А было ли что-нибудь до Большого Взрыва?
У всего, что нас окружает, есть прошлое: у человечества, у растительного и животного мира, у атмосферы и океанов, у суши и у самой планеты Земля. Солнце немного старше Земли, а Галактика значительно старше Солнца. Значит, и у Земли, и у Солнца есть своё прошлое. Есть оно и у Галактики, которая появилась примерно 10—12 миллиардов лет назад. Казалось бы, всё просто и ясно, но если копнуть глубже, то простое и ясное сменяется непонятным, загадочным, таинственным…
Одна из соседок нашей Галактики — Большая туманность Ориона. Фото НАСА.‹
›
Узнав о Большом взрыве, люди задумались: а что было до него? На первый взгляд это простой вопрос, который может возникнуть у каждого. Но в действительности это, пожалуй, самый трудный вопрос и ответить на него однозначно пока не смог никто. Такое положение, конечно, не устраивало учёных, ведь они привыкли рано или поздно находить ответы на самые разные, в том числе очень сложные вопросы.
Главный из ответов сводился к тому, что до Большого взрыва не было вообще ничего. Получается, что Вселенная произошла из Ничего, что Ничто породило Всё! Невозможно себе даже представить, когда и почему такое могло произойти. Любой скажет, что из Ничего нельзя не только создать Вселенную, но и смастерить табуретку. Однако учёные настаивают на своём. Они, и в их числе знаменитый физик-теоретик из Англии Стивен Хокинг, говорят, что не просто придумали, будто Вселенная получилась из Ничего, а пришли к такому выводу в результате строгих математических расчётов, в которых пока никто не обнаружил ошибку. Когда-нибудь, считают они, им удастся узнать, что такое Ничто.
Возможно, Ничто — это отсутствие не только каких-нибудь небесных тел, атомов, любых элементарных частиц, но и самого пространства и времени.
Возможно также, что в таинственном Ничто отсутствовали привычные нам формы вещества. Но это была не совсем пустота, и там происходили какие-то процессы, в результате которых могли возникать маленькие взрывы и в конце концов случился Большой взрыв. Чтобы найти подтверждение своей гипотезе, исследователи пытаются создать что-то похожее на Ничто. Они построили специальные камеры, из которых удалили частицы вещества, и понизили температуру, почти достигнув холода космического пространства. Оказалось, что получившееся Ничто на самом деле представляет собой Что-то и его можно исследовать различными способами.
И всё-таки очень многие не согласны с тем, что Вселенная произошла из Ничего. Противники этой гипотезы отвечают на вопрос, что было до Большого взрыва, по-разному. Главная идея сводится к тому, что Большой взрыв — выдающееся событие в истории Вселенной, но Вселенная существовала и до него. Пока мало что можно сказать о том, каким был этот «предок» нашей Вселенной, но можно предположить, что в его истории произошло нечто такое, что привело к Большому взрыву, породившему нашу Вселенную.
Есть, конечно, и другие мнения. Может быть, до Большого взрыва существовала Вселенная, похожая на нашу, а может быть, совсем не похожая. Можно предположить также, что до нашей Вселенной были хотя бы две другие вселенные, столкновение которых привело к Большому взрыву.
По мнению некоторых исследователей, Вселенная существует вечно и в её истории Большие взрывы сменяются Большими хлопками. Такие хлопки могли бы происходить, если бы расширение Вселенной сменялось сжатием. Наконец, можно предположить, и с этим соглашаются многие, что в начальный момент истории нашей Вселенной произошло поистине невероятное событие: новорождённая Вселенная стала стремительно разбухать и раздулась до огромных размеров, порождая «пузырьки», из которых одна за другой выросли разные вселенные. Так возникла Большая Вселенная, которую иначе называют Мегавселенной или Мультивселенной. Если это верно, то подобно тому, как наша Галактика — одна из миллиардов известных нам сегодня галактик, так и наша Вселенная — одна из множества совершенно не известных нам других вселенных.
Давайте пофантазируем и представим себе, что другие вселенные — такие же, как наша, или похожи на неё, то есть состоят из множества галактик, звёзд и планет. Планет так много, что наверняка на некоторых из них существует разумная жизнь. Их обитатели достигли очень высокого уровня развития и стали властителями своей галактики. Конечно, они научились летать со своих планет к далёким звёздам, вокруг которых движутся планеты, подобно тому как наша планета движется вокруг Солнца. Постепенно они освоили много планетных систем в своей галактике, встречаясь при этом, конечно, с местными инопланетянами.
Всё может быть и совершенно иначе, если в Большой Вселенной существуют вселенные, во всём не похожие на нашу. Даже фантастам трудно представить себе, что творится в этих вселенных, а если в них есть жизнь, то какова она, на что похожа и на какие чудеса способны её обитатели.
В невероятное верится с трудом или вообще не верится. Но разве легко было науке убедить людей в том, что, например, Земля — шар? Когда-то тех, кто говорил такое, считали глупцами, потому что только глупцы могли думать, что Земля не плоская.
Все были уверены, что на шаре жить невозможно, потому что живущим «внизу» пришлось бы ходить вниз головой. Невозможно было поверить и в то, что Земля вращается вокруг Солнца. Ведь мы каждый день видим, как Солнце восходит, поднимается над горизонтом, а потом заходит. Создаётся полное впечатление, что Солнце движется вокруг Земли. Но сегодня каждый знает, что всё происходит наоборот: не Солнце движется вокруг Земли, а Земля вокруг Солнца. А потом выяснилось, что Солнце мчится вокруг центра нашей Галактики, а сама Галактика, как и множество других, тоже не стоит на месте, а мчится в беспредельно расширяющейся и разлетающейся во все стороны Вселенной.
Интересно, что через несколько десятков лет будут думать люди о том, что было до Большого взрыва?
Из книги «Самый-самый Большой взрыв».
Российские ученые нашли доказательства теории Большого взрыва
Российско-германский космический телескоп «Спектр-РГ» подтвердил теорию создания Вселенной в результате Большого взрыва
Что происходит
- Ряд открытий, сделанных космическим телескопом «Спектр-РГ», подтверждают теорию создания Вселенной в результате Большого взрыва, сообщил ученый секретарь Института космических исследований Андрей Садовский.
- Одним из таких открытий стало обнаружение очень далекого квазара (сверхмассивной черной дыры в центре галактики, которая испускает много энергии), который образовывался на ранних стадиях формирования Вселенной.
- Теория Большого взрыва — наиболее проработанная учеными космологическая модель создания мира, которая объясняет рождение Вселенной из сингулярности — точки с минимальным размером и бесконечной плотностью и температурой. Считается, что расширение Вселенной в результате Большого взрыва случилось примерно 13 млрд лет назад.
- Орбитальная астрофизическая обсерватория «Спектр-РГ» была запущена в 2019 году с космодрома Байконур. Это проект Федеральной космической программы России с участием Германии. Основной его целью является построение полной карты Вселенной в рентгеновском диапазоне.
Что это значит
Зарождение нашей Вселенной — тайна, над разгадкой которой астрофизики бьются уже долгие годы. Несмотря на разнообразие различных теорий, наиболее популярными на данный момент считаются теория Большого взрыва и горячей Вселенной, согласно которым Вселенная возникла из сингулярного состояния и с тех пор непрерывно расширяется и охлаждается.
Истоки теории Большого взрыва кроются в работах Альберта Эйнштейна, в которых он обозначил основы общей теории относительности. Практически сто лет спустя, — в 2014 году, — с помощью телескопа, установленного на Южном полюсе, американским астрофизикам удалось зафиксировать гравитационные волны, являющиеся своеобразным «эхом» Большого взрыва, что стало первым подтверждением данной теории.
Развитие астрофизики и современных технологий позволяет углублять знания о Вселенной и процессах, происходящих в ней, — в настоящее время в космос запущено большое количество обсерваторий, которые запечатлевают космические объекты и явления.
Например, в апреле 2021 года орбитальный телескоп NASA «Хаббл» обнаружил такое редкое явление как двойной квазар. Предполагается, что это два квазара, которые находятся в ядрах двух сходящихся галактик, которые впоследствии могут объединиться в сверхмассивные черные дыры.
Мерцающий свет двойных квазаров
(Видео: Hubble Space Telescope)
Обнаружена гравитационная волна Большого взрыва
- Джонатан Эймос
- Корреспондент Би-би-си по вопросам науки
Автор фото, AP
Подпись к фото,Телескоп на Южном полюсе является частью американской астрофизической обсерватории
Американские ученые объявили о получении нового убедительного доказательства инфляционной модели Большого взрыва, в результате которого возникла наша Вселенная.
Астрономам впервые удалось зафиксировать сигнал, оставленный в микроволновом излучении молниеносным расширением пространства, которое произошло в первые мгновения после Большого взрыва.
Этот сигнал имеет форму своеобразного сдвига в реликтовом излучении Вселенной.
Полученные результаты подлежат тщательной проверке, однако уже сейчас мало кто сомневается в том, что за такое открытие, если оно подтвердится, будет присуждена Нобелевская премия.
“Это яркое достижение, – заявил профессор Марк Камионковски из университета Джонса-Хопкинса. – Я видел научное обоснование его, и доказательная база не вызывает сомнений. Ученые, участвующие в этом исследовании, имеют весьма высокую научную репутацию”.
Открытие было объявлено группой американских ученых, работающих в рамках проекта под названием BICEP2.
Они использовали телескоп, установленный на Южном полюсе, для наблюдений небольшого участка неба.
Их целью было попытаться найти остаточные следы инфляционного расширения Вселенной, который происходил в первую триллионную в кубе секунду после Большого взрыва.
Автор фото, BICEP2
Подпись к фото,Гравитационная волна оставила характерный росчерк в поляризованном микроволновом <br>фоне реликтового излучения
Сигнал пойман
По современным представлениям, это произошло 13,7 млрд лет назад. За эту невообразимо малую долю секунды зародыш Вселенной вырос от нуля до размеров мячика для игры в пинг-понг.
Инфляционная модель Вселенной была выдвинута в 1982 году для объяснения некоторых аспектов теории Большого взрыва. Стандартная модель была не в состоянии объяснить математически непротиворечивым образом неоднородность Вселенной.
Однако такое расширение должно было оставить очень определенный по сигнатуре сигнал в реликтовом микроволновом излучении, которое является эхом Большого взрыва.
И вот теперь участники проекта BICEP2 утверждают, что этот сигнал зафиксирован. Они называют его поляризацией Б-модус. Он имеет вид характерного смещения в пространственных свойствах реликтового излучения. Только гравитационные волны, которые распространялись во Вселенной в ее инфляционной фазе, могли сгенерировать такой сигнал.
“Обнаружение такого сигнала является одной из наиболее значительных целей современной космологии. Множество людей много работали над достижением этого результата”, – заявил профессор Джон Ковач из Астрофизического центра при Гарвардском университете и Смитсоновском институте, который возглавляет проект BICEP2.
Сенсационность этого открытия означает, что данные, полученные исследователями в рамках проекта BICEP2, будут подвергнуты тщательнейшей проверке.
В принципе подобный сигнал может дать взаимодействие реликтового микроволнового излучения с пылью в нашей галактике, однако ученые из проекта BICEP2 утверждают, что тщательно проанализировали данные наблюдений за последние три года с целью исключения такой возможности.
Полученные результаты будут теперь сравниваться с другими данными наблюдений.
“Я даже не могу объяснить, насколько важен этот результат, – говорит доктор Джо Данкли, который участвует в поисках сигнала В-модус с помощью европейского космического телескопа “Планк”. – Теория инфляционного расширения звучит как сумасшедшая идея, но все, что мы наблюдаем во Вселенной – галактики, звезды, планеты – было запрограммировано в этот момент. Если это результат подтвердится, значение его просто трудно вообразить”.
Наша Галактика – Млечный Путь –
принадлежит к так называемым Галактикам спирального типа (S – Галактики),
представляющие собой вращающийся диск из водородного газа, пыли и звёзд с ярко
выраженными спиральными рукавами (рис.
Обратимся теперь к проблеме о количественных соотношениях между
различными формами материи в современной Вселенной. На рис. 1.8 дан ответ на
этот вопрос. Ответ согласно уровню наших знаний на сегодня. Из диаграммы,
приведённой на рис. 1.8, видно, что лишь несколько процентов (около 4 %) состава
Вселенной относится к тому, из чего, как мы полагаем, образован наш мир. Это –
барионная материя. Всё остальное, а это практически 96% – тёмная материя и
тёмная энергия – пока малопонятные для нас материальные субстанции Вселенной. Мы
знаем, что они определённо существуют. Но мы не знаем, что это такое. Мы только
строим гипотезы и пытаемся поставить эксперименты, в надежде доказать их
справедливость. Но факт остаётся – у нас пока нет аргументов в пользу
окончательного выбора гипотезы, объясняющей состав тёмного вещества и тёмной
энергии во Вселенной. |
1.6). Это – сложный астрономический
объект, состоящий из ядра, – утолщения в центральной части – балджа (от
английского слова “buldge”), гало и собственно самого диска (рис. 1.7). В
плотном ядре в центре диска находятся, в основном, старые звёзды и в нём нет
газа и пыли. В сердце нашей Галактики находится чёрная дыра (О черных
дырах прекрасно рассказано в книге А.М. Черепащука “Черные дыры”).
Кроме этого, в Гало
есть тёмная материя (“dark matter”), которая была идентифицирована по
гравитационным эффектам. Тёмная материя увеличивает массу Галактики, по крайней
мере, в несколько раз.
Запомним эту цифру. Мы ещё к ней
вернемся.
1.8. Структура материи во Вселенной. Вклад
барионной материи – не более 5%. Остальное приходится на так называемую
небарионную “тёмную материю” и “тёмную энергию”, природа которых –
неизвестна.
Возможно, учёным удастся в будущем установить и существование “предвестников”
надвигающегося сжатия Вселенной.
Теория Большого взрыва поставлена под сомнение |
Новую гипотезу происхождения Вселенной выдвинули канадские ученые во главе с Робертом Бранденбергом. По их мнению, у Вселенной нет ни точки отсчета существования, ни точки, в которой ее существование прекратится. Физик-теоретик из Летбриджского университета Саурья Дас считает, что наша Вселенная, скорее всего, находится в бесконечно большом возрасте. Сенсационная публикация появилась в авторитетном зарубежном издании Physical Letters.
Согласно общепринятой теории Большого взрыва, наша Вселенная появилась примерно 14 млрд лет назад из одной точки, т. н. сингулярности – состояния, характеризующегося бесконечной плотностью и температурой вещества. Представление о сингулярности проистекает из уравнений общей теории относительности (ОТО) Эйнштейна, описывающих искажение пространства и времени находящимися в них массами, а также из другого уравнения, называемого уравнением Рай-Чаудхури, которое служит для предсказания сходимости или расходимости траекторий материальных точек с течением времени.
Однако представление о космологической сингулярности содержит в себе элементы противоречия, сообщает «Московский Комсомолец». Согласно положениям теории Эйнштейна, законы физики теряют свою силу еще до достижения состояния сингулярности. Однако современные ученые экстраполируют физические зависимости назад во времени, как если бы уравнения физики в тех условиях имели силу, сказал Роберт Бранденберг, космолог-теоретик из университета в Монреале.
«Поэтому, когда мы говорим, что наша Вселенная началась с Большого взрыва, в действительности, мы не имеем логического основания так утверждать», — сказал Бранденбург журналистам издания Live Science.
В свою очередь Саурья Дас и ее коллеги опирались на так называемую механику Бома, которая, в отличие от других формулировок квантовой механики, оперирует понятием траектории частицы, пишет «МК». Используя эту редко применяемую ныне форму квантовой теории, исследователи модифицировали уравнения ОТО, введя в них небольшой по величине корректирующий член. В результате расчетов, произведенных в соответствии с модифицированными уравнениями ОТО, возраст нашей Вселенной оказался бесконечно большим. Физический смысл корректирующего члена уравнений ОТО исследователи связывают с плотностью темной материи Вселенной, обладающей, согласно их мнению, свойствами сверхтекучей жидкости, поэтому для проверки своей теории предлагают проанализировать распределение темной материи во Вселенной и сравнить результаты этого анализа с прогнозами, сделанными на основе теоретического расчета.
Первоначально теория Большого взрыва называлась «динамической эволюционирующей моделью», информирует wikipedia.org. Впервые термин «Большой взрыв» (Big Bang) применил Фред Хойл в своей лекции в 1949 году: «Эта теория основана на предположении, что Вселенная возникла в процессе одного-единственного мощного взрыва и потому существует лишь конечное время. Эта идея Большого взрыва кажется мне совершенно неудовлетворительной». На русский язык Big Bang можно было бы перевести как «Большой хлопок», что, вероятно, точнее соответствует уничижительному смыслу, который хотел вложить в него Хойл. После того как его лекции были опубликованы, термин стал широко употребляться.
Теория Большого взрыва противоречит также Второму началу термодинамики.
Как возникла Вселенная | MERKATOR
Существуют различные теории возникновения Вселенной, которыми пытались обосновать, с чего возникла Вселенная и как она приобрела современные очертания.
Основной теорией возникновения Вселенной считается теория о Большом взрыве, который произошел примерно 13,799 ± 0,021 млрд лет назад с последующим расширением Вселенной.
В результате Большого взрыва возникла материя, пространство и время.
Планковская эпоха
О начальном состоянии Вселенной в момент Большого взрыва мало что известно. Экстраполяция состояния Вселенной в прошлое предполагает существование момента, при котором материя имела бесконечную плотность и температуру, а любые точки пространства были бесконечно близкими друг к другу. Такие экстраординарные условия существовали в период от начальной сингулярности до 10-43 секунд после Большого взрыва. В это время все фундаментальные взаимодействия (гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое) были объединены в одно. Вселенная находилась в состоянии квантового хаоса.
Эпоха Великого объединения
Эта эпоха началась тогда, когда температура Вселенной упала ниже 1027 Кельвинов, и гравитация отделилась от других фундаментальных взаимодействий. Она продолжалась примерно 10-36 секунд.
Вероятно, в этот период возникли первые частицы и античастицы. В это время Вселенная была заполнена наиболее элементарными частицами — кварками, лептонами и векторными бозонами. Все эти частицы не имели массы, аромата, электрического и цветного заряда, а лептонное и барионное число не сохранялось. Частицы активно взаимодействовали между собой с помощью силы Великого объединения и гравитации. Конец эпохи происходит после отделения сильного взаимодействия от электрослабого.
Эпоха космической инфляции
После эпохи Великого объединения, наступил период экспоненциального роста Вселенной. В течение этой эпохи, Вселенная расширилась по крайней мере в 1026 раз, и в результате, вся наша видимая Вселенная образовалась из одного причинно-связного объема пространства.
Скорость расширения Вселенной значительно превышала скорость света. Это расширение предполагает существование специального инфлятонного поля (оно ответственно за быстрое расширение Вселенной). Для этого периода характерны отрицательное давление и большая плотность вакуума.
В конце этой эпохи размер видимой Вселенной составлял около 10 сантиметров. Все частицы, существовавшие до этого, были разведены на астрономические расстояния. Завершение эпохи сопровождалось фазовым переходом вакуума, который имел очень большую плотность (его иногда называют фальшивым вакуумом), в современное состояние. Энергия, которая была запасена в инфлятонном поле, перешла в энергию пар частиц-античастиц, которые образовали всю ту материю, что мы наблюдаем вокруг.
Электрослабая эпоха
Во время этой эпохи электромагнитное и слабое взаимодействия еще не разделились, поэтому частицы еще не имели массы.
Во время этой эпохи во Вселенной возникло преимущество частиц над античастицами. Начиная с конца этой эпохи, состояние Вселенной хорошо описывается законами физики высоких энергий, известных сейчас.
Эпоха первичного нуклеосинтеза
Через 1 секунду после взрыва температура во Вселенной снизилась ниже миллиарда Кельвинов. С этого началась эпоха первичного нуклеосинтеза (процесс образования ядер атомов химических элементов), которая длилась около 200 секунд.
Именно в этот период распределение элементов стало таким, которое мы можем наблюдать сейчас: водород — 75% атомов; гелий-4 — 25% атомов; гелий-3 — 3×10-4 % атомов; дейтерий — 5×10-5 % атомов; литий-7 — 5×10-10 % атомов.
Эпоха первичной рекомбинации
Примерно через 380 тыс. лет после Большого взрыва температура падает до 3000 Кельвинов. При этой температуре могут существовать и не ионизироваться фотонами нейтральные атомы водорода. Таким образом, в это время Вселенная перестает быть заполненной плазмой, а становится заполненной нейтральным газом, прозрачным для излучения.
Темные века
Темными веками называется период, который длился от 380 тыс. до 550 млн лет после Большого взрыва. В эту эпоху первые звезды еще не образовались, но материя остыла настолько, что перестала излучать свет. Из-за отсутствия ярких источников освещения эта эпоха и получила название. Вселенная в эти времена была заполнена водородом, гелием, реликтовым излучением и излучением атомарного водорода.
Реионизация
Постепенно в однородном газе нейтрального вещества начали образовываться газовые туманности, а еще позже — галактики и отдельные звезды.
Реионизация Вселенной — возвращение вещества межгалактического пространства в состояние плазмы — произошла вследствие интенсивного жесткого ультрафиолетового излучения массивных звезд.
Диаграмма эволюции Вселенной от Большого взрыва до сих пор (Автор: NASA/WMAP Science Team; Источник: Wikipedia)Источник:
Урок 35. вселенная – Физика – 11 класс
Вселенная
Необходимо запомнить
ВАЖНО!
Большое значение для развития современных представлений о строении и развитии Вселенной имеет общая теория относительности, созданная Эйнштейном. Она обобщает теорию тяготения Ньютона для массивных тел и скоростей движения вещества, сравнимых со скоростью света.
Впервые космологическую модель Вселенной в рамках общей теории относительности рассмотрел советский математик Фридман А.
3$.
Если средняя плотность вещества во Вселенной больше критической ( ρ $>$ $ρ_{кр}$), то в будущем расширение Вселенной сменится сжатием, а при средней плотности равной или меньшей критической ( ρ ≤ $ρ_{кр}$), расширение не прекратится. Наблюдаемое разбегание галактик указывает на расширение Вселенной.
Реликтовое излучение – излучение, которое осталось от горячего состояния вещества в начале расширения Вселенной.
Тёмная материя – гипотетическая форма материи, которая не испускает электромагнитного излучения и напрямую не взаимодействует с ним.
Тёмная энергия – гипотетический вид энергии, введённый в математическую модель Вселенной ради объяснения наблюдаемого её расширения с ускорением.
Хронология истории Вселенной в представлении Карла Сагана
Как возникла Вселенная?
«В начале» — до 1920-х годов этим словам не было места в нашем научном понимании Вселенной.
Астрономы считали космос вечным и неизменным. Мы знали только об одной галактике и нескольких миллионах видимых звезд, и это был масштаб нашей наблюдаемой Вселенной.
Затем астроном Эдвин Хаббл наблюдал, благодаря красному смещению, далекие галактики, удаляющиеся друг от друга, и сформулировал Закон Хаббла для объяснения равномерного расширения Вселенной. Красное смещение просто относится к сдвигу далекого небесного тела в сторону более длинных или более красных длин волн, что является дополнением к эффекту Доплера.
Тем временем физик Альберт Эйнштейн только что закончил свою общую теорию относительности, которая предоставила модель конечного однородного космоса, сформированного гравитацией. Эти усилия заложили большую часть основы для шквала новых открытий и свежих теорий в ближайшие десятилетия.
Наше современное научное понимание Вселенной представляет собой своего рода дорожную карту во времени.Эта карта, основанная на работах Хаббла и Эйнштейна и подтвержденная такими открытиями, как изобилие легких элементов и космическое микроволновое фоновое излучение, указывает на 13,7 миллиардов лет назад, к событию, которое мы знаем как Большой взрыв года года.
В этот момент в древнем прошлом не существовало ни времени, ни пространства. Была только одна горячая конденсированная точка — сингулярность — содержащая всю материю во Вселенной. Кроме того, все четыре фундаментальные силы (гравитационная, электромагнитная, сильная и слабая) были объединены в единую силу.Этот единый период, называемый планковской эпохой , длился 10 -43 секунд. Затем Вселенная расширилась со скоростью, превышающей скорость света, почти мгновенно увеличившись от субатомного до размера мяча для гольфа. Ученые называют это инфляционным периодом .
Затем Вселенная расширилась наружу потоком перегретых субатомных частиц. Через три секунды после Большого взрыва космос достаточно остыл, чтобы эти частицы образовали элементы. Около 300 миллионов лет спустя также образовались звезды и галактики.(Более подробную информацию об этих начальных шагах см. в статье «Как работает теория большого взрыва».
Теория большого взрыва по-прежнему является лучшей моделью возникновения Вселенной, но это не единственная теория, которая у нас есть.
Например, устойчивая теория Теория состояний смоделировала вселенную с постоянной плотностью, которая, по-видимому, расширяется из-за постоянного образования новой материи.Однако ее поддержка в значительной степени исчезла благодаря открытию космического микроволнового фона ( CMB ). в 1965 году.Реликтовое излучение было, по сути, радиационной сигнатурой ранней расширяющейся Вселенной.
Экпиротическая модель предполагает, что вселенная образовалась в результате столкновения двух отдельных вселенных в четвертом измерении. А теория большого отскока предполагает, что наша Вселенная находится в вечном цикле больших взрывов и больших сжатий.
Вы можете думать о таких теориях и моделях как о причалах, уходящих в космическое неизвестное. Некоторые дают нам достаточно прочную основу, чтобы наблюдать и проверять вселенную, поскольку мы неуклонно определяем, где и что мы в ней находимся.
Исследуйте ссылки, чтобы найти еще больше космологических затруднений.
Ранняя вселенная | ЦЕРН
Большой взрыв
В 1929 году американский астроном Эдвин Хаббл обнаружил, что расстояния до далеких галактик пропорциональны их красному смещению. Красное смещение возникает, когда источник света удаляется от наблюдателя: видимая длина волны света растягивается за счет эффекта Доплера в сторону красной части спектра. Наблюдение Хаббла подразумевало, что далекие галактики удалялись от нас, поскольку самые далекие галактики имели самые высокие видимые скорости.Если галактики удаляются от нас, рассуждал Хаббл, то когда-то в прошлом они должны были сгруппироваться близко друг к другу.
Открытие Хаббла было первым наблюдательным подтверждением теории Вселенной Большого Взрыва Жоржа Леметра, предложенной в 1927 году. Леметр предположил, что Вселенная расширилась взрывным образом из чрезвычайно плотного и горячего состояния и продолжает расширяться сегодня. Последующие расчеты датировали этот Большой взрыв примерно 13,7 миллиарда лет назад.
В 1998 году две группы астрономов, работавших независимо друг от друга в Беркли, штат Калифорния, заметили, что сверхновые — взрывающиеся звезды — удаляются от Земли с ускорением.Это принесло им Нобелевскую премию по физике в 2011 году. Физики предполагали, что материя во Вселенной замедлит скорость своего расширения; гравитация в конечном итоге заставила бы Вселенную вернуться к своему центру. Хотя теория Большого взрыва не может описать, какими были условия в самом начале существования Вселенной, она может помочь физикам описать самые ранние моменты после начала расширения.
Происхождение
В первые мгновения после Большого взрыва Вселенная была чрезвычайно горячей и плотной.Когда Вселенная остыла, условия стали как раз подходящими для образования строительных блоков материи — кварков и электронов, из которых мы все состоим. Несколько миллионных долей секунды спустя кварки объединились, чтобы произвести протоны и нейтроны. В течение нескольких минут эти протоны и нейтроны объединились в ядра.
По мере того как Вселенная продолжала расширяться и остывать, все становилось все медленнее. Потребовалось 380 000 лет, чтобы электроны застряли на орбитах вокруг ядер, сформировав первые атомы. В основном это были гелий и водород, которые до сих пор являются самыми распространенными элементами во Вселенной.Нынешние наблюдения показывают, что первые звезды образовались из газовых облаков примерно через 150–200 миллионов лет после Большого взрыва. С тех пор более тяжелые атомы, такие как углерод, кислород и железо, непрерывно образуются в недрах звезд и катапультируются по всей Вселенной в виде захватывающих звездных взрывов, называемых сверхновыми.
Но звезды и галактики не рассказывают всей истории. Астрономические и физические расчеты предполагают, что видимая Вселенная представляет собой лишь небольшую часть (4%) того, из чего на самом деле состоит Вселенная.Очень большая часть Вселенной, на самом деле 26%, состоит из неизвестного типа материи, называемой «темной материей».
В отличие от звезд и галактик, темная материя не излучает никакого света или электромагнитного излучения, поэтому мы можем обнаружить ее только благодаря ее гравитационным эффектам.
Еще более загадочная форма энергии, называемая «темной энергией», составляет около 70% массы и энергии Вселенной. О ней известно еще меньше, чем о темной материи. Эта идея проистекает из наблюдения, что все галактики, кажется, удаляются друг от друга с ускорением, что подразумевает наличие некой невидимой дополнительной энергии.
Большой взрыв: как была создана Вселенная
«Вы просто не поверите, насколько огромно, огромно, ошеломляюще велико пространство», — сказал автор Дуглас Адамс. «Я имею в виду, вы можете подумать, что до аптеки далеко, но это пустяки по сравнению с космосом». По нашим лучшим оценкам, в Млечном Пути около 100 миллиардов звезд и не менее 140 миллиардов галактик во Вселенной. Если бы галактики были замороженным горошком, их было бы достаточно, чтобы заполнить аудиторию размером с Королевский Альберт-холл.
Так как же была создана эта невообразимо гигантская Вселенная? На протяжении веков ученые думали, что Вселенная всегда существовала в основном в неизменном виде, работая как часы благодаря законам физики. Но бельгийский священник и ученый по имени Жорж Леметр выдвинул другую идею. В 1927 году он предположил, что Вселенная началась с большого, беременного и первобытного атома, взорвавшегося и испустившего более мелкие атомы, которые мы видим сегодня.
Его идея осталась практически незамеченной. Но в 1929 году астроном Эдвин Хаббл обнаружил, что Вселенная не статична, а на самом деле расширяется.Если это так, некоторые ученые рассудили, что если перемотать жизнь Вселенной, то в какой-то момент она должна была существовать как крошечная плотная точка. Критики отмахнулись от этого: знаменитый астроном Фред Хойл саркастически назвал эту концепцию теорией «Большого взрыва» — фраза, которую позднее переняли ее сторонники.
Не испугавшись скептиков, ученые Ральф Альфер, Джордж Гамов и Роберт Херман предсказали, что если бы Большой взрыв был, то где-то во Вселенной должно сохраняться слабое послесвечение, и мы теоретически должны быть в состоянии его обнаружить.
Для этого потребовалось бы одно из самых больших состояний в науке.
В середине 1960-х астрономы Арно Пензиас и Роберт Уилсон с трудом пытались настроиться на микроволновые сигналы, передаваемые из Млечного Пути. Радиоантенна, которую они использовали, постоянно улавливала слабое шипение радиопомех. Переустановка антенны не помогла избавиться от шума. Не мог он и убрать голубей, насестившихся там, или их беспорядок. Это потому, что шипение, которое они так старались удалить, было эхом Большого Взрыва или Космического Микроволнового Фонового излучения, как его называют.
Если теория Большого взрыва верна, то как она привела к появлению всех планет, звезд и галактик, которые мы можем видеть сегодня? Благодаря серии расчетов, наблюдений с помощью телескопов на Земле и космических зондов наше лучшее объяснение таково.
Около 13,8 миллиардов лет назад вся материя во Вселенной возникла из одной крошечной точки или сингулярности в результате мощного взрыва. Он расширялся с поразительно высокой скоростью и температурой, удваиваясь в размерах каждые 10-34 секунды, создавая пространство при быстром раздувании.
В течение крошечной доли секунды были сформированы гравитация и все остальные силы. Энергия превратилась в частицы материи и антиматерии, которые в значительной степени уничтожили друг друга. Но, к счастью для нас, кое-что уцелело. Протоны и нейтроны начали формироваться в течение первой секунды; за считанные минуты эти протоны и нейтроны могли слиться и образовать ядра водорода и гелия. Спустя 300 000 лет ядра смогли, наконец, захватить электроны и сформировать атомы, заполнив Вселенную облаками газообразного водорода и гелия.Примерно через 380 000 лет он оставил после себя ванну фотонов — космический микроволновый фон, который Пензиас и Уилсон случайно обнаружили. Внутри него были крошечные рябь материи, которая растянулась до огромных размеров во время инфляции, и они, в свою очередь, стали семенами галактик и галактических скоплений, которые мы видим сегодня.
Если мы думаем, что Вселенная началась именно так, то как она закончится? Ну, это совсем другая история.
Если вы хотите прокомментировать это или что-либо еще, что вы видели в Future, перейдите на нашу страницу Facebook или Google+ или напишите нам по номеру Twitter .
Что было до Большого Взрыва? Все, что вам нужно знать
Каковы доказательства Большого Взрыва?Вселенная не существовала вечно. Он родился. Около 13,82 миллиарда лет назад материя, энергия, пространство и время взорвались огненным шаром, названным Большим взрывом. Он расширился, и из остывающих обломков образовались галактики — островки звезд, среди которых наш Млечный Путь — один из примерно двух триллионов. Это теория Большого Взрыва.
Вселенная, возникающая из ничего, настолько безумна, что ученые должны были пинаться и кричать, чтобы принять эту идею.Но доказательства убедительны. Галактики разлетаются, как куски космической шрапнели. И тепло Большого Взрыва все еще вокруг нас. Сильно охлажденное космическим расширением, это «послесвечение» проявляется не как видимый свет, а главным образом как микроволновое излучение — «космическое фоновое излучение», открытое радиоастрономами в 1965 году.
Где произошел Большой Взрыв? При взрыве динамитной шашки детонация происходит в одном месте и осколки летят в пустоту.
В Большом взрыве не было ни центра, ни ранее существовавшей пустоты, поэтому он не произошел ни в каком «месте». Возникло само пространство и сразу начало расширяться повсюду.
Книги по астрономии часто сравнивают Вселенную с поднимающимся пирогом, в котором изюм представляет собой галактику. По мере того, как пирог растет, изюм удаляется друг от друга, не имея центра расширения — как при Большом взрыве. Но, конечно, у торта есть край, в отличие от Вселенной, который может продолжаться вечно. Нет идеальных аналогий!
Был ли Большой взрыв единичным случаем?В начале Большого Взрыва был инфляционный вакуум.Когда он удвоил свой объем, он удвоил свою энергию; когда он утроил свой объем, он утроил свою энергию. Если бы банкноты были такими, и вы разобрали стопку, их стало бы еще больше. Физики называют инфляцию «абсолютным бесплатным обедом»!
Инфляционный вакуум расширялся все быстрее. Но это была «квантовая» штука. А квантовые вещи фундаментально непредсказуемы.
Случайным образом во всем инфляционном вакууме его части «распадались» до обычного, бытового вакуума.
Подумайте о крошечных пузырьках, образующихся в огромном океане.В каждом пузыре инфляционный вакуум исчезал, но его огромная энергия должна была куда-то деваться. Он пошел на создание материи и ее нагревание. Это привело к созданию Большого Взрыва. Наша Вселенная Большого Взрыва — всего лишь один такой пузырь среди возможной бесконечности других вселенных Большого Взрыва в постоянно расширяющемся инфляционном вакууме!
Чтобы все это запустить, понадобился кусок инфляционного вакуума всего в килограмм. Невероятно, но законы квантовой теории позволяют ему появиться из ничего.
Какие проблемы с теорией Большого Взрыва?Основная идея — что Вселенная изначально горячая и плотная и с тех пор расширяется и охлаждается — неопровержима. Но космологам пришлось внести коррективы в теорию, чтобы учесть некоторые наблюдения.
Во-первых, в стандартной модели Большого взрыва галактики растут за счет гравитационного притяжения материи.
Но если бы это было единственное, что происходит, то для их формирования потребовалось бы гораздо больше времени, чем 13,82 миллиарда лет.Астрономы исправляют это, постулируя, что видимые звезды и галактики в шесть раз перевешивают невидимую «темную материю», дополнительная гравитация которой ускоряет формирование галактик.
Во-вторых, базовый Большой Взрыв предсказывает, что гравитационное притяжение между галактиками действует как эластичная паутина, замедляющая космическое расширение. Однако в 1998 году астрономы обнаружили, что расширение Вселенной ускоряется. Они фиксируют это, постулируя существование «темной энергии», которая невидима, заполняет пространство и обладает отталкивающей гравитацией.
Необходима последняя корректировка основной теории, чтобы объяснить, почему во Вселенной везде одинаковая температура. Чтобы объяснить это, астрономы считают, что Вселенная вначале была меньше, чем ожидалось, а затем за первую долю секунды подверглась сверхбыстрому расширению — «инфляции».
Это было вызвано «инфляционным вакуумом», высокоэнергетической версией вакуума, который существует сегодня в космосе.
Подробнее о Большом взрыве:
Что было до Большого Взрыва?Два столпа современной физики — общая теория относительности Эйнштейна и квантовая теория.Первый безраздельно властвует в крупномасштабной Вселенной, а второй управляет мелкомасштабным миром атомов и их составляющих. Они сопротивлялись слиянию, что является проблемой, потому что во время Большого взрыва Вселенная была маленькой.
Чтобы понять, как она возникла, необходимо объединить теорию Эйнштейна с квантовой теорией. Лучшим кандидатом является «теория струн», которая рассматривает основные строительные блоки реальности как крошечные струны массы-энергии, вибрирующие в 10-мерном пространстве-времени.Только получив такую теорию, мы сможем ответить на главные вопросы: что такое пространство? Сколько времени? Что такое Вселенная? И откуда оно взялось?
Мейер: Как возникла Вселенная?
Источник изображения: Институт Дискавери.
Некоторые ученые, включая Альберта Эйнштейна, яростно боролись против идеи Большого Взрыва — что Вселенная возникла конечное время назад — до тех пор, пока научные данные не стали слишком ошеломляющими, чтобы их можно было подтасовывать или отрицать.«В начале», действительно. В новом видео для PragerU философ науки Стивен Мейер спрашивает: «Как началась Вселенная?»
Первое видео доктора Мейера для PragerU «Эволюция: от бактерий до Бетховена» на сегодняшний день посмотрели более миллиона зрителей только на YouTube и в общей сложности более 2,4 миллиона зрителей в Интернете. Теперь мы расширяемся, выпуская ПЯТЬ НОВЫХ ВИДЕО с Мейером на темы из Гипотеза о возвращении Бога .
Увидеть их все сейчас на IntelligentDesign.org , где вы также можете воспользоваться бесплатным предложением — мини-книгой доктора Мейера, Scientific Evidence for a Creator . Чтобы присоединиться к нам, поскольку Центр науки и культуры переезжает в 2022 год и максимизировать свое собственное влияние, пожалуйста, перейдите сюда сейчас и сделайте все, что в ваших силах!
David Klinghoffer
Senior Fellow и Editor , Evolution News David Klinghoffer старший научный сотрудник Discovery Institute и редактор 900 Центра науки и культуры Discovery Institute, рассказывающий о разумном замысле, эволюции и пересечении науки и культуры.Клингхоффер также является автором шести книг, бывшим старшим редактором и литературным редактором журнала National Review , а также писал для Los Angeles Times , New York Times , Wall Street Journal , Washington Post , Seattle Times , Commentary и другие публикации.
Он родился в Санта-Монике, штат Калифорния, и в 1987 году окончил Университет Брауна со степенью бакалавра искусств. с отличием по сравнительному литературоведению и религиоведению.Дэвид живет недалеко от Сиэтла, штат Вашингтон, с женой и детьми.- Подписаться на Дэвида
- Профиль
Поделиться
Теги
Альберт ЭйнштейнБольшой взрывкосмологияЭволюция: от бактерий до Бетховенаинтеллектуальный замыселIntelligentDesign.OrgInternetPragerURВозвращение Бога ГипотезаНаучное доказательство существования СоздателяВселенная Стивена МейераВидео на YouTubeНаша Вселенная, сотворенная из ничего
БЫЛО ВРЕМЯ, возможно, от 10 до 20 миллиардов лет назад, когда известной нам Вселенной не существовало.В то «время» фактически не существовало ни пространства, ни самого времени в той форме, с которой мы знакомы.
Эта концепция, которую трудно понять, лежит в основе нового мышления о структуре, происхождении и эволюции Вселенной.
Недавние открытия космологов — астрофизиков, изучающих прошлое и будущее Вселенной, — пролили новый свет на старые вопросы: как возникла Вселенная — если у нее действительно было начало? Почему Вселенная такая, какой она выглядит сегодня? Какова окончательная судьба космоса?
По мере того, как физика подходит к этим вопросам, ее неумолимо подталкивают к разгадке загадок, которые когда-то были исключительной прерогативой религии.Извечный вопрос о том, является ли Вселенная продуктом случайности или замысла, выходит на передний план научных исследований. Это может предвещать великое сближение идей науки и религии — идей, которые часто казались противоречащими друг другу.
Практически все астрономы сейчас считают, что Вселенная возникла в результате так называемого взрыва «Большого взрыва» из состояния необычайного сжатия и феноменально высокой температуры, в котором такие силы, как гравитация и электромагнетизм, объединились в единое, все- объемлющая сила.Но большую часть века ученые ломали над этим голову.
Почему, если ее первоначальное состояние было хаотичным, вселенная галактик так однородна, как кажется? Почему Вселенная ненадежно балансирует между бесконечным расширением и схлопыванием самой себя, между тем, что способствует жизни, и тем, что она совершенно негостеприимна для нее?
Недавний удивительный прогресс в поисках ответов на эти вопросы стал возможен благодаря лучшему пониманию физиками связи между самыми большими и самыми маленькими объектами во Вселенной.Благодаря работе астрофизиков и физиков элементарных частиц становится возможным объединить царство звезд и галактик и мир субатомных частиц и волн — и вывести теории об их общем происхождении.
Самые замечательные открытия последних лет были сделаны молодым физиком-теоретиком из Стэнфордского центра линейных ускорителей Аланом Гутом, который в 1979 году разработал «инфляционную теорию», которая «объяснила» первую долю секунды Вселенной, возникновение материи и многие загадочные черты современного космоса.
По сути, инфляция, предвиденная Гутом, привела в действие Большой взрыв. Он смог объяснить, как материя и энергия видимой вселенной и за ее пределами возникли буквально из ничего.
Таким образом, его теория обещает показать, что нынешняя форма Вселенной является неизбежным следствием физических законов, которые «предшествовали» космосу. В его теории произвол и случайность исключены из творения. Возможно, не слишком самонадеянно предположить, что Бог и физика объединены концепцией космической инфляции.
Огромный масштаб Вселенной не осознавался до 1920-х годов. Уильям Гершель, британский астроном XIX века и первооткрыватель планеты Уран, предположил, что нечеткие световые пятна на небе, видимые в телескопы, представляют собой «островные вселенные», очень похожие на галактику Млечный Путь, в которой, по-видимому, обитает Солнце.
Это не было подтверждено до тех пор, пока американский астроном Эдвин Хаббл с помощью 100-дюймового телескопа Маунт-Вилсон не смог разрешить отдельные звезды в туманностях Андромеды — теперь известно, что это ближайшая спиральная галактика к Млечному Пути.
Млечный Путь, насчитывающий около 300 миллиардов звезд, считался всего лишь одной из сотен миллиардов других галактик. Возможно, более поразительным было открытие Хаббла (сделанное путем измерения световых спектров далеких туманностей), что эти галактики удаляются от нас со скоростью сотен или даже тысяч миль в секунду. Вселенная, как оказалось, расширялась очень сильно, как хлеб с изюмом, испеченный в духовке. Независимо от того, в какой «изюминке» или галактике обитал наблюдатель, расширение выглядело бы одинаково.
Последствия расширения Вселенной были ошеломляющими. Расширение означало, что когда-то вся материя могла быть сжата с огромной плотностью. Это означало, что утешительную идею стабильной, вечно неизменной и, возможно, бесконечно старой вселенной нужно было заменить представлением об эволюционирующей вселенной конечного возраста.
С точки зрения человека, не являющегося ученым, эта теория ставит под сомнение общепринятые представления о вечности, а также открывает ошеломляющую возможность «начала».
На протяжении многих лет некоторые ученые не соглашались с теорией Большого взрыва. В конце 1940-х, например, Герман Бонди, Томас Голд и Фред Хойл предложили космологию «стационарного состояния», в которой не было начала времени. постулировал, что Вселенная существовала всегда и будет продолжать расширяться вечно, при этом для любого наблюдателя она всегда будет выглядеть примерно одинаково
Модель стационарного состояния была элегантной и, в некотором смысле, философски приятной Внезапное создание космоса в одно мгновение «времени» удалось избежать, и жизнь могла свободно развиваться на планетах до вечности.У нашего Солнца может закончиться топливо через несколько миллиардов лет, но его место навсегда займут новые звезды. Но случайное открытие, сделанное двумя учеными из лаборатории Белла в Нью-Джерси в 1965 году, стало похоронным звоном по идее стационарного состояния.
В процессе ремонта большой рупорной микроволновой антенны Арно Пензиас и Роберт Уилсон уловили постоянный низкоуровневый электронный шум, который оставался вне зависимости от того, что они делали и в каком направлении была направлена антенна.
Некоторое время они даже подозревали, что птичий помет в антенне как-то связан с их проблемой.Но они и другие вскоре поняли, что вездесущее шипение было остаточным криком рождения Большого Взрыва, эхом отдающимся в пространстве и времени. Они обнаружили однородное микроволновое излучение, чья нынешняя частота (измеряемая учеными как температура) указывала на то, что оно исходило из того времени, когда Вселенная была намного горячее. Температура и однородность излучения идеально соответствуют модели Большого Взрыва, произошедшего на 10–20 миллиардов лет раньше. Стивен Вайнберг, лауреат Нобелевской премии по теоретической физике, описал Большой Взрыв в своей книге «Первые три минуты»: «
» В начале был взрыв.Не взрыв, подобный привычным на Земле, начинающийся из определенного центра и распространяющийся на все большую и большую часть окружающего воздуха, а взрыв, происходивший одновременно везде, заполняя все пространство с самого начала, когда каждая частица материи разлетается в разные стороны.
любая другая частица».
Нам, людям, с нашим трехмерным ощущением пространства, нелегко понять концепцию расширяющейся Вселенной. Когда мы слышим о взрыве Большого взрыва, мы склонны думать о сжатая материя взрывается в большее или бесконечное пространство.Но это неверно применительно к Большому Взрыву. На самом деле произошло то, что все пространство вместе с содержащимся в нем веществом и излучением расширилось из маленькой точки.
У этой теории есть определенные точки соприкосновения с повседневным здравым смыслом. Например, можно без особого труда изобразить конечную, подобную воздушному шару вселенную, в которой все «жители» — плоские «существа», живущие на поверхности расширяющегося воздушного шара. Все их двумерное пространство могло расширяться от времени очень большой кривизны (когда воздушный шар был крошечным) до времени меньшей кривизны (когда воздушный шар был надут) — и все же существам было бы трудно представить себе их двух- многомерный мир, «расширяющийся во что-то».
Альберт Эйнштейн представил себе космического путешественника, возвращающегося к своей исходной точке, как бы он ни пытался придерживаться «прямой линии». , и время как четвертое измерение изгибаются по своей природе способами, которые мы не можем легко воспринять.
Когда радиоастрономы улавливают фоновое микроволновое излучение, они на самом деле измеряют температуру очень ранней фазы Вселенной, уменьшенную пропорции, на которую Вселенная расширилась с момента своего возникновения.Когда Вселенная была в 1000 раз меньше, температура была в 1000 раз выше — около 3000 градусов по шкале Кельвина вместо нынешних 3 градусов. (Градус Кельвина равен одному градусу температуры по Цельсию, но шкала Кельвина начинается с минус 473 градусов по Цельсию.)
Одной из наиболее примечательных особенностей современной физической Вселенной является преобладание водорода и гелия — виртуальное доказательство раннее высокотемпературное состояние Вселенной, согласно теории Большого Взрыва.
Гелий составляет около 28 процентов массовых частиц во Вселенной, а остальное — водород. Есть только следовые количества более тяжелых элементов, которые образуются при взрывах огромных звезд.
Относительное изобилие гелия и водорода лучше всего можно объяснить температурой Вселенной в миллиарды градусов Кельвина, когда ей было всего 3 минуты. Эта температура должна была создать именно то изобилие гелия из ядер водорода, которое появилось сразу после начала Большого Взрыва.
В те самые ранние моменты Большого взрыва температура превышала 100 миллиардов градусов Кельвина, а плотность материи в миллиарды раз превышала плотность железа в земных условиях. Закружился водоворот субатомных частиц и радиации. Частицы, называемые нейтрино, которые могут не иметь массы, перестали взаимодействовать с другими частицами и стали независимым эфирным фоном для остальной материи во Вселенной.
До 700 000 лет после Большого взрыва излучение и материя находились в равновесии.Но в конце концов произошло достаточное охлаждение из-за расширения, так что отрицательно заряженные электроны могли соединиться с легкими атомными ядрами, чтобы сформировать настоящие атомы.
Вселенная утратила свою непрозрачность, и была подготовлена почва для эволюции всех структур, которые мы сегодня наблюдаем во Вселенной, — галактик, звезд, планет и даже космологов, пытающихся во всем этом разобраться.
Эта «современная» вселенная, как мы знаем, в основном управляется четырьмя основными силами: гравитацией, электромагнетизмом (который управляет облаками электронов, жужжащими вокруг атомных ядер), «слабым взаимодействием» (которое управляет радиоактивным распадом ядер) и «сильное взаимодействие» (которое удерживает вместе «кварки» в ядерных частицах).
Но, возвращаясь к самым ранним временам, до первой сотой секунды Большого Взрыва, есть веские доказательства того, что силы природы были объединены в одну всеобъемлющую силу. Без теории об этой силе, объединяющей все силы, трудно будет понять, как действовала природа, когда Вселенная была намного меньше и намного горячее, и, следовательно, не может быть адекватного объяснения происхождения Вселенной.
Несмотря на то, что физики не могут воспроизвести в лабораториях высокоэнергетические условия ранней Вселенной, они должны разработать теории, объясняющие, как силы природы, которые мы наблюдаем сегодня, стали иметь четыре отдельных характера, и как эти силы выражаются в царстве субатомных частиц Алисы в стране чудес, которое включает в себя вещи, называемые кварками, глюонами, мюонами, тауонами, частицами «W» и «Z».
Физики пытаются построить здание единой теории поля, о котором когда-то мечтал Эйнштейн. Теории такого рода известны как теории Великого объединения или, что менее изящно, ТВО. ТВО лежат в основе понимания того, какой была Вселенная в «начале», и они помогают предсказать, что мы должны ожидать найти в космосе сегодня.
Четыре основные силы нашей нынешней вселенной не всегда считались имеющими много общего друг с другом, но в них было достаточно загадок, чтобы было много предположений о том, как они могут быть связаны.Открытие частиц «W» и «Z», о котором сообщалось в прошлом году, подтвердило, что электромагнитное и «слабое» взаимодействие на самом деле являются разными проявлениями одного и того же взаимодействия — «электрослабого» взаимодействия. Следовательно, две силы природы были «объединены». Даже если лабораторные экспериментальные данные не могут быть получены для демонстрации объединения сильного взаимодействия и гравитации с электрослабым взаимодействием, крупнейший из всех экспериментов, Большой взрыв, может оказаться окончательным испытанием дальнейших ТВО, объединяющих все силы.
Здесь космология и физика элементарных частиц, возможно, уже объединились, чтобы найти ответы на распространенные загадки. Но до тех пор, пока в 1979 году на сцену не вышел Алан Гут, энергичный физик лет тридцати, не существовало космологической теории, объясняющей, как произошел Большой взрыв до первой сотой секунды.
Обдумав догадки своих коллег, он придумал захватывающую новую точку зрения на то, как произошел Большой Взрыв. Это была его идея «космической инфляции».Вместо постоянной скорости расширения в течение первого мгновения, постулируемой для Большого взрыва, он постулировал экспоненциальное расширение Вселенной, начиная с триллиона триллионов триллионов триллионных долей секунды (единица делится на единицу, за которой следуют 36 нулей!).
Ошеломляющая скорость этого экспоненциального расширения, которое произошло практически мгновенно и затем закончилось, привела в действие вселенную. За доли секунды Вселенная расширилась из субатомного измерения в огромный коэффициент — 1 с 50 нулями после него — но все еще была всего около 4 дюймов в диаметре.
С тех пор скорость расширения Вселенной уменьшилась и со временем стала одинаковой.
В одном захватывающем дух видении Гут объяснил несколько основных проблем, которые мучили космологов.
Теория Гута помогла ответить на вопрос, почему Вселенная удивительно однородна в больших масштабах и изотропна — она выглядит одинаково для любого наблюдателя, смотрящего в любом направлении. Можно было бы ожидать, что из изначально хаотичного бульона появятся области разной плотности. Но, согласно теории Гута, чрезвычайная скорость инфляции привела к сглаживанию несопоставимых областей.
Более того, Гут дал убедительное объяснение величайшей загадки, стоящей перед космологами: почему Вселенная, по-видимому, так ненадежно балансирует между «открытостью» (обреченной на вечное расширение) и «закрытостью» (обреченной на коллапс, в конце концов, в сжатии, которое обратит вспять Большой взрыв)?
В течение долгого времени космологи знали, что у них есть проблема “недостающей массы”, если Вселенная будет расширяться вечно – или даже если она балансирует между закрытием и открытием.
Вся масса во Вселенной оказывает гравитационное воздействие на все другие массы.Это тормозит универсальное расширение, и, если имеется достаточно массы, Вселенная может снова схлопнуться сама на себя. Но расчеты показали, что наблюдаемая масса Вселенной составляет всего 1 процент от массы, необходимой для ее коллапса.
Некоторые ученые пришли к выводу, что в скоплениях галактик было достаточно невидимой материи, чтобы обеспечить часть недостающей массы. Тем не менее, эта дополнительная масса, возможно, составила бы только 10–20 процентов массы, необходимой для коллапса.Остальные 80 или 90 процентов массы Вселенной, необходимые для балансирования, могут существовать в какой-то другой форме.
Одним из объяснений было то, что недостающая материя была в форме черных дыр, образовавшихся давным-давно, когда Вселенная была сильно сжата. Также считалось, что, возможно, призрачные нейтрино, пронизывающие пространство, все-таки имеют маленькую массу. Даже если бы эти частицы имели очень маленькую массу, они могли бы объяснить дефицит и фактически могли бы составлять основную долю массы во Вселенной.
Неизбежным математическим следствием теории Гута является то, что Вселенная идеально сбалансирована между открытостью и закрытостью.
Космолог Марк Дэвис из Калифорнийского университета объясняет, что инфляция Гута «динамически приведет вселенную к критическому состоянию, когда она будет точно между открытым и закрытым — с чрезвычайно высокой точностью…». Таким образом, теория Гута привела космологов к ищите еще усерднее недостающую массу, в которую они все верят.
Подготовленному ученому, не говоря уже о дилетанте, можно простить то, что ему очень трудно следовать уравнениям, которые привели к такому заключению. Тем не менее, следует сказать, что почти непостижимые уравнения физика показывают, как то, что можно было бы описать как «поля небытия», приобрело атрибуты материи. Это самое близкое, что наука подошла к объяснению «начала».
Гут описывает Вселенную как «бесплатный обед», созданный из «вероятностных флуктуаций» в «ложном вакууме».«Грубо говоря, — рассуждает он, — энергия гравитации в точности нейтрализует негравитационную энергию Вселенной. Результат: чистая энергоемкость Вселенной точно равна нулю! Ум кружится, пытаясь представить, как все могло произойти буквально из ничего — – не что иное, как ранее существовавший, флуктуирующий “ложный вакуум”, управляемый единым силовым законом природы.
В недавней беседе с Марком Дэвисом я слабо нащупал слова и предположил, что “мы на самом деле гигантское ничто, которое разработала сама себя!» К моему изумлению, мой друг-космолог не возражал.
Согласно Гуту, инфляция также подразумевает, что Вселенная в миллиарды раз больше, чем наблюдаемая в настоящее время Вселенная, которая сама имеет размеры в миллиарды световых лет.
Если бы плотность материи во Вселенной превышала критическую, она бы схлопнулась обратно сама в себя через много миллиардов лет, и все остатки структуры исчезли бы. Некоторые предполагают, что затем он «подпрыгнет» и снова расширится в новом Большом Взрыве. Нынешнее воплощение вселенной может быть только одной из множества предшествующих вселенных, которые могут напоминать или не напоминать нашу собственную.
Но новое космологическое мышление состоит в том, что, по крайней мере, наша наблюдаемая Вселенная будет продолжать расширяться вечно, даже если гравитация неумолимо замедляет растяжение пространства, но не до полной остановки.
Другими словами, расширению суждено продолжаться вечно — концепция, которая беспокоит человеческие умы, которым очень трудно совладать с понятием бесконечности.
Теория Гута, следует отметить, не исключает (и может даже сделать более вероятным) существование «параллельных» или «альтернативных» вселенных, которые навсегда остаются за пределами нашей способности исследовать.Возможно, были и другие Большие взрывы, раздувавшие другие вселенные, подобно нашему собственному «пузырю» пространства и времени. Возможно, эти вселенные доступны нам не больше, чем молекулы на поверхностях двух отдельно расширяющихся пузырей друг другу.
Какова же судьба всего, что мы видим сегодня? В нашем местном перешейке мы знаем, что Солнце пройдет через фазу красного гиганта и расширится, чтобы поглотить Землю и расплавить ее поверхность — всего через 5 миллиардов лет.
Но даже 5 миллиардов лет — это мгновение по сравнению с бездной времени, которая впереди.
В последнее время ученые начали размышлять о “смерти” Вселенной в ее вечном расширении. Через 100 триллионов лет все звезды исчерпают свое топливо. Через 100 000 триллионов лет все звезды потеряют свои планеты из-за нечастых, но неизбежных столкновений друг с другом. Коллапс всех галактик путем «испарения» их звезд в межгалактическое пространство завершится к миллиону триллионов лет.В еще более невообразимо далекие времена (число 1, за которым следуют 32 нуля, годы) даже стабильные частицы, такие как протон, распадутся на более быстрые субъядерные частицы. Все еще оставшиеся черные дыры испарятся через 1, а затем через 100 нулей лет, и Вселенная будет состоять только из крайне разбавленного газа блуждающих частиц.
Какой смысл мы можем придать нашей жизни из этой картины космической эволюции — картины, которая становится все более ясной по мере того, как расширяются границы знания? Некоторые посмотрят на это с тревогой и обнаружат, что их представления о благожелательном Творце подверглись серьезному испытанию.
Другие могут найти подтверждение предполагаемого разума, лежащего в основе этой удивительной истории.
Конечно, многие космологи придерживаются пантеистического взгляда на Бога, считая, что сама вселенная является высшим существом. Физик Пол Дэвис, автор книги «Бог и новая физика», например, похоже, верит не в сверхъестественного Бога, а в «направляющий, контролирующий, универсальный разум, который пронизывает космос и управляет законами природы для достижения какой-то конкретной цели». Мы могли бы описать такое положение дел, сказав, что природа есть продукт собственной технологии, а вселенная — это разум! Самонаблюдающая, а также самоорганизующаяся система.
Третьи могут отрицать реальность идей космологов и указывать на буквальное толкование Писания, утверждая, например, что вселенная возникла однажды утром в 4004 г. до н.э. после того, как Бог сказал: «Да будет свет!» Примечательно, что свет был в изобилии на заре творения — вспомните водоворот радиации в самые ранние времена
Как ни посмотри, удивительно, что люди, корпевшие над вычислениями и приклеенные к своим астрономическим наблюдениям, могли созерцать всю полноту пространства и времени и за их пределами.
Действительно, есть смысл в том, чтобы часть вселенной созерцала себя, размышляя, какую роль может сыграть эта или другая жизнь в грядущей космической драме.
Как возникла Вселенная?
Была ли вселенная всегда здесь? Или у него было начало? Если да, то как это началось?
С древних времен философы и богословы обсуждали эти вопросы.
Но только в 20 веке серия ошеломляющих научных открытий наконец позволила нам получить некоторые ответы.
История начинается в 1912 году, когда американский астроном Весто Слайфер заметил, что свет, исходящий от далеких «туманностей» (облаков пыли и газа в космическом пространстве), кажется более красным, чем ожидалось.
Почему это было важно?
Вот где окупаются ваши школьные знания. Помните, как вы узнали об эффекте Доплера? Частота звуковых, световых или других волн изменяется по мере того, как источник и наблюдатель приближаются (или удаляются) друг от друга. Чтобы продемонстрировать это, ваш учитель естествознания, вероятно, проигрывал запись гудка поезда: высота гудка снижается, то есть звуковая волна растягивается, когда поезд удаляется вдаль.
То же самое происходит и со светом.
Если далекая звезда или галактика удаляется от нас, свет, исходящий от этого объекта, также будет растягиваться. Поскольку в спектре видимого света красный свет соответствует наибольшей длине волны, физики говорят, что растянутый свет имеет «красное смещение».
Это свидетельство «красного смещения» предполагает, что туманности удаляются от нас.
В 1924 году астроном Эдвин Хаббл, работая с новым 100-дюймовым телескопом на горе.Уилсон в Калифорнии показал, что «туманности» Слайфера были не просто облаками газа вокруг далеких звезд, а на самом деле далекими галактиками за пределами нашего Млечного Пути.
Вскоре после этого бельгийский физик Жорж Лемэтр сопоставил данные Слайфера о красном смещении с измерениями Хабблом расстояний до других галактик. Леметр показал, что далекие галактики удаляются быстрее, чем близкие. Это предполагало сферическое расширение Вселенной во всех направлениях пространства, как если бы Вселенная расширялась, как воздушный шар, от единственного взрывного начала — от «большого взрыва».
Как ни странно, Альберт Эйнштейн ранее пришел к этой идее, но затем отверг ее.
Новая теория гравитации Эйнштейна, известная как общая теория относительности, предполагала, что массивные тела изменяют кривизну пространства подобно шару для боулинга, который делает углубление на батуте.
Концепция гравитации Эйнштейна подразумевала, что пространство будет сжиматься само по себе, если гравитации не будет постоянно противодействовать расширение пространства. По этой причине Эйнштейн постулировал постоянно действующую силу отталкивания, известную как космологическая постоянная, для противодействия гравитационному притяжению.Но это подразумевало динамичную и расширяющуюся вселенную… а также начало.
Чтобы избежать этого вывода, Эйнштейн изменил свои собственные уравнения, произвольно присвоив точное значение силе расширения, чтобы убедиться, что сила гравитации и сила отталкивания точно уравновешены. Таким образом, он изобразил Вселенную в идеально сбалансированном, статичном состоянии — ни расширяющейся с самого начала, ни сжимающейся к коллапсу.
Но затем, после открытий Слайфера и Хаббла, небеса заговорили в ответ.В 1927 году Леметр сообщил Эйнштейну (в такси, не иначе) о красном смещении, свидетельствующем о расширяющейся Вселенной. В 1931 году Эйнштейн посетил Хаббла в обсерватории Маунт-Вилсон и лично ознакомился с доказательствами. Позднее он, к своей большой чести, объявил, что отрицание факта существования Вселенной было «величайшей ошибкой в моей научной карьере».
На протяжении 20 века физики предлагали и другие теории, отрицавшие космическое начало. Одно за другим новые свидетельства показывали, что каждое из них неадекватно.К 1990-м годам теория Большого взрыва преобладала как лучшее объяснение многочисленных астрономических данных.
Так почему же такие свидетельства расстроили Эйнштейна и многих других ученых? Физик из Принстонского университета Роберт Дике объяснил: «[бесконечно древняя Вселенная] избавила бы нас от необходимости [объяснять] происхождение материи в любое конечное время в прошлом».