Posted by სამყაროს შემდგომ ევოლუციაში უდიდესი როლი პირველმა მიკროწამმა ითამაშა.
კონცეპტუალური გარღვევა მოხდა ჰიპოთეზის ხარჯზე, რომელიც დიდი აფეთქების თეორიაში არსებული უთანხმოებების, ბრტყელი სამყაროს პრობლემა, ჰორიზონტისა და მაგნიტური მონოპოლების პრობლემები, გადაწყვეტის მცდელობისას გაჩნდა.
იშვიათი ნაწილაკი
სამოცდაათიან წლებში ფიზიკოსებმა ფუნდამენტური ურთიერთქმედებების დიდი გაერთიანების თეორიული მოდელების შექმნაზე დაიწყეს მუშაობა (ძლიერი, სუსტი და ელექტრომაგნიტური). ბევრი ასეთი მოდელის მიხედვით, დიდი აფეთქების მოხდენისთანავე უნდა გაჩენილიყო მასიური ნაწილაკები, რომლებიც ერთეული მაგნიტური (არა ელექტრული) მუხტის მატარებლები იქნებოდა. როცა სამყაროს ასაკი 10–36 წმ. გახდა, ძლიერი ურთიერთქმედება, სუსტს გამოეყო და დამოუკიდებელი გახდა. ამ დროს, ვაკუუმში წერტილოვანი ტოპოლოგიური დეფექტები გაჩნდა მასებით 1015–1016 და მეტი, ვიდრე მაშინ ჯერ კიდევ არ არსებული პროტონის მასაა. როცა, თავის მხრივ, ელექტროსუსტი ურთიერთქმედება სუსტ და ელექტრომაგნიტურად გაიყო, ნამდვილი ელექტრომაგნიტიზმი გაჩნდა, ამ დეფექტებმა მაგნიტური მუხტი მიიღო და არსებობა მაგნიტური მონოპოლების სახით გააგრძელა.
ამ ლამაზმა მოდელმა კოსმოლოგია უსიამოვნო პრობლემის წინაშე დააყენა. ”ჩრდილო” მაგნიტური მონოპოლები, ”სამხრეთ” მონოპოლებთან შეჯახების დროს ანიჰილირებენ, დანარჩენში კი ეს ნაწილაკები სტაბილურია. მიკროსამყაროს მასშტაბებით უდიდესი მასების (ნანოგრამობით) გამო, ისინი მალე არარელატივისტურ სიჩქარეებამდე (სინათ.სიჩქ-ზე ნაკლები) უნდა დამუხრუჭებულიყო, გაფანტულიყო სივრცეში და დღევანდელ დღესაც უნდა არსებობდნენ. დიდი აფეთქების სტანდარტული მოდელის მიხედვით, მათი ახლანდელი სიმკვრივე პროტონისას უნდა უტოლდებოდეს. ასეთ შემთხვევაში კი კოსმოსური ენერგიის საერთო სიმკვრივე მინიმუმ კვადრილიონჯერ გადააჭარბებდა რეალურს.
მონოპოლების აღმოჩენის ყველანაირი მცდელობა უშედეგოდ მთავრდება. რკინის მადანსა და ზღვის წყალში მათი თანაფარდობა პროტონებთან 10–30 არ უნდა აჭარბებდეს. ეს ნაწილაკები ან არ არის სივრცის აქურ ნაწილში, ან ისე ცოტაა, რომ აპარატურას მათი რეგისტრირება არ შეუძლია, მკაფიო მაგნიტური ”ხელმოწერის” მიუხედავად. ამას ასტრონომული დაკვირვებებიც ამტკიცებს: მონოპოლების არსებობა გალაქტიკის მაგნიტურ ველზეც (1) უნდა შეიმჩნეოდეს, ეს კი არ დაიმზირება.
რა თქმა უნდა, შეიძლება დავუშვათ, რომ მონოპოლები საერთოდაც არ ასრებობდა. ფუნდამენტური ურთიერთქმედებების გაერთიანების ზოგიერთი მოდელი მათ გამოჩენას არც კი წინასწარმეტყველებს. ისე გამოვიდა, რომ სამოცდაათიანების ბოლოს კოსმოლოგია შეეჯახა პრობლემებს, რომელთა გადასაჭრელად, აშკარად ახალი იდეები იყო საჭირო.
უარყოფითი წნევა
ეს იდეები მალევე გამოჩნდა. მათ შორის, მთავარი იყო ჰიპოთეზა, რომლის თანახმადაც მატერიისა და გამოსხივების გარდა არსებობს სკალარული ველი (ან ველები), რომელიც უარყოფით წნევას ქმნის. ასეთი სუბსტანცია პარადოქსულად გამოიყურება, თუმცა მას ყოველდღიურ ცხოვრებაშიც ვაწყდებით. სისტემა დადებითი წნევით, მაგალითად, შეკუმშული გაზი, გაფართოების დროს ენერგიას კარგავს და ცივდება. ელასტიური ლენტი, პირიქით, უარყოფითი წნევის მდგომარეობაში იმყოფება, რადგან, გაზისგან განსხვავებით, ის არა გაფართოებისკენ, არამედ შეკუმშვისკენ მიისწრაფის. თუ ასეთ ლენტს სწრაფად გავჭიმავთ, ის გაცხელდება და მისი სითბური ენერგია მოიმატებს. სამყაროს გაფართოებისას უარყოფითი წნევის ველი ენერგიას აგროვებს, რომელსაც, გამონთავისუფლების დროს, ნაწილაკებისა და სინათლის კვანტების გაჩენა შეუძლია.
უარყოფით წნევას სხვადასხვა სიდიდე შეიძლება ჰქონდეს. თუმცა არსებობს განსაკუთრებული შემთხვევაც, როცა ის კოსმოსური ენერგიის სიმკვრივის ტოლია შებრუნებული ნიშნით. ასეთ ვითარებაში ეს სიმკვრივე სივრცის გაფართოების დროს მუდმივი რჩება, რადგან უარყოფითი წნევა სულ უფრო მზარდ ნაწილაკურ და კვანტურ ”გაიშვიათებას” აკომპენსირებს. ფრიდმან-ლემეტრის განტოლებებიდან გამომდინარეობს, რომ სამყარო ექსპონენციალურად (ნებისმიერი ექსპონენციალურად მზარდი მაჩვენებლისთვის, რაც უფრო დიდ მნიშვნელობას იღებს იგი, მით უფრო სწრაფად იზრდება) ფართოვდება.
ექსპონენციალური გაფართოების ჰიპოთეზა ზემოთ ხსენებულ სამივე პრობლემის გადაჭრის საშუალებას იძლევა. დავუშვათ, რომ სამყარო ძლიერად გამრუდებული სივრცის პატარა ”ბუშტულადან” გაჩნდა, გადაიტანა გარდაქმნები, რომლებმაც სამყაროს უარყოფითი წნევა შესძინა და ამით მას ექსპონენციალურად აფართოებს. ბუნებრივია, რომ ამ წნევის გაქრობის მერე, სამყარო ძველ ”ნორმალურ” გაფართოებას დაუბრუნდება.
პრობლემათა გადაჭრა
ჩავთვალოთ, რომ სამყაროს რადიუსი ექსპონენციალურად გაფართოებამდე პლანკურ სიგრძეზე (10–35მ.) რამდენიმე რიგით დიდი იყო. თუ ექსპონენციალურ ფაზაში ის გაიზრდება, ვთქვათ, 1050 -ჯერ, მაშინ მის ბოლოს, ათას სინათლის წელს მიაღწევს. სივრცის სიმრუდის პარამეტრის მიუხედავად, ერთიდან გაფართოების დაწყებამდე, მის ბოლოს 10–100-ჯერ შემცირდება, ანუ სივრცე იდელაურად ბრტყელი გახდება.
ანალოგიურად იხსნება მონოპოლების პრობლემაც. თუ ტოპოლოგიური დეფექტები, მონოპოლების წინამორბედები, ექსპონენციალურ გაფართოებამდე ან მის პროცესში გაჩნდა, მაშინ ისინი ერთმანეთს წარმოუდგენელი მანძილებით უნდა დაშორდნენ. მას შემდეგ სამყარო კიდევ უფრო გაფართოვდა, მონოპოლების სიმკვრივე კი პრქტიკულად ნულს გაუტოლდა. გამოთვლების მიხედვით, მილიარდი სინათლის წლის ზომის კოსმოსური კუბის გამოკვლევისას მასში შესაძლებელია არც ერთი მონოპოლი არ აღმოჩნდეს.
ექსპონენციალური გაფართოების ჰიპოთეზა ჰორიზონტის პრობლემასაც მარტივად გვაშორებს. წარმოვიდგინოთ, რომ ჩანსახოვანი ”ბუშტულას” ზომა, რომელიც ჩვენი სამყაროს დასაბამი იყო, არ აჭარბებდა გზას, რომლის გავლა სინათლის სხივმა დიდი აფეთქების მერე ვერ მოასწრო. ამ შემთხვევაში მასში შეიძლება სითბური წონასწორობა ჩამოყალიბებულიყო, რამაც ექსპონენციალური გაფართოების დროს სითბოს ერთნაირობა მთელი მოცულობით უზრუნველყო. ასეთი ახსნა ბევრ კოსმოლოგიურ სახელმძღვანელოშია წარმოდგენილი, თუმცა მის გარეშეც შეიძლება გამოსავალის პოვნა.
კოსმოლოგიური ინფლაციის მოდელი, რომელიც დიდი აფეთქების თეორიაში ბევრ შეუსაბამობებს ხსნის, ამტკიცებს, რომ ძალიან მოკლე დროში ბუშტულას ზომა, რომლისგანაც ჩვენი სამყარო წარმოიქმნა, 1050-ჯერ გაიზარდა. ამის მერე სამყარომ გაფართოება გაცილებით პატარა სიჩქარით გააგრძელა.
ერთი ბუშტულადან
70-80-იანი წლების მიჯნაზე რამდენიმე თეორეტიკოსმა, რომელთა შორის საბჭოთა ფიზიკოსებიც იყვნენ(ალექსანდრე სტარობინსკი), ადრეული სამყაროს მოდელები განიხილეს, ექსპონენციალური გაფართოების მოკლე სტადიით. 1981 წელს ალან გუტმა გამოაქვეყნა ნამუშევარი, რამაც ამ იდეისადმი საერთო ინტერესი გამოიწვია. პირველად ის მიხვდა, რომ ასეთი გაფართოება(რომელიც უფრო 10–34 წამზე შეჩერდა) მონოპოლების პრობლემას ხსნის, რითაც ის თავიდან იყო დაკავებული, თან ბრტყელი გეომეტრიისა და ჰორიზონტის პრობლემების გადჭრისკენ მიუთითებს. გუტმა ასეთ გაფართოებას კოსმოლოგიური ინფლაცია უწოდა, ეს ტერმინი კი ყველამ აღიარა.
სერიოზული ნაკლი გუტის მოდელსაც ჰქონდა. ის ინფალციური რეგიონების სიმრავლეს უშვებდა, რომლებიც ერთმანეთთან შეჯახებას განიცდიდნენ. ამას ძლიერად არამოწესრიგებულ კოსმოსამდე მივყავართ, მატერიისა და გამოსხივების არაერთგვაროვანი სიმკვრივით, რაც რეალურ კოსმოსურ სივრცეს საერთოდ არ ჰგავს. მალე, რუსმა მეცნიერმა(ახლა ამერიკელმა) ანდრეი ლინდემ, მოგვიანებით კი ანდრეას ალბრეხტმა და პოლ სთეინჰარდტმა პენსილვანიის უნივერსიტეტიდან, გამოთქვეს მოსაზრება, რომ თუ სკალარული ველის განტოლებას შევცვლით, ყველაფერი თავის ადგილზე დადგება. აქედან გამომდინარე სცენარის მიხედვით მთელი ჩვენი სამყარო ერთი ვაკუუმური ბუშტულადან გაჩნდა, რომელიც სხვა ინფლაციურ რეგიონებს წარმოუდგენლად დიდი მანძილებითაა დაშორებული.
ქაოტური ინფლაცია
1983 წელს ანდრეი ლინდემ ქაოტური ინფლაციის თეორიის შემუშავებით მორიგი გარღვევა მოახდინა, რითაც სამყაროს შემადგენელის და რელიქტური გამოსხივების ერთგვაროვნების ახსნა მოხერხდა. ინფლაციის დროს სკალარული ველის ნებისმიერი წინამორბედი არაერთგვაროვნებანი იმდენად იწელებიან, რომ პრაქტიკულად ქრებიან. ინფლაციის დამამთავრებელ ეტაპზე ეს ველი თავისი პოტენციური ენერგიის მინიმუმის მახლობლად ოსცილირებს. ამ დროს მახლობლად ნაწილაკები და ფოტონები იბადებიან, რომლებიც ინტენსიურად ურთიერთქმედებენ და გაწონასწორებულ ტემპერატურას აღწევენ. ასე რომ, ინფლაციის დამთავრებასთან ერთად ჩვენ ბრტყელ და ცხელ სამყაროს ვიღებთ, რომელიც შემდეგ უკვე დიდი აფეთქების სცენარით ფართოვდება. ეს მექანიზმი ხსნის, რატომ არ დაიმზირება ტემპერატურული რხევები რელიქტურ გამოსხივებაში(WMAP), რომლებიც სამყაროს არსებობის პირველ ფაზაში კვანტურ ფლუქტუაციებს შეიძლება მივაწეროთ. ამგვარად, ქაოტური ინფლაციის თეორიამ ჰორიზონტის პრობლემა ამოხსნა დაშვების გარეშე, რომ ესქპონენციალური გაფართოების დაწყებამდე ჩანასახობრივი სამყარო სითბური წონასწორობის მდგომარეობაში იმყოფებოდა.
ლინდეს მოდელის მიხედვით, ნივთიერებათა და გამოსხივების გადანაწილება ინფლაციის მერე იდეალურად ერთგვაროვანი უნდა იყოს, პირველადი კვანტური ფლუქტუაციების გამოკლებით. ამ ფლუქტუაციებმა სიმკვრივის ლოკალური რხევები გამოიწვიეს, რომლებმაც დროთა განმავლობაში გალაქტიკათა და მათი დამაშორებელი კოსმოსური სიცარიელეების არსებობას მისცეს დასაბამი. მნიშვნელოვანია, რომ ინფლაციური ”გაწელვის” გარეშე ფლუქტუაციები ძალიან სუსტი იქნებოდა და ისინი ვერ იქცეოდნენ გალაქტიკურ ჩანასახებად. მთლიანობაში, ინფლაციური მექანიზმი საკმარისად მძლავრ და უნივერსალურ კოსმოლოგიურ კრეატიულობას ფლობს, ასე რომ, ამ ქვეთავის სათაური გადაჭრბებულად არ უნდა მოგვეჩვენოს.
სამყაროს მეასედ ნაწილებამდე მასშტაბებში(ახლა ეს ასეულობით მეგაპარსეკს უტოლდება) მისი შემადგენელი ერთგვაროვანი და იზოტროპული რჩება. თუმცა, მთლიანი კოსმოსის სკალაზე ეს ერთგვაროვნება ქრება. ინფლაცია ერთ რეგიონში სრულდება და მეორეში იწყება, და ასე უსასრულობამდე. ეს თვითგანახლებადი უსასრულო პროცესი მრავალი სამყაროების განტოტვებს წარმოქმნის, ე.წ. მულტისამყაროს. ერთი და იგივე ფუნდამენტური ფიზიკური კანონები იქ შეიძლება განსხვავებულად გამოვლინდნენ. ამ ფანტასტიკურ სურათს თანამედროვე ფიზიკოსები და კოსმოლოგები სრული სერიოზულობით განიხილავენ.
ევოლუციასთან თანასწორი
”ინფლაციური პარადიგმა ამჟამად ბევრ ვარიანტებშია რეალიზებული, რომელთა შორისაც ლიდერის ნიშნები არ ჩანს. მოდელები ბევრია, თუმცა არავინ იცის, რომელია მათ შორის მართალი. ამიტომ რაიმე დრამატულ პროგრესზე ლაპარაკი ნაადრევია. სირთულეებიც საკმარისადაა. მაგალითად, ბოლომდე გაუგებარია, როგორ შევადაროთ მოვლენათა ალბათობები, რომლებას ესა თუ ის მოდელი წინასწარმეტყველებს. მარადიულ სამყაროში პროცესები უსასრულოდ მეორდება. ალბათობათა გამოსათვლელად კი უსასრულობების შედარებაა საჭირო, ეს კი ადვილი არაა. არსებობს ინფლაციის დასაწყისის პრობლემაც. მის გარეშე არაფერი გამოვა, თუმცა ჯერ კიდევ გურკვევლია, რა გზით მივუდგეთ მას. და მაინც, სამყაროს ინფლაციურ სურათს სერიოზული კონკურენტები არა ჰყავს. მე მას დარვინის თეორიას შევადარებდი, რომელსაც თავიდან ბევრი სერიოზული შეუსაბამობები ჰქონდა. მისი ალტერნატივა არ გამოჩენილა და მეცნიერების აღიარებაც ჰპოვა. ჩემი აზრით, ყველა სირთულეს კოსმოლოგიური ინფლაციის კონცეპციაც გაუმკლავდება” – ამბობს ტაფტის უნივერსიტეტთან არსებული კოსმოლოგიის ინსტიტუტის დირექტორი ალექსანდრე ვილენკინი.
ბრტყელი სამყარო
გადიდებადი სფერო ინფლაციური კოსმოლოგიის ჩარჩოებში ბრტყელი სამყაროს პრობლემის ამოსხნის დემონსტრირებას ახდენს. სფეროს რადიუსის ზრდასთან ერთად მისი ზედაპირის ამორჩეული ნაწილი სულ უფრო და უფრო ბრტყელი ხდება. დრო-სივრცის ექსპონენციალურმა გაფართოებამ ინფლაციის ეტაპზე ჩვენს სამყაროს ბრტყელი ფორმა სწორედ ასეთნაირად მისცა.
ბრტყელი პრობლემა
ასტრონომები დიდი ხანია დარწმუნდნენ იმაში, რომ ახლანდელი კოსმოსური სივრცე დეფორმირებულია, თუმცა ზომიერად.
ფრიდმანისა და ლემეტრის მოდელები დიდი აფეთქების შემდგომი სამყაროს სიმრუდის გამოთვლის საშუალებას იძლევა. გამრუდება უზომო პარამეტრის საშუალებით ფასდება, რომელიც უტოლდება კოსმოსური ენერგიის საშუალო სიმკვრივის შეფარდებას მის იმ მნიშვნელობასთან, რომლის დროსაც ეს სიმრუდე ნულის ტოლი ხდება, ხოლო სამყაროს გეომეტრია, შესაბამისად, ხდება ბრტყელი. 40 წლის უკან უკვე აღარავის აეჭვებდა, რომ თუ ეს პარამეტრი განსხვავებულია ერთისგან, მაშის ეს განსხვავება, რომელიმე მხარეს, არ იქნება 10-ჯერ მეტი. აქედან გამომდინარე, დიდი აფეთქებიდან 1 წამის მერე ის ერთისგან განსხვავებული მეტ ან ნაკლებ მხარეს მხოლოდ 10–14 -ით იქნებოდა. ასეთი ფანტასტიკური ”აწყობა” შემთხვევითია თუ ფიზიკური მიზეზებითაა განპირობებული? სწორედ ასეთი ფორმულირება მისცეს საკითხს 1979 წელს ამერიკელმა რობერტ დიკემ და ჯეიმს პიბლზმა.
კოსმოსის გეომეტრია
სამყაროს ლოკალური გეომეტრია(2) უზომო პარამეტრით განისაზღვრება: თუ ის ერთზე ნაკლებია, სამყარო ჰიპერბოლური იქნება(ღია), თუ მეტი – სფერული(დახურული), ხოლო თუ ზუსტად 1-ის ტილია – ბრტყელი. ერთიდან მცირე გადხრებს, დროთა განმავლობაში ამ პარამეტრის მნიშვნეოვანი შეცვა შეუძლიათ. ილუსტრაციაზე ცისფრად ჩვენი სამყაროსთვის პარამეტრის გრაფიკია ნაჩვენები.
ჰორიზონტს მიღმა
ჰორიზონტის პრობლემა რელიქტურ გამოხივებას უკავშირდება. ჰორიზონტის რომელი წერტილიდანაც არ უნდა იყოს მოსული, მისი ტემპერატურა ერთნაირია, 0,001 პროცენტის სიზუსტით.
სამოცდაათიანებში ეს მონაცემები არ არსებობდა, თუმცა ასტრონომები მაშინაც ვარაუდობდნენ, რომ ტემპერტურული რყევა 0,1% არ აჭარბებდა. გამოცანაც სწორედ ამაში იყო. რელიქტური გამოსხივების კვანტები კოსმოსში დიდი აფეთქებიდან 400 000 წლის მერე გამოსხივდნენ. თუ სამყარო სულ ფრიდმან-ლემეტრის მიხედვით ევოლუციონირებდა, მაშინ ფოტონები, მოსულები ცის სფეროს ნაწილებიდან, რომელბიც ორი კუთხური გრადუსით არიან გაყოფილნი, გამოსხივდნენ სივრცის ნაწილებიდან, რომლებსაც მაშინ საერთო არაფერი ჰქონდათ. მათ შორის იყო მანძილები, რომელთა გავლასაც სინათლე სამაყროს მაშინდელი არსებობის განმავლობაში ვერ მოასწრებდა – სვხანაირად რომ ვთქვათ, მათი კოსმოლოგიური ჰორიზონტები არ იკვეთებოდნენ. ამიტომ ვერც სითბური წონასწორობა დამყარდებოდა მათ შორის, რაც მათ ტემპერატურებს აუცილებლად გაათანაბრებდა. თუ ეს რეგიონები ჩამოყალიბების ადრეულ მომენტებში არ იყვნენ დაკავშირებულნი, მაშინ როგორ აღმოჩნდნენ ისინი ერთნაირად გამთბარნი? თუ ეს დამთხვევაა, მაშინ უკიდურესად უცნაური.
კავშირის დაკარგვა
რელიქტური გამოსხივება, რომელსაც ახლა დედამიწიდან ვხედავთ, 46 მილიარდი სინათლის წლის მანძილიდან მოდის და 14 მილიარდ სინათლის წელზე ოდნავ მცირე მანძილი გაიარა. თუმცა, როცა ამ გამოსხივებამ თავისი მოგზაურობა დაიწყო, სამყაროს ასაკი მხოლოდ 300 000 წელი იყო. ამ დროის განმავლობაში სინათლეს შეეძლო მანძილის გავლა, შესაბამისად, რომელიც 300 000 სინათლის წელს უტოლდება(პატარა წრეები), ამიტომ ილუსტრაციაზე გამოსახული ორი წერტილი ერთმანეთთან ვერ იქნებოდა დაკავშირებული – მათი კოსმოსლოგიური ჰორიზონტები არ იკვეთებიან.
ნორმალური გაფართოება
გაფართოება სინათლის სიჩქარეზე ნაკლები სიჩქარეებით, იქამდე მიგვიყვანს, რომ სამყარო ადრე თუ გვიან ჩვენს მოვლენათა ჰორიზონტს შიგნით აღმოჩნდება. ინფლაციური გფართოება სიჩქარეებით, რომლებიც სინათლისაზე მნიშვნელოვნად მეტია, იქამდე მიგვიყვანს, რომ ჩვენს თვალთახედვაში დიდი აფეთქების დროს წარმოქმნილი სამყაროს მხოლოდ მცირე ნაწილი მოხვდება. ეს კი ჰორიზონტისა და ცის თაღის სხვადასხვა წერტილიდან მოსული რელიქტური გამოსხივების ტემპერატურის ერთგვაროვნებას ხსნის.