Народження Всесвіту. Фізики описали, що було до Великого вибуху - фото

Народження Всесвіту. Фізики описали, що було до Великого вибуху

24 листопада 2019, 07:00

Група вчених із США і Нідерландів припустила, що в момент перед Великим вибухом існували екзотичні частинки і гравітація діяла по-іншому.

Коротко:

— що могло бути до Великого вибуху

— яка екзотична матерія може пояснити появу Всесвіту

— які дослідження зроблять наші закони фізики і геометрії неправильними

Відео дня

Близько 13,8 млрд років еволюції Всесвіту привели до того, що зараз ви, перебуваючи на околиці Чумацького шляху в надскупченні галактик Ланіакея, читаєте цей матеріал.

Очевидно, що Всесвіт в якійсь формі існував і до цього часу, але наш космічний календар ведеться саме від такої точки відліку: прийнято вважати, що трохи менше, ніж 14 млрд років тому стався Великий вибух, після якого весь простір почав невблаганно розширюватися.

Що було до цього — не знає ніхто. Але, фізики з США і Нідерландів недавно запропонували модель, яка описує, чому стався Великий вибух і що було до нього. Вчені вважають, що у Всесвіті існує певна екзотична матерія — інфлятони, — яка мала достатню кількість енергії для нагріву частинок в стислому просторі до Великого вибуху.

Правда це чи ні - поки невідомо. Але, теорію можна довести, якщо в майбутньому астрофізики знайдуть частки такої матерії десь у Всесвіті. Тим часом, нам залишається вірити, що планета Земля, як і все живе на ній, є похідними від частинок, які виникли з сингулярності і продовжували свій розвиток протягом мільярдів років.

Звичайно, на такому рівні не менше логічними виглядають версії про те, що: осяжний нам Всесвіт є частиною величезної симуляції, як у фільмі Матриця; життя на Землю принесли надцивілізації, які спостерігають за нами, як за піддослідними тваринами; або, насамкінець, весь простір навколо — справа рук всемогутньої істоти, з якою ми зустрінемося після смерті.

У астрофізиків на цей рахунок інша думка: реліктове випромінювання, квазари, пульсари, галактичні філаменти і інші складові Всесвіту доводять, що все не так просто, і кожна частинка має своє призначення у величезній солянці із зірок, галактик, чорних дір і всього, що їх оточує.

Що стало причиною появи цієї солянки — намагаються з’ясувати американські та голландські фізики.

Science Photo Library

Фото: Science Photo Library

Що було до Великого вибуху?

Група дослідників з Інституту теоретичної фізики в Лейдені і Массачусетського технологічного інституту розробила симуляцію найважливішого періоду в зародженні Всесвіту і опублікувала результати свого відкриття в науковому журналі Physical Review Letters.

Автори роботи припустили, що відбувалося перед Великим вибухом і так званою сингулярністю — початковим етапом існування Всесвіту в формі нескінченно малої точки з дуже високою щільністю речовини.

Вчені вважають, що після того, як Всесвіт вперше розширився з нескінченно малої точки приблизно в октиліон разів (одиниця з 27 нулями), але при цьому все одно залишився надзвичайно малим і щільним, настав так званий період повторного нагріву або пост-інфляційний період.

Саме у цей період Всесвіт був неймовірно холодним, і для його подальшого розширення (власне, Великого вибуху) і появи елементів на кшталт водню його повинні були нагріти додаткові, поки невідомими нам частки, або ще одна екзотична матерія.

Фізики дізналися це, змоделювавши період повторного нагріву за допомогою спеціального програмного забезпечення. Комп’ютерна симуляція показала, як енергія всередині первісної Всесвіту може змінюватися і які властивості тоді виявляла гравітація.

«Наукове співтовариство майже 40 років намагається знайти відповіді на питання, що стало причиною розширення і як нагрівався Всесвіт на самому початку. У більшості випадків, популярні моделі виключаються. Наша конкретна модель демонструє цю складну систему і показує, як може з’явитися гарячий Всесвіт, в якому енергія ефективно виводиться з інфляційного поля і формуються частинки», — говорить один з авторів дослідження доцент кафедри фізики Том Джиблін.

stoccolmaaroma.it

Фото: stoccolmaaroma.it

Згідно з отриманою моделлю, в період повторного нагріву Всесвіту, через величезну кількість енергії з’явилися деякі окремі частинки, які стикалися між собою, створюючи ще більший імпульс і додаткову енергію, що і забезпечило умови для Великого вибуху.

В якості відсутньої частки, яка повинна була відповідати безпосередньо за додаткове енергетичне поле, фізики ввели у свою модель симуляції екзотичну матерію — інфлятони. Схожі за своєю природою з революційним відкриттям сучасної фізики — бозоном Хіггса, інфлятони, за певних умов, рівномірно розподіляли енергію і створювали достатню кількість інших частинок для нагріву Всесвіту і Великого вибуху.

«Коли ми вивчаємо ранній Всесвіт — ми експериментуємо з частинками при дуже і дуже високих температурах. Перехід від періоду холодної інфляції до гарячого періоду — це те, що повинно містити деякі ключові докази існування частинок при цих надзвичайно високих енергіях», — пояснює Джіблін.

Як і у світі квантової механіки, головною загадкою для фізиків залишається те, як діє гравітація на субатомному рівні, на якому існував Всесвіт під час свого зародження. Щоб модель періоду повторного нагріву працювала, вчені визначили, що силу гравітації потрібно значно збільшити, — лише тоді інфлятони ефективно передавали енергію і створювали різноманітність гарячих частинок, необхідних для Великого вибуху.

Існування інфлятонів, як і альтернативний вплив гравітації - не доведені експериментально, тому робота фізиків з США і Голландії залишається лише однією з численних теорій, в принципі, як і теорія Великого вибуху.

CC

Фото: CC

Чи варто вірити в Великий вибух?

Очевидно, у Великий вибух, як і в еволюційну теорію Дарвіна, вірять далеко не всі люди. Але, для більшості космологів і тих, хто наближений до цієї науки, Великий вибух — це вже загальноприйнята модель раннього розвитку Всесвіту.

Правда, варто враховувати і той факт, що космологія як наука була визначена тільки у першій половині XX століття. До цього через нестачу фактологічних даних багато вчених сприймали її на рівні спекуляцій і необгрунтованих теорій. Ключові відкриття у космології, на кшталт рішень рівняння Ейнштейна, які підштовхнули фізиків до ідеї про сингулярність, зміщення галактик, відкрите Едвіном Хабблом і, нарешті, Великий вибух, були визначені менше 100 років тому.

Сучасні дослідження про реліктове випромінювання, формування структури Всесвіту, темної матерії і т. і., Які підтвердили і розширили попередні напрацювання, взагалі відбулися в останні 50 років, а цього року фізик Джеймс Піблс отримав за них Нобелівську премію.

На сьогодні ключовим доказом Великого вибуху і розширення Всесвіту стало відкриття реліктового випромінювання — мікрохвильового фону, який залишився від речовини, що виникла на ранніх етапах формування Всесвіту. Це випромінювання демонструє гарячі і холодні області в первісному Всесвіті.

Вивчаючи реліктове випромінювання, процеси формування і поширення частинок, вчені запропонували ідею про Великий вибух і його приблизні тимчасові рамки — 13,830 ± 0,075 мільярда років.

Цікаво, що первинне розширення Всесвіту і Великий вибух не є остаточними процесами формування: за даними вчених, Всесвіт продовжує поступово розширюватися і зараз. Це розширення описує ще одна, на цей раз, інфляційна модель Всесвіту.

CC

Фото: CC

Модель Великого вибуху також передбачає, що весь простір навколо нас є нескінченним. Але, щодо цього існують деякі розбіжності. По-перше, вчені досі не можуть визначитися з точною швидкістю розширення Всесвіту, — параметра, який може перевернути наше розуміння космічних відстаней і змінити багато постійних у сучасній астрофізиці.

Ну а по-друге кілька тижнів тому група вчених з Англії, Італії і Франції опублікувала дослідження, згідно з яким Всесвіт давно перестав розширюватися, і зараз представляє з себе замкнутий сферичний простір. Астрофізики дійшли до таких висновків, проаналізувавши дані згаданого реліктового випромінювання.

За підрахунками вчених, щільність матерії у Всесвіті трохи вище, ніж вважалося раніше, і тому, в інфляційній моделі повинна переважати гравітація, яка нібито закрила весь простір навколо нас у замкнуту сферу. Противники цієї теорії говорять, що справа лише у похибці при розрахунках, оскільки реліктове випромінювання — це величезний масив даних, які практично неможливо розшифрувати на 100% точно.

Як би там не було, якщо автори дослідження про замкнутий Всесвіт мають рацію — це ставить під загрозу не тільки діючі космологічні теорії, а й навіть закони фізики і геометрії.

Не факт, що в існуючій інфляційній теорії Всесвіту вчені не врахували ще якусь екзотичну матерію, яка урівнювала б дію гравітації і підтвердила, що простір дійсно нескінченний.

esa.int

Фото: esa.int

Що таке екзотична матерія і чому вона така важлива?

Як і інфлятони, запропоновані фізиками з США і Нідерландів, так і будь-які інші гіпотетичні речовини з властивостями, які необхідні для проведення хоча б теоретичних експериментів називають екзотичною матерією.

Серед найбільш поширених видів екзотичної матерії вчені виділяють космічні струни — можливий об'єкт, який має діаметр найменшої частинки (приблизно діаметр протона), але може розтягуватися на величезні космічні відстані в десятки парсек (один парсек = 3,26 світлових років або 30,8 трлн км).

Оскільки ці струни дуже щільні і навіть кілька їх міліметрів можуть важити мільйони тонн, деякі фізики вважають, що вони можуть стабілізувати чорні діри і кротові нори, дозволяючи нам моментально переміщатися на великі відстані у просторі-часі.

Схожа за властивостями екзотична матерія з негативною масою або енергією фігурує практично у всіх теоріях про гіперпросторових стрибках та рух на близькосвітлових швидкостях.

Ще однією екзотичною матерією, яка потенційно може пояснити природу гравітації на субатомних рівнях і допомогти вченим знайти відмінності між матерією і антиматерією є позитроній. По суті це екзотичний атом, який складається з позитрона і електрона одночасно.

Попри те, що частинки екзотичної матерії існують лише в теорії, оскільки вони не складаються з баріонів — звичних нам найдрібніших частинок, які неможливо розщепити, — у 2016 році Нобелівську премію з фізики вручили якраз за дослідження екзотичної матерії.

Британець Дункан Хелдейн і американці Девід Тулесс і Майкл Костерлітц отримали нагороду за вивчення незвичайних фаз і станів речовини. Наприклад, охолодивши речовину до температур, близьких до абсолютного нуля, фізики змогли досягти електричної надпровідності та інших екзотичних властивостей.

Приєднуйтесь до нас у соцмережах Facebook, Telegram та Instagram.

Діліться матеріалом




Радіо НВ
X