Космос
Креацентр > Статті > Космос > Пізніші розробки в космології

Пізніші розробки в космології

З 1970-х років у космології відбувається багато цікавого. Дана стаття являє собою обговорення різних космологічних ідей.

До 1960-х років багато людей не сприймають серйозно космологію. Хоча роздуми космологів були захоплюючими, вони залишалися саме такими через відсутність остаточних даних. Ситуація почала змінюватися з відкриттям космічного фонового випромінювання (cosmic back ground radiation, CBR) в 1964 році. Після цього відкриття стали з'являтися додаткові релевантні дані, і було розроблено багато нових теорій. Однією з найбільш дивних ідей було усвідомлення того, що фізика елементарних частинок може багато розповісти нам про космологію. Особливість полягає в розгляді тісного зв'язку між вивченням найдрібніших речей (фізика елементарних частинок) і найбільшою річчю (космологія). З 1970-х років в космології відбувається багато цікавого.

Далі в цій статті йде обговорення різних космологічних ідей, в яких часто може здатися, що автор згоден з цими ідеями, або з теорією Великого вибуху. Ми повинні підкреслити, що це тільки заради обговорення. У наступній статті ми побачимо, як космологія Великого Вибуху та пов'язані з нею ідеї, що обговорюються тут, вступають у конфлікт з описом творіння в книзі Буття. Для обговорення цих концепцій зараз найпростіше розглядати їх як прийнятні, відклавши на час питання про те, чи узгоджуються вони з біблійним світоглядом. Іншими словами, ми просимо вас надягти капелюха «Великого вибуху», щоб брати участь у цій дискусії. Будь ласка, не робіть висновки з обговорення в цьому розділі, що автор підтримує модель Великого вибуху або, що у нього є якийсь ентузіазм з цього приводу.

Швидкість розширення та проблема площинності

У міру розширення Всесвіту сповільнюється швидкість розширення гравітацією матерії у Всесвіті. Можна провести аналогію з об'єктом, який проектується вгору з поверхні Землі. Швидкість об'єкта буде сповільнюватися через гравітацію Землі. При малих швидкостях об'єкт буде швидко змінювати напрямок і падати назад на землю. По мірі збільшення початкової швидкості об'єкт буде рухатися на більш високі висоти, перш ніж впасти назад на землю. Існує мінімальна швидкість, звана швидкістю втікання, при якій об'єкт не повернеться на поверхню Землі. На поверхні Землі швидкість втікання складає близько 25 000 миль у годину. Теоретично, об'єкт, що рухається зі швидкістю втікання, в решті решт, досягне нескінченної відстані від землі, без швидкості, яка залишилася. Об'єкти, що рухаються швидше швидкості втікання, ніколи не повернуться, але вони ніколи не зупиняться. Космічні зонди на Місяць або інші планети мають бути прискорені вище швидкості втікання. Чим більше їхня швидкість перевищує швидкість утікання, тим менше часу займе їхня подорож.

Ілюстрація космічного корабля, злітаючого з планети, з текстом, що вказує масу й радіус планети, швидкість виходу корабля та математичну формулу для визначення цієї швидкості

Зображення надано Брайаном Міллером


Всесвіт повинен вести себе подібним чином. Якщо розширення буде дуже повільним, гравітація, в решті решт, змінить напрямок, так що Всесвіт знову скоротиться. Це, мабуть, призведе до свого роду зворотного Великого вибуху, який зазвичай називають «великим хрестом». Це також призвело б до кінцевого часу життя Всесвіту. Якщо розширення перевищує деяке значення, близьке до швидкості втікання, розширення буде сповільнене, але недостатньо, щоб звернути назад розширення. У цьому випадку, Всесвіт буде розширюватися вічно, і його щільність буде постійно зменшуватися.

Швидкість утікання Землі залежить від її маси й розміру. Так само, питання про те, чи буде наш Всесвіт розширюватися вічно, або стискатися назад, залежить від розміру і маси Всесвіту. Більш простий спосіб виразити це в термінах однієї змінної (а не двох), такий як щільність, яка залежить як від маси, так і від розміру. Існує критична щільність, вище якої Всесвіт буде розширюватися вічно й нижче якої він зупинить розширення та колапс на себе. Якщо Всесвіт має критичну щільність, то його розширення асимптотично наближається до нуля й ніколи не колапсує.

Одним із параметрів, що використовуються для опису Всесвіту, є Ω (грецька буква омега), що визначається, як відношення повної гравітаційної потенційної енергії до повної кінетичної енергії. Гравітаційна потенційна енергія — це енергія, якою володіє об'єкт через свою масу й будь-яку присутню гравітацію. На Землі деякий об'єкт з піднесенням має гравітаційну потенціальну енергію. Наприклад, автомобіль, припаркований на пагорбі, або біля води за греблею. Чим вищий пагорб, або чим вище гребля, тим більше енергії. Більш потужні гідроелектростанції — це ті, які вище й мають більшу кількість води. У міру того, як вода впаде зі своєї первісної висоти та пройде через турбіну, гравітаційна потенційна енергія перетворюється в електричну енергію. Кінетична енергія — це енергія руху. Прискорювана куля містить набагато більше енергії, ніж куля, яка повільно рухається.

Оскільки Всесвіт має масу і, отже, гравітацію, він також повинен мати гравітаційну потенційну енергію. Розширення Всесвіту являє собоюрух, тому Всесвіт також повинен мати кінетичну енергію. У міру розширення Всесвіту гравітаційна потенційна енергія буде мінятися. У той же час гравітація сповільнить швидкість розширення, так що кількість кінетичної енергії також зміниться. Як правило, дві енергії не будуть змінюватися в одному й тому ж сенсі чи на одну й ту ж величину, так що Ω буде змінюватися з часом. Значення Ω< 1 означає, що кінетична енергія більше потенційної гравітаційної енергії. І навпаки, значення Ω> 1 означає, що гравітаційна потенційна енергія перевищує кінетичну енергію. Якщо Всесвіт Великого вибуху почався з Ω< 1, то Ω зменшиться у значенні. Мінімальне значення дорівнює нулю. Якщо з іншого боку Ω> 1 на початку Всесвіту, то Ω повинна була збільшитися в значенні. Тому за мільярди років значення Ω повинно було різко змінитися від свого первісного значення. Протягом кількох десятиліть всі дані припускали, що хоча Ω дійсно менше 1, це не набагато менше за 1. Сума всієї видимої матерії у Всесвіті дає Ω, яка дорівнює приблизно 0,1. Перспектива темної матерії підштовхує значення Ω ближче до 1.

Той факт, що Ω сьогодні дуже близько до 1, говорить про те, що Всесвіт виник з Ω, майже, якщо не точно, рівної 1. Якби Ω була всього на кілька відсотків менше 1 спочатку, то еволюція Всесвіту після Великого вибуху повинна була б зробити Ω значно менше (на багато порядків), ніж 1 сьогодні. Наскільки близько до 1 значення Ω повинно було бути на початку Всесвіту, щоб створити Всесвіт, який ми бачимо сьогодні? Значення залежить від певних припущень і версії Великого вибуху, який використовується, але більшість оцінок поміщають початкове значення Ω, рівне 1, в межах 15 значущих цифр. Тобто початкове значення Ω не могло відхилитися від 1 більше ніж на 15-е місце праворуч від десяткової крапки. Чому Всесвіт повинен мати Ω так близько до 1? Ця проблема називається проблемою площинності. Назва походить від геометрії всесвіту, де Ω дорівнює 1. У такому Всесвіті простір не мав би кривизни й, отже, був би плоским. Існує кілька можливих рішень проблеми площинності.

Ілюстрація верхньої форми й лійкоподібної форми з текстом: "Якщо б значення Ω було занадто великим, Всесвіт давно перестав би розширюватися та стиснувся б сам по собі. Якщо б значення Ω було занадто мале, то Всесвіт швидко розширився б до такої міри, що щільність була б дуже низькою для утворення зірок і галактик."

Зображення надано Брайаном Міллером


Одна з можливих відповідей на проблему площинності полягає в тому, що саме так і відбувається в світі. Хоча це не є фізичною неможливістю, це викликає деякі тривожні питання, принаймні, для атеїста. Здається, що початкове значення Ω могло бути будь-яким числом, але тільки дуже маленький діапазон значень міг призвести до Всесвіту, в якому ми існуємо. Якщо б значення Ω було занадто мале, то Всесвіт швидко розширився б до такої міри, що щільність була б дуже низькою для утворення зірок і галактик. Таким чином, не могло бути ні планет, ні життя. Отже, ми не еволюціонували б, щоб спостерігати Всесвіт. Якщо б, з іншого боку, значення Ω було занадто великим, Всесвіт давно переставби розширюватися й стиснувся би назад до «великого хрускоту». Це не дало б нам достатньо часу для розвитку. У будь-якому випадку, ми не повинні існувати. Тому правильні умови, які дозволили б наше існування, були у Всесвіті з самого початку.

Антропний принцип

Значення Ω також не є єдиною характеристикою Всесвіту, придатною для нашого існування. Вчені визначили ряд інших параметрів, від яких залежить наше існування. Приклади включають маси й заряди елементарних часток, а також константи, такі як діелектрична проникність вільного простору, які керують їх взаємодіями. Якщо б деякі з цих констант мали дещо інші значення, то стабільні атоми, якими ми їх знаємо, були б неможливі, або не існували б унікальні властивості вуглецю й води, від яких залежить життя. Всі ці величини є фундаментальними, тобто вони не залежать від інших параметрів, а є числами, які повинні були приймати певні значення. Немає ніякої причини, чому ці константи мають значення, які вони мають, крім того, що вони просто роблять. З усіх випадкових перестановок констант, які могли б статися, наш Всесвіт існує так само, як і з цими конкретними числами. Яка ймовірність того, що Всесвіт прийме параметри, які будуть сприяти життю або навіть вимагати, щоб життя існувало? Комусь здається, що Всесвіт створено; з самого початку Всесвіт був придатен для нашого існування. На початку 1970-х років вчений Брендон Картер назвав цю лінію міркувань антропний принцип.1

Для багатьох християн це є переконливим доказом існування Бога й стало частиною їх апологетики.2 Звичайно, використання антропного принципу передбачає, що космогонія Великого вибуху правильна. Існує велика трудність у примиренні Великого вибуху з вірним поданням опису про створення в Буття, тема якого буде розглянуто в наступній статті.

Для атеїстів і агностиків справа йде далеко не так однозначно. Як вони вирішують цю проблему? Вони пробують кілька підходів. Один з них полягає в тому, щоб стверджувати, що питання про ймовірність було неправильно сформульоване. Вони стверджують, що слід запитати, яка ймовірність існування чого-то тільки до того, як це щось дійсно спостерігається. Якщо відомо, що даний об'єкт існує, то його ймовірність існування з заданими характеристиками дорівнює 1, як би це малоймовірним нам не здавалося.

Я можу використовувати себе в якості прикладу. Якщо взяти до уваги генетичний склад моїх батьків, то очевидно, що були буквально мільярди різних комбінацій дітей, які могли б мати мої батьки. Кожна потенційна дитина мала б унікальні особливості, такі як стать, зріст, статура, колір очей і волосся, щоб згадати лише деякі з них. У моїх батьків було тільки двоє дітей, тож здавалося б, що моя поява в цій сім'ї малоймовірна. Проте, коли люди зустрічаються зі мною в перший раз, вони (звичайно!) не вражені фактом мого існування. Більшість людей визнають, що якщо я існую, то я повинен існувати в якомусь стані. Тому ймовірність того, що я існую так, як я є, дорівнює 1. Вони стверджують, що неймовірні шанси проти того, що у мене є риси, які в мене є, мають сенс тільки в тому випадку, якщо ймовірність була задана до того, як я був зачатий. Подібним же чином існує Всесвіт, тому ймовірність того, що він існує таким, який він є, повинна дорівнювати 1. Тому, стверджують вони, ми не повинні бути шоковані тим, що Всесвіт існує саме так.

Як можна відповісти на цю відповідь? Ми побачимо далі, що подібний аргумент використовується проти роботи астронома Халтона Арпа, тому обговорення буде застосовуватися й тут. Ми повторимо деякі з них тут. Ми весь час використовуємо ймовірнісні аргументи, щоб виключити малоймовірні пояснення. ДНК-тестування зараз використовується в багатьох кримінальних справах. Якщо є зразок тканини злочинця, залишений на місці злочину, то ДНК часто можуть бути вилучені. Зразком може бути шкіра або клітини крові, волосся або навіть слина на недопалку сигарети. Порівняння ДНК із зразка з ДНК, витягнутої з підозрюваного, може показати, наскільки добре збігаються два зразки ДНК. Часто це виражається в тому, як малоймовірно було б для двох людей, вибраних випадковим чином, щоб розділити одну і ту ж ДНК. Якби ймовірність була лише одна на мільйон, то це вважалося б вагомим доказом вини для більшості людей. Проте, адвокат захисту може стверджувати: що це так само малоймовірне, як збіг між його невинним клієнтом і дійсно винною стороною, збіг насправді відбувся, тому ймовірність дорівнює 1. Один цей аргумент без будь-яких інших доказів для виправдання обвинуваченого, очевидно, сильно кульгає й не переконає жодного компетентного присяжного. Проте, ця відповідь на роботу Арпа просить нас повірити в такий аргумент.

Графік з вертикальною віссю з написом «Час» і горизонтальною віссю з написом «Розмір розширення», що містить ряд фігур.

 Фігури ліворуч від графіка мають закриті вершини, а фігури праворуч від графіка мають вершини, які відкриваються все ширше й ширше.

Ліворуч на ілюстрації знаходяться ті Всесвіти, які впали назад на себе, перш ніж життя могло початися, а праворуч — ті Всесвіти, які розширювалися занадто швидко, і будуть розширюватися вічно.

Зображення надане Брайаном Міллером


Є й інші можливі відповіді на антропний принцип. Наприклад, деякі космологи припускають, що наш Всесвіт не може бути унікальним.3 Наш Всесвіт може бути лише одним з багатьох, або навіть нескінченних всесвітів. Ця концепція «мультивсесвіту» буде обговорюватися далі. Під цим кутом зору, кожний окремий всесвіт має свої унікальні властивості, деякі з яких дозволяють жити, але більшість з них стерильні. Ми не можемо існувати в більшості всесвітів, тому нас не повинно дивувати, що ми існуємо у Всесвіті, сприятливому для життя. Це пояснення дуже близько підходить до суті відповіді на антропний принцип, розглянутий вище. Єдина відмінність полягає в тому, що ця відповідь прагне пояснити наше існування, звертаючись до великого розміру вибірки. Читач повинен помітити, що такого роду відповідь навряд чи є науковою (як її можна перевірити?), і складає в кращому випадку досить погану філософію.

Інфляція

Повертаючись до проблеми площинності, кардинально різні відповіді виникали на початку 1980-х років. Пізніше в 1979 році Алан Гут припустив, що ранній Всесвіт міг випробувати раннє швидке розширення. Згідно з цим сценарієм, незабаром після Великого вибуху (десь між 10-37 і 10-34 секунд після Великого вибуху), коли Всесвіт був ще дуже малий, Всесвіт швидко розширювався в розмірах на багато порядків (збільшення розмірів Всесвіту могло бути від розміру елементарної частинки до розміру грейпфрута). Таку поведінку було названо інфляцією. Інфляція сталася б набагато швидше, ніж швидкість світла. Деяким людям це здається порушенням спеціальної теорії відносності Ейнштейна, яка говорить нам, що матеріальні об'єкти не можуть рухатися зі швидкістю світла, не кажучи вже про швидкість світла. Однак в інфляційній моделі об'єкти рухаються не швидше швидкості світла, а скоріше простір розширюється швидше світла й захоплює за собою об'єкти. Початкове значення Ω, можливо, не було особливо близько до 1, але у результаті інфляції воно було майже ідентично рівним 1. Тому Всесвіт не був точно налаштованийз самого початку, а скоріше був змушений бути плоским через дуже природний процес. Інфляція вирішує проблему площинності, не вдаючись до антропного принципу в якості ще однієї потенційної труднощі.

Інфляція може пояснити кілька труднощів, крім проблеми площинності. Одним з них є однорідність Всесвіту. Схоже, що CBR має однакову температуру у всіх напрямках. Якщо два об'єкти, які мають різні температури, з'єднані разом, щоб вони могли обмінюватися теплом, ми говоримо, що вони перебувають у тепловому контакті. Як тільки два об'єкти більше не обмінюються теплом, все ще перебуваючи в тепловому контакті, вони повинні мати однакову температуру, і ми говоримо, що вони прийшли в теплову рівновагу. Області Всесвіту, які діаметрально протилежні нашим положенням та з яких ми зараз отримуємо CBR, ще не вступили в тепловий контакт, але ці галузі мають однакову температуру. Як таке може бути, якщо вони не були в тепловому контакті раніше? Цю проблему часто називають проблемою горизонту, тому що частини Всесвіту, які ще не мали стикатися, перебували б за горизонтом один одного. В інфляційному Всесвіті дуже маленькі області Всесвіту могли прийти в теплову рівновагу до того, як сталася інфляція. Після інфляції регіони могли бути видалені з теплового контакту до тих пір, поки тепловий контакт не був відновлений набагато пізніше. При такій можливості широко розсіяні області раніше перебували в тепловій рівновазі, тому не дивно, що вони все ще знаходяться в тепловій рівновазі.

Ілюстрації трьох полів: гравітаційного, магнітного й електричного

Зображення надано Брайаном Міллером

Приклади полів


Який механізм рухає інфляцією? Було запропоновано два класи рішень. Одна з можливостей — це енергетичне поле, зване «інфлатон», що заповнює всесвіт. Поля використовуються у фізиці для опису ряду явищ. Прикладами полів є гравітаційні поля, що оточують маси, електричні поля навколо зарядів і магнітні поля навколо магнітів. Поля можна розглядати, як проникливий і змінюючий простір. Вивільнення енергії інфлатона призвело б до інфляції.

Альтернативне припущення полягає в тому, що інфляція була викликана процесом, який іноді називають «порушенням симетрії». Існує чотири визнаних фундаментальних сили природи: гравітаційна сила, електромагнітна сила й слабкі та сильні ядерні сили. Всі спостережувані сили можна описати як вияв однієї з цих фундаментальних сил. Історія фізики — це історія поступового об'єднання різних, здавалося б, розрізнених сил. Наприклад, на початку й середині 19-го століття ряд експериментальних результатів показав, що електричні та магнітні явища були пов'язані між собою. Набір з чотирьох рівнянь, сформульованих Джеймсом Клерком Максвеллом об'єднав електрику й магнетизм в єдину теорію електромагнетизму. У 1970-х роках була створена теорія, яка об'єднала електромагнітні сили зі слабкою ядерною взаємодією. Фактично, Стівен Вайнберг, чия, дуже відома й популярна, книга про Великий вибух «Перші три хвилини», розділила Нобелівську премію з фізики 1978 року за його внесок у це об'єднання. В той час як електромагнітні й слабкі ядерні сили сьогодні мають різні прояви, об'єднання цих двох сил в єдину теорію означає, що вони були б єдиним явищем при значно більш високих температурах, присутніх в ранньому Всесвіті з Великого вибуху. За допомогою цього об'єднання ми можемо сказати, що в даний час існують три фундаментальні сили природи.

Більшість фізиків вважають, що всі сили природи можна об'єднати в єдину теорію. Йде робота над теорією, яка об'єднає всі фундаментальні сили, окрім гравітації. Вважається, що гравітацію важко поєднати з іншими силами, тому що гравітація набагато слабкіше, ніж інші сили. Якщо й коли така теорія буде знайдена, вона буде називатися теорією великого об'єднання(grand unified theory, GUT). Фізики сподіваються, що одного разу гравітація може бути об'єднана з GUT, щоб створити теорію всього (theory of everything, TOE). Багато досліджень присвячено пошуку GUT, і є кілька різних підходів до пошуку. Майже всі учасники погоджуються з тим, що об'єднання сил відбудеться тільки при дуже високих енергіях і температурах. Ось чому спроби розвитку GUT вимагають використання величезних прискорювачів частинок — великі прискорювачі виробляють більш високі енергії. Космологи вважають, що температура дуже раннього Всесвіту була б достатньо високою для об'єднання всіх сил природи. Це єдність сил являє собою свого роду симетрію. По мірі того, як Всесвіт розширювався й охолоджувався, сили поділялися одна за одною. Будучи самою слабкою на сьогоднішній день, гравітація спочатку розділилася б, а потім були б інші. Кожне відділення було б відходом від спочатку більш простого стану, вводячи форму асиметрії в сили природи. Тому відділення кожної сили від єдиної початкової сили називається порушенням симетрії.

Порушення симетрії подібно фазовому переходу в речовині. Коли лід тане, він вимагає поглинання енергії, яка охолоджує навколишнє середовище льоду. Так само, коли вода замерзає, вона вивільняє енергію в навколишнє середовище. Коли відбувається порушення симетрії, енергія вивільняється у Всесвіт. Ця енергія живить інфляцію. Багато космологів вважають, що Всесвіт може пройти ще один епізод порушення симетрії з потенційно катастрофічними результатами для людства. Звичайно, без знання відповідної фізики неможливо передбачити, коли або навіть якщо така річ вірогідна.

Були написані тисячі робіт про інфляційний Всесвіт, і було запропоновано більше 50 варіантів інфляційних теорій. Оскільки інфляція змогла пояснити кілька складних проблем, вона, ймовірно, залишиться головним гравцем у космології Великого вибуху протягом деякого часу. Майже ніхто не помітив, що немає прямих наглядових тестів для інфляції, її привабливість є прямим результатом її здатності вирішувати деякі космологічні проблеми. Модель інфляції грає важливу роль в сценарії виникнення Великого Вибуху, як ми незабаром побачимо.

Теорія струн

Ще однією новою й важливою ідеєю в космології є теорія струн. Теорія струн стверджує, що вся матерія складається з дуже маленких об'єктів, які ведуть себе як крихітні вібруючі струни. На додаток до знайомих трьох вимірів простору теорія струн вимагає, щоб було, принаймні, ще шість просторових вимірів. Це призводить загальне число вимірювань до десяти, дев'яти просторових і часових вимірів. Чому ми не помітили ці додаткові вимірювання? З часів раннього Всесвіту ці вимірювання були «згорнуті» в неймовірно малі розміри, так що ми не можемо їх бачити. Проте, ці вимірювання зіграли важливу роль в поведінці матерії і Всесвіту на ранніх етапах її історії. Це вводить зв'язок між космологією й фізикою елементарних частинок. Об'єднання фізичних законів імовірно існувало у високій енергії ранньої Всесвіту. Оскільки взаємодії фундаментальних частинок були б дуже сильними в ранньому Всесвіті, правильна теорія цих взаємодій повинна бути включена в космологічні моделі.

Багато популярних книг були написані з теорії струн. Навіть християнський астроном (і прогресивний креаціоніст) Х'ю Росс наполегливий у трактаті4, в якому він звертається до теорії струн, щоб пояснити ряд теологічних питань. Що легко упустити в усіх цих роботах, так це те, що теорія струн є дуже спекулятивною теорією, для якої поки немає доказів. Можливо, пройде деякий час, перш ніж ця ситуація зміниться. Серед космлогів визнається попередня природа теорії струн, а також існують інші можливі теорії елементарних частинок.

Темна матерія

Галактики, як правило, перебувають у групах, що називаються кластерами. Великі скупчення галактик можуть містити більше тисячі членів. Астрономи припускають, що ці скупчення гравітаційно пов'язані; тобто, що члени скупчення слідують стабільним орбітам навколо загального центру мас. У 1930-х роках астроном Фріц Цвіккі виміряв швидкості галактик у декількох скупченнях. Він виявив, що окремі галактики рухалися дуже швидко, щоб бути гравітаційно пов'язаними, факт, підтверджений для багатьох інших скупчень. Це означає, що члени галактики розлітаються, і з часом скупчення перестануть існувати. Час розпаду типового кластера складає близько мільярда років, або близько того, що набагато менше передбачуваного віку кластерів. Деякі креаціоністи надають це як доказ того, що Всесвіт може бути набагато молодше, ніж зазвичай думають. Іншими словами, верхня межа віку цих структур, накладена динамічними міркуваннями, може бути свідченням, залишеним нашим Творцем.

Щоб зберегти стародавній вік скупчень галактик, астрономи припустили, що скупчення містять набагато більше матерії, ніж ми думаємо. Існує два способи вимірювання маси скупчення галактик. Один з них — виміряти, скільки світла випромінюють галактики в скупченні (світиться маса). Підрахунок числа залучених галактик і вимірювання їх яскравості дають нам оцінку маси скупчення. Дослідження мас і загального світла зірок у Сонячній околиці дають нам уявлення про те, скільки маси відповідає заданій кількості світла. Другий спосіб оцінки маси — вирахувати, скільки маси потрібно для гравітаційного зв'язування членів кластера з урахуванням руху цих членів (динамічна маса). Порівняння цих двох методів свідчить, що майже в кожному випадку динамічна маса набагато більша, ніж маса, яка світиться. У деяких випадках маса, яка світиться становить менше 10% від динамічної маси.

Фотографія зірок за круговою діаграмою, яка показує 73% темної енергії, 23% темної матерії, 3,6% міжгалактичного газу й 0,4% зірок і т. п.

Зображення надано НАСА


Якщо розрахунки динамічної маси є істинною мірою мас скупчень галактик, то це говорить про те, що переважна більшість мас у Всесвіті невидима. Це явище було названо темною матерією. Якщо б це були єдині дані, які підтверджують існування темної матерії, то підозра в реальності темної матерії була б цілком обґрунтованою. Проте в 1970 році з'явилися й інші докази існування темної матерії. У тому ж році астроном виявив, що об'єкти в зовнішніх областях Галактики Андромеди обертаються швидше, ніж повинні. Це було несподівано. Теорія гравітації передбачає, що у межах масивної центральної частини галактики, з якої виходить велика частина її світла, швидкості обертових об'єктів повинні лінійно збільшуватися з відстанню від центру. Це підтверджується спостереженнями. Однак теорія також припускає, що далі від центральної частини галактики (за межами того місця, де знаходиться велика частина маси) орбітальні швидкості повинні бути кеплеровськими. Кажуть, що орбітальні тіла слідують кеплеровському руху, якщо вони слідують трьом законам руху планет, відкритим Кеплером чотири століття тому. Альтернативне затвердження третього закону Кеплера полягає в тому, що орбітальні швидкості обернено пропорційні квадратному кореню відстані від центру. Замість цього було виявлено, що швидкості об'єктів, що знаходяться дуже далеко від центру, не залежать від відстані, або навіть трохи збільшуються з відстанню. Подібна поведінка була виявлена й в інших галактиках, включаючи Чумацький Шлях.Це дивна поведінка для об'єктів, що обертаються навколо галактик на великих відстанях, є незалежним свідченням темної матерії, але вона також говорить про те, де знаходиться темна матерія. Якщо ці об'єкти дійсно обертаються, то фундаментальна фізика вимагає, щоб більша частина матерії існувала всередині орбіт цих тіл, але за межами внутрішніх галактичних областей, куди надходить велика частина світла. Ці зовнішні області називаються ореолами галактик. Оскільки від галактичних ореолів виходить мало світла, ця матерія повинна бути темною. Оцінки кількості гало темної матерії, необхідної для отримання спостережуваних орбіт, узгоджуються з оцінками скупчень галактик. Передбачається, що, як і у айсберга, те, що ми бачимо, становить лише близько 10% маси.

 Що таке ідентичність темної матерії? Було багато запропонованих теорій. «Нормальна» матерія складається з атомів, що складаються з протонів, нейтронів і електронів. Маси нейтрона й протона дуже схожі, але маса електрона приблизно в 1800 разів менше маси протона або нейтрона. Протони й нейтрони належать до класу частинок, званих баріонами. Оскільки велика частина маси атомів припадає на баріони, «нормальна» матерія вважається баріонною. Нам були б найбільш зручні баріони вирішення питання про темну матерію, але баріонну матерію важко зробити невидимою. У той час як слабкі зірки є найбільш поширеним типом зірок і, отже, становлять більшу частину зоряної маси, зірки з низькою масою настільки слабкі, що в світі галактик переважають більш яскраві, більш масивні зірки. Однак навіть якщо б темна матерія складалася повністю з надзвичайно слабких зірок, їх об'єднаний світ був би легко видно. Якби речовина знаходилася в набагато менших частках, таких як пил, інфрачервоне випромінювання від пилу було б легко виявлено. Деякі припустили, що темна матерія міститься в багатьох об'єктах розміром з планету. Це рішення, що отримало назву MACHO (MAssive Compact Halo Object), дозволяє уникнути виявленого випромінювання великих і менших об'єктів, щойно згаданих. Там був великий пошук MACHO, і є деякі дані, щоб підтримати цю ідентифікацію, хоча це все ще суперечливо.

Більш екзотичних кандидатів для темної матерії предостатньо. Деякі припускають, що темна матерія складається з багатьох чорних дір, які не взаємодіють зі своїм оточенням достатньо, щоб бути виявленими випромінюванням. Інша ідея полягає в тому, що якщо нейтрино мають масу, то великі хмари нейтрино в галактичному гало може працювати. Влітку 2001 року були знайдені переконливі докази того, що нейтрино мають масу. В якості альтернативи були запропоновані раніше невідомі частки. Одна з них називається WIMPS (Weakly Interacting Massive ParticleS)/слабо взаємодіючі масивні частинки. Очевидно, MACHO був так названий через пряму конкуренцію з «слабаками». Ідентичність темної матерії — ще один приклад того, як космологія й фізика елементарних частинок можуть бути тісно пов'язані.

Зв'язок темної матерії з космологією повинен бути очевидним. Доля Всесвіту пов'язана зі значенням Ω, а Ω залежить від кількості матерії у Всесвіті. Якщо 90% матерії у Всесвіті є темною, то Ω може бути дуже близько до 1, і темна матерія буде мати величезний вплив на еволюцію Всесвіту за мільярди років. Присутність темної матерії була б життєво важлива для розвитку структури в ранньому Всесвіті. Всесвіт, як правило, вважається дуже рівним відразу після Великого вибуху. Це припущення частково базується на простоті розрахунку, але також і на нестійкій природі неоднорідностей в масі. Якби матерія у Всесвіті помітно згустилася, то ці згустки діяли б як гравітаційні насіння для залучення додаткової матерії і, отже, росли в масі. Якщо б ці гравітаційні насіння спочатку були занадто великі, то майже вся матерія у Всесвіті була б втягнута в масивні чорні діри, залишаючи невелику масу для формування галактик, зірок, планет і людей. Якщо б, з іншого боку, маса в ранньому Всесвіті була дуже рівною, не було б жодного ефективного гравітаційного насіння, і ніякі структури, такі як галактики, зірки, планети й люди, не могли б виникнути. Діапазон однорідності, в якому вихідні умови Великого вибуху існували й породили всесвіт, який ми тепер бачимо, ймовірно, був досить малий. Це ще один приклад тонкого налаштування, якого, мабуть, зазнав Всесвіт, що для деяких передбачає антропний принцип.

Якщо темна матерія існує, то її роль у Всесвіті Великого вибуху повинна бути оцінена. Більшість міркувань включають в себе, скільки темної матерії існує та в якій формі. Темна матерія може бути гарячою або холодною, в залежності від того, як швидко вона рухалася. Якщо темна матерія рухалася швидко, то її називають гарячою. Якщо повільно — холодною. Швидкість залежить від маси та ідентичності темної матерії. Очевидно, що в даний час темна матерія є досить вільним параметром в космології.

Експерименти COBE і WMAP

Ранній Всесвіт повинен був мати деяку незначну неоднорідність, щоб зробити структуру, яку ми бачимо сьогодні. Якщо б не було гравітаційного насіння для збору матерії, то ми не були б тут, щоб спостерігати Всесвіт. Космологам вдалося вирахувати, скільки неоднорідностей повинно було існувати в Великому вибусі. Ця неоднорідність була б присутня у віці рекомбінації, коли випромінювання в CBR нібито випускалося. CBR повинен бути однорідним, але неоднорідність була б віддрукована на CBR як локалізовані регіони, які трохи тепліше або холодніше, ніж в середньому. Передбачення того, наскільки великі неоднорідності повинні бути приведені до конструкції супутника COBE (COsmic Background Explorer, вимовляється COB-EE). COBE був розроблений для точного вимірювання CBR по всьому небу та вимірювання прогнозованих коливань температури.

Дворічний експеримент COBE закінчився на початку 1990-х з абсолютно гладким CBR. Це означає, що флуктуації температури, передбачені моделями струму, не були знайдені. Принаймні, група дослідників використала дуже складний статистичний аналіз, щоб знайти тонкі коливання температури в гладких даних. Були заявлені варіації однієї частини з 105. Наступні експерименти, які були більш обмежені за обсягом, були заявлені для перевірки цього результату. Вони були сприйняті, як підтвердження стандартної космології.

Однак є деякі невирішені питання. Наприклад, у той час як експеримент COBE був розроблений для вимірювання змін температури, нібито знайдені зміни були на порядок менше, ніж передбачені. Проте, це сприймається як відмінне підтвердження моделі Великого вибуху. Деякі писали, що результати COBE ідеально відповідають прогнозам, але це не так. Починаючи з результатів COBE, деякі теоретики перерахували моделі Великого вибуху, щоб провести вимірювання COBE, але це навряд чи є ідеальний збіг. Замість цього дані управляли теорією, а не теорія — даними.

Інший факт, який був втрачений багатьма вченими, полягає в тому, що передбачувані коливання температури були нижче чутливості детекторів COBE. Як експеримент може виміряти щось нижче чутливості пристрою? Зміни стали помітні тільки після великої обробки даних COBE з потужною статистикою. Один з дослідників COBE визнав, що він не міг вказати на будь-який напрямок в небі, де команда чітко визначила більш гарячу або холодну область. Це дуже дивний результат. Ніхто не знає, де знаходяться більш гарячі або більш холодні регіони, але дослідники були переконані статистикою, що такі регіони дійсно існують. На жаль, саме так все частіше ведеться наука.

WMAP, з декількома позначеними частинами

Зображення надано НАСА

WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe)


Щоб підтвердити коливання температури, нібито виявлені COBE, супутник WMAP був розроблений, а потім запущений на початку 21-го століття. WMAP розшифровується як Wilkinson Microwave Anisotropy Probe, і спочатку був позначений як MAP, але його було перейменовано після того, як Дейвід Вілкінсон, один з головних дизайнерів місії, помер під час виконання місії. WMAP був побудований для виявлення слабких коливань температури, зазначених COBE, і він дійсно підтвердив ці коливання. На початку 2003 року дослідницька група використовувала перші результати WMAP поряд з іншими даними для встановлення деяких з останніх вимірювань Всесвіту. Це дослідження показало вік Всесвіту в 13,7 мільярда років, плюс або мінус 1%. Він також визначив, що видима матерія становить лише трохи більше 4% від маси Всесвіту. З решти маси, близько 23% — у формі темної матерії, а решта 73% — в екзотичній новій формі, що отримала назву «темна енергія». Темна енергія буде описана коротко.

Постійна/Константа Хаббла

 Ми знаємо, що початковий вимір Хабблом H0 було більше, ніж 500 км/сек Мпк, але це значення H0 впало до 50 км/сек Мпк до 1960 року. Значення H0 залишалося таким понад три десятиліття. На початку 1990-х років нові дослідження припустили, що H0 повинно бути ближче до 80 км/с. Астрономи, які протягом багатьох років підтримували старе значення H0, сильно опиралися новому значенню, і тому протягом кількох років було багато конфліктів з цього питання.

 Діаграма з відстанню в якості горизонтальної осі, швидкістю в якості вертикальної осі й кількістю точок і трьох ліній в області діаграми


Постійна Хаббла описує, як швидко об'єкти віддаляються від нашої галактики в залежності від відстані. Якщо ви побудуєте графік уявної швидкості рецесії проти відстані, як на малюнку вище, константа Хаббла — це просто нахил прямої лінії через дані. Крім професійної гордості, що ще було поставлено на карту? Константа Хаббла не тільки може дати нам відстань до галактик, вона може бути використана для визначення приблизного віку Всесвіту. Зворотна константа Хаббла, ТН, називається часом Хаббла, і вона каже нам, як давно був великий вибух, припускаючи, що Λ дорівнює нулю та нехтуючи будь яким зменшенням розширення через самогравітацію матерії у Всесвіті. Оскільки Всесвіт повинен був піддатися деякому гравітаційному уповільненню, час Хаббла є верхньою межею віку Всесвіту з Великого вибуху. Якщо ви вивчите одиниці виміру H0, ви побачите, що вони мають розміри відстані в часі й відстані, так що відстані скасовуються, і ви залишаєтеся зі зворотним часом. Тому ТН має одиниці часу, але Мпк повинен бути перетворений в кілометри, а секунди повинні бути перетворені в роки.

Наприклад, постійна Хаббла 50 км/сек Мпк дає ТН 1/50 Mpc с/км. Парсек містить 3x1013 км, тому Мпк дорівнює 3x1019 км. Рік має приблизно 3x107 секунд. Збираючи це разом, ми отримуємо

ТН = (1/50 км/сек Мпк Mpc)(3x1019 км/Мпк)(рік/3x107 с) = 2x1010 років.

Тому постійна Хаббла 50 км/сек Мпк дає час Хаббла 20 мільярдів років. Факторинг в розумному гравітаційному уповільненню дає часто цитований вік з моменту Великого вибуху від 16 до 18 мільярдів років.

Космічні струни

Слід коротко згадати космічні струни, які не слід плутати з теорією струн частинок. Дослідження галактик і скупчень галактик показують, що вони розподілені нерівномірно. Скупчення галактик, як правило, лежать вздовж довгих, взаємопов'язаних ниток. Якщо галактики та інші структури Всесвіту конденсувалися навколо точок, які мали більшу масу, ніж середня, і таким чином діяли як гравітаційні насіння, то чому галактики тепер знаходяться вздовж довгих дуг? Одна з можливих відповідей: космічні струни. Космічні струни — це гіпотетичні структури, які простягаються на величезні відстані у Всесвіті. Струни надзвичайно тонкі, але дуже довгі, і вони містять неймовірні масові щільності вздовж їх протяжності. Очевидно, що космічні струни не складаються з «нормальної» матерії. Космічні струни повинні були діяти як гравітаційні насіння, навколо яких утворилися галактики й скупчення. Поки немає ніяких доказів існування космічних струн, і тому ця ідея залишається спірною.

Оскільки час Хаббла назад пропорційно постійної Хаббла, подвоєння H0 буде вдвічі менше ТН. Припущення про те, що H0 слід збільшити до 80 км/сек Мпк зменшило час Хаббла приблизно до 12,5 млрд років. Гравітаційне уповільнення зменшило б фактичний вік Всесвіту до 8 мільярдів років. Зазвичай це можна було б прийняти, за винятком того, що астрономи були переконані, що кульові зоряні скупчення, які містять те, що вважається одним з найстаріших зірок в нашій галактиці, були близькі до 15 мільярдів років. Таким чином, більш висока постійна Хаббла поставила б астрономів в незручне становище, коли зірки старше Всесвіту.

Існувало кілька шляхів вирішення цієї дилеми, і астрономи, врешті-решт, зупинилися на комбінації двох. По-перше, команди астрономів, які відстоювали різні значення для H0, знайшли деякий загальний грунт і змогли досягти консенсусу між двома значеннями. На момент написання цієї статті (2003) встановлене значення для Hстановило 72 км/сек Мпк. Це дає вік Всесвіту від 12 до 15 мільярдів років, з кращим значенням на момент написання цієї статті в 13,7 мільярдів років. По-друге, були переоцінені віки кульових зоряних скупчень. Ми не будемо докладно обговорювати, як це було зроблено, але це включає в себе правильні діаграми колірних величин кульових кластерів. Калібрування вимагає знання відстані, і космічний телескоп Хаббла надав нові дані, які дозволили нам більш точно знати відстані кульових скупчень. Повторне калібрування зменшило вік кульових скупчень до діапазону, лише трохи меншого, ніж новий вік Всесвіту. За оцінками більшості космологів, невизначеність в обох вікових групах дає достатньо часу для утворення ранніх зірок через деякий час після Великого вибуху.

Цей епізод дійсно ілюструє мінливу природу науки й необгрунтовану впевненість. До цієї кризи в епоху всесвіту й епох кульових скупчень більшість астрономів були повністю переконані, що обидва ці віки були правильними. Будь-хто, хто припустив би, що кульовим скупченням менше 15 мільярдів років, був би досить швидко відкинутий. Однак коли інші дані зажадали зміни, виникла необхідність, і був знайдений спосіб зменшити вік кульових скупчень. Абсолютна істина більш молодих віків тепер замінила абсолютну істину більш старих. Більшість вчених випускають з уваги, що, крім криз, нова істина ніколи не була відкрита. Ми б спокійно продовжували зовсім не усвідомлювати, що наш «об'єктивний підхід» до віку кульових скупчень довгий час не давав нам «правильного» значення.

Повернення космологічної постійної

Як обговорювалося раніше, Ейнштейн дав ненульове значення космологічної постійної, щоб зберегти статичний всесвіт, про що він пізніше пошкодував. Протягом деякого часу Λ, рівне нулю, увійшло в моду, і багато космологів несхвально ставилися до будь-якого припущення про зворотне. Насправді ідея ненульового Λ ніколи не йшла. Наприклад, до 1950-х років багато геологів наполягали на тому, що вік Землі близький до прийнятого в даний час значення в 4,6 мільярда років, але постійна Хаббла була надто великою, щоб дозволити Всесвіту бути таким старим. Деякі космологи припустили, що велике Λ збільшило швидкість розширення в минулому так, що відповідний час Хаббла дав помилкове зазначення на справжній вік Всесвіту. Так само, як гравітаційне уповільнення може призвести до того, що фактичний вік Всесвіту буде набагато менше часу Хаббла, прискорення, наведене в дію Λ, може призвести до того, що фактичний вік Всесвіту буде більше часу Хаббла. У середині 1950-х років космологічна шкала відстаней була переглянута таким чином, що константа Хаббла була зменшена майже до того, що вона є сьогодні з відповідним збільшенням часу Хаббла, щоб створити Всесвіт набагато старше 4,6 мільярда років. Тому немає необхідності в ненульовому Λ.

Після чотирьох десятиліть самовдоволення Λ повернулося. В 1998 році деякі космологічні дослідження, які використовують відстані від наднових типу Ia і зв'язують кілька параметрів Всесвіту, припустили, що найкращою відповідністю даних є те, що Λ має невелике ненульове значення. З моменту відродження астрономи стали називати космологічну постійну «темною енергією». Космологічна постійна відповідає енергії, тому що вона являє собою силу відштовхування, і такі сили завжди можуть бути записані як потенційна енергія. Ейнштейн показав, що енергія й маса еквівалентні, тому космічне відштовхування можна розглядати аналогічно масі. Оскільки ні космічне відштовхування, ні темна матерія не можуть бути помічені, і оскільки обидва вони критично впливають на структуру Всесвіту, доцільно розглядати їх однаково. Як би незручно це не було для деяких вчених, космологи були змушені переглянути космологічну постійну. До чого це призведе, на момент написання даної статті невідомо.

Значення Λ має розгалуження в майбутньому Всесвіті. У більшості дискусій з космології майбутнє Всесвіту пов'язане з геометрією Всесвіту. Ці переговори засновані на моделі, розробленої російським математиком Олександром Фрідманом в 1922 році, моделі, яка називається Всесвіт Фрідмана. Всесвіт Фрідмана припускає, що значення Λ дорівнює нулю. У моделі Фрідмана, якщо середня щільність Всесвіту нижче критичної щільності, то Всесвіт просторово нескінченний і буде розширюватися вічно. Це відповідає негативній кривизні, де через точку проходить нескінченне число ліній, паралельних будь-якої іншої лінії. Якщо середня щільність Всесвіту вище критичної щільності, то Всесвіт просторово скінченний, хоча він не пов'язаний. Цей Всесвіт, в решті решт, припинить розширюватися й повернеться до стиснення. Геометрія Всесвіту має позитивну кривизну, так що паралельних ліній немає. Критична щільність залежить від постійної Хаббла. Прийняте в даний час значення постійної Хаббла призводить до критичної щільності, яка вище щільності освітленої матерії у Всесвіті. Темна матерія й темна енергія наближають загальну щільність Всесвіту до критичної щільності, хоча ніхто не чекає, що вона перевищить критичну щільність.

Всесвіт, який буде розширюватися вічно, називається відкритим, в той час як Всесвіт, який перестане розширюватися, називається закритим. Технічно терміни «відкритий» і «закритий» фактично відносяться до геометрії Всесвіту, але зі Всесвіту Фрідмана вони також можуть ставитися до кінцевої долі Всесвіту. Однак, коли Λ не дорівнює нулю, це відношення змінюється. У такого всесвіту, відкритого або закритого, статус всесвіту безпосередньо відноситься до геометрії через щільність. Наприклад, замкнутий всесвіт може розширюватися вічно. Це тонкий момент, по якому багато книг з космології помиляються, тому що вони розглядають тільки моделі Фрідмана. Протягом багатьох років всерйоз розглядалися тільки моделі Фрідмана. З 1998 року в космологічному мисленні домінують нефрідмановські моделі, і з часом цей погляд, мабуть, увійде в багато книг з космології.

Походження Всесвіту

Походження Всесвіту — загадкова тема. Наприклад, раптова поява матерії і енергії порушує закон збереження енергії (перший закон термодинаміки) і матерії. Наука заснована на тому, що ми можемо спостерігати. Незалежно від того, як і коли виник Всесвіт, це була подія, яка сталася тільки один раз у часі (як ми розуміємо час). Ні одна людина не була присутня на початку Всесвіту, тому можна було б очікувати, що походження Всесвіту взагалі не є науковим питанням, але це не завадило вченим запитати, звідки стався Великий вибух. Як обговорюється далі, деякі християнські апологети бачать у Великому вибусі доказ існування Бога. Їх міркування полягає в тому, що щось не може виникнути з нічого, і тому повинен бути Творець. Космологи добре обізнані про цю дилему, і вони запропонували декілька теоретичних сценаріїв, згідно з яким Всесвіт міг би виникнути без зовнішнього агента.

Одне з припущень, спочатку висловлене Едвардом Трионом в 1973 році, складається в тому, що Всесвіт виник завдяки тому, що називається квантовою флуктуацією. Як обговорювалося на початку, квантова механіка говорить нам, що частинки мають хвильову природу, і тому існує фундаментальна невизначеність, яка є значною в мікроскопічному світі. По самій своїй природі хвиля поширюється так, що не можна точно визначити її місце розташування. Зазвичай цей принцип називають принципом невизначеності Гейзенберга, названим на честь німецького фізика, який першим вивів його. Принцип невизначеності можна сформулювати кількома різними способами. Одне твердження включає невизначеність положення частинки й невизначеність її імпульсу. Імпульс — це добуток маси та швидкості частинки. Кожен раз, коли ми вимірюємо, у вимірі присутня невизначеність. Принцип невизначеності Гейзенберга говорить, що твір невизначеності положення частинки й невизначеність її імпульсу має бути не менше певної фундаментальної постійної. В математичній формі це формулювання принципу невизначеності виглядає наступним чином:

Δx Δp ħ/2

де Δx — невизначеність у положенні частинки, а Δp — невизначеність в імпульсі частинки. Фундаментальна константа ħ, звана h-баром, дорівнює 1,055 х 10-34 Дж/сек.

Принцип невизначеності означає, що чим точніше ми знаємо одну величину (чим менше її невизначеність, тим менш точно ми знаємо іншу величину (чим більше її невизначеність). Якщо ми вимірюємо положення маленької частинки, такої як електрон, дуже точно, то ми дуже мало знаємо про імпульси частинки. Оскільки ми знаємо масу електрона досить добре, невизначеність в імпульсі в основному пов'язана з нашим незнанням швидкості електрона. Якщо з іншого боку ми знаємо швидкість частинки з високим ступенем точності, ми не дуже добре знаємо положення частинки. Пригадайте з обговорення, що це фундаментальна невизначеність, а не просто обмеження, що накладається нашими методами вимірювання. Тобто, навіть якщо б у нас була нескінченна точність у наших методах вимірювання, ми так само мали б обмеження принципу невизначеності.

Така поведінка здається досить дивною, тому що вона не зустрічається в повсякденному досвіді. Причина в тому, що довжини хвиль великих об'єктів настільки малі, що ми не можемо бачити хвильову природу макроскопічних об'єктів, що ħ дуже малий, настільки малий, що невизначеності в положенні й імпульсі макроскопічних систем повністю затьмарюються макроскопічними помилками у вимірах, абсолютно не пов'язаних з принципом невизначеності. Тому, хоча принцип невизначеності застосуємо до всіх систем, його ефекти помітні тільки в дуже малих системах, де значення ħ можна порівняти з властивостями задіяних об'єктів. Яким би дивним не здавався принцип невизначеності, він був підтверджений у ряді експериментів.

Інше твердження принципу невизначеності включає невизначеність у вимірюванні енергії частки й невизначеність у часі, необхідному для проведення експерименту. В математичній формі це твердження

ΔE Δt ħ/2

де ΔE — невизначеність енергії і Δt— невизначеність у часі. В основному це твердження означає, що ми можемо виміряти енергію мікроскопічної системи з деякою точністю, або ми можемо виміряти час вимірювання з певною точністю, але ми не можемо виміряти обидва з великою точністю одночасно.

Одним із застосувань затвердження цього принципу невизначеності є процес, за допомогою якого може бути отримана пара віртуальних частинок. Збереження маси й енергії (вони пов'язані через знамените рівняння Ейнштейна E = mc2), мабуть, запобігає спонтанної появи частинок з нічого. Однак ніщо інше не заважає цьому статися, і принцип невизначеності пропонує спосіб обійти це заперечення, хоча б на короткий період часу. Наприклад, в порожньому просторі може спонтанно утворитися електрон і його античастинка-позитрон. Це призведе до порушення збереження енергії ΔE. Будучи анти-частинками, електрон і позитрон мають протилежні заряди, так що вони притягують один одного. Коли дві частинки вступають в контакт, вони анігілюють і вивільняють таку ж кількість енергії, яка була необхідна для їх створення. Порушення збереження енергії, яке відбулося, коли утворилася пара частинок, точно скасовується енергією, що вивільняється при анігіляції частинок. Тобто, немає ніякої чистої зміни в енергії Всесвіту. До того часу, поки пара частинок існує протягом досить короткого періоду часу Δt, так що твір ΔE і Δt не порушує принцип невизначеності, то це коротке незначне порушення збереження енергії/маси може статися. Такі речовини називаються квантовими флуктуаціями. Ряд квантовомеханічних ефектів були інтерпретовані як прояви квантових флуктуацій.

Великі порушення збереження енергії не можуть існувати так довго, як менші порушення. Наприклад, оскільки протони мають майже в 2000 разів більшу масу (і, отже, енергію), ніж електрони, пари протон/антипротон, отримані таким чином, можуть тривати не більше 1/2 000. Макроскопічне порушення збереження енергії тривало протягом такого короткого проміжку часу, що його не можна було б спостерігати. Проте, що відбудеться, якщо макроскопічне явище буде мати рівно нульову енергію? Щоб бути більш конкретним, припустимо, що Всесвіт має повну енергію, рівну нулю? Тоді Всесвіт міг би виникнути й проіснувати довго, тому що якщо ΔE дорівнює нулю, то Δt може мати будь-яке кінцеве значення йпри цьому задовільняти принципу невизначеності. Тому Всесвіт міг би виникнути, не порушуючи збереження енергії. Якщо б це було так, то Всесвіт був би не більше ніж квантова флуктуація.

Хитрість полягає в тому, щоб знайти спосіб зробити загальну суму енергії у Всесвіті, яка дорівнює нулю. Всесвіт, очевидно, містить багато енергії у вигляді матерії (E = mc2) і променистої енергії (фотони всіх довжин хвиль), а також більш екзотичні частинки, такі як нейтрино. Є форми негативної енергії, які, на думку багатьох космологів, можуть врівноважити всю цю позитивну енергію. Найбільш очевидним вибором для цієї негативної енергії є гравітаційна потенційна енергія. Гравітаційна потенційна енергія для частинки поблизу великої маси має вигляд

E = - GmM/r

де G — універсальна гравітаційна постійна, m — маса частинки, M — маса великої маси, а r — відстань частинки від великої маси. Це рівняння може бути сумоване по всій масі Всесвіту, щоб отримати повну гравітаційну потенційну енергію Всесвіту. Оскільки гравітаційна потенційна енергія має негативний знак, то всі члени будуть негативними, і сума також повинна бути негативною. Тому вважається, що гравітаційна потенційна енергія може точно дорівнювати повної позитивної енергії, так що повна енергія Всесвіту дорівнює нулю.

Проте є, принаймні, кілька проблем з цим. По-перше, ми недостатньо добре знаємо відповідні змінні, щоб правильно оцінити енергії та визначити, чи дійсно енергія Всесвіту дорівнює нулю. Тому це швидше справа віри в те, що сума енергії Всесвіту дорівнює нулю. Друга, більш складна, проблема пов'язана з від'ємним знаком у рівнянні гравітаційної потенційної енергії. Знак з'являється тому, що точка відліку береться на нескінченності. Всі потенційні енергії вимагають вибору довільної точки відліку, де потенційна енергія дорівнює нулю. Точка відліку для гравітації береться на нескінченності, для математичної простоти. Це змушує всі гравітаційні потенційні енергії на кінцевих відстанях бути негативними. Будь-яка інша нульова точка може бути обрана, хоча це зробить математику більш складною. Будь-яка інша точка відліку зробила б, принаймні, деякі з гравітаційних потенційних енергій позитивними. З іншого боку, можна було б додати довільну константу до терміну потенційної енергії, тому що нульова точка довільна. Це вірно для всіх потенційних енергій. Іншими словами, не можна чесно стверджувати, що гравітаційна потенційна енергія Всесвіту має якусь особливу цінність для балансу інших форм енергії.

У своїй оригінальній статті 1973 року про квантову флуктуаційну теорію походження Великого вибуху Едвард Трайон заявив: «Я пропоную скромне припущення, що наш Всесвіт — це просто одна з тих речей, які відбуваються час від часу». Алан Гут йому підтакує, помітивши, що весь Всесвіт може бути «безкоштовним обідом». Дійсно, інфляційна модель Гута залежить від квантової флуктуації, як джерела великого вибуху. У інфляційної моделі Всесвіт виник з квантової флуктуації, яка була «помилковим вакуумом», сутністю, передбаченою деякими фізиками, але яка ніколи не спостерігається. У той час як справжній вакуум нібито порожній, він може дати початок примарним часткам через виробництво пар. З іншого боку, помилковий вакуум може зробити це і багато чого іншого. Помилковий вакуум буде мати сильне відразливе гравітаційне поле, яке буде вибухово розширювати ранній Всесвіт. Інша особливість помилкового вакууму полягає в тому, що він буде підтримувати постійну щільність енергії при розширенні, створюючи величезну кількість енергії з нічого.

Квантова флуктуаційна теорія походження Всесвіту була розширена, щоб врахувати багато інших всесвітів. З цієї точки зору Всесвіт виник не як квантова флуктуація ex nihilo/з нічого, а як квантова флуктуація в якомусь іншому всесвіті. Невелика квантова флуктуація в цьому всесвіті негайно відокремилася від нього, щоб стати нашою. Імовірно, цей всесвіт також виникіз квантової флуктуації в попередньому Всесвіті. Можливо, наш Всесвіт часто народжує нові всесвіти подібним чином. Цей довгий ланцюг нескінченного числа всесвітів є свого роду поверненням до вічного Всесвіту, хоча будь-який конкретний Всесвіт, такий як наш, може мати кінцеву тривалість життя. Ця ідея являє собою згаданий вище багаторядковий текст, який був використаний для пояснення антропного принципу. В кожному всесвіті можна було б очікувати, що фізичні константи будуть різні.Тільки у всесвіті, де константи сприятливі для життя, існували б свідомі істоти, здатні помічати такі речі. Таким чином, вибір всесвітів, в яких ми могли б існувати, може бути обмежений.

 Деякі космологи запропонували всесвіт, який коливається, щоб пояснити походження Всесвіту. Під цим кутом зору, масова щільність Всесвіту досить сповільнюється, а потім повертає назад розширення Всесвіту. Це призвело б до «великого хрускоту», згаданого раніше. Після великого хрускоту Всесвіт «підстрибне» і відродиться, як ще один великий вибух. За цим великим вибухом піде ще один великий хруст, який повториться в нескінченному циклі. Таким чином, наш кінцевий Всесвіт був би просто одним епізодом вічного Всесвіту, який коливається. Деякі вчені фантазували, що законами фізики можна жонглювати між кожним новим народженням.

 Є кілька неправильних речей із Всесвітом, який коливається. По-перше, кращі докази сьогодні говорять про те, що Ω занадто мала, щоб зупинити розширення Всесвіту.По-друге, навіть якби Всесвіту судилося коли-небудь стиснутися, немає ніякого відомого механізму, який змусив би його «підскочити». Ми очікували б, що після того, як Всесвіт вибухне сам по собі, він залишиться у вигляді якоїсь чорної діри (до речі, якщо Великий вибух почався в такому стані, то це було б проблемою навіть для однієї моделі Великого вибуху). По-третє, ми ніяк не можемо перевірити це, так що це навряд чи наукова концепція.

Слід згадати ще про одну останню спробу пояснити початок (або не початок) Всесвіту. Якщо Всесвіт нескінченний за розміром, то він завжди був і завжди буде нескінченний за розміром. У міру розширення Всесвіт стає більше й холодніше, а його щільність зменшується. Що, якщо Всесвіт розширювався вічно? Одна з можливостей полягає в тому, що фізичні закони, що керують Всесвітом, змінюються в міру зміни середньої температури. В цьому й полягає суть квінтесенції, описаної раніше. Більшість фізиків вважають, що фундаментальні сили, які ми спостерігаємо сьогодні, є різними проявами однієї сили, симетрія якої порушена. Можливо, в набагато більш ранні часи, коли Всесвіт був набагато гарячіше й щільніше, діяли інші закони фізики, абсолютно непізнавані для нас. Якби це було так, то те, що ми називаємо Великим вибухом, було просто переходом з набагато більш високого стану щільності та температури. Великий вибух був би свого роду стіною, за якою ми не можемо проникнути в більш ранні часи з нашою фізикою. До Великого вибуху Всесвіт містив неймовірну щільність і температуру, і фізичні закони були б абсолютно чужі нам. Таким чином, Всесвіт завжди розширювався через різні переходи, і немає ніякого остаточного початку для пояснення. Це також є повернення до вічного Всесвіту, який, як довгий час вважалося, усунув Великий вибух.

 Дослідження Великого вибуху останніх років були спрямовані на пояснення походження Всесвіту повністю фізичним, природним чином, без звернення до Творця. Будь-яке чисто фізичного пояснення походження без Творця зводиться до нетеїстичної еволюції, натуралізму й світському гуманізму. Всі ці ідеї протилежні біблійного християнства. Ті християнські апологети, які не бачать цього, просто не розуміють напрямку, який космологія прийняла в останні роки.


 Автор: д-р Денні Р. Фолкнер

 Дата публікації: 14 травня 2013 року

 Джерело: Answers In Genesis


 Переклад: Горячкіна Г.

 Редактор: Недоступ А.

 

Посилання:

 1. Остаточна робота над антропним принципом — це робота Барроу й Тіплера, «Космологічний антропний принцип» (Оксфорд, Англія: видавництво Оксфордського університету, 1988). Цікаво, що Барроу й Тіплер повністю обговорюють докази антропного принципу, перш ніж остаточно зробити висновок, що Всесвіт просто здається спроектованим.

 2. Див., наприклад, Х. Росс, Відбиток Бога (Orange, CA: Promise Publishing, 1989); або Х. Росс, Творець і космос (Colorado Springs, CO: Navpress, 1995). Критичний аналіз апологетики Х'ю Росса див. У Фолкнер «Сумнівна апологетика Х'ю Росса», Creation Ex Nihilo Technical Journal 13 (2):52-60 (1999).

 3. Див., наприклад, M. Rees, Before the Beginning: Our Universe and Others (Reading, MA: Helix Books: 1997).

4. Росс, За межами космосу (Колорадо-Спрінгс, CO: Navpress, 1996). Відгуки по цій книзі, див. Л. У. Крейг, Журнал євангелістського теологічного суспільства 24 (2):293-304 (1999), або Р. Д. Фолкнер, Створення науково-дослідного товариства щоквартально 34: 242-243 (1998).

Написати коментар