Великий Вибух та народження Всесвіту
Стаття написана Павлом Чайкою, головним редактором журналу «Пізнавайка». З 2013 року з моменту заснування журналу Павло Чайка присвятив себе популяризації науки в Україні та світі. Основна мета як журналу, так і цієї статті – пояснити складні наукові теми простою та доступною мовою.
У середині 20-х років минулого сторіччя американський астроном Е. Хаббл встановив, що відстані між галактиками у відомій частини Всесвіту безперервно збільшуються, немов галактики розбігаються одна від одної. У Хаббла і його колег стало складатись враження, що багато мільярдів років тому (у наші дні говорять про 15 – 20 мільярдів) речовина Всесвіту була зосереджена в якомусь дуже малому обсязі з фантастично великою щільністю, на багато порядків перевершуючи щільність речовини всередині атомного ядра.
Раптово – з причин, про які будуються найрізноманітніші припущення, – сталося те, що сьогодні називають Великим Вибухом, і з розлітаючих «осколків» первинного згустку стали утворюватись зірки, галактики і вся речовина оточуючого нас світу. Вибух згустку супроводжувався величезними температурами, про що свідчить реліктове (залишкове) випромінювання, відкрите в 1965 році американськими астрофізиками А. Пензиасом і Р. Вільсоном. Реліктове випромінювання – це відблиск тієї мільярдної градусної спеки, яка пронизувала Всесвіт у перші миті його розширення.
Найдивовижніше, що за кілька років до відкриття Хаббла, в 1922 році, контури зростаючого Всесвіту вже були намічені в розрахунках Петербургського математика і фізика А. А. Фрідмана. Ґрунтуючись на загальній теорії відносності, завершеній А. Ейнштейном в 1916 році, Фрідман довів що в далекому минулому стався вибух самого простору, після якого світ став розширюватись, «розбухати», якби «виділяючи з себе простір» у кожній своїй точці разом з розширенням простору розліталась і речовина, яку і спостерігав Хаббл по так званому червоному зсуву в спектрах галактик.
Цей вибух простору і згусток надщільної праречовини, що міститься в ньому, прийнято іноді називати «початком світу» або «народженням Всесвіту», оскільки те, що було до цієї події, мало зовсім інші, важко уявні властивості. Втім, теорія говорить нам, що стосовно до Великого Вибуху поняттями «до» і «після» або «раніше» і «пізніше» слід користуватися обережно: за мить до початку вибуху не було ніякого часу в нашому звичному розумінні, а згусток праречовини був у стільки разів менше сантиметра, у скільки атом менше видимої нами частини Всесвіту. По суті – безрозмірна крапка! Наш світ наче «виринув» з якогось невідомого нам стану.
Правда, коли говорять, що все це сталося 15 – 20 мільярдів років тому, припускають незмінність властивостей часу, його ритму. Це час життя Всесвіту за нашими годинами. Але якщо б ми могли опинитися в ньому в перші миті його розширення, годинники наші йшли б інакше, а отже, іншою була б і тривалість вимірюваного по них існування Всесвіту. У самого ж «початку світу» час, мабуть, взагалі розпався б на окремі кванти і питання про тривалість будь-яких процесів втратило би будь-який сенс. Для опису тих явищ потрібні зовсім інші поняття.
Картина Всесвіту, який народжується «з точки» і розширюється була настільки несподіваною і настільки суперечила укоріненим уявленням, що більшість вчених поставилась до неї з недовірою.
За свою довгу історію люди придумали багато наукових і ненаукових (релігійних, казкових) пояснень природи. Різниця між ними в тому, що всі наукові ідеї, навіть найдивніші і дивовижні, можна перевірити в експерименті або в спостереженнях, а ненаукові перевірити не можна. Це не означає , що в науці все строго обґрунтовано та доведено. Далеко не все! У ній завжди присутній і інтуїтивний елемент віри – припущення, засноване на узагальненні вже перевіреного досвідом знання. Будь-яка наука починається з аксіом і гіпотез – первинних, логічно недоведених положень, одержуваних шляхом прямого узагальнення дослідних даних. Це особливо помітно в нових, ще не сформованих її розділах .
З плином часу, під впливом експерименту та теоретичного аналізу, багато з заснованих на інтуїтивній вірі гіпотез і припущень відмирають, залишаються лише найважливіші. Але зовсім позбутися інтуїтивного елементу не можна. Та й не потрібно. Як це не парадоксально, але без віри наука розвиватися не може, однієї логіки для неї недостатньо. Однак на відміну від релігійної ця віра піддається випробуванню експериментом і з плином часу або відкидається як помилкова, або міцно входить в структуру науки.
Саме експеримент і спостереження поступово переконали вчених: теорія Всесвіту, точніше всього описує просторово-тимчасову структуру нашого світу. Колишня, стаціонарна модель світобудови з незмінним, інертним простором, в яке, як в ящик, вкладено весь матеріальний зміст світу, виявилася застосовною лише для порівняно невеликих і не дуже від нас віддалених часових інтервалів. У масштабі ж мільярдів років не можна не враховувати еволюцію світу. І вже зовсім непридатна стаціонарна модель у самого «початку світу», коли за незначні частки секунди Всесвіт змінювався ґрунтовніше, ніж за мільярди років подальшого розвитку.
Сьогодні фрідманівська модель розширення Всесвіту стала загальноприйнятою. Але це не означає, що нам все в цьому розширенні зрозуміло. Як і раніше залишається загадкою сам «механізм» народження світу. Чому стався «первинний вибух»? Що послужило причиною? Про це не знали в часи Фрідмана, не знають точно і зараз. Можна лише стверджувати, що матерія не могла виникнути «з нічого» і народженню «нашого світу» передували якісь інші його стани. Стверджувати, пам’ятаючи про те (підкреслимо ще раз), що поняття «передувати» або «слідувати» для таких особливих станів матерії не мають того змісту, який в них зазвичай вкладають. Ми користуємося термінами, які виникли всередині сформованого світу для пояснення подій, що відбуваються саме в даному світі, а не за його межами.
Область «початку світу» – предмет нового наукового напрямку квантової космології. Напрямок цей ще тільки створюється, поки можна будувати лише грубі моделі. Ось, наприклад, теорія відносності пророкує існування в космосі «чорних дір» – об’єктів з такою величезною силою тяжіння, що вона утримує навіть світло, яке випускається ними. Ці діри засмоктують навколишню речовину; в принципі в них може провалитись навіть цілий всесвіт. Можна припустити, що в природі існують об’єкти з протилежними властивостями – «білі діри», які викидають із себе речовину ,так би мовити, «чорні діри» навиворіт. Тоді народження нашого Всесвіту можна розглядати як утворення «білої діри».
Інша модель заснована на ідеї, що властивості простору і часу в ультрамалих масштабах зовсім не такі, як у масштабі звичайному Ми звикли до того, що світ має чотири виміри – довжину, ширину, висоту і час. Глибоко ж у мікросвіті простір-час може мати набагато більше вимірів, причому тих, до яких ми звикли, серед них може і не виявитись. Адже немає, наприклад, на площині третього виміру – висоти… Можна сказати, що матерія знаходиться там поза часом і простором, а точніше – в просторово-часових вимірах, яких в навколишньому світі немає. З якихось причин, припустимо з причини випадкових флуктуацій (коливань) фізичних процесів, що відбувалися в праматерії, з’явилися відомі нам сьогодні просторово-часові виміри. Інакше кажучи, матерія «виринула» в «нашому просторі», швидко розсуваючи його межі. Чи можна говорити в цьому випадку про народження або про початок світу (а тим більше про його створення)? Світ перейшов з одного стану в інший, от і все.
Повторюємо, це грубі моделі . У них поки немає експериментальних підстав, вони містять ще чимало загадок і білих плям. Але саме з таких моделей і народжуються зрештою добре обґрунтовані теорії .
Далі буде .
Автор: В. Барашенков