ლამეტრი და აინშტაინი, პასადენა 1933

1929 წ. კალიფორნიის „მაუნტ უილსონის" ობსერვატორიაში დიდმა ამერიკელმა ფიზიკოსმა ედუინ ჰაბლმა გააკეთა ერთ-ერთი უდიდესი აღმოჩენა ასტრონომიის ისტორიაში: აკვირდებოდა რა ვარსკვლავებს გიგანტური ტელესკოპით, მან აღმოაჩინა, რომ ვარსკვლავები გამოსცემდნენ მოწითალო ფერს. ეს ნიშნავდა, რომ ვარსკვლავები დედამიწას შორდებიან. თანახმად ფიზიკის კანონებისა, სინათლის სხივი დაკვირვების წერტილისკენ მოძრაობისას სპექტრის ხილულ დიაპაზონში იხრება იისფერისკენ, დაშორებისას კი წითლისკენ. გამოჩენილი ამერიკელი მეცნიერის ამ აღმოჩენამ უდიდესი რეზონანსი გამოიწვია მთელ მსოფლიოში. ჰაბლმა გააკეთა კიდევ ერთი სენსაციური აღმოჩენა: ვარსკვლავები და გალაქტიკები არამარტო ჩვენ გვშორდებიან, არამედ ერთმანეთსაც: ყველა შორეული გალაქტიკა შორდება ჩვენსას სიჩქარით, რომელიც მანძილის პროპორციულია (ჰაბლის კანონი).

გამოჩენილი მეცნიერები არტურ ედდინგტონი, სერ ფრედ ჰოილი და მატერიალისტური შეხედულების სხვა მეტ-ნაკლები მნიშვნელობის მკვლევარები რადიკალურად ეწინააღმდეგებოდნენ დიდი აფეთქების თეორიას. მათ განავითარეს საპირისპირო თეორია „უცვლელი მდგომარეობის თეორია", რომელიც ეფუძნებოდა XIX ს მიღებულ სამყაროს სტატიკურ სისტემას. სერ ფრედ ჰოილის თეორიის მიხედვით სამყარო იყო სტატიკური; მატერია კი უსასრულო და მარადიული. აღსანიშნავია, რომ გამოჩენილმა მეცნიერმა ალბერტ აინშტაინმა, თავდაპირველად, არ მიიღო ლამეტრის თეორია. მოგვიანებით მან აღიარა, რომ ამით მან „დაუშვა ყველაზე დიდი შეცდომა თავის მეცნიერულ კარიერაში".

მეცნიერების დინამიური პროგრესი ბადებდა ახალ კითხვებს. 1948 წ. გამოჩენილმა მეცნიერმა გიორგი გამოვმა გამოთქვა ვარაუდი. ის ამტკიცებდა, რომ „თუ სამყარო წარმოქმნილია ასეთი კოლოსალური აფეთქების შედეგად, მაშინ კოსმოსში უნდა იყოს შემორჩენილი რაიმე კვალი, ანუ რადიაციის გარკვეული რაოდენობა. უფრო მეტიც; ეს რადიაცია თანაბრად უნდა იყოს გაფანტული მთელს კოსმოსში".

არნო პენსიასი და რობერტ უილსონი ორბიტალური ტელესკოპი ჰაბლი

1998 წ. ბერკლის და კალიფორნიის უნივერსიტეტის მეცნიერებმა ერთმანეთისგან დამოუკიდებლად გააკეთეს კიდევ ერთი სენსაციური აღმოაჩენა, რომლის მიხდვით სამყაროს გაფართოების სიჩქარე თანდათან იზრდება. სტივენ ჰოუკინგი და სხვა წამყვანი მეცნიერები ვარაუდობდნენ, რომ სიჩქარე გრავიტაციის ზემოქმედების შედეგად შემცირდებოდა. აღმოჩენა დაამტკიცა ჰაბლის ტელესკოპმაც. ამ აღმოჩენამ "მსოფლიო ასტრონომია შეაზანზარა” ^[2]. ჟურნალმა "მეცნიერებამ” (Science) ეს აღმოჩენა დაასახელა 1998 წ. უმთავრეს მოვლენად ^[3].

სამყაროს წარმოქმნის ქრონოლოგია

• 0 წმ. – დიდი აფეთქება. იწყება სამყაროს გაფართოება.
• 10-⁴³ წმ. – პლანკის დრო. სამყაროს რადიუსია 10-³⁵ სმ. (პლანკის სიგრძე). ტემპერატურა დაახლ. 10 ³² K. ამ მომენტამდე სამყაროს ჰქონდა სრული სიმეტრია: ოთხივე ფუნდამენტური ურთიერთქმედება გაერთიანებული იყო. თანამედროვე ფიზიკისთვის უცნობია უფრო ადრეული სტადია (არსებობს მხოლოდ ვარაუდები). "პლანკის დროს” შემდეგ სიმეტრია ირღვევა; გრავიტაცია ცალკევდება. 4 ურთიერთქმედება ჯერ კიდევ გაერთიანებულია. სამყარო შედის "დიდი გაერთიანებული თეორიის” ერაში (GUT).
• 10 ^-35 წმ. – ტემპერატურა ვარდება 10 ²⁸ K-მდე. სამყარო შედის "ცრუ ვაკუუმის” ერაში. ვაკუუმის ენერგია ზრდის ინფლაციას. 10 ^-32 წმ. სამყარო გრეუფრუტის ზომიდან მზის სისტემის მოცულობის ხდება.
• 10 ^-35 წმ. -დან ინფლაცია ნელდება. იწყება "ნამდვილი ვაკუუმის” ერა.
• 10 ^-10 წმ. ტემპერატურა ვარდება 10 ¹⁵ K-მდე. რადიაცია მძლავრდება. იწყება რადიაციით-დომინირებული ერა. ფოტონებს საკმარისი ენერგია აქვთ იმისთვის, რომ გადაიქცნენ ნაწილაკი/ანტინაწილაკის წყვილად (მანამ, სანამ E>mc², სადაც E არის ფოტონის ენერგია და m ნაწილაკი/ანტინაწილაკის მასსა).
• 10 ^-4 წმ. ტემპერატურა ვარდება 10 ¹³ K-მდე. კვარკების შესაქმნელად სამყაროში უკვე არასაკმარისი ენერგიაა.
• 10 ^-3 წმ. ტემპერატურა ვარდება 10 ¹² K-მდე. პროტონების შესაქმნელად სამყაროში უკვე არასაკმარისი ენერგიაა. ამ დროისთვის უკვე წარმოქმნილია ყველა პროტონი, რაც კი არსებობს და ოდესმე იარსებებს სამყაროში.
• 10 ^-3 წმ.-დან 100 წმ.-მდე – ნუკლეოსინთეზის ერა. პროტონები ერთმანეთთან რეაქციაში შედიან. ამ ერის დასასრულისთვის ტემპერატურა ვარდება 10 ⁹ K-მდე. თერმობირთვული რეაქციები ჩერდება. სამყაროს შემადგენლობაა: დაახ. 70% წყალბადი და 25% ჰელიუმი. ჩანს დეუტერიუმის, ლითიუმის, ბორონის და ბერილიუმის კვალი.
• 100 წამიდან - 300 000 წლამდე - ბირთვული ერა. სამყარო მთლიანად იონიზირებულია და აგრძელებს გაფართოებას. სამყარო რადიაციისადმი გაუმჭვირვალე ხდება, რადგან თავისუფალი ელექტრონები კარგი შთამთქმელები არიან. სამყარო თერმულ წონასწორობაშია.
• 300 000 წლიდან - ტემპერატურა ვარდება 3000 K-მდე. ელექტრონებს და პროტონებს უკვე შუძლიათ ატომის შედგენა. სამყარო ხდება გამჭვირვალე. რადიაცია და მატერია ცალკავდება – ისინი უკვე აღარ არიან თერმულ წონასწორობაში. სამყარო ხდება მატერიით-დომინირებული.
• დაახლ. 10 ⁸ წელი - კოსმოსური ღრუბლებიდან და გაზიდან იქმნება ვარსკვლავთა პირველი პოპულაცია. მასიური ვარსკვლავები ქმნიან მეტალებს (ყველაფერი, რაც მძიმეა წყალბადზე და ჰელიუმზე). ფორმირებას იწყებენ გალაქტიკები. უხვადაა მეტალის მტვერი.
• 7 მილიარდი წელი (დაახ.) – ფორმირდება მზე და მზის სისტემა.
• 13,7 მილიარდი წელი (დაახ.) – თანამედროვე კოსმოსი.

დღეისათვის, სამყაროს ტემპერატურა 2.7 კელვინია. ბოლო წლების დაკვირვებები, როგორიცაა მაგალითად ა ტიპის ზეახალი ვარსკვლავები, გვიჩვენებს, რომ სამყარომ დაიწყო აჩქარებით გაფართოება. ამის სავარაუდო მიზეზად მიიჩნევა ე.წ. ბნელი ენერგია (ინგლ. Dark Energy), სამყარო გადადის ბნელი ენერგიით დომინირებულ ეპოქაში.

დღეისათვის, უშორესი მანძილი, რომელზედაც მეცნიერებას ძალუძს დაინახოს - არის დაახ. 14 მილიარდი სინათლის წელი. იმის იქით იშლება კოსმოლოგიური ჰორიზონტი, რადგან უფრო შორი მაძილიდან დრო არ ჰქონდა არანაირ ინფორმაციას და სიგნალს ჩვენამდე მოეღწია.

თეორიის დამადასტურებელი ასტრონომიული დაკვირვებები

მიუხედავად იმისა, რომ დიდი აფეთქების, ისევე როგორც ნებისმიერი კოსმოლოგიური თეორიის, უშუალოდ "ექსპერიმენტულად დადასტურება" რიგ შემთხვევებში შეუძლებელია, თანამედროვე ფიზიკოსების აბსოლუტურ უმრავლესობას მის სისწორეში ეჭვი არ ეპარება, რადგან მოდელის მრავალი თეორიული წინასწარმეტყველება ასტრონომიული დაკვირვებებით დასტურდება. მათგან ყველაზე მნიშვნელოვანია დაკვირვებებით დადასტურებული ჰაბლის კანონი, ფონური მიკროტალღოვანი რადიაციის არსებობა და სამყაროს შემადგენელ ქიმიურ ელემენტთა მასების ფარდობა. სამყაროს რომ არ ჰქონოდა დასაწყისი (ანუ, არ მომხდარიყო დიდი აფეთქება), მაშინ მთელი წყალბადის მარაგი დიდი ხნის წინ დაიწვებოდა და გარდაიქმნებოდა ჰელიუმად (თერმობირთვული პროცესი).

ჰაბლის კანონი

შორეულ გალაქტიკებზე და კვაზარებზე დაკვირვებები გვიჩვენებს, რომ ისინი ჩვენ გვშორდებიან და, ამასთან, რაც უფრო შორსაა ჩვენგან ობიექტი მით მაღალია ჩვენი ურთიერთ დაშორების სიჩქარე. ჰაბლის კანონი იყო ერთერთი პირველი ფაქტი, რომელმაც მეცნიერები დაარწმუნა, რომ სამყარო სტატიკური არ არის და მისი მდგომარეობა დროში იცვლება. მათემატიკურად ჰაბლის კანონი შემდეგნაირად შეიძლება ჩავწეროთ:

სადაც

• v ობიექტების ურთიერთ დაშორების სიჩქარეა,
• D მათ შორის მანძილი, ხოლო
• H₀ პროპორციულობის მუდმივა, ე.წ. ჰაბლის მუდმივა

გაზომვები გვიჩვენებს, რომ ჰაბლის მუდმივის მნიშვნელობაა 70 +/- 3 კმ/ს/მგპარსეკი. მართალია ჰაბლის მუდმივას ერთნაირი რიცხვითი მნიშვნელობა აქვს ობიექტთა ნებისმიერი წყვილისათვის სამყაროში, ის დროში მუდმივი არაა.

ადრეულ ეპოქებში მისი მნიშვნელობა გაცილებით მაღალი იყო და თუ სამყაროს დღევანდელი აჩქარებული გაფართოება გაგრძელდა შეიძლება მომავალში გაიზარდოს კიდევაც.

რადგან ზემოთ მოყვანილ ფორმულაში სიჩქარე ჰაბლის მუდმივის და მანძილის პროპორციულია, ხოლო ჰაბლის მუდმივა დროის ნებისმიერ მოცემულ მომენტში სასრული რიცხვია, არსებობს მანძილი, რომელზე შორს მყოფი ობიექტები სინათლის სიჩქარეზე დიდი სიჩქარით გვშორდება. მიიუხედავად ამისა, ეგ საინტერესო ფაქტი არ მოდის წინააღმდეგობაში ფარდობითობის თეორიასთან.

ფონური მიკროტალღოვანი რადიაცია

1964 წელს რობერტ უილსონმა და ანრო პენზიასმა მიკროტალღოვანი ანტენის გამოცდისას შემთხვევით აღმოაჩინეს ფონური მიკროტალღოვანი რადიაცია, რისთვისაც მოგვიანებით ნობელის პრემია მიიღეს. ფონური მიკროტალღოვანი რადიაცია მაღალი ხარისხით იზოტროპულია და აქვს აბსოლუტურად შავი სხეულის გამოსხივების სპექტრი. მისი ტემპერატურა დღეისათვის 2.7 კელვინია. ფონური მიკროტალღოვანი რადიაციის არსებობა ადასტურებს, რომ სამყაროს ტემპერატურა ერთ დროს დღევანდელისაგან განსხვავებით ძალიან მაღალი იყო.

დიდი აფეთქების თეორიის მიხედვით, ფონური მიკროტალღოვანი რადიაცია წაარმოიქმნა დაახლოებით 400000 წლის წინ. ამ დროისათვის სამყაროს ტემპერატურა საკმარისად დაბალი იყო იმისათვის, რომ ატომების წარმოქმნა ყოფილიყო შესაძლებელი. ბარიონები და ელექტრონები გაერთიანდნენ ბმულ სისტემებში - ატომებში, რის შემდეგაც სამყარო ელექტრომაგნიტური რადიაციისათვის გამჭვირვალე გახდა. ფონური რადიაციის ფოტონები, რომლებსაც ჩვენ დღეს ვაკვირდებით, გარემოსთან ურთიერთქმედების გარეშე მოძრაობენ რეკომბინაციის შემდეგ და ამრიგად გვაწვდიან ინფორმაციას იმის შესახებ თუ როგორი იყო სამყარო 400 000 წლის წინ.

ფონური მიკროტალღოვანი რადიაციის ტემპერატურა ეცემა სამყაროს გაფართოებასთან ერთად. დღეისათვის ის 2.7 კელვინის ტოლია.

ქიმიურ ელემენტთა მასების ფარდობა

დიდი აფეთქების თეორიის თანახმად სამყაროს ტემპერატურა ერთდროს წარმოუდგენლად მაღალი იყო, რაც შეუძლებელს ხდიდა სტაბილური ატომების არსებობას. ტემპერატურის დაცემასთან ერთად შესაძლებელი გახდა წყალბადის ატომის წარმოქმნა, რასაც მოყვა ჰელიუმი, დეიტერიუმი, ჰელიუმ-4, ლითიუმი და ა.შ. დიდი აფეთქების თეორია წინასწარმეტყველებს იმას თუ რა ფარდობით წარმოიქმნება ეს ელემენტები სამყაროს ევოლუციის განმავლობაში. თეორიული გამოთვლები გვაძლევს შემდეგ მნიშვნელობებს: He/H=0.25, D/H=10⁻³, Li/H=10⁻⁷, რაც კარგ თანხმობაშია დაკვირვებების შედეგებთან.