Үлкен жарылыс теориясы және Әлемнің пайда болуы
Әлемнің қайдан пайда болғаны туралы сұрақ мыңдаған жылдар бойы адамдарды баурап алды. Ежелгі мифтерден бастап қазіргі ғылыми зерттеулерге дейін «басталуына» деген қызығушылық ешқашан басылған емес. Космологияда бүгінгі таңда ең кең таралған түсініктеме - Үлкен жарылыс теориясы, яғни әлем өте ыстық және тығыз күйде басталып, содан кейін біз бүгін байқайтын ғарышқа айналды деген идея. «Жарылыс» сөзі жиі қолданылғанымен, Үлкен жарылыс бос кеңістіктегі жарылыс емес, керісінше кеңістіктің өзінің кеңеюі болды.
Үлкен жарылыс теориясы дегеніміз не?
Үлкен жарылыс теориясы бойынша, ғалам шамамен 13,8 миллиард жыл бұрын өте жоғары температура мен тығыздықта болған. Осы бастапқы жағдайлардан кеңістік-уақыт кеңейіп, материя мен энергия суып, элементар бөлшектер, атомдар, жұлдыздар, галактикалар және тіпті алып ғарыштық құрылымдар пайда болды.
Түсіну маңызды: Үлкен жарылыс міндетті түрде «бұрын не болды» немесе «неге ештеңе емес, бірдеңе болды» деген сұрақтарға жауап бермейді. Ол негізінен бақылау дәлелдеріне сүйене отырып, ғаламның өте ыстық және тығыз ерте кезеңінен қалай эволюцияланғанын түсіндіреді.
Үлкен жарылыс идеясының пайда болуы: теориядан дәлелдерге дейін
Қазіргі Үлкен Жарылыстың бастамашысы Альберт Эйнштейннің жалпы салыстырмалылық теориясымен (1915) тығыз байланысты, ол динамикалық әлемнің (кеңейу немесе тарылу) болуына мүмкіндік береді. 1920 жылдары астроном Эдвин Хаббл алыс галактикалардың бізден алыстап бара жатқанын анықтады, бұл жарық спектріндегі қызыл ығысумен көрінеді. Бұл жаңалық түбегейлі қорытындыға әкелді: әлем кеңейіп келеді.
Егер ғалам бүгін кеңейіп жатса, онда уақытты «кері айналдырсақ», ғалам бұрын тығызырақ және ыстықырақ болар еді. Үлкен жарылыс құрылымы осы жерде берік орын алады.
Үлкен жарылыстың үш негізгі дәлелі
Үлкен жарылыс теориясы философиялық тұрғыдан тартымды болғандықтан емес, кейбір негізгі бақылау дәлелдерімен расталғандықтан кеңінен қабылданды.
1. Әлемнің кеңеюі (Хаббл заңы)
Хаббл галактиканың қашықтығы мен оның шегіну жылдамдығы арасындағы байланысты анықтады. Галактика неғұрлым алыс болса, оның қызыл ығысуы соғұрлым жоғары болады. Бұл құбылыс кеңістіктің кеңеюімен қарапайым түрде түсіндіріледі. Жалпы ұқсастық - үрленген шардағы нүктелер: нүктелердің бетімен «жылжуы» орнына, шардың беті созылып, барлық нүктелердің бір-бірінен алыстауына әкеледі.
2. Ғарыштық микротолқынды фон сәулеленуі (ҒМС)
1965 жылы Арно Пензиас пен Роберт Уилсон аспанның барлық жағынан келетін микротолқындардың «сықырын» байқады. Кейінірек бұл Ғарыштық микротолқынды фон (ҒМФ) деп түсінілді — материя мен жарық алғаш рет «бөлінген» жас ғаламның ыстық қалдығы.
CMB – ғаламның бір түрі «сәби суреті»: қазір өте салқын сәулелену (шамамен 2,7 Кельвин), себебі ғалам миллиардтаған жылдар бойы кеңейіп, суыды. CMB-нің болуы ғаламның бір кездері ыстық және тығыз болғанының ең күшті дәлелдерінің бірі.
3. Жарық элементтерінің көптігі
Үлкен жарылыс теориясы басталғаннан кейінгі алғашқы минуттарда нуклеосинтез процесі жүріп, сутегі, гелий және аз мөлшерде литий сияқты жеңіл элементтер пайда болғанын болжайды. Астрономиялық бақылаулар гелий мен дейтерийдің көптігін көрсетеді, бұл болжамға сәйкес келеді. Бұл ғаламның шынымен де ғарыштық масштабтағы ядролық реакцияларға мүмкіндік беретін ыстық фазаны бастан кешіргені туралы идеяны күшейтеді.
Үлкен жарылыс дәуіріне сәйкес Әлемнің қысқаша хронологиясы
Әлемнің шығу тегін түсіну үшін космологтар бөлшектер физикасына, салыстырмалылық теориясына және бақылау деректеріне негізделген әңгіме құрастырады. Қысқаша мазмұны:
1. Өте ерте кезең: Әлем өте жоғары энергиялы күйде болды. Бұл масштабтағы физика әлі де күрделі болып қала береді, себебі ол «кванттық гравитацияның» толық емес теориясын талап етеді.
2. Ғарыштық инфляция (гипотеза): Көптеген модельдер ғаламның өте қысқа мерзімде өте жылдам кеңеюіне ұшырағанын көрсетеді. Инфляция ғаламның үлкен масштабта неге соншалықты біркелкі көрінетінін және кеңістіктің геометриясы неге тегіс болып көрінетінін түсіндіруге көмектеседі.
3. Элементар бөлшектердің пайда болуы: Ғалам кеңейген сайын суыды, нәтижесінде энергия кварктар, электрондар және нейтриноларды қоса алғанда, бөлшектерге айналды.
4. Үлкен жарылыс нуклеосинтезі (шамамен бірінші минутта): Протондар мен нейтрондар жеңіл ядроларды түзу үшін бірігеді.
5. Рекомбинация және CMB-ның пайда болуы (шамамен 380 000 жыл): Электрондар ядролармен бірігіп, бейтарап атомдарды түзеді, бұл ғаламды жарық үшін мөлдір етеді; сол кезде бөлінетін сәулеленуді біз қазір CMB ретінде көріп отырмыз.
6. Ғарыштық қараңғы ғасырлар: Алғашқы жұлдыздар пайда болғанға дейін ғаламда бейтарап газ болған және жарқын жарық көздері болмаған.
7. Алғашқы жұлдыздар мен галактикалар (жүздеген миллион жылдар): Тартылу күші материяны жинап, жұлдыздардың, содан кейін галактикалардың пайда болуын тудырады.
8. Ғарыштық құрылымдардың эволюциясы: Галактикалар шоғырларды, жіпшелерді және ғарыштық қабырғаларды құрайды; жұлдыздар бірігу және аса жаңа жұлдыздардың жарылуы арқылы ауыр элементтерді жасайды.
9. Күн жүйесінің қалыптасуы (шамамен 4,6 миллиард жыл): Алдыңғы буын жұлдыздарынан шыққан ауыр элементтер Жерді қоса алғанда, планеталарды құрады.
Қараңғы материя және қараңғы энергия: космологияның ұлы жұмбақтары
Үлкен жарылыс көп нәрсені түсіндіргенімен, ғалам шын мәнінде біз ойлағаннан да ерекше. Бақылаулар көрсеткендей, қарапайым материя (атомдар) ғаламның жалпы энергия мөлшерінің тек 5%-ын ғана құрайды. Қалғаны мыналардан тұрады:
– Қараңғы материя: Жарық шығармайды, бірақ оның гравитациялық әсері галактикалардың айналуында және ғарыштық құрылымдардың пайда болуында көрінеді.
– Қараңғы энергия: Әлемнің кеңеюін жеделдететін сияқты жұмбақ компонент.
Бұл екі компонент Үлкен жарылысты жоққа шығармайды; шын мәнінде, олар қазіргі заманғы космологиялық модельдің (көбінесе ΛCDM моделі деп аталады) маңызды бөлігі болып табылады. Дегенмен, олардың шынайы табиғаты физикадағы ең үлкен сұрақтардың бірі болып қала береді.
Үлкен жарылыс «абсолютті бастама» дегенді білдіре ме?
«Түпнұсқа» термині көбінесе абсолютті бастапқы нүкте ретінде түсініледі. Бірақ космологияда «Үлкен жарылысқа дейін не болды» деген сұрақ онша қарапайым емес. Жалпы салыстырмалылық теориясында, егер біз уақыттың артындағы кеңеюді бақыласақ, кеңістік-уақыттың тығыздығы мен қисықтығы шексіз болатын «сингулярлық» деп аталатын шартқа жақындаймыз. Көптеген ғалымдар сингулярлықтарды біздің теориямыздың толық емес екендігінің белгісі деп санайды, «басталу» анықталмаған нүкте болуы керек екендігінің дәлелі емес.
Бірнеше балама немесе толықтырушы идеялар зерттелуде, мысалы:
– Циклдік әлем (бірнеше рет кеңейіп және тарылып отырады),
– Үлкен секіру (алдыңғы жиырылу кезеңінен секіру),
– Көпғаламшарлық (біздің ғаламымыз көптеген ғарыштық «көпіршіктердің» бірі).
Дегенмен, мынаны ескеру маңызды: бұл модельдер әлі де Үлкен жарылыстың тіректері сияқты күшті бақылау дәлелдерінің қолдауына мұқтаж.
Неліктен Үлкен жарылыс теориясы маңызды?
Үлкен жарылыс теориясы тек өткен туралы әңгіме емес. Ол түсінуге негіз береді:
– галактикалар неліктен алыстап барады,
- химиялық элементтер қайдан пайда болады;
– ірі құрылымдар қалай қалыптасады,
– және физика заңдары ең үлкен масштабта қалай жұмыс істейді.
Екінші жағынан, Үлкен жарылыс адамзат білімінің шегін де көрсетті: алғашқы секундтарда біз жаңа теорияларды талап ететін экстремалды физикамен бетпе-бет келдік. Қазіргі заманғы космология астрономия, бөлшектер физикасы, математика және ғылым философиясының кездесетін орны болып табылады.
Жабу
Үлкен жарылыс теориясы - ғаламның ыстық, тығыз ерте кезеңінен бастап эволюциясының ең сенімді ғылыми түсіндірмесі. Әлемнің кеңеюі, ғарыштық микротолқынды фонның болуы және жарық элементтерінің көптігі туралы дәлелдер қазіргі заманғы телескоптардың бақылауларымен нығайып келе жатқан берік негізді құрайды. Дегенмен, қараңғы материя мен қараңғы энергияның табиғатынан бастап ғарыш-уақыттың ең алғашқы жағдайлары туралы сұрақтарға дейін көптеген жұмбақтар әлі де сақталуда.
Түптеп келгенде, ғаламның шығу тегін зерттеу біздің білімімізді кеңейтіп қана қоймай, сонымен қатар адамзаттың ғарыштағы орнын қарастыру тәсілімізді де өзгертеді: оның тарихын жарық, деректер және физика заңдары арқылы бақылай алатын кең ғаламның кішкентай бөлігі ретінде.
