Как появилась наша вселенная: Мир, рожденный из ничего: как возникла Вселенная и что ждет ее в будущем

Мир, рожденный из ничего: как возникла Вселенная и что ждет ее в будущем

Полученные научные данные позволили сделать вывод, что наша Вселенная родилась около 15 миллиардов лет назад в результате Большого взрыва (к 2023 году было уточнено, что Большой взрыв произошел примерно 13,8 млрд лет назад. — Прим. Vokrugsveta.ru). Но что именно взорвалось в тот момент и что, собственно, существовало до Большого взрыва, по-прежнему оставалось загадкой.

Начальное инфляционное расширение Вселенной происходило существенно быстрее наблюдаемого сегодня. И именно в эти первые мгновения всё ускоряющейся экспансии инфлатонного поля и возникли все необходимые предпосылки для развития нашей Метагалактики

Фото

Bernadett Pogácsás-Simon / Alamy via Legion Media

Созданная в конце XX века инфляционная теория появления нашего мира позволила существенно продвинуться в разрешении этих вопросов, и общая картина первых мгновений Вселенной сегодня уже неплохо прорисована, хотя многие проблемы еще ждут своего часа.

Научный взгляд на сотворение мира

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.

Простой астрономический факт — расширение нашей Вселенной — привел к полному пересмотру всех космогонических концепций и разработке новой физики — физики возникающих и исчезающих миров. Менее 100 лет назад Эдвин Хаббл обнаружил, что свет от более далеких галактик «краснее» света от более близких. Причем скорость разбегания оказалась пропорциональна расстоянию от Земли (закон расширения Хаббла).

Обнаружить это удалось благодаря эффекту Доплера (зависимости длины волны света от скорости источника света). Поскольку более далекие галактики кажутся более «красными», то предположили, что и удаляются они с большей скоростью. Кстати, разбегаются не звезды и даже не отдельные галактики, а скопления галактик. Ближайшие от нас звезды и галактики связаны друг с другом гравитационными силами и образуют устойчивые структуры. Причем в каком направлении ни посмотри, скопления галактик разбегаются от Земли с одинаковой скоростью, и может показаться, что наша Галактика является центром Вселенной, однако это не так. Где бы ни находился наблюдатель, он будет везде видеть все ту же картину — все галактики разбегаются от него.

Но такой разлет вещества обязан иметь начало. Значит, все галактики должны были родиться в одной точке. В момент такого взрыва температура была очень большой, и должно было появиться очень много квантов света. Конечно, со временем все остывает, а кванты разлетаются по возникающему пространству, но отзвуки Большого взрыва должны были сохраниться до наших дней.

Первое подтверждение факта взрыва пришло в 1964 году, когда американские радиоастрономы Р. Вильсон и А. Пензиас обнаружили реликтовое электромагнитное излучение с температурой около 3° по шкале Кельвина (–270°С). Именно это открытие, неожиданное для ученых, убедило их в том, что Большой взрыв действительно имел место и поначалу Вселенная была очень горячей.

Теория Большого взрыва позволила объяснить множество проблем, стоявших перед космологией. Но, к сожалению, а может, и к счастью, она же поставила и ряд новых вопросов. В частности: Что было до Большого взрыва? Почему наше пространство имеет нулевую кривизну и верна геометрия Евклида, которую изучают в школе? Если теория Большого взрыва справедлива, то отчего нынешние размеры нашей Вселенной гораздо больше предсказываемого теорией 1 сантиметра? Почему Вселенная на удивление однородна, в то время как при любом взрыве вещество разлетается в разные стороны крайне неравномерно? Что привело к начальному нагреву Вселенной до невообразимой температуры более 10¹³ К?

Все это указывало на то, что теория Большого взрыва неполна. Долгое время казалось, что продвинуться далее уже невозможно. Только в 1970-80-х благодаря работам российских физиков Э. Глинера и А. Старобинского, а также американца А. Гута было описано новое явление — сверх-быстрое инфляционное расширение Вселенной. Описание этого явления основывается на хорошо изученных разделах теоретической физики — общей теории относительности Эйнштейна и квантовой теории поля. Сегодня считается общепринятым, что именно такой период, получивший название «инфляция», предшествовал Большому взрыву.

Суть инфляции

При попытке дать представление о сущности начального периода жизни Вселенной приходится оперировать такими сверхмалыми и сверхбольшими числами, что наше воображение с трудом их воспринимает. Попробуем воспользоваться некоей аналогией, чтобы понять суть процесса инфляции.

Представим себе покрытый снегом горный склон, в который вкраплены разнородные мелкие предметы — камешки, ветки и кусочки льда. Кто-то, находящийся на вершине этого склона, сделал небольшой снежок и пустил его катиться с горы.

Двигаясь вниз, снежок увеличивается в размерах, так как на него налипают новые слои снега со всеми включениями. И чем больше размер снежка, тем быстрее он будет увеличиваться. Очень скоро из маленького снежка он превратится в огромный ком. Если склон заканчивается пропастью, то он полетит в нее со все более увеличивающейся скоростью. Достигнув дна, ком ударится о дно пропасти и его составные части разлетятся во все стороны (кстати, часть кинетической энергии кома при этом пойдет на нагрев окружающей среды и разлетающегося снега).

Карта температуры реликтового излучения, полученная европейским спутником. Вариации температуры от точки к точке не превышают одной десятитысячной градуса Кельвина

Фото

ESA / Globe Photos via Legion Media

Теперь опишем основные положения теории, используя приведенную аналогию. Прежде всего физикам пришлось ввести гипотетическое поле, которое было названо «инфлатонным» (от слова «инфляция»). Это поле заполняло собой все пространство (в нашем случае — снег на склоне). Благодаря случайным колебаниям оно принимало разные значения в произвольных пространственных областях и в различные моменты времени.

Ничего существенного не происходило, пока случайно не образовалась однородная конфигурация этого поля размером более 10^-33 см. Что же касается наблюдаемой нами Вселенной, то она в первые мгновения своей жизни, по-видимому, имела размер 10^-27 см. Предполагается, что на таких масштабах уже справедливы основные законы физики, известные нам сегодня, поэтому можно предсказать дальнейшее поведение системы.

Оказывается, что сразу после этого пространственная область, занятая флуктуацией (от лат. fluctuatio — «колебание», случайные отклонения наблюдаемых физических величин от их средних значений), начинает очень быстро увеличиваться в размерах, а инфлатонное поле стремится занять положение, в котором его энергия минимальна (снежный ком покатился). Такое расширение продолжается всего 10^-36 секунды (по другим оценкам период инфляции продолжался примерно в течение 10^-33 или 10^-32 секунды. — Прим. Vokrugsveta.ru), но этого времени оказывается достаточно для того, чтобы диаметр Вселенной возрос как минимум в 10²⁶ раз и к окончанию инфляционного периода наша Вселенная приобрела размер более 1 см.

Инфляция заканчивается, когда инфлатонное поле достигает минимума энергии — дальше падать некуда. При этом накопившаяся кинетическая энергия переходит в энергию рождающихся и разлетающихся частиц, иначе говоря, происходит нагрев Вселенной. Как раз этот момент и называется сегодня Большим взрывом.

Гора, о которой говорилось выше, может иметь очень сложный рельеф— несколько разных минимумов, долины внизу и всякие холмы и кочки. Снежные комья (будущие вселенные) непрерывно рождаются наверху горы за счет флуктуаций поля. Каждый ком может скатиться в любой из минимумов, породив при этом свою вселенную со специфическими параметрами. Причем вселенные могут существенно отличаться друг от друга. Свойства нашей Вселенной удивительнейшим образом приспособлены к тому, чтобы в ней возникла разумная жизнь. Другим вселенным, возможно, повезло меньше.

Еще раз хотелось бы подчеркнуть, что описанный процесс рождения Вселенной «практически из ничего» опирается на строго научные расчеты. Тем не менее у всякого человека, впервые знакомящегося с инфляционным механизмом, описанным выше, возникает немало вопросов.

В ответ на каверзные вопросы

Сегодня наша Вселенная состоит из большого числа звезд, не говоря уж о скрытой массе. И может показаться, что полная энергия и масса Вселенной огромны. И совершенно непонятно, как это все могло поместиться в первоначальном объеме.

Однако во Вселенной существует не только материя, но и гравитационное поле. Известно, что энергия последнего отрицательна и, как оказалось, в нашей Вселенной энергия гравитации в точности компенсирует энергию, заключенную в частицах, планетах, звездах и прочих массивных объектах. Таким образом, закон сохранения энергии прекрасно выполняется, и суммарная энергия и масса нашей Вселенной практически равны нулю.

Именно это обстоятельство отчасти объясняет, почему зарождающаяся Вселенная тут же после появления не превратилась в огромную черную дыру. Ее суммарная масса была совершенно микроскопична, и вначале просто нечему было коллапсировать. И только на более поздних стадиях развития появились локальные сгустки материи, способные создавать вблизи себя такие гравитационные поля, из которых не может вырваться даже свет.

Соответственно, и частиц, из которых «сделаны» звезды, на начальной стадии развития просто не существовало. Элементарные частицы начали рождаться в тот период развития Вселенной, когда инфлатонное поле достигло минимума потенциальной энергии и начался Большой взрыв.

Область, занятая инфлатонным полем, разрасталась со скоростью, существенно большей скорости света, однако это нисколько не противоречит теории относительности Эйнштейна. Быстрее света не могут двигаться лишь материальные тела, а в данном случае двигалась воображаемая, нематериальная граница той области, где рождалась Вселенная (примером сверхсветового движения является перемещение светового пятна по поверхности Луны при быстром вращении освещающего ее лазера).

Причем окружающая среда совсем не сопротивлялась расширению области пространства, охваченного все более быстро разрастающимся инфлатонным полем, поскольку ее как бы не существует для возникающего Мира. Общая теория относительности утверждает, что физическая картина, которую видит наблюдатель, зависит от того, где он находится и как движется. Так вот, описанная выше картина справедлива для «наблюдателя», находящегося внутри этой области. Причем этот наблюдатель никогда не узнает, что происходит вне той области пространства, где он находится.

Другой «наблюдатель», смотрящий на эту область снаружи, никакого расширения вовсе не обнаружит. В лучшем случае он увидит лишь небольшую искорку, которая по его часам исчезнет почти мгновенно. Даже самое изощренное воображение отказывается воспринимать такую картину. И все-таки она, по-видимому, верна. По крайней мере, так считают современные ученые, черпая уверенность в уже открытых законах Природы, правильность которых многократно проверена.

Надо сказать, что это инфлатонное поле и сейчас продолжает существовать и флуктуировать. Но только мы, внутренние наблюдатели, не в состоянии этого увидеть — ведь для нас маленькая область превратилась в колоссальную Вселенную, границ которой не может достигнуть даже свет.

Итак, сразу после окончания инфляции гипотетический внутренний наблюдатель увидел бы Вселенную, заполненную энергией в виде материальных частиц и фотонов. Если всю энергию, которую мог бы измерить внутренний наблюдатель, перевести в массу частиц, то мы получим примерно 10⁸⁰ кг. Расстояния между частицами быстро увеличиваются из-за всеобщего расширения. Гравитационные силы притяжения между частицами уменьшают их скорость, поэтому расширение Вселенной после завершения инфляционного периода постепенно замедляется.

Эти опасные античастицы

Сразу после рождения Вселенная продолжала расти и охлаждаться. При этом охлаждение происходило в том числе и благодаря банальному расширению пространства. Электромагнитное излучение характеризуется длиной волны, которую можно связать с температурой — чем больше средняя длина волны излучения, тем меньше температура.

Но если пространство расширяется, то будут увеличиваться и расстояние между двумя «горбами» волны, и, следовательно, ее длина. Значит, в расширяющемся пространстве и температура излучения должна уменьшаться. Что и подтверждает крайне низкая температура современного реликтового излучения.

По мере расширения меняется и состав материи, наполняющей наш мир. Кварки объединяются в протоны и нейтроны, и Вселенная оказывается заполненной уже знакомыми нам элементарными частицами — протонами, нейтронами, электронами, нейтрино и фотонами. Присутствуют также и античастицы. Свойства частиц и античастиц практически идентичны. Казалось бы, и количество их должно быть одинаковым сразу после инфляции. Но тогда все частицы и античастицы взаимно уничтожились бы и строительного материала для галактик и нас самих не осталось бы.

И здесь нам опять повезло. Природа позаботилась о том, чтобы частиц было немного больше, чем античастиц. Именно благодаря этой небольшой разнице и существует наш мир. А реликтовое излучение — это как раз последствие аннигиляции (то есть взаимоуничтожения) частиц и античастиц.

Конечно, на начальном этапе энергия излучения была очень велика, но благодаря расширению пространства и как следствие — охлаждению излучения эта энергия быстро убывала. Сейчас энергия реликтового излучения примерно в десять тысяч раз (10⁴ раз) меньше энергии, заключенной в массивных элементарных частицах.

Постепенно температура Вселенной упала до 10¹⁰ К. К этому моменту возраст Вселенной составлял примерно 1 минуту. Только теперь протоны и нейтроны смогли объединяться в ядра дейтерия, трития и гелия. Это происходило благодаря ядерным реакциям, которые люди уже хорошо изучили, взрывая термоядерные бомбы и эксплуатируя атомные реакторы на Земле. Поэтому можно уверенно предсказывать, сколько и каких элементов может появиться в таком ядерном котле.

Оказалось, что наблюдаемое сейчас обилие легких элементов хорошо согласуется с расчетами. Это означает, что известные нам физические законы одинаковы во всей наблюдаемой части Вселенной и были таковыми уже в первые секунды после появления нашего мира. Причем около 98% существующего в природе гелия образовалось именно в первые секунды после Большого взрыва.

Зарождение галактик

Сразу после рождения Вселенная проходила инфляционный период развития — все расстояния стремительно увеличивались (с точки зрения внутреннего наблюдателя). Однако плотность энергии в разных точках пространства не может быть в точности одинаковой — какие-то неоднородности всегда присутствуют.

Предположим, что в какой-то области энергия немного больше, чем в соседних. Но раз все размеры быстро растут, то и размер этой области тоже должен расти. После окончания инфляционного периода эта разросшаяся область будет иметь чуть больше частиц, чем окружающее ее пространство, да и ее температура будет немного выше.

Поняв неизбежность возникновения таких областей, сторонники инфляционной теории обратились к экспериментаторам: «необходимо обнаружить флуктуации температуры…» — констатировали они. И в 1992 году это пожелание было выполнено. Практически одновременно российский спутник «Реликт-1» и американский «COBE» обнаружили требуемые флуктуации температуры реликтового излучения.

Как уже говорилось, современная Вселенная имеет температуру 2,7 К, а найденные учеными отклонения температуры от среднего составляли примерно 0,00003 К. Неудивительно, что такие отклонения трудно было обнаружить раньше. Так инфляционная теория получила еще одно подтверждение.

Фото

NASA/WMAP Science Team, Public domain, via Wikimedia Commons

С открытием колебаний температуры появилась еще одна захватывающая возможность — объяснить принцип формирования галактики. Ведь чтобы гравитационные силы сжимали материю, необходим исходный зародыш — область с повышенной плотностью. Если материя распределена в пространстве равномерно, то гравитация, подобно Буриданову ослу, не знает, в каком направлении ей действовать.

Но как раз области с избытком энергии и порождает инфляция. Теперь гравитационные силы знают, на что воздействовать, а именно, на более плотные области, созданные во время инфляционного периода. Под действием гравитации эти изначально чуть-чуть более плотные области будут сжиматься и именно из них в будущем образуются звезды и галактики.

Счастливое настоящее

Современный нам момент эволюции Вселенной крайне удачно приспособлен для жизни, и длиться он будет еще много миллиардов лет. Звезды будут рождаться и умирать, галактики вращаться и сталкиваться, а скопления галактик — улетать все дальше друг от друга. Поэтому времени для самосовершенствования у человечества предостаточно.

Правда, само понятие «сейчас» для такой огромной Вселенной, как наша, плохо определено. Так, например, наблюдаемая астрономами жизнь квазаров, удаленных от Земли на 10-13 млрд световых лет, отстоит от нашего «сейчас» как раз на те самые 10-13 млрд лет.

И чем дальше в глубь Вселенной мы заглядываем с помощью различных телескопов, тем более ранний период ее развития мы наблюдаем.

Остатки сверхновой NGC 6995 — это горячий светящийся газ, образовавшийся после взрыва звезды 7-8 тыс. лет назад. По одной из версий, подобные взрывы миллиарды лет назад активно обогащали пространство тяжелыми элементами, из которых впоследствии образовывались планеты и звезды следующего поколения

Фото

Josep Drudis/NASA

Сегодня ученые в состоянии объяснить большинство свойств нашей Вселенной, начиная с момента в 10^-42 секунды и до настоящего времени и даже далее. Они могут также проследить образование галактик и довольно уверенно предсказать будущее Вселенной. Тем не менее ряд «мелких» непонятностей еще остается. Это прежде всего — сущность скрытой массы (темной материи) и темной энергии. Кроме того, существует много моделей, объясняющих, почему наша Вселенная содержит гораздо больше частиц, чем античастиц, и хотелось бы определиться в конце концов с выбором одной правильной модели.

Как учит нас история науки, обычно именно «мелкие недоделки» и открывают дальнейшие пути развития, так что будущим поколениям ученых наверняка будет чем заняться. Кроме того, более глубокие вопросы тоже уже стоят на повестке дня физиков и математиков. Почему наше пространство трехмерно? Почему все константы в природе словно «подогнаны» так, чтобы возникла разумная жизнь? И что же такое гравитация? Ученые уже пытаются ответить и на эти вопросы.

Ну и конечно, оставим место для неожиданностей. Не надо забывать, что такие основополагающие открытия, как расширение Вселенной, наличие реликтовых фотонов и энергия вакуума, были сделаны, можно сказать, случайно и не ожидались ученым сообществом.

Энергия вакуума — происхождение и последствия

Что же ждет нашу Вселенную в дальнейшем? Еще несколько лет назад у теоретиков в этой связи имелись всего две возможности. Если плотность энергии во Вселенной мала, то она будет вечно расширяться и постепенно остывать. Если же плотность энергии больше некоторого критического значения, то стадия расширения сменится стадией сжатия. Вселенная будет сжиматься в размерах и нагреваться. Значит, одним из ключевых параметров, определяющим развитие Вселенной, является средняя плотность энергии.

Так вот, астрофизические наблюдения, проводимые до 1998 года, говорили о том, что плотность энергии составляет примерно 30% от критического значения. А инфляционные модели предсказывали, что плотность энергии должна быть равна критической. Апологетов инфляционной теории это не очень смущало. Они отмахивались от оппонентов и говорили, что недостающие 70% «как-нибудь найдутся». И они действительно нашлись. Это большая победа теории инфляции, хотя найденная энергия оказалась такой странной, что вызвала больше вопросов, чем ответов.
Похоже, что искомая темная энергия — это энергия самого вакуума.

Активная газовая туманность, обнаруженная телескопом «Хаббл» в соседней галактике NGC 604. В этой гигантской газовой туманности уже родились тысячи звезд, и процесс их образования продолжается

Фото

Hui Yang (University of Illinois) and NASA/ESA, Public domain, via Wikimedia Commons

В представлении людей, не связанных с физикой, вакуум — «это когда ничего нет» — ни вещества, ни частиц, ни полей. Однако это не совсем так. Стандартное определение вакуума — это состояние, в котором отсутствуют частицы. Поскольку энергия заключена именно в частицах, то, как резонно полагали едва ли не все, включая и ученых, нет частиц — нет и энергии. Значит, энергия вакуума равна нулю.

Вся эта благостная картина рухнула в 1998 году, когда астрономические наблюдения показали, что разбегание галактик немножко отклоняется от закона Хаббла. Вызванный этими наблюдениями у космологов шок длился недолго. Очень быстро стали публиковаться статьи с объяснением этого факта.

Самым простым и естественным из них оказалась идея о существовании положительной энергии вакуума. Ведь вакуум, в конце концов, означает просто отсутствие частиц, но почему лишь частицы могут обладать энергией?

Обнаруженная темная энергия оказалась распределенной в пространстве на удивление однородно. Подобную однородность трудно осуществить, ведь если бы эта энергия была заключена в каких-то неведомых частицах, гравитационное взаимодействие заставляло бы их собраться в грандиозные конгломераты, подобные галактикам. Поэтому энергия, спрятанная в пространстве-вакууме, очень изящно объясняет устроение нашего мира.

Однако возможны и другие, более экзотические, варианты мироустроения. Например, модель Квинтэссенции, элементы которой были предложены советским физиком А.Д. Долговым в 1985 году, предполагает, что мы все еще скатываемся с той самой горки, о которой говорилось в начале нашего повествования. Причем катимся мы уже очень долго, и конца этому процессу не видно. Необычное название, позаимствованное у Аристотеля, обозначает некую «новую сущность», призванную объяснить, почему мир устроен так, а не иначе.

Сегодня вариантов ответа на вопрос о будущем нашей Вселенной стало значительно больше. И они существенно зависят от того, какая теория, объясняющая скрытую энергию, является правильной.

Предположим, что верно простейшее объяснение, при котором энергия вакуума положительна и не меняется со временем. В этом случае Вселенная уже никогда не сожмется и нам не грозит перегрев и Большой хлопок. Но за все хорошее приходится платить. В этом случае, как показывают расчеты, мы в будущем никогда не сможем достигнуть всех звезд. Более того, количество галактик, видимых с Земли, будет уменьшаться, и через 10—20 млрд лет в распоряжении человечества останется всего несколько соседних галактик, включая нашу — Млечный Путь, а также соседнюю Андромеду.

Человечество уже не сможет увеличиваться количественно, и тогда придется заняться своей качественной составляющей. В утешение можно сказать, что несколько сотен миллиардов звезд, которые будут нам доступны в столь отдаленном будущем, — это тоже немало.

Впрочем, понадобятся ли нам звезды? 20 миллиардов лет — большой срок. Ведь всего за несколько сот миллионов лет жизнь развилась от трилобитов до современного человека. Так что наши далекие потомки, возможно, будут по внешнему виду и возможностям отличаться от нас еще больше, чем мы от трилобитов.

Что же сулит им еще более отдаленное будущее, по прогнозам современных ученых? Ясно, что звезды будут тем или иным способом «умирать», но будут образовываться и новые. Этот процесс тоже не бесконечен — примерно через 10¹⁴ лет, по предположению ученых, во Вселенной останутся только слабосветящиеся объекты — белые и темные карлики, нейтронные звезды и черные дыры. Почти все они также погибнут через 10³⁷ лет, исчерпав все запасы своей энергии. К этому моменту останутся лишь черные дыры, поглотившие всю остальную материю.

Что может разрушить черную дыру? Любые наши попытки сделать это лишь увеличивают ее массу. Но «ничто не вечно под Луной». Оказывается, черные дыры медленно, но излучают частицы. Значит, их масса постепенно уменьшается. Все черные дыры тоже должны исчезнуть примерно через 10¹⁰⁰ лет. После этого останутся лишь элементарные частицы, расстояние между которыми будет намного превосходить размеры современной Вселенной (примерно в 10⁹⁰ раз) — ведь все это время Вселенная расширялась! Ну и, конечно, останется энергия вакуума, которая будет абсолютно доминировать во Вселенной.

Кстати, свойства такого пространства впервые изучил В. де Ситтер еще в 1922 году. Так что нашим потомкам предстоит либо изменить физические законы Вселенной, либо перебраться в другие вселенные. Сейчас это кажется невероятным, но хочется верить в могущество человечества, как бы оно, человечество, ни выглядело в столь отдаленном будущем. Потому что времени у него предостаточно.

Кстати, возможно, что уже и сейчас мы, сами того не ведая, создаем новые вселенные. Для того чтобы в очень маленькой области возникла новая вселенная, необходимо инициировать инфляционный процесс, который возможен только при высоких плотностях энергий. А ведь экспериментаторы уже давно создают такие области, сталкивая частицы на ускорителях… И хотя эти энергии еще очень далеки от инфляционных, вероятность создания вселенной на ускорителе уже не равна нулю. К сожалению, мы являемся тем самым «удаленным наблюдателем», для которого время жизни этой «рукотворной» вселенной слишком мало, и внедриться в нее и посмотреть, что там происходит, мы не можем…

Возможные сценарии развития нашего мира

1. Пульсирующая модель Вселенной, при которой вслед за периодом расширения наступает период сжатия и все заканчивается Большим хлопком.

2. Вселенная со строго подогнанной средней плотностью, в точности равной критической. В этом случае наш мир Евклидов, и его расширение все время замедляется.

3. Равномерно расширяющаяся по инерции Вселенная. Именно в пользу такой открытой модели мира до последнего времени свидетельствовали данные о подсчете средней плотности нашей Вселенной.

4. Мир, расширяющийся со все нарастающей скоростью. Новейшие экспериментальные данные и теоретические изыскания говорят о том, что Вселенная разлетается все быстрее, и несмотря на евклидовость нашего мира, большая часть галактик в будущем будет нам недоступна. И виновата в столь странном устроении мира та самая темная энергия, которую сегодня связали с некоей внутренней энергией вакуума, заполняющего все пространство.

_{Автор: Сергей Рубин, доктор физико-математических наук}

_{Материал опубликован в журнале «Вокруг света» № 2, февраль 2004, частично обновлен в марте 2023}

Сергей Рубин

---

Теги

• наука
• астрофизика
• космос

Как появилась наша Вселенная? Теория большого взрыва

«Есть только две бесконечные вещи: Вселенная и глупость. Хотя насчет Вселенной я не уверен.»
Приписывается А. Эйнштейну

Откуда и когда появилась наша Вселенная? Или, может быть, она существовала вечно? Ученые давно бьются над этими вопросами, выдвигая различные теории и гипотезы. В наше время самой реалистичной считается теория Большого взрыва.

Три доказательства, что Вселенная когда-то взорвалась

Название теории придумал английский астроном Альфред Хойл, который был с ней абсолютно не согласен. Он выступил с критикой теории и употребил название «Большой взрыв» как уничижительное. Тем не менее оно прижилось и вошло в науку

Если верить теории Большого взрыва, то когда-то, очень давно, нашей Вселенной не существовало. Не было ни материи, ни света, ни пространства, ни времени — только вакуум, то есть пустота. Но в одно прекрасное мгновение Вселенная стала маленькой частицей, гораздо меньше атома, заполненной светом и имеющей невероятно высокую плотность. Она начала расти, превратилась в раскаленный огненный шар и продолжала расширяться.

Ее рост происходил с невообразимой скоростью: за какую-то долю секунду появилась вся энергия и вся материя космоса.

Это и есть то, что ученые называют Большим взрывом. На самом деле, взрыва, подобного фейерверку, не было.

Было стремительное, мгновенное расширение пространства до бесконечных пределов. Впоследствии в этом пространстве появились галактики, зародившиеся из частиц и излучения. Они сгруппировались в скопления и благополучно существуют до сих пор.

Писатель Эдгар Аллан По (1809–1849) предвидел появление теории Большого взрыва еще в середине XIX века, когда ее невозможно было доказать. В поэме «Эврика» он описал зарождение и постоянное расширение Вселенной. Сам автор считал это откровением

Как сформировалась теория Большого взрыва и можно ли доказать, что она истинна? Рассмотрим три основных доказательства, существующих в современной астрофизике.

• Первое — это расширение Вселенной. Явление это было открыто в 1929 году, а до этого считалось, что Вселенная неподвижна. Новые данные совершили переворот: раз Вселенная расширяется, значит, когда-то она была меньше. А когда-то, вероятно, ее не было вовсе.
• Второе доказательство — обнаружение во Вселенной микроволнового фона. Физики давно предполагали, что Большой взрыв должен был создать мощное излучение, и в 1960-х годах оно было обнаружено. Его назвали реликтовым.
• Третья причина поверить, что Вселенная взорвалась, — это изобилие гелия в космосе. Именно этот газ образуется, когда что-то взрывается. Подсчитано, что он присутствует в космосе именно в таком количестве, какое должно было появиться после Большого взрыва.

Альберт Эйнштейн выдвинул альтернативную теорию происхождения Вселенной. В ней материя появлялась без какого-либо «взрыва», сама по себе, чтобы поддерживать плотность расширяющейся Вселенной. Позже ученый отказался от этой гипотезы

Сколько лет Вселенной?

То, что Вселенная образовалась в результате взрыва, считается практически доказанным, хотя до сих пор не обнаружена причина, спровоцировавшая это грандиозное событие. Но источник энергии, питавший расширение, известен — это вакуум. Казалось бы, как пустота может на что-то воздействовать, да еще и с такой невероятной силой? Дело в том, что при подробном изучении вакуум оказывается не таким уж пустым.

Он состоит из частиц и античастиц, которые являются мощными источниками энергии. Еще одно свойство вакуума, оказавшееся очень кстати для расширения Вселенной, — это гравитационная сила отталкивания. Обычно гравитация притягивает тела, но у вакуума все наоборот: объекты отталкиваются и разлетаются в разные стороны.

Итак, Вселенная расширялась, постепенно остывала, и в юном возрасте около 300 тысяч лет остыла до такого состояния, что ядра атомов смогли объединиться с электронами. В то время Вселенная напоминала энергетический суп, в котором в итоге «сварились», или образовались, звезды, планеты и галактики.

Сейчас наша Вселенная находится в зрелом возрасте, как считает большинство ученых: ей от 12 до 13,5 миллиарда лет. Если возраст ближе к 12 миллиардам, то это означает, что Вселенная расширяется равномерно и это расширение будет продолжаться бесконечно. Если же время существования Вселенной достигает 13,5 миллиарда лет и более, значит, расширение постепенно ускоряется.

Чтобы частицы смогли соединиться в атомы, нужна температура не выше 4000 °C. Именно до такого состояния Вселенная остыла в возрасте 300 тысяч лет

Читайте также

• Эволюция Вселенной
• Судьба Вселенной

Поделиться ссылкой

Как зародилась Вселенная?

Наши растущие знания о физических законах позволили нам перемотать ленту Вселенной, проследив ее эволюцию с точностью до доли секунды после Большого Взрыва. Однако здесь, когда сумма материи и энергии объединяется в шар бесконечной плотности и температуры, уравнения общей теории относительности нарушаются.

Как теория, «Большой взрыв исключает взрыв», — пишет физик Брайан Грин в «Ткани космоса». Что бы ни произошло в тот момент, не говоря уже о том, что было до этого момента, можно только догадываться (хорошо аргументированно), а в догадках о том, как началась Вселенная, недостатка нет.

Что было до Большого Взрыва?

Во-первых, предостережение: многие эксперты утверждают, что слово «до» не подходит. Предполагается, что существовало какое-то предсуществующее время, отдельное от вселенной, тогда как на самом деле время и пространство могли возникнуть из вселенной.

С этой точки зрения вопрос — «что было до большого взрыва?» — буквально бессмысленно. Стивен Лоу, философ из Оксфорда, в интервью предположил, что нам нужны не ответы на такого рода вопросы, а «своего рода терапия, объяснение, которое заставит нас понять, почему пора перестать задавать вопросы».

Эта идея доводит человеческий язык и интуицию до предела, но мы можем попытаться разобраться в ней с помощью любимой аналогии покойного физика Стивена Хокинга: Задаваться вопросом, что произошло до Большого взрыва, все равно, что задаваться вопросом, что находится к югу от Южного полюса. . Нельзя даже сказать, что южнее ничего нет; дело в том, что сам вопрос бессмысленен. Мы пытаемся определить то, чего просто не существует.

Как зародилась Вселенная?

Этот ответ может показаться интеллектуально неудовлетворительным. Наверняка вселенная возникла из чего-то. Как могла вся эта сбивающая с толку красота и сложность возникнуть из… ничего?

Одно из решений, восходящее к Аристотелю, состоит в том, что во Вселенной не было источника движения — оно существовало всегда. Ньютон, Эйнштейн и другие люди их калибра считали космос вечным и статичным, пока астроном Эдвин Хаббл не обнаружил в 1920-х годах, что все галактики удаляются друг от друга. Это подразумевало отправную точку, знаменитую «сингулярность».

Итак, откуда сингулярность? Высмеивая аристотелевскую потребность в «первопричине», некоторые физики сегодня отвечают, что наши представления о причинности неуместны в экстремальных условиях Большого взрыва. Мы должны более внимательно изучить научные теории о том, как возникла Вселенная.

---

Подробнее: Может ли Большой взрыв быть неправильным?

---

Решение квантовой механики

Квантовая механика показала, что даже кажущееся пустым пространство заполнено флуктуирующими виртуальными частицами, которые посредством процесса, известного как туннелирование, могут создавать материю. Мы наблюдаем такое поведение только в сверхмалых масштабах, но тогда Вселенная была подходящего размера.

Одним из видных сторонников этой точки зрения является Александр Виленкин, космолог из Университета Тафтса. В статье 1982 года, написанной для аудитории профессиональных физиков, он признал, что «концепция создания Вселенной из ничего — безумие».

Тем не менее, он утверждал, что только законы физики могли породить все, что мы видим вокруг себя. (Физики даже задумывались над тем, возможно ли создать вселенную в лаборатории.)

Как описал это физик из Массачусетского технологического института Алан Лайтман, «вся вселенная могла «внезапно» появиться из того места, где возникают вещи, в непостижимой дымке. квантовых вероятностей».

Тем не менее, вы можете подозревать, что это «ничто», если оно совместимо с созданием реальности, какой мы ее знаем, в конце концов было «чем-то».

Вселенная из ничего

Дэвид Альберт, философ из Колумбийского университета, утверждал именно это: «Если то, что мы раньше принимали за ничто, окажется при ближайшем рассмотрении составляющими протоны и нейтроны, столы, стулья и планеты, солнечные системы, галактики и вселенные в нем, то это не было ничем и не могло быть ничем, во-первых».

Когда дело доходит до понимания концепции вселенной из ничего, существует важное различие между философским ничто и физическим ничем. А именно, последняя еще включает в себя законы природы, необходимые для космического генезиса.

Однако, даже соглашаясь с точкой зрения Альберта, мы просто пинаем банку по дороге. Из чего бы ни возникла наша Вселенная, она тоже должна была произойти из чего-то другого (по крайней мере, согласно ожиданиям здравого смысла для слабого человеческого мозга).

Другими словами, это «черепахи до самого низа», как говорят некоторые ученые. Итак, вынося этот вопрос на обсуждение, давайте углубимся в некоторые теории, чуть менее погрязшие в философии.

Мультивселенная и Вечная Инфляция

Когда мы пытаемся представить себе Большой Взрыв, лучшее, что мы можем сделать, это представить себе событие необычайной силы и величия, шоу фейерверков, которое положит конец всем им или начнет их все. Но что, если с точки зрения еще более обширного космологического ландшафта это был просто еще один вторник?

Например, мы могли бы быть потомками более крупной прото-вселенной, которая постоянно порождает новые. Эта концепция, известная как вечная инфляция, была разработана в 1980-х годах физиками Аланом Гутом, Андреем Линдом и Полом Стейнхардтом.

По их мнению, при правильных условиях квантовые флуктуации могут спровоцировать возмутительно быстрое расширение «карманных вселенных». Этот процесс может продолжаться бесконечно, что приведет к потенциально бесконечной мультивселенной. Однако, несмотря на название теории, инфляция может быть вечной только в будущем, а не в прошлом — как она началась, остается загадкой.

Теория циклической вселенной

Также возможно, что Большой взрыв был не началом нашей Вселенной, а скорее переходом из какого-то более раннего состояния.

Возможно, космос вращается бесконечно, каждая фаза заканчивается там, где начинается следующая, поэтому интервал между ними больше похож на скачок, чем на взрыв. Теория циклической вселенной поддерживает идею вечной вселенной со всей ее утешительной логикой (то есть они не пытаются получить что-то из ничего), но при этом объясняет космическую эволюцию.

Согласно одной из версий этой истории, экпиротической модели, наша Вселенная началась со столкновения двух «бран» — неподтвержденных теоретических объектов, существующих в 10 или 11 измерениях, в зависимости от того, какую версию теории струн вы придерживаетесь. .

Считается, что мы живем внутри трехмерной браны, которая обычно сталкивается со второй параллельной браной, разделенной пространством более высокого измерения. Энергия, вырабатываемая их столкновением, заставляет их расширяться, затем сжиматься и, в конце концов, снова объединяться в следующем столкновении.

---

Подробнее: Был ли Большой взрыв больше одного раза?

---

Конформная циклическая космология

Другой альтернативой является конформная циклическая космология, спорное детище лауреата Нобелевской премии по физике Роджера Пенроуза, который был вдохновлен поразительным сходством между рождением и предсказанной смертью Вселенной.

В течение невообразимого периода в гугол-лет (1 с последующими 100 нулями) черные дыры поглотят все частицы материи, а затем испарятся в процессе, известном как излучение Хокинга, оставив после себя море безмассовых фотонов. Удивительно, но этот холодный и тихий конец математически эквивалентен горячему и энергичному Большому Взрыву — они, по сути, одинаковы, предполагая, что одно может сливаться с другим.

В 2020 году Пенроуз даже заявил, что обнаружил отпечаток предыдущего «космического эона» самостоятельно, хотя многие физики в этом не убеждены.

Пока ученые не найдут столь востребованную единую теорию, которая объединила бы гравитационные идеи Эйнштейна с умопомрачительными механизмами квантового мира, наша картина Большого взрыва, скорее всего, останется нечеткой.

Какими бы странными ни были эти сценарии, правда может быть еще более странной. Между тем, к счастью для нас, физики любят размышлять о том, как возникла Вселенная.

---

Подробнее: Попытка ученых составить карту Мультивселенной

---

Происхождение Вселенной — журнал Scientific American

Вселенная велика как в пространстве, так и во времени, и на протяжении большей части истории человечества она была вне досягаемости наших инструментов и наших умы. Это резко изменилось в 20 веке. Успехи были в равной степени обусловлены мощными идеями — от общей теории относительности Эйнштейна до современных теорий элементарных частиц — и мощными инструментами — от 100- и 200-дюймовых рефлекторов, построенных Джорджем Эллери Хейлом, которые перенесли нас за пределы нашей галактики Млечный Путь в космический телескоп Хаббл, который вернул нас к рождению галактик. За последние 30 лет темпы прогресса ускорились благодаря осознанию того, что темная материя не состоит из обычных атомов, открытию темной энергии и появлению смелых идей, таких как космическая инфляция и мультивселенная.

Вселенная 100 лет назад была простой: вечной, неизменной, состоящей из одной галактики, содержащей несколько миллионов видимых звезд. Сегодняшняя картина полнее и намного богаче. Космос начался 13,7 миллиардов лет назад с Большого взрыва. Через долю секунды после начала Вселенная представляла собой горячий бесформенный суп из самых элементарных частиц, кварков и лептонов. По мере его расширения и охлаждения слой за слоем развивались структуры: нейтроны и протоны, атомные ядра, атомы, звезды, галактики, скопления галактик и, наконец, сверхскопления. Наблюдаемая часть Вселенной сейчас населена 100 миллиардами галактик, каждая из которых содержит 100 миллиардов звезд и, вероятно, такое же количество планет. Сами галактики удерживаются вместе гравитацией таинственной темной материи. Вселенная продолжает расширяться, и действительно делает это с ускорением, движимая темной энергией, еще более загадочной формой энергии, гравитационная сила которой скорее отталкивает, чем притягивает.

Главной темой истории нашей вселенной является эволюция от простого кваркового супа к сложности, которую мы наблюдаем сегодня в галактиках, звездах, планетах и ​​жизни. Эти особенности появлялись одна за другой на протяжении миллиардов лет, руководствуясь основными законами физики. В нашем путешествии назад к началу творения космологи сначала путешествуют по хорошо известной истории Вселенной до первой микросекунды; затем в пределах 10-34 секунд от начала, для которых идеи хорошо сформированы, но доказательства еще не являются твердыми; и, наконец, к самым ранним моментам творения, для которых наши идеи все еще остаются лишь предположениями. Хотя окончательное происхождение Вселенной все еще находится за пределами нашего понимания, у нас есть дразнящие предположения, включая понятие мультивселенной, согласно которому вселенная состоит из бесконечного числа разрозненных подвселенных.

Расширяющаяся Вселенная

С помощью 100-дюймового телескопа Хукера на горе Вильсон в 1924 году Эдвин Хаббл показал, что нечеткие туманности, которые изучались и обсуждались в течение нескольких сотен лет, были галактиками, такими же, как наша собственная, тем самым увеличив известную Вселенную на 100 миллиардов. Несколько лет спустя он показал, что галактики удаляются друг от друга по регулярной схеме, описываемой математическим соотношением, теперь известным как закон Хаббла, согласно которому галактики, находящиеся дальше, движутся быстрее. Это закон Хаббла, воспроизведенный во времени, который указывает на Большой взрыв 13,7 миллиардов лет назад.

Закон Хаббла нашел готовую интерпретацию в рамках общей теории относительности: само пространство расширяется, а галактики увлекаются за собой [ см. вставку на противоположной странице ]. Свет тоже растягивается или смещается в красную сторону — процесс, который истощает его энергию, так что Вселенная охлаждается по мере расширения. Космическое расширение дает повествование для понимания того, как возникла сегодняшняя Вселенная. Когда космологи представляют себе перемотку часов, Вселенная становится плотнее, горячее, экстремальнее и проще. Исследуя начало, мы также исследуем внутреннюю работу природы, используя ускоритель, более мощный, чем любой из построенных на Земле, — сам Большой взрыв.

Глядя в космос с помощью телескопов, астрономы заглядывают в прошлое — и чем больше телескоп, тем дальше они заглядывают. Свет от далеких галактик указывает на более раннюю эпоху, и величина красного смещения этого света показывает, насколько выросла Вселенная за прошедшие годы. Нынешний рекордсмен имеет красное смещение более 10, что соответствует времени, когда Вселенная была меньше одной одиннадцатой от нынешнего размера и имела возраст всего несколько сотен миллионов лет. Телескопы, такие как космический телескоп Хаббла и 10-метровый телескоп Кека на Мауна-Кеа, обычно возвращают нас в эпоху, когда формировались галактики, подобные нашей, через несколько миллиардов лет после Большого взрыва. Свет еще более ранних времен так сильно смещен в красную сторону, что астрономам приходится искать его в инфракрасном и радиодиапазонах. Такие телескопы, как планируемый космический телескоп Джеймса Уэбба, 6,5-метровый инфракрасный телескоп, и Большая миллиметровая решетка Атакама (ALMA), сеть из 66 радиотарелок, уже работающих в северной части Чили, могут вернуть нас к рождению самого первого звезды и галактики.

Компьютерное моделирование говорит, что эти звезды и галактики возникли, когда Вселенной было около 100 миллионов лет. До этого Вселенная пережила время, называемое «темными веками», когда она была почти кромешной тьмой. Пространство было заполнено безликой кашей, состоящей из пяти частей темной материи и одной части водорода и гелия, которая истончалась по мере расширения Вселенной. Материя была немного неравномерной по плотности, и гравитация усиливала эти колебания плотности: более плотные области расширялись медленнее, чем менее плотные. К 100 миллионам лет самые плотные регионы не только расширялись медленнее, но и фактически начали разрушаться. Каждая из таких областей содержала около миллиона солнечных масс вещества. Они были первыми гравитационно связанными объектами в космосе.

Темная материя составляет большую часть их массы, но, как следует из названия, не способна излучать или поглощать свет. Так оно и осталось в расширенном облаке. С другой стороны, газообразный водород и гелий излучали свет, теряли энергию и концентрировались в центре облака. В конце концов он рухнул вплоть до звезд. Эти первые звезды были намного массивнее современных — сотни масс Солнца. Они прожили очень короткую жизнь, прежде чем взорваться и оставить после себя первые тяжелые элементы. В течение следующего миллиарда лет или около того сила гравитации собрала эти облака массой в миллион солнечных масс в первые галактики.

Излучение первичных водородных облаков, сильно смещенных в красную сторону при расширении, должно быть обнаружено гигантскими массивами радиоантенн с общей площадью сбора до одного квадратного километра. Когда они будут построены, эти массивы будут наблюдать за тем, как первое поколение звезд и галактик ионизируют водород и положат конец темным векам.

Слабое свечение горячего начала

За темными веками находится свечение горячего Большого взрыва с красным смещением 1100. Это излучение было смещено в красную сторону от видимого света (красно-оранжевое свечение) даже за пределы инфракрасного диапазона к микроволнам. То, что мы видим с того времени, — это стена микроволнового излучения, заполняющая небо — космическое микроволновое фоновое излучение (CMB), открытое в 1964 Арно Пензиаса и Роберта Уилсона. Он дает представление о Вселенной в нежном возрасте 380 000 лет, периоде, когда сформировались атомы. До этого Вселенная была почти однородной смесью атомных ядер, электронов и фотонов. Когда он остыл до температуры около 3000 кельвинов, ядра и электроны объединились, чтобы сформировать атомы. Фотоны перестали рассеивать электроны и беспрепятственно устремились сквозь пространство, открывая Вселенную в более простое время, до появления звезд и галактик.

В 1992 году спутник NASA Cosmic Background Explorer обнаружил, что интенсивность реликтового излучения имеет небольшие вариации — около 0,001 процента, — отражающие небольшую комковатость в распределении вещества. Степень изначальной бугристости была достаточной, чтобы послужить семенами для галактик и более крупных структур, которые позже возникнут под действием гравитации. Характер этих вариаций реликтового излучения на небе также кодирует основные свойства Вселенной, такие как ее общая плотность и состав, а также намекает на ее самые ранние моменты; тщательное изучение этих вариаций многое открыло во Вселенной [9].0101 см. иллюстрацию на стр. 41 ].

Когда мы прокручиваем фильм об эволюции Вселенной в обратном направлении от этой точки, мы видим, как первичная плазма становится все более горячей и плотной. Примерно до 100 000 лет плотность энергии излучения превышала плотность энергии материи, что не позволяло материи слипаться. Следовательно, это время знаменует собой начало гравитационной сборки всех структур, наблюдаемых сегодня во Вселенной. Еще раньше, когда Вселенной было меньше секунды, атомные ядра еще не сформировались; существовали только составляющие их частицы, а именно протоны и нейтроны. Ядра появились, когда Вселенной было всего несколько секунд, а температуры и плотности были как раз подходящими для ядерных реакций. Этот процесс нуклеосинтеза Большого взрыва произвел только самые легкие элементы в периодической таблице: много гелия (около 25 процентов атомов во Вселенной по массе) и меньшее количество лития и изотопов дейтерия и гелия 3. Остальная часть плазма (около 75 процентов) осталась в форме протонов, которые в конечном итоге стали атомами водорода. Все остальные элементы периодической таблицы образовались миллиарды лет спустя в виде звезд и звездных взрывов.

Теория нуклеосинтеза точно предсказывает содержания элементов и изотопов, измеренные в самых древних образцах Вселенной, а именно, в самых старых звездах и газовых облаках с большим красным смещением. Обилие дейтерия, очень чувствительного к плотности атомов во Вселенной, играет особую роль: его измеренное значение означает, что обычное вещество составляет 4,5 ± 0,1% от общей плотности энергии. (Остальное — темная материя и темная энергия.) Эта оценка точно согласуется с составом, полученным из анализа реликтового излучения. Эта переписка — великий триумф. То, что эти два совершенно разных измерения, одно из которых основано на ядерной физике, когда Вселенной была всего одна секунда, а другое, основанное на атомной физике, когда Вселенной было 380 000 лет, согласуются друг с другом, является серьезной проверкой не только нашей модели эволюции космоса, но и по всей современной физике.

Ответы в кварковом супе

До микросекунды даже протоны и нейтроны не могли существовать, и Вселенная представляла собой суп из основных строительных блоков природы: кварков, лептонов и переносчиков взаимодействия (фотонов, W и Z бозонов и глюонов). Мы можем быть уверены, что кварковый суп существовал, потому что эксперименты на ускорителях частиц воссоздали подобные условия сегодня здесь, на Земле.

Чтобы исследовать эту эпоху, космологи полагаются не на большие и лучшие телескопы, а на мощные идеи физики элементарных частиц. Разработка Стандартной модели физики элементарных частиц 30 лет назад привела к смелым предположениям, включая теорию струн, о том, как, казалось бы, несопоставимые фундаментальные частицы и силы объединяются. Как оказалось, эти новые идеи имеют значение для космологии, столь же важное, как и первоначальная идея о горячем Большом взрыве. Они намекают на глубокие и неожиданные связи между миром очень большого и очень маленького. Начинают появляться ответы на три ключевых вопроса: природа темной материи, асимметрия между материей и антиматерией и происхождение самого комковатого кваркового супа.

Теперь выясняется, что ранняя фаза кваркового супа была местом рождения темной материи. Идентичность темной материи остается неясной, но ее существование очень хорошо установлено. Наша галактика и любая другая галактика, а также скопления галактик удерживаются вместе гравитацией невидимой темной материи. Чем бы ни была темная материя, она должна слабо взаимодействовать с обычной материей; иначе оно проявило бы себя иначе. Попытки найти единую структуру для сил и частиц природы привели к предсказанию стабильных или долгоживущих частиц, которые могли бы составлять темную материю. Некоторые из этих гипотетических частиц будут присутствовать сегодня как остатки фазы супа кварков в правильном количестве, чтобы быть темной материей, и даже могут быть обнаружены.

Одним из кандидатов является нейтралино, самая легкая из предполагаемого нового класса частиц, которые являются более тяжелыми аналогами известных частиц. Считается, что нейтралино имеет массу от 100 до 1000 масс протона, что находится в пределах досягаемости экспериментов, которые сейчас проводятся на Большом адронном коллайдере в ЦЕРН недалеко от Женевы. Физики также построили сверхчувствительные подземные детекторы, а также спутниковые и воздушные детекторы для поиска этой частицы или побочных продуктов ее взаимодействия.

Вторым кандидатом является аксион, сверхлегкая частица, масса которой составляет примерно одну триллионную массы электрона. На его существование намекают тонкости, которые Стандартная модель предсказывает в поведении кварков. Попытки обнаружить его используют тот факт, что в очень сильном магнитном поле аксион может трансформироваться в фотон. И нейтралино, и аксионы обладают тем важным свойством, что они в особом техническом смысле являются «холодными». Хотя они образовались в жарких условиях, они были медленными и поэтому легко сбивались в галактики.

Ранняя фаза кваркового супа, вероятно, также содержит секрет того, почему современная Вселенная состоит в основном из материи, а не из материи и антиматерии. Физики считают, что изначально во Вселенной было равное количество каждого из них, но в какой-то момент в ней образовался небольшой избыток материи — примерно один дополнительный кварк на каждый миллиард антикварков. Этот дисбаланс гарантировал, что достаточное количество кварков переживет аннигиляцию с антикварками по мере расширения и охлаждения Вселенной. Более 40 лет назад эксперименты на ускорителях показали, что законы физики слегка смещены в пользу материи, и в очень ранней последовательности взаимодействий частиц, которую еще предстоит понять, это небольшое смещение привело к созданию избытка кварков.

Считается, что сам кварковый суп возник в очень раннее время — возможно, через 10−34 секунды после Большого взрыва в результате всплеска космического расширения, известного как инфляция. Этот всплеск, движимый энергией нового поля (считается, что оно имеет отдаленное отношение к недавно открытому полю Хиггса), называемого инфлатоном, объясняет такие основные свойства космоса, как его общая однородность и неравномерность, из-за которых галактики и другие структуры поселяются в космосе. Вселенная. По мере того, как инфлатонное поле распадалось, оно высвобождало оставшуюся энергию в кварки и другие частицы, тем самым создавая тепло Большого взрыва и сам суп из кварков.

Инфляция приводит к глубокой связи между кварками и космосом: квантовые флуктуации поля инфлатона в субатомном масштабе увеличиваются до астрофизических размеров в результате быстрого расширения и становятся семенами всех структур, которые мы видим сегодня. Другими словами, картина, наблюдаемая на небе реликтового излучения, представляет собой гигантское изображение субатомного мира. Наблюдения реликтового излучения согласуются с этим предсказанием, предоставляя убедительные доказательства того, что инфляция или что-то подобное произошло очень рано в истории Вселенной.

Рождение Вселенной

По мере того, как космологи пытаются понять происхождение самой Вселенной, наши идеи становятся менее твердыми. Общая теория относительности Эйнштейна обеспечила теоретическую основу для столетия прогресса в нашем понимании эволюции Вселенной. Поскольку общая теория относительности не включает квантовую теорию, другой столп современной физики, на нее нельзя полагаться при рассмотрении самых ранних моментов творения, когда эффекты квантовой гравитации должны были быть важны. Величайшая задача этой дисциплины — разработать квантовую теорию гравитации, с помощью которой мы сможем обратиться к так называемой эре Планка примерно до 10−43 секунд, когда само пространство-время обретало форму.

Предварительные попытки создания единой теории привели к некоторым замечательным предположениям о самом начале нашего существования. Теория струн, например, предсказывает существование дополнительных измерений пространства и, возможно, других вселенных, плавающих в этом большем пространстве. То, что мы называем большим взрывом, могло быть столкновением нашей вселенной с другой. Соединение теории струн с концепцией инфляции привело, пожалуй, к самой смелой идее мультивселенной, а именно к тому, что Вселенная состоит из бесконечного числа несвязанных частей, каждая из которых имеет свои собственные локальные законы физики.

Концепция мультивселенной, которая все еще находится в зачаточном состоянии, опирается на два ключевых теоретических открытия. Во-первых, уравнения, описывающие инфляцию, убедительно предполагают, что если инфляция произошла один раз, то она должна происходить снова и снова, и с течением времени создается бесконечное количество инфляционных областей. Ничто не может перемещаться между этими областями, поэтому они не влияют друг на друга. Во-вторых, теория струн предполагает, что эти области имеют разные физические параметры, такие как количество пространственных измерений и виды стабильных частиц.

Идея мультивселенной дает новые ответы на два самых больших вопроса во всей науке: что произошло до Большого взрыва и почему законы физики такие, какие они есть (знаменитые размышления Альберта Эйнштейна о том, «был ли у Бога выбор»). о законах). Мультивселенная делает спорным вопрос о том, что произошло до Большого взрыва, потому что было бесконечное количество больших взрывов, каждое из которых было вызвано собственным всплеском инфляции. Точно так же вопрос Эйнштейна отодвигается в сторону: в бесконечности вселенных были опробованы все возможности законов физики, поэтому нет особой причины для законов, управляющих нашей Вселенной.

Космологи неоднозначно относятся к мультивселенной. Если разъединенные субвселенные действительно закрыты друг от друга, мы не можем надеяться проверить их существование; они, кажется, лежат за пределами области науки. Часть меня хочет кричать, По одной вселенной за раз, пожалуйста! С другой стороны, мультивселенная решает различные концептуальные проблемы. Если это так, то расширение Вселенной Хабблом всего лишь в 100 миллиардов раз и изгнание Земли из центра Вселенной Коперником в 16 веке будут казаться небольшими достижениями в понимании нашего места в космосе.

Современная космология смирила нас. Мы состоим из протонов, нейтронов и электронов, которые вместе составляют всего 4,5 процента Вселенной, и мы существуем только благодаря тонким связям между очень маленькими и очень большими. События, управляемые микроскопическими законами физики, позволили материи доминировать над антиматерией, породили комковатость, засевшую галактики, заполнили пространство частицами темной материи, обеспечивающими гравитационную инфраструктуру, и обеспечили возможность создания галактик из темной материи до того, как темная энергия станет значительной и расширение начал ускоряться [ см. вставку выше ]. В то же время космология по самой своей природе высокомерна. Мысль о том, что мы можем понять что-то настолько обширное как в пространстве, так и во времени, как наша Вселенная, на первый взгляд нелепа. Эта странная смесь смирения и высокомерия продвинула нас в прошлом столетии довольно далеко в продвижении нашего понимания современной вселенной и ее происхождения. Я с оптимизмом смотрю на дальнейший прогресс в ближайшие годы и твердо верю, что мы живем в золотой век космологии.

Первоначально эта статья была опубликована под названием «Происхождение Вселенной» в специальных выпусках SA 22, 2s, 36–43 (май 2013 г.)

doi:10.1038/scientificamericanphysics0513-36

ДОПОЛНИТЕЛЬНО ИССЛЕДУЕМ

Ранняя Вселенная. Эдвард В. Колб и Майкл С. Тернер. Вествью Пресс, 1994.

.

Инфляционная Вселенная. Алан Гут. Базовый, 1998.

Кварки и космос. Майкл С. Тернер в Science , Vol. 315, страницы 59–61; 5 января 2007 г.