Eno glavnih vprašanj, ki ne zapusti človeške zavesti, je bilo vedno in je vprašanje: "kako se je pojavilo vesolje?" Na to vprašanje seveda ni enoznačnega odgovora in ga v bližnji prihodnosti verjetno ne bomo dobili, a znanost deluje v tej smeri in tvori določen teoretični model nastanka našega vesolja. Najprej je treba upoštevati osnovne lastnosti vesolja, ki jih je treba opisati v okviru kozmološkega modela.
*** Model bi moral upoštevati opazovane razdalje med predmeti ter hitrost in smer njihovega gibanja. Takšni izračuni temeljijo na Hubblovem zakonu: cz = H0D, kjer je z rdeči premik predmeta, D razdalja do tega predmeta in c svetlobna hitrost.
*** Starost vesolja v modelu mora presegati starost najstarejših predmetov na svetu.
*** Model bi moral upoštevati začetno številčnost elementov.
*** Model bi moral upoštevati opaženo obsežno strukturo vesolja.
*** Model bi moral upoštevati opaženo ozadje ozadja.
Promocijski video:
Kratka zgodovina vesolja. Edinstvenost, kot jo vidi umetnik (fotografija)
Na kratko si oglejmo splošno sprejeto teorijo o nastanku in zgodnjem razvoju vesolja, ki jo podpira večina znanstvenikov. Danes teorija velikega poka pomeni kombinacijo modela vročega vesolja z velikim pokom. In čeprav so ti koncepti najprej obstajali neodvisno drug od drugega, je bilo zaradi njihove združitve mogoče razložiti začetno kemijsko sestavo vesolja in prisotnost relikvijskega sevanja.
Po tej teoriji je vesolje nastalo pred približno 13,77 milijardami let iz nekega gostega ogrevanega predmeta - edinstvenega stanja, ki ga je v sodobni fiziki težko opisati. Problem kozmološke singularnosti je med drugim v tem, da pri opisovanju večina fizikalnih veličin, kot sta gostota in temperatura, teži k neskončnosti. Hkrati je znano, da bi se morala entropija (mera kaosa) pri neskončni gostoti nagibati k nič, kar ne sovpada z neskončno temperaturo.
Evolucija vesolja
*** Prvih 10 v -43 sekundah po velikem poku se imenuje stopnja kvantnega kaosa. Narava vesolja na tej stopnji obstoja nasprotuje opisu v okviru nam znane fizike. Prišlo je do razpada neprekinjenega enojnega prostora-časa na kvante.
*** Planckov trenutek - trenutek konca kvantnega kaosa, ki pade na 10 v -43 sekundah. V tem trenutku so bili parametri vesolja enaki Planckovim vrednostim, kot je Planckova temperatura (približno 1032 K). V času Planckove dobe so bile vse štiri temeljne interakcije (šibke, močne, elektromagnetne in gravitacijske) združene v eno vrsto interakcije. Planckovega trenutka ni mogoče šteti za določeno dolgo obdobje, saj sodobna fizika ne deluje s parametri, ki so manjši od Planckovih.
*** Stopnja inflacije. Naslednja stopnja v zgodovini vesolja je bila stopnja inflacije. V prvem trenutku inflacije se je gravitacijsko medsebojno delovanje ločilo od enotnega supersimetričnega polja (ki je prej vključevalo polja temeljnih interakcij). V tem obdobju ima snov negativni tlak, kar povzroči eksponentno povečanje kinetične energije vesolja. Preprosto povedano, v tem obdobju je vesolje začelo zelo hitro nabrekniti in proti koncu se energija fizikalnih polj pretvori v energijo navadnih delcev. Na koncu te faze temperatura snovi in sevanja znatno naraste. Skupaj s koncem stopnje inflacije izstopa močna interakcija. Tudi v tem trenutku nastane barionska asimetrija vesolja.
[Barionova asimetrija vesolja je opaženi pojav prevlade snovi nad antimaterijo v vesolju]
*** Stopnja prevlade sevanja. Naslednja stopnja v razvoju vesolja, ki vključuje več stopenj. Na tej stopnji se temperatura vesolja začne zniževati, nastajajo kvarki, nato hadroni in leptoni. V dobi nukleosinteze pride do tvorbe začetnih kemičnih elementov, sintetizira se helij. Vendar sevanje še vedno prevladuje nad snovjo.
*** Obdobje prevlade snovi. Po 10.000 letih energija snovi postopoma presega energijo sevanja in pride do njihove ločitve. Snov začne prevladovati nad sevanjem, pojavi se reliktno ozadje. Prav tako je ločevanje snovi s sevanjem znatno povečalo začetne nehomogenosti pri porazdelitvi snovi, zaradi česar so začele nastajati galaksije in supergalaksije. Zakoni vesolja so prišli v obliko, v kateri jih danes upoštevamo.
Zgornja slika je sestavljena iz več temeljnih teorij in daje splošno predstavo o nastanku vesolja v zgodnjih fazah njegovega obstoja.
Od kod vesolje?
Če je vesolje nastalo iz kozmološke singularnosti, od kod potem ta singularnost? Na to vprašanje še ni mogoče natančno odgovoriti. Razmislite o nekaterih kozmoloških modelih, ki vplivajo na "rojstvo vesolja".
Ciklični modeli. Modeliranje otrobov (fotografija)
Ti modeli temeljijo na trditvi, da vesolje obstaja že od nekdaj in se sčasoma spreminja le njegovo stanje, ki prehaja iz širitve v kontrakcijo - in obratno.
*** Model Steinhardt-Turok. Ta model temelji na teoriji strun (M-teorija), saj uporablja objekt, kot je "brane".
[Bran (iz membrane) v teoriji strun (M-teorija) je hipotetični temeljni večdimenzionalni fizični objekt dimenzije, manjše od dimenzije prostora, v katerem se nahaja]
Po tem modelu se vidno vesolje nahaja znotraj tribrane, ki občasno, vsakih nekaj bilijonov let, trči z drugo tribrano, kar povzroči nekakšen Veliki pok. Nadalje se naša tribrana začne odmikati od druge in se širiti. Na neki točki ima prednost delež temne energije in hitrost širjenja tribrane se poveča. Kolosalno širjenje tako razprši snov in sevanje, da postane svet skoraj homogen in prazen. Na koncu pride do ponovnega trčenja treh brane, zaradi česar se naša vrne v začetno fazo svojega cikla in ponovno rodi naše "Vesolje".
*** Teorija Lorisa Bauma in Paula Framptona pravi tudi o ciklični naravi vesolja. Po njihovi teoriji se bo slednja po velikem poku razširila zaradi temne energije, dokler se ne bo približala trenutku "razpada" prostora-časa samega - Velikega razpoka. Kot veste, se v "zaprtem sistemu entropija ne zmanjšuje" (drugi zakon termodinamike). Iz te izjave izhaja, da se vesolje ne more vrniti v prvotno stanje, saj se mora med takim postopkom entropija zmanjšati. Vendar je ta problem rešen v okviru te teorije. Po teoriji Bauma in Framptona se vesolje, tik pred Velikim razpokom, razkroji na številne "zaplate", od katerih ima vsaka precej majhno vrednost entropije. Ti "ostanki" nekdanjega vesolja, ki doživljajo vrsto faznih prehodov, porajajo snov in se razvijajo podobno kot prvotno vesolje. Ti novi svetovi medsebojno ne vplivajo, saj se razpršijo s hitrostjo, večjo od svetlobne. Tako so se znanstveniki izognili kozmološki singularnosti, s katero se po večini kozmoloških teorij začne rojstvo vesolja. To pomeni, da na koncu svojega cikla Vesolje razpade na številne druge nevezajoče se svetove, ki bodo postali nova vesolja.
*** Konformna ciklična kozmologija je ciklični model Rogerja Penrosea in Vahagna Gurzadyana. V skladu s tem modelom lahko vesolje vstopi v nov cikel, ne da bi kršilo drugi zakon termodinamike. Ta teorija temelji na predpostavki, da črne luknje uničijo absorbirane informacije, kar nekako "zakonito" zniža entropijo vesolja. Nato se vsak tak cikel obstoja vesolja začne z videzom Velikega poka in konča z singularnostjo.
Drugi modeli nastanka vesolja
Med drugimi hipotezami, ki pojasnjujejo videz vidnega vesolja, sta najbolj priljubljeni naslednji dve:
*** Kaotična teorija inflacije - teorija Andreya Lindeja. Po tej teoriji obstaja določeno skalarno polje, ki je v celotnem obsegu nehomogeno. To pomeni, da ima skalarno polje v različnih regijah vesolja različen pomen. Nato se na območjih, kjer je polje šibko, nič ne zgodi, medtem ko se območja z močnimi polji zaradi njegove energije začnejo širiti (inflacija) in tako tvoriti nova vesolja. Ta scenarij pomeni obstoj številnih svetov, ki niso nastali hkrati in imajo svoj nabor osnovnih delcev in posledično naravne zakone.
*** Teorija Leeja Smolina - predpostavlja, da Veliki pok ni začetek obstoja vesolja, temveč le fazni prehod med obema državama. Ker je vesolje pred Velikim pokom obstajalo v obliki kozmološke singularnosti, ki je po naravi blizu singularnosti črne luknje, Smolin trdi, da bi lahko vesolje nastalo iz črne luknje.
Obstajajo tudi vzorci, v katerih vesolja nenehno prihajajo, se odcepijo od staršev in najdejo svoje mesto. Poleg tega sploh ni nujno, da se v takih svetih vzpostavljajo enaki fizični zakoni. Vsi ti svetovi so "ugnezdeni" v en sam prostor-časovni kontinuum, vendar so tako razmaknjeni, da nikakor ne čutijo prisotnosti drug drugega. Na splošno koncept inflacije omogoča - še več, prisili! - verjeti, da je v velikanskem megakosmosu veliko osamljenih vesolj z različnimi ureditvami.
Kljub temu, da ciklični in drugi modeli odgovarjajo na številna vprašanja, katerih odgovorov teorija velikega poka ne more dati, vključno s problemom kozmološke singularnosti. Kljub temu pa skupaj z inflacijsko teorijo Veliki pok bolj natančno razloži izvor vesolja in se z mnogimi opazovanji tudi zbliža.
Danes raziskovalci še naprej intenzivno preučujejo možne scenarije nastanka vesolja, vendar da bi neizpodbitno odgovorili na vprašanje "Kako se je vesolje pojavilo?" - verjetno ne bo uspelo v bližnji prihodnosti. Razloga za to sta dva: neposreden dokaz kozmoloških teorij je praktično nemogoč, le posreden; tudi teoretično ni mogoče dobiti točnih informacij o svetu pred velikim pokom. Iz teh dveh razlogov lahko znanstveniki postavljajo le hipoteze in gradijo kozmološke modele, ki bodo najbolj natančno opisali naravo vesolja, ki ga opazujemo.