Зародження Всесвіту

Безумовно, всі фундаментальні загадки людства, на кшталт як з 'явилося життя, що таке свідомість, що таке темна матерія та енергія, або що таке гравітація, всі вони походять з одного головного питання, як все почалося. Незважаючи на те, що теорії, які ми маємо зараз, стають дедалі складнішими та довершеними, все ще забагато таємниць залишаються нерозгаданими, коли мова йде про походження всесвіту.

Початкова сингулярність

У питанні зародження Всесвіту більшість науковців дійшли згоди що Всесвіт бере свій початок приблизно 13,8 млрд років тому. В результаті події - великого розширення утворилася вся матерія та енергія, а також фізичні закони, які керують ним і досі. Ця подія отримала назву теорія Великого Вибуху, так її назвав мабуть перший серйозний критик (Фред Гойл). Однак незважаючи на те, що назва їй прижилася, але вона не відповідає суті цього явища. Тим не менш - це найкраща теорія, яка поясення всьому, так як докази правильності цієї теорії дуже суттєві та переконливі.

Зокрема ми знаємо, що Всесвіт розширюється і таке розширення навіть прискорюється. До того ж науковці виявили тепловий відбиток Великого Вибуху, який називають мікрохвильовим фоном

Традиційно дана теорія стверджує, що наш Всесвіт розпочався з точки нескінченної щільності та температури. Цей крихітний об'єкт містив енергію всього, що коли небудь існуватиме, але в іншій формі. На жаль про стан речовини відомо вкрай мало, але також ця точка мала в собі містити також весь простір та час. Вчені називають цю точку - сингулярністю.

Спроба уявити цей об'єкт - не буде вдалою. Оскільки наш розум хоче розмістити її в конкретну частину простору в певний час. Але не варто шукати місця сингулярності, оскільки не було місця де її розмістити.

Також не можна говорити, що було до Великого Вибуху, оскільки ще не було такого поняття, як час. Все це з'явилося в результаті Великого Вибуху. Сингулярність - є першою і головною невирішеною проблемою теорії Великого Вибуху, адже існування об'єкта з такими дивними властивостями саме по собі звучить дивно. Нескінченна щільність та температура у скінченному часі фактично демонструє, що теорія відносності на основі, якої базується дана теорія не є кращим описом законів фізики саме в цей момент. Багато науковців схильні вважати, що без врахування ефектів квантової механіки буде помилково вважати, що насправді тоді відбувалося. Тому поки в нас немає об'єднаної теорії гравітації початкова сингулярність - є складною темою для розуміння.

Епоха Планка

Вважається, що все фундаментальне у нашому Всесвіту виникло саме на початку еволюції Всесвіту. Наприклад коли Всесвіту виповнилося 10^-43 секунд(від початку Великого Вибуху) він був найгарячішим та найщільнішим у своїй історії. Цей період називають епохою Планка на честь найменшою шкали вимірювання у фізиці частинок.

На цьому етапі 4 фундаментальні сили: електромагнітна, сильна та слабка ядерні сили, гравітація були об'єднані в одну. Детальний опис цього періоду все, ще чекає на опис теорії об'єднаної квантової теорії гравітації.

Епоха об'єднання

Епоха об'єднання тривала від 10^-43 до 10^-37 секунд. В цей період температура Всесвіту впала настільки, щоб гравітація змогла відокремитися від решти основних сил, а електромагнітна та сильна та слабка ядерні сили поки, що об'єдналися в електроядерну силу. Квантові ефекти поступово ставали слабшими, а закони загальної теорії відності почали домінувати.

Космічна інфляція

Приблизно через 10^-37 секунд після Великого Вибуху фазовий перехід спричинив те, що сьогодні вчені називають космічною інфляцією. Під час цієї події Всесвіт почав розширюватися із швидкістю, яка фактично не обмежувалася швидкістю світла.

Цей період був дуже короткий, але драматичним. Під час якого Всесвіт об'єм Всесвіту збільшився у 10^26 разів і це лише за 10^-33 секунди. Так дійсно можна подумати, що інфляція порушує спеціальну теорію відносності. Яка стверджує, що жодна енергія чи інформація не може перевищувати швидкість світла, але інфляція це розширення самого простору, а не матерії. А це узгоджується з математекою спеціальної теорії відносності.

В цю коротку епоху Всесвіт все, ще був заповнений випромінюванням. Однак перші елементарні частинки: кварки, електрони та нейтрино уже почали утворюватися.

Варто зауважити, що інфляція яку вперше запропонували у 80-х роках була створена для усунення недоліків теорії Великого Вибуху. Незважаючи на свою популярність ця теорія не пояснює чому Всесвіт такий рівний та однорідний і чому всі його частини почали розширення одночасно.

Інфлатонне поле

Однак Алан Гут помітив, що якби Всесвіт містив інфлатонне поле, то воно призвело до прискореного розширення Всесвіту. Дуже швидко стало зрозуміло, що таке розширення вирішить багато проблем теорії Великого Вибуху.

Ідея полягає в тому, що інфлатонне поле має велику потенційну енергію і якщо поле змінює свій стан, наприклад розпадається на вакуум вся ця потенційна енергія вивільняється.

Ця таємнича енергія повинна була згладжувати та прискорювати розширення Всесвіту таким чином, щоб ми його бачили рівним та однорідним. Але не потрібно путати інфлатонне поле із темною енергією, яка прискорює розширення Всесвіту зараз, хоча із значно меншими темпами. До того моменту, як темна енергія почне домінувати Всесвіту повинно буде потрібно пережити майже 8 млрд років еволюції.

Кварк-глюонна плазма

Після інфляції весь матеріал, який був утворений мав собою представляти кварк-глюонну плазму. Плазма - це коли складові атома не можуть триматися купи тобто електрони відділенні від ядра і рухаються окремо створюючи нову форму матерії. Найочевиднішим прикладом плазми - є блискавка.

Кварк-глюонна плазма це коли настільки гаряче, що цілісно не можуть триматися навіть складові протонів та нейтронів, а саме кварки та глюони, тобто це температура за якої протони та нейтрони буквально плавляться.

Саме такі умови були на початку Всесвіту, то ж у цьому м'яко кажучи гарячому супі утворювалися пари частинок та античастинок усіх видів (кварк-антикварк, електрон-позитрон і т.д.), які неминуче зіштовхувалися між собою, що призводило до їхньої анігіляції, тобто взаємному руйнуванню.

Однак можливо в якись момент відбулася невідома реакція, що порушила баланс між матерією та антиматерією. Зараз ми спостерігаємо перевагу матерії над антиматерії, але в космології насправді матерії повинно бути 0, так як речовина та антиречовина повинні створюватися в однаковій кількості. Так чи інакше ми бачимо, що чомусь цей баланс був порушений. Наприклад, кількість кварків та лептонів перевищила кількість анкварків та антилептонів приблизно на 1 частку на кожні 30 млн. В наслідок цього матерії більше ніж антиматерії.

Приблизно через одну секунду після Великого Вибуху температури та тиск впали настільки що почали об'єднуватися кварки та глюони, утворюючи протони та нейтрони. Однак Всесвіт продовжував розширюватися і уже не було достатньо матеріалу для утворення нових частинок, як результат все, що було створено раніше було знищено анігіляцією,залишивши тільки один протон та нейтрон із кожних 100 млн частинок, при цьому не залишивши жодної античастинки. Те ж саме відбулося із позитронами та електронами через секунду.

Завдяки цьому нейтрино нарешті змогло вирватися із плазми заряджених частинок і вільно подорожувати у космосі. Тоді, як фотони залишилися все, ще взаємодіяти із плазмою.

Нуклеосинтез Великого Вибуху

Минуло ще декілька хвилин і завдяки цьому температура впала приблизно до 1 млрд К. Завдяки цьому почали об'єднуватися протони та нейтрони. Це спричинило утворення перших хімічних елементів: водень, гелій та літій.

Протони завдяки своїй меншій масі виявилися дещо стабільніші за нейтрони. Насправді вільний нейтрон довго жити не може - період піврозпаду складає 15 хв, а протони наскільки відомо можуть взагалі не розпадатися. По цій причині такий хімічний елемент як водень є найпоширенішим у Всесвіті (74% всієї нормальної речовини) адже його ядро складається з одного протона якому не пощастило собі знайти в пару нейтрон.

Приблизно через 379 років суп заряджених частинок охолонув настільки що настала черга електронів об'єднуватися для формування повноцінних атомів, здебільшого атоми водню.

Коли існує велика кількість водню взаємодія між частинками та випромінювання різко змінюється. Завдяки цьому фотони звільнилися і почали безперешкодно блукати по космосу. Це дозволило плазмі випромінювати по всьому Всесвіту без перешкод. Ось чому так зване мікрохвильове фонове випромінювання часто називають миттєвим знімком космосу через 380 000 років після Великого Вибуху.

Космічні темні віки

Це найстаріше світло у Всесвіті, яке є основним і найбільшим аргументом на користь теорії Великого Вибуху. Але окрім цього світла іншим видів випромінювання ще не існувало. Тому на сотні мільйонів років Всесвіт поглинула темрява. Астрономи називають цей період космічними темними віками.

Попри те, що Всесвіт темний це не означає, що в ньому нічого не відбувалося. Дещо щільніші ділянки почали притягуватися одна до одної започаткувавши галактики. Речовина в середині галактик почала стискатися поки тиск та температура не досягла позначок, за яких став можливий термоядерний синтез. Так народилися перші зорі, а Всесвіт почав наповнюватися світлом.

Реонізація

Теорія передбачає, що перші зорі були масивніші за сучасні від десятків до сотні разів масивнішими, але сяяли тільки кілька мільйонів років перед тим, як вибухнути надновими. Ці зорі випромінювали жорстке ультрафіолетове випромінювання, яке розділило більшу частину водню на складові протони та електрони. Цей процес відомий як реонізація.

Іонізований на відміну від нейтрального прозорий для випромінювання. Завдяки іонізації великої частину Всесвіту, світло на різних довжинах хвиль змогло вільно подорожувати Всесвітом покидаючи дальні галактики і відкривати нам Всесвіт, який ми бачимо сьогодні.

Тим часом зірки у своїх ядра синтезували важкі хімічні елементи перед тим як вибухнути надновими. Завдяки цьому процесу важкі хімічні елементи розносилися по космосу, закладаючи основу для народження нових типів небесних об'єктів.

Власне наша Земля утворена з елементів, які колись були синтезовані в зірках. Тож сьогодні через 13,8 млрд років ми маємо холодний Всесвіт, який досі розширюється і робить це із прискоренням , як у період інфляції, але звісно на багато порядків повільніше.