Большой взрыв и происхождение вселенной кратко видео

Обновлено: 05.07.2024

Однако, хотя Теория большого взрыва невероятна как фантастический рассказ, на данный момент – это самая “стройная” из теорий, которой мы мы располагаем для объяснения того откуда появился привычный нам мир с незыблемыми законами физики.

Как была создана Теория “большого взрыва”

В 1917 г. было обнаружено, что в спектре некоторых “туманностей”, спектральные линии явственно смещены к красному концу спектра. А надо сказать, что в ту пору, как и во времена Шарля Мессье, “туманностями”, из-за не совершенства оптических приборов, именовали любые светящиеся объекты на небосклоне, имеющие неясные очертания (т.е. “туманностью” могла быть и классическая туманность и далекая галактика и звездное скопление).

Эдвин Хаббл и красное смещение галактик

Постепенно к началу 30-х годов сложилось мнение, что главные вещественные составляющие Вселенной — галактики, каждая из которых в среднем состоит приблизительно из ста миллиардов звезд. Солнце вместе с Солнечной системой входит в нашу Галактику “Млечный путь”, и основная масса звезд которую мы наблюдаем на небосклоне, принадлежит той же галактике. Кроме звезд и планет Галактика содержит также значительное количество разреженных газов и космической пыли.

Величина красного смещения была пропорциональной расстоянию до источника излучения — такова была строгая формулировка неожиданно открытого Хабблом закона, по-простому звучавшего так – если объект удаляется от наблюдателя, его спектр смещается в красную часть, и чем дальше объект от наблюдателя, тем сильнее происходит это смещение.

Расширяющаяся вселенная – проблема не только математики, но и философии!

К началу 30-х годов широкую популярность приобрела теория конечной, замкнутой Вселенной, разработанная Альбертом Эйнштейном. При некоторых упрощающих предположениях о структуре Вселенной и использовании теории относительности можно доказать, что вследствие действия гравитации трехмерное космическое пространство должно быть замкнутым, конечным, хотя и безграничным, как поверхность шара. Это, правда, только аналогия, не больше. Если Вселенную и можно назвать шаром, то шаром четырехмерным, не поддающимся наглядному представлению. В сферическом замкнутом космосе Эйнштейна количество галактик хотя и очень велико, но все же конечно. Значит, конечна и масса такой замкнутой Вселенной, как конечны ее объем и радиус.

Астроном Эдвин Хаббл – в честь абы кого, целый космический телескоп не назовут!

Строго говоря, в переводе с языка философии и науки на обычный, это звучало так – да, вселенная постоянно расширяется. И да, когда-то очень давно, она была значительно меньше, плотнее и (с сохранением всего того же, что и сейчас объема атомов, молекул, материи и энергии) сжата в непостижимо плотный с нашей точки зрения “клубочек”, который однажды был “развязан” неким не поддающимся осмыслению и описанию событием, которое мы называем “большой взрыв”.

Сплошные вопросы! И, к сожалению, у нас (по названным выше причинам, включая возраст Земли) нет никакой возможности “отмотать” время назад и увидеть – как же происходил “большой взрыв”, и что было до него.

Однако, благодаря расчетам и наблюдениям, мы можем приблизительно восстановить хронологию событий.

Представьте себе нашу Вселенную, только … сжатую до размеров одной точки. Всё вещество, что есть сейчас и из которого сделаны планеты, звезды, пылевые облака – вот всё это вещество, только сжатое в точку. Невероятное зрелище, как говорит наука, “высокооднородная среда с необычайно высокой плотностью энергии, температурой и давлением”. С современной точки зрения, такой объем вещества в одной точке, должен был находится в сингулярности, то есть, по простому, “не существовать” с точки зрения обычных законов физики. Но в таком деле, как рождение Вселенной, законы физики отдыхают! Физика, впрочем, даже не пытается этот момент объяснить – на этом этапе царят не физические законы, а практически “волшебство” нам пока недоступное и непостижимое.

И вдруг вся эта “сверхточка” “взрывается” и начинает “разворачиваться”, увеличиваясь в объеме, разлетаясь в высь и в ширь, разреживаясь и … остывая.

То что произошло с момента и до 10 -43 секунд после Большого взрыва, физика также не объясняет (не потому что нет объяснения, то есть происходит некая “магия”, а потому, что наша наука этого пока объяснить не может – в современных условиях невозможно достичь того состояния плотности и температуры вещества). Температура и плотность вещества Вселенной теперь близки к планковским значениям. По окончании этого этапа происходит великое разделение – гравитационное излучение отделилось от вещества.
Приблизительно через 10 -42 секунд после момента Большого взрыва фазовый переход вызвал экспоненциальное расширение Вселенной. Данный период получил название Космической инфляции и завершился через 10 -36 секунд после момента Большого взрыва. После окончания этого периода строительный материал Вселенной представлял собой кварк-глюонную плазму. По прошествии некоторого времени температура упала до значений, при которых стал возможен следующий фазовый переход, называемый бариогенезисом. На этом этапе кварки и глюоны объединились в барионы, такие как протоны и нейтроны. При этом одновременно происходило асимметричное образование как материи, которая превалировала, так и антиматерии, которые взаимно аннигилировали, превращаясь в электромагнитное излучение.
Дальнейшее падение температуры привело к следующему фазовому переходу — образованию физических сил и элементарных частиц в их современной форме. После чего наступила эпоха нуклеосинтеза, при которой протоны, объединяясь с нейтронами, образовали ядра дейтерия, гелия-4 и ещё нескольких лёгких изотопов. После дальнейшего падения температуры и расширения Вселенной наступил следующий переходный момент, при котором гравитация стала доминирующей силой. Через 380 тысяч лет после Большого взрыва температура снизилась настолько, что стало возможным существование атомов водорода. После эры рекомбинации материя стала прозрачной для излучения, которое, свободно распространяясь в пространстве, дошло до нас в виде реликтового излучения.

Дальше… дальше уже ничего такого не происходило. Работали привычные нам законы физики, Вселенная расширялась и дальше, возникали звезды и планеты.

И вот тут самое главное:

Необходимо отметить, что на всех стадиях Большого взрыва выполняется так называемый космологический принцип — Вселенная в любой данный момент времени выглядит одинаково для наблюдателя в любой точке пространства. В частности, в любой данный момент во всех точках пространства плотность материи в среднем одна и та же.

То есть Большой взрыв не похож на некий взрыв динамитной шашки в пустом пространстве, когда вещество начинает расширяться из небольшого объёма в окружающую пустоту, образуя сферическое газовое облако с чётким фронтом расширения, за пределами которого — вакуум. Это популярное представление ошибочно.

На самом деле Большой взрыв происходил во всех точках пространства одновременно и синхронно, нельзя указать на какую-либо точку как на центр взрыва, в пространстве нет крупномасштабных градиентов давления и плотности и нет никаких границ или фронтов, отделяющих расширяющееся вещество от пустоты.

Большой взрыв следует представлять как расширение самого пространства вместе с содержащейся в нём материей, которая в среднем в каждой данной точке покоится.

Инфографика хронологии Большого взрыва – время в секундах с начала взрыва, и температура вселенной в (в Кельвинах). Хорошо видно, какие элементы и в какое время сформировались

До каких пор будет продолжаться расширение Вселенной?

Как вы могли заметить, сама теория “Большого взрыва”, далеко не всё объясняет. И хотя на самом деле, проблема не в теории как таковой (мы можем объяснить что-то только с точки зрения законов физики, однако ясно, что в момент “рождения вселенной”, т.е. “взрыва”, законы физики просто…. не работали!), в ней все же есть ряд белых пятен, которые ещё предстоит разобрать ученым ближайшего будущего.

Так вот, согласно теории Большого взрыва, дальнейшая эволюция Вселенной зависит от средней плотности вещества в современной Вселенной. Если плотность не превосходит некоторого критического значения, Вселенная будет расширяться вечно, если же плотность больше критической, то процесс расширения когда-нибудь остановится и начнётся обратная фаза сжатия, возвращающая к исходному сингулярному состоянию.

Современные наблюдательные данные показывают, что средняя плотность в пределах экспериментальной погрешности (доли процента) равна критической.

Большой взрыв берет начало от бесконечно малой и бесконечно бесконечно плотной точки – сингулярности. Откуда она появилась, да и появилась ли вообще, не известно. Но вдруг, по каким-то причинам, она разлетелась во все стороны – произошёл Большой взрыв. По каким причинам это случилось, тоже не известно, но результатом стало образование нашей Вселенной со всем её содержимым: пространством, материей, полями и т.д. Рассмотрим основные этапы Большого взрыва, сформировавшего нашу Вселенную, опираясь на современную науку.

Начальное расширение Вселенной, до которого она существовала в состоянии сингулярности, описывается космологической моделью. Эта модель принята подавляющим большинством специалистов. В современной интерпретации теория Большого взрыва сочетается с моделью горячей Вселенной, хотя независимость этих концепций очевидна.

По уточнённым представлениям, та Вселенная, которую мы можем наблюдать, образовалась 13,7 млрд. лет назад.

Ранняя Вселенная в нынешних представлениях разделяется на эпохи. Каждая эпоха имеет свою хронологию. Эпохи описывают, каким образом и в какой хронологии протекали процессы во время Большого взрыва.

Планковская эпоха

Планковская эпоха считается самым ранним моментом Большого взрыва. Продолжительность этой эпохи не очень велика, она определяется временем от 0 до 10 -43 секунд. Параметры вещества этой эпохи тоже имеют планковские значения: температура составляла 10 32 К, а плотность – 10 93 г/см 3 . Поскольку Вселенная в это время имела чрезвычайно малые размеры, миром правили квантовые эффекты. Все существующие силы были объединены, а гравитационное воздействие по величине было сравнимо с остальными фундаментальными силами. Невероятно высокие параметры температуры и плотности вещества делали его состояние неустойчивым. Произошло нарушение симметрии, и стали проявляться фундаментальные силы — гравитация отделилась от других взаимодействий. Это стало окончанием планковской эпохи.

Эпоха великого объединения

Эта эпоха (ЭВО) ещё носит название эпохи суперсимметрии. То есть, это такое состояние, когда бозонные и фермионные поля могут переходить друг в друга. Или же, что понятнее, вещество может становиться взаимодействием (излучением), и наоборот. Считается, что ЭВО стартовала во временной момент порядка 10 -43 секунд и закончилась около 10 -34 секунды. Температура этой эпохи составила 10 27 К, а плотность – 10 74 г/см 3 . С начала ЭВО происходит ослабление квантовых эффектов, и начинают действовать законы теории относительности.

Гравитация уже отделилась, но оставшиеся три взаимодействия (сильное, слабое и электромагнитное) пока объединены в одно. В продолжение данной эпохи были абсолютно не актуальны некоторые физические характеристики – вес, масса, цвет. В конце ЭВО происходит отделение сильного взаимодействия от остальных, и в создающихся условиях оно приводит к новому этапу – Инфляционному расширению Вселенной. Очень трудно, а, скорее, абсолютно невозможно представить временные промежутки от 10 -43 до 10 -34 секунд. Но правильно ли мы рассуждаем, пытаясь измерить неизвестные события привычными величинами? А какими были физические законы до Большого взрыва, в момент его и по окончании самого процесса? Может быть, эти понятия из того же разряда, что и многомерность Вселенной, представить которую мы пока явно не в состоянии? Ответы на эти вопросы — дело ученых в будущем.

Инфляционная эпоха

При происшествии планковского времени после Большого взрыва началось Инфляционное расширение, предполагающее период его более быстрого (почти моментального) расширения, нежели предусмотрено стандартной моделью. Разработчиком теории стал А. Гут в 1981 году, но значительный вклад был привнесён астрофизиками Старобинским, Линде, Мухановым и др.

Концепция теории

Кратко сформулировать концепцию инфляции можно тремя базовыми положениями:

Инфляция неизбежна. Долгие и разнообразные исследования в области теоретической физики вселяют уверенность, что ранняя Вселенная обладала полями, которые отвечали за инфляционное расширение. Многочисленные варианты теории, объединяющей все физические взаимодействия, в частности, теория суперструн, подразумевают наличие больших количеств таких полей. Хотя бы одно поле имело условия для наступления инфляции.
Однородная и плоскостная Вселенная объясняется теорией инфляции.Она упразднила вопросы о геометрических параметрах и степени однородности Вселенной, которыми она обладала сразу после Большого взрыва. Инфляционное расширение сглаживает все начальные условия.
Теория инфляции неплохо может предсказывать наблюдения. Наблюдая космический микроволновый фон реликтового излучения и характер распределения галактик, подтверждается, что в ранней Вселенной вариации энергии в пространстве были масштабно-инвариантны.

Инфляция

Время, отведенное этой эпохе, составляют от 10 -35 до 10 -32 секунд. За это время экспоненциально увеличивается радиус Вселенной – на много порядков. Начинает создаваться крупномасштабная структура Вселенной. Происходит вторичный нагрев и начинается бариогенезис – объединение кварков и глюонов в адроны и барионы. Размеры Вселенной во время начала инфляционного процесса составляли 10 -33 см. А, как нам известно, величина протона – 10 -13 см.

Выходит, в самом начале Вселенная была меньше протона во столько же раз, во сколько протон меньше Луны.

Что интересно, Луна соотносится с Вселенной нынешней примерно в той же пропорции. За величину, исчисляемую ничтожными долями секунды, размеры Вселенной увеличились в 10 25 раз. Причиной столь быстрого считается скалярное поле, именуемое инфлантонным. Это поле имеет напряжённость в каждой точке пространства-времени, а его потенциальная энергия является причиной ускоренного расширения Вселенной.

Инфляция не может полностью сгладить первичные неоднородности, которые сохраняются за счёт квантовых эффектов. Из законов квантовой физики известно, что поле инфлантона не имеет всюду в пространстве одинаковую напряжённость. Наличие случайных флуктуаций поля способствует неравномерному окончанию стадии инфляционного расширения в разных частях Вселенной. Температуры в этих частях тоже различаются. Из этих неоднородностей впоследствии будут образованы звёзды и галактики. Если бы Вселенная была абсолютно однородна, в ней бы не смогли образоваться никакие структуры.

Проблемы модели и их разрешение

Проблема крупномасштабности и изотропности Вселенной может быть разрешена благодаря тому, что на стадии инфляции расширение происходило необычайно высокими темпами. Из этого следует, что всё пространство наблюдаемой Вселенной – результат одной причинно-связанной области эпохи, предшествующей инфляционной.
Разрешение проблемы плоской Вселенной. Это возможно потому, что на стадии инфляции происходит увеличение радиуса кривизны пространства. Эта величина такова, что позволяет современным параметрам плотности иметь значение, близкое к критическому.
Инфляционное расширение ведёт к возникновению колебаний плотности с определённой амплитудой и формой спектра. Это даёт возможность развития этих колебаний (флуктуаций) в нынешнюю структуру Вселенной, сохраняя крупномасштабную однородность и изотропность. Это разрешение проблемы крупномасштабной структуры Вселенной.

Основным недостатком инфляционной модели можно считать её зависимость от теорий, которые ещё не доказаны и разработаны не до конца.

Например, модель базируется на теории единого поля, которая пока является просто гипотезой. Её невозможно проверить экспериментально в лабораторных условиях. Ещё один недостаток модели – непонятность, откуда взялась перегретая и расширяющаяся материя. Здесь рассматриваются три возможности:

Стандартная теория Большого взрыва предполагает начало инфляции на самой ранней стадии эволюции Вселенной. Но тогда не разрешается проблема сингулярности.
Вторая возможность – возникновение Вселенной из хаоса. Разные участки её имели различную температуру, поэтому в одних местах происходило сжатие, а в других – расширение. Инфляция должна была возникнуть в области Вселенной, которая была перегрета и расширялась. Но не ясно, откуда взялся первичный хаос.
Третий вариант – квантово-механический путь, посредством которого возник сгусток перегретой и расширяющейся материи. Фактически, Вселенная возникла из ничего.

Противники инфляционной модели

Инфляционная модель Вселенной устраивает не всех. Знаменитый английский учёный Р. Пенроуз – один из основных её противников. Он считает, что те решения, что предлагаются данной моделью, схожи с процессом заметания мусора под ковёр. Сложности, возникающие в отсутствии некоторых фундаментальных обоснований, носят название проблем начальных значений. Например, на стадии, предшествующей инфляции, возмущения плотности должны иметь определённые, очень малые значения. Именно этот фактор делает реальной наблюдаемую степень однородности, но вот инфляционная модель этого никак не объясняет. Пространственная кривизна при инфляции уменьшается значительно, но и до инфляционного периода она вполне могла иметь такие большие значения, чтобы быть заметной в современной фазе развития Вселенной. И этому объяснений тоже нет. Вот лекция Пенроуза где он детально обо всем рассказывает:

Образование нашего мира после инфляции

Большой взрыв включил гигантский ускоритель частиц, и Вселенная стала стремительно расширяться и эволюционировать. Процессы рождения и гибели частиц менялись стремительно и непрестанно. Это предопределило всю дальнейшую эволюцию Вселенной и тот облик её, который нам знаком. Расширение Вселенной представляет собой процесс, в ходе которого при непрерывно возрастающем объёме количество элементарных частиц остаётся прежним.

В первый момент Большого взрыва всё вещество представляло собой раскалённую, очень насыщенную смесь различных частиц, античастиц и гамма-фотонов высоких энергий. Частицы, сталкиваясь, взаимоуничтожались и рождались вновь. Мы уже рассматривали и инфляционную модель расширения Вселенной, теперь посмотрим как она эволюционировала после неё:

Рождение галактик

Иерархическая теория

Инфляционная теория

Этот вариант базируется на особенностях квантовых флуктуаций, непрерывно происходящих в вакууме. В ходе инфляционного расширения тоже имели место эти флуктуации. Расширение Вселенной происходило со сверхсветовыми скоростями, поэтому расширялись и флуктуации, а параметры их могли превышать начальные в (10 10 ) 12 раз. Из-за этих флуктуации Вселенная стала неоднородной, и за 400000 лет под действием гравитационного сжатия из этих неоднородностей получились газовые туманности, позднее ставшие галактиками. Согласно ей, сначала образовывались крупные галактики, а потом уже более мелкие.

Рождение звёзд

Процесс массового формирования звёзд из межзвёздного газа получил название звёздообразования. Обычно для протекания этого процесса достаточно области, имеющей размеры не более 100 пк. Но бывают и сверхассоциации, которые можно сопоставить с размерами галактики. И наш Млечный Путь, и другие галактики имеют объекты, находящиеся на стадии звёздообразования. Процесс образования и эволюции звёзд проходит в несколько этапов:

Формируются большие газовые комплексы (масса – от 10 7 солнечных);
В комплексах появляются молекулярные облака;
Происходит гравитационное сжатие облаков до образования звезды;
Непосредственно жизнь звезды, под действием термоядерной реакции в недрах звёзд образуются новые элементы;
Вспышки новых и сверхновых за счет выгорания топлива, или образование звёзд-карликов;

Жизнь самых массивных звёзд не очень долгая – миллионы лет, а сам факт их существования подтверждает, что процессы звёздообразования происходят и теперь. Молодые звёзды чаще всего существуют в виде рассеянных скоплений и звёздных ассоциаций, составляющие десятки и сотни объектов. В созвездии Орион можно наблюдать действующий процесс звёздообразования из гигантского газового комплекса.

Рождение планет

Пока не совсем ясно, какие процессы формировали планеты и планетные системы. Но по всем имеющимся данным определённо можно сказать, что:

Планеты образовываются ещё до того, как рассеялся протопланетный диск звезды;
Большое значение имеет аккреция (вещество падает на поверхность звезды из окружающего пространства);
Набирают массу рождающиеся планеты за счёт планетезималей (постепенно приращивая массу за счет мелких частиц).

Формирование планет заканчивается, когда молодая звезда включает свой термоядерный реактор. В результате ядерных реакций создаётся солнечный ветер, который своим давлением рассеивает протопланетный диск. Создание планет из протопланетного диска может происходить по двум основным сценариям.

Аккреционный. Из пыли образуются планетезимали. Некоторые из них становятся доминирующими, и именно они и станут протопланетами. Если протопланета окружена большим количеством газа, то может получиться планета-гигант, которая будет наращивать массу за счёт аккреции.
Гравитационный коллапс. Протопланетный диск является объектом самогравитирующим, поэтому он подвержен нестабильностям. Из таких нестабильностей и образуются планеты, постепенно наращивая свою массу.

Солнечная система

4,6 млрд. лет назад начала формироваться наша планетная система из части молекулярного облака, в центре которого образовалось Солнце. По последним данным, в начале своей жизни наша планетная система имела несколько иной вид: внешние её границы были более компактны, пояс Койпера был придвинут намного ближе к Солнцу. Количество планет, находящихся во внутренней части и имевших размеры не меньше, чем у Меркурия, было гораздо большим.

Таким образом, после Большого взрыва и образовался наш мир, каким мы его видим и сейчас.

Как появилась наша Вселенная? Как она превратилась в кажущееся на первый взгляд бесконечное пространство? И чем она станет спустя многие миллионы и миллиарды лет? Эти вопросы терзали (и продолжают терзать) умы философов и ученых, кажется, еще с начала времен, породив при этом множество интересных и порой даже безумных теорий. Сегодня большинство астрономов и космологов пришли к общему согласию относительно того, что Вселенная, которую мы знаем, появилась в результате гигантского взрыва, породившего не только основную часть материи, но явившегося источником основных физических законов, согласно которым существует тот космос, который нас окружает. Все это называется теорией Большого взрыва.

Вначале был взрыв.

Основы теории Большого взрыва относительно просты. Если кратко, согласно ей вся существовавшая и существующая сейчас во Вселенной материя появилась в одно и то же время — около 13,8 миллиарда лет назад. В тот момент времени вся материя существовала в виде очень компактного абстрактного шара (или точки) с бесконечной плотностью и температурой. Это состояние носило название сингулярности. Неожиданно сингулярность начала расширяться и породила ту Вселенную, которую мы знаем.

Стоит отметить, что теория Большого Взрывая является лишь одной из многих предложенных гипотез возникновения Вселенной (например, есть еще теория стационарной Вселенной), однако она получила самое широкое признание и популярность. Она не только объясняет источник всей известной материи, законов физики и большую структуру Вселенной, она также описывает причины расширения Вселенной и многие другие аспекты и феномены.

Хронология событий в теории Большого Взрыва

Так все выглядело в разрезе времени.

Основываясь на знаниях о нынешнем состоянии Вселенной, ученые предполагают, что все должно было начаться с единственной точки с бесконечной плотностью и конечным временем, которые начали расширяться. После первоначального расширения, как гласит теория, Вселенная прошла фазу охлаждения, которая позволила появиться субатомным частицам и позже простым атомам. Гигантские облака этих древних элементов позже, благодаря гравитации, начали образовывать звезды и галактики.

Все это, по догадкам ученых, началось около 13,8 миллиарда лет назад, и поэтому эта отправная точка считается возрастом Вселенной. Путем исследования различных теоретических принципов, проведения экспериментов с привлечением ускорителей частиц и высокоэнергетических состояний, а также путем проведения астрономических исследований дальних уголков Вселенной ученые вывели и предложили хронологию событий, которые начались с Большого взрыва и привели Вселенную в конечном итоге к тому состоянию космической эволюции, которое имеет место быть сейчас.

Ученые считают, что самые ранние периоды зарождения Вселенной — продлившиеся от 10 -43 до 10 -11 секунды после Большого взрыва, — по прежнему являются предметом споров и обсуждений. Если учесть, что те законы физики, которые нам сейчас известны, не могли существовать в это время, то очень сложно понять, каким же образом регулировались процессы в этой ранней Вселенной. Кроме того, экспериментов с использованием тех возможных видов энергий, которые могли присутствовать в то время, до сих пор не проводилось. Как бы там ни было, многие теории о возникновении Вселенной в конечном итоге согласны с тем, что в какой-то период времени имелась отправная точка, с которой все началось.

Тайны сингулярности

Сингулярность мало кто может объяснить человеческим языком.

Также известная как планковская эпоха (или планковская эра) принимается за самый ранний из известных периодов эволюции Вселенной. В это время вся материя содержалась в единственной точке бесконечной плотности и температуры. Во время этого периода, как считают ученые, квантовые эффекты гравитационного взаимодействия доминировали над физическим, и ни одна из физических сил не была равна по силе гравитации.

Планковская эра предположительно длилась от 0 до 10 -43 секунды и названа она так потому, что измерить ее продолжительность можно только планковским временем. Ввиду экстремальных температур и бесконечной плотности материи состояние Вселенной в этот период времени было крайне нестабильным. После этого произошли периоды расширения и охлаждения, которые привели к возникновению фундаментальных сил физики.

Приблизительно в период с 10 -43 до 10 -36 секунды во Вселенной происходил процесс столкновения состояний переходных температур. Считается, что именно в этот момент фундаментальные силы, которые управляют нынешней Вселенной, начали отделяться друг от друга. Первым шагом этого отделения явилось появление гравитационных сил, сильных и слабых ядерных взаимодействий и электромагнетизма.

В период примерно с 10 -36 до 10 -32 секунды после Большого взрыва температура Вселенной стала достаточно низкой (1028 К), что привело к разделению электромагнитных сил (сильное взаимодействие) и слабого ядерного взаимодействия (слабого взаимодействия).

Эпоха инфляции

Можно попробовать визуализировать Вселенную так.

С появлением первых фундаментальных сил во Вселенной началась эпоха инфляции, которая продлилась с 10 -32 секунды по планковскому времени до неизвестной точки во времени. Большинство космологических моделей предполагают, что Вселенная в этот период была равномерно заполнена энергией высокой плотности, а невероятно высокие температура и давление привели к ее быстрому расширению и охлаждению.

Чтобы не пропустить ничего интересного из мира высоких технологий, подписывайтесь на наш новостной канал в Telegram. Там вы узнаете много нового.

Это началось на 10 -37 секунде, когда за фазой перехода, вызвавшей отделение сил, последовало расширение Вселенной в геометрической прогрессии. В этот же период времени Вселенная находилась в состоянии бариогенезиса, когда температура была настолько высокой, что беспорядочное движение частиц в пространстве происходило с околосветовой скоростью.

В это время образуются и сразу же сталкиваясь разрушаются пары из частиц — античастиц, что, как считается, привело к доминированию материи над антиматерией в современной Вселенной. После прекращения инфляции Вселенная состояла из кварк-глюоновой плазмы и других элементарных частиц. С этого момента Вселенная стала остывать, начала образовываться и соединяться материя.

Охлаждение Вселенной

После взрыва все должно было снизить температуру.

Со снижением плотности и температуры внутри Вселенной начало происходить и снижение энергии в каждой частице. Это переходное состояние длилось до тех пор, пока фундаментальные силы и элементарные частицы не пришли к своей нынешней форме. Так как энергия частиц опустилась до значений, которые можно сегодня достичь в рамках экспериментов, действительное возможное наличие этого временного периода вызывает у ученых куда меньше споров.

Например, ученые считают, что на 10 -11 секунде после Большого взрыва энергия частиц значительно уменьшилась. Примерно на 10 -6 секунде кварки и глюоны начали образовывать барионы — протоны и нейтроны. Кварки стали преобладать над антикварками, что в свою очередь привело к преобладанию барионов над антибарионами.

В течение первых минут расширения Вселенной начался период нуклеосинтеза (синтез химических элементов). Благодаря падению температуры до 1 миллиарда кельвинов и снижения плотности энергии примерно до значений, эквивалентных плотности воздуха, нейтроны и протоны начали смешиваться и образовывать первый стабильный изотоп водорода (дейтерий), а также атомы гелия. Тем не менее большинство протонов во Вселенной остались в качестве несвязных ядер атомов водорода.

Спустя около 379 000 лет электроны объединились с этими ядрами водорода и образовали атомы (опять же преимущественно водорода), в то время как радиация отделилась от материи и продолжила практически беспрепятственно расширяться через пространство. Эту радиацию принято называть реликтовым излучением, и она является самым древнейшим источником света во Вселенной.

С расширением реликтовое излучение постепенно теряло свою плотность и энергию и в настоящий момент его температура составляет 2,7260 ± 0,0013 К (-270,424 °C), а энергетическая плотность 0,25 эВ (или 4,005×10 -14 Дж/м³; 400–500 фотонов/см³). Реликтовое излучение простирается во всех направлениях и на расстояние около 13,8 миллиарда световых лет, однако оценка его фактического распространения говорит примерно о 46 миллиардах световых годах от центра Вселенной.

Структурирование Вселенной

Вот что произошло за 14 миллиардов лет.

В последующие несколько миллиардов лет более плотные регионы почти равномерно распределенной во Вселенной материи начали притягиваться друг к другу. В результате этого они стали еще плотнее, начали образовывать облака газа, звезды, галактики и другие астрономические структуры, за которыми мы можем наблюдать в настоящее время. Этот период носит название иерархической эпохи. В это время та Вселенная, которую мы видим сейчас, начала приобретать свою форму. Материя начала объединяться в структуры различных размеров — звезды, планеты, галактики, галактические скопления, а также галактические сверхскопления, разделенные межгалактическими перемычками, содержащими всего лишь несколько галактик.

Детали этого процесса могут быть описаны согласно представлению о количестве и типе материи, распределенной во Вселенной, которая представлена в виде холодной, теплой, горячей темной материи и барионного вещества. Однако современной стандартной космологической моделью Большого взрыва является модель Лямбда-CDM, согласно которой частицы темной материи двигаются медленнее скорости света. Выбрана она была потому, что решает все противоречия, которые появлялись в других космологических моделях.

Согласно этой модели на холодную темную материю приходится около 23 процентов всей материи/энергии во Вселенной. Доля барионного вещества составляет около 4,6 процента. Лямбда-CDM ссылается на так называемую космологическую постоянную: теорию, предложенную Альбертом Эйнштейном, которая характеризует свойства вакуума и показывает соотношение баланса между массой и энергией как постоянную статичную величину. В этом случае она связана с темной энергией, которая служит в качестве акселератора расширения Вселенной и поддерживает гигантские космологические структуры в значительной степени однородными.

Что будет со Вселенной

Будущее знать нельзя, но можно предсказать.

Гипотезы относительно того, что эволюция Вселенной обладает отправной точкой, естественным способом подводят ученых к вопросам о возможной конечной точке этого процесса. Если Вселенная начала свою историю из маленькой точки с бесконечной плотностью, которая вдруг начала расширяться, не означает ли это, что расширяться она тоже будет бесконечно? Или же однажды у нее закончится экспансивная сила и начнется обратный процесс сжатия, конечным итогом которого станет все та же бесконечно плотная точка?

Ответы на эти вопросы были основной целью космологов с самого начала споров о том, какая же космологическая модель Вселенной является верной. С принятием теории Большого взрыва, но по большей части благодаря наблюдению за темной энергией в 1990-х годах, ученые пришли к согласию в отношении двух наиболее вероятных сценариев эволюции Вселенной.

Большой взрыв — в таком виде

История теории Большого взрыва

А вы бы смогли рассказать все это в эфире ВВС?

Самое раннее упоминание Большого взрыва относится к началу 20-го века и связано с наблюдениями за космосом. В 1912 году американский астроном Весто Слайфер провел серию наблюдений за спиральными галактиками (которые изначально представлялись туманностями) и измерил их доплеровское красное смещение. Почти во всех случаях наблюдения показали, что спиральные галактики отдаляются от нашего Млечного Пути.

В 1922 году выдающийся российский математик и космолог Александр Фридман вывел из уравнений Эйнштейна для общей теории относительности так называемые уравнения Фридмана. Несмотря продвижения Эйнштейном теории в пользу наличия космологической постоянной, работа Фридмана показала, что Вселенная скорее находится в состоянии расширения.

В 1924 году измерения Эдвина Хаббла дистанции до ближайшей спиральной туманности показали, что эти системы на самом деле являются действительно другими галактиками. В то же время Хаббл приступил к разработке ряда показателей для вычета расстояния, используя 2,5-метровый телескоп Хукера в обсерватории Маунт Вилсон. К 1929 году Хаббл обнаружил взаимосвязь между расстоянием и скоростью удаления галактик, что впоследствии стало законом Хаббла.

В 1927 году бельгийский математик, физик и католический священник Жорж Леметр независимо пришел к тем же результатам, какие показывали уравнения Фридмана, и первым сформулировал зависимость между расстоянием и скоростью галактик, предложив первую оценку коэффициента этой зависимости. Леметр считал, что в какой-то период времени в прошлом вся масса Вселенной была сосредоточена в одной точке (атоме).

Эти открытия и предположения вызывали много споров между физиками в 20-х и 30-х годах, большинство из которых считало, что Вселенная находится в стационарном состоянии. Согласно устоявшейся в то время модели, новая материя создается наряду с бесконечным расширением Вселенной, равномерно и равнозначно по плотности распределяясь на всей ее протяженности. Среди ученых, поддерживающих ее, идея Большого взрыва казалась больше теологической, нежели научной. В адрес Леметра звучала критика о предвзятости на основе религиозных предубеждений.

Следует отметить, что в то же время существовали и другие теории. Например, модель Вселенной Милна и циклическая модель. Обе основывались на постулатах общей теории относительности Эйнштейна и впоследствии получили поддержку самого ученого. Согласно этим моделям Вселенная существует в бесконечном потоке повторяющихся циклов расширений и коллапсов.

Космос настолько загадочен, что мы не сможем понять даже малую его часть.

В конце концов дальнейшие научные исследования и наблюдения все больше и больше говорили в пользу теории Большого взрыва и все чаще ставили под сомнение модель стационарной Вселенной. Обнаружение и подтверждение реликтового излучения в 1965 году окончательно укрепили Большой взрыв в качестве лучшей теории происхождения и эволюции Вселенной. С конца 60-х годов и вплоть до 1990-х астрономы и космологи провели еще больше исследований вопроса Большого взрыва и нашли решения для многих теоретических проблем, стоящих на пути у данной теории.

Среди этих решений, например, работа Стивена Хокинга и других физиков, которые доказали, что сингулярность являлась неоспоримым начальным состоянием общей относительности и космологической модели Большого взрыва. В 1981 году физик Алан Гут вывел теорию, описывающую период быстрого космического расширения (эпохи инфляции), которая решила множество ранее нерешенных теоретических вопросов и проблем.

В 1990-х наблюдался повышенный интерес к темной энергии, которую рассматривали как ключ к решению многих нерешенных вопросов космологии. Помимо желания найти ответ на вопрос о том, почему Вселенная теряет свою массу наряду с темной матерей (гипотеза была предложена еще в 1932 году Яном Оортом), также было необходимо найти объяснение тому, почему Вселенная по-прежнему ускоряется.

Дальнейший прогресс изучения обязан созданию более продвинутых телескопов, спутников и компьютерных моделей, которые позволили астрономам и космологам заглянуть дальше во Вселенной и лучше понять ее истинный возраст. Развитие космических телескопов и появление таких, как, например, Cosmic Background Explorer (или COBE), космический телескоп Хаббла, Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) и космическая обсерватория Планка, тоже внесло бесценный вклад в исследование вопроса.

Сегодня космологи могут с довольно высокой точностью проводить измерения различных параметров и характеристик модели теории Большого взрыва, не говоря уже о более точных вычислениях возраста окружающего нас космоса. А ведь все началось с обычного наблюдения за массивными космическими объектами, расположенными во многих световых годах от нас и медленно продолжающих от нас отдаляться. И несмотря на то, что мы понятия не имеем, чем это все закончится, чтобы выяснить это, по космологическим меркам на это потребуется не так уж и много времени.

Что же такое Вселенная? Если емко, то это сумма всего существующего. Это все время, пространство, материя и энергия, образовавшиеся и расширяющиеся вот уже 13.8 миллиардов лет. Никто не может точно сказать, насколько обширны просторы нашего мира и пока нет точных предсказаний финала.

Определение Вселенной

В современном понятии вмещают все, что существует во Вселенной – наша система, Млечный Путь и прочие структуры. Также сюда входят все виды энергии, пространство-время и физические законы.

Теории происхождения Вселенной

Креационизм: все создал Господь Бог

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:

Теория Большого Взрыва (модель горячей Вселенной)

Пожалуй, самая распространенная и наиболее признанная модель происхождения нашей Вселенной. Отвечает на вопрос — каким образом образовались химические элементы и почему распространённость их именно такая, какая сейчас наблюдается.

Согласно этой теории, около 14 миллиардов назад, пространства и времени не было, а вся масса вселенной была сосредоточена в крохотной точке с невероятной плотностью – в сингулярности. Однажды из-за возникшей в ней неоднородности, произошел так называемый Большой Взрыв. И с тех пор Вселенная постоянно расширяется и остывает.

Теория Большого взрыв

Первые 10 -43 секунды после Большого Взрыва называют этапом квантового хаоса. Природа мироздания на этом этапе существования не поддается описанию в рамках известной нам физики. Происходит распад непрерывного единого пространства-времени на кванты.

Спустя 10 000 лет энергия вещества постепенно превосходит энергию излучения и происходит их разделения. Вещество начинает доминировать над излучением, возникает реликтовый фон.

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.

Также разделение вещества с излучением значительно усилило изначальные неоднородности в распределении вещества, в результате чего начали образовываться галактики и сверхгалактики. Законны Вселенной пришли к тому виду, в котором мы наблюдаем их сегодня.

Модель расширяющейся Вселенной

Сейчас доподлинно известно, что Галактики и иные космические объекты удаляются друг от друга, а значит, Вселенная расширяется.

Модель расширяющейся Вселенной описывает сам факт расширения. В общем случае не рассматривается, когда и почему Вселенная начала расширяться. В основе большинства моделей лежит общая теория относительности и её геометрический взгляд на природу гравитации.

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 эволюции крупномасштабных структур

Как показывают данные по реликтовому фону, в момент отделения излучения от вещества Вселенная была фактически однородна, флуктуации вещества были крайне малыми, и это представляет собой значительную проблему.

Вторая проблема — ячеистая структура сверхскоплений галактик и одновременно сфероподобная — у скоплений меньших размеров. Любая теория, пытающаяся объяснить происхождение крупномасштабной структуры Вселенной, в обязательном порядке должна решить эти две проблемы.

Суть — вначале галактики были небольшие по размеру (примерно как Магеллановы облака ), но со временем они сливаются, образуя всё большие галактики.

В последнее время верность теории поставлена под вопрос.

Теория струн

Эта гипотеза в некоторой степени опровергает Большой взрыв в качестве начального момента возникновения элементов открытого космоса.

Согласно теории струн, Вселенная существовала всегда. Гипотеза описывает взаимодействие и структуру материи, где существует определенный набор частиц, которые делятся на кварки, бозоны и лептоны. Говоря простым языком, эти элементы являются основой мироздания, поскольку их размер настолько мал, что деление на другие составляющие стало невозможным.

Отличительной чертой теории о том, как образовалась Вселенная, становится утверждение о вышеупомянутых частицах, которые представляют собой ультрамикроскопические струны, которые постоянно колеблются. Поодиночке они не имеют материальной формы, являясь энергией, которая в совокупности создает все физические элементы космоса.

Примером в данной ситуации послужит огонь: глядя на него, он кажется материей, однако он неосязаем.

Хаотическая теория инфляции — теория Андрея Линде

Согласно данной теории существует некоторое скалярное поле, которое неоднородно во всем своем объеме. То есть в различных областях вселенной скалярное поле имеет разное значение. Тогда в областях, где поле слабое – ничего не происходит, в то время как области с сильных полем начинают расширяться (инфляция) за счет его энергии, образуя при этом новые вселенные.

Такой сценарий подразумевает существование множества миров, возникших неодновременно и имеющих свой набор элементарных частиц, а, следовательно, и законов природы.

Теория Ли Смолина

Эта теория достаточно известна и предполагает, что Большой Взрыв не является началом существования Вселенной, а – лишь фазовым переходом между двумя ее состояниями. Так как до Большого Взрыва Вселенная существовала в форме космологической сингулярности, близкой по своей природе к сингулярности черной дыры, Смолин предполагает, что Вселенная могла возникнуть из черной дыры.

Эволюция Вселенной

Как происходил процесс развития и эволюции Вселенной? В течение следующих миллиардов лет гравитация заставила более плотные области притягиваться. В этом процессе формировались газовые облака, звезды, галактические структуры и прочие небесные объекты.

Этот период именуют Структурной Эпохой, так как именно в этот временной отрезок зарождалась современная Вселенная. Видимое вещество распределялось на различные формирования (звезды в галактики, а те в скопления и сверхскопления).

Сложно представить время за 13,7 миллиардов лет до сегодняшнего дня, когда вся Вселенная представляла собой сингулярность. Согласно теории Большого взрыва, один из главных претендентов на роль объяснения того, откуда появилась Вселенная и вся материя в космосе — все было сжато в точку, меньшую, чем субатомная частица. Но если это еще можно принять, задумайтесь вот о чем: что же было до того, как случился Большой взрыв?

В настоящее время человеком выдвигаются различные теории.

Теория Мультивселенной

Что если наша Вселенная является потомком другой, старшей Вселенной? Некоторые астрофизики полагают, что пролить свет на эту историю поможет реликтовое излучение, оставшееся от большого взрыва.

Согласно этой теории, в первые мгновения своего существования Вселенная начала чрезвычайно быстро расширяться. Также теория объясняет температуру и плотность флуктуаций реликтового излучения и подсказывает, что эти флуктуации должны быть одинаковыми.

В теории хаотической инфляции эта идея приобретает размах: бесконечный прогресс инфляционных пузырьков порождает обилие вселенных, и каждая из них порождает еще больше инфляционных пузырьков в огромном количестве Мультивселенных.

Теория белых и черных дыр

Тем не менее, существуют модели, которыми пытаются объяснить образование сингулярности до большого взрыва. Если вы думаете о черных дырах как о гигантских мусоросборниках, они являются главными кандидатами первоначального сжатия, поэтому наша расширяющаяся Вселенная вполне может быть белой дырой — выходным отверстием черной дыры, и каждая черная дыра в нашей Вселенной может вмещать в себя отдельную вселенную.

Большой скачок

Этот процесс будет вечным, и все сингулярности и все схлопывания не будут представлять собой ничего другого, кроме как переход в другую фазу существования Вселенной.

Теория циклической Вселенной

Последнее объяснение, которое мы рассмотрим, использует идею циклической Вселенной, порожденной теорией струн. Она предполагает, что новая материя и потоки энергии появляются каждые триллионы лет, когда две мембраны или браны, лежащие за пределами наших измерений, сталкиваются между собой.

Что было до Большого взрыва? Вопрос остается открытым. Может быть, ничего. Может, другая Вселенная или другая версия нашей. Может, океан Вселенных, в каждой из которых — свой набор законов и констант, диктующих природу физической реальности.

Проблемы современных моделей рождения и эволюции Вселенной

Многие теории, касающиеся Вселенной в последнее время сталкиваются с проблемами, как теоретического, так и, что более важно, наблюдательного характера:

Читайте также: