Что было до Большого Взрыва?
До того как появилась Земля, во Вселенной было большое облако газа и пыли. До этого произошел Большой Взрыв и наша Вселенная появилась из точки с бесконечно большой плотностью. А до этого… А что было до этого, это как раз тот самый вопрос, который заставляет физиков нервно закатывать глаза. Им остается только предполагать, что было до Большого Взрыва. Вот их теории.
1. Большой отскокЭта теория предполагает рождение нашей Вселенной как результат гибели какой-то другой. Это теория цикличности, согласно которой наш мир живет в бесконечном цикле расширения и коллапса, а это означает, что мы находимся на пути к следующему коллапсу. Когда придет время в результате невообразимого события наша Вселенная погибнет, пространство вновь сожмется в точку и произойдет новый Большой Взрыв.
2. Спящая вселеннаяЕсть мнение, что никакой цикличности не существует. Так утверждают приверженцы теории о спящей вселенной. Они считают, что раньше наш мир был плоским пространством, стабильным во всех отношениях, на которое однажды подействовала некая неизвестная внешняя сила и вывела его из состояния равновесия. Результатом стала наша Вселенная. Другими словами, Вселенная была как карточный домик, на который подул ветер.
Сначала была бесконечно плотная и горячая точка, потом она взорвалась. Да кто в такое поверит? Точно не сторонники гипотезы об инфляции. Им не нравятся гипотетические точки, им по душе поля. По их версии, вначале было инфлатонное поле, пронизывающее пространство. Потом всплеск энергии захватил участок поля и стал причиной Большого Взрыва, который создал там некий пузырь, в котором мы с вами сейчас и живем.
4. МультивселеннаяЭта теория является ответвлением предыдущей и ее поддерживают многие. Считается что событие, послужившее причиной образования нашей Вселенной, также дало жизнь некоторому количеству других вселенных, и наш пузырь окружен бесконечным количеством таких же. Правда эта теория сразу ставит своих последователей перед вопросом — как попасть к соседям?
Смотрите шоу «Как устроена Вселенная» по вторникам в 22:55 МСК на телеканале Discovery.Ученые подтвердили, что до нашей Вселенной существовало еще что-то
https://ria.ru/20200730/1575151429.html
Ученые подтвердили, что до нашей Вселенной существовало еще что-то
Ученые подтвердили, что до нашей Вселенной существовало еще что-то – РИА Новости, 31.07.2020
Ученые подтвердили, что до нашей Вселенной существовало еще что-то
Американские ученые с помощью математических инструментов описали неоднородности реликтового космического излучения, возникшего непосредственно после зарождения РИА Новости, 31.07.2020
2020-07-30T11:11
2020-07-30T11:11
2020-07-31T09:14
наука
космос – риа наука
открытия – риа наука
физика
теория большого взрыва
/html/head/meta[@name=’og:title’]/@content
/html/head/meta[@name=’og:description’]/@content
https://cdn23.img.ria.ru/images/152176/23/1521762391_0:52:1224:741_1920x0_80_0_0_8ffc5fd9c16abfeef40937f2c0ccba93.jpg
МОСКВА, 30 июл — РИА Новости. Американские ученые с помощью математических инструментов описали неоднородности реликтового космического излучения, возникшего непосредственно после зарождения Вселенной. Авторы считают, что их результаты подтверждают правильность гипотезы Большого отскока, согласно которой возникновение нашей Вселенной стало результатом распада некой “предыдущей” вселенной. Результаты опубликованы в журнале Physical Review Letters.В то время как теория общей относительности Эйнштейна объясняет широкий спектр астрофизических и космологических явлений, некоторые свойства Вселенной остаются загадкой. В частности, она не может объяснить неравномерность распределения в пространстве галактик и темной материи. Сотрудники Университета штата Пенсильвания начиная с 1980-х годов разрабатывают космологическую парадигму, основанную на представлении о петлевой квантовой гравитации. Эта парадигма, получившая название петлевой квантовой космологии, описывает все современные крупные структуры во Вселенной как квантовые флуктуации пространства-времени, имевшие место при рождении мира.Согласно общепринятой теории Большого взрыва, все началось с сингулярности — состояния, в котором вся материя и энергия были сжаты в одну точку. Затем, в первые доли секунды, в период, называемый инфляцией, космос раздулся до огромных размеров. Но теория Большого взрыва не объясняет, что было до сингулярности, поэтому это состояние невозможно описать с точки зрения законов физики и математики.Ученые из Университета штата Пенсильвания придерживаются альтернативной гипотезы Большого отскока, согласно которой текущая расширяющаяся Вселенная возникла из сверхсжатой массы вселенной предыдущей фазы. Для описания этого состояния они используют универсальный математический аппарат, объединяющий квантовую механику и теорию относительности. Происхождение структуры Вселенной авторы прослеживают до мельчайших неоднородностей, фиксируемых на фоне сверхвысокочастотного реликтового космического излучения, которое было испущено, когда Вселенной было всего 380 тысяч лет. Но само это излучение обладает тремя загадочными аномалиями, которые трудно объяснить с помощью классической физики. Эти отклонения настолько серьезные, что многие физики начали говорить о кризисе в космологии. В новом исследовании ученые доказывают, что с точки зрения петлевой квантовой космологии описание инфляции устраняет две основные аномалии в распределении реликтового излучения.”Используя космологию квантовой петли, мы естественным образом разрешили две из этих аномалий, что позволяет избежать потенциального кризиса, — приводятся в пресс-релизе университета слова одного из авторов исследования Чон Дон Хи (Donghui Jeong), доцента кафедры астрономии и астрофизики. — Присутствие этих аномалий говорит о том, что мы живем в исключительной Вселенной”.Авторы считают, что неоднородности реликтового излучения являются результатом неизбежных квантовых флуктуаций в ранней Вселенной. Во время ускоренной фазы расширения — инфляции — эти изначально крошечные флуктуации растягивались под воздействием силы тяжести, отражаясь в наблюдаемых неоднородностях.”Стандартная инфляционная парадигма, основанная на общей теории относительности, рассматривает пространство-время как гладкий континуум, — говорит первый автор работы, профессор Абхай Аштекар (Abhay Ashtekar), директор Института гравитации и космоса штата Пенсильвания. — Ткань рубашки тоже выглядит как двухмерная поверхность, но при ближайшем рассмотрении вы можете увидеть, что она соткана из плотно упакованных одномерных нитей. Так и в ткань пространства-времени вплетены квантовые нити. Учитывая эти нити, петлевая квантовая космология позволяет нам выйти за пределы континуума, описываемого общей теорией относительности”. Ученые надеются, что новые спутниковые миссии, такие как LiteBIRD и Cosmic Origins Explorer, нацеленные на обнаружение следов первичных гравитационных волн на фоне реликтового излучения, подтвердят их выводы.
https://ria.ru/20200228/1565310976.html
https://ria.ru/20190712/1556438229.html
РИА Новости
7 495 645-6601
ФГУП МИА «Россия сегодня»
https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/
2020
РИА Новости
7 495 645-6601
ФГУП МИА «Россия сегодня»
https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/
Новости
ru-RU
https://ria.ru/docs/about/copyright.html
https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/
РИА Новости
7 495 645-6601
ФГУП МИА «Россия сегодня»
https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/
https://cdn25.img.ria.ru/images/152176/23/1521762391_84:0:1140:792_1920x0_80_0_0_ef706c64dabeaf9e130102eb73595730.jpgРИА Новости
7 495 645-6601
ФГУП МИА «Россия сегодня»
https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/
РИА Новости
7 495 645-6601
ФГУП МИА «Россия сегодня»
https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/
космос – риа наука, открытия – риа наука, физика, теория большого взрыва
МОСКВА, 30 июл — РИА Новости. Американские ученые с помощью математических инструментов описали неоднородности реликтового космического излучения, возникшего непосредственно после зарождения Вселенной. Авторы считают, что их результаты подтверждают правильность гипотезы Большого отскока, согласно которой возникновение нашей Вселенной стало результатом распада некой “предыдущей” вселенной. Результаты опубликованы в журнале Physical Review Letters.В то время как теория общей относительности Эйнштейна объясняет широкий спектр астрофизических и космологических явлений, некоторые свойства Вселенной остаются загадкой. В частности, она не может объяснить неравномерность распределения в пространстве галактик и темной материи. Сотрудники Университета штата Пенсильвания начиная с 1980-х годов разрабатывают космологическую парадигму, основанную на представлении о петлевой квантовой гравитации. Эта парадигма, получившая название петлевой квантовой космологии, описывает все современные крупные структуры во Вселенной как квантовые флуктуации пространства-времени, имевшие место при рождении мира.Согласно общепринятой теории Большого взрыва, все началось с сингулярности — состояния, в котором вся материя и энергия были сжаты в одну точку. Затем, в первые доли секунды, в период, называемый инфляцией, космос раздулся до огромных размеров. Но теория Большого взрыва не объясняет, что было до сингулярности, поэтому это состояние невозможно описать с точки зрения законов физики и математики.
Ученые из Университета штата Пенсильвания придерживаются альтернативной гипотезы Большого отскока, согласно которой текущая расширяющаяся Вселенная возникла из сверхсжатой массы вселенной предыдущей фазы. Для описания этого состояния они используют универсальный математический аппарат, объединяющий квантовую механику и теорию относительности.
28 февраля 2020, 10:13НаукаУченые зафиксировали мощнейший взрыв во ВселеннойПроисхождение структуры Вселенной авторы прослеживают до мельчайших неоднородностей, фиксируемых на фоне сверхвысокочастотного реликтового космического излучения, которое было испущено, когда Вселенной было всего 380 тысяч лет.
Но само это излучение обладает тремя загадочными аномалиями, которые трудно объяснить с помощью классической физики. Эти отклонения настолько серьезные, что многие физики начали говорить о кризисе в космологии.
В новом исследовании ученые доказывают, что с точки зрения петлевой квантовой космологии описание инфляции устраняет две основные аномалии в распределении реликтового излучения.
“Используя космологию квантовой петли, мы естественным образом разрешили две из этих аномалий, что позволяет избежать потенциального кризиса, — приводятся в пресс-релизе университета слова одного из авторов исследования Чон Дон Хи (Donghui Jeong), доцента кафедры астрономии и астрофизики. — Присутствие этих аномалий говорит о том, что мы живем в исключительной Вселенной”.
Авторы считают, что неоднородности реликтового излучения являются результатом неизбежных квантовых флуктуаций в ранней Вселенной. Во время ускоренной фазы расширения — инфляции — эти изначально крошечные флуктуации растягивались под воздействием силы тяжести, отражаясь в наблюдаемых неоднородностях.
“Стандартная инфляционная парадигма, основанная на общей теории относительности, рассматривает пространство-время как гладкий континуум, — говорит первый автор работы, профессор Абхай Аштекар (Abhay Ashtekar), директор Института гравитации и космоса штата Пенсильвания. — Ткань рубашки тоже выглядит как двухмерная поверхность, но при ближайшем рассмотрении вы можете увидеть, что она соткана из плотно упакованных одномерных нитей. Так и в ткань пространства-времени вплетены квантовые нити. Учитывая эти нити, петлевая квантовая космология позволяет нам выйти за пределы континуума, описываемого общей теорией относительности”.
Ученые надеются, что новые спутниковые миссии, такие как LiteBIRD и Cosmic Origins Explorer, нацеленные на обнаружение следов первичных гравитационных волн на фоне реликтового излучения, подтвердят их выводы.
12 июля 2019, 08:00НаукаУченые ищут разгадку самых странных сигналов из глубин ВселеннойЧто взорвалось при Большом взрыве / Наука / Независимая газета
Переход от Пустоты к Бытию происходил по законам квантовой космологии
Классический сегодня ответ на вопрос «откуда взялась Вселенная?» – в результате Большого взрыва 14 миллиард лет назад. Иллюстрация NASA
Прошедший ХХ век принес человечеству существенные открытия в области космологии и астрофизики – прежде всего в изучении черных дыр, времени, квантовой теории и Большого взрыва. За 100 лет представление о месте человека во Вселенной изменилось кардинально. Нелегко было XVII веку смириться с подчиненным положением Земли по отношению к Солнцу, а следующим векам принять периферийность Солнечной системы и даже галактики Млечный Путь, а человеку осознать себя пылинкой во Вселенной. Но откуда взялась Вселенная? Кажется, что идея, будто все это получилось из ничего, противоречит логике и здравому смыслу.
Большой взрыв покажут по телевизору
Пока считалось, что Вселенная вечна, ее существование не слишком заботило ученых. Альберт Эйнштейн в своих гипотезах просто принял, что Вселенная вечна, и даже подправил уравнения теории относительности соответствующим образом. Однако с принятием концепции Большого взрыва все изменилось. Эксперименты показывают, что мы живем в расширяющихся и охлаждающихся остатках космического «комка», который взорвался около 14 млрд лет назад. Что могло вызвать этот первоначальный взрыв? И что ему предшествовало – и предшествовало ли что-нибудь вообще? Эти вопросы определенно входят в компетенцию науки. Но любая попытка науки на них ответить натыкается на кажущееся непреодолимым препятствие, известное как «сингулярность».
Предположение, что Вселенная расширяется (вопреки прежней статичной модели), подтверждено в 1929 году астрономом Эдвином Хабблом на основании наблюдений за спектром звезд. Окончательным подтверждением инфляции Вселенной стало обнаруженное в 1965 году реликтовое излучение, которое осталось со времен Большого взрыва. Любопытно, что поначалу ученые подумали, что причина постоянного шипения в микроволновом диапазоне – деятельность голубей. Если включить телевизор и настроиться между станциями на пустой канал, то примерно 10% черно-белых крапинок на экране вызывается фотонами, которые остались с момента рождения Вселенной. Наглядней доказательство реальности Большого взрыва невозможно придумать – вы можете увидеть остывающие остатки Большого взрыва в собственном телевизоре.
Если проследить историю расширяющейся Вселенной вспять, Вселенная будет уменьшаться, пока в момент Большого взрыва не обратится в сингулярность. Здесь теория Эйнштейна прерывается и не может предсказать начало Вселенной и начало времени. В этой точке действуют исключительно законы квантовой механики: размытые по пространству волны-частицы движутся всеми возможными путями, и Вселенная может иметь бесконечное множество предысторий. Концептуальный тупик в точке Большого взрыва беспокоил космологов, и они стали искать сценарии, позволяющие избежать первоначальной сингулярности.
Новая инфляционная космология
В 1970 году английские физики-теоретики Стивен Хокинг и Роджер Пенроуз показали, что эти попытки не могут увенчаться успехом. Хокинг и Пенроуз начали со вполне логичного предположения о том, что гравитация всегда притягивает, и приняли плотность материи во Вселенной примерно равной измеренной экспериментально. На основе этих двух допущений они доказали, что в начале Вселенной все-таки должна быть сингулярность.
Означает ли это, что тайна происхождения Вселенной останется навсегда неразгаданной? Не совсем так, скорее расчеты Хокинга и Пенроуза показывают, что Большой взрыв не может быть полностью понят классической космологией вроде теории относительности Эйнштейна, потребуются и другие теории.
По словам Хокинга, одно из следствий теории квантовой механики заключается в том, что события, произошедшие в прошлом, не происходили каким-то определенным образом. Вместо этого они могли происходить всеми возможными способами. Это связано с вероятностным характером вещества и энергии согласно квантовой механике: до тех пор, пока не найдется сторонний наблюдатель, материя будет находиться в неопределенности. Стивен Хокинг пишет: «Независимо от того, какие воспоминания вы храните о прошлом в настоящее время, прошлое, как и будущее, неопределенно и существует в виде спектра возможностей».
В начале ХХ века считалось, что наша Вселенная состоит только из галактики Млечный Путь, которая плывет сама по себе в бесконечном пространстве. С тех пор ученые установили, что Млечный Путь – всего лишь одна из сотен миллиардов галактик, и это только в видимой нам части Вселенной. В настоящее время считается, что сам Большой взрыв лучше всего объясняет теория, названная «новая инфляционная космология».
Согласно этой теории, взрывы, создающие вселенные, подобно Большому взрыву, случаются довольно часто. Инфляционная космология полагает, что наша Вселенная (которая возникла 14 млрд лет назад) появилась из пространства-времени уже существовавшей Вселенной и не является единственной физической реальностью, а представляет собой лишь невообразимо крохотную часть Мультивселенной (Мультиверса).
Хотя каждый из миров внутри Мультиверсума имеет начало во времени, вся самовоспроизводящаяся структура в целом может быть вечной – таким образом, мы вновь будто возвращаемся к концепции статичной Вселенной, которая казалась навсегда отброшенной с открытием Большого взрыва.
Тем не менее остается вопрос: почему же существует вся эта материя и энергия? Почему пространство-время нашей Вселенной обладает определенной геометрической формой и имеет конечный возраст? Почему оно насыщено разнообразными физическими полями, частицами и силами? И почему эти поля, частицы и силы подчиняются определенному набору законов, причем довольно запутанному? Разве не проще было бы, если бы не было вообще ничего?
Для бесконечного во времени мира (неважно, соответствует ли он инфляционной или другой теории) не существует необъяснимого «момента творения», в нем нет места «первопричине», нет произвольных начальных условий. Поэтому кажется, что вечный мир удовлетворяет принципу достаточной причины: его состояние в любой момент можно объяснить его состоянием в предыдущий момент.
Так, если в момент Большого взрыва не было никакого перехода от Ничто к Нечто, то нет надобности искать причину, божественную или какую-то иную, которая вызвала к жизни Вселенную? И также нет необходимости ломать голову над поставленным нами вопросом: откуда взялись материя и энергия во Вселенной? Внезапного и фантастического нарушения закона сохранения энергии-массы во время Большого взрыва не было. А Вселенная всегда обладала одинаковой энергией-массой, от нулевого момента и до настоящего времени.
Сумма альтернативных историй
В классической физике, располагая полными данными о настоящем, мы можем легко восстановить картину прошлого. Это соответствует интуитивному убеждению в существовании лишь единственно определенного прошлого. Но квантовая физика утверждает, что при самом детальном наблюдении настоящего ненаблюдаемое прошлое неопределенно и представляет собой сумму предысторий.
В середине 1940-х годов это коренное отличие квантовой механики от ньютоновской сформулировал физик Ричард Фейнман: в ньютоновской механике движущиеся предметы проходят через фильтр с двумя отверстиями строго определенным путем. Но если на фильтр направить пучок частиц (или даже одну частицу), они/она пройдут через эти отверстия всеми мыслимыми путями: и прямым, и через Альфу Центавра, и через соседний гастроном… Вместо классического детерминизма современная физика здесь имеет дело со случайностью и вероятностью.
Но эта фундаментальная случайность, так беспокоившая Эйнштейна, все же поддается математическому описанию. Фейнман ввел понятие «сумма предысторий» – все возможные пути частиц, по итогам которых мы наблюдаем результаты эксперимента. Мы не можем точно предсказывать не только будущее, но и прошлое – как именно частица попала в конечную точку, но можем рассматривать совокупность всех возможных путей. В итоге основным методом квантовой физики стала «сумма альтернативных историй», то есть учет всех путей с расчетом вероятности каждого.
Поскольку ненаблюдаемое прошлое неопределенно, а наблюдение меняет поведение системы, то выводимое из наблюдений прошлое еще и изменено по сравнению с ненаблюдаемым: наблюдая за системой, мы меняем не только ее настоящее, но и прошлое.
Как возможно сочетание классической физики, имеющей дело с макрообъектами в пространстве-времени, с неопределенностью и непредсказуемостью квантовой механики? Вероятно, происходит примерно то же, что и в специальной теории относительности: теория начинает действовать в «экстремальных обстоятельствах». Такими экстремальными обстоятельствами для движущегося объекта становится приближение к скорости света: скорость начинает влиять на массу, а время замедляется и в конечном счете останавливается.
Квантовая космология
В каком экстремуме квантовые законы и, как следствие, исчезновение измерения времени могут проявиться на уровне Вселенной? Очевидно, когда Вселенная сравнима размерами с атомным ядром. Именно это подразумевает теория Большого взрыва: все начинается с сингулярности – точки, в которой температура, плотность и искривление Вселенной были бесконечны. Из этой точки Вселенная начинает расширяться, и расширение в соответствии с инфляционной моделью продолжается до сих пор. Общая теория относительности Эйнштейна утверждает, что форма пространства-времени определяется распределением энергии и материи. И когда энергия и материя бесконечно сжаты, то и само пространство-время тоже сжато – и оно просто исчезает.
Как именно, можно понять, если учесть, что через неизмеримо малые доли секунды после рождения вся наблюдаемая Вселенная была не больше атома. В таких масштабах классическая физика неприменима: в микромире правят законы квантовой теории. Поэтому космологи стали задаваться вопросом: а что, если квантовую теорию, которая использовалась только для описания субатомных явлений, применить ко всей Вселенной в целом? Так родилась квантовая космология, названная физиком Джоном Гриббином «наиболее значительным шагом вперед в науке со времен Исаака Ньютона».
Квантовая космология предлагает способ обойти проблему сингулярности. Классические космологи полагали, что сингулярность, притаившаяся за Большим взрывом, это что-то вроде точки с нулевым объемом. Однако квантовая теория запрещает столь точно определенное состояние, утверждая, что на самом фундаментальном уровне природа обладает неизбежной размытостью, поэтому невозможно указать точный момент возникновения Вселенной, ее начальное время.
То, что квантовая теория разрешает, еще более интересно, чем то, что она запрещает. А разрешает она спонтанное возникновение частиц из вакуума. Такой способ создания Нечто из Ничто дал квантовым космологам плодотворную идею: что, если сама Вселенная, по законам квантовой механики, возникла из случайной флуктуации? Тогда причина того, что существует Нечто, а не Ничто, состоит в неустойчивости вакуума.
Утверждение физиков о том, что вакуум неустойчив, подчас подвергается нападкам философов. Но физический вакуум и полная пустота – названия разных объектов. Однако о пустоте можно думать не только как об объекте, но и как об описании определенного состояния. Для физика «пустота» описывает такое состояние, когда нет частиц и все поля математически равны нулю. Возможно ли такое состояние в действительности? То есть согласуется ли оно логически с наблюдаемыми физическими реалиями? Возможно ли создать в наполненной Вселенной полную пустоту?
Мир неустойчивой пустоты
Один из наиболее глубоких принципов, лежащих в самой основе нашего квантового понимания природы, это принцип неопределенности Гейзенберга. Он утверждает, что определенные пары свойств связаны друг с другом таким образом, что не могут быть точно измерены вместе. Одна такая пара переменных – координаты и импульс частицы: чем точнее вы установили положение частицы, тем менее точно вам известно значение ее импульса, и наоборот. Другая пара сопряженных переменных – время и энергия: чем точнее вам известен промежуток времени, в течение которого произошло какое-то событие, тем менее точно вы знаете об энергии, связанной с этим событием, и наоборот.
Квантовая неопределенность запрещает точное определение значений поля и скорости изменения этого значения. Пустота, или вакуум, – это состояние, в котором все значения полей постоянно равны нулю, однако принцип неопределенности Гейзенберга говорит, что если мы точно знаем значение поля, то скорость его изменения совершенно случайна, то есть не может быть равна нулю. Таким образом, математическое описание неизменной пустоты несовместимо с квантовой механикой. Точнее, пустота неустойчива, или же чистой пустоты попросту не существует.
Идея, что Вселенная, содержащая сотни миллиардов галактик, могла появиться из пустоты, выглядит невероятной. Как показал Эйнштейн, любая масса представляет собой застывшую энергию. Однако огромному количеству положительной энергии, запертой в звездах и галактиках, должна противостоять отрицательная энергия гравитационного притяжения между ними. В «закрытой» Вселенной (той, которая со временем снова сожмется) положительная и отрицательная энергии должны точно уравновешивать друг друга. Другими словами, общая энергия такой Вселенной равна нулю.
Возможность создания Вселенной из нулевой энергии поражает воображение. С точки зрения квантовой механики Вселенная с нулевой энергией представляет собой интересный случай.
Допустим, что полная энергия Вселенной точно равна нулю. Тогда благодаря взаимосвязи в неопределенности между энергией и временем (как утверждает принцип Гейзенберга) неопределенность во времени становится бесконечной. Другими словами, как только такая Вселенная возникнет из пустоты, то сможет существовать вечно. Что же касается причины, по которой Вселенная возникла, то это просто квантовая вероятность.
Стивен Хокинг в книге «Великий замысел» пишет: «Если полная энергия Вселенной должна всегда оставаться нулевой и необходимо затратить энергию, чтобы создать тело, как может вся Вселенная быть создана из ничего? Вот почему должен существовать такой закон, как гравитация. Так как гравитация притягивает, то энергия гравитации является отрицательной. Необходимо произвести работу, чтобы разделить гравитационно связанную систему, такую как Земля и Луна. Эта отрицательная энергия может быть сбалансирована положительной энергией, необходимой чтобы создать материю, но все не так просто. Отрицательная гравитационная энергия Земли, к примеру, меньше, чем положительная энергия миллиардов частиц, из которых она состоит. Тело, такое как звезда, будет иметь больше отрицательной гравитационной энергии, и чем меньше она (частицы, из которых она состоит, находятся ближе друг к другу), тем больше будет ее отрицательная гравитационная энергия. Но прежде чем отрицательной гравитационной энергии может стать больше положительной энергии вещества, звезда сколлапсирует в черную дыру, и черная дыра будет иметь положительную энергию. Вот почему пустое пространство стабильно. Тела, такие как звезды или черные дыры, не могут так просто появляться из ничего. Но целая Вселенная может!»
С выводами Стивена Хокинга согласна и квантовая механика. Американский ученый русского происхождения Алекс Виленкин в книге «Мир многих миров» показал, что из начального состояния пустоты может спонтанно появиться крохотный кусочек наполненного энергией вакуума. Под действием отрицательного давления этот кусочек энергетического вакуума испытает безудержное расширение. Через пару микросекунд он достигнет космических размеров, испустив поток света и материи, создав Большой взрыв.
Таким образом, по мнению Виленкина, переход от Пустоты к Бытию происходит в два этапа. На первом крохотный кусочек вакуума появляется из вакуума. На втором он раздувается в наполненную материей предшественницу той Вселенной, которую мы сейчас видим вокруг.
На данный момент принципы квантовой механики, управляющие первым этапом, являются самыми надежными принципами в науке. Что касается теории инфляции, которая описывает второй этап, то с момента своего создания в начале 1980-х годов она успешно подтверждена не только теоретически, но и эмпирически – в частности распределением реликтового излучения, оставшегося после Большого взрыва.
Что же происходит в момент Большого взрыва со временем? Общая теория относительности объединяется с квантовой теорией: искривление времени-пространства настолько велико, что все четыре измерения ведут себя одинаково. Иными словами, времени как особого параметра нет. А если времени нет, то нет и возможности говорить о начале Вселенной во времени, что устраняет проблему творения из Ничего.
Таким образом, сингулярность в начале Вселенной не событие во времени, а скорее временная граница или край. До нее времени не было. Поэтому не было и времени, когда преобладало Ничто. И не было никакого «возникновения» – по крайней мере во времени. Вселенная имеет конечный возраст, хоть и существовала всегда, если под «всегда» подразумевать все моменты времени. Вековой парадокс разрешается.
Что было до Большого взрыва / Наука / Независимая газета
Суперкомпьютер сумел реконструировать 4 тысячи сценариев рождения Вселенной
Реконструкция Вселенной до момента Большого взрыва.
Считается, что применительно к нашей Вселенной геометрическая сфера не совсем верно отражает реальность. В формате 4D, то есть в своем историческом развитии на протяжении почти 14 млрд лет, Вселенная напоминает скорее эдакий расширяющийся «бокал».
Научные открытия и тем более гипотезы не патентуются, но остаются в памяти коллег. Считается, что советский физик Георгий (Джордж) Гамов, эмигрировавший в 1930-е годы в Америку, первым сформулировал идею Большого взрыва (Big Bang). То есть момента, с которого началось развитие нашей Вселенной. Взрыв последовал за образованием сингулярности, или соединения в одной (сингулярной, от single – одинокий, единый) точке всей массы будущей Вселенной.
Всех этих слов Гамов не говорил, так как термин «сингулярность» появился много позже. Однако он, конечно же, знал о взрывах сверхновых. Но Гамов предположил существование космического микроволнового фона (СМВ – Cosmic Microwave Background), который и был со временем открыт. Позже выяснилась его анизотропия, неравномерность «нагрева». В СМВ, как оказалось, присутствуют «островки» – сгустки излучения более высокой температуры.
Затем было открыто расширение (экспансия) пространства. В конечном итоге очередную Нобелевскую премию вручили астрофизикам, которые доказали, что расширение идет к тому же с ускорением, которое и объясняет расширение космического «бокала», наблюдаемое сегодня.
Все это было весьма логично, особенно на фоне успехов, связанных с формулированием идеи сингулярности и исследованиями открытых в недрах галактик черных дыр, нейтронных звезд. Эти астрофизические объекты могут взрываться, давая яркие вспышки на небе. А могут и «схлопнуться» – коллапсировать с образованием черных дыр. Это приводит к искривлению лучей от далеких звезд, а также к существованию гравитационных волн, недавно зарегистрированных с помощью лазерных обсерваторий.
Все эти уникальные открытия вроде бы подтверждали «безумные» идеи знаменитого британского физика-теоретика Стивена Хокинга, предположившего существование не одной Вселенной, а сразу множества, Мультиверса. И вполне естественным на этом фоне кажется, что Вселенная существовала и до Big Bang. (Иначе чему было бы коллапсировать перед Большим взрывом.) По этому поводу идут нескончаемые споры и дискуссии. Однако все признают мистическую и пока неразрешимую и необъясненную загадку инфляции, последовавшей сразу же за Большим взрывом.
|
Вверху: вероятность и излучение Вселенной до Большого взрыва и после него; внизу – образовавшейся в результате Big Bang. Иллюстрации Physorg |
Можно напомнить, что о расширении Вселенной впервые заговорил американский астроном Эдвин Хаббл, в честь которого был назван первый орбитальный телескоп. Именно телескоп Хаббла показал нам остатки сверхновой, образовавшие красивую «розетку» вокруг бывшей звезды. Причем астроном вел наблюдения, когда и радиотелескопов-то не было. Но тем не менее Хаббл обратил внимание на «воплощение» в небесных сферах допплеровского принципа изменения длины волн. В пространстве Вселенной оно проявляется так называемым красным смещением в спектре (Red Shift), которое тем больше, чем дальше от нас находится источник излучения.
К настоящему времени проект широкомасштабного исследования многоспектральных изображений и спектров красного смещения звезд и галактик при помощи 2,5-метрового широкоугольного телескопа в обсерватории Апачи-Пойнт (США), получивший название «Слоуновское цифровое обозрение неба» (Sloan Digital Sky Observer), накопил большой массив спектрографических данных от массивных галактик. Это позволило сотрудникам Астрофизического института на Канарах, что на острове Тенерифе, и Астрономической обсерватории Японии (PRD) реконструировать исходную Вселенную с помощью нового суперкомпьютера.
В комментариях ученых говорится, что им удалось обратить вспять космические часы – от мига инфляции и до сегодняшнего дня. По ходу дела компьютер «создал» 4 тыс. моделей развития вселенных, визуализировав их изменения под влиянием нелинейной гравитации. Свое возвращение «к истокам» авторы назвали созданием примордиальной Вселенной, максимально приближенной к стадии инфляции после Большого взрыва.
Ученые, заключая изложение своих результатов, пишут, что реконструкция играет важную роль как мера разумного ограничения при рассмотрении разных типов Вселенных вблизи инфляции. Возможно ведь, что некоторые черные дыры существовали еще до Big Bang.
Краткое изложение теории Большого взрыва: происхождение и характеристики
Как образовалась Вселенная, что привело к образованию звезд, планет и галактик? Это некоторые из вопросов, которые задавали миллионы людей на протяжении всей истории. В частности, ученые хотят найти объяснение всем существующим явлениям. Отсюда родился теория большого взрыва. Для тех, кто еще не знает, это теория, объясняющая происхождение нашей Вселенной. В нем также собраны объяснения существования планет и галактик.
Если вам любопытно и вы хотите узнать, как образовалась наша Вселенная, в этом посте мы расскажем вам все. Хотели бы вы глубже узнать теорию Большого взрыва?
Характеристики теории большого взрыва
Это также известно как Теория большого взрыва. Это тот, который утверждает, что наша Вселенная в том виде, в каком мы ее знаем, зародилась миллиарды лет назад в результате сильного взрыва. Вся материя, существующая сегодня во Вселенной, была сосредоточена всего в одной точке.
С момента взрыва материя начала расширяться и продолжает расширяться до сих пор. Ученые не устают повторять, что Вселенная постоянно расширяется. По этой причине теория Большого взрыва включает теорию расширяющейся Вселенной. Материя, хранящаяся в одной точке, не только начала расширяться, но и начала образовывать более сложные структуры. Мы имеем в виду атомы и молекулы, которые постепенно образовывали живые организмы.
Дату начала Большого взрыва оценили ученые. Он возник примерно 13.810 XNUMX миллионов лет назад. Эта стадия, на которой только что была создана вселенная, называется первозданной вселенной. Предполагается, что в нем частицы обладают огромным количеством энергии.
В результате этого взрыва образовались первые протоны, нейтроны и электроны. Протоны и нейтроны были организованы в ядра атомов. Однако электроны, учитывая их электрический заряд, были организованы вокруг них. Так возникло дело.
Формирование звезд и галактик
наш солнечная система внутри галактика, известная как Млечный Путь. Все звезды, которые мы знаем сегодня, начали формироваться спустя много времени после Большого взрыва.
Считается, что первые звезды начали формироваться 13.250 миллиарда лет назад. Примерно через 550 миллионов лет после взрыва они начали появляться. Самые старые галактики возникли 13.200 миллиарда лет назад, что тоже делает их старше. Наша Солнечная система, Солнце и планеты образовались 4.600 миллиарда лет назад.
Свидетельства расширяющейся Вселенной и взрыва
Чтобы доказать, что теория Большого взрыва имеет смысл, необходимо сообщить доказательства того, что Вселенная расширяется. Вот свидетельства на этот счет:
- Парадокс Ольберса: Темнота ночного неба.
- Закон Хаббла: Это можно проверить, наблюдая, как галактики удаляются друг от друга.
- Однородность распределения вещества.
- Эффект Толмана (изменение блеска поверхности).
- Далекие сверхновые: На его кривых блеска наблюдается временное расширение.
После момента взрыва каждая частица расширялась и удалялась друг от друга. Здесь произошло нечто похожее на то, что происходит, когда мы надуваем воздушный шар. По мере того, как мы вводим больше воздуха, частицы воздуха расширяются все больше и больше, пока не достигнут стенок.
Физикам-теоретикам удалось восстановить эту хронологию событий, начиная с 1/100 секунды после Большого взрыва. Все высвободившееся вещество состояло из известных элементарных частиц. Среди них мы находим электроны, позитроны, мезоны, барионы, нейтрино и фотоны.
Некоторые более поздние расчеты показывают, что водород и гелий были первичными продуктами взрыва. Позже внутри звезд образовались более тяжелые элементы. По мере расширения Вселенной остаточное излучение от Большого взрыва продолжает охлаждаться, пока не достигнет температуры 3 К (-270 ° C). Эти следы сильного микроволнового фонового излучения были обнаружены радиоастрономами в 1965 году. Это то, что показывает расширение Вселенной.
Одно из самых больших сомнений ученых – решить, будет ли Вселенная расширяться бесконечно или снова сжиматься. Темная материя имеет в этом большое значение.
Первооткрыватели и другие теории
Теория о расширении Вселенной был сформулирован в 1922 году Александром Фридманом. Он был основан на общей теории относительности Альберта Эйнштейна (1915). Позже, в 1927 году, бельгийский священник Жорж Лемэтр, опираясь на работы ученых Эйнштейна и де Ситтера, пришел к тем же выводам, что и Фридман.
Поэтому ученые не приходят к другому выводу, только к тому, что Вселенная расширяется.
Есть и другие теории о сотворении Вселенной, не столь важные, как эта. Однако в мире есть люди, которые верят и считают их правдой. Перечислим их ниже.
- Теория большого сжатия: В основе этой теории лежит тот факт, что расширение Вселенной будет медленно замедляться, пока не начнет сокращаться. Речь идет о сжатии Вселенной. Это сжатие закончится большим взрывом, известным как Большое сжатие. В поддержку этой теории не так много доказательств.
- Колеблющаяся вселенная: Речь идет о нашей Вселенной, колеблющейся в постоянном Большом взрыве и Большом сжатии.
- Устойчивое состояние и непрерывное создание: Он утверждает, что вселенная расширяется и что ее плотность остается постоянной, потому что материя находится в непрерывном творении.
- Теория инфляции: Он основан на тех же характеристиках, что и Большой взрыв, но говорит о том, что это был начальный процесс. Этот процесс называется инфляцией, и Вселенная расширяется быстрее.
Наконец, есть люди, которые думают, что вселенная была создана Богом или какой-то божественной сущностью.
Из этой статьи вы узнаете больше о формировании и расширении нашей Вселенной. Вы думаете, что однажды Вселенная перестанет расширяться?
Теме статьи:
Антивещество
Большой взрыв • Джеймс Трефил, энциклопедия «Двести законов мироздания»
Астрономы употребляют термин «Большой взрыв» в двух взаимосвязанных значениях. С одной стороны этим термином называют само событие, ознаменовавшее зарождение Вселенной около 15 миллиардов лет назад; с другой — весь сценарий ее развития с последующим расширением и остыванием.
Концепция Большого взрыва появилась с открытием в 1920-е годы закона Хаббла. Этот закон описывает простой формулой результаты наблюдений, согласно которым видимая Вселенная расширяется и галактики удаляются друг от друга. Нетрудно, следовательно, мысленно «прокрутить пленку назад» и представить, что в исходный момент, миллиарды лет назад, Вселенная пребывала в сверхплотном состоянии. Такая картина динамики развития Вселенной подтверждается двумя важными фактами.
Космический микроволновой фон
В 1964 году американские физики Арно Пензиас и Роберт Уилсон обнаружили, что Вселенная наполнена электромагнитным излучением в микроволновом диапазоне частот. Последовавшие измерения показали, что это характерное классическое излучение черного тела, свойственное объектам с температурой около −270°С (3 К), т. е. всего на три градуса выше абсолютного нуля.
Простая аналогия поможет вам интерпретировать этот результат. Представьте, что вы сидите у камина и смотрите на угли. Пока огонь горит ярко, угли кажутся желтыми. По мере затухания пламени угли тускнеют до оранжевого цвета, затем до темно-красного. Когда огнь почти затух, угли перестают испускать видимое излучение, однако, поднеся к ним руку, вы почувствуете жар, что означает, что угли продолжают излучать энергию, но уже в инфракрасном диапазоне частот. Чем холоднее объект, тем ниже излучаемые им частоты и больше длина волн (см. Закон Стефана—Больцмана). По сути, Пензиас и Уилсон определили температуру «космических углей» Вселенной после того, как она остывала на протяжении 15 миллиардов лет: ее фоновое излучение оказалось в диапазоне микроволновых радиочастот.
Исторически это открытие и предопределило выбор в пользу космологической теории Большого взрыва. Другие модели Вселенной (например, теория стационарной Вселенной) позволяют объяснить факт расширения Вселенной, но не наличие космического микроволнового фона.
Изобилие легких элементов
Ранняя Вселенная была очень горячей. Даже если протоны и нейтроны при столкновении объединялись и формировали более тяжелые ядра, время их существования было ничтожным, потому что уже при следующем столкновении с еще одной тяжелой и быстрой частицей ядро снова распадалось на элементарные компоненты. Выходит, что с момента Большого взрыва должно было пройти около трех минут, прежде чем Вселенная остыла настолько, чтобы энергия соударений несколько смягчилась и элементарные частицы начали образовывать устойчивые ядра. В истории ранней Вселенной это ознаменовало открытие окна возможностей для образования ядер легких элементов. Все ядра, образовывавшиеся в первые три минуты, неизбежно распадались; в дальнейшем начали появляться устойчивые ядра.
Однако это первичное образование ядер (так называемый нуклеосинтез) на ранней стадии расширения Вселенной продолжался очень недолго. Вскоре после первых трех минут частицы разлетелись так далеко друг от друга, что столкновения между ними стали крайне редкими, и это ознаменовало закрытие окна синтеза ядер. В этот краткий период первичного нуклеосинтеза в результате соударений протонов и нейтронов образовались дейтерий (тяжелый изотоп водорода с одним протоном и одним нейтроном в ядре), гелий-3 (два протона и нейтрон), гелий-4 (два протона и два нейтрона) и, в незначительном количестве, литий-7 (три протона и четыре нейтрона). Все более тяжелые элементы образуются позже — при формировании звезд (см. Эволюция звезд).
Теория Большого взрыва позволяет определить температуру ранней Вселенной и частоту соударений частиц в ней. Как следствие, мы можем рассчитать соотношение числа различных ядер легких элементов на первичной стадии развития Вселенной. Сравнив эти прогнозы с реально наблюдаемым соотношением легких элементов (с поправкой на их образование в звездах), мы обнаруживаем впечатляющее соответствие между теорией и наблюдениями. По моему мнению, это лучшее подтверждение гипотезы Большого взрыва.
Помимо двух приведенных выше доказательств (микроволновой фон и соотношение легких элементов) недавние работы (см. Инфляционная стадия расширения Вселенной) показали, что сплав космологии Большого взрыва и современной теории элементарных частиц разрешает многие кардинальные вопросы устройства Вселенной. Конечно, проблемы остаются: мы не можем объяснить саму первопричину возникновения Вселенной; не ясно нам и то, действовали ли в момент ее зарождения нынешние физические законы. Но убедительных аргументов в пользу теории Большого взрыва на сегодняшний день накоплено более чем достаточно.
См. также:
Подозрительно гладко: Вселенная показалась ученым чересчур однородной
Международная команда ученых получила удивительный результат: галактики разбросаны по космосу более равномерно, чем можно было ожидать исходя из господствующих теорий. Изменят ли новые данные наше представление о Вселенной?
Продукты взрываСегодня практически никто из профессионалов не сомневается, что Вселенная в нынешнем ее виде возникла около 13,8 млрд лет назад в результате Большого взрыва. Биография мира реконструирована с младенчества. Мы знаем, когда образовались первые атомные ядра (уже через несколько минут после Большого взрыва), когда они объединились с электронами в первые атомы (через сотни тысячелетий) и когда зажглись первые звезды (через сотни миллионов лет).
Это не беспочвенные фантазии, а строгие теории, из которых следуют проверяемые факты. Причем многие факты, от реликтового излучения до точного химического состава звезд, были сначала открыты космологами на кончике пера, а уже затем подтверждены наблюдателями (с длинным списком таких подтверждений на английском языке можно ознакомиться здесь). Именно такие сбывшиеся прогнозы в науке служат главным признаком того, что теория работает.
При этом слово «теория» не должно вводить в заблуждение. Для ученых оно означает не нечто неподтвержденное, предполагающее возможные альтернативы, а просто модель, увязывающую между собой установленные факты и предсказывающую еще не установленные. Выражение «теория Большого взрыва» не означает, что Большой взрыв — это нечто сомнительное, так же как выражение «теория твердого тела» не означает, что кто-то сомневается в существовании твердых тел (кстати, примерно так же дело обстоит с биологическим термином «теория эволюции»).
Темные тайныНа сегодняшний день в космологии заслужено господствует Стандартная космологическая модель, она же ΛCDM-модель. Эта конструкция объединяет представления о Большом взрыве и расширении Вселенной с данными о таинственных субстанциях — темной материи и темной энергии.
Напомним, что темная материя представляет собой невидимое ни в какие телескопы вещество, которое проявляет себя только своей гравитацией. Сам факт существования темной материи установлен достаточно надежно, но вот ее природа загадочна. Несомненно, некоторую ее часть составляют очень тусклые астрономические объекты (холодный газ, черные дыры и так далее). Однако большинство специалистов считает, что львиная доля темной материи приходится на те или иные экзотические частицы, еще не открытые физиками-экспериментаторами, и вот это уже скорее популярная гипотеза, чем доказанный факт.
Реклама на Forbes
Темная энергия — это нечто, что придает расширению Вселенной ускорение. Именно за ее открытие Брайану Шмидту и Адаму Риссу в 2011 году была вручена Нобелевская премия по физике.
Сам факт ускоренного расширения Вселенной надежно установлен несколькими способами. Но о том, что собой представляет обеспечивающая его темная энергия, можно спорить. На данный момент теоретики считают, что это некое свойство вакуума.
Итак, ΛCDM-модель объединяет прекрасно проверенные концепции (Большой взрыв, расширение Вселенной, синтез первых атомных ядер, факт существования темной материи и темной энергии и многое другое) с хорошо аргументированными, но все-таки еще не доказанными гипотезами (например, о природе темной материи и темной энергии). Кое-где в ней есть и просто белые пятна, заполненные наиболее правдоподобными предположениями.
Это нормальная ситуация для научной теории. Только в религии и идеологии встречаются доктрины, в которых каждая буква провозглашается одинаково несомненной.
Все ли гладко во Вселенной?Одна из важных концепций стандартной космологии — идея затравочных неоднородностей. Специалисты считают, что уже в первые мгновения жизни Вселенной вещество было распределено в пространстве не вполне равномерно. Более плотные скопления материи порождали и более сильную гравитацию. Это тяготение собирало вокруг неоднородности все новые массы вещества. От этого притяжение еще усиливалось, и так далее по замкнутому кругу. В конце концов вокруг крошечной изначальной флуктуации плотности возникала галактика, окруженная пустотой (точнее, чрезвычайно разреженным межгалактическим газом).
Впрочем, галактики — не самые впечатляющие объекты, возникшие из затравочных неоднородностей. «Зведные острова» объединены в скопления, а те — в сверхскопления. Из скоплений галактик состоят самые большие во Вселенной структуры — так называемые волокна (филаменты). Они образуют своего рода паутину или пчелиные соты, заполняющие пространство. Промежутки между волокнами — это пустоты (войды), в которых почти нет галактик.
При этом все достаточно большие (от сотен миллионов до миллиардов световых лет) участки этой паутины похожи друг на друга как две капли воды. Если вы видели один такой регион космоса, вы видели их все. Это свойство называется крупномасштабной однородностью Вселенной.
Но ученые не довольствуются избитыми сравнениями. Они измеряют однородность космоса количественно. Эта величина может многое рассказать о том, как устроен мир.
Дело в том, что у космологов есть два способа восстановить рисунок затравочных неоднородностей. Во-первых, они наблюдают циклопическую паутину волокон и войдов, которая в конце концов образовалась благодаря этим флуктуациям. А во-вторых, к услугам астрономов реликтовое излучение.
Это излучение отделилось от вещества еще в эпоху образования первых атомов. Но оно все еще хранит в себе следы того, как материя была распределена по космосу в те далекие времена. Реликтовое излучение неоднородно, потому что неоднородным было испустившее его вещество. Это привет пытливому человечеству от первых сотен тысяч лет истории Вселенной.
Следует отметить, что за открытие реликтового излучения тоже была присуждена Нобелевская премия по физике (Арно Пензиасу и Роберту Вильсону в 1978 году), и отдельной «нобелевки» в 2006 году удостоились первооткрыватели неоднородностей этого излучения Джон Мазер и Джордж Смут.
Когда у ученых есть два способа измерить одну и ту же величину, самое время сопоставить результаты. ΛCDM-модель предсказывает, как должны быть связаны между собой неоднородности реликтового излучения и степень (не-)однородности нынешней Вселенной с ее волокнами и войдами. Вот здесь и выяснился очень и очень интересный факт.
Ошибка или открытие?Недавно международная команда исследователей из 18 научных центров направила в престижный журнал Astronomy & Astrophysics научную статью, препринт которой имеется в открытом доступе. В двух словах результат таков: современная Вселенная оказалась на 8% более однородной, чем ей следует быть согласно данным о реликтовом излучении. Это может говорить либо о неточностях измерений, либо о том, что в ΛCDM-модель пора вносить изменения.
Астрономы использовали данные обзора Kilo-Degree Survey (KiDS-1000), охватившего более 31 миллиона галактик на расстояниях до 10 млрд световых лет от Земли. Эти сведения авторы дополнили информацией из обзора 2-degree Field Lensing Survey (2dFLenS), в рамках которого наблюдалось более 70 тысяч объектов на тех же дистанциях. Также ученые обратились к обзору Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (BOSS), включающему данные о более чем 1,5 млн галактик на удалении до 8 млрд световых лет.
Сопоставив все эти сведения, специалисты вычислили степень однородности Вселенной. И оказалось, что она на 8,3±2,6% больше, чем ожидалось исходя из свойств реликтового излучения.
Насколько надежны эти цифры? Ведь каждый результат измерения теоретически может оказаться ложной тревогой, продуктом небольших, но неизбежных случайных шумов в исходных данных.
Достоверность нового результата составляет 2 или 3 сигмы (в зависимости от способа расчета). Это значит, что вероятность его «шумовой» природы составляет либо 5% (при достоверности 2 сигмы), либо 0,2% (при достоверности 3 сигмы). По строгим научным стандартам такие цифры не позволяют уверенно заявлять об открытии. Есть примеры результатов с достоверностью 2–3 сигмы, которые при более точных измерениях рассеивались как дым.
Таким образом, обнаруженную излишнюю однородность Вселенной еще нельзя считать достоверно установленным фактом. Нужны расчеты, основанные на еще более обширных данных. Тогда, возможно, выяснится, что мы узнали нечто принципиально важное о мире, в котором живем, и космологи будут вынуждены внести коррективы в свои теории.
Реклама на Forbes
Что такое теория большого взрыва?
Теория большого взрыва – это главное объяснение того, как возникла Вселенная. В самом простом виде он говорит, что Вселенная в том виде, в каком мы ее знаем, началась с бесконечно горячей, бесконечно плотной сингулярности, а затем раздувалась – сначала с невообразимой скоростью, а затем с более измеримой скоростью – в течение следующих 13,8 миллиардов лет до космоса, который мы знаем. Cегодня.
Поскольку современные инструменты не позволяют астрономам буквально вглядываться в процесс рождения Вселенной, многое из того, что мы понимаем в теории Большого взрыва, основано на математических формулах и моделях.Однако астрономы могут видеть «эхо» расширения через явление, известное как космический микроволновый фон. -32 секунды, согласно теории физика Алана Гута 1980, которая навсегда изменила наше представление о Большом взрыве.
Когда космическая инфляция подошла к внезапному и все еще загадочному концу, стали применяться более классические описания Большого взрыва. Поток материи и излучения, известный как «повторный нагрев», начал процесс заселения нашей Вселенной тем, что мы знаем сегодня – частицами, атомами, звездами, галактиками и так далее.
По данным НАСА, это все еще происходило в пределах первой секунды после возникновения Вселенной, когда температура всего была около 10 миллиардов градусов по Фаренгейту (5,5 миллиардов Цельсия).Космос теперь содержал огромное количество фундаментальных частиц, таких как нейтроны, электроны и протоны, – возможные строительные блоки или сырье для всего, что мы видим сегодня.
На этот ранний суп было невозможно смотреть, потому что свет не проникал внутрь него. «Свободные электроны заставили бы свет (фотоны) рассеиваться так, как солнечный свет рассеивается на каплях воды в облаках», – заявило НАСА. Однако со временем свободные электроны встретились с ядрами и создали нейтральные атомы.Это позволило свету сиять примерно через 380 000 лет после Большого взрыва.
Этот свет, который иногда называют “послесвечение” Большого взрыва, более правильно известен как космический микроволновый фон (CMB). Впервые он был предсказан Ральфом Альфером и другими учеными в 1948 году, но был обнаружен только случайно почти 20 лет спустя.
Связано: Изображения: Вглядываясь в Большой Взрыв и раннюю вселенную
Арно Пензиас и Роберт Уилсон, оба из Bell Telephone Laboratories в Мюррей-Хилл, Нью-Джерси, в 1965 году создавали радиоприемник и поднимались выше – температуры, превышающие ожидаемые, по данным НАСА.Сначала они думали, что аномалия произошла из-за голубей и их навоза, но даже после того, как они убрали беспорядок и убили голубей, которые пытались устроиться на ночлег внутри антенны, аномалия сохранялась.
Одновременно команда Принстонского университета (во главе с Робертом Дике) пыталась найти свидетельство реликтового излучения и поняла, что Пензиас и Уилсон наткнулись на него. Каждая из этих двух групп опубликовала статьи в Astrophysical Journal в 1965 году.
Реконструкция детских изображений Вселенной
В одном случае космологи настаивают на перемотке назад, чтобы достичь первого мгновения после Большого взрыва, моделируя 4000 версий текущей Вселенной на массивном телескопе. суперкомпьютер.
«Мы пытаемся угадать детское фото нашей Вселенной по последнему снимку», – написал в электронном письме для Live Science руководитель исследования Масато Ширасаки, космолог Национальной астрономической обсерватории Японии (NAOJ).
Обладая информацией о Вселенной в том виде, в каком мы ее знаем сегодня, исследователи в этом исследовании 2021 года работали, чтобы сравнить свое понимание того, как гравитационные силы взаимодействуют в изначальной Вселенной, с тысячами вселенных, смоделированных на компьютере.Если бы они могли успешно предсказать начальные условия своих виртуальных вселенных, они могли бы больше доверять своей способности предсказать, как наша собственная вселенная выглядела вначале.
Другие исследователи выбирают другой путь, чтобы исследовать истоки нашей Вселенной, исследуя раскол между материей и антивеществом. Одно исследование 2020 года, еще не прошедшее экспертную оценку, предположило, что дисбаланс в количестве материи и антивещества связан с огромным количеством темной материи во Вселенной, неизвестного вещества, которое оказывает влияние на гравитацию, но не взаимодействует со светом.Решающие моменты после Большого взрыва могли «подтолкнуть» Вселенную к созданию большего количества материи, чем ее обратное, антивещество, что затем могло привести к образованию темной материи.
Подробнее: Что было до Большого взрыва?
Возраст Вселенной
Отпечаток художника от космического корабля Planck Европейского космического агентства. Основная цель Планка – изучить космический микроволновый фон – реликтовое излучение, оставшееся после Большого взрыва.(Изображение предоставлено ESA / C. Carreau)Космический микроволновый фон наблюдался во многих миссиях. Одной из самых известных космических миссий был спутник NASA Cosmic Background Explorer (COBE), который нанес на карту небо в 1990-х годах.
По стопам COBE последовали несколько других миссий, таких как эксперимент BOOMERanG (Наблюдения за миллиметровым внегалактическим излучением с помощью воздушного шара и геофизика), зонд Уилкинсона для микроволновой анизотропии НАСА (WMAP) и спутник Planck Европейского космического агентства.
Наблюдения Планка, впервые опубликованные в 2013 году, картировали фон с беспрецедентной детализацией и показали, что Вселенная старше, чем считалось ранее: 13,82 миллиарда лет, а не 13,7 миллиарда лет. Миссия исследовательской обсерватории продолжается, и периодически выпускаются новые карты реликтового излучения.
Связано: Сколько лет Вселенной?
Однако карты порождают новые загадки, например, почему Южное полушарие кажется немного краснее (теплее), чем Северное полушарие.Теория большого взрыва гласит, что реликтовое излучение будет в основном одинаковым, куда бы вы ни посмотрели.
Изучение реликтового излучения также дает астрономам ключ к разгадке состава Вселенной. Исследователи считают, что большая часть космоса состоит из материи и энергии, которые нельзя «ощутить» с помощью наших обычных инструментов, что привело к названиям «темная материя» и «темная энергия». Только 5% Вселенной состоит из таких веществ, как планеты, звезды и галактики.
Слабые сигналы о расширении Вселенной
В то время как астрономы могли видеть начало Вселенной, они также искали доказательства ее быстрой инфляции с помощью гравитационных волн, крошечных возмущений в пространстве-времени, которые колеблются наружу от сильных возмущений, таких как, например, , столкновение двух черных дыр или рождение Вселенной.
Теория утверждает, что в первую секунду после рождения Вселенной наш космос раздувается быстрее скорости света. (Это, кстати, не нарушает ограничения скорости Альберта Эйнштейна. Однажды он сказал, что скорость света – это самая высокая скорость, с которой что-либо может перемещаться во Вселенной, но это утверждение не относилось к раздуванию самой Вселенной.)
Вселенная расширилась, она создала реликтовое излучение и аналогичный «фоновый шум», состоящий из гравитационных волн, которые, как и реликтовое излучение, должны быть своего рода статическим излучением, обнаруживаемым со всех частей неба.Эти гравитационные волны, согласно LIGO Scientific Collaboration, создали теоретически едва обнаруживаемую поляризацию, один из типов которой называется «B-моды».
В 2014 году астрономы заявили, что они нашли доказательства существования B-мод с помощью антарктического телескопа под названием «Фоновое изображение космической внегалактической поляризации» или BICEP2.
«Мы очень уверены в том, что сигнал, который мы видим, реален и находится в небе», – сказал Space ведущий исследователь Джон Ковач из Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики.com в марте 2014 года.
Но к июню та же команда заявила, что их результаты могли быть изменены из-за того, что галактическая пыль мешала их полю зрения. Эта гипотеза была подтверждена новыми результатами со спутника Planck.
К январю 2015 года исследователи из обеих команд, работавшие вместе, «подтвердили, что сигнал бицепса в основном, если не весь, был звездной пылью», – сообщила New York Times.
На этом рисунке показана временная шкала Вселенной, основанная на теории Большого взрыва и моделях инфляции.(Изображение предоставлено NASA / WMAP)Однако теперь подтверждено существование гравитационных волн. Эти волны, которые не являются B-модами от рождения Вселенной, а являются результатом недавних столкновений черных дыр, были многократно обнаружены лазерной интерферометрической обсерваторией гравитационных волн (LIGO) с 2016 года. По мере того, как LIGO становится более чувствительным, ожидается, что открытие гравитационных волн, связанных с черными дырами, будет довольно частым событием.
Более быстрое надувание, мультивселенная и отображение начала
Вселенная не только расширяется, но и расширяется быстрее.Это означает, что со временем никто не сможет обнаружить другие галактики с Земли или любой другой точки обзора в нашей галактике.
«Мы увидим далекие галактики, удаляющиеся от нас, но их скорость со временем увеличивается», – сказал астроном из Гарвардского университета Ави Лоеб в статье Space.com в марте 2014 года.
“Итак, если вы подождете достаточно долго, в конечном итоге далекая галактика достигнет скорости света. Это означает, что даже свет не сможет преодолеть разрыв, который открывается между этой галактикой и нами.У инопланетян в этой галактике нет возможности общаться с нами, посылать какие-либо сигналы, которые достигнут нас, если их галактика движется относительно нас быстрее света ».
Связанный: Теория большого взрыва: 5 странных фактов о видение рождения Вселенной
Некоторые физики также предполагают, что вселенная, которую мы видим, является лишь одной из многих. В модели «мультивселенной» разные вселенные сосуществовали бы друг с другом, как пузыри, лежащие бок о бок. Теория предполагает, что в этом первом большой толчок инфляции, разные части пространства-времени росли с разной скоростью.Это могло привести к выделению разных частей – разных вселенных – с потенциально разными законами физики.
«Трудно построить модели инфляции, которые не приводят к мультивселенной», – сказал Алан Гут, физик-теоретик из Массачусетского технологического института, во время пресс-конференции в марте 2014 года, посвященной открытию гравитационных волн. (Гут не имеет отношения к этому исследованию.)
«Это не невозможно, поэтому я думаю, что определенно необходимо провести исследование.Но большинство моделей инфляции действительно приводят к мультивселенной, и свидетельства инфляции подталкивают нас к серьезному восприятию [идеи] мультивселенной ».
Хотя мы можем понять, как появилась Вселенная, которую мы видим, это Возможно, Большой взрыв не был первым периодом инфляции, который пережила Вселенная. Некоторые ученые считают, что мы живем в космосе, который проходит через регулярные циклы инфляции и дефляции, и что мы просто живем в одной из этих фаз.
Теория большого взрыва: превращая научную теорию в бытовую фразу
Слева: персонажи Ховард, Леонард, Пенни, Шелдон и Радж из шоу CBS «Теория большого взрыва». (Изображение предоставлено CBS)Шоу CBS «Теория большого взрыва», рассчитанное на 279 эпизодов в течение 12 сезонов, проводилось группой ученых, изначально состоявших из физиков, астрофизиков и аэрокосмических инженеров. Шоу исследует дружбу, романы и ссоры группы в Пасадене, Калифорния.Премьера его первого сезона состоялась 24 сентября 2007 года, а шоу официально закончилось 16 мая 2019 года.
Хотя шоу само по себе не вникало в большую часть физики, лежащей в основе теории большого взрыва, шоураннеры наняли астрофизика Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе Дэвида. По данным журнала Science, Зальцберг был научным консультантом на протяжении всего шоу. Это означало, что научный жаргон, который часто использовался в первых сценах шоу и пронизывал жизни персонажей, был рассмотрен настоящим ученым.По словам Зальцберга, поскольку персонажи погружены в академическую среду, это добавило реалистичности их жизни.
Кроме того, благодаря Зальцбергу, доски на заднем плане лабораторий, офисов и квартир на протяжении всего шоу были заполнены множеством передовых и иногда заслуживающих внимания уравнений и информации. По словам Зальцберга, в ходе выставки эти доски стали желанным местом, поскольку исследователи присылали ему новые работы, которые, как они надеялись, могли быть там представлены.В одном эпизоде, вспоминает Зальцберг, новое свидетельство гравитационных волн было нацарапано на доске, которая якобы принадлежала знаменитому физику Стивену Хокингу, который также одобрил текст.
Ветеран астронавта НАСА Майк Массимино (справа) позирует фотографу с актером Теории большого взрыва Саймоном Хелбергом и другим актером во время перерыва в съемках финала сезона Теории большого взрыва канала CBS. (Изображение предоставлено Майком Массимино (через Twitter как @Astro_Mike))По словам физика Фермилаба Дона Линкольна, шоу взяло на себя некоторые вольности, придумав некоторые новые научные концепции, а также с политикой нобелевских премий и академических кругов.Но в конце концов, как сказал Линкольн, наименее правдивым для него была сцена, где персонажам давали билеты на самолет для посещения другой лаборатории не в креслах автобуса, где многие реальные ученые морщили ноги, а в «Эконом Плюс».
Связано: Как «Теория большого взрыва» отправила Говарда Воловица в космос
Примечательно, что несколько персонажей сериала совершают поездки. В одном из эпизодов главные герои Леонард, Шелдон, Радж и Ховард отправляются в исследовательскую экспедицию в Арктику – многие физические эксперименты лучше всего проводить в экстремальных условиях на полюсах или вблизи них.Другой посадил аэрокосмического инженера Ховарда на российский космический корабль «Союз», а затем и на модель Международной космической станции вместе с реальным астронавтом Майком Массимино.
Дополнительные ресурсы
- Узнайте больше о доказательствах космической инфляции от Forbes.
- Посмотрите видео от Фермилаба о том, что произошло до Большого взрыва.
- Ознакомьтесь с историей Вселенной Европейского космического агентства, детским ресурсом по физике и космосу.
Эта статья была обновлена 17 мая 2021 года компанией Space.com соавтор Вики Штайн.
Большой взрыв: что на самом деле произошло при рождении нашей Вселенной?
На создание Вселенной в том виде, в каком мы ее знаем сегодня, потребовалось чуть больше семи дней. SPACE.com рассматривает тайны небес в нашей серии из восьми частей: История и будущее космоса. Это 5-я часть из этой серии.
Наша Вселенная родилась около 13,7 миллиарда лет назад в результате массивного расширения, которое взорвало космос, как гигантский воздушный шар.
Это, вкратце, теория Большого взрыва, которую поддерживают практически все космологи и физики-теоретики.Доказательства, подтверждающие эту идею, обширны и убедительны. Мы знаем, например, что Вселенная все еще расширяется даже сейчас, причем со все возрастающей скоростью.
Ученые также обнаружили предсказанный тепловой отпечаток Большого взрыва, пронизывающего Вселенную космического микроволнового фонового излучения. И мы не видим никаких объектов явно старше 13,7 миллиардов лет, что позволяет предположить, что наша Вселенная возникла примерно в то время.
«Все это положило Большой взрыв на чрезвычайно прочный фундамент, – сказал астрофизик Алекс Филиппенко из Калифорнийского университета в Беркли.«Большой взрыв – чрезвычайно успешная теория».
Итак, чему нас учит эта теория? Что на самом деле произошло при рождении нашей Вселенной и как она приняла форму, которую мы наблюдаем сегодня? [Инфографический тур: История и структура Вселенной]
На этом рисунке показана временная шкала Вселенной, основанная на теории Большого взрыва и моделях инфляции. (Изображение предоставлено NASA / WMAP)Начало
Традиционная теория Большого взрыва утверждает, что наша Вселенная началась с сингулярности – точки бесконечной плотности и температуры, природу которой нашему разуму трудно понять.Однако это может не точно отражать реальность, говорят исследователи, потому что идея сингулярности основана на общей теории относительности Эйнштейна.
«Проблема в том, что в таком режиме нет никаких оснований верить в общую теорию относительности», – сказал Шон Кэрролл, физик-теоретик из Калифорнийского технологического института. «Это будет неправильно, потому что он не принимает во внимание квантовую механику. И квантовая механика, безусловно, станет важной, когда вы дойдете до этого места в истории Вселенной.”
Итак, самое начало Вселенной остается довольно неясным. Ученые думают, что они могут уточнить историю за 10–36 секунд – одну триллионную от триллионной от триллионной секунды – после Большого взрыва.
По их мнению, в тот момент Вселенная пережила чрезвычайно короткий и драматический период инфляции, расширяясь быстрее скорости света. Она увеличилась вдвое, возможно, в 100 или более раз, и все это за несколько крошечных долей секунды. [Большой взрыв к настоящему времени: 10 простых шагов]
(Может показаться, что инфляция нарушает специальную теорию относительности, но, по мнению ученых, это не так.Специальная теория относительности утверждает, что никакая информация или материя не могут переноситься между двумя точками в пространстве со скоростью, превышающей скорость света. Но инфляция была расширением самого пространства.)
«Инфляция была« взрывом »Большого взрыва», – сказал Филиппенко SPACE.com. немного. Нам нужно было что-то вроде инфляции, чтобы сделать Вселенную большой ».
Эта быстро расширяющаяся Вселенная практически не содержала материи, но, как утверждает теория, таила огромное количество темной энергии.Темная энергия – это таинственная сила, которая, по мнению ученых, движет ускоряющимся расширением Вселенной.
Во время инфляции темная энергия заставила Вселенную сгладиться и ускориться. Но это длилось недолго.
«Это была временная темная энергия», – сказал Кэрролл SPACE.com. «Она превратилась в обычную материю и излучение в результате процесса, называемого повторным нагревом. Вселенная превратилась из холодной во время инфляции в горячую, когда вся темная энергия ушла.”
Ученые не знают, что могло спровоцировать инфляцию. Это остается одним из ключевых вопросов космологии Большого взрыва, – сказал Филиппенко. Исследование скопления раскрыло секреты того, как темная энергия формирует Вселенную. (Изображение предоставлено NASA, ESA, E. Jullo (JPL / LAM), P. Natarajan (Йель) и JP. Kneib (LAM))
Другая идея
Большинство космологов рассматривают инфляцию как ведущую теорию для объяснения характеристик Вселенной – в частности, почему она относительно плоская и однородная, с примерно одинаковым количеством вещества, равномерно распределенного во всех направлениях.
Различные свидетельства указывают на то, что инфляция реальна, сказал физик-теоретик Энди Альбрехт из Калифорнийского университета в Дэвисе. [Изображения: вглядываясь в Большой взрыв]
«Все они довольно хорошо сочетаются с инфляционной картиной», – сказал Альбрехт, один из архитекторов теории инфляции. «Инфляция идет невероятно хорошо».
Однако инфляция – не единственная идея, которая пытается объяснить структуру Вселенной. Теоретики придумали еще одну, названную циклической моделью, которая основана на более ранней концепции, названной экпиротической вселенной.
Согласно этой идее, наша Вселенная не возникла из одной точки или чего-то подобного. Скорее, он «отскочил» от ранее существовавшей вселенной, которая сжималась, – гораздо более умеренными темпами, чем предсказывает теория инфляции. Если эта теория верна, наша Вселенная, вероятно, претерпела бесконечную череду «ударов» и «хрустов».
«Начало нашей вселенной было бы прекрасным и конечным», – сказал Берт Оврут из Пенсильванского университета, один из основоположников экпиротической теории.
Циклическая модель утверждает, что наша Вселенная состоит из 11 измерений, только четыре из которых мы можем наблюдать (три пространственных и одно временное). Наша четырехмерная часть Вселенной называется браной (сокращенно от мембраны).
По идее, в 11-мерном пространстве могут скрываться и другие браны. Столкновение двух бран могло перевернуть Вселенную от сжатия к расширению, спровоцировав Большой взрыв, свидетельство которого мы видим сегодня.
В поисках гравитационных волн
Вскоре ученые могут точно знать, какая теория – инфляция или циклическая модель – лучше отражает реальность.
Например, инфляция, вероятно, вызовет гораздо более сильные гравитационные волны, чем экпиротический «отскок», – сказал Филиппенко. Итак, исследователи ищут какие-либо признаки этих теоретических искажений пространства-времени, которые еще предстоит наблюдать.
Спутник Planck Европейского космического агентства, запущенный в 2009 году, может обнаружить неуловимые гравитационные волны. По словам Оврута, он также может собрать другие доказательства, которые могут склонить чашу весов в любую сторону.
«Это вещи, которые в течение следующих 10 лет будут обсуждаться и, надеюсь, решаться», – сказал Оврут SPACE.com.
Известная нам Вселенная принимает форму
Космологи подозревают, что четыре силы, управляющие Вселенной – гравитация, электромагнетизм, а также слабые и сильные ядерные взаимодействия – при рождении Вселенной объединились в одну силу, сплющенную вместе из-за вовлечены экстремальные температуры и плотности.
Но все изменилось по мере того, как Вселенная расширялась и охлаждалась. Примерно во время инфляции сильная сила, вероятно, отделилась. И примерно через 10 триллионных долей секунды после Большого взрыва электромагнитные и слабые силы также стали различаться.
Сразу после инфляции Вселенная, вероятно, была заполнена горячей плотной плазмой. Но примерно за 1 микросекунду (от 10 до минус 6 секунд) или около того, он достаточно охладился, чтобы позволить образоваться первым протонам и нейтронам, считают исследователи.
В первые три минуты после Большого взрыва эти протоны и нейтроны начали сливаться вместе, образуя дейтерий (также известный как тяжелый водород). Затем атомы дейтерия соединились друг с другом, образуя гелий-4.
На этом снимке всего неба космического микроволнового фона, созданном спутником Planck Европейского космического агентства, показаны отголоски Большого взрыва, оставшиеся от зарождения Вселенной.(Изображение предоставлено: Консорциумом ESA / LFI и HFI)Рекомбинация: Вселенная становится прозрачной
Все эти вновь созданные атомы были заряжены положительно, поскольку Вселенная была еще слишком горячей, чтобы способствовать захвату электронов.
Но все изменилось примерно через 380 000 лет после Большого взрыва. В эпоху, известную как рекомбинация, ионы водорода и гелия начали захватывать электроны, образуя электрически нейтральные атомы. Свет значительно рассеивается на свободных электронах и протонах, но гораздо меньше на нейтральных атомах.Так что теперь фотоны могли свободно перемещаться по Вселенной.
Рекомбинация резко изменила облик Вселенной; это был непрозрачный туман, а теперь стал прозрачным. Фоновое космическое микроволновое излучение, которое мы наблюдаем сегодня, восходит к этой эпохе. [Видео: виден туман ранней Вселенной]
Но, тем не менее, Вселенная долгое время была довольно темной после рекомбинации, и по-настоящему загорелась только тогда, когда первые звезды начали сиять примерно через 300 миллионов лет после Большого взрыва.Они помогли отменить многое из того, что сделала рекомбинация. Эти ранние звезды – и, возможно, некоторые другие загадочные источники – испускали достаточно излучения, чтобы разделить большую часть водорода во Вселенной обратно на составляющие его протоны и электроны.
Этот процесс, известный как реионизация, кажется, завершился примерно через 1 миллиард лет после Большого взрыва. Сегодня Вселенная не непрозрачна, как до рекомбинации, потому что она так сильно расширилась. По словам ученых, материя Вселенной очень разрежена, и поэтому взаимодействия при рассеянии фотонов относительно редки.
Со временем звезды притягивались вместе, образуя галактики, что приводило к появлению все более и более крупномасштабной структуры во Вселенной. Планеты объединились вокруг недавно образовавшихся звезд, включая наше собственное Солнце. А 3,8 миллиарда лет назад на Земле пустила корни жизнь.
Это чрезвычайно далекое протокластер представляет собой группу галактик, образовавшуюся очень рано во Вселенной, примерно через миллиард лет после Большого взрыва. (Изображение предоставлено Subaru / P. Capak (SSC / Caltech))До Большого взрыва?
Хотя многое о первых моментах существования Вселенной остается спекулятивным, вопрос о том, что предшествовало Большому взрыву, является еще более загадочным и трудным для решения.
Для начала сам вопрос может быть бессмысленным. Если Вселенная возникла из ничего, как полагают некоторые теоретики, Большой взрыв знаменует момент начала самого времени. В этом случае не было бы такого понятия, как «раньше», – сказал Кэрролл.
Но некоторые концепции рождения Вселенной могут предложить возможные ответы. Циклическая модель, например, предполагает, что сжимающаяся Вселенная предшествовала нашей расширяющейся. Кэрролл также может представить себе нечто существующее до Большого взрыва.
«Это могло быть просто пустое пространство, существовавшее до того, как произошел наш Большой взрыв, а затем некоторая квантовая флуктуация породила вселенную, подобную нашей», – сказал он. «Вы можете представить себе небольшой пузырек в космосе, который разрывается из-за флуктуации и заполняется крошечной каплей энергии, которая затем может вырасти во Вселенную, которую мы видим через инфляцию».
Филиппенко также подозревает, что нечто подобное может быть правдой.
«Я думаю, что время в нашей Вселенной началось с Большого взрыва, но я думаю, что мы были отклонением от предшественницы, материнской вселенной», – сказал Филиппенко.
Узнаем ли мы когда-нибудь?
Космологи и физики упорно трудятся, чтобы усовершенствовать свои теории и сфокусировать самые ранние моменты Вселенной. Но узнают ли они когда-нибудь по-настоящему, что произошло во время Большого взрыва?
Это непростая задача, особенно с учетом того, что исследователи работают над удалением на 13,7 миллиарда лет. Но не стоит сбрасывать со счетов науку, – сказал Кэрролл. В конце концов, 100 лет назад люди очень мало знали о Вселенной. Мы не знали, например, об общей теории относительности или квантовой механике.Мы не знали, что Вселенная расширяется, и мы не знали о Большом взрыве.
«Теперь мы все это знаем», – сказал Кэрролл. «Темпы прогресса на самом деле удивительно быстрые, поэтому я никогда не поддался бы пессимизму. В новейшей истории космологии и физики нет причин пессимистично оценивать наши перспективы понимания Большого взрыва».
Альбрехт выразил аналогичный оптимизм, заявив, что однажды мы сможем даже выяснить, что существовало до Большого взрыва, если вообще существовало.
«Я основываю свою надежду на том, что космология оказалась настолько успешной», – сказал он SPACE.com. «Кажется, природа ясно дала нам понять, что мы действительно можем заниматься наукой со Вселенной».
Вы можете следить за старшим писателем SPACE.com Майком Уоллом в Twitter: @michaeldwall . Следите за SPACE.com, чтобы быть в курсе последних новостей космической науки и исследований в Twitter @Spacedotcom и на Facebook .
Теория большого взрыва: как возникла Вселенная
Теория Большого взрыва представляет собой лучшие попытки космологов реконструировать 14-миллиардную историю Вселенной на основе видимой сегодня полоски существования.
Разные люди используют термин «Большой взрыв» по-разному. В большинстве случаев он иллюстрирует дугу наблюдаемой Вселенной, когда она истончалась и остывала из первоначально плотного горячего состояния. Это описание сводится к идее о расширении космоса – широком принципе, аналогичному выживанию наиболее приспособленных в биологии, который немногие сочтут спорным.
Более конкретно, Большой взрыв может также относиться к рождению самой наблюдаемой Вселенной – моменту, когда что-то изменилось, положив начало событиям, которые привели к сегодняшнему дню.Космологи десятилетиями спорили о деталях этой доли секунды, и обсуждение продолжается сегодня. [От Большого взрыва до настоящего времени: снимки нашей Вселенной во времени]
Классическая теория Большого взрыва
На протяжении большей части истории человечества наблюдатели неба считали его вечным и неизменным. Эдвин Хаббл нанес этой истории экспериментальный удар в 1920-х годах, когда его наблюдения показали, что галактики за пределами Млечного Пути существуют, и что их свет выглядит растянутым – это признак того, что они устремились прочь от Земли.
Жорж Лемэтр, современный бельгийский физик, интерпретировал данные Хаббла и других как свидетельство расширения Вселенной – возможность, разрешенную недавно опубликованными Эйнштейном полевыми уравнениями общей теории относительности. Оглядываясь назад, Лемэтр пришел к выводу, что сегодняшние разделяющиеся галактики должны были начаться вместе в том, что он назвал «первобытным атомом».
Первое публичное использование современного термина для идеи Лемэтра на самом деле было сделано критиком – английским астрономом Фредом Хойлом.28 марта 1949 года Хойл придумал эту фразу во время защиты своей предпочтительной теории вечной вселенной, которая создала материю, чтобы нейтрализовать разбавление расширения. Хойл сказал, что представление о том, что «вся материя Вселенной была создана в результате одного большого взрыва в определенное время в далеком прошлом», является иррациональным. В более поздних интервью Хойл отрицал намеренное изобретение клеветнического имени, но это прозвище прижилось, к большому разочарованию некоторых.
«Большой взрыв – действительно плохой термин», – сказал Пол Стейнхардт, космолог из Принстона.«Big Stretch отражает правильную идею». По словам Стейнхардта, мысленный образ взрыва вызывает самые разные заблуждения. Это подразумевает центральную точку, расширяющуюся границу и сцену, где легкая шрапнель летит быстрее, чем более тяжелые куски. Но расширяющаяся Вселенная не выглядит так, сказал он. Нет ни центра, ни края, а галактики, большие и маленькие, все раздвигаются одинаково (хотя более далекие галактики удаляются быстрее под влиянием космологически недавней темной энергии).
Независимо от названия, теория Большого взрыва получила широкое признание благодаря своей беспрецедентной способности объяснять то, что мы видим. Например, баланс света с такими частицами, как протоны и нейтроны, в течение первых 3 минут позволяет ранним элементам формироваться со скоростью, предсказывающей текущее количество гелия и других легких атомов.
«Во времени было небольшое окно, в котором могли образоваться ядра», – сказал Гленнис Фаррар, космолог из Нью-Йоркского университета. «После этого вселенная продолжала расширяться, и они не могли найти друг друга, а перед [окном] было слишком жарко.”
Облачная плазма заполняла Вселенную в течение следующих 378000 лет, пока дальнейшее охлаждение не позволило электронам и протонам образовать нейтральные атомы водорода, и туман рассеялся. Излучаемый во время этого процесса свет, который с тех пор распространился на микроволны, является самым ранним из известных исследователи могут изучать объекты напрямую. Известное как космическое микроволновое фоновое излучение (реликтовое излучение), многие исследователи считают его сильнейшим доказательством Большого взрыва.
Взрывное обновление
Но по мере того, как космологи продвигались все дальше назад в первые моменты вселенной, история разгадал.Уравнения общей теории относительности предполагали начальное пятнышко неограниченного тепла и плотности – сингулярность. Единственное начало не имело особого физического смысла, оно не соответствовало гладкому плоскому реликтовому излучению. Колебания огромной температуры и плотности пятнышка привели бы к образованию полос неба с разными свойствами, но температура реликтового излучения изменяется всего на доли градуса. Кривизна пространства-времени также выглядит довольно плоской, что подразумевает изначально почти идеальный баланс материи и кривизны, который большинство космологов считает невероятным.
Алан Гут предложил новую картину первой доли секунды в 1980-х годах, предполагая, что Вселенная в первые моменты своего существования росла экспоненциально быстрее, чем сегодня. В какой-то момент этот процесс остановился, и нажатие на тормоза произвело плотный и горячий (но не бесконечно) беспорядок из частиц, который занял место сингулярности. «В моем сознании я думаю об этом как о Большом взрыве, когда Вселенная стала горячей», – сказал Фаррар.
Теория инфляции, как ее называют, теперь имеет множество конкурирующих моделей.Хотя никто ничего не знал о том, что заставило Вселенную так быстро расширяться, теория стала популярной благодаря своей способности объяснять, казалось бы, невероятное безликое реликтовое излучение: инфляция сохраняла незначительные флуктуации (которые переросли в сегодняшние скопления галактик), в то же время сглаживая основные. «Это очень милая история», – сказал Стейнхардт, который помог разработать теорию. «Это то, что мы говорим нашим детям».
За гранью инфляции
Недавнее исследование внесло две морщинки в космическое повествование теории инфляции.Работа Стейнхардта и других предполагает, что инфляция остановилась бы в некоторых регионах (таких как наша наблюдаемая Вселенная), но продолжилась бы в других, создавая множество отдельных территорий со «всеми мыслимыми наборами космологических свойств», как выражается Стейнхардт. Многие физики находят эту картину “мультивселенной” неприятной, потому что она дает бесконечное количество непроверяемых предсказаний.
На экспериментальном фронте космологи ожидают, что инфляция должна была вызвать охватывающие галактику гравитационные волны в реликтовом излучении, так же как и небольшие изменения температуры и плотности.Текущие эксперименты должны быть достаточно чувствительными, чтобы их обнаружить, но изначальные колебания пространства-времени не проявились (несмотря на одну ложную тревогу в 2014 году).
Многие исследователи ждут более точных измерений реликтового излучения, которые могли бы уничтожить или подтвердить многие модели инфляции, которые все еще существуют. Другие физики, однако, не видят проблемы в гладкости космоса – она изначально была однородной и не нуждалась в объяснении.
В то время как экспериментаторы стремятся к новым уровням точности, некоторые теоретики отвернулись от инфляции, чтобы искать другие способы раздавить Вселенную.Стейнхардт, например, работает над моделью «большого отскока», которая еще больше отодвигает стартовые часы, к более раннему периоду сжатия, который сглаживает пространство-время и создает основу для взрывного расширения. Он надеется, что в скором времени новые сигнатуры, помимо таких проблем, как отсутствие изначальных гравитационных волн, заставят космологов рассказать новую историю сотворения. “Есть ли другие наблюдаемые особенности, которые нужно искать?” Стейнхардт сказал: «Спросите меня снова через несколько лет, и я надеюсь, что получу ответ.”
Дополнительные ресурсы :
Как возникла Вселенная?
Как возникла Вселенная?
Возможно, это величайшая Великая Тайна и корень всех остальных. Величайшие вопросы человечества – как зародилась жизнь? Что такое сознание? Что такое темная материя, темная энергия, гравитация? – вытекают из этого.
«Все остальные загадки лежат в основе этого вопроса», – сказала Энн Друян, писательница и вдова астронома Карла Сагана.«Это важно для меня, потому что я человек и не люблю ничего не знать».
Даже по мере того, как теории, пытающиеся разрешить эту загадку, становятся все более сложными, ученых преследует возможность того, что некоторые из наиболее важных звеньев в их цепочке рассуждений ошибочны.
Фундаментальные загадки
Согласно стандартной модели Большого взрыва, Вселенная родилась в период инфляции, начавшейся около 13,8 миллиарда лет назад. Подобно быстро расширяющемуся воздушному шару, он увеличился от размера меньше электрона до почти своего нынешнего размера за крошечную долю секунды.
Первоначально Вселенная была пронизана только энергией. Часть этой энергии превратилась в частицы, которые собрались в легкие атомы, такие как водород и гелий. Эти атомы сначала сгруппировались в галактики, а затем в звезды, в огненных печах которых были выкованы все остальные элементы.
Это общепризнанная картина происхождения нашей Вселенной, представленная учеными. Это мощная модель, которая объясняет многие вещи, которые ученые видят, когда смотрят в небо, например удивительную гладкость пространства-времени в больших масштабах и равномерное распределение галактик на противоположных сторонах Вселенной.
Но в этой истории есть вещи, которые беспокоят некоторых ученых. Во-первых, идея о том, что Вселенная пережила период быстрой инфляции в начале своей истории, не может быть напрямую проверена, и она полагается на существование загадочной формы энергии в начале Вселенной, которая давно исчезла.
«Инфляция – чрезвычайно мощная теория, и все же мы до сих пор не знаем, что вызвало инфляцию, и является ли это правильной теорией, хотя она работает очень хорошо», – сказал Эрик Агол, астрофизик из Вашингтонского университета.
Для некоторых ученых инфляция – это неуклюжее дополнение к модели Большого взрыва, необходимая сложность, необходимая для того, чтобы привести ее в соответствие с наблюдениями. Это не последнее дополнение.
«Мы также узнали, что во Вселенной должна быть темная материя, а теперь и темная энергия», – сказал Пол Стейнхардт, физик-теоретик из Принстонского университета. «Итак, модель работает сегодня так: вы говорите:« Хорошо, возьмите некоторый Большой взрыв, возьмите некоторую инфляцию, вы настроите ее на следующие свойства, затем вы добавите определенное количество темной материи и темной энергии ».«Эти вещи не связаны в единую теорию».
Стейнхардт обеспокоен тем, что космологи действуют больше как инженеры, чем как ученые. Если наблюдение не соответствует текущей модели, они присоединяют другой компонент или переделывают существующие, чтобы они соответствовали. компоненты не подключены, и нет причин добавлять их, кроме как для сопоставления наблюдений. Это все равно, что пытаться починить старую машину, добавляя новые детали из более новых, но других моделей. Эти части могут работать в краткосрочной перспективе, но в конечном итоге вам понадобится Новый автомобиль.
Нестареющая вселенная
В последние годы Стейнхардт работал с Анной Иджас, физиком-теоретиком из Гарвардского университета, над радикальной альтернативой стандартной модели Большого взрыва.
Согласно их идее, называемой подпрыгивающей космологией, Вселенная родилась не один раз, а, возможно, несколько раз в бесконечных циклах сжатия и расширения. Теория заменяет «большой взрыв» на «большой отскок», который плавно связывает периоды сжатия и расширения Вселенной и решает многие проблемы, мешающие теории инфляции.
Пара утверждает, что их экпиротическая, или «циклическая», теория могла бы объяснить не только инфляцию, но и другие космические загадки, включая темную материю, темную энергию и то, почему Вселенная, кажется, расширяется с постоянно ускоряющейся скоростью. [18 величайших неразгаданных тайн физики]
Несмотря на противоречивость, космология отскока поднимает вероятность того, что Вселенная нестареет и самообновляется. Это перспектива, возможно, даже более внушающая страх, чем вселенная с определенным началом и концом, поскольку это означало бы, что звезды на небе, даже самые старые, подобны недолговечным светлячкам в великой схеме вещей.
«Я хотел бы надеяться, что усилия, которые общество вкладывает в научные исследования, приближают нас к фундаментальным истинам, а не просто способ создания полезных инструментов», – сказал астроном Калифорнийского технологического института Ричард Мэсси. «Но я так же напуган, узнав, что все, что я знаю, неправильно, и втайне надеюсь, что это не так».
Дополнительные ресурсы:
Эта статья была обновлена 27 июня 2019 г. автором Live Science Тимом Чилдерсом.
Истоки вселенной факты и информация
Теория происхождения нашей Вселенной, получившая наибольшее подтверждение, основана на событии, известном как Большой взрыв. Эта теория родилась из наблюдения, что другие галактики удаляются от нашей с огромной скоростью во всех направлениях, как если бы все они были запущены древней взрывной силой.
Бельгийский священник по имени Жорж Лемэтр впервые предложил теорию большого взрыва в 1920-х годах, когда он предположил, что Вселенная началась с единственного первичного атома.-43 секунды своего существования, Вселенная была очень компактной, меньше миллиарда миллиардов миллиардных размера одного атома. Считается, что в таком непостижимо плотном, энергетическом состоянии четыре фундаментальные силы – гравитация, электромагнетизм, а также сильные и слабые ядерные силы – были объединены в единую силу, но наши текущие теории еще не выяснили, как единое, объединенная сила будет работать. Чтобы осуществить это, нам нужно знать, как гравитация работает в субатомном масштабе, но в настоящее время мы этого не делаем.
Также считается, что чрезвычайно близкое расстояние позволило самым первым частицам Вселенной смешиваться, смешиваться и достигать примерно одинаковой температуры. Затем за невообразимо малую долю секунды вся эта материя и энергия расширились наружу более или менее равномерно, с небольшими вариациями, вызванными флуктуациями в квантовом масштабе. Эта модель головокружительного расширения, называемого инфляцией, может объяснить, почему во Вселенной такая равномерная температура и равномерное распределение вещества.
После инфляции Вселенная продолжала расширяться, но гораздо медленнее.До сих пор неясно, что именно привело к инфляции.
Последствия космической инфляцииСо временем, когда материя остыла, начали формироваться более разнообразные виды частиц, которые в конечном итоге конденсировались в звезды и галактики нашей нынешней Вселенной.
К тому времени, когда возраст Вселенной достиг миллиардной доли секунды, Вселенная остыла достаточно, чтобы четыре фундаментальные силы отделились друг от друга. Также сформировались фундаментальные частицы Вселенной.Однако было все еще так жарко, что эти частицы еще не собрались во многие субатомные частицы, которые мы имеем сегодня, такие как протон. По мере того, как Вселенная продолжала расширяться, этот горячий первичный суп, называемый кварк-глюонной плазмой, продолжал остывать. Некоторые коллайдеры частиц, такие как Большой адронный коллайдер ЦЕРНа, достаточно мощны, чтобы воссоздать кварк-глюонную плазму.
Излучение в ранней Вселенной было настолько интенсивным, что сталкивающиеся фотоны могли образовывать пары частиц, состоящих из материи и антивещества, которая во всех отношениях похожа на обычную материю, за исключением противоположного электрического заряда.Считается, что ранняя Вселенная содержала равное количество вещества и антивещества. Но когда Вселенная остыла, фотоны перестали набирать достаточно энергии, чтобы образовывать пары материя-антивещество. Как в экстремальной игре с музыкальными стульями, многие частицы вещества и антивещества соединились и уничтожили друг друга.
Каким-то образом часть избыточной материи уцелела – и теперь это вещество, из которого состоят люди, планеты и галактики. Наше существование – явный признак того, что законы природы трактуют материю и антивещество по-разному.Исследователи экспериментально наблюдали этот дисбаланс правил, называемый CP-нарушением, в действии. Физики все еще пытаются выяснить, как именно материя победила в ранней Вселенной.
Создание атомовВ течение первой секунды Вселенной было достаточно прохладно, чтобы оставшаяся материя слилась в протоны и нейтроны, знакомые частицы, составляющие ядра атомов. И по прошествии первых трех минут протоны и нейтроны собрались в ядра водорода и гелия.По массе водород составлял 75 процентов вещества ранней Вселенной, а гелий – 25 процентов. Изобилие гелия – ключевое предсказание теории большого взрыва, подтвержденное научными наблюдениями.
Несмотря на наличие атомных ядер, молодая Вселенная все еще была слишком горячей, чтобы электроны могли осесть вокруг них и образовать стабильные атомы. Материя Вселенной оставалась электрически заряженным туманом, который был настолько плотным, что свет с трудом пробивался сквозь него. Потребуется еще 380 000 лет или около того, чтобы Вселенная остыла настолько, что образовались нейтральные атомы, – ключевой момент, называемый рекомбинацией.Более прохладная Вселенная впервые сделала ее прозрачной, что позволило фотонам, гремящим внутри нее, наконец беспрепятственно пройти сквозь нее.
Мы все еще видим это изначальное послесвечение сегодня как космическое микроволновое фоновое излучение, которое встречается по всей Вселенной. Излучение аналогично тому, которое используется для передачи телевизионных сигналов через антенны. Но это самое древнее известное излучение, и оно может содержать много секретов о самых ранних моментах существования Вселенной.
От первых звезд до наших днейНе было ни одной звезды во Вселенной примерно через 180 миллионов лет после Большого взрыва.Столько времени потребовалось гравитации, чтобы собрать облака водорода и превратить их в звезды. Многие физики считают, что огромные облака темной материи, все еще неизвестного материала, который более чем в пять раз превышает видимую материю, стали гравитационным каркасом для первых галактик и звезд.
После того, как первые звезды во Вселенной загорелись, свет, который они выпустили, собрал достаточно энергии, чтобы снова оторвать электроны от нейтральных атомов, что является ключевой главой во Вселенной, называемой реионизацией. В феврале 2018 года австралийская команда объявила, что они, возможно, обнаружили признаки этого «космического рассвета».«Через 400 миллионов лет после большого взрыва родились первые галактики. За миллиарды лет, прошедшие с тех пор, сформировались и переформировались звезды, галактики и скопления галактик, что в конечном итоге привело к нашей родной галактике, Млечному Пути, и нашему космическому дому, Солнечной системе.
Даже сейчас Вселенная расширяется, и, к удивлению астрономов, темпы расширения ускоряются. Считается, что это ускорение вызвано силой, отталкивающей гравитацию, называемой темной энергией. Мы до сих пор не знаем, что такое темная энергия, но считается, что она составляет 68 процентов всей материи и энергии Вселенной.Темная материя составляет еще 27 процентов. По сути, все, что вы когда-либо видели – от вашей первой любви до звезд над головой – составляет менее пяти процентов Вселенной.
Что такое Большой взрыв?
Краткий ответ:
Большой взрыв – это то, как астрономы объясняют, как возникла Вселенная. Это идея о том, что Вселенная начиналась с единственной точки, затем расширялась и растягивалась, чтобы вырасти до таких размеров, как сейчас, – и она все еще растягивается!
Что это за Большой взрыв?
В 1927 году астроному по имени Жорж Леметр пришла в голову большая идея.Он сказал, что очень давно Вселенная начиналась с единственной точки и . Он сказал, что Вселенная растянулась, и расширилась, , чтобы стать такой же большой, как сейчас, и что она может продолжать расширяться.
Какая идея!
Вселенная – очень большое место, и оно существует уже очень давно. Трудно представить себе, как все начиналось.
Дополнительная информация
Всего два года спустя астроном по имени Эдвин Хаббл заметил, что другие галактики удаляются от нас.И это еще не все. самых далеких галактик двигались на быстрее на , чем ближайшие к нам.
Это означало, что Вселенная была , все еще расширяясь на , как и предполагал Лемэтр . Если вещи расходились, это означало, что давным-давно все было близко друг к другу.
Все, что мы видим в нашей Вселенной сегодня – звезды, планеты, кометы, астероиды – вначале там не было. Откуда они пришли?
Маленькое, горячее начало
Когда Вселенная образовалась, она была просто горячими, крошечными частицами , смешанными с световыми и энергией .Это не было похоже на то, что мы видим сейчас. По мере того, как все расширялось и занимало больше места, оно остывало.
Крошечные частицы сгруппированы вместе. Они образовали атомов . Затем эти атомы сгруппировались вместе. За долгое время атомы собрались вместе, чтобы сформировать звезд и галактик .
Первые звезды создали более крупные атомы и группы атомов. Это привело к рождению большего количества звезд. В то же время галактики разбивались и группировались.По мере того, как рождались и умирали новые звезды, образовывались такие вещи, как астероидов, комет, планет, и черных дыр, !
Супер долгое время
Как долго все это заняло? Что ж, теперь мы знаем, что возраст Вселенной 13 800 000 000 лет – это 13,8 миллиарда лет. Это очень длинный .
Что в имени?
Примерно так и началась Вселенная.Поскольку он стал настолько большим и привел к таким великим достижениям, некоторые люди называют его « Big Bang ». Но, возможно, лучшим названием было бы « Everywhere Stretch ». Что вы думаете?
Что такое Большой взрыв? | Основы астрономии
Хронология Вселенной от Большого взрыва до наших дней. В крайнем левом углу изображен самый ранний момент, который мы можем исследовать до сих пор, когда период космической инфляции вызвал всплеск экспоненциального роста Вселенной. В течение следующих нескольких миллиардов лет расширение Вселенной постепенно замедлялось, поскольку материя во Вселенной притягивала себя через гравитацию.В последнее время расширение снова начало ускоряться, поскольку отталкивающие эффекты темной энергии стали доминировать над расширением Вселенной. Узнайте больше об этом изображении из НАСА.Вы, наверное, слышали о Большом взрыве как о событии, которое привело к возникновению нашей Вселенной. Возможно, вы знаете, что большинство космологов считают, что это произошло около 13,8 миллиарда лет назад. Трудно представить себе, что в момент Большого взрыва вся энергия во Вселенной – некоторые из которых позже станут галактиками, звездами, планетами и людьми – была сосредоточена в крошечной точке, меньшей, чем ядро атом.И дело не только в том, что родился в результате Большого взрыва. С точки зрения современных космологов, материя и пространство и время все началось, когда эта микроскопическая точка внезапно резко и экспоненциально расширилась.
Считается, что первые атомы сформировались, когда Вселенной было около 400 000 лет. До этого Вселенная была слишком горячей и слишком энергичной, чтобы позволить атомным ядрам захватывать электроны. По мнению космологов, первые звезды ожили примерно через 250 миллионов лет после Большого взрыва, а первые галактики – вскоре после этого.
Космический телескоп Хаббла сделал это изображение чрезвычайно далекой галактики под названием UDFj-39546284. Этот объект имеет красное смещение z ~ 10, что означает, что он существовал примерно через 480 миллионов лет после Большого взрыва. Изображение предоставлено NASA / ESA / Garth Illingworth / Rychard Bouwens / HUDF09 Team / Wikimedia Commons. Вот еще один чрезвычайно далекий (и, следовательно, старый) объект, захваченный космическим телескопом Хаббл в 2016 году. Галактика GN-z11, показанная на вставке, является это было 13,4 миллиарда лет назад, всего через 400 миллионов лет после Большого взрыва, когда возраст Вселенной составлял всего 3% от своего нынешнего возраста.Галактика пылает яркими молодыми голубыми звездами, но на этом изображении выглядит красным, потому что ее свет расширился до более длинных спектральных длин волн из-за расширения Вселенной. Изображение предоставлено NASA / ESA / P. Oesch / G. Brammer / P. van Dokkum / G. Illingworth / Hubblesite.Большой взрыв относится к теории. Как может быть иначе? Текущая версия теории Большого взрыва – наиболее используемая современными космологами – называется моделью лямбда-CDM. Он постулирует, что наша Вселенная началась в определенный момент, расширилась и стала плоской (т.е. имеет нулевую кривизну) и состоит из 5% барионов (то есть материи, из которой состоит все, что мы видим – галактики, звезды, планеты, люди), 27% холодной темной материи (отсюда и «CDM» названия теории) и 68 % темной энергии.
Модель Лямбда-CDM далее утверждает, что Вселенная расширяется со скоростью, называемой Лямбда (греческая буква), и регулируется принципами общей теории относительности Эйнштейна. Модель Lambda-CDM оказалась невероятно успешной в объяснении того, что мы наблюдаем во Вселенной.Он делает прогнозы, неоднократно подтверждаемые наблюдениями. Но это не без проблем; Как и все научные теории, модель Lambda-CDM продолжает развиваться.
Теперь давайте сделаем паузу, чтобы провести различие между появлением всей этой энергии в Большом взрыве и ее внезапным расширением. В этом смысле Большой взрыв не был событием, в результате которого вызвало нашей Вселенной. Скорее, это было событие, когда породило Вселенную. Почему это различие важно? Это важно, потому что, хотя наука и смогла установить историю Вселенной прямо с того момента, когда эта крошечная точка внезапно создала весь наш космос, то, что ей предшествовало, в первую очередь, причина того, что эта крошечная точка энергии была там, неизвестна. , и может быть навсегда непознаваемым.
Большой взрыв – это теория, которую мы создали, чтобы понять, как возникла Вселенная, которую мы видим вокруг себя. Он не пытается ответить на самый распространенный вопрос о происхождении космоса, который задают люди: почему? И на этот вопрос, вероятно, невозможно ответить, потому что, по определению, все, что вызвало появление этой крошечной точки энергии, содержащей семена всего, что когда-либо могло быть, не принадлежало этой вселенной.
Следовательно, независимо от того, что вызвало , вселенная не оставила нам никаких доказательств своего существования для изучения, никаких ключей к тому, что это было.Также вероятно, что, будучи чем-то полностью за пределами Вселенной, мы в любом случае не смогли бы это понять. Законы физики, движения, гравитации, электромагнетизма и термодинамики просто не применялись в момент рождения Вселенной, потому что они еще не существовали: они определенно не могут описать присутствие и происхождение этого крошечного семени.
Это не остановило космологов, изучающих историю и крупномасштабную структуру Вселенной, от попыток ответить на такие вопросы, конечно, потому что такова природа науки.Некоторые люди приписывают существование этого крошечного семени энергии богу, поскольку люди веками изобретали богов, чтобы объяснять вещи, которые они не могли понять, но нет абсолютно никаких оснований верить этой идее, кроме, возможно, принятия желаемого за действительное. Конечно, в истории Вселенной нет ничего, что могло бы предположить, что ее происхождение было чем-то иным, кроме естественного события, даже если мы не можем его постичь. С другой стороны, ничто не указывает на то, что происхождение нашей Вселенной было , а не , вызванным богом.
Художественное изображение истории Вселенной и стрелы времени. Теория Большого взрыва предполагает, что время движется в одном направлении. Однако ученые обнаружили, что на квантовом уровне в области субатомных частиц многие процессы являются тем, что мы называем «обратимыми во времени»: нет различия между прошлым, настоящим и будущим. Изображение предоставлено Forbes.Модель Lambda-CDM также утверждает, что само время началось во время Большого взрыва, на том основании, что если нет событий, нет времени для измерения.Это поднимает старый философский вопрос о том, является ли время человеческой конструкцией или существует независимо от нас. Этот вопрос заставлял некоторых величайших философов и ученых, но никогда не получил удовлетворительного ответа. Тем не менее, если мы определим время как период, который проходит между событиями, будет справедливо сказать, что время началось с Большого взрыва.
Другой распространенный вопрос: что произошло до Большого взрыва ? Этот вопрос не может иметь никакого значения, если мы примем, что Большой взрыв был началом часов Вселенной: это все равно, что спрашивать, что находится к северу от Северного полюса.Этот ответ, демонстрируя иррациональность вопроса о «до», однако, не удовлетворяет людей, привыкших к причинно-следственной связи: мы полагаем, что если Большой взрыв был событием, которое было результатом чего-то, какого-то изменения, какого-то нестабильность, раньше должен был быть . Однако это только в нашем опыте, в мире, с которым мы знакомы, где событие всегда имеет причину и не имеет абсолютно никакого отношения к возникновению Вселенной, потому что, опять же, законы физики, которые в нашем мире управлять причиной и следствием просто не существовало.И как бы чтобы подчеркнуть, насколько поверхностно, насколько предвзято наше восприятие времени, ученые обнаружили, что на квантовом уровне, в сфере субатомных частиц, многие процессы являются тем, что мы называем «обратимыми во времени»: просто нет различие между прошлым, настоящим и будущим.
Также важно понимать, что в момент Большого взрыва не было ни пространства, ни измерений. Само пространство и его измерения возникли в тот момент, когда пузырек энергии расширился.Это означает, что вопреки тому, что думает большинство людей, Большой взрыв не был взрывом . Представьте себе что-нибудь взорвавшееся, и оно взорвется в пространство, в область, которая уже была там. Но в случае Большого взрыва было , в котором не было места для взрыва.
Часто задают связанный с этим вопрос: где произошел Большой взрыв? Те, кто спрашивают об этом, верят, что вы можете указать на какое-то место в небе и сказать: «Это случилось там». Но ответ на вопрос состоит в том, что Большой взрыв произошел , везде .Просто везде, где существовал внутри этого крошечного пузыря бесконечно горячей расширяющейся энергии, потому что вне его буквально ничего не было – ни пространства, ни измерений, ничего. Посмотрите любой документальный фильм о Большом взрыве, и он покажет это как огромный взрыв со стороны. Но такая точка зрения невозможна – «извне» не было. Конечно, нельзя винить в этом кинематографистов: просто невозможно изобразить Большой взрыв визуально, точным с научной точки зрения.Сомнительно, чтобы у нас даже был словарный запас, чтобы описать это, не говоря уже о том, чтобы изобразить его.
Считается, что само космос возникло в результате Большого взрыва. Концепция художника предоставлена Кристин Данилофф / MIT / ESA / Hubble / NASA / Phys.org.Если вам трудно понять идею Большого взрыва, происходящего повсюду, , без снаружи, в определенный момент, когда время началось примерно 13,8 миллиарда лет назад, вы не одиноки. Человеческий мозг не приспособлен для работы с такими концепциями.Даже когда Эдвин Хаббл в 1920-х годах продемонстрировал, что Вселенная расширяется во всех направлениях, и поэтому, если повернуть часы назад достаточно далеко, вся Вселенная должна была занять одну крошечную точку, идея о том, что Вселенная имеет определенную начало и поэтому не было бесконечно старым, было просто неприемлемо для многих. Среди тех, кто отверг Большой взрыв, были видные ученые: сам Эйнштейн отрицал идею расширяющейся Вселенной. Другим ученым, отвергающим идею Вселенной конечного возраста, был знаменитый британский астроном сэр Фред Хойл, человек, который больше, чем кто-либо другой, открыл тайну того, как работают звезды.
Хойл прочитал серию лекций на радио BBC в конце 1940-х – начале 1950-х годов, и на одной из них – в третьей программе BBC , переданной 28 марта 1949 года, – он высмеивал идею возникновения Вселенной. в фиксированный момент времени и назвал это событие “Большим взрывом” космологами. К сожалению для Хойла, это название прижилось, и с тех пор мы называем это событие Большим взрывом.
Фред Хойл. Он ввел термин «Большой взрыв» для описания события, в котором зародилась наша Вселенная, одновременно объясняя конкурирующую теорию, теорию устойчивого состояния, в своем выступлении по радио в 1949 году. Изображение через Britannica.com.Image через ExploringCosmos006.Хойл никогда не признавал, что у вселенной было начало, даже до своей смерти в возрасте 86 лет в 2001 году. Он стал ведущим сторонником теории устойчивого состояния, которая утверждает, что у вселенной нет начала и конца: она постоянно восстанавливается с помощью новая материя, конденсирующаяся из ничего.
Тупая непримиримость Хойла – он был из Йоркшира, английского графства, который, как говорят, славился откровенностью и прямотой своих жителей – не уменьшился последующим успехом теории Большого взрыва, даже после того, как она успешно предсказала изобилие света. элементы, такие как водород, гелий и литий, во Вселенной.Он также не пришел к пониманию Большого взрыва, когда Арно Пензиас и Роберт Уилсон открыли предсказанный космический микроволновый фон, умирающее эхо Большого взрыва, в 1964 году. Теория устойчивого состояния не предсказывала ничего из этих вещей и не имела им объяснений.
Хойл также не был обеспокоен, когда Алан Гут построил теорию космологической инфляции как уточнение существующей теории Большого взрыва в 1979 году. Инфляция объясняет, почему Вселенная имеет одинаковую температуру повсюду и является «плоской», среди других свойств Вселенной, не объясненных до сих пор. , хотя это еще предстоит полностью подтвердить наблюдениями.
Еще за год до своей смерти Хойл опубликовал еще одну научную статью по теории устойчивого состояния, но к этому времени его идеи были полностью отвергнуты большинством космологов. И, к сожалению для него, они также были отвергнуты неопровержимыми наблюдательными свидетельствами Большого взрыва. Теория устойчивого состояния просто не работает, делает ложные прогнозы и противоречит тому, что мы на самом деле видим во Вселенной. В качестве гипотезы – не имея подтверждающих наблюдательных данных, это была скорее теория, чем теория, хотя обычно ее называют таковой – она по существу умерла вместе с Хойлом.
Сегодня модель Большого взрыва Lambda-CDM – единственная теория, которая делает какие-либо проверяемые предсказания и подтверждается наблюдениями.
Большинство космологов сегодня считают, что мы знаем историю Вселенной с 10 -21 секунд после Большого взрыва – это 0,0000000000000000000001 секунда. Кропотливое воссоздание этой истории за последние 50 лет, хотя и без мельчайших подробностей, несомненно, представляет собой величайшее интеллектуальное достижение человечества, венец славы нашего вида.Это было достигнуто благодаря беспрецедентному синтезу астрономии, астрофизики, космологии, физики элементарных частиц, химии и других наук.
Но наука не успокоится, пока мы не сможем отодвинуть наши теории еще дальше во времени, к тому точному моменту, когда возникла Вселенная.
Художественная концепция Большого взрыва, события, которое, как сейчас считается, ознаменовало рождение нашей Вселенной. Если мы заглянем достаточно далеко в прошлое, сможем ли мы стать свидетелями рождения Вселенной?Итог: в момент Большого взрыва вся энергия во Вселенной – некоторые из которых позже станут галактиками, звездами, планетами и людьми – была сосредоточена в крошечной точке, меньше ядра атома.И дело не только в том, что родился в результате Большого взрыва. С точки зрения современных космологов, материя и пространство и время все началось, когда эта микроскопическая точка внезапно резко и экспоненциально расширилась.
.