Além da questão da origem do Universo, os cosmólogos modernos enfrentam uma série de outros problemas. Para que o padrão possa prever a distribuição da matéria que observamos, seu estado inicial deve ser caracterizado por um alto grau de organização. Surge imediatamente a questão: como tal estrutura poderia ser formada?
O físico Alan Guth, do Instituto de Tecnologia de Massachusetts, propôs sua própria versão, que explica o surgimento espontâneo dessa organização, eliminando a necessidade de introdução artificial de parâmetros precisos nas equações que descrevem o estado inicial do Universo. Seu modelo foi chamado de “universo inflacionário”. Sua essência é que dentro do Universo superaquecido e em rápida expansão, uma pequena seção do espaço esfria e começa a se expandir com mais força, assim como a água super-resfriada congela rapidamente, expandindo-se ao mesmo tempo. Esta fase de rápida expansão elimina alguns dos problemas inerentes às teorias convencionais do big bang.
No entanto, o modelo de Guth também apresenta suas deficiências. Para que as equações de Guth descrevessem corretamente o Universo inflacionário, ele teve que especificar os parâmetros iniciais de suas equações com muita precisão. Assim, ele enfrentou o mesmo problema dos criadores de outras teorias. Ele esperava livrar-se da necessidade de especificar os parâmetros exatos das condições do big bang, mas para isso teve que introduzir sua própria parametrização, que permaneceu inexplicável. Guth e seu coautor P. Steingart admitem que em seu modelo, “os cálculos levam a previsões aceitáveis apenas se os parâmetros iniciais fornecidos das equações variarem dentro de uma faixa muito estreita. A maioria dos teóricos (incluindo nós mesmos) considera tais condições iniciais improváveis.” Os autores continuam falando sobre suas esperanças de que um dia novas teorias matemáticas sejam desenvolvidas que lhes permitam tornar seu modelo mais plausível.
Esta dependência de teorias ainda não descobertas é outra deficiência do modelo de Guth. A teoria do campo unificado na qual se baseia o modelo do universo inflacionário é inteiramente hipotética e "pouco passível de testes experimentais, uma vez que a maioria de suas previsões não pode ser testada quantitativamente em condições de laboratório". (A teoria do campo unificado é uma tentativa bastante duvidosa dos cientistas de unir algumas das forças fundamentais do universo.)
Outra falha na teoria de Guth é que ela nada diz sobre a origem da matéria superaquecida e em expansão. Guth testou a compatibilidade de sua teoria inflacionária com três hipóteses sobre a origem do Universo. Ele primeiro examinou a teoria padrão do big bang. Nesse caso, segundo Guth, o episódio inflacionário deve ter ocorrido em um dos estágios iniciais da evolução do Universo. No entanto, este modelo apresenta um problema de singularidade intratável. A segunda hipótese postula que o Universo surgiu do caos. Algumas partes estavam quentes, outras frias, algumas se expandiam, enquanto outras se contraíam. Neste caso, a inflação teria começado numa região superaquecida e em expansão do Universo. É verdade que Guth admite que este modelo não pode explicar a origem do caos primário.
A terceira possibilidade, defendida por Guth, é que uma bolha de matéria superaquecida e em expansão emerge mecanicamente do vazio. Num artigo publicado na Scientific American em 1984, Guth e Steiningart declararam: “O modelo inflacionário do universo dá-nos uma ideia de um possível mecanismo pelo qual o universo observável poderia ter emergido de uma região infinitesimal do espaço. Sabendo disso, é difícil resistir à tentação de dar um passo adiante e chegar à conclusão de que o Universo surgiu literalmente do nada.”
No entanto, por mais atraente que esta ideia possa ser para os cientistas que estão prontos a pegar em armas a qualquer menção à possibilidade da existência de uma consciência superior que criou o Universo, após um exame cuidadoso ela não resiste a críticas. O “nada” de que Guth está falando é um hipotético vácuo da mecânica quântica, descrito por uma teoria de campo unificado ainda não desenvolvida que unificaria as equações da mecânica quântica e da relatividade geral. Em outras palavras, em este momento este vácuo não pode ser descrito nem mesmo teoricamente.
Deve-se notar que os físicos descreveram um tipo mais simples de vácuo mecânico quântico, que é um mar das chamadas “partículas virtuais”, fragmentos de átomos que “quase existem”. De tempos em tempos, algumas dessas partículas subatômicas passam do vácuo para o mundo da realidade material. Este fenômeno é chamado de flutuações de vácuo. As flutuações do vácuo não podem ser observadas diretamente, mas as teorias que postulam sua existência foram confirmadas experimentalmente. Segundo essas teorias, partículas e antipartículas emergem do vácuo sem motivo e desaparecem quase imediatamente, aniquilando-se mutuamente. Guth e os seus colegas presumiram que em algum momento, em vez de uma pequena partícula, um Universo inteiro apareceu do vácuo e, em vez de desaparecer imediatamente, este Universo de alguma forma durou milhares de milhões de anos. Os autores deste modelo resolveram o problema da singularidade postulando que o estado em que o Universo emerge do vácuo é um pouco diferente do estado de singularidade.
No entanto, este cenário tem duas desvantagens principais. Em primeiro lugar, só podemos ficar surpresos com a ousadia da imaginação dos cientistas que estenderam a todo o Universo a sua experiência bastante limitada com partículas subatômicas. S. Hawking e G. Ellis alertam sabiamente seus colegas excessivamente entusiasmados: “A suposição de que as leis da física, descobertas e estudadas em laboratório, serão válidas em outros pontos do continuum espaço-tempo é, obviamente, uma ideia muito ousada. extrapolação." Em segundo lugar, a rigor, o vácuo da mecânica quântica não pode ser chamado de “nada”. Descrição do vácuo da mecânica quântica, mesmo no mais simples dos teorias existentes ocupa muitas páginas mais elevado grau cálculos matemáticos abstratos. Tal sistema representa, sem dúvida, “alguma coisa”, e surge imediatamente a mesma questão teimosa: “Como surgiu um “vácuo” tão complexo e organizado?”
Voltemos ao problema original para o qual Guth criou o modelo inflacionário: o problema de parametrizar com precisão o estado inicial do Universo. Sem tal parametrização é impossível obter a distribuição observada da matéria no Universo. Como vimos, Gut não conseguiu resolver este problema. Além disso, a própria possibilidade de qualquer versão da teoria do Big Bang, incluindo a versão de Guth, poder prever a distribuição observada da matéria no Universo é questionável.
O estado inicial altamente organizado no modelo de Guth, em suas próprias palavras, acaba se transformando em um “Universo” com um diâmetro de 10 centímetros, preenchido com gás superdenso e superaquecido homogêneo. Irá expandir-se e arrefecer, mas não há razão para supor que alguma vez se tornará algo mais do que uma nuvem uniforme de gás. Na verdade, todas as teorias do big bang levam a este resultado. Se Guth teve que recorrer a muitos truques e fazer suposições duvidosas para finalmente obter o Universo na forma de uma nuvem de gás homogêneo, então pode-se imaginar como deve ser o aparato matemático da teoria que leva ao Universo no forma como o conhecemos!
bom Teoria científica torna possível prever muitos problemas complexos fenômenos naturais, baseado em um esquema teórico simples. Mas na teoria de Guth (e em qualquer outra versão) o oposto é verdadeiro: como resultado de cálculos matemáticos complexos, obtemos uma bolha em expansão de gás homogêneo. Apesar disso, as revistas científicas publicam artigos entusiasmados sobre a teoria inflacionária, acompanhados de inúmeras ilustrações coloridas que devem dar ao leitor a impressão de que Guth finalmente alcançou seu objetivo acalentado - ele encontrou uma explicação para a origem do Universo. Seria mais honesto simplesmente abrir uma coluna permanente em revistas científicas, para publicar nele a teoria da origem do Universo, que está na moda este mês.
É difícil até imaginar a complexidade do estado inicial e das condições necessárias para o surgimento do nosso Universo com toda a diversidade de suas estruturas e organismos. No caso do nosso Universo, o grau desta complexidade é tal que dificilmente pode ser explicado apenas com base nas leis físicas.
Além da questão da origem do Universo, os cosmólogos modernos enfrentam uma série de outros problemas. Para que a teoria padrão do Big Bang preveja a distribuição da matéria que observamos, o seu estado inicial deve ser caracterizado por um grau muito elevado de organização. Surge imediatamente a questão: como tal estrutura poderia ser formada? O físico A. Guth, do Instituto de Tecnologia de Massachusetts, propôs sua versão da teoria do big bang, que explica o surgimento espontâneo dessa organização, eliminando a necessidade de introdução artificial de parâmetros precisos nas equações que descrevem o estado inicial do Universo. Seu modelo foi chamado de “universo inflacionário”. Sua essência é que dentro do Universo superaquecido e em rápida expansão, uma pequena seção do espaço esfria e começa a se expandir com mais força, assim como a água super-resfriada congela rapidamente, expandindo-se ao mesmo tempo. Esta fase de rápida expansão elimina alguns dos problemas inerentes às teorias convencionais do big bang.
No entanto, o modelo de Guth também apresenta suas deficiências. Para que as equações de Guth descrevessem corretamente o Universo inflacionário, ele teve que especificar os parâmetros iniciais de suas equações com muita precisão. Assim, ele enfrentou o mesmo problema dos criadores de outras teorias. Ele esperava livrar-se da necessidade de especificar os parâmetros exatos das condições do big bang, mas para isso teve que introduzir sua própria parametrização, que permaneceu inexplicável. Guth e seu coautor P. Steingart admitem que em seu modelo, “os cálculos levam a previsões aceitáveis apenas se os parâmetros iniciais fornecidos das equações variarem dentro de uma faixa muito estreita. A maioria dos teóricos (incluindo nós mesmos) considera tais condições iniciais improváveis.” Os autores continuam falando sobre suas esperanças de que um dia novas teorias matemáticas sejam desenvolvidas que lhes permitam tornar seu modelo mais plausível.
Esta dependência de teorias ainda não descobertas é outra deficiência do modelo de Guth. A teoria do campo unificado na qual se baseia o modelo do universo inflacionário é inteiramente hipotética e "pouco passível de testes experimentais, uma vez que a maioria de suas previsões não pode ser testada quantitativamente em condições de laboratório". (A teoria do campo unificado é uma tentativa bastante duvidosa dos cientistas de unir algumas das forças fundamentais do universo.)
Outra falha na teoria de Guth é que ela nada diz sobre a origem da matéria superaquecida e em expansão. Guth testou a compatibilidade de sua teoria inflacionária com três hipóteses sobre a origem do Universo. Ele primeiro examinou a teoria padrão do big bang. Nesse caso, segundo Guth, o episódio inflacionário deve ter ocorrido em um dos estágios iniciais da evolução do Universo. No entanto, este modelo apresenta um problema de singularidade intratável. A segunda hipótese postula que o Universo surgiu do caos. Algumas partes estavam quentes, outras frias, algumas se expandiam, enquanto outras se contraíam. Neste caso, a inflação teria começado numa região superaquecida e em expansão do Universo. É verdade que Guth admite que este modelo não pode explicar a origem do caos primário.
A terceira possibilidade, defendida por Guth, é que uma bolha de matéria superaquecida e em expansão emerge mecanicamente do vazio. Num artigo publicado na Scientific American em 1984, Guth e Steiningart declararam: “O modelo inflacionário do universo dá-nos uma ideia de um possível mecanismo pelo qual o universo observável poderia ter emergido de uma região infinitesimal do espaço. Sabendo disso, é difícil resistir à tentação de dar um passo adiante e chegar à conclusão de que o Universo surgiu literalmente do nada.”
No entanto, por mais atraente que esta ideia possa ser para os cientistas que estão prontos a pegar em armas a qualquer menção à possibilidade da existência de uma consciência superior que criou o Universo, após um exame cuidadoso ela não resiste a críticas. O “nada” de que Guth está falando é um hipotético vácuo da mecânica quântica, descrito por uma teoria de campo unificado ainda não desenvolvida que unificaria as equações da mecânica quântica e da relatividade geral.
Por outras palavras, neste momento este vácuo não pode ser descrito nem mesmo teoricamente.
Deve-se notar que os físicos descreveram um tipo mais simples de vácuo mecânico quântico, que é um mar das chamadas “partículas virtuais”, fragmentos de átomos que “quase existem”. De tempos em tempos, algumas dessas partículas subatômicas passam do vácuo para o mundo da realidade material. Este fenômeno é chamado de flutuações de vácuo. As flutuações do vácuo não podem ser observadas diretamente, mas as teorias que postulam sua existência foram confirmadas experimentalmente. Segundo essas teorias, partículas e antipartículas emergem do vácuo sem motivo e desaparecem quase imediatamente, aniquilando-se mutuamente. Guth e os seus colegas presumiram que em algum momento, em vez de uma pequena partícula, um Universo inteiro apareceu do vácuo e, em vez de desaparecer imediatamente, este Universo de alguma forma durou milhares de milhões de anos. Os autores deste modelo resolveram o problema da singularidade postulando que o estado em que o Universo emerge do vácuo é um pouco diferente do estado de singularidade.
No entanto, este cenário tem duas desvantagens principais. Em primeiro lugar, só podemos ficar surpresos com a ousadia da imaginação dos cientistas que estenderam a todo o Universo a sua experiência bastante limitada com partículas subatômicas. S. Hawking e G. Ellis alertam sabiamente seus colegas excessivamente entusiasmados: “A suposição de que as leis da física, descobertas e estudadas em laboratório, serão válidas em outros pontos do continuum espaço-tempo é, obviamente, uma ideia muito ousada. extrapolação." Em segundo lugar, a rigor, o vácuo da mecânica quântica não pode ser chamado de “nada”. A descrição do vácuo da mecânica quântica, mesmo na mais simples das teorias existentes, ocupa muitas páginas de cálculos matemáticos altamente abstratos. Tal sistema representa, sem dúvida, “alguma coisa”, e surge imediatamente a mesma questão teimosa: “Como surgiu um “vácuo” tão complexo e organizado?”
Voltemos ao problema original para o qual Guth criou o modelo inflacionário: o problema de parametrizar com precisão o estado inicial do Universo. Sem tal parametrização é impossível obter a distribuição observada da matéria no Universo. Como vimos, Gut não conseguiu resolver este problema. Além disso, a própria possibilidade de qualquer versão da teoria do Big Bang, incluindo a versão de Guth, poder prever a distribuição observada da matéria no Universo é questionável. O estado inicial altamente organizado no modelo de Guth, em suas próprias palavras, acaba se transformando em um “Universo” com um diâmetro de 10 centímetros, preenchido com gás superdenso e superaquecido homogêneo. Irá expandir-se e arrefecer, mas não há razão para supor que alguma vez se tornará algo mais do que uma nuvem uniforme de gás. Na verdade, todas as teorias do big bang levam a este resultado. Se Guth teve que recorrer a muitos truques e fazer suposições duvidosas para finalmente obter o Universo na forma de uma nuvem de gás homogêneo, então pode-se imaginar como deve ser o aparato matemático da teoria que leva ao Universo no forma como o conhecemos! Uma boa teoria científica torna possível prever muitos fenómenos naturais complexos com base num quadro teórico simples. Mas na teoria de Guth (e em qualquer outra versão da teoria do big bang) o oposto é verdadeiro: como resultado de cálculos matemáticos complexos, obtemos uma bolha em expansão de gás homogêneo. Apesar disso, as revistas científicas publicam artigos entusiasmados sobre a teoria inflacionária, acompanhados de inúmeras ilustrações coloridas que devem dar ao leitor a impressão de que Guth finalmente alcançou seu objetivo acalentado - ele encontrou uma explicação para a origem do Universo. Não nos apressaríamos em fazer tais declarações. Seria mais honesto simplesmente abrir uma coluna permanente em revistas científicas para nela publicar a teoria da origem do Universo, que está na moda este mês.
É difícil até imaginar a complexidade do estado inicial e das condições necessárias para o surgimento do nosso Universo com toda a diversidade de suas estruturas e organismos. No caso do nosso Universo, o grau desta complexidade é tal que dificilmente pode ser explicado apenas com base nas leis físicas. Os teóricos recorrem ao chamado “princípio antrópico”.
De acordo com a hipótese deles, o vácuo da mecânica quântica produz universos aos milhões. Mas a maioria deles não tem as condições necessárias para o surgimento da vida, por isso ninguém pode explorar esses mundos.
Ao mesmo tempo, em outros universos, incluindo o nosso, desenvolveram-se condições adequadas para o surgimento de exploradores, por isso não é surpreendente que uma ordem tão implausível reine nesses universos. Em outras palavras, os defensores do princípio antrópico tomam o próprio fato da existência humana como uma explicação da estrutura ordenada do Universo, que criou as condições para o surgimento do homem. Contudo, tais subterfúgios lógicos não explicam nada.
Outra forma de casuística pseudocientífica é a afirmação de que o Universo surgiu por acaso cego. Estas palavras também não explicam absolutamente nada. Dizer que algo que apareceu uma vez apareceu por acaso é simplesmente dizer que apareceu. Este tipo de declaração não pode ser considerada explicação científica, uma vez que não contêm nenhum nova informação. Por outras palavras, estas “explicações” não aproximaram os cientistas nem um passo da solução do problema da origem do Universo.
Que os teóricos nos perdoem, mas ousamos sugerir que os métodos que utilizam são inadequados para a tarefa em questão. As duas principais ferramentas intelectuais utilizadas pelos cosmólogos para descrever a evolução do Universo são a relatividade geral e a mecânica quântica. Contudo, além de todas as dificuldades que já descrevemos, ambas as teorias não são isentas de falhas. Sem dúvida, essas teorias descrevem alguns fenômenos físicos, no entanto, isso ainda não prova que sejam perfeitos em todos os aspectos.
Teoria geral a relatividade descreve o espaço-tempo curvo e é parte integrante de qualquer teoria moderna origem do Universo. Portanto, se a teoria geral da relatividade precisa de revisão, então qualquer teoria cosmológica baseada nela também precisa de alterações.
A aplicação da relatividade geral, bem como da teoria anterior de Einstein, a relatividade especial, está repleta de uma dificuldade: em ambas, o conceito de tempo é repensado. Na física newtoniana, o tempo é visto como uma variável independente do espaço. Graças a isso, podemos descrever a trajetória de um objeto no espaço e no tempo: em um determinado momento, o objeto está em um determinado ponto do espaço e, com o tempo, sua posição muda. Mas a teoria da relatividade de Einstein une o espaço e o tempo num continuum quadridimensional, de modo que já não se pode dizer que um objeto ocupa uma determinada posição no espaço num determinado momento no tempo. Uma descrição relativística de um objeto mostra sua posição no espaço e no tempo como um todo único, do início ao fim da existência do objeto. Por exemplo, uma pessoa, do ponto de vista da teoria da relatividade, é uma unidade espaço-tempo, desde o feto no útero até o cadáver (o chamado “verme espaço-tempo”). Este “verme” não pode dizer: “Agora sou adulto, mas antes era criança”. A passagem do tempo não existe. Toda a vida de uma pessoa é um todo único. Esta visão de pessoa desvaloriza a nossa percepção pessoal do passado, presente e futuro, obrigando-nos a questionar a própria realidade desta percepção.
Em sua carta a M. Besso, Einstein escreveu: “Você deve concordar que o tempo subjetivo, com sua ênfase no presente, não tem significado objetivo”. Após a morte de Besso, Einstein expressou suas condolências à sua viúva da seguinte forma: “Michael era um um pouco à minha frente, deixando isso mundo estranho. No entanto, isso não importa. Para nós, físicos convictos, a diferença entre passado, presente e futuro, embora obsessiva, é apenas uma ilusão.” “Em essência, essas ideias negam a consciência, o que enfatiza a realidade do momento vivenciado. Sentimos nosso corpo atual como real, enquanto nosso corpo infantil é preservado apenas na memória. Para nós não há dúvida de que ocupamos um determinado lugar no espaço num determinado momento. A teoria da relatividade transforma uma série de eventos em estruturas espaço-temporais únicas, mas nós os vivenciamos como uma sequência de certos estágios no tempo.
Consequentemente, qualquer modelo da origem do Universo, construído com base na teoria da relatividade, não é capaz de explicar a nossa percepção do tempo e, portanto, todos esses modelos em sua forma moderna imperfeito e inaceitável.
V. V. Kazyutinsky
Cosmologia inflacionária: teoria e imagem científica do mundo*
Agora há uma nova revisão radical do conhecimento sobre o Universo como um todo, ou seja, o maior fragmento do mundo inteiro que a ciência é capaz de identificar com o disponível Tempo dado significa. Esta revisão diz respeito a dois níveis conceituais: 1) a construção de novas teorias cosmológicas; 2) mudanças no bloco “mundo como um todo” em imagem científica mundo (NKM).
As mudanças modernas na cosmologia representam uma contribuição extremamente grande, mas até agora insuficientemente apreciada, para a NCM moderna, para não mencionar o interesse ideológico que representam. A sua essência é um regresso às ideias expressas na linguagem da física não clássica de um número infinito de mundos, a infinidade do espaço e do tempo, a infinidade de processos de evolução e auto-organização no Universo (Metaverso), alguns dos que foram considerados para sempre rejeitados do ponto de vista da ciência.
A teoria do universo em expansão tem sido um programa de pesquisa extremamente eficaz. Permitiu resolver uma série de problemas relacionados com a estrutura e evolução da nossa Metagalaxia, incluindo estágios iniciais seu desenvolvimento. Por exemplo, uma conquista notável foi a teoria do “Universo quente” de G. A. Gamov, confirmada pela descoberta da radiação cósmica de fundo em micro-ondas em 1965. Numerosas alternativas à cosmologia de Friedmann não se mostraram convincentes.
Ao mesmo tempo, a própria teoria do Universo em expansão enfrentou uma série de problemas sérios. Alguns deles eram, por assim dizer, de natureza “técnica”. Digamos que é um tanto desanimador que, apesar da intensa pesquisa, ainda não tenha sido possível construir um modelo suficientemente adequado da Metagalaxia em expansão no âmbito da teoria de A.A Friedman, uma vez que. fatos conhecidos, necessários para construir tal modelo, ou não são suficientemente precisos ou são contraditórios. Outros problemas são mais fundamentais. O “paradoxo da massa” há muito paira sobre os cosmólogos como uma “espada de Dâmocles”, segundo a qual 90-95% da massa da Metagalaxia deveria estar num estado invisível, cuja natureza ainda não é clara. Desenvolvimento moderno A teoria de um Universo em expansão deu origem a uma série de problemas ainda mais sérios, em essência, mostrando claramente as limitações da teoria, sua incapacidade de lidar com esses problemas sem mudanças conceituais significativas. O problema dos estágios iniciais da evolução do Universo deu muitos problemas à teoria. O problema da singularidade é bem conhecido: quando o raio do Universo se inverte, ou seja, da nossa Metagalaxia, para zerar muitos parâmetros tornaram-se infinitos. Acabou não ficando claro significado físico pergunta: o que era “antes” da singularidade (às vezes essa questão em si era declarada sem sentido, pois o tempo, como argumentou Agostinho, surgiu junto com o Universo. (Mas respostas como: “antes” não havia tempo e, portanto, a própria questão é colocada incorretamente, muitos cosmólogos não ficaram muito satisfeitos.) A teoria em sua versão não quântica não conseguiu explicar o motivo que causou o Big Bang, a expansão do Universo. Além disso, há uma lista impressionante de mais de uma dúzia. outros problemas que a teoria de A. A. Friedman não conseguiu resolver. Aqui estão apenas alguns deles: 1) O problema da planura (ou euclidiana espacial) do Universo: a proximidade da curvatura do espaço de zero, que difere em ordens de magnitude. das “expectativas teóricas”; 2) o problema do tamanho do Universo: seria mais natural, do ponto de vista teórico, esperar que o nosso Universo não contenha mais do que alguns partículas elementares, e não 10 88 de acordo com estimativas modernas - outra enorme discrepância entre expectativas teóricas e observações! 3) o problema do horizonte: pontos suficientemente distantes do nosso Universo ainda não tiveram tempo de interagir e não podem ter parâmetros comuns (como
densidade, temperatura, etc.). Mas o nosso Universo, a Metagalaxia, em grande escala permanece surpreendentemente homogéneo, apesar da impossibilidade de ligações causais entre as suas regiões distantes.
Agora, depois de a cosmologia inflacionária ter sido capaz de resolver a maioria destes problemas, as dificuldades da cosmologia relativista são frequentemente listadas, e até de alguma forma muito voluntariamente. Mas nas décadas de 60 e 70, mesmo as suas menções eram muito contidas e comedidas, especialmente face aos programas de investigação de Nefridman. Em primeiro lugar, muitos ainda tinham na memória destino trágico cosmologia relativista, que foi alvo de ataques ideológicos não só no nosso país. Em segundo lugar, houve um entendimento geral de que perto do “início” o papel decisivo começa a desempenhar efeitos quânticos. Seguiu-se que era necessária uma tradução adicional de novos conhecimentos da física de partículas elementares e da teoria quântica de campos. A discussão dos problemas cosmológicos no nível do NCM levou a conclusões interessantes. Foram apresentados dois princípios fundamentais que causaram uma forte "mudança progressiva" na cosmologia.
1) O princípio do nascimento quântico do Universo. A singularidade cosmológica é uma característica irredutível da estrutura conceitual da cosmologia não quântica. Mas na cosmologia quântica esta é apenas uma aproximação grosseira, que deve ser substituída pelo conceito de flutuações espontâneas do vácuo (Tryon, 1973).
2) O princípio da inflação, segundo o qual, logo após o início da expansão do Universo, ocorreu o processo de sua inflação exponencial. Durou cerca de 10-35 s, mas durante esse tempo a área de inchaço deveria atingir, nas palavras de A.D. Linde, “dimensões inimagináveis”. De acordo com alguns modelos de inflação, a escala do Universo (em cm) chegará a 10 elevado à potência de 10 12, ou seja, magnitudes que são muitas ordens de magnitude maiores que as distâncias aos objetos mais distantes do Universo observável.
A primeira versão da inflação foi considerada por A.A Starobinsky em 1979, então surgiram sucessivamente três cenários de um Universo em inflação: o cenário de A. Gus (1981), o chamado. novo roteiro(A.D. Linde, A. Albrecht, P.J. Steinhardt, 1982), cenário de inflação caótica (A.D. Linde, 1986). O cenário de inflação caótica assume que o mecanismo que gera a rápida inflação do Universo primordial é determinado por campos escalares, que desempenham um papel fundamental como
em física de partículas e cosmologia. Campos escalares no Universo primordial pode assumir valores arbitrários; daí o nome, inchaço caótico.
A inflação explica muitas propriedades do Universo que criaram problemas intratáveis para a cosmologia de Friedmann. Por exemplo, a razão da expansão do Universo é a ação de forças antigravitacionais no vácuo. De acordo com a cosmologia inflacionária, o Universo deveria ser plano. AD Linde ainda considera este fato como uma previsão da cosmologia inflacionária, confirmada por observações. Sincronizar o comportamento de regiões remotas do Universo também não é um problema.
A teoria de um Universo em inflação introduz (por enquanto num nível hipotético) mudanças sérias no bloco “mundo como um todo” do NCM.
1. Em plena conformidade com a análise filosófica do conceito de “Universo como um todo”, que levou à conclusão de que é “tudo o que existe” do ponto de vista de uma determinada teoria ou modelo cosmológico (e não em algum sentido absoluto), a teoria fez uma expansão de volume sem precedentes este conceito em comparação com a cosmologia relativista. O ponto de vista geralmente aceito de que nossa Metagalaxia é o Universo inteiro foi abandonado. Na cosmologia inflacionária, foi introduzido o conceito de Metauniverso, enquanto para regiões na escala da Metagalaxia foi proposto o termo “miniuniversos”. Agora o Metaverso é considerado “tudo o que existe” do ponto de vista da cosmologia inflacionária, e a Metagaláxia é considerada sua região local. Mas é possível que se uma teoria unificada de interações físicas (EFT, GUT) for criada, então o escopo do conceito do Universo como um todo será novamente ampliado (ou alterado) significativamente.
2. A teoria de Friedman baseava-se no princípio da homogeneidade do Universo (Metagalaxia). A cosmologia inflacionária, explicando o fato da homogeneidade em grande escala do Universo usando o mecanismo de inflação, introduz simultaneamente novo princípio- extrema heterogeneidade do Metaverso. As flutuações quânticas associadas ao surgimento de miniuniversos levam a diferenças nas leis e condições físicas, nas dimensões do espaço-tempo, nas propriedades das partículas elementares e outros objetos extrametagalácticos. Deveria ser lembrado que o princípio da diversidade infinita do mundo material, em particular a sua formas físicas- esta é uma ideia filosófica bastante antiga, que agora encontra nova confirmação na cosmologia.
3. O metaverso como uma coleção de muitos miniuniversos que surgem das flutuações da “espuma” do espaço-tempo é obviamente infinito, não tem começo nem fim no tempo (I.D. Novikov o chamou de “Universo eternamente jovem”, sem suspeitar que esta metáfora ainda está em vigor no início do século 20 foi inventado por K.E. Tsiolkovsky, criticando a teoria da morte térmica do Universo).
4. A teoria de um Universo em inflação considera os processos de evolução cósmica de uma forma significativamente diferente da de Friedman. Ela rejeita a ideia de que todo o Universo surgiu há 109 anos a partir de um estado singular. Esta é apenas a era do nosso miniuniverso, a Metagalaxia, que emergiu da “espuma” do vácuo. Conseqüentemente, “antes” do início da expansão da Metagaláxia existia um vácuo, que a ciência moderna considera uma das formas físicas da matéria. Mas mesmo antes de esta conclusão ser feita num contexto cosmológico, a relatividade, e não o absolutismo, e a natureza completamente natural, e não transcendental da expansão, eram justificadas a partir de considerações filosóficas. Assim, o conceito de “criação do mundo”, que aparece uma vez nos textos de A.A Friedman, e inúmeras vezes - em obras teológicas, filosóficas e, na verdade, cosmológicas ao longo da maior parte do século XX, acaba por ser nada mais do que um conceito. metáfora que não decorre da essência da cosmologia inflacionária. O metaverso, segundo a teoria, pode geralmente revelar-se estacionário, embora a evolução dos miniuniversos nele incluídos seja descrita pela teoria do big bang.
AD Linde introduziu o conceito de inflação eterna, que descreve o processo evolutivo que continua como uma reação em cadeia. Se o Metaverso contiver pelo menos uma região inchada, ele gerará continuamente novas regiões inchadas. Aparece uma estrutura ramificada de miniuniversos, semelhante a um fractal.
5. A cosmologia inflacionária tornou possível fornecer uma compreensão completamente nova do problema da singularidade. O conceito de singularidade, irredutível no quadro do modelo relativístico padrão baseado no método clássico de descrição e explicação, muda significativamente o seu significado no método quântico de descrição e explicação utilizado na cosmologia inflacionária. Acontece que não é de todo necessário assumir que houve algum tipo de começo único do mundo, embora esta suposição encontre algumas dificuldades. Mas, de acordo com A.D. Linde, em cenários de inflação caótica do Universo “é especialmente visível que
Em vez da tragédia do nascimento do mundo inteiro a partir de uma singularidade, antes da qual nada existia, e da sua posterior transformação em nada, estamos perante um processo interminável de interconversão de fases em que as flutuações quânticas da métrica são pequenas ou, inversamente, , grande." Segue-se que a conclusão recentemente inabalável sobre a existência de uma singularidade cosmológica geral no início da expansão perde a sua credibilidade. Não há necessidade de dizer que todas as partes do Universo começaram a se expandir simultaneamente. A singularidade é substituída na teoria de um universo em expansão por uma flutuação quântica do vácuo.
6. Cosmologia inflacionária em palco moderno seu desenvolvimento revisa ideias anteriores sobre a morte térmica do Universo. AD Linde fala de um “Universo inflado e auto-reprodutor”, ou seja, processo de auto-organização sem fim. Os miniversos surgem e desaparecem, mas não existe um fim único para esses processos.
7. Tanto na cosmologia relativista como na cosmologia inflacionária, o princípio antrópico (PA) desempenha um papel significativo. Ele conecta os parâmetros fundamentais do nosso universo, a Metagalaxia, os parâmetros das partículas elementares e o fato da existência humana na Metagalaxia. As condições cosmológicas necessárias para o surgimento do homem incluem o seguinte: O Universo (Metagaláxia) deve ser suficientemente grande, plano e homogêneo. São essas propriedades que decorrem da teoria de um Universo em inflação. Sem envolver o processo de inflação no Universo primordial, é impossível explicar a uniformidade da sua estrutura e propriedades dentro da região coberta pelas observações.
É fácil perceber que os fundamentos filosóficos da cosmologia inflacionária entrelaçam ideias e imagens individuais, transmitidas de diferentes sistemas filosóficos. Por exemplo, a ideia de um número infinito de mundos tem uma longa tradição filosófica que remonta aos tempos de Leucipo, Demócrito, Epicuro e Lucrécio. Foi desenvolvido especialmente profundamente por Nikolai Kuzansky e Giordano Bruno. A ideia da metafísica aristotélica sobre a transformação do potencialmente possível em real influenciou não apenas o método quântico de descrição e explicação usado pela cosmologia inflacionária, mas também acontece - de forma paradoxal! - o antecessor das ideias evolutivas desta teoria. Paradoxal porque o próprio Aristóteles considerava o Universo único e, considerando a criação e a destruição como processos terrestres, atribuiu à imutabilidade do céu em
tempo e isolamento no espaço. Mas as ideias que ele expressou sobre o ser potencial e real foram transferidas, contrariamente às opiniões do próprio Aristóteles, para o metaverso infinito. A influência das ideias de Platão também se encontra nos fundamentos filosóficos da cosmologia inflacionária. Pode ser rastreada, em qualquer caso, através dos neoplatonistas da Renascença.
Alguns pesquisadores (por exemplo, A.N. Pavlenko) acreditam que a cosmologia inflacionária deve ser considerada como uma nova etapa da revolução moderna na ciência do Universo, uma vez que não apenas cria um novo NCM, mas também leva a uma revisão de alguns ideais e normas de conhecimento (por exemplo, as evidências ideais de conhecimento, que são reduzidas a fatores intrateóricos). Como previsão ou avaliação de especialistas, tal ponto de vista é aceitável se levarmos em conta, no entanto, as seguintes circunstâncias.
É claro que o desenvolvimento de uma teoria que provoca uma grande mudança no nosso conhecimento do mundo e graves consequências ideológicas é um sinal necessário de uma certa fase de uma revolução científica. Esta característica deve, no entanto, ser complementada pela justificação da nova teoria e pelo seu reconhecimento na comunidade científica, o que também faz parte da estrutura da mudança revolucionária. Em termos do grau de radicalidade com que a cosmologia inflacionária (especialmente a versão da inflação caótica) revisa a imagem do mundo como um todo, ela supera claramente a teoria de A.A Friedman. Na comunidade dos cosmólogos ela começou a gozar de grande influência, que não se estabeleceu de imediato. Na primeira metade da década de 80 eram considerados competitivos vários cenários nascimento quântico do Universo a partir do vácuo, a cosmologia inflacionária está entre eles. Isto deveu-se às deficiências significativas dos primeiros cenários de inflação. Foi somente após o surgimento do cenário caótico de inflação que houve um avanço no reconhecimento da nova cosmologia. No entanto, o problema de fundamentar esta teoria cosmológica permanece em aberto, precisamente porque não corresponde aos ideais e normas de evidência de conhecimento atualmente aceites (outros Universos são fundamentalmente inobserváveis). As esperanças de mudança destes ideais num futuro próximo (excluindo a obrigação de “justificação externa”) ainda são baixas. A rigor, a revolução potencialmente contida na cosmologia inflacionária pode ou não ocorrer. Por enquanto só podemos esperar pela sua implantação, sem excluir completamente outras reviravoltas inesperadas e ainda imprevistas nesta área.
A assimilação sociocultural da cosmologia inflacionária contém um ponto interessante. Sendo extremamente revolucionária em sua essência, a nova teoria cosmológica não causou muito “boom”. Cerca de 20 anos se passaram desde o surgimento da primeira versão desta teoria, mas ela quase não ultrapassou um círculo bastante restrito de especialistas, não se tornou fonte de discussões ideológicas, lembrando mesmo remotamente as ferozes batalhas em torno da teoria de Copérnico, que excitou mentes antes mesmo da publicação de seu tratado imortal, ou em torno da teoria de A.A. Esta circunstância surpreendente requer explicação.
É possível que a principal razão seja, infelizmente, o declínio do interesse pelo conhecimento científico, em particular, físico e matemático, que está sendo intensamente substituído por vários tipos de substitutos, muitas vezes causando um entusiasmo incomensuravelmente maior do que o conhecimento mais de primeira classe. conquistas científicas. Agora ressoam apenas algumas descobertas da ciência, que revelam uma conexão direta com os problemas da existência humana.
Além disso, a cosmologia inflacionária é uma teoria extremamente complexa, não muito clara mesmo para especialistas de áreas vizinhas da física, e ainda mais para não especialistas, e só por esta razão, está fora do âmbito destes interesses.
Finalmente, a ideia de um universo único e finito no tempo criou raízes muito profundas na cultura e teve muita influência sobre ela. forte influência, para facilmente dar lugar a uma teoria que se assemelha claramente a modelos cosmológicos há muito descartados.
No entanto, o progresso na cosmologia continua e os próximos anos provavelmente levarão a estimativas mais confiáveis da teoria de um universo em inflação.
Literatura
1. Linde A. D. Física de partículas e cosmologia inflacionária. M., 1990.
2. Kazyutinsky V.V. O conceito de “Universo” // Infinito e o Universo. M., 1969.
3. Kazyutinsky V.V. Ideia de Universo // Filosofia e problemas ideológicos Ciência moderna. M., 1981.
Depois de aprender sobre a teoria do Big Bang, me perguntei de onde veio o que explodiu?
A questão da origem do Universo com todas as suas propriedades conhecidas e ainda desconhecidas preocupa as pessoas desde tempos imemoriais. Mas somente no século XX, após a descoberta da expansão cosmológica, a questão da evolução do Universo começou a ficar gradativamente mais clara. Dados científicos recentes levaram à conclusão de que o nosso Universo nasceu há 15 milhões de anos como resultado do Big Bang. Mas o que exatamente explodiu naquele momento e o que realmente existia antes do Big Bang ainda permaneciam um mistério. A teoria inflacionária do aparecimento do nosso mundo, criada no século XX, permitiu progressos significativos na resolução destas questões. O quadro geral dos primeiros momentos do Universo está agora bem traçado, embora muitos problemas ainda estejam à espera; nas asas.
Até o início do século passado, existiam apenas duas visões sobre a origem do nosso Universo. Os cientistas acreditavam que era eterno e imutável, e os teólogos diziam que o mundo foi criado e terá um fim. O século XX, tendo destruído muito do que foi criado nos milénios anteriores, conseguiu dar as suas respostas à maioria das questões que ocupavam as mentes dos cientistas do passado. E talvez uma das maiores conquistas do século passado seja esclarecer a questão de como surgiu o Universo em que vivemos e quais hipóteses existem sobre o seu futuro. Um simples fato astronômico - a expansão do nosso Universo - levou a uma revisão completa de todos os conceitos cosmogônicos e ao desenvolvimento de uma nova física - a física dos mundos emergentes e desaparecidos. Há apenas 70 anos, Edwin Hubble descobriu que a luz das galáxias mais distantes é “mais vermelha” do que a luz das galáxias mais próximas. Além disso, a velocidade de recessão revelou-se proporcional à distância da Terra (lei de expansão de Hubble). Isto foi descoberto graças ao efeito Doppler (a dependência do comprimento de onda da luz na velocidade da fonte de luz). Como as galáxias mais distantes parecem mais “vermelhas”, presumiu-se que se afastavam a uma velocidade maior. A propósito, não são estrelas ou mesmo galáxias individuais que estão se espalhando, mas aglomerados de galáxias. As estrelas e galáxias mais próximas de nós estão conectadas entre si por forças gravitacionais e formam estruturas estáveis. Além disso, não importa em que direção você olhe, aglomerados de galáxias estão se afastando da Terra na mesma velocidade, e pode parecer que nossa Galáxia é o centro do Universo, mas não é assim. Onde quer que o observador esteja, ele verá a mesma imagem em todos os lugares - todas as galáxias estão se espalhando dele. Mas tal expansão da matéria deve ter um começo. Isto significa que todas as galáxias devem ter nascido num determinado ponto. Os cálculos mostram que isso aconteceu há aproximadamente 15 bilhões de anos. No momento de tal explosão, a temperatura estava muito alta e muitos quanta de luz deveriam ter aparecido. É claro que, com o tempo, tudo esfria e os quanta se espalham pelo espaço emergente, mas os ecos do Big Bang deveriam ter sobrevivido até hoje. A primeira confirmação da explosão ocorreu em 1964, quando os radioastrônomos americanos R. Wilson e A. Penzias descobriram radiação eletromagnética relíquia com uma temperatura de cerca de 3° na escala Kelvin (–270°C). Foi esta descoberta, inesperada para os cientistas, que os convenceu de que o Big Bang realmente aconteceu e que no início o Universo estava muito quente. A teoria do Big Bang explicou muitos problemas enfrentados pela cosmologia. Mas, infelizmente, ou talvez felizmente, também levantou uma série de novas questões. Em particular: o que aconteceu antes do Big Bang? Por que nosso espaço tem curvatura zero e a geometria euclidiana, que se estuda na escola, está correta? Se a teoria do Big Bang for verdadeira, então porque é que o tamanho atual do nosso Universo é muito maior do que o 1 centímetro previsto pela teoria? Por que o Universo é surpreendentemente homogêneo, enquanto em qualquer explosão a matéria se espalha em lados diferentes extremamente desigual? O que levou ao aquecimento inicial do Universo a uma temperatura inimaginável de mais de 10 13 K?
Tudo isso indicava que a teoria do Big Bang estava incompleta. Por muito tempo parecia que não era mais possível avançar mais. Há apenas um quarto de século, graças ao trabalho Físicos russos E. Gliner e A. Starobinsky, assim como o americano A. Hus, descreveram um novo fenômeno - a expansão inflacionária ultrarrápida do Universo. A descrição desse fenômeno é baseada em seções bem estudadas da física teórica - a teoria geral da relatividade de Einstein e a teoria quântica de campos. Hoje é geralmente aceite que foi precisamente esse período, denominado “inflação”, que precedeu o Big Bang.
Ao tentar dar uma ideia da essência do período inicial da vida do Universo, temos que operar com números tão ultrapequenos e ultragrandes que nossa imaginação tem dificuldade de percebê-los. Vamos tentar usar alguma analogia para compreender a essência do processo inflacionário.
Vamos imaginar a encosta de uma montanha coberta de neve, intercalada com vários pequenos objetos - seixos, galhos e pedaços de gelo. Alguém no topo desta encosta fez uma pequena bola de neve e a deixou rolar montanha abaixo. Descendo, a bola de neve aumenta de tamanho, à medida que novas camadas de neve com todas as inclusões aderem a ela. E o que tamanho maior bola de neve, mais rápido ela aumentará. Muito em breve, ele passará de uma pequena bola de neve a um enorme caroço. Se a encosta terminar em um abismo, ele voará para dentro dele com velocidade cada vez maior. Ao chegar ao fundo, o caroço atingirá o fundo do abismo e seus componentes se espalharão em todas as direções (aliás, parte da energia cinética do caroço será utilizada para aquecer o ambiente e a neve voadora).
Agora vamos descrever as principais disposições da teoria usando a analogia acima. Em primeiro lugar, os físicos tiveram que introduzir um campo hipotético, denominado “inflaton” (da palavra “inflação”). Este campo preencheu todo o espaço (no nosso caso, neve na encosta). Graças a flutuações aleatórias, demorou Significados diferentes em áreas espaciais arbitrárias e em momentos diferentes. Nada significativo aconteceu até que uma configuração uniforme deste campo com tamanho superior a 10-33 cm foi acidentalmente formada. Quanto ao Universo que observamos, nos primeiros momentos de sua vida ele aparentemente tinha um tamanho de 10 -27 cm. Supõe-se que nessas escalas as leis básicas da física que hoje conhecemos já sejam válidas, por isso é possível. prever o comportamento posterior do sistema. Acontece que imediatamente após isso, a região espacial ocupada pela flutuação (do latim fluctuatio - “flutuação”, desvios aleatórios do observado quantidades físicas a partir de seus valores médios), começa a aumentar de tamanho muito rapidamente, e o campo do ínflaton tende a ocupar uma posição em que sua energia é mínima (a bola de neve rolou). Essa expansão dura apenas 10 -35 segundos, mas desta vez é suficiente para que o diâmetro do Universo aumente pelo menos 10 27 vezes e ao final do período inflacionário nosso Universo adquira um tamanho de aproximadamente 1 cm. o campo do ínflaton atinge uma energia mínima - não há para onde cair mais. Nesse caso, a energia cinética acumulada se transforma na energia das partículas que nascem e se desfazem, ou seja, o Universo é aquecido. Este exato momento é chamado hoje de Big Bang.
A montanha mencionada acima pode ter um terreno muito complexo - vários baixos diferentes, vales abaixo e todos os tipos de colinas e elevações. Bolas de neve(universos futuros) nascem continuamente no topo da montanha devido às flutuações do campo. Cada caroço pode deslizar para qualquer um dos mínimos, dando origem ao seu próprio universo com parâmetros específicos. Além disso, os universos podem diferir significativamente uns dos outros. As propriedades do nosso Universo são surpreendentemente adaptadas para que nele surja vida inteligente. Outros universos podem não ter tido tanta sorte.
Mais uma vez gostaria de enfatizar que o processo descrito de nascimento do Universo “do praticamente nada” se baseia em cálculos estritamente científicos. No entanto, qualquer pessoa que conheça pela primeira vez o mecanismo de inflação descrito acima tem muitas perguntas.
Hoje nosso Universo consiste em um grande número de estrelas, sem falar na massa oculta. E pode parecer que a energia e a massa totais do Universo são enormes. E é completamente incompreensível como tudo isso poderia caber no volume original de 10-99 cm3. Porém, no Universo não existe apenas matéria, mas também um campo gravitacional. Sabe-se que a energia deste último é negativa e, como se viu, no nosso Universo a energia gravitacional compensa exatamente a energia contida nas partículas, planetas, estrelas e outros objetos massivos. Assim, a lei da conservação da energia é perfeitamente cumprida, e a energia e massa total do nosso Universo são praticamente iguais a zero. É esta circunstância que explica em parte porque o Universo nascente não se transformou imediatamente num enorme buraco negro após o seu aparecimento. Sua massa total era completamente microscópica e, a princípio, simplesmente não havia nada para desabar. E somente em estágios posteriores de desenvolvimento apareceram aglomerados locais de matéria, capazes de criar campos gravitacionais próximos a si mesmos, dos quais nem mesmo a luz conseguia escapar. Conseqüentemente, as partículas das quais as estrelas são “feitas” simplesmente não existiam no estágio inicial de desenvolvimento. As partículas elementares começaram a nascer durante o período de desenvolvimento do Universo, quando o campo do ínflaton atingiu um mínimo de energia potencial e o Big Bang começou.
A região ocupada pelo campo de ínflaton cresceu a uma taxa significativamente velocidade mais alta luz, mas isso não contradiz de forma alguma a teoria da relatividade de Einstein. Apenas os corpos materiais não podem se mover mais rápido que a luz e, neste caso, o limite imaginário e imaterial da região onde o Universo nasceu estava se movendo (um exemplo de movimento superluminal é o movimento de um ponto de luz na superfície da Lua durante o rápido rotação do laser iluminando-o).
Além disso, o ambiente não resistiu de forma alguma à expansão da região do espaço coberta pelo campo de ínflaton de crescimento cada vez mais rápido, uma vez que parecia não existir para o mundo emergente. A relatividade geral afirma que a imagem física que um observador vê depende de onde ele está e de como se move. Assim, a imagem descrita acima é válida para um “observador” localizado dentro desta área. Além disso, este observador nunca saberá o que está acontecendo fora da região do espaço onde está localizado. Outro “observador” que olhe de fora para esta área não detectará nenhuma expansão. Na melhor das hipóteses, ele verá apenas uma pequena faísca, que, segundo seu relógio, desaparecerá quase instantaneamente. Mesmo a imaginação mais sofisticada se recusa a perceber tal imagem. E ainda assim parece ser verdade. Pelo menos é o que pensam os cientistas modernos, inspirando-se nas leis da Natureza já descobertas, cuja exatidão foi testada muitas vezes.
Deve ser dito que este campo do ínflaton continua a existir e a flutuar mesmo agora. Mas só nós, observadores internos, não conseguimos ver isso - afinal, para nós, uma pequena área se transformou em um Universo colossal, cujos limites nem mesmo a luz consegue alcançar.
Assim, imediatamente após o fim da inflação, um hipotético observador interno veria o Universo cheio de energia na forma de partículas materiais e fótons. Se toda a energia que um observador interno poderia medir for convertida em massa de partículas, obteremos aproximadamente 10 80 kg. As distâncias entre as partículas aumentam rapidamente devido à expansão geral. As forças gravitacionais de atração entre as partículas reduzem sua velocidade, de modo que a expansão do Universo desacelera gradativamente após o fim do período inflacionário.
Imediatamente após o nascimento, o Universo continuou a crescer e a esfriar. Ao mesmo tempo, o resfriamento ocorreu, entre outras coisas, devido à expansão banal do espaço. Radiação eletromagnética caracterizado por um comprimento de onda que pode ser relacionado à temperatura - quanto mais comprimento médio ondas de radiação, menor será a temperatura. Mas se o espaço se expandir, então a distância entre as duas “protuberâncias” da onda aumentará e, consequentemente, o seu comprimento. Isto significa que num espaço em expansão a temperatura da radiação deve diminuir. O que está extremamente confirmado temperatura baixa radiação cósmica de fundo em micro-ondas moderna.
À medida que se expande, a composição da matéria que preenche o nosso mundo também muda. Os quarks se combinam em prótons e nêutrons, e o Universo está repleto de partículas elementares já familiares para nós - prótons, nêutrons, elétrons, neutrinos e fótons. Antipartículas também estão presentes. As propriedades das partículas e antipartículas são quase idênticas. Parece que o seu número deveria ser o mesmo imediatamente após a inflação. Mas então todas as partículas e antipartículas seriam mutuamente destruídas e não sobraria material de construção para as galáxias e para nós mesmos. E aqui tivemos sorte novamente. A natureza garantiu que houvesse um pouco mais de partículas do que antipartículas. É graças a esta pequena diferença que o nosso mundo existe. E a radiação relíquia é precisamente a consequência da aniquilação (isto é, da destruição mútua) de partículas e antipartículas. É claro que no estágio inicial a energia da radiação era muito alta, mas devido à expansão do espaço e, consequentemente, ao resfriamento da radiação, essa energia diminuiu rapidamente. Agora, a energia da radiação cósmica de fundo em micro-ondas é aproximadamente dez mil vezes (104 vezes) menor que a energia contida nas partículas elementares massivas.
Gradualmente, a temperatura do Universo caiu para 1.010 K. Neste ponto, a idade do Universo era de aproximadamente 1 minuto. Só agora prótons e nêutrons foram capazes de se combinar em núcleos de deutério, trítio e hélio. Isso aconteceu graças às reações nucleares, que as pessoas já haviam estudado bem, explodindo bombas termonucleares e operando reatores nucleares na Terra. Portanto, podemos prever com segurança quantos e quais elementos podem aparecer em tal caldeira nuclear. Descobriu-se que a abundância atualmente observada de elementos leves concorda bem com os cálculos. Isso significa que as leis físicas que conhecemos são as mesmas em toda a parte observável do Universo e já o eram nos primeiros segundos após o aparecimento do nosso mundo. Além disso, cerca de 98% do hélio existente na natureza foi formado nos primeiros segundos após o Big Bang.
Imediatamente após o nascimento, o Universo passou por um período inflacionário de desenvolvimento - todas as distâncias aumentaram rapidamente (do ponto de vista de um observador interno). No entanto, a densidade de energia em diferentes pontos do espaço não pode ser exactamente a mesma – algumas heterogeneidades estão sempre presentes. Suponha que em alguma área a energia seja ligeiramente maior do que nas vizinhas. Mas como todos os tamanhos estão crescendo rapidamente, o tamanho dessa área também deve crescer. Após o término do período inflacionário, esta região expandida terá um pouco mais de partículas do que a área circundante e sua temperatura será ligeiramente mais elevada.
Percebendo a inevitabilidade do surgimento de tais áreas, os defensores da teoria da inflação recorreram aos experimentadores: “é preciso detectar as oscilações de temperatura...” - afirmaram. E em 1992 esse desejo foi realizado. Quase simultaneamente, o satélite russo Relikt-1 e o americano COBE descobriram as flutuações necessárias na temperatura da radiação cósmica de fundo em micro-ondas. Como já mencionado, o Universo moderno tem uma temperatura de 2,7 K, e os desvios de temperatura da média encontrados pelos cientistas foram de aproximadamente 0,00003 K. Não é de surpreender que tais desvios fossem difíceis de detectar antes. Assim, a teoria da inflação recebeu mais confirmação.
Com a descoberta das flutuações de temperatura, surgiu outra possibilidade interessante – explicar como as galáxias se formam. Afinal, para forças gravitacionais matéria comprimida, era necessário um embrião inicial - uma área com maior densidade. Se a matéria estiver distribuída uniformemente no espaço, então a gravidade, como o burro de Buridan, não sabe em que direção deve agir. Mas são justamente as áreas com excesso de energia que geram inflação. Agora as forças gravitacionais sabem onde actuar, nomeadamente nas áreas mais densas criadas durante o período inflacionário. Sob a influência da gravidade, essas regiões inicialmente um pouco mais densas serão comprimidas, e é a partir delas que as estrelas e galáxias se formarão no futuro.
O momento atual na evolução do Universo está extremamente bem adaptado à vida e durará muitos bilhões de anos. As estrelas nascerão e morrerão, as galáxias girarão e colidirão e os aglomerados de galáxias voarão cada vez mais longe uns dos outros. Portanto, a humanidade tem muito tempo para o autoaperfeiçoamento. É verdade que o próprio conceito de “agora” para um Universo tão vasto como o nosso está mal definido. Por exemplo, a vida dos quasares observados pelos astrônomos, que estão a 10-14 bilhões de anos-luz de distância da Terra, está exatamente a 10-14 bilhões de anos de distância do nosso “agora”. E quanto mais profundamente olhamos para as profundezas do Universo com a ajuda de vários telescópios, mais cedo observamos o período de seu desenvolvimento.
Hoje, os cientistas são capazes de explicar a maioria das propriedades do nosso Universo, desde o momento de 10 a 42 segundos até o presente e até além. Eles também podem traçar a formação de galáxias e prever o futuro do Universo com alguma certeza. No entanto, ainda permanecem algumas incógnitas “menores”. Esta é, antes de tudo, a essência da massa oculta (matéria escura) e da energia escura. Além disso, existem muitos modelos que explicam porque é que o nosso Universo contém muito mais partículas do que antipartículas, e gostaria de finalmente decidir qual o modelo correcto.
Como a história da ciência nos ensina, são geralmente “pequenas imperfeições” que abrem novos caminhos de desenvolvimento, para que as futuras gerações de cientistas tenham certamente algo para fazer. Além disso, questões mais profundas também já estão na agenda de físicos e matemáticos. Por que nosso espaço é tridimensional? Por que todas as constantes da natureza parecem ser “ajustadas” para que surja vida inteligente? E o que é a gravidade? Os cientistas já estão tentando responder a essas perguntas.
E claro, vamos deixar espaço para surpresas. Não devemos esquecer que descobertas fundamentais como a expansão do Universo, a presença de fótons relíquias e a energia do vácuo foram feitas, pode-se dizer, por acidente e não eram esperadas pela comunidade científica.
Imediatamente após o seu nascimento, o Universo se expandiu com uma rapidez incrível.
Desde a década de 30 do século XX, os astrofísicos já sabiam que, segundo a lei de Hubble, o Universo está em expansão, o que significa que teve o seu início num determinado momento do passado. A tarefa dos astrofísicos, portanto, aparentemente parecia simples: rastrear todos os estágios da expansão do Hubble em cronologia reversa, aplicando as leis físicas correspondentes em cada estágio, e, tendo percorrido esse caminho até o fim - mais precisamente, até o início - para entender exatamente como tudo aconteceu.
No final da década de 1970, contudo, vários problemas fundamentais associados ao Universo primordial permaneciam por resolver, nomeadamente:
A chave para resolver estes problemas foi a ideia de que imediatamente após o seu nascimento o Universo era muito denso e muito quente. Toda a matéria nele contida era uma massa quente de quarks e léptons ( cm. Modelo Padrão), que não tinha como se combinar em átomos. As várias forças que atuam no Universo moderno (como as forças eletromagnéticas e gravitacionais) correspondiam então a um único campo de interação de forças ( cm. Teorias universais). Mas à medida que o Universo se expandia e arrefecia, o hipotético campo unificado dividiu-se em várias forças ( cm. Universo Primitivo).
Em 1981, o físico americano Alan Guth percebeu que a separação das interações fortes de um campo unificado, que ocorreu aproximadamente 10-35 segundos após o nascimento do Universo (pense - são 34 zeros e um 1 após a vírgula!), foi um ponto de viragem no seu desenvolvimento. Ocorrido transição de fase substâncias de um estado para outro na escala do Universo - fenômeno semelhante à transformação da água em gelo. E assim como quando a água congela, suas moléculas em movimento aleatório de repente “agarram” e formam uma estrutura cristalina estrita, também sob a influência das fortes interações liberadas, ocorreu uma reestruturação instantânea, uma espécie de “cristalização” da matéria no Universo.
Quem viu como eles estouraram encanamento ou tubos de radiador de carro em geadas severas, assim que a água neles se transformar em gelo, experiência própria sabe que a água se expande quando congela. Alan Guth conseguiu mostrar que quando as interações fortes e fracas se separavam, algo semelhante acontecia no Universo – uma expansão semelhante a um salto. Esta é uma extensão chamada inflacionário, muitas vezes mais rápido que a expansão normal do Hubble. Em cerca de 10 a 32 segundos, o Universo se expandiu em 50 ordens de magnitude - era menor que um próton e tornou-se do tamanho de uma toranja (para comparação, a água se expande apenas 10% quando congela). E esta rápida expansão inflacionária do Universo elimina dois dos três problemas acima mencionados, explicando-os diretamente.
Solução problemas de endireitamento de espaço O exemplo a seguir demonstra isso mais claramente: imagine uma grade de coordenadas desenhada em um mapa elástico fino, que é então amassado ao acaso. Se agora pegarmos e sacudirmos fortemente este mapa elástico, amassado em uma bola, ele assumirá novamente uma aparência plana e as linhas de coordenadas nele serão restauradas, não importa o quanto o deformamos quando o amassamos. Da mesma forma, não importa quão curvo era o espaço do Universo quando começou. expansão inflacionária, o principal é que ao final dessa ampliação o espaço ficou totalmente endireitado. E como sabemos, pela teoria da relatividade, que a curvatura do espaço depende da quantidade de matéria e energia nele contida, fica claro por que há matéria exatamente suficiente no Universo para equilibrar a expansão de Hubble.
Explica o modelo de inflação e problema do horizonte, embora não tão diretamente. Pela teoria da radiação do corpo negro, sabemos que a radiação emitida por um corpo depende da sua temperatura. Assim, a partir dos espectros de radiação de partes distantes do Universo, podemos determinar a sua temperatura. Tais medições produziram resultados surpreendentes: descobriu-se que em qualquer ponto observável do Universo a temperatura (com um erro de medição de até quatro casas decimais) é a mesma. Com base no modelo normal de expansão do Hubble, a matéria imediatamente após o Big Bang teria se espalhado muito para que as temperaturas se equalizassem. Segundo o modelo inflacionário, a matéria do Universo até o momento t = 10 -35 segundos permaneceu muito mais compacta do que durante a expansão do Hubble. Isto é extremamente período curto Bastou que se estabelecesse o equilíbrio térmico, que não foi perturbado na fase de expansão inflacionária e se mantém até hoje.
Físico americano, especialista na área de partículas elementares e cosmologia. Nasceu em New Brunswick, Nova Jersey. Recebeu seu doutorado pela Universidade de Massachusetts Instituto de Tecnologia, para onde retornou em 1986, tornando-se professor de física. Guth desenvolveu sua teoria da expansão inflacionária do Universo ainda na Universidade de Stanford, trabalhando na teoria das partículas elementares. Sua análise do Universo como “uma infinita toalha de mesa automontada” é conhecida.
