Време за четене: 6 минути
Всички най-големи мистерии във физиката, включително тъмната материя, антиматерията и инфлацията, имат своите корени в първите няколко секунди на Вселената.
Едва преди малко повече от век се ражда науката космология. От радикалните идеи на Алберт Айнщайн и доказателствата от наблюденията, че пространството се разширява, възниква съвременната космологична парадигма, известна като Големия взрив. За първи път в историята човешките същества бяха започнали да разбират как е започнала тяхната Вселена.
След десетилетия на наблюдения и измервания, сега знаем в някои подробности как нашата Вселена се е разширявала и еволюирала през всички, освен първите моменти от своята история.
Безброй наблюдения потвърдиха предсказанията на теорията за Големия взрив до невероятна и откровено неочаквана степен. Скоростта, с която нашата Вселена се е разширявала през последните 13,8 милиарда години, е в съответствие с уравненията, извлечени от теорията на общата теория на относителността на Айнщайн преди почти сто години, и измерванията на широкомащабното разпределение на галактиките и галактическите купове са неразличими от тези, които прогнозирана теория.
И най-впечатляващото от всичко е, че подробният модел на температурни вариации, наблюдавани в космическия микровълнов фон, е съкровищница за космолозите, разкривайки ни всичко – от количеството материя, присъстващо в нашата Вселена, до широкомащабната геометрия на самото пространство.
От няколкостотин хиляди години след Големия взрив до днес имаме богат набор от наблюдения и измервания, на които да разчитаме, и тази колекция от данни ни дава увереност, че разбираме тази част от историята на нашата Вселена доста добре.
Заедно с огромното мнозинство други космолози, аз бих бил шокиран, ако тази част от хронологията се окаже погрешна по същество – има твърде много различни и мощни линии на доказателства, които подкрепят сегашното ни разбиране за тази поредица от събития.
Да разберем, че сме сбъркали това, би било като да разберем, че никога не е имало американска гражданска война или че Христофор Колумб действително е акостирал в Уелс през 12-ти век, а не в Западна Индия през 1492 г. Въпреки че е добре да запазите отворен ум за това, което може да сте сгрешили, в някои случаи доказателствата са твърде силни, за да се смята, че сте напълно погрешни.
Но докато се връщаме по-назад в космическата история, нашата увереност започва да намалява. Между първите няколко секунди и няколкостотин хиляди години след Големия взрив все още имаме доста съществена подкрепа за това, което е описано в стандартната времева линия.
Наблюденията и измерванията ни казват, че скоростта на разширяване и количествата материя и енергия в нашата Вселена не могат да бъдат много по-различни от предвидените от нашите изчисления. Въпреки това все още е правдоподобно важни и неизвестни космологични събития да са се случили през този период.
Информацията, която имаме за първите стотици хиляди години на нашата Вселена, е значителна, но не е изчерпателна.
Тайните на първите секунди на Вселената
Стигайки дори по-назад – в първите секунди и части от секундата след Големия взрив – преминаваме от непълна информация към липса на директни наблюдения, на които да разчитаме. Тази ера остава скрита от погледа ни, заровена под непроницаеми слоеве от енергия, разстояние и време.
Нашето разбиране за този период от космическата история в много отношения е малко повече от информирано предположение, основано на изводи и екстраполация.
Въпреки всички успехи на съвременната космология, има много неща за нашата Вселена, които остават неизвестни. Най-известната от тези мистерии е тази на тъмната материя.
Астрономите и космолозите са определили колко материя има в нашата Вселена с много висока степен на точност и то е много повече, отколкото съществува под формата на атоми. След десетилетия на измерване и дебати сега сме уверени, че по-голямата част от материята в нашата Вселена не се състои от каквито и да било известни вещества, а от нещо друго, което не излъчва, отразява или поглъща значително светлина.
През последните няколко десетилетия физиците са участвали в амбициозна експериментална програма, целяща да разкрият какво е това вещество и как се е образувало при Големия взрив. Но въпреки първоначалния оптимизъм, ние оставаме невежи за тъмната материя и нейната природа.
Експериментите са се извършили точно както е планирано, но не са видели нищо. Тъмната материя се оказа далеч по-неуловима, отколкото някога сме си представяли, което ни принуди да се откажем от много от любимите си теории и да обмислим радикално нови идеи за това какво може да представлява тъмната материя и как може да се е образувала в първите моменти след Големия взрив.
Дори произходът на „обикновената“ материя крие собствени упорити тайни. Въпреки че протоните, неутроните и електроните и атомите, които те съставляват, могат лесно да бъдат създадени чрез добре разбрани процеси, такива процеси също създават равно количество по-екзотични частици, известни като антиматерия.
Всеки път, когато частици материя и антиматерия влязат в контакт една с друга, и двете се унищожават. Защо тогава нашата Вселена съдържа толкова много материя и толкова малко антиматерия? Всъщност, защо изобщо има някаква материя?
Ако материята и антиматерията бяха създадени в равни количества в разгара на Големия взрив – както сегашното ни разбиране за физиката би ни накарало да очакваме – тогава почти всичко щеше да е унищожено отдавна, оставяйки нашата Вселена по същество лишена от атоми. И все пак навсякъде около нас има атоми.
По някакъв начин повече материя, отколкото антиматерия, трябва да е била създадена през първата част от секундата от историята на нашата Вселена. Не знаем как или кога се е случило това или какъв механизъм е отговорен. Но някак си нещо в условията на ранната Вселена направи възможно семената на атомите – и цялата химия, включително живота – да оцелеят в топлината на Големия взрив.
Връщайки се още по-назад във времето, стигаме до може би най-интригуващата от нашите космически мистерии. За да осмислят нашата Вселена, както я наблюдаваме, космолозите са били принудени да заключат, че пространството, през най-ранните си моменти, трябва да е претърпяло кратък период на свръхбързо разширяване.
Въпроси и отговори на читателя: Какво е тъмна енергия?
Попитан от: Фред Томас, Лондон
През 90-те години астрономите, измерващи скоростта, с която Вселената се разширява, направиха шокиращо откритие: тя всъщност се ускорява, сякаш целият космос се задвижва от някакъв невидим източник на енергия. Това е така наречената тъмна енергия и нейният произход е една от най-дълбоките мистерии в науката.Представени са различни обяснения, като може би най-простото е, че това е проява на така наречените процеси на квантовия вакуум. Според законите на субатомния свят винаги има известна несигурност относно количеството енергия, запълващо дори празното пространство.
Тази вакуумна флуктуационна енергия е открита в лабораторията и теоретиците са показали, че може да има „антигравитационните“ ефекти на тъмната материя. Досега обаче те се борят да създадат подробна теория за неговите космически ефекти.
Това доведе до предположения, че тъмната енергия може просто да е силово поле, останало от Големия взрив. Понякога наричан квинтесенция, той е способен да става по-силен с времето, но отново подробностите остават неуловими.
Има дори твърдения, че тъмната енергия изтича от скрити допълнителни измерения на космоса, които не са успели да се разширят след Големия взрив.
Докато обаче няма пробив в основната теория, всичко това е малко повече от спекулации.
Въпреки че тази епоха на инфлация продължи само малко по-дълго от една милионна от милиардна от милиардна от милиардна от секундата, тя остави нашата Вселена напълно трансформирана. По много начини човек може да мисли за края на инфлацията като за истинското начало на Вселената, в която живеем.
Въпреки идентифицирането на много убедителни причини да се смята, че инфлация наистина е имало, космолозите все още знаят и разбират много малко за тази ранна, ключова ера от нашата космическа история.
И накрая, през 90-те години на миналия век космолозите се заеха с амбициозна програма за измерване на по-новата история на разширяване на нашата Вселена, което ни позволява да определим геометрията и крайната съдба на нашия свят. Смяташе се, че за първи път ще можем да научим дали нашата Вселена ще продължи да се разширява вечно или вместо това в крайна сметка ще се обърне и ще се срине в себе си.
Тези измервания в крайна сметка бяха успешни, но те ни разкриха нещо, което много малко учени очакваха: нашата Вселена не само се разширява, но се разширява с ускоряваща скорост.
За да обясним този факт, ние бяхме принудени да заключим, че нашата Вселена съдържа огромни количества от това, което е известно като тъмна енергия, изпълваща цялото пространство и го разделяла. Но всичките ни усилия да разберем този феномен останаха почти напълно празни. Ние просто не разбираме какво е тъмна енергия или защо тя съществува в нашата Вселена.
Всеки от тези пъзели е дълбоко свързан с първите моменти, последвали Големия взрив. От каквото и да се състои тъмната материя, тя почти със сигурност се е образувала през първата част от секундата на нашата Вселена.
По подобен начин простият факт, че атомите съществуват в нашия свят, разкрива, че тези най-ранни моменти трябва да са включвали събития и взаимодействия, за които все още не знаем нищо. Космическата инфлация също се е случила през тези най-ранни времена и може да бъде свързана със съществуването на тъмна енергия, повдигайки много въпроси. По тези и други начини най-големите мистерии на нашата Вселена са здраво свързани с нейните първи моменти.
Как ще разберем
Въпреки че първите мигове на нашата Вселена се оказаха трудни за изучаване, това не ни попречи да опитаме. В момента учените са в процес на изграждане на телескопи, които ще измерват по нови начини и с по-голяма точност светлината, известна като космически микровълнов фон.
Надяваме се, че тези измервания ще позволят на космолозите да научат повече за инфлацията, като например кога се е случила и какви форми на енергия може да са я захранвали. В по-далечното бъдеще космическите детектори за гравитационни вълни ще ни осигурят нов начин да видим ранната Вселена, потенциално разкривайки сигнали от инфлация, както и от всякакви фазови преходи, които може да са се случили по време на първите моменти на нашата Вселена.
Един ден може дори да започнем да откриваме и изучаваме частиците, известни като неутрино, които са били произведени при Големия взрив. Трудно, да. Но невъзможно, не.
Ясно е, че нашите най-големи космически мистерии са свързани с първите мигове на нашата Вселена. Как нашата Вселена съдържа толкова много материя и толкова малко антиматерия? Как се е образувала тъмната материя? Нашата Вселена изглежда е претърпяла кратък период на свръхбързо разширяване, но как и защо? И дали това е свързано с факта, че нашата Вселена сега отново се разширява с ускоряваща скорост?
Днес това са отворени въпроси. Но днешната мистерия е утрешното откритие. Подхранвани от нови данни, наблюдения и идеи, ние сме готови да хвърлим светлина върху тези объркващи въпроси. И с тази светлина ще видим по-дълбоко и по-ясно в миналото от всякога – по-близо до ръба на времето.
