да се повдига въпросът как пространството като цяло (и фалшивият вакуум в частност) може да възникне буквално от „нищото“ в резултат на физически процеси, които по принцип може да се изучава.

Както беше отбелязано, едва наскоро оспорихме устойчивото убеждение, че „нищо не произлиза от нищото“. Космическият бутстрап е близък до теологичната концепция за създаването на света от нищото (ex nihilo).Без съмнение в света около нас съществуването на едни обекти обикновено се дължи на присъствието на други обекти. Така Земята е възникнала от протослънчевата мъглявина, която от своя страна – от галактически газове и т.н. Ако случайно видим предмет, който внезапно се появява „от нищото“, вероятно бихме го възприели като чудо; например, бихме се учудили, ако в заключен, празен сейф внезапно открием маса монети, ножове или сладкиши. В ежедневието сме свикнали да признаваме, че всичко идва отнякъде или от нещо.

Не всичко обаче е толкова очевидно, когато става въпрос за по-малко конкретни неща. От какво например произлиза една картина? Разбира се, това изисква четка, бои и платно, но това са само инструменти. Начинът, по който е нарисувана картината - изборът на форма, цвят, текстура, композиция - не се ражда с четки и бои. Това е плод на творческото въображение на художника.

Откъде идват мислите и идеите? Мислите, без съмнение, наистина съществуват и, както изглежда, винаги изискват участието на мозъка. Но мозъкът само осигурява изпълнението на мислите, а не е тяхната причина. Самият мозък генерира мисли не повече, отколкото например компютърът генерира изчисления. Мислите могат да бъдат причинени от други мисли, но това не разкрива природата на самата мисъл. Някои мисли могат да бъдат родени от усещания; Паметта ражда и мисли. Повечето художници обаче гледат на работата си като на резултат неочаквановдъхновение. Ако това наистина е така, то създаването на една картина – или поне раждането на нейната идея – е именно пример за раждането на нещо от нищото.

И все пак можем ли да считаме, че физическите обекти и дори Вселената като цяло възникват от нищото? Тази смела хипотеза се обсъжда доста сериозно, например, в научни институции по източното крайбрежие на Съединените щати, където доста теоретични физици и специалисти по космология разработват математически апарат, който би помогнал да се изясни възможността за раждане на нещо от Нищо. Този избран кръг включва Алън Гут от Масачузетския технологичен институт, Сидни Коулман от Харвардския университет, Алекс Виленкин от Университета Тъфтс и Ед Тайон и Хайнц Пейджълс от Ню Йорк. Всички те вярват, че в един или друг смисъл „нищо не е нестабилно“ и че физическата вселена спонтанно е „разцъфнала от нищото“, управлявана единствено от законите на физиката. „Такива идеи са чисто спекулативни“, признава Гут, „но на някакво ниво може да са правилни... Понякога казват, че няма безплатен обяд, но Вселената очевидно е точно такъв „безплатен обяд“.

Във всички тези хипотези квантовото поведение играе ключова роля. Както обсъдихме в глава 2, основната характеристика на квантовото поведение е загубата на строги причинно-следствени връзки. В класическата физика представянето на механиката следва стриктно придържане към причинно-следствената връзка. Всички подробности за движението на всяка частица бяха строго предопределени от законите на движението. Смятало се, че движението е непрекъснато и строго детерминирано от действащите сили. Законите на движението буквално въплъщават връзката между причина и следствие. Вселената се разглеждаше като гигантски часовников механизъм, чието поведение е строго регулирано от това, което се случва в момента. Именно вярата в такава всеобхватна и абсолютно строга причинно-следствена връзка подтикна Пиер Лаплас да твърди, че един супермощен калкулатор може по принцип да предскаже, въз основа на законите на механиката, както историята, така и съдбата на Вселената. Според тази гледна точка Вселената е обречена да следва предписания й път завинаги.

Квантовата физика разруши методичната, но стерилна Лапласова схема. Физиците са се убедили, че на атомно ниво материята и нейното движение са несигурни и непредвидими. Частиците могат да се държат „странно“, сякаш се съпротивляват на строго предписани движения, внезапно се появяват на най-неочаквани места без видима причина и понякога се появяват и изчезват „без предупреждение“.

Квантовият свят не е напълно свободен от причинно-следствената връзка, но се проявява доста колебливо и двусмислено. Например, ако един атом е във възбудено състояние в резултат на сблъсък с друг атом, той обикновено бързо се връща към най-ниското си енергийно състояние, излъчвайки фотон. Появата на фотон, разбира се, е следствие от факта, че атомът преди това е преминал във възбудено състояние. Можем да кажем с увереност, че именно възбуждането е довело до създаването на фотона и в този смисъл връзката причина и следствие остава. Но действителният момент, в който се появява фотон, е непредсказуем: атомът може да го излъчи във всеки един момент. Физиците са в състояние да изчислят вероятното или средното време на възникване на фотон, но във всеки конкретен случай е невъзможно да се предвиди моментът, в който това събитие ще се случи. Очевидно, за да се характеризира такава ситуация, най-добре е да се каже, че възбуждането на атом не води толкова до появата на фотон, колкото го „тласка“ към това.

Така квантовият микросвят не е оплетен в гъста мрежа от причинно-следствени връзки, но все пак „слуша“ множество ненатрапчиви команди и предложения. В старата нютонова схема силата сякаш се обръща към обекта с неоспоримата команда: „Движи се!“ В квантовата физика връзката между сила и обект е по-скоро покана, отколкото заповед.

Защо като цяло смятаме идеята за внезапното раждане на обект „от нищото“ за толкова неприемлива? Какво ни кара да мислим за чудеса и свръхестествени явления? Може би целият смисъл е само в необичайността на подобни събития: в ежедневието никога не се сблъскваме с появата на предмети без причина. Когато например магьосник извади заек от шапка, знаем, че ни лъжат.

Да предположим, че всъщност живеем в свят, в който предмети се появяват от време на време очевидно „от нищото“, без причина и по напълно непредвидим начин. След като сме свикнали с подобни явления, ние ще спрем да се изненадваме от тях. Спонтанното раждане би се възприело като една от странностите на природата. Може би в такъв свят вече няма да се налага да напрягаме лековерието си, за да си представим внезапното възникване от нищото на цялата физическа Вселена.

Този въображаем свят по същество не е толкова различен от реалния. Ако можехме директно да възприемаме поведението на атомите с помощта на нашите сетива (а не чрез посредничеството на специални инструменти), често би трябвало да наблюдаваме обекти, които се появяват и изчезват без ясно определени причини.

Феноменът, най-близък до „раждането от нищото“, се случва в достатъчно силно електрическо поле. При критична стойност на напрегнатостта на полето, електроните и позитроните започват да се появяват „от нищото“ напълно произволно. Изчисленията показват, че близо до повърхността на урановото ядро ​​напрегнатостта на електрическото поле е доста близка до границата, отвъд която възниква този ефект. Ако имаше атомни ядра, съдържащи 200 протона (има 92 в ядрото на урана), тогава би настъпило спонтанно създаване на електрони и позитрони. За съжаление, ядро ​​с толкова много протони изглежда става изключително нестабилно, но това не е напълно сигурно.

Спонтанното създаване на електрони и позитрони в силно електрическо поле може да се разглежда като специален вид радиоактивност, когато разпадането се случва в празно пространство, вакуум. Вече говорихме за преминаването на едно вакуумно състояние в друго в резултат на разпадане. В този случай вакуумът се разпада до състояние, в което присъстват частици.

Въпреки че разпадането на пространството предизвика електрическо поле, е трудно да се разбере; подобен процес под въздействието на гравитацията може да се случи в природата. Близо до повърхността на черните дупки гравитацията е толкова силна, че вакуумът гъмжи от постоянно раждащи се частици. Това е известната радиация от черни дупки, открита от Стивън Хокинг. В крайна сметка гравитацията е отговорна за раждането на това излъчване, но не може да се каже, че това се случва „в стария нютонов смисъл“: не може да се каже, че някаква конкретна частица трябва да се появи на определено място по едно или друго време в резултат на действието на гравитационните сили . Във всеки случай, тъй като гравитацията е просто кривина на пространство-времето, можем да кажем, че пространство-времето причинява раждането на материята.

Спонтанното възникване на материята от празното пространство често се говори за раждане „от нищото“, което е подобно по дух на раждането ex nihiloв християнската доктрина. Въпреки това, за един физик празното пространство изобщо не е „нищо“, а много важна част от физическата Вселена. Ако все пак искаме да отговорим на въпроса как е възникнала Вселената, тогава не е достатъчно да приемем, че празното пространство е съществувало от самото начало. Необходимо е да се обясни откъде идва това пространство. Мисъл за раждане самото пространствоМоже да изглежда странно, но в известен смисъл това се случва навсякъде около нас през цялото време. Разширяването на Вселената не е нищо повече от непрекъснато „набъбване“ на пространството. Всеки ден площта на Вселената, достъпна за нашите телескопи, се увеличава с 10^18 кубични светлинни години. Откъде идва това пространство? Тук е полезна аналогията с гумата. Ако еластичната гумена лента се издърпа, тя „става по-голяма“. Пространството прилича на свръхеластичност, тъй като, доколкото знаем, може да се разтяга за неопределено време, без да се счупи.

Разтягането и кривината на пространството наподобяват деформацията на еластично тяло, тъй като „движението“ на пространството се извършва според законите на механиката по абсолютно същия начин като движението на обикновената материя. В случая това са законите на гравитацията. Квантовата теория е еднакво приложима към материята, пространството и времето. В предишни глави казахме, че квантовата гравитация се разглежда като необходима стъпка в търсенето на Суперсилата. Това повдига интересна възможност; ако според квантовата теория частиците на материята могат да възникнат „от нищото“, тогава по отношение на гравитацията няма ли да опише възникването „от нищото“ на пространството? Ако това се случи, тогава раждането на Вселената преди 18 милиарда години не е ли пример точно за такъв процес?

Безплатен обяд?

Основната идея на квантовата космология е приложението на квантовата теория към Вселената като цяло: към пространство-времето и материята; Теоретиците приемат тази идея особено сериозно. На пръв поглед тук има противоречие: квантовата физика се занимава с най-малките системи, докато космологията се занимава с най-големите. Вселената обаче някога също е била ограничена до много малки измерения и следователно квантовите ефекти са били изключително важни тогава. Резултатите от изчисленията показват, че квантовите закони трябва да се вземат предвид в ерата на GUT (10^-32 s), а в ерата на Планк (10^-43 s) те вероятно трябва да играят решаваща роля. Според някои теоретици (например Виленкин) между тези две ери е имало момент във времето, когато е възникнала Вселената. Според Сидни Коулман сме направили квантов скок от Нищо към Време. Очевидно пространство-времето е реликва от тази епоха. Квантовият скок, за който Колман говори, може да се разглежда като вид „тунелен процес“. Отбелязахме, че в първоначалната версия на теорията за инфлацията, състоянието на фалшивия вакуум трябваше да тунелира през енергийната бариера в състоянието на истинския вакуум. Но в случай на спонтанно възникване на квантовата Вселена „от нищото“ нашата интуиция достига предела на своите възможности. Единият край на тунела представлява физическата Вселена в пространството и времето, която стига до там чрез квантово тунелиране „от нищото“. Следователно, другият край на тунела представлява точно това Нищо! Може би е по-добре да се каже, че тунелът има само един край, а другият просто „не съществува“.

Основната трудност на тези опити да се обясни произхода на Вселената е да се опише процесът на нейното раждане от състояние на фалшив вакуум. Ако новосъздаденото пространство-време беше в състояние на истински вакуум, тогава инфлация никога не би могла да настъпи. Големият взрив щеше да се сведе до слабо пръскане, а пространство-времето щеше да престане да съществува миг по-късно отново - то щеше да бъде унищожено от същите квантови процеси, поради които първоначално е възникнало. Ако Вселената не се беше оказала в състояние на фалшив вакуум, тя никога нямаше да бъде въвлечена в космическото стартиране и нямаше да материализира своето илюзорно съществуване. Може би състоянието на фалшивия вакуум е за предпочитане поради характерните за него екстремни условия. Например, ако Вселената е възникнала с достатъчно висока начална температура и след това е охладена, тогава тя дори може да „заседне“ във фалшив вакуум, но досега много технически въпроси от този тип остават неразрешени.

Но каквато и да е реалността на тези фундаментални проблеми, Вселената трябва да възникне по един или друг начин и квантовата физика е единствената клон на науката, в които има смисъл да се говори за събитие, което се случва без видима причина. Ако говорим за пространство-време, тогава във всеки случай няма смисъл да говорим за причинност в обичайния смисъл. Обикновено понятието причинно-следствена връзка е тясно свързано с понятието време и следователно всякакви съображения за процесите на възникване на времето или неговото „излизане от несъществуване“ трябва да се основават на по-широка идея за причинно-следствената връзка.

Ако пространството е наистина десетизмерно, тогава теорията счита, че всичките десет измерения са доста равни в много ранните етапи. Привлекателно е да можем да свържем феномена на инфлацията със спонтанното уплътняване (сгъване) на седем от десетте измерения. Според този сценарий, " движеща сила„Инфлацията е страничен продукт от взаимодействия, проявени чрез допълнителни измерения на пространството. Освен това, десетизмерното пространство би могло естествено да се развие по такъв начин, че по време на инфлация три пространствени измерения значително да се разширят за сметка на останалите седем, които, напротив, да се свият, ставайки невидими? Така квантовият микробалон на десетизмерното пространство се компресира и по този начин се раздуват три измерения, образувайки Вселената: останалите седем измерения остават в плен в микрокосмоса, откъдето се проявяват само индиректно - под формата на взаимодействия. Тази теория изглежда много привлекателна.

Въпреки че теоретиците все още трябва да свършат много работа, за да проучат природата на много ранната Вселена, вече е възможно да се даде обща схема на събитията, довели до приемането на Вселената във формата, която виждаме днес. В самото начало Вселената спонтанно възниква „от нищото“. Благодарение на способността на квантовата енергия да действа като вид ензим, мехурчетата от празно пространство могат да се надуят с все по-голяма скорост, създавайки колосални резерви от енергия благодарение на бутстрапа. Този фалшив вакуум, изпълнен със самогенерирана енергия, се оказа нестабилен и започна да се разпада, освобождавайки енергия под формата на топлина, така че всяко мехурче беше изпълнено с огнедишаща материя (огнена топка). Надуването на балони спря, но започна Големият взрив. На “часовника” на Вселената в този момент е било 10^-32 s.

От такова огнено кълбо е възникнала цялата материя и всички физически обекти. Докато космическият материал се охлаждаше, той преживя последователни фазови преходи. С всеки преход все повече и повече различни структури бяха „замразени“ от първичния безформен материал. Едно след друго взаимодействията бяха отделени едно от друго. Стъпка по стъпка обектите, които сега наричаме субатомни частици, придобиха характеристиките, които са им присъщи днес. Тъй като съставът на „космическата супа“ ставаше все по-сложен, мащабните нередности, останали от времената на инфлация, прераснаха в галактики. В процеса на по-нататъшно формиране на структури и отделяне на различни видове материя, Вселената все повече придобива познати форми; горещата плазма се кондензира в атоми, образувайки звезди, планети и в крайна сметка живот. Така Вселената се е „осъзнала”.

Материя, енергия, пространство, време, взаимодействия, полета, ред и структура - всичкотези концепции, заимствани от „ценовата листа на създателя“, служат като неразделна характеристика на Вселената. Новата физика разкрива изкусителната възможност за научно обяснение за произхода на всички тези неща. Вече не е необходимо да ги въвеждаме специално „ръчно“ от самото начало. Можем да видим как всички фундаментални свойства на физическия свят могат да възникнат автоматичнокато следствия от законите на физиката, без да е необходимо да се предполага съществуването на силно специфични начални условия. Новата космология твърди, че първоначалното състояние на космоса не играе никаква роля, тъй като цялата информация за него е била изтрита по време на инфлацията. Вселената, която наблюдаваме, носи само отпечатъците на тези физически процеси, които са се случили от началото на инфлацията.

В продължение на хиляди години човечеството е вярвало, че „от нищо не може да се роди нищо“. Днес можем да кажем, че всичко идва от нищото. Няма нужда да "плащате" за Вселената - това е абсолютно "безплатен обяд".