Didžiojo sprogimo teorijos mokslas Įspūdingi faktai vaikams

Be kita ko, Didysis sprogimas yra viena iš pagrindinių visatos atsiradimo teorijų.

Sąvoką „Didysis sprogimas“ sukūrė britų astronomas Fredas Boyle'as, norėdamas išjuokti šį paaiškinimą. Iki mirties Fredas Boyle'as išliko ištikimas pastovios būsenos modelio atstovas ir pritarė paaiškinimui, kad visata atsinaujina pati ir neturi nei pradžios, nei pabaigos.

Taigi, kas tai yra Didžiojo sprogimo teorija? Paprasčiau tariant, teorija rodo, kad mūsų visata atsirado vienu momentu, maždaug prieš 13,8 milijardo metų. Tada nebuvo žvaigždžių ar planetų, veikiau visa visata buvo sutankinta į mažą begalinio tankio ir karščio rutulį, tarsi juodąsias skyles. Būtent tuo momentu šis mažas rutulys pradėjo pūsti ir temptis. Per ateinančius tūkstančius metų ankstyvoji visata toliau plėtėsi ir vėso, o vėliau sukūrė visatą, kurią matome ir žinome šiandien.

Nors vizualizuojant visa tai atrodo intriguojanti, dauguma šio paaiškinimo vyksta popieriuje, naudojant skaičius ir matematines formules. Tačiau per reiškinį, vadinamą kosminiu mikrobangų fonu, astronomai gali suvokti besiplečiančios visatos aidą.

Besiplečiančios visatos paaiškinimą pirmasis mokslo pasauliui pristatė rusų kosmologas Aleksandras Fridmannas. Friedmanno lygtis parodė, kad visata buvo plėtimosi būsenoje. Po kelerių metų Edvino Hablo išsamiais tyrimais pavyko atrasti kitų galaktikų egzistavimą. Galiausiai Georgesas Lemaitre'as siūlo, kad nuolatinis visatos plėtimasis reiškia, kad kuo daugiau grįšime laiku atgal, tuo visata bus mažesnė. Ir vienu metu nebus nieko kito, tik „pirminis atomas“, apimantis visą visatą.

Nors dauguma astronominių bendruomenių priima ir palaiko Didžiojo sprogimo teoriją, kai kurie teoretikai vis tiek atsisako sutikti su šis paaiškinimas ir palaiko kitas teorijas, tokias kaip pastovios būsenos teorija, Milno modelis arba osciliacinė visata modelis.

Skaitykite toliau, kad sužinotumėte daugiau tokių įdomių faktų apie Didžiojo sprogimo teorija.

Kosmologinis Didžiojo sprogimo teorijos modelis

Su visata pati Didžiojo sprogimo teorija išsiplėtė nuo tada, kai ji buvo pristatyta. Remiantis šia teorija, buvo sukurtos naujos teorijos ir nauji instrumentai, skirti šiai paslapčiai ištirti.

Didžiojo sprogimo teorijos istorija prasideda XX amžiaus aušroje nuo amerikiečių astronomo Vestro Slipherio, atlikti daugybę spiralinių ūkų stebėjimų ir išmatuoti jų didelius raudonuosius poslinkius (bus aptarta vėliau straipsnis).

1922 m. Aleksandras Fridmannas sukūrė savo lygtį, pagrįstą Einšteino bendrosios reliatyvumo lygtimis, kurios teigė, kad visata yra infliacijos būsenoje. Ši teorija vadinama Friedmanno lygtimis. Vėliau belgų fizikas ir Romos katalikų kunigas Georgesas Lemaitre'as panaudojo šias lygtis, kad sukurtų savo teoriją apie visatos sukūrimą ir evoliuciją.

1924 metais Edvinas Hablas pradėjo matuoti atstumą tarp Žemės ir artimiausių spiralinių ūkų. Tai darydamas jis atrado, kad tie ūkai iš tikrųjų buvo tolimos galaktikos, plūduriuojančios erdvėje ir tolstančios toli nuo mūsų. 1929 m., po daugybės atstumo rodiklių tyrimų, jis atrado ryšį tarp recesijos greičio ir atstumo, kurį dabar vadiname Hablo dėsniu.

1927 ir 1931 metais Georgesas Lemaitre'as pasiūlė dvi teorijas, pagrįstas visatos sukūrimu. Pirmoji, 1927 m., buvo labai panaši į Friedmanno lygtį, kurioje Lemaitre'as daro išvadą, kad galaktikų nuosmukis yra visatos plėtimosi pasekmė. Tačiau 1931 m. jis nuėjo šiek tiek toliau, teigdamas, kad jei Visata būtų plečiasi, grįžus laiku atgal ji būtų susitraukusi, kol taps mažyčiu begalinio tankio tašku. Šį mažytį tašką jis pavadino „pirminiu atomu“.

Galiausiai Didžiojo sprogimo teorija įgijo didelį populiarumą po Antrojo pasaulinio karo. Per šį laikotarpį vienintelis modelis, kuris priešinosi šiam modeliui, buvo Fredo Boyle'o pastovios būsenos modelis, kuris teigė, kad visata neturi nei pradžios, nei pabaigos.

1965 m. buvo aptikta kosminė mikrobangų foninė spinduliuotė, o jos pateikti stebėjimo įrodymai pradėjo teikti pirmenybę Didžiajam sprogimui, o ne pastovios būsenos teorijai. Kasdien atsirandant vis daugiau technologinių išradimų ir faktinių atradimų, mokslininkai pradėjo labiau pasitikėti apie šią teoriją ir netrukus ji užsitikrino savo vietą kaip svarbiausią teoriją apie visatos sukūrimą. Iki tol iki 90-ųjų Didžiojo sprogimo eksponentai pakeitė daugumą teorijos iškeltų problemų ir padarė ją dar tikslesnę.

Dešimtajame dešimtmetyje „Dark Energy“ buvo pristatyta mokslo pasauliui, kad išspręstų kai kurias labai svarbias problemas kosmologija. Jame buvo pateiktas trūkstamos Visatos masės paaiškinimas ir atsakymas į klausimą dėl visatos pagreičio.

Palydovai, teleskopai ir kompiuterinis modeliavimas padėjo kosmologams ir mokslininkams padaryti didelę pažangą, leisdami jiems geriau ir subtiliau stebėti visatą. Šių instrumentų pagalba tapo įmanoma geriau suprasti visatą ir tikrąjį jos amžių. Teleskopai, tokie kaip Hablo kosminis teleskopas, kosminio fono tyrinėtojas (COBE), Plancko observatorija ir Wilkinson mikrobangų anizotropijos zondas (WMAP) pakeitė kosmologų ir visatos suvokimą. mokslininkai.

Didžiojo sprogimo teorijos mokslo įrodymai

Iki kosminio mikrobangų fono atradimo daug apie Visatos istoriją buvo spėliojama.

Bėgant metams Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) ir Planko observatorija įrodė, kad egzistuoja tamsioji energija ir tamsioji medžiaga. Negana to, jų ataskaitose taip pat nurodyta, kad tamsioji energija ir tamsioji medžiaga užpildo didžiąją visatos dalį. Niekas iš tikrųjų nežino, iš ko sudaryta tamsioji medžiaga, tačiau jos egzistavimo įrodymus galima pamatyti stebint galaktikų sukimosi kreivės, galaktikų judesiai spiečių, gravitacinio lęšio reiškinys ir karštos dujos elipsinės galaktikos ir klasteriai.

Daugelis tyrinėtojų daug metų dirba su tamsiąja medžiaga. Tačiau nieko esminio dar neatrasta. Ir viskas, ką mes žinome apie tamsiąją energiją, yra tai, kad tai gali būti priežastis, kodėl visata plečiasi, ir ji pasiūlė kosmologinei konstantai (Einšteinui) sprendimą. Apskritai šie keisti pirmieji visatos elementai patvirtina Didžiojo sprogimo hipotezę.

1912 m. astronomai pastebėjo didelius raudonuosius poslinkius spiralinių ūkų spektruose – milžiniškus debesis, einančius į išorę iš šerdies spiralės pavidalu. Vėliau Doplerio efektas nustatė, kad šie dideli raudonieji poslinkiai reiškia tik didelį nuosmukio greitį nuo Žemės. Ir kai Hablas ir jo kolegos įvertino šių spiralinių ūkų atstumą nuo Žemės, tapo aiškiau, kad šie objektai nuolat tolsta.

Tada 20-ajame dešimtmetyje buvo nustatyta, kad spiraliniai ūkai iš tikrųjų yra išorinės tolimos galaktikos, esančios Paukščių Tako galaktikos mastu.

Kalbant apie plėtimosi greitį, Hablo kosminiu teleskopu stebint tolimą supernovą ir arčiau esančias kintamąsias Cefeid žvaigždes, šis greitis yra 163296 mylių per valandą (262799,5 km/h). Tačiau WMAP ir Plancko kosminės mikrobangų foninės spinduliuotės stebėjimai nustato, kad greitis yra 149 868 mylių per valandą (241 189,2 km/h). Šis dviejų rodiklių skirtumas gali reikšti svarbias Didžiojo sprogimo teorijos modifikacijas ir naują fiziką.

Kitas instrumentas, įrodantis Didįjį sprogimą, yra Hertzsprung-Russell diagrama arba HRD. Šioje diagramoje pateikti žvaigždžių spalvų ir šviesumo grafikai leidžia astronomams nustatyti žvaigždės arba žvaigždžių krūvos evoliucinę būseną ir amžių. Ir šios diagramos ataskaitos patvirtina, kad seniausioms visatos žvaigždėms yra daugiau nei 13 milijardų metų, o tai reiškia, kad jos susiformavo iškart po Didžiojo sprogimo.

Kai visata prasidėjo nuo Didžiojo sprogimo, ji sukūrė kosminę mikrobangų foninę spinduliuotę kartu su gravitacinių bangų foniniu triukšmu. Šios gravitacinės bangos egzistuoja mūsų visatoje ir keletą kartų buvo aptiktos kelių astronomų. 2014 m. astronomai teigė aptikę B režimus (vienos rūšies gravitacines bangas), naudodami kosminės ekstragalaktinės poliarizacijos foninį vaizdą (BICEP2). Tačiau 2015 metais buvo atskleista, kad bangos daugiausia kilo iš žvaigždžių dulkių. Vis dėlto lazerinio interferometro gravitacinių bangų observatorija yra žinoma kaip daugelio gravitacinių bangų, susidariusių dėl juodųjų skylių susidūrimų, aptikimo.

Didžiojo sprogimo teorijos sprogimas

Nors pavadinimas „Didysis sprogimas“ instinktyviai rodo visatos, kuri sprogsta kaip ugnikalnis, vaizdą, tai buvo labiau plėtimasis kaip mūsų planetos tektoninės plokštės.

Mokslinė Didžiojo sprogimo teorija teigia, kad prieš jo suirimą mūsų stebima visata buvo tik mažas taškas, vadinamas singuliarumu. Šis mažas taškas turėjo begalinį masės tankį ir neįsivaizduojamą šilumą. Tačiau atėjo taškas, kai šis išskirtinumas staiga pradėjo plėstis. Ir tai vadinama Didžiuoju sprogimu. Visatos plėtimasis nepalaužė Einšteino bendrosios reliatyvumo teorijos lygčių. Ir dar įdomiau, remiantis tam tikromis mokslinėmis teorijomis, visata vis dar plečiasi.

Po šio pradinio išsiplėtimo tankesni ankstyvosios visatos sritys pradėjo traukti viena kitą, naudodamos savo gravitacines jėgas. Taip jie labiau susikaupė ir pradėjo formuoti dujų debesis, galaktikas, žvaigždes ir visas kitas astronomines struktūras, kurias matome kiekvieną dieną. Šis laikotarpis žinomas kaip Struktūros epocha; nes per tą laiką visata pradėjo įgauti savo šiuolaikinę formą su visomis struktūromis ir elementais, tokiais kaip planetos, mėnuliai ir galaktikų spiečiai.

Prieš 13,7 milijardo metų ir sekundės dalimis po Didžiojo sprogimo prasidėjo Visatos aušinimo procesas. Manoma, kad didėjant temperatūrai ir tankiui mažėjo ir visų dirbinių energijos kol elementariosios dalelės ir pagrindinės fizikos jėgos transformavosi į savo dabartį forma. Panašiai mokslininkai teigė, kad per 10^-11 sekundžių dalelių energija labai sumažėjo.

Kai susiformavo protonai, neutronai ir jų antidalelės (10^-6 sekundės), nedidelis papildomų kvarkų skaičius lėmė kelis daugiau barionų nei antibarionų. Tuo metu temperatūra nebuvo pakankamai aukšta, kad susidarytų naujos protonų ir antiprotonų poros, todėl neišvengiamas masinis sunaikinimas, dėl kurio sunaikinama dauguma protonų dalelių ir visos jų antidalelių. Panašus procesas įvyko su pozitronais ir elektronais iškart po sekundės po Didžiojo sprogimo.

Didžiojo sprogimo teorijos mokslo plėtra

Didysis sprogimas buvo sprogstamasis išsiplėtimas, pažymėjęs šiuo metu matomos visatos pradžią.

Pirmasis Didžiojo sprogimo kosmologijos modelio etapas yra Planko epocha. Scena pavadinta vokiečių fiziko Maxo Plancko vardu. Laikotarpis, kurį žymi ši epocha, yra 10^–43 sekundės po Didžiojo sprogimo. Šiuolaikinis mokslas su visomis savo technologijomis vis dar negali išsiaiškinti, kas įvyko iki šio momento, nes fiziniai dėsniai, valdantys dabartinę visatą, dar nebuvo atsiradę.

Taigi tai yra ankstyviausias beprotiškai tankus ir fiziškai apibūdinamas visatos egzistavimas. Nors Einstieno reliatyvumo teorija numato, kad iki šio taško visata buvo be galo tankus singuliarumas, Plancko epocha daugiau dėmesio skiria kvantinis-mechaninis gravitacijos aiškinimas, reiškiantis būseną, kai visos keturios gamtos jėgos buvo suvienytos (nors ji dar turi būti pilnai artikuliuotas).

Kitas yra Didžiojo susivienijimo epocha. Čia matome dalinį keturių vieningų gamtos jėgų: gravitacijos, stiprios, silpnos ir elektromagnetinės skilimą. Ši epocha prasideda praėjus 10^-36 sekundėms po Didžiojo sprogimo, kai gravitacija atsiskyrė nuo likusių jėgų. Maždaug po 10^-32 sekundžių elektrosilpnas (silpnas ir elektromagnetinis) ir elektrostiprus (stiprus ir elektromagnetinis) atsiskiria vienas nuo kito; fizikoje šis reiškinys žinomas kaip simetrijos laužymas.

Sakoma, kad praėjus 10^-33-10^-32 sekundėms po Didžiojo sprogimo, Visata pradėjo staiga plėstis, o jos dydis padidėjo maždaug 10^26 kartus. Šis besiplečiančios visatos laikotarpis yra žinomas kaip infliacijos epocha, o teorijos, apibūdinančios šį visatos virsmą, yra žinomos kaip infliacijos modeliai arba teorijos. Amerikiečių fizikas Alanas Guthas buvo pirmasis asmuo, kuris 1980 m. pasiūlė šią kosmine infliacija pagrįstą teoriją. Po to jis buvo plačiai sukurtas siekiant išspręsti pagrindines Didžiojo sprogimo teorijos problemas, tokias kaip plokštumo problema, horizonto problema ir magnetinio monopolio problema.

Praėjus maždaug 10–12 sekundžių po Didžiojo sprogimo, dėl didelio karščio ir slėgio didžioji dalis visatos turinio buvo žinomos kaip kvarko-gliuono plazma. Šioje būsenoje elementariosios arba pagrindinės dalelės, vadinamos kvarkais, dar nėra pasirengusios jungtis su gliuonais, kad susidarytų sudėtinės dalelės, vadinamos hadronais (protonais ir neutronais). Šis laikotarpis vadinamas Kvarkų epocha. CERN Hardron Collider gali pasiekti pakankamai energijos, reikalingos materijai paversti pirminę kvarko-gliuono būseną.

Per 10^-6 sekundes visata pakankamai atvėso, kad susidarytų hadronai. Teoriškai įrodyta, kad po jos susidarymo visatoje turėjo būti vienodas antimedžiagos ir materijos kiekis. Antimedžiaga yra panaši į materiją, turinti priešingas kvantinio skaičiaus ir krūvio savybes. Tačiau antimedžiaga negalėjo išgyventi dėl nedidelės šių medžiagų asimetrijos. Ši asimetrija buvo daug tyrinėjama, ir nei standartinis dalelių fizikos modelis, nei Didžiojo sprogimo teorija negalėjo apibūdinti jos prigimties. Tačiau buvo aptikta nedidelė ir nepakankama antimedžiagos ir materijos asimetrija, todėl mokslininkai toliau tiria šią problemą. Galime tikėtis daugiau išgirsti apie šią asimetriją, jei jų eksperimentai bus teisingi.

Daugiau visatos plėtimosi detalių priklauso nuo visatoje esančios šiltos tamsiosios medžiagos, šaltos tamsiosios medžiagos, barioninės ir karštosios tamsiosios medžiagos tipo ir kiekio. Tačiau Lambda-Cold Dark Matter modelis pasiūlė, kad tamsiosios medžiagos dalelės juda lėčiau nei šviesos greitis. taip pat laikomas standartiniu Didžiojo sprogimo modeliu, apibūdinančiu visatą ir kosminę evoliuciją, nes jis geriausiai atitinka turimą duomenis.