Осылардың қосылуы нәтижесінде пайда болатын төрт өлшемді кеңістік - уақыт қисық

Ғаламның эволюциялық моделі: бақылаудан теорияға дейін

1922 жылы А.А. Фридман Эйнштейннің салыстырмалық теориясына сүйене отырып, Ғаламның статикалық емес, эволюциялық сипатқа ие екенін көрсетті. Бұдан кейін В.М. Слайфер галактикалардың басым бөлігі (өлшеген 41-інің 36-сы) шамамен 2000 км/с жылдамдықпен алыстап бара жатқанын, ал аз ғана бөлігі жақындап келе жатқанын анықтады.

Кейінірек Күннің өз галактикамыз ішінде шамамен 250 км/с жылдамдықпен айналатыны және кейбір галактикалардың «жақындауы» Күннің сол бағытқа қозғалысымен байланысты екені түсіндірілді. Алыстағы нысандардың жақындауы не алыстауын Доплер эффектісі арқылы білуге болады: жақындаған сәуленің толқын ұзындығы қысқарып, спектрдің көк бөлігіне ығысады, ал алыстаған сәуле толқыны ұзарып, қызыл бөлікке ығысады.

Хаббл заңы және «Үлкен жарылыс» идеясының орнығуы

1929 жылы америкалық астроном Эдвин П. Хаббл (1889–1953) галактикалардың бір «бастапқы нүктеден» жан-жаққа таралатындай алыстайтынын көрсетті. Бұл идея кейін Ғаламның бір бастапқы күйден тарала кеңеюін сипаттайтын оқиға ретінде «Үлкен жарылыс» атауымен бекіді.

Релятивистік және кванттық физиканың жетістіктері эволюцияланатын Ғаламның модельдерін жасауға мүмкіндік берді. Бүгінгі таңда байқалатын және жаңа анықталып жатқан нысандардың табиғаты мен қозғалысын толық сипаттауда шешуші рөл атқаратын теориялардың бірі — 1916 жылы Эйнштейн ұсынған жалпы салыстырмалылық теориясы.

Кеңістік-уақыт: төрт өлшемді қисық геометрия

Жалпы салыстырмалылықта кеңістіктің үш өлшемі уақыттың бір өлшемімен байланысып, төрт өлшемді кеңістік-уақытты құрайды. Бұл кеңістік-уақыт қисық, ал оның қисықтығы Ғаламда зат пен энергияның болуымен түсіндіріледі.

Салыстырмалылықтың классикалық жалпы теориясынан Ғаламның өмір сүруінің үш ықтимал нұсқасы жиі аталады:

• 1) Ғалам өткенде де, болашақта да шексіз мәңгі өмір сүруі мүмкін.
• 2) Ғаламның басы да, соңы да бар.
• 3) Ғалам уақыт бойы үздіксіз өзгеріп отырады.

С. Хокинг пен оның әріптестері екінші нұсқаға жақынырақ көзқарас ұстанады: Ғалам пайда болған сәтте заттың тығыздығы шексіз үлкен, ал кеңістік-уақыттың қисаюы шексіз «шағын» (өте күрт) болған. Мұндай жағдайда физика заңдары да бүгінгі таныс түрінен өзгеше болуы ықтимал.

Сингулярлық күй: бастапқы шартты елестетудің қиындығы

Көптеген физиктер Жердегі материяның атомдық-молекулалық құрылымына сүйене отырып, Ғаламның бастапқы күйін көзге елестету аса қиын екенін айтады. Бұл бастапқы «ерекше» жағдай сингулярлық күй деп аталады: материя аса ықшам көлемге сығылған, температура мен қысым шектен тыс жоғары болған деп қарастырылады.

«Ыстық Ғалам» моделі Г.А. Гамов тарапынан ұсынылып, кейін стандартты модель ретінде кең тарады. Мұнда Ғалам бастапқыда өте тығыз әрі ыстық болып, кеңейген сайын біртіндеп суынады.

Аса қуатты нысандар: квазарлар және «қара ойықтар»

Материяның шектен тыс сығылуы мүмкін бе деген сұраққа космология мен физика жалпы алғанда оң жауап береді. Мысалы, кейінгі бақылаулар галактикалардың жарығынан ондаған есе қуатты, бұрыштық өлшемі шағын, массасы өте ірі және жұлдызтәрізді нысандарды анықтады. Олардың спектріндегі қызыл ығысу кейде 200%-ға жетеді, бұл олардың Күн жүйесінен өте алыс жатқанын (бірнеше мың мегапарсекке дейін) меңзейді. Мұндай нысандар квазижұлдыздар, қысқаша квазарлар деп аталды.

Бұдан бөлек, «қара ойықтар» (қара құрдымдар) деп аталатын нысандар бар. Ондағы материя аса шағын көлемге сығылып, массасы өте үлкен болғандықтан, тартылыс күші соншалықты жоғары — жарықтың өзі де бұл өрістен шыға алмайды. Бұл материя күйінің бізге таныс атом-молекулалық күйден өзге болуы мүмкін екенін көрсетеді.

Ойша салыстыру үшін: егер Жердегі барлық атомдарды электрон қабықшаларынан ажыратып, тек ядроларын жинастырсақ, теориялық тұрғыда олар бір сіріңке қорабына сыйып кетер еді. Демек, материяның аса кіші көлемге сығылу мүмкіндігі теориялық тұрғыда жоққа шығарылмайды.

Төрт фундаменталды әсерлесу

Қазіргі есептеулер бойынша, атом-молекулалық күйдегі материяны түсіндіретін көптеген элементар бөлшектер мен табиғаттағы төрт негізгі әсерлесу түрі айқындалады. Адам олардың екеуін тікелей сезіне алады, ал екеуі микроәлемде шешуші қызмет атқарады.

Стандартты модельдің негізгі кезеңдері: ыстықтан салқынға

Қазіргі заманғы физикаға сәйкес, сингулярлық күйден бізге белгілі элементар бөлшектер пайда болған. Стандартты модель шеңберінде бастапқы температураның шектен тыс жоғары болғаны, ал материя тығыздығының орасан үлкен мәндерге жеткені айтылады. Мұндай жағдайда Ғалам эволюциясының бастауында аса қуатты «жарылыс» тәрізді фаза болып, ол алдымен жылдам ұлғаюмен, кейін баяулай кеңеюмен және біртіндеп суынумен қатар жүрген деп түсіндіріледі.

Ғаламның жасын кеңею арқылы бағалау әртүрлі нәтижелер береді (шамамен 13–20 млрд жыл аралығы айтылады). Көптеген есептеулер бойынша, Үлкен жарылыс шамамен 20 млрд жыл бұрын болды деген жорамал келтіріледі.

Жеңіл ядролардың түзілуі және гелий жұмбағы

Ғаламдағы гелий мөлшерін талдау барысында Фред Хойл қызықты қорытындыға келген: гелийдің шамамен 10%-ы ғана жұлдыздарда түзілсе, қалған 90%-ы басқа ортада пайда болуы керек. Кейін бұл «басқа орта» ретінде ерте Ғаламның өзі қарастырылып, гелийдің едәуір бөлігі дәл сол бастапқы кезеңдерде түзілгені көрсетілді.

Жарылыстан кейін шамамен 3 минут өткен соң нуклондардан жеңіл ядролардың қоспасы түзіледі: сутегінің изотоптары және гелийдің изотоптары. Кейін сутегі мен гелийдің бейтарап атомдары пайда болғанда, зат «мөлдірленіп», сәуле кеңістікке еркін тарай бастайды.

Реликтілік сәуле шығару: Үлкен жарылыстың ізі

Ерте кезеңнің осы «мөлдірлену» сәтінен қалған сәуле бүгін реликтілік сәуле шығару ретінде байқалады. Бұл — Үлкен жарылыс моделінің маңызды дәлелдерінің бірі. «Ыстық Ғалам» моделіне сәйкес реликтілік сәуле болуы мүмкін екенін физик-теоретиктер алдын ала болжаған.

Реликтілік сәулені 1965 жылы америкалық Bell компаниясының қызметкерлері А. Пензиас пен Р. Вилсон «Эхо» жерсерігін бақылауға арналған радиоантеннамен жұмыс істеп жүріп кездейсоқ анықтады: олар аспанның қай бағытына бұрса да тәуелсіз байқалатын әлсіз радиошуды тіркеді. Кейін Дикке, Пиблс, Ролл және Вилкинсон бұл өлшеулерді ыстық Ғалам моделінің космологиялық дәлелі ретінде түсіндірді.

Кейін реликтілік сәуле әртүрлі толқын ұзындықтарында (ондаған сантиметрден миллиметрге дейін) жан-жақты өлшенді. Ол радиогалактикалардағы жұлдыздардың сәулесі немесе белгілі бір жеке көздердің радиотолқындары сияқты «локалды» шығу тегі бар құбылыс емес; ол — Ғаламның бастапқы кеңею кезеңінен сақталған әмбебап қалдық сәуле.

Микроэволюциядан макроқұрылымдарға дейін

Стандартты түсінік бойынша, жарылыстан кейін температура өте жылдам төмендеп, алғашқы сәттерде материя бөлшектердің қарапайым қоспалары ретінде болды. Үздіксіз соқтығысулар мен түрленулердің нәтижесінде фотондар, электрондар мен позитрондар, кейінірек протондар мен нейтрондар пайда болды. Маңызды нәтиже — сәулеге қарағанда зат массасының басым болуы: шартты түрде бір миллиард фотонға бір протон/нейтрон қатынасы тәрізді асимметрияның қалыптасуы.

Бұдан кейін атомдар, молекулалар, кристалдар, минералдар, әртүрлі планеталар мен жұлдыздар, олардың ассоциациялары, галактикалар және ірі ғарыштық құрылымдар түзілуіне негіз қаланды. Физикалық эволюцияның ұзақ кезеңдері (мөлшермен миллиардтаған жыл) молекулалардың қалыптасуына, ал бұл өз кезегінде макроэволюциялық процестердің басталуына алғышарт болды.

Симметрияның бұзылуы: құрылымдардың пайда болу механизмі

Төрт негізгі әсерлесудің сипаттамасы олардың қазіргі күйіне сүйеніп беріледі. Алайда Ғаламның бастапқы, аса ыстық кезеңінде әсерлесулер басқаша «симметриялы» күйде болуы мүмкін деген идея бар: белгілі бір кезеңдерде кейбір күштер өзара тең сипатта болып, кейін симметрия бұзылғанда ажырап, әртүрлі құбылыстардың үстемдігі қалыптасады.

Мәселен, симметрияның бұзылуы нәтижесінде жұлдыздар, галактикалар және әртүрлі ғарыштық жүйелердің түзілуіне жол ашылды; ал басқа симметрия бұзылыстары бізді қоршаған сан алуан денелер мен құрылымдардың пайда болуына ықпал етті. Осылайша микро- және макроэволюциялар бірін-бірі толықтырып, бір процестің екі тармағы сияқты қатар жүрді.

Жарылыстан кейін шамамен 700 000 жыл өткенде заттың әрі қарай ұйымдасуына мүмкіндік беретін жағдайлар күшейіп, гравитация жетекші рөлге шыға бастайды: жұлдыздар мен галактикалардың қалыптасуы, ал олардың ішінде ядролық реакциялардың жүруі — макроқұрылымдар мен микроүрдістердің өзара байланысын айқын көрсетеді.

Материя, кеңістік және уақыт: Эйнштейннің түйіні

Эйнштейн өзінің салыстырмалылық теориясының мәнін қысқа түсіндіруді өтінген журналистке шамамен былай дегені белгілі: бұрынғы көзқарастар бойынша Әлемдегі барлық материя жойылса да кеңістік пен уақыт сақталады делінсе, ал салыстырмалылық теориясы бойынша материямен бірге кеңістік пен уақыт та «жойылады» (яғни мағынасын жоғалтады) деп тұжырымдалады.

Бұл ойды Ғаламның кеңею моделіне қатысты айтсақ: Ғалам пайда болғанға дейін «уақыт та, кеңістік те болған жоқ» деу — осы тұжырымның философиялық қырына жақын түсіндіру ретінде қарастырылуы мүмкін.