Теории появления вселенной: 10 сумасбродных теорий о природе нашей Вселенной / Хабр - Санкт-Петербургское государственное бюджетное учреждение социального обслуживания населения

Содержание

10 сумасбродных теорий о природе нашей Вселенной / Хабр

Почему наша Вселенная именно такая? Учёные перебрали уже множество способов объяснить природу нашего мира, поэтому в процессе родилось несколько довольно безумных идей.

Почему наша Вселенная именно такая? За много лет учёные перебрали уже множество способов объяснить природу нашего мира и предсказать его будущее. Вот несколько их самых странных идей.

1. Космология бран

Мы принимаем трёхмерность Вселенной как нечто само собой разумеющееся – ведь мы можем двигаться только в одном из трёх перпендикулярных направлений. Однако некоторые теории говорят о наличии ещё одного пространственного измерения, которое мы не способны воспринимать напрямую, существующего ещё в одном перпендикулярном направлении. Это пространство высших измерений называется “балк”, а наша Вселенная в таком случае – это трёхмерная мембрана, или «брана», плавающая внутри него.

Звучит сложно, однако космология бран решает сразу несколько проблем физики. К примеру, физики-теоретики Лиза Рэндал из Гарварда и Раман Сандрам из Мэрилендского университета предложили вариант космологии бран, объясняющий асимметрию субатомных частиц существованием других бран, параллельных нашей. Однако теория не просто должна объяснять известные нам факты – она должна делать предсказания, которые можно было бы проверить экспериментально. В случае с моделью Рэндал-Сандрама можно было бы измерить гравитационные волны, испускаемые чёрными дырами, связывающими разные браны между собой.

2. Большой шлепок

В далёком будущем галактики так сильно разлетятся друг от друга, что свет от одной из них никогда не дойдёт до другой. Когда постареют и умрут все звёзды, настанет время, в котором не будет ни света, ни тепла. Вселенная будет тёмной, холодной и пустой. Звучит, как конец всего – но по одной из теорий это будет начало следующей Вселенной в бесконечно повторяющемся цикле. Помните космологию бран? Так вот, это произойдёт, когда одна холодная пустая брана сталкивается с другой – а это рано или поздно случится. Космологи Нил Турок и Пол Стейнхардт считают, что в таком столкновении появится столько энергии, что она сможет породить новую Вселенную. Они назвали это «экпиротической» теорией, хотя физик Митио Каку придумал ей другой, запоминающийся термин – «Большой шлепок».

3. Заполненный плазмой космос

Множество учёных придерживается теории Большого взрыва, а поддерживают её два главных наблюдения: расширение Вселенной и реликтовое излучение. Сразу после Большого взрыва Вселенная была гораздо меньше и горячее сегодняшней, и заполнена сияющей плазмой, похожей на внутренности нашего Солнца. Конец этой сверхгорячей фазы мы всё ещё наблюдаем в виде моря излучения, заполняющего весь космос. Миллиарды лет расширения Вселенной охладили это излучение до -270°C, однако радиотелескопы всё равно его обнаруживают.

Реликтовое излучение по всем направлениям выглядит практически одинаково, чего нельзя объяснить другими теориями, кроме постоянного расширения Вселенной. Многие учёные считают, что Вселенная претерпела краткий период чрезвычайно быстрой «инфляции» в первую долю секунды после Большого взрыва, быстро раздувшись от субатомных размеров до нескольких световых лет.

4. Голографическая Вселенная

Представьте себе двумерную голограмму, защищающую документ от подделок. Это двумерный объект, в котором закодировано трёхмерное изображение. Согласно одной из теорий вся трёхмерная Вселенная может быть закодирована на её двумерной границе. Это не так круто, как жить в симуляции, но зато эту теорию можно проверить – в работе 2017 года было показано, что она соответствует наблюдаемым закономерностям реликтового излучения.

5. Стационарная Вселенная

Пока наилучшей нашей догадкой о зарождении Вселенной является Большой взрыв. В прошлом она была плотнее, а в будущем станет разреженнее. Не всем учёным это понравилось, поэтому они придумали, как можно сохранить плотность даже в расширяющейся Вселенной. Для этого необходимо постоянно создавать материю со скоростью в три атома водорода на кубический метр за миллион лет. Но эта модель потеряла популярность после открытия реликтового излучения, объяснить которое просто у неё не получилось.

6. Мультивселенная

В общепринятой картине Большого взрыва для объяснения однородности реликтового излучения необходимо постулировать всплеск сверхбыстрого расширения Вселенной на ранней стадии существования, инфляцию. Некоторые учёные считают, что когда Вселенная выпала из фазы инфляции, она была всего лишь небольшим пузырьком в огромном море расширяющегося пространства. По этой теории «вечной инфляции», предложенной Полом Стейнхардтом, в других местах инфляционного моря постоянно появляются другие пузыри-вселенные, и весь этот набор представляет собой “мультивселенную”.

Что ещё страннее, нет причин, по которым в других вселенных должны быть такие же законы физики, что и в нашей – в некоторых может быть более сильная гравитация, или другая скорость света. Хотя наблюдать напрямую другие вселенные мы не можем, одна из них в принципе может столкнуться с нашей. Некоторые учёные даже предположили, что «холодное пятно» в реликтовом излучении – это след одного из таких столкновений.

7. Мы ошиблись с гравитацией

Теории вселенной полагаются на точное понимание гравитации – единственное из взаимодействий, имеющее значение на больших масштабах. Однако некоторые астрономические наблюдения одна лишь гравитация не объясняет. Если измерить скорость звёзд, расположенных на краю галактики, окажется, что они двигаются слишком быстро для того, чтобы оставаться на орбите – если к центру галактики их притягивала бы одна лишь гравитация. Также и скопления галактик удерживает вместе, судя по всему, более сильное взаимодействие, чем одна только гравитация всей видимой материи.

Этому есть два объяснения. Большинство учёных склоняются к тому, что во Вселенной существует невидимая тёмная материя, обеспечивающая недостающую гравитацию. Диссидентской альтернативой этому является мнение о том, что мы неправильно понимаем гравитацию, и должны заменить её теорию “модифицированной ньютоновской динамикой” (МОНД). Такое предложение было сделано в 2002 году в журнале Annual Review of Astronomy and Astrophysics. МОНД и тёмная материя соответствуют наблюдениям, но их ещё предстоит доказать. Требуется провести больше экспериментов.

8. Сверхтекучее пространство-время

Даже если у пространства есть всего три измерения, есть и четвёртое – в виде времени. Поэтому мы можем представить себе Вселенную, существующую в четырёхмерном пространстве-времени. По некоторым теориям, например, по предложенной Стефано Либерати из Международной школы передовых исследований и Лукой Маччионе из Университета Людвига Максимилиана, и опубликованной в журнале Physics Review Letters, это не просто абстрактная система отсчёта, содержащая такие физические объекты, как звёзды и галактики. Оно само по себе является физической субстанцией, чем-то вроде океана. И как вода состоит из молекул, пространство-время по этой теории на более глубоком уровне реальности состоит из микроскопических частиц, до которых могут дотянуться наши инструменты.

По этой теории пространство-время представляет собой сверхжидкость с нулевой вязкостью. Одно из странных свойств таких жидкостей заключается в том, что их нельзя заставить вращаться как единое целое – как делает обычная жидкость, если её помешать. Сверхтекучие жидкости разбиваются на крохотные водовороты – и, возможно, в нашем пространстве-времени именно так образовывались галактики.

9. Теория симуляции

Пока что все теории исходили от учёных – но вот вам одна от философов. Если вся информация о Вселенной поступает в наш мозг посредством наших чувств и данных с научных инструментов, как доказать, что всё это – не хитроумная иллюзия? Вся Вселенная может оказаться сверхсложной компьютерной симуляцией. Эту идею популяризовали фильмы про «Матрицу», однако некоторые философы относятся к ней очень серьёзно. Однако эта теория не может называться научной, потому что её нельзя ни доказать, ни опровергнуть.

10. Эгоизм космических масштабов

В законах физики содержится набор фундаментальных констант, определяющих силу гравитации, электромагнетизма и субатомных сил. Насколько нам известно, они могут иметь любые величины – однако если бы они хоть немного отличались от известных нам, Вселенная была бы совершенно другой. И, что важнее для нас, жизнь в известном нам виде тоже не могла бы существовать. Некоторые люди считают это свидетельством того, что Вселенную осознанно разработали так, чтобы в ней могла развиться жизнь, похожая на человека – т.н. эгоцентричная антропная теория, которую Ник Бустрём предложил в своей книге “Антропная предвзятость”.

что смогут выяснить ученые будущего

Смогут ли ученые в очень далеком будущем установить, с чего началось наше мироздание?

Алексей Левин

Большой взрыв и происхождение Вселенной, Солнечной системы и конечно же Земли является краеугольными вопросами как в физике, так и в других науках. Однако, не меньшую значимость для учёного мира представляют и вопросы конца света. В самом ближайшем будущем, примерно через 5 млрд лет, наш родимый Млечный Путь и его крупнейшая соседка в местной группе галактик, туманность Андромеды, сольются в единую галактику Милкомеду (Milky Way + Andromeda).

Сколь-нибудь массивные звезды давным-давно выжгут термоядерное топливо и превратятся в черные дыры, нейтронные звезды или белые карлики. Поэтому популяция стабильных светил Милкомеды будет по большей части представлена красными карликами, способными протянуть несколько триллионов лет. Правда, останутся и сгустки космического газа, которые при подходящих условиях смогут дать начало новым звездам, даже таким массивным, как Солнце. Тем интереснее рассмотреть теории происхождения Вселенной на примере её будущей галактики.

Предположим, что где-то в Милкомеде на планете Х возникла разумная жизнь, создавшая технологическую цивилизацию. Допустим, что эти существа овладели квантовой механикой, ядерной физикой, релятивистской теорией тяготения и прочими точными науками на нашем нынешнем уровне. Ничто не помешает им обзавестись аппаратурой для исследования Милкомеды. Но смогут ли они создать наряду с астрономией и астрофизикой еще и научную космологию, объясняющую зарождение и эволюцию мироздания? И если смогут, то каким будет происхождение вселенной согласно этой цивилизации?

Без следов

На первый взгляд, это невозможно — просто из-за отсутствия фактических данных. Дело в том, что если физика происхождения вселенной устроена так, как говорят современные теории, и наша Вселенная, согласно им, и дальше будет расширяться с тем же ускорением, как в последние 6−7 млрд лет, –– все звездные скопления, не принадлежащие местной группе, уйдут далеко за горизонт событий и потому окажутся недоступными для наблюдений. Ученым будущего с планеты Х не стоит рассчитывать и на столь обогативший земную астрономию анализ космического реликтового излучения. Через триллион лет характерная длина его волн, которая сейчас измеряется миллиметрами, увеличится в 1029 раз и опять-таки превысит радиус горизонта событий. Не окажется ли так, что если у обитателей планеты Х и возникнет космология, то только мифологическая?

Бегство из Меликомеды

Ответ на этот вопрос можно найти в статье профессора астрономии Гарвардского университета Ави Лёба «Cosmology with Hypervelocity Stars», опубликованной в Journal of Cosmology and Astroparticle Physics.

Теории происхождения вселенной и в наше время непросто связать с её физикой. Однако Лёб считает, что астрономы далекого будущего смогут все же путем наблюдений определить плотность энергии космического вакуума (так называемую темную энергию), а также выяснить количественные характеристики распределения облаков космического газа, звезд и частиц темной материи внутри Милкомеды. В принципе, этой информации вполне достаточно для воссоздания истории Вселенной вплоть до эпохи Большого взрыва.

Как же ученые планеты Х извлекут нужные сведения? По мнению профессора Лёба, модели происхождение вселенной, в прямом смысле, образуются из космоса. Астраномы будущего смогут представить их, наблюдая движение звезд, разрывающих гравитационные путы Милкомеды и уходящих в открытый космос. В последние годы такие светила были обнаружены в нашей Галактике. Это сверхскоростные звезды, hypervelocity stars, упомянутые в заголовке статьи Лёба. Они разгоняются в поле тяготения черной дыры, расположенной в центре Млечного Пути, приобретая скорости порядка 1000 км/с, достаточные для выхода в межгалактическое пространство.

Резонно допустить, что сверхскоростные звезды время от времени будут появляться и в Милкомеде, причем по той же причине, ведь физика происхождения вселенной остаётся неизменной и спустя миллиарды лет.

Плюс немного теории

Разумеется, звезду-беглянку будет притормаживать притяжение Милкомеды. Однако на очень больших дистанциях оно ослабнет настолько, что перестанет препятствовать увлечению звезды ускоряющимся расширением Вселенной. Это означает, что радиальная скорость звезды относительно центра Милкомеды сначала упадет, а потом начнет возрастать. Астрономы планеты Х вполне смогут отследить эти перемены на доплеровских сдвигах спектральных линий звездного излучения (правда, им придется запастись терпением, поскольку смены знака ускорения типичной бродячей звезды придется ждать не менее пары миллиардов лет). Новая-старая вселенная получит материал для ответа на вопрос о происхождении жизни.

А дальше настанет очередь теоретического анализа. На основе полученных данных ученые смогут вычислить как плотность вакуумной энергии, так и среднюю плотность материи Милкомеды. Используя математический аппарат астрофизики (до которого им, естественно, придется дойти своим умом), они будут в состоянии смоделировать процессы звездной эволюции и определить как возраст Милкомеды, так и возраст Вселенной. Им даже удастся понять, что расширение космического пространства сначала замедлялось гравитацией, а затем ускорилось энергией вакуума. Создав несколько версий происхождения вселенной, учённые будущего додумаются и до гипотезы Большого взрыва. Развив её они реконструируют самую раннюю историю и эволюцию Вселенной (для этого, конечно, им придется применять познания в области ядерной физики и физики элементарных частиц). Как подчеркивает Ави Лёб, можно надеяться, что и в очень далеком будущем разумные существа смогут не только творить мифы о происхождении мира, но и конструировать абсолютно научные космологические модели.

возникновение Вселенной.

Религиозная теория возникновения Вселенной

Величие и многообразие окружающего мира способно поразить любое воображение. Все объекты и предметы, окружающие человека, другие люди, различные виды растений и животных, частицы, которые можно увидеть только с помощью микроскопа, а также непостижимые звездные скопления: все они объединены понятием «Вселенная».

Теории возникновения Вселенной разрабатывались человеком издавна. Несмотря на отсутствие даже начального понятия о религии или науке, в пытливых умах древних людей возникали вопросы о принципах мироустройства и о том, каково положение человека в том пространстве, которое его окружает. Сколько существует теорий возникновения Вселенной сегодня, сложно и сосчитать, некоторые из них изучаются передовыми учеными с мировыми именами, другие – откровенно фантастические.

Космология и ее предмет

Современная космология – наука о структуре и развитии Вселенной – рассматривает вопрос о ее происхождении как одну из интереснейших и до сих пор недостаточно изученных загадок. Природа процессов, способствовавших возникновению звезд, галактик, солнечных систем и планет, их развитие, источник появления Вселенной, а также ее размеры и границы: все это лишь краткий перечень изучаемых современными учеными вопросов.

Поиски ответов на основополагающую загадку об образовании мира привели к тому, что сегодня существуют различные теории возникновения, существования, развития Вселенной. Волнение специалистов, ищущих ответы, строящих и проверяющих гипотезы, оправдано, ведь достоверная теория рождения Вселенной раскроет для всего человечества вероятность существования жизни в других системах и планетах.

Теории возникновения Вселенной имеют характер научных концепций, отдельных гипотез, религиозных учений, философских представлений и мифов. Их все условно разделяют на две основные категории:

Теории, в соответствии с которыми Вселенная создана творцом. Иначе говоря, их суть в том, что процесс создания Вселенной был осознанным и одухотворенным действием, проявлением воли высшего разума.
Теории возникновения Вселенной, построенные на основе научных факторов. Их постулаты категорически отвергают как существование творца, так и возможность осознанного создания мира. Такие гипотезы зачастую основаны на том, что называется принципом заурядности. Они предполагают вероятность наличия жизни не только на нашей планете, но и на других.

Креационизм – теория создания мира Творцом

Как следует из названия, креационизм (творение) – это религиозная теория возникновения Вселенной. Это мировоззрение основано на концепции создания Вселенной, планеты и человека Богом или Творцом.

Идея длительное время являлась доминирующей, вплоть до конца XIX века, когда ускорился процесс накопления знаний в самых разных сферах науки (биология, астрономия, физика), а также широко распространилась эволюционная теория. Креационизм стал своеобразной реакцией христиан, придерживающихся консервативных взглядов на совершающиеся открытия. Доминирующая в то время идея эволюционного развития только усилила противоречия, существующие между религиозной и другими теориями.

Чем отличаются научные и религиозные теории

Главные отличия между теориями различных категорий заключаются прежде всего в терминах, которые используют их приверженцы. Так, в научных гипотезах вместо творца – природа, а взамен сотворения – происхождение. Наряду с этим существуют вопросы, которые сходным образом освещены разными теориями или даже полностью продублированы.

Теории возникновения Вселенной, относящиеся к противоположным категориям, по-разному датируют само ее появление. Например, по данным самой распространенной гипотезы (теории большого взрыва), Вселенная образовалась около 13 млрд лет назад.

В противовес этому, религиозная теория возникновения Вселенной приводит совершенно другие цифры:

В соответствии с христианскими источниками, возраст Вселенной, созданной Богом, на момент рождения Иисуса Христа составлял 3483-6984 лет.
Индуизм предполагает, что нашему миру ориентировочно 155 трлн лет.

Кант и его космологическая модель

Вплоть до XX века большинство ученых придерживались мнения о бесконечности Вселенной. Этим качеством они характеризовали время и пространство. Кроме того, по их мнению, Вселенная обладала статичностью и однородностью.

Идею о безграничности Вселенной в пространстве выдвинул Исаак Ньютон. Развитием этого предположения занимался Эммануил Кант, который разработал теорию об отсутствии также и временных границ. Продвинувшись дальше, в теоретических предположениях, Кант распространил бесконечность Вселенной на число возможных биологических продуктов. Этот постулат значил, что в условиях древнего и огромного мира без конца и начала может существовать неисчислимое количество возможных вариантов, в результате которых реально появление любого биологического вида.

На основании этой теории о возможном возникновении жизненных форм была позднее разработана теория Дарвина. Наблюдения за звездным небом и результаты расчетов астрономов подтвердили космологическую модель Канта.

Размышления Эйнштейна

В начале XX века Альбертом Эйнштейном была опубликована собственная модель Вселенной. Согласно его теории относительности, во Вселенной одновременно происходят два противоположных процесса: расширение и сжимание. Однако он соглашался с мнением большинства ученых о стационарности Вселенной, поэтому им было введено понятие космической силы отталкивания. Ее воздействие призвано уравновешивать притяжение звезд и прекращать процесс движения всех небесных тел для сохранения статичности Вселенной.

Модель Вселенной – по Эйнштейну – имеет определенный размер, но границы при этом отсутствуют. Такое сочетание осуществимо только при искривлении пространства таким образом, как это происходит в сфере.

Характеристиками пространства такой модели становятся:

Трехмерность.
Замыкание самого себя.
Однородность (отсутствие центра и края), в которой равномерно располагаются галактики.

А. А. Фридман: Вселенная расширяется

Создатель революционной расширяющейся модели Вселенной, А. А. Фридман (СССР) построил свою теорию на основании уравнений, характеризующих общую теорию относительности. Правда, общепринятым мнением в научном мире того времени была статичность нашего мира, поэтому на его работы не было обращено должного внимания.

Через несколько лет астрономом Эдвином Хабблом было сделано открытие, давшее подтверждение идеям Фридмана. Было обнаружено удаление галактик от находящегося рядом Млечного пути. Вместе с тем неопровержимым стал факт сохранения пропорциональности скорости их движения расстоянию между ними и нашей галактикой.

Это открытие объясняет постоянное «разбегание» звезд и галактик по отношению друг к другу, что приводит к выводу о расширении мироздания.

В конечном счете выводы Фридмана были признаны Эйнштейном, впоследствии он упоминал о заслугах советского ученого как основателя гипотезы о расширении Вселенной.

Нельзя сказать, что существуют противоречия между этой теорией и общей теорией относительности, однако при расширении Вселенной должен был быть изначальный импульс, спровоцировавший разбегание звезд. По аналогии со взрывом, идея получила название «Большой взрыв».

Стивен Хокинг и антропический принцип

Результатом расчетов и открытий Стивена Хокинга стала антропоцентричная теория возникновения Вселенной. Ее создатель утверждает, что существование планеты, настолько хорошо подготовленной для жизни человека, не может быть случайным.

Теория возникновения Вселенной Стивена Хокинга предусматривает также постепенное испарение черных дыр, потерю ими энергии и испускание излучения Хокинга.

В результате поиска доказательств были выделены и проверены более 40 характеристик, соблюдение которых необходимо для развития цивилизации. Американским астрофизиком Хью Россом была произведена оценка вероятности подобного ненамеренного совпадения. Результатом оказалась цифра 10^-53.

Наша Вселенная включает триллион галактик, по 100 миллиардов звезд в каждой. По произведенным учеными расчетам, общее количество планет должно составлять 10²⁰. Эта цифра на 33 порядка меньше рассчитанной ранее. Следовательно, ни одна из планет во всех галактиках не может сочетать условия, которые подошли бы для самопроизвольного возникновения жизни.

Теория большого взрыва: возникновение Вселенной из ничтожно малой частицы

Ученые, поддерживающие теорию большого взрыва, разделяют гипотезу, в соответствии с которой мироздание является последствием грандиозного взрыва. Главным постулатом теории становится утверждение о том, что до этого события все элементы нынешней Вселенной были заключены в частице, имевшей микроскопические размеры. Находясь внутри нее, элементы характеризовались сингулярным состоянием, при котором такие показатели, как температура, плотность и давление не могут быть измерены. Они бесконечны. На материю и энергию в этом состоянии не воздействуют законы физики.

Причиной взрыва, происшедшего 15 миллиардов лет назад, называют возникшую внутри частицы нестабильность. Разлетевшиеся мельчайшие элементы положили начало тому миру, который мы знаем сегодня.

Вначале Вселенная была туманностью, образованной мельчайшими частицами (мельче атома). Затем, соединяясь, они сформировали атомы, которые послужили основой звездных галактик. Ответ на вопросы о том, что было до взрыва, а также, что стало его причиной, являются важнейшими из задач этой теории возникновения Вселенной.

Таблица схематически изображает этапы формирования мироздания после большого взрыва.

Состояние Вселенной	Временная ось	Предполагаемая температура
Расширение (инфляция)	От 10^-45до10^-37секунд	Больше 10²⁶К
Появляются кварки и электроны	10^-6 с	Больше 10¹³ К
Образованы протоны и нейтроны	10^-5 с	10¹²К
Возникают ядра гелия, дейтерия и лития	От 10^-4 с до 3 мин	От 10¹¹ до 10⁹ К
Образованы атомы	400 тыс. лет	4000 К
Газовое облако продолжает расширяться	15 млн лет	300 К
Зарождаются первые звезды и галактики	1 млрд лет	20 К
Взрывы звезд провоцируют формирование тяжелых ядер	3 млрд лет	10 К
Прекращается процесс рождения звезд	10-15 млрд лет	3 К
Энергия всех звезд истощается	10¹⁴ лет	10^-2 К
Черные дыры истощаются и рождаются элементарные частицы	10⁴⁰ лет	-20 К
Завершается испарение всех черных дыр	10¹⁰⁰ лет	От 10^-60 до 10^-40 К

Как следует из приведенных выше данных, Вселенная продолжает расширяться и охлаждаться.

Постоянное увеличение расстояния между галактиками – основной постулат: то, чем отличается теория большого взрыва. Возникновение Вселенной таким способом может быть подтверждено найденными доказательствами. Также существуют и основания для ее опровержения.

Проблематика теории

Учитывая то, что теория большого взрыва не является доказанной на практике, не вызывает удивления то, что существует несколько вопросов, на которые она не в состоянии дать ответ:

Сингулярность. Этим словом обозначено состояние Вселенной, сжатой до одной точки. Проблемой теории большого взрыва становится невозможность описания процессов, происходящих в материи и пространстве в таком состоянии. Общий закон относительности здесь неприменим, поэтому составить математическое описание и уравнения для моделирования нельзя.
Принципиальная невозможность получения ответа на вопрос об изначальном состоянии Вселенной дискредитирует теорию с самого начала. Ее научно-популярные изложения предпочитают замалчивать или упоминать лишь вскользь эту сложность. Однако для ученых, работающих над тем, чтобы подвести математическую базу под теорию большого взрыва, такое затруднение признано главным препятствием.
Астрономия. В этой сфере теория большого взрыва сталкивается с тем, что не может описать процесс происхождения галактик. Исходя из современных версий теорий, возможно предсказать то, как появляется однородное облако газа. При этом его плотность к нынешнему времени должна составлять около одного атома на кубический метр. Для получения чего-то большего не обойтись без корректировки исходного состояния Вселенной. Недостаток информации и практического опыта в этой сфере становятся серьезными препятствиями на пути дальнейшего моделирования.

Также существует несоответствие в показателях расчетной массы нашей галактики и теми данными, которые получены при изучении скорости ее притяжения к галактике Андромеды. Судя по всему, вес нашей галактики в десять раз больше, чем предполагали ранее.

Космология и квантовая физика

Сегодня нет космологических теорий, которые не опирались бы на квантовую механику. Ведь она занимается описанием поведения атомных и субатомных частиц. Отличие квантовой физики от классической (излагаемой Ньютоном) в том, что вторая наблюдает и описывает материальные объекты, а первая предполагает исключительно математическое описание самого наблюдения и измерения. Для квантовой физики материальные ценности не представляют предмета исследований, здесь сам наблюдатель выступает частью исследуемой ситуации.

Исходя из этих особенностей, квантовая механика испытывает затруднения с описанием Вселенной, ведь наблюдатель – это часть Вселенной. Однако, говоря о возникновении мироздания, невозможно представить посторонних наблюдателей. Попытки разработать модель без участия постороннего наблюдателя были увенчаны квантовой теорией возникновения Вселенной Дж. Уилера.

Ее суть в том, что в каждый момент времени происходит расщепление Вселенной и образование бесконечного количества копий. В итоге каждая из параллельных Вселенных может быть наблюдаема, а наблюдатели могут видеть все квантовые альтернативы. При этом изначальный и новые миры реальны.

Инфляционная модель

Основной задачей, которую призвана решить теория инфляции, становится поиск ответа на вопросы, оставшиеся неосвещенными теорией большого взрыва и теорией расширения. А именно:

По какой причине Вселенная расширяется?
Что представляет собой большой взрыв?

С этой целью инфляционная теория возникновения Вселенной предусматривает экстраполяцию расширения на нулевой момент времени, заключение всей массы Вселенной в одной точке и образование космологической сингулярности, которая часто именуется большим взрывом.

Очевидной становится неактуальность общей теории относительности, которая не может быть применена в этот момент. В результате для разработки более общей теории (или «новой физики») и решения проблемы космологической сингулярности можно применить только теоретические методы, вычисления и выводы.

Новые альтернативные теории

Несмотря на успешность модели космической инфляции, есть ученые, которые выступают против, называя ее несостоятельной. Их основным аргументом становится критика предлагаемых теорией решений. Противники утверждают, что полученные решения оставляют некоторые детали упущенными, иначе говоря, вместо решения проблемы начальных значений, теория лишь искусно их драпирует.

Альтернативой становятся несколько экзотических теорий, идея которых основана на формировании начальных значений до большого взрыва. Новые теории возникновения Вселенной кратко можно описать следующим образом:

Теория струн. Ее приверженцы предлагают, кроме привычных четырех измерений пространства и времени, ввести дополнительные измерения. Они могли бы играть роль на ранних этапах Вселенной, а в данный момент находиться в компактифицированном состоянии. Отвечая на вопрос о причине их компактификации, ученые предлагают ответ, гласящий, что свойством суперструн является Т-дуальность. Поэтому струны «наматываются» на дополнительные измерения и их размер ограничивается.
Теория бран. Ее также называют М-теорией. В соответствии с ее постулатами, в начале процесса образования Вселенной существует холодное статичное пятимерное пространство-время. Четыре из них (пространственные) имеют ограничения, или стены – три-браны. Наше пространство выступает одной из стен, а вторая является скрытой. Третья три-брана размещена в четырехмерном пространстве, ее ограничивают две граничные браны. Теория рассматривает столкновение третьей браны с нашей и высвобождение большого количества энергии. Именно эти условия становятся благоприятными для появления большого взрыва.

Циклические теории отрицают уникальность большого взрыва, утверждая, что Вселенная переходит из одного состояния в другое. Проблемой подобных теорий становится возрастание энтропии, согласно второму закону термодинамики. Следовательно, длительность предыдущих циклов была меньшей, а температура вещества – существенно выше, чем при большом взрыве. Вероятность этого чрезвычайно мала.

Независимо от того, сколько существует теорий возникновения Вселенной, только две из них выдержали проверку временем и преодолели проблему всевозрастающей энтропии. Они были разработаны учеными Стейнхардтом-Тюроком и Баум-Фрэмптоном.

Эти относительно новые теории возникновения Вселенной выдвинуты в 80-х годах прошлого века. Они имеют немало последователей, которые разрабатывают модели на ее основе, занимаются поиском доказательств достоверности и работают над устранением противоречий.

Теория струн

Одна из наиболее популярных среди теории возникновения Вселенной – теория струн. Прежде чем перейти к описанию ее идеи, необходимо разобраться с понятиями одного из ближайших конкурентов, стандартной модели. Она предполагает, что материю и взаимодействия можно описать как определенный набор частиц, делящихся на несколько групп:

Кварки.
Лептоны.
Бозоны.

Эти частицы являются, по сути, кирпичиками мироздания, так как они настолько малы, что их нельзя разделить на составляющие.

Отличительной чертой теории струн становится утверждение о том, что такие кирпичики являются не частицами, а ультрамикроскопическими струнами, совершающими колебания. При этом, колебаясь на различной частоте, струны становятся аналогами различных частиц, описанных в стандартной модели.

Для понимания теории следует осознать, что струны не являются никакой материей, это энергия. Следовательно, теория струн заключает, что все элементы Вселенной состоят из энергии.

Хорошей аналогией может служить огонь. При взгляде на него создается впечатление его материальности, однако его нельзя осязать.

Космология для школьников

Теории возникновения Вселенной коротко изучают в школах на уроках астрономии. Учащимся описывают основные теории о том, как был образован наш мир, что происходит с ним теперь и как он будет развиваться в дальнейшем. Целью уроков становится ознакомление детей с природой формирования элементарных частиц, химических элементов и небесных тел. Теории возникновения Вселенной для детей сводят к изложению теории большого взрыва. Преподаватели используют наглядный материал: слайды, таблицы, постеры, иллюстрации. Их основной задачей становится пробуждение у детей интереса к миру, который их окружает.

10 безумных теорий о Вселенной

(Изображение предоставлено Shutterstock)

Почему Вселенная такая, какая она есть? На протяжении многих лет ученые исследовали множество идей, объясняющих наш космос и его будущее.

Вот некоторые из самых странных идей, от сценария мира на бране, в котором вселенная плавает в пространстве более высокого измерения, до «Большого сплата», описывающего столкновение такой браны с другой, чтобы сформировать совершенно новую вселенную.

1. Braneworld

(Изображение предоставлено Shutterstock)

Аспект вселенной, который мы считаем само собой разумеющимся, заключается в том, что она трехмерна — есть три перпендикулярных направления, в которых вы можете двигаться. Однако некоторые теории предполагают другое пространственное измерение, которое мы не можем воспринимать. прямо — в другом перпендикулярном направлении. Это многомерное пространство называется «балком», в то время как наша Вселенная представляет собой трехмерную мембрану — или «брану», — плавающую внутри балка.

Как бы сложно это ни звучало, картина мира на бране решает несколько проблем физики. Например, физики-теоретики Лиза Рэндалл из Гарвардского университета и Раман Сандрам из Мэрилендского университета предложили версия мира бран, которая объясняет асимметрию субатомных сил, предполагая существование других бран, параллельных нашей собственной. Но теории недостаточно объяснить уже известные нам факты — она должна делать новые предсказания, которые можно проверить экспериментально. В случае модели Рэндалла-Сандрума такие тесты могут включать измерение гравитационных волн, излучаемых черными дырами, связывающими одну брану с другой.

2. Большой сплат

Представление художника о нескольких мирах на бранах. Когда двое сталкиваются, они могут создать новую вселенную. (Изображение предоставлено НАСА)

(открывается в новой вкладке)

В далеком будущем галактики в конечном итоге будут отдаляться друг от друга так далеко, что свет от одной никогда не сможет достичь другой. На самом деле, когда звезды стареют и умирают, придет время, когда не останется ни света, ни тепла. Вселенная будет темной, холодной, пустой пустотой. Звучит как конец всего, но, согласно одной из теорий, на самом деле это начало следующей вселенной в бесконечно повторяющемся цикле. Помните теорию мира на бране? Это то, что происходит, когда одна холодная пустая брана сталкивается с другой — что со временем обязательно произойдет. Космологи Нил Турок и Пол Стейнхардт считают, что такое столкновение выработает достаточно энергии, чтобы создать вся новая вселенная . Они называют это «экпиротической теорией», хотя физик Мичио Каку более выразительно назвал ее « Big Splat ».