גילוי תיאוריית המפץ הגדול. תיאוריות על מקור היקום. כמה תיאוריות יש על מקור היקום? תיאוריית המפץ הגדול: מקור היקום. תיאוריה דתית של מקור היקום

הגוף, המזון, הבית, הפלנטה והיקום שלנו מורכבים מחלקיקים זעירים. מהם החלקיקים הללו וכיצד הם נוצרים בטבע? איך הם מקיימים אינטראקציה, מתחברים לכדי אטומים, מולקולות, גופים, כוכבי לכת, כוכבים, גלקסיות, ולבסוף, איך הם נעלמים מהקיום? יש לא מעט השערות להיווצרות כל מה שסביבנו, מהאטום הקטן ביותר ועד הגלקסיות הגדולות ביותר, אבל אחת בולטת ביניהן, שהיא אולי הבסיסית ביותר. נכון, זה מעלה יותר שאלות מאשר תשובות מבוססות. זה על תיאוריית המפץ הגדול.
ראשית, כמה עובדות מעניינות הקשורות לתיאוריה זו.
הראשון.תיאוריית המפץ הגדול נוצרה על ידי כומר.
למרות העובדה שהדת הנוצרית עדיין דבקה בקנונים כמו יצירת הכל תוך 7 ימים, תיאוריית המפץ הגדול פותחה על ידי כומר קתולי שהיה גם אסטרונום. שמו של הכומר היה ז'ורז' למאיטר. הוא היה הראשון שהעלה את שאלת מקורו של המבנה הנצפה בקנה מידה גדול של היקום.
הוא הציג את המושג "המפץ הגדול", מה שמכונה "אטום פרימיטיבי", וההמרה שלאחר מכן של שבריו לכוכבים וגלקסיות. ב-1927 פורסם מאמר מאת ג'יי למייטר "יקום הומוגני בעל מסה קבועה ורדיוס הולך וגדל, המסביר את המהירויות הרדיאליות של ערפיליות חוץ-גלקטיות".
באופן מעניין, איינשטיין, שלמד על תיאוריה זו, אמר את הדברים הבאים: "החישובים שלך נכונים, אבל הידע שלך בפיזיקה הוא נורא". למרות זאת, הכומר המשיך להגן על התיאוריה שלו, וכבר ב-1933 נכנע איינשטיין, והצביע בפומבי על כך שההסבר של תיאוריית המפץ הגדול הוא אחד המשכנעים מכל מה ששמע אי פעם.
לאחרונה נמצא כתב היד של איינשטיין משנת 1931, שבו הוא מתווה תיאוריה חלופית למפץ הגדול של הולדת היקום. תיאוריה זו כמעט זהה לזו שפיתח אלפרד הויל באופן עצמאי בסוף שנות ה-40 של המאה הקודמת, מבלי לדעת על עבודתו של איינשטיין. איינשטיין בתורת המפץ הגדול לא הסתפק במצב הבודד (היחיד, הבודד - עורך) של החומר לפני הפיצוץ, אז הוא חשב על היקום המתרחב לאין שיעור. בו, החומר הופיע מעצמו כדי לשמור על צפיפותו, ככל שההתפשטות האינסופית של היקום האינסופי נמשכה. איינשטיין האמין שניתן לתאר תהליך זה באמצעות תורת היחסות הכללית ללא כל שינויים, אך בהערותיו הוא מחק חלק מהחישובים. המדען מצא טעות בהיגיון שלו והשאיר את התיאוריה הזו, שעדיין לא תאושר על ידי תצפיות נוספות.
שְׁנִיָה.סופר המדע הבדיוני אדגר אלן פו הציע משהו דומה ב-1848. כמובן, הוא לא היה פיזיקאי, אז הוא לא יכול היה ליצור תיאוריה הנתמכת בחישובים. כן, באותה תקופה עדיין לא היה מנגנון מתמטי מספיק כדי ליצור מערכת לחישוב מודל כזה. במקום זאת, הוא יצר את יצירת האמנות Eureka, אשר צופה את גילוי "החורים השחורים" ומסבירה את הפרדוקס של אולברס. הכותרת המלאה של העבודה: "אאוריקה (ניסוי על היקום החומרי והרוחני)". המחבר עצמו ראה בספר זה "הגילוי הגדול ביותר ששמעה האנושות אי פעם". (במדע, הפרדוקס של אולברס הוא טיעון פשוט שאומר לנו שהחושך של שמי הלילה מתנגש עם תיאוריית האינסוף של היקום שלנו. לפרדוקס של אולברס יש שם שני - "פרדוקס השמים האפל". זה אומר שבכל זווית ראייה מקו הראייה של כדור הארץ תסתיים מיד כשהיא מגיעה לכוכב, בדומה לאופן שבו אנו מוצאים את עצמנו מוקפים ב"חומה" של עצים מרוחקים ביער צפוף מאוד. הפרדוקס של אולברס נחשב לאישור עקיף של מודל המפץ הגדול ליקום לא סטטי). בנוסף, ב"אאוריקה" א' פו דיבר על "החלקיק הפרימיטיבי", "יחיד לחלוטין, אינדיבידואלי". השיר עצמו זכה לביקורת בפני התשעים, והוא הוכר כלא מוצלח מבחינה אמנותית. עם זאת, מדענים עדיין לא מבינים איך E. Poe הצליח להקדים כל כך את המדע.
שְׁלִישִׁי.שם התיאוריה נוצר במקרה.
מחבר השם, האסטרונום האנגלי סר אלפרד הויל, היה מתנגד לתיאוריה זו, הוא האמין ביציבות קיומו של היקום והיה הראשון שהשתמש בשמה של תיאוריית המפץ הגדול. בנאום ברדיו ב-1949, הוא מתח ביקורת על התיאוריה, שלא היה לה שם קצר ורחב. כדי "לבזות" את תיאוריית המפץ הגדול, הוא טבע את המונח. עם זאת, "המפץ הגדול" הוא כיום השם הרשמי והמקובל לתיאוריית מקור היקום.
תיאוריית המפץ הגדול פותחה על ידי המדענים א' פרידמן וד' גאמוב באמצע שנות ה-60 של המאה הקודמת, בהתבסס על תורת היחסות הכללית של איינשטיין. לפי ההנחות שלהם, פעם היקום שלנו היה קריש אינסופי, צפוף במיוחד וחם עד לטמפרטורות גבוהות מאוד (עד מיליארדי מעלות). המערך הלא יציב הזה התפוצץ לפתע. על פי חישובים תיאורטיים, היווצרות היקום החלה לפני 13.5 מיליארד שנים בנפח קטן מאוד של צפיפות וטמפרטורה אדירים. כתוצאה מכך, היקום החל להתפשט במהירות.
תקופת הפיצוץ במדעי החלל נקראת הסינגולריות הקוסמית. ברגע הפיצוץ חלקיקי החומר התפזרו לכיוונים שונים במהירות עצומה. הרגע הבא לאחר הפיצוץ, כשהיקום הצעיר החל להתרחב, נקרא המפץ הגדול.
יתרה מכך, על פי התיאוריה, האירועים התפתחו כדלקמן. לחלקיקי הליבון המפוזרים לכל הכיוונים הייתה טמפרטורה גבוהה מדי ולא יכלו להתאחד לאטומים. תהליך זה החל הרבה יותר מאוחר, לאחר מיליון שנים, כאשר היקום החדש שנוצר התקרר לטמפרטורה של כ-40,000 C. היסודות הכימיים הראשונים שנוצרו היו מימן והליום. כשהיקום התקרר, נוצרו יסודות כימיים אחרים, כבדים יותר. לתמיכה בכך, מציינים תומכי התיאוריה את העובדה האופיינית שתהליך היווצרות זה של יסודות ואטומים נמשך בזמן הנוכחי, במעמקי כל כוכב, כולל השמש שלנו. הטמפרטורה של ליבות הכוכבים עדיין גבוהה מאוד. כשהחלקיקים התקררו, הם יצרו ענני גז ואבק. כשהם מתנגשים, הם נדבקו זה לזה, ויצרו שלם אחד.
הכוחות העיקריים המשפיעים על איחוד זה הם כוחות הכבידה. הודות לתהליך משיכת עצמים קטנים לגדולים יותר נוצרו כוכבי לכת, כוכבים וגלקסיות. התפשטות היקום מתרחשת עכשיו, כי גם עכשיו מדענים אומרים שהגלקסיות הקרובות ביותר מתרחבות ומתרחקות מאיתנו.
הרבה יותר מאוחר (לפני 5 מיליארד שנים), שוב על פי התיאוריה של מדענים, כתוצאה מהדחסות של ענני אבק וגז, נוצרה מערכת השמש שלנו. התעבותה של הערפילית הובילה להיווצרות השמש, הצטברויות קטנות יותר של אבק וגז יצרו כוכבי לכת, כולל כדור הארץ שלנו. שדה כבידה רב עוצמה החזיק את כוכבי הלכת המתהווים, ואילץ אותם להסתובב סביב השמש, שהתעבה כל הזמן, מה שאומר שלחץ רב עוצמה נוצר בתוך הכוכב שנוצר, שבסופו של דבר מצא מוצא, והומר לאנרגיה תרמית, ולכן לאנרגיה של השמש. קרניים, בהן נוכל לצפות היום.
עם התקררות כוכב הלכת כדור הארץ נמסו גם הסלעים שלו, שלאחר התמצקות יצרו את קרום כדור הארץ הראשוני.

הגזים שנפלטו מבטן כדור הארץ במהלך הקירור ברחו לחלל, אך בשל כוח הכבידה של כדור הארץ, הכבדים יותר יצרו את האטמוספירה, כלומר את האוויר שמאפשר לנו לנשום. אז, במשך כמעט 4.5 מיליארד שנים, נוצרו התנאים להופעתם של חיים על הפלנטה שלנו.
על פי נתונים עדכניים, היקום שלנו בן כ-13.8 מיליארד שנים. גודלו של החלק הנצפה של היקום הוא 13.7 מיליארד שנות אור. הצפיפות הממוצעת של החומר המרכיב שלו היא 10-29 גרם / ס"מ 3. משקל - יותר מ-1050 טון.
עם זאת, לא כל המדענים הסכימו עם תיאוריית המפץ הגדול, לאחר שלא קיבלו תשובות לשאלות רבות. קודם כל, איך יכול להיות מפץ גדול בניגוד לחוק היסוד של הטבע – חוק שימור האנרגיה? וגם עם טמפרטורה בלתי נתפסת, בניגוד לחוקי התרמודינמיקה?
לדברי ד' טלנצב, "המושג של קיומו של כאוס מוחלט והפיצוץ שלאחר מכן סותר את החוק השני של התרמודינמיקה, לפיו כל התהליכים הספונטניים הטבעיים נוטים להגביר את האנטרופיה (כלומר, כאוס, אי-סדר) של המערכת.
האבולוציה כסיבוך עצמי ספונטני של מערכות טבעיות אסורה באופן מוחלט לחלוטין על ידי החוק השני של התרמודינמיקה. החוק הזה אומר לנו שמתוך תוהו ובוהו, סדר לעולם לא יוכל, בשום פנים ואופן, להתבסס מעצמו. סיבוך ספונטני של כל מערכת טבעית הוא בלתי אפשרי. לדוגמה, "המרק הקדמון" לעולם לא יוכל, בשום פנים ואופן, לא במשך טריליונים ומיליארדי שנים להוליד גופי חלבון מאורגנים יותר, שבתורם, לעולם, בשום פנים ואופן, לא יוכלו "להתפתח" לכאלה מבנה מאורגן מאוד., כגבר.
לפיכך, נקודת המבט המודרנית ה"מקובלת" הזו על מקור היקום שגויה לחלוטין, שכן היא סותרת את אחד החוקים המדעיים הבסיסיים הבסיסיים מבחינה אמפירית - החוק השני של התרמודינמיקה.
אף על פי כן, תיאוריית המפץ הגדול, הנתמכת על ידי מדענים רבים (A. Penzias, R. Wilson, W. De Sitter, A. Eddington, K. Wirtz, ואחרים), ממשיכה לשלוט בחוגים מדעיים. לתמיכה בתיאוריה שלהם, הם מצטטים את העובדות הבאות. אז בשנת 1929, האסטרונום האמריקני אדווין האבל גילה את מה שנקרא ההסטה לאדום, או, במילים אחרות, שם לב שהאור של גלקסיות רחוקות הוא מעט אדום מהצפוי, כלומר. הקרינה שלהם מוסטת לצד האדום של הספקטרום.
עוד קודם לכן, נמצא שכאשר גוף מסויים מתרחק מאיתנו, אז הקרינה שלו מוזזת לצד האדום של הספקטרום (הסטה לאדום), וכשהוא, להיפך, מתקרב אלינו, הקרינה שלו עוברת לסגול. צד של הספקטרום (הסטה סגולה). לפיכך, ההסטה לאדום שגילה האבל העידה לטובת העובדה שגלקסיות מתרחקות מאיתנו ומן זו במהירות גדולה, כלומר, באופן מפתיע, היקום מתרחב כרגע, ובאותה מידה לכל הכיוונים. כלומר, המיקום היחסי של עצמים בחלל אינו משתנה, אלא רק המרחקים ביניהם משתנים. בדיוק כפי שסידור הנקודות על פני הבלון אינו משתנה, אך המרחקים ביניהן משתנים כאשר הוא מנופח.
אבל אם היקום מתרחב, אז בהכרח נשאלת השאלה: אילו כוחות מקנים את המהירות הראשונית לגלקסיות הנסוגות ומספקים את האנרגיה הדרושה. המדע המודרני מציע שהמפץ הגדול היה נקודת ההתחלה והגורם להתפשטות הנוכחית של היקום.
אישור עקיף נוסף להשערת המפץ הגדול הוא קרינת הרקע הקוסמית של המיקרוגל שהתגלתה ב-1965 (מ-lat. relictum - שריד) של היקום. זוהי קרינה, ששרידיה מגיעים אלינו מאותה תקופה רחוקה, כשעדיין לא היו כוכבים או כוכבי לכת, וחומר היקום היה מיוצג על ידי פלזמה הומוגנית, בעלת טמפרטורה אדירה (כ-4000 מעלות), סגורה בתוך שטח קטן ברדיוס של 15 מיליון שנות אור.
מתנגדי התיאוריה מציינים כי המחברים במחקריהם מתארים רק באופן ספקולטיבי רק שברירי שניות כאשר אלקטרונים, קווארקים, נויטרונים ופרוטונים הופיעו כביכול ביקום; ואז דקות - כאשר גרעיני המימן, הליום התעורר; אלפי שנים ומיליארדי שנים - כאשר קמו אטומים, גופים, כוכבים, גלקסיות, כוכבי לכת וכו', מבלי להסביר על סמך מה שהם נותנים מסקנות כאלה. שלא לדבר על השאלות, למה ואיך כל זה קרה? במילותיו של ב' ראסל: "מושגים רבים נראים עמוקים רק בגלל שהם לא ברורים ומבולבלים. ובכל פעם שהמושג של המפץ הגדול מוביל למבוי סתום, צריך להכניס לתוכו, ללא הוכחה, איזו ישות "מדהימה" חדשה, כמו אינפלציה קוסמית בלתי מוסברת בשלב המוקדם של המפץ הגדול, שבמהלכה, ב שבריר שנייה, היקום התרחב פתאום במהירות בלתי מוסברת בסדרי גודל רבים וממשיך להתרחב עד היום, ומשום מה עם תאוצה.
יש הרבה שאלות שהייתי רוצה לקבל עליהן תשובות. אסטרונומים ופיזיקאים מודרניים עובדים על החיפוש אחר תשובות. מה הוביל להיווצרות היקום הנצפה כעת, לתחילת הפיצוץ? מדוע החלל הוא תלת מימד וזמן אחד? כיצד יכלו עצמים נייחים - כוכבים וגלקסיות - להופיע ביקום המתרחב במהירות? מה קרה לפני המפץ הגדול? מדוע יש ליקום מבנה תאי של צבירי-על וצבירי גלקסיות? ולמה הוא מתרחב כל הזמן בצורה שונה לגמרי ממה שצריך אחרי הפיצוץ? אחרי הכל, לא כוכבים ואפילו גלקסיות בודדות מתפזרים, אלא רק צבירי גלקסיות. בעוד כוכבים וגלקסיות, להיפך, קשורים איכשהו זה לזה ויוצרים מבנים יציבים? יתרה מכך, צבירי גלקסיות, לאיזה כיוון מסתכלים, מתפזרים בערך באותה מהירות? ולא להאט, אלא להאיץ? ועוד הרבה הרבה שאלות שהתיאוריה הזו לא מספקת להן תשובות.
אחד הפיזיקאים הבולטים בזמננו, סטיבן הוקינג, ציין: "בעוד שרוב המדענים עסוקים מדי בפיתוח תיאוריות חדשות שמתארות מהו היקום, אין להם זמן לשאול את עצמם למה זה. פילוסופים, לעומת זאת, שתפקידם לשאול מדוע, אינם יכולים לעמוד בקצב התפתחותן של תיאוריות מדעיות. אבל אם נגלה תיאוריה שלמה, אז עם הזמן העקרונות הבסיסיים שלה יהיו מובנים לכולם, ולא רק למומחים בודדים. ואז כולנו, פילוסופים, מדענים וסתם אנשים רגילים, נוכל לקחת חלק בדיון על למה קרה שאנחנו קיימים והיקום קיים. ואם תימצא תשובה לשאלה כזו, זה יהיה ניצחון מוחלט של המוח האנושי, כי אז נבין את תוכנית ה'.
הנה מה שאמרו פיזיקאים מפורסמים על המקור האלוהי של היקום וכל מה שקיים על פני כדור הארץ.
אייזק ניוטון (1643 -1727)- פיזיקאי, מתמטיקאי, אסטרונום אנגלי. מייסד התיאוריה הקלאסית של הפיזיקה: "הסידור הנפלא של הקוסמוס וההרמוניה בו יכולים להיות מוסברים רק על ידי העובדה שהקוסמוס נוצר על פי התוכנית של הישות הכל-יודעת והכל יכולה. זו המילה הראשונה והאחרונה שלי".
אלברט איינשטיין (1879 -1955)- מחבר תורת היחסות המיוחדת והכללית, הציג את המושג פוטון, גילה את חוקי האפקט הפוטואלקטרי, עבד על בעיות הקוסמולוגיה ותורת השדות המאוחדים. לפי פיסיקאים בולטים רבים, איינשטיין הוא הדמות המשמעותית ביותר בהיסטוריה של הפיזיקה. זוכה פרס נובל לפיזיקה לשנת 1921 אמר: "הדת שלי מורכבת מהרגשה של הערצה צנועה מהרציונליות חסרת הגבולות, המתבטאת בפרטים הקטנים ביותר של תמונת העולם ההיא, שאנו מסוגלים רק חלקית לתפוס ולדעת במוחנו. . הביטחון הרגשי העמוק הזה בהרמוניה הלוגית הגבוהה ביותר של מבנה היקום הוא הרעיון שלי לגבי אלוהים.
ארתור קומפטון (1892 -1962)פיזיקאי אמריקאי, זוכה פרס נובל לפיזיקה בשנת 1927: "בשבילי, אמונה מתחילה עם הידיעה שהמוח העליון יצר את היקום והאדם. לא קשה לי להאמין בזה, כי העובדה שיש תוכנית, ולכן התבונה, היא בלתי ניתנת להפרכה. הסדר ביקום, הנפרש לנגד עינינו, מעיד בעצמו על אמיתותה של האמירה הגדולה והנשגבת: "בראשית – אלוהים".
והנה דבריו של מדען נוסף בתחום פיזיקת הטילים, ד"ר. ורנר פון בראון:"יצירה כה מאורגנת, מאוזנת בדיוק, מלכותית כמו היקום יכולה להיות רק התגלמות התוכנית האלוהית."
נקודת מבט נפוצה מאוד היא שלא ניתן להוכיח את קיומו של אלוהים בשיטות רציונליות-לוגיות, שאפשר לקחת את קיומו רק על אמונה כאקסיומה. "ברוך המאמין" - יש ביטוי כזה. אם אתה רוצה - תאמין, אם אתה רוצה - אל תאמין - זה עניין אישי לכולם. באשר למדע, לרוב נחשב כי עניינו הוא ללמוד את העולם החומרי שלנו, ללמוד אותו בשיטות רציונליות-אמפיריות, ומכיוון שאלוהים אינו חומרי, אין למדע שום קשר אליו - בואו, כביכול, הדת "מעוסקת" בו. למעשה, זה פשוט שגוי – המדע הוא זה שמספק לנו את הראיות המשכנעות ביותר לקיומו של אלוהים – בורא העולם החומרי כולו סביבנו. כל עוד מדענים מנסים להסביר תהליכים כלשהם בטבע רק מתוך עמדות חומרניות, הם לא יוכלו למצוא פתרונות הדומים לפחות בקירוב לאמת.
לתמיכה בכל מה שנאמר, הנה המילים יוצר מתוך הספר "גילויים לאנשי העידן החדש".
"עשרים. ניסיון לחקור את סיבת המפץ הגדול רק מדגים את אי ההבנה המוחלטת שלך לגבי טבעו של החלל הלא עשוי, או ליתר דיוק, את חוסר הנכונות של אנשי המדע להסתכל על העולם הזה כעל עולם שנברא בדמותו של האלוהי. מֶרחָב! אני חייב לומר שלמודל המפץ הגדול שלך או לתיאוריה אין שום קשר לטבע האמיתי של מקור העולמות!"
(הודעה מיום 14.05.10 "שלמות הרוח").
"25. אם אני אגיד לך מתי ובאילו תנאים התרחשה המטריאליזציה שלך ושל הפלנטה שלך, אז כל התיאוריה שלך על המפץ הגדול לא רק תתפרק, אלא גם תתברר כניסיון ריק של אדם חומרי להסביר את מקור החיים האלוהי לא רק על פני כדור הארץ, אלא גם ביקום!"
(הודעה מיום 09.10.10 "תעלומת מקור החיים").
"ארבעה. תהליך טבעי זה של שיפור עצמי מכיל לא רק את הקנון של הדמיון הפרקטלי, אלא גם את כל הקנונים של הנצח, כי אם אין תנועה קדימה, אז אין מוח יצירתי גדול, ואז חוק המספרים האקראיים (הרעיון). של תאונות) נכנס לתוקף, והרעיון של תאונות גדולות שנקרא Theory The Big Bang, אשר דוחה, ודוחה לנצח, את נוכחות ה-ORDER, את הנוכחות של המוח הקוסמי הגבוה יותר, ויתרה מכך, דוחה את התקווה הגדולה של אנשים להיות מושלמים, והכי חשוב, דוחה את עצם המשמעות של האדם כמציאות אובייקטיבית!
(הודעה מיום 19.12.13 "התקווה פונה פנימה").

בעולם המדעי מקובל כי היקום נוצר כתוצאה מהמפץ הגדול. תיאוריה זו מבוססת על העובדה שאנרגיה וחומר (היסודות של כל הדברים) היו בעבר במצב של ייחוד. זה, בתורו, מאופיין באינסוף הטמפרטורה, הצפיפות והלחץ. מצב הסינגולריות עצמו נוגד את כל חוקי הפיזיקה המוכרים לעולם המודרני. מדענים מאמינים כי היקום צמח מחלקיק מיקרוסקופי, אשר, מסיבות לא ידועות, הגיע למצב לא יציב בעבר הרחוק והתפוצץ.

המונח "המפץ הגדול" החל לשמש מאז 1949 לאחר פרסום עבודותיו של המדען F. Hoyle בפרסומי מדע פופולרי. כיום, התיאוריה של "המודל הדינמי המתפתח" פותחה כל כך טוב, עד שפיזיקאים יכולים לתאר את התהליכים המתרחשים ביקום כבר 10 שניות לאחר פיצוץ חלקיק מיקרוסקופי שהניח את הבסיס לכל דבר.

יש כמה הוכחות לתיאוריה. אחד העיקריים שבהם הוא קרינת השרידים, שמחלחלת את היקום כולו. זה יכול היה להתעורר, לפי מדענים מודרניים, רק כתוצאה מהמפץ הגדול, עקב אינטראקציה של חלקיקים מיקרוסקופיים. קרינת השרידים היא זו שמאפשרת ללמוד על אותם זמנים שבהם היקום נראה כמו חלל בוער, ולא היו כוכבים, כוכבי לכת והגלקסיה עצמה. ההוכחה השנייה להולדתו של כל מה שקיים מהמפץ הגדול היא ההסטה לאדום הקוסמולוגית, המורכבת מירידה בתדירות הקרינה. זה מאשר את הסרת הכוכבים, הגלקסיות משביל החלב בפרט וזו מהשנייה בכלל. כלומר, זה מצביע על כך שהיקום התרחב מוקדם יותר וממשיך לעשות זאת עד עכשיו.

היסטוריה קצרה של היקום

• 10 -45 - 10 -37 שניות- התרחבות אינפלציונית


• 10 -6 שניות- הופעת קווארקים ואלקטרונים


• 10 -5 שניות- היווצרות פרוטונים וניוטרונים


• 10 -4 שניות - 3 דקות- הופעת גרעינים של דאוטריום, הליום וליתיום


• 400 אלף שנה- היווצרות אטומים


• 15 מיליון שנה- המשך התרחבות ענן הגז


• 1 מיליארד שנים- הולדת הכוכבים והגלקסיות הראשונים


• 10 - 15 מיליארד שנים- הופעת כוכבי לכת וחיים תבוניים


• 10 14 מיליארד שנים- סיום תהליך הולדת הכוכבים


• 10 37 מיליארד שנים- דלדול האנרגיה של כל הכוכבים


• 10 40 מיליארד שנים- אידוי של חורים שחורים והולדת חלקיקים יסודיים


• 10 100 מיליארד שנים- השלמת האידוי של כל החורים השחורים

תיאוריית המפץ הגדול הפכה לפריצת דרך אמיתית במדע. זה אפשר למדענים לענות על שאלות רבות בנוגע להולדת היקום. אך יחד עם זאת, התיאוריה הזו הולידה תעלומות חדשות. העיקרי שבהם הוא הגורם למפץ הגדול עצמו. השאלה השנייה שאין למדע המודרני תשובה עליה היא כיצד הופיעו החלל והזמן. לדברי כמה חוקרים, הם נולדו יחד עם חומר, אנרגיה. כלומר, הם תוצאה של המפץ הגדול. אבל אז מסתבר שלזמן ולמרחב חייבת להיות איזושהי התחלה. כלומר, ישות מסוימת, קיימת כל הזמן ואינה תלויה באינדיקטורים שלהן, יכולה בהחלט להניע את תהליכי חוסר היציבות בחלקיק מיקרוסקופי שהוליד את היקום.

ככל שנעשה יותר מחקר בכיוון זה, כך עולות יותר שאלות לאסטרופיזיקאים. התשובות להן מחכות לאנושות בעתיד.

המפץ הגדול שייך לקטגוריית התיאוריות המנסות להתחקות באופן מלא אחר ההיסטוריה של הולדת היקום, כדי לקבוע את התהליכים הראשוניים, הנוכחיים והאחרונים בחייו.

האם היה משהו לפני שהיקום הופיע? שאלה זו, אבן יסוד, כמעט מטפיזית, נשאלת על ידי מדענים עד היום. הופעתו והתפתחותו של היקום תמיד היו ונשארו נושא לוויכוח סוער, השערות מדהימות ותיאוריות סותרות זו את זו. הגרסאות העיקריות למקורו של כל מה שמקיף אותנו, לפי פרשנות הכנסייה, היו אמורות להיות התערבות אלוהית, והעולם המדעי תמך בהשערה של אריסטו לגבי טבעו הסטטי של היקום. המודל האחרון דבק על ידי ניוטון, שהגן על האינסוף והקביעות של היקום, ועל ידי קאנט, שפיתח תיאוריה זו בכתביו. בשנת 1929, האסטרונום והקוסמולוג האמריקני אדווין האבל שינה באופן קיצוני את הדרך שבה מדענים רואים את העולם.

הוא לא רק גילה את נוכחותן של גלקסיות רבות, אלא גם את התפשטות היקום - גידול איזוטרופי מתמשך בגודל החלל החיצון, שהחל ברגע המפץ הגדול.

למי אנחנו חייבים את גילוי המפץ הגדול?

עבודתו של אלברט איינשטיין על תורת היחסות ומשוואות הכבידה שלו אפשרו לדה סיטר ליצור מודל קוסמולוגי של היקום. מחקר נוסף נקשר למודל זה. בשנת 1923, ווייל הציע שחומר המוצב בחלל החיצון חייב להתרחב. לעבודתו של המתמטיקאי והפיזיקאי המצטיין א.א.פרידמן יש חשיבות רבה בפיתוח תיאוריה זו. עוד ב-1922, הוא התיר את התפשטות היקום והסיק מסקנות סבירות שתחילתו של כל החומר הייתה בנקודה אחת צפופה עד אין קץ, והתפתחות הכל ניתנה על ידי המפץ הגדול. בשנת 1929, האבל פרסם את מאמריו המסבירים את הכפיפות המהירות הרדיאלית למרחק, מאוחר יותר יצירה זו נודעה בשם "חוק האבל".

G.A. Gamov, בהסתמך על תיאוריית המפץ הגדול של פרידמן, פיתח את הרעיון של טמפרטורה גבוהה של החומר ההתחלתי. הוא גם הציע נוכחות של קרינה קוסמית, שלא נעלמה עם התפשטות העולם והתקררותו. המדען ערך חישובים ראשוניים של הטמפרטורה האפשרית של הקרינה השיורית. הערך שהוא הניח היה בטווח של 1-10 K. עד 1950, גאמוב ערך חישובים מדויקים יותר והכריז על התוצאה ב-3 K. בשנת 1964, אסטרונומי רדיו מאמריקה, שיפרו את האנטנה על ידי ביטול כל האותות האפשריים, קבעו את הפרמטרים של קרינה קוסמית. הטמפרטורה שלו התבררה כ-3 K. מידע זה הפך לאישור החשוב ביותר לעבודתו של גאמוב ולקיומה של קרינת רקע מיקרוגל קוסמית. מדידות עוקבות של הרקע הקוסמי, שבוצעו בחלל החיצון, הוכיחו לבסוף את נכונות החישובים של המדען. ניתן להכיר את מפת הקרינה של השרידים בכתובת.

רעיונות מודרניים על תיאוריית המפץ הגדול: איך זה קרה?

תורת המפץ הגדול הפכה לאחד המודלים המסבירים באופן מקיף את הופעתו והתפתחותו של היקום המוכר לנו. לפי הגרסה המקובלת כיום, הייתה במקור ייחוד קוסמולוגי - מצב של צפיפות וטמפרטורה אינסופיים. פיזיקאים פיתחו הצדקה תיאורטית להולדת היקום מנקודה שהייתה לה רמה יוצאת דופן של צפיפות וטמפרטורה. לאחר הופעת המפץ הגדול, החלל והחומר של הקוסמוס החלו בתהליך מתמשך של התרחבות וקירור יציב. לפי מחקרים עדכניים, תחילתו של היקום הונחה לפני לפחות 13.7 מיליארד שנים.

תקופות התחלה בהיווצרות היקום

הרגע הראשון, שהתיאוריות הפיזיקליות מאפשרות לשחזור שלו, הוא עידן פלאנק, שהיווצרותו התאפשרה 10-43 שניות לאחר המפץ הגדול. טמפרטורת החומר הגיעה ל-10*32 K, וצפיפותו הייתה 10*93 גרם/סמ"ק. במהלך תקופה זו, כוח הכבידה קיבל עצמאות, ונפרד מהאינטראקציות הבסיסיות. ההתרחבות הבלתי פוסקת והירידה בטמפרטורה גרמו למעבר פאזה של חלקיקים אלמנטריים.

התקופה הבאה, המאופיינת בהתפשטות אקספוננציאלית של היקום, הגיעה תוך 10-35 שניות נוספות. זה נקרא "אינפלציה קוסמית". הייתה התרחבות פתאומית, גדולה פי כמה מהרגיל. תקופה זו נתנה תשובה לשאלה, מדוע הטמפרטורה בנקודות שונות של היקום זהה? לאחר המפץ הגדול, העניין לא התפשט מיד ביקום, במשך 10-35 שניות נוספות הוא היה די קומפקטי ונקבע בו שיווי משקל תרמי, שלא הופר במהלך ההתפשטות האינפלציונית. התקופה סיפקה את חומר הבסיס, פלזמה קווארק-גלואון, ששימש ליצירת פרוטונים וניוטרונים. תהליך זה התרחש לאחר ירידה נוספת בטמפרטורה, הוא נקרא "בריוגנזה". מקור החומר לווה בהופעה בו-זמנית של אנטי-חומר. שני חומרים אנטגוניסטים הושמדו, והפכו לקרינה, אבל מספר החלקיקים הרגילים גבר, מה שאפשר ליקום להתעורר.

מעבר השלב הבא, שהתרחש לאחר הירידה בטמפרטורה, הוביל להופעתם של חלקיקים אלמנטריים המוכרים לנו. עידן ה"נוקלאוסינתזה" שבא לאחר מכן סומן על ידי איחוד הפרוטונים לאיזוטופים קלים. הגרעינים שנוצרו הראשונים היו בעלי תוחלת חיים קצרה, הם התפרקו במהלך התנגשויות בלתי נמנעות עם חלקיקים אחרים. אלמנטים יציבים יותר התעוררו כבר לאחר שלוש דקות לאחר בריאת העולם.

אבן הדרך המשמעותית הבאה הייתה הדומיננטיות של כוח הכבידה על פני כוחות זמינים אחרים. לאחר 380 אלף שנים מתקופת המפץ הגדול, הופיע אטום המימן. העלייה בהשפעת הכבידה שימשה את סוף התקופה הראשונית של היווצרות היקום והולידה את תהליך הופעתן של מערכות הכוכבים הראשונות.

אפילו אחרי כמעט 14 מיליארד שנים, הרקע הקוסמי של המיקרוגל עדיין נשאר. קיומו בשילוב עם הסטה לאדום ניתן כטיעון התומך בתקפותה של תיאוריית המפץ הגדול.

ייחוד קוסמולוגי

אם, באמצעות תורת היחסות הכללית ועובדת ההתפשטות המתמשכת של היקום, נחזור לתחילת הזמן, אז מימדי היקום יהיו שווים לאפס. הרגע הראשוני או המדע אינם יכולים לתאר במדויק באמצעות ידע פיזיקלי. המשוואות המיושמות אינן מתאימות לאובייקט כה קטן. דרושה סימביוזה שיכולה לשלב מכניקת קוונטים ותורת היחסות הכללית, אך, למרבה הצער, היא עדיין לא נוצרה.

אבולוציה של היקום: מה מצפה לה בעתיד?

מדענים בוחנים שני תרחישים אפשריים: התפשטות היקום לעולם לא תסתיים, או שהיא תגיע לנקודה קריטית והתהליך ההפוך יתחיל - דחיסה. בחירה בסיסית זו תלויה בערך הצפיפות הממוצעת של החומר בהרכבו. אם הערך המחושב קטן מהערך הקריטי, התחזית חיובית, אם היא גדולה יותר, אז העולם יחזור למצב יחיד. מדענים אינם יודעים כרגע את הערך המדויק של הפרמטר המתואר, ולכן שאלת עתידו של היקום עומדת באוויר.

הקשר של דת לתאוריית המפץ הגדול

הדתות העיקריות של האנושות: הקתוליות, האורתודוקסיה, האיסלאם, תומכות בדרכן במודל זה של בריאת העולם. נציגים ליברליים של העדות הדתיות הללו מסכימים עם התיאוריה של הופעת היקום כתוצאה מהתערבות בלתי מוסברת כלשהי, המוגדרת כמפץ הגדול.

השם המפורסם בעולם של התיאוריה - "המפץ הגדול" - הוצג מבלי משים על ידי המתנגד לגרסה של התפשטות היקום על ידי הויל. הוא חשב שרעיון כזה "לא מספק לחלוטין". לאחר פרסום הרצאותיו הנושאיות, המונח המעניין נקלט מיד על ידי הציבור.

הגורמים למפץ הגדול אינם ידועים בוודאות. לפי אחת הגרסאות הרבות, בבעלות א.יו. גלושקו, החומר המקורי שנדחס לנקודה היה היפר-חור שחור, והפיצוץ נגרם ממגע של שני עצמים כאלה המורכבים מחלקיקים ואנטי-חלקיקים. במהלך ההשמדה, החומר שרד חלקית והוליד את היקום שלנו.

המהנדסים פנזיאס ווילסון, שגילו את קרינת הרקע הקוסמית של המיקרוגל, קיבלו את פרס נובל לפיזיקה.

קריאות הטמפרטורה של CMB היו בתחילה גבוהות מאוד. לאחר כמה מיליוני שנים התברר שהפרמטר הזה נמצא בגבולות המבטיחים את מקור החיים. אבל עד תקופה זו, רק מספר קטן של כוכבי לכת הצליחו להיווצר.

תצפיות ומחקרים אסטרונומיים עוזרים למצוא תשובות לשאלות החשובות ביותר לאנושות: "איך הכל הופיע, ומה מצפה לנו בעתיד?". למרות העובדה שלא כל הבעיות נפתרו, ולגורם השורש להופעתו של היקום אין הסבר קפדני והרמוני, תיאוריית המפץ הגדול מצאה מספר מספיק של אישורים שהופכים אותה למודל העיקרי והמקובל עבור הופעת היקום.

12. מה גרם למפץ הגדול?

פרדוקס ההתעוררות

אף אחת מההרצאות על קוסמולוגיה שקראתי אי פעם לא הייתה שלמה ללא השאלה מה גרם למפץ הגדול? עד לפני כמה שנים לא ידעתי את התשובה האמיתית; היום, אני מאמין, הוא מפורסם.

בעיקרו של דבר, שאלה זו מכילה שתי שאלות בצורה מצועפת. ראשית, נרצה לדעת מדוע החלה התפתחות היקום בפיצוץ ומה גרם לפיצוץ זה מלכתחילה. אבל מאחורי הבעיה הפיזית הטהורה מסתתרת בעיה נוספת, עמוקה יותר בעלת אופי פילוסופי. אם המפץ הגדול מסמן את תחילת הקיום הפיזי של היקום, כולל הופעת המרחב והזמן, אז באיזה מובן נוכל לומר מה גרםהפיצוץ הזה?

מנקודת המבט של הפיזיקה, הופעתו הפתאומית של היקום כתוצאה מפיצוץ ענק נראית פרדוקסלית במידה מסוימת. מבין ארבע האינטראקציות השולטות בעולם, רק כוח הכבידה מתבטא בקנה מידה קוסמי, וכפי שמראה הניסיון שלנו, לכוח המשיכה יש אופי של משיכה. עם זאת, לצורך הפיצוץ שסימן את הולדת היקום, ככל הנראה, היה צורך בכוח דוחה בסדר גודל מדהים, שעלול לקרוע את הקוסמוס לגזרים ולגרום להתפשטותו, שנמשכת עד היום.

זה נראה מוזר, כי אם היקום נשלט על ידי כוחות כבידה, אז הוא לא צריך להתרחב, אלא להתכווץ. אכן, כוחות משיכה של כבידה גורמים לחפצים פיזיים להתכווץ ולא להתפוצץ. לדוגמה, כוכב צפוף מאוד מאבד את יכולתו לתמוך במשקלו שלו ומתמוטט ליצירת כוכב נויטרונים או חור שחור. מידת הדחיסה של החומר ביקום המוקדם מאוד הייתה גבוהה בהרבה מזו של הכוכב הצפוף ביותר; לכן, לעתים קרובות עולה השאלה מדוע הקוסמוס הקדמון לא קרס לתוך חור שחור מההתחלה.

התשובה הרגילה לכך היא שצריך פשוט לקחת את הפיצוץ הראשוני כמצב ההתחלתי. תשובה זו אינה מספקת ומבלבלת בעליל. כמובן, בהשפעת כוח הכבידה, קצב ההתפשטות הקוסמית ירד ברציפות מההתחלה, אבל ברגע הלידה, היקום התרחב במהירות אינסופית. הפיצוץ לא נגרם מכוח כלשהו - רק התפתחות היקום התחילה בהתפשטות. אם הפיצוץ היה פחות חזק, כוח הכבידה היה מונע בקרוב מאוד את התפשטות החומר. כתוצאה מכך, ההרחבה תוחלף בהתכווצות, שתקבל אופי קטסטרופלי ותהפוך את היקום למשהו הדומה לחור שחור. אבל במציאות, הפיצוץ התברר כ"גדול מספיק" כדי שהוא איפשר ליקום, לאחר שהתגבר על כוח המשיכה שלו, להמשיך ולהתפשט לנצח בשל כוח הפיצוץ הראשוני, או לפחות להתקיים במשך מיליארדי שנים רבים לפני שהם עוברים דחיסה ונעלמים לתוך השכחה.

הבעיה עם התמונה המסורתית הזו היא שהיא לא מסבירה את המפץ הגדול בשום צורה. התכונה הבסיסית של היקום שוב מטופלת בפשטות כמצב ראשוני, מקובל אד הוק(בשביל המגן הזה); בעצם, זה רק קובע שהמפץ הגדול התרחש. עדיין לא ברור מדוע כוח הפיצוץ היה בדיוק זה, ולא אחר. מדוע הפיצוץ לא היה חזק עוד יותר כך שהיקום מתרחב הרבה יותר מהר עכשיו? אפשר גם לשאול מדוע היקום אינו מתרחב כרגע הרבה יותר לאט, או אינו מתכווץ כלל. כמובן שאם לפיצוץ לא היה כוח מספיק, היקום יתמוטט בקרוב ולא יהיה מי שישאל שאלות כאלה. עם זאת, אין זה סביר שניתן לקחת נימוק כזה כהסבר.

בניתוח מעמיק יותר, מתברר שהפרדוקס של מקור היקום הוא למעשה אפילו יותר מורכב ממה שתואר לעיל. מדידות מדוקדקות מראות שקצב ההתפשטות של היקום קרוב מאוד לערך הקריטי שבו מסוגל היקום להתגבר על כוח המשיכה שלו ולהתרחב לנצח. אם המהירות הזו הייתה קצת פחותה - והיתה מתרחשת קריסת היקום, ואם היא הייתה קצת יותר - החומר הקוסמי היה מתפוגג לחלוטין מזמן. מעניין לגלות כיצד בדיוק קצב ההתפשטות של היקום נופל בתוך המרווח המותר הצר הזה בין שני אסונות אפשריים. אם ברגע הזמן המקביל ל-1 שניות, כאשר דפוס ההתפשטות כבר הוגדר בבירור, קצב ההתרחבות יהיה שונה מערכו האמיתי ביותר מ-10^-18, זה יספיק כדי להפר לחלוטין את האיזון העדין. לפיכך, כוח ההתפוצצות של היקום בדיוק מדהים כמעט מתאים לאינטראקציה הכבידה שלו. המפץ הגדול, אם כן, לא היה רק ​​איזה פיצוץ רחוק - זה היה פיצוץ של כוח מאוד ספציפי. בגרסה המסורתית של תיאוריית המפץ הגדול, יש לקבל לא רק את עובדת הפיצוץ עצמו, אלא גם את העובדה שהפיצוץ התרחש בצורה גחמנית ביותר. במילים אחרות, התנאים ההתחלתיים מתגלים כספציפיים ביותר.

קצב ההתפשטות של היקום הוא רק אחד מכמה תעלומות קוסמיות לכאורה. השני קשור לתמונת התפשטות היקום בחלל. לפי תצפיות מודרניות. היקום, בקנה מידה גדול, הוא הומוגני ביותר בכל הנוגע לחלוקת החומר והאנרגיה. המבנה הגלובלי של הקוסמוס כמעט זהה במבט מכדור הארץ ומגלקסיה מרוחקת. גלקסיות מפוזרות בחלל עם אותה צפיפות ממוצעת, ומכל נקודה היקום נראה אותו הדבר לכל הכיוונים. הקרינה התרמית העיקרית שממלאת את היקום נופלת על כדור הארץ, עם אותה טמפרטורה לכל הכיוונים בדיוק של 10-4 לפחות. קרינה זו עוברת בחלל במשך מיליארדי שנות אור בדרכה אלינו ונושאת חותם של כל סטייה מההומוגניות שהיא נתקלת בה.

ההומוגניות בקנה מידה גדול של היקום נמשכת כשהיקום מתפשט. מכאן נובע שההתרחבות מתרחשת בצורה אחידה ואיזוטרופית ברמת דיוק גבוהה מאוד. המשמעות היא שקצב ההתפשטות של היקום לא רק זהה לכל הכיוונים, אלא גם קבוע באזורים שונים. אם היקום מתרחב מהר יותר בכיוון אחד מאשר באחרים, הדבר יוביל לירידה בטמפרטורה של קרינת הרקע התרמית בכיוון זה וישנה את תמונת תנועת הגלקסיות הנראות מכדור הארץ. לפיכך, האבולוציה של היקום לא התחילה רק בפיצוץ של כוח מוגדר בהחלט - הפיצוץ היה בבירור "מאורגן", כלומר. התרחש בו זמנית, עם אותו כוח בדיוק בכל הנקודות ובכל הכיוונים.

זה מאוד לא סביר שהתפרצות סימולטנית ומתואמת כזו יכולה להתרחש באופן ספונטני גרידא, וספק זה מתחזק בתיאוריית המפץ הגדול המסורתית על ידי העובדה שאזורים שונים של הקוסמוס הקדמוני אינם קשורים זה לזה באופן סיבתי. העובדה היא שלפי תורת היחסות, שום השפעה פיזיקלית לא יכולה להתפשט מהר יותר מהאור. כתוצאה מכך, אזורים שונים של החלל יכולים להיות קשורים זה לזה רק לאחר פרק זמן מסוים. לדוגמה, 1 שניה לאחר הפיצוץ, האור יכול לעבור מרחק של לא יותר משנייה אור אחת, המתאים ל-300,000 ק"מ. אזורי היקום, המופרדים על ידי מרחק גדול, לאחר 1s עדיין לא ישפיעו זה על זה. אבל ברגע זה, אזור היקום בו צפינו כבר תפס מרחב בקוטר של לפחות 10^14 ק"מ. לכן, היקום מורכב מכ-10^27 אזורים שאינם קשורים קשר סיבתי, שכל אחד מהם, בכל זאת, התרחב בדיוק באותו קצב. גם היום, תוך התבוננות בקרינה קוסמית תרמית המגיעה מצדדים מנוגדים של השמים זרועי הכוכבים, אנו רושמים בדיוק את אותן טביעות "טביעת אצבע" של אזורים ביקום המופרדים במרחקים עצומים: מרחקים אלה מתגלים כגדולים ביותר מפי 90 מהמרחק האור יכול לנוע מרגע פליטת הקרינה התרמית.

כיצד להסביר קוהרנטיות כה יוצאת דופן של אזורים שונים בחלל, אשר, מן הסתם, מעולם לא היו קשורים זה לזה? איך נוצרה התנהגות דומה זו? בתשובה המסורתית יש שוב התייחסות לתנאים ראשוניים מיוחדים. ההומוגניות יוצאת הדופן של תכונות הפיצוץ הראשוני נחשבת פשוט כעובדה: כך נוצר היקום.

ההומוגניות בקנה מידה גדול של היקום תמוהה עוד יותר כאשר לוקחים בחשבון שהיקום אינו הומוגני בקנה מידה קטן. קיומם של גלקסיות בודדות וצבירי גלקסיות מעיד על סטייה מהומוגניות קפדנית, וחריגה זו, יתרה מכך, זהה בכל מקום בקנה מידה ובגודל. מכיוון שכוח הכבידה נוטה להגביר כל הצטברות ראשונית של חומר, מידת ההטרוגניות הנדרשת להיווצרות גלקסיות הייתה הרבה פחות בזמן המפץ הגדול מאשר כעת. עם זאת, בשלב הראשוני של המפץ הגדול, עדיין צריכה להיות חוסר הומוגניות קלה, אחרת לעולם לא היו נוצרות גלקסיות. בתיאוריית המפץ הגדול הישנה, ​​אי-הומוגניות אלו יוחסו בשלב מוקדם גם ל"תנאים התחלתיים". לפיכך, היינו צריכים להאמין שהתפתחות היקום התחילה לא ממצב אידיאלי לחלוטין, אלא ממצב מאוד יוצא דופן.

ניתן לסכם את כל האמור לעיל כך: אם הכוח היחיד ביקום הוא משיכה כבידה, אז יש לפרש את המפץ הגדול כ"נשלח על ידי אלוהים", כלומר. ללא סיבה, עם תנאים ראשוניים נתונים. בנוסף, הוא מאופיין בעקביות מדהימה; כדי להגיע למבנה הקיים, היקום היה צריך להתפתח כראוי מההתחלה. זהו הפרדוקס של מקור היקום.

חפש אנטי כבידה

הפרדוקס של מקור היקום נפתר רק בשנים האחרונות; עם זאת, ניתן לאתר את הרעיון המרכזי של הפתרון להיסטוריה רחוקה, לתקופה שבה לא תיאוריית ההרחבה ולא תיאוריית המפץ הגדול עדיין לא היו קיימות. אפילו ניוטון הבין כמה קשה הבעיה היא יציבות היקום. איך כוכבים שומרים על מיקומם בחלל ללא תמיכה? האופי האוניברסלי של משיכה כבידה היה צריך להוביל להתכווצות כוכבים לצבירים קרובים זה לזה.

כדי להימנע מהאבסורד הזה, ניוטון נקט בנימוק מוזר מאוד. אם היקום היה מתמוטט תחת כוח המשיכה שלו, כל כוכב היה "נופל" לכיוון מרכז צביר הכוכבים. אולם נניח שהיקום הוא אינסופי ושהכוכבים מפוזרים בממוצע באופן אחיד על פני מרחב אינסופי. במקרה זה, לא יהיה מרכז משותף כלל, שאליו יכולים כל הכוכבים ליפול, כי ביקום האינסופי כל האזורים זהים. כל כוכב יושפע ממשיכה הכבידה של כל שכניו, אך עקב ממוצע של השפעות אלו לכיוונים שונים, לא יהיה כוח כתוצאה מכך הנוטה להזיז את הכוכב הזה למיקום מסוים ביחס לכל קבוצת הכוכבים.

כאשר, 200 שנה אחרי ניוטון, איינשטיין יצר תיאוריה חדשה של כוח הכבידה, הוא גם נבהל מהבעיה כיצד היקום מצליח להימנע מקריסה. עבודתו הראשונה על קוסמולוגיה פורסמה לפני האבל גילה את התפשטות היקום; אז איינשטיין, כמו ניוטון, הניח שהיקום הוא סטטי. עם זאת, איינשטיין ניסה לפתור את בעיית היציבות של היקום בצורה הרבה יותר ישירה. הוא האמין שכדי למנוע את קריסת היקום בהשפעת כוח המשיכה שלו, חייב להיות כוח קוסמי אחר שיכול להתנגד לכוח הכבידה. כוח זה חייב להיות כוח דוחה ולא כוח משיכה כדי לקזז את כוח המשיכה. במובן זה, כוח כזה יכול להיקרא "אנטי-גרביטציוני", אם כי נכון יותר לדבר על כוח הדחייה הקוסמית. איינשטיין במקרה הזה לא סתם המציא את הכוח הזה באופן שרירותי. הוא הראה שניתן להכניס למשוואות שלו מונח נוסף של שדה הכבידה, מה שמוביל להופעת כוח בעל התכונות הרצויות.

למרות העובדה שהמושג של כוח דוחה המנוגד לכוח הכבידה הוא כשלעצמו די פשוט וטבעי, במציאות המאפיינים של כוח כזה מתבררים כיוצאי דופן למדי. כמובן, לא נצפה כוח כזה בכדור הארץ, ולא נמצא כל רמז לכך במשך כמה מאות שנים לקיומה של אסטרונומיה פלנטרית. ברור שאם קיים כוח הדחייה הקוסמית, לא אמורה להיות לו השפעה ניכרת במרחקים קטנים, אבל עוצמתו גדלה באופן משמעותי בקנה מידה אסטרונומי. התנהגות כזו סותרת את כל הניסיון הקודם בחקר טבעם של כוחות: הם בדרך כלל אינטנסיביים במרחקים קטנים ונחלשים עם הגדלת המרחק. לפיכך, האינטראקציות האלקטרומגנטיות והכבידתיות יורדות ברציפות בהתאם לחוק הריבוע ההפוך. אף על פי כן, בתיאוריה של איינשטיין, הופיע באופן טבעי כוח בעל תכונות די חריגות כאלה.

אין לחשוב על כוח הדחייה הקוסמית שהציג איינשטיין כעל האינטראקציה החמישית בטבע. זה פשוט ביטוי מוזר של כוח המשיכה עצמו. קל להראות שניתן לייחס את השפעות הדחייה הקוסמית לכוח הכבידה הרגיל, אם נבחר תווך בעל תכונות חריגות כמקור שדה הכבידה. תווך חומרי רגיל (לדוגמה, גז) מפעיל לחץ, בעוד שהמדיום ההיפותטי הנדון כאן צריך להיות שלילילחץ או מתח. כדי לדמיין בצורה ברורה יותר על מה אנחנו מדברים, בואו נדמיין שהצלחנו למלא כלי בחומר קוסמי כזה. ואז, בניגוד לגז רגיל, תווך החלל ההיפותטי לא יפעיל לחץ על דפנות הכלי, אלא יטה למשוך אותם לתוך הכלי.

לפיכך, אנו יכולים להתייחס לדחייה קוסמית כסוג של תוספת לכוח הכבידה או כתופעה הנובעת מכוח הכבידה הרגיל הטבוע בתווך גזי בלתי נראה הממלא את כל החלל ויש לו לחץ שלילי. אין סתירה בכך שמצד אחד הלחץ השלילי כביכול יונק את דפנות הכלי, ומצד שני המדיום ההיפותטי הזה דוחה גלקסיות, ואינו מושך אותן. הרי הדחייה נובעת מכוח המשיכה של המדיום, ובשום פנים ואופן לא פעולה מכנית. בכל מקרה, כוחות מכניים נוצרים לא מהלחץ עצמו, אלא מהפרש הלחץ, אבל ההנחה היא שהמדיום ההיפותטי ממלא את כל החלל. לא ניתן להגביל אותו על ידי דפנות הכלי, ומתבונן שנמצא בסביבה זו לא יתפוס אותו כלל כחומר מוחשי. החלל ייראה וירגיש ריק לחלוטין.

למרות תכונות כל כך מדהימות של המדיום ההיפותטי, איינשטיין אמר פעם שהוא בנה מודל מספק של היקום, שבו נשמר איזון בין משיכה כבידה לבין הדחייה הקוסמית שהתגלתה על ידו. בעזרת חישובים פשוטים, איינשטיין העריך את גודל כוח הדחייה הקוסמי הדרוש לאיזון כוח המשיכה ביקום. הוא הצליח לאשר שהדחייה חייבת להיות כל כך קטנה בתוך מערכת השמש (ואפילו בקנה מידה של הגלקסיה) עד שלא ניתן לזהות אותה בניסוי. במשך זמן מה נראה היה שהתעלומה עתיקת היומין נפתרה בצורה מבריקה.

אולם אז המצב השתנה לרעה. קודם כל, נוצרה בעיית יציבות שיווי המשקל. הרעיון הבסיסי של איינשטיין התבסס על איזון קפדני בין כוחות משיכה לכוחות דוחים. אבל, כמו במקרים רבים אחרים של איזון קפדני, גם כאן התגלו פרטים עדינים. אם, למשל, היקום הסטטי של איינשטיין היה מתרחב מעט, אזי המשיכה הכבידה (היחלשות עם המרחק) הייתה פוחתת במקצת, בעוד שכוח הדחייה הקוסמי (הגדל עם המרחק) יגדל מעט. זה יוביל לחוסר איזון לטובת כוחות דוחה, שיגרמו להתרחבות בלתי מוגבלת נוספת של היקום בהשפעת הדחייה הכובשת. אם, להיפך, היקום הסטטי של איינשטיין היה מתכווץ מעט, אזי כוח הכבידה יגדל וכוח הדחייה הקוסמית יקטן, מה שיוביל לחוסר איזון לטובת כוחות המשיכה וכתוצאה מכך, התכווצות מהירה מתמיד, ובסופו של דבר להתמוטטות שאיינשטיין חשב שנמנע ממנה. לפיכך, בסטייה הקלה ביותר, האיזון הקפדני יופר, ואסון קוסמי יהיה בלתי נמנע.

מאוחר יותר, ב-1927, גילה האבל את מיתון הגלקסיות (כלומר, התפשטות היקום), מה שהפך את בעיית שיווי המשקל לחסרת משמעות. התברר כי היקום אינו מאוים על ידי דחיסה וקריסה, שכן הוא מתרחב.אם אינשטיין לא היה מוסח מהחיפוש אחר כוח הדחייה הקוסמית, הוא בהחלט היה מגיע למסקנה זו באופן תיאורטי, ובכך חוזה את התפשטות היקום עשר שנים טובות לפני שהצליחו האסטרונומים לגלותו. תחזית כזו ללא ספק תיכנס לתולדות המדע כאחת הבולטות ביותר (תחזית כזו נעשתה על בסיס משוואת איינשטיין בשנים 1922-1923 על ידי פרופסור א.א. פרידמן מאוניברסיטת פטרוגרד). בסופו של דבר, איינשטיין נאלץ לוותר בצער על הדחייה הקוסמית, שלימים ראה בה "הטעות הגדולה ביותר בחייו". עם זאת, הסיפור לא נגמר שם.

איינשטיין הגה דחייה קוסמית כדי לפתור את הבעיה הלא קיימת של יקום סטטי. אבל, כמו תמיד, אי אפשר לגרש ג'יני מהבקבוק. הרעיון שהדינמיקה של היקום, אולי בשל העימות בין כוחות המשיכה והדחייה, המשיכה לחיות. ולמרות שתצפיות אסטרונומיות לא נתנו שום עדות לקיומה של דחייה קוסמית, הן לא יכלו להוכיח את היעדרה - היא יכולה להיות פשוט חלשה מכדי להתבטא.

משוואות שדה הכבידה של איינשטיין, למרות שהן מוודות בנוכחות כוח דוחה, אינן מטילות הגבלות על גודלו. מלמד על ידי ניסיון מר, איינשטיין צדק בהנחה שגודלו של כוח זה שווה בהחלט לאפס, ובכך ביטל לחלוטין את הדחייה. עם זאת, זה לא היה נחוץ בשום פנים ואופן. כמה מדענים מצאו צורך לשמור את הדחייה במשוואות, אם כי זה כבר לא היה נחוץ מנקודת המבט של הבעיה המקורית. מדענים אלה האמינו שבהיעדר ראיות מתאימות, אין סיבה להאמין שכוח הדחייה הוא אפס.

לא היה קשה להתחקות אחר ההשלכות של שימור הכוח הדוחה בתרחיש של יקום מתרחב. בשלבי ההתפתחות המוקדמים, כאשר היקום עדיין במצב דחוס, ניתן להזניח את הדחייה. במהלך שלב זה, משיכה כבידה האטה את קצב ההתפשטות, כמעט באותו אופן שבו כוח המשיכה של כדור הארץ מאט רקטה שנורה אנכית כלפי מעלה. אם נקבל ללא הסבר שההתפתחות של היקום התחילה בהתפשטות מהירה, אז הכבידה צריכה להפחית כל הזמן את קצב ההתפשטות לערך הנצפה בזמן הנוכחי. עם הזמן, כשהחומר מתפוגג, האינטראקציה הגרביטציונית נחלשת. להיפך, הדחייה הקוסמית גוברת ככל שהגלקסיות ממשיכות להתרחק זו מזו. בסופו של דבר, הדחייה תתגבר על המשיכה הגרביטציונית וקצב ההתפשטות של היקום יתחיל לעלות שוב. מכאן נוכל להסיק שהיקום נשלט על ידי דחייה קוסמית, וההתפשטות תימשך לנצח.

אסטרונומים הראו שהתנהגות חריגה זו של היקום, כשההתפשטות תחילה מואטת ואז מואצת שוב, צריכה לבוא לידי ביטוי בתנועה הנצפית של גלקסיות. אבל התצפיות האסטרונומיות המוקפדות ביותר לא הצליחו לחשוף שום עדות משכנעת להתנהגות כזו, למרות שהטענה ההפוכה מושמעת מעת לעת.

מעניין שהאסטרונום ההולנדי וילם דה סיטר העלה את הרעיון של יקום מתרחב כבר ב-1916 - שנים רבות לפני שהאבל גילה את התופעה הזו בניסוי. דה סיטר טען שאם חומר רגיל יוסר מהיקום, אזי המשיכה הכבידתית תיעלם, וכוחות הדחייה ישלטו על הגג בחלל. זה יגרום להתפשטות היקום - באותה תקופה זה היה רעיון חדשני.

מכיוון שהמתבונן אינו מסוגל לתפוס את המדיום הגזי הבלתי נראה המוזר בלחץ שלילי, פשוט ייראה לו שהחלל הריק מתרחב. ניתן היה לזהות את ההתרחבות על ידי תליית גופי בדיקה במקומות שונים והתבוננות בריחוקם זה מזה. הרעיון של הרחבת החלל הריק נחשב בזמנו כסוג של קוריוז, אם כי, כפי שנראה, דווקא זה התברר כנבואי.

אז איזו מסקנה אפשר להסיק מהסיפור הזה? העובדה שאסטרונומים אינם מזהים דחייה קוסמית אינה יכולה עדיין לשמש הוכחה הגיונית להעדרה בטבע. בהחלט יתכן שהוא פשוט חלש מכדי שניתן יהיה לזהות אותו במכשירים מודרניים. דיוק התצפית מוגבל תמיד, ולכן ניתן להעריך רק את הגבול העליון של כוח זה. אפשר להתנגד לכך שמבחינה אסתטית חוקי הטבע ייראו פשוטים יותר בהעדר דחייה קוסמית. דיונים כאלה נמשכו שנים רבות, מבלי שהובילו לתוצאות מוגדרות, עד שלפתע הסתכלו על הבעיה מזווית חדשה לגמרי, שהעניקה לה רלוונטיות בלתי צפויה.

אינפלציה: הסבר על המפץ הגדול

בסעיפים הקודמים אמרנו שאם יש כוח דחייה קוסמי, אז הוא חייב להיות חלש מאוד, כל כך חלש שאין לו השפעה משמעותית על המפץ הגדול. אולם מסקנה זו מבוססת על ההנחה שעוצמת הדחייה אינה משתנה עם הזמן. בזמנו של איינשטיין, דעה זו הייתה שותפה לכל המדענים, שכן הדחייה הקוסמית הוכנסה לתיאוריה "מעשה ידי אדם". אף אחד לא עלה בדעתו שדחייה קוסמית יכולה להיקראתהליכים פיזיקליים אחרים המתעוררים עם התפשטות היקום. אם הייתה צפויה אפשרות כזו, אז הקוסמולוגיה יכולה להתברר כשונה. בפרט, התרחיש של התפתחות היקום אינו נשלל, בהנחה שבתנאים הקיצוניים של השלבים המוקדמים של האבולוציה, הדחייה הקוסמית גברה על כוח המשיכה לרגע מסוים, מה שגרם ליקום להתפוצץ, ולאחר מכן תפקידו הצטמצם למעשה. לאפס.

תמונה כללית זו עולה מעבודות אחרונות על התנהגות החומר והכוחות בשלבים המוקדמים מאוד של התפתחות היקום. התברר שהדחייה הקוסמית הענקית היא התוצאה הבלתי נמנעת של מעצמת העל. אז, ה"אנטי כבידה" שאיינשטיין נהג דרך הדלת חזר דרך החלון!

המפתח להבנת הגילוי החדש של הדחייה הקוסמית ניתן על ידי טבעו של הוואקום הקוונטי. ראינו כיצד דחיה כזו יכולה להיות עקב מדיום בלתי נראה יוצא דופן, שאינו ניתן להבחין מחלל ריק, אך עם לחץ שלילי. כיום, פיסיקאים מאמינים כי אלו הן התכונות של הוואקום הקוונטי.

בפרק 7 צוין כי יש להתייחס לוואקום כסוג של "אנזים" של פעילות קוונטית, שופע חלקיקים וירטואליים ורווי אינטראקציות מורכבות. חשוב מאוד להבין שלוואקום תפקיד מכריע במסגרת התיאור הקוונטי. מה שאנו מכנים חלקיקים הם רק הפרעות נדירות, כמו "בועות" על פני ים שלם של פעילות.

בסוף שנות ה-70, התברר כי איחוד ארבעת האינטראקציות מצריך עדכון מלא של הרעיונות לגבי הטבע הפיזי של הוואקום. התיאוריה מניחה שאנרגיית הוואקום באה לידי ביטוי בשום אופן לא חד משמעי. במילים פשוטות, הוואקום יכול להיות נרגש ולהיות באחד ממצבים רבים עם אנרגיות שונות מאוד, בדיוק כפי שניתן לעורר אטום על ידי מעבר לרמות אנרגיה גבוהות יותר. מצבי הוואקום הללו - אילו יכולנו לצפות בהם - היו נראים בדיוק אותו הדבר, למרות שיש להם תכונות שונות לחלוטין.

קודם כל, האנרגיה הכלולה בוואקום זורמת בכמויות אדירות ממצב אחד למשנהו. בתיאוריות המאוחדות הגדולות, למשל, ההבדל בין אנרגיית הוואקום הנמוכה והגבוהה ביותר הוא גדול בצורה בלתי נתפסת. כדי לקבל מושג על קנה המידה העצום של הכמויות הללו, הבה נאמוד את האנרגיה ששחררה השמש לאורך כל תקופת קיומה (כ-5 מיליארד שנים). תארו לעצמכם שכל כמות האנרגיה האדירה הזו שפולטת השמש נמצאת באזור חלל הקטן מגודלה של מערכת השמש. צפיפויות האנרגיה שהושגו במקרה זה קרובות לצפיפות האנרגיה התואמות למצב הוואקום ב-HWO.

יחד עם הבדלי אנרגיה מדהימים, הפרשי לחץ עצומים באותה מידה תואמים למצבי ואקום שונים. אבל כאן טמון ה"טריק": כל הלחצים האלה - שלילי.הוואקום הקוונטי מתנהג בדיוק כמו המדיום הדוחה הקוסמי ההיפותטי שהוזכר קודם לכן, רק שהפעם הערכים המספריים של הלחץ כה גדולים עד שהדחייה גדולה פי 10^120 מהכוח שאיינשטיין נזקק לו כדי לשמור על שיווי משקל ביקום סטטי .

כעת פתוחה הדרך להסבר המפץ הגדול. הבה נניח שהיקום היה בראשיתו במצב נרגש של ואקום, אשר נקרא ואקום "שקרי". במצב זה, הייתה ביקום דחייה קוסמית בסדר גודל כזה שהיא הייתה גורמת להתפשטות בלתי מרוסנת ומהירה של היקום. למעשה, בשלב זה היקום יתאים למודל דה סיטר שנדון בסעיף הקודם. אולם ההבדל הוא שבדה סיטר היקום מתרחב בשקט בטווחי זמן אסטרונומיים, בעוד ש"שלב דה סיטר" באבולוציה של היקום מתוך הוואקום הקוונטי "השקרי" למעשה רחוק מלהיות שקט. נפח החלל התפוס על ידי היקום צריך במקרה זה להכפיל את עצמו כל 10^-34 שניות (או מרווח זמן באותו סדר).

להרחבת-על כזו של היקום יש מספר מאפיינים אופייניים: כל המרחקים גדלים לפי חוק מעריכי (כבר נפגשנו עם המושג מעריך בפרק 4). זה אומר שכל 10^-34 שניות כל אזורי היקום מכפילים את גודלם, ואז תהליך ההכפלה הזה ממשיך באופן אקספוננציאלי. סוג זה של הרחבה, שנחשב לראשונה בשנת 1980. אלן גוט מ-MIT (המכון הטכנולוגי של מסצ'וסטס, ארה"ב), כונה על ידו "אינפלציה". כתוצאה מהתפשטות מהירה במיוחד ומואצת מתמשכת, מהר מאוד יתברר שכל חלקי היקום מתעופפים זה מזה, כמו בפיצוץ. וזה המפץ הגדול!

עם זאת, כך או אחרת, אבל שלב האינפלציה חייב להיפסק. כמו בכל המערכות הקוונטיות הנרגשות, הוואקום ה"שקרי" אינו יציב ונוטה להתפרק. כאשר מתרחשת ריקבון, הדחייה נעלמת. זה, בתורו, מוביל להפסקת האינפלציה ולמעבר של היקום לכוח המשיכה הכבידה הרגילה. כמובן, במקרה זה היקום ימשיך להתרחב עקב הדחף הראשוני שנרכש בתקופת האינפלציה, אך קצב ההתפשטות יירד בהתמדה. לפיכך, העקבות היחידות ששרדו עד היום מהדחייה הקוסמית היא האטה הדרגתית בהתפשטות היקום.

לפי "התרחיש האינפלציוני", היקום החל את קיומו ממצב של ואקום, נטול חומר וקרינה. אבל, גם אם הם היו נוכחים מההתחלה, עקבותיהם יאבדו במהירות עקב קצב ההתרחבות העצום בשלב האינפלציה. בפרק הזמן הקצר ביותר המקביל לשלב זה, אזור החלל התפוס על ידי כל היקום הנצפה כיום גדל ממיליארדית מגודלו של פרוטון למספר סנטימטרים. הצפיפות של כל חומר קיים במקור תהיה שווה למעשה לאפס.

אז, בסוף שלב האינפלציה, היקום היה ריק וקר. עם זאת, כאשר האינפלציה התייבשה, היקום נעשה לפתע "חם" במיוחד. פרץ החום הזה שהאיר את הקוסמוס נובע ממאגרי האנרגיה העצומים הכלולים בוואקום ה"שקרי". כאשר מצב הוואקום קרס, האנרגיה שלו השתחררה בצורה של קרינה, אשר חיממה את היקום באופן מיידי לכ-10^27 K, וזה מספיק כדי שהתהליכים ב-GUT יתרחשו. מאותו רגע, היקום התפתח לפי התיאוריה הסטנדרטית של המפץ הגדול "החם". הודות לאנרגיה תרמית, חומר ואנטי-חומר התעוררו, ואז היקום החל להתקרר, וכל היסודות שלו הנצפים היום החלו בהדרגה "לקפוא".

אז הבעיה הקשה היא מה גרם למפץ הגדול? - הצליח לפתור באמצעות תורת האינפלציה; חלל ריק התפוצץ באופן ספונטני תחת הדחייה הטבועה בוואקום הקוונטי. עם זאת, התעלומה עדיין נותרה בעינה. האנרגיה האדירה של הפיצוץ הראשוני, שנכנסה להיווצרות החומר והקרינה הקיימים ביקום, הייתה צריכה להגיע מאיפשהו! לא נוכל להסביר את קיומו של היקום עד שנמצא את מקור האנרגיה הראשונית.

אתחול החלל

אנגלית אתחולבמובן המילולי זה אומר "שרוכים", במובן פיגורטיבי זה אומר עקביות עצמית, היעדר היררכיה במערכת החלקיקים היסודיים.

היקום נולד בתהליך של התפרצות ענקית של אנרגיה. אנחנו עדיין מוצאים עקבות שלו - זוהי קרינת רקע תרמית וחומר קוסמי (בפרט, אטומים המרכיבים כוכבים וכוכבי לכת), האוגר אנרגיה מסוימת בצורה של "מסה". עקבות של אנרגיה זו מתבטאים גם במיתון של גלקסיות ובפעילות אלימה של עצמים אסטרונומיים. האנרגיה הראשונית "התחילה את האביב" של היקום המתהווה וממשיכה להניע אותו עד היום.

מאיפה הגיעה האנרגיה הזו, שהפיחה חיים ביקום שלנו? לפי תורת האינפלציה, זוהי האנרגיה של החלל הריק, במילים אחרות, הוואקום הקוונטי. עם זאת, האם תשובה כזו יכולה לספק אותנו באופן מלא? טבעי לשאול כיצד הוואקום רכש אנרגיה.

באופן כללי, על ידי השאלה מאיפה הגיעה האנרגיה, אנו בעצם מניחים הנחה חשובה לגבי טבעה של אותה אנרגיה. אחד מחוקי היסוד של הפיזיקה הוא חוק שימור האנרגיה,לפיה צורות שונות של אנרגיה יכולות להשתנות ולעבור אחת לאחרת, אך כמות האנרגיה הכוללת נשארת ללא שינוי.

לא קשה לתת דוגמאות בהן ניתן לאמת את פעולתו של חוק זה. נניח שיש לנו מנוע ואספקת דלק, והמנוע משמש להנעת גנרטור חשמלי, שבתורו מפעיל את המחמם. במהלך הבעירה של הדלק, האנרגיה הכימית האצורה בו הופכת למכנית, לאחר מכן לחשמלית ולבסוף לחום. או נניח שמנוע משמש להרמת מטען לראש מגדל, ולאחר מכן המטען נופל בחופשיות; כאשר פוגעים בקרקע, משתחררת בדיוק אותה כמות של אנרגיה תרמית כמו בדוגמה עם תנור חימום. העובדה היא שלא משנה איך מועברת אנרגיה או איך צורתה משתנה, ברור שלא ניתן ליצור או להרוס אותה. מהנדסים משתמשים בחוק זה בפרקטיקה היומיומית.

אם לא ניתן ליצור או להרוס אנרגיה, אז איך נוצרת אנרגיה ראשונית? האם זה לא פשוט מוזרק ברגע הראשון (מעין מצב ראשוני חדש שמתקבל על ידי אד הוק)? אם כן, מדוע היקום מכיל את כמות האנרגיה הזו ולא כמות אחרת? יש בערך 10^68 J (ג'אול) של אנרגיה ביקום הנצפה - למה לא, נגיד, 10^99 או 10^10000 או כל מספר אחר?

תורת האינפלציה מציעה הסבר מדעי אפשרי אחד לחידה הזו. לפי התיאוריה הזו. ליקום הייתה בתחילה אנרגיה ששווה למעשה לאפס, וב-10^32 השניות הראשונות הוא הצליח להחיות את כל כמות האנרגיה העצומה. המפתח להבנת הנס הזה נמצא בעובדה המדהימה שחוק שימור האנרגיה במובן הרגיל לא ישיםאל היקום המתרחב.

למעשה, כבר נתקלנו בעובדה דומה. התפשטות קוסמולוגית מובילה לירידה בטמפרטורת היקום: בהתאם, אנרגיית הקרינה התרמית, שהיא כה גדולה בשלב הראשוני, מתרוקנת והטמפרטורה יורדת לערכים קרובים לאפס המוחלט. לאן נעלמה כל אנרגיית החום הזו? במובן מסוים, הוא נוצל על ידי היקום כדי להתרחב וסיפק לחץ כדי להשלים את כוחו של המפץ הגדול. כאשר נוזל רגיל מתרחב, הלחץ החיצוני שלו אכן עובד תוך שימוש באנרגיה של הנוזל. כאשר גז רגיל מתפשט, האנרגיה הפנימית שלו מושקעת בעבודות. בניגוד מוחלט לכך, דחייה קוסמית דומה להתנהגות של מדיום עם שלילילַחַץ. כשמדיום כזה מתרחב, האנרגיה שלו לא יורדת, אלא עולה. זה בדיוק מה שקרה בתקופת האינפלציה, כאשר הדחייה הקוסמית גרמה ליקום להתרחב במהירות. לאורך תקופה זו, האנרגיה הכוללת של הוואקום המשיכה לעלות עד שבסוף תקופת האינפלציה הגיעה לערך עצום. לאחר שתקופת האינפלציה הסתיימה, כל האנרגיה האצורה השתחררה בפרץ ענק אחד, והוליד חום וחומר בקנה מידה מלא של המפץ הגדול. מנקודה זו ואילך החלה ההתרחבות הרגילה בלחץ חיובי, כך שהאנרגיה החלה לרדת שוב.

הופעתה של אנרגיה ראשונית מסומנת על ידי סוג של קסם. ואקום עם לחץ שלילי מסתורי, ניחן, כנראה, באפשרויות מדהימות לחלוטין. מצד אחד, הוא יוצר כוח דחייה עצום המבטיח את התרחבותו ההולכת וגוברת, ומצד שני, ההתפשטות עצמה כופה עלייה באנרגיית הוואקום. הוואקום, בעצם, מזין את עצמו באנרגיה בכמויות אדירות. יש לו חוסר יציבות פנימית המבטיחה התרחבות מתמשכת וייצור אנרגיה בלתי מוגבל. ורק ההתפרקות הקוונטית של ואקום שווא שמה גבול ל"פזרנות קוסמית" זו.

ואקום משרת את הטבע ככד אנרגיה קסום ללא תחתית. באופן עקרוני, אין גבול לכמות האנרגיה שעלולה להשתחרר במהלך התרחבות אינפלציונית. האמירה הזו מסמנת מהפכה בחשיבה המסורתית עם "כלום לא יוולד יש מאין" בת מאות השנים (אמרה זו מתוארכת לפחות מתקופת פרמניד, כלומר המאה ה-5 לפני הספירה). הרעיון של האפשרות של "יצירה" יש מאין, עד לאחרונה, היה לגמרי בסמכותן של הדתות. בפרט, נוצרים האמינו זה מכבר שאלוהים ברא את העולם יש מאין, אבל הרעיון של האפשרות של הופעה ספונטנית של כל החומר והאנרגיה כתוצאה מתהליכים פיזיקליים גרידא נחשב על ידי מדענים בלתי מקובל לחלוטין לפני תריסר שנים.

למי שלא יכול להשלים באופן פנימי עם כל המושג של הופעת "משהו" מ"כלום" יש הזדמנות להסתכל אחרת על הופעת האנרגיה במהלך התפשטות היקום. מכיוון שלכוח המשיכה הרגיל יש אופי של משיכה, על מנת להסיר חלקי חומר זה מזה, יש צורך לבצע עבודה כדי להתגבר על כוח המשיכה הפועל בין חלקים אלו. המשמעות היא שאנרגיית הכבידה של מערכת הגופים היא שלילית; כאשר מוסיפים גופים חדשים למערכת, אנרגיה משתחררת, וכתוצאה מכך, אנרגיית הכבידה הופכת ל"שלילית עוד יותר". אם נחיל את ההיגיון הזה על היקום בשלב האינפלציה, הרי שמראה החום והחומר הוא שכביכול "מפצה" את אנרגיית הכבידה השלילית של המסות שנוצרו. במקרה זה, האנרגיה הכוללת של היקום בכללותו שווה לאפס ולא מתעוררת אנרגיה חדשה כלל! ראייה כזו של תהליך "בריאת העולם", כמובן, היא מושכת, אך עדיין אין להתייחס אליה ברצינות יתרה, שכן באופן כללי מתברר כי מעמדו של מושג האנרגיה ביחס לכוח הכבידה מוטל בספק.

כל מה שנאמר כאן על הוואקום מזכיר מאוד את הסיפור האהוב על פיזיקאים על נער שנפל לביצה ומשך את עצמו החוצה בשרוכים שלו. היקום היוצר את עצמו דומה לילד הזה - הוא גם מושך את עצמו החוצה באמצעות ה"שרוכים" שלו (תהליך זה מסומן במונח "מגפיים"). ואכן, בשל הטבע הפיזי שלו, היקום מעורר בעצמו את כל האנרגיה הדרושה ל"יצירה" ו"החייאה" של החומר, וגם יוזם את הפיצוץ שיוצר אותו. זהו אתחול החלל; לכוח המדהים שלו אנחנו חבים את קיומנו.

התקדמות בתורת האינפלציה

לאחר שגות' העלה את הרעיון הבסיסי שהיקום עבר תקופה מוקדמת של התפשטות מהירה ביותר, התברר שתרחיש כזה יכול להסביר בצורה יפה מאפיינים רבים של הקוסמולוגיה של המפץ הגדול שבעבר היו מובנים מאליהם.

באחד הסעיפים הקודמים, נפגשנו עם הפרדוקסים של מידה גבוהה מאוד של ארגון ותיאום של הפיצוץ הראשוני. אחת הדוגמאות הגדולות לכך היא כוח הפיצוץ, שהתברר כ"מותאם" בדיוק לגודל הכבידה הקוסמית, וכתוצאה מכך קצב ההתפשטות של היקום בזמננו קרוב מאוד ל- ערך גבול המפריד בין דחיסה (התמוטטות) והתרחבות מהירה. המבחן המכריע של התרחיש האינפלציוני הוא בדיוק האם הוא מספק מפץ גדול של כוח מוגדר כל כך בדיוק. מסתבר שבשל ההתפשטות המעריכית בשלב האינפלציה (שהיא התכונה האופיינית לו ביותר), כוח הפיצוץ מבטיח באופן אוטומטי בקפדנות את האפשרות להתגבר על כוח המשיכה של היקום עצמו. האינפלציה יכולה להוביל בדיוק לקצב ההתרחבות שנצפה במציאות.

עוד "תעלומה גדולה" קשורה להומוגניות של היקום בקנה מידה גדול. זה גם נפתר מיד על בסיס תורת האינפלציה. כל אי-הומוגניות ראשונית במבנה היקום חייבת להימחק עם עלייה גרנדיוזית בגודלו, בדיוק כפי שהקמטים בבלון שהתרוקן מוחלקים כאשר הוא מנופח. וכתוצאה מהגדלה של אזורים מרחביים בערך פי 10^50, כל הפרעה ראשונית הופכת לחסרת משמעות.

עם זאת, יהיה זה לא נכון לדבר על זה לְהַשְׁלִיםהוֹמוֹגֵנִיוּת. כדי לאפשר את הופעתם של גלקסיות מודרניות וצבירי גלקסיות, למבנה היקום המוקדם היה כנראה "גושיות". בתחילה קיוו אסטרונומים שניתן להסביר את קיומן של גלקסיות על ידי הצטברות חומר בהשפעת משיכה כבידה לאחר המפץ הגדול. ענן גז חייב להתכווץ תחת כוח המשיכה שלו, ואז להתפרק לרסיסים קטנים יותר, ואלה, בתורם, לקטנים עוד יותר, וכן הלאה. יתכן שהתפלגות הגז שנוצרה כתוצאה מהמפץ הגדול הייתה הומוגנית לחלוטין, אך עקב תהליכים אקראיים גרידא, נוצרו פה ושם עיבוי ונדיר עקב תהליכים אקראיים גרידא. כוח הכבידה הגביר עוד יותר את התנודות הללו, והוביל לצמיחתם של אזורי עיבוי ולספיגה של חומר נוסף על ידם. ואז אזורים אלה התכווצו והתפרקו ברציפות, והגושים הקטנים ביותר הפכו לכוכבים. בסופו של דבר, נוצרה היררכיה של מבנים: כוכבים התאחדו לקבוצות, אלה לגלקסיות ובהמשך לצבירי גלקסיות.

למרבה הצער, אם לא היו אי-הומוגניות בגז מההתחלה, אז מנגנון כזה להופעתם של גלקסיות היה עובד בזמן הרבה יותר מגיל היקום. העובדה היא שתהליכי העיבוי והפיצול התחרו בהתרחבות היקום, אשר לוותה בפיזור גזים. בגרסה המקורית של תיאוריית המפץ הגדול, ההנחה הייתה כי "החיידקים" של הגלקסיות היו קיימים בתחילה במבנה היקום במקורו. יתרה מכך, לאי-הומוגניות ראשונית אלה היו צריכים להיות ממדים מוגדרים למדי: לא קטנים מדי, אחרת הם לעולם לא היו נוצרים, אבל לא גדולים מדי, אחרת האזורים בעלי הצפיפות הגבוהה פשוט יקרסו ויהפכו לחורים שחורים ענקיים. יחד עם זאת, לחלוטין לא מובן מדוע לגלקסיות יש גדלים כאלה בדיוק או מדוע מספר כזה של גלקסיות נכלל בצביר.

התרחיש האינפלציוני מספק הסבר עקבי יותר למבנה הגלקטי. הרעיון המרכזי הוא די פשוט. האינפלציה נובעת מהעובדה שהמצב הקוונטי של היקום הוא מצב לא יציב של ואקום שווא. בסופו של דבר, מצב הוואקום הזה מתפרק והאנרגיה העודפת שלו מומרת לחום ולחומר. ברגע זה, הדחייה הקוסמית נעלמת – והאינפלציה נעצרת. עם זאת, ריקבון של ואקום שווא אינו מתרחש בו זמנית בכל החלל. כמו בכל תהליך קוונטי, שיעורי דעיכת הוואקום הכוזבים משתנים. באזורים מסוימים של היקום, הריקבון מתרחש מעט מהר יותר מאשר באזורים אחרים. באזורים אלה, האינפלציה תסתיים מוקדם יותר. כתוצאה מכך, האי-הומוגניות נשמרות גם במצב הסופי. יתכן שאי-הומוגניות אלו יכולות לשמש "חיידקים" (מרכזים) של התכווצות כבידה ובסופו של דבר הובילו להיווצרותן של גלקסיות וצביריהן. מודל מתמטי של מנגנון התנודות בוצע, עם זאת, בהצלחה מוגבלת מאוד. ככלל, ההשפעה מתבררת כגדולה מדי, ואי ההומוגניות המחושבות משמעותיות מדי. נכון, נעשה שימוש במודלים גסים מדי ואולי גישה עדינה יותר הייתה מצליחה יותר. למרות שהתיאוריה רחוקה מלהיות שלמה, היא לפחות מתארת ​​את אופי המנגנון שעלול להוביל להיווצרות גלקסיות ללא צורך בתנאים ראשוניים מיוחדים.

בגרסה של גוט לתרחיש האינפלציוני, הוואקום הכוזב הופך תחילה למצב ואקום "אמיתי" או בעל אנרגיה נמוכה ביותר, שאנו מזהים עם חלל ריק. אופי השינוי הזה דומה למדי למעבר פאזה (לדוגמה, מגז לנוזל). במקרה זה, בוואקום כוזב, נוצרו באקראי בועות של ואקום אמיתי, אשר, מתרחבות במהירות האור, ילכוד את כל שטחי החלל הגדולים. כדי שהוואקום הכוזב יתקיים מספיק זמן כדי שהאינפלציה תעשה את עבודתה ה"מופלאה", שני המצבים הללו חייבים להיות מופרדים על ידי מחסום אנרגיה שדרכו חייבת להתרחש "המנהור הקוונטי" של המערכת, בדומה לאופן שבו זה קורה עם אלקטרונים (ראה פרק). עם זאת, למודל הזה יש חיסרון אחד רציני: כל האנרגיה המשתחררת מהוואקום הכוזב מתרכזת בדפנות הבועות ואין מנגנון לפיזורה מחדש בכל הבועה. כשהבועות התנגשו והתמזגו, האנרגיה תצטבר בסופו של דבר בשכבות המעורבבות באופן אקראי. כתוצאה מכך, היקום יכיל אי-הומוגניות חזקה מאוד, וכל עבודת האינפלציה ליצירת אחידות בקנה מידה גדול תקרוס.

עם שיפור נוסף של התרחיש האינפלציוני, התגברו על קשיים אלו. התיאוריה החדשה חסרה מנהור בין שני מצבי ואקום; במקום זאת, הפרמטרים נבחרים כך שהדעיכה של הוואקום הכוזב היא איטית מאוד, וכך ליקום יש מספיק זמן להתנפח. כשהדעיכה הושלמה, משתחררת אנרגיית הוואקום הכוזבת בכל נפח ה"בועה", אשר מתחממת במהירות ל-10^27 K. ההנחה היא שכל היקום הנצפה כלול בבועה אחת כזו. לפיכך, בקנה מידה גדול במיוחד, היקום עשוי להיות מאוד לא סדיר, אבל האזור הנגיש לתצפית שלנו (ואפילו חלקים גדולים הרבה יותר של היקום) נמצא בתוך אזור הומוגני לחלוטין.

זה מוזר שגות' פיתח במקור את התיאוריה האינפלציונית שלו כדי לפתור בעיה קוסמולוגית אחרת לגמרי - היעדר מונופולים מגנטיים בטבע. כפי שמוצג בפרק 9, תיאוריית המפץ הגדול הסטנדרטית חוזה שבשלב הראשוני של התפתחות היקום, מונופולים צריכים להתעורר בכמות גדולה יותר. הם עשויים להיות מלווים בעמיתיהם החד-ודו-מימדיים - עצמים מוזרים בעלי אופי של "מחרוזת" ו"עלה". הבעיה הייתה לפטור את היקום מהעצמים ה"בלתי רצויים" הללו. האינפלציה פותרת אוטומטית את בעיית המונופולים ובעיות דומות אחרות, שכן ההתרחבות הענקית של החלל מפחיתה למעשה את צפיפותם לאפס.

למרות שהתרחיש האינפלציוני פותח רק בחלקו והוא סביר בלבד, לא יותר, הוא אפשר ניסוח של מספר רעיונות המבטיחים לשנות באופן בלתי הפיך את פני הקוסמולוגיה. עכשיו אנחנו יכולים לא רק להציע הסבר לסיבת המפץ הגדול, אלא גם להתחיל להבין למה זה היה כל כך "גדול" ולמה הוא קיבל דמות כזו. כעת אנו יכולים להתחיל לפתור את השאלה כיצד נוצרה ההומוגניות בקנה מידה גדול של היקום, ויחד איתה, חוסר ההומוגניות שנצפו בקנה מידה קטן יותר (לדוגמה, גלקסיות). הפיצוץ הקדמון שיצר את מה שאנו מכנים את היקום אינו עוד תעלומה מעבר למדע הפיזי.

היקום יוצר את עצמו

ובכל זאת, למרות ההצלחה העצומה של התיאוריה האינפלציונית בהסברת מקור היקום, התעלומה נותרה בעינה. איך היקום הגיע בתחילה למצב של ואקום שווא? מה קרה לפני האינפלציה?

תיאור מדעי עקבי ומספק לחלוטין של מקור היקום אמור להסביר כיצד נוצר החלל עצמו (ליתר דיוק, מרחב-זמן), שאחר כך עבר אינפלציה. יש מדענים שמוכנים להודות שהחלל תמיד קיים, אחרים מאמינים שסוגיה זו היא בדרך כלל מעבר לתחום הגישה המדעית. ורק מעטים טוענים יותר ומשוכנעים שזה די לגיטימי להעלות את השאלה איך החלל בכלל (ווואקום שווא בפרט) יכול להיווצר ממש מ"כלום" כתוצאה מתהליכים פיזיקליים שבאופן עקרוני יכולים להילמד.

כאמור, רק לאחרונה ערערנו על האמונה העיקשת ש"שום דבר לא בא מכלום". האתחול הקוסמי קרוב לתפיסה התיאולוגית של בריאת העולם יש מאין (ex nihilo).ללא ספק, בעולם הסובב אותנו, קיומם של אובייקטים מסוימים נובע בדרך כלל מנוכחותם של אובייקטים אחרים. אז, כדור הארץ צמח מהערפילית הפרוטוסולרית, שבתורה, מגזים גלקטיים וכו '. אם במקרה ראינו חפץ שהופיע פתאום "יש מאין", היינו, כנראה, תופסים אותו כנס; למשל, יפתיע אותנו אם נמצא לפתע הרבה מטבעות, סכינים או ממתקים בכספת ריקה נעולה. בחיי היום יום אנו רגילים להיות מודעים לכך שהכל נובע מאיפשהו או ממשהו.

עם זאת, הכל לא כל כך ברור כשמדובר בדברים פחות ספציפיים. ממה, למשל, עולה ציור? כמובן שזה דורש מברשת, צבעים וקנבס, אבל אלה רק כלים. אופן ציור התמונה - בחירת הצורה, הצבע, המרקם, הקומפוזיציה - לא נולד עם מכחולים וצבעים. זוהי תוצאה של הדמיון היצירתי של האמן.

מאיפה מגיעים מחשבות ורעיונות? המחשבות, ללא ספק, הן אמיתיות, וככל הנראה, תמיד דורשות השתתפות של המוח. אבל המוח מספק רק מימוש מחשבות, ואינו הגורם להן. כשלעצמו, המוח מייצר מחשבות לא יותר מאשר, למשל, מחשב - חישובים. מחשבות יכולות להיגרם ממחשבות אחרות, אבל זה לא חושף את אופי המחשבה עצמה. כמה מחשבות יכולות להיוולד, תחושות; מחשבה מולידה זיכרון. רוב האמנים, לעומת זאת, רואים בעבודתם תוצאה של בלתי צפויהַשׁרָאָה. אם זה נכון, אז יצירת ציור - או לפחות הולדת הרעיון שלו - היא רק דוגמה להולדת משהו יש מאין.

ובכל זאת, האם אנו יכולים להתייחס לכך שאובייקטים פיזיים ואפילו היקום בכללותו נובעים יש מאין? השערה נועזת זו נדונה ברצינות, למשל, במוסדות מדעיים בחוף המזרחי של ארצות הברית, שם לא מעט פיזיקאים וקוסמולוגים תיאורטיים מפתחים מנגנון מתמטי שיעזור לגלות את האפשרות ליצור משהו יש מאין. חוג עילית זה כולל את אלן גוט מ-MIT, סידני קולמן מאוניברסיטת הרווארד, אלכס וילנקין מאוניברסיטת טאפטס, אד טייון והיינץ פיגלס מניו יורק. כולם מאמינים שבמובן זה או אחר "שום דבר אינו יציב" ושהיקום הפיזי "פרח יש מאין", נשלט רק על ידי חוקי הפיזיקה. "רעיונות כאלה הם ספקולטיביים גרידא", מודה גות, "אבל ברמה מסוימת הם עשויים להיות נכונים... לפעמים אומרים שאין ארוחת צהריים חינם, אבל היקום, כנראה, הוא בדיוק "ארוחת צהריים חינם".

בכל ההשערות הללו, התנהגות קוונטית משחקת תפקיד מפתח. כפי שאמרנו בפרק 2, המאפיין העיקרי של התנהגות קוונטית הוא אובדן קשר סיבתי קפדני. בפיזיקה הקלאסית, הצגת המכניקה באה בעקבות שמירה קפדנית על סיבתיות. כל הפרטים של התנועה של כל חלקיק נקבעו מראש בקפדנות על ידי חוקי התנועה. האמינו כי התנועה מתמשכת ונקבעת בקפדנות על ידי הכוחות הפועלים. חוקי התנועה גילמו, פשוטו כמשמעו, את הקשר בין סיבה ותוצאה. היקום נתפס כשעון ענק, שהתנהגותו מווסתת בקפדנות על ידי מה שקורה כרגע. האמונה בסיבתיות כה מקיפה וקפדנית כל כך היא שהניעה את פייר לפלס לטעון שמחשבון רב עוצמה מסוגל, באופן עקרוני, לחזות, על בסיס חוקי המכניקה, הן את ההיסטוריה והן את גורלו של עוֹלָם. לפי השקפה זו, נגזר על היקום ללכת בנתיבו שנקבע לנצח.

הפיזיקה הקוונטית הרסה את התכנית הלפלציאנית השיטתית אך חסרת הפרי. פיזיקאים השתכנעו שברמה האטומית, החומר ותנועתו אינם וודאיים ואינם ניתנים לחיזוי. חלקיקים יכולים להתנהג "מטורף", כאילו מתנגדים לתנועות שנקבעו בקפדנות, מופיעים פתאום במקומות הכי לא צפויים ללא סיבה נראית לעין, ולפעמים מופיעים ונעלמים "ללא אזהרה".

העולם הקוונטי אינו משוחרר לחלוטין מסיבתיות, אך הוא מתבטא בצורה די בחוסר החלטיות ובדו-משמעיות. לדוגמה, אם אטום אחד נמצא במצב נרגש כתוצאה מהתנגשות עם אטום אחר, הוא בדרך כלל חוזר במהירות למצב עם האנרגיה הנמוכה ביותר, תוך שהוא פולט פוטון. הופעתו של פוטון היא, כמובן, תוצאה של העובדה שהאטום עבר בעבר למצב נרגש. ניתן לומר בוודאות שהעירור הוא שהביא להופעת הפוטון, ובמובן זה נשמר הקשר בין סיבה ותוצאה. עם זאת, הרגע האמיתי של התרחשות פוטון אינו צפוי: אטום יכול לפלוט אותו בכל רגע. פיזיקאים מסוגלים לחשב את הזמן הסביר, או הממוצע, להתרחשות של פוטון, אבל בכל מקרה נתון אי אפשר לחזות את הרגע שבו אירוע זה יתרחש. ככל הנראה, כדי לאפיין מצב כזה, עדיף לומר שהעירור של אטום לא כל כך מוביל להופעת פוטון אלא "דוחף" אותו אליו.

לפיכך, עולם המיקרו הקוונטי אינו מסתבך ברשת צפופה של קשרים סיבתיים, אך בכל זאת "מקשיב" למספר רב של פקודות והצעות לא פולשניות. בתכנית הניוטונית הישנה, ​​הכוח, כביכול, פנה אל האובייקט בפקודה בלתי ניתנת לתשובה: "זוז!". בפיזיקה הקוונטית, היחס בין כוח לאובייקט מבוסס על הזמנה ולא על פקודה.

מדוע אנו מוצאים את הרעיון של לידה פתאומית של חפץ "יש מאין" כל כך בלתי מקובל? מה אם כן גורם לנו לחשוב על ניסים ותופעות על טבעיות? אולי כל העניין הוא רק בחריגותם של אירועים כאלה: בחיי היומיום אנחנו לעולם לא נתקלים במראה בלתי סביר של חפצים. כאשר, למשל, קוסם שולף ארנב מתוך כובע, אנחנו יודעים שמטעים אותנו.

בואו נניח שאנחנו באמת חיים בעולם שבו חפצים מופיעים "יש מאין" מדי פעם, ללא סיבה, ובצורה בלתי צפויה לחלוטין. ברגע שהתרגלנו לתופעות כאלה, היינו מפסיקים להיות מופתעים מהן. לידה ספונטנית תיתפס כאחת מגחמות הטבע. אולי, בעולם כזה, לא נצטרך עוד לאמץ את האמינות שלנו כדי לדמיין את ההופעה הפתאומית של היקום הפיזי כולו יש מאין.

העולם הדמיוני הזה במהותו אינו שונה כל כך מהעולם האמיתי. אם היינו יכולים לתפוס ישירות את התנהגות האטומים דרך החושים שלנו (ולא באמצעות תיווך של מכשירים מיוחדים), לעתים קרובות היינו צריכים לצפות בעצמים מופיעים ונעלמים ללא סיבות ברורות.

התופעה הקרובה ביותר ל"לידה יש ​​מאין" מתרחשת בשדה חשמלי מספיק חזק. בערך קריטי של עוצמת השדה, אלקטרונים ופוזיטרונים מתחילים להופיע "יש מאין" בצורה אקראית לחלוטין. חישובים מראים שבסמוך לפני השטח של גרעין האורניום, עוצמת השדה החשמלי קרובה מספיק לגבול שמעבר לו מתרחשת השפעה זו. אם היו גרעיני אטום המכילים 200 פרוטונים (יש 92 מהם בגרעין האורניום), אז הייתה לידה ספונטנית של אלקטרונים ופוזיטרונים. למרבה הצער, נראה שגרעין עם מספר כה גדול של פרוטונים הופך להיות מאוד לא יציב, אבל זה לא לגמרי בטוח.

ייצור ספונטני של אלקטרונים ופוזיטרונים בשדה חשמלי חזק יכול להיחשב כסוג מיוחד של רדיואקטיביות, כאשר הריקבון חווה חלל ריק, ואקום. כבר דיברנו על המעבר ממצב ואקום אחד למשנהו כתוצאה מרקבון. במקרה זה, הוואקום מתפורר, והופך למצב בו חלקיקים נמצאים.

למרות שהתפוררות החלל הנגרמת על ידי שדה חשמלי קשה להבנה, תהליך דומה בהשפעת כוח הכבידה יכול בהחלט להתרחש בטבע. ליד פני השטח של חורים שחורים, כוח הכבידה כה חזק עד שהוואקום שופע חלקיקים הנולדים ללא הרף. זוהי קרינת החור השחור המפורסמת שגילה סטיבן הוקינג. בסופו של דבר, כוח המשיכה הוא זה שאחראי להולדת הקרינה הזו, אבל אי אפשר לומר שזה קורה "במובן הניוטוני הישן": אי אפשר לומר שכל חלקיק מסוים צריך להופיע במקום מסוים ברגע מסוים בזמן. כתוצאה מפעולת כוחות הכבידה. בכל מקרה, מכיוון שהכבידה היא רק עקמומיות של מרחב-זמן, ניתן לומר שמרחב-זמן גורם להולדת החומר.

הופעתו הספונטנית של החומר מהחלל הריק מכונה לעתים קרובות לידה "יש מאין", הקרובה ברוחה ללידה. ex nihiloבתורה הנוצרית. עם זאת, עבור פיזיקאי, חלל ריק אינו "כלום" כלל, אלא חלק מהותי מאוד מהיקום הפיזי. אם בכל זאת אנחנו רוצים לענות על השאלה איך היקום נוצר, אז לא מספיק להניח שהחלל הריק היה קיים כבר מההתחלה. יש צורך להסביר מאיפה הגיע המרחב הזה. מחשבה על לידה החלל עצמוזה אולי נראה מוזר, אבל במובן מסוים זה קורה כל הזמן סביבנו. התפשטות היקום אינה אלא "התנפחות" המתמשכת של החלל. מדי יום, אזור היקום הנגיש לטלסקופים שלנו גדל ב-10 ^ 18 שנות אור מעוקבות. מאיפה המרחב הזה? אנלוגיית הגומי שימושית כאן. אם הגומייה האלסטית נשלפת החוצה, היא "נעשית גדולה יותר". החלל דומה לגמישות על בכך שככל הידוע לנו, הוא יכול להימתח ללא הגבלת זמן מבלי להיקרע.

המתיחה והעקמומיות של החלל דומות לעיוות של גוף אלסטי בכך ש"תנועת" החלל מתרחשת על פי חוקי המכניקה בדיוק באותו אופן כמו תנועת החומר הרגיל. במקרה זה, אלו הם חוקי הכבידה. תורת הקוונטים ישימה באותה מידה לחומר, כמו גם למרחב ולזמן. בפרקים הקודמים, אמרנו שכוח המשיכה הקוונטי נתפס כצעד הכרחי בחיפוש אחר מעצמת העל. בהקשר זה עולה אפשרות מוזרה; אם, לפי תורת הקוונטים, חלקיקי חומר יכולים להיווצר "יש מאין", אז, ביחס לכוח המשיכה, האם זה לא יתאר את הופעת "יש מאין" ואת החלל? אם זה יקרה, האם הולדת היקום לפני 18 מיליארד שנה אינה דוגמה לתהליך כזה בדיוק?

ארוחת צהריים חינם?

הרעיון המרכזי של הקוסמולוגיה הקוונטית הוא היישום של תורת הקוונטים על היקום בכללותו: על מרחב-זמן וחומר; תיאורטיקנים לוקחים את הרעיון הזה ברצינות במיוחד. במבט ראשון יש כאן סתירה: פיזיקת הקוונטים עוסקת במערכות הקטנות ביותר, בעוד הקוסמולוגיה עוסקת בגדולות. עם זאת, היקום היה פעם גם מוגבל לגודל קטן מאוד, ומכאן שהשפעות קוונטיות היו חשובות ביותר אז. תוצאות החישובים מצביעות על כך שיש לקחת בחשבון חוקים קוונטיים בעידן GUT (10^-32 ש'), ובתקופת פלאנק (10^-43 ש') הם צריכים כנראה למלא תפקיד מכריע. לפי כמה תיאורטיקנים (לדוגמה, וילנקין), בין שתי התקופות הללו היה רגע בזמן שבו היקום קם. לפי סידני קולמן, עשינו קפיצה קוונטית מכלום לזמן. ככל הנראה, מרחב-זמן הוא שריד של עידן זה. ניתן לראות את הקפיצה הקוונטית שעליה מדבר קולמן כסוג של "תהליך מנהור". ציינו שבגרסה המקורית של תורת האינפלציה, מצב הוואקום הכוזב היה צריך לעבור דרך מחסום האנרגיה למצב הריק האמיתי. אולם, במקרה של הופעתו הספונטנית של היקום הקוונטי "יש מאין", האינטואיציה שלנו מגיעה לקצה גבול היכולות שלה. קצה אחד של המנהרה מייצג את היקום הפיזי במרחב ובזמן, שמגיע לשם באמצעות מנהור קוונטי "יש מאין". לכן, הקצה השני של המנהרה הוא הכלום הזה! אולי עדיף לומר שלמנהרה יש רק קצה אחד, והשני פשוט "לא קיים".

הקושי העיקרי של ניסיונות אלו להסביר את מקור היקום טמון בתיאור תהליך לידתו ממצב של ואקום שווא. אם המרחב-זמן החדש שהופיע היה במצב של ואקום אמיתי, אז אינפלציה לעולם לא הייתה יכולה להתרחש. המפץ הגדול יצטמצם לפרץ חלש, והמרחב-זמן יפסיק להתקיים שוב כעבור רגע - הוא ייהרס על ידי עצם התהליכים הקוונטיים שבגללם הוא התעורר במקור. אם היקום לא היה מוצא את עצמו במצב של ואקום מזויף, הוא לעולם לא היה מעורב ברצועת האתחול הקוסמית ולא היה מממש את קיומו ההזוי. אולי מצב הוואקום הכוזב מועדף בשל התנאים הקיצוניים שלו. לדוגמה, אם היקום התחיל בטמפרטורה התחלתית גבוהה מספיק ואז יתקרר, אז הוא יכול אפילו "לעלות על שרטון" בוואקום שקרי, אבל עד כה שאלות טכניות רבות מסוג זה נותרו בלתי פתורות.

אבל לא משנה מה המציאות של הבעיות היסודיות הללו, היקום חייב להיווצר בדרך זו או אחרת, ופיזיקה קוונטית היא הענף היחיד במדע בו הגיוני לדבר על אירוע המתרחש ללא סיבה נראית לעין. אם במרחב-זמן עסקינן, אז בכל מקרה אין משמעות לדבר על סיבתיות במובן הרגיל. בדרך כלל מושג הסיבתיות קשור קשר הדוק למושג הזמן, ולכן כל שיקול לגבי תהליכי הופעת הזמן או "יציאתו מאי-קיום" חייב להתבסס על רעיון סיבתיות רחב יותר.

אם החלל הוא באמת עשרה ממדי, אז התיאוריה מחשיבה את כל עשרת הממדים כשווים למדי בשלבים המוקדמים ביותר. אטרקטיבי לקשר את תופעת האינפלציה לדחיסה (קיפול) ספונטנית של שבעה מתוך עשרה ממדים. לפי תרחיש זה, "הנהג" של האינפלציה הוא תוצר לוואי של אינטראקציות המתבטאות באמצעות ממדי מרחב נוספים. יתרה מכך, מרחב עשרת ממדי יכול להתפתח באופן טבעי כך שבמהלך האינפלציה, שלושה מימדים מרחביים גדלים חזק על חשבון שבעת הממדים האחרים, שלהפך, מתכווצים, הופכים בלתי נראים? כך נדחסת המיקרו-בועה הקוונטית של המרחב העשרת ממדי, ובשל כך מנפחים שלושה מימדים ויוצרים את היקום: שבעת הממדים הנותרים נשארים בשבי המיקרוקוסמוס, משם הם מופיעים רק בעקיפין - בצורה של אינטראקציות. תיאוריה זו נראית מאוד מושכת.

למרות העובדה שעדיין ישנה עבודה רבה לתיאורטיקנים לחקור את טבעו של היקום המוקדם מאוד, כבר ניתן לתת קווי מתאר כלליים של האירועים שהביאו לכך שהיקום הפך לצפייה כיום. בהתחלה, היקום צמח באופן ספונטני "יש מאין". הודות ליכולתה של האנרגיה הקוונטית לשמש מעין אנזים, הבועות של החלל הריק עלולות להתנפח בקצב הולך וגובר, וליצור מאגרי אנרגיה עצומים הודות ל-bootstrap. הוואקום הכוזב הזה, שהתמלא באנרגיה שנוצרה בעצמו, התברר כלא יציב והחל להתפרק, משחרר אנרגיה בצורת חום, כך שכל בועה התמלאה בחומר נושם אש (כדור אש). האינפלציה (האינפלציה) של הבועות נעצרה, אבל המפץ הגדול החל. על ה"שעון" של היקום באותו רגע זה היה 10^-32 שניות.

מכדור אש כזה צמחו כל החומר וכל החפצים הפיזיים. כאשר חומר החלל התקרר, הוא חווה מעברי פאזה רצופים. עם כל אחד מהמעברים, יותר ויותר מבנים שונים "הוקפאו" מהחומר הראשוני חסר הצורה. בזו אחר זו נפרדו האינטראקציות זו מזו. צעד אחר צעד, העצמים שאנו מכנים כעת חלקיקים תת-אטומיים רכשו את תכונותיהם הנוכחיות. ככל שהרכב ה"מרק הקוסמי" הסתבך יותר ויותר, אי הסדרים בקנה מידה גדול שנותרו מתקופת האינפלציה גדלו לגלקסיות. בתהליך של היווצרות נוספת של מבנים והפרדה של סוגי חומר שונים, היקום רכש יותר ויותר צורות מוכרות; הפלזמה החמה התעבה לאטומים ויצרה כוכבים, כוכבי לכת ובסופו של דבר חיים. כך היקום "מימש" את עצמו.

חומר, אנרגיה, מרחב, זמן, אינטראקציות, שדות, סדר ומבנה - את כלמושגים אלה, השאולים מ"מחירון הבורא", משמשים כמאפיינים אינטגרליים של היקום. הפיזיקה החדשה פותחת את האפשרות המפתה של הסבר מדעי על מקורם של כל הדברים הללו. אנחנו כבר לא צריכים להזין אותם באופן ספציפי "ידנית" מההתחלה. אנו יכולים לראות כיצד כל המאפיינים הבסיסיים של העולם הפיזי יכולים להופיע אוטומטיתכתוצאה מחוקי הפיזיקה, ללא צורך להניח את קיומם של תנאים ראשוניים מאוד ספציפיים. הקוסמולוגיה החדשה טוענת כי המצב ההתחלתי של היקום אינו משחק תפקיד, שכן כל המידע עליו נמחק במהלך האינפלציה. היקום שאנו צופים בו נושא רק חותם של אותם תהליכים פיזיקליים שהתרחשו מאז תחילת האינפלציה.

במשך אלפי שנים האנושות האמינה ש"שום דבר לא ייוולד יש מאין". היום אפשר לומר שהכל בא יש מאין. אתה לא צריך "לשלם" עבור היקום - זו בהחלט "ארוחת צהריים חינם".

על פי תיאוריה זו, היקום הופיע בצורה של חבורה לוהטת של חומר צפוף, ולאחר מכן הוא החל להתרחב ולהתקרר. בשלב הראשון של האבולוציה, היקום היה במצב על-צפוף והיה פלזמה של גלואון. אם פרוטונים וניטרונים התנגשו ויצרו גרעינים כבדים יותר, זמן קיומם היה זניח. בהתנגשות הבאה עם כל חלקיק מהיר, הם התפרקו מיד למרכיבים יסודיים.

לפני כמיליארד שנים החלה היווצרותן של גלקסיות, באותו רגע היקום החל להידמות מרחוק למה שאנו יכולים לראות כעת. 300,000 שנים לאחר המפץ הגדול, הוא התקרר עד כדי כך שהאלקטרונים הוחזקו בחוזקה על ידי הגרעינים, וכתוצאה מכך הופיעו אטומים יציבים שלא התכלו מיד לאחר התנגשות בגרעין אחר.

היווצרות חלקיקים

היווצרותם של חלקיקים החלה כתוצאה מהתפשטות היקום. התקררותו הנוספת הובילה להיווצרות גרעיני הליום, שהתרחשו כתוצאה מנוקלאוסינתזה ראשונית. כשלוש דקות עברו מאז המפץ הגדול לפני שהיקום התקרר, ואנרגיית ההשפעה פחתה עד כדי כך שהחלקיקים החלו ליצור גרעינים יציבים. בשלוש הדקות הראשונות, היקום היה ים אדום לוהט של חלקיקים יסודיים.

היווצרותם הראשונית של הגרעינים לא נמשכה זמן רב, לאחר שלוש הדקות הראשונות התרחקו החלקיקים זה מזה כך שהתנגשויות ביניהם הפכו נדירות ביותר. בתקופה קצרה זו של נוקלאוסינתזה ראשונית הופיע דאוטריום - איזוטופ כבד של מימן, שגרעין שלו מכיל פרוטון אחד ואחד. במקביל לדאוטריום נוצרו הליום-3, הליום-4 וכמות קטנה של ליתיום-7. יסודות כבדים יותר הופיעו בשלב היווצרות הכוכבים.

לאחר הולדת היקום

כמאה אלפית השנייה מתחילת הולדת היקום, קווארקים התחברו לחלקיקים יסודיים. מאותו רגע, היקום הפך לים מתקרר של חלקיקים יסודיים. בעקבות זאת החל תהליך הנקרא איחוד גדול של כוחות יסוד. ואז ביקום היו אנרגיות המתאימות לאנרגיות המקסימליות שניתן להשיג במאיצים מודרניים. לאחר מכן, החלה התרחבות אינפלציונית פתאומית, ואנטי-חלקיקים נעלמו בו-זמנית.