Үлкен жарылыс теориясы ғылыми зерттеулер арқылы ма, әлде жай ғана адамның қиялы ма?

Үлкен жарылыс теориясы ғаламның пайда болуының ең танымал және кеңінен талқыланатын ғылыми түсіндірмелерінің бірі болуы мүмкін. Ол ғаламның 13,8 миллиард жыл бұрын дара, шексіз тығыз нүкте ретінде басталғанын және содан бері кеңейіп жатқанын ұсынады. Бірақ бұл теория елеулі ғылыми дәлелдермен расталды ма, әлде ол адамның қиялының жемісі ме, белгісіз нәрсені түсіну әрекеті ме? Бұл мақалада Үлкен жарылыс теориясының негізін құрайтын ғылыми зерттеулердің байлығы, негізгі бақылау және теориялық тіректері зерттеледі, сонымен қатар ғалымдарды да, жалпы жұртшылықты да қызықтыратын гипотезаның қиялшыл аспектілері қарастырылады.

Үлкен жарылыс теориясының пайда болуы

Қазіргі космологияның негізінде 1915 жылы тұжырымдалған Эйнштейннің жалпы салыстырмалылық теориясы жатыр. Бұл теория біздің тартылыс туралы түсінігімізді түбегейлі қайта анықтады. Гравитацияны екі масса арасындағы қашықтықта әрекет ететін күш ретінде қарастырудың орнына, жалпы салыстырмалылық теориясы оны кеңістік пен уақыттың (кеңістіктің) массивтік объектілермен иілуі ретінде сипаттады. Ғалам туралы бұл жаңа ойлау тәсілі ғаламның ауқымды құрылымы мен эволюциясын түсіндіре алатын теорияларға жол ашты.

Эйнштейннің өзі бастапқыда ғаламның статикалық және өзгермейтініне сенгенімен, ол мұны есепке алу үшін космологиялық тұрақтыны (кеңістікке тән энергия түрі) енгізді. Алайда кейінгі жылдары дәлелдер ғаламның статикалық күйден алыс екенін айғақтай бастады.

Бұрылыс нүктесі 1929 жылы американдық астроном Эдвин Хаббл жаңалық ашқан кезде келді. Алыстағы галактикалардан түсетін жарықты зерттеу арқылы Хаббл барлық дерлік галактикалар бізден алыстап бара жатқанын анықтады. Оның үстіне, галактика неғұрлым алыс болса, соғұрлым тезірек алыстап бара жатты. Қазір Хаббл заңы деп аталатын бұл құбылыс ғаламның кеңейіп жатқанын дәлелдеді.

Егер Ғалам кеңейіп жатса, ол сонау өткен дәуірде ол әлдеқайда кішірек, тығызырақ және ыстық болған болуы керек дегенді білдіреді. Бұл ғалымдардың ғаламның сингулярлықтан — шексіз тығыздық нүктесінен — шамамен 13,8 миллиард жыл бұрын, қазір Үлкен жарылыс деп аталатын сәттен пайда болғанын ұсынуға әкелді.

Үлкен жарылыс теориясын қолдайтын ғылыми дәлелдер

Үлкен жарылыс теориясын қолдайтын ең маңызды жаңалықтардың бірі 1965 жылы Арно Пензиас пен Роберт Вилсон ғаламға еніп жатқан әлсіз микротолқынды сәулені анықтаған кезде болды. Қазір ғарыштық микротолқынды фон (CMB) деп аталатын бұл радиация Үлкен жарылыстың кейінгі сәулесі деп есептеледі.

СМБ бұл ғаламның жасы шамамен 380 000 жыл болған кезден қалған сәулелену, бұл ғалам атомдар пайда болуы және жарық кеңістікте еркін жүруі үшін жеткілікті салқындаған кезең. CMBдегі біркелкі және шамалы ауытқулар оның бастапқы шарттары туралы баға жетпес түсініктерді ұсына отырып, алғашқы ғаламның «суретін» қамтамасыз етеді.

COBE, WMAP және Planck спутниктері сияқты құралдар арқылы СМБны егжейтегжейлі өлшеу өте аз ауқымда CMB температура ауытқуларын анықтады. Бұл ауытқулар галактикалар мен галактикалардың шоғырлары сияқты ғаламдағы құрылым тұқымдарына сәйкес келеді. CMBде байқалған үлгілер Үлкен жарылыс теориясы жасаған болжамдарға сәйкес келеді, бұл модельге күшті қолдау көрсетеді.

Үлкен жарылыстың тағы бір дәлелді бөлігі ғаламдағы сутегі, гелий және литий сияқты жеңіл элементтердің байқалған көптігінен алынған. Үлкен жарылыс теориясы Үлкен жарылыстан кейінгі алғашқы бірнеше минутта ғалам ядролық реакциялар жүруі үшін жеткілікті ыстық болды деп болжайды. Үлкен жарылыс нуклеосинтезі деп аталатын бұл процесс ғаламдағы ең жеңіл элементтерді түзді.

Бұл элементтердің салыстырмалы көптігі, әсіресе сутегі мен гелийдің арақатынасы Үлкен жарылыс теориясының болжамдарымен керемет дәлдікпен сәйкес келеді. Ежелгі жұлдыздар мен алыс галактикаларды бақылау ғаламның шамамен 75% сутегі мен массасы бойынша 25% гелийден тұратынын, оның ішінде басқа да жеңіл элементтердің ізі бар екенін көрсетеді. Бұл пропорциялар ерте ғаламда орын алған алғашқы нуклеосинтез процестерінен күткеніміздей.

Галактикаларды, галактика кластерлерін және ғарыштық жіптерді қоса алғанда, ғаламның ауқымды құрылымы Үлкен жарылыс теориясына қосымша қолдау көрсетеді. Галактикалардың таралуын және үлкен құрылымдардың пайда болуын шағын тығыздық ауытқуларына дейін байқауға болады.CMBда байқалған ерте ғаламдағы ациялар.

Миллиарддаған жылдар бойы гравитацияның әсерінен күшейген бұл шағын ауытқулар біз бүгін көріп отырған ғарыштық тордың пайда болуына әкелді. Слоан цифрлық аспан сауалнамасы сияқты галактикаларды кең ауқымды зерттеулер арқылы байқалатын құрылымның қалыптасу үлгілері Үлкен жарылыс теориясының болжамдарымен және инфляциялық космология сияқты оның кеңейтулерімен сәйкес келеді.

Үлкен жарылыс теориясындағы адам қиялының рөлі

Космологиядағы негізгі қиындықтардың бірі біз ғаламның бір бөлігін ғана бақылай аламыз. Бақыланатын ғаламның ұзындығы шамамен 93 миллиард жарық жылын құраса, бұл бүкіл ғаламның аз ғана бөлігі. Біз бақылай алатын аймақтардан тыс жерлерде әртүрлі физикалық жағдайлар, құрылымдар немесе тіпті физиканың мүлде басқа заңдары болуы мүмкін.

Осылайша, ерте ғаламның үлгілерін құру кезінде ғалымдар өздеріне қолжетімді шектеулі деректерден экстраполяция жасауы керек. Бұл белгілі бір деңгейдегі қиялды, сонымен қатар теориялық физиканы терең түсінуді талап етеді. Мысалы, ғаламның Үлкен жарылыстан кейінгі секундтың бірінші бөлігінде жылдам экспоненциалды кеңеюге ұшырағанын ұсынатын инфляциялық теория негізінен алыпсатарлық тұжырымдама болып табылады. Инфляция космологиядағы көкжиек пен тегістік мәселелері сияқты бірнеше жұмбақтарды шешсе де, инфляцияның тікелей бақылау дәлелдері әлі де түсініксіз болып қала береді.

Үлкен жарылыс ғаламның пайда болуын түсіндіру үшін ұсынылған жалғыз теория емес. Тарихта тұрақты күй теориясы, циклдік ғалам моделі және көпәлемдік гипотеза сияқты альтернативті модельдер алға тартылды. Бұл модельдер көбінесе космологиядағы шешілмеген мәселелерді шешуге арналған қиялды әрекеттерден туындайды.

Мысалы, көп ғаламдық гипотеза біздің ғаламның әрқайсысында әртүрлі физикалық заңдары мен тұрақтылары бар көптің бірі ғана екенін көрсетеді. Бұл идея өте алыпсатарлық және тікелей дәлелдері жоқ болғанымен, ол Үлкен жарылыспен байланысты кейбір нақты реттеу мәселелерін түсіндіре алатын қиялды негіз береді.

Циклдік ғалам моделі, керісінше, ғалам шексіз кеңеюлер мен қысқартулардан өтеді, әрбір Үлкен жарылыстан кейін «Үлкен күйзеліс» болады. Ағымдағы бақылау деректері онша ұнамаса да, бұл қиялға негізделген модельдер теориялық космологияның шығармашылық сипатын көрсетеді.

Ғылыми сындар мен қиындықтар

Қазіргі космология алдында тұрған ең үлкен қиындықтардың бірі қараңғы материя мен қараңғы энергияның болуы. Бұл екі компонент бірге ғаламның жалпы массаэнергиялық мазмұнының шамамен 95%ын құрайды, бірақ олар әлі де жұмбақ және аз зерттелген.

Қараңғы материя жарық шығармайтын, сіңірмейтін немесе шағылыспайтын материяның түрі, сондықтан оны телескоптар көрінбейді. Оның бар екендігі галактикалар мен галактика кластерлері сияқты көрінетін заттарға гравитациялық әсерінен шығады. Қараңғы материя ғаламның ауқымды құрылымының қалыптасуында шешуші рөл атқарса да, оның шынайы табиғаты белгісіз болып қалады.

Қара энергия, керісінше, ғаламның жедел кеңеюін басқаратын энергия түрі. Ғаламның 1990 жылдардың аяғында кеңеюінің жылдамдауы ғалымдар үшін күтпеген жағдай болды және бұл жеделдеудің нақты себебі әлі де қызу пікірталас мәселесі болып табылады. Кейбір теоретиктер қараңғы энергия космологиялық тұрақтының көрінісі болуы мүмкін деп болжайды, ал басқалары экзотикалық мүмкіндіктерді ұсынады.

Қара материя мен қараңғы энергияның болуы Үлкен жарылыс теориясының толықтығы туралы маңызды сұрақтарды тудырады. Теория ғаламның эволюциясын түсіну үшін сенімді негізді қамтамасыз еткенімен, бұл қиын компоненттердің табиғатын әлі толық түсіндіре алмайды.

Үлкен жарылыс теориясының тағы бір мәселесі көкжиек мәселесі. Теорияға сәйкес, ғаламның әртүрлі аймақтары ерте ғаламда бірбірімен себепті байланысқа түспеуі керек еді, өйткені жарықтың (немесе кез келген басқа сигналдың) олардың арасында жүруге жеткілікті уақыты болмас еді. Дегенмен, ғалам үлкен масштабта керемет біртекті болып көрінеді, бірбірінен үлкен қашықтықтармен бөлінген аймақтар бірдей дерлік қасиеттерді көрсетеді.

Инфляциялық теория көкжиек мәселесінің шешімі ретінде ұсынылды, өйткені ол ғаламның тез кеңею кезеңін бастан кешіріп, алыс аймақтардың бірбірінен алысқа созылғанға дейін байланыста болуына мүмкіндік береді. Дегенмен, инфляция әлі де алыпсатарлық идея болып табылады және оның нақты механизмі белгісіз.

Әлемнің кеңеюі және қызыл ығысу құбылыстары

Алыстағы галактикалардан жарықтың қызыл ығысуын Доплер эффектісімен, яғни фенмен түсіндіруге болады.көздің бақылаушыға қатысты қозғалысына негізделген толқындардың жиілігіне әсер ететін белгі. Мысалы, дыбыс шығаратын нысан бақылаушыдан алыстағанда, дыбыс толқындары созылады, нәтижесінде дыбыс деңгейі төмен болады. Сол сияқты, галактика сияқты жарық көзі бізден алыстаған кезде, жарық толқындары созылып, жарықтың электромагниттік спектрдің қызыл соңына қарай ығысуына әкеледі.

Эдвин Хабблдың алыстағы галактикалардағы қызыл ығысуын бақылауы кеңейіп жатқан ғаламның алғашқы негізгі дәлелі болды. Ол галактикалардың барлығы дерлік бізден алыстап бара жатқанын, олардың құлдырау жылдамдығы олардың қашықтығына тура пропорционалды екенін анықтады. Қазір Хаббл заңы деп аталатын бұл қатынас қазіргі космологияның ірге тасы болып табылады.

Қызылға жылжу галактикалардың кеңістікте қозғалысына емес, кеңістіктің кеңеюіне байланысты да болады. Кеңістік кеңейген сайын оның арқылы өтетін фотондардың толқын ұзындығы созылады, нәтижесінде космологиялық қызыл ығысу деп аталады. Қызыл ығысудың бұл түрі Үлкен жарылыс теориясы болжаған кеңейіп жатқан ғаламның тікелей дәлелін береді.

Алыстағы галактикаларда қызыл ығысудың ашылуы ғаламның статикалық емес екенін түсінудегі маңызды қадам болды. Бізден алысырақ орналасқан галактикалардың қызыл ығысулары жоғарырақ (яғни, тезірек шегінуде) деген бақылау ғарыштың өзі кеңейіп жатқанын көрсетеді, бұл ғалам әлдеқайда ыстық, тығыз күйде басталған деген идеяны қолдайды.

Үлкен жарылыс теориясы ғаламның кеңеюін түсіндірсе де, ол біз байқайтын нәрселердің шегі туралы сұрақтар тудырады. Ғаламның жасы шамамен 13,8 миллиард жыл деп есептеледі, яғни біз бақылай алатын ең алыс жер шамамен 13,8 миллиард жарық жылы. Дегенмен, ғаламның кеңеюіне байланысты бақыланатын ғаламның нақты көлемі әлдеқайда үлкен — диаметрі шамамен 93 миллиард жарық жылы.

Осы бақыланатын шектен тыс байтақ, бақыланбайтын ғалам жатыр. Алыс аймақтардан келетін жарық бізге әлі жетіп үлгерген жоқ. Ағымдағы үлгілерге сүйене отырып, бақыланатын ғаламнан тыс жерде не бар екені туралы нақты болжам жасай алатынымызға қарамастан, бұл аймақтар тікелей бақылауға қолжетімсіз болып қала береді, бұл біздің ғарыштық көкжиектен тыс жерде не жатқаны туралы болжамдарға әкеледі.

Инфляциялық дәуір және ғарыштық инфляция

Инфляция классикалық Үлкен жарылыс теориясымен бірнеше мәселелерді, соның ішінде көкжиек мәселесі мен тегістік мәселесін шешу үшін ұсынылды.

Көкжиек мәселесі неге ғаламның температура мен тығыздық жағынан біркелкі болып көрінетіні туралы сұраққа қатысты, тіпті бірбірінен тым алшақ жатқан аймақтарда себепсалдарлық байланыста болмаған. Инфляциясыз бақыланатын ғалам өзара әрекеттесуге және жылулық тепетеңдікке жетуге үлгермеген оқшауланған аймақтардан тұруы керек, бірақ біз ғаламның үлкен масштабта керемет біртекті екенін байқаймыз.

Инфляция бұл мәселені жылдам кеңеюге дейін бүкіл бақыланатын ғалам себепті байланыста болғанын ұсына отырып шешеді. Бұл әртүрлі аймақтарға инфляция оларды бірбірінен алысқа созғанға дейін тепетеңдікке жетуге мүмкіндік берді. Нәтижесінде алыс аймақтар қазір үлкен қашықтықтармен бөлінген болса да, ғалам біркелкі болып көрінеді.

Тегістік мәселесі инфляциямен шешілетін тағы бір мәселе. Бақылаулар Ғаламның геометриялық тегіс екенін көрсетеді, яғни параллель түзулер параллель болып қалады және үшбұрыштың бұрыштары 180 градусқа дейін қосылады. Дегенмен, жазық ғалам өте нақты бастапқы шарттарды талап етеді. Инфляция болмаса, тіпті ертедегі ғаламдағы тегістіктен шамалы ауытқу уақыт өте күшейіп, бүгінгі күні өте қисық ғаламға әкелетін еді.

Инфляция ғаламның тегістігін кез келген бастапқы қисықтық жылдам кеңею арқылы тегістелетінін ұсына отырып түсіндіреді. Бұл дегеніміз, егер ғалам аздап қисықтықпен басталса да, инфляция оны соншалықты кеңейтіп, енді ол ең үлкен масштабта тегіс болып көрінеді.

Ғарыштық инфляция теориялық тұжырымдама болып қала бергенімен, ол бірнеше дәлелдер желісі арқылы қолдау тапты. Ең маңызды дәлелдердің бірі ғарыштық микротолқынды фонның (CMB) егжейтегжейлі өлшемдерінен алынған.

CMB құрамында ерте ғаламдағы тығыздығы сәл жоғары немесе төмен аймақтарға сәйкес келетін шамалы температура ауытқулары бар. Бұл тербеліс галактикаларды, жұлдыздарды және планеталарды қоса алғанда, біз бүгінгі ғаламда көріп отырған барлық құрылымның тұқымы деп саналады. Бұл тербелістердің үлгісі инфляциялық теорияның болжамдарымен сәйкес келеді, бұл инфляция кезіндегі кванттық ауытқулар ғарыштық масштабқа дейін созылып, ауқымды құрылымдардың қалыптасуына әкелді.

Сонымен қатар, WMAP және Планк сияқты миссиялар байқағандай, ғаламның жалпы тегістігіинфляцияны жанама қолдау. Инфляция ғаламның үлкен масштабта тегіс болып көрінуі керек деп болжайды және бұл болжам бақылаулар арқылы расталды.

Инфляция космологиядағы көптеген мәселелердің тартымды шешімі болғанымен, ол алыпсатарлық болып қала береді. Ғалымдар әлі күнге дейін инфляцияның тікелей дәлелдерін іздеуде, мысалы, инфляциялық дәуірде пайда болған алғашқы гравитациялық толқындарды кеңістіктегі толқындарды анықтау. Егер анықталса, бұл гравитациялық толқындар инфляциялық теорияның күшті растауын қамтамасыз етеді.

Қара материя мен қараңғы энергияның рөлі

Қараңғы материя жарық шығармайтын, сіңірмейтін немесе шағылыспайтын материяның түрі, сондықтан оны телескоптар көрінбейді. Оның қатысуы көрінетін затқа гравитациялық әсерінен шығады. Мысалы, галактикалардың айналу жылдамдығы олардың құрамында жұлдыздарда, газда және шаңда көрінетін массадан әлдеқайда көп екенін көрсетеді. Бұл көрінбейтін масса қараңғы материяға жатады.

Қараңғы материя ғаламдағы ауқымды құрылымдардың қалыптасуында да маңызды рөл атқарады. Үлкен жарылыстан кейін қараңғы материяның тығыздығының шамалы ауытқуы галактикалар мен галактика кластерлерін қалыптастыру үшін қажетті гравитациялық тартылысты қамтамасыз етті. Қараңғы материя болмаса, бұл құрылымдардың Үлкен жарылыстан кейінгі 13,8 миллиард жыл ішінде пайда болуына жеткілікті уақыты болмас еді.

Космологиядағы маңыздылығына қарамастан, қараңғы материяның шынайы табиғаты ғылымдағы ең үлкен құпиялардың бірі болып қала береді. Әлсіз әрекеттесетін массивтік бөлшектер (WIMP) мен аксиондарды қоса бірнеше үміткерлер ұсынылғанымен, қараңғы материя әлі тікелей анықталмады.

Қара энергия қараңғы материядан да жұмбақ. Бұл бүкіл кеңістікке енетін және ғаламның жедел кеңеюіне жауап беретін энергия түрі. 1990 жылдардың аяғында алыстағы суперноваларды бақылау ғаламның кеңеюі күткендей баяулаудың орнына жылдамдайтынын көрсетті. Бұл ашылу қараңғы энергияның осы үдеуді қозғаушы күш ретінде ұсынуына әкелді.

Қара энергияның табиғаты әлі белгісіз. Мүмкіндіктердің бірі бұл Эйнштейн статикалық ғаламға мүмкіндік беру үшін өзінің жалпы салыстырмалылық теңдеулеріне енгізген терминді космологиялық тұрақтыға қатысты. Кеңейіп жатқан ғаламды ашқаннан кейін Эйнштейн космологиялық тұрақтыдан бас тартып, оны өзінің «ең үлкен қателігі» деп атады. Дегенмен, ол қара энергияның ықтимал түсіндірмесі ретінде қайта тірілді.

Басқа теориялар қараңғы энергия жаңа, әлі белгісіз өрістің немесе күштің нәтижесі болуы мүмкін немесе ауырлық туралы түсінігімізді ауқымды түрде қайта қарау қажет болуы мүмкін деп болжайды.

Қара энергияның болуы ғаламның соңғы тағдырына терең әсер етеді. Егер қараңғы энергия ғаламның жедел кеңеюін жалғастыра берсе, онда алыс галактикалар ақырында бақыланатын көкжиектен тыс шегініп, ғаламды қараңғы және бос қалдырады. «Үлкен мұздату» немесе «Ыстық өлім» деп аталатын бұл сценарий ғаламның мәңгілікке кеңейе беретінін, ақырында салқын және құрылымынан айырылатынын болжайды.

Ғаламның басқа ықтимал тағдырларына қараңғы энергия барған сайын үстемдік ететін және сайып келгенде галактикаларды, жұлдыздарды, планеталарды және тіпті атомдарды бөлшектейтін «Үлкен сілкініс» немесе ғаламның кеңеюі кері өзгеретін «Үлкен дағдарыс» жатады., бұл Үлкен жарылыс жағдайларына ұқсас ыстық, тығыз күйге дейін құлдырауға әкеледі.

Үлкен жарылысты сынау: жүргізіліп жатқан зерттеулер және болашақ ашылулар

Зерттеудің негізгі бағыттарының бірі космология мен бөлшектер физикасының байланысы болып табылады. Ертедегі ғаламның жағдайлары, Үлкен жарылыстан бірнеше секундтан кейін, өте төтенше болды, оларды Жердегі ешбір зертханада қайталау мүмкін емес. Дегенмен, CERNдегі Үлкен адрондық коллайдер (LHC) сияқты жоғары энергиялы бөлшектердің үдеткіштері ғалымдарға ерте ғаламда болған кейбір іргелі процестерді қайта жасауға мүмкіндік береді.

Мысалы, 2012 жылы Хиггс бозонының ашылуы бөлшектер физикасының стандартты моделінің маңызды аспектісі болып табылатын бөлшектердің массасын беретін механизм туралы маңызды түсініктер берді. Алғашқы ғаламдағы бөлшектердің әрекетін түсіну ғарыштық инфляция және қараңғы материяның табиғаты сияқты құбылыстарға жарық түсіруі мүмкін.

Гравитациялық толқындар — массивтік объектілердің үдеуінен туындайтын кеңістіктегі толқындар — ғаламды зерттеудің жаңа әдісін береді. LIGO және Virgo обсерваторияларының гравитациялық толқындарды анықтауы астрономияда жаңа дәуірді ашып, ғалымдарға қара тесіктер мен нейтрондық жұлдыздардың қосылуын бақылауға мүмкіндік берді.

Осы катаклизмдік оқиғалардан басқа гравитациялық толқындар да ертедегі ғалам туралы мәліметтерді қамтуы мүмкін. Егер ғарыштық инфляция орын алса, бұл WWCMB немесе LISA (Laser Interferometer Space Antenna) сияқты болашақ гравитациялық толқын обсерваториялары арқылы анықталуы мүмкін бастапқы гравитациялық толқындарды тудырған болар еді. Бұл бастапқы толқындарды анықтау инфляцияға күшті дәлелдер береді және ғаламның ең алғашқы сәттерін көруге мүмкіндік береді.

Жаңа обсерваториялар мен ғарыштық зерттеулер біздің ғалам туралы түсінігімізді үздіксіз дамытады. 2021 жылдың желтоқсанында ұшырылған Джеймс Уэбб ғарыштық телескопы (JWST) сияқты жобалар ғаламды бұрынсоңды болмаған егжейтегжейлі бақылауға арналған. JWST алғашқы жұлдыздар мен галактикалардың пайда болуын зерттеп, ерте ғаламға және Үлкен жарылыстан кейінгі процестерге жаңа түсінік береді деп күтілуде.

Сонымен қатар, қараңғы энергияны зерттеу (DES) және Евклид миссиясы сияқты ауқымды зерттеулер галактикалар мен қараңғы материяның ғаламдағы таралуын картаға түсіруге бағытталған. Бұл сауалнамалар космологтарға қараңғы материя мен қараңғы энергияның ғаламның құрылымы мен кеңею тарихын қалыптастырудағы рөлін түсінуге көмектеседі.

Үлкен жарылыс теориясы космологиядағы басым модель болғанымен, балама теориялар зерттелуді жалғастыруда. Осы теориялардың кейбірі шешілмеген сұрақтарды шешу үшін Үлкен жарылыс үлгісін өзгертеді немесе кеңейтеді.

Мысалы, «Үлкен серпіліс» теориясы ғаламның әрбір Үлкен жарылыстан кейін қысқару және Үлкен дағдарысқа айналу кезеңінен кейін жаңа Үлкен жарылыс пайда болатын циклдар тізбегінен өтеді деп болжайды. Бұл модель ғаламның сингулярлық бастамасы идеясына қарсы шығып, ғаламның кеңею және қысқару фазалары арқылы өтетін мәңгілік болуы мүмкін екенін болжайды.

Басқа теориялар Үлкен жарылысты кванттық механика заңдарымен үйлестіруге тырысатын кванттық гравитация сияқты жалпы салыстырмалық теориясына модификацияларды ұсынады. Бұл теориялар Үлкен жарылыс шынайы ерекшелік емес, ғаламның алдыңғы фазасынан ауысу болуы мүмкін деп болжайды.

Үлкен жарылыс теориясының теориялық негіздері мен шектеулері

Эйнштейннің жалпы салыстырмалылық теориясы біздің кеңістік, уақыт және гравитация туралы түсінігімізде төңкеріс жасады. Ол масса мен энергияның болуы арқылы қисық болуы мүмкін кеңістікуақыт ұғымын енгізу арқылы Ньютон физикасын ауыстырды. Бұл қисықтық біз гравитация ретінде сезінеміз. Жалпы салыстырмалық теориясы планеталардың орбиталарынан бастап массивтік объектілердің жарықтың иілуіне дейін (гравитациялық линза) көптеген әртүрлі контексттерде сыналған және ол дәйекті түрде дәл болжамды қамтамасыз етті.

Дегенмен, жалпы салыстырмалылық сингулярлықтарға — шексіз тығыздық нүктелеріне және нөлдік көлемге, мысалы, Үлкен жарылыс сәтіндегі ғаламның гипотетикалық күйіне қолданылғанда бұзылады. Бұл ерекшелікте кеңістік уақытының қисықтығы шексіз болады және біз білетін физика заңдары кез келген мағыналы түрде әрекет етуді тоқтатады. Бұл Үлкен жарылыс теориясының негізгі теориялық шектеуін көрсетеді: ол ғаламның өмір сүруінің ең алғашқы сәтін немесе Үлкен жарылыс «бұрын болғанын» түсіндіре алмайды.

Жалпы салыстырмалылық ғаламның ауқымды құрылымын басқарса, кванттық механика бөлшектердің әрекетін ең кішкентай масштабта сипаттайды. Мәселе екі теорияны да экстремалды жағдайларға, мысалы, ерте ғаламда болған жағдайларға қолдануға тырысқанда туындайды. Осындай жоғары тығыздық пен энергияда кванттық әсерлерді елемеуге болмайды, бірақ жалпы салыстырмалылық кванттық механиканы қамтымайды. Бұл кеңістік уақыттың ауқымды құрылымын да, бөлшектердің кванттық әрекетін де сипаттай алатын кванттық тартылыс теориясын іздеуге әкелді.

Жіп теориясы мен циклдік кванттық гравитация кванттық гравитация теориясына ең көрнекті кандидаттардың екеуі болып табылады, бірақ олардың ешқайсысы да нақты дәлелденбеген. Бұл теориялар жалпы салыстырмалылықты кванттық механикамен үйлестіруге тырысады және ерекшеліктердің табиғаты туралы түсінік бере алады. Мысалы, циклдік кванттық гравитация Үлкен жарылысты «Үлкен серпіліспен» ауыстыруға болатынын болжайды, онда ғалам кеңею және қысқару кезеңдерінен өтіп, ерекшеліктен мүлдем аулақ болады.

Қазіргі физика сипаттай алатын ғаламның ең ерте кезеңі бірінші^{1043да болған Планк дәуірі ретінде белгілі.} Үлкен жарылыстан кейінгі секунд. Осы уақыт ішінде төрт негізгі күш ауырлық, электромагнетизм және күшті және әлсіз ядролық күштер бір күшке біріктірілді. Дегенмен, осы дәуірдегі физикалық жағдайлар соншалықты, біздің физика туралы қазіргі түсінігіміз бұзылады. Планк дәуіріндегі ғаламды сипаттау кванттық гравитация теориясын қажет етеді, ол жоғарыда айтылғандай, n.әлі толық әзірленген жоқ.

Планк дәуірінен кейін, шамамен¹⁰³⁵ секундтарда ғалам күштерді қазіргі заманғы нысандарына бөлетін фазалық ауысудан өтті. Бұл ауысу ғарыштық инфляцияны тудыруы мүмкін, бұл^{1035аралығында болған өте жылдам кеңеюдің қысқа кезеңі} және¹⁰³² Үлкен жарылыстан кейінгі секунд.

Космологиядағы жалғасып жатқан пікірталастардың бірі ғаламның бастапқы шарттары туралы мәселе. Неліктен ғалам күрделіліктің, жұлдыздардың, галактикалардың және тіршіліктің пайда болуына мүмкіндік беретін төмен энтропия күйінде басталды? Бұл сұрақ Термодинамиканың екінші заңының контекстінде ерекше өзекті болып табылады, ол оқшауланған жүйенің энтропиясы уақыт өте келе өсу үрдісін көрсетеді. Егер ғалам жоғары реттелген, төмен энтропия күйінде басталса, бұған не себеп болды және неліктен?

Кейбір физиктер бұл мәселе ғаламның эволюциясын ғана емес, оның бастапқы шарттарын да түсіндіретін теорияның тереңірек қажеттілігін көрсетеді деп санайды. Инфляциялық теорияда, мысалы, ғаламның жылдам кеңеюі ғаламның неге үлкен масштабта біртекті және изотропты болып көрінетінін түсіндіре алады. Дегенмен, инфляцияның өзі бастау үшін белгілі бір бастапқы шарттарды талап етеді, бұл бірінші кезекте инфляцияға не себеп болды деген сұраққа әкеледі.

Басқа тәсілдер, мысалы, көпәлемдік гипотезаға негізделген тәсілдер, біздің ғаламның әрқайсысының бастапқы шарттары мен физикалық заңдары әртүрлі болатын көптің бірі ғана болуы мүмкін екенін болжайды. Бұл сценарийде біздің ғаламның ерекше шарттары жай ғана кездейсоқ мәселе болуы мүмкін, тереңірек түсіндіру қажет емес.

Ғылыми білім көкжиегі және алыпсатарлық теориялар

Қараңғы материя космологиядағы ең маңызды шешілмеген мәселелердің бірі. Ол ғаламның массалық энергиясының шамамен 27% құраса да, ол ешқашан тікелей анықталмаған. Қараңғы материяның бар екендігі оның көрінетін материяға, әсіресе галактикалар мен галактика кластерлеріне гравитациялық әсерінен шығады. Мысалы, галактикалар олардағы көрінетін заттың мөлшерін ескере отырып, олар қажет болғаннан әлдеқайда жылдам айналады. Бұл сәйкессіздікті көзге көрінбейтін массаның — қара материяның болуымен түсіндіруге болады.

Ғылыми қоғамдастықта кең таралғанына қарамастан, қараңғы материяның табиғаты құпия болып қала береді. Ол электромагниттік күштермен әрекеттеспейді, яғни ол жарық шығармайды, сіңірмейді және шағылыстырмайды. Бұл тікелей анықтауды керемет қиындатады және ғалымдар әлсіз өзара әрекеттесетін массивтік бөлшектер (WIMP) немесе аксиондар сияқты қараңғы материяға бірнеше кандидаттарды ұсынды. Дегенмен, бұл үміткерлердің ешқайсысы эксперименттерде нақты анықталған жоқ.

Модификацияланған Ньютон динамикасы (MOND) және модификацияланған ауырлық теориясы (MOG) сияқты кейбір балама теориялар галактикалардың әрекетін қараңғы материяны қолданбай түсіндіруге тырысады. Бұл теориялар галактикалардың бақыланатын айналу қисықтарын әлеуетті түрде есепке алатын үлкен масштабтағы гравитацияны түсінуімізге өзгертулерді ұсынады. Бұл альтернативті нұсқалар белгілі бір құбылыстарды түсіндіруде біршама жетістікке жеткенімен, олар қараңғы материяның бар екендігін растайтын барлық бақылау дәлелдерін есепке алу үшін күресетіндіктен, олар кең тараған жоқ.

Қараңғы материядан басқа, космологиядағы тағы бір терең құпия бұл ғаламның массалық энергиясының шамамен 68% құрайтын қараңғы энергия. Гравитациялық тартылыс күші бар қараңғы материядан айырмашылығы, қараңғы энергия итеруші әсерге ие деп есептеледі, бұл ғаламның жеделдеу жылдамдығымен кеңеюіне әкеледі. 1990 жылдардың аяғында алыстағы суперноваларды бақылау арқылы ғаламның жедел кеңеюінің ашылуы ғылыми қауымдастық үшін таң қалдырды және қазіргі космологиядағы ең маңызды жаңалықтардың бірі болып қала береді.

Қара энергияның табиғаты әлі аз зерттелген. Ықтимал түсініктеме: қараңғы энергия космологиялық тұрақтыға қатысты, бұл терминді Эйнштейн бос кеңістіктің энергия тығыздығын сипаттау үшін жалпы салыстырмалылық теңдеулеріне енгізген. Бұл концепция тіпті вакуумның өзінде ғарышта ғаламның жедел кеңеюіне ықпал ететін белгілі бір энергия мөлшері бар екенін көрсетеді.

Алайда, кванттық өріс теориясы болжаған космологиялық тұрақтының мәні байқалғаннан әлдеқайда үлкен, бұл теориялық физикадағы ең үлкен шешілмеген мәселелердің біріне әкеледі. Қараңғы энергияның басқа түсіндірмелеріне оның жаңа, әлі ашылмаған, кейде «квинтэссенция» деп аталатын өрісті білдіру мүмкіндігі немесе ғарыштық масштабтағы тартылыс туралы біздің түсінігіміз толық емес болуы жатады.

Үлкен жарылыс теориясының бір алыпсатарлық кеңеюі көп ғаламдық гипотеза. Бұл идея сБіздің ғаламның әрқайсысының өзіндік физикалық заңдары, тұрақтылары және бастапқы шарттары бар көптеген ғаламдардың бірі ғана екенін алға тартады. Көп ғалам ұғымы ғарыштың әртүрлі аймақтары бірбірінен ажыратылған «көпіршікті ғаламдардың» пайда болуына әкеліп соғатын кеңеюдің әртүрлі қарқынына ұшырауы мүмкін деп болжайтын инфляциялық теорияның кейбір нұсқаларында табиғи түрде пайда болады.

Кванттық гравитация теориясының жетекші кандидаты болып табылатын жолдар теориясының кейбір нұсқаларында көп әлем кеңістік уақыт геометриясын реттейтін теңдеулердің көптеген ықтимал шешімдерінің табиғи нәтижесі болып табылады. Әрбір шешім өзінің физикалық заңдары бар басқа ғаламға сәйкес келуі мүмкін.

Көп әлемді гипотеза өте алыпсатарлық және оны тікелей тексеру қиын, тіпті мүмкін емес. Дегенмен, ол жұлдыздардың, галактикалардың және өмірдің болуын қамтамасыз ету үшін дәл орнатылғанға ұқсайтын біздің ғаламдағы физикалық тұрақтыларды дәл баптау үшін әлеуетті түсініктеме береді. Көп ғаламда физикалық тұрақтылар әр ғаламға қарай өзгеруі мүмкін және біз жай ғана өмір сүру үшін қолайлы жағдайлар бар жерде өмір сүретін боламыз.

Көп әлемді гипотеза пікірталас пен қайшылықтың тақырыбы болып қала бергенімен, ол ғалымдар қазіргі бақылау мүмкіндіктерімізден әлдеқайда жоғары идеялармен күресуге тиіс теориялық космологияның қиялшыл және шығармашылық сипатын көрсетеді.

Әлемнің соңғы тағдыры

Ғаламның болашағының ықтимал сценарийлерінің бірі «Ыстық өлім» деп те аталатын «Үлкен мұздату». Бұл сценарийде ғалам қараңғы энергияның әсерінен шексіз кеңейе береді. Уақыт өте келе галактикалар бірбірінен алыстап, ғалам барған сайын салқын және бос болады. Жұлдыздар ядролық отынын таусып, Хокинг сәулеленуі арқылы қара тесіктер буланып жатқанда, ғалам максималды энтропия күйіне жақындайды, мұнда барлық процестер тоқтайды және бұдан былай жұмыс істеуге болмайды.

Қазіргі уақытта ғарыш кеңеюінің байқалған үдеуіне негізделген Үлкен мұздату ғаламның ең ықтимал тағдыры болып саналады.

Тағы бір ықтимал нәтиже уақыт өте келе қараңғы энергияның итеруші күші басым бола түсетін Үлкен жырту. Бұл сценарийде ғаламның кеңеюі соншалықты жылдамдайды, ол ақырында галактикаларды, жұлдыздарды, планеталарды және тіпті атомдарды жыртып тастайды. Ғарыштың кеңеюі арқылы барлық құрылымдар бөлшектеніп, ғалам қатты ыдыраумен аяқталады.

Үлкен жыртудың ықтималдығы әлі толық түсінілмеген қараңғы энергияның табиғатына байланысты. Егер қараңғы энергия уақыт өте өзгеретін динамикалық өріс болса, ол болашақта күшейіп, Үлкен жыртысқа әкелуі мүмкін. Дегенмен, егер қараңғы энергия космологиялық константамен сипатталғандай тұрақты күш болса, Үлкен жыртылуы екіталай.

Мүмкін, бірақ әлі де мүмкін болатын сценарий бұл ғаламның кеңеюі ақырында кері өзгеретін және ғалам жиырыла бастайтын Үлкен дағдарыс. Бұл сценарийде гравитация қараңғы энергияның итеруші күшін жеңіп, ғаламның Үлкен жарылыс жағдайына ұқсас ыстық, тығыз күйге ыдырауына әкелетін еді. Бұл біз білетін ғаламды тиімді түрде аяқтайтын ерекшелікке әкелуі мүмкін.

Big Crunch гипотезасының кейбір нұсқалары құлдырағаннан кейін ғалам ерекшеліктен шығып, кеңеюдің жаңа циклін бастайтын «Үлкен серпіліс» болуы мүмкін деп болжайды. Ғаламның бұл циклдік моделі сингулярлық бастама идеясына балама ретінде ұсынылды, бұл ғаламның шексіз кеңеюлер мен қысқарулар қатарынан өтуі мүмкін екенін болжайды.

Үлкен дағдарыс және үлкен серпіліс сценарийлері қазіргі уақытта ғаламның жеделдетілген кеңеюін бақылауға қарсы болғанымен, олар белгілі бір теориялық модельдер контекстінде қызықты мүмкіндіктер болып қала береді.

Қорытынды: Космологиядағы ғылым мен қиял

Үлкен жарылыс теориясы ғаламның пайда болуын, эволюциясын және ауқымды құрылымын дәлелдейтін түсініктеме беретін заманауи ғылымның ең үлкен жетістіктерінің бірі болып табылады. Ғарыштық микротолқынды фоны, галактикалардың қызыл ығысуын және жарық элементтерінің көптігін қоса алғанда, көптеген бақылау дәлелдеріне сүйене отырып, теория ондаған жылдар бойы зерттеуге төтеп берді және космологиядағы басым парадигма болып қала береді.

Алайда, Үлкен жарылыс теориясының шектеулері және жауапсыз сұрақтары жоқ емес. Қараңғы материяның табиғаты, қараңғы энергия және ғаламның бастапқы жағдайлары терең құпия болып қала береді. Сонымен қатар, теория ғаламның басындағы ерекшелікті немесе Үлкен жарылысқа дейін болған нәрсені толық түсіндіре алмайды. Бұл шешілмеген мәселелер спекуляцияға, шығармашылыққа және біздің түсінігіміздің шекарасын ығыстыратын жаңа теорияларды дамытуға мүмкіндік береді.

Адамның қиялы космологияның ілгерілеуінде, инфляциялық теорияны дамытудан бастап көп әлем сияқты экзотикалық идеяларды зерттеуге дейін шешуші рөл атқарады. Ғылыми дәлелдер біліміміздің негізі болып қала бергенімен, теориялық үлгілер түсінігіміздегі олқылықтарды жою үшін жиі қиялдың батыл секірістерін қажет етеді.

Жаңа технологиялар, обсерваториялар және эксперименттер ғаламды зерттеуді жалғастырған сайын, бақылау мен қиял арасындағы өзара әрекеттестік космологияның жүрегінде қалады. Жаңа бөлшектердің ашылуы, алғашқы гравитациялық толқындардың табылуы немесе гравитацияның балама теорияларын зерттеу арқылы болсын, ғарышты түсінуге деген ізденіс әлі аяқталмайды.

Соңында, Үлкен жарылыс теориясы бақылау, теория және қиялдың терең синтезін білдіреді және ғаламның ең терең құпияларына шолу жасайды. Көптеген сұрақтар әлі де болса, теория ғарыштың өткенін, бүгінін және болашағын зерттеуге сенімді негіз береді және ол адамзаттың белгісіздікке қарсы тұрақты қызығушылығы мен жасампаздығы туралы куәлік ретінде қызмет етеді.