Una delle principali domande che non vengono fuori dalla coscienza umana è sempre stata ed è la domanda: "Come è apparso l'Universo?" Certo, non c'è una risposta univoca a questa domanda, ed è improbabile che venga ottenuta nel prossimo futuro, ma la scienza sta lavorando in questa direzione e forma un certo modello teorico dell'origine del nostro Universo. Prima di tutto, si dovrebbero considerare le proprietà di base dell'Universo, che dovrebbero essere descritte nell'ambito del modello cosmologico.
*** Il modello dovrebbe tenere in considerazione le distanze osservate tra gli oggetti, nonché la velocità e la direzione del loro movimento. Tali calcoli sono basati sulla legge di Hubble: cz = H0D, dove z è il redshift di un oggetto, D è la distanza da questo oggetto e c è la velocità della luce.
*** L'età dell'Universo nel modello deve superare l'età degli oggetti più antichi del mondo.
*** Il modello dovrebbe tenere conto dell'abbondanza iniziale di elementi.
*** Il modello dovrebbe tenere conto della struttura osservata su larga scala dell'Universo.
*** Il modello dovrebbe tenere conto dello sfondo osservato.
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Una breve storia dell'universo. Singolarità vista dall'artista (foto)
Considera brevemente la teoria generalmente accettata dell'origine e dell'evoluzione iniziale dell'Universo, che è supportata dalla maggior parte degli scienziati. Oggi, la teoria del Big Bang significa una combinazione di un modello di un universo caldo con un Big Bang. E, sebbene questi concetti esistessero per la prima volta indipendentemente l'uno dall'altro, come risultato della loro unificazione, è stato possibile spiegare la composizione chimica iniziale dell'Universo, così come la presenza di radiazioni reliquie.
Secondo questa teoria, l'Universo è sorto circa 13,77 miliardi di anni fa da un oggetto denso e riscaldato, uno stato singolare difficile da descrivere nel quadro della fisica moderna. Il problema con la singolarità cosmologica, tra le altre cose, è che quando la si descrive, la maggior parte delle quantità fisiche, come densità e temperatura, tendono all'infinito. Allo stesso tempo, è noto che a una densità infinita l'entropia (una misura del caos) dovrebbe tendere a zero, il che non coincide con una temperatura infinita.
Evoluzione dell'universo
*** I primi 10 in -43 secondi dopo il Big Bang sono chiamati lo stadio del caos quantistico. La natura dell'universo in questa fase dell'esistenza sfida la descrizione nell'ambito della fisica a noi nota. C'è una disintegrazione di un singolo spazio-tempo continuo in quanti.
*** Momento di Planck - il momento della fine del caos quantistico, che cade a 10 in -43 secondi. In questo momento, i parametri dell'Universo erano uguali ai valori di Planck, come la temperatura di Planck (circa 1032 K). Al tempo dell'era Planck, tutte e quattro le interazioni fondamentali (debole, forte, elettromagnetica e gravitazionale) erano combinate in un unico tipo di interazione. Non è possibile considerare il momento di Planck come un certo periodo lungo, poiché la fisica moderna non lavora con parametri inferiori a quelli di Planck.
*** Fase di inflazione. La fase successiva nella storia dell'Universo è stata la fase inflazionistica. Al primo momento dell'inflazione, l'interazione gravitazionale si separava dal campo supersimmetrico unificato (che in precedenza includeva i campi delle interazioni fondamentali). Durante questo periodo, la materia ha una pressione negativa, che provoca un aumento esponenziale dell'energia cinetica dell'universo. In poche parole, durante questo periodo l'Universo ha iniziato a gonfiarsi molto rapidamente e verso la fine l'energia dei campi fisici viene convertita nell'energia delle particelle ordinarie. Alla fine di questa fase, la temperatura della sostanza e della radiazione aumenta in modo significativo. Insieme alla fine della fase di inflazione, spicca una forte interazione. Anche in questo momento sorge l'asimmetria barionica dell'Universo.
[L'asimmetria barionica dell'Universo è il fenomeno osservato della predominanza della materia sull'antimateria nell'Universo]
*** Stadio di dominanza delle radiazioni. La fase successiva nello sviluppo dell'Universo, che comprende diverse fasi. In questa fase, la temperatura dell'Universo inizia a diminuire, si formano i quark, quindi adroni e leptoni. Nell'era della nucleosintesi, si verifica la formazione di elementi chimici iniziali, viene sintetizzato l'elio. Tuttavia, la radiazione domina ancora sulla materia.
*** L'era del predominio della sostanza. Dopo 10.000 anni, l'energia della materia supera gradualmente l'energia della radiazione e avviene la loro separazione. La sostanza inizia a dominare la radiazione, appare uno sfondo reliquia. Inoltre, la separazione della materia con la radiazione ha aumentato significativamente le disomogeneità iniziali nella distribuzione della materia, a seguito della quale hanno iniziato a formarsi galassie e supergalassie. Le leggi dell'Universo sono arrivate alla forma in cui le osserviamo oggi.
L'immagine sopra è composta da diverse teorie fondamentali e dà un'idea generale della formazione dell'universo nelle prime fasi della sua esistenza.
Da dove viene l'universo?
Se l'universo è nato da una singolarità cosmologica, allora da dove viene la singolarità? Non è ancora possibile dare una risposta esatta a questa domanda. Considera alcuni dei modelli cosmologici che influenzano la "nascita dell'universo".
Modelli ciclici. Modellazione della crusca (foto)
Questi modelli si basano sull'affermazione che l'Universo è sempre esistito e nel tempo cambia solo il suo stato, passando dall'espansione alla contrazione - e viceversa.
*** Modello Steinhardt-Turok. Questo modello si basa sulla teoria delle stringhe (teoria M), poiché utilizza un tale oggetto come una "brana".
[Bran (dalla membrana) nella teoria delle stringhe (M-teoria) è un ipotetico oggetto fisico multidimensionale fondamentale di dimensione inferiore alla dimensione dello spazio in cui si trova]
Secondo questo modello, l'Universo visibile si trova all'interno di una tri-brana, che periodicamente, ogni parecchi trilioni di anni, si scontra con un'altra tri-brana, provocando una sorta di Big Bang. Inoltre, la nostra tri-brana inizia ad allontanarsi dall'altra e ad espandersi. Ad un certo punto, la quota di energia oscura ha la precedenza e la velocità di espansione della tri-brana aumenta. La colossale espansione disperde materia e radiazione così tanto che il mondo diventa quasi omogeneo e vuoto. Alla fine, si verifica una ripetuta collisione di tre brane, a seguito della quale la nostra ritorna alla fase iniziale del suo ciclo, dando nuovamente vita al nostro "Universo".
*** La teoria di Loris Baum e Paul Frampton dice anche sulla natura ciclica dell'universo. Secondo la loro teoria, quest'ultimo dopo il Big Bang si espanderà a causa dell'energia oscura fino a quando non si avvicinerà al momento della "disintegrazione" dello spazio-tempo stesso - il Big Rip. Come sapete, in un "sistema chiuso, l'entropia non diminuisce" (la seconda legge della termodinamica). Da questa affermazione consegue che l'Universo non può tornare al suo stato originale, poiché durante tale processo l'entropia deve diminuire. Tuttavia, questo problema è risolto nell'ambito di questa teoria. Secondo la teoria di Baum e Frampton, un istante prima del Grande Squarcio, l'Universo si disintegra in molte "macchie", ognuna delle quali ha un valore di entropia piuttosto piccolo. Vivendo una serie di transizioni di fase, questi "frammenti" dell'ex Universo danno origine alla materia e si sviluppano in modo simile all'Universo originale. Questi nuovi mondi non interagiscono tra loro, poiché si disperdono a una velocità superiore a quella della luce. Così, gli scienziati hanno evitato la singolarità cosmologica, con cui inizia la nascita dell'universo secondo la maggior parte delle teorie cosmologiche. Cioè, alla fine del suo ciclo, l'Universo si disintegra in molti altri mondi non interagenti che diventeranno nuovi universi.
*** La cosmologia ciclica conforme è il modello ciclico di Roger Penrose e Vahagn Gurzadyan. Secondo questo modello, l'Universo è in grado di entrare in un nuovo ciclo senza violare la seconda legge della termodinamica. Questa teoria si basa sul presupposto che i buchi neri distruggano le informazioni assorbite, il che in qualche modo "legalmente" abbassa l'entropia dell'Universo. Quindi ciascuno di questi cicli di esistenza dell'Universo inizia con una parvenza di Big Bang e termina con una singolarità.
Altri modelli dell'origine dell'universo
Tra le altre ipotesi che spiegano l'aspetto dell'Universo visibile, le due seguenti sono le più popolari:
*** Teoria caotica dell'inflazione - La teoria di Andrey Linde. Secondo questa teoria, esiste un certo campo scalare che è disomogeneo in tutto il suo volume. Cioè, in diverse regioni dell'universo, il campo scalare ha significati diversi. Quindi, nelle aree in cui il campo è debole, non accade nulla, mentre le aree con campi forti iniziano ad espandersi (inflazione) a causa della sua energia, formando così nuovi universi. Un tale scenario implica l'esistenza di molti mondi che non sono sorti simultaneamente e hanno il proprio insieme di particelle elementari e, di conseguenza, le leggi della natura.
*** La teoria di Lee Smolin - presume che il Big Bang non sia l'inizio dell'esistenza dell'Universo, ma solo una transizione di fase tra i suoi due stati. Poiché prima del Big Bang l'universo esisteva sotto forma di una singolarità cosmologica, vicina per natura alla singolarità di un buco nero, Smolin suggerisce che l'universo potrebbe essere sorto da un buco nero.
Ci sono anche modelli in cui gli universi emergono continuamente, spuntano dai loro genitori e trovano il loro posto. Inoltre, non è affatto necessario che le stesse leggi fisiche siano stabilite in tali mondi. Tutti questi mondi sono "annidati" in un unico continuum spazio-temporale, ma sono così distanziati che non si sentono in alcun modo l'uno la presenza dell'altro. In generale, il concetto di inflazione permette - inoltre obbliga! - di credere che nel gigantesco megacosmo ci siano molti universi isolati con disposizioni differenti.
Nonostante il fatto che i modelli ciclici e altri rispondano a una serie di domande, le cui risposte non possono essere date dalla teoria del Big Bang, compreso il problema della singolarità cosmologica. Eppure, insieme alla teoria inflazionistica, il Big Bang spiega più completamente l'origine dell'Universo e converge anche con molte osservazioni.
Oggi, i ricercatori continuano a studiare intensamente possibili scenari per l'origine dell'Universo, tuttavia, per dare una risposta inconfutabile alla domanda "Come è apparso l'Universo?" - è improbabile che abbia successo nel prossimo futuro. Ci sono due ragioni per questo: la prova diretta delle teorie cosmologiche è praticamente impossibile, solo indiretta; anche in teoria, non c'è modo di ottenere informazioni accurate sul mondo prima del Big Bang. Per questi due motivi, gli scienziati possono solo avanzare ipotesi e costruire modelli cosmologici che descriveranno più accuratamente la natura dell'universo che osserviamo.
