Jedno od glavnih pitanja koje ne izlazi iz ljudske svijesti uvijek je bilo i jest pitanje: "Kako se pojavio Svemir?" Naravno, nema jednoznačnog odgovora na ovo pitanje i malo je vjerojatno da će se dobiti u bliskoj budućnosti, ali znanost radi u tom smjeru i oblikuje određeni teorijski model nastanka našeg Svemira. Prije svega, treba razmotriti osnovna svojstva Svemira, koja treba opisati u okviru kozmološkog modela.
*** Model treba uzeti u obzir uočene udaljenosti između predmeta, kao i brzinu i smjer njihovog kretanja. Takvi se izračuni temelje na Hubbleovom zakonu: cz = H0D, gdje je z crveni pomak objekta, D udaljenost do ovog objekta, a c brzina svjetlosti.
*** Starost Svemira u modelu mora premašiti dob najstarijih objekata na svijetu.
*** Model bi trebao uzeti u obzir početno obilje elemenata.
*** Model bi trebao uzeti u obzir uočenu strukturu svemira velikih razmjera.
*** Model bi trebao uzeti u obzir uočenu pozadinu pozadine.
Promotivni video:
Kratka povijest svemira. Jedinstvenost kakvu umjetnik vidi (fotografija)
Razmotrite ukratko općeprihvaćenu teoriju o nastanku i ranoj evoluciji Svemira, koju podržava većina znanstvenika. Danas teorija Velikog praska znači kombinaciju modela vrućeg Svemira s Velikim praskom. I, premda su ti pojmovi prvi put postojali neovisno jedni o drugima, kao rezultat njihovog objedinjavanja, bilo je moguće objasniti početni kemijski sastav Svemira, kao i prisutnost reliktnog zračenja.
Prema ovoj teoriji, Svemir je nastao prije otprilike 13,77 milijardi godina iz nekog gustog zagrijanog objekta - pojedinačnog stanja koje je teško opisati u okviru moderne fizike. Problem kozmološke singularnosti, između ostalog, jest taj što većina njenih fizičkih veličina, poput gustoće i temperature, ima tendenciju ka beskonačnosti. Istodobno, poznato je da bi se pri beskonačnoj gustoći entropija (mjera kaosa) trebala težiti nuli, što se ne podudara s beskonačnom temperaturom.
Evolucija svemira
*** Prvih 10 u -43 sekunde nakon Velikog praska naziva se stupnjem kvantnog kaosa. Priroda svemira u ovoj fazi postojanja prkosi opisu u okviru nama poznate fizike. Dolazi do raspada kontinuiranog jedinstvenog prostora-vremena na kvante.
*** Planckov trenutak - trenutak završetka kvantnog kaosa, koji pada na 10 za -43 sekunde. U ovom su trenutku parametri Svemira bili jednaki Planckovim vrijednostima, poput Planckove temperature (oko 1032 K). U vrijeme Planckove ere sve četiri temeljne interakcije (slaba, jaka, elektromagnetska i gravitacijska) kombinirane su u jednu vrstu interakcije. Plankov trenutak nije moguće smatrati određenim dugim razdobljem, jer moderna fizika ne radi s parametrima manjim od planckovskih.
*** Faza inflacije. Sljedeća faza u povijesti Svemira bila je inflacijska faza. U prvom trenutku inflacije gravitacijska interakcija odvojila se od objedinjenog supersimetričnog polja (koje je prethodno uključivalo polja temeljnih interakcija). U tom razdoblju tvar ima negativni pritisak, što uzrokuje eksponencijalni porast kinetičke energije svemira. Jednostavno rečeno, u tom je razdoblju Svemir počeo vrlo brzo bubriti, a pred kraj se energija fizičkih polja pretvara u energiju običnih čestica. Na kraju ove faze temperatura tvari i zračenja znatno raste. Uz kraj faze inflacije, ističe se snažna interakcija. Također u ovom trenutku nastaje barionska asimetrija Svemira.
[Barionova asimetrija svemira uočeni je fenomen prevlasti materije nad antimaterijom u svemiru]
*** Faza dominacije radijacije. Sljedeća faza u razvoju Svemira, koja uključuje nekoliko faza. U ovoj fazi temperatura Svemira počinje se smanjivati, stvaraju se kvarkovi, zatim hadroni i leptoni. U eri nukleosinteze dolazi do stvaranja početnih kemijskih elemenata, sintetizira se helij. Međutim, zračenje i dalje dominira nad materijom.
*** Doba dominacije supstancije. Nakon 10 000 godina, energija materije postupno premašuje energiju zračenja i dolazi do njihovog razdvajanja. Tvar počinje dominirati zračenjem, pojavljuje se reliktna pozadina. Također, odvajanje materije zračenjem značajno je povećalo početne nehomogenosti u raspodjeli materije, uslijed čega su počele nastajati galaksije i supergalaksije. Zakoni Svemira došli su u oblik u kojem ih danas promatramo.
Gornja slika sastavljena je od nekoliko temeljnih teorija i daje opću ideju o nastanku svemira u ranim fazama njegovog postojanja.
Odakle svemir?
Ako je svemir nastao iz kozmološke singularnosti, odakle onda singularnost? Još uvijek nije moguće dati točan odgovor na ovo pitanje. Razmotrimo neke kozmološke modele koji utječu na "rađanje svemira".
Ciklični modeli. Modeliranje mekinja (fotografija)
Ti se modeli temelje na tvrdnji da je Svemir oduvijek postojao i s vremenom se mijenja samo njegovo stanje, prelazeći iz širenja u kontrakciju - i obrnuto.
*** Model Steinhardt-Turok. Ovaj se model temelji na teoriji struna (M-teorija), jer koristi takav objekt kao "brane".
[Bran (iz membrane) u teoriji struna (M-teorija) je hipotetski temeljni višedimenzionalni fizički objekt dimenzije manje od dimenzije prostora u kojem se nalazi]
Prema ovom modelu, vidljivi Svemir nalazi se unutar tri brane, koja se povremeno, svakih nekoliko bilijuna godina, sudara s drugom tri branom, što uzrokuje neku vrstu Velikog praska. Dalje, naša se tri-brana počinje udaljavati od druge i širiti se. U nekom trenutku udio tamne energije ima prednost i brzina širenja tribrane raste. Kolosalno širenje toliko raspršuje materiju i zračenje da svijet postaje gotovo homogen i prazan. Na kraju se ponavlja ponovljeni sudar tri brane, uslijed čega se naša vraća u početnu fazu svog ciklusa, ponovno rađajući naš "Svemir".
*** Teorija Lorisa Bauma i Paula Framptona također govori o cikličnoj prirodi svemira. Prema njihovoj teoriji, potonji će se nakon Velikog praska širiti zbog tamne energije sve dok se ne približi trenutku "raspadanja" samog prostora-vremena - Velikog prekida. Kao što znate, u "zatvorenom sustavu, entropija se ne smanjuje" (drugi zakon termodinamike). Iz ove izjave proizlazi da se Svemir ne može vratiti u prvobitno stanje, jer se tijekom takvog procesa entropija mora smanjiti. Međutim, ovaj je problem riješen u okviru ove teorije. Prema teoriji Bauma i Framptona, trenutak prije Velikog prekida, Svemir se raspada na mnogo "mrlja", od kojih svaka ima prilično malu vrijednost entropije. Doživljavajući niz faznih prijelaza, ti "ostaci" bivšeg Svemira rađaju materiju i razvijaju se slično izvornom Svemiru. Ti novi svjetovi međusobno ne komuniciraju, jer se raspršuju brzinom većom od brzine svjetlosti. Dakle, znanstvenici su izbjegli kozmološku singularnost, s kojom započinje rađanje svemira prema većini kozmoloških teorija. Odnosno, na kraju svog ciklusa Univerzum se raspada na mnoge druge svjetove koji ne komuniciraju i koji će postati novi svemiri.
*** Konformna ciklična kozmologija ciklični je model Rogera Penrosea i Vahagna Gurzadyana. Prema ovom modelu, Svemir je sposoban ući u novi ciklus bez kršenja drugog zakona termodinamike. Ova se teorija temelji na pretpostavci da crne rupe uništavaju apsorbirane informacije, što nekako "zakonito" smanjuje entropiju Svemira. Tada svaki takav ciklus postojanja Svemira započinje prividom Velikog praska i završava singularnošću.
Ostali modeli nastanka svemira
Među ostalim hipotezama koje objašnjavaju pojavu vidljivog svemira, sljedeće dvije su najpopularnije:
*** Kaotična teorija inflacije - teorija Andreya Lindea. Prema ovoj teoriji postoji određeno skalarno polje koje je u cijelom volumenu nehomogeno. Odnosno, u različitim regijama svemira skalarno polje ima različita značenja. Tada se u područjima gdje je polje slabo, ništa ne događa, dok se područja s jakim poljima zbog svoje energije počinju širiti (inflacija), stvarajući tako nove svemire. Takav scenarij podrazumijeva postojanje mnogih svjetova koji nisu nastali istodobno i imaju svoj vlastiti skup elementarnih čestica, a time i zakone prirode.
*** Teorija Lee Smolina - pretpostavlja da Veliki prasak nije početak postojanja Svemira, već samo fazni prijelaz između njegova dva stanja. Budući da je prije Velikog praska svemir postojao u obliku kozmološke singularnosti, po prirodi bliske singularnosti crne rupe, Smolin sugerira da je svemir mogao nastati iz crne rupe.
Postoje i obrasci u kojima svemiri kontinuirano izranjaju, niču od roditelja i pronalaze svoje mjesto. Štoviše, uopće nije potrebno da se isti fizički zakoni uspostavljaju u takvim svjetovima. Svi su ti svjetovi "ugniježđeni" u jedan prostorno-vremenski kontinuum, ali toliko su razmaknuti da ni na koji način ne osjećaju međusobno prisustvo. Općenito, koncept inflacije omogućuje - štoviše, prisiljava - - vjerovati da u gigantskom megakozmosu postoje mnogi izolirani svemiri s različitim uređenjima.
Unatoč činjenici da ciklični i drugi modeli odgovaraju na brojna pitanja, na koja teorija Velikog praska ne može dati odgovore, uključujući problem kozmološke singularnosti. Ipak, zajedno s teorijom inflacije, Veliki prasak potpunije objašnjava podrijetlo svemira, a također se približava mnogim opažanjima.
Danas istraživači nastavljaju intenzivno proučavati moguće scenarije nastanka Svemira, međutim, dajući nepobitan odgovor na pitanje "Kako se svemir pojavio?" - malo je vjerojatno da će uspjeti u bliskoj budućnosti. Dva su razloga za to: izravni dokaz kozmoloških teorija praktički je nemoguć, samo neizravan; čak i teoretski, ne postoji način da se dobiju točne informacije o svijetu prije Velikog praska. Iz ova dva razloga znanstvenici mogu samo iznositi hipoteze i graditi kozmološke modele koji će najtočnije opisati prirodu svemira koji promatramo.
