Астрономия теория большого взрыва: как зародилась Вселенная? — все самое интересное на ПостНауке

Какие альтернативы есть у теории Большого взрыва

Тренды

Телеканал

Газета

Pro

Инвестиции

РБК+

Новая экономика

Тренды

Недвижимость

Спорт

Стиль

Национальные проекты

Город

Крипто

Дискуссионный клуб

Исследования

Кредитные рейтинги

Франшизы

Конференции

Спецпроекты СПб

Конференции СПб

Спецпроекты

Проверка контрагентов

РБК Библиотека

Подкасты

ESG-индекс

Политика

Экономика

Бизнес

Технологии и медиа

Финансы

РБК КомпанииРБК Life

РБК
Тренды

Фото: Unsplash

Зарождение Вселенной — тайна, над которой астрофизики бьются уже долгие годы. Несмотря на разнообразие гипотез наиболее популярной сейчас считается теория Большого взрыва. Но есть еще три альтернативные версии

Теория Большого взрыва

Теория Большого взрыва объясняет рождение Вселенной из сингулярности — точки с минимальным размером, бесконечной плотностью и температурой. Считается, что расширение Вселенной в результате Большого взрыва случилось примерно 13,8 млрд лет назад. Истоки теории Большого взрыва содержатся в работах Альберта Эйнштейна, в которых он обозначил основы общей теории относительности.

Вечная Вселенная

До разработки теории Большого взрыва консенсусом для ученых была идея о том, что Вселенная просто всегда была, есть и будет. Да, звезды иногда взрываются, черные дыры образуются, а астероиды врезаются в планеты, однако большая часть Вселенной продолжает существовать вечно.

Эта концепция разрушилась в 1920-х годах, когда американский астроном Эдвин Хаббл доказал концепцию постоянного расширения Вселенной. Из названного его именем закона следует, что «все без исключения точки во Вселенной удаляются друг от друга». Словарное определение дополняет: «Закон Хаббла позволяет оценить возраст Вселенной, так как зная скорость разбегания объектов, нетрудно определить время, прошедшее с момента, когда они находились в одной начальной точке, из которой начал развиваться Большой взрыв».

Стационарная Вселенная

Даже несмотря на согласие с законом Хаббла, многие астрономы не могли принять теорию Большого взрыва. В середине ХХ века ее главным противником стала теория стационарной Вселенной, которую разработала группа ученых во главе с Фредом Хойлом. По ней, Вселенная постоянно расширяется, однако в освободившемся пространстве постоянно появляется новая материя, которая заполняет пустоту. За счет этого плотность остается прежней. Эта концепция была попыткой спасти идею о вечной Вселенной, так как она, несмотря на динамичные изменения, в долгосрочной перспективе остается такой же.

Теорию разрушило обнаружение квазаров в конце 1950-х годов. Этим словом называют галактики, которые находятся на огромном расстоянии от Земли. Из-за того, что они очень далеко, мы можем их видеть в состоянии, в котором они были на заре Вселенной. Теория Большого взрыва их с легкостью объясняет: такие яркие источники света, которых нет в обозримом пространстве, остались с ранних эпох Вселенной, когда все выглядело по-другому. По стационарной же модели современная Вселенная должны выглядеть так же, как и в прошлом.

Плазменная Вселенная

Шведский физик и лауреат Нобелевской премии Ханнес Альвен был уверен, что неверна как теория Большого взрыва, так и стационарная модель. Он разработал концепцию, согласно которой эволюция Вселенной происходит из-за электромагнитных сил: материя и антиматерия постоянно «борются» друг с другом. Это ведет к расширению Вселенной. Однако эта теория не прошла проверку «законом Хаббла».

Обновлено 20.05.2022

Текст

Семен Башкиров

Главное в тренде

Материалы по теме

Краткое изложение теории Большого взрыва: происхождение и характеристики

Как образовалась Вселенная, что привело к образованию звезд, планет и галактик? Это некоторые из вопросов, которые задавали миллионы людей на протяжении всей истории. В частности, ученые хотят найти объяснение всем существующим явлениям. Отсюда родился теория большого взрыва. Для тех, кто еще не знает, это теория, объясняющая происхождение нашей Вселенной. В нем также собраны объяснения существования планет и галактик.

Если вам любопытно и вы хотите узнать, как образовалась наша Вселенная, в этом посте мы расскажем вам все. Хотели бы вы глубже узнать теорию Большого взрыва?

Индекс

• 1 Характеристики теории большого взрыва
• 2 Формирование звезд и галактик
• 3 Свидетельства расширяющейся Вселенной и взрыва
• 4 Первооткрыватели и другие теории

Характеристики теории большого взрыва

Это также известно как Теория большого взрыва. Это тот, который утверждает, что наша Вселенная в том виде, в каком мы ее знаем, зародилась миллиарды лет назад в результате сильного взрыва. Вся материя, существующая сегодня во Вселенной, была сосредоточена всего в одной точке.

С момента взрыва материя начала расширяться и продолжает расширяться до сих пор. Ученые не устают повторять, что Вселенная постоянно расширяется. По этой причине теория Большого взрыва включает теорию расширяющейся Вселенной. Материя, хранящаяся в одной точке, не только начала расширяться, но и начала образовывать более сложные структуры. Мы имеем в виду атомы и молекулы, которые постепенно образовывали живые организмы.

Дату начала Большого взрыва оценили ученые. Он возник примерно 13.810 XNUMX миллионов лет назад. Эта стадия, на которой только что была создана вселенная, называется первозданной вселенной. Предполагается, что в нем частицы обладают огромным количеством энергии.

В результате этого взрыва образовались первые протоны, нейтроны и электроны. Протоны и нейтроны были организованы в ядра атомов. Однако электроны, учитывая их электрический заряд, были организованы вокруг них. Так возникло дело.

Формирование звезд и галактик

наш солнечная система внутри галактика, известная как Млечный Путь. Все звезды, которые мы знаем сегодня, начали формироваться спустя много времени после Большого взрыва.

Считается, что первые звезды начали формироваться 13.250 миллиарда лет назад. Примерно через 550 миллионов лет после взрыва они начали появляться. Самые старые галактики возникли 13.200 миллиарда лет назад, что тоже делает их старше. Наша Солнечная система, Солнце и планеты образовались 4.600 миллиарда лет назад.

Свидетельства расширяющейся Вселенной и взрыва

Чтобы доказать, что теория Большого взрыва имеет смысл, необходимо сообщить доказательства того, что Вселенная расширяется. Вот свидетельства на этот счет:

• Парадокс Ольберса: Темнота ночного неба.
• Закон Хаббла: Это можно проверить, наблюдая, как галактики удаляются друг от друга.
• Однородность распределения вещества.
• Эффект Толмана (изменение блеска поверхности).
• Далекие сверхновые: На его кривых блеска наблюдается временное расширение.

После момента взрыва каждая частица расширялась и удалялась друг от друга. Здесь произошло нечто похожее на то, что происходит, когда мы надуваем воздушный шар. По мере того, как мы вводим больше воздуха, частицы воздуха расширяются все больше и больше, пока не достигнут стенок.

Физикам-теоретикам удалось восстановить эту хронологию событий, начиная с 1/100 секунды после Большого взрыва. Все высвободившееся вещество состояло из известных элементарных частиц. Среди них мы находим электроны, позитроны, мезоны, барионы, нейтрино и фотоны.

Некоторые более поздние расчеты показывают, что водород и гелий были первичными продуктами взрыва. Позже внутри звезд образовались более тяжелые элементы. По мере расширения Вселенной остаточное излучение от Большого взрыва продолжает охлаждаться, пока не достигнет температуры 3 К (-270 ° C). Эти следы сильного микроволнового фонового излучения были обнаружены радиоастрономами в 1965 году. Это то, что показывает расширение Вселенной.

Одно из самых больших сомнений ученых — решить, будет ли Вселенная расширяться бесконечно или снова сжиматься. Темная материя имеет в этом большое значение.

Первооткрыватели и другие теории

Теория о расширении Вселенной был сформулирован в 1922 году Александром Фридманом. Он был основан на общей теории относительности Альберта Эйнштейна (1915). Позже, в 1927 году, бельгийский священник Жорж Лемэтр, опираясь на работы ученых Эйнштейна и де Ситтера, пришел к тем же выводам, что и Фридман.

Поэтому ученые не приходят к другому выводу, только к тому, что Вселенная расширяется.

Есть и другие теории о сотворении Вселенной, не столь важные, как эта. Однако в мире есть люди, которые верят и считают их правдой. Перечислим их ниже.

• Теория большого сжатия: В основе этой теории лежит тот факт, что расширение Вселенной будет медленно замедляться, пока не начнет сокращаться. Речь идет о сжатии Вселенной. Это сжатие закончится большим взрывом, известным как Большое сжатие. В поддержку этой теории не так много доказательств.
• Колеблющаяся вселенная: Речь идет о нашей Вселенной, колеблющейся в постоянном Большом взрыве и Большом сжатии.
• Устойчивое состояние и непрерывное создание: Он утверждает, что вселенная расширяется и что ее плотность остается постоянной, потому что материя находится в непрерывном творении.
• Теория инфляции: Он основан на тех же характеристиках, что и Большой взрыв, но говорит о том, что это был начальный процесс. Этот процесс называется инфляцией, и Вселенная расширяется быстрее.

Наконец, есть люди, которые думают, что вселенная была создана Богом или какой-то божественной сущностью.

Из этой статьи вы узнаете больше о формировании и расширении нашей Вселенной. Вы думаете, что однажды Вселенная перестанет расширяться?

Теме статьи:

Антивещество

Вселенная, существовавшая до Большого взрыва, была устроена как корзинка подсолнуха / Наука / Независимая газета

Круги в реликтовом излучении, возникшие, согласно Пенроузу и Гурзадяну, при столкновении черных дыр, произошедшем в предыдущем эоне. Иллюстрация NASA

Нобелевская премия по физике – 2020 вручена профессору Оксфорда Роджеру Пенроузу «за открытие, согласно которому общая теория относительности надежно предсказывает рождение черных дыр». Считая необходимым отметить это событие, вкратце расскажем о, пожалуй, самой революционной теории этого выдающегося математического физика и столь же выдающегося популяризатора точных наук.

Пенроузом совместно с армянским физиком-теоретиком из Еревана Ваагном Гурзадяном была предложена модель Вселенной, которая Большим взрывом не начиналась. Согласно конформной циклической космологии, предложенной этими физиками, Вселенная не началась с Большого взрыва, а проходит бесконечную последовательность циклов, названных Пенроузом эонами. Каждый эон завершается Большим взрывом, в котором пространство «временно» исчезает, после чего начинается следующий эон.

При переходе из одного эона в другой пространство – а с ним и различие между громадным и маленьким – исчезает. Сохраняются только углы. Такое преобразование в математике называется конформным. Теория Пенроуза–Гурзадяна основана на анализе карты реликтового излучения, возникшего в ходе Большого взрыва, в которой, по их убеждению, круги разного размера являются сигналами из Вселенной, существовавшей в предыдущем эоне.

Конформные преобразования являются частью курса функций комплексного переменного, изучаемого в университетах. Сегодня такие преобразования можно строить с помощью компьютеров, написав функцию, не трогая карандаша и бумаги.

Теория конформной циклической космологии отличается от стандартной на сегодняшний день модели Вселенной, согласно которой до Большого взрыва Вселенной не было. А также от теории множественных вселенных, согласно которой, для того чтобы объяснить установленный факт – вещество, а тем более жизнь может существовать только при крайне маловероятном наборе значений констант физики, – предполагается, что вселенных превеликое множество. Для последней, кроме того чтобы как-нибудь объяснить возможность существования химических элементов, планет, звезд и жизни, в настоящее время никаких экспериментальных оснований нет.

Обратим внимание на другую, неожиданную сторону формальной связи между конформной вселенной Пенроуза с тем, что осуществляется в мире живого. А именно… с корзинкой подсолнуха, состоящей из семечек.

С точки зрения математики семечки в подсолнухе упорядочены в результате конформного преобразования квадратной сетки. Образующие цветок подсолнуха отрезки искривлены с сохранением прямых углов между соседними семечками. При этом искривлены таким образом, что между спиралеобразными видимыми фигурами, направленными по и против часовой стрелки, имеется симметрия.

Образующие конформное преобразование в корзинке подсолнуха семечки расходятся от центральной точки, которая, если бы головка подсолнуха была строго математическим конформным преобразованием, являлась бы сингулярностью. Похожая – но завернутая в три измерения – структура заполнения кедровой шишки ее составными частями (орешками, семенами). При этом возникают спирали – правая и левая, – имеющие сходную структуру, но расположенные в подсолнухе в двух, а в шишке – в трех измерениях.

Так почему же семечки кукурузы и орешки в кедровой шишке растут настолько изысканно? В чем эволюционное преимущество расположения семечек, получаемого в результате преобразования, используемого в теории функций комплексного переменного, в сравнении с прямоугольной сеткой? Мысль о том, что такая вычурная структура была создана кем-то умышленно, для собственного эстетического удовольствия, которое помимо него оценить может только человеческий взор, атеистический разум отринет как ненаучную. Но если не это, то что? Почему конформное преобразование оказывается в биологии и, если верить Пенроузу, в космологии столь же важным, как двойная спираль? Вопросы, которые даже без получения ответа на них завораживают.

Такая вот довольно неожиданная аналогия между теорией конформной вселенной, созданной лауреатом премии по физике этого года, и структурами, возникающими in vivo. Какое именно конформное преобразование реализуется в подсолнухе? Определение этой функции – хорошая задача для дипломной работы студента, специализирующегося в области математической биологии. Каким образом в геноме подсолнуха осуществляется кодирование конформного преобразования, упорядочивающего расположение семечек, – вопрос намного более фундаментальный, он может стать темой для получения ученой степени в любом университете.

Аналогия между устройством Вселенной, конформное преобразование в которой делает космологию циклической, имеет и более общие основания в мире живого, чем частный случай подсолнуха. А именно – рост костей. Они растут с сохранением форм, а значит, и углов, включая плавное изменение кривизны, начиная с младенческого возраста и кончая взрослой особью. Таким, в частности, является рост костей эндоскелета Homo sapiens. Каким образом конформное преобразование костей кодируется в геноме с сохранением их формы – проблема абсолютно фундаментальная. Решение этой проблемы исключительно важно и достойно самых высоких научных премий, включая Нобелевскую. 

Нью-Йорк

Большой взрыв | КОСМОС

«Большой взрыв» — это модель формирования нашей Вселенной, в которой пространство-время и материя в нем были созданы из космической сингулярности. Модель предполагает, что за 13,7 миллиардов лет, прошедших с момента возникновения Вселенной, она расширилась от чрезвычайно маленького, но невероятно плотного и горячего первичного огненного шара до огромной, но холодной и рассеянной Вселенной, которую мы видим вокруг себя сегодня.

Модель Большого Взрыва берет свое начало в работах Леметра, Гамова и их коллег, которые, обращая наблюдаемое расширение, пришли к выводу, что Вселенная изначально должна была находиться в очень горячем и плотном состоянии. Фреду Хойлу, неверующему, приписывают первое насмешливое введение термина «Большой взрыв», поскольку в то время он поддерживал теорию устойчивого состояния.

Согласно теории Большого взрыва, путешествие от первичного огненного шара до современной Вселенной включает несколько этапов, связанных с температурой Вселенной в то время. С момента Большого взрыва и примерно до 3000 лет спустя (эпоха преобладания излучения) плотность излучения во Вселенной превышала плотность вещества. Однако в расширяющейся Вселенной плотность излучения падает быстрее, чем плотность материи, и во Вселенной преобладает материя. Температура Вселенной продолжала падать из-за расширения, пока примерно через 300 000 лет она не достигла температуры ниже 3 000 Кельвинов. В этот момент у фотонов уже не было достаточно энергии, чтобы помешать электронам и атомным ядрам связываться с образованием атомов водорода и гелия, и начался процесс рекомбинации. Начиная с этой эпохи рекомбинации, астрономические структуры, с которыми мы знакомы сегодня (планеты, звезды, галактики), смогли сформироваться, и Вселенная продолжала расширяться.
Модель Большого Взрыва подтверждается тремя важными наблюдениями:

1. Расширение Вселенной , выведенное из соотношения расстояние-красное смещение для галактик и описанное законом Хаббла. Экстраполируя наблюдаемое расширение назад во времени, можно прийти к выводу, что когда-то в далеком прошлом вся материя во Вселенной должна была содержаться в небольшой области пространства.
2. Обилие легчайших элементов (водород, гелий, дейтерий, литий) согласуются с их созданием в результате Большого взрыва, а не в результате последующего нуклеосинтеза в звездах. В частности, содержание гелия (общее количество намного больше, чем могло бы быть произведено в результате звездного нуклеосинтеза) и дейтерия (звезды могут разрушать только дейтерий) убедительно свидетельствует об их синтезе во время Большого взрыва.
3. Космическое микроволновое фоновое излучение . В результате расширения Вселенной было предсказано, что излучение Большого Взрыва охладится примерно до 3 градусов Кельвина в современную эпоху. Фоновое микроволновое излучение с очень близкой зависимостью длины волны от абсолютно черного тела пронизывает Вселенную при температуре 2,725 Кельвина. Это полностью согласуется с явлением болида, когда поле излучения находилось в тепловом равновесии, и, возможно, является наиболее убедительным доказательством Большого взрыва.

Хотя модель Большого взрыва, по-видимому, в общих чертах объясняет, как Вселенная стала такой, какая она есть сегодня, она не дает полной картины ранней Вселенной. Например, самое раннее время, которое мы можем описать, это t ^-43 секунд после Большого Взрыва, когда плотность Вселенной составляла 10 ⁹⁰ кг/см ³ , а температура была близка к 10 ³² Кельвина. До этого планковского времени нам нужна квантовая гравитация (еще не разработанная теория, связывающая общую теорию относительности и квантовую механику), чтобы предсказывать свойства пространства-времени.

Кроме того, примерно через 10 ^-35 секунд после Большого Взрыва Вселенная, как полагают, претерпела период инфляции, в течение которого она увеличилась в размерах в ~10 ⁵⁰ раз. Примерно через 10 ^-33 секунды после Большого взрыва возобновилось нормальное расширение, при этом температура упала до 10 ¹⁰ Кельвина примерно через одну секунду. Этот период инфляции составляет 90 058, а не 90 059, предсказанных теорией Большого взрыва, хотя без него Вселенная должна была бы быть неудобно большой сразу после Большого взрыва.

В первую очередь по этим причинам теория Большого Взрыва до сих пор не является общепризнанной. Однако это наиболее многообещающая теория, объясняющая, как возникла наша Вселенная (с учетом инфляции), и, следовательно, она является частью современной модели соответствия для космологии.

Факты и информация о происхождении Вселенной

Происхождение Вселенной 101

Наиболее подтвержденная теория происхождения нашей Вселенной основана на событии, известном как Большой взрыв. Эта теория родилась из наблюдения, что другие галактики удаляются от нашей с огромной скоростью во всех направлениях, как если бы все они были движимы древней взрывной силой.

Бельгийский священник по имени Жорж Леметр впервые предложил теорию большого взрыва в 1920-х годах, когда он предположил, что Вселенная началась с одного первичного атома. Эта идея получила значительный импульс благодаря наблюдениям Эдвина Хаббла о том, что галактики удаляются от нас во всех направлениях, а также открытию в 1960-х годах космического микроволнового излучения, интерпретируемого как отголоски Большого взрыва, Арно Пензиасом и Робертом Уилсоном. -43 секунды своего существования Вселенная была очень компактной, менее чем в миллион миллиардов миллиардных долей размера одного атома. Считается, что в таком непостижимо плотном, энергетическом состоянии четыре фундаментальные силы — гравитация, электромагнетизм, сильное и слабое ядерное взаимодействие — были объединены в единую силу, но наши современные теории еще не выяснили, как единая, объединенные силы будут работать. Чтобы осуществить это, нам нужно знать, как работает гравитация в субатомном масштабе, но в настоящее время мы этого не знаем.

Также считается, что очень близкое расстояние позволило самым первым частицам во Вселенной смешиваться, смешиваться и достигать примерно одинаковой температуры. Затем, за невообразимо малую долю секунды, вся эта материя и энергия расширились наружу более или менее равномерно, с крошечными вариациями, обусловленными флуктуациями в квантовом масштабе. Эта модель головокружительного расширения, называемая инфляцией, может объяснить, почему во Вселенной такая равномерная температура и распределение материи.

После инфляции Вселенная продолжала расширяться, но гораздо медленнее. До сих пор неясно, что именно вызвало инфляцию.

Последствия космической инфляции

С течением времени и охлаждением материи начали формироваться более разнообразные типы частиц, которые в конечном итоге сконденсировались в звезды и галактики нашей нынешней Вселенной.

К тому времени, когда Вселенной исполнилась миллиардная доля секунды, Вселенная достаточно остыла, чтобы четыре фундаментальные силы отделились друг от друга. Фундаментальные частицы Вселенной также сформировались. Однако было еще так жарко, что эти частицы еще не собрались во многие субатомные частицы, которые мы имеем сегодня, такие как протон. По мере того как Вселенная продолжала расширяться, этот горячий первичный бульон, называемый кварк-глюонной плазмой, продолжал остывать. Некоторые коллайдеры частиц, такие как Большой адронный коллайдер ЦЕРН, достаточно мощны, чтобы воссоздать кварк-глюонную плазму.

Излучение в ранней Вселенной было настолько интенсивным, что сталкивающиеся фотоны могли образовывать пары частиц, состоящих из материи и антиматерии, которые во всех отношениях похожи на обычную материю, за исключением противоположного электрического заряда. Считается, что ранняя Вселенная содержала равное количество материи и антиматерии. Но по мере того, как Вселенная остывает, фотоны уже не обладают достаточной силой, чтобы образовывать пары материи и антиматерии. Так что, как в экстремальной игре «музыкальные стулья», многие частицы материи и антиматерии объединились и аннигилировали друг друга.

Каким-то образом выжило некоторое количество избыточной материи, и теперь это материал, из которого состоят люди, планеты и галактики. Наше существование — явный признак того, что законы природы относятся к материи и антиматерии немного по-разному. Исследователи экспериментально наблюдали этот дисбаланс правил, называемый нарушением CP, в действии. Физики все еще пытаются выяснить, как именно материя победила в ранней Вселенной.

Создание атомов

В течение первой секунды Вселенной было достаточно прохладно, чтобы оставшаяся материя объединилась в протоны и нейтроны, знакомые частицы, из которых состоят ядра атомов. И через первые три минуты протоны и нейтроны собрались в ядра водорода и гелия. По массе водород составлял 75 процентов материи ранней Вселенной, а гелий — 25 процентов. Обилие гелия является ключевым предсказанием теории большого взрыва, подтвержденным научными наблюдениями.

Несмотря на наличие атомных ядер, молодая Вселенная была еще слишком горячей, чтобы электроны могли осесть вокруг них и образовать стабильные атомы. Материя Вселенной оставалась электрически заряженным туманом, настолько плотным, что свет с трудом пробивался сквозь него. Потребуется еще 380 000 лет или около того, чтобы Вселенная остыла настолько, чтобы образовались нейтральные атомы — поворотный момент, называемый рекомбинацией. Более холодная Вселенная впервые сделала ее прозрачной, что позволило грохотающим внутри нее фотонам, наконец, беспрепятственно пройти сквозь нее.

Мы до сих пор видим это первозданное послесвечение как космическое микроволновое фоновое излучение, которое встречается во всей Вселенной. Излучение аналогично тому, которое используется для передачи телевизионных сигналов через антенны. Но это самое старое из известных излучений, и оно может хранить много тайн о самых ранних моментах существования Вселенной.

От первых звезд до наших дней

Во Вселенной не было ни одной звезды примерно через 180 миллионов лет после Большого взрыва. Именно столько времени потребовалось гравитации, чтобы собрать облака водорода и превратить их в звезды. Многие физики считают, что огромные облака темной материи, до сих пор неизвестного материала, вес которого превышает вес видимой материи более чем в пять раз, послужили гравитационным каркасом для первых галактик и звезд.

После того, как зажглись первые звезды Вселенной, свет, который они выпустили, был достаточно сильным, чтобы еще раз лишить электроны нейтральных атомов, что является ключевой стадией Вселенной, называемой реионизацией. В феврале 2018 года австралийская команда объявила, что они, возможно, обнаружили признаки этого «космического рассвета». Через 400 миллионов лет после Большого взрыва родились первые галактики. Спустя миллиарды лет звезды, галактики и скопления галактик формировались и переформировывались, в результате чего образовалась наша родная галактика, Млечный Путь, и наш космический дом, Солнечная система.

Даже сейчас Вселенная расширяется, и, к удивлению астрономов, скорость расширения увеличивается. Считается, что это ускорение вызвано силой, которая отталкивает гравитацию, называемой темной энергией. Мы до сих пор не знаем, что такое темная энергия, но считается, что она составляет 68 процентов всей материи и энергии Вселенной. Темная материя составляет еще 27 процентов. В сущности, вся материя, которую вы когда-либо видели — от вашей первой любви до звезд над головой — составляет менее пяти процентов Вселенной.

ИСТОЧНИКИ

Калифорнийский технологический институт — Космический микроволновый фон
НАСА — Команда Хаббла побила рекорд космического расстояния
НАСА — Что такое темная энергия?
Природа — Bowman et al. 2018
Планк — Космический микроволновый фон
Приключения Вселенной — Эпоха Планка
Калифорнийский университет в Лос-Анджелесе — Краткая история Вселенной
Университет Мэриленда — Кварк-глюонная плазма и ранняя Вселенная
Университет Орегона — Ранняя Вселенная
Техасский университет — Ранняя Вселенная

Читать дальше

Эти мексиканские мумии привлекают толпы и вызывают споры

• Путешествия

Эти мексиканские мумии привлекают толпы людей и вызывают споры показ человеческих останков.

Смертельный вариант оспы обезьян распространяется в Центральной Африке

• Наука

Смертельный вариант оспы обезьян распространяется в Центральной Африке

Эксперты призывают к более строгим мерам, чтобы остановить обнаруженный в Демократической Республике Конго вариант, который в 10 раз смертоноснее глобального штамма.

Эксклюзивный контент для подписчиков

Почему люди так одержимы Марсом?

Как вирусы формируют наш мир

Эпоха собачьих бегов в США подходит к концу

Узнайте, как люди представляли себе жизнь на Марсе на протяжении всей истории

Посмотрите, как новый марсоход НАСА будет исследовать красную планету

Почему люди так одержимы Марсом?

Как вирусы формируют наш мир

Эпоха собачьих бегов в США подходит к концу будет исследовать красную планету

Почему люди так одержимы Марсом?

Как вирусы формируют наш мир

Эпоха собачьих бегов в США подходит к концу

Узнайте, как люди представляли себе жизнь на Марсе на протяжении всей истории исследует красную планету

Узнать больше

Теория большого взрыва: эволюция нашей Вселенной

Как была создана наша Вселенная? Как получилось, что это, казалось бы, бесконечное место, о котором мы знаем сегодня? И что с ним будет через века? Это вопросы, которые с незапамятных времен озадачивали философов и ученых и привели к довольно диким и интересным теориям. Сегодня ученые, астрономы и космологи сходятся во мнении, что Вселенная, какой мы ее знаем, была создана в результате мощного взрыва, который создал не только большую часть материи, но и физические законы, управляющие нашим постоянно расширяющимся космосом. Это известно как Теория большого взрыва.

В течение почти века этот термин обсуждался как учеными, так и не учеными. Это не должно вызывать удивления, учитывая, что это наиболее общепринятая теория нашего происхождения. Но что именно это означает? Как была зачата наша Вселенная в результате мощного взрыва, какие есть доказательства этого и что теория говорит о долгосрочных проекциях для нашей Вселенной?

Основы теории Большого Взрыва довольно просты. Короче говоря, гипотеза Большого взрыва утверждает, что вся нынешняя и прошлая материя во Вселенной возникла в одно и то же время, примерно 13,8 миллиарда лет назад. В это время вся материя была сжата в очень маленький шар с бесконечной плотностью и сильным нагревом, называемый Сингулярностью. Внезапно Сингулярность начала расширяться, и началась вселенная, какой мы ее знаем.

Хотя это не единственная современная теория возникновения Вселенной — например, существует Теория стационарного состояния или Теория колеблющейся Вселенной — она является наиболее широко принятой и популярной. Эта модель не только объясняет происхождение всей известной материи, законы физики и крупномасштабную структуру Вселенной, но также объясняет расширение Вселенной и широкий спектр других явлений.

Хронология теории большого взрыва

Отталкиваясь от текущего состояния Вселенной в обратном направлении, ученые предположили, что она должна была возникнуть в одной точке с бесконечной плотностью и конечным временем, которая начала расширяться. Теория утверждает, что после первоначального расширения Вселенная достаточно остыла, чтобы стало возможным образование субатомных частиц, а затем и простых атомов. Гигантские облака этих первичных элементов позже объединились под действием силы тяжести, чтобы сформировать звезды и галактики.

Все это началось примерно 13,8 миллиарда лет назад и считается возрастом Вселенной. Благодаря проверке теоретических принципов, экспериментам с использованием ускорителей частиц и высокоэнергетических состояний, а также астрономическим исследованиям глубокой Вселенной ученые построили временную шкалу событий, начавшихся с Большого взрыва и приведших к нынешнему состоянию космической эволюции. .

Тем не менее, самые ранние периоды существования Вселенной — примерно от 10 ^-43 до 10 ^-11 секунд после Большого взрыва — являются предметом многочисленных спекуляций. Учитывая, что законы физики, какими мы их знаем, не могли существовать в то время, трудно понять, как могла управляться Вселенная. Более того, еще не проводились эксперименты, которые могли бы создать соответствующие виды энергии. Тем не менее, преобладает множество теорий относительно того, что произошло в этот начальный момент времени, многие из которых совместимы.

Эпоха сингулярности

Также известная как эпоха Планка (или Эра Планка), это был самый ранний известный период Вселенной. В это время вся материя была сконденсирована в одной точке бесконечной плотности и чрезвычайно высокой температуры. Считается, что в этот период квантовые эффекты гравитации доминировали над физическими взаимодействиями и что никакие другие физические силы не были равны по силе гравитации.

Этот планковский период времени простирается от точки 0 примерно до 10 ^-43 секунды и названа так потому, что может быть измерена только в планковском времени. Из-за чрезвычайно высокой температуры и плотности материи состояние Вселенной было крайне нестабильным. Таким образом, он начал расширяться и охлаждаться, что привело к проявлению фундаментальных сил физики.

Приблизительно с 10 ^-43 секунды и 10 ^-36 Вселенная начала пересекать переходные температуры. Считается, что именно здесь фундаментальные силы, управляющие Вселенной, начали отделяться друг от друга. Первым шагом в этом было отделение силы гравитации от калибровочных сил, которые объясняют сильные и слабые ядерные взаимодействия и электромагнетизм.

Затем, с 10 ^-36 до 10 ^-32 секунд после Большого Взрыва, температура Вселенной была достаточно низкой (10 ²⁸ К), чтобы силы электромагнетизма (сильное взаимодействие) и слабое ядерное взаимодействие силы (слабое взаимодействие) также смогли разделиться, образовав две отдельные силы.

Эпоха Инфляции

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

История Вселенной от Большого Взрыва до наших дней. Кредит: bicepkeck.org This

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

В результате этого постоянно создавались и разрушались в столкновениях пары частица-античастица всех видов, что, как считается, привело к преобладанию материи над антиматерией в современной Вселенной. После прекращения инфляции Вселенная состояла из кварк-глюонной плазмы, как и все остальные элементарные частицы. С этого момента Вселенная начала остывать, а материя сливалась и формировалась.

Эпоха Охлаждения

По мере того, как плотность и температура Вселенной продолжали уменьшаться, энергия каждой частицы начала уменьшаться, и фазовые переходы продолжались до тех пор, пока фундаментальные физические силы и элементарные частицы не изменились в их нынешнюю форму. Поскольку энергия частиц упала бы до значений, которые можно получить в экспериментах по физике элементарных частиц, этот период и далее является предметом меньшего количества предположений.

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

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

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

Примерно через 379 000 лет электроны объединились с этими ядрами, чтобы сформировать атомы (опять же, в основном водород), в то время как излучение отделилось от материи и продолжило распространяться в космосе, практически беспрепятственно. Теперь известно, что это излучение составляет космический микроволновый фон (CMB), который на сегодняшний день является самым старым светом во Вселенной.

По мере расширения реликтового излучения оно постепенно теряло плотность и энергию, и в настоящее время его температура оценивается в 2,7260 ± 0,0013 К (-270,424 °C/-454,763 °F) и плотность энергии 0,25 эВ/см ³ (или 4,005×10 ^-14 Дж/м ³ ; 400–500 фотонов/см ³ ). Реликтовое излучение можно увидеть во всех направлениях на расстоянии примерно 13,8 миллиардов световых лет, но оценки его фактического расстояния помещают его примерно в 46 миллиардов световых лет от центра Вселенной.

Структурная Эпоха

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

Это то, что известно как Эпоха Структуры, поскольку именно в это время начала формироваться современная Вселенная. Он состоит из видимой материи, распределенной в структуры различных размеров, от звезд и планет до галактик, галактических скоплений и сверхскоплений, где материя сконцентрирована, которые разделены огромными пропастями, содержащими несколько галактик.

Детали этого процесса зависят от количества и типа материи во Вселенной: четыре предлагаемых типа — холодная темная материя, теплая темная материя, горячая темная материя и барионная материя. Однако модель лямбда-холодной темной материи (лямбда-CDM), в которой частицы темной материи двигались медленно по сравнению со скоростью света, считается стандартной моделью космологии Большого взрыва, поскольку она лучше всего соответствует имеющимся данным. .

В этой модели предполагается, что холодная темная материя составляет около 23% материи/энергии Вселенной, а барионная материя составляет около 4,6%. Лямбда относится к космологической постоянной, теории, первоначально предложенной Альбертом Эйнштейном, который пытался показать, что баланс массы и энергии во Вселенной был статичным. В данном случае она связана с Темной Энергией, которая служила для ускорения расширения Вселенной и сохранения ее крупномасштабной структуры в значительной степени однородной.

Диаграмма, показывающая вселенную Lambda-CBR, от Большого взрыва до современной эпохи. Авторы и права: Алекс Миттельманн/Coldcreation

Долгосрочные предсказания будущего Вселенной

Гипотеза о том, что у Вселенной была отправная точка, естественным образом вызывает вопросы о возможной конечной точке. Если Вселенная началась как крошечная точка бесконечной плотности, которая начала расширяться, означает ли это, что она будет продолжать расширяться бесконечно? Или однажды его расширяющая сила иссякнет, и он начнет отступать внутрь, пока вся материя не сожмется обратно в крошечный шарик?

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

В первом сценарии, широко известном как «Большое сжатие», Вселенная достигнет максимального размера, а затем начнет сжиматься сама в себя. Это будет возможно только в том случае, если плотность массы Вселенной больше критической плотности. Другими словами, пока плотность вещества остается на уровне или выше определенного значения (1-3 × 10 ^-26 кг вещества на м³), Вселенная со временем сожмется.

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

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

Современные наблюдения, которые включают существование Темной Энергии и ее влияние на космическое расширение, привели к выводу, что все большая и большая часть видимой в настоящее время Вселенной будет проходить за наш горизонт событий (то есть реликтовое излучение, край того, что мы можем см. ) и становятся невидимыми для нас. Конечный результат этого в настоящее время неизвестен, но «тепловая смерть» также считается вероятной конечной точкой в ​​этом сценарии.

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

История теории Большого взрыва

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

В 1922 году русский космолог Александр Фридман разработал так называемые уравнения Фридмана, которые были получены из уравнений Эйнштейна для общей теории относительности. Вопреки тому, что в то время Эйнштейн отстаивал свою космологическую постоянную, работа Фридмана показала, что Вселенная, вероятно, находится в состоянии расширения.

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

А затем, в 1927 году, Жорж Леметр, бельгийский физик и католический священник, независимо получил те же результаты, что и уравнения Фридмана, и предположил, что предполагаемое удаление галактик связано с расширением Вселенной. В 1931, он пошел дальше, предполагая, что нынешнее расширение Вселенной означает, что чем раньше отец ушел в прошлое, тем меньше будет Вселенная. Он утверждал, что в какой-то момент в прошлом вся масса Вселенной должна была быть сосредоточена в одной точке, из которой возникла сама ткань пространства и времени.

Эти открытия вызвали споры между физиками на протяжении 1920-х и 30-х годов, причем большинство из них выступало за то, чтобы Вселенная находилась в устойчивом состоянии. В этой модели по мере расширения Вселенной постоянно создается новая материя, что позволяет сохранять однородность и плотность материи с течением времени. Среди этих ученых идея Большого взрыва казалась скорее теологической, чем научной, и против Леметра выдвигались обвинения в предвзятости на основании его религиозного происхождения.

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

После Второй мировой войны споры достигли апогея между сторонниками модели стационарного состояния (которая была формализована астрономом Фредом Хойлом) и сторонниками теории большого взрыва, популярность которой росла. По иронии судьбы именно Хойл придумал фразу «Большой взрыв» во время радиопередачи BBC 19 марта.49, что некоторые считали уничижительным увольнением (что отрицал Хойл).

В конце концов, данные наблюдений стали отдавать предпочтение Большому взрыву, а не устойчивому состоянию. Открытие и подтверждение космического микроволнового фонового излучения в 1965 году закрепило за Большим взрывом статус лучшей теории происхождения и эволюции Вселенной. С конца 60-х до 1990-х астрономы и космологи представили еще более убедительные аргументы в пользу Большого взрыва, решив поднятые им теоретические проблемы.

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

В 1990-х годах темная энергия также стала попыткой решить нерешенные проблемы космологии. В дополнение к объяснению недостающей массы Вселенной (наряду с темной материей, первоначально предложенной в 1932 Яна Оорта), он также дал объяснение того, почему Вселенная все еще ускоряется, а также предложил решение космологической постоянной Эйнштейна.

Значительный прогресс был достигнут благодаря достижениям в области телескопов, спутников и компьютерного моделирования, которые позволили астрономам и космологам увидеть больше Вселенной и лучше понять ее истинный возраст. Внедрение космических телескопов, таких как Cosmic Background Explorer (COBE), космический телескоп Хаббла, микроволновый зонд анизотропии Уилкинсона (WMAP) и обсерватория Планка, также имело неизмеримое значение.

Сегодня у космологов есть достаточно точные и точные измерения многих параметров модели Теории Большого Взрыва, не говоря уже о возрасте самой Вселенной. А началось все с отмеченного наблюдения, что массивные звездные объекты, удаленные на много световых лет, медленно удаляются от нас.