Моделі Всесвіту від Ейнштейна до теорії струн

Класичне вчення про Всесвіт часів Ньютона розглядав всесвіт як щось статичне. Астрономи досліджували зірки, планети та інші небесні тіла, їх утворення, рух, зміни, що відбуваються з ними. Але про те, що сам Всесвіт теж має певні стадії розвитку, вони не замислювалися.

Питання про еволюцію Всесвіту виник після відкриттів Ейнштейна. В 1917 р. він вперше опублікував роботи, присвячені загальній теорії відносності, згідно з якою гравітацію створює сам простір-час, вона є його геометричним властивістю. Загальна теорія відносності Ейнштейна містила в собі рівняння тяжіння, яке можна було вирішити різними способами – це і породило безліч моделей Всесвіту.

Першу модель запропонував сам Ейнштейн в тому ж 1917 р. у статті «Космологічні міркування до загальної теорії відносності». Згідно цієї моделі, Всесвіт однорідний, її фізичні характеристики не залежать від напрямку, розподіл матерії здійснено рівномірно, силу тяжіння (гравітацію) компенсує сила відштовхування. У моделі Ейнштейна Всесвіт все ще залишалася стаціонарної, він навіть ввів в свою теорію космологічну сталу.

Деякий час ця модель здавалася прийнятною, але нові відкриття самого автора змусили вчених поглянути на проблему по-іншому. Незабаром голландський астроном Біллем де Сіттера представив науковому світу свій варіант вирішення рівняння тяжіння. Цей варіант залишався прийнятним, навіть якщо у Всесвіті зовсім не було матерії. З появою матерії і, отже, маси, відбувалося відштовхування, що вело до розширення системи.

Ідею про розширюється Всесвіту розвинув радянський вчений Олександр Фрідман. Він створив теорію нестаціонарного Всесвіту і виявив, що модель стаціонарного Всесвіту Ейнштейна є її приватною випадком. Таким чином Фрідман довів, що загальна теорія відносності зовсім не передбачає кінцівки простору, як вважалося раніше. З розрахунків Фрідмана було: так як Всесвіт розширюється, повинно спостерігатися червоне зміщення (зсув ліній спектру хімічних елементів в бік довгих хвиль червоного кольору), пропорційне відстані. Цей ефект був виявлений Едвіном Хабблом в 1929 р., таким чином теорія розширюється Всесвіту отримала експериментальне підтвердження.

Ейнштейн, який спочатку не погоджувався з викладками Фрідмана, пізніше визнав свою неправоту і назвав космологічну постійну, введену в рівняння, своєю найбільшою помилкою. В даний час, з появою поняття темної енергії, вчені повернулися до цієї постійної. Можливо, вона дозволить пояснити сутність цього загадкового явища.

Наслідком рішення рівняння Фрідмана можуть бути три варіанти. У першому варіанті середня щільність матерії дорівнює деякій критичній величині; Всесвіт, яка спочатку була точкою, постійно розширюється. Простір у цій моделі плоске, його можна описати геометрією Евкліда (елементарною геометрією), і нескінченне. Розширення Всесвіту буде вічним, але в нескінченному віддаленні його швидкість буде наближатися до нуля.

У другій моделі щільність і випромінювання Всесвіту менше критичних. Простір у цьому випадку також буде нескінченно розширюватися, це розширення ніколи не закінчиться і не зменшиться; швидкості видалення галактик не будуть прагнути до нуля. Простір у цієї моделі має кривизною і описується геометрією Лобачевского: паралельні прямі в цьому варіанті Всесвіту можуть перетинатися.

Третє рішення рівняння Фрідмана призводить до моделі Всесвіту, де середня щільність речовини більше критичної. У цьому випадку розширення Всесвіту, що має місце в даний момент, коли-небудь закінчиться і зміниться стисненням, що в кінцевому підсумку закінчиться сингулярною точкою (точкою з нескінченною щільністю і температурою). Це стан, в противагу Великому вибуху, називають Великим хрестом. Простір третьої моделі Всесвіту, звичайно, володіє позитивною кривизною і за формою близько до тривимірної гиперсфере. Його закономірності описує сферична геометрія Рімана: паралельні прямі в цьому просторі неможливі.

На сьогоднішній день більша частина вчених вважає найбільш імовірною першу модель Всесвіту, так як середня щільність речовини, за останніми даними, менше критичної. Але цілком імовірно, що при дослідженнях були враховані не всі види матерії, та дані щодо щільності можуть з часом змінитися.

Для опису зародження розвитку Всесвіту була створена теорія Великого вибуху. Згідно цієї теорії, Всесвіт виник із стану космологічної сингулярності: вона була стиснута в точку з нескінченною щільністю, її розміри дорівнювали нулю. Що було до цього і чому стався «вибух» – невідомо, математичний апарат теорії Великого вибуху не дозволяє розглянути стан, що передував сингулярності.

Великий вибух – це стрімке, практично миттєве розширення простору до нескінченності.

З перших хвилин свого існування Всесвіт почала остигати і розширюватися, цей процес триває досі. Концентрована енергія поступово перетворилася в речовину, яка під дією закону тяжіння та інших сил сформувало всі об’єкти Всесвіту. За приблизними розрахунками астрономів, вік Всесвіту складає близько 13 мільярдів років.

Найбільше поширення отримала модель Всесвіту, де теорія Великого вибуху об’єднана з теорією гарячого Всесвіту. Тобто температура в момент миттєвого розширення була дуже високою. Але існує й інша модель – холодного Великого вибуху. Відповідно до її постулатів, розширення відбувалося при абсолютному нулі температури.

Незважаючи на те, що теорія Великого вибуху вважається загальноприйнятою, в ній є безліч невирішених питань і проблем. Для відповідей на деякі з них була створена інфляційна модель Всесвіту. Вона розглядає дуже короткий проміжок часу відразу після Великого вибуху, коли Всесвіт розширювалася набагато швидше, ніж згодом. Відповідно до цієї теорії, на дуже ранніх стадіях свого існування Всесвіт мала полями, створюють інфляційне розширення.

В результаті розвитку інфляційної моделі з’явилися так звані «теорії всього», або єдині теорії поля, – спроби об’єднати фізику і математику і в декількох формулах описати всі світобудову. В першу чергу, повинні бути описані фундаментальні взаємодії: гравітаційне, електромагнітне, сильне ядерна (утримуюче елементарні частинки всередині атома) і слабка ядерна (що виявляється в реакціях радіоактивного розпаду). Крім того, в рамках «теорії всього» необхідно пояснити існування всіх елементарних частинок і побудувати теорію квантової гравітації, що об’єднує загальну теорію відносності та квантову механіку.

На звання єдиної теорії є кілька претендентів, і перший з них – теорія струн. Головний об’єкт вивчення цієї теорії знаходиться глибоко всередині атома. Ядро кожного атома складається з нейтрально нейтронів і заряджених позитивно заряджених протонів. Вони, в свою чергу, складаються з найдрібніших частинок, кварків, які мають безліч різновидів. Теорія струн припускає, що мікроскопічні елементарні частки являють собою струни, що знаходяться в стані постійного коливання. Таким чином, те, що у традиційної фізики вважається траєкторією руху частинок, прихильники теорії струн вважають траєкторією коливання струни.

Математичні розрахунки показали, що теорія струн працює тільки в тому випадку, якщо припустити, що замість звичних трьох або чотирьох вимірів існує десять: дев’ять просторових і одне тимчасове. «Зайві» вимірювання існують лише на квантовому рівні, у згорнутому в мікроскопічних масштабах вигляді. Астрономи і математики намагаються застосувати теорію струн до моменту зародження Всесвіту, і це призводить до несподіваних результатів. Виходить, що в момент Великого вибуху Всесвіт повинна була мати якийсь мінімальний розмір (в стандартній моделі він був нульовим). Крім того, велика кількість просторово-часових вимірів змінює картину еволюції Всесвіту, і це вимагає пояснень. Більш сучасна модифікація теорії струн називається теорією суперструн, вона має п’ять варіантів, що відрізняються видами суперсиметрії, яка зв’язує елементарні частинки.

Альтернативою теорії струн і суперструн є теорія бран, або М-теорія. Брана – це багатовимірна мембрана, базова складова теорії. Відповідно до даної теорії, простір-час пятимерно, воно складається з чотирьох просторових вимірів і одного тимчасового. Область чотиривимірного простору обмежена двома три-бранами стінами тривимірних просторів. Одна з таких стін і є наше звичне світобудову. Між двома стаціонарними стінами є одна блукаюча, в той момент, коли вона зіткнулася з нашою стіною, і стався Великий вибух.

Серед сучасних космологічних теорій варто відзначити циклічні, які свідчать, що Великий вибух – це не народження Всесвіту з небуття, а одна із стадій її існування. Всесвіт розширюється до певної межі, потім починається стиск, доходить до точки сингулярності, після чого знову слід Великий вибух.

����¯�¿�½���¯���¿���½����¯�¿�½������°����¯�¿�½������³����¯�¿�½���¯���¿���½����¯�¿�½���¯���¿���½����¯�¿�½������·����¯�¿�½������º����¯�¿�½������°...
ПОДІЛИТИСЯ:

Дивіться також:
Григоріанський календар