Раждането на Вселената

Физиката на ранната Вселена е на границата между астрономия и философия. В момента не разполагаме с нито една пълна теория, обединяваща всички фундаментални сили на природата в момента на Сътворението. Освен това, не съществува възможност за наблюдения или експерименти, сързани с физиката на ранната Вселена за да могат да се проверят теориите – те се отхвърлят или приемат въз основа на интуитивни "естетични" (простота, красота) критерии и способността им да прогнозират явления.

Много хора мислят, че Големият взрив е експлозия на концентрирана материя и енергия във вече съществуващ вакуум. Всъщност, Големият взрив е общият източник на материята, пространството и времето от началната сингулярност, изцяло от нищо. При Големия взрив се разширява самото пространство като балон. Повърхността на балона няма нито център, нито край, както и четиримерният модел на Вселената. Времето и пространството не съществуват сами по себе си, а са неразделна част от физическия свят. Затова пространството и времето възникват заедно с раждането на физическия свят, преди него, време или пространство не са съществували. Въпросите "Какво е имало преди Големия взрив?" и "Какво има извън Вселената?" са безсмислени. Ние сме част от тази Вселена и е невъзможно да я изучаваме отвъд самата нея.

Разликата между експлозия и експанзия. Илюстрация: 2008 HowStuffWorks

Доказателство ли е Големият взрив за съществуването на Бог?

Теолозите посрещат с радост всякакви доказателства за наличието на начало на Вселената, виждайки в тях аргументи в полза на съществуването на Бог. По същата причина, преди време, естественият инстинкт на повечето учени ги кара да отхвърлят идеята, че Вселената има начало. Някои и сега прекалено охотно признават, че началото на Вселената не може да се опише с чисто научни средства. Да, наистина е трудно да се разбере как се е случило всичко, но привидната невъзможност често отразява само ограниченността на нашето въображение.

Все пак, разширяването на Вселената е доказан факт, не само теоретично, но и експериментално. Например анализът на червеното отместване на спектрите на видимото излъчване на галактиките, дължашо се на ефекта на Доплер, е едно безапелационно доказателство. Установено, че червеното изместване, а оттам и скоростта на отдалечаване на галактиките се увеличава с увеличаване на разстоянието до тях, т.е. по-далечните галактики се отдалечават от нас с по-голяма скорост от по-близките.

Фактът на разширяването, както и няколко преки последици в подкрепа на концепцията за Големия взрив:

• Реликтовото микровълново фоново лъчение (температура от 2,7 К)
• Високата разпространеност на хелий ( ~ 25% от общата маса)
• Съотношението между броя на фотоните и барионите (10⁹ : 1 в полза на фотоните) и др..

мощно подкрепят идеята за Големият взрив и тази теория в момента е трудно опровержима. Нещо повече, Големият взрив е общо начало едновременно на материята, енергията, пространството и времето.

Илюстрация:  "Planet Earth and Beyond"  by Relph, Dunlop et al, Newhouse , 1995

Но доказва ли това съществуването на Бог? Връзката е елементарна: ако Вселената има начало, то трябва да има Създател, някой, който да даде това начало.

В книгата си "Делюзията Бог", Ричард Докинс предлага на тези, които имат нужда от първопричина именно Големия взрив като първопричина.

В документалния филм от 2011 г. "Любопитство. Бог ли е създал вселената ?" (Curiosity. Did God Create the Universe?), Стивън Хокинг обяснява защо Вселената не може да има Творец:

"Вие не може да се върнете преди времето на Големия взрив, защото преди него не е имало време. Ние най-накрая намерихме нещо, което няма причина, тъй като преди него не е имало време, в което тя не би могла да съществува. За мен това означава невъзможност на съществуването на Създателя, защото той не разполага с време. Тъй като времето се появява едва в момента на Големия взрив, събитието не може да бъде създадено от някого или нещо. Така, науката ни дава отговора, чието търсене отне повече от три хиляди години огромни човешки усилия. "

Основните етапи на Големия взрив

Ще е интересно да проследим еволюцията на Вселената от най-ранните ѝ етапи – до възникването на реликтовото микровълново фоново лъчение (300 хил. години след Началото). Ето какви са те в рамките на Стандартния модел на Големия взрив:

Сингулярност

От факта на разширяването на Вселената следва, че преди е била по-малка и така, отивайки назад във времето стигаме до момент, в който всичко трябва да е било само една точка, наречена сингулярност. Тя ще е с безкрайна плътност и безкрайна температура, след като цялата маса и енергия на Вселената е набутана в точка с нулев обем. 

Сингулярността, ако се наблюдава, ще създаде парадокса на безкрайните сили…	така, сингулярността има само математически смисъл и не може да същестува физически според принципа на космическата цензура на Пенроуз. Около подобни места, като вътрешните области на черните дупки, скрити от наблюдатели, се очертава хоризонт на събитията, зад който събитията са ненаблщдаеми, това е защита на наблюдателя от сингулярността.

Вселената в началото на Големия взрив, според теорията, е изключително плътна и изключително гореща, но се разширява бързо, което я прави все по-малко плътна и по-студена.

Границите на Планк. Квантов хаос

Времето на Планк настъпва в t_п ~ 10^-43 с, тогава Вселената има размер дължината на Планк L_п  =10^-33 cm и температура T_п = 10³²К. Защо тези параметри определят толкова важна граница?

Съвременната наука не може да описва събития при t < t_п  и разстояния L < L_п . Тогава условията са толкова необичайни, че не може към тях да се прилагат дори конвенционалните идеи за пространство и време.

Планковото време е най-ранният момент в историята на Вселената, преди който не работи познатата ни физика. По същия начин, това е най-краткият отрязък от време, който е достъпен за изследване със съвременните познания по физика.

Според квантовата механика, всяка частица има вълнова функция и върху всяка частица въздейства гравитационна сила. Но когато частиците са достатъчно близо, така че вълновите функции се припокриват, смисълът на гравитацията се губи.

От специалната теория на относителността знаем, че скоростта на светлината е скоростта на прехвърляне на информация. Така че ние нямаме информация за времеви скали, по-малки от дължината на Планк, разделена на скоростта на светлината (около 10-33 cm).

Времеви интервали по-малки от t_п не съществуват, в такива малки времеви интервали губят смисъла си понятията "преди" и "’след". В тези предели съществуват своеобразни флуктуации на пространство-времето – възниква като че ли "пяна" от кванти на пространство-времето - квантов хаос. Квантовите флуктуации при t < t_п ( 10^-43 с) са по всяка вероятност, причината за възникването на едномащабната структура на Вселената.

Квантовата физика има смисъл за размери над около 10-33 cm . Този размер е много по-малък, отколкото атомно ядро. Този мащаб е най-малката скала от квантовата физика, той определя сферата на Шварцшилд от общата теория на относителността, която "защитава" наблюдателя от сингулярността. По време на ерата на Планк, Вселената може да се опише най-добре като квантовата пяна.

Вселената вероятно произлиза от неопределено море от потенциалност, което наричаме квантов вакуум, чиито свойства могат завинаги да останат извън нашето разбиране.

До този момент, всички четири фундаментални взаимодействия – гравитационно, слабо, електромагнитно и силно, са обединени в едно универсално супернесиметрично взаимодействие.

Една от причините знанията на нашата физика да са непълни за времето на Планк е била липсата на разбиране за обединението на силите на природата. Естеството на самия взрив започва да се разкрива относително отскоро и става предмет на теорията на инфлацията, разработена в началото на 1980 г. от Алън Гът(Alan Guth), Андрей Линде (Andrei Linde) и др.

Гът предлага идеята, че за разширяването на Вселената се дължи на отблъскваща гравитация. Той предположил, че ранната Вселена, се е състояла от една много необичайна материя, която е довела до най-мощните сили на гравитационно отблъскване - фалшивия вакуум.

Обединителни теории

Според стандартната концепция на космологията, теорията за Големия взрив, нашата Вселена възниква от екстремно състояние на физическия вакуум, генериращо квантови флуктуации. В това състояние, няма нито време, нито пространство или са забъркани в пространство-времева пяна.

При високи енергии и температури (каквито се предполага, че е имало в допланковата ера), всички взаимодействията стават симетрични, т.е. – уеднаквят се, всички фундаментални физически взаимодействия се сливат. Вселената е в едно единно симетрично състояние и всички взаимодействия са били обединени в една единна изначална суперсила.

В теорията за Великото обединение това състояние фигурира като група на симетрия SO(5). След време, с понижението на енергията, Вселената преминава през последователни фазови преходи, при които от обединеното взаимодействие се отцепват отначало гравитационното взаимодействие, след това силното и накрая електрослабото взаимодействие се разпада на слабо и електромагнитно.

При някаква температура, значително по-висока от 10¹⁶K и значително по-рано от 10⁻¹²cек. след Големият взрив, симетрия SO(5) се нарушава и се понижава до симетрия SU(2) или SO(3) за силното взаимодействие и SU(2)×U(1) или SO(2) за електрослабото.

Някъде до 10 ^-11 секунди след Големия взрив полето на Хигс е прониквало равномерно и изотропно през цялата Вселена и после,  скоро след края на инфлацията, при температура, съответстваща на около 250 Gev, настъпва спонтанно нарушаване на симетрията на електрослабото взаимодействие и някои безмасови частици се превръщат в масивни.

Фалшив вакуум

Ключова роля в теорията на Алън Гът играе така наречения "фалшив вакуум".

Както вече съм споменавала в Какво трябва да е бозонното поле на Хигс?, под вакуум съвременната физика разбира не просто празно пространство, а физически обект, притежаващ енергия, който може да бъде в различни състояния,.

Видът на елементарните частици, масата и взаимодействиета им се определят от техния вакуум. Връзката между частици и вакуум е подобна на връзката, която съществува между звуковите вълни и материала през който се разпространяват. Вакуумът, в който живеем, е в най-ниско енергийно състояние, тя се нарича "истински вакуум".

Фалшивият вакуум възниква естествено в теориите, в които има скаларни полета като полето на Хигс например. Той е типичен за полето на Хигс, за него енергийната плътност е минимална не когато полето изчезва (е нулево), а при някаква ненулева стойност на полето.

Фалшивият вакуум е локален минимум, той не е най-ниското енергийно състояние, въпреки че може да остане стабилен за известно време. Енергията Е е по-висока от състоянието на истински вакуум (основно състояние), но потенциалната бариера предотвратява прехода. Така преминаването е възможно само при квантово тунелиране.Това тунелиране може да бъде причинена от квантови флуктуации или създаването на по-високо-енергийни частици

В началото на Вселената, високото налягане и температура напълно изключва всякаква стабилност на елементарните частици. Когато дори основните градивни елементи на природата – елементарните частици не са обособени като стабилни обекти, а и също самото пространство-време не се е формирало, то тогава можем да кажем, че Вселената е свръхсиметрична.

И това ще е така, докато Вселената се охлади, но вече след свръхгравитационната фаза и след спонтанното нарушение на симетрията.

Гравитационната сила, която предизвиква фалшивия вакуум, колкото и да е странно – е отблъскваща сила. Колкото по-голяма енергия има вакуума, толкова е по-силно отблъскваща. Под ‘фалшив’ трябва да се разбира, че този вид вакуум е нестабилен. Той се разпада на по-нискоенергиен вакуум, а излишната енергия отива за производство на гориво на огненото кълбо от частици и радиация.

Квантово-механичното тунелиране се случва, когато една квантова система спонтанно се преминава от едно състояние в друго състояние с по-ниска енергия, при наличие на енергийна бариера, придружено с излъчване на излишъка от енергия.

Фазовият преход в квантовата теория на полето често се описва като избор на ново вакуумно състояние, като състоянието "’тунелира" от фалшив вакуум в друг вакуум.

Вселенският вакуум може да съществува в състояние на висока енергия, но може да съществува и в състояние на по-ниска енергия. Вселената може се окаже "заключена" в едно високо енергийно състояние на вакуума и да остане в това състояние дълъг период от време, когато енергийната бариера пречи на незабавния преход към по-ниско енергийно състояние. Такава конфигурация се нарича метастабилно състояние, защото е стабилна за кратки периоди от време, но всъщност в крайна сметка се оказва нестабилна и рано или късно се разпада. Преходите към състояние с по-ниска енергия е не само възможно, но и неизбежно се появят, при достатъчно време.

Етапи на разрушаване на симетрията

Всеки етап от еволюцията на Вселената започва с метастабилно състояние и завършва със спонтанна загуба на симетрията, разделяйки състоянието на фалшив и истински вакуум и преминавайки в последствие чрез квантово тунелиране отново в метастабилно състояние, но на по-ниско енергийно ниво.

Източник:

"Many Worlds in One: The Search for Other Universes", А. Виленкин

Принцип заурядности, Александр Виленкин, Институт космологии, кафедра физики и астрономии Университет Тафтса, Медфорд, штат Массачусетс 02155, США

Астрономические доказательства существования библейского Бога, Хью Росс, Доктор астрофизики

Космическая инфляция: ненавязчивое введение, А. Виленкин "Many Worlds in One: The Search for Other Universes"

Космическая инфляция: проблема изящного выхода и её изящное решение

Cosmology, lectures, James Schombert v6.3 Department of Physics University of Oregon

Symmetry Breaking, lectures, James Schombert v6.3 Department of Physics University of Oregon

ИНФЛЯЦИЯ ОДИН ИЗ ФРАГМЕНТОВ ПЕРВОЙ МИКРОСЕКУНДЫ ЖИЗНИ ВСЕЛЕННОЙ СЫГРАЛ ОГРОМНУЮ РОЛЬ В ЕЕ ДАЛЬНЕЙШЕЙ ЭВОЛЮЦИИ, АЛЕКСЕЙ ЛЕВИН

Дозвездная стадия эволюции вселенной, Web – версия учебного пособия Б.C. Ишханов, И.М. Капитонов, И.А. Тутынь "Нуклеосинтез во вселенной"

Елементи на съвременната космология, 2004 Г. ИВАНОВ, СУ, БАКАЛАВЪРСКИ КУРС – СПЕЦИАЛНОСТ ФИЗИКА

Космология, Надя Кискинова, Център за слънчев и слънчево-земен мониторионг – Стара Загора:

Фред Адамс, Грег Лафлин ПЯТЬ ВОЗРАСТОВ ВСЕЛЕННОЙ: