Big Bang

Big Bang  är en allmänt accepterad kosmologisk modell som beskriver den tidiga utvecklingen av universum [1] , nämligen början på universums expansion , innan universum var i ett singulart tillstånd .

Vanligtvis kombinerar de nu Big Bang-teorin och den heta universumsmodellen , men dessa begrepp är oberoende. Historiskt sett fanns det också idén om ett kallt initialt universum nära Big Bang. Kombinationen av Big Bang-teorin med teorin om det heta universum, med stöd av förekomsten av kosmisk mikrovågsbakgrundsstrålning , övervägs vidare.

Moderna begrepp om teorin om Big Bang och teorin om det heta universum

Enligt moderna begrepp uppstod det universum vi för närvarande observerar för 13,799 ± 0,021 miljarder år sedan [2] från något initialt singulart tillstånd och har kontinuerligt expanderat och svalnat sedan dess. Enligt de kända begränsningarna för tillämpligheten av moderna fysikaliska teorier är det tidigaste ögonblicket som kan beskrivas ögonblicket i Planck-epoken med en temperatur på cirka 10 32 K ( Planck-temperatur ) och en densitet på cirka 10 93 g/cm³ ( Planck densitet ). Det tidiga universum var ett mycket homogent och isotropiskt medium med ovanligt hög energitäthet, temperatur och tryck. Som ett resultat av expansion och kylning inträffade fasövergångar i universum, liknande kondensationen av en vätska från en gas, men i förhållande till elementära partiklar .

Under tidsperioden från noll till 10 −40 sekunder efter Big Bang, ägde processerna av universums födelse från en singularitet rum. Man tror att i detta fall var materiens temperatur och densitet i universum nära Planck-värdena. Det finns ingen fullständig fysikalisk teori om detta stadium [3] . I slutet av detta skede separerade gravitationsinteraktionen sig från de andra, och den stora föreningens epok började .

Ungefär 10 −42 sekunder efter ögonblicket för Big Bang orsakade fasövergången universums exponentiella expansion. Denna period kallades kosmisk inflation och slutade 10–36 sekunder efter ögonblicket för Big Bang [3] .

Efter slutet av denna period var universums byggmaterial kvarg-gluonplasma . Efter en tid sjönk temperaturen till värden där nästa fasövergång, kallad baryogenes , blev möjlig . I detta skede kombinerades kvarkar och gluoner till baryoner , såsom protoner och neutroner [3] . Samtidigt skedde en asymmetrisk bildning av både materia, som rådde, och antimateria, som ömsesidigt utplånade och förvandlades till elektromagnetisk strålning .

Ytterligare ett temperaturfall ledde till nästa fasövergång  - bildandet av fysiska krafter och elementarpartiklar i deras moderna form. Sedan kom nukleosyntesens era , där protoner, i kombination med neutroner, bildade kärnorna av deuterium , helium-4 och flera andra lätta isotoper . Efter ytterligare temperaturfall och universums expansion inträffade nästa övergångsmoment, då gravitationen blev den dominerande kraften. 380 tusen år efter Big Bang sjönk temperaturen så mycket att förekomsten av väteatomer blev möjlig (innan det var processerna för jonisering och rekombination av protoner med elektroner i jämvikt).

Efter rekombinationens era blev materia genomskinlig för strålning, som, fritt fortplantade sig i rymden, nådde oss i form av kosmisk mikrovågsbakgrundsstrålning .

I alla stadier av Big Bang är den så kallade kosmologiska principen uppfylld  - universum vid varje givet ögonblick ser likadant ut för en observatör var som helst i rymden. I synnerhet, vid varje givet ögonblick på alla punkter i rymden, är materiens densitet i genomsnitt densamma. Big bang är inte som explosionen av en dynamitstav i det tomma utrymmet, när materia börjar expandera från en liten volym in i det omgivande tomrummet och bildar ett sfäriskt gasmoln med en tydlig expansionsfront, bortom vilken det finns ett vakuum. Denna populära uppfattning är felaktig [4] . Big Bang inträffade på alla punkter i rymden samtidigt och synkront, det är omöjligt att peka på någon punkt som explosionens centrum, det finns inga storskaliga tryck- och densitetsgradienter i rymden, och det finns inga gränser eller fronter som skiljer mellan expanderande substans från tomrummet [4] . Big Bang är en expansion av själva rymden, tillsammans med den materia som finns i den, som i genomsnitt är i vila vid varje given punkt.

Det initiala singularitetsproblemet

Att extrapolera den observerade expansionen av universum bakåt i tiden leder, med hjälp av allmän relativitet och några andra alternativa gravitationsteorier , till oändlig densitet och temperatur vid en ändlig tidpunkt i det förflutna. Krökningen av rum-tid når ett obegränsat stort värde. Detta tillstånd kallas den kosmologiska singulariteten (ofta kallas den kosmologiska singulariteten bildligt för universums "födelse"). Omöjligheten att undvika singulariteten i kosmologiska modeller av allmän relativitet bevisades, bland andra singularitetsteorem , av R. Penrose och S. Hawking i slutet av 1960-talet.

Big Bang-teorin gör det omöjligt att prata om något som föregick detta ögonblick (eftersom vår matematiska modell av rum-tid vid ögonblicket för Big Bang förlorar sin tillämpbarhet, medan teorin inte alls förnekar möjligheten att något existerar före Big Bang). Detta signalerar otillräckligheten i beskrivningen av universum av den klassiska allmänna relativitetsteorin.

Hur nära singulariteten man kan extrapolera känd fysik är en fråga om vetenskaplig debatt, men det är praktiskt taget accepterat att eran före Planck inte kan betraktas med kända metoder. Problemet med förekomsten av en singularitet i denna teori är ett av incitamenten för konstruktionen av kvant- och andra alternativa gravitationsteorier , som försöker lösa detta problem.

Det finns flera hypoteser om ursprunget till den synliga delen av universum [5] :

Universums vidare utveckling

Enligt Big Bang-teorin beror vidare evolution på en experimentellt mätbar parameter - den genomsnittliga densiteten av materia i det moderna universum. Om densiteten inte överstiger något (känt från teorin) kritiskt värde , kommer universum att expandera för alltid, men om densiteten är större än den kritiska, kommer expansionsprocessen en dag att sluta och den omvända fasen av kompressionen kommer att börja, och återvända till det ursprungliga singulära tillståndet. Moderna (2015) observationsdata visar att den genomsnittliga tätheten inom det experimentella felet (bråkdelar av en procent) är lika med den kritiska [15] .

Det finns ett antal frågor som Big Bang-teorin ännu inte kan besvara, men dess huvudsakliga bestämmelser är underbyggda av tillförlitliga experimentella data, och den nuvarande nivån av teoretisk fysik gör det möjligt att ganska tillförlitligt beskriva utvecklingen av ett sådant system i tid, med undantaget det allra första skedet - ungefär en hundradels sekund från "världens början". Det är viktigt för teorin att denna osäkerhet i det inledande skedet faktiskt visar sig vara obetydlig, eftersom universums tillstånd som bildades efter att ha passerat detta stadium och dess efterföljande utveckling kan beskrivas ganska tillförlitligt.

Historien om utvecklingen av idéer om Big Bang

Termens historia

Till en början kallades Big Bang-teorin för den "dynamiska evolutionära modellen". För första gången användes termen "Big Bang" ( Big Bang ) av Fred Hoyle i hans föreläsning 1949 (Hoyle själv höll fast vid hypotesen om "kontinuerlig födelse" av materia under universums expansion). Han sa:

Denna teori är baserad på antagandet att universum har sitt ursprung i processen med en enda kraftfull explosion och därför existerar endast under en begränsad tid ... Denna idé om Big Bang verkar för mig helt otillfredsställande.

Efter att hans föreläsningar publicerats blev termen allmänt använd.

Kritik av teorin

Förutom teorin om det expanderande universum fanns det också en teori om att universum är stationärt  - det vill säga att det inte utvecklas och varken har en början eller ett slut i tiden. Några av anhängarna av denna synvinkel förkastade universums expansion, och rödförskjutningen förklaras av hypotesen om ljusets "åldrande" . Men som det visade sig motsäger denna hypotes observationer, till exempel det observerade beroendet av varaktigheten av supernovautbrott på avståndet till dem [21] [22] [23] . Ett annat alternativ, som inte förnekar universums expansion, representeras av teorin om det stationära universum av F. Hoyle . Det stämmer också dåligt överens med observationer [23] .

I vissa teorier om inflation (till exempel evig inflation ) motsvarar vår observerade bild av Big Bang positionen endast i den del av universum vi observerar ( Metagalaxy ), men tömmer inte ut hela universum.

Dessutom beaktar teorin om Big Bang inte frågan om orsakerna till uppkomsten av en singularitet eller materien och energin för dess förekomst, vanligtvis postulerar den helt enkelt dess begynnelselöshet. Man tror att svaret på frågan om den ursprungliga singularitetens existens och ursprung kommer att ges av teorin om kvantgravitation .

Det finns också ett antal observationsfakta som inte stämmer väl överens med det observerbara universums isotropi och homogenitet : närvaron av en övervägande rotationsriktning för galaxer [24] [25] , inhomogeniteter i fördelningen av galaxer på den största tillgängliga våg, ondskans axel .

I den officiella vetenskapen om Sovjetunionen uppfattades teorin om Big Bang först med försiktighet. Så 1955 skrev en sovjetisk författare: " Den marxist-leninistiska doktrinen om ett oändligt universum är ett grundläggande axiom som ligger till grund för den sovjetiska kosmologin ... Förnekande eller undvikande av denna tes ... leder oundvikligen till idealism och fideism , att är, ytterst, till förnekandet av kosmologin och har således ingenting med vetenskap att göra” [26] [27] . Även om teorin om Big Bang så småningom accepterades av sovjetiska vetenskapsmän och filosofer, fastställdes postulatet om materiens oändlighet och evighet i filosofiska ordböcker, fram till Sovjetunionens sammanbrott . Samtidigt deklarerades det att Big Bang-teorin endast gäller för Metagalaxen , och Metagalaxen är inte hela universum ännu, "Big Bang" är inte början av universum, utan bara en annan övergång av oskapade och oförstörbar materia från en stat till en annan [28] .

Den 3:e upplagan av Great Soviet Encyclopedia säger:

Faktumet med det ömsesidiga avlägsnandet av galaxerna som utgör Metagalaxen indikerar att det för en tid sedan var i ett kvalitativt annorlunda tillstånd och var tätare ... Metagalaxens ålder tas ibland som universums ålder, vilket är typiskt för anhängare av att identifiera Metagalaxi med universum som helhet. Faktum är att hypotesen om förekomsten i universum av många metagalaxer som helt enkelt ligger på vissa avstånd från varandra finner ingen bekräftelse. Man bör dock ta hänsyn till möjligheten till mer komplexa relationer mellan Metagalaxi och universum som helhet, och till och med mellan enskilda metagalaxer: i så stora volymer av rymden är principerna för euklidisk geometri redan otillämpliga. Dessa relationer kan vara komplexa topologiskt också. Vi kan inte utesluta möjligheten att varje laddad elementarpartikel kan motsvara ett helt system av galaxer, det vill säga den kan bestå av ett sådant system. Möjligheterna med sådana mer komplexa relationer måste också tas i beaktning av kosmologin. Därför är det fortfarande för tidigt att säga att det finns några uppgifter om universums ålder som helhet [29] .

Teori och religion

Den 22 november 1951 meddelade påven Pius XII att Big Bang-teorin inte stred mot katolska idéer om världens skapelse [30] [31] . Ortodoxi har också en positiv inställning till denna teori [32] . Konservativa protestantiska kristna samfund har också välkomnat Big Bang-teorin som en stödjande historisk tolkning av skapelseläran [33] . Vissa muslimer har börjat påpeka att det finns referenser till Big Bang i Koranen [34] [35] . Enligt hinduisk undervisning har världen ingen början och slut, den utvecklas cykliskt [36] [37] , däremot säger "Encyclopedia of Hinduism" att teorin påminner om att allt kom från Brahman , som är "mindre än en atom, men mer än den mest enorma" [38] .

Anteckningar

  1. Wollack, Edward J. Kosmologi: Studien av universum . Universum 101: Big Bang Theory . NASA (10 december 2010). Hämtad 27 april 2011. Arkiverad från originalet 30 maj 2012.
  2. Planck Collaboration. Planck 2015 resultat  : XIII. Kosmologiska parametrar: [ eng. ] // Astronomi och astrofysik. - 2016. - T. 594 (september). — Sida 31, rad 18, sista kolumnen. - doi : 10.1051/0004-6361/201525830 .
  3. 1 2 3 Sazhin, 2002 , sid. 37.
  4. 1 2 M. V. Sazhin. Modern kosmologi i populär presentation. - Moskva: URSS, 2002. - S. 104. - 240 sid. - 2500 exemplar.  — ISBN 5-354-00012-2 .
  5. BBC Video Horizon. Vad hände före Big Bang? . Hämtad 4 april 2014. Arkiverad från originalet 2 juni 2011.
  6. Ett universum är en gratis lunch . stort tänk. Hämtad 12 maj 2015. Arkiverad från originalet 14 april 2015.
  7. Stephen Hawking ; Mlodinow, Leonard Den stora designen. - Bantam Books , 2010. - ISBN 0-553-80537-1 .
  8. Krauss, Lawrence Ett universum från ingenting . - New York: Free Press, 2012. - ISBN 978-1-4516-2445-8 .
  9. Martin, Michael. Ateism: A Philosophical Justification . - Philadelphia: Temple University Press , 1990. - P.  106 . — ISBN 978-0-87722-943-8 . Martin ger följande exempel på källor: Edward P. Tryon, "Is the Universe a Vacuum Fluctuation?" Nature , 246, 14 december 1973, s. 396-397; Edward P. Tryon, "What Made the World? New Scientist , 8, mars 1984, s. 14-16; Alexander Vilenkin, "Creation of Universes from Nothing," Physics Letters , 117B, 1982, s. 25-28; Alexander Vilenkin, "Birth of Inflationary Universes," Physical Review , 27, 1983, s. 2848-2855; LP Grishchuck och YB Zledovich, "Complete Cosmological Theories," The Quantum Structure of Space and Time , ed. MJ Duff och CJ Isham ( Cambridge: Cambridge University Press , 1982), s. 409-422, Quentin Smith, "The Uncaused Beginning of the Universe," Philosophy of Science , 55, 1988, s. 39-57.
  10. Stephen Hawking "Vad hände före Big Bang?" https://www.youtube.com/watch?v=veTlvfH0LMk Arkiverad 6 februari 2022 på Wayback Machine
  11. Lawrence Krauss "A Universe from Nothing" http://scorcher.ru/art/theory/Strakh_fiziki/lorens_krauss_prev.php Arkiverad 22 juni 2018 på Wayback Machine
  12. Linde, Andrey Dmitrievich. Icke singulärt regenererande inflationsuniversum  . - 1982. Arkiverad 5 november 2012.
  13. Smolin, Lee. Svarta håls singulariteters öde och parametrarna för standardmodellerna för partikelfysik och  kosmologi . - 1992. Arkiverad den 17 juli 2019.
  14. J. Khoury, B. A. Ovrut, P. J. Steinhardt, N. Turok. The Ekpyrotic Universe: Colliding Branes and the Origin of the Hot Big Bang  //  Physical Review. - 2001. - Nej . D64 . — ISSN 123522 . Arkiverad från originalet den 26 oktober 2021.
  15. PAR Ade et al. (Planck Collab.). Planck 2015 resultat. XIII. Kosmologiska parametrar  // A&A. - 2016. - Vol. 594.-P. A13. - doi : 10.1051/0004-6361/201525830 . - arXiv : 1502.01589 . Arkiverad från originalet den 13 november 2016.
  16. Einstein, Albert. Die Grundlage der allgemeinen Relativitstheorie  (tyska)  // Annalen der Physik . - 1916. - Nr. 7 . - S. 769-822 . — ISSN 1521-3889 . Arkiverad från originalet den 24 september 2015.
  17. Cormac O'Raifeartaigh, Simon Mitton, Einsteins "största misstag" - förhör legenden, arΧiv : 1804.06768 . 
  18. Wirtz, C. De Sitters Kosmologie und die Radialbewegungen der Spiralnebel // Astronomische Nachrichten, Bd. 222, S. 21 (1924)
  19. Cosmic Microwave Background Timeline Arkiverad 24 januari 2021 på Wayback Machine Lawrence i Berkeley
  20. Sjuåriga Wilson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) Observationer: Sky Maps, Systematic Errors, and Basic Results (PDF). nasa.gov. Hämtad 9 mars 2012. Arkiverad från originalet 30 maj 2012. (se tabellen över de bästa uppskattningarna av kosmologiska parametrar på sid. 39)
  21. Wright EL -fel i trött ljuskosmologi Arkiverad 16 november 2021 på Wayback Machine .
  22. Overduin JM, Wesson PS Det ljusa/mörka universum: ljus från galaxer, mörk materia och mörk energi. - World Scientific Publishing Co., 2008. - ISBN 9812834419 .
  23. 1 2 Peebles PJE The Standard Cosmological Model Arkiverad 24 juli 2018 på Wayback Machine i Rencontres de Physique de la Vallee d'Aosta (1998) ed. M. Greco, sid. 7
  24. Forskare har hittat ett spår av universums rotation vid födseln (otillgänglig länk) . Hämtad 14 december 2011. Arkiverad från originalet 18 februari 2012. 
  25. ScienceDirect - Fysikbokstäver B: Detektering av en dipol i spiralgalaxer med rödförskjutningar . Datum för åtkomst: 14 december 2011. Arkiverad från originalet den 3 februari 2012.
  26. Eigenson M.S. Om frågan om kosmogoni  // Circular of the Lvov Astronomical Observatory. - 1955. - Utgåva. Nr 30 . - S. 1-12 . Cit. Citerat från : Wetter G. Dialectical Materialism: A Historical and Systematic Survey of Philosophy in the Soviet Union / Översatt från tyska av Peter Heath. - London: Routledge och Kegan Paul, 1958. - S. 436. - 609 sid.
  27. Lauren Graham. Naturvetenskap, filosofi och vetenskaper om mänskligt beteende i Sovjetunionen . Hämtad 6 juli 2020. Arkiverad från originalet 20 februari 2020.
  28. Skosar V. Kort historia av idéer om universum. Zigzags of Cosmological Thought Arkiverad 29 november 2012 på Wayback Machine
  29. Universum . Datum för åtkomst: 28 januari 2013. Arkiverad från originalet den 31 juli 2013.
  30. Ferris, T. Att bli myndig i Vintergatan . - Morrow , 1988. - S. 274, 438. - ISBN 978-0-688-05889-0 . , med hänvisning till Berger, A. The Big bang och Georges Lemaître: ett symposium för att hedra G. Lemaître femtio år efter hans initiering av big-bang-kosmologin, Louvainla-Neuve, Belgien, 10–13 oktober  1983 . - D. Reidel , 1984. - P. 387. - ISBN 978-90-277-1848-8 .
  31. Påven Pius XII . Ai soci della Pontificia Accademia delle Scienze, 22 novembre 1951 - Pio XII, Discorsi  (italienska) . Tipografia Poliglotta Vaticana (2 november 1951). Hämtad 23 februari 2012. Arkiverad från originalet 30 maj 2012.
  32. Konstantin Parkhomenko. Skapelsens första dag . Skapandet av världen och människan. . Datum för åtkomst: 22 juni 2012. Arkiverad från originalet 23 november 2010.
  33. Russell, RJ Kosmologi: Från alfa till omega . - Fortress Press , 2008. - ISBN 9780800662738 . . – "Konservativa protestantiska kretsar har också välkomnat Big Bang-kosmologin som stöd för en historisk tolkning av skapelseläran."
  34. Diane Morgan. Essential Islam : en omfattande guide till tro och praktik  . - ABC-CLIO , 2010. Arkiverad 26 april 2015 på Wayback Machine . "Även om Koranen inte är avsedd att vara en lärobok i fysik, söker många muslimska kommentatorer igenom den efter stycken som tycks vara parallella fynd gjorda av modern vetenskap, i ett försök att visa bokens tidlösa visdom. Några av dessa paralleller sägs innefatta referenser till Big Bang, antimateria, roterande stjärnor, radioaktiv fusion, tektoniska plattor och ozonskiktet."
  35. Helaine Selin. Encyclopædia om vetenskapens, teknikens och medicinens historia i icke-västerländska kulturer  (engelska) . - Springer Press , 1997. Arkiverad 26 april 2015 på Wayback Machine . — "Ämnen som sträcker sig från relativitet, kvantmekanik och big bang-teorin till hela embryologiområdet och mycket av modern geologi har upptäckts i Koranen ."
  36. Sushil Mittal, G. R. Thursby. Den hinduiska världen . - Psychology Press , 2004. Arkiverad 26 april 2015 på Wayback Machine . — ”I de vediska kosmogonierna uppstår inte frågan om vad som orsakade det ursprungliga begäret; precis som den moderna kosmologins Big Bang, är den ursprungliga impulsen bortom all tid och orsakssamband, så det är ingen mening att fråga vad som föregick den eller vad som orsakade den. Men i den hinduiska kosmologin som vi finner i Puranas och andra icke-vediska sanskrittexter, har tiden ingen absolut början; den är oändlig och cyklisk och det är kama också ."
  37. John R. Hinnells. Routledge-följeslagaren till studiet av religion  . — Taylor & Francis , 2010. Arkiverad 26 april 2015 på Wayback Machine . - "Det finns också andra kosmologiska modeller av universum förutom Big bang-modellen, inklusive teorier om eviga universum - åsikter som ligger mer i linje med hinduiska kosmologier än med traditionella teistiska begrepp om kosmos."
  38. Sunil Sehgal. Encyclopædia of Hinduism: T.Z., volym 5 . - Sarup & Sons, 1999. Arkiverad 27 april 2015 på Wayback Machine . "Teorin är känd som "Big Bang-teorin" och den påminner oss om den hinduiska idén att allt kom från Brahmanen som är "subtilare än atomen, större än den största" (Kathopanishad-2-20)."

Litteratur

Länkar