Теорія Великого вибуху описує, як виник Всесвіт і які події передували цьому великому моменту.

Дослідники підтвердили, що все почалося з потужного вибуху мільярди років тому, проте багато аспектів цього процесу все ще залишаються таємницею.

Протягом століть людство безперервно шукало відповіді на питання про початок всього сущого. Яким чином виник Всесвіт? За останні сто років науковці змогли дати пояснення: його створення стало наслідком Великого вибуху. Ця концепція описує грандіозний вибух, що відбувся приблизно 13,8 мільярдів років тому. Лише за мить після цього події, Всесвіт виріс з величини, що дорівнює бактерії, до масштабів Чумацького Шляху. На початковому етапі Всесвіт був неймовірно гарячим і щільним. Але як вчені змогли підтвердити цю теорію? Про це розповідає Phys.

Фокус. Технології запустив власний Telegram-канал! Приєднуйтесь, щоб бути в курсі найактуальніших та найцікавіших новин з галузі науки!

Теорія про те, що все почалося з Великого вибуху, яка виникла на початку 20 століття, не знайшла масового визнання. Але потім з'явилися докази того, що космос розширюється і що Всесвіт існує приблизно 13,8 млрд років.

У 1964 році Арно Пензіас і Роберт Вілсон виявили особливий тип випромінювання, який заповнює весь космос -- реліктове випромінювання. Це свого роду залишкове світло Великого вибуху, що виникло, коли космосу було 380 000 років. Саме реліктове випромінювання допомогло з'ясувати, що на початку Всесвіт був дуже гарячим і дуже щільним.

На сьогоднішній день фізики усвідомлюють, що в перші миті після Великого вибуху чотири основні сили природи, які ми знаємо сьогодні, спочатку були злиті в єдину. Це стосується гравітаційної сили, електромагнетизму, а також сильної і слабкої взаємодій.

У міру розширення Всесвіту і зниження його температури відбулися зміни, відомі як фазові переходи, коли одна фундаментальна сила була розділена на чотири. За кілька мільярдних часток секунди після Великого вибуху, як показують експерименти на прискорювачах частинок, відбулося розділення електромагнітної та слабкої взаємодії. Саме тоді вся матерія у Всесвіті набула своєї маси.

У найраніші етапи існування Всесвіту панувала незвична форма матерії, відома як кварк-глюонна плазма. Ця субстанція складалася з кварків і глюонів — елементарних частинок, які відіграють ключову роль у сильній взаємодії. У сучасному світі кварки та глюони з'єднані між собою, формуючи протони і нейтрони, які є основними компонентами атомів. Однак в умовах гарячого та густого раннього Всесвіту ці частинки існували в роз'єднаному стані.

Кварк-глюонна плазма існувала лише мить. Лише через кілька мільйонних часток секунди після Великого вибуху кварки і глюони злилися, утворивши протони і нейтрони, які продовжують існувати до сьогодні.

У міру більшого охолодження і розширення Всесвіту виник нуклеосинтез Великого вибуху. Тоді зі щільної метрії, що складалася і з протонів, і з нейтронів, виникли перші ядра атомів унаслідок термоядерного синтезу.

Вчені не мають безпосередніх доказів того, що існувало до розділення електромагнітної та слабкої взаємодії, і це питання залишається загадкою, пов'язаною з Великим вибухом.

Вважається, що в самому зародку всесвіту існувала особлива точка, що містила безмежну щільність матерії та енергії — це явище відоме як сингулярність.

Відповідно до загальної теорії відносності, гравітація виникає внаслідок викривлення простору-часу. Проте дослідження вчених виявили, що у Всесвіті існують області, де кривизна простору-часу може досягати безмежних значень. Ці сингулярності розташовані в центрах чорних дір і у таких точках застосування рівнянь загальної теорії відносності стає неможливим.

У період з 1965 по 1966 рік британські вчені Стівен Гокінг і Роджер Пенроуз розробили теорії, які доводять, що розширюваний простір-час Всесвіту виникає з сингулярності у минулому, що відповідає сингулярності Великого вибуху.

Простір та час виникають у момент сингулярності Великого вибуху, тому важко визначити, що сталося до цього події. З іншого боку, є думка, що поняття "до" не має сенсу, оскільки Великий вибух слугує стартом для вимірювання часу.

Загальна теорія відносності не охоплює всі аспекти Всесвіту, тому на субатомному рівні його поведінку визначає квантова теорія. У протилежність класичній фізиці, де за конкретними початковими умовами слідує однозначний результат, квантова фізика вводить поняття ймовірності. Це свідчить про те, що одні й ті ж початкові умови у Всесвіті можуть призводити до різних результатів.

У переважній більшості випадків гравітація добре описується класичною фізикою. Класичний простір-час гладкий. Але, коли кривизна стає екстремальною, поблизу сингулярності, то квантову природу гравітації не можна ігнорувати. Тут простір-час більше не гладкий, а вузлуватий.

Таким чином, поблизу сингулярності Великого вибуху структура простору-часу перестає бути гладкою. Математичні розрахунки припускають, що простір-час стає переповненим петлями і бульбашками. Це називається просторово-часовою піною.

У багатовимірному просторі-часу концепція причинності не має застосування, оскільки тут можуть існувати замкнуті часові петлі, де майбутнє події стає її минулим. У такій ситуації результат може також виступати в ролі причини. Імовірнісний характер квантової теорії вказує на те, що при рівномірному розподілі ймовірностей всі результати мають однакову ймовірність, що ускладнює традиційне розуміння причинно-наслідкових зв'язків.

Отже, під час сингулярності Великого вибуху квантові гравітаційні ефекти виходять на перший план, а причинні зв'язки перестають бути релевантними. Час втрачає свою лінійну структуру, перетворюючись на щось згорнуте, хаотичне та випадкове, що ускладнює перехід від минулого до майбутнього. Це вказує на те, що питання "чому стався Великий вибух?" втрачає свою значущість, оскільки в умовах, де причинність не діє, події можуть відбуватися без необхідності наявності причини.

Для того щоб осягнути механізми фізики в умовах сингулярності, наприклад, під час Великого вибуху, необхідна теорія, що пояснює взаємодію гравітації з квантовими явищами. Нажаль, такої теорії наразі не існує.

То як же класичний Всесвіт вирвався із просторово-часової піни? Це сталося завдяки космічній інфляції, тобто періоду прискореного розширення в ранньому Всесвіті.

Відповідно до спостережень, інфляційний процес перетворив Всесвіт на величезну і однорідну структуру. Більше того, інфляція створила природний механізм, який сприяв виникненню початкових нерівностей у щільності Всесвіту, що є необхідними для утворення галактик та їх скупчень.

Фізики виявили, що якщо в певному регіоні простору-часу, що підлягає коливанням — подібно до просторово-часової піни, виникають умови для інфляції, то цей регіон починає розширюватися та переходити до класичних фізичних принципів. Інфляційний процес виступає як логічне продовження хаотичних початкових умов, що існували в ранньому Всесвіті.

Спостереження астрономів за реліктовим випромінюванням припускають, що початковий імпульс інфляції є вибуховим, оскільки розширення є експоненціальним під час інфляції. Тобто це механізм руху, який можна назвати Великим вибухом.

Цей вибух насправді представляє собою етап стрімкого розширення, відомий серед фізиків як космічна інфляція. Але що ж сталося до цього процесу? Чи можна це охарактеризувати як просторово-часову сингулярність, чи, можливо, як просторово-часову пінистість? Відповідь на це питання залишається в значній мірі невідомою.

Як уже писав Фокус, астрономи побачили в глибокому космосі "вовка, що гарчить". Деякі астрономічні об'єкти мають дуже незвичайну форму, яка іноді нагадує, зокрема, і хижаків, що живуть на Землі.