Теория происхождения вселенной: Три гипотезы происхождения Вселенной — Новости — Forbes Kazakhstan

Три гипотезы происхождения Вселенной — Новости — Forbes Kazakhstan

Если теория Большого взрыва — всего лишь гипотеза, существуют ли другие гипотезы, объясняющие происхождение известной Вселенной? Существует три альтернативы теории Большого взрыва, по информации Наша планета.

 

Теория стационарной Вселенной

Вселенная существовала всегда в неизменном состоянии, так считали сторонники теории стационарной Вселенной, популярной в 50-60-е годы. А как быть с очевидным расширением Вселенной, наблюдаемым астрономами? Сторонники этой теории считали, что Вселенная может расширяться, но она остаётся такой же самой, а материя постоянно возникает из ничего.

Эта теория утратила свою актуальность, когда было открыто реликтовое излучение. Реликтовое излучение считается радиацией, оставшейся от Большого взрыва, астрономы изучают его, чтобы выяснить, как выглядела известная часть Вселенной в раннюю эпоху своего существования или даже в первые доли секунды. Сторонники теории стационарной Вселенной не предлагают альтернативного объяснения реликтовому излучению.

Циклическая модель

Это теория не отвергает теорию Большого взрыва, а утверждает, что было много последовательных Больших взрывов. Между двумя большими взрывами был Большой хлопок: Вселенная расширялась до предела, а потом сжималась. Осцилляция между возникновением и разрушением называется Большой отскок.

Изучив реликтовое излучение, учёные пришли к выводу, что Вселенная может закончиться «Большим замораживанием или Тепловой смертью», а не Большим хлопком, говорится в статье Universe Today.

Хаотическая теория инфляции

Физик из Стэнфорда Андрей Линде задаётся вопросами, на которые теория Большого взрыва не может ответить. Некоторые из них были озвучены в 2007 г. в статье журнала Stanford Alumni magazine: «Что именно взорвалось? Почему оно взорвалось в этот конкретный момент и сразу везде? Что существовало до Большого взрыва?»

С точки зрения Линде, Большой взрыв не был единичным событием, а, скорее, беспорядочной и рассредоточенной инфляцией. Он разработал свою хаотическую теорию инфляции в 80-е годы: расширения, как после Большого взрыва, могут произойти в любом месте в космосе при достаточном количестве потенциальной энергии.

«Мы предполагали, что вся Вселенная была создана в один момент, — говорит Линде. — Но на самом деле это не так».

Исследование реликтового излучения в 90-е годы показали различную интенсивность, что даёт некоторые доказательства в поддержку хаотической теории инфляции.

Линде считает, что если смотреть с очень широкой перспективы, космос не вписывается в рамки, созданные наукой: «Вместо Вселенной, где существует один закон физики, вечная хаотическая инфляция создаёт картину самовоспроизводящейся и вечной мультивселенной, где возможно всё, — говорит Линде. — Параллельные линии могут пересечься на очень далёком расстоянии. Законы физики могут меняться… Мы просто неспособны увидеть, когда это происходит. Мы похожи на муравьёв внутри огромного шара».

Происхождение Вселенной: 7 различных теорий

Как появилась Вселенная, которую мы знаем? И как мы объясним ее происхождение? Несомненно, все остальные свидетельства и данные, собранные за эти годы космологами, указывают на то, что все это могло начаться с “большого взрыва”. Но что, если есть еще?

В 1927 году бельгийский астроном Жорж Леметр стал первым, кто предложил теорию расширяющейся Вселенной (позже подтвержденную Эдвином Хабблом). Он предположил, что расширяющаяся Вселенная может быть прослежена до особой точки, которую он назвал “первичным атомом”, назад во времени. Это заложило основу современной теории Большого Взрыва.

Что такое теория большого взрыва?

Теория Большого взрыва – это объяснение, основанное в основном на математических моделях, того, как и когда возникла Вселенная.

Космологическая модель Вселенной, описанная в теории Большого взрыва, объясняет, как она первоначально расширилась из состояния бесконечной плотности и температуры, известного как изначальная (или гравитационная) сингулярность. За этим расширением последовала космическая инфляция и резкое падение температуры. Во время этой фазы Вселенная раздувалась с гораздо большей скоростью, чем скорость света (в 10

26раз).

Впоследствии Вселенная была разогрета до такой степени, что элементарные частицы (кварки, лептоны и так далее) до постепенного понижения температуры (и плотности) привели к образованию первых протонов и нейтронов.

Через несколько минут после расширения протоны и нейтроны объединяются, образуя первичные ядра водорода и гелия-4. Предполагаемый радиус наблюдаемой Вселенной в течение этой фазы составлял 300 световых лет. Первые звезды и галактики появились примерно через 400 миллионов лет после этого события.

Важнейшим элементом модели Большого Взрыва является космическое сверхвысокочастотное фоновое излучение (Реликтовое излучение), представляющий собой электромагнитное излучение, оставшееся со времен зарождения Вселенной. Реликтовое излучение остается самым убедительным доказательством большого взрыва.

Хотя теория остается широко признанной во всем научном спектре, несколько альтернативных объяснений – таких, как стационарная Вселенная и вечная инфляция, приобрели привлекательность с годами.

7. Теория вечной инфляции

Понятие инфляции было введено космологом Аланом Гутом в 1979 году, чтобы объяснить, почему Вселенная плоская, чего не хватало в первоначальной теории Большого взрыва.

Хотя идея Гута об инфляции объясняет плоскую Вселенную, она создала сценарий, который не позволяет Вселенной избежать этой инфляции. Если бы это было так, не произошло бы повторного нагрева Вселенной, равно как и образования звезд и галактик.

Эта конкретная проблема была решена Андреасом Альбрехтом и Полем Штайнхардтом в их «новой инфляции». Они утверждали, что быстрое расширение Вселенной произошло всего за несколько секунд, прежде чем прекратиться. Он продемонстрировал, как Вселенная может быстро раздуваться и при этом нагреваться.

Концепция «вечной инфляции», или теория хаотической инфляции, была введена Андреем Линде, профессором Стэнфордского университета. Он был основан на предыдущих работах Штейнхардта и Александра Виленкина.

Теория утверждает, что инфляционная фаза Вселенной продолжается вечно; это не конец для Вселенной в целом. Другими словами, космическая инфляция продолжается в одних частях Вселенной и прекращается в других. Это приводит к сценарию мультивселенной, в котором пространство разбивается на пузыри. Это как вселенная внутри вселенной.

В мультивселенной в разных вселенных могут действовать разные законы природы, физики. Итак, вместо единого расширяющегося космоса наша Вселенная могла бы быть инфляционной мультивселенной с множеством маленьких вселенных с различными свойствами.

Однако Пол Стейнхардт считает, что его теория «новой инфляции» ни к чему не приводит и не предсказывает, и утверждает, что понятие мультивселенной является «фатальным недостатком» и неестественным.

6. Конформная циклическая модель

Роджер Пенроуз, 6 ноября 2005 года

Модель конформной циклической космологии (англ. conformal cyclic cosmology или CCC) предполагает, что Вселенная проходит через повторяющиеся циклы большого взрыва и последующих расширений. Общая идея состоит в том, что “большой взрыв” был не началом Вселенной, а скорее переходной фазой. Его разработал физик-теоретик и математик Роджер Пенроуз.

В качестве основы для своей модели Пенроуз использовал множественные метрические последовательности FLRW (Фридмана – Лемэтра – Робертсона – Уокера). Он утверждал, что конформная граница одной последовательности FLRW может быть присоединена к границе другой.

Метрика FLRW – это наиболее близкое приближение к природе Вселенной и часть модели Лямбда-CDM. Каждая последовательность начинается с большого взрыва, за которым следует инфляция и последующее расширение.

Циклическая или осциллирующая модель, в которой Вселенная повторяется снова и снова в неопределенном цикле, впервые оказалась в центре внимания в 1930-х годах, когда Альберт Эйнштейн исследовал идею «вечной» Вселенной. Он считал, что по достижении определенной точки Вселенная начинает коллапсировать и заканчивается Большим хрустом перед тем, как пройти через Большой отскок.

Прямо сейчас существует четыре различных варианта циклической модели Вселенной, одна из которых – конформная циклическая космология.

5. Мираж четырехмерной черной дыры

Исследование, проведенное группой исследователей в 2013 году, предположило, что наша Вселенная могла возникнуть из обломков, выброшенных из коллапсировавшей четырехмерной звезды или черной дыры.

По мнению космологов, участвовавших в исследовании, одно из ограничений теории Большого взрыва – объяснение температурного равновесия, обнаруженного во Вселенной.

Хотя большинство ученых согласны с тем, что инфляционная теория дает адекватное объяснение того, как маленький участок с однородной температурой быстро расширится и превратится во Вселенную, которую мы наблюдаем сегодня, группа сочла это неправдоподобным в силу хаотичной природы Большого взрыва.

Для решения этой проблемы команда предложила модель космоса, в которой наша трехмерная Вселенная является мембраной и плавает внутри четырехмерной “объемной вселенной”. Они утверждали, что если в четырехмерной “объемной вселенной” есть четырехмерные звезды, то, скорее всего, они обрушатся в четырехмерные черные дыры. Эти четырехмерные черные дыры будут иметь трехмерный горизонт событий (точно так же, как трехмерные имеют двухмерный горизонт событий), который они назвали “гиперсферой”.

Когда команда смоделировала коллапс 4-D звезды, они обнаружили, что выброшенные обломки умирающей звезды, скорее всего, образуют 3-D мембрану вокруг этого 3-мерного горизонта событий. Наша Вселенная могла бы быть одной из таких мембран.

Модель “четырехмерной черной дыры” космоса действительно объясняет, почему температура во Вселенной почти равномерна. Она также может дать ценную информацию о том, что именно спровоцировало космическую инфляцию через несколько секунд после ее возникновения. Однако недавнее наблюдение, проведенное спутником Planck ЕКА, выявило небольшие вариации температуры космического микроволнового фона (CMB). Эти спутниковые показания отличаются от предложенной модели примерно на четыре процента.

4. Теория плазменной Вселенной

На наше нынешнее понимание Вселенной в основном влияет гравитация, в частности Общая теория относительности Эйнштейна, с помощью которой космологи объясняют природу Вселенной. По совпадению, как и большинство других вещей, ученые на протяжении многих лет рассматривали альтернативу гравитации.

Космология плазмы (или теория плазменной Вселенной) предполагает, что электромагнитные силы и плазма играют очень важную роль во Вселенной вместо гравитации. Хотя у этого подхода много разных вариантов, основная идея остается той же; каждое астрономическое тело, включая Солнце, звезды и галактики, является результатом какого-либо электрического процесса.

Первая выдающаяся теория плазменной Вселенной была предложена лауреатом Нобелевской премии Ханнесом Альвеном в конце 1960-х годов. Позже к нему присоединился шведский физик-теоретик Оскар Клейн для разработки модели Альфвена – Клейна.

Модель построена на предположении, что Вселенная поддерживает равные количества материи и антивещества (это не так, согласно современной физике элементарных частиц). Границы этих двух областей отмечены космическими электромагнитными полями. Таким образом, взаимодействие между ними приведет к образованию плазмы, которую Альфвен назвал «амбиплазмой».

Согласно теории, такая плазма должна образовывать большие участки вещества и антивещества по всей Вселенной. Кроме того, было высказано предположение, что наше текущее местоположение в космосе должно быть в той части, где материи гораздо больше, чем антивещества, – таким образом решается проблема асимметрии материи и антивещества.

3. Теория медленного замораживания

Десятилетия математического моделирования и исследований привели космологов к обоснованному выводу, что наша Вселенная возникла из одной точки с бесконечной плотностью и температурой, называемой сингулярностью. Последующее расширение Космоса позволило ему остыть, что привело к образованию галактик, звезд и других астрономических объектов.
Однако, как мы знаем, стандартная модель Большого взрыва не осталась незамеченной, и одна из таких сложных теорий была предложена Кристофом Веттерихом, профессором Гейдельбергского университета в Германии.

Веттерих утверждал, что Вселенная, которую мы знаем сегодня, на самом деле могла начаться как холодная и разреженная, пробудившаяся от долгого замораживания. Со временем фундаментальные частицы в ранней Вселенной стали тяжелее, а гравитационная постоянная уменьшилась.

Кроме того, он объяснил, что если массы частиц увеличиваются, излучение из ранней Вселенной может заставить пространство казаться более горячим и удаляться друг от друга, даже если это не так.

Основная идея космической модели Медленного Замораживания Веттериха состоит в том, что у Вселенной нет ни начала, ни будущего. Вместо горячего Большого взрыва теория защищает холодную и медленно эволюционирующую Вселенную. Согласно Веттериху, теория объясняет флуктуации плотности в ранней Вселенной (первичные флуктуации) и то, почему в нашем нынешнем космосе преобладает темная энергия.

2. Индуистская космология

Религия и наука были лучшими врагами, по крайней мере со времен Коперника и Галилея. Возможно, нет места науке, когда мы говорим о религии и наоборот. Однако есть одна религия, космологические верования которой хорошо согласуются с современной моделью Вселенной.

Теории творения в индуистской мифологии широко рассматриваются как одна из самых древних и значимых из всех других религиозных аналогий. На протяжении многих лет выдающиеся физики и космологи, включая Карла Сагана и Нильса Бора, восхищались индуистскими космологическими верованиями за их близкое сходство с временными линиями в стандартной космологической модели Вселенной.

Согласно индуистской мифологии, Вселенная следует бесконечной циклической модели. Это означает, что на смену нашей нынешней Вселенной придет бесконечное количество вселенных. Каждая повторение Вселенной делится на две фазы – “калпа” (или день Брахмы) и “пралая” (ночь Брахмы), и каждая из них длится 4,32 миллиарда лет. Согласно индуистской мифологии, возраст Вселенной (8,64 миллиарда лет) превышает расчетный возраст Солнечной системы.

1. Стационарная Вселенная

Стационарная модель утверждает, что наблюдаемая Вселенная остается неизменной в любом месте и в любое время. Во Вселенной, которая вечно расширяется, материя непрерывно создается, чтобы заполнить пространство.

Согласно модели, галактики и другие крупные астрономические тела рядом с нами должны казаться похожими на те, что находятся далеко. Однако Большой взрыв говорит нам, что далекие галактики должны выглядеть моложе, чем находящиеся в непосредственной близости (при наблюдении с Земли), поскольку свету требуется гораздо больше времени, чтобы добраться до нас.

Идея стационарного состояния была впервые предложена в 1948 году космологами Германом Бонди, Фредом Хойлом и Томасом Голдом. Она исходила из совершенного космологического принципа, который сам по себе утверждает, что Вселенная, где бы ты ни смотрел, одинакова, и она всегда будет одинаковой.

Теория стационарных состояний получила широкую популярность в начале и середине XX века. Однако к 1960-м годам она была в основном отвергнута научным сообществом в пользу Большого взрыва после открытия космического микроволнового фона.

Следите за New-Science.ru на нашем канале Telegram, и на странице Вконтакте. Не пропустите ни одной нашей статьи и обновления, касающиеся аэрокосмической отрасли, науки и освоения космоса.

6 альтернатив теории Большого взрыва — Look At Me

Теория Большого взрыва стала почти такой же общепринятой космологической моделью, как и вращение Земли вокруг Солнца. Согласно теории, около 14 млрд лет назад спонтанные колебания в абсолютной пустоте привели к появлению Вселенной. Нечто, сравнимое по размеру с субатомной частицей, расширилось до невообразимых размеров за доли секунды. Но в этой теории существует много проблем, над которыми бьются физики, выдвигая всё новые и новые гипотезы.

Что не так с теорией Большого взрыва

  Из теории следует, что все планеты и звёзды образовались из пыли, размётанной по космосу в результате взрыва. Но что предшествовало ему, неясно: здесь наша математическая модель пространства-времени перестаёт работать. Вселенная возникла из начального сингулярного состояния, к которому не применить современную физику. Теория также не рассматривает причины возникновения сингулярности или материи и энергии для её возникновения. Считается, что ответ на вопрос о существовании и происхождении начальной сингулярности даст теория квантовой гравитации.

  Большинство космологических моделей предсказывают, что полная Вселенная имеет размер намного больший, чем наблюдаемая часть — сферическая область с диаметром примерно 90 млрд световых лет. Мы видим только ту часть Вселенной, свет от которой успел достичь Земли за 13,8 млрд лет. Но телескопы становятся всё лучше, мы обнаруживаем всё более дальние объекты, и пока нет оснований считать, что этот процесс остановится.

  С момента Большого взрыва Вселенная расширяется с ускорением. Сложнейшая загадка современной физики — вопрос о том, что вызывает ускорение. Согласно рабочей гипотезе, во Вселенной содержится невидимая составляющая, называемая «тёмной энергией». Теория Большого взрыва не объясняет, будет ли Вселенная расширяться бесконечно, и если да, то к чему это приведёт — к её исчезновению или чему-то ещё.

  Хотя ньютоновскую механику потеснила релятивистская физика, её нельзя назвать ошибочной. Тем не менее восприятие мира и модели для описания Вселенной полностью изменились. Теория Большого взрыва предсказала ряд вещей, которые не были известны до того. Таким образом, если на её место придёт другая теория, то она должна быть похожей и расширить понимание мира.

Мы остановимся на самых интересных теориях, описывающих альтернативные модели Большого взрыва.

Вселенная как мираж чёрной дыры

Вселенная возникла благодаря коллапсу звезды в четырёхмерной Вселенной, считают учёные из Института теоретической физики «Периметр». Результаты их исследования опубликовал журнал Scientific American. Ниайеш Афшорди, Роберт Манн и Рази Пурхасан говорят, что наша трёхмерная Вселенная стала подобием «голографического миража» при схлопывании четырёхмерной звезды. В отличие от теории Большого взрыва, согласно которой Вселенная возникла из чрезвычайно горячего и плотного пространства-времени, где не применяются стандартные законы физики, новая гипотеза о четырёхмерной вселенной объясняет как причины зарождения, так и её стремительного расширения

Согласно сценарию, сформулированному Афшорди и его коллегами, наша трёхмерная Вселенная — это своеобразная мембрана, которая плывёт сквозь ещё более объёмную вселенную, существующую уже в четырёх измерениях. Если бы в этом четырёхмерном космосе существовали свои четырёхмерные звёзды, они бы тоже взрывались, как и трёхмерные в нашей Вселенной. Внутренний слой становился бы чёрной дырой, а внешний выбрасывался бы в пространство.

В нашей Вселенной чёрные дыры окружены сферой, называемой горизонтом событий. И если в трёхмерном пространстве эта граница двухмерная (как мембрана), то в четырёхмерной вселенной горизонт событий будет ограничен сферой, существующей в трёх измерениях. Компьютерное моделирование коллапса четырёхмерной звезды показало, что её трёхмерный горизонт событий будет постепенно расширяться. Именно это мы и наблюдаем, называя рост 3D-мембраны расширением Вселенной, полагают астрофизики.

 

Большая заморозка

Альтернативой Большому взрыву может быть Большая заморозка. Команда физиков из Мельбурнского университета во главе с Джеймсом Кватчем представила модель рождения Вселенной, которая больше напоминает постепенный процесс заморозки аморфной энергии, чем её выплеск и расширение в трёх направлениях пространства.

Бесформенная энергия, по мнению учёных, подобно воде охладилась до кристаллизации, создав привычные три пространственных и одно временное измерение.

Теория Большой заморозки ставит под сомнение принятое в настоящее время утверждение Альберта Эйнштейна о непрерывности и плавности пространства и времени. Не исключено, что пространство имеет составные части — неделимые стандартные блоки наподобие крошечных атомов или пикселей в компьютерной графике. Эти блоки настолько малы, что их невозможно наблюдать, однако, следуя новой теории, можно обнаружить дефекты, которые должны преломлять потоки других частиц. Учёные вычислили такие эффекты с помощью математического аппарата, а теперь попытаются обнаружить их экспериментально.

Вселенная без начала и конца

Ахмед Фараг Али из Университета Бенха в Египте и Саурия Дас из Университета Летбриджа в Канаде предложили новое решение проблему сингулярности, отказавшись от Большого взрыва. Они привнесли в уравнение Фридмана, описывающее расширение Вселенной и Большой взрыв, идеи известного физика  Дэвида Бома. «Удивительно, что небольшие поправки потенциально могут решить так много вопросов», — говорит Дас.

Полученная модель объединила в себе общую теорию относительности и квантовую теорию. Она не только отрицает сингулярность, предшествовавшую Большому взрыву, но и не допускает того, что Вселенная со временем сожмётся обратно в первоначальное состояние. Согласно полученным данным, Вселенная имеет конечный размер и бесконечное время жизни. В физическом выражении модель описывает Вселенную, наполненную гипотетической квантовой жидкостью, которая состоит из гравитонов — частиц, обеспечивающих гравитационное взаимодействие.

Учёные также утверждают, что их выводы соотносятся с последними результатами измерения плотности Вселенной.

Бесконечная хаотическая инфляция

Термин «инфляция» обозначает стремительное расширение Вселенной, происходившее по экспоненте в первые мгновения после Большого взрыва. Сама по себе теория инфляции не опровергает теорию Большого взрыва, а лишь по-другому интерпретирует её. Эта теория решает несколько фундаментальных проблем физики.

Согласно инфляционной модели, вскоре после зарождения Вселенная очень короткое время расширялась по экспоненте: её размер многократно удваивался. Учёные полагают, что за 10 в -36 степени секунд Вселенная увеличилась в размерах как минимум в 10 в 30–50 степени раз, а возможно, и больше. В конце инфляционной фазы Вселенная заполнилась сверхгорячей плазмой из свободных кварков, глюонов, лептонов и высокоэнергетичных квантов.

Концепция подразумевает, что в мире существует множество изолированных друг от друга вселенных с разным устройством

Физики пришли к выводу, что логика инфляционной модели не противоречит идее постоянного множественного рождения новых вселенных. Квантовые флуктуации — такие же, как те, из-за которых появился наш мир — могут возникать в любом количестве, если для этого есть подходящие условия. Вполне возможно, что наше мироздание вышло из флуктуационной зоны, сформировавшейся в мире-предшественнике. Можно также допустить, что когда-нибудь и где-нибудь в нашей Вселенной образуется флуктуация, которая «выдует» юную вселенную совершенно другого рода. По такой модели дочерние вселенные могут отпочковываться непрерывно. При этом вовсе не обязательно, что в новых мирах устанавливаются одни и те же физические законы. Концепция подразумевает, что в мире существует множество изолированных друг от друга вселенных с разным устройством.

Циклическая теория

Пол Стейнхардт, один из физиков, заложивших основы инфляционной космологии, решил развить эту теорию и дальше. Учёный, который возглавляет Центр теоретической физики в Принстоне, совместно с Нэйлом Тьюроком из Института теоретической физики «Периметр» изложил альтернативную теорию в книге Endless Universe: Beyond the Big Bang («Бесконечная Вселенная: За гранью Большого взрыва»). Их модель основана на обобщении теории квантовых суперструн, известной как М-теория. Согласно ей, физический мир имеет 11 измерений — десять пространственных и одно временное. В нём «плавают» пространства меньших размерностей, так называемые браны (сокращение от «мембраны»). Наша Вселенная — просто одна из таких бран.

Модель Стейнхардта и Тьюрока утверждает, что Большой взрыв произошёл в результате столкновения нашей браны с другой браной — неизвестной нам вселенной. По этому сценарию столкновения происходят бесконечно. Согласно гипотезе Стейнхардта и Тьюрока, рядом с нашей браной «плавает» ещё одна трёхмерная брана, отделённая крошечным расстоянием. Она также расширяется, уплощается и пустеет, но через триллион лет браны начнут сближаться и в конце концов столкнутся. При этом выделится огромное количество энергии, частиц и излучения. Этот катаклизм запустит очередной цикл расширения и охлаждения Вселенной. Из модели Стейнхардта и Тьюрока следует, что эти циклы были и в прошлом и обязательно повторятся в будущем. С чего эти циклы начались, теория умалчивает.

Вселенная

как компьютер

Ещё одна гипотеза об устройстве мироздания гласит, что весь наш мир — это не более чем матрица или компьютерная программа. Идею о том, что Вселенная представляет собой цифровой компьютер, впервые выдвинул немецкий инженер и пионер компьютеростроения Конрад Цузе в книге Calculating Space («Вычислительное пространство»). Среди тех, кто также рассматривал Вселенную как гигантский компьютер, значатся физики Стивен Вольфрам и Герард ‘т Хоофт.

Теоретики цифровой физики предполагают, что Вселенная — по сути информация, и, следовательно, она вычислима. Из этих предположений следует, что Вселенную можно рассматривать как результат работы компьютерной программы или цифрового вычислительного устройства. Этот компьютер может быть, например, гигантским клеточным автоматом или универсальной машиной Тьюринга.

Косвенным доказательством виртуальной природы Вселенной называют принцип неопределённости в квантовой механике

Согласно теории, всякий предмет и событие физического мира происходит из постановки вопросов и регистрации ответов «да» или «нет». То есть за всем, что нас окружает, скрывается некий код, аналогичный бинарному коду компьютерной программы. А мы — своего рода интерфейс, с помощью которого появляется доступ к данным «вселенского интернета». Косвенным доказательством виртуальной природы Вселенной называют принцип неопределённости в квантовой механике: частицы материи могут существовать в неустойчивой форме, а «закрепляются» в конкретном состоянии только при наблюдении за ними.

Последователь цифровой физики Джон Арчибальд Уилер писал: «Не было бы неразумным представить, что информация находится в ядре физики так же, как в ядре компьютера. Всё из бита. Иными словами, всё сущее — каждая частица, каждое силовое поле, даже сам пространственно-временной континуум — получает свою функцию, свой смысл и, в конечном счёте, само своё существование».

фотографии via NASA’s Marshall Space Flight Center, Øyvind Tufto

Теории и модели происхождения Вселенной. Как, почему, откуда появилась Вселенная

Сегодня мы говорим об этой, ну как ее, Вселенной. Так уж получилось, что однажды она откуда-то появилась, и вот все мы здесь. Кто-то читает эту статью, кто-то готовится к экзамену, проклиная все на свете… Самолеты летают, поезда ходят, планеты крутятся, где-то всегда что-то происходит. Людям всегда было интересно знать один сложный  ответ  на  простой вопрос. Как же все начиналось и как это мы докатились до того, что есть? Иными словами – как родилась Вселенная?

Итак, вот они – разные версии и модели происхождения Вселенной.

Креационизм: все создал Господь Бог

 

Креационизм

 

Среди всех теорий о происхождении Вселенной эта появилась самой первой. Очень хорошая и удобная версия, которая, пожалуй, будет иметь актуальность всегда. Кстати, многие ученые физики, несмотря на то что наука и религия часто представляются понятиями противоположными, верили в Бога. Например, Альберт Эйнштейн говорил:

«Каждый серьезный естествоиспытатель должен быть каким-то образом человеком религиозным. Иначе он не способен себе представить, что те невероятно тонкие взаимозависимости, которые он наблюдает, выдуманы не им. В бесконечном универсуме обнаруживается деятельность бесконечно совершенного Разума. Обычное представление обо мне, как об атеисте – большое заблуждение. Если это представление почерпнуто из моих научных работ, могу сказать, что мои научные работы не поняты»

 

Альберт Эйнштейн

 

Теория Большого Взрыва

Пожалуй, самая распространенная и наиболее признанная модель происхождения нашей Вселенной. Во всяком случае, о ней слышал практически каждый. Что говорит нам Большой Взрыв? Однажды, лет эдак 14 миллиардов назад, пространства и времени не было, а вся масса вселенной была сосредоточена в крохотной точке с невероятной плотностью – в сингулярности. В один прекрасный момент (если так можно сказать -времени-то не было) сингулярность не выдержала из-за возникшей в ней неоднородности, произошел так называемый Большой Взрыв. И с тех пор Вселенная постоянно расширяется и остывает.

 

Большой Взрыв

 

Модель расширяющейся Вселенной

Сейчас доподлинно известно, что Галактики и иные космические объекты удаляются друг от друга, а значит, Вселенная расширяется. В 20-м веке существовало множество альтернативных теорий происхождения Вселенной. Одной из самых популярных была модель стационарной Вселенной, за которую ратовал сам Эйнштейн. Согласно этой модели, Вселенная не расширяется, а находиться в стационарном состоянии благодаря какой-то удерживающей ее силе.

Теория Большого Взрыва тверже встала на ноги после открытия космологического красного смещения и реликтового излучения.  Два этих явления –  самые весомые доводы в пользу правильности теории. Возможно, кроме этого вам будет полезна статья о том, как создать презентацию в ворде.

 

Большой взрыв

 

Красное смещение – это наблюдаемое для далеких источников понижение частот излучения, которое объясняется отдалением источников (галактик, квазаров) друг от друга. Данный факт свидетельствует о том, что Вселенная расширяется.

Реликтовое излучение – это как бы отголоски большого взрыва. Ранее Вселенная представляла собой горячую плазму, которая постепенно остывала. Еще с тех далеких времен во Вселенной остались так называемые блуждающие фотоны, которые образуют фоновое космическое излучение. Ранее при более высоких температурах Вселенной данное излучение было гораздо мощнее. Сейчас же его спектр соответствует спектру излучения абсолютно твердого тела с  температурой всего  2,7 Кельвин.

Теория струн

Современное изучение эволюции Вселенной невозможно без согласования его с квантовой теорией. Так, например, в рамках теории струн (теория струн основана на гипотезе о том, что все элементарные частицы и их фундаментальные взаимодействия возникают в результате колебаний и взаимодействий ультрамикроскопических  квантовых струн), предполагается модель множественной Вселенной. Конечно, там тоже был Большой Взрыв, но он произошел не просто так и из ничего, а, возможно, в результате столкновения нашей Вселенной с какой-то другой, еще одной Вселенной.

Собственно, кроме Большого Взрыва, породившего нашу Вселенную, во множественной Вселенной происходит множество других Больших Взрывов, порождающих множество других Вселенных, развивающихся по своим, отличным от известных нам законам физики.

 

Шелдон

 

Скорее всего мы никогда не узнаем наверняка, как, откуда и почему появилась Вселенная. Тем не менее, размышлять об этом можно очень долго и интересно, а чтобы у Вас было достаточно пищи для размышлений, предлагаем  посмотреть увлекательное видео на тему  современных теорий происхождения Вселенной.

Проблемы развития Вселенной слишком масштабны. Настолько масштабны, что, по сути, даже не являются проблемами. Предоставим физикам-теоретикам ломать над ними головы и перенесемся из глубин Вселенной на Землю, где нас, возможно, ждет неначатый курсач или диплом. Если это так, мы предлагаем свое решение этого вопроса. Закажите отличную работу у авторов Zaochnik, вздохните спокойно, и будьте в гармонии с собой и Вселенной.

5 известных теорий возникновения Вселенной, ставших частью поп-культуры — FURFUR

5 популярных теорий возникновения Вселенной, ставших культурными мемами

• 19 декабря 2013 в 16:15
• 161042

Новость о том, что Вселенная, согласно свежей математической теории, может представлять собой голограмму, несколько дней назад взорвала сайт Nature — ведущего научного журнала мира. Как обычно, на расчёты, их методику и место в современной физической космологии обратили внимание немногие — но заголовок, будто материализовавшийся из книги Филипа Дика, разошёлся по всем соцсетям. Подобную судьбу в последние годы наследуют почти все термины такого рода, связанные с научными гипотезами о возникновении сущего, — от «сингулярности» до «тёмной материи». Будьте уверены, поп-культура переварит их и превратит значения слов в нечто максимально таинственное и непонятное — тем более что интерес массового зрителя и читателя к космологии в последние годы неуклонно растёт. В этом материале мы решили собрать другие известные теории возникновения Вселенной, превратившиеся в поп-культурные мемы.

 

1

Мифологическая космология

Ничто не мило читателю или зрителю в постмодернистском мире так сильно, как синкретическое сочетание различных мифологий: на этом строится буквально любой супергеройский эпос (лучший пример из недавнего — «Мстители»: германские боги, лавкрафтианские инопланетяне, мессианская фигура жертвующего собой Тони Старка, индустриальный оборотень Халк и т. д., и т. п.). Какое это имеет отношение к научным теориям устройства мира, спросите вы? Самое прямое: истории о ясене Иггдрасиле и черепе Урана предшествовали научному пониманию мира и формировали его. Эту хитрую наследственность в жанровом кинематографе любят демонстрировать в лоб — как в «Звёздных войнах», где обеспечивающая существование далёкой галактики Силы имеет двойную природу — мистическую и биологическую (все помнят слово «мидихлорианы»?), или в «Хижине в лесу», где высокотехнологичный центр поддерживает бесперебойное обеспечение древних богов человечиной.

 

 

 

  

Истории о ясене Иггдрасиле
и черепе Урана предшествовали научному пониманию мира
и формировали его.

  

 

 

 

 

2

Мультиверс

Представлению о множественности миров гораздо больше лет, чем вы, скорее всего, думаете — и мы сейчас не имеем в виду индуистскую концепцию перерождения. Еще в XII веке мусульманский философ Фахруддин ар-Рази предположил, что за пределами нашего мира существует пустота, заполненная другими вселенными — а в начале XXI века такая точка зрения является крайне популярной частью персонализированной метафизики. Кстати говоря, личностные квазирелигиозные воззрения, сочетающие в себе христианскую мораль, представления о карме и параллельных мирах раньше любил описывать Дуглас Коупленд — в «Поколении X» для этого даже вводится специальный термин, «селф-изм». Что касается мультиверса, то он стал общим местом в научной фантастике и комиксах как таковых: именно так компания DC, скажем, объясняет одновременное существование полудюжины версий Бэтмена. С другой стороны, в данном случае интерпретация понятия довольно далеко ушла от его современной дефиниции: там, где в нынешней квантовой механике продолжается активная дискуссия о правомерности «многомировой» гипотезы, делающей реальными абсолютно все исходы и события (в том случае если они принципиально возможны), в научной фантастике (от «Эффекта бабочки» Брэдбери до трилогии «Назад в будущее») части мультиверса почти всегда так или иначе влияют друг на друга.

 

3

Теория Большого Взрыва

Наиболее часто встречающееся в современной поп-культуре космологическое понятие — соответствующее словосочетание можно найти в текстах песен (между прочим, групп с таким названием существует как минимум три: норвежская металлическая, британская синтипоповая и корейский бойз-бэнд), в бесчисленных сценариях комиксов и, разумеется, в названии популярного ситкома о гиперболизированной жизни молодых учёных. Как ни странно, суть события при пересказе почти не перевирают: действительно, Большой Взрыв — это своеобразный «акт творения» Вселенной; событие, в результате которого появились и время, и материя. Именно поэтому, например, бессмысленно задаваться вопросом «что было до Большого Взрыва?» — поскольку само время появилось ровно с началом этого события! (Этот момент хорошо проясняется в «Краткой истории времени», классическом нон-фикшне Стивена Хокинга.) Не зря к этой теории тепло относился Иоанн Павел II: действительно, она довольно неплохо стыкуется с космологией авраамических религий.

 

 

 

  

Большой Взрыв — это своеобразный «акт творения» Вселенной; событие, в результате которого появились и время, и материя.

  

 

 

 

4

Эволюционная космология

Строго говоря, эволюция — что в исходном понимании гениального Чарльза Дарвина, что в современной версии, рассматривающей эволюцию в применении к популяциям, — не является космологической теорией и описывает лишь развитие жизни. Но в расширительном смысле идея и философия бесконечного изменения находит очень большой отклик у людей творческих профессий — в том числе её переносят на такие метафизические материи как этика и эстетика. Ярчайшим примером работы на эту тему является «Древо жизни» Терренса Малика: даже если не рассматривать те моменты, где режиссёр обращается к космологии напрямую (речь о вызвавших противоречивые отзывы зрителей моментах с древней Землёй, населённой динозаврами), идея эволюционного изменения — это смысловой стержень фильма.

 

5

Теория струн

Попыток модификации Теории Большого Взрыва за те почти уже 100 лет, что она существует, было предпринято довольно много. Теорию струн часто называют очередной «теорией всего» или наследницей теории расширяющейся Вселенной, возникнувшей в результате Большого Взрыва, — но, строго говоря, это не совсем так. Хороших объяснений теории струн «на пальцах» почти нет и по сей день (притом что её история насчитывает несколько десятилетий). Главное, что вам нужно знать о ней, — это то, что в её рамках мир представляется не четырёхмерным, как в эйнштейновском варианте общей теории относительности (три пространственных измерения + время), а вовсе даже 11-мерным: такая интерпретация позволяет получить определённые математические преимущества и снять ряд противоречий между экспериментом и теорией. Несмотря на строгую математичность, за теорией сохраняется эзотерический флёр: именно в таком ключе её использовали режиссер Ридли Скотт и автор сценария Кормак Маккарти в недавнем философском экшене «Советник». Вибрация многомерных струн здесь воспринимается как в метафорическом, так и в совершенно буквальном смысле: струны нарушают структуру мироздания — и разрушают жизни.

Теории и модели происхождения вселенной от ученых

Рассказываем простым языком, как видят историю нашей Вселенной ученые.

Креационизм

Скорее всего, первая теория о происхождении Вселенной. Под креационизмом подразумевают философскую или религиозную концепцию, согласно которой у нашего мира есть создатель — Бог или Творец. Эту теорию, конечно, невозможно доказать, потому что ее основа — вера. Несмотря на то, что религия и наука часто конкурируют, некоторые ученые верят в Бога или Высший Разум.

Теория Большого взрыва

Самая распространенная научная модель происхождения Вселенной. Согласно ей, наша Вселенная появилась примерно 14 миллиардов лет назад после Большого взрыва. До этого времени в нашем понимании еще не было, пространства тоже не существовало, а вся масса была сосредоточена в одной точке (космологической сингулярности). Эта точка была настолько мала, что некоторые ученые приравнивают ее размеры к нулю. Стивен Хокинг, кстати, считал, что и этой точки не было, а Вселенная появилась из-за квантовых флуктуаций из области, где не существовало даже материи.

После взрыва Вселенная стала расширяться и остывать. В пользу этой теории обычно приводят красное смещение (понижение частот излучения, которое объясняют отдалением галактик друг от друга) и реликтовое излучение (постепенно ослабевающее фоновое космическое излучение от блуждающих фотонов).

Мультивселенная

Источник: ahakimov.com

Эта теория предполагает, что наша Вселенная — только одна из немногих. До сих пор вызывает споры в научных кругах даже по поводу того, является ли она научной (ее нельзя опровергнуть, а это неотъемлемая часть научного метода), несмотря на то, что хорошо вписывается в теорию струн, многомировой интерпретации и хаотическую теорию инфляции. О том, какими могут быть другие вселенные, даже среди приверженцев этой теории согласия нет. 

Бесконечная хаотическая инфляция

Инфляционная модель вносит коррективы в то, что было после Большого взрыва. Согласно модели, после зарождения Вселенная расширялась намного быстрее, чем это предполагает классическая теория. Затем Вселенная заполнилась сверхгорячей плазмой.

Ученые поняли, что модель не противоречит идее множественного рождения вселенных, так как при определенных условиях квантовые флуктуации могут возникать в любом количестве. То есть наша Вселенная могла образоваться во флуктуационной зоне, сформировавшейся в другом мире. Также и в нашей Вселенной когда-нибудь может образоваться флуктуация, из которой выйдет новая изолированная вселенная с собственным устройством и, возможно, другими законами физики.

Источник: ru.wikipedia.org

Зеркальная Вселенная

Еще одна концепция, дополняющая теорию Большого взрыва. Ученые долго не могли объяснить, почему почти все принятые модели (гравитация, электродинамика и теория относительности) не зависят от направления времени, хотя мы знаем, что время движется только в одном направлении.

Физики Джулиан Барбур, Тим Козловски и Флавио Меркати изучили компьютерное моделирование частиц в 1000 точек, взаимодействующих между собой под влиянием гравитации. Это им помогло выяснить, что частицы любого размера в конечном итоге образуют состояние низкой сложности с минимальным размером и максимальной плотностью. Затем система частиц расширяется в обоих направлениях времени. Исследование позволило предположить, что после Большого Взрыва появилась не одна, а две идентичные вселенные с противоположным течением времени. Это значит, что для разумных существ зеркальной вселенной мы живем в далеком прошлом, а их настоящее и будущее — прошлое для нас.

Теория струн

Эта теория предполагает, что все элементарные частицы и их фундаментальные взаимодействия появляются из-за колебаний и взаимодействий ультрамикроскопических квантовых струн. Теория не опровергает Большой взрыв, но, согласно ей, возник он не просто так и из ничего, а по какой-то причине — например, из-за столкновения нашей Вселенной с какой-либо другой.

Еще одна интересная особенность: в рамках теории струн мир представляется не четырехмерным (три пространственных измерения и время), а 11-мерным: такая детализация дает преимущество в математических расчетах. 

Источник: bbc.com

Компьютерная симуляция

С развитием мира IT человечество осознало возможности программирования. Гипотеза о симуляции объясняет мир как компьютерную программу: Вселенная — это информация, а значит, она вычислима. Косвенным доказательством теории приверженцы считают принцип неопределенности в квантовой механике: частицы материи могут существовать в неустойчивой форме, пока не появится наблюдатель.

Если вы планируете доказать собственную теорию мироздания, но учеба отнимает все ваше свободное время, обращайтесь к нам — в ФениксХелп. Наши авторы с радостью помогут вам подготовить учебные работы в срок и на отлично, а мир получит еще одну теорию — предмет для споров ученых.

Чем отличается современная теория происхождения Вселенной от привычной картины

Ефим Фиштейн: Современная теория эволюции Вселенной далеко ушла от привычной уже картины Большого Взрыва. От простого разбегания галактик, открытого 80 лет назад, до современных представлений в космологии прошло несколько революционных перемен. Одна из этих революций напрямую связана с именем профессора Андрея Дмитриевича Линде. Недавно он посетил Москву с публичной лекцией и рассказал о современном состоянии исследований в области происхождения и эволюции Вселенной. Об этом с профессором Линде беседует Александр Сергеев.

Александр Сергеев: Андрей Дмитриевич, давайте начнем с самого начала. Расширение Вселенной появилось как представление когда?

Андрей Линде: Это середина 20 годов. После работ Александра Фридмана, русского математика, который решал уравнения Эйнштейна. У него получились странные решения, которые описывали Вселенную, которая расширялась. Эйнштейну эти решения поначалу сильно не понравились. Наверное, это было потому, что исходно вся западная цивилизация основывалась на том, что Вселенная конечна и статична. Бог бесконечен, а Вселенная меньше чем Бог, поэтому обязательно она должна быть конечна. То, что она не двигалась – это казалось естественным. Фактически, что такое Вселенная? Координатная сетка, движутся только тела, сама сетка не растягивается. Значит потом, когда возникла общая теория относительности Эйнштейна, то выяснилось, что сама сетка меняется. Но это было очень странно, и необычно, и неприятно. Потому что все начиналось с точки сингулярности, до которой ничего не было. Эйнштейн специально стал модифицировать свои уравнения для того, чтобы от этого движения избавиться. И кончилось тем, что научились мерить расстояние очень приближенно до галактик, а потом Хаббл нарисовал график, на котором он выяснил скорость, с которой удаляется галактики как функции расстояния. При этом он ошибся в десять раз примерно. Но сказал, что все посчитал с точностью 10%. Поэтому люди надолго оставались скептичными к тому, что говорят им космологи. Потихоньку скепсис стал уходить, потому что космология предсказывала вещи все более и более правильно. И да, сейчас имеется такая вещь точная космология. Это означает, что мы далеко продвинулись со времен Хаббла.

Александр Сергеев: Тот же самый микроволновый фон померили с какой-то безумной точностью.

Андрей Линде: Микроволновый фон, я должен объяснить, что это такое. Вселенная изначально предполагалась горячей. Когда она расширялась, длины волн фотонов становились больше, их энергия становилась меньше. И в конце конов мы сейчас видим излучение, которое с неба приходит на землю со всех сторон примерно с одинаковой энергией или то же самое с одинаковой температурой очень маленькой – 2,7 от абсолютного нуля. Это в лаборатории сделать трудно.

Александр Сергеев: Температура жидкого гелия, даже ниже.

Андрей Линде: Да, такого типа. Потом научились, глядя на небо, мерить эту температуру с точностью до одной тысячной кельвина. И тогда увидели, что правая половина неба немножко покраснее, а левая немножко посинее. Земля движется по отношению к микроволновому излучению и в том направлении, в котором она движется, фотоны немножко более сильно стукают по нам. И если поглядеть, откуда она движется, те фотоны нас догоняют и теряют свою энергию, поэтому они выглядят немножко менее энергичными. Потом они решили, давайте вычтем этот эффект, поскольку мы его уже понимаем, будем смотреть на то, что осталось. Небо получилось опять однородным, всюду одинаковая температура. А потом они увеличили точность измерения до десять в минус четвертой, а потом до десять в минус пятой. И с такой невероятной точностью они вдруг увидели, что небо стало пятнистым, чуть-чуть покраснее, в одном месте чуть-чуть посинее в другом месте. Этим странным неоднородностям или, как говорят, анизотропии микроволнового излучения сейчас имеется одно наиболее популярное объяснение – это то, что Вселенная в начале своего существования находилась на стадии инфляции, быстро расширялась и за это время из квантовых флуктуаций образовывались большие неоднородности, и эти большие неоднородности отпечатались на небе. Мы сейчас глядим на небо, как на фотографическую пластинку и видим отпечатки процессов, которые происходили во время десять в минус тридцатой секунды после Большого взрыва нашей Вселенной. И тогда стали вдруг вспоминать, что у теории Большого взрыва есть куча своих проблем, но эти проблемы выглядели так метафизично, что казалось, что о них думать не надо.

Александр Сергеев: С чего это вдруг все взорвалось.

Андрей Линде: Да, например, что было, когда ничего не было. Ясно, что вопрос бессмысленный. Как это ничего не было? А вот так, до сингулярности ничего не было. Болезненный вопрос, не хотелось в метафизику влезать, а думать не переставалось. Почему Вселенная такая большая? Потому что она Вселенная, а Вселенная должна быть большая. Метафизический вопрос, можно было бы не думать. Почему разные части Вселенной похожи друг на друга? Потому что должны быть похожи – это называется космологический принцип. Нам дали такую Вселенную, чего обсуждать. Тебя кормят пшенной кашей, ешь пшенную кашу. Тебе дали большую Вселенную – радуйся. Мы так же знаем, что параллельные линии не пересекаются. А мы знаем, что в общей теории относительности они могут пересекаться, что геометрия нашей Вселенной может быть похожа на геометрию поверхности сферы и тогда линии, которые параллельные на экваторе, они пересекаются на Северном и Южном полюсе. Так почему же мы не видим их пересекающимися? А тебе дана такая Вселенная, в ней и живем. Такого типа вопросы были и такого типа ответы были, и мы все жили спокойно. Потом вдруг захотелось: а может на эти проблемы найдем ответ? И это было начало инфляционной космологии.

Александр Сергеев: Откуда название инфляционная?

Андрей Линде: Этот термин придумал Алан Гус, который придумал способ, как решить эти все проблемы. Впервые теорию, которая родственна инфляционной космологии, предложил в России Алеша Старобинский. Но он предложил с другой целью, не с тем чтобы, эти проблемы решать. И она была сложная, но тем не менее, она работала. Алан Гус предложил модель попроще, которая, правда, не работала, но он объяснил, чем она была бы хороша. Слово инфляция – это раздувание. Очень быстрое раздувание Вселенной, гораздо более быстрое, чем разбегание галактик, которое было известно в теории горячей Вселенной.

Александр Сергеев: То есть инфляция и разбегание галактик – это явления разной природы?

Андрей Линде: Нет, природа одинаковая. Но во время обычного расширения Вселенная замедлялась. Она должна сначала очень быстро расширяться, а потом замедлялась. В инфляционной космологии получалось все наоборот – Вселенная ускорялась.

Александр Сергеев: Значит каждую долю секунды во сколько-то раз.

Андрей Линде: Да, экспонента – это очень быстро растущая функция. Никто не знал, как такую функцию получить в реальном мире. В инфляционной космологии удалось достаточно просто. Первая модель инфляции, которую предложил Гус, объясняла, как быстро Вселенная раздувается и тем самым она объясняла, почему параллельные линии не пересекаются. Представьте, что вы живете на глобусе и у вас есть параллельные линии, которые пересекаются на Северном и Южном полюсе. И вдруг этот глобус моментально стал таким огромным, что вы не видите ни Северного, ни Южного полюса, а рядом с экватором параллельные линии параллельны, вы не видите места, где они пересекаются, у вас нет проблемы.

Александр Сергеев: Если на этом глобусе кто-то сидит, его тоже разнесет во столько же раз?

Андрей Линде: Никто еще не сидел, люди родились потом, после конца инфляции. Идея состояла в том, что после конца инфляции энергия, которая была ответственна за быстрое расширение Вселенной, перейдет в энергию обычных элементарных частиц. И то, что думал Алан Гус, что это произойдет за счет того, что Вселенная вскипит, возникнут пузырьки как действительно в кипящем чайнике, стенки пузырьков ударят друг по другу, выделят свою энергию и за счет выделения энергии родятся нормальные частицы, Вселенная станет горячей, после этого возникнут люди, после этого люди поглядят и увидят – о какая большая Вселенная. Но оказалось, когда эти стенки пузырьков друг на друга налетают, Вселенная становится очень неоднородной. Гус быстро понял, что это не работает, немедленно в этой же статье он тут же написал, что, к сожалению, теория моя не работает, хорошо, чтобы кто-то объяснил, как сделать, чтобы она работала. Потому что очень хочется. А потом год спустя они со Стивеном Вайнбергом написали статью размером в сто страниц, в которой точно доказали, что теорию исправить нельзя. Поэтому дело кончено. Но, по счастью, почта между Америкой и Россией работала очень медленно и к моменту, когда они написали свою стостраничную статью, я эту теорию уже исправил. Вместо того, чтобы у вас были пузырьки как в воде и все кончалось столкновением пузырьков, Вселенная внутри каждого пузырька расширялась тоже. И поэтому все, что вас интересует, внутри одного пузырька образуется. И увидев это, я понял, что если мы все внутри одного пузырька живем, то тогда можно решить все проблемы, которые были у Гуса. Это было летом 81 года. Я не хотел будить своих детей, я пошел в ванну, сел там на пол, втащил туда телефон и позвонил Валерию Рубакову, сейчас академик Рубаков. Не знаю, помнит ли он этот разговор сейчас. Я думал, что они знают, что так можно сделать. И я позвонил, выяснил, что он не знает. Тогда я выскочил из ванной, пошел будить мою жену и сказал, что я знаю, как Вселенная родилась.

Александр Сергеев: Получается, что все мы по этому представлению, до которого вы тогда додумались, мы сидим в пузырьке одном?

Андрей Линде: Нет, дальше было больше. Через год стало понятно, что этот новый инфляционный сценарий в своей первоначальной форме не очень работает. Я помучился, помучился и придумал то, что называется сейчас хаотическая инфляция. Эта инфляция гораздо проще, в ней не нужно никаких пузырьков, ни переохлаждения, ни горячей Вселенной с самого начала. Если бы не начальная теория Гуса и если бы не моя новая инфляция, то было бы просто понять и поверить. Но из-за того, что мы сначала верили, что Вселенная была горячая, потом надо было делать так, чтобы мы все были в одном пузырьке, вот эти другие альтернативные идеи, то, что называлось хаотическая инфляция, их было трудно психологически принять. Новая инфляция была лучше, чем старая, но была немножечко некрасивая. Потом когда я придумал хаотическую, то мне стало очевидно, что это не просто теория, которую придумали, чтобы какие-то дыры залатать, а что это естественный режим, который должен осуществляться в большом количестве разных теорий.

Я помню, как я летел с этой теорией на конференцию в Америку в 1983 году, и вдруг самолет, который из Канады летел в Нью-Йорк, повернул назад в Канаду. И вдруг я понял, что такое, Бог не хочет, чтобы я людям рассказал про хаотическую инфляцию. Самолет ушел из Нью-Йорка, потому что там были грозовые дожди и он не мог там сесть. Он развернулся, долетел до Канады, потом вдруг он развернулся и полетел обратно в Нью-Йорк. И нас стали поить вином за то, что мы потратили много времени впустую. И когда меня стали поить вином, я понял: нет, оказывается все в порядке, теория, наверное, правильная. На конференции был и Алан Гус, и много замечательных людей. И это очень странным образом может быть привело к тому, что эта теория оказалась менее популярной, чем предыдущие, надолго. Потому что эту теорию никто не мог переоткрыть, я всем ее рассказал. И дальше я должен был пробивать – это мое дело. А потом в 86 году я придумал, как в этой теории происходит процесс самовосстановления Вселенной, когда Вселенная вдруг вместо того, чтобы быть круглой, становится фракталом и становится бесконечно живущей и так далее. Праздник продолжался. И когда сыпятся такие подарки за бесплатно, за ни за что, вдруг, ты веришь, что это может быть и ты получаешь в простейшей теории, с простейшим потенциалом, ты думаешь: но это не может быть просто так, это должно быть правдой, наверное. Может быть поэтому я не обращал никакого внимания на все эти эксперименты с микроволновым излучением, я никогда не верил, что это теория будет экспериментально подтверждена и никогда на это сил душевных много не тратил, потому что я знал, что она правильная. Потому что она объясняла много вещей, которые другие не объясняли. Потом, когда появились эти эксперименты, которые ее подтверждали – это был большой, большой подарок.

Происхождение Вселенной

Из книги Гролье Новая книга знаний

В концепции художника представлены переломные периоды в развитии Вселенной согласно одной теории. Он начинается через крошечную долю секунды после Большого взрыва и проходит так, как выглядит сегодня – 15 миллиардов лет спустя. (Центр космических полетов имени Годдарда НАСА)

Как и когда возникла Вселенная? Никакой другой научный вопрос не является более фундаментальным и не вызывает таких оживленных споров среди исследователей.В конце концов, когда возникла Вселенная, вокруг никого не было, так что кто может сказать, что произошло на самом деле? Лучшее, что могут сделать ученые, – это разработать самую надежную теорию, подкрепленную наблюдениями за Вселенной. Проблема в том, что до сих пор никто не придумал абсолютно бесспорного объяснения того, как появился космос.

Большой взрыв

С начала 1900-х годов в дискуссиях доминировало одно объяснение происхождения и судьбы Вселенной – теория Большого взрыва.Сторонники Большого взрыва утверждают, что между 13 и 15 миллиардами лет назад вся материя и энергия известного космоса были втиснуты в крошечную компактную точку. Фактически, согласно этой теории, тогда материя и энергия были одним и тем же, и отличить одно от другого было невозможно.

Приверженцы Большого взрыва считают, что эта маленькая, но невероятно плотная точка примитивной материи / энергии взорвалась. В течение нескольких секунд огненный шар выбросил материю / энергию со скоростью, приближающейся к скорости света.Некоторое время спустя – может быть, секунды спустя, может быть, годы спустя – энергия и материя начали разделяться и становиться отдельными сущностями. Все различные элементы во Вселенной сегодня возникли из того, что извергнулось в результате этого первоначального взрыва.

Теоретики Большого взрыва утверждают, что все галактики, звезды и планеты по-прежнему сохраняют взрывное движение в момент создания и удаляются друг от друга с огромной скоростью. Это предположение было сделано на основании необычного открытия о соседних с нами галактиках.В 1929 году астроном Эдвин Хаббл, работавший в обсерватории Маунт-Вильсон в Калифорнии, объявил, что все наблюдаемые им галактики удаляются от нас и друг от друга со скоростью до нескольких тысяч миль в секунду.

Redshift

Чтобы измерить скорость этих галактик, Хаббл воспользовался эффектом Доплера. Это явление происходит, когда источник волн, например свет или звук, движется относительно наблюдателя или слушателя. Если источник звука или света движется к вам, вы воспринимаете волны как нарастающие по частоте: звук становится выше по высоте, тогда как свет смещается в сторону синего конца видимого спектра.Если источник удаляется от вас, частота волн падает: звук становится ниже по высоте, а свет имеет тенденцию смещаться к красному краю спектра. Вы, возможно, заметили эффект Доплера, когда слушаете сирену «скорой помощи»: звук нарастает по мере приближения автомобиля и падает по мере его ускорения.

Чтобы исследовать свет галактик, Хаббл использовал спектроскоп – устройство, которое анализирует различные частоты, присутствующие в свете. Он обнаружил, что свет от далеких галактик смещен вниз к красному концу спектра.Не имело значения, где в небе находится каждая галактика – все были с красным смещением. Хаббл объяснил этот сдвиг, сделав вывод, что галактики движутся, уносясь прочь от Земли. Хаббл предположил, что чем больше красное смещение, тем больше скорость галактики.

У некоторых галактик было лишь небольшое красное смещение. Но свет от других был смещен далеко от красного в инфракрасный, даже в микроволны. Более тусклые и далекие галактики, казалось, имели наибольшее красное смещение, а это означало, что они летели быстрее всех.

Расширяющаяся Вселенная

Итак, если все галактики удаляются от Земли, означает ли это, что Земля находится в центре Вселенной? Самый водоворот Большого взрыва? На первый взгляд, это так. Но астрофизики используют умную аналогию, чтобы объяснить, почему это не так. Представьте себе вселенную в виде пирога с изюмом в духовке. По мере того, как пирог запекается и поднимается, он расширяется. Изюм внутри начинает разлетаться друг от друга. Если бы вы могли выбрать один изюм, чтобы смотреть на другие, вы бы заметили, что все они отходят от вашего особого изюма.Не имеет значения, какой изюм вы выбрали, потому что все изюмы отдаляются друг от друга по мере того, как торт расширяется. Более того, самый дальний изюм будет уходить быстрее всего, потому что между вашим изюмом и этими дальними пирогами будет больше торта.

Так обстоит дело со Вселенной, говорят теоретики Большого взрыва. Они считают, что после Большого взрыва Вселенная расширяется. Само пространство расширяется, точно так же, как пирог расширяется между изюмом по их аналогии.Независимо от того, смотрите ли вы с Земли или с инопланетной планеты, находящейся за миллиарды миль от вас, все другие галактики удаляются от вас по мере расширения космоса. Галактики, находящиеся дальше от вас, удаляются от вас быстрее, потому что между вами и этими галактиками расширяется больше пространства. Вот как теоретики Большого взрыва объясняют, почему свет от более далеких галактик смещается дальше к красному концу спектра. Фактически, большинство астрономов сейчас используют это правило, известное как закон Хаббла, для измерения расстояния до объекта от Земли – чем больше красное смещение, тем дальше объект.

В 1965 году двое ученых сделали потрясающее открытие, подтвердившее теорию Большого взрыва. Арно Пензиас и Роберт Уилсон из Bell Telephone Laboratories обнаружили слабое микроволновое излучение, исходящее со всех точек неба. Они и другие физики предположили, что видели послесвечение от взрыва Большого взрыва. Поскольку Большой взрыв затронул всю Вселенную в один и тот же момент времени, послесвечение должно пронизывать всю Вселенную и может быть обнаружено независимо от того, в каком направлении вы смотрите.Это послесвечение называется космическим фоновым излучением. Его длина волны и однородность хорошо сочетаются с математическими расчетами других астрономов о Большом взрыве.

Насколько вам нравится ваша Вселенная?

Однако модель Большого взрыва не является общепринятой. Одна из проблем теории состоит в том, что она предсказывает гладкую Вселенную. То есть распределение материи в больших масштабах должно быть примерно одинаковым, куда бы вы ни посмотрели. Ни одно место во вселенной не должно быть чрезмерно неровным.

Но в 2001 году астрономы объявили об открытии группы галактик и квазаров, которая заполняет более 125 миллионов кубических световых лет пространства и в настоящее время является самой большой структурой во Вселенной. Вместо равномерного распределения материи Вселенная, кажется, содержит огромные пустые пространства, перемежаемые плотно упакованными полосами материи.

Сторонники Большого взрыва утверждают, что их теория не ошибочна. Они утверждают, что гравитация огромных необнаруженных объектов в космосе (облака холодной темной материи, которые мы не можем увидеть в телескопы, или так называемые космические струны) притягивает материю в сгустки.Другие астрономы, все еще не желающие верить в невидимые объекты только для решения необъяснимой проблемы, продолжают подвергать сомнению фундаментальные аспекты теории Большого взрыва.

Несмотря на свои проблемы, Большой взрыв по-прежнему считается большинством астрономов лучшей теорией, которая у нас есть. Однако, как и в случае с любой научной гипотезой, необходимы дополнительные наблюдения и эксперименты, чтобы определить ее достоверность. Достижения, начиная от более чувствительных телескопов и заканчивая экспериментами в области физики, должны подлить масла в космологические дебаты в ближайшие десятилетия.

Теория устойчивого состояния

Но Большой взрыв – не единственная предлагаемая теория происхождения нашей Вселенной. В 1940-х годах возникла конкурирующая гипотеза, получившая название теории устойчивого состояния. Некоторые астрономы обратились к этой идее просто потому, что в то время не было достаточно информации для проверки Большого взрыва. Британский астрофизик Фред Хойл и другие утверждали, что Вселенная не только однородна в пространстве – идея, называемая космологическим принципом, – но также неизменна во времени, концепция, называемая идеальным космологическим принципом.Эта теория не зависела от конкретного события, такого как Большой взрыв. Согласно теории устойчивого состояния звезды и галактики могут меняться, но в целом Вселенная всегда выглядела так, как сейчас, и так будет всегда.

Большой взрыв предсказывает, что по мере того, как галактики удаляются друг от друга, пространство становится все более пустым. Теоретики устойчивого состояния признают, что Вселенная расширяется, но предсказывают, что новая материя постоянно оживает в пространствах между удаляющимися галактиками. Астрономы предполагают, что этот новый материал состоит из атомов водорода, которые медленно объединяются в открытом космосе, образуя новые звезды.

Естественно, непрерывное создание материи из пустого пространства встретило критику. Как можно получить что-то из ничего? Идея нарушает фундаментальный закон физики: сохранение материи. Согласно этому закону, материю нельзя ни создать, ни разрушить, а только преобразовать в другие формы материи или в энергию. Но скептически настроенным астрономам трудно напрямую опровергнуть непрерывное создание материи, потому что количество материи, образованной в соответствии с теорией устойчивого состояния, очень мало: примерно один атом каждые миллиард лет на каждые несколько кубических футов пространства.

Теория устойчивого состояния, однако, терпит неудачу в одном важном отношении. Если материя постоянно создается повсюду, то средний возраст звезд в любой части Вселенной должен быть одинаковым. Но астрономы обнаружили, что это не так.

Астрономы могут определить возраст галактики или звезды, измерив их расстояние от Земли. Чем дальше от Земли находится объект, тем дольше ему потребовался свет от объекта, чтобы пересечь пространство и достичь Земли. Это означает, что самые далекие объекты, которые мы можем видеть, также являются самыми старыми.

Например, возьмем квазары, маленькие светящиеся точки, излучающие огромное количество радиоэнергии. Поскольку свет от квазаров смещен так далеко к красному концу спектра, астрономы используют закон Хаббла, чтобы вычислить, что эти электростанции находятся на большом расстоянии от Земли и, следовательно, очень старые. Но квазары существуют только на этих огромных расстояниях – ближе нет никого. Если теория устойчивого состояния верна, должны быть как молодые, так и старые квазары. Поскольку астрономы не обнаружили квазаров, которые образовались недавно, они пришли к выводу, что Вселенная должна была измениться с течением времени.Открытие квазаров поставило теорию устойчивого состояния на неустойчивую основу.

Вселенная плазмы и маленькие взрывы

Вам не нравится теория Большого взрыва или теория устойчивого состояния? Меньшая часть астрономов формулирует другие взгляды на создание Вселенной. Одна из моделей возникла в голове нобелевского лауреата Ханнеса Альвена, шведского физика плазмы. Его модель, получившая название «Плазменная Вселенная», начинается с того, что 99 процентов наблюдаемой Вселенной (включая звезды) состоит из плазмы.Плазма, ионизированный газ, проводящий электричество, иногда называют четвертым состоянием вещества. Эта теория утверждает, что Большого взрыва никогда не было и что Вселенную пересекают гигантские электрические токи и огромные магнитные поля.

Согласно этой точке зрения, Вселенная существовала вечно, главным образом под влиянием электромагнитной силы. У такой вселенной нет четкого начала и предсказуемого конца. Во Вселенной Plasma галактики собираются вместе в течение гораздо большего промежутка времени, чем в теории Большого взрыва, возможно, за 100 миллиардов лет.

Немногое свидетельств существования плазменной Вселенной получается из прямых наблюдений за небом. Вместо этого он исходит из лабораторных экспериментов. Компьютерное моделирование плазмы, подвергшейся воздействию полей высокой энергии, выявляет закономерности, похожие на смоделированные галактики. Используя настоящие электромагнитные поля в лаборатории, исследователи также смогли воспроизвести плазменные модели, наблюдаемые в галактиках. Хотя по-прежнему мнение меньшинства, Плазменная Вселенная пользуется популярностью у молодых астрономов с более лабораторным складом ума, которые ценят твердые эмпирические доказательства выше математических.

Тем временем другая группа астрономов разрабатывает теорию устойчивого состояния, которая фактически соответствует астрономическим наблюдениям. Как и ее предшественница, эта теория устойчивого состояния предлагает вселенную без начала и без конца. Скорее, материя непрерывно создается посредством череды «маленьких взрывов», возможно, связанных с таинственными квазарами. Согласно этой новой теории, галактики будут формироваться со скоростью, определяемой темпами расширения Вселенной. Эти теоретики могут даже объяснить космическое фоновое излучение: они утверждают, что микроволны на самом деле исходят от облака крошечных частиц железа, а не являются остаточным эффектом какого-то изначального взрыва.

Конец Вселенной

Будет ли вселенная продолжать расширяться? Он просто остановится или даже начнет сокращаться? Ответ зависит от количества массы, содержащейся во Вселенной. Если масса Вселенной превышает определенное критическое значение, тогда гравитация должна в конечном итоге остановить все от улетания от всего остального.

При достаточной массе Вселенная в конечном итоге поддастся непреодолимой силе гравитации и снова схлопнется в одну точку – теорию, часто называемую Большим сжатием.Но без достаточной массы Вселенная продолжит расширяться. По состоянию на 2001 год многие ученые пришли к выводу, что последняя гипотеза кажется наиболее вероятной.

В 1998 году астрономы обнаружили еще более примечательную загадку: кажется, что Вселенная ускоряется при расширении, как будто ее притягивает какая-то сила «антигравитации». С тех пор другие астрономы подтвердили это открытие, используя множество методов, и почти подтвердили существование этой загадочной «темной энергии».

Дэвид Фишман

Научное происхождение Вселенной

Научное происхождение Вселенной

Черные дыры

В истории науки неоднократно случалось, что благодаря известности личного вклада, теории или прорыва в какой-либо области науки, они отталкивают свои взгляды от взглядов других менее известных людей.Это происходит независимо от правильности их объяснения. Исаак Ньютон отказывался выслушивать опровержения некоторых своих идей, как и Нилс Бор и даже Альберт Эйнштейн. Где-то по пути поиск истины в науке теряется в человеке, отождествляющем себя с истинностью своих идей.

На протяжении всей истории человечества существовало два набора противоположных идей, верований, теорий или учений о происхождении Вселенной. Он либо существовал вечно, не имея ни начала, ни конца, либо был создан в какой-то момент времени и в конечном итоге придет к концу.В первой части мы рассмотрели ранние культурные, религиозные и отчасти философские взгляды на то, как возникла Вселенная. Мы также потратили немного времени на изучение некоторых идей о нашем собственном происхождении с религиозной и научной точки зрения. В этом разделе мы проведем краткий экскурс по различным теориям, выдвинутым наукой для объяснения происхождения Вселенной.

На сегодняшний день самой популярной теорией в науке является теория большого взрыва, идея о том, что Вселенная возникла в определенный момент времени примерно 15–20 миллиардов лет назад.За последние 25 лет эта теория выдвинулась на передний план космологии. Вы встретитесь с некоторыми из ключевых фигур, теории которых заложили основу Большого взрыва. Однако, как вы увидите по мере продвижения по этому разделу, эта теория является продуктом не только науки, но и времени, в котором мы живем. И хотя наука хотела бы считать себя изолированной от внешних влияний, на нее не могут не влиять люди, работающие в этой области.

Космологический маятник

Универсальные константы

Zeitgeist – это немецкое слово, которое буквально означает дух времени.Это также может относиться к тенденции мыслей и чувств в течение определенного периода. Он описывает общее настроение культуры или общества, основанное на одном или многих влияниях, исходящих от науки, религии, искусства, политики или даже экономики.

Я не думаю, что мне нужно снова повторять вам два основных подхода к изучению космологии. Я уверен, что вы помните, какие они есть. В наши дни эти два метода проявились, а в некоторых случаях кристаллизовались в две отдельные области науки: эксперимент и математическая теория.Теоретики часто не имеют ничего общего с реальными экспериментами, и то же самое можно сказать об экспериментаторах. И именно это различие было источником разногласий между различными научными группами, которые выдвигали одну точку зрения на происхождение Вселенной над другой. Чтобы понять, о чем я говорю, давайте проследим развитие теории большого взрыва на различных этапах. По пути у вас будет возможность познакомиться с противоположной теорией и изучить некоторые из причин, по которым вообще был разработан Большой взрыв.

Наука как методология любит видеть себя открывающей истинную природу вселенной, своего рода провидцем, который может заглядывать за пелену видимости. Тем не менее, наука практикуется учеными, людьми, которые несут с собой целый набор предрасположенностей, ценностей и убеждений. И, как и в любом другом сегменте нашего общества, некоторые будут серьезно инвестировать в свои позиции и точки зрения, относясь к себе довольно серьезно и заявляя о правильности своих взглядов. Конечно, есть много людей, которые не занимают эту позицию и стремятся выйти за рамки какой-либо личной привязанности к тому, кто они есть и к тому, что они обнаружили.

Универсальные константы

Ex nihilo – латинский термин, который в переводе означает «из ничего». Это была идея, представленная святым Августином, которая позже стала церковной доктриной. Это его философское объяснение того, как Бог создал все из ничего, что, что довольно интересно, может быть применено и к Большому взрыву. Откуда взялось все, что содержалось в Большом взрыве, и почему оно вообще произошло?

Большая часть истории космологии и ее теорий является отражением этих типов людей и культур, в которых они жили.Часто наиболее широко распространенная теория становится именно такой из-за сильной личности, стоящей за идеями. И хотя наука пытается избежать влияния внешних факторов, ученые, которые ее практикуют, по-прежнему являются продуктом культуры и времени, в котором они живут. Другими словами, что касается космологических теорий, то вопрос о том, существовала ли Вселенная всегда или возникла она взрывом, нельзя отделить от влияния духа времени или духа времени. Хотя у нас недостаточно времени, чтобы подробно изучить историю и показать вам, как космологический маятник качался от одной теории к другой, я могу дать вам приблизительный план и несколько примеров некоторых периодов времени, в которые это происходило.Просто помните, что всегда есть много факторов, влияющих на развитие любой конкретной парадигмы.

• В Древней Греции две основные концепции – эмпирический (наблюдение и практическое применение) и дедуктивный (теоретический и математический) методы – были тесно связаны с конфликтом между свободными гражданами и рабским населением. Эмпирическая система развивалась вместе со свободными ремесленниками и торговцами, в то время как дедуктивный метод, который может игнорировать наблюдение и практическое применение, возник на фоне пренебрежения рабовладельцами к ручному труду.
• На систему Птолемея сильно повлиял дедуктивный метод (теория и математика в отличие от наблюдения). Также в это время мы находим введение в сегодняшнюю центральную тему космологии – происхождение Вселенной из ничего. Эта идеология была разработана на основе несколько пессимистических и авторитарных мировоззрений двух отцов-основателей церкви, Тертуллиана и святого Августина. Доктрина сотворения ex nihilo послужила основой религиозной социальной системы, которая рассматривала мир как распадающийся от идеального начала до позорного конца.
• В период становления науки две центральные концепции средневековой космологии были ниспровергнуты: идея распадающейся Вселенной, конечной в пространстве и времени, и вера в то, что мир может быть познан с помощью разума и авторитетов. Дедуктивная конечная система Птолемея была заменена эмпирической, вечной и бесконечной вселенной, которая развивалась естественными процессами. Это была вселенная, которую можно было познать с помощью наблюдений и экспериментов. Триумф науки был связан с ниспровержением феодальной системы, из которой выросла свободная рабочая сила и общество купцов, ремесленников и свободных крестьян, которые ставили под сомнение авторитарную власть в религиозной, политической и экономической областях.
• Сегодняшний взгляд на космологию гораздо ближе к системам Птолемея и Августина, чем к Галилею и Кеплеру. Вселенная Большого взрыва конечна, которая в конечном итоге закончится либо большим похолоданием, либо большим кризисом (мы рассмотрим обе эти теории в суперсимметрии, суперструнах и голограммах), которая, как и средневековый космос, конечна во времени. Вселенная популярной космологии является продуктом одного уникального события, непохожего ни на что другое, что когда-либо происходило, точно так же, как средневековая вселенная рассматривалась как продукт творения.

И, наконец, чтобы показать вам, как то, что я изложил выше, может проявляться в жизнях людей, живших в те времена, вот несколько цитат некоторых известных людей.

Что делает Бога понятным, так это то, что его невозможно понять.

Тертуллиан, г. 200 г. н. Э.

Если я не могу смеяться на небесах, я не хочу туда идти.

Мартин Лютер, ок. 1460

Религия учит людей тому, как попасть на небеса, а не тому, как они идут.

Галилей Галилео, ок.1630

Самое непонятное во Вселенной – это то, что она постижима.

Альберт Эйнштейн, 1935

Чем более постижима Вселенная, тем больше она кажется бессмысленной.

Стивен Вайнберг, 1977

Мы, возможно, подошли к концу поиска основных законов природы.

Стивен Хокинг, 1988

Выдержки из «Полное руководство для идиотов по теориям Вселенной» 2001, Гэри Ф. Моринг.Все права защищены, включая право на полное или частичное воспроизведение в любой форме. Используется по договоренности с Alpha Books , членом Penguin Group (USA) Inc.

Чтобы заказать эту книгу непосредственно у издателя, посетите веб-сайт Penguin USA или позвоните по телефону 1-800-253-6476. Вы также можете приобрести эту книгу на Amazon.com и Barnes & Noble.

Теории Вселенной: Ускоряющаяся Вселенная

Ускоряющаяся Вселенная

Мы начнем этот раздел с продолжения, на котором мы остановились, завершения нашего анализа теории большого взрыва.Здесь вы сможете увидеть два или три существенных препятствия, которые мешают полностью принять это. Как бы то ни было, поскольку на данный момент это самая популярная теория, мы также рассмотрим последствия того, как закончится Вселенная, если теория большого взрыва верна. Это неприятная картина, которая поднимает ряд философских вопросов о смысле человеческого существования. Но опять же, представление о том, как в конечном итоге закончится космос, является проекцией теории, а не тем, как он обязательно закончится.

В контексте этого раздела мы также рассмотрим другую теорию, выдвинутую за последнее десятилетие, – теорию космологии плазмы. Он дает ответы на некоторые вопросы, с которыми сталкивается Большой взрыв. И после всего этого мы рассмотрим три возможных судьбы Вселенной и геометрическую форму, которая совпадает с тем, что космология знает о структуре космоса в начале двадцать первого века.

Это больше, чем мы думали

Универсальные константы

В 1986 году Брент Талли обнаружил, что почти все галактики на расстоянии в миллиард световых лет от Земли сконцентрированы в огромных лентах материи, которые называются сверхскоплениями .Эти скопления имеют длину около миллиарда миль, ширину 300 световых лет и толщину 100 миллионов световых лет.

В традиционной космологии есть два основных допущения, для которых новые наблюдения поставили проблемы:

• Вселенная в самом большом масштабе является гладкой и однородной.
• В этой гладкой Вселенной доминирует только гравитация, и поэтому она должна либо сжиматься, либо расширяться из одной точки – сингулярности.

Черные дыры

Когда сверхскопления были впервые обнаружены, многие астрономы и космологи не могли принять их существование и отвергли их как ошибки в расчетах.Годы упорной работы астрономов, нашедших их, были проигнорированы, чтобы спасти теорию большого взрыва. Но время и телескоп Хаббла подтвердили, что этих людей, и заставили остальных чесать в затылках. Сейчас астрономы занимаются картированием областей космоса, содержащих эти огромные сверхскопления.

Однако наша Вселенная совсем не гладкая, она комковатая. Но что это за комки? Оказывается, это галактики, сгруппированные в огромные сверхскопления. Это огромные ленты материи длиной в миллиард световых лет.И эти сгустки не искривляют все пространство, не заставляют его расширяться или сжиматься. Каждое из этих сверхскоплений просто покрывает пространство вокруг себя.

Идея однородности всегда была проблемой для Большого взрыва, потому что на протяжении десятилетий астрономы знали, что Вселенная не является гладкой. Обычный ответ для объяснения этой комковатости заключался в том, что, хотя Вселенная изначально была гладкой, в ее ранний период были очень крошечные сгустки. И из-за гравитационного притяжения эти сгустки постепенно становились все больше и больше, образуя звезды, галактики и скопления, которые мы имеем сегодня.

Единственная проблема в том, что чем больше комок, тем больше времени требуется для его образования. Возраст Вселенной составляет от 15 до 20 миллиардов лет. Космологи поняли, что образование этих сверхскоплений заняло бы гораздо больше времени, более 20 миллиардов лет. Это работает вот так. Наблюдая за красным смещением (мы рассмотрели это в последнем разделе) галактик, астрономы могут вычислить две вещи: как далеко находятся галактики и как быстро они движутся относительно друг друга.И, как оказалось, галактики очень редко движутся со скоростью более 1000 километров в секунду, или одной трехсотой скорости света.

Это означает, что за 20 миллиардов лет после Большого взрыва галактика смогла переместиться всего на 65 миллионов световых лет. Что ж, для образования этих огромных скоплений материя, содержащаяся в них, должна была переместиться как минимум на 270 миллионов световых лет, что заняло бы не менее 80 миллиардов лет, или в четыре раза дольше, чем допускает Большой взрыв.Но подождите? Есть еще кое-что. Поскольку вещество, содержащееся в этих галактиках, сначала должно было бы набрать скорость, а зародышевые массы, расположенные в этих областях космоса, также должны были бы сформироваться, чтобы притягивать материю на эти большие расстояния, для того, чтобы все это произошло, потребуется не менее 100 миллиардов лет. . Таким образом, 20 миллиардов лет, которые оцениваются в результате Большого взрыва, – слишком короткий период времени для того, чтобы Вселенная сформировалась так, как она есть сейчас.

Выдержки из Полное руководство для идиотов по теориям Вселенной 2001 Гэри Ф.Моринг. Все права защищены, включая право на полное или частичное воспроизведение в любой форме. Используется по договоренности с Alpha Books , членом Penguin Group (USA) Inc.

Чтобы заказать эту книгу непосредственно у издателя, посетите веб-сайт Penguin USA или позвоните по телефону 1-800-253-6476. Вы также можете приобрести эту книгу на Amazon.com и Barnes & Noble.

3 теории, которые могут привести к Большому взрыву

По мнению Пола Стейнхардта и Нила Турока, Большой взрыв закончился летним днем ​​1999 года в Кембридже, Англия.Сидя вместе на организованной ими конференции под названием «Школа соединения фундаментальной физики и космологии», два физика внезапно пришли к одной и той же идее. Возможно, наука наконец-то была готова разгадать загадку того, что привело к Большому взрыву. И если так, то, возможно, наука также могла бы ответить на один из самых глубоких вопросов: что было до Большого взрыва?

Стейнхардт и Турок, работая в тесном сотрудничестве с несколькими коллегами-единомышленниками, теперь разработали эти идеи, превратив их в исчерпывающую альтернативу преобладающему взгляду на космологию, подобному генезису.Согласно теории Большого взрыва, вся Вселенная возникла в один момент около 13,7 миллиардов лет назад. Согласно конкурирующей теории, наша Вселенная генерирует и восстанавливает себя в бесконечном цикле творения. Последняя версия циклической модели даже совпадает с ключевыми данными наблюдений, подтверждающими старую точку зрения.

Это наиболее подробный вызов 40-летней ортодоксальности Большого взрыва. Некоторые исследователи идут дальше и представляют себе тип бесконечного времени, который разыгрывается не только в этой вселенной, но и в мультивселенной – множестве вселенных, каждая со своими законами физики и собственной историей жизни.Третьи стремятся пересмотреть само понятие времени, делая бессмысленным понятие «начало».

Все эти космологические еретики сходятся в одном: Большой взрыв больше не определяет пределы того, насколько далеко человеческий разум может исследовать.

Большая идея 1: невероятная громада

Последнее развитие циклической космологии Стейнхардта и Турока, возглавляемое Евгением Бухбиндером из Института теоретической физики Периметра в Ватерлоо, Онтарио, было опубликовано в декабре прошлого года.Тем не менее, эта работа возникла намного раньше, чем современные теории Вселенной. В четвертом веке нашей эры святой Августин размышлял о том, что делал Господь до первого дня книги Бытия (криво повторяя сердитую реплику о том, что «Он готовил ад для тех, кто заглядывает слишком глубоко»). Вопрос стал научным в 1929 году, когда Эдвин Хаббл определил, что Вселенная расширяется. Экстраполированные назад наблюдения Хаббла показали, что космос улетает в сторону от взрывного источника – легендарного Большого взрыва.

В стандартной интерпретации Большого взрыва, сформировавшейся в 1960-х годах, формирующим событием был не взрыв, произошедший в какой-то момент времени и пространства, а взрыв пространства и времени. С этой точки зрения время не существовало заранее. Даже многим исследователям в этой области было трудно проглотить эту пилюлю. Трудно представить, что время только начинается: как вселенная решает, когда пора появиться?

В течение многих лет каждая попытка понять, что произошло в тот момент становления, быстро заходила в тупик.В стандартной модели Большого взрыва Вселенная началась в состоянии почти бесконечной плотности и температуры. В таких крайностях нарушаются известные законы физики. Чтобы вернуться в начало времен, физикам нужна была новая теория, сочетающая общую теорию относительности с квантовой механикой.

Перспективы осмысления Большого взрыва начали улучшаться в 1990-х годах, когда физики усовершенствовали свои идеи в теории струн, многообещающем подходе для примирения теории относительности и квантовых взглядов.Пока никто не знает, совпадает ли теория струн с реальным миром – Большой адронный коллайдер, устройство для уничтожения частиц, которое будет запущено позже в этом году, может дать некоторые подсказки, – но он уже вдохновил на потрясающие идеи о том, как устроена Вселенная. В частности, текущие версии теории струн постулируют семь скрытых измерений пространства в дополнение к трем, с которыми мы сталкиваемся.

Странные и чудесные вещи могут происходить в этих дополнительных измерениях: это то, что вдохновило Стейнхардта (из Принстонского университета) и Турока (из Кембриджского университета) на организацию их роковой конференции в 1999 году.«Мы организовали конференцию, потому что мы оба чувствовали, что стандартная модель Большого взрыва не может объяснить вещи», – говорит Турок. «Мы хотели собрать людей, чтобы обсудить, что теория струн может сделать для космологии».

Ключевым понятием оказалась «брана», трехмерный мир, заключенный в многомерное пространство (термин на языке теории струн является сокращением от «мембрана»). «Когда мы организовывали конференцию, люди только начали говорить о бранах», – вспоминает Стейнхардт.«Вместе мы с Нилом пошли на лекцию, где докладчик описал их как статические объекты. После этого мы оба задали один и тот же вопрос: что произойдет, если браны смогут двигаться? Что произойдет, если они столкнутся? »

Замечательная картина начала складываться в умах двух физиков. Лист бумаги, развевающийся на ветру, представляет собой своего рода двумерную мембрану, движущуюся через наш трехмерный мир. Для Стейнхардта и Турока вся наша Вселенная – это всего лишь один лист, или трехмерная брана, движущаяся через четырехмерный фон, называемый «балком».«Наша брана не единственная; есть и другие, движущиеся через массу. Подобно тому, как два листа бумаги могут быть снесены вместе во время шторма, различные трехмерные браны могут столкнуться внутри массы.

Уравнения теории струн показали, что каждая трехмерная брана будет оказывать мощное воздействие на другие находящиеся поблизости в балке. Эти силы связаны огромным количеством энергии. Столкновение двух бран может высвободить эти энергии. Изнутри результат выглядел бы как грандиозный взрыв.Что еще более интригующе, теоретические характеристики этого взрыва точно соответствовали наблюдаемым свойствам Большого взрыва, включая космический микроволновый фон, послесвечение очень жарких первых дней Вселенной. «Это было удивительно для нас, потому что это означало, что столкновение бран могло объяснить одно из ключевых доказательств, которые люди используют в поддержку Большого взрыва», – говорит Стейнхардт.

Три года спустя произошло второе прозрение: Стейнхардт и Турок обнаружили, что их история не закончилась после столкновения.«Мы не искали циклы, – говорит Стейнхард, – но модель естественным образом их производит». После столкновения энергия порождает материю в мирах бран. Затем материя превращается в известную нам вселенную: галактики, звезды, планеты, творения. Пространство внутри бран расширяется, и сначала увеличивается расстояние между бранами (в объеме). Однако когда миры бран расширяются настолько, что их пространство становится почти пустым, силы притяжения между бранами снова сближают мировые листы.Происходит новое столкновение, и начинается новый цикл творения. В этой модели каждый цикл существования – каждый цикл от одного столкновения до следующего – длится около триллиона лет. По таким подсчетам, наша Вселенная все еще находится в зачаточном состоянии, пройдя лишь 0,1 процента текущего цикла.

Циклическая вселенная решает проблему прошлого. С бесконечностью Больших взрывов время тянется навсегда в обоих направлениях. «Большой взрыв не был началом пространства и времени», – говорит Стейнхардт.«Было прежде, и прежде, потому что это накладывает отпечаток на то, что произойдет в следующем цикле».

Не всем нравится этот отход от обычного космологического мышления. Некоторые исследователи считают идеи Стейнхардта и Турока ошибочными или даже опасными. «Один уважаемый ученый сказал мне, что мы должны остановиться, потому что мы подрываем общественное доверие к Большому взрыву», – говорит Турок. Но отчасти привлекательность циклической вселенной заключается в том, что это не просто красивая идея – это проверяемая идея.

Стандартная модель ранней Вселенной предсказывает, что пространство полно гравитационных волн, волн в пространстве-времени, оставшихся с первых мгновений после Большого взрыва. Эти волны выглядят совсем иначе в циклической модели, и эти различия можно будет измерить, как только физики разработают эффективный детектор гравитационных волн. «Может пройти 20 лет, прежде чем у нас появится технология, – говорит Турок, – но в принципе это возможно. Учитывая важность вопроса, я бы сказал, что подождать стоит.

Большая идея 2: стрела времени

Хотя концепция циклической вселенной дает возможность исследовать прошлое Большого взрыва, некоторые ученые считают, что Стейнхардт и Турок обошли более глубокую проблему происхождения. «Настоящая проблема – не в начале времени, а в стреле времени», – говорит Шон Кэрролл, физик-теоретик из Калифорнийского технологического института. «Искать вселенную, которая повторяется – это именно то, чего вы не хотите. Циклы по-прежнему дают нам время, которое течет в определенном направлении, и направление времени – это как раз то, что нам нужно объяснить.

В 2004 году Кэрролл и его аспирантка Дженнифер Чен придумали совершенно другой ответ (pdf) на предыдущую проблему. По его мнению, стрелку времени и начало времени нельзя рассматривать отдельно: невозможно понять, что было до Большого взрыва, пока мы не поймем, почему предыдущее предшествует последующему. Подобно Стейнхардту и Туроку, Кэрролл считает, что поиск ответа требует переосмысления всей Вселенной, но Кэрролл не удовлетворен добавлением дополнительных измерений.Он также хочет добавить больше вселенных – намного больше – чтобы показать, что в большой картине время не столько течет, сколько движется симметрично вперед и назад.

Барбур утверждает, что время – это иллюзия, в которой каждое мгновение – каждое «настоящее» – существует само по себе, завершено и цельно.

Одностороннее движение времени, всегда в будущее, – одна из величайших загадок физики. Уравнения, управляющие отдельными объектами, не заботятся о направлении времени. Представьте себе фильм, в котором сталкиваются два бильярдных шара; невозможно сказать, идет ли фильм вперед или назад.Но если собрать миллиард атомов в нечто вроде воздушного шара, прошлое и будущее выглядят совсем иначе. Лопните воздушный шар, и молекулы воздуха внутри быстро заполнят все пространство; они никогда не бегут назад, чтобы повторно надуть воздушный шар.

В любой такой большой группе объектов система стремится к равновесию. Физики используют термин энтропия, чтобы описать, насколько система далека от равновесия. Чем он ближе, тем выше его энтропия; полное равновесие – это, по определению, максимальное значение.Таким образом, путь от низкой энтропии (все молекулы в одном углу комнаты нестабильны) к максимальной энтропии (молекулы равномерно распределены в комнате, стабильны) определяет стрелу времени. Путь к равновесию отделяет до и после. Как только вы достигнете равновесия, стрела времени больше не имеет значения, потому что изменение больше невозможно.

«Наша Вселенная эволюционировала 13 миллиардов лет, – говорит Кэрролл, – поэтому вначале она явно не находилась в равновесии». Скорее, вся материя, энергия, пространство и даже время во Вселенной должны были начаться в состоянии чрезвычайно низкой энтропии.Только так мы могли бы начать с Большого взрыва и закончить удивительно разнообразным космосом сегодняшнего дня. «Поймите, как это произошло, – утверждает Кэрролл, – и вы поймете более масштабный процесс, который привел к возникновению нашей Вселенной.

Чтобы продемонстрировать, насколько странна наша Вселенная, Кэрролл рассматривает все другие способы ее создания. Размышляя о диапазоне возможностей, он задается вопросом: «Почему первоначальная установка Вселенной позволила космическому времени иметь направление? Существует бесконечное количество способов, которыми могла быть устроена первоначальная вселенная.Подавляющее большинство из них обладают высокой энтропией ». Эти вселенные с высокой энтропией были бы скучными и инертными; эволюция и изменение были бы невозможны. Такая вселенная не могла производить галактики и звезды, и уж точно не могла поддерживать жизнь.

Это похоже на то, как если бы наша Вселенная была настроена так, чтобы вначале была далеко от равновесия, чтобы она могла обладать стрелой времени. Но для физика обращение к тонкой настройке сродни высказыванию «произошло чудо». Для Кэрролла задача заключалась в том, чтобы найти процесс, который естественным образом объяснил бы низкую энтропию Вселенной, не обращаясь к невероятным совпадениям или (того хуже) к чуду.

Кэрролл обнаружил, что этот процесс скрыт внутри одной из самых странных и захватывающих последних разработок теории Большого взрыва. В 1984 году физик из Массачусетского технологического института Алан Гут предположил, что очень молодая Вселенная пережила короткий период безудержного расширения, который он назвал «инфляцией», и что это расширение взорвало один маленький уголок более ранней Вселенной на все, что мы видим. В конце 1980-х Гут и другие физики, в первую очередь Андрей Линде, ныне работающий в Стэнфорде, увидели, что инфляция может повторяться снова и снова в процессе «вечной инфляции».В результате карманные вселенные, очень похожие на нашу, могут постоянно появляться из ненадутого фона. Это множество вселенных было неизбежно названо мультивселенной.

Кэрролл нашел в концепции мультивселенной решение как направления, так и происхождения космического времени. Он размышлял о стреле времени еще в аспирантуре в конце 1980-х, когда опубликовал статьи о возможности путешествий во времени с использованием известной физики. Вечная инфляция показала, что недостаточно думать только о времени в нашей Вселенной; он понял, что ему нужно рассматривать это в гораздо более широком контексте мультивселенной.

«Мы задавались вопросом, может ли вечная инфляция работать в обоих направлениях», – говорит Кэрролл. «Это означает, что не было бы необходимости в единственном Большом взрыве. Карманные вселенные всегда вырастали из ненадутого фона. Чтобы заставить вечную инфляцию работать, нужно было найти общую отправную точку: легко достижимое условие, которое будет повторяться бесконечно много раз и позволит вечной инфляции течь в обоих направлениях ».

Полная теория вечной инфляции возникла в голове Кэрролла в 2004 году, когда он вместе со своей студенткой Дженнифер Чен посещал пятимесячный семинар по космологии в Калифорнийском университете в знаменитом Институте теоретической физики Кавли Санта-Барбары.«Вы отправляетесь в такое место, как Кавли, и находитесь вдали от обычных обязанностей преподавателя», – говорит Кэрролл. «Это дает вам время собрать все вместе». За эти несколько месяцев Кэрролл и Чен разработали видение расточительной мультивселенной без начала, конца и стрелы времени.

«Все, что вам нужно, – говорит Кэрролл со склонностью физика к преуменьшению, – это начать с небольшого количества пустого пространства, осколка темной энергии и немного терпения». Темная энергия – скрытый тип энергии, заключенный в пустом пространстве, существование которого убедительно подтверждается недавними наблюдениями – имеет решающее значение, потому что квантовая физика утверждает, что любое энергетическое поле всегда будет давать случайные флуктуации.В теории Кэрролла и Чена колебания фона темной энергии действуют как семена, которые запускают новые витки инфляции, создавая урожай карманных вселенных из пустого пространства.

«Некоторые из этих карманных вселенных схлопнутся в черные дыры и испарятся, исчезнув с поля зрения», – говорит Кэрролл. «Но другие будут расширяться навсегда. Те, которые расширяются, со временем истончаются. Они становятся новым пустым пространством, из которого может начаться новая инфляция ». Весь процесс может повторяться снова и снова.Удивительно, но направление времени при этом не имеет значения. «Это самое забавное. Вы можете развивать маленькие раздувшиеся вселенные в любом направлении от вашей общей отправной точки », – говорит Кэрролл. В сверхдалеком прошлом нашей Вселенной, задолго до Большого взрыва, могли быть другие большие взрывы, стрелка времени которых бежала в противоположном направлении.

В самом большом масштабе мультивселенная подобна пене взаимосвязанных карманных вселенных, полностью симметричных относительно времени.Некоторые вселенные движутся вперед, но в целом равное количество движется назад. В бесконечном пространстве в бесконечных вселенных нет ограничений на энтропию. Он всегда может увеличиваться; каждая вселенная рождается с пространством (и энтропией) для развития. Большой взрыв – это просто наш Большой взрыв, и он не уникален. Вопрос о том, что было раньше, исчезает, потому что мультивселенная всегда существовала и всегда будет, эволюционируя, но – в статистическом смысле – всегда одна и та же.

Завершив работу над мультивселенной с Ченом, Кэрролл почувствовал приступ ужаса.«Когда вы заканчиваете что-то подобное, это горько-сладко. Решать сложные задачи можно в погоне за удовольствием », – говорит он. К счастью для него, погоня продолжается. «Наша газета действительно выражает точку зрения меньшинства», – признает он. Сейчас он усиленно работает над последующими документами, конкретизирующими детали и подкрепляющими свои аргументы.

Большая идея 3: Сейчас уже есть

В 1999 году, когда Стейнхардт и Турок собирались в Кембридже, а Кэрролл размышлял о значении мультивселенной, мятежный физик Джулиан Барбур опубликовал «Конец времени» – манифест, в котором предлагалось предпринять попытку То, что произошло до Большого взрыва, было основано на фундаментальной ошибке.Барбур настаивал, что нет необходимости искать решение проблемы начала времени, потому что времени на самом деле не существует.

Еще в 1963 году статья в журнале изменила жизнь Барбура. В то время он был всего лишь молодым аспирантом-физиком, отправлявшимся в расслабляющую поездку в горы. «Я учился в Германии и взял с собой на каникулы в Баварские Альпы статью, – говорит Барбур, которому сейчас 71 год. – Она была о великом физике Поле Дираке. Он размышлял о природе времени и пространства в теории относительности.После окончания статьи у Барбура остался вопрос, от которого он никогда не смог бы отказаться: что такое время? Он не мог перестать думать об этом. Он развернулся на полпути к горе и так и не добрался до вершины.

Возможно, некоторые вселенные движутся вперед во времени, в то время как такое же количество движется назад; Большой взрыв – это просто наш Большой взрыв.

«Я знал, что на то, чтобы разобраться в моем вопросе, потребуются годы», – вспоминает Барбур. «У меня не было возможности сделать нормальную академическую карьеру, публиковать статью за статьей, и по-настоящему добиться чего-либо.«С твердой решимостью он оставил академическую физику и поселился в сельской Англии, поддерживая свою семью, переводя русские научные журналы. Тридцать восемь лет спустя, все еще живя в том же доме, он нашел достаточно ответов, чтобы подняться из безвестности и привлечь внимание мирового сообщества физиков.

В 1970-х годах Барбур начал публиковать свои идеи в уважаемых, но немного нетрадиционных журналах, таких как The British Journal for the Philosophy of Science and Proceedings of the Royal Society A.Он продолжает публиковать статьи, в последний раз со своим сотрудником Эдвардом Андерсоном (pdf) из Кембриджского университета. Аргументы Барбура сложны, но его основная идея остается простотой: нет времени. «Если вы попытаетесь успеть вовремя, оно всегда ускользает от вас», – говорит Барбур со своим обезоруживающим английским шармом. «Я чувствую, что люди не могут удержать время, потому что его вообще нет».

Исаак Ньютон думал о времени как о реке, протекающей повсюду с одинаковой скоростью.Альберт Эйнштейн объединил пространство и время в единое целое, но он по-прежнему придерживался концепции времени как меры изменения. По мнению Барбура, невидимой реки времени нет. Вместо этого он думает, что изменение просто создает иллюзию времени, когда каждый отдельный момент существует сам по себе, завершен и целостен. Он называет эти моменты «сейчас».

«Пока мы живем, кажется, что мы переживаем череду моментов. Вопрос в том, какие они? » – спрашивает Барбур. Его ответ: Каждое Сейчас – это расположение всего во вселенной.«У нас сложилось сильное впечатление, что у вещей есть определенные позиции относительно друг друга. Я стремлюсь абстрагироваться от всего, что мы не можем видеть прямо или косвенно, и просто сохраняю идею одновременного сосуществования множества разных вещей. Есть просто Сейчас, не больше и не меньше ».

Barbour’s Nows можно представить как страницы романа, оторванные от корешка книги и случайно брошенные на пол. Каждая страница – это отдельный объект. Если расположить страницы в определенном порядке и перемещаться по ним шаг за шагом, создается впечатление, что история разворачивается.Тем не менее, независимо от того, как мы размещаем листы, каждая страница будет полной и независимой. Для Барбура реальность – это просто физика этих моментов, взятых вместе в целом.

«Что меня действительно интригует, так это то, что совокупность всех возможных моментов имеет особую структуру», – говорит он. «Вы можете думать об этом как о пейзаже или стране. Каждая точка в этой стране – это Сейчас, и я называю эту страну Платонией »в связи с концепцией Платона о более глубокой реальности,« потому что она вневременна и создана по совершенным математическим правилам.Платония – настоящая арена вселенной ».

В Платонии одновременно существуют все возможные конфигурации Вселенной, все возможные места расположения каждого атома. Нет прошлого момента, который перетекает в момент будущего; вопрос о том, что было до Большого взрыва, никогда не возникает, потому что космологии Барбура нет времени. Большой взрыв – это не событие из далекого прошлого; это всего лишь одно особое место в Платонии.

Наша иллюзия прошлого возникает потому, что каждое Сейчас в Платонии содержит объекты, которые на языке Барбура появляются как «записи».«Единственное свидетельство, которое у вас есть на прошлой неделе, – это ваша память, но теперь память исходит из стабильной структуры нейронов в вашем мозгу. Единственное свидетельство прошлого Земли, которое у нас есть, – это горные породы и окаменелости, но это всего лишь стабильные структуры в форме минералов, которые мы изучаем в настоящем. Все, что у нас есть, – это эти записи, и они есть только в этом Now », – говорит Барбур. По его теории, одни Сейчас связаны с другими в пейзаже Платонии, хотя все они существуют одновременно. Эти связи создают видимость последовательности из прошлого в будущее, но на самом деле нет потока времени от одного Сейчас к другому.

«Подумайте о целых числах», – говорит Барбур. «Каждое целое число существует одновременно. Но некоторые целые числа связаны по структуре, например, набор всех простых чисел или чисел, которые вы получаете из ряда Фибоначчи ». Тем не менее, число 3 не встречается в прошлом числа 5, равно как и Большой взрыв существовал в прошлом 2008 года.

Эти идеи могут звучать как ночные разговоры в комнате общежития, но у Барбура есть потратил четыре десятилетия, выковывая их жестким языком математической физики (pdf).Он соединил Платонию с уравнениями квантовой механики, чтобы разработать математическое описание «неизменной» физики. Вместе с ирландским сотрудником Найла О Мурчадха из Национального университета Ирландии в Корке Барбур продолжает переформулировать бессовременную версию теории Эйнштейна.

Так что же произошло на самом деле?

Для каждой альтернативы Большому взрыву легче продемонстрировать привлекательность идеи, чем доказать ее правильность. Циклическая космология Стейнхардта и Турока может объяснить важные свидетельства, обычно приводимые в поддержку Большого взрыва, но эксперименты, которые могли бы превзойти его, состоятся через десятилетия.Модель мультивселенной Кэрролла зависит от умозрительной интерпретации инфляционной космологии, которая сама по себе слабо проверена.

Barbour стоит на самом дальнем краю. У него нет возможности проверить свою концепцию Платонии. Сила его идей во многом зависит от красоты их формулировок и их способности объединять физику. «То, что мы сейчас работаем, просто и логично, – говорит Барбур, – и поэтому я считаю, что это показывает нам нечто фундаментальное».

Вознаграждение, которое предлагает Barbour, – это не просто математическое, а философское решение.Вместо всех противоречивых представлений о Большом взрыве и о том, что было раньше, он предлагает выход. Он предлагает отпустить прошлое – всю идею прошлого – и жить полноценно, счастливо в Настоящем.

В одной модели каждый цикл существования длится триллион лет. По таким подсчетам, наша Вселенная все еще находится в зачаточном состоянии.

Происхождение Вселенной, Земли и Жизни | Наука и креационизм: взгляд из Национальной академии наук, второе издание

молекул в единицах, которые могли быть первыми живыми системами.Недавнее предположение включает возможность того, что первые живые клетки могли возникнуть на Марсе, засевая Землю через множество метеоритов, которые, как известно, путешествуют с Марса на нашу планету.

Конечно, даже если бы живую клетку создать в лаборатории, это не доказало бы, что природа пошла тем же путем миллиарды лет назад. Но задача науки – давать правдоподобные естественные объяснения природных явлений. Изучение происхождения жизни – это очень активная область исследований, в которой наблюдается значительный прогресс, хотя ученые единодушны в том, что ни одна из текущих гипотез до сих пор не подтвердилась.История науки показывает, что такие, казалось бы, неразрешимые проблемы, как эта, могут быть решены позже в результате достижений теории, инструментов или открытия новых фактов.

Взгляды креационистов на происхождение Вселенной, Земли и жизни

Многие религиозные деятели, в том числе многие ученые, считают, что Бог создал вселенную и различные процессы, управляющие физической и биологической эволюцией, и что эти процессы затем привели к созданию галактик, нашей солнечной системы и жизни на Земле.Эта вера, которую иногда называют «теистической эволюцией», не противоречит научным объяснениям эволюции. Действительно, он отражает замечательный и вдохновляющий характер физической вселенной, выявленный космологией, палеонтологией, молекулярной биологией и многими другими научными дисциплинами.

Сторонники «науки о сотворении» придерживаются различных точек зрения. Некоторые утверждают, что Земля и Вселенная относительно молоды, возможно, всего от 6000 до 10 000 лет. Эти люди часто верят, что нынешняя физическая форма Земли может быть объяснена «катастрофизмом», включая всемирный потоп, и что все живые существа (включая людей) были созданы чудесным образом, по существу в тех формах, которые мы сейчас находим.

Другие сторонники креационной науки готовы признать, что Земля, планеты и звезды могли существовать миллионы лет. Но они утверждают, что различные типы организмов, и особенно люди, могли возникнуть только при сверхъестественном вмешательстве, потому что они демонстрируют «разумный замысел».

В этом буклете оба взгляда – «Молодая Земля» и «Старая Земля» называются «креационизмом» или «особым творением».

Нет достоверных научных данных или расчетов, подтверждающих уверенность в том, что Земля была создана всего несколько тысяч лет назад.В этом документе собрано огромное количество свидетельств того, что Вселенная, наша галактика, Солнечная система и Земля, а также Земля велика, из астрономии, астрофизики, ядерной физики, геологии, геохимии и геофизики. Независимые научные методы последовательно дают возраст Земли и Солнечной системы около 5 миллиардов лет, а возраст нашей Галактики и Вселенной в два-три раза больше. Эти выводы делают происхождение Вселенной в целом понятным, придают согласованность многим различным отраслям науки и формируют основные выводы замечательной совокупности знаний о происхождении и поведении физического мира.

Что такое теория большого взрыва?

История Вселенной началась с Большого взрыва. Спустя миллиард лет после большого взрыва атомы водорода загадочным образом разлетелись на слой ионов. Кредит: grandunificationtheory.com

Как была создана наша Вселенная? Как оно стало таким, казалось бы, бесконечным местом, о котором мы знаем сегодня? И что с этим будет через века? Это вопросы, которые с самого начала ставили в тупик философов и ученых и привели к некоторым довольно диким и интересным теориям.Сегодня ученые, астрономы и космологи сходятся во мнении, что Вселенная в том виде, в каком мы ее знаем, была создана в результате мощного взрыва, который создал не только большую часть материи, но и физические законы, управляющие нашим постоянно расширяющимся космосом.

Это известно как теория большого взрыва. На протяжении почти столетия этот термин использовался как учеными, так и неучеными. Это не должно вызывать удивления, поскольку это наиболее распространенная теория нашего происхождения.Но что именно это означает? Как наша Вселенная возникла в результате мощного взрыва, какие доказательства этому есть, и что теория говорит о долгосрочных прогнозах для нашей Вселенной?

Основы теории довольно просты. Короче говоря, гипотеза Большого взрыва утверждает, что вся нынешняя и прошедшая материя во Вселенной возникла одновременно, примерно 13,8 миллиарда лет назад. В это время вся материя была спрессована в очень маленький шар с бесконечной плотностью и сильным жаром, называемый Сингулярностью.Внезапно Сингулярность начала расширяться, и Вселенная в том виде, в каком мы ее знаем, началась.

Хотя это не единственная современная теория возникновения Вселенной – например, есть теория устойчивого состояния или теория колеблющейся Вселенной – она ​​является наиболее широко принятой и популярной. Модель не только объясняет происхождение всей известной материи, законы физики и крупномасштабную структуру Вселенной, но также объясняет расширение Вселенной и широкий спектр других явлений.

Хронология:

Работая в обратном направлении от текущего состояния Вселенной, ученые предположили, что она, должно быть, возникла в единственной точке бесконечной плотности и конечного времени, которая начала расширяться. Теория утверждает, что после первоначального расширения Вселенная достаточно остыла, чтобы позволить образование субатомных частиц, а затем и простых атомов. Гигантские облака этих первобытных элементов позже слились под действием силы тяжести, образуя звезды и галактики.

Все началось примерно в 13 году.8 миллиардов лет назад и, таким образом, считается возрастом Вселенной. Путем проверки теоретических принципов, экспериментов с использованием ускорителей частиц и состояний с высокой энергией, а также астрономических исследований, которые наблюдали глубокую Вселенную, ученые построили график событий, которые начались с Большого взрыва и привели к текущему состоянию космической эволюции. .

Однако самые ранние времена Вселенной – примерно от 10 ^-43 до 10 ^-11 секунд после Большого взрыва – являются предметом обширных спекуляций.Учитывая, что законы физики в том виде, в каком мы их знаем, не могло существовать в то время, трудно представить себе, как можно было управлять Вселенной. Более того, эксперименты, которые могут создать соответствующие виды энергии, еще не проводились. Тем не менее, преобладает множество теорий относительно того, что происходило в этот начальный момент времени, многие из которых совместимы.

Сингулярность:

Также известный как Эпоха Планка (или Эра Планка), это был самый ранний известный период Вселенной.В это время вся материя была сконденсирована в единой точке бесконечной плотности и очень высокой температуры. Считается, что в этот период квантовые эффекты гравитации преобладали в физических взаимодействиях и что никакие другие физические силы не были равны по силе гравитации.

Этот планковский период времени простирается от точки 0 приблизительно до 10 ^-43 секунд и назван так потому, что его можно измерить только в планковском времени. Из-за высокой температуры и плотности материи состояние Вселенной было крайне нестабильным.Таким образом, он начал расширяться и остывать, что привело к проявлению фундаментальных сил физики.

Примерно с 10 ^-43 секунд и 10 ^-36 Вселенная начала переходные температуры. Считается, что именно здесь фундаментальные силы, управляющие Вселенной, начали отделяться друг от друга. Первым шагом в этом была сила гравитации, отделившаяся от калибровочных сил, которые объясняют сильные и слабые ядерные силы и электромагнетизм.

Тогда, с 10 ^-36 до 10 ^-32 секунд после Большого взрыва, температура Вселенной была достаточно низкой (10 ²⁸ K), чтобы силы электромагнетизма (сильное взаимодействие) и слабые ядерные взаимодействия ( слабое взаимодействие) также смогли разделиться, образуя две различные силы.

Эпоха инфляции:

С созданием первых фундаментальных сил Вселенной началась Эпоха Инфляции, продолжавшаяся от 10 ^-32 секунд по планковскому времени до неизвестной точки.Большинство космологических моделей предполагают, что Вселенная в этот момент была однородно заполнена с высокой плотностью энергии и что невероятно высокие температуры и давление привели к быстрому расширению и охлаждению.

Это началось в 10 ^-37 секунд, где фазовый переход, вызвавший разделение сил, также привел к периоду, когда Вселенная росла экспоненциально. Именно в этот момент времени произошел бариогенез, который относится к гипотетическому событию, когда температуры были настолько высокими, что случайные движения частиц происходили с релятивистскими скоростями.

В результате этого пары частица-античастица всех видов непрерывно создавались и разрушались в столкновениях, что, как полагают, привело к преобладанию материи над антивеществом в нынешней Вселенной. После прекращения инфляции Вселенная состояла из кварк-глюонной плазмы, а также всех других элементарных частиц. С этого момента Вселенная начала охлаждаться, а материя слилась и сформировалась.

Эпоха охлаждения:

По мере того, как Вселенная продолжала уменьшаться в плотности и температуре, энергия каждой частицы начала уменьшаться, и фазовые переходы продолжались до тех пор, пока фундаментальные силы физики и элементарные частицы не изменились в их нынешнюю форму.Поскольку энергии частиц упали бы до значений, которые могут быть получены с помощью экспериментов по физике элементарных частиц, этот период и далее является предметом меньших спекуляций.

Например, ученые считают, что примерно через 10 ^-11 секунд после Большого взрыва энергии частиц значительно упали. Примерно через 10-6 секунд кварки и глюоны объединились, чтобы сформировать барионы, такие как протоны и нейтроны, и небольшой избыток кварков над антикварками привел к небольшому избытку барионов над антибарионами.

Поскольку температуры были недостаточно высокими для создания новых пар протон-антипротон (или пар нейтрон-анитнейтрон), немедленно последовала массовая аннигиляция, в результате чего остался только один из 10 ¹⁰ исходных протонов и нейтронов и ни одной из их античастиц.Аналогичный процесс произошел примерно через 1 секунду после Большого взрыва для электронов и позитронов. После этих аннигиляций оставшиеся протоны, нейтроны и электроны больше не двигались релятивистски, и в плотности энергии Вселенной преобладали фотоны и, в меньшей степени, нейтрино.

Через несколько минут после расширения начался период, известный как нуклеосинтез Большого взрыва. Благодаря падению температуры до 1 миллиарда кельвинов и плотности энергии примерно до эквивалента воздуха, нейтроны и протоны начали объединяться, образуя первый во Вселенной дейтерий (стабильный изотоп водорода) и атомы гелия.Однако большая часть протонов Вселенной оставалась несвязанной в виде ядер водорода.

Примерно через 379000 лет электроны соединились с этими ядрами, чтобы сформировать атомы (опять же, в основном водород), в то время как излучение отделялось от материи и продолжало расширяться в космосе, в значительной степени беспрепятственно. Теперь известно, что это излучение составляет космический микроволновый фон (CMB), который сегодня является самым старым светом во Вселенной.

По мере расширения реликтового излучения оно постепенно теряет плотность и энергию, и в настоящее время, по оценкам, имеет температуру 2.7260 ± 0,0013 K (-270,424 ° C / -454,763 ° F) и плотность энергии 0,25 эВ / см ³ (или 4,005 × 10 ^-14 Дж / м ³ ; 400–500 фотонов / см ³ ). CMB можно увидеть во всех направлениях на расстоянии примерно 13,8 миллиарда световых лет, но по оценкам его фактического расстояния он находится примерно в 46 миллиардах световых лет от центра Вселенной.

Эпоха структуры:

В течение следующих нескольких миллиардов лет несколько более плотные области почти равномерно распределенной материи Вселенной начали гравитационно притягиваться друг к другу.Поэтому они становились еще плотнее, образуя газовые облака, звезды, галактики и другие астрономические структуры, которые мы регулярно наблюдаем сегодня.

Это то, что известно как Эпоха Структуры, поскольку именно в это время начала формироваться современная Вселенная. Он состоит из видимой материи, распределенной в структурах различного размера, от звезд и планет до галактик, скоплений галактик и суперкластеров, где сосредоточена материя, которые разделены огромными пропастями, содержащими несколько галактик.

Детали этого процесса зависят от количества и типа материи во Вселенной. Четыре предлагаемых типа – холодная темная материя, теплая темная материя, горячая темная материя и барионная материя. Однако модель Лямбда-Холодной Темной Материи (Лямбда-CDM), в которой частицы темной материи движутся медленно по сравнению со скоростью света, считается стандартной моделью космологии Большого Взрыва, поскольку она лучше всего соответствует имеющимся данным. .

Согласно этой модели, холодная темная материя составляет около 23% материи / энергии Вселенной, в то время как барионная материя составляет около 4.6%. Лямбда относится к космологической постоянной, теории, первоначально предложенной Альбертом Эйнштейном, которая пыталась показать, что баланс массы и энергии во Вселенной был статическим. В данном случае это связано с темной энергией, которая служила для ускорения расширения Вселенной и сохранения ее крупномасштабной структуры в значительной степени однородной.

Долгосрочные прогнозы:

Гипотеза о том, что Вселенная имела начальную точку, естественным образом порождает вопросы о возможной конечной точке.Если Вселенная началась с крошечной точки бесконечной плотности, которая начала расширяться, означает ли это, что она будет продолжать расширяться бесконечно? Или однажды у него закончится экспансивная сила, и он начнет отступать внутрь, пока вся материя не превратится в крошечный шар?

Ответ на этот вопрос был в центре внимания космологов с тех пор, как начались дебаты о том, какая модель Вселенной является правильной. С принятием теории большого взрыва, но до наблюдения темной энергии в 1990-х годах космологи пришли к соглашению о двух сценариях как наиболее вероятных исходах для нашей Вселенной.

В первом, широко известном как сценарий «Большого сжатия», Вселенная достигнет максимального размера, а затем начнет сжиматься. Это будет возможно только в том случае, если массовая плотность Вселенной больше критической плотности. Другими словами, пока плотность материи остается на определенном уровне или выше (1-3 × 10 ^-26 кг вещества на м ³ ), Вселенная в конечном итоге будет сжиматься.

В качестве альтернативы, если бы плотность во Вселенной была равна или ниже критической плотности, расширение замедлилось бы, но никогда не остановится.В этом сценарии, известном как «большое замораживание», Вселенная будет продолжаться до тех пор, пока звездообразование в конечном итоге не прекратится с потреблением всего межзвездного газа в каждой галактике. Между тем все существующие звезды сгорят и станут белыми карликами, нейтронными звездами и черными дырами.

Очень постепенно столкновения между этими черными дырами приведут к накоплению массы в все большие и большие черные дыры. Средняя температура Вселенной приблизилась бы к абсолютному нулю, и черные дыры испарились бы после испускания последнего из своего излучения Хокинга.Наконец, энтропия Вселенной возрастет до такой степени, что из нее нельзя будет извлечь организованную форму энергии (сценарий, известный как «тепловая смерть»).

Современные наблюдения, которые включают существование Темной энергии и ее влияние на космическое расширение, привели к выводу, что все больше и больше видимой в настоящее время Вселенной будет выходить за пределы нашего горизонта событий (т. Е. Реликтового излучения, границы того, что мы можем видеть ) и станут для нас невидимыми.Конечный результат этого в настоящее время неизвестен, но «тепловая смерть» также считается вероятной конечной точкой в ​​этом сценарии.

Другие объяснения темной энергии, называемые теориями фантомной энергии, предполагают, что в конечном итоге скопления галактик, звезды, планеты, атомы, ядра и сама материя будут разорваны на части в результате постоянно увеличивающегося расширения. Этот сценарий известен как «Большой разрыв», в котором расширение самой Вселенной в конечном итоге приведет к его гибели.

История теории большого взрыва:

Самые ранние признаки Большого взрыва появились в результате наблюдений в дальнем космосе, проведенных в начале 20 века.В 1912 году американский астроном Весто Слайфер провел серию наблюдений за спиральными галактиками (которые считались туманностями) и измерил их доплеровское красное смещение. Почти во всех случаях спиральные галактики удалялись от нас.

В 1922 году русский космолог Александр Фридман разработал так называемые уравнения Фридмана, которые были выведены из уравнений Эйнштейна для общей теории относительности. Вопреки тому, что Эйнштейн защищал в то время со своей космологической постоянной, работа Фридмана показала, что Вселенная, вероятно, находится в состоянии расширения.

В 1924 году измерение Эдвином Хабблом большого расстояния до ближайшей спиральной туманности показало, что эти системы действительно были другими галактиками. В то же время Хаббл начал разработку серии индикаторов расстояния, используя 100-дюймовый (2,5 м) телескоп Хукера в обсерватории Маунт-Вильсон. А к 1929 году Хаббл обнаружил корреляцию между расстоянием и скоростью спада, которая теперь известна как закон Хаббла.

А затем, в 1927 году, Жорж Леметр, бельгийский физик и католический священник, независимо получил те же результаты, что и уравнения Фридмана, и предположил, что предполагаемое разбегание галактик было вызвано расширением Вселенной.В 1931 году он пошел еще дальше, предположив, что текущее расширение Вселенной означает, что, если вернуться в прошлое, тем меньше будет Вселенная. Он утверждал, что в какой-то момент в прошлом вся масса Вселенной была бы сосредоточена в одной точке, из которой произошла сама ткань пространства и времени.

Эти открытия вызвали споры между физиками на протяжении 1920–30-х годов, при этом большинство высказывалось за то, что Вселенная находится в устойчивом состоянии.В этой модели новая материя постоянно создается по мере расширения Вселенной, таким образом сохраняя однородность и плотность материи с течением времени. Среди этих ученых идея Большого взрыва казалась больше теологической, чем научной, и обвинения в предвзятости были выдвинуты против Леметра на основании его религиозного происхождения.

История Вселенной от Большого взрыва до нынешней эпохи. Кредит: bicepkeck.org

В это время пропагандировались и другие теории, такие как модель Милна и модель осциллярной Вселенной.Обе эти теории были основаны на общей теории относительности Эйнштейна (последняя была одобрена самим Эйнштейном) и утверждали, что Вселенная следует бесконечным или неопределенным самоподдерживающимся циклам.

После Второй мировой войны споры достигли апогея между сторонниками модели устойчивого состояния (которая была формализована астрономом Фредом Хойлом) и сторонниками теории большого взрыва, популярность которой росла. По иронии судьбы, именно Хойл придумал фразу «Большой взрыв» во время радиопередачи BBC в марте 1949 года, что, по мнению некоторых, было уничижительным увольнением (которое Хойл отрицал).

В конце концов, данные наблюдений стали отдавать предпочтение Большому взрыву, а не устойчивому состоянию. Открытие и подтверждение космического микроволнового фонового излучения в 1965 году сделало Большой взрыв лучшей теорией происхождения и эволюции Вселенной. С конца 60-х до 90-х годов астрономы и космологи доказали, что Большой взрыв был еще лучше, разрешив теоретические проблемы, которые он поставил.

Сюда входили статьи, представленные Стивеном Хокингом и другими физиками, которые показали, что сингулярности были неизбежным начальным условием общей теории относительности и космологической модели Большого взрыва.В 1981 году физик Алан Гут выдвинул теорию о периоде быстрого космического расширения (также известном как «Эпоха инфляции»), который разрешил другие теоретические проблемы.

Диаграмма, показывающая вселенную Lambda-CBR от Большого взрыва до нашей эры. Предоставлено: Алекс Миттельманн / Coldcreation.

В 1990-е годы рост Темной Энергии также был попыткой решить нерешенные проблемы космологии. Помимо объяснения недостающей массы Вселенной (наряду с темной материей, первоначально предложенной в 1932 году Яном Оортом), она также предоставила объяснение того, почему Вселенная все еще ускоряется, а также предложила решение для космологической теории Эйнштейна. Постоянный.

Значительный прогресс был достигнут благодаря достижениям в области телескопов, спутников и компьютерного моделирования, которые позволили астрономам и космологам увидеть больше Вселенной и лучше понять ее истинный возраст. Внедрение космических телескопов, таких как Cosmic Background Explorer (COBE), Space Telescope Hubble, Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) и обсерватория Planck, также имело неизмеримую ценность.

Сегодня космологи имеют достаточно точные измерения многих параметров модели Большого взрыва, не говоря уже о возрасте самой Вселенной.И все началось с отмеченного наблюдения, что массивные звездные объекты, находящиеся на расстоянии многих световых лет, медленно удалялись от нас. И хотя мы все еще не уверены, чем все это закончится, мы знаем, что в космологическом масштабе это будет недолго, ДОЛГО!

---

Как галактики удаляются быстрее света?

---

Ссылка : Что такое теория большого взрыва? (2015, 18 декабря) получено 18 сентября 2021 г. с https: // физ.org / news / 2015-12-big-theory.html

Этот документ защищен авторским правом. За исключением честных сделок с целью частного изучения или исследования, никакие часть может быть воспроизведена без письменного разрешения. Контент предоставляется только в информационных целях.

Эволюция Вселенной

Примечание редактора (8.10.19): космолог Джеймс Пиблз получил Нобелевскую премию по физике 2019 года за свой вклад в теорию возникновения и развития нашей Вселенной.Он описывает эти идеи в этой статье, которую он написал в соавторстве для Scientific American в 1994 году.

В определенный момент примерно 15 миллиардов лет назад вся материя и энергия, которые мы можем наблюдать, сосредоточенные в области размером меньше десяти центов, начали расширяться и остывать с невероятно быстрой скоростью. К тому времени, когда температура упала в 100 миллионов раз по сравнению с температурой ядра Солнца, силы природы приобрели свои нынешние свойства, и элементарные частицы, известные как кварки, свободно бродили в море энергии.Когда Вселенная расширилась еще в 1000 раз, вся материя, которую мы можем измерить, заполнила область размером с Солнечную систему.

В то время свободные кварки были заключены в нейтроны и протоны. После того, как Вселенная выросла еще в 1000 раз, протоны и нейтроны объединились, чтобы сформировать атомные ядра, включая большую часть гелия и дейтерия, присутствующих сегодня. Все это произошло в течение первой минуты расширения. Однако условия для захвата электронов атомными ядрами были еще слишком жаркими.Нейтральные атомы появились в изобилии только после того, как расширение продолжалось в течение 300 000 лет, и Вселенная стала в 1000 раз меньше, чем сейчас. Затем нейтральные атомы начали объединяться в газовые облака, которые позже превратились в звезды. К тому времени, когда Вселенная расширилась до одной пятой своего нынешнего размера, звезды сформировали группы, которые можно было узнать как молодые галактики.

Когда Вселенная уменьшилась вдвое, в результате ядерных реакций в звездах образовалось большинство тяжелых элементов, из которых были сделаны планеты земной группы.Наша солнечная система относительно молода: она сформировалась пять миллиардов лет назад, когда Вселенная была на две трети своего нынешнего размера. Со временем образование звезд истощило запасы газа в галактиках, и, следовательно, популяция звезд уменьшается. Через пятнадцать миллиардов лет такие звезды, как наше Солнце, будут относительно редкими, что сделает Вселенную гораздо менее гостеприимным местом для таких наблюдателей, как мы.

Наше понимание происхождения и эволюции Вселенной – одно из величайших достижений науки 20 века.Эти знания получены в результате десятилетий инновационных экспериментов и теорий. Современные телескопы на земле и в космосе обнаруживают свет галактик на расстоянии миллиардов световых лет, показывая нам, как выглядела Вселенная в молодости. Ускорители элементарных частиц исследуют основы физики высокоэнергетической среды ранней Вселенной. Спутники обнаруживают космическое фоновое излучение, оставшееся с ранних стадий расширения, обеспечивая изображение Вселенной в самых больших масштабах, которые мы можем наблюдать.

Все наши усилия по объяснению этого обилия данных воплощены в теории, известной как стандартная космологическая модель или космология большого взрыва. Основное утверждение теории состоит в том, что в крупномасштабном среднем Вселенная расширяется почти однородным образом из плотного раннего состояния. В настоящее время у теории большого взрыва нет фундаментальных проблем, хотя внутри самой теории, безусловно, есть нерешенные вопросы. Например, астрономы не уверены, как образовались галактики, но нет оснований полагать, что этот процесс не происходил в рамках Большого взрыва.Действительно, на сегодняшний день предсказания теории выдержали все испытания.

Тем не менее, модель большого взрыва зашла так далеко, и многие фундаментальные загадки остаются. Какой была Вселенная до того, как она расширялась? (Никакие сделанные нами наблюдения не позволяют нам оглянуться назад за тот момент, когда началось расширение.) Что произойдет в далеком будущем, когда последняя из звезд исчерпает запасы ядерного топлива? Пока никто не знает ответов.

Наша вселенная может рассматриваться во многих отношениях мистиками, теологами, философами или учеными.В науке мы идем медленным путем: мы принимаем только то, что проверено экспериментом или наблюдением. Альберт Эйнштейн дал нам хорошо проверенную и принятую теорию относительности, которая устанавливает отношения между массой, энергией, пространством и временем. Эйнштейн показал, что однородное распределение материи в пространстве хорошо согласуется с его теорией. Он без обсуждения предположил, что Вселенная статична и неизменна в среднем крупномасштабном [см. «Как космология стала наукой», Стивен Г.Щетка; НАУЧНЫЙ АМЕРИКАН, август 1992 г.].

В 1922 году русский теоретик Александр А. Фридман понял, что вселенная Эйнштейна нестабильна; малейшее возмущение заставит его расшириться или сузиться. В то время Весто М. Слайфер из обсерватории Лоуэлла собирал первые доказательства того, что галактики действительно расходятся. Затем, в 1929 году, выдающийся астроном Эдвин П. Хаббл показал, что скорость, с которой галактика удаляется от нас, примерно пропорциональна ее расстоянию от нас.

НЕСКОЛЬКО ИЗОБРАЖЕНИЙ далекого квазара ( слева, ) – результат эффекта, известного как гравитационное линзирование. Эффект возникает, когда свет от удаленного объекта отклоняется гравитационным полем промежуточной галактики. В этом случае галактика, которая видна в центре, дает четыре изображения квазара. Фотография сделана с помощью телескопа Hubble .

Существование расширяющейся Вселенной подразумевает, что космос эволюционировал из плотной концентрации материи в настоящее широко распространенное распределение галактик.Фред Хойл, английский космолог, первым назвал этот процесс Большим взрывом. Хойл намеревался опровергнуть эту теорию, но имя было настолько запоминающимся, что приобрело популярность. Однако в некоторой степени ошибочно описывать расширение как некий тип взрыва материи вдали от какой-то конкретной точки пространства.

Это совсем не картина: во вселенной Эйнштейна понятия пространства и распределения материи тесно связаны; наблюдаемое расширение системы галактик показывает развертывание самого пространства.Существенная особенность теории состоит в том, что средняя плотность в космосе уменьшается по мере расширения Вселенной; распределение материи не образует видимого края. При взрыве самые быстрые частицы движутся в пустое пространство, но в космологии большого взрыва частицы равномерно заполняют все пространство. Расширение Вселенной мало повлияло на размер галактик или даже скоплений галактик, которые связаны гравитацией; между ними просто открывается пространство. В этом смысле расширение похоже на поднимающуюся буханку хлеба с изюмом.Тесто аналогично космосу, а изюм – скоплениям галактик. По мере расширения теста изюм раздвигается. Более того, скорость, с которой разделяются любые два изюма, прямо и положительно зависит от количества разделяющего их теста.

Доказательства расширения Вселенной накапливались около 60 лет. Первая важная подсказка – это красное смещение. Галактика излучает или поглощает световые волны одних длин сильнее, чем другие. Если галактика удаляется от нас, эти особенности излучения и поглощения смещаются в сторону более длинных волн, то есть они становятся краснее по мере увеличения скорости удаления.Это явление известно как красное смещение.

Измерения Хаббла показали, что красное смещение далекой галактики больше, чем у более близкой к Земле. Это соотношение, известное теперь как закон Хаббла, – именно то, что можно было бы ожидать от равномерно расширяющейся Вселенной. Закон Хаббла гласит, что скорость удаления галактики равна ее расстоянию, умноженному на величину, называемую постоянной Хаббла. Эффект красного смещения в близлежащих галактиках относительно невелик, и для его обнаружения требуется хорошая аппаратура.Напротив, красное смещение очень далеких объектов – радиогалактик и квазаров – представляет собой потрясающее явление; некоторые, кажется, удаляются со скоростью более 90 процентов от скорости света.

Хаббл внес свой вклад в еще одну важную часть картины. Он подсчитал количество видимых галактик в разных направлениях на небе и обнаружил, что они кажутся довольно равномерно распределенными. Значение постоянной Хаббла казалось одинаковым во всех направлениях, что является необходимым следствием равномерного расширения.Современные исследования подтверждают фундаментальный постулат о том, что Вселенная однородна в больших масштабах. Хотя карты распределения близлежащих галактик демонстрируют комковатость, более глубокие обзоры обнаруживают значительную однородность.

Млечный Путь, например, находится в узле из двух дюжин галактик; они, в свою очередь, являются частью комплекса галактик, который выступает из так называемого местного сверхскопления. Иерархия кластеризации прослеживается до размеров около 500 миллионов световых лет.Флуктуации средней плотности вещества уменьшаются по мере увеличения масштаба исследуемой структуры. На картах, охватывающих расстояния, близкие к наблюдаемому пределу, средняя плотность вещества изменяется менее чем на десятую долю процента.

Чтобы проверить закон Хаббла, астрономам нужно измерить расстояния до галактик. Один из методов измерения расстояния – это наблюдение за видимой яркостью галактики. Если одна галактика на ночном небе в четыре раза слабее, чем другая сопоставимая галактика, то ее можно оценить как вдвое дальше.Это ожидание теперь проверено во всем видимом диапазоне расстояний.

ОДНОРОДНОЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ галактик очевидно на карте, которая включает объекты от 300 до 1 000 миллионов световых лет от нас. Единственная неоднородность, разрыв около центральной линии, возникает из-за того, что часть неба закрыта Млечным путем. Майкл Штраус из Института перспективных исследований в Принстоне, штат Нью-Джерси, создал карту, используя данные с инфракрасного астрономического спутника НАСА.

Некоторые критики теории указывали, что галактика, которая кажется меньше и слабее, на самом деле не может быть более далекой.К счастью, есть прямое указание на то, что объекты с большим красным смещением действительно находятся дальше. Доказательства получены из наблюдений за эффектом, известным как гравитационное линзирование. Такой массивный и компактный объект, как галактика, может действовать как грубая линза, создавая искаженное увеличенное изображение (или даже множество изображений) любого источника фонового излучения, который находится за ним. Такой объект делает это, искривляя пути световых лучей и другого электромагнитного излучения. Таким образом, если галактика находится на линии прямой видимости между Землей и каким-либо удаленным объектом, она будет отклонять световые лучи от объекта так, чтобы их можно было наблюдать [см. «Гравитационные линзы» Эдвина Л.Тернер; НАУЧНЫЙ АМЕРИКАН, июль 1988 г.]. За последнее десятилетие астрономы открыли более десятка гравитационных линз. Всегда обнаруживается, что объект за линзой имеет большее красное смещение, чем сама линза, что подтверждает качественное предсказание закона Хаббла.

Закон Хаббла имеет большое значение не только потому, что он описывает расширение Вселенной, но и потому, что его можно использовать для вычисления возраста космоса. Если быть точным, время, прошедшее с момента большого взрыва, является функцией текущего значения постоянной Хаббла и скорости ее изменения.Астрономы определили приблизительную скорость расширения, но никто еще не смог точно измерить второе значение.

Тем не менее, это количество можно оценить, зная среднюю плотность Вселенной. Можно ожидать, что из-за того, что гравитация оказывает силу, препятствующую расширению, галактики теперь будут стремиться расходиться медленнее, чем в прошлом. Таким образом, скорость изменения расширения связана с гравитационным притяжением Вселенной, установленным ее средней плотностью.Если это плотность видимого вещества внутри галактик и вокруг них, возраст Вселенной, вероятно, составляет от 12 до 20 миллиардов лет. (Диапазон учитывает неопределенность в скорости расширения.)

Тем не менее, многие исследователи считают, что плотность выше этого минимального значения. Так называемая темная материя будет иметь значение. Сильно защищенный аргумент гласит, что Вселенная достаточно плотна, чтобы в отдаленном будущем расширение замедлилось почти до нуля. Согласно этому предположению возраст Вселенной уменьшается до диапазона от семи до 13 миллиардов лет.

ПЛОТНОСТЬ нейтронов и протонов во Вселенной определяет содержание определенных элементов. Для Вселенной с более высокой плотностью вычисленное содержание гелия мало отличается, а вычисленное содержание дейтерия значительно ниже. Заштрихованная область согласуется с наблюдениями, в диапазоне от содержания гелия в 24 процента до одной части 1010 для изотопа лития. Это количественное согласие – главный успех космологии большого взрыва.

Чтобы улучшить эти оценки, многие астрономы проводят интенсивные исследования по измерению расстояний до галактик и плотности Вселенной.Оценки времени расширения служат важным тестом для модели большого взрыва Вселенной. Если теория верна, все в видимой Вселенной должно быть моложе времени расширения, рассчитанного по закону Хаббла.

Эти две временные шкалы, по крайней мере, примерно совпадают. Например, возраст самых старых звезд в диске галактики Млечный Путь составляет около девяти миллиардов лет – оценка, полученная на основе скорости охлаждения белых карликов. Звезды в ореоле Млечного Пути несколько старше, около 15 миллиардов лет – величина, полученная на основе скорости потребления ядерного топлива в ядрах этих звезд.Возраст самых старых известных химических элементов также составляет приблизительно 15 миллиардов лет – число, полученное с помощью методов радиоактивного датирования. Работники лабораторий получили эти оценки возраста на основе атомной и ядерной физики. Примечательно, что их результаты согласуются, по крайней мере приблизительно, с возрастом, который астрономы определили, измерив космическое расширение.

Другая теория, теория устойчивого состояния, также успешно объясняет расширение и однородность Вселенной.В 1946 году три физика в Англии – Хойл, Герман Бонди и Томас Голд – предложили такую ​​космологию. Согласно их теории, Вселенная постоянно расширяется, а материя создается спонтанно, чтобы заполнить пустоты. Они предположили, что по мере того, как этот материал накапливается, он образует новые звезды, чтобы заменить старые. Эта гипотеза устойчивого состояния предсказывает, что ансамбли близких к нам галактик должны статистически выглядеть так же, как и далекие. Космология большого взрыва делает другое предсказание: если все галактики образовались давным-давно, далекие галактики должны выглядеть моложе ближайших, потому что свету от них требуется больше времени, чтобы добраться до нас.Такие галактики должны содержать больше недолговечных звезд и больше газа, из которого будут формироваться будущие поколения звезд.

Тест концептуально прост, но астрономам потребовались десятилетия, чтобы разработать детекторы, достаточно чувствительные для детального изучения далеких галактик. Когда астрономы исследуют близлежащие галактики, которые являются мощными излучателями радиоволн, они видят в оптическом диапазоне относительно круглые системы звезд. С другой стороны, далекие радиогалактики имеют удлиненную, а иногда и неправильную структуру.Более того, в большинстве далеких радиогалактик, в отличие от ближайших, распределение света имеет тенденцию совпадать с картиной радиоизлучения.

Точно так же, когда астрономы изучают население массивных плотных скоплений галактик, они обнаруживают различия между близкими и далекими галактиками. Далекие скопления содержат голубоватые галактики, свидетельствующие о продолжающемся звездообразовании. Рядом похожие скопления содержат красноватые галактики, в которых активное звездообразование давно прекратилось.Наблюдения, проведенные с помощью космического телескопа Хаббла, подтверждают, что по крайней мере часть усиленного звездообразования в этих более молодых скоплениях может быть результатом столкновений между их галактиками-членами, процесс, который в современную эпоху встречается гораздо реже.

ДИСТАНЦИОННЫЕ ГАЛАКТИКИ сильно отличаются от ближайших – наблюдение, которое показывает, что галактики произошли от более ранних, более неправильных форм. Среди галактик, ярких как в оптическом ( синий, ), так и в радио ( красный ) длинах волн, близлежащие галактики имеют тенденцию иметь гладкие эллиптические формы в оптическом диапазоне и очень вытянутые радиоизображения.По мере увеличения красного смещения и, следовательно, расстояния галактики имеют более неправильную удлиненную форму, которая кажется выровненной в оптическом и радиоволнах. Крайняя правая галактика видна такой, какой она была в 10 процентах от нынешнего возраста Вселенной. Изображения были собраны Пэт Маккарти из Института Карнеги.

Итак, если все галактики удаляются друг от друга и развиваются из более ранних форм, кажется логичным, что когда-то они были сгущены вместе в каком-то плотном море материи и энергии.В самом деле, в 1927 году, еще до того, как о далеких галактиках стало известно много, бельгийский космолог и священник Жорж Лемэтр предположил, что расширение Вселенной может быть связано с чрезвычайно плотным состоянием, которое он назвал первобытным «суператомом». Он подумал, что, возможно, даже удастся обнаружить остаточное излучение первобытного атома. Но как бы выглядела эта радиационная подпись?

Когда Вселенная была очень молодой и горячей, излучение не могло распространяться очень далеко, не будучи поглощенным и испускаемым какой-либо частицей.Этот непрерывный обмен энергией поддерживал состояние теплового равновесия; в любом конкретном регионе вряд ли будет намного жарче или прохладнее, чем в среднем. Когда материя и энергия достигают такого состояния, результатом является так называемый тепловой спектр, где интенсивность излучения на каждой длине волны является определенной функцией температуры. Следовательно, излучение, возникающее в результате горячего Большого взрыва, можно распознать по его спектру.

Фактически, это тепловое космическое фоновое излучение было обнаружено.Работая над разработкой радара в 1940-х годах, Роберт Х. Дике, работавший тогда в Массачусетском технологическом институте, изобрел микроволновый радиометр – устройство, способное обнаруживать низкие уровни излучения. В 1960-х годах Bell Laboratories использовала радиометр в телескопе, который отслеживал первые спутники связи Echo-1 и Telstar. Инженер, создавший этот прибор, обнаружил, что он обнаруживает неожиданное излучение. Арно А. Пензиас и Роберт В. Уилсон идентифицировали этот сигнал как космическое фоновое излучение.Интересно, что Пензиас и Вильсон пришли к этой идее после того, как Дикке предложил использовать радиометр для поиска космического фона.

Астрономы очень подробно изучили это излучение с помощью спутника Cosmic Background Explorer (COBE) и ряда экспериментов с запуском ракет, воздушных шаров и земли. Космическое фоновое излучение имеет два отличительных свойства. Во-первых, он практически одинаков во всех направлениях. (Как сказал Джордж Ф.Лаборатория Смута Лоуренса Беркли и его группа обнаружили в 1992 году, что отклонение составляет всего одну часть на 100 000.) Интерпретация состоит в том, что излучение равномерно заполняет пространство, как и предсказывается в космологии большого взрыва. Во-вторых, спектр очень близок к спектру объекта, находящегося в тепловом равновесии при температуре 2,726 кельвина выше абсолютного нуля. Безусловно, космическое фоновое излучение возникло, когда Вселенная была намного горячее, чем 2,726 градуса, однако исследователи правильно предположили, что видимая температура излучения будет низкой.В 1930-х годах Ричард Толмен из Калифорнийского технологического института показал, что температура космического фона будет уменьшаться из-за расширения Вселенной.

Космическое фоновое излучение является прямым доказательством того, что Вселенная действительно расширилась из плотного горячего состояния, поскольку это условие необходимо для образования излучения. В плотной, горячей ранней Вселенной термоядерные реакции производили элементы тяжелее водорода, включая дейтерий, гелий и литий.Поразительно, что рассчитанная смесь легких элементов согласуется с наблюдаемыми содержаниями. То есть все свидетельства указывают на то, что легкие элементы образовались в горячей молодой Вселенной, тогда как более тяжелые элементы появились позже, как продукты термоядерных реакций, приводящих в действие звезды.

Теория происхождения легких элементов возникла в результате всплеска исследований, последовавших за окончанием Второй мировой войны. Джордж Гамов и аспирант Ральф А. Альфер из Университета Джорджа Вашингтона и Роберт Херман из Лаборатории прикладной физики Университета Джона Хопкинса и другие использовали данные ядерной физики, полученные во время войны, чтобы предсказать, какие ядерные процессы могли происходить в ранней Вселенной. и какие элементы могли быть произведены.Альфер и Герман также поняли, что остатки первоначального расширения все еще можно будет обнаружить в существующей вселенной.

Несмотря на то, что важные детали этой новаторской работы были ошибочными, она установила связь между ядерной физикой и космологией. Ученые продемонстрировали, что раннюю Вселенную можно рассматривать как разновидность термоядерного реактора. В результате физики теперь точно рассчитали содержание легких элементов, образовавшихся в результате Большого взрыва, и то, как эти количества изменились из-за последующих событий в межзвездной среде и ядерных процессов в звездах.

Наше понимание условий, которые преобладали в ранней Вселенной, не дает полного понимания того, как формировались галактики. Тем не менее, у нас есть немало кусочков головоломки. Гравитация вызывает рост флуктуаций плотности в распределении материи, потому что она сильнее замедляет расширение более плотных областей, заставляя их расти еще плотнее. Этот процесс наблюдается при росте ближайших скоплений галактик, и сами галактики, вероятно, были собраны таким же процессом в меньшем масштабе.

Росту структуры в ранней Вселенной препятствовало радиационное давление, но это изменилось, когда Вселенная расширилась примерно до 0,1 процента от своего нынешнего размера. В тот момент температура составляла около 3000 кельвинов, достаточно прохладно, чтобы позволить ионам и электронам объединиться с образованием нейтрального водорода и гелия. Нейтральное вещество могло проскальзывать сквозь излучение и образовывать газовые облака, которые могли коллапсировать в звездные скопления. Наблюдения показывают, что к тому времени, когда Вселенная достигла одной пятой своего нынешнего размера, материя собралась в газовые облака, достаточно большие, чтобы их можно было назвать молодыми галактиками.

Актуальная задача сейчас состоит в том, чтобы согласовать очевидную однородность ранней Вселенной с неровным распределением галактик в нынешней Вселенной. Астрономы знают, что плотность ранней Вселенной не сильно менялась, потому что они наблюдают лишь незначительные отклонения в космическом фоновом излучении. До сих пор было легко разработать теории, согласующиеся с доступными измерениями, но в настоящее время ведутся более важные испытания. В частности, разные теории образования галактик предсказывают совершенно разные флуктуации космического фонового излучения на угловых масштабах менее одного градуса.Измерения таких крошечных флуктуаций еще не проводились, но они могут быть выполнены в ходе проводимых сейчас экспериментов. Будет интересно узнать, выдержит ли какая-либо из рассматриваемых сейчас теорий образования галактик эти испытания.

Современная Вселенная предоставила широкие возможности для развития жизни в том виде, в каком мы ее знаем – в той части Вселенной, которую мы можем наблюдать, существует около 100 миллиардов миллиардов звезд, похожих на Солнце. Однако космология большого взрыва подразумевает, что жизнь возможна только в течение ограниченного периода времени: в далеком прошлом Вселенная была слишком горячей, а ее ресурсы на будущее ограничены.Большинство галактик по-прежнему рождают новые звезды, но многие другие уже исчерпали запасы газа. Через тридцать миллиардов лет галактики станут намного темнее и заполнены мертвыми или умирающими звездами, поэтому будет гораздо меньше планет, способных поддерживать жизнь в том виде, в котором она существует сейчас.

Вселенная может расширяться бесконечно, и в этом случае все галактики и звезды в конечном итоге станут темными и холодными. Альтернативой этому сильному ознобу является большой хруст. Если масса Вселенной достаточно велика, гравитация в конечном итоге обратит расширение вспять, и вся материя и энергия воссоединятся.В течение следующего десятилетия, по мере того, как исследователи совершенствуют методы измерения массы Вселенной, мы можем узнать, идет ли нынешнее расширение к большому похолоданию или к большому сжатию.

В ближайшем будущем мы ожидаем, что новые эксперименты позволят лучше понять Большой взрыв. По мере того, как мы улучшаем измерения скорости расширения и возраста звезд, мы сможем подтвердить, что звезды действительно моложе расширяющейся Вселенной. Недавно построенные или строящиеся более крупные телескопы могут позволить нам увидеть, как масса Вселенной влияет на кривизну пространства-времени, что, в свою очередь, влияет на наши наблюдения далеких галактик.

Мы также продолжим изучать вопросы, которые космология большого взрыва не решает. Мы не знаем, почему произошел Большой взрыв или что могло существовать раньше. Мы не знаем, есть ли у нашей Вселенной братьев и сестер – другие расширяющиеся области, удаленные от того, что мы можем наблюдать. Мы не понимаем, почему фундаментальные константы природы имеют такие значения. Достижения в физике элементарных частиц подсказывают несколько интересных способов ответа на эти вопросы; задача состоит в том, чтобы найти экспериментальную проверку идей.

Продолжая дискуссии по таким вопросам космологии, следует иметь в виду, что все физические теории являются приближениями к реальности, которые могут потерпеть неудачу, если зайти слишком далеко. Физическая наука продвигается вперед за счет включения более ранних теорий, экспериментально подтвержденных, в более широкие и всеобъемлющие рамки.