Часть 1. Теория
В этой статье описываются события, которые происходили еще далеко до Большого взрыва, на самом деле есть разумное и полноценное объяснение появления Вселенной с САМОГО НАЧАЛА, этому посвящена данная статья. Стоит внимательно прочитать и усвоить всю представленную ниже теоретическую информацию, которая пригодится нам в обосновании основной части исследования, где предельно подробно будет разобрано, как и из чего появилась вселенная. Статья очень большая, здесь собрано огромное количество информации, если вы желаете познать суть сразу, переходите к разделу "Часть 2" и читайте, начиная оттуда. В первой части приведены все подробные разъяснения того, о чем говорится во второй.
- Теория относительности Альберта Эйнштейна
Эта формула является одной из самых популярных в физике. Она была представлена Альбертом Эйнштейном в своей работе, называемой "Общая теория относительности" в 1915 году. Согласно этому уравнению, энергия равна массе, умноженной на скорость света в квадрате. То есть масса – это показатель количества энергии всех частиц, из которых состоит тело, или, если совсем просто, то масса – вид энергии.
2. Стандартная модель
Элементы стандартной модели – то, из чего состоит абсолютно все во Вселенной + Бозон Хиггса, о котором дальше пойдет речь.
Его обнаружили в 2012 году при помощи адронного коллайдера в Швейцарии.
Бозон Хиггса объясняет, каким образом определенные частицы наделяются массой, ведь до этого считалось, что частицы, которые переносят слабое взаимодействие (все элементарные частицы, кроме фотона) – не обладают массой. Оказалось, что и эти частицы имеют массу.
В 1960-х Питер Хиггс — тот самый физик, в честь которого назвали неуловимую частицу, и который в 2013 году был удостоен Нобелевской премии по физике — разработал теорию, объясняющую, как частицы, переносящие электромагнитное или слабое взаимодействие, могли получить разные массы в процессе постепенного остывания Вселенной.
Его предположение заключалось в том, что частицы вроде протонов, нейтронов и кварков получают массу через взаимодействие с невидимым электромагнитным полем, известным как поле Хиггса (или хиггсовское поле). Некоторые частицы способны проходить через это поле, не получая массы, в то время как другие «вязнут» в нем и накапливают ее. Если это так, то «невидимое» поле должно иметь связанную с ним частицу — бозон Хиггса, — которая контролирует взаимодействия с другими частицами и хиггсовским полем, изменяя при помощи него виртуальные частицы Хиггса.
Но есть излюбленная астрофизиками проблема - гравитация, которая должна быть неотъемлема связана с Бозоном Хиггса. Для этого существует теория суперсимметрии, которая связывает бозоны и фермионы, путем существования их "супер-партнеров", а также вводит новую частицу – Гравитон, который как раз и объясняет связь между Бозоном Хиггса и гравитацией. Также существует теория супергравитации, которая связывает и суперсимметрию, и общую теорию относительности.
Гравитон – гипотетическая безмассовая (возможно) элементарная частица – переносчик гравитационного взаимодействия и квант гравитационного поля. Гравитон является гипотетической элементарной частицей, у которой нет прямых доказательств, потому что Гравитон не подлежит прямому обнаружению из-за несовершенства современных технологий, но это не означает, что его не существует, ведь как показала история с Бозоном Хиггса, не всегда частица может быть обнаружена, но это не значит, что ее нет. На сегодняшний день ученые ЦЕРН нашли некую сверхтяжелую частицу, массой 650ГэВ в ходе распада Z -бозонов, которая обладает невероятно схожими свойствами с названным ранее Гравитоном. Ученые ЦЕРН заявляют, что данная частица вполне может являться Гравитоном, и он максимально подходит под эту роль, вероятность ошибки достоверности открытия этой частицы составляет 0,009-0,07%. Но по-прежнему объяснение гравитации данной теорией вызывает множество сомнений и ученым еще предстоит проявить ясность в этой теории, а мы пока примкнем к теориям, имеющим большую научно-доказательную базу, но через тему)
3. Теория струн
Согласно теории струн, вещество состоит из молекул, молекулы из атомов, атомы состоят из ядер и вращающихся вокруг ядер электронов, атомные ядра состоят в свою очередь из протонов и нейтронов, а протоны и нейтроны состоят из кварков, которые состоят из так называемых СТРУН. Согласно теории струн, масса элементарной частицы определяется энергией колебания внутренней струны этой частицы. В зависимости от интенсивности колебаний и определяется, какая будет частица: внутренние струны более тяжелых частиц совершают более интенсивные колебания, струны легких частиц колеблются менее интенсивно.
Вы можете заметить, что ранее я уже упоминал об одной частице, которая имеет способность наделять массой другие – Бозон Хиггса. Так как тогда получается? Кто задает частицам массу? Дело в том, что теория струн, или представленная позже суперсимметричная теория струн (не путать с теорией суперсимметрии, хотя она и применяется для объяснения СС теории струн), напрямую противоречат обнаруженному Бозону Хиггса. Две данные теории никак не связываются и не совпадают во многих моментах. Теория струн имеет в себе множество противоречий и во многом она не сходится с другими теориями, как например в этот раз. Таким образом, наше дальнейшее исследование мы продолжаем без теории струн, но я решил посвятить ей маленькую часть, ибо когда-то данная теория являлась своеобразной теорией, объясняющей все. Обнаружение и доказательство существования Бозона Хиггса бросило огромный камень в огород теории струн. Доказать эту теорию можно будет, если только ученые вдруг смогут обнаружить еще 7 дополнительных измерений, предсказываемые теорией струн, но пока об этом рано говорить, это еще предстоит науке, а пока мы вынуждены опустить теорию струн и примкнуть к наиболее весомым теориям.
4. Гравитация
По общей теории относительности Эйнштейна гравитация – не сила, а следствие искривления пространства-времени. Это процесс в четырехмерном пространстве, где не тела притягиваются к друг другу с помощью определенной силы, а происходит это из-за искривления пространства-времени. Силы тяжести, в свою очередь, не существует, если мы ощущаем тяжесть, то это не что иное, как отталкивание электронов одного объекта от электронов другого.
Но как уже упоминалось ранее, есть большие проблемы с описанием гравитации на уровне микромира, в среде квантов. Теория квантовой гравитации помогла бы решить очень многие проблемы в описании нашей вселенной, и сейчас ученые активно ею занимаются, но на данный момент описание гравитации на квантовом уровне имеют две теории: ранее упомянутая теория суперсимметрии, вводящая понятие гравитон и вторая – теория состояния квантовой запутанности. Вот на этой теории я предлагаю остановится поподробней. Квантовая запутанность – ситуация, при которой квантовые состояния двух или большего числа объектов оказываются взаимозависимыми. Эту теорию предложил физик Джулиан Соннер из Массачусетского университета. После этого этим методом начали пользоваться ученые в экспериментах по телепортации квантов и это было чем-то невероятным, когда эксперименты дали положительные результаты, и сегодня ученым удалось телепортировать квант на более, чем 100 км. Сам Соннер провел ряд вычислений, которые показали, что как только между частицами возникает запутанное состояние, оно сразу же порождает такую пространственно-временную геометрию, в которой имеет место быть гравитация!
5. Вакуум
Важно также понимать, что вакуум – это не пустое пространство (это было доказано учеными из института астрофизики в Милане в 2015 году), вакуум – пространство, наполненное квантовой энергией и частицами, постоянно появляющимися и так же исчезающими, и оставляющими после себя след в виде сигналов, которые мы называем квантовыми флуктуациями. Эти частицы называются ВИРТУАЛЬНЫМИ, о которых мы поговорим прямо сейчас.
6. Виртуальные частицы
Виртуальные частицы – частицы, существующие в промежуточных, имеющих малую длительность состояниях, для которых не выполняется соотношение между энергией, импульсом и массой.
Очень важно понимать, что в данном случае виртуальность – не есть компьютерная симуляция, как это понимается обычно, а виртуальность, как возможность, виртуальный – это такой, который может или должен появиться при определенных условиях (так это трактуется толковым словаре иностранных слов).
Виртуальные частицы являются переносчиками электромагнитного взаимодействия.
Принцип неопределенности Гейзенберга, согласно которому точное определение координат электрона заменяется вероятностью нахождения электрона в какой-то точке области пространства. Что нам это дает?
В момент появления виртуальной частицы, нарушается закон сохранения энергии на величину ΔЕ в промежуток времени Δt. Когда Δt меньше, чем частное ћ и ΔЕ, такие нарушение не наблюдаются, как и сами частицы. Из-за нарушения закона сохранения энергии считают, что виртуальные частицы переносят импульс, но не энергию. В таком случае говорят, что сам закон сохранения энергии не нарушается, а исполняется с некоторыми погрешностями. Это хорошо тем, что не противоречит квантовой механике. Говоря проще, в вакууме появляются виртуальные частицы за счет того, что берут в ДОЛГ энергию у пространства вакуума и появляются на невероятно малый срок, взаимодействуя, уничтожаясь, оставляя после себя след в виде квантовых флуктуаций, тем самым возвращая энергию обратно. Виртуальные частицы в момент появления пытаются закрепиться, набрав массу и энергию, но не могут, потому что, по сути, их и нет в этом пространстве, но след их взаимодействия (квантовые флуктуации) – есть.
Изначально виртуальные частицы были придуманы в 1950-е годы, в качестве математического обозначения, существуя только на бумаге, но выяснилось, что в некоторых процессах виртуальные частицы оказывают непосредственное влияние, как например в эффекте Казимира, который является самым главным доказательством наличия виртуальных частиц.
(Эффект Казимира заключается в том, что происходит взаимное притяжение или отталкивание незаряженных не магнитных тел под действием квантовых флуктуаций в вакууме.)
Но обнаружить их все также невозможно, т.к. промежуток их появления слишком мал (миллионные доли миллиардных долей секунды).
7. Квантовая теория поля
Субатомный мир – мир, где повсюду существует несчетное количество полей, а частицы – локальное колебание этого поля. Квантовых полей хватает на все элементы стандартной модели, в том числе и на Бозон Хиггса.
Квантовая механика начинается с уравнения Шредингера
В первую очередь это уравнение объясняет то, почему электроны вращаются по тем или иным орбиталям, и почему они имеют соответствующие энергии. Но поначалу данная теория не могла быть связана с теорией относительности Эйнштейна, пока математику Полу Дираку не удалось это сделать, усовершенствовав уравнение Шредингера. Впоследствии ему удалось, при помощи квантовой теории, описать электрическое поле вокруг протона. Позднее подобным методом были описаны все квантовые виды взаимодействий (сильные, слабые и электромагнитные). Все эти три силы имеют точное описание, но все они примерны того, что мы называем теорией квантового поля , а частицы, которые мы наблюдаем — это локальные колебания квантового поля. Квантовая физика предсказывает, что в обычном пространстве присутствует множество полей для всех известных субатомных частиц, и что локальные колебания могут быть обнаружены где угодно . Локальные поля могут контактировать между собой, это объясняет то, как частицы создаются и уничтожаются . По сути, энергия от колебания создает вокруг себя поле , которое порождает уже другие поля другого типа. (что является прямой отсылкой к виртуальным частицам)
Часть 2. Откуда появилась вселенная
Возвращаемся к понятию "Теория космологической инфляции". Мы возвращаемся к началу всего, к началу вселенной и тому, что было до начала. Именно для этого выше была разъяснена теоретическая информация, касающаяся квантовой механики, которая определенно нам сейчас понадобится. Итак, мы начинаем складывать все, что было сказано ранее:
В начале всего не было ни массы, ни времени, ни скорости, был лишь вакуум и энергия в нем. Ранее мы разобрались, что вакуум – не пустой, а состоит из энергии, из которой появляются скопища виртуальных частиц (процесс поляризации вакуума, о котором ниже). И тут встает вопрос: “Из чего появился вакуум и энергия в нем, не могла же вселенная появиться из НИЧЕГО?” И здесь важно спросить, а что для вас является это "ничего"? Разве в нашей вселенной существует что-то подобное? Что-то, что можно назвать ничем, или пространством, которое состоит из ничего? Правильно, такого не существует, вселенная не могла взяться из ничего, так как понятия "ничего" в физике просто не существует. Для людей пустое пространство – пустая комната, опустелая улица, пустой пенал, да и вакуум тоже. Но с точки зрения физики пустого пространства не существует в реальности. Этим я хочу сказать именно то, что вакуум и энергия в нём существовали всегда, они ниоткуда не появлялись и никуда не исчезнут (согласно закону сохранения энергии). Очень важно это принять и усвоить, что для нас, Земных людей, это довольно странно, что что-то могло существовать вечно и не взяться откуда-либо, но квантовый мир работает немного по-другим законам и правилам, для него необязательно что-то откуда-то и из чего-то должно появляться, это что-то вполне может существовать вечно.
В начале существовал вакуум, который был наполнен энергией, из которой возникали виртуальные частицы, в свою очередь бравшие энергию у пространства для собственного появления (возникают они не вследствие чего, а произвольно, здесь мы проясняем, что есть такое понятие, как <сумма предысторий>, которое, если говорить упрощенно, является квантовой теорией вероятности, вследствие которой процесс появления виртуальных частиц мог быть запущен случайно . Данное утверждение было доказано американским математиком Фейнманом экспериментально, что появление виртуальных частиц может быть вследствие обыкновенного случая.) на очень непродолжительный срок, создавая собственное квантовое поле, которое называется "ДИЛАТОН", и, исчезая, оставляя за собой след в виде квантовой флуктуации, вследствие взаимодействия(колебаний) частиц и, соответственно, колебаний поля. (по-научному этот процесс называется поляризацией вакуума – совокупность виртуальных процессов, аналогичных нулевым колебаниям (квантовым флуктуациям) в квантовой механике, характеризующих нижнее, вакуумное состояние системы взаимодействующих квантовых полей.
Механизм поляризации вакуума: В отличие от абстрактного (математического) вакуума, фиксируемого приборами, который представляется абсолютной пустотой, реальный (физический) вакуум является пустым только «в среднем». Однако, как бы хорошо мы ни опустошили и ни экранировали определённую область пространства, в ней, в силу принципа неопределенности могут существовать виртуальные частицы. В том числе, возможно даже рождение заряженных частиц в паре со своей античастицей — это так называемая, виртуальная петля на диаграмме Фейнмана.
Петля может существовать очень короткое время, в пределах квантовой неопределенности, чтобы не нарушать закон сохранения энергии. Но если на вакуум воздействует внешнее поле, то за счёт его энергии возможно рождение реальных частиц.
Из-за этих взаимодействий во вселенной началось накапливание потенциальной энергии.
Здесь мы немного остановимся, чтобы разъяснить еще один вопрос, касающийся размеров вселенной в момент его начала (заметьте, что я не говорю в момент Большого взрыва, так как сейчас мы рассматриваем процессы ДО БВ). В момент начала вселенная не имела определенного размера, т.к. в тот момент не было понятия <размер>, как и времени, как и упомянутого ранее <ничего>. Вселенная просто имела пространство, причем, расширяющееся внутрь себя, не имеющее размера. Согласно теории относительности Эйнштейна – наш мир находится в четырехмерном пространстве (длина, ширина, высота + время). В момент начала времени не существовало, а значит и смысл пространства и его размеров полностью пропадает. Это тоже важно усвоить.
Продолжаем… Во вселенной началось накапливание потенциальной энергии, вскоре ее стало настолько много, что это уже стала такая сверхмассивная и сверхплотная материя и антиматерия, которая еще по научному называется кварк-глюонная плазма (которую часто любят называть сингулярностью, но об этом позже). Эта материя находилась в сверхплотном, но стабильном состоянии равновесия, и так бы она и была в равновесии, если бы не произошло и не получилось состояние квантовой запутанности между частицами, которое породило такую пространственно-временную геометрию, в которой появилась гравитация. Равновесие, вследствие гравитационных волн было нарушено, из-за чего произошел выплеск энергии, когда началось самое интересное. Запустился процесс расширения, или по-научному, процесс космологической инфляции, когда все начало происходить очень быстро и в очень больших масштабах. Процесс инфляции же запустился в уже другом квантовом поле, называемым "ИНФЛАТОН". К концу процесса, примерно через 10^-32 степени секунд начался невероятной силы поток энергии из вакуума, порождаемый им же самим, из которой появились уже остальные частицы (на вот этом моменте начинается теория Большого взрыва ). Вакуум же в свою очередь набирался отрицательной энергии, как будто падая в гравитационную яму. В этом процессе суммарная масса вселенной была равна 0, выполняя тем самым закон сохранения энергии. После всех процессов, с уже во всю расширяющейся вселенной, происходили не менее интересные вещи. Запустилось поле Хиггса, наделившее частицы массой. Кварки и антикварки аннигилировали и исчезали, но из-за дисбаланса, поясняемого особыми свойствами кварк-глюонной плазмы, осталось больше обычных субатомных частиц, которые начали "склеиваться" в протоны, нейтроны, которые после начали образовывать атомные ядра и далее по порядку.
(Помните, говорил я, что следует разобраться с сингулярностью? Так вот, понятие сингулярности в момент образования вселенной ученые стараются избегать, ввиду непонятного поведения этого сверхмассивного нечто. На смену сингулярности ученые предлагают черную дыру, которая образовалась из-за сверхмассивной и сверхплотной материи, образованной процессами момента начала, или вовсе просто так и назвать это скоплением сверхмассивного вещества. Поэтому в моей работе слово <сингулярность> отсутствует, потому что пока еще нет точных доказательств наличия именно ее в момент начала, а во-вторых, из-за ее непонятного поведения и непонятных свойств. По этим же причинам ученые пытаются отказаться от сингулярности в момент Большого взрыва.)
Часть 3. Итог
Вся работа – сбор представлений, теорий и обобщение знаний, полученных современной наукой о происхождении Вселенной. В подготовке исследования были использованы материалы сотен статей, видеороликов и научных текстов, которые проверялись много раз. Здесь приведены исключительно научные теории и рассуждения, сделано все так, чтобы каждое предложение имело связь с другими и имело под собой научную подоплеку. В первоначальной версии теории была применена практически полностью и взята за основную теория струн, но впоследствии нашлись несостыковки, вследствие которых от теории пришлось отказаться, расставив все на свои места – это как пример очень тщательного отношения к информации, изложенной в этой работе. Суть ее – разобраться в столь сложном вопросе, пытаясь объяснить его простыми словами, что я максимально сильно пытался сделать, считаю, мою цель можно обозначить, как выполненную.
Спасибо за уделенное внимание!