დიდი აფეთქების თეორია

                 დიდი აფეთქების თეორია

                                                      

სამყაროს გაფართოების ვიზუალური მოდელი, სადაც სივრცე, სამყაროს ჰიპოთეტური, არადაკვირვებადი ნაწილების ჩათვლით, წარმოდგენილია დროის მიხედვით განაწილებულ წრიულ სექციებად. მარცხნივ ჩანს დრამატული გაფართოება ინფლაციის ეპოქაში, ხოლო შუა ნაწილიდან გაფართოება აჩქარებულია.

                                                            კოსმოლოგია

 სამყაროს წარმოქმნის და ევოლუციის დღეისათვის ყველაზე მიღებული კოსმოლოგიური მოდელი. დიდი აფეთქების თეორიის მიხედვით სამყარო წარმოიქმნა უსასრულო სიმკვრივის და ტემპერატურის მდგომარეობიდან დაახლოებით 14 მილიარდი წლის წინ 10-⁴³ წამში (პლანკის დრო). ამ საწყისი სინგულარული მდგომარეობის შესწავლა ზოგადი ფარდობითობის თეორიის ფარგლებში შეუძლებელია და იმ დროს მიმდინარე პროცესების შესწავლა საჭიროებს კვანტური გრავიტაციის თეორიას, რომელიც ჯერ არ არის დამუშავებული. ამ დროიდან მოყოლებული, სხვადასხვა ეპოქაში განსხვავებული ტემპებით, სამყარო ფართოვდება, ხოლო მისი ტემპერატურა თანდათან ეცემა.

იხ. ვიდეო

• 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).
                                     
დროის შკალა მათემატიკური გაფართოვება სივრცის, სადაც სივრცე, ჰიპოთეზის ჩათვლით არა დამზერითი ნაწილი სამყაროსი. მარცხნივ მრგვალი განყოფილებები. მარცხნივ  მიმდინარეობს ინფლაციის ეპოქაში ასევე ცენტრში გაფართოვება ჩქარდება (კონცეფცია მხატვარის მათტაბებში)

გარდა გაფართოების სამყაროს თეორიისა არსებობს ასევე სტაციონარული სამყაროს თეორია - ანუ არ განიცდის ევულუციას და აქვს საწყისი და არა ბოლო დროში. ნაწილი მომხრეები ასეთი თვალსაზრისის უარყოფენ სამყაროს გაფართოებას, ხოლო წითელი წანაცვლებას ხსნიან ჰიპოთეზით ,, დაბერების სინათლის''. თუმცა როგორც ირკვევა გარკვეულწილად ეწინაამღდეგება დაკვირვებას, ზეახალ ვარსკვლავებზე (სუპერნოვა) აფეტქების ხანგრძლიოვაბას დაშორებას ჩვენამდე. სხვა ვარიანტით, სამყაროს გაფართოების უარყობის მომხრეები, წარმოდგენენ თერიას სტაციონალუსი სამყაროსი ფ. ჰოილის ის ასევე ეწინაამღდეგება თანამედროვე  დაკვირვებებს. 

პრობლემები და მონათესავე საკითხები ფიზიკაში

ისევე, როგორც ნებისმიერი თეორიის შემთხვევაში, დიდი აფეთქების თეორიის ჩამოყალიბებასთან ერთად წარმოიშვა არაერთი იდუმალებით მოცული საკითხი და პრობლემა. ამ ამოცანათა ნაწილი გადაჭრილია, ნაწილი კი პასუხს კვლავ ელოდება. ზოგიერთი პრობლემის შემოთავაზებულმა გადაწყვეტამ, თავის მხრივ, სხვა პრობლემური საკითხები გამოავლინა. მაგალითად, ჰორიზონტის პრობლემა, მაგნიტური მონოპოლის პრობლემა და სიბრტყელის პრობლემა, როგორც წესი, ინფლაციის თეორიით აიხსნება, თუმცა, თავად ინფლაციის თეორიის დეტალები გადაუწყვეტელია და ბევრი, მათ შორის ამ თეორიის ზოგიერთი ფუძემდებელი, თვლის, რომ იგი მცდარია. ქვემოთ მოცემულია ჩამონათვალი დიდი აფეთქების თეორიის იმ იდუმალი ასპექტებისა, რომლებიც კოსმოლოგებისა და ასტროფიზიკოსების ინტენსიური კვლევის საგანია.

ბარიონული ასიმეტრია

ჯერჯერობით, გაურკვეველია, რატომაა სამყაროში უფრო მეტი მატერია, ვიდრე ანტიმატერია. ზოგადად, მიიჩნევა, რომ როცა სამყარო ახალგაზრდა და ძალიან ცხელი იყო, იგი სტატისტიკური წონასწორობის მდგომარეობაში იმყოფებოდა და თანაბარი რაოდენობის ბარიონებსა და ანტიბარიონებს შეიცავდა. თუმცა, დაკვირვებები მიუთითებს, რომ სამყარო, მისი ყველაზე შორეული ნაწილების ჩათვლით, თითქმის მთლინად მატერიისგან შედგება. ასიმეტრიის ასახსნელად შემოთავაზებულია ჰიპოთეზა პროცესის შესახებ, რომელსაც ბარიოგენეზი ეწოდება. ბარიოგენეზისთვის აუცილებელია სახაროვის პირობების დაკმაყოფილება: ბარიონული რიცხვი არაა შენახული, C-სიმეტრია და CP-სიმეტრია ირღვევა და სამყარო გამოდის თერმოდინამიკური წონასწორობიდან. სტანდარტულ მოდელში ყველა ეს პირობა სრულდება, მაგრამ ამით გამოწვეული ეფექტები არასაკმარისად ძლიერია, რათა ამჟამინდელი ბარიონული ასიმეტრია ახსნას.

ბნელი ენერგია

Ia ტიპის სუპერნოვების წითელი წანაცვლებისა და მათი ვარსკვლავიერი სიდიდეების შედარება აჩვენებს, რომ სამყაროს გაფართოება მისი არსებობის დაახლოებით შუა პერიოდის შემდეგ აჩქარებას განიცდის. ამ აჩქარების ასახსნელად ფარდობითობის ზოგადი თეორია მოითხოვს, რომ სამყაროში არსებული ენერგიის დიდი ნაწილი შედგებოდეს დიდი უარყოფითი წნევის მქონე კომპონენტისგან, რომელსაც „ბნელი ენერგია“ ეწოდება.

ბნელი ენერგია, მიუხედავად იმისა, რომ სპეკულაციურია, ბევრ კითხვაზე იძლევა პასუხს. კოსმოსური მიკროტალღური ფონის გაზომვები მიუთითებს, რომ სამყარო თითქმის ბრტყელია, რაც ნიშნავს, რომ ზოგადი ფარდობითობის თანახმად მას თითქმის კრიტიკული მასის/ენერგიის სიმკვრივე უნდა გააჩნდეს. თუმცა, სამყაროს მასის სიმკვრივე, რომელიც მისი გრავიტაციული კლასტერიზაციის საშუალებით გაიზომება, ამ კრიტიკული სიდიდის მხოლოდ 30%-ს შეადგენს. რამდენადაც, თეორიის თანახმად, ბნელ ენერგიას ჩვეულებრივი კლასტერიზაცია არ ახასიათებს, იგი „ნაკლული“ სიმკვრივის ასახსენალად საუკეთესო პასუხია. ბნელი ენერგიის საშუალებით შესაძლებელია აიხსნას სამყაროს ზოგადი სიმრუდის ორი გეომეტრიული საზომი, ერთი გრავიტაციული ლინზირების სიხშირით, ხოლო მეორე დიდი ზომის სტრუქტურების დმახასიათებელი განაწილებით.

უარყოფითი წნევა ვაკუუმის ენერგიის თვისებად ითვლება, თუმცა, ბნელი ენერგიის ბუნება და მისი არსებობის საკითხიც დიდი აფეთქების ყველაზე იდუმალ მხარედ რჩება. უილკინსონის მიკროტალღური ანიზოტროპული ზონდის მიერ 2008 წელს მიღებული შედეგები შეესაბამება სამყაროს, რომელიც შედგება 73% ბნელი ენერგიის, 23% ბნელი მატერიის, 4.6% ჩვეულებრივი მატერიის და 1%-ზე ნაკლები ნეიტრინოებისგან.^[38] თეორიის მიხედვით, მატერიის ენერგიის სიმკვრივე სამყაროს გაფართოებასთან ერთად მცირდება, თუმცა, ბნელი ენერგიის სიმკვრივე იგივე (ან თითქმის იგივე) რჩება. მაშასადამე, წარსულში მატერია სამყაროს მთლიანი სიმკვრივის უფრო დიდ წილს შეადგენდა, ვიდრე დღეს, თუმცა, მისი წილი ამ სიმკვრივეში სამყაროს გაფართოებასთან ერთად, შორეულ მომავალში, კიდევ უფრო შემცირდება, ხოლო ბნელი ენერგია კიდევ უფრო დომინანტური გახდება.

ბნელი ენერგიის, როგორც სამყაროს შემადგენელი კომპონენტის ახსნა არაერთი თეორიით სცადეს, რომლებიც აინშტაინის კოსმოლოგიურ მუდმივასთან ერთად უფრო ეგზოტიკურ მოდელებსაც მოიცავენ, როგორიცაა კვინტესენცია და სხვა, მოდიფიცირებული გრავიტაციის სქემები. კოსმოლოგიური მუდმივას პრობლემას ხშირად „ფიზიკის ყველაზე უხერხულ პრობლემას“ უწოდებენ. იგი შედეგია იმ სხვაობისა, რომელიც ბნელი ენერგიის გაზომილ სიმკვრივესა და ამ სიმკვრივის პლანკის ერთეულებით, ზედაპირულად პროგნოზირებულ სიდიდეს შორის არსებობს

ბნელი მატერია

 მთავარი სტატია: ბნელი მატერია.

წრიული დიაგრამა, რომელიც სამყაროს სხვადასხვა შემადგენელი კომპონენტის წილობრივ სიდიდეებს აჩვენებს  – დაახლოებით 95% ბნელი მატერია და ბნელი ენერგიაა.

1970-იან და 1980-იან წლებში სხვადასხვა დაკვირვებამ აჩვენა, რომ გალაქტიკების შიგნით და მათ შორის არსებული გრავიტაციის სიძლიერის ასახსნელად საკმარისი რაოდენობის ხილული მატერია არ არსებობს. ამან წარმოშვა მოსაზრება, რომ სამყაროში არსებული მატერიის 90% წარმოადგენს ბნელ მატერიას, რომელიც არ გამოყოფს სინათლეს და არ ურთიერთქმედებს ჩვეულებრივ ბარიონულ მატერიასთან. გარდა ამისა, დასკვნა, რომ სამყარო, მეტწილად, ჩვეულბრივი მატერიისგან შედგება, იწვევდა პროგნოზებს, რომლებიც ძლიერ განსხვავდებოდა არსებული დაკვირვებებით მიღებული შედეგებისგან. მაგალითად, დღევანდელი სამყარო ბევრად უფრო მცირე რაოდენობის დეიტერიუმს შეიცავს, ვიდრე ეს ბნელი მატერიის გარეშე იქნებოდა შესაძლებელი. ბნელი მატერია ყოველთვის დავის საგანი იყო, თუმცა, მასზე მიუთითებს არაერთი დაკვირვება: ანიზოტროპიები კოსმოსურ მიკროტალღურ ფონში, გადახრები გალაქტიკური გროვების სიჩქარეებში, დიდი ზომის სტრუქტურების განაწილება, გრავიტაციული ლინზირების კვლევები და გალაქტიკური გროვების რენტგენული გაზომვები.

ბნელი მატერიის არაპირდაპირი მტკიცებულება სხვა ტიპის მატერიაზე მისი გრავიტაციული გავლენიდან მომდინარეობს, რადგანაც ბნელი მატერიის რაიმე ნაწილაკზე დაკვირვება ლაბორატორიაში არასოდეს მომხდარა. ნაწილაკების ფიზიკაში ბნელი მატერიის ნაწილაკების კანდიდატურების რამდენიმე ვერსია არსებობს და რამდენიმე პროექტი, რომელიც მათ დაფიქსირებას ისახავს მიზნად, ამჟამადაც მიმდინარეობს.

გარდა ამისა, არსებობს რამდენიმე პრობლემა, რომელიც ამჟამად მიღებულ ცივი ბნელი მატერიის მოდელში არსებობს, მათ შორისაა ჯუჯა გალაქტიკების პრობლემა და ჰალოს კონცენტრაციის პრობლემა. შემოთავაზებულია ალტერნატიული თეორიებიც, რომელიც არ საჭიროებს შეუმჩნეველი მატერიის დიდ რაოდენობას, ნაცვლად ამისა, ისინი ახდენენ ნიუტონისა და აინშტაინის მიერ დადგენილი გრავიტაციის კანონების შესწორებას. მიუხედავად ამისა, ცივი ბნელი მატერიის მოდელის გარდა, ჯერ არ არსებობს თეორია, რომელისაც ყველა არსებული დაკვირვების წარმატებით ახსნა შეუძლია.

ჰორიზონტის პრობლემა

ჰორიზონტის პრობლემა წარმოსდგება იმ მოცემულობიდან, რომ ინფორმაციას არ შეუძლია მოძრაობა სინათლის სიჩქარეზე სწრაფად. სასრული ასაკის მქონე სამყაროში ეს ზღვარს აწესებს იმაზე, თუ რამდენად დაშორებული შეიძლება იყოს ერთმანეთთან კაუზალურ კავშირში მყოფი სამყაროს ორი რეგიონი. კოსმოსური მიკროტალღური ფონის იზოტროპია, რომელიც დაკვირვებებით დასტურდება, ამ მხრივ პრობლემურია: თუ სამყაროში ბოლო გაფანტვის ეპოქამდე ენერგია და მატერია დომინირებდა, ნაწილაკების ჰორიზონტი ამ დროს ცაზე 2° იქნებოდა. ამის შემდეგ აღარ იარსებებდა მექანიზმი, რომლის ძალითაც უფრო ფართო რეგიონებს ერთი და იგივე ტემპერატურა ექნებოდათ.^:191–202

ამ შეუსაბამობის ახსნა შესაძლებელია ინფლაციის თეორიით, სადაც სამყაროს არსებობის ძალიან ადრეულ ეპოქაში (ბარიოგენეზამდე) ჰომოგენური და იზოტროპული ენერგიის სკალარული ველი დომინირებს. ინფლაციის დროს სამყარო ექსპონენციურ გაფართოებას განიცდის და ნაწილაკების ჰორიზონტი ბევრად უფრო სწრაფად იზრდება, ვიდრე მანამდე ითვლებოდა. ამდენად, ამჟამად დაკვირვებადი სამყაროს საპირისპირო მხარეს არსებული რეგიონები მაშინ ერთმანეთის ნაწილაკების ჰორიზონტის შიგნით იქნებოდა, კოსმოსური მიკროტალღური ფონის იზოტროპია კი გამომდინარეობს იმ ფაქტიდან, რომ აღნიშნული რეგიონები ინფლაციის დაწყებამდე კაუზალურ კონტაქტში იყო ერთმანეთთან.^:180–186

ჰაიზენბერგის განუსაზღვრელობის პრინციპი პროგნოზირებს, რომ ინფლაციურ ფაზაში ადგილი ექნებოდა კვანტურ რხევებს, რომლებმაც შემდეგ კოსმოსური მასშტაბები მიიღო. ეს ფლუქტუაციები საფუძვლად უდევს სამყაროს დიდი ზომის სტრუქტურებს.^:207 ინფლაციის თეორიის მიხედვით, ეს პირველყოფილი რხევები მასშტაბურად უცვლელი და ნორმალური განაწილების მქონეა, რასაც კოსმოსური მიკროტალღური ფონის გაზომვებიც ადასტურებს.^{:sec 6}

თუ ინფლაცია მართლაც მოხდა, ექსპონენციური გაფართოების გამო კოსმოსის მოზრდილი მონაკვეთები ჩვენი დაკვირვებადი ჰორიზონტის მიღმა აღმოჩნდებოდა.^[:180–186

ჰორიზონტის კლასიკურ პრობლემას კიდევ ერთი საკითხი უკავშირდება. სტანდარტულ კოსმოლოგიურ მოდელებში, რომლებიც ინფლაციასაც მოიცავს, იგი, უმეტესად, ელექტროსუსტი სიმეტრიის დარღვევამდე (ჰიგსის მექანიზმის ამოქმედებამდე) სრულდება. ამდენად, ინფლაციას არ უნდა შეეძლოს მასშტაბური წყვეტის თავიდან აცილება ელექტროსუსტ ვაკუუმში, რადგანაც, დაკვირვებადი სამყაროს მოშორებული ნაწილები ელექტროსუსტი ეპოქის დასრულებისას კაუზალურ კავშირში უკვე აღარ იმყოფებოდნენ.

მაგნიტური მონოპოლები

მაგნიტური მონოპოლების საკითხი 1970-იან წლებში წამოიჭრა. დიდი უნიფიკაციის თეორიები (სადაც ელექტრომაგნიტური, სუსტი და ძლიერი ძალები გაერთიანებულია) პროგნოზირებენ სივრცის ტოპოლოგიურ დეფექტებს, რასაც მაგნიტური მონოპოლები უნდა გამოეწვია. ცხელ, ადრეულ სამყაროში მსგავსი ობიექტები მართლაც უნდა წარმოშობილიყო, რასაც ბევრად უფრო მაღალი სიმკვრივე უნდა გამოეწვია, ვიდრე დღეს არსებობს, თუმცა, მონოპოლები აღმოჩენილი არ არის. ამ პრობლემას პასუხობს ინფლაცია, რომელიც დაკვირვებად სამყაროში წერტილოვანი დეფექტების წარმოქმნას არ უშვებს და სამყაროს გეომეტრიას სიბრტყელისკენ უბიძგებს.

სიბრტყელის პრობლემა

სამყაროს ზოგადი გეომეტრია დამოკიდებულია იმაზე, თუ რას უდრის ომეგა კოსმოლოგიური პარამეტრი. თუ ${\displaystyle \mathrm{\Omega }}$₀>1, სამყაროს დადებითი სიმრუდე აქვს (დახურული სამყარო, ზემოთ), თუ ${\displaystyle \mathrm{\Omega }}$₀<1 ნაკლებია, სიმრუდე ნეგატიურია (ჰიპერბოლური სამყარო, შუაში), ხოლო თუ ${\displaystyle \mathrm{\Omega }}$₀=1, გვაქვს ბრტყელი სამყარო, ნულოვანი სიმრუდით (ქვემოთ).

სიბრტყელის (იგივე სიძველის) პრობლემა წარმოადგენს დაკვირვებად პრობლემას, რომელიც ფრიდმანი-ლემეტრი-რობერტსონი-უოლკერის (FLRW) მეტრიკას უკავშირდება. სამყაროს შეიძლება ჰქონდეს პოზიტიური, ნეგატიური ან ნულოვანი სივრცული სიმრუდე, რაც მის მთლიან ენერგიის სიმკვრივეზეა დამოკიდებული. სიმრუდე ნეგატიურია, თუ სიმკვრივე კრიტიკულ ნიშნულზე დაბალია; პოზიტიურია, თუ სიმკვრივე მეტია კრიტიკულზე; ხოლო კრიტიკულ ნიშნულზე სიმრუდე ნულის ტოლია და სივრცე „ბრტყელია“. დაკვირვებები მიუთითებს, რომ სამყაროს ზოგადი გეომეტრია ბრტყელია.

პრობლემა ისაა, რომ ნებისმიერი უმცირესი გადახრა კრიტიკული სიმკვრივიდან დროის გასვლასთან ერთად იზრდება და მაინც, სამყარო დღესაც ბრტყელთან მიახლოვებული რჩება. იმ მოცემულობით, რომ სიბრტყელიდან გადახრის ბუნებრივი დრო შეიძლება პლანკის დრო, 10⁻⁴³ წამი იყოს, ის ფაქტი, რომ სამყარომ არც სითბური სიკვდილი („დიდი გაყინვა“) განიცადა და არც „დიდი შეკუმშვა“ მილიარდობით წლის განმავლობაში, ახსნას საჭიროებს. გაფართოების დაწყებიდან რამდენიმე წუთის შემდეგაც კი (ნუკლეოსინთეზის დროს), სამყაროს სიმკვრივე კრიტიკული ნიშნულიდან 1/10¹⁴ ფარგლებში უნდა ყოფილიყო; წინააღმდეგ შემთხვევაში, იგი დღევანდელი ფორმით ვერ იარსებებდა.

სამყაროს საბოლოო ბედი

ბნელ ენერგიასთან დაკავშირებული დაკვირვებების არსებობამდე კოსმოლოგები სამყაროს მომავალი ბედის ორ სცენარს განიხილავდნენ.

თუ სამყაროს მასის/ენერგიის სიმკვრივე კრიტიკულ სიმკვრივეზე მეტია, სამყარო მიაღწევდა მაქსიმალურ ზომას და შემდეგ დაიწყებდა კოლაფსირებას. იგი გახდებოდა სულ უფრო მკვრივი და ცხელი, რაც დასრულდებოდა იმის მსგავსი მდგომარეობით, რაც დასაწყისში იყო. ამ სცენარს „დიდი შეკუმშვა“ (ინგლ. Big Crunch) ეწოდება.

მეორეს მხრივ, თუ სამყაროს სიმკვრივე ტოლია ან ნაკლებია კრიტიკულ ნიშნულზე, მისი გაფართოება თანდათან შენელდებოდა, მაგრამ არასოდეს დასრულდებოდა. გალაქტიკებში არსებული ვარსკვლავთშორისი გაზის ამოწურვის შედეგად შეწყდებოდა ვარსკვლავების ფორმირება, მათ ადგილას კი დარჩებოდა თეთრი ჯუჯები, ნეიტრონული ვარსკვლავები და შავი ხვრელები. ამათ შორის შეჯახებები წარმოშობდა მასის აკუმულირებას სულ უფრო და უფრო მასიურ შავ ხვრელებად. სამყაროს საშუალო ტემპერატურა მიუახლოვდებოდა აბსოლუტურ ნულს — „დიდი გაყინვა“ (Big Freeze). მეტიც, თუ პროტონები არასტაბილურია, ბარიონული მატერია გაქრებოდა, რის შედეგადაც სამყაროში მხოლოდ რადიაცია და შავი ხვრელები დარჩებოდა. საბოლოოდ, შავი ხვრელებიც, ჰოკინგის რადიაციის გამოსხივების შედეგად თანდათან აორთქლდებოდა. სამყაროს თერმოდინამიკური ენტროპია მიაღწევდა ნიშნულს, როცა მისგან შეუძლებელი გახდებოდა ენერგიის ორგანიზებული ფორმით მიღება. ამ სცენარს „სითბური სიკვდილიც“ ეწოდება.

თანამედროვე დაკვირვებები მიუთითებს, რომ აჩქარებული გაფართოების შედეგად ამჟამად დაკვირვებადი სამყაროს სულ უფრო მეტი ნაწილი გასცდება ჩვენს მოვლენათა ჰორიზონტს და გავა ჩვენთან კონტაქტიდან. ამის საბოლოო შედეგი უცნობია. ΛCDM მოდელი ბნელ ენერგიას კოსმოლოგიური მუდმივას სახით შეიცავს. ამ მოდელის მიხედვით მხოლოდ გრავიტაციულად დაკავშირებული სისტემები, მაგალითად, გალაქტიკები დარჩებიან ერთ ობიექტად შეკრული და სამყაროს გაფართოებასთან და გაგრილებასთან ერთად მათაც სითბური სიკვდილი ელით. ბნელი ენერგიის სხვა თეორიები, რომელთაც ფანტომური ენერგიის თეორიები ეწოდებათ, ამბობს, რომ საბოლოოდ, გალაქტიკური გროვები, ვარსკვლავები, პლანეტები, ატომები, ბირთვები და თავად მატერიაც სულ უფრო მზარდი გაფართოების შედეგად დაიშლება, რასაც „დიდი გახლეჩა“ (Big Rip) ეწოდება.

მცდარი მოსაზრებები

ერთ-ერთი გავრცელებული მცდარი მოსაზრება დიდი აფეთქების თეორიასთან დაკავრშირებით ისაა, რომ იგი მთლიანად განმარტავს სამყაროს წარმოშობას. დიდი აფეთქების მოდელი არ ხსნის, თუ საიდან წარმოიშვა ენერგია, დრო და სივრცე, არამედ აღწერს ამჟამინდელი სამყაროს წარმოშობას ულტრამკვრივი და ცხელი საწყისი მდგომარეობიდან. შეცდომაში შეიძლება შეგვიყვანოს დიდი აფეთქების ზომის შედარებამ ყოველდღიური საგნების ზომასთან. დიდი აფეთქების დროს სამყაროს ზომა აღნიშნავს არა მთელი სამყაროს, არამედ დაკვირვებადი სამყაროს ზომას.

ჰაბლის კანონი პროგნოზირებს, რომ ჰაბლის მანძილზე შორს მდებარე გალაქტიკების რეცესიის სიჩქარე სინათლის სიჩქარეს აღემატება. თუმცა, ფარდობითობის სპეციალური თეორია ეხება მხოლოდ სივრცის ფარგლებში მოძრაობას. ჰაბლის კანონი კი აღწერს სიჩქარეს, რომელიც შედეგია სივრცის გაფართოების და არა სივრცეში მოძრაობისა.

ასტრონომები კოსმოლოგიურ წითელ წანაცვლებას ზოგჯერ დოპლერის წანაცვლებას უწოდებენ, რამაც დაბნეულობა შეიძლება გამოიწვიოს. მსგავსების მიუხედავად, კოსმოლოგიური წითელი წანაცვლება კლასიკური დოპლერის წანაცვლება არ არის, რადგან ეს უკანასკნელი სივრცის გაფართოებას არ მიესადაგება. კოსმოლოგიური წანაცვლების სწორი აღწერა ზოგადი ფარდობითობის თეორიას საჭიროებს. ახლომდებარე გალაქტიკებისთვის დოპლერის უფრო მარტივი ეფექტის გამოყენება თითქმის იგივე შედეგებს იძლევა, თუმცა, შორეული გალაქტიკების წითელი წანაცვლების განმარტებისას ამან შეიძლება დაბნეულობა გამოიწვიოს.

კოსმოლოგია დიდ აფეთქებამდე

დიდი აფეთქება აღწერს სამყაროს ევოლუციას მაღალი სიმკვრივისა და ტემპერატურის საწყისი მდომარეობიდან, რომლის რეპლიკაცია კაცობრიობის შესაძლებლობებისგან შორსაა. ამდენად, საწყის ექსტრემალურ პირობებთან და უადრეს პერიოდებთან დაკავშირებული მსჯელობები სპეკულაციური ხასიათისაა. საწყის მდგომარეობას ლემეტრი „პირველყოფილ ატომს“ უწოდებდა, ხოლო გამოვი „ილემს“ (ძველი ინგლისური სიტყვიდან ylem). თუ როგორ წარმოიქმნა სამყაროს ეს საწყისი მდგომარეობა, უცნობია, თუმცა, დიდი აფეთქების მოდელით მისი გარკვეული მახასიათებლები უკვე განსაზღვრულია. მაგალითად, ბუნების კონკრეტული კანონები, სავარაუდოდ, შემთხვევით ჩამოყალიბდა, თუმცა, როგორც ინფლაციის მოდელები აჩვენებს, მათი ზოგიერთი კომბინაცია ბევრად უფრო მაღალი ალბათობისაა, ვიდრე სხვები. ტოპოლოგიურად ბრტყელი სამყარო გულისხმობს ბალანსს გრავიტაციულ ენერგიასა და ენერგიის სხვა ფორმებს შორის და არ მოითხოვს დამატებითი ენერგიის წარმოქმნას.

დიდი აფეთქების თეორია, რომელსაც საფუძვლად ზოგადი ფარდობითობის კლასიკური თეორიის განტოლებები უდევს, მიუთითებს, რომ კოსმოსური დროის დასაწყისში სინგულარობა იყო, თუმცა, მსგავსი უსასრულო სიმკვრივე ფიზიკურად, შესაძლოა, არ იყოს შესაძლებელი. თუმცა, ზოგადი ფარდობითობის და კვანტური მექანიკის ფიზიკური თეორიები პლანკის ეპოქამდე არ მოქმედებს, ამის გამოსწორებას კი კვანტური გრავიტაციის სწორი განმარტება სჭირდება. კვანტური გრავიტაციის ზოგიერთი თეორია, მაგალითად, უილერ–დევიტის განტოლება, გულისხმობს, რომ დროც კი, შესაძლოა, წარმოქმნილი მახასიათებელი იყოს. შესაბამისად, შეიძლება, აღმოჩნდეს, რომ დრო დიდ აფეთქებამდე არ არსებობდა.

უცნობია, რა უსწრებდა წინ სამყაროს ცხელ, მკვრივ საწყისს და როგორ ან რატომ წარმოიქმნა ის, ან რამდენად აზრიანია მსგავსი შეკითხვები. მიუხედავად ამისა, „კოსმოგონიის“ თემაზე სპეკულაციები მრავლადაა.

ამ მხრივ აღსანიშნავია რამდენიმე სპეკულაციური მოსაზრება, რომელთაგანაც თითოეული არაერთ გაუტესტავ ჰიპოთეზას შეიცავს:

• უმარტივესი მოდელები, რომლებშიც დიდი აფეთქება კვანტურმა რხევებმა გამოიწვია. ამ სცენარის განვითარების შანსი ძალიან დაბალია, თუმცა, ტოტალიტარული პრინციპის თანახმად, ყველაზე დაბალი ალბათობის მქონე მოვლენაც კი, საბოლოოდ, აუცილებლად მოხდება. ჩვენი პერსპექტივიდან, ეს პროცესი მყისიერად და დაუყოვნებლივ მოხდა, რადგანაც დიდ აფეთქებამდე აღქმადი დრო არ არსებობდა.
• მოდელები, რომლებშიც მთელი დრო-სივრცე სასრულია, მაგალითად, ჰარტლი–ჰოკინგის საზღვრისგარეშე მდგომარეობა. აქ დიდი აფეთქება დროის საწყისს წარმოადგენს, თუმცა, სინგულარობის გარეშე.  ამ მოდელებში სამყარო თვითკმარია.
• ბრანების კოსმოლოგია, რომელიც სიმების თეორიის ნაწილია და სადაც ინფლაცია ბრანების მოძრაობითაა გამოწვეული; ეკპიროტული მოდელი, სადაც დიდი აფეთქება ბრანებს შორის შეჯახებითაა გამოწვეული; ციკლური მოდელი, ეკპიროტული მოდელის ვარიანტი, სადაც ეს შეჯახებები პერიოდულად ხდება. ამ უკანასკნელ მოდელში დიდ აფეთქებას წინ უძღოდა დიდი შეკუმშვა და სამყაროს არსებობაც ამ ორი პროცესისგან შემდგარ ციკლს წარმოადგენს. 
• მარადიული ინფლაცია, სადაც სამყაროს ინფლაცია ლოკალურად, შემთხვევით ადგილებში სრულდება, თითოეული დასრულება კი წარმოშობს „ბუშტისებრ სამყაროს“, რომელიც საკუთარი დიდი აფეთქებით წარმოიქმნა.

ბოლო ორი კატეგორიის ჰიპოთეზები გულისხმობს ან ბევრად უფრო დიდ და ძველ სამყაროს, ან მრავალი სამყაროს (მულტივერსის) არსებობას.

რელიგიური და ფილოსოფიური ინტერპრეტაციები

რადგანაც დიდი აფეთქება სამყაროს წარმოშობას აღწერს, რელიგიასა და ფილოსოფიაში იგი მნიშვნელოვანი საკითხია და რელიგიასა და მეცნიერებას შორის არსებული დისკურსის მნიშვნელოვანი ნაწილი გახდა. მას შემდეგ, რაც თეორია დომინანტურ კოსმოლოგიურ პარადიგმად ჩამოყალიბდა, რელიგიური ჯგუფებისგან მას მრავალგვარი გამოხმაურება მოჰყვა, რაც რელიგიურ კოსმოლოგიაში მის ადგილს უკავშირდება. ზოგიერთი ჯგუფი სამეცნიერო დასაბუთებას ეთანხმება, ზოგი კი თეორიის საკუთარ რელიგიურ მცნებებთან შესაბამისობაში მოყვანას ცდილობს, სხვები თეორიას სრულებით უარყოფენ და მტკიცებულებებს უგულვებელჰყოფენ. არსებობს მოსაზრებები, რომ დიდი აფეთქება თავისთავად გულისხმობს შემოქმედს, სხვები კი ამტკიცებენ, რომ დიდი აფეთქების კოსმოლოგიაში შემოქმედის ადგილი არ არის.