Как произошел большой взрыв вселенной



Эволюция Вселенной
На этой иллюстрации показана эволюция Вселенной, от Большого Взрыва слева до современности справа. Авторы и права: NASA.

Каково это стать свидетелем Большого взрыва? Как бы это выглядело?

Когда-то, почти 14 миллиардов лет назад, произошло грандиозное событие.

Появилась Вселенная и всё, что в ней содержится, включая материю, радиацию, экзотические частицы и, возможно, даже более абстрактные понятия, такие как законы времени и физические законы.

Изучая то, как Вселенная эволюционировала во времени, можно начать “двигаться в обратном направлении” и сформировать картину физических условий через миллиард лет, тысячу лет, день, секунду или наносекунду после Большого взрыва. Чем дальше в прошлое, тем более экстремальными были условия и тем быстрее развивалась Вселенная.


Но одно дело понимать уравнения, которые описывают законы нашей Вселенной и совсем другое понять, каково на самом деле быть свидетелем этого? Как бы это выглядело? Что бы вы испытали?

Давайте разберёмся. Сначала мы должны экипировать нашего наблюдателя – назовём её Алисой, поскольку я сейчас слушаю группу “Алиса”, и поскольку это популярное имя для жертв мысленных экспериментов – в Магический Космический Костюм, способный противостоять экстремальным температурам, давлениям, плотностям, радиации и деформациям. Ей также понадобятся солнечные очки, потому что до тех пор, пока Вселенной не исполнился один миллион лет, она была ослепительно яркой.

Вы можете следить за путешествием Алисы в рассказе ниже. Но прежде чем отправиться в путь, нам нужно обсудить несколько моментов.

Откуда мы знаем, что случилось?

Поскольку свет не движется бесконечно быстро, мы видим всё так, как это было в прошлом. Когда вы проверяете свой телефон, вы оглядываетесь на наносекунду назад во времени, поскольку именно столько времени потребовалось частицам, чтобы пройти 30 сантиметров. Когда вы смотрите на Луну, вы смотрите на секунду назад, потому что Луна находится на расстоянии примерно 400 000 километров. И когда вы наблюдаете галактику в миллиарде световых лет, вы на самом деле смотрите на миллиард лет назад.

Мы можем измерить плотность, температуру и другие физические величины Вселенной. Наблюдение за скоростью галактик говорит нам, что Вселенная расширяется. Если мы посчитаем в обратном направлении, мы сможем определить физические условия в более ранние эпохи.


Модель Вселенной
Иллюстрация, показывающая эволюцию Вселенной, начиная от Большого Взрыва слева, и до появления космического микроволнового фона. После образования первых звёзд заканчиваются космические тёмные века, за которыми следует образование галактик. Авторы и права: CfA / M. Weiss.

Таким образом, мы можем узнать, что произошло всего за секунду до Большого взрыва. Это потому, что мы можем не только рассчитывать, но и проводить эксперименты на огромных ускорителях частиц, таких как CERN, чтобы воссоздать условия, которые наблюдались в то время, и подтвердить, что мы не ошибаемся.

Но мы ничего не знаем о самой первой доле доли секунды – так называемой “Планковской эпохе”. В это время условия были настолько экстремальными, что физические законы нарушались. Возможно, даже не имеет смысла говорить о пространстве и времени на данном этапе истории Вселенной. Так насколько велика Вселенная?

Бесконечна … Может быть …

Мы не знаем, насколько велика Вселенная. Мы можем видеть только ту её часть, из которой у света было время добраться до нас. Эта часть называется “наблюдаемой Вселенной”, и поскольку её возраст 13,8 миллиарда лет, вы можете подумать, что мы можем смотреть на 13,8 световых лет во всех направлениях. Но поскольку она расширяется, то она несколько больше, на самом деле добрых 46 миллиардов световых лет в любом направлении.


Мы предполагаем, хотя и не уверены, что Вселенная за пределами нашего маленького пузыря существует вечно. Если это правда, то она “родилась” бесконечно большой. Хотя на самом деле имеет физический смысл говорить о бесконечно большой Вселенной, которая растёт или сжимается, её, несомненно, трудно представить. Поэтому мы обычно рассматриваем размер наблюдаемой Вселенной.

Телескоп
Млечный Путь над Очень Большим Телескопом в Паранальской обсерватории в пустыне Атакама, Чили. Авторы и права: Miguel Claro.

Важно знать, что, независимо от размера Вселенной, Большой взрыв не был “взрывом” в том смысле, что плотное скопление вещества начало распространяться в пространстве. Скорее, это было создание пространства и, возможно, самого времени, и последующее расширение этого пространства.

Возникает вопрос: “во что оно расширяется?” и “что снаружи?”. Трудно представить, как расширяется бесконечная Вселенная, не говоря уже о конечной Вселенной, которая не встроена в какое-то большее пространство измерений. Но, тем не менее, это то, что мы думаем, происходит. Другими словами, оно просто расширяется “само по себе”.


Теперь, давайте снова присоединимся к Алисе в момент, когда она начала своё путешествие.

Инфляция в темноте

Как упоминалось выше, мы ничего не знаем о самой первой доле секунды. Однако мы знаем, что всё было чрезвычайно плотным, потому что то, что позже станет нашей наблюдаемой Вселенной, в это время было меньше атомного ядра.

Сначала появилась гравитация, а затем “сильная” ядерная сила. Некоторые экзотические частицы наблюдаются в этой чрезвычайной плотности энергии, в том числе бозон Хиггса, который отвечает за само понятие массы.

Но поначалу Алиса не оценила ничего из этого. Свет ещё не создан, поэтому для неё всё темно.

Внезапно само пространство начинает экспоненциально быстро расширяться.

Галактика M106
На этом составном изображении показана спиральная галактика Мессье 106, похожая на наш Млечный путь. Авторы и права: NASA / CXC / Caltech / P. Ogle / STScI / JPL-Caltech / NSF / NRAO / VLA.

Эту эру называют “инфляцией”, и когда она закончится, то, что позже станет наблюдаемой Вселенной, за долю секунды выросло из атомного ядра до 20 метров в диаметре. Это всё ещё немного.


Всё, что находится в космосе, должно следовать за расширением. Конечно, кроме волшебного скафандра Алисы и некоторой доли удачи, потому что без неё её голова и ноги, которые в это время намного больше наблюдаемой Вселенной, были бы растянуты на 20 миллиардов световых лет.

После инфляции всё продолжает расширяться. В то же время температура падает. Это похоже на то, когда газ выходит из зажигалки: газ сжимается внутри зажигалки, но когда он выходит, он расширяется и охлаждается.

… и был свет

Во время инфляции Вселенная ненадолго переохлаждается с миллиарда миллиардов миллиардов градусов до почти абсолютного нуля. Но когда инфляция закончится, и Алиса только подумает: “Бррр… становится слишком холодно”, так называемый процесс разогрева снова повышает температуру до 10 миллиардов триллионов градусов. В это время создаются новые виды частиц, в том числе свет в форме фотонов.

Поскольку температура невероятно высока, все частицы очень богаты энергией, и поэтому подавляющее большинство фотонов являются гамма-лучами. Но небольшая часть светового спектра распространяется в виде рентгеновских лучей, ультрафиолетового света и видимого света, что представляет наибольший интерес для Алисы.

Итак, какой первый цвет наблюдает Алиса? Какого цвета был Большой взрыв?

Термин “цвет” на самом деле является психологическим понятием. Цвет, который воспринимает мозг, зависит от распределения света в трёх диапазонах длин волн, воспринимаемых глазами, а именно: красный, зелёный и синий.


Если что-то излучает свет, потому что оно горячее, вы можете рассчитать его спектр, а затем определить его цвет: красный, зелёный и синий. Сама Алиса не такая тёплая, поэтому она в основном излучает слабый инфракрасный свет, а человеческий глаз недостаточно чувствителен, чтобы воспринимать крошечную его часть, которая находится в видимом спектре.

Кусок горячего раскалённого железа излучает в основном красный цвет. Если он становится действительно горячим, он излучает примерно одинаково как красный, так и зелёный и синий, и это воспринимается мозгом как “белый свет”.

Если температура достаточно высока, спектр достигает максимума синего цвета, а в пределе бесконечной температуры цвет приближается к сапфирово-синему оттенку.

Таким образом, то, что Алиса видит вокруг себя, это сапфирово-синий цвет горячего кварк-глюонного плазменного супа, как показано на рисунке ниже.

Цвет большого взрыва
Цвет Большого взрыва. Авторы и права: Peter Laursen.

Космический костюм Алисы, конечно, оснащён электронным измерителем цвета, и она измеряет насыщенность цвета Вселенной до 63, 71 и 100% в красном, зелёном и синем цветах соответственно.


То есть, если бы это сработало, она бы это сделала, но Вселенная всё ещё составляет лишь 1/100 от одной миллионной триллионной доли триллионной доли секунды, а электричество ещё не существует.

Алиса должна подождать полную пикосекунду (0,000000000001 секунд), прежде чем будет создана электромагнитная сила. Это может показаться не долгим ожиданием, но, как мы знаем всё во вселенной относительно. Для Алисы это дополнительное время ожидания в сто квинтиллионов раз больше, чем всё её время в пути до этого момента.

В это время создаётся слабая сила. Это означает, что все четыре силы Вселенной теперь работают, остальные три – это электромагнитная сила, гравитация и “сильная” сила.

Строго говоря, все эти силы уже существовали, но они были объединены в единую объединённую силу, пока не начали разделяться на свои “индивидуальные” силы.

С этими четырьмя силами частицы теперь могут взаимодействовать с бозоном Хиггса и, следовательно, набирать массу. Для Алисы это означает, что она теперь что-то весит. Но так как извращённые стандарты моды не будут существовать еще 13,8 миллиардов лет, она не так обеспокоена этим внезапным увеличением своего веса.

Комочки в супе

Окружение Алисы довольно скучное; всё абсолютно равномерно распределено, поэтому, куда бы она ни смотрела, она видит одно и то же.

Но подождите … крошечные неровности формируются по принципу квантово-механической неопределенности, которая говорит, что существует фундаментальный нижний предел, с точки зрения того, насколько точно можно описать местоположение частицы в определённый момент времени.


Скопление
Это изображение массивного скопления галактик Abell 2744 было получено с помощью космического телескопа “Хаббл”. Авторы и права: NASA / ESA / STScI.

Квантовая механика описывает процессы в очень малых масштабах, от размеров атомов и ниже. Но из-за экстремального расширения небольшие неоднородности увеличиваются до значительных размеров.

И какая удача. Если бы всё было совершенно гладко, так было бы всегда. Но вместо этого существуют очень маленькие комочки, которые весят чуть больше, чем их окружение, и поэтому могут притягивать немного больше материи. Это позволяет им расти и в конечном итоге формировать структуры, которые затем превратятся в галактики, звёзды, планеты и, в конечном итоге, в нас.

Тёмная материя на помощь!

Но может ли материя в достаточной степени слипаться, пока расширение не разорвало её? (Внимание спойлер: да, иначе вы бы этого не читали).

На самом деле, если бы единственное, что существовало, было бы то, что Алиса могла видеть, то это не могло бы произойти. Но, к счастью, на каждый грамм материи приходится примерно пять грамм какой-то другой, невидимой материи, которая обеспечивает дополнительную гравитацию, необходимую для слипания вещества. Мы называем это тёмной материей.


В настоящее время Вселенная охладилась до 10 миллионов миллиардов градусов и примерно равна расстоянию от Земли до Солнца сегодня. Глыба, которая однажды превратится в Млечный путь, имеет радиус 100 километров, примерно столько же, сколько Сьерра-Леоне.

Вселенная замедляется

Вселенная продолжает расширяться из-за скорости, которую она приобретает в результате инфляции, но скорость расширения медленно замедляется из-за взаимного притяжения всех частиц.

Однако даже через целую наносекунду после Большого взрыва расширение происходит настолько быстро, что объекты, находящиеся на расстоянии более метра от Алисы, удаляются от нее быстрее, чем движется свет. Всего через микросекунду становится достаточно холодно, чтобы кварки слились с образованием нейтронов и протонов.

Звёздное скопление
Рассеянное звёздное скопление Trumpler 14. Авторы и права: NASA Hubble.

Сейчас Вселенная имеет размеры Солнечной системы, но плотность вещества и излучения всё ещё в 1000 раз выше, чем у нейтронной звезды, самого компактного из существующих на сегодняшний день объектов.


Злые близнецы

Алиса теперь видит не только частицы, но и античастицы.

Античастица подобна злому близнецу частицы, и если частица встречает свою античастицу, они оба перестают существовать и создаются новые частицы. Некоторые из этих новых частиц – это фотоны, или свет.

По причинам, которые мы ещё не понимаем, на каждые 10 миллиардов античастиц, которые существовали, было 10 миллиардов и одна частица.

В возрасте одной секунды, Вселенная раздулась до радиуса в 10 световых лет, и все антипротоны были уничтожены протонами, антинейтроны нейтронами и так далее. Крошечный избыток “нормальных” частиц – это то, из чего сегодня состоит видимый космос.

Тёплый и яркий, местами туманный

Проходит еще десять секунд, и электроны и антиэлектроны активны. Вселенная в настоящее время охладилась до нескольких миллиардов градусов, но, поскольку 99,99999999 % всех частиц превращаются в чистый свет, Вселенная внезапно вспыхивает ослепительным светом.

В начале структура имеет адскую плотность, настолько высокую, что Алиса буквально не может увидеть руку перед своим лицом, так как свет постоянно рассеивается электронами.

Но когда внезапно большинство электронов исчезают в (сапфировом) синем цвете, видимость увеличивается до … барабанной дробь … насколько большой она может быть? Газиллион световых лет? Ах, нет, 20 метров. Не очень впечатляет. Но это на самом деле не имеет значения, так как в любом случае увидеть можно ещё не так много.

Через несколько минут температура упала ниже миллиарда градусов, и наступила важная эпоха в истории Вселенной – нуклеосинтез. В настоящее время достаточно холодно, чтобы протоны сливались и образовали более тяжёлые элементы.

Крабовидная туманность
Крабовидная туманность. Авторы и права: NASA / ESA / Hubble.

Увы, счастье недолговечно: плотность Вселенной уменьшается из-за расширения, и в возрасте 15 минут она имеет примерно такую ​​же плотность, что и вода на Земле. Нуклеосинтез подходит к концу.

Пока только гелий и немного лития успели сформироваться. Все более тяжёлые атомы не будут образовываться в течение ещё сотен миллионов лет в звёздах и их взрывах.

Вот и всё, ребята. Спустя всего четверть часа, Большой взрыв закончился, и теперь ничего особенного не будет происходить на протяжении тысячелетий.

Каждый раз, когда нейтральный атом пытается сформироваться, электрон немедленно отрывается высокоэнергетическим фотоном. Но в возрасте 380 000 лет температура Вселенной упала до 3000 градусов, приобрела приятный оранжево-красный оттенок и стала настолько холодной, что атомы водорода могут оставаться нейтральными.

Следовательно, туманная электронная завеса поднимается, и свет уходит – отделяется – от материи.

Послесвечение Большого взрыва

Диаметр Вселенной сейчас составляет почти миллион световых лет, и свет свободно распространяется по всей Вселенной, как это происходит сегодня.

Глыбы материи, которые увидела Алиса, выросли, но во время отделения всё ещё очень малы; самые плотные регионы в 1/100 000 раз плотнее, чем самые разбавленные. Тем не менее, этого достаточно, чтобы испускаемое излучение не имело всюду одинаковую длину волны.

И этот свет – нерегулярное послесвечение Большого взрыва, известное как “космический микроволновый фон”, – теперь самая отдалённая вещь, которую мы можем видеть. Многое из того, что мы знаем о Большом взрыве и о Вселенной в целом, мы почерпнули из изучения этого света.

Хронология Большого взрыва (и история Вселенной)

Алиса отлично провела время и теперь может положить свой скафандр и солнцезащитные очки обратно на полку.

Если за время чтения этой статьи вы заблудились в пространстве и времени, вы найдёте расширенный график Большого взрыва (и остальной части истории Вселенной) по ссылке ниже.

Источник: universetoday.ru

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 реликтовое излучение, 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 гравитационное поле, 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 скорость света. 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.

Размер Вселенной до Большого взрыва был микроскопическим. Чтобы измерить ее нынешний размер, математикам приходится возводить цифры в огромные степени. Согласно общей теории относительности, наблюдатель, находящийся внутри материального мира, не может увидеть, что происходит за его пределами. Это правило распространяется и на то, что было до Большого взрыва во Вселенной. Фото в учебниках по астрономии может изображать только вымысел художников.

Частицы и античастицы

Вселенная расширилась настолько, что даже свет не успевает добраться до самых ее далеких уголков. В то же время инфляционное поле за пределами мира продолжает существовать, хотя оно и недоступно человеку, живущему в материальном мире. Увеличивающаяся Вселенная охлаждается по мере своего роста. Температура излучения падает, из-за того что длина волны становится больше, а значит, на нее нужно тратить больше энергии.

Состояние Вселенной до Большого взрыва было однородным. Но когда она начала расширяться, в ней появились новые элементы и частицы. Это кварки, нейтроны, протоны, электроны и фотоны. Существуют и античастицы, число которых не может быть равно числу обычных частиц. Если бы это тождество имело место, то вся Вселенная сама собой бы уничтожилась.

Природа сделала все необходимое для того, чтобы количество частиц было чуть большим количества античастиц. Благодаря этому соотношению и существует материальный мир. Реликтовое излучение, которое продолжает распространяться по просторам Вселенной, возникло как раз в результате взаимоуничтожения некоторых частиц и античастиц. В научном лексиконе этот процесс называется аннигиляцией. Со временем энергия реликтового излучения падает. Сейчас она примерно в десять тысяч раз меньше, чем аналогичный показатель элементарных массивных частиц.

Возникновение физических законов

Когда возраст Вселенной достиг одной минуты, нейтроны и протоны начали объединяться в гелий, тритий и дейтерий. Это были первые вещества, возникшие в материальном мире. Процесс синтеза происходил благодаря ядерным реакциям. В XX веке физики изучили этот феномен и даже научились его приручать. Так как при ядерной реакции выделяется колоссальное количество энергии, человечество приспособило этот процесс для своих экономических нужд. Появились атомные электростанции. Сегодня они питают энергией тысячи городов.

Ядерная реакция также была использована в качестве оружия. В конце Второй мировой войны американцы впервые сбросили атомные бомбы на Японию. Смертоносность удара заключалась как раз в огромном выделении энергии. Но показатели, зафиксированные в Хиросиме, ничтожно малы по сравнению с теми процессами, которые имели место в первые минуты существования материального мира.

Благодаря тому, что современные ученые уже много знают о ядерной реакции, использованной в экономике и на войне, исследователи смогли восстановить приблизительную картину того, какая была Вселенная до Большого взрыва. С помощью математических подсчетов было вычислено, сколько элементов и каких появилось в первые минуты после начала реакции в инфляционном поле.

Удивителен и другой факт. Все расчеты ученых, опирающихся на современные показатели природы, оказались в точности применимы к модели появления Вселенной. Это «совпадение» говорит о том, что законы физики начали действовать сразу после появления материального мира. С тех пор все непреложные формулы ни разу не изменились. Они действуют и сейчас. Так, например, можно сказать о теории относительности Эйнштейна. Неоспоримость законов облегчает труд ученых, пытающихся понять, что было до Большого взрыва во Вселенной.

Зарождение галактик

С помощью теории Большого взрыва ученым удалось объяснить возникновение галактик. Когда мир только появился, все расстояния внутри него стремительно становились больше. Однако в некоторых местах этот процесс приобретал особенные формы. Связано это было с тем, что в разных пространственных точках энергетическая плотность имела отличные показатели.

Из-за этого в некоторых участках одной большой Вселенной скопилось больше частиц. Данный процесс был подробно описан американскими учеными XX века. В научно-популярной форме теория была объяснена в серии фильмов «Вселенная до Большого взрыва. По следам тайны».

В участках с большей плотностью энергии заметно колебалась температура. Это явление было признаком сжатия материи гравитационным полем. Инфляционный период породил области с большей плотностью. После возникновения Вселенной гравитационное поле воздействовало на данные участки с возросшей интенсивностью. Именно здесь зародились галактики – скопления звезд, вокруг которых образовались планеты. Наша Земля полностью вписывается в данную систему. Она крутится вокруг собственной звезды (Солнца) и входит в галактику Млечный путь.

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 темная материя 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 непреложной истины.

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.

Источник: FB.ru

Откуда взялась Вселенная? Кажется, что идея, будто все это получилось из ничего, противоречит логике и здравому смыслу. Возможно, когда-нибудь наука объяснит не только то, как мир устроен, но и почему он устроен именно так. По крайней мере, именно на это надеется, например, Ричард Докинз, который ищет ответ в теоретической физике, полагаясь на инфляционное расширение в первые доли секунды после Большого взрыва и на принцип космического отбора Вселенных, похожего на принцип естественного отбора Дарвина.

В начале 20 века считалось, что наша Вселенная состоит только из галактики Млечный путь, которая плывет сама по себе в бесконечном пространстве. С тех пор ученые установили, что Млечный путь является всего лишь одной из сотен миллиардов галактик – и это только в видимой нам части Вселенной. В настоящее время считается, что сам Большой взрыв лучше всего объясняет теория, названная «новая инфляционная космология». Согласно этой теории, взрывы, создающие вселенные, подобно Большому взрыву, случаются довольно часто. Инфляционная космология полагает, что наша Вселенная (которая возникла 14 миллиардов лет назад) появилась из пространства-времени уже существовавшей Вселенной и не является единственной физической реальностью, а представляет собой лишь невообразимо крохотную часть Мультивселенной. Хотя каждый из миров внутри Мультиверсума имеет определенное начало во времени, вся самовоспроизводящаяся структура в целом может быть вечной – таким образом, мы вновь будто возвращаемся к концепции статичной Вселенной, которая казалась навсегда отброшенной с открытием Большого взрыва.

Пока считалось, что Вселенная вечна, ее существование не слишком заботило ученых. Эйнштейн в своих гипотезах просто принял, что Вселенная вечна, и даже подправил уравнения теории относительности соответствующим образом. Однако с открытием Большого взрыва все изменилось. Эксперименты показывают, что мы живем в расширяющихся и охлаждающихся остатках космического комка, который взорвался около 14 миллиардов лет назад. Что могло вызвать этот первоначальный взрыв? И что ему предшествовало – и предшествовало ли что-нибудь вообще? Эти вопросы определенно входят в компетенцию науки, но любая попытка науки на них ответить натыкается на кажущееся непреодолимым препятствие, известное как «сингулярность».

Предположение, что Вселенная расширяется (вопреки прежней статичной модели) подтверждено в 1929 году астрономом Эдвином Хабблом на основании наблюдений за спектром звезд. Окончательным подтверждением инфляции Вселенной стало обнаруженное в 1965 году реликтовое излучение, которое осталось со времен Большого взрыва. Два исследователя из «Белл телефон лабораторис» случайно обнаружили вездесущее микроволновое излучение. Поначалу ученые подумали, что причиной постоянного шипения в микроволновом диапазоне является деятельность голубей. Если включить телевизор и настроиться между станциями на пустой канал, то примерно 10 процентов черно-белых крапинок на экране вызывается фотонами, которые остались с момента рождения Вселенной. Наглядней доказательство реальности Большого взрыва невозможно придумать – вы можете увидеть остывающие остатки Большого взрыва в собственном телевизоре.

В 1970 году Стивен Хокинг и Роджер Пенроуз показали, что эти попытки не могут увенчаться успехом. Хокинг и Пенроуз начали со вполне логичного предположения о том, что гравитация всегда притягивает, и приняли плотность материи во Вселенной примерно равной измеренной экспериментально. На основе этих двух допущений они с математической точностью доказали, что в начале Вселенной все-таки должна быть сингулярность.

Означает ли это, что тайна происхождения Вселенной останется навсегда неразгаданной? Не совсем так, скорее расчеты Хокинга и Пенроуза показывают, что Большой взрыв не может быть полностью понят «классической» космологией вроде теории относительности Эйнштейна, потребуются и другие теории.

Если проследить историю расширяющейся Вселенной вспять, Вселенная будет уменьшаться, пока в момент Большого взрыва не обратится в сингулярность. Здесь теория Эйнштейна прерывается и не может предсказать начало Вселенной и начало времени — только то, как она развивалась позже. В этой точке действуют исключительно законы квантовой механики: размытые по пространству волны-частицы движутся всеми возможными путями, и Вселенная может иметь бесконечное множество предысторий. Концептуальный тупик на Большом взрыве беспокоил космологов, и они стали искать сценарии, позволяющие избежать первоначальной сингулярности.

По словам Хокинга, одно из следствий теории квантовой механики заключается в том, что события, произошедшие в прошлом, не происходили каким-то определённым образом. Вместо этого они могли происходить всеми возможными способами. Это связано с вероятностным характером вещества и энергии согласно квантовой механике: до тех пор, пока не найдётся сторонний наблюдатель, материя будет находиться в неопределённости. Стивен Хокинг пишет: «Независимо от того, какие воспоминания вы храните о прошлом в настоящее время, прошлое, как и будущее, неопределённо и существует в виде спектра возможностей».

Тем не менее остается вопрос: почему же существуют вся эта материя и энергия? Почему пространство-время нашей Вселенной обладает определенной геометрической формой и имеет конечный возраст? Почему оно насыщено разнообразными физическими полями, частицами и силами? И почему эти поля, частицы и силы подчиняются определенному набору законов – причем довольно запутанному? Разве не проще было бы, если бы не было вообще ничего?

Для бесконечного во времени мира (неважно, соответствует ли он инфляционной или другой теории) не существует необъяснимого «момента творения», в нем нет места «первопричине», нет произвольных начальных условий. Поэтому кажется, что вечный мир удовлетворяет принципу достаточной причины: его состояние в любой момент времени можно объяснить его состоянием в предыдущий момент.

Так если в момент Большого взрыва не было никакого перехода от Ничто к Нечто, то нет надобности искать причину, божественную или какую-то иную, которая вызвала к жизни Вселенную? И также нет необходимости ломать голову над поставленным нами вопросом «Откуда взялись материя и энергия во Вселенной?»: внезапного и фантастического нарушения закона сохранения энергии-массы во время Большого взрыва не было. А Вселенная всегда обладала одинаковой энергией-массой, от нулевого момента и до настоящего времени.

В каком экстремуме квантовые законы и, как следствие, исчезновение измерения времени могут проявиться на уровне Вселенной? Очевидно, когда вселенная сравнима размерами с атомным ядром. Именно это подразумевает теория Большого взрыва: все начинается с сингулярности — точки, в которой температура, плотность и искривление Вселенной были бесконечны. Из этой точки Вселенная начинает расширяться, и расширение (в соответствии с инфляционной моделью) продолжается до сих пор. Обратив вспять расширение, мы увидим, как содержимое Вселенной сближается, все более сжимаясь в одну точку. В конце концов, в самом начале космической истории, весь мир находится в состоянии бесконечного сжатия и стянут в «сингулярность». Общая теория относительности Эйнштейна утверждает, что форма пространства-времени определяется распределением энергии и материи. И когда энергия и материя бесконечно сжаты, то и само пространство-время тоже сжато – и оно просто исчезает.

Как именно, можно понять, если учесть, что через долю секунды после рождения вся наблюдаемая Вселенная была не больше атома. В таких масштабах классическая физика неприменима: в микромире правят законы квантовой теории. Поэтому космологи (среди них и Стивен Хокинг) стали задаваться вопросом: «А что, если квантовую теорию, которая использовалась только для описания субатомных явлений, применить ко всей Вселенной в целом?». Так родилась инфляционнаяквантовая космология, названная физиком Джоном Гриббином «наиболее значительным шагом вперед в науке со времен Исаака Ньютона»[1].

Квантовая космология предлагает способ обойти проблему сингулярности. Классические космологи полагали, что сингулярность, притаившаяся за Большим взрывом – это что-то вроде точки с нулевым объемом. Однако квантовая теория запрещает столь точно определенное состояние, утверждая, что на самом фундаментальном уровне природа обладает неизбежной размытостью, поэтому невозможно указать точный момент возникновения Вселенной, ее начальное время.

То, что квантовая теория разрешает, еще более интересно, чем то, что она запрещает. А разрешает она спонтанное возникновение частиц из вакуума. Такой способ создания Нечто из Ничто дал квантовым космологам плодотворную идею: что, если сама Вселенная, по законам квантовой механики, возникла из случайной флуктуации? Тогда причина того, что существует Нечто, а не Ничто, состоит в неустойчивости вакуума.

Утверждение физиков «вакуум неустойчив» подчас подвергается нападкам философов. Но физический вакуум и полная пустота является названием разных объектов. Однако о пустоте можно думать не только как об объекте, но и как об описании определенного состояния. Для физика «пустота» описывает такое состояние, когда нет частиц и все математические поля равны нулю. Возможно ли такое состояние в действительности? То есть согласуется ли оно логически с наблюдаемыми физическими реалиями? Возможно ли создать в наполненной Вселенной полную пустоту?

Одним из наиболее глубоких принципов, лежащих в самой основе нашего квантового понимания природы, является принцип неопределенности Гейзенберга, утверждающий, что определенные пары свойств связаны друг с другом таким образом, что не могут быть точно измерены вместе. Одна такая пара переменных – координаты и импульс частицы: чем точнее вы установили положение частицы, тем менее точно вам известно значение ее импульса, и наоборот. Другой парой сопряженных переменных являются время и энергия: чем точнее вам известен промежуток времени, в течение которого произошло какое-то событие, тем меньше вы знаете об энергии, связанной с этим событием, и наоборот.

Квантовая неопределенность запрещает точное определение значений поля и скорости изменения этого значения. Пустота, или вакуум – это состояние, в котором все значения полей постоянно равны нулю, однако принцип неопределенности Гейзенберга говорит, что если мы точно знаем значение поля, то скорость его изменения совершенно случайна, то есть не может быть равна нулю. Таким образом, математическое описание неизменной пустоты несовместимо с квантовой механикой – точнее, пустота неустойчива, или же чистой пустоты попросту не существует.

Идея, что Вселенная, содержащая сотни миллиардов галактик, могла появиться из пустоты, выглядит невероятной. Как показал Эйнштейн, любая масса представляет собой застывшую энергию. Однако огромному количеству положительной энергии, запертой в звездах и галактиках, должна противостоять отрицательная энергия гравитационного притяжения между ними. В «закрытой» Вселенной (той, которая со временем снова сожмется) положительная и отрицательная энергии должны точно уравновешивать друг друга. Другими словами, общая энергия такой Вселенной равна нулю.

Возможность создания целой Вселенной из нулевой энергии поражает воображение. С точки зрения квантовой механики Вселенная с нулевой энергией представляет собой интересную возможность. Допустим, что полная энергия Вселенной точно равна нулю. Тогда, благодаря взаимосвязи в неопределенности между энергией и временем (как утверждает принцип Гейзенберга), неопределенность во времени становится бесконечной. Другими словами, как только такая Вселенная возникнет из пустоты, то сможет существовать вечно. Что же касается причины, по которой Вселенная возникла, то это просто квантовая вероятность. Стивен Хокинг в книге «Великий замысел» пишет: «Если полная энергия Вселенной должна всегда оставаться нулевой, и необходимо затратить энергию, чтобы создать тело, как может вся Вселенная быть создана из ничего? Вот почему должен существовать такой закон, как гравитация. Так как гравитация притягивает, то энергия гравитации является отрицательной. Необходимо произвести работу, чтобы разделить гравитационно связанную систему, такую как Земля и Луна. Эта отрицательная энергия может быть сбалансирована положительной энергией, необходимой чтобы создать материю, но все не так просто. Отрицательная гравитационная энергия земли, к примеру, меньше, чем положительная энергия миллиардов частиц, из которых она состоит. Тело, такое как звезда, будет иметь больше отрицательной гравитационной энергии, и чем меньше она (частицы, из которых она состоит, находятся ближе друг к другу), тем больше будет ее отрицательная гравитационная энергия. Но прежде, чем отрицательной гравитационной энергии может стать больше положительной энергии вещества, звезда сколлапсирует в черную дыру, и черная дыра будет иметь положительную энергию. Вот почему пустое пространство стабильно. Тела, такие как звезды или черные дыры, не могут так просто появляться из ничего. Но целая Вселенная может!»[2]

С выводами Стивена Хокинга согласна и квантовая механика. Американский ученый русского происхождения Алекс Виленкин в книге «Мир многих миров» показал, что из начального состояния пустоты может спонтанно появиться крохотный кусочек наполненного энергией вакуума. Под действием отрицательного давления «инфляции» этот кусочек энергетического вакуума испытает безудержное расширение. Через пару микросекунд он достигнет космических размеров, испустив поток света и материи, создав Большой взрыв.

Таким образом, по мнению Виленкина, переход от Пустоты к Бытию происходит в два этапа. На первом крохотный кусочек вакуума появляется из вакуума. На втором он раздувается в наполненную материей предшественницу той Вселенной, которую мы сейчас видим вокруг. На данный момент принципы квантовой механики, управляющие первым этапом, являются самыми надежными принципами в науке. Что касается теории инфляции, которая описывает второй этап, то с момента своего создания в начале 80-х годов она успешно подтверждена не только теоретически, но и эмпирически – в частности, распределением реликтового излучения, оставшегося после Большого взрыва.

Что же происходит в момент Большого взрыва со временем? Общая теория относительности объединяется с квантовой теорией: искривление времени-пространства настолько велико, что все четыре измерения ведут себя одинаково. Иными словами, времени как особого параметра нет. А если времени нет, то нет и возможности говорить о начале Вселенной во времени, что устраняет проблему творения из Ничего.

Таким образом, сингулярность в начале Вселенной является не событием во времени, а скорее временной границей или краем. До нее никакого времени не было. Поэтому не было и времени, когда преобладало Ничто. И не было никакого «возникновения» – по крайней мере, во времени. Вселенная имеет конечный возраст, хоть и существовала всегда, если под «всегда» подразумевать все моменты времени. Вековой парадокс разрешается.

 

[1]Gribbin J . Q Is for Quantum. Free Press, 1998.

 

[2] Stephen Hawking and Leonard Mlodinow «The Grand Design»

 

Источник: snob.ru


You May Also Like

About the Author: admind

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте, как обрабатываются ваши данные комментариев.