Теория большого взрыва кратко и понятно для детей
Обновлено: 05.07.2024
В течение многих столетий учёных волновал вопрос, каким образом возникла наша Вселенная. Опираясь на данные, известные современной науке, физики и астрономы предложили ряд различных гипотез, описывающих состояние Вселенной на самой заре её существования.
После того как в 1929 году американский астроном Эдвин Хаббл обнаружил, что Вселенная расширяется, возникла так называемая гипотеза "Большого взрыва". Она пока даёт ответы не на все вопросы о рождении Вселенной, но этой теории придерживается вся современная астрономия, потому что она, тем не менее, отвечает на большинство вопросов и большинство её положений подтверждается экспериментами и наблюдениями.
Согласно теории Большого взрыва, примерно 14 миллиардов лет назад всё вещество Вселенной было сосредоточено в очень маленькой области пространства - это была крошечная точка. Плотность, температура и давление этого скопления вещества были настолько велики, что в нём не могли существовать даже атомы, и оно целиком состояло из элементарных частиц. Затем по каким-то неизвестным пока причинам произошел Большой взрыв, и Вселенная начала очень быстро расширяться. Наука пока ещё не может полностью описать состояние вещества до и сразу после Большого взрыва (до сотой доли секунды от его начала), но дальнейшие события описывает достаточно полно. По современным представлениям, сразу после Большого взрыва температура вещества Вселенной начала быстро понижаться, и благодаря этому охлаждению стало возможным образование более крупных частиц - сначала кварков и глюонов, затем протонов и нейтронов. Первые атомы стали появляться спустя лишь 380 тысяч лет после Большого взрыва. Это были атомы водорода, составляющие примерно 90% всего вещества во Вселенной. Образование атомов водорода сопровождалось тепловым излучением, которое называют реликтовым. Оно до сих пор достигает Земли, и его можно наблюдать в электромагнитном спектре спустя 14 миллиардов лет после Большого взрыва.
Атомы водорода и других химических элементов образовали гигантские газовые облака. Они постепенно всё больше удалялись друг от друга. По мере остывания эти облака стали превращаться в звёздные скопления - галактики, подобные Млечному Пути, к которому принадлежит наша Солнечная система.
Сила Большого взрыва была столь велика, что галактики продолжают "разбегаться" в разные стороны с огромными скоростями и по сей день, что и наблюдают современные учёные.
Не следует сравнивать Большой взрыв с привычными для нашего сознания взрывами динамита или пороха, когда происходит быстрое расширение вещества в пространстве. Большой взрыв - это не расширение вещества в пространстве, это расширение самого пространства. И удаление галактик друг от друга - это результат расширения пространства Вселенной.
От Большого взрыва до наших дней. Анимация
Кликните на линейку в нижней части внизу для просмотра фазы эволюции Вселенной
Никто не знает, что было до Большого взрыва. И никто не может предсказать, будет ли этот процесс продолжаться бесконечно долго, или он когда-то остановится, и пространство Вселенной начнёт сжиматься. Однако теория Большого взрыва говорит, что узнать ответ на этот вопрос можно, если удастся точно измерить среднюю плотность вещества во Вселенной. Если эта плотность меньше некоторого критического значения, то расширение будет продолжаться вечно. Если же плотность Вселенной больше критического значения, то когда-то расширение остановится и сменится сжатием. По современным данным, плотность Вселенной равна критической.
Теория Большого взрыва является на сегодняшний день основным объяснением того, как началась Вселенная.
Если свести теорию к одному предложению, то теория гласит, что Вселенная, какой мы ее знаем, начиналась с небольшой сингулярности (состояние нашей Вселенной, когда плотность материи и кривизна пространства-времени были очень велики), а затем расширялась в течение следующих 13,8 миллиардов лет в космос , который мы знаем сегодня.
А если сказать проще - почти 14 миллиардов лет назад вся Вселенная была внутри пузыря, который был в тысячи раз меньше булавочной головки. Но при этом горячее и плотнее, чем мы можем себе представить. Затем этот пузырь взорвался. Вселенная, которую мы знаем, родилась. Время, пространство и материя начались с Большого взрыва. За доли секунды Вселенная выросла от меньшего, чем один атом, до большего, чем галактика. И она продолжала расти с фантастической скоростью. И все еще расширяется сегодня.
Большинство астрономического сообщества принимает теорию, но есть некоторые теоретики, имеющие альтернативные объяснения, такие как вечная инфляция или колеблющаяся вселенная.
Первые секунды
В первую секунду после начала существования Вселенной температура окружающей среды составляла около 5,5 миллиарда градусов Цельсия.
По мере расширения и охлаждения Вселенной энергия превращалась в частицы вещества и антивещества. Эти два противоположных типа частиц в значительной степени уничтожили друг друга. Но какая-то материя выжила. Более стабильные частицы, называемые протонами и нейтронами, начали формироваться, когда Вселенной исполнилась одна секунда.
В течение следующих трех минут температура опустилась ниже 1 миллиарда градусов по Цельсию. Теперь стало достаточно прохладно, чтобы протоны и нейтроны собрались вместе, образуя ядра водорода и гелия.
Через 300 000 лет Вселенная остыла примерно до 3000 градусов. Атомные ядра могли наконец захватить электроны, чтобы сформировать атомы. Вселенная наполнена облаками водорода и гелия.
Появление галактик
Мы не можем видеть ничего, что произошло за первые 300 000 лет существования Вселенной. Ученые пытаются выяснить это на основе своих знаний об атомных частицах и при помощи компьютерных моделей.
Единственное прямое свидетельство самого Большого взрыва - слабое свечение в космосе . Космические корабли и телескопы на воздушных шарах видят это как картину с пятнами более теплого и более холодного газа. Эти волны также показывают, где водородные облака были немного плотнее.
По прошествии миллионов лет плотные участки затянулись материалом, потому что они обладали большей гравитацией. Наконец, примерно через 100 миллионов лет после Большого взрыва газ стал достаточно горячим и плотным для образования первых звезд.
Новые звезды рождались со скоростью в 10 раз выше, чем в современной Вселенной. Большие скопления звезд вскоре стали первыми галактиками.
Космический телескоп Хаббл и мощные наземные телескопы находят галактики, которые были созданы примерно через миллиард лет после Большого взрыва. Эти маленькие галактики были намного ближе друг к другу, чем галактики сегодня. Столкновения были обычным явлением. Наша галактика Млечный Путь также образовалась в результате столкновения галактик.
Большой Взрыв – популярная теория рождения Вселенной: описание для детей с фото, телескопы Хаббл и Спитцер, карта Вселенной, темная энергия, темная материя.
Начать объяснение для детей родители или учителя в школе могут с того, что астрономам нужно создавать математические модели на основе наблюдений, чтобы точно понять, как сформировалась Вселенная. Теория Большого взрыва включает в себя общую теорию относительности Эйнштейна и стандартные теории фундаментальных частиц. Дети должны понять, что в наблюдении за расширением Вселенной также помогают телескопы Хаббл и Спитцер. Важно было осознать, будет ли она расширяться вечно или остановится и вернется к Большому взрыву.
Фоновая радиация
Физика утверждает, что, если бы нам удалось заглянуть во Вселенную через секунду после Большого взрыва, то мы бы увидели 10-миллиардное море нейтронов, протонов, электронов, антиэлектронов (позитроны), фотонов и нейтрино. Для самых маленьких этот процесс покажется интересным, ведь вы наблюдаете за рождением всего! Потом Вселенная остывала, а нейтроны распадались на протоны и электроны или же сливались с протонами для выработки дейтерия (изотоп водорода).
Чтобы исследовать этот фон, НАСА отправили две миссии, сняв изображения Вселенной всего через 400000 лет после формирования. Первым был Космический исследователь фона (COBE). В 1992 году команда объявила, что они нанесли на карту первичные горячие и холодные пятна. Они были связаны с гравитацией ранней Вселенной и формировали семена гигантских галактических скоплений, занимающих сотни миллионы лет. Дети должны понимать, что это важный труд, ведь за него Джон К. Мазер и Джордж Ф. Смут получили Нобелевскую премию по физике.
Третья миссия – Планк, устроенная Европейским космическим агентством в 2009 году. Он создавал наиболее точные карты микроволнового фонового излучения. Ему удалось отобразить небо в 9 диапазонах длин и точно измерить температуры.
Инфляция
Главная проблема наблюдения состояла в том, что Вселенная была чересчур однородной. Как же частицы, которые никогда не контактировали, пришли к равновесию с одинаковой температурой? Эти проблемы можно было бы решить, если после Большого взрыва появился короткий период, когда Вселенная испытала невероятный взрыв расширения – инфляция. Чтобы это произошло, Вселенная должна была быть наполненной неустойчивой формой энергии, о которой еще мало что известно.
Модели показывают, что из-за квантового шума эта энергия была бы распределена неравномерно. Этот образец перенесся бы в материю и проявился в фотонах, что и наблюдается на картах и рисунках COBE и WMAP. Но это все еще не отвечает на вопрос о появлении инфляции. На это тяжело ответить, так как инфляция закончилась задолго до рекомбинации. Но у нас есть способ отслеживать Вселенную, минуя фотоны, – гравитационные волны. Это универсальный метод получить информацию там, где уже ничего не помогает.
Темная энергия
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.
Читайте также: