დიდი აფეთქების თეორია

[Katutu]

 

დიდი აფეთქების თეორია

 

ჩვენი სამყაროს ევოლუციის ისტორია

როგორ გაჩნდა ჩვენი სამყარო? როგორ გადაიქცა ის უსასრულო სივრცედ? რად გადაიქცევა ის მილიონი, მილიარდი წლის შემდეგ? ეს კითხვები ჯერ კიდევ დასაბამიდან აწუხებდა (და დღემდე აწუხებს) ფილოსოფოსებისა და მეცნიერების გონებას. დღეს ასტრონომებისა და კოსმოლოგების უმეტესობა მივიდა საერთო შეთანხმებამდე იმის შესახებ რომ სამყარო, რომელსაც ჩვენ ვიცნობთ, დიდი აფეთქების შედეგად შეიქმნა, რომელმაც არამარტო მატერიის ძირითადი ნაწილი შექმნა, არამედ ფიზიკის ძირითადი კანონების წყაროდაც იქცა, რომლების თანახმადაც არსებობს ის კოსმოსი, რომელიც ჩვენ გარშემოა. ამ ყველაფერს დიდი აფეთქების თეორია ჰქვია.

დიდი აფეთქების თეორიის ძირეული საკითხები შედარებით  ადვილია. მოკლედ რომ ვთქვათ, მის თანახმად, აქამდე არსებული და ამ მომენტში არსებული სამყაროს მატერიები ერთსა და იმავე დროს შეიქმნა – დაახლოებით 13,8 მილიარდი წლის წინ. იმ მომენტში მატერია არსებობდა როგორც ძალიან კომპაქტური სფერო (ან წერტილი), უსასრულო სიმკვრივითა და ტემპერატურით. ეს მდგომარეობა სინგულარობის სახელს ატარებდა. მოულოდნელად სინგულარობამ გაფართოება დაიწყო და შექმნა ის სამყარო, რომელსაც ჩვენ დღეს ვიცნობთ. აღსანიშნავია რომ დიდი აფეთქების თეორია მხოლოდ ერთ–ერთია სამყაროს შექმნის ჰიპოთეზებს შორის (მაგალითად, არის კიდევ სტაციონარული სამყაროს თეორია), თუმცა მან ყველაზე ფართო აღიარება და პოპულარობა ჰპოვა.  იგი არამხოლოდ ხსნის ყველა ცნობილი მატერიის წყაროს, ფიზიკის კანონებს და სამყაროს სტრუქტურას, არამედ ასევე აღწერს სამყაროს გაფართოების მიზეზებს და მრავალ სხვა ასპექტებსა და ფენომენებს.

 

დიდი აფეთქების თეორიის მოვლენათა ქრონოლოგია

დღევანდელი სამყაროს შესახებ ცნობებზე დაყრდნობით, მეცნიერები ვარაუდობენ რომ ყველაფერი უნდა დაწყებულიყო ერთადერთი წერტილიდან, რომელსაც გააჩნდა უსასრულო სიმკვრივე და სასრული დრო, რომლებმაც გაფართოება დაიწყეს. პირველადი გაფართოების შემდეგ, სამყარომ გაიარა გაციების ფაზა, რომელმაც სუბატომური ნაწილაკები და შემდეგ უკვე ატომები შობა.  ამ უძველესი ელემენტების გიგანტური ღრუბლები გრავიტაციის დახმარებით წარმოიქმნენ ვარსკვლავებად და გალაქტიკებად.

ეს ყველაფერი, მეცნიერთა ვარაუდით, დაიწყო დაახლოებით 13,8 მილიარდი წლის წინ, ამიტომაც ეს საწყისი წერტილი სამყაროს ასაკად ითვლება. სხვადასხვა თეორიული პრინციპების გამოკვლევის, ნაწილაკების ამაჩქარებლებით შესრულებული ექსპერიმენტების და მაღალენერგეტიკული მდგომარეობებით, ასევე სამყაროს შორეული კუთხეების ასტრონომიული გამოკვლევების გზით, მეცნიერებმა შეადგინეს და წარმოადგინეს იმ მოვლენათა ქრონოლოგია, რომლებიც დიდი აფეთქების შემდეგ დაიწყო და მიიყვანა სამყარო კოსმოსური ევოლუციის იმ შედეგამდე რომელიც ახლა არსებობს.

მეცნიერები თვლიან რომ სამყაროს გაჩენის ყველაზე ადრეული პერიოდები, რომლებიც დიდი აფეთქებიდან 10^-43–დან 10^-11  წამამდე მიმდინარეობდა, დღემდე განსჯის საგნად ითვლება. ფიზიკის ის კანობები, რომლებიც დღეს ჩვენთვის ცნობილია, არ შეიძლებოდა არსებულიყო იმ დროს, რის გამოც ძნელია იმის გაგება თუ რა გზით რეგულირდებოდა პროცესები ადრეულ სამყაროში. ამასთანავე,  დღემდე არ ჩატარებულა ექსპერიმენტები, სადაც იმ შესაძლო ენერგიის სახეებს გამოიყენებდნენ. როგორც არ უნდა იყოს, სამყაროს შექმნის ბევრი თეორია თანხმდება იმაში რომ დროის რაღაც პერიოდში არსებობდა ის საწყისი წერტილი, საიდანაც ყველაფერი დაიწყო.

 

სინგულარობის ეპოქა

სინგულარობის ეპოქა სამყაროს ევოლუციის ცნობილი პერიოდებიდან ყველაზე ადრეულად ითვლება. ამ დროს მთელი მატერია უსასრულო სიმკვრივისა და ტემპერატურის ერთადერთ წერტილში იყო თავმოყრილი. ამ პერიოდის დროს, როგორც მეცნიერები თვლიან, გრავიტაციული ზემოქმედების კვანტური ეფექტები ზემოქმედებდნენ ფიზიკურზე, და ფიზიკური ძალებიდან არცერთი არ უტოლდებოდა გრავიტაციის ძალას.

სინგულარობის ეპოქა სავარაუდოდ გრძელდებოდა 0-დან 10^-43  წამამდე და ასეთად იმიტომ იწოდება, რომ მისი გაზომვა მხოლოდ სინგულარული დროით შეიძლება. ექსტრემალური ტემპერატურის და უსასრულო სიმკვრივის გამო სამყაროს მდგომარეობა დროის ამ პერიოდში იყო ძალზედ არასტაბილური. ამის შემდეგ მოხდა გაფართოების და გაციების პერიოდები, რომლებმაც მიგვიყვანეს ფიზიკის ფუნდამენტალური ძალების წარმოშობამდე. დაახლოებით 10^-43–დან 10^-36 წამამდე პერიოდში სამყაროში მიმდინარეობდა გარდამავალი ტემპერატურების შეჯახების პროცესი. ითვლება რომ ზუსტად ამ მომენტში ფუნდამენტალურმა ძალებმა, რომლებიც დღევანდელ სამყაროს მართავენ, დაიწყეს ერთმანეთისგან გაყოფა. ამ გაყოფის პირველი ნაბიჯი  გრავიტაციული ძალების, ძლიერი და სუსტი ატომური ურთიერთქმედებების და ელექტრომაგნიტიზმის გაჩენა გახდა. დიდი აფეთქების შემდგომ, 10^-36–დან 10^-32 წამების პერიოდში სამყაროს ტემპერატურა საკმაოდ დაბალი აღმოჩნდა, რამაც განაპირობა ელექტრომაგნიტური ძალების გაყოფა (ძლიერი ურთიერთქმედება) და სუსტი ატომური უერთიერთქმედებები (სუსტი ურთიერთქმედება).

 

ინფლაციის ეპოქა

პირველი ფუნდამენტალური ძალების გაჩენასთან ერთად, სამყაროში დაიწყო ინფლაციის ეპოქა, რომელიც 10^-32  წამი გრძელდებოდა. კოსმოლოგიური მოდელების უმეტესობა ვარაუდობს რომ ამ პერიოდში სამყარო მაღალი სიმკვრივის ენერგიით თანაბრად იყო შევსებული, წარმოუდგენლად მაღალმა ტემპერატურამ და წნევამ კი მიიყვანეს ის ჩქარ გაფართოებამდე და გაციებამდე. ეს დაიწყო 10^-37 წამზე, როდესაც გადასვლის ფაზას მოჰყვა გეომეტრიული პროგრესიით  სამყაროს გაფართოება. დროის ამ პერიოდშივე სამყარო იმყოფებოდა ბარიოგენეზისის მდგომარეობაში, როდესაც ტემპერატურა იმდენად მაღალი იყო რომ სივრცეში ნაწილაკების ქაოსური მოძრაობა  ხდებოდა თითქმის სინათლის სიჩქარით. ამ დროს წარმოიქმნება და ამავდროულად, შეჯახებისას იშლება ნაწილაკების ჯგუფები – ანტინაწილაკები, რამაც, როგორც მიჩნეულია, თანამედროვე სამყაროში განაპირობა მატერიის დომინირება ანტიმატერიაზე. ინფლაციის დასრულების შემდეგ სამყარო შედგებოდა კვარკულ–გლუონური პლაზმისა და სხვა ელემენტარული ნაწილაკებისგან. ამ მომენტიდან სამყარომ გაციება, მატერიამ კი შექმნა და შეერთება დაიწყო.

 

გაციების ეპოქა

სიმკვრივისა და ტემპერატურის დაკლებასთან ერთად სამყაროს შიგნით ასევე დაიწყო ნაწილაკებში ენერგიის დაკლება. ეს გარდამავალი მდგომარეობა გრძელდებოდა იქამდე, სანამ ფუნდამენტალური ძალები და ელემენტარული ნაწილაკები არ მივიდნენ მათ დღევანდელ ფორმამდე. რადგანაც ნაწილაკების ენერგია იმ ნიშნულებამდე დაიკლო, რომლების მიღწევაც დღეს ექსპერიმენტის სახით შეგვიძლია, ამ პერიოდის შესაძლო არსებობა მეცნიერების მხრიდან ნაკლებ კითხვებს ბადებს.

მაგალითად, მეცნიერები თვლიან რომ დიდი აფეთქებიდან 10^-11 წამზე ნაწილაკების ენერგიამ საგრძნობლად იკლო. დაახლოებით 10^-6 წამზე კვარკებმა და გლუონებმა დაიწყეს ბარიონების – პროტონებისა და ნეიტრონების წარმოშობა.

რადგანაც ტემპერატურა უკვე არასაკმარისად მაღალი იყო ახალი პროტონურ–ანტიპროტონური ორთქლის (ან ნეიტრონულ–ანტინეიტრონული ორთქლის) შესაქმნელად, ამას მოჰყვა ამ ნაწილაკების მასიური განადგურება, რამაც მიიყვანა მხოლოდ თავდაპირველი პროტონების და ნეიტრონების 1/1010–ის დარჩენამდე და მათი ანტინაწილაკების გაუჩინარებამდე. ანალოგიური პროცესი მოხდა დიდი აფეთქებიდან დაახლოებით 1 წამში. მხოლოდ „მსხვერპლები“ ამჯერად ელექტრონები და პოზიტრონები გახდნენ. მასიური განადგურების შემდეგ, დარჩენილმა პროტონებმა, ნეიტრონებმა და ელექტრონებმა შეწყვიტეს ქაოსური მოძრაობა, სამყაროს ენერგეტიკული სიმკვრივე კი ფოტონებმა და უფრო ნაკლებად, ნეიტრინომ შეავსო.

სამყაროს გაფართოების პირველ წუთებში დაიწყო ნუკლეოსინთეზის პერიოდი (ქიმიური ელემენტების სინთეზი). 1 მილიარდ კელვინამდე ტემპერატურის ვარდნის და ენერგიის სიმკვრივის დაახლოებით ჰაერის სიმკვრივის ექვივალენტურ ნიშნულებამდე დაკლებით, ნეიტრონებმა და პროტონებმა დაიწყეს შერევა და პირველი სტაბილური წყალბადის იზოტოპის (დეიტერიუმის), და ასევე ჰელიუმის ატომების შექმნა.

დაახლოებით 379 000 წლის შემდეგ ელექტრონები გაერთიანდნენ ამ წყალბადის ბირთვებთან და წარმოქმნეს ატომები, იმ დროს როდესაც რადიაცია გამოეყო მატერიას და პრაქტიკულად შეფერხებების გარეშე დაიწყო სივრცის გავლით გაფართოება. ამ რადიაციას რელიქტურ გამოსხივებას უწოდებენ და ის სამყაროს უძველეს სინათლის წყაროს წარმოადგენს.

რელიქტური გამოსხივება ყველა მიმართულებით და 13,8 მილიარდი სინათლის წელიწადის სიჩქარით ვრცელდება, თუმცა მისი ფაქტობრივი გავრცელების შეფასება ამბობს რომ მას სამყაროს ცენტრიდან 46 მილიონი სინათლის წელიწადის სიჩქარე აქვს.

 

სტრუქტურის ეპოქა (იერარქიული ეპოქა)

შემდგომი რამდენიმე მილიარდი წლის განმავლობაში უფრო მკვრივმა რეგიონებმა, რომლებიც თითქმის სწორადაა გადანაწილებული სამყაროს მატერიაში, დაიწყეს ერთმანეთისკენ მიზიდვა. ამის შედეგად ისინი გახდნენ უფრო მკვრივები და დაიწყეს იმ გაზის ღრუბლების, ვარსკვლავების, გალაქტიკების და სხვა ასტრონომიული ტრუქტურების წარმოქმნა, რომელთა დანახვაც ჩვენ დღეს შეგვიძლია. ეს პერიოდი ატარებს იერარქიული ეპოქის სახელს. ამ დროს იმ სამყარომ, რომელსაც დღეს ვხედავთ, დაიწყო საკუთარი ფორმის შექმნა. მატერიამ დაიწყო სხვადასხვა ზომის სტრუქტურებად გაერთიანება – ვარსკვლავები, პლანეტები, გალაქტიკები, გალაქტიკური გროვები, ასევე გალაქტიკური ზეგროვები, რომლებიც გალაქტიკათაშორისი ბარებითაა გამოყოფილი და შეიცას მხოლოდ რამდენიმე გალაქტიკას.

ამ პროცესის დეტალები შეიძლება აღწერილი იქნას მატერიის რაოდენობისა და ტიპის თანახმად, რომელებიც გადანაწილებულია სამყაროში და წარდგენილია ცივი, თბილი, ცხელი მუქი მატერიის და ბარიონული ნივთიერების სახით.  თუმცა დიდი აფეთქების თანამედროვე სტანდარტული კოსმოლოგიური მოდელი არის მოდელი ლამბდა–CDM, რომლის თანახმადაც მუქი მატერიის ნაწილაკები სინათლის წელიწადის სიჩქარეზე ნელა მოძრაობენ. ის იმიტომ იყო არჩეული, რომ ხსნის ყველა ურთიერთწინააღმდეგობას, რომელიც სხვა კოსმოლოგიურ მოდელებში ჩნდებოდა.

ამ მოდელის თანახმად, მთელს სამყაროში არსებული მატერიის/ენერგიის 23 პროცენტი ცივ მუქ მატერიაზე მოდის. ბარიონული ნივთიერების წილი კი დაახლოებით 4,6 პროცენტს შეადგენს. ლამბდა–CDM დაამოწმებს ე.წ. კოსმოლოგიურ მუდმივას: თეორიას, რომელიც ალბერტ აინშტაინის მიერ იყო წარდგენილი, რომელიც ახასიათებს ვაკუუმის ნიშანთვისებებს და აჩვენებს მასისა და ენერგიის შორის ბალანსის შეფარდებას როგორც მუდმივ სტატიკურ სიდიდეს. ამ შემთხვევაში ის კავშირშია მუქ ენერგიასთან, რომელიც სამყაროს გაფართოების დამაჩქარებლის როლშია და გიგანტურ კოსმოლოგიურ სტრუქტურებს ერთგვაროვან ხარისხში აკავებს.

 

მომავალი სამყაროს გრძელვადიანი პროგნოზები

ჰიპოთეზები იმის შესახებ, რომ სამყაროს ევოლუციას გააჩნია საწყისი წერტილი, მეცნიერებში ბუნებრივ კითხვებს ბადებს პროცესის შესაძლო უკანასკნელი წერტილის არსებობაზე. თუ სამყარომ საკუთარი ისტორია დაიწყო უსასრულო სიმკვრივის მქონე პატარა წერტილიდან, რომელმაც დაიწყო გაფართოება, ნიშნავს კი ეს იმას, რომ იგი გაფართოებას უსასრულოდ განაგრძობს? თუ ერთხელაც მას დაუმთავრდება ექსპანსიური ძალა და ის შეკუმშვის უკუპროცესს დაიწყებს, რომლის საბოლოო შედეგი ისევ ის უსასრულო სიმკვრივის მქონე წერტილი გახდება?

ამ კითხვებზე პასუხი კოსმოლოგების ძირითად მიზანს წარმოადგენდა, ჯერ კიდევ იმ დავების დროს, როდესაც ირკვეოდა სამყაროს რომელი მოდელი არის მართებული. დიდი აფეთქების თეორიის, თუმცა უფრო დიდი წვლილით, 1990–იან წლებში მუქ მატერიაზე დაკვირვების დახმარებით, მეცნიერები მივიდნენ სამყაროს ევოლუციის ორი უმეტესად სავარაუდო სცენარის შეთანხმებამდე.

პირველი სცენარის თანახმად, რომელმაც „დიდი შეკუმშვის“ სახელი მიიღო, სამყარო მიაღწევს საკუთარ მაქსიმალურ ზომას და დაიწყებს განადგურებას. მოვლენათა განვითარების ეს ვარიანტი შესაძლებელი გახდება, თუ მხოლოდ სამყაროს მასა უფრო გაიზრდება, ვიდრე თვითონ კრიტიკული სიმკვრივე. სხვა სიტყვებით, თუ მატერიის სიმკვრივე გარკვეულ ნიშნულს მიაღწევს ან ამ ნიშნულზე მეტი იქნება (1-3×10^-26 კგ მატერია მ³–ზე), სამყარო შეკუმშვას დაიწყებს.

მეორე, ალტერნატიული სცენარის თანახმად, თუ სამყაროში სიმკვრივე იქნება კრიტიკულ სიმკვრივეზე ნაკლები ან მისი ტოლი, მაშინ მისი გაფართოება შენელდება, თუმცა არასოდეს შეწყდება. ამ ჰიპოთეზის თანახმად, რომელმაც „სამყაროს სითბური სიკვდილის“ სახელი მიიღო, გაფართოება იქამდე გაგრძელდება, სანამ ვარსკვლავური წარმონაქმნები არ შეწყვეტენ გარშემომყოფ გალაქტილებში არსებული ვარსკვლავთშორისი გაზის მოხმარებას. ანუ მთლიანად შეწყდება ერთი ობიექტიდან მეორეზე ენერგიისა და მატერის გადაცემა. ამ შემთხვევაში ყველა არსებული ვარსკვლავი ამოიწვება და გადაიქცევა თეთრ ჯუჯად, ნეიტრონულ ვარსკვლავად ან შავ ხვრელად.

თანდათანობით შავი ხვრელები დაიწყებენ სხვა შავ ხვრელებთან შეტაკებას, რაც გამოიწვევს უფრო  და უფრო დიდი შავი ხვრელების წარმოქმნას. სამყაროს საშუალო ტეპერატურა მიუახლოვდება აბსოლუტურ ნულს. შავი ხვრელები თანდათანობით „აორთქლდება“ მათი ჰოკინგის გამოსხივების ბოლო გამოყოფით. საბოლოოდ სამყაროში თერმოდინამიური ენთროპია მაქსიმალური გახდება. დადგება სითბური სიკვდილი.

თანამედროვე დაკვირვებები, რომლებიც ითვალისწინებენ მუქი მატერიის არსებობასა და მის კოსმოსის გაფართოებაზე ზემოქმედებას, მიიყვანეს მეცნიერები იმ დასკვნამდე, რომლის თანახმადაც დროთა განმავლობაში სამყაროს უფრო და უფრო დიდი სივრცე გაივლის ჩვენს მოვლენათა ჰორიზონტს მიღმა და ჩვენთვის უხილავი გახდება. მეცნიერებისთვის ჯერ უცნობია ამის საბოლოო და ლოგიკური შედეგი, თუმცა „სითბური სიკვდილი“ სავსებით შეიძლება გახდეს მსგავსი მოვლენების უკანასკნელი წერტილი.

არის სხვა ჰიპოთეზებიც მუქი მატერიის გადანაწილების, უფრო ზუსტად, მისი შესაძლო სახეობების (მაგალითად, ფანტომური ენერგიები) მიმართებაში. მათ თანახმად გალაქტიკური გროვები, ვარსკვლავები, პლანეტები, ატომები, ატომის ბირთვები და მატერია თავისთავად გაიხლიჩებიან მათი უსასრულო გაფართოების შედეგად. ევოლუციის ასეთი სცენარი ატარებს „დიდი აფეთქების“ სახელს. ამ სცენარის მიხედვით, სამყაროს დაღუპვის მიზეზს თავად გაფართოება წარმოადგენს.

 

 

 

 

 

 

 

 

[ნაკო]