Рождение и эволюция вселенной


Третий этап начался через 380 тысяч лет после Большого взрыва, когда Вселенная стала становиться прозрачной. В прозрачной Вселенной начал распространяться свет. Именно его и зафиксировали Арно Пензиас и Роберт Вилсон в своих экспериментах. С помощью орбитальных телескопов позже была составлена тепловая карта молодой Вселенной. Второй телескоп «Вилсон» в 2001 году дал более четкое изображение, которое ученые используют по сей день.

Через 200 млн лет после Большого взрыва в облаках пыли и газа зажглись первые звезды. Вселенная зажгла огни по все направлениям. Новые звезды стали центрами гравитации для формирования звездных систем, а скопления звезд – центрами будущих галактик, так как в них звезды чаще сливались с образованием сверхмассивных черных дыр. Первые галактики появились через миллиард лет после Большого взрыва, а Солнечная система – через 9 млрд лет.

Теорию Большого взрыва разрабатывали многие ученые, но самый большой вклад внес Стивен Хокинг. Чтобы рассказать про открытие Большого взрыва, я начну с подробного пересказа фильма 2004 г. "Хокинг", основанного на реальных событиях, научных публикациях и общественных записях. "Эта история о поиске начала времени", — говорится в предисловии к фильму. Посмотрите его или прочтите эти диалоги:


Рождение и эволюция вселенной

Молодой Хокинг и его оппоненты вели жаркие споры:
— Я космолог.
— Космология — наука из гетто. Одни только спекуляции и никаких доказательств.
— Нет, это наука!
— Величайшие достижения физики 20 века. Резерфорд, Оппенгеймер. Что они дали нам? Атомную бомбу! В чем смысл спрашивать: "Откуда мы здесь и куда мы движемся?" Если Эйнштейн в вашей модели приготовил нас к чему угодно?
— Позволь мне напомнить, что эти вопросы относятся и к Ньютону. Самолёты не падают, потому что он открыл гравитацию.
— Очень остроумно, но вся эта заумность не имеет никакого отношения к реальному миру. Космологов не интересует реальный мир…

Примерно так выглядели споры Хокинга с профессором Фредом Хойлом относительно его "стационарной модели Вселенной":
— У Вселенной не было никакого начала.


ошлое, настоящее, будущее всегда существовало и всегда будет существовать. Новая материя создана, чтобы заменить устаревшую. Этот процесс всегда существовал и будет продолжаться вечно. Все неизменно, ничего никогда не менялось. Вселенная расширяется по мере того, как Галактики отдаляются друг от друга. Новые Галактики образуются и заполняют образовавшиеся пространства. Новое заменяет старое точно в таком же соотношении. Ничего не меняется. Это очень убедительная теория. И привлекательная.
— Может быть она привлекательна, потому что убедительна?
— На эмоциональном уровне намного труднее принять, то что у Вселенной было начало, что Вселенная существовала не всегда.
— Эйнштейн?
— Никто и не ожидал, что его теория будет предсказывать то, что у Вселенной когда то было начало. Он сбежал от возможности того, что на самом деле у Вселенной может быть начало.
— Потому что он понимал, что такое начало нарушило бы все законы физики.
— Как наука может объяснить что-то, чего не существует?
— В этом то и заключается Теория Большого Взрыва.
— Идея Теории Большого Взрыва в том, что она не верна. Иррациональна и не-правильна. "Большой взрыв", "большой бум" — это звучит по-мультяшному.
— До "Большого Взрыва" не было ничего — ни пространства, ни времени, ни материи, ни науки, никаких правил.
— Что как раз оставляет место для… догадайтесь кого? Бога всемогущего! Религия — это враг науки, молодой человек. Была бы воля Католицизма, мы бы сей-час жили на плоской Земле в центре вселенной. Под нами ничего, и на небесах лишь место для Луны. Сейчас 1963-й и Бог мертв. Держись подальше от "Большого Взрыва": мультики до хорошего не доведут.


Следующей теорией профессора Хойла стала "теория симметричного времени гравитации". Она также была раскритикована молодым Хокингом, который нашел ошибки в математических расчетах. Но научный руководитель Хокинга Деннис Сиама (кафедра прикладной математики и теоретической физики) сказал ему:
— Я знаю, ты можешь сделать еще более блестящие нападки на другие теории. Но сделай что-нибудь свое собственное!

Рождение и эволюция вселенной

Все знают, что Хокинга парализовало в достаточно молодом возрасте. Его недуг — мотонейронное заболевание боковой амниотрофический склероз (БАС), поразивший нервные клетки, которые дают сигналы для движения мышц. У больных БАС эти клетки постепенно умирают, сигналы не отсылаются, мышцы не используются. Мозг перестает давать сигналы, заставляющие мышцы двигаться. Мышцы начинают медленно атрофироваться. Происходит постепенный паралич. Дыхательные мышцы, в отличие от большинства других мышц, работают автоматически. Когда они перестают двигаться, наступает смерть. Мозг остается нетронутым. Чем в более молодом возрасте ты получаешь мотонейроное заболевание — тем быстрее происходит ухудшение. Сиама знал об этом, но не делал Хокингу поблажек. При этом но был внимателен к работе молодого ученого.


Стивен Хокинг

Деннис Сиама понимал, что поблажки недопустимы, и выжить в конкурентной борьбе не просто:
— Мозги, быки и деньги. Физика в этой стране — это кровавое поле боя. Здесь нужны мозги, которых, казалось бы, должно быть достаточно, но это не так. Поэтому еще нужны деньги, чтобы обеспечивать то, над чем ты работаешь. Но чтобы получить от кого-то деньги в этой стране, тебе нужны быки, чтобы вытянуть их. Иначе они пытаются отказывать тебе всякий раз. Ты должен бороться своими зубами и ногтями за то, во что ты веришь. Иначе неприятели остановят тебя.

Кадры из Фильма ХОКИНГ

Как рождалось открытие

К доказательствам Большого взрыва Хокинга привели размышления о времени и коллапсе звезд. Он понял: если повернуть время вспять — придешь к сингулярности. Вот в чем его гениальная догадка:
— Для идеальной звезды возможно такое состояние, в котором она может сколлапсировать — и от неё ничего не останется. Если она имеет форму идеальной звезды, она может сколлапсировать и стать бесконечно плотной. Такой плотной, что все сжимается в ничто. Но для этого должны быть соответствующие условия: она должна быть идеальной сферической формы, очень правильно двигаться. И тогда возникает вероятность того, что гравитационное притяжение станет таким мощным, что ничего не сможет покинуть его.


Хокинг никак не мог понять, когда могут возникнуть такие условия. Но на мысль его навел профессор Роджер Пенроуз. Читая студентам лекцию, он говорил:
— В определённом смысле у вас у всех уже большие бицепсы. Потому что проводите половину своей жизни, расходуя тонны мела, милями чертя что-то на доске. Я так не делаю. У меня есть кое-что магическое и прекрасное, о чем я бы хотел вам рассказать: это стремительно, неумолимо и не требует крепких мышц. И зовётся это Топологией. Изображения вместо уравнений. Как известно, нет ничего быстрее скорости света: почти 300 тысяч километров в секунду. Свет самый быстрый. Настолько быстрый, что с легкостью может преодолеть силу гравитации. Скажем, Солнца или Земли. И сбежать. Скорость достаточно быстрая для того, чтобы преодолеть гравитацию, которая притягивает назад. Но что если бы Солнце было бы сжато сильнее? Что если Солнце сколлапсирует? Тогда плотность станет огромной, и гравитационное притяжение возрастет очень сильно. Тогда ничто не сможет остановить гравитацию. Притягивать всё обратно.


же свет. Образуется сингулярность.
— Что такое сингулярность?
— Сингулярность — это место, где все (материя, свет, пространство, время) складывается в себя и исчезает. В полное и абсолютное ничего. Всё и ничего! До этого момента каждый из вас с вашими большими бицепсами и большими уравнениями всегда говорил: "Ой моё большое уравнение заканчивается на сингулярности, я должно быть где-то ошибся". Эйнштейна это не испугало.
— Сингулярность не может существовать, потому что законы физики не позволяют этого.
— Неверно! Сингулярность существует.
— Для совершенных сфер и идеализированных звезд.
— Нет! Для реальных звёзд! Из реальной звезды тоже может получится сингулярность. Существуют места, где наука и правила перестают работать. Там, где не существует ни материи, ни пространства… ничего! Где всё, включая время, перестает существовать. И там, где коллапсирует звезда, неизбежно образуется сингулярность. Топология не занимается запутанными вещами, типа частиц и того как они движутся, а тем, как всё взаимосвязано.
— Мышление по-крупному?
— Мышление по очень крупному. Это отправляет тебя в такие места, где правила говорят, что ты не можешь туда попасть.

Хокинг и его коллеги размышляли о Вселенной, времени, познании, читали стихи и слушали музыку.
— Моцарт мог пойти спать и проснуться с целой симфонией в голове. И я совершенно не понимаю, как у него это получалось.


зыка — это способ мышления, лежащий за пределами языкового общения. Как можно уложить целую симфонию всего в один момент? Ведь музыка длится определенное время. Может в этом и заключается гениальность: думать, не ограничиваясь временем?
— Все дороги ведут к физике. Я считаю, что математическая мысль может существовать совершенно без слов. Я думаю, что мышление — это невербальный процесс. Я даже думаю, что слова приходят, только чтобы помочь мышлению. Я считаю, что можно размышлять и без слов.
— Поэты всегда были заинтересованы временем. Сжимать его, контролировать его, останавливать его. Настоящее время и прошедшее время, возможно, существуют вместе во времени будущем. И будущее время содержится в прошедшем времени.
— Руперт Брук: "Застынут ли стрелки церковных часов на без десяти три?"
— Уильям Блейк:
"Увидеть небо в полевом цветке.
В песчинке малой — бесконечность,
мир целый удержать в своей руке.
И уместить в мгновенье вечность."
— Лимерик:
"Жила была девочка с именем Яркая,
Чья скорость стремительней света была.
Однажды пустилась в дорогу она —
Вернулась днём ранее".

Вот мысли, которые Хокинг высказывал, приближаясь к своему открытию:
— Галилео ошибался: центр Вселенной абсолютно везде.
— Звёзды так далеки от нас, но они такими не кажутся. Кажется, что можно дотянуться до них рукой и дотронуться.


бе лучше поторопиться, если хочешь дотянуться и дотронуться до них: они удаляются от нас все дальше и дальше. Галактики удаляются от нас. И если в один момент они удаляются со скоростью примерно 6 млн. миль в час, то в другой момент эта скорость уже 200 млн. миль в час.
— Нет ничего дурного в соотношении чувств и науки. Чувства важны. Все лучшие идеи были сперва почувствованы, и потом только оспорены. Эйнштейн говорил, что он чувствовал кончиками своих пальцев, когда идея была верна.
— Время и пространство не существуют раздельно друг от друга. Материя и энергия во Вселенной искривляют и меняют пространство-время.
— Иногда, когда я задумываюсь о нескольких измерениях, мне порой трудно вернуться обратно в реальный мир и сразу начать использовать слова для общения.
— Мы привыкли думать что время у всех одинаковое, что оно просто есть. Тикает одновременно в ногу. Для каждого, где бы он не находился. Как состав поезда, который растягивается до бесконечности. Время было неизменным. Сейчас мы знаем, что это не так. Время — это не та вещь, которая протекает на фоне. Это не тот абсолют, по которому можно всё измерять. Время динамично, активно. Если ты поедешь очень далеко, а я останусь на месте, твое время замедлилось бы относительно моего времени. Но двигаться нужно очень быстро.
— Необходимо поле отрицательной энергии — для того, чтобы создавалась новая материя. Это делает Вселенную нестабильной!


Но вот открытие назрело. Если повернуть время в обратную сторону, тогда коллапс будет взрывом, понял Хокинг. И вот диалог Пенроуза и Хокинга в момент открытия:
— Эйнштейн был прав. На пространственно-временной диаграмме сперва идет пространство. А нужно поставить время. Затем нужно представить изменение направления времени. Когда время начнёт двигаться в противоположном направлении. Двигаясь в космическом пространстве, искривляя пространство-время, световые лучи приближаются друг к другу.
— Что ты хочешь сказать?
— Что если дыра во Вселенной находится в таком месте, где границы этой дыры стремятся к нулевому значению. Вот она, сингулярность! Абсолютное ничего! Это согласуется с теорией об умирающих звездах путём коллапса. Это доказывает, что сингулярность должна существовать.
— Что это означает?
— Коллапс в обратную сторону.
— Что является чем?
— Взрывом. БУМ!
И затем: 15 Октября 1965 г. подпись на диссертации: "Эта диссертация — моя оригинальная работа. Стивен Уильям Хокинг". То, что им сделано, по мнению коллег сравнимо с тем, что сделал Эйнштейн. Эйнштейн, казалось, предсказывал это, но затем отказался. Почему? Устал бороться? Считал свое открытие преждевременным? Скорее сам испугался своей идеи, которую прочувствовал интуитивно. Это не так важно. Важнее, что идея была, и что было, кому ее подхватить.

Кадры из Фильма ХОКИНГ


После своего открытия Хокинг говорит своей супруге Джейн:
— Теперь я займусь теорией всего. До этого я изучал очень большие объекты, а сейчас я хочу заглянуть в очень малые. И посмотреть, смогу ли я объединить гравитацию и квантовую механику.
— Ну и сколько времени может занять разработка Теории всего?
— 20 лет, не больше.
— Не быстро!
— Не быстро, но я верю в возможность. Мы можем достигнуть полного понимания Вселенной.
— Я чувствую себя очень маленькой, когда смотрю на звездное небо.
— Мы очень очень маленькие, но несомненно способны к пониманию очень очень больших вещей.

После долгой и выдающейся карьеры сэр Фрэд Хойл умер в 2001 году. Он так и не принял идею о том, что у Вселенной было начало.

Роджер Пенроуз в 1994 году был удостоен рыцарского звания за заслуги перед наукой. Его теорема сингулярности для коллапсирующих звезд была принята как доказательство существования чёрных дыр в космосе.

Стивен и Джейн Хокинг были женаты 25 лет и родили 3-х детей. Спустя 40 лет после своего диагноза мотонейронного заболевания Стивен является Лукасианским профессором математики в Кембридже. Находясь на позиции, которую когда-то занимал Исаак Ньютон.

Символы научных открытий этих людей в фильме — часы с обратным ходом и сцена в поезде, когда поезд тронулся с места на противоположной платформе, а кажется, что с места тронулся твой поезд. Они демонстрируют принципы относительности движения и времени.

Реликтовое излучение

Кадры из Фильма ХОКИНГ 2

10 Декабря 1978 года Арно Пензиас и Роберт Уилсон получили нобелевскую премию по физике за их открытие микроволнового реликтового излучения, остаточного нагревания Большого Взрыва, открытого в 1965 году Стивеном Хокингом. Перед вручением премии они дали интервью, которое примерно выглядело так:
— Что вы делали?
— Мы измеряли шум, который исходит из-за пределов Млечного пути.
— Что за шум?
— Шум — это нагревание. Чем больше нагревание — тем интенсивней шум. Мы получали много шума, что значит и много нагревания. Намного больше, чем мы должны были получать от Млечного пути. В этом и заключалась наша работа. День ото дня.
— Насколько больше?
— Нагревание, которое мы получали, должно было быть на 2 градуса ниже благодаря "Колдо". Но оно было выше, выше на 3 градуса. Выше чем оно могло бы исходить от Млечного пути. Выше, чем оно могло исходить даже от далёких галактик. И мы подумали, что это исходит от чего-то, что находится ближе к нам.
— Как вы это делали?
— Мы построили установку "Колдо", соединили ее с антенной. Большая, размером с дом, антенна, лежащая на боку, по форме как труба граммофона антенна. Стоит посреди поля на холме, в 20 милях от Нью-Йорка. Направлена на звезды и принимает шипящий шум. Внутрь закачали 5 галлонов жидкого гелия. Это дало возможность провести очень точные расчеты. День за днём мы пытались понять, что это за нагревание, откуда этот шипящий шум?
— Что вы решили?
— У нас был целый список идей. Одна такая: в 1950-е проводились испытания ядерных бомб. И может быть это от них шло остаточное излучение. Но тогда оно должно было бы постоянно уменьшаться. А оно не уменьшалось. Абсолютно постоянное значение. И мы снова возвращались к списку своих идей.
— Какая еще идея была?
— Должно быть, причиной шипящего шума является белый диэлектрический материал внутри трубы антенны? Голубиное дерьмо. В 6 метровой трубе внутри жила пара голубей.
— Что вы сделали?
— Мы отправляли их как почтовых голубей. Люди, на которых мы работали, имели внутреннюю почту и офисы по все Америке. Мы отправляли голубей настолько далеко, насколько мы могли их послать.
— И это работало?
— Они возвращались домой 🙂
— И что же вы сделали?
— Нам приходилось отстреливать голубей. Затем мы вычистили весь тот диэлектрический материал из трубы. Ползая на корточках и на коленях в белых халатах. Нам пришлось ползать там отскребая эти белые какашки. Но голуби оказались ни в чем не виноваты. Мы всё еще получали этот шипящий шум.
— Но что же тогда?
— Тогда мы подумали, что шипящий шум может исходить от Нью-Йорка. Мы решили так: если какой-нибудь из больших городов мира и может давать 3 горячих градуса радио шума, то это должен быть Нью-Йорк. Одна только моя семья может издавать столько шума. Как могли мы заявлять о том, что делаем очень чувствительные радиоастрономические измерения со всеми этими вещами вокруг сделанными человеком. Мы направили антенну на Нью-Йорк. Вся эта энергия, которая распространяется из-за горизонта: шумы от поездов, жужжание от электропроводов, радиосигнал, издаваемый аэропортом, распространяется вокруг в киловаттах. Но Нью-Йорк не был причиной шума. Мы направили 6-ти метровую трубу на город и это дало нам значительное нагревание, но недостаточное.
— Все так сложно?!
— Наука может быть очень медленной. Очень редко бывает, когда всё сразу получается. Здесь нужна аккуратность, твердость воли, посвящение.
— У вас была хоть какая-нибудь идея о том, что это могло быть? Или вы думали, что знали это?
— Этот шум — звук начала времени. Остаточное нагревание от Большого Взрыва. Те 3 градуса, которые до сих пор не остыли. Он везде. Везде и вокруг нас. Ему 13,7 миллиардов лет. И мы обнаружили его. Вот наше открытие.
— Это должно быть возвращение к самому началу.
— Стивен Хокинг, кто он? И когда вы познакомились с ним?
— В 1963.
— Какая для вас была польза от знакомства с ним?
— Для нас не было пользы. Он не был нужен нам. Он был в Англии, мы были в Нью Джерси. Мы даже не знали о его существовании.
— Вы что-нибудь знали о нем?
— Мы ничего о нем не знали.

Большой взрыв

Вот так были сделаны эти два важнейших открытия. А теперь таким же простым языком подытожим:

Есть 4 основных положения Теории Большого взрыва*:

1. Вселенная родилась из взрыва, как единое тело, и с тех пор расширяется во всех направлениях. Если вернуться в точку сосредоточения энергии и материи, назад по оси времени, можно дойти до точки сингулярности.
2. Легкие элементы (такие, как водород) сформировались первыми.
3. Вселенной распространяется свет, возникший в момент Большого взрыва.
4. Есть четкие рамки эволюции у звезд, звездных систем, галактик, галактических кластеров, галактических суперкластеров и т.д.

Что происходит со Вселенной

Вселенная растет, причем с возрастающей скоростью. Растет и расширяется. Процесс расширения Вселенной называют инфляцией. Инфляционная теория развития Вселенной создана Аланом Гутом. С большой вероятностью жизнь Вселенной, начавшаяся с Большого взрыва, закончится "большим разрывом". Сначала расширение просто увеличит расстояние между галактиками, затем между звездными системами, но в конце концов разорвет даже атомы. Причем, чтобы разорвать Солнечную систему, понадобятся сотни тысяч лет, а чтобы разорвать Землю – всего пол часа земного времени. Большой разрыв произойдет примерно через 50 млрд лет. Ответственна за это темная энергия. Эдвин Хаббл обнаружил расширение Вселенной в 1920-х, но только в 1998 году было обнаружено, что это расширение ускоряется. Все эти угрозы заставляют задуматься, насколько хрупка жизни на Земле.

Большой взрыв создал неоднородную Вселенную, состоящую из скоплений вещества и энергии и пустот. Именно это сделало возможным появление жизни. Что было до Большого взрыва — мы не знаем. Сингулярность – это линия горизонта, за которую нам скорее всего никогда не заглянуть. Но есть мнение, что Большие взрывы – периодические явления, и что окончание жизни Вселенной означает начало жизни новой Вселенной, а значит и новый Большой взрыв. Это теория цикличности Больших взрывов. По этой теории раз в триллион лет Вселенная дает большой взрыв, расширяется, затем схлопывается, и все начинается по новой.

Как изучают Вселенную

После таких утверждений возникает закономерный вопрос: как именно устанавливают подобные факты? Ученые обычно проходят путь от теоретических рассуждений к наблюдениям и опытам с помощью специальной техники. Например, телескопов, орбитальных и наземного базирования. В апреле 1990 года шатл «Дискавери» вывел на орбиту телескоп «Хаббл», который помог установить возраст Вселенной — 13,7 млрд лет.

Рождение и эволюция вселенной

Орбитальный телескоп Хаббл

Для изучения реликтового излучения на орбиту была выведена обсерватория Планка. За открытие специфических свойств реликтового излучения (анизотропии) еще два физика — Джордж Смут и Джон Мазер — получили нобелевскую премию по физике в 2006 году. Их работа подтвердила наличие реликтового излучения и расширила представления о нем. Ученые составили карту горячих и холодных участков Вселенной.

Рождение и эволюция вселенной

Панорама анизотропии реликтового фона с холодными (синими) и горячими (красными) участками

Карты микроволнового излучения Вселенной значительно уточнили телескопы Вилкинсона и Планка. А в 1990-х начали составлять трехмерные карты Вселенной. В будущем NASA планирует запустить новые орбитальные телескопы, задачей которых будет более точная фиксация остаточного излучения Большого взрыва.

Продолжение следует

Примечания:

*Использованы материалы фильма "Загадки Вселенной".

Весь проект: Вселенная, Млечный путь и Солнечная система

Источник: digitall-angell.livejournal.com

Содержание

Введение.

Теория Большого Взрыва

Строение вселенной

Солнечная система

Заключение

Литература

Введение

До начала прошлого века было всего два взгляда на происхождение нашей Вселенной. Ученые полагали, что она вечна и неизменна, а богословы говорили, что Мир сотворен и у него будет конец. Двадцатый век, разрушив очень многое из того, что было создано в предыдущие тысячелетия, сумел дать свои ответы на большинство вопросов, занимавших умы ученых прошлого. И быть может, одним из величайших достижений ушедшего века является прояснение вопроса о том, как возникла Вселенная, в которой мы живем, и какие существуют гипотезы по поводу ее будущего. Для поиска ответа на все эти непростые ответы была отведена специальная ниша в астрономии — космология.

Космология попыталась дать ответы на эти вопросы. Была создана теория Большого Взрыва, а так же теории, описывающие первые мгновения рождения Вселенной, ее появление и структуризации.

Всё это позволяет нам понять сущность физических процессов, показывает источники, создающие современные законы физики, даёт возможность прогнозировать дальнейшую судьбу Вселенной.

Поэтому космология, как и любая другая наука живет и бурно развивается, принося все новые и новые фундаментальные знания об окружающем нас мире.

Данная работа посвящена эволюции Вселенной: в ней рассматриваются первые мгновения жизни Вселенной, её дальнейшая эволюция и модели будущего развития Вселенной.

Теория Большого Взрыва

Утверждение «Вселенная существовала всегда» оставляет место для вопроса, всегда ли она была такой, какой мы видим ее сейчас. Вплоть до начала ХХ века, когда возникла теория относительности Альберта Эйнштейна, в научном мире общепринятой была теория бесконечной в пространстве и во времени, однородной и статичной Вселенной. О безграничности Вселенной сделал предположение Исаак Ньютон (1642-1726), а философ Эммануил Кант (1724-1804) развил эту идею, допустив, что вселенная не имеет начала и во времени. Он объяснял все процессы во Вселенной законами механики, незадолго до его рождения описанными Исааком Ньютоном.

Наблюдения астрономов 18-19 веков за движением планет подтвердили космологическую модель Вселенной Канта, и она из гипотезы превратилась в теорию, а к концу 19 века считалась непререкаемым авторитетом. Этот авторитет не мог поколебать даже так называемый «парадокс тёмного ночного неба». Почему парадокс? потому что в модели кантовской Вселенной сумма яркостей звёзд должна создавать бесконечную яркость.

Но мы этого не видим. Зато мы обнаружили, что имеет место красное смещение. И мы полагаем, что все галактики разлетаются. Это означает, что когда-то все они были поблизости друг от друга, в какой-то малой области. А в «остальном пространстве» было пусто, и, значит, говорить о том, что равномерное распределение сохранялось постоянно, не приходится. Таким образом, Вселенная эволюционирует. В настоящее время полагают, что примерно 15 млрд. лет назад или более все вещество было сосредоточено в одной точке. Такая ситуация не позволяет говорить о существовании даже таких основополагающих понятий, как пространство и время. Не было тогда ни пространства, ни времени в обычном смысле. Затем произошел Большой Взрыв, в результате которого образовались протоны, электроны и другие элементарные частицы. Взаимодействие излучения с веществом на определенном этапе привело к тому, что излучение и вещество стали эволюционировать с разным темпом. Об этом мы можем догадаться по существованию так называемого реликтового излучения, характеризующего раннюю стадию развития Вселенной, которое сейчас наблюдается в виде однородного фона длинноволнового излучения, наблюдаемого с любого направления. Частицы стремительно разлетались, взаимодействуя между собой в условиях гигантских температур, постепенно образовались облака, звезды, в недрах которых идут процессы ядерного синтеза тяжелых элементов, и к настоящему времени мы имеем то, что имеем.

Но к чему же это все приведет? Все зависит от того, какова средняя плотность вещества во Вселенной. Если она больше некоторого критического значения, то реализуется модель замкнутой Вселенной. Под действием сил гравитационного притяжения расширение прекратится (примерно еще через 25 млрд. лет) и начнется сжатие, в результате которого все вещество вновь сожмется в точку. Если же плотность меньше критической, то гравитационные силы не смогут остановить расширение. Реализуется модель открытой Вселенной. Через 1015 лет звезды остынут, через 1019 они покинут свои галактики, еще через невообразимо большие промежутки времени (если известные сейчас физические законы все еще будут действовать) в результате радиоактивного распада все вещество превратится в железо, еще гораздо позже железные «капли» превратятся в нейтронные звезды и черные дыры, которые через 1067 лет испарятся. Оценить плотность наблюдаемой Вселенной непросто, хотя последние данные указывают на то, что, вероятно, она ниже критической, и Вселенная является открытой.

“Большой взрыв” продолжался сравнительно недолго, всего лишь одну тридцатитысячную нынешнего возраста Вселенной. Несмотря на краткость срока, это всё же была самая славная эра Вселенной. Никогда после этого эволюция Вселенной не была столь стремительна, как в самом её начале, во время “большого взрыва”. Все события во Вселенной в тот период касались свободных элементарных частиц, их превращений, рождения, распада, аннигиляции.

Рождение и эволюция вселеннойИсточник: mirznanii.com

Космологи продолжают продвигаться к окончательному постижению процессов, сотворивших и сформировавших Вселенную.

Рождение и эволюция вселенной

Вселенная настолько велика в пространстве и во времени, что в течение почти всей истории человечества она оставалась недоступной как для наших приборов, так и для нашего разума. Но все изменилось в XX в., когда появились новые идеи — от общей теории относительности Эйнштейна до современных теорий элементарных частиц. Успех был достигнут также благодаря мощным приборам — от 100- и 200-дюймовых рефлекторов, созданных Джорджем Эллери Хейлом (George Ellery Hale) и открыв- шем для нас галактики за пределами Млечного Пути, до космическо- го телескопа «Хаббл», перенесшего нас в эпоху рождения галактик. За последние 20 лет прогресс ускорился. Стало ясно, что темная материя состоит не из обычных атомов, что существует темная энергия. Роди- лись смелые идеи о космической инфляции и множественности все- ленных.

Сто лет назад Вселенная была проще: вечная и неизменная, состоящая из одной галактики, содер- жащей несколько миллионов видимых звезд. Современная картина намного сложнее и гораздо богаче. Космос возник 13,7 млрд лет назад в результате Большого взрыва. Через долю секунды после начала Вселенная была горячей бесформенной смесью элементарных частиц — кварков и лептонов. По мере расширения и охлаждения шаг за ша- гом возникали структуры: нейтроны и протоны, атомные ядра, атомы, звезды, галактики, скопления галактик и, наконец, сверхскопления. В наблюдаемой части Вселенной сейчас содержится 100 млрд галактик, в каждой из них около 100 млрд звезд и, вероятно, столько же планет. Сами галактики удерживаются от расширения гравита- цией загадочной темной материи. А Вселенная продолжает расширяться и даже делает это с ускоре- нием под действием темной энергии — еще более загадочной формы энергии, чья гравитационная сила не притягивает, а отталкивает.

Главная тема нашего рассказа о Вселенной — это эволюция от примитивного кваркового «супа» к нарастающей сложности галактик, звезд, планет и жизни, наблюдаемой сегодня. Эти структуры появлялись одна за другой в течение миллиардов лет, повинуясь основным законам физики. Путешествуя в прошлое, к эпохе зарождения, космологи сначала продвигаются через детально изученную историю Вселенной назад, к первой микросекунде, затем к $10^{–34}$ с от начала (об этом времени есть ясные идеи, но пока нет их четкого подтверждения) и, наконец, к самому моменту рождения (о котором существуют пока лишь догадки). Хотя мы еще не в силах до конца понять, как родилась Вселенная, у нас уже есть потрясающие гипотезы, такие как понятие о множественной вселенной, включающей в себя бесконечное число не связанных между собой субвселенных.

Расширяющаяся Вселенная

В 1924 г. с помощью 100-дюймового телескопа «Хукер» Маунт-Вилсоновской обсерватории Эдвин Хаббл обнаружил, что расплывчатые туман- ности, остававшиеся загадочными несколько столетий, — это такие же галактики, как наша. Тем самым Хаббл увеличил наше представ- ление о Вселенной в 100 млрд раз! А через несколько лет он доказал, что галактики удаляются друг от друга, подчиняясь математической закономерности, известной теперь как закон Хаббла: чем дальше галактика, тем быстрее она движется. Именно из этого закона следует, что Большой взрыв был 13,7 млрд лет назад.

Рождение и эволюция вселенной
КОСМИЧЕСКОЕ РАСШИРЕНИЕ
Эволюция Вселенной происходит в резуль- тате расширения пространства. Поскольку пространство растягивается, как оболочка воздушного шарика, галактики удаляют- ся друг от друга, а световые волны удлиняются (краснеют).

В рамках общей теории относительности закон Хаббла толкуется так: само пространство расширяется, а галактики перемещаются вместе с ним (рис. вверху). Свет тоже растягивается, испытывая красное смещение, а значит, теряя энергию, поэтому Вселенная при расширении охлаждается. Космическое расширение помогает по- нять, как сформировалась современная Вселенная. Если мысленно устремиться в прошлое, то Вселенная будет становиться все плотнее, горячее, необычнее и проще. Приближаясь к самому началу, мы соприкасаемся с самыми глубинными механизмами природы, используя ускоритель мощнее любого из построенных на Земле — сам Большой взрыв.

Вглядываясь через телескоп в пространство, астрономы буквально попадают в прошлое — и чем больше телескоп, тем глубже проникает их взгляд. Свет, приходящий от далеких галактик, демонстрирует нам древние эпохи, а его крас- ное смещение показывает, насколько расширилась Вселенная за про- шедшее время. Наблюдаемое сейчас рекордное красное смещение около восьми, значит, этот свет был испущен, когда размер Вселенной был в девять раз меньше нынешнего, а возраст — всего лишь несколько сотен миллионов лет. Такие приборы, как космический телескоп «Хаббл» и десятиметровые телескопы «Кек» на Мауна-Кеа, запросто переносят нас в эпоху формирования галактик, подобных нашей — через несколько миллиардов лет после Большого взрыва. Свет из более ранних эпох настолько сильно смещен в красную часть спектра, что астрономы вынуждены принимать его в инфракрасном и радиодиапазонах. Строящиеся телескопы, такие как инфракрасный космический телескоп «Джеймс Уэбб» диаметром 6,5 м и Большой атакамский миллиметровый комплекс (Atacama Large Millimeter Array, ALMA) — сеть из 64 радиотелескопов на севере Чили, — перенесут нас в прошлое, к эпохе рождения самых первых звезд и галактик.

Компьютерное моделирование показывает, что эти звезды и галак- тики появились, когда возраст Вселенной был около 100 млн лет. Перед этим Вселенная прошла через период, называемый темной эрой, когда она была черной как смоль. Пространство заполняла бесформенная масса из пяти частей темной материи и одной части водорода с гелием, которая разрежалась по мере расширения Вселенной. Вещество было немного неоднородным по плотности, а гравитация действовала как усилитель этих неоднородностей: более плотные области расширялись медленнее, чем менее плотные. К моменту 100 млн лет наиболее плотные области не только замедлили свое расширение, но даже начали сжиматься. Каждая из таких зон содержала около 1 млн солнечных масс вещества; они-то и стали первыми гравитационно связанными объектами в космосе.

Основную часть их массы составляла темная материя, не способная, согласно своему названию, излучать или поглощать свет. Поэтому она образовывала весьма протяженные облака. С другой стороны, водород и гелий, излучая свет, теряли энергию и сжимались к центру каждого облака. В конце концов они съеживались настолько, что превращались в звезды. Эти первые объекты были значительно массивнее современных — сотни масс Солнца. Прожив очень короткую жизнь, они взрывались, выбрасывая в прост-ранство первые тяжелые элементы. Спустя несколько миллиардов лет эти облака с массами в миллионы солнечных под действием гравитации сгруппировались в первые галактики.

Излучение от самых первых водородных облаков, испытавшее сильное красное смещение из-за расширения, можно было бы зарегистрировать с помощью огромных комплексов радиоантенн с общей приемной площадью около квадратного километра. Когда эти радиотелескопы будут созданы, станет известно, как первое поколение звезд и галактик ионизовало водород и тем самым завершило темную эру (см.: Лоеб А. Темные века Вселенной // ВМН, № 3, 2007).

Рождение и эволюция вселенной

Слабый отблеск горячего начала

Позади темной эры заметен отблеск горячего Большого взрыва при крас- ном смещении 1100. Это изначально видимое (красно-оранжевое) излуче- ние из-за красного смещения стало даже не инфракрасным, а микровол- новым. Заглядывая в ту эпоху, мы ви- дим лишь стену микроволнового из- лучения, заполняющего все небо — космическое микроволновое фоно- вое излучение, открытое в 1964 г. Арно Пензиасом (Arno Penzias) и Ро- бертом Уилсоном (Robert Wilson). Это слабый отсвет Вселенной, пре- бывавшей в младенческом возрас- те 380 тыс. лет, в эпоху формирова- ния атомов. До этого она была почти однородной смесью атомных ядер, электронов и фотонов. Когда Вселен- ная охладилась до температуры око- ло 3000 К, ядра и электроны начали объединяться в атомы. Фотоны пе- рестали рассеиваться на электронах и стали свободно двигаться сквозь пространство, демонстрируя, какой была Вселенная задолго до рождения звезд и галактик.

Рождение и эволюция вселенной

В 1992 г. спутник NASA «Исследователь фонового излучения» (Cosmic Background Explorer, COBE) обнаружил, что интенсивность этого излучения немного меняется — пример но на 0,001%, указывая на слабую неоднородность в распределении вещества. Степень первичной неоднородности оказалась достаточной, чтобы малые уплотнения стали «затравкой» для будущих галактик и их скоплений, которые позже выросли под действием гравитации. Распределение неоднородностей фонового излучения по небу свидетельствует о важных свойствах Вселенной: о ее средней плотности и составе, о самых ранних этапах ее эволюции. Тщательное изучение этих неоднородностей поведало нам многое о Вселенной.

Рождение и эволюция вселенной
КОСМИЧЕСКОЕ МИКРОВОЛНОВОЕ ФОНОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ — это изображение Вселенной в младенческом возрасте 380 тыс. лет. Слабые вариации интенсивности этого излучения (отмечены цветом) служат космическим Розеттским камнем, дающим ключ к загадкам Вселенной — ее возрасту, плотности, составу и геометрии.

Рождение и эволюция вселенной
СВЕРХГЛУБОКОЕ ПОЛЕ «ХАББЛА», самое чувствительное из когда-либо полученных изображений космоса, запечатлевшее более 1 тыс. галактик на ранней стадии их формирования.

Продвигаясь от этой точки назад, к началу эволюции Вселенной, мы увидим, как первичная плазма становится все более горячей и плотной. До возраста около 100 тыс. лет плотность энергии излучения была выше, чем у вещества, что и удерживало вещество от фрагментации. А в этот момент началось гравитационное скучивание всех структур, наблюдаемых сейчас во Вселенной. Еще ближе к началу, когда возраст Вселенной был менее одной секунды, не было атомных ядер, а только лишь их составляющие — протоны и нейтроны. Ядра возникли, когда Вселенной исполнилось несколько секунд, и температура и плотность стали подходящими для ядерных реакций. В этом нуклеосинтезе Большого взрыва родились только легкие химические элементы: много гелия (около 25% по массе от всех атомов Вселенной) и немного лития, дейтерия и гелия-3. Остальная плазма (около 75%) осталась в форме протонов, которые со временем стали атомами водорода. Все остальные элементы Периодической таблицы родились миллиарды лет спустя в недрах звезд и при их взрывах.

Рождение и эволюция вселенной
ВСЕЛЕННАЯ СОСТОИТ в основном из темной энергии и темной материи; природа обеих неизвестна. Обычное вещество, из которого сформированы звезды, планеты и межзвездный газ, составляет лишь малую долю.

Теория нуклеосинтеза точно предсказывает содержание элементов и изотопов, измеренное в наиболее древних объектах Вселенной — в самых старых звездах и газовых облаках с большим красным смещением. Содержание дейтерия, очень чувствительное к средней плотности атомов во Вселенной, играет особую роль: его измеренное значение показывает, что обычное вещество составляет (4,5 ± 0,1)% от полной плотности энергии. Остальное — темная материя и темная энергия. Это в точности согласуется с данными о составе, полученными из анализа фонового излучения. Такое соответствие — огромное достижение. Ведь это два совершенно разных измерения: первое основано на ядерной физике и относится к Вселенной в возрасте 1 с, а второе — на атомной физике и свойствах Вселенной в возрасте 380 тыс. лет. Их согласованность — важный тест не только для наших моделей эволюции космоса, но и для всей современной физики.

Ответы в кварковом супе

До возраста в одну микросекунду не было даже протонов и нейтронов; Вселенная была похожа на суп из базовых элементов природы: кварков, лептонов и переносчиков сил (фотонов, W- и Z-бозонов и глюонов). Мы уверены, что этот «суп с кварками» действительно существовал, поскольку физические условия той эпохи воспроизводятся сейчас в экспериментах на ускорителях частиц (см.: Райордэн М., Зэйц У. Первые микросекунды // ВМН, № 8, 2006).

Изучить ту эпоху космологи надеются не с помощью больших и зорких телескопов, а опираясь на глубокие идеи физики элементарных частиц. Создание Стандартной модели физики частиц 30 лет назад привело к смелым гипотезам, включая теорию струн, пытающуюся объединить казалось бы не связанные между собой частицы и силы. В свою очередь, эти новые идеи нашли приложение в космологии, став такими же важными, как исходная идея горячего Большого взрыва. Они указали на глубокую и неожиданную связь между микромиром и большой Вселенной. Возможно, вскоре мы получим ответы на три ключевых вопроса: какова природа темной материи, в чем причина асимметрии между веществом и антивеществом и как возник комковатый кварковый суп.

Судя по всему, темная материя родилась в эпоху первичного кваркового супа. Природа темной материи пока не ясна, но ее существование не вызывает сомнений. Наша Галактика и все другие галактики, а также их скопления удерживаются тяготением невидимой темной материи. Чем бы она ни была, она должна слабо взаимодействовать с обычным веществом, иначе она как-то проявила бы себя помимо гравитации. Попытки описать единой теорией все наблюдаемые в природе силы и частицы приводят к предсказанию стабильных или долгоживущих частиц, из которых могла бы состоять темная материя. Эти частицы могут быть реликтом эпохи кваркового супа и очень слабо взаимодействовать с атомами. Один из кандидатов — нейтралино, легчайшая из частиц недавно предсказанного класса массивных копий известных частиц. Нейтралино должно иметь массу от 100 до 1000 масс протона, т.е. оно должно рождаться в экспериментах на Большом адронном коллайдере в ЦЕРНе вблизи Женевы. К тому же, пытаясь поймать эти частицы из космоса (или же продукты их взаимодействия), физики создали сверхчувствительные детекторы под землей, а также запускают их на аэростатах и спутниках.

Второй кандидат — аксион, сверхлегкая частица с массой примерно в триллион раз меньше, чем у электрона. На ее существование указывают тонкие различия, предсказанные Стандартной моделью в поведении кварков. Попытки зарегистрировать аксион опираются на тот факт, что в очень сильном маг-нитном поле он может превратиться в фотон. Как нейтралино, так и аксион обладают важным свойством: физики называют эти частицы «холодными». Несмотря на то что они рождаются при очень высокой температуре, движутся они медленно и поэтому легко группируются в галактики.

Вероятно, еще один секрет кроется в эпохе первичного кваркового супа: почему сейчас Вселенная содержит только вещество и почти не содержит антивещества. Физики считают, что вначале у Вселенной их было в равном количестве, но в некоторый момент возник маленький избыток вещества — примерно один лишний кварк на каждый миллиард антикварков. Благодаря этому дисбалансу при аннигиляции кварков с антикварками в процессе расширения и охлаждения Вселенной сохранилось достаточно кварков. Более 40 лет назад эксперименты на ускорителях показали, что законы физики устроены немного в пользу вещества; именно это малое предпочтение в процессе взаимодействия частиц на очень раннем этапе привело к рождению избытка кварков.

Вероятно, сам кварковый суп возник очень рано — примерно через $10^{-34}$ с после Большого взрыва, во всплеске космического расширения, известного как инфляция. Причиной этого всплеска стала энергия нового поля, напоминающего электромагнитное поле и на-званного инфлатоном. Именно инфляция должна объяснить такие фундаментальные свойства космоса, как его общую однородность и мелкие флуктуации плотности, породившие галактики и другие структуры во Вселенной. Когда инфлатон распался, он передал свою энергию кваркам и другим частицам, создав таким образом тепло Большого взрыва и сам кварковый суп.

Теория инфляции демонстрирует глубокую связь между кварками и космосом: квантовые флуктуации инфлатона, существовавшие на субатомном уровне, выросли до астрофизических размеров благодаря быстрому расширению и стали зародышем для всех наблюдаемых сегодня структур. Иными словами, картина микроволнового фонового излучения на небе — это гигантское изображение субатомного мира. Наблюдаемые свойства этого излучения согласуются с теоретическим прогнозом, доказывая, что инфляция или нечто ей подобное действительно произошло в очень ранней истории Вселенной.

Рождение Вселенной

Когда космологи пытаются продвинуться еще дальше и понять самое начало Вселенной, их суждения становятся менее уверенными. В течение века общая теория относительности Эйнштейна была основой изучения эволюции Вселенной. Но она не согласуется с другим столпом современной физики — квантовой теорией, поэтому важнейшая задача — примирить их друг с другом. Только с такой объединенной теорией мы сможем продвинуться к самым ранним моментам эволюции Вселенной, к так называемой эре Планка с возрастом $10^{–43}$ с, когда формировалось само пространство-время.

Пробные варианты единой теории предлагают нам удивительные картины самых первых мгновений. Например, теория струн предсказывает существование дополнительных измерений пространства и, возможно, наличие других вселенных в этом суперпространстве. То, что мы называем Большим взрывом, могло быть столкновением нашей Вселенной с другой (см.: Венециано Г. Миф о начале времен // ВМН, № 8, 2004). Сочетание теории струн с теорией инфляции приводит, возможно, к самой грандиозной идее — к представлению о множественной Вселенной (multiverse), состоящей из бесконечного числа несвязанных частей, в каждой из которых свои физические законы (см.: Буссо Р., Полчински Й. Ландшафт теории струн // ВМН, № 12, 2004).

Рождение и эволюция вселенной

Идея множественной Вселенной еще находится в развитии и нацелена на две важнейшие теоретические проблемы. Во-первых, из уравнений, описывающих инфляцию, следует, что если она произошла один раз, то процесс будет происходить вновь и вновь, порождая бесконечное число «раздутых» областей. Они так велики, что не могут сообщаться друг с другом и поэтому не влияют друг на друга. Во-вторых, теория струн указывает, что эти области имеют разные физические параметры, такие как число пространственных измерений и семейства стабильных частиц.

Концепция множественной Вселенной позволяет по-новому взглянуть на две сложнейшие научные проблемы: что было до Большого взрыва и почему законы физики именно таковы? (Вопрос Эйнштейна: «Был ли у Бога выбор?» относился именно к таким законам.) Множественная Вселенная делает бессмысленным вопрос о том, что было до Большого взрыва, поскольку происходило бесконечное число больших взрывов, и каждый порождал свой всплеск инфляции. Вопрос Эйнштейна тоже теряет смысл: в бесконечном количестве вселенных реализуются все возможные варианты законов физики, поэтому законы, управляющие нашей Вселенной, не представляет собой что-то особенное.

Космологи неоднозначно относятся к идее множественной Вселенной. Если между отдельными субвселенными действительно нет связи, то мы не сможем убедиться в их существовании; фактически они находятся за пределами научных зна-ний. Часть меня хочет закричать: «Пожалуйста, не более одной Вселенной!» Но с другой стороны, идея множественной Вселенной решает ряд принципиальных проблем. Если она верна, то хаббловское расширение Вселенной всего лишь в 100 млрд раз и коперниковское изгнание Земли из центра Вселенной в XVI в. покажутся лишь малым дополнением к нашему осознанию своего места в космосе.

Современная космология по сути унижает нас. Мы состоим из протонов, нейтронов и электронов, которые в совокупности составляют всего 4,5% Вселенной; мы существуем лишь благодаря тончайшим связям между самым малым и самым большим. Законы микрофизики обеспечили доминирование вещества над антивеществом, появление флуктуаций, ставших затравкой для галактик, заполнение пространства частицами темной материи, обеспечившей гравитационную инфраструктуру, которая позволила сформироваться галактикам, прежде чем возобладала темная энергия, а расширение начало ускоряться (врезка вверху). В то же время космология по своей природе высокомерна. Мысль о том, что мы можем понять что-то в таком безбрежном океане пространства и времени, как наша Вселенная, на первый взгляд кажется абсурдной. Эта странная смесь скромности и самоуверенности позволила нам за прошедший век весьма далеко продвинуться в понимании строения современной Вселенной и ее эволюции. Я с оптимизмом жду дальнейшего прогресса в ближайшие годы и совершенно уверен, что мы живем в золотой век космологии.

Рождение и эволюция вселенной
Если бы во Вселенной было еще больше темной энергии, она бы осталась почти бесформенной (слева), без тех крупных структур, которые мы видим (справа).

Перевод: В.Г. Сурдин

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ЛИТЕРАТУРА

  • The Early Universe. Edward W. Kolb and Michael S. Turner. Westview Press, 1994.
  • The Inflationary Universe. Alan Guth. Basic, 1998.
  • Quarks and the Cosmos. Michael S. Turner in Science, Vol. 315, pages 59–61; January 5, 2007.
  • Dark Tnergy and the Accelerating Uni- verse. Joshua Frieman, Michael S. Turn- er and Dragan Huterer in Annual Reviews of Astronomy and Astrophysics, Vol. 46, pages 385–432; 2008. Доступно онлайн: arxiv.org.
  • Черепащук А.М., Чернин А.Д. Гори- зонты Вселенной. Новосибирск: Изд- во СО РАН, 2005.

ОБ АВТОРЕ

Майкл Тернер (Michael S. Turner) первым взялся за объединение физики частиц, астрофизики и космологии и в начале нынешнего десятилетия возглавил работу Национальной академии в этой новой области исследований. Он профессор Института космологической физики Фонда Кавли в Чикагском университете. С 2003 по 2006 г. он возглавлял отделение физико-математических наук Национального научного фонда. Среди его наград премия Уорнера Американского астрономического общества, премия Лилиенфельда Американского физического общества и премия Клопстега Американской ассоциации учителей физики.

Источник: www.modcos.com

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.

Тайны 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.

Ученые обнаружили неизвестный источник гравитационных волн

Планковская эра предположительно длилась от 0 до 10-43 секунды и названа она так потому, что измерить ее продолжительность можно только планковским 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.

Чтобы не пропустить ничего интересного из мира высоких технологий, подписывайтесь на наш новостной канал в Telegram. Там вы узнаете много нового.

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.

Охлаждение Вселенной

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.

Как думаете, как как космос изменит человечество в будущем?

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 Вселенной 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.

Структурирование Вселенной

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.

Что будет со 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?

Разгадка у нас в руках? Исследователи нашли возможную причину Большого Взрыва

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.

Большой взрыв — в таком виде

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.

Заходите в наш специальный Telegram-чат. Там всегда есть с кем обсудить новости из мира высоких технологий.

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.

Источник: Hi-News.ru


You May Also Like

About the Author: admind

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

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