Большой взрыв: происхождение Вселенной. Большой взрыв
Теория Большого взрыва: история эволюции нашей Вселенной
Как появилась наша Вселенная? Как она превратилась в кажущееся на первый взгляд бесконечное пространство? И чем она станет спустя многие миллионы и миллиарды лет? Эти вопросы терзали (и продолжают терзать) умы философов и ученых, кажется, еще с начала времен, породив при этом множество интересных и порой даже безумных теорий. Сегодня большинство астрономов и космологов пришли к общему согласию относительно того, что , которую мы знаем, появилась в результате гигантского взрыва, породившего не только основную часть материи, но явившегося источником основных физических законов, согласно которым существует тот космос, который нас окружает. Все это называется теорией Большого взрыва.
Основы теории Большого взрыва относительно просты. Если кратко, согласно ей вся существовавшая и существующая сейчас во Вселенной материя появилась в одно и то же время — около 13,8 миллиарда лет назад. В тот момент времени вся материя существовала в виде очень компактного абстрактного шара (или точки) с бесконечной плотностью и температурой. Это состояние носило название сингулярности. Неожиданно сингулярность начала расширяться и породила ту Вселенную, которую мы знаем.
Стоит отметить, что теория Большого Взрывая является лишь одной из многих предложенных гипотез возникновения Вселенной (например, есть еще теория стационарной Вселенной), однако она получила самое широкое признание и популярность. Она не только объясняет источник всей известной материи, законов физики и большую структуру Вселенной, она также описывает причины расширения Вселенной и многие другие аспекты и феномены.
Хронология событий в теории Большого Взрыва
Основываясь на знаниях о нынешнем состоянии Вселенной, ученые предполагают, что все должно было начаться с единственной точки с бесконечной плотностью и конечным временем, которые начали расширяться. После первоначального расширения, как гласит теория, Вселенная прошла фазу охлаждения, которая позволила появиться субатомным частицам и позже простым атомам. Гигантские облака этих древних элементов позже, благодаря гравитации, начали образовывать звезды и галактики.
Все это, по догадкам ученых, началось около 13,8 миллиарда лет назад, и поэтому эта отправная точка считается возрастом Вселенной. Путем исследования различных теоретических принципов, проведения экспериментов с привлечением ускорителей частиц и высокоэнергетических состояний, а также путем проведения астрономических исследований дальних уголков Вселенной ученые вывели и предложили хронологию событий, которые начались с Большого взрыва и привели Вселенную в конечном итоге к тому состоянию космической эволюции, которое имеет место быть сейчас.
Ученые считают, что самые ранние периоды зарождения Вселенной — продлившиеся от 10 -43 до 10 -11 секунды после Большого взрыва, — по прежнему являются предметом споров и обсуждений. Если учесть, что те законы физики, которые нам сейчас известны, не могли существовать в это время, то очень сложно понять, каким же образом регулировались процессы в этой ранней Вселенной. Кроме того, экспериментов с использованием тех возможных видов энергий, которые могли присутствовать в то время, до сих пор не проводилось. Как бы там ни было, многие теории о возникновении Вселенной в конечном итоге согласны с тем, что в какой-то период времени имелась отправная точка, с которой все началось.
Эпоха сингулярности
Также известная как планковская эпоха (или планковская эра) принимается за самый ранний из известных периодов эволюции Вселенной. В это время вся материя содержалась в единственной точке бесконечной плотности и температуры. Во время этого периода, как считают ученые, квантовые эффекты гравитационного взаимодействия доминировали над физическим, и ни одна из физических сил не была равна по силе гравитации.
Планковская эра предположительно длилась от 0 до 10 -43 секунды и названа она так потому, что измерить ее продолжительность можно только временем. Ввиду экстремальных температур и бесконечной плотности материи состояние Вселенной в этот период времени было крайне нестабильным. После этого произошли периоды расширения и охлаждения, которые привели к возникновению фундаментальных сил физики.
Приблизительно в период с 10 -43 до 10 -36 секунды во Вселенной происходил процесс столкновения состояний переходных температур. Считается, что именно в этот момент фундаментальные силы, которые управляют нынешней Вселенной, начали отделяться друг от друга. Первым шагом этого отделения явилось появление гравитационных сил, сильных и слабых ядерных взаимодействий и электромагнетизма.
В период примерно с 10 -36 до 10 -32 секунды после Большого взрыва температура Вселенной стала достаточно низкой (1028 К), что привело к разделению электромагнитных сил (сильное взаимодействие) и слабого ядерного взаимодействия (слабого взаимодействия).
Эпоха инфляции
С появлением первых фундаментальных сил во Вселенной началась эпоха инфляции, которая продлилась с 10 -32 секунды по планковскому времени до неизвестной точки во времени. Большинство космологических моделей предполагают, что Вселенная в этот период была равномерно заполнена энергией высокой плотности, а невероятно высокие температура и давление привели к ее быстрому расширению и охлаждению.
Это началось на 10 -37 секунде, когда за фазой перехода, вызвавшей отделение сил, последовало расширение Вселенной в геометрической прогрессии. В этот же период времени Вселенная находилась в состоянии бариогенезиса, когда температура была настолько высокой, что беспорядочное движение частиц в пространстве происходило с околосветовой скоростью.
В это время образуются и сразу же сталкиваясь, разрушаются пары из частиц — античастиц, что, как считается, привело к доминированию материи над антиматерией в современной Вселенной. После прекращения инфляции Вселенная состояла из кварк-глюоновой плазмы и других элементарных частиц. С этого момента Вселенная стала остывать, начала образовываться и соединяться материя.
Эпоха охлаждения
Со снижением плотности и температуры внутри Вселенной начало происходить и снижение энергии в каждой частице. Это переходное состояние длилось до тех пор, пока фундаментальные силы и элементарные частицы не пришли к своей нынешней форме. Так как энергия частиц опустилась до значений, которые можно сегодня достичь в рамках экспериментов, действительное возможное наличие этого временного периода вызывает у ученых куда меньше споров.
Например, ученые считают, что на 10 -11 секунде после Большого взрыва энергия частиц значительно уменьшилась. Примерно на 10 -6 секунде кварки и глюоны начали образовывать барионы — протоны и нейтроны. Кварки стали преобладать над антикварками, что в свою очередь привело к преобладанию барионов над антибарионами.
Так как температура была уже недостаточно высокой для создания новых протонно-антипротонных пар (или нейтронно-антинейтронных пар), последовало массовое разрушение этих частиц, что привело к остатку только 1/1010 количества изначальных протонов и нейтронов и полному исчезновению их античастиц. Аналогичный процесс произошел спустя около 1 секунды после Большого взрыва. Только «жертвами» на этот раз стали электроны и позитроны. После массового уничтожения оставшиеся протоны, нейтроны и электроны прекратили свое беспорядочное движение, а энергетическая плотность Вселенной была заполнена фотонами и в меньшей степени нейтрино.
В течение первых минут расширения Вселенной начался период нуклеосинтеза (синтез химических элементов). Благодаря падению температуры до 1 миллиарда кельвинов и снижения плотности энергии примерно до значений, эквивалентных плотности воздуха, нейтроны и протоны начали смешиваться и образовывать первый стабильный изотоп водорода (дейтерий), а также атомы гелия. Тем не менее, большинство протонов во остались в качестве несвязных ядер атомов водорода.
Спустя около 379 000 лет электроны объединились с этими ядрами водорода и образовали атомы (опять же преимущественно водорода), в то время как радиация отделилась от материи и продолжила практически беспрепятственно расширяться через пространство. Эту радиацию принято называть реликтовым излучением, и она является самым древнейшим источником света во Вселенной.
С расширением реликтовое излучение постепенно теряло свою плотность и энергию и в настоящий момент его температура составляет 2,7260 ± 0,0013 К (-270,424 °C), а энергетическая плотность 0,25 эВ (или 4,005×10 -14 Дж/м³; 400-500 фотонов/см³). Реликтовое излучение простирается во всех направлениях и на расстояние около 13,8 миллиарда световых лет, однако оценка его фактического распространения говорит примерно о 46 миллиардах световых годах от центра Вселенной.
Эпоха структуры (иерархическая эпоха)
В последующие несколько миллиардов лет более плотные регионы почти равномерно распределенной во Вселенной материи начали притягиваться друг к другу. В результате этого они стали еще плотнее, начали образовывать облака газа, звезды, галактики и другие астрономические структуры, за которыми мы можем наблюдать в настоящее время. Этот период носит название иерархической эпохи. В это время та Вселенная, которую мы видим сейчас, начала приобретать свою форму. Материя начала объединяться в структуры различных размеров — звезды, планеты, галактики, галактические скопления, а также галактические сверхскопления, разделенные межгалактическими перемычками, содержащими всего лишь несколько галактик.
Детали этого процесса могут быть описаны согласно представлению о количестве и типе материи, распределенной во Вселенной, которая представлена в виде холодной, теплой, горячей темной материи и барионного вещества. Однако современной стандартной космологической моделью Большого взрыва является модель Лямбда-CDM, согласно которой частицы темной материи двигаются медленнее скорости света. Выбрана она была потому, что решает все противоречия, которые появлялись в других космологических моделях.
Согласно этой модели на холодную темную материю приходится около 23 процентов всей материи/энергии во Вселенной. Доля барионного вещества составляет около 4,6 процента. Лямбда-CDM ссылается на так называемую космологическую постоянную: теорию, предложенную Альбертом Эйнштейном, которая характеризует свойства вакуума и показывает соотношение баланса между массой и энергией как постоянную статичную величину. В этом случае она связана с темной энергией, которая служит в качестве акселератора расширения Вселенной и поддерживает гигантские космологические структуры в значительной степени однородными.
Долгосрочные прогнозы относительно будущего Вселенной
Гипотезы относительно того, что эволюция Вселенной обладает отправной точкой, естественным способом подводят ученых к вопросам о возможной конечной точке этого процесса. Если Вселенная начала свою историю из маленькой точки с бесконечной плотностью, которая вдруг начала расширяться, не означает ли это, что расширяться она тоже будет бесконечно? Или же однажды у нее закончится экспансивная сила и начнется обратный процесс сжатия, конечным итогом которого станет все та же бесконечно плотная точка?
Ответы на эти вопросы были основной целью космологов с самого начала споров о том, какая же космологическая модель Вселенной является верной. С принятием теории Большого взрыва, но по большей части благодаря наблюдению за темной энергией в 1990-х годах, ученые пришли к согласию в отношении двух наиболее вероятных сценариев эволюции Вселенной.
Согласно первому, получившему название «большое сжатие», Вселенная достигнет своего максимального размера и начнет разрушаться. Такой вариант развития событий будет возможен, если только плотность массы Вселенной станет больше, чем сама критическая плотность. Другими словами, если плотность материи достигнет определенного значения или станет выше этого значения (1-3×10 -26 кг материи на м³), Вселенная начнет сжиматься.
Альтернативой служит другой сценарий, который гласит, что если плотность во Вселенной будет равна или ниже значения критической плотности, то ее расширение замедлится, однако никогда не остановится полностью. Согласно этой гипотезе, получившей название «тепловая смерть Вселенной», расширение продолжится до тех пор, пока звездообразования не перестанут потреблять межзвездный газ внутри каждой из окружающих галактик. То есть полностью прекратится передача энергии и материи от одного объекта к другому. Все существующие звезды в этом случае выгорят и превратятся в белых карликов, нейтронные звезды и черные дыры.
Постепенно черные дыры будут сталкиваться с другими черными дырами, что привет к образованию все более и более крупных. Средняя температура Вселенной приблизится к абсолютному нулю. Черные дыры в итоге «испарятся», выпустив свое последнее излучение Хокинга. В конце концов, термодинамическая энтропия во Вселенной станет максимальной. Наступит тепловая смерть.
Современные наблюдения, которые учитывают наличие темной энергии и ее влияние на расширение космоса, натолкнули ученых на вывод, согласно которому со временем все больше и больше пространства Вселенной будет проходить за пределами нашего горизонта событий и станет невидимым для нас. Конечный и логичный результат этого ученым пока не известен, однако «тепловая смерть» вполне может оказаться конечной точкой подобных событий.
Есть и другие гипотезы относительно распределения темной энергии, а точнее, ее возможных видов (например фантомной энергии). Согласно им галактические скопления, звезды, планеты, атомы, ядра атомов и материя сама по себе будут разорваны на части в результате ее бесконечного расширения. Такой сценарий эволюции носит название «большого разрыва». Причиной гибели Вселенной согласно этому сценарию является само расширение.
Дальнейший прогресс изучения обязан созданию более продвинутых телескопов, спутников и компьютерных моделей, которые позволили астрономам и космологам заглянуть дальше во Вселенной и лучше понять ее истинный возраст. Развитие космических телескопов и появление таких, как, например, Cosmic Background Explorer (или COBE), космический телескоп Хаббла, Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) и космическая обсерватория Планка, тоже внесло бесценный вклад в исследование вопроса.
Большой взрыв относится к разряду теорий, пытающихся в полном объеме проследить историю рождения Вселенной, определить начальные, текущие и конечные процессы в ее жизни.
Было ли что-то до того, как появилась Вселенная? Этот краеугольный, практически метафизический вопрос задается учеными и по сегодняшний день. Возникновение и эволюция мироздания всегда были и остаются предметом жарких споров, невероятных гипотез и взаимоисключающих теорий. Основными версиями происхождения всего, что нас окружает, по церковной трактовке предполагалось божественное вмешательство, а научный мир поддерживал гипотезу Аристотеля о статичности мироздания. Последней модели придерживался Ньютон, защищавший безграничность и постоянство Вселенной, и Кант, развивший эту теорию в своих трудах. В 1929 году американский астроном и космолог Эдвин Хаббл кардинально изменил взгляды ученых на мир.
Он не только обнаружил наличие многочисленных галактик, но и расширение Вселенной – непрерывное изотропное увеличение размеров космического пространства, начавшееся в миг Большого взрыва.
Кому мы обязаны открытием Большого взрыва?
Работы Альберта Эйнштейна над теорией относительности и его гравитационные уравнения позволили де Ситтеру создать космологическую модель Вселенной. Дальнейшие изыскания были привязаны к этой модели. В 1923 г. Вейль предположил, что помещенное в космическом пространстве вещество должно расширяться. Огромное значение в разработке этой теории имеет работа выдающегося математика и физика А. А. Фридмана. Еще в 1922 г. он допустил расширение Вселенной и сделал обоснованные выводы о том, что начало всей материи находилось в одной безгранично плотной точке, а развитие всему дал Большой взрыв. В 1929 г. Хаббл опубликовал свои статьи, объясняющие подчинение лучевой скорости расстоянию, впоследствии эта работа стала называться «законом Хаббла».
Г. А. Гамов, опираясь на теорию Фридмана о Большом взрыве, разработал идею о высокой температуре исходного вещества. Также он предположил наличие космического излучения, не пропавшего с расширением и остыванием мира. Ученый выполнил предварительные расчеты возможной температуры остаточного излучения. Предполагаемое им значение находилось в диапазоне 1-10 К. К 1950 г. Гамов сделал более точные подсчеты и объявил результат в 3 К. В 1964 радиоастрономы из Америки, занимаясь усовершенствованием антенны, путем исключения всех возможных сигналов, определили параметры космического излучения. Его температура оказалась равной 3 К. Эти сведения стали важнейшим подтверждением работы Гамова и существования реликтового излучения. Последующие измерения космического фона, проведенные в открытом космосе, окончательно доказали верность расчетов ученого. Ознакомится с картой реликтового излучения можно по .
Современные представления о теории Большого взрыва: как это произошло?
Одной из моделей, комплексно объясняющих появление и процессы развития известной нам Вселенной, стала теория Большого взрыва. Согласно широко принятой сегодня версии, изначально присутствовала космологическая сингулярность – состояние, обладающее бесконечной плотностью и температурой. Физиками было разработано теоретическое обоснование рождения Вселенной из точки, имевшей чрезвычайную степень плотности и температуры. После возникновения Большого взрыва пространство и материя Космоса начали непрекращающийся процесс расширения и стабильного охлаждения. Согласно последним исследованиям начало мирозданию было положено не менее 13,7 млрд. лет назад.
Отправные периоды в формировании Вселенной
Первый момент, воссоздание которого допускается физическими теориями, – это Планковская эпоха, формирование которой стало возможным спустя 10-43 секунд после Большого взрыва. Температура материи доходила до 10*32 К, а ее плотность равнялась 10*93 г/см3. В этот период гравитация обрела самостоятельность, отделившись от основополагающих взаимодействий. Непрекращающееся расширение и снижение температуры вызвали фазовый переход элементарных частиц.
Следующий период, характеризующийся показательным расширением Вселенной, наступил еще через 10-35 секунд. Его назвали «Космической инфляцией». Произошло скачкообразное расширение, во много раз превышающее обычное. Этот период дал ответ на вопрос, почему температура в различных точках Вселенной одинакова? После Большого взрыва вещество не сразу разлетелось по Вселенной, еще 10-35 секунд оно было довольно компактным и в нем установилось тепловое равновесие, не нарушенное при инфляционном расширении. Период дал базовый материал – кварк-глюонную плазму, использовавшуюся для формирования протонов и нейтронов. Этот процесс осуществился после дальнейшего уменьшения температуры, он именуется «бариогенезисом». Зарождение материи сопровождалось одновременным возникновением антиматерии. Два антагонистичных вещества аннигилировали, становясь излучением, но количество обычных частиц превалировало, что и позволило возникнуть Вселенной.
Очередной фазовый переход, произошедший после убывания температуры, привел к возникновению известных нам элементарных частиц. Пришедшая вслед за этим эпоха «нуклеосинтеза» ознаменовалась объединением протонов в легкие изотопы. Первые образованные ядра имели короткий срок существования, они распадались при неизбежных столкновениях с другими частицами. Более устойчивые элементы возникли уже после трех минут, прошедших после сотворения мира.
Следующей знаменательной вехой стало доминирование гравитации над другими имеющимися силами. Через 380 тыс. лет со времени Большого взрыва появился атом водорода. Увеличение влияния гравитации послужило окончанием начального периода формирования Вселенной и дало старт процессу возникновения первых звездных систем.
Даже спустя почти 14 млрд. лет в космосе все еще сохранилось реликтовое излучение. Его существование в комплексе с красным смещением приводится как аргумент в подтверждение состоятельности теории Большого взрыва.
Космологическая сингулярность
Если, используя общую теорию относительности и факт непрерывного расширения Вселенной, вернутся к началу времени, то размеры мироздания будут равны нулю. Начальный момент или наука не может достаточно точно описать, используя физические знания. Применяемые уравнения, не подходят для столь малого объекта. Необходим симбиоз, способный соединить квантовую механику и общую теорию относительности, но он, к сожалению, пока еще не создан.
Эволюция Вселенной: что ее ожидает в будущем?
Ученые рассматривают два возможных варианта развития событий: расширение Вселенной никогда не закончится, или же она достигнет критической точки и начнется обратный процесс – сжатие. Этот основополагающий выбор зависит от величины средней плотности вещества, находящегося в ее составе. Если вычисленное значение меньше критического, прогноз благоприятный, если больше, то мир вернется к сингулярному состоянию. Ученые в настоящее время не знают точной величины описываемого параметра, поэтому вопрос о будущем Вселенной завис в воздухе.
Отношение религии к теории Большого взрыва
Основные вероисповедания человечества: католицизм, православие, мусульманство, по-своему поддерживают эту модель сотворения мира. Либеральные представители этих религиозных конфессий соглашаются с теорией возникновения мироздания в результате некоего необъяснимого вмешательства, определяемого как Большой взрыв.
Знакомое всему миру имя теории – «Большой взрыв» – было невольно подарено противником версии о расширении Вселенной Хойлом. Он считал такую идею «совершенно неудовлетворительной». После публикации его тематической лекций занятный термин тут же подхватила общественность.
Причины, вызвавшие Большой взрыв, достоверно неизвестны. По одной из многочисленных версий, принадлежащей А. Ю. Глушко, сжатое в точку исходное вещество было черной гипер-дырой, а причиной взрыва стал контакт двух таких объектов, состоящих из частиц и античастиц. При аннигиляции материя частично уцелела и дала начало нашей Вселенной.
Инженеры Пензиас и Уилсон, открывшие реликтовое излучение Вселенной, получили Нобелевские премии по физике.
Показатели температуры реликтового излучения изначально было очень высоким. Спустя несколько миллионов лет этот параметр оказался в пределах, обеспечивающих зарождение жизни. Но к этому периоду успело сформироваться лишь небольшое количество планет.
Астрономические наблюдения и исследования помогают найти ответы на важнейшие для человечества вопросы: «Как все появилось, и что ждет нас в будущем?». Вопреки тому, что не все проблемы решены, и первопричина появления Вселенной не имеет строгого и стройного разъяснения, теория Большого взрыва обрела достаточное количество подтверждений, делающих ее основной и приемлемой моделью возникновения мироздания.
Даже современные ученые не могут с точностью сказать, что было во Вселенной до Большого взрыва. Существует несколько гипотез, приоткрывающих завесу тайны над одним из самых сложных вопросов мироздания.
Происхождение материального мира
До XX века существовало только две теории происхождения Вселенной. Сторонники религиозной точки зрения считали, что мир был создан богом. Ученые, наоборот, отказывались признавать рукотворность Вселенной. Физики и астрономы были сторонниками идеи о том, что космос существовал всегда, мир был статичен и все останется таким же, как миллиарды лет назад.
Однако ускорившийся научный прогресс на рубеже веков привел к тому, что у исследователей появились возможности для изучения внеземных просторов. Некоторые из них первыми попытались ответить на вопрос, что было во Вселенной до Большого взрыва.
Исследования Хаббла
XX столетие разрушило многие теории прошлых эпох. На освободившемся месте появились новые гипотезы, объяснившие доселе непонятные тайны. Все началось с того, что ученые установили факт расширения Вселенной. Сделано это было Эдвином Хабблом. Он обнаружил, что далекие галактики отличаются по своему свету от тех космических скоплений, которые находились ближе к Земле. Открытие этой закономерности легло в основу закона расширения Эдвина Хаббла.
Большой взрыв и происхождение Вселенной были изучены, когда стало ясно, что все галактики «убегают» от наблюдателя, в какой бы точке он ни был. Как это можно было объяснить? Раз галактики движутся, значит, их толкает вперед некая энергия. Кроме того, физики вычислили, что все миры когда-то находились в одной точке. Из-за некоего толчка они начали двигаться во все стороны с невообразимой скоростью.
Это явление и получило название «Большой взрыв». И происхождение Вселенной было объяснено именно с помощью теории об этом давнем событии. Когда оно случилось? Физики определили скорость движения галактик и вывели формулу, по которой они вычислили, когда произошел первоначальный «толчок». Точных цифр никто назвать не возьмется, но приблизительно это явление имело место около 15 миллиардов лет назад.
Появление теории Большого взрыва
Тот факт, что все галактики являются источниками света, означает, что при Большом взрыве выделилось огромное количество энергии. Именно она породила ту самую яркость, которую миры теряют по ходу своего отдаления от эпицентра произошедшего. Теория Большого взрыва впервые была доказана американскими астрономами Робертом Вильсоном и Арно Пензиасом. Они обнаружили электромагнитное температура которого равнялась трем градусам по кельвиновской шкале (то есть -270 по Цельсию). Эта находка подтвердила идею о том, что сначала Вселенная была крайне горячей.
Теория Большого взрыва ответила на многие вопросы, сформулированные в XIX веке. Однако теперь появились новые. Например, что было во Вселенной до Большого взрыва? Почему она так однородна, в то время как при таком огромном выбросе энергии вещество должно разлететься во все стороны неравномерно? Открытия Вильсона и Арно поставили под сомнения классическую Евклидову геометрию, так как было доказано, что пространство имеет нулевую кривизну.
Инфляционная теория
Новые поставленные вопросы показывали, что современная теория возникновения мира отрывочна и неполна. Однако долгое время казалось, что продвинуться дальше открытого в 60-е годы будет невозможно. И только совсем недавние исследования ученых позволили сформулировать новый важный принцип для теоретической физики. Это было явление сверхбыстрого инфляционного расширения Вселенной. Оно было изучено и описано с помощью квантовой теории поля и общей теории относительности Эйнштейна.
Так что было во Вселенной до Большого взрыва? Современная наука называет этот период «инфляцией». Вначале было только поле, которое заполняло все воображаемое пространство. Его можно сравнить со снежком, пущенным вниз по склону снежной горы. Ком будет катиться вниз и увеличиваться в размерах. Точно так же поле из-за случайных колебаний на протяжении невообразимого времени меняло свою структуру.
Когда образовалась однородная конфигурация, произошла реакция. В ней и заключаются самые большие загадки Вселенной. Что было до Большого взрыва? Инфляционное поле, которое совсем не походило на нынешнюю материю. После реакции начался рост Вселенной. Если продолжить аналогию со снежным комом, то вслед за первым из них вниз покатились другие снежки, также увеличивавшиеся в размерах. Момент Большого взрыва в этой системе можно сравнить с той секундой, когда огромная глыба рухнула в пропасть и, наконец, столкнулась с землей. В это мгновение выделилось колоссальное количество энергии. Она не может иссякнуть до сих пор. Именно за счет продолжения реакции от взрыва наша Вселенная растет и сегодня.
Материя и поле
Сейчас Вселенная состоит из невообразимого количества звезд и других космических тел. Эта совокупность материи источает огромную энергию, что противоречит физическому закону сохранения энергии. О чем он гласит? Суть этого принципа сводится к тому, что на протяжении бесконечного времени сумма энергии в системе остается неизменной. Но как это может сочетаться с нашей Вселенной, которая продолжает расширяться?
Инфляционная теория смогла ответить на этот вопрос. Крайне редко разгадываются подобные загадки Вселенной. Что было до Большого взрыва? Инфляционное поле. После возникновения мира на его место пришла привычная нам материя. Однако помимо нее во Вселенной также существует которое обладает отрицательной энергией. Свойства этих двух сущностей противоположны. Так компенсируется энергия, исходящая от частиц, звезд, планет и другой материи. Эта взаимосвязь также объясняет, почему Вселенная до сих пор не превратилась в черную дыру.
Когда Большой взрыв только произошел, мир был слишком мал, чтобы в нем что-то могло коллапсировать. Теперь же, когда Вселенная расширилась, на отдельных ее участках появились локальные черные дыры. Их гравитационное поле поглощает все окружающее. Из него не может выбраться даже свет. Собственно из-за этого подобные дыры становятся черными.
Расширение Вселенной
Даже несмотря на теоретическое обоснование инфляционной теории, до сих пор непонятно, как выглядела Вселенная до Большого взрыва. Человеческое воображение не может представить себе этой картины. Дело в том, что инфляционное поле является нематериальным. Оно не поддается объяснению привычными законами физики.
Когда произошел Большой взрыв, инфляционное поле начало расширяться в темпе, который превысил Согласно физическим показателям, во Вселенной нет ничего материального, что могло бы двигаться быстрее этого показателя. Свет распространяется по существующему миру с запредельными цифрами. Инфляционное поле же распространилось с еще большей скоростью, как раз в силу своей нематериальной природы.
Современное состояние Вселенной
Текущий период эволюции Вселенной как нельзя лучше подходит для существования жизни. Ученые затрудняются определить, сколько будет продолжаться этот временной отрезок. Но если кто и брался за такие расчеты, то получавшиеся цифры были никак не меньше сотен миллиардов лет. Для одной человеческой жизни подобный отрезок настолько велик, что даже в математическом исчислении его приходится записывать с помощью использования степеней. Настоящее изучено гораздо лучше, чем предыстория Вселенной. Что было до Большого взрыва, в любом случае останется только предметом теоретических изысканий и смелых расчетов.
В материальном мире даже время остается величиной относительной. Например, квазары (вид астрономических объектов), существующие на расстоянии 14 миллиардов световых лет от Земли, отстают от нашего привычного «сейчас» на те самые 14 миллиардов световых лет. Этот временной разрыв колоссален. Его сложно определить даже математически, не говоря уже о том, что отчетливо представить себе подобное с помощью человеческого воображения (даже самого пылкого) просто невозможно.
Современная наука может теоретически объяснить себе всю жизнь нашего материального мира, начиная с первых долей секунд его существования, когда только что произошел Большой взрыв. Полная история Вселенной дополняется до сих пор. Астрономы открывают новые удивительные факты с помощью модернизированного и улучшенного исследовательского оборудования (телескопов, лабораторий и т. д.).
Однако существуют и так и не понятые явления. Таким белым пятном, например, является и ее темная энергия. Сущность этой скрытой массы продолжает будоражить сознание самых образованных и передовых физиков современности. Кроме того, так и не возникло единой точки зрения о причинах того, почему во Вселенной частиц все-таки больше, чем античастиц. По этому поводу было сформулировано несколько фундаментальных теорий. Некоторые из этих моделей пользуются наибольшей популярностью, но ни одна из них пока не принята международным научным сообществом в качестве
В масштабе всеобщего знания и колоссальных открытий XX столетий эти пробелы кажутся совсем незначительными. Но история науки с завидной регулярностью показывает, что объяснение таких «малых» фактов и явлений становится основой для всего представления человечества о дисциплине в целом (в данном случае речь идет об астрономии). Поэтому будущим поколениям ученых, безусловно, будет чем заняться и что открывать в области познания природы Вселенной.
Величие и многообразие окружающего мира способно поразить любое воображение. Все объекты и предметы, окружающие человека, другие люди, различные виды растений и животных, частицы, которые можно увидеть только с помощью микроскопа, а также непостижимые звездные скопления: все они объединены понятием «Вселенная».
Теории возникновения Вселенной разрабатывались человеком издавна. Несмотря на отсутствие даже начального понятия о религии или науке, в пытливых умах древних людей возникали вопросы о принципах мироустройства и о том, каково положение человека в том пространстве, которое его окружает. Сколько существует теорий возникновения Вселенной сегодня, сложно и сосчитать, некоторые из них изучаются передовыми учеными с мировыми именами, другие - откровенно фантастические.
Космология и ее предмет
Современная космология - наука о структуре и развитии Вселенной - рассматривает вопрос о ее происхождении как одну из интереснейших и до сих пор недостаточно изученных загадок. Природа процессов, способствовавших возникновению звезд, галактик, солнечных систем и планет, их развитие, источник появления Вселенной, а также ее размеры и границы: все это лишь краткий перечень изучаемых современными учеными вопросов.
Поиски ответов на основополагающую загадку об образовании мира привели к тому, что сегодня существуют различные теории возникновения, существования, развития Вселенной. Волнение специалистов, ищущих ответы, строящих и проверяющих гипотезы, оправдано, ведь достоверная теория рождения Вселенной раскроет для всего человечества вероятность существования жизни в других системах и планетах.
Теории возникновения Вселенной имеют характер научных концепций, отдельных гипотез, религиозных учений, философских представлений и мифов. Их все условно разделяют на две основные категории:
- Теории, в соответствии с которыми Вселенная создана творцом. Иначе говоря, их суть в том, что процесс создания Вселенной был осознанным и одухотворенным действием, проявлением воли высшего разума.
- Теории возникновения Вселенной, построенные на основе научных факторов. Их постулаты категорически отвергают как существование творца, так и возможность осознанного создания мира. Такие гипотезы зачастую основаны на том, что называется принципом заурядности. Они предполагают вероятность наличия жизни не только на нашей планете, но и на других.
Креационизм - теория создания мира Творцом
Как следует из названия, креационизм (творение) - это религиозная теория возникновения Вселенной. Это мировоззрение основано на концепции создания Вселенной, планеты и человека Богом или Творцом.
Идея длительное время являлась доминирующей, вплоть до конца XIX века, когда ускорился процесс накопления знаний в самых разных сферах науки (биология, астрономия, физика), а также широко распространилась эволюционная теория. Креационизм стал своеобразной реакцией христиан, придерживающихся консервативных взглядов на совершающиеся открытия. Доминирующая в то время идея эволюционного развития только усилила противоречия, существующие между религиозной и другими теориями.
Чем отличаются научные и религиозные теории
Главные отличия между теориями различных категорий заключаются прежде всего в терминах, которые используют их приверженцы. Так, в научных гипотезах вместо творца - природа, а взамен сотворения - происхождение. Наряду с этим существуют вопросы, которые сходным образом освещены разными теориями или даже полностью продублированы.
Теории возникновения Вселенной, относящиеся к противоположным категориям, по-разному датируют само ее появление. Например, по данным самой распространенной гипотезы (теории большого взрыва), Вселенная образовалась около 13 млрд лет назад.
В противовес этому, религиозная теория возникновения Вселенной приводит совершенно другие цифры:
- В соответствии с христианскими источниками, возраст Вселенной, созданной Богом, на момент рождения Иисуса Христа составлял 3483-6984 лет.
- Индуизм предполагает, что нашему миру ориентировочно 155 трлн лет.
Кант и его космологическая модель
Вплоть до XX века большинство ученых придерживались мнения о бесконечности Вселенной. Этим качеством они характеризовали время и пространство. Кроме того, по их мнению, Вселенная обладала статичностью и однородностью.
Идею о безграничности Вселенной в пространстве выдвинул Исаак Ньютон. Развитием этого предположения занимался который разработал теорию об отсутствии также и временных границ. Продвинувшись дальше, в теоретических предположениях, Кант распространил бесконечность Вселенной на число возможных биологических продуктов. Этот постулат значил, что в условиях древнего и огромного мира без конца и начала может существовать неисчислимое количество возможных вариантов, в результате которых реально появление любого биологического вида.
В результате поиска доказательств были выделены и проверены более 40 характеристик, соблюдение которых необходимо для развития цивилизации. Американским астрофизиком Хью Россом была произведена оценка вероятности подобного ненамеренного совпадения. Результатом оказалась цифра 10 -53 .
Наша Вселенная включает триллион галактик, по 100 миллиардов звезд в каждой. По произведенным учеными расчетам, общее количество планет должно составлять 10 20 . Эта цифра на 33 порядка меньше рассчитанной ранее. Следовательно, ни одна из планет во всех галактиках не может сочетать условия, которые подошли бы для самопроизвольного возникновения жизни.
Теория большого взрыва: возникновение Вселенной из ничтожно малой частицы
Ученые, поддерживающие теорию большого взрыва, разделяют гипотезу, в соответствии с которой мироздание является последствием грандиозного взрыва. Главным постулатом теории становится утверждение о том, что до этого события все элементы нынешней Вселенной были заключены в частице, имевшей микроскопические размеры. Находясь внутри нее, элементы характеризовались сингулярным состоянием, при котором такие показатели, как температура, плотность и давление не могут быть измерены. Они бесконечны. На материю и энергию в этом состоянии не воздействуют законы физики.
Причиной взрыва, происшедшего 15 миллиардов лет назад, называют возникшую внутри частицы нестабильность. Разлетевшиеся мельчайшие элементы положили начало тому миру, который мы знаем сегодня.
Вначале Вселенная была туманностью, образованной мельчайшими частицами (мельче атома). Затем, соединяясь, они сформировали атомы, которые послужили основой звездных галактик. Ответ на вопросы о том, что было до взрыва, а также, что стало его причиной, являются важнейшими из задач этой теории возникновения Вселенной.
Таблица схематически изображает этапы формирования мироздания после большого взрыва.
| Состояние Вселенной | Временная ось | Предполагаемая температура |
| Расширение (инфляция) | От 10 -45 до10 -37 секунд | Больше 10 26 К |
| Появляются кварки и электроны | 10 -6 с | Больше 10 13 К |
| Образованы протоны и нейтроны | 10 -5 с | 10 12 К |
| Возникают ядра гелия, дейтерия и лития | От 10 -4 с до 3 мин | От 10 11 до 10 9 К |
| Образованы атомы | 400 тыс. лет | 4000 К |
| Газовое облако продолжает расширяться | 15 млн лет | 300 К |
| Зарождаются первые звезды и галактики | 1 млрд лет | 20 К |
| Взрывы звезд провоцируют формирование тяжелых ядер | 3 млрд лет | 10 К |
| Прекращается процесс рождения звезд | 10-15 млрд лет | 3 К |
| Энергия всех звезд истощается | 10 14 лет | 10 -2 К |
| Черные дыры истощаются и рождаются элементарные частицы | 10 40 лет | -20 К |
| Завершается испарение всех черных дыр | 10 100 лет | От 10 -60 до 10 -40 К |
Как следует из приведенных выше данных, Вселенная продолжает расширяться и охлаждаться.
Постоянное увеличение расстояния между галактиками - основной постулат: то, чем отличается теория большого взрыва. Возникновение Вселенной таким способом может быть подтверждено найденными доказательствами. Также существуют и основания для ее опровержения.
Проблематика теории
Учитывая то, что теория большого взрыва не является доказанной на практике, не вызывает удивления то, что существует несколько вопросов, на которые она не в состоянии дать ответ:
- Сингулярность. Этим словом обозначено состояние Вселенной, сжатой до одной точки. Проблемой теории большого взрыва становится невозможность описания процессов, происходящих в материи и пространстве в таком состоянии. Общий закон относительности здесь неприменим, поэтому составить математическое описание и уравнения для моделирования нельзя.
Принципиальная невозможность получения ответа на вопрос об изначальном состоянии Вселенной дискредитирует теорию с самого начала. Ее научно-популярные изложения предпочитают замалчивать или упоминать лишь вскользь эту сложность. Однако для ученых, работающих над тем, чтобы подвести математическую базу под теорию большого взрыва, такое затруднение признано главным препятствием. - Астрономия. В этой сфере теория большого взрыва сталкивается с тем, что не может описать процесс происхождения галактик. Исходя из современных версий теорий, возможно предсказать то, как появляется однородное облако газа. При этом его плотность к нынешнему времени должна составлять около одного атома на кубический метр. Для получения чего-то большего не обойтись без корректировки исходного состояния Вселенной. Недостаток информации и практического опыта в этой сфере становятся серьезными препятствиями на пути дальнейшего моделирования.
Также существует несоответствие в показателях расчетной массы нашей галактики и теми данными, которые получены при изучении скорости ее притяжения к Судя по всему, вес нашей галактики в десять раз больше, чем предполагали ранее.
Космология и квантовая физика
Сегодня нет космологических теорий, которые не опирались бы на квантовую механику. Ведь она занимается описанием поведения атомных и субатомных частиц. Отличие квантовой физики от классической (излагаемой Ньютоном) в том, что вторая наблюдает и описывает материальные объекты, а первая предполагает исключительно математическое описание самого наблюдения и измерения. Для квантовой физики материальные ценности не представляют предмета исследований, здесь сам наблюдатель выступает частью исследуемой ситуации.
Исходя из этих особенностей, квантовая механика испытывает затруднения с описанием Вселенной, ведь наблюдатель - это часть Вселенной. Однако, говоря о возникновении мироздания, невозможно представить посторонних наблюдателей. Попытки разработать модель без участия постороннего наблюдателя были увенчаны квантовой теорией возникновения Вселенной Дж. Уилера.
Ее суть в том, что в каждый момент времени происходит расщепление Вселенной и образование бесконечного количества копий. В итоге каждая из параллельных Вселенных может быть наблюдаема, а наблюдатели могут видеть все квантовые альтернативы. При этом изначальный и новые миры реальны.
Инфляционная модель
Основной задачей, которую призвана решить теория инфляции, становится поиск ответа на вопросы, оставшиеся неосвещенными теорией большого взрыва и теорией расширения. А именно:
- По какой причине Вселенная расширяется?
- Что представляет собой большой взрыв?
С этой целью инфляционная теория возникновения Вселенной предусматривает экстраполяцию расширения на нулевой момент времени, заключение всей массы Вселенной в одной точке и образование космологической сингулярности, которая часто именуется большим взрывом.
Очевидной становится неактуальность общей теории относительности, которая не может быть применена в этот момент. В результате для разработки более общей теории (или «новой физики») и решения проблемы космологической сингулярности можно применить только теоретические методы, вычисления и выводы.
Новые альтернативные теории
Несмотря на успешность модели космической инфляции, есть ученые, которые выступают против, называя ее несостоятельной. Их основным аргументом становится критика предлагаемых теорией решений. Противники утверждают, что полученные решения оставляют некоторые детали упущенными, иначе говоря, вместо решения проблемы начальных значений, теория лишь искусно их драпирует.
Альтернативой становятся несколько экзотических теорий, идея которых основана на формировании начальных значений до большого взрыва. Новые теории возникновения Вселенной кратко можно описать следующим образом:
- Теория струн. Ее приверженцы предлагают, кроме привычных четырех измерений пространства и времени, ввести дополнительные измерения. Они могли бы играть роль на ранних этапах Вселенной, а в данный момент находиться в компактифицированном состоянии. Отвечая на вопрос о причине их компактификации, ученые предлагают ответ, гласящий, что свойством суперструн является Т-дуальность. Поэтому струны «наматываются» на дополнительные измерения и их размер ограничивается.
- Теория бран. Ее также называют М-теорией. В соответствии с ее постулатами, в начале процесса образования Вселенной существует холодное статичное пятимерное пространство-время. Четыре из них (пространственные) имеют ограничения, или стены - три-браны. Наше пространство выступает одной из стен, а вторая является скрытой. Третья три-брана размещена в четырехмерном пространстве, ее ограничивают две граничные браны. Теория рассматривает столкновение третьей браны с нашей и высвобождение большого количества энергии. Именно эти условия становятся благоприятными для появления большого взрыва.
- Циклические теории отрицают уникальность большого взрыва, утверждая, что Вселенная переходит из одного состояния в другое. Проблемой подобных теорий становится возрастание энтропии, согласно второму закону термодинамики. Следовательно, длительность предыдущих циклов была меньшей, а температура вещества - существенно выше, чем при большом взрыве. Вероятность этого чрезвычайно мала.
Независимо от того, сколько существует теорий возникновения Вселенной, только две из них выдержали проверку временем и преодолели проблему всевозрастающей энтропии. Они были разработаны учеными Стейнхардтом-Тюроком и Баум-Фрэмптоном.
Эти относительно новые теории возникновения Вселенной выдвинуты в 80-х годах прошлого века. Они имеют немало последователей, которые разрабатывают модели на ее основе, занимаются поиском доказательств достоверности и работают над устранением противоречий.
Теория струн
Одна из наиболее популярных среди теории возникновения Вселенной - теория струн. Прежде чем перейти к описанию ее идеи, необходимо разобраться с понятиями одного из ближайших конкурентов, Она предполагает, что материю и взаимодействия можно описать как определенный набор частиц, делящихся на несколько групп:
- Кварки.
- Лептоны.
- Бозоны.
Эти частицы являются, по сути, кирпичиками мироздания, так как они настолько малы, что их нельзя разделить на составляющие.
Отличительной чертой теории струн становится утверждение о том, что такие кирпичики являются не частицами, а ультрамикроскопическими струнами, совершающими колебания. При этом, колебаясь на различной частоте, струны становятся аналогами различных частиц, описанных в стандартной модели.
Для понимания теории следует осознать, что струны не являются никакой материей, это энергия. Следовательно, заключает, что все элементы Вселенной состоят из энергии.
Хорошей аналогией может служить огонь. При взгляде на него создается впечатление его материальности, однако его нельзя осязать.
Космология для школьников
Теории возникновения Вселенной коротко изучают в школах на уроках астрономии. Учащимся описывают основные теории о том, как был образован наш мир, что происходит с ним теперь и как он будет развиваться в дальнейшем. 
Целью уроков становится ознакомление детей с природой формирования элементарных частиц, химических элементов и небесных тел. Теории возникновения Вселенной для детей сводят к изложению теории большого взрыва. Преподаватели используют наглядный материал: слайды, таблицы, постеры, иллюстрации. Их основной задачей становится пробуждение у детей интереса к миру, который их окружает.
Большинство астрономов поддерживает идею о том, что Вселенная произошла от «пузырька», в тысячи раз меньшего, чем булавочная головка, но невероятно горячего и плотного. Почти 13,8 млрд лет назад он взорвался, и именно это событие называют «Большим взрывом». В тот момент начали свое существование космос, время, энергия и материя. За очень малый промежуток времени Вселенная расширилась от размеров субатомной частицы до размеров апельсина, а затем продолжила расширение, постепенно приобретая современный вид. Именно Большой взрыв объясняет различные параметры известной нам сегодня Вселенной, и именно Большой взрыв предопределил, как она будет развиваться в будущем и, возможно, погибнет через миллиарды и миллиарды лет. Изучение Большого взрыва - это поиск ответа на вопрос о том, каким было начало «всего» и каким будет его конец.
Первые мгновения
Астрофизики задаются вопросом, что было в начале Вселенной и что было до ее начала. Благодаря физико-математическим исследованиям уже получены некоторые ответы на такие вопросы. Но ответы, удовлетворяющие физиков-теоретиков, не всегда доступны пониманию широкой публики и переносу в нашу повседневную реальность. Другими словами, ряд концепций следует принять «по определению», не пытаясь найти эмпирические примеры в сегодняшней Вселенной, которые позволили бы понять, что произошло в первые мгновения после Большого взрыва.
Начало
В начале времени и космоса, вполне вероятно, существовала «гравитационная сингулярность», то есть то, что мы можем определить как геометрическую точку, в которой гравитационное поле достигало бесконечно большой величины. Гравитационные сингулярности, существование которых предусмотрено общей теорией относительности Альберта Эйнштейна, образуются тогда, когда плотность вещества настолько высока, что вызывает коллапс пространства-времени. Сингулярность очень сложно представить как нечто конкретное; она поддается описанию главным образом через математические понятия. Предположив, что Вселенная родилась из Большого взрыва, некоторые исследователи задались вопросом, было ли что-то до него. Проблема осложняется тем, что Большой взрыв дал начало не только пространству, но и самому времени, так что в общей теории относительности идет речь о «пространстве-времени» как о едином целом. Это выводит нас на представление о том, что Большой взрыв не произошел в «пустом пространстве», которое впоследствии заполнила собой расширяющаяся Вселенная, а сам создал как пространство, так и время.
Эра Планка
То, что появилось сразу после Большого взрыва, имело такие показатели давления и температуры, что его поведение невозможно описать с помощью законов, действующих в современной Вселенной. Фаза, непосредственно последовавшая за Большим взрывом, называется «эрой Планка» в честь немецкого ученого Макса Планка. Она охватывает период от Большого взрыва до времени 10 × -43 степени с после него (это время называется «временем Планка»). За этот очень короткий период Вселенная достигла размера 10 × — 33 степени см, а температура опустилась до 10 × 32 степени °С, то есть до ста тысяч миллиардов миллиардов миллиардов градусов.
Самый маленький космос
Для того чтобы дать определение этой фазе, Планк сделал сравнительно простое умозаключение. Он спросил себя, существует ли минимальная длина волны, меньше которой невозможно получить никакой информации, то есть такое минимальное значение, меньше которого понятие пространства теряет смысл.
Поскольку самой короткой длиной электромагнитной волны обладают гамма-лучи (она составляет 10 × -33 степени см), Планк догадался, что для меньшей длины волн нет способа получить полную физическую информацию. Перемещающийся со скоростью света гамма-луч проходит за 10 × -43 степени с. расстояние в 10 × -33 степени см. Более короткие промежутки времени находятся за пределами возможности измерения. Поэтому между нулевой точкой Большого взрыва и концом эры Планка нельзя получить никакой физической информации о Вселенной на первом этапе развития.
Вскоре после Большого взрыва
В конце эры Планка от общей совокупности имеющейся во Вселенной энергии отделилась сила гравитации, ставшая самостоятельной. Сразу после этого настал черед сильного ядерного взаимодействия (удерживающего в стабильном состоянии атомные ядра), которое вместе с силами гравитации, электромагнитного взаимодействия и слабого взаимодействия (последнее отвечает за радиоактивный распад) является одной из четырех фундаментальных сил, присутствующих в природе. С их помощью частицы обмениваются энергией. Все это с момента Большого взрыва заняло время до 10 × -36 степени с.
Инфляция
В этот момент началась «эра инфляции». Ее называют так потому, что на этом этапе Вселенная подверглась очень быстрому расширению - «инфляции» (от английского to inflate - «надуваться»). В течение нескольких миллиардных долей секунды Вселенная увеличила свой размер в 10 × 50 степени раз. В ходе инфляционного периода, длившегося с момента Большого взрыва до 10 × -32 с. наблюдались «квантовые флуктуации», вызванные спонтанным формированием пар частица/античастица, придавших пространству-времени довольно неправильную и сложную форму. Эти флуктуации легли в основу гравитационных нарушений однородности, которые, будучи поначалу незначительными, стечением времени выросли и в конце концов сложили наблюдаемые сегодня гигантские космические структуры, такие как галактики и скопления галактик. Частицы вещества и антивещества, сталкиваясь, взаимно уничтожались и производили излучение. Тем не менее в этой игре на уничтожение сохранился излишек вещества: он и составил современную Вселенную.
Кварки
Спустя примерно 10 × -35 с после Большого взрыва начали образовываться первые частицы -кварки, антикварки,частицы W, Z и электроны.
Из комбинации нескольких кварков впоследствии сложились протоны, нейтроны и их античастицы. Протоны и антипротоны взаимно уничтожились, произведя электромагнитное излучение. Только в этот момент разделились слабое ядерное и электромагнитное взаимодействия.
Эти явления произошли в период между 10 × -32 и 10 × -5 с после Большого взрыва, когда образовывались первые атомные ядра. С их рождением вещество стало преобладать над излучением, господствовавшим прежде. Однако температура Вселенной достигала еще 10 млрд градусов, поэтому излучение и вещество превращались друг в друга.
Лишь спустя примерно 300 тыс. лет после Большого взрыва, когда температура опустилась до 3300°С, Вселенная, бывшая до этого бесформенным облаком, стала прозрачной для электромагнитного излучения. И тогда начали образовываться первые атомы водорода, гелия и лития - самые легкие элементы Вселенной.
Фоновое излучение
Примерно 300 тыс. лет спустя после Большого взрыва появилось космическое фоновое излучение — самое близкое к Большому взрыву излучение, сегодня получаемое нами. Это первый вид излучения, которое в разреженной теперь Вселенной не улавливается незамедлительно атомными или субатомными частицами, а блуждает по космосу в виде фотонов. С этого момента первичное вещество начинает постепенно складываться в звезды, квазары и галактики. Сегодня при помощи самых мощных телескопов мы пытаемся бросить взгляд на эти объекты - самые древние и самые далекие в нашей Вселенной. Любая дополнительная информация, полученная от них, может позволить нам лучше узнать о наиболее загадочном моменте нашей истории - Большом взрыве.
Модели Вселенной
В 20-е годы прошлого столетия популярностью среди космологов пользовалась идея Вселенной, в которой отталкивающие и притягивающие гравитационные силы находятся в хрупком равновесии, возможном благодаря «космологической константе», умозрительно введенной Альбертом Эйнштейном в его общей теории относительности. Он ввел эту константу для того, чтобы объяснить наличие отталкивающей силы вещества, которая должна была уравновесить гравитационное притяжение. Это было необходимо, чтобы получить равновесную космологическую модель - свойство, считавшееся базовым для всех моделей нашей Вселенной.
Расширение
Тем временем многие астрономы отмечали, что большая часть галактик обнаруживала в спектре своего света смещение линий в красную сторону -явление, известное как «красное смещение». Этот факт поддавался простому объяснению, если его воспринимать как результат эффекта Доплера - того же самого, благодаря которому звук удаляющейся сирены слышится более низким, чем приближающейся. Все это имело смысл в том случае, если принять как данность, что галактики отдаляются друг от друга. Фундаментальный вклад в это исследование внес немецкий астроном Карл Вирц: детально изучив около сорока галактик, он обнаружил, что чем слабее их свет, тем дальше они находятся от нас, тем сильнее красное смещение в их спектрах. Это означало, что более далекие галактики удаляются быстрее, чем ближние. Но чтобы убедиться в правильности выводов Вирца, пришлось дождаться исследований Эдвина Хаббла.
Нестабильный космос
Российский математик Александр Фридман и бельгийский астроном Жорж-Анри Леметр пришли к выводу, что, несмотря на введение космологической константы, Вселенная Эйнштейна нестабильна и было бы достаточно небольшой флуктуации, чтобы вызвать ее бесконечное расширение или сжатие. Наблюдения Хаббла позволили заключить, что Вселенная расширяется. Леметр разработал также теорию о том, что Вселенная происходит от «первородного атома», давшего начало всему. Несмотря на многочисленные подтверждающие эту теорию данные, она была подвергнута острой критике. Тем не менее идея не умерла; напротив, ее поддержал физик Джордж Гамов, теоретически подтвердивший возможность рождения Вселенной в результате колоссального взрыва.
Стационарная Вселенная
Тем временем другой астроном, Фред Хойл, выдвинул идею о том, что Вселенная может расширяться в «стационарном состоянии»: галактики удаляются друг от друга, но в пространстве между ними постоянно рождается новое вещество. Именно Хойл с иронией назвал гипотезу своих коллег «Большим взрывом» (Big Bang). Но в итоге научный мир поддержал гипотезу Большого взрыва, выдвинутую Гамовым, а в конце 1960-х годов она трансформировалась в конкретную теорию, подтвержденную в конце 1990-х спутниками СОВЕ и WMAP.
Фоновое излучение
Через несколько сотен секунд после Большого взрыва радиус Вселенной составлял всего несколько световых минут, а вещество уже включало в себя базовые элементы атомов - взаимодействующих друг с другом электронов, протонов, нейтронов, и также нейтрино и фотонов (частиц, переносящих энергию). Когда спустя несколько сотен тысяч лет после Большого взрыва температура опустилась примерно до 3300 °С, количество столкновений фотонов и других частиц уменьшилось, и фотоны стали свободно распространяться во Вселенной.
Все холоднее и холоднее
Расширение повлекло за собой дальнейшее снижение температуры, опустившейся в конце концов до 3 К, то есть всего на три градуса выше абсолютного нуля (-273°С). Эта температура «отпечаталась» на блуждающих фотонах, которые, все реже сталкиваясь с другими частицами во все менее плотной Вселенной, дожили до наших дней. Сегодня они считаются самыми главными свидетелями тех далеких времен. Именно блуждающие фотоны образуют так называемое «фоновое космическое излучение». Оно было открыто в 1964 году радиоастрономами Арно Пензиасом и Робертом Вильсоном, удостоенными за это Нобелевской премии по физике в 1978 году.
Открытое случайно
На самом деле исследователи занимались наладкой антенны нового типа для приема микроволн. В ходе работы ученые приняли неизвестное излучение, причем поначалу решили, что оно имеет земное происхождение. Но скоро Пензиас и Вильсон поняли, что «слушают» космическое излучение, существование которого Гамов и его коллеги предполагали еще в 1948 году, - нечто вроде «эха» Большого взрыва. Открытие фонового излучения имело (колоссальную важность, поскольку стандартная модель Вселенной предусматривала наличие в ней однородного сигнала, распространяющегося на длине волны около миллиметра и пронизывающего весь космос. Именно это и было открыто учеными.
Со спутников
Открытие Пензиаса и Вильсона с годами неоднократно подвергалось проверке, но всегда получало подтверждение. Проверки проводились с борта аэростатов (например, эксперимент «Бумеранг», проведенный совместно Италией и США). Три спутника (СОВЕ, WMAP и Planck) были специально созданы для изучения фоновой радиации и дали великолепные результаты, особенно последние два, которые позволили измерить излучение и получить детали, ранее остававшиеся недоступными. Благодаря анализу полученных со спутников данных обнаружились различия в температуре фонового излучения всего лишь в стотысячные доли градуса. Эта небольшая «рябь» составляет подобие генетического кода живого существа: она и определяет эволюцию Вселенной.
Открытие фонового излучения стало важнейшим доказательством в пользу модели Большого взрыва, похоронившим теорию стационарной Вселенной Хойла.
Возникающие сомнения
Если бы мы смогли на самом деле понять, как произошел Большой взрыв, то ответили бы на тысячу нерешенных вопросов о рождении Вселенной и ее строении. Но ответов на эти вопросы пока нет, несмотря на имеющиеся в распоряжении астрономов самые современные приборы. Главный и наиболее сложный вопрос - как и почему произошел Большой взрыв.
Наши возможности в изучении прошлого Вселенной простираются в глубь времен и останавливаются, как уже говорилось, на точке 10 × -43 с после Большого взрыва. Понять, что произошло до этого момента, может лишь теоретическая физика, и только новые гипотезы унесут нас ко времени «до» Большого взрыва.
Темная материя и темная энергия
Другой важной темой, объяснение которой, возможно, кроется в обстоятельствах Большого взрыва, является происхождение темной материи и темной энергии. Вселенная лишь на 5% состоит из вещества, которое мы можем наблюдать традиционными способами, например, в телескоп, и которое является нам в форме звезд, туманностей, галактик. Остальное состоит на 27% из темной материи и на 68% из темной энергии. Относительно темной материи сегодня выдвинуты некоторые конкретные гипотезы: эта материя невидима, она обнаруживает свое присутствие в галактиках и скоплениях галактик благодаря своей силе притяжения, она могла бы состоять из нескольких еще неизвестных типов частиц, из нейтрино (если их масса не равна нулю) или из звезд исключительно низкой яркости.
Темная энергия, напротив, по-прежнему остается загадкой. О ней известно лишь то, что она действует как отталкивающая сила и заставляет Вселенную расширяться с ускорением, а не с замедлением, как можно было бы ожидать, если бы этой энергии не было.
Красное смещение
Если одни вопросы бросают вызов тем, кто изучает происхождение Вселенной, то другие ставят под сомнение саму теорию Большого взрыва. Первый из таких вопросов касается красного смещения света галактик. Некоторые астрофизики, и среди них американский астроном Хэлтон Арп, считают, что красное смещение вызвано не только удалением галактик, но и явлением, связанным с самой природой наблюдаемых объектов. Если это так, то часть опоры, на которой зиждется теория расширения Вселенной, рухнет. Те, кто еще поддерживает теорию стационарной Вселенной Фреда Хойла, основывает свои полемические выступления именно на этом тезисе. Если Арп прав, для объяснения рождения Вселенной теория Большого взрыва просто не нужна. Впрочем, то, что предлагает Арп, встречает опровержения сторонников теории расширения Вселенной.
Циклическая Вселенная
Теории Большого взрыва и стационарной Вселенной - не единственные, объясняющие существование нашего мира. Как минимум есть еще одна, предполагающая циклическое существование Вселенной. Согласно этой теории, всякий раз, когда Вселенная подходит к концу своей эволюции, она «начинает сначала» посредством нового Большого взрыва. Возможно, при каждом возрождении Вселенная «забывает» характеристики своего прошлого и формирует новые физические законы, рождающиеся на этапе инфляции.
