Вселенная: Библия, темные века и струны

Неужели все, что нас сейчас окружает, когда–то было гораздо меньше атома? Может, существует не четыре, а одиннадцать измерений? На эти вопросы по–разному отвечают теории возникновения Вселенной, появившиеся благодаря лауреатам Нобелевской премии. Ее учредитель, Альфред Нобель, родился 21 октября 1833 года.

Бог, «недвижимый движитель» и Библия
Среди теорий происхождения Вселенной креационистская появилась первой. Она утверждает, что все создал Творец. Этого мнения придерживались не только представители церкви, но и некоторые астрономы и физики, среди которых есть и нобелевские лауреаты: Исаак Ньютон, Михаил Ломоносов, Томас Эдисон, Майкл Фарадей, Альберт Эйнштейн. Ученые приводили ряд доказательств, которые подтверждали наличие сверхсущности как причины возникновения всего.

Одно из них — наличие недвижимого движителя. Эту идею предложил философ Фома Аквинский. Согласно ей ничто не может начать двигаться и существовать самостоятельно, и Бог — первопричина, которая запустила все сущее. Другие аргументы — Священные писания и Библия.

Таким образом, суть креационистской теории такова: существовал начальный период творения, когда были созданы частицы, вещества, планеты, звезды, организмы, люди в завершенном и действующем виде, то есть никакой эволюции не существовало.

Сингулярность, противостояние материй и темные времена
Теория Большого взрыва — одна из основных на сегодняшний день. Сам термин впервые применил астроном Фред Хойл на лекции в 1949 году. Около 13,8 млрд лет назад Вселенная представляла собой сингулярность — бесконечно малое пространство с огромной плотностью и высокой температурой. При таком состоянии необратим процесс взрыва, в результате которого и появился наш мир. В инфляционном состоянии его структура была однородной и представляла собой равномерно распределенную в пространстве энергию.

Античастица — двойник «обычной» частицы, имеющий такую же массу, но противоположные физические характеристики, основа антиматерии, или антивещества. Ее существование теоретически доказал английский физик Поль Дирак, за что был удостоен Нобелевской премии в 1933 году.

 

В период с 10^-43 по 10^-35 секунд после взрыва возникли силы гравитации, скорость расширения упала и энергия оформилась в материю и антиматерию. Между веществами происходила аннигиляция — при столкновении частиц и античастиц появлялись новые микрообъекты. Так появились глюоны и кварки, которые потом объединились в протоны, нейтроны и фотоны. В результате антиматерия полностью исчезла и наступил период нуклеосинтеза.

В 1916 году лауреат Нобелевской премии по физике Альберт Эйнштейн сформулировал общую теорию относительности (ОТО), которая объяснила действие гравитации в масштабах Вселенной.

На новом этапе развития космоса температура упала, начали образовываться ядра будущих атомов. Вселенная равномерно наполнялась гелием, бором, тяжелыми изотопами водорода.

Промежуток между 380 000 лет и 550 млн лет после Большого взрыва называют темными веками. Температура Вселенной еще сильнее снизилась, и в новых условиях образовались легкие атомы водорода. Пространство стало прозрачным для теплового

излучения фотонов, или реликтового, которое до сих пор заполняет пространство нашего мира. 

В 1964 году нобелевские лауреаты Арно Пензиас и Чарлз Вильсон, исследуя радиопомехи, случайно обнаружили реликтовое излучение.

Постепенно облака водорода и гелия сжимались, и из них начали формироваться первые звезды. Новые светила собирались в скопления — галактиками. Так постепенно зарождался космос. Существует предположение, что в конце концов Вселенная сожмется в единую точку сингулярности, которая снова расширится благодаря взрыву.

Концепцию Большого взрыва дополняют и другие теории. Одна из них — модель расширения Фридмана, созданная в 1922 году. Она описывает процессы распределения материи в пространстве. А другая, инфляционная, предложенная Аланом Гутом в 1981 году, объясняет причины этого явления. 

Принцип неопределенности, струны и одиннадцать измерений
Во второй половине XIX века представители классической физики считали, что мир — это идеально отлаженная, предсказуемая система, и ничего серьезного открыть в ней больше нельзя. Все изменилось в 1926 году, когда немецкий ученый Вернер Гейзенберг сформулировал принцип неопределенности. Его суть заключалась в том, что нельзя предсказать будущее субатомных частиц на основе физических законов, потому что невозможно точно определить их местоположение и скорость. Новое открытие полность противоречило общей теории относительности.

В конце 60-х годов XX века итальянский физик Габриэле Венециано искал уравнение, которое объяснило бы формирование структуры ядра. В одной из книг по истории математики он обнаружил функцию Леонарда Эйлера, которая описывала взаимодействие между частицами атома. Полученная формула стала первым шагом к открытию теории струн. Позднее на ее основе американский физик-теоретик Леонарда Сасскинда выдвинул гипотезу о существовании нитей, но подавляющим большинством его коллег она не была принята. Лишь благодаря ученым Джону Шварцу и Майклу Грину теория получила признание. Они устранили некоторые противоречия модели, из-за которых ее не одобряло научное сообщество: пересмотрели размер струн, определили им свойства гравитона — переносчика сил гравитации. 

Так теория струн, или теория всего, объединяла ОТО и квантовую теорию. Согласно ей строение атома таково: электроны крутятся вокруг ядра, состоящего из протонов и нейтронов, в основе которых — кварки. В структуру последних входят крошечные, извивающиеся и вибрирующие нити энергии, способные растягиваться, как напоминающие струны упругие резинки.  Их длина равна 10^-35 метра. Они малы настолько, что если атом увеличить до величины галактики, то нити окажутся размером с дерево.

От вибрации струны зависят свойства и характеристики частиц. Нити могут замыкаться, размыкаться и взаимодействовать друг с другом. Все это происходит не в привычных нам четырех измерениях: длине, ширине, высоте и времени, — а в одиннадцати. Шесть из которых закручены так, что увидеть их невозможно. Такая интерпретация дает математические преимущества и устраняет ряд противоречий между экспериментом и теорией.

Но эта модель не имеет доказательств. Один из способов подтвердить ее — построить огромный ускоритель заряженных частиц размером с галактику, что в современных условиях невозможно. Другой вариант — математические расчеты. Однако уравнения настолько сложны, что нет точных методов их решения, а ответы на них носят приближенное значение.

Иллюстрации: wikipedia, NASA, Physics Today, фото из семейного архива Фреда Фойла