Uma das principais questões que não saem da consciência humana sempre foi e é a pergunta: "como surgiu o Universo?" É claro que não há uma resposta inequívoca para essa questão, e é improvável que seja obtida em um futuro próximo, mas a ciência está trabalhando nessa direção e forma um certo modelo teórico da origem do nosso Universo. Em primeiro lugar, deve-se considerar as propriedades básicas do Universo, que devem ser descritas dentro da estrutura do modelo cosmológico.
*** O modelo deve levar em consideração as distâncias observadas entre os objetos, bem como a velocidade e direção de seu movimento. Esses cálculos são baseados na lei de Hubble: cz = H0D, onde z é o desvio para o vermelho de um objeto, D é a distância até esse objeto ec é a velocidade da luz.
*** A idade do Universo no modelo deve exceder a idade dos objetos mais antigos do mundo.
*** O modelo deve levar em consideração a abundância inicial de elementos.
*** O modelo deve levar em consideração a estrutura observada em grande escala do Universo.
*** O modelo deve levar em consideração o background observado.
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Uma breve história do universo. Singularidade vista pelo artista (foto)
Considere brevemente a teoria geralmente aceita da origem e evolução inicial do Universo, que é apoiada pela maioria dos cientistas. Hoje, a teoria do Big Bang significa uma combinação de um modelo de Universo quente com um Big Bang. E, embora esses conceitos existissem primeiro independentemente uns dos outros, como resultado de sua unificação, era possível explicar a composição química inicial do Universo, bem como a presença de radiação relíquia.
De acordo com essa teoria, o Universo surgiu há cerca de 13,77 bilhões de anos a partir de algum objeto denso aquecido - um estado singular que é difícil de descrever na estrutura da física moderna. O problema com a singularidade cosmológica, entre outras coisas, é que, ao descrevê-la, a maioria das quantidades físicas, como densidade e temperatura, tende ao infinito. Ao mesmo tempo, sabe-se que em uma densidade infinita a entropia (uma medida do caos) deveria tender a zero, o que não coincide com uma temperatura infinita.
Evolução do universo
*** Os primeiros 10 em -43 segundos após o Big Bang são chamados de estágio do caos quântico. A natureza do universo neste estágio de existência desafia qualquer descrição dentro da estrutura da física que conhecemos. Há uma desintegração de um único espaço-tempo contínuo em quanta.
*** Momento de Planck - o momento do fim do caos quântico, que cai em 10 em -43 segundos. Nesse momento, os parâmetros do Universo eram iguais aos valores do Planck, como a temperatura do Planck (cerca de 1032 K). Na época da era Planck, todas as quatro interações fundamentais (fraca, forte, eletromagnética e gravitacional) eram combinadas em um tipo de interação. Não é possível considerar o momento de Planck como um certo período longo, pois a física moderna não trabalha com parâmetros menores que os de Planck.
*** Estágio de inflação. O próximo estágio na história do Universo foi o estágio inflacionário. No primeiro momento de inflação, a interação gravitacional separou-se do campo supersimétrico unificado (que anteriormente incluía os campos de interações fundamentais). Durante este período, a matéria sofre pressão negativa, o que provoca um aumento exponencial na energia cinética do universo. Simplificando, durante este período, o Universo começou a se expandir muito rapidamente e, no final, a energia dos campos físicos é convertida na energia de partículas comuns. Ao final dessa etapa, a temperatura da substância e a radiação aumentam significativamente. Junto com o fim do estágio de inflação, destaca-se uma forte interação. Também neste momento surge a assimetria bárion do Universo.
[A assimetria Baryon do Universo é o fenômeno observado da predominância da matéria sobre a antimatéria no Universo]
*** Estágio de dominância da radiação. A próxima etapa do desenvolvimento do Universo, que inclui várias etapas. Nesta fase, a temperatura do Universo começa a diminuir, formam-se quarks, depois hádrons e leptões. Na era da nucleossíntese, ocorre a formação dos elementos químicos iniciais, o hélio é sintetizado. No entanto, a radiação ainda domina a matéria.
*** A era do domínio da substância. Após 10.000 anos, a energia da matéria gradualmente excede a energia da radiação e ocorre sua separação. A substância começa a dominar a radiação, um fundo de relíquia aparece. Além disso, a separação da matéria com a radiação aumentou significativamente as inomogeneidades iniciais na distribuição da matéria, como resultado das quais galáxias e supergaláxias começaram a se formar. As leis do Universo chegaram à forma como as observamos hoje.
A imagem acima é composta de várias teorias fundamentais e dá uma ideia geral da formação do universo nos primeiros estágios de sua existência.
De onde veio o universo?
Se o universo se originou de uma singularidade cosmológica, então de onde veio a singularidade? Ainda não é possível dar uma resposta exata a esta pergunta. Considere alguns dos modelos cosmológicos que afetam o "nascimento do universo".
Modelos cíclicos. Modelagem de farelo (foto)
Esses modelos baseiam-se na afirmação de que o Universo sempre existiu e ao longo do tempo apenas seu estado muda, passando da expansão à contração - e vice-versa.
*** Modelo Steinhardt-Turok. Este modelo é baseado na teoria das cordas (teoria M), pois utiliza esse objeto como uma "brana".
[O farelo (da membrana) na teoria das cordas (teoria M) é um objeto físico multidimensional fundamental hipotético de dimensão menor do que a dimensão do espaço em que está localizado]
Segundo esse modelo, o Universo visível está localizado dentro de uma tribrana, que periodicamente, a cada vários trilhões de anos, colide com outra tribrana, o que causa uma espécie de Big Bang. Além disso, nossa tri-brana começa a se afastar uma da outra e se expandir. Em algum ponto, a participação da energia escura tem precedência e a taxa de expansão da tribrana aumenta. A expansão colossal espalha tanto matéria e radiação que o mundo se torna quase homogêneo e vazio. No final, há uma repetida colisão de três branas, em resultado da qual a nossa volta à fase inicial do seu ciclo, dando origem novamente ao nosso "Universo".
*** A teoria de Loris Baum e Paul Frampton também fala sobre a natureza cíclica do universo. De acordo com sua teoria, este último após o Big Bang se expandirá devido à energia escura até se aproximar do momento da "desintegração" do próprio espaço-tempo - o Big Rip. Como você sabe, em um “sistema fechado, a entropia não diminui” (a segunda lei da termodinâmica). Conclui-se dessa afirmação que o Universo não pode retornar ao seu estado original, pois durante tal processo a entropia deve diminuir. No entanto, este problema é resolvido no âmbito desta teoria. De acordo com a teoria de Baum e Frampton, um instante antes do Big Rip, o Universo se desintegra em muitos "fragmentos", cada um dos quais com um valor de entropia bastante pequeno. Experimentando uma série de transições de fase, esses "restos" do antigo Universo dão origem à matéria e se desenvolvem de forma semelhante ao Universo original. Esses novos mundos não interagem entre si, pois se espalham a uma velocidade maior do que a velocidade da luz. Assim, os cientistas evitaram a singularidade cosmológica, com a qual o nascimento do universo começa de acordo com a maioria das teorias cosmológicas. Ou seja, no final de seu ciclo, o Universo se desintegra em muitos outros mundos não interagentes que se tornarão novos universos.
*** Cosmologia cíclica conformada é o modelo cíclico de Roger Penrose e Vahagn Gurzadyan. De acordo com esse modelo, o Universo é capaz de entrar em um novo ciclo sem violar a segunda lei da termodinâmica. Essa teoria é baseada na suposição de que os buracos negros destroem a informação absorvida, o que de alguma forma "legalmente" diminui a entropia do Universo. Então, cada um desses ciclos de existência do Universo começa com uma aparência do Big Bang e termina com uma singularidade.
Outros modelos da origem do universo
Entre outras hipóteses que explicam a aparência do Universo visível, as duas seguintes são as mais populares:
*** Teoria caótica da inflação - teoria de Andrey Linde. De acordo com essa teoria, existe um determinado campo escalar que não é homogêneo em todo o seu volume. Ou seja, em diferentes regiões do universo, o campo escalar tem significados diferentes. Então, em áreas onde o campo é fraco, nada acontece, enquanto áreas com campos fortes começam a se expandir (inflação) devido à sua energia, formando assim novos universos. Este cenário implica a existência de muitos mundos que não surgiram simultaneamente e possuem seu próprio conjunto de partículas elementares e, consequentemente, as leis da natureza.
*** A teoria de Lee Smolin - assume que o Big Bang não é o início da existência do Universo, mas apenas uma transição de fase entre seus dois estados. Como antes do Big Bang o universo existia na forma de uma singularidade cosmológica, próxima em natureza à singularidade de um buraco negro, Smolin sugere que o universo poderia ter surgido de um buraco negro.
Existem também padrões nos quais os universos emergem continuamente, se ramificam de seus pais e encontram seu próprio lugar. Além disso, não é necessário que as mesmas leis físicas sejam estabelecidas em tais mundos. Todos esses mundos estão "aninhados" em um único continuum de espaço-tempo, mas estão tão espaçados que não sentem a presença um do outro de forma alguma. Em geral, o conceito de inflação permite - aliás, obriga! - a acreditar que nos megacosmos gigantescos existem muitos universos isolados com arranjos diversos.
Apesar de os modelos cíclicos e outros responderem a uma série de questões, as quais não podem ser dadas pela teoria do Big Bang, incluindo o problema da singularidade cosmológica. Ainda assim, junto com a teoria inflacionária, o Big Bang explica mais completamente a origem do Universo e também converge com muitas observações.
Hoje, os pesquisadores continuam a estudar intensamente possíveis cenários para a origem do Universo, porém, para dar uma resposta irrefutável à pergunta "Como o Universo apareceu?" - é improvável que tenha sucesso no futuro próximo. Há duas razões para isso: a prova direta de teorias cosmológicas é praticamente impossível, apenas indireta; mesmo teoricamente, não há como obter informações precisas sobre o mundo antes do Big Bang. Por essas duas razões, os cientistas podem apenas apresentar hipóteses e construir modelos cosmológicos que irão descrever com mais precisão a natureza do universo que observamos.
