Una de las principales preguntas que no abandona la conciencia humana siempre ha sido y es la pregunta: "¿Cómo apareció el Universo?" Por supuesto, no hay una respuesta inequívoca a esta pregunta, y es poco probable que se obtenga en un futuro próximo, pero la ciencia está trabajando en esta dirección y forma un cierto modelo teórico del origen de nuestro Universo. En primer lugar, se deben considerar las propiedades básicas del Universo, que deben describirse en el marco del modelo cosmológico.
*** El modelo debe tener en cuenta las distancias observadas entre objetos, así como la velocidad y dirección de su movimiento. Dichos cálculos se basan en la ley de Hubble: cz = H0D, donde z es el corrimiento al rojo de un objeto, D es la distancia a este objeto y c es la velocidad de la luz.
*** La edad del Universo en el modelo debe exceder la edad de los objetos más antiguos del mundo.
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*** El modelo debe tener en cuenta la abundancia inicial de elementos.
*** El modelo debe tener en cuenta la estructura observada a gran escala del Universo.
*** El modelo debe tener en cuenta el fondo de fondo observado.
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Una breve historia del universo. Singularidad vista por el artista (foto)
Considere brevemente la teoría generalmente aceptada del origen y la evolución temprana del Universo, que es apoyada por la mayoría de los científicos. Hoy, la teoría del Big Bang significa una combinación de un modelo de Universo caliente con un Big Bang. Y, aunque estos conceptos primero existieron independientemente unos de otros, como resultado de su unificación, fue posible explicar la composición química inicial del Universo, así como la presencia de radiación reliquia.
Según esta teoría, el Universo surgió hace unos 13.770 millones de años a partir de algún objeto denso y calentado, un estado singular que es difícil de describir en el marco de la física moderna. El problema con la singularidad cosmológica, entre otras cosas, es que al describirla, la mayoría de las cantidades físicas, como la densidad y la temperatura, tienden al infinito. Al mismo tiempo, se sabe que a una densidad infinita la entropía (una medida del caos) debería tender a cero, lo que no coincide con una temperatura infinita.
Evolución del universo
*** Los primeros 10 en -43 segundos después del Big Bang se llaman la etapa del caos cuántico. La naturaleza del universo en esta etapa de existencia desafía la descripción dentro del marco de la física que conocemos. Hay una desintegración de un único espacio-tiempo continuo en cuantos.
*** Momento de Planck: el momento del fin del caos cuántico, que cae a 10 en -43 segundos. En este momento, los parámetros del Universo eran iguales a los valores de Planck, como la temperatura de Planck (alrededor de 1032 K). En el momento de la era Planck, las cuatro interacciones fundamentales (débil, fuerte, electromagnética y gravitacional) se combinaron en un tipo de interacción. No es posible considerar el momento de Planck como un cierto período largo, ya que la física moderna no trabaja con parámetros menores que los de Planck.
*** Etapa de inflación. La siguiente etapa en la historia del Universo fue la etapa inflacionaria. En el primer momento de inflación, la interacción gravitacional se separó del campo supersimétrico unificado (que anteriormente incluía los campos de interacciones fundamentales). Durante este período, la materia tiene presión negativa, lo que provoca un aumento exponencial de la energía cinética del universo. En pocas palabras, durante este período, el Universo comenzó a hincharse muy rápidamente y hacia el final, la energía de los campos físicos se convierte en la energía de las partículas ordinarias. Al final de esta etapa, la temperatura de la sustancia y la radiación aumentan significativamente. Junto con el final de la etapa de inflación, se destaca una fuerte interacción. También en este momento surge la asimetría bariónica del Universo.
[La asimetría bariónica del Universo es el fenómeno observado del predominio de la materia sobre la antimateria en el Universo]
*** Etapa de predominio de la radiación. La siguiente etapa en el desarrollo del Universo, que incluye varias etapas. En esta etapa, la temperatura del Universo comienza a disminuir, se forman quarks, luego hadrones y leptones. En la era de la nucleosíntesis, se produce la formación de elementos químicos iniciales, se sintetiza helio. Sin embargo, la radiación todavía domina la materia.
*** La era del dominio de la sustancia. Después de 10,000 años, la energía de la materia excede gradualmente la energía de la radiación y se produce su separación. La sustancia comienza a dominar la radiación, aparece un fondo reliquia. Además, la separación de materia con radiación aumentó significativamente las inhomogeneidades iniciales en la distribución de la materia, como resultado de lo cual comenzaron a formarse galaxias y supergalaxias. Las leyes del Universo han llegado a la forma en que las observamos hoy.
La imagen de arriba se compone de varias teorías fundamentales y da una idea general de la formación del universo en las primeras etapas de su existencia.
¿De dónde vino el universo?
Si el universo se originó a partir de una singularidad cosmológica, ¿de dónde vino la singularidad? Todavía no es posible dar una respuesta exacta a esta pregunta. Considere algunos de los modelos cosmológicos que afectan el "nacimiento del universo".
Modelos cíclicos. Modelado de salvado (foto)
Estos modelos se basan en la afirmación de que el Universo siempre ha existido y con el tiempo solo cambia su estado, pasando de expansión a contracción, y viceversa.
*** Modelo Steinhardt-Turok. Este modelo se basa en la teoría de cuerdas (teoría M), ya que utiliza un objeto como "brana".
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[Bran (de la membrana) en la teoría de cuerdas (teoría M) es un hipotético objeto físico multidimensional fundamental de dimensión menor que la dimensión del espacio en el que se encuentra]
De acuerdo con este modelo, el Universo visible se encuentra dentro de una tri-brana, que periódicamente, cada varios billones de años, choca con otra tri-brana, lo que provoca una especie de Big Bang. Además, nuestra tri-brana comienza a alejarse de la otra y expandirse. En algún momento, la proporción de energía oscura tiene prioridad y aumenta la tasa de expansión de la tri-brana. La colosal expansión esparce tanta materia y radiación que el mundo se vuelve casi homogéneo y vacío. Al final, se produce una colisión repetida de las tri-branas, como resultado de lo cual la nuestra vuelve a la fase inicial de su ciclo, dando nuevamente a luz a nuestro "Universo".
*** La teoría de Loris Baum y Paul Frampton también dice sobre la naturaleza cíclica del universo. Según su teoría, este último después del Big Bang se expandirá debido a la energía oscura hasta que se acerque al momento de la "desintegración" del propio espacio-tiempo: el Big Rip. Como saben, en un "sistema cerrado, la entropía no disminuye" (la segunda ley de la termodinámica). De esta afirmación se deduce que el Universo no puede volver a su estado original, ya que durante tal proceso la entropía debe disminuir. Sin embargo, este problema se resuelve en el marco de esta teoría. Según la teoría de Baum y Frampton, un instante antes del Big Rip, el Universo se desintegra en muchos "parches", cada uno de los cuales tiene un valor de entropía bastante pequeño. Al experimentar una serie de transiciones de fase, estos "restos" del Universo anterior dan lugar a la materia y se desarrollan de manera similar al Universo original. Estos nuevos mundos no interactúan entre sí, ya que se dispersan a una velocidad mayor que la de la luz. Así, los científicos han evitado la singularidad cosmológica, con la que comienza el nacimiento del universo según la mayoría de las teorías cosmológicas. Es decir, al final de su ciclo, el Universo se desintegra en muchos otros mundos que no interactúan y que se convertirán en nuevos universos.
*** La cosmología cíclica conformada es el modelo cíclico de Roger Penrose y Vahagn Gurzadyan. Según este modelo, el Universo puede entrar en un nuevo ciclo sin violar la segunda ley de la termodinámica. Esta teoría se basa en el supuesto de que los agujeros negros destruyen la información absorbida, lo que de alguna manera reduce "legalmente" la entropía del Universo. Entonces, cada uno de esos ciclos de existencia del Universo comienza con una apariencia del Big Bang y termina con una singularidad.
Otros modelos del origen del universo
Entre otras hipótesis que explican la aparición del Universo visible, las dos siguientes son las más populares:
*** Teoría caótica de la inflación: la teoría de Andrey Linde. Según esta teoría, existe un cierto campo escalar, que no es homogéneo en todo su volumen. Es decir, en diferentes regiones del universo, el campo escalar tiene diferentes significados. Luego, en áreas donde el campo es débil, no pasa nada, mientras que áreas con campos fuertes comienzan a expandirse (inflación) debido a su energía, formando así nuevos universos. Tal escenario implica la existencia de muchos mundos que no surgieron simultáneamente y tienen su propio conjunto de partículas elementales y, en consecuencia, las leyes de la naturaleza.
*** La teoría de Lee Smolin - asume que el Big Bang no es el comienzo de la existencia del Universo, sino solo una transición de fase entre sus dos estados. Dado que antes del Big Bang el universo existía en forma de una singularidad cosmológica, de naturaleza cercana a la singularidad de un agujero negro, Smolin sugiere que el universo podría haber surgido de un agujero negro.
También hay patrones en los que los universos emergen continuamente, se ramifican de sus padres y encuentran su propio lugar. Además, no es en absoluto necesario que se establezcan las mismas leyes físicas en tales mundos. Todos estos mundos están "anidados" en un único continuo espacio-tiempo, pero están tan separados que no sienten la presencia del otro de ninguna manera. En general, el concepto de inflación permite - ¡además, obliga! - creer que en el gigantesco megacosmos hay muchos universos aislados con ordenaciones diferentes.
A pesar de que los modelos cíclicos y de otro tipo responden a una serie de preguntas, cuyas respuestas no puede dar la teoría del Big Bang, incluido el problema de la singularidad cosmológica. Sin embargo, junto con la teoría inflacionaria, el Big Bang explica de manera más completa el origen del universo y también converge con muchas observaciones.
Hoy en día, los investigadores continúan estudiando intensivamente los posibles escenarios del origen del Universo, sin embargo, para dar una respuesta irrefutable a la pregunta "¿Cómo apareció el Universo?" - es poco probable que tenga éxito en un futuro próximo. Hay dos razones para esto: la prueba directa de las teorías cosmológicas es prácticamente imposible, solo indirecta; incluso en teoría, no hay forma de obtener información precisa sobre el mundo antes del Big Bang. Por estas dos razones, los científicos solo pueden presentar hipótesis y construir modelos cosmológicos que describan con mayor precisión la naturaleza del universo que observamos.
