Астрономия теория большого взрыва: Большой взрыв • Джеймс Трефил, энциклопедия «Двести законов мироздания»

что это такое и кто первым написал историю происхождения Вселенной?

Теория Большого взрыва-это лучшее предположение о том, как началась Вселенная. Эта теория родилась из наблюдения, что другие галактики удаляются от нашей собственной с огромной скоростью во всех направлениях, как будто все они были приведены в движение древней взрывной силой.

Елизавета Смирнова

pixabay

Что такое Большой взрыв?

Теория Большого взрыва является ведущим объяснением того, как образовалась Вселенная. Проще говоря, Вселенная, какой мы ее знаем, началась с бесконечно горячей и плотной единой точки, которая раздувалась и растягивалась сначала с невообразимой скоростью, а затем с более измеримой скоростью, в течение следующих 13,8 миллиарда лет до все еще расширяющегося космоса, который мы знаем сегодня.

Существующие технологии еще не позволяют астрономам буквально заглянуть в прошлое зарождения Вселенной, и многое из того, что мы понимаем о Большом взрыве, исходит из математических формул и моделей. Однако астрономы могут видеть «эхо» расширения через явление, известное как космический микроволновый фон.

Как выглядел Большой взрыв?

Большой взрыв не был взрывом как таковым. По сути никакого взрыва не было. Когда он случился, никто не пострадал и ничего не было разрушено. Это было просто начало нашей Вселенной. Во время Большого взрыва произошло расширение самого пространства – концепция, которая вытекает из уравнений общей теории относительности Эйнштейна.

Рождение Вселенной

Около 13,7 миллиардов лет назад все во всей Вселенной была сжата до крошечной точки. Затем внезапно началось взрывное расширение, раздувающее нашу вселенную быстрее скорости света. Это был период космической инфляции, который длился всего лишь доли секунды.

Когда космическая инфляция подошла к внезапному и все еще загадочному концу, более классические описания Большого взрыва утвердились. Поток материи и излучения, известный как «разогрев», начал заселять нашу Вселенную веществом, которое мы называем сегодня: частицами, атомами, веществом, которое станет звездами и галактиками.

Термин «инфляция» в космологии обозначает быстрый рост масштабов, при котором скорость роста пропорциональна значению самого масштаба. Этот термин очень точно описывает характер расширения ранней Вселенной.

По данным НАСА, все это произошло всего за первую секунду после начала Вселенной, когда температура всего еще была безумно горячей, около 10 миллиардов градусов по Фаренгейту (5,5 миллиарда по Цельсию). Космос теперь содержит огромное количество фундаментальных частиц, таких как нейтроны, электроны и протоны — сырье, которое станет строительными блоками для всего, что существует сегодня.

Со временем свободные электроны встретились с ядрами и создали нейтральные атомы или атомы с равными положительными и отрицательными электрическими зарядами. А это  уже позволило свету, наконец, просиять, примерно через 380 000 лет после Большого взрыва.

Какой на самом деле возраст вселенной?

По данным наблюдения спутника Планка — Вселенная старше, чем считалось ранее: 13,82 миллиарда лет, а не 13,7 миллиарда лет. Миссия исследовательской обсерватории продолжается, и периодически выпускаются новые карты CMB.

CMB — имплитная теория, которая описывает Вселенную как системное целое.

Однако карты порождают новые загадки, например, почему Южное полушарие кажется немного краснее (теплее), чем Северное полушарие. Теория большого взрыва говорит, что CMB будет в основном одинаковым, независимо от того, где вы смотрите.

Изучение CMB также дает астрономам подсказки относительно состава Вселенной. Исследователи считают, что большая часть космоса состоит из материи и энергии, которые нельзя «почувствовать» с помощью наших обычных инструментов, что приводит к названию «темная материя». Считается, что только 5% Вселенной состоит из материи, такой как планеты, звезды и галактики.

тень и полутень, теория Большого взрыва / Хабр

Тень и полутень

Извините, немного похулиганил: это иллюстрация к роману Роджера Желязны «Джек из тени», или в оригинале «Jack of Shadows», что также можно перевести как «Валет теней».

Латинское слово umbra означает «тень», и используется в астрономии для обозначения той области, в которую не попадает свет от какого-либо источника из-за того, что на пути света находится какое-то препятствие, например небесное тело. Тогда астрономы говорят о наступлении «полного затмения» в данной точке. Круглое небесное тело (планета), закрывающее круглый источник света (звезду), образует круглую тень.

Penumbra, «почти тень», полутень – область, в которую попадает некоторая часть света, поскольку препятствие закрывает источник не полностью. Наблюдатель в этой точке видит частичное затмение.

В англоязычной литературе также используется термин antumbra – «предтень». Если из точки наблюдения небесное тело, заслоняющее источник света, оказывается меньше его, наблюдатель видит «кольцеобразное затмение». Если достаточно долго двигаться в сторону затмевающего тела, в конце концов наблюдатель окажется в полной тени.

Теория Большого взрыва

В XVI веке до нашей эры жители Месопотамии представляли себе весь мир в виде плоского круглого диска Земли, плавающего в океане космоса. Уже после XV века до н.э. в индуизме появилась концепция зарождения Вселенной из «Золотого яйца» (Хираньягарбхи), порождённого хаосом. А греческие философы VI – IV веков до н.э. уже задавались вопросами множественности вселенных и спорили на тему геоцентризма или гелиоцентризма. Подобные споры продолжались и в средних веках.

В частности, одной из горячих теорий был темпоральный финитизм – представление о том, что время конечно в прошлом, то есть, всё имеет своё начало. Всегда находились сторонники и противники теории – как и сторонники и противники теории конечности Вселенной в пространстве.

Аристотель считал, что прошлое Вселенной бесконечно, и его труды пользовались уважением даже в средние века — однако сторонников финитизма в средние века было больше, поскольку тогда превалировала теория о «сотворении мира» — моменте появления Вселенной, до которого её не существовало.

Уже в XIII веке Роберт Гроссетест, теоретик и практик экспериментального естествознания, один из отцов научного подхода, написал трактат «О свете», в котором описал рождение Вселенной в результате взрыва и последующую «кристаллизацию» материи, сформировавшей звёзды и планеты в виде набора концентрических сфер, в центре которых расположена Земля. Трактат стал первой попыткой описать небеса и Землю при помощи единого набора физических правил и первой работой европейских философов на тему космогонии – происхождения и развития космических тел.

В XVII веке астрономы и другие натурфилософы рассуждали на тему фотометрического парадокса и пытались объяснить его разными методами. Парадокс заключается в том, что если бы мы имели бесконечную Вселенную с бесконечным количеством звёзд, то посмотрев в любую точку ночного неба, мы должны были бы упереться взглядом в какую-нибудь звезду – а, следовательно, ночное небо не должно было быть тёмным. Некоторые пытались объяснить темноту неба тем, что далёкие звёзды заслоняют от нас облака космической пыли (однако при таких вводных и облака должна были бы быть раскалёнными). Кеплер предпочитал объяснять это конечностью Вселенной.

Кроме Вселенной, порождённой из некоей точки, и, следовательно, имеющей начало, и Вселенной, существовавшей всегда (статической) есть и другие варианты. Впервые вариант циклической Вселенной предложил не астроном, а английский врач, натуралист, изобретатель и поэт Эразм Дарвин – дед того самого Чарльза Дарвина – в своей поэме. Его идею продолжил другой литератор, Эдгар Алан По в своей «поэме в прозе» под названием «Эврика». В ней По предложил разрешение фотометрического парадокса через конечность Вселенной, а также описал процесс зарождения Вселенной из «доисторической частицы», которую «божественная воля» рассеяла на атомы, разлетевшиеся по Вселенной под действием отталкивающей силы. После этого отталкивание должно исчезнуть, а сила притяжения возобладать, и Вселенная в итоге вновь должна вернуться в состояние «доисторической частицы», начав всё сначала.

В начале XX века благодаря развитию астрономии и спектроскопии американский астроном Весто Мелвин Слайфер определил, что практически все «спиральные туманности» (которые, как стало понятно позже, представляют собой далёкие галактики – такие же, как наш Млечный Путь) удаляются от нас. Красное смещение света от них было сложно объяснить в рамках теории статичной Вселенной.

Кроме этого, оказалось, что в рамках теории относительности Эйнштейна не было решений для статичной Вселенной. Метрический тензор предписывал ей либо расширяться, либо сжиматься. Эйнштейн, придерживавшийся идеи статичной Вселенной, решил, что ошибся в расчётах, и ввёл для компенсации этого явления космологическую константу. Но российский и советский математик, физик и геофизик Александр Александрович Фридман оказался чуть смелее и в 1922-м вывел решение уравнений ОТО для расширяющейся Вселенной. Так появилась вселенная Фридмана (метрика Фридмана — Леметра – Робертсона — Уокера).

Затем благодаря работам бельгийского священника, астрофизика, космолога и математика Жоржа Леметра оформилась теория расширяющейся Вселенной и появился закон Хаббла, который вскоре подтвердил наблюдениями и сам Хаббл – все удалённые космические объекты в среднем удаляются от нас со скоростями, пропорциональными расстоянию до них и между ними (которое оценивается из красного смещения их света).

Наблюдения совпали с решением ОТО Эйнштейна для гомогенного изотропного расширения пространства. Леметру стало ясно, что галактики не летят в разные стороны в существующую пустоту, а именно само пространство равномерно расширяется во все стороны. Так появилась концепция расширяющейся Вселенной. А раз всё вокруг отдаляется друг от друга, логично было предположить, что в прошлом все эти объекты были расположены ближе друг к другу. Отсюда вытекает, что вся материя и всё пространство взяли своё начало из одной небольшой точки, в которой произошёл взрыв. На первых порах Вселенная была настолько горячей, что состояла только из чистой энергии. И то, что «взорвало» Вселенную, было настолько мощным, что она продолжает расширяться вот уже несколько миллиардов лет. Так появилась теория, которую мы называем сегодня (с необходимыми дополнениями и уточнениями) теорией Большого взрыва. Незадолго до кончины Леметра его гипотеза была подтверждена открытием реликтового излучения.

В рамках теории Большого взрыва Леметра предполагалось, что крупномасштабные объекты Вселенной отдаляются друг от друга, ввиду чего на крупных масштабах Вселенная постепенно меняется. Эту теорию в дальнейшем продвигал Георгий Антонович Гамов — советский и американский физик-теоретик, астрофизик и популяризатор науки.

Однако многим (особенно до открытия реликтового излучения) нравилась теория стационарной Вселенной. Согласно ей, Вселенная по большей части остаётся неизменной, поскольку взамен разлетающейся во все стороны материи постоянно появляется новая. Эта теория удовлетворяла космологическому принципу, согласно которому каждый наблюдатель в один и тот же момент времени, независимо от места и направления наблюдения, обнаруживает во Вселенной в среднем одну и ту же картину. Эту теорию поддерживал и развивал Фред Хойл, британский астроном и космолог.

Кстати, именно Хойл нарёк теорию Леметра «Большим взрывом», выступая как-то по британскому радио. Согласно популярной байке, такое название было несколько уничижительным для теории, однако сам Хойл неоднократно опровергал это, и говорил, что просто хотел как можно ярче описать разницу между двумя физическими моделями.

В 1950-х и 1960-х годах происходило постепенное накопление доказательств в пользу Большого взрыва. Например, квазары и радиогалактики встречаются тем чаще, чем они дальше расположены – а, следовательно, и находятся во всё более далёком прошлом. Внесло свой вклад и открытие реликтового излучения, которое было очень сложно объяснить с точки зрения теории стационарной Вселенной. В итоге наблюдения привели космологов к консенсусу – Большой взрыв был.

Приборы нового поколения, в частности космический телескоп Хаббла, и такие эксперименты, как COBE и WMAP, позволили подробнее изучить реликтовое излучение и убедили космологов в том, что лучшая теория для объяснения его особенностей — та, по которой Вселенная раньше была небольшой, плотной и горячей.

В 1998 году наблюдения за далёкими сверхновыми показали учёным, что расширение Вселенной ускоряется. Это подтвердили дальнейшие наблюдения за реликтовым излучением, а также изучение красного смещения крупных галактик. К 2000 году стало ясно, что геометрия Вселенной очень близка к плоской, в пределах погрешности.

В итоге, на сегодня у нас получается следующая картина. Вселенная «родилась» из невероятно горячей и плотной точки небольшого размера, свойства которой имеющиеся у нас законы физики описать не в состоянии. Но хотя её плотность значительно превышала ту плотность, в результате которой рождаются чёрные дыры, коллапса не произошло. А поскольку в первые мгновения стремительного расширения Вселенной не появилось множества чёрных дыр, материя в то время должна была быть чрезвычайно равномерно распределена.

От 0 до 10-43 с все фундаментальные взаимодействия были объединены в одно, Вселенная была размером порядка планковской длины 1,6×10−35 и имела температуру в 1032°С. Без теории квантовой гравитации описать это состояние не представляется возможным.

С момента 10-43 с началась эпоха Великого объединения, когда от фундаментальных взаимодействий отделилась гравитация.

В момент 10-37 с начался фазовый переход, приведший к космической инфляции. Вселенная расширялась с экспоненциальной скоростью, не ограниченной скоростью света, а температура упала в 100 000 раз. Существовавшие до этого квантовые флуктуации, вызванные принципом неопределённости Гейзенберга, превратились в макроскопические особенности, заложив основы будущей крупномасштабной структуры Вселенной.

В момент 10-36 с началась электрослабая эпоха, когда сильное ядерное взаимодействие отделилось от всё ещё объединённых электромагнитного и слабого взаимодействий.

Инфляция Вселенной завершилась между 10−33 с и 10−32 с. К этому моменту её размер вырос по меньшей мере в 1078 раз. Вселенная была заполнена кварк-глюонной плазмой и другими элементарными частицами, которые из-за высоких температур двигались с релятивистскими скоростями.

Изначально Вселенная содержала совершенно одинаковые количества материи и антиматерии. Затем имели место не до конца понятные процессы, в целом называемые бариогенезисом, которые полностью освободили её от антиматерии, но сохранили часть материи. Таким образом образовалась популяция протонов, нейтронов и электронов, которая в дальнейшем стала сырьём для изготовления всех атомов нашего мира.

Плотность и температура Вселенной продолжали падать, а размеры – расти. В момент 10-12 с разделились электромагнитное и слабое взаимодействие. В момент 10-11 с энергия частиц упала до тех уровней, которые мы можем получить в современных ускорителях – а, следовательно, состояние Вселенной становится менее спорным и более понятным для учёных.

В момент 10-6 с кварки и глюоны сформировали барионы (протоны и нейтроны). Температура уже упала настолько, что новые пары протон-антипротон и нейтрон-антинейтрон появляться перестали, в результате чего произошла массовая аннигиляция – осталось всего 1 частица на каждые 108 из тех, что существовали ранее, а античастицы полностью исчезли. Примерно через 1 секунду после рождения Вселенной сходный процесс прошёл для электронов и позитронов. После всех этих аннигиляций не осталось частиц, двигавшихся с релятивистскими скоростями.

Через несколько минут температура упала до миллиарда кельвинов, а плотность материи стала сравнимой с текущей плотностью атмосферы Земли. Нейтроны соединились с протонами, образовав ядра дейтерия и водорода – этот процесс получил название первичного нуклеосинтеза.

Вселенная была непрозрачной для фотонов примерно 379 000 лет, когда электроны и ядра, наконец, объединились в нейтральные атомы (в основном водорода), после чего фотоны смогли свободно пересекать пространство. Это излучение мы сегодня и наблюдаем, называя реликтовым излучением.

В течение долгого времени участки пространства, где плотность материи была чуть больше средней, притягивали к себе окружающую материю, постепенно увеличивая свою плотность. Так формировались газовые облака, звёзды, галактики и другие космические объекты.

На сегодня расширение Вселенной объясняется наличием в ней тёмной энергии. Молодая Вселенная была меньше по размеру, и в ней должна была преобладать гравитация, однако с течением времени она увеличивалась, в результате чего вклад гравитации уменьшался, а вклад тёмной материи, постоянно порождающей новое пространство, оставался постоянным. В какой-то момент это привело к тому, что расширение Вселенной стало происходить с ускорением.

Сегодня космологическая модель ΛCDM считается общепринятой. Согласно ей, пространственно-плоская Вселенная заполнена, помимо обычной барионной материи, тёмной энергией (описываемой космологической постоянной Λ в уравнениях Эйнштейна) и холодной тёмной материей (Cold Dark Matter). Для согласования с наблюдениями возраст Вселенной должен быть принят равным 13,799 ± 0,021 миллиарда лет.

Что такое Большой взрыв?

Краткий ответ:

Большой взрыв — это то, как астрономы объясняют происхождение Вселенной. Это идея о том, что Вселенная началась как одна точка, затем расширилась и растянулась, чтобы стать такой же большой, как сейчас, — и она все еще растягивается!

Что такое Большой взрыв?

В 1927 году астроному по имени Жорж Леметр пришла в голову грандиозная идея. Он сказал, что очень давно Вселенная началась как одна точка . Он сказал, что вселенная расширила , а расширила , чтобы стать такой же большой, как сейчас, и что она может продолжать растягиваться.

Какая идея!

Вселенная очень большая, и она существует очень давно. Трудно представить, как все начиналось.

Дополнительная информация

Всего два года спустя астроном по имени Эдвин Хаббл заметил, что другие галактики удаляются от нас. И это еще не все. самых дальних галактик двигались на быстрее , чем те, что ближе к нам.

Это означало, что вселенная была все еще расширяющейся , как и думал Леметр . Если вещи расходились, это означало, что давным-давно все было близко друг к другу.

Все, что мы можем видеть сегодня в нашей Вселенной — звезды, планеты, кометы, астероиды — изначально не существовало. Откуда они пришли?

Маленькое, горячее начало

Когда Вселенная зародилась, она была просто горячей, крошечными частицами , смешанными с светом и энергией . Это было совсем не похоже на то, что мы видим сейчас. Когда все расширилось и заняло больше места, оно остыло.

Крошечные частицы, сгруппированные вместе. Они образовали атома . Затем эти атомы сгруппировались вместе. За много времени атомы объединились, чтобы сформировать звезды и галактики .

Первые звезды создали более крупные атомы и группы атомов. Это привело к рождению большего количества звезд. В то же время галактики сталкивались и группировались. Поскольку новые звезды рождались и умирали, то такие вещи, как астероидов, комет, планет и черных дыр образовалось !

Очень долгое время

Сколько времени все это заняло? Что ж, теперь мы знаем, что Вселенной 13 800 000 000 лет — это 13,8 миллиарда . Это очень долгое время .

Что в имени?

Примерно так и началась Вселенная. Из-за того, что он стал таким большим и привел к таким великим вещам, некоторые люди называют его « Большой взрыв ». Но, возможно, лучшим названием было бы « Везде Растяжка .» Что вы думаете?

Если вам это понравилось, вам могут понравиться:

Что такое галактика?

Что находится в космосе?

Темная материя

Альтернативы теории большого взрыва (инфографика)

Существуют ли альтернативные теории, которые могли бы объяснить происхождение Вселенной?
(Изображение предоставлено журналом Future/All About Space Magazine)

Теория Большого Взрыва является основным объяснением того, как Вселенная возникла 13,8 миллиардов лет назад. Хотя это ведущее объяснение, некоторые теоретики выдвинули альтернативные идеи или дополнения к теории Большого взрыва. Мы рассмотрим некоторые из этих теорий в подробной инфографике ниже.

Чтобы выяснить, как возникла Вселенная, нам сначала нужно спросить, что же это такое? Согласно НАСА, термин «наблюдаемая вселенная» относится ко всему, что мы можем видеть.

Благодаря связи между расстоянием и скоростью света ученые могут заглянуть в область пространства, которая светится на расстоянии 13,8 миллиарда световых лет, а это означает, что мы можем смотреть на 13,8 миллиарда световых лет в любом направлении. Но это не так просто. Из-за расширения Вселенной, по недавним оценкам, диаметр наблюдаемой сферы Вселенной составляет более 90 миллиардов световых лет, по данным Forbes.

Связанный: Насколько велика Вселенная?

Большинство астрономов считают, что Вселенная возникла 13,8 миллиардов лет назад в результате взрыва, называемого Большим Взрывом. Другие теоретики изобрели альтернативы и расширения этой теории. (Изображение предоставлено: Future/Karl Tate)

Предположения теории большого взрыва

Ученые делают три предположения о Вселенной, основанные на теориях и наблюдениях:

  1. Законы физики универсальны и не меняются ни во времени, ни в пространстве.
  2. Вселенная однородна или примерно одинакова во всех направлениях (хотя и не обязательно все время).
  3. Люди не наблюдают за вселенной из привилегированного места, такого как самый ее центр.

Применительно к уравнениям Эйнштейна они показывают, что Вселенная обладает несколькими свойствами: 

  1. Вселенная расширяется.
  2. Вселенная вышла из горячего и плотного состояния в какое-то бесконечное время в прошлом.
  3. Самые легкие элементы, водород и гелий, были созданы в первые мгновения.
  4. Фон микроволнового излучения заполняет всю вселенную.

Альтернативы Большого Взрыва

Если какое-либо из этих основных предположений неверно, Теория Большого Взрыва не сможет объяснить все свойства этой вселенной. Это приводит к тому, что некоторые теоретики задаются вопросом: «Возможно ли, что Большого взрыва никогда не было?»

Связанный: Был ли Эйнштейн неправ? Дело против теории пространства-времени

Одной из альтернативных теорий является стационарное состояние Вселенной. По данным NASA Cosmic Times, ранний соперник теории Большого взрыва, Стационарное состояние постулирует непрерывное создание материи по всей Вселенной, чтобы объяснить ее видимое расширение. Этот тип вселенной был бы бесконечным, без начала и конца. Однако масса свидетельств, обнаруженных с середины 1960-х годов, указывает на то, что эта теория неверна.

Истории по теме:

Другой альтернативой является теория вечной инфляции. После Большого взрыва Вселенная быстро расширялась в течение короткого периода времени, называемого инфляцией. Теория вечной инфляции утверждает, что инфляция никогда не останавливалась и продолжалась в течение бесконечного периода времени. Где-то, даже сейчас, возникают новые вселенные в огромном комплексе, называемом мультивселенная. У этих многочисленных вселенных могут быть разные физические законы.

Осциллирующая модель Вселенной включала в себя бесконечную серию Больших Взрывов, за которыми следовали Большие Схлопывания, которые бесконечно перезапускали цикл. Современная циклическая модель включает в себя сталкивающиеся «браны» («мембраны» внутри многомерного объема, называемого «объемом»).

Выводы, обнаруженные в квантовой гравитации и теории струн, соблазнительно предполагают, что вселенная на самом деле совсем не похожа на то, как она выглядит для наблюдателей. Например, это может быть плоская голограмма, спроецированная на поверхность сферы. Или это может быть полностью цифровая симуляция, работающая на огромном компьютере.

Дополнительные ресурсы

Прослушайте интервью ЕКА (открывается в новой вкладке) с астрофизиком профессором Джозефом Силком о том, почему мы можем никогда не узнать, конечна Вселенная или бесконечна. Исследуйте множество свидетельств Большого Взрыва с помощью Обсерватория национальных школ (открывается в новой вкладке), Ливерпульский университет Джона Мура и Университет Западной Австралии (открывается в новой вкладке).

Библиография

  • Николай, Герман. «Сложность и Большой взрыв. (открывается в новой вкладке)» Classical and Quantum Gravity 38.18 (2021): 187001. 
  • Нечитайло, Владимир С. «Модель Мира и Вселенной — альтернатива модели Большого взрыва. (открывается в новой вкладке)» Журнал физики высоких энергий, гравитации и космологии 6.01 (2020): 133. 
  • Уоллес, Дэвид. Эмерджентная мультивселенная: квантовая теория согласно интерпретации Эверетта. (открывается в новой вкладке) Oxford University Press, 2012. 
  • Линде, Андрей. «Краткая история мультивселенной (открывается в новой вкладке)» Reports on Progress in Physics 80.2 (2017): 022001.
  • Бостром, Ник. «Мы живем в компьютерной симуляции? (откроется в новой вкладке)». Философский ежеквартальный номер 53.211 (2003): 243–255.

Присоединяйтесь к нашим космическим форумам, чтобы продолжать обсуждать последние миссии, ночное небо и многое другое! А если у вас есть новость, исправление или комментарий, сообщите нам об этом по адресу: [email protected].

Связь Карла со Space.