Большой взрыв когда произошел: Когда произошел Большой Взрыв?

Содержание

Большой Взрыв

msimagelist>

	Адроны
	Альфа-распад
	Альфа-частица
	Аннигиляция
	Антивещество
	Антинейтрон
	Антипротон
	Античастицы
	Атом
	Атомная единица массы
	Атомная электростанция
	Барионное число
	Барионы
	Бета-распад
	Бетатрон
	Бета-частицы
	Бозе – Эйнштейна статистика
	Бозоны
	Большой адронный коллайдер
	Большой Взрыв
	Боттом. Боттомоний
	Брейта-Вигнера формула
	Быстрота
	Векторная доминантность
	Великое объединение
	Взаимодействие частиц
	Вильсона камера
	Виртуальные частицы
	Водорода атом
	Возбуждённые состояния ядер
	Волновая функция
	Волновое уравнение
	Волны де Бройля
	Встречные пучки
	Гамильтониан
	Гамма-излучение
	Гамма-квант
	Гамма-спектрометр
	Гамма-спектроскопия
	Гаусса распределение
	Гейгера счётчик
	Гигантский дипольный резонанс
	Гиперядра
	Глюоны
	Годоскоп
	Гравитационное взаимодействие
	Дейтрон
	Деление атомных ядер
	Детекторы частиц
	Дирака уравнение
	Дифракция частиц
	Доза излучения
	Дозиметр
	Доплера эффект
	Единая теория поля
	Зарядовое сопряжение
	Зеркальные ядра
	Избыток массы (дефект массы)
	Изобары
	Изомерия ядерная
	Изоспин
	Изоспиновый мультиплет
	Изотопов разделение
	Изотопы
	Ионизирующее излучение
	Искровая камера
	Квантовая механика
	Квантовая теория поля
	Квантовые операторы
	Квантовые числа
	Квантовый переход
	Квант света
	Кварк-глюонная плазма
	Кварки
	Коллайдер
	Комбинированная инверсия
	Комптона эффект
	Комптоновская длина волны
	Конверсия внутренняя
	Константы связи
	Конфайнмент
	Корпускулярно волновой дуализм
	Космические лучи
	Критическая масса
	Лептоны
	Линейные ускорители
	Лоренца преобразования
	Лоренца сила
	Магические ядра
	Магнитный дипольный момент ядра
	Магнитный спектрометр
	Максвелла уравнения
	Масса частицы
	Масс-спектрометр
	Массовое число
	Масштабная инвариантность
	Мезоны
	Мессбауэра эффект
	Меченые атомы
	Микротрон
	Нейтрино
	Нейтрон
	Нейтронная звезда
	Нейтронная физика
	Неопределённостей соотношения
	Нормы радиационной безопасности
	Нуклеосинтез
	Нуклид
	Нуклон
	Обращение времени
	Орбитальный момент
	Осциллятор
	Отбора правила
	Пар образование
	Период полураспада
	Планка постоянная
	Планка формула
	Позитрон
	Поляризация
	Поляризация вакуума
	Потенциальная яма
	Потенциальный барьер
	Принцип Паули
	Принцип суперпозиции
	Промежуточные W-, Z-бозоны
	Пропагатор
	Пропорциональный счётчик
	Пространственная инверсия
	Пространственная четность
	Протон
	Пуассона распределение
	Пузырьковая камера
	Радиационный фон
	Радиоактивность
	Радиоактивные семейства
	Радиометрия
	Расходимости
	Резерфорда опыт
	Резонансы (резонансные частицы)
	Реликтовое микроволновое излучение
	Светимость ускорителя
	Сечение эффективное
	Сильное взаимодействие
	Синтеза реакции
	Синхротрон
	Синхрофазотрон
	Синхроциклотрон
	Система единиц измерений
	Слабое взаимодействие
	Солнечные нейтрино
	Сохранения законы
	Спаривания эффект
	Спин
	Спин-орбитальное взаимодействие
	Спиральность
	Стандартная модель
	Статистика
	Странные частицы
	Струи адронные
	Субатомные частицы
	Суперсимметрия
	Сферическая система координат
	Тёмная материя
	Термоядерные реакции
	Термоядерный реактор
	Тормозное излучение
	Трансурановые элементы
	Трек
	Туннельный эффект
	Ускорители заряженных частиц
	Фазотрон
	Фейнмана диаграммы
	Фермионы
	Формфактор
	Фотон
	Фотоэффект
	Фундаментальная длина
	Хиггса бозон
	Цвет
	Цепные ядерные реакции
	Цикл CNO
	Циклические ускорители
	Циклотрон
	Чарм. Чармоний
	Черенковский счётчик
	Черенковсое излучение
	Черные дыры
	Шредингера уравнение
	Электрический квадрупольный момент ядра
	Электромагнитное взаимодействие
	Электрон
	Электрослабое взаимодействие
	Элементарные частицы
	Ядерная физика
	Ядерная энергия
	Ядерные модели
	Ядерные реакции
	Ядерный взрыв
	Ядерный реактор
	Ядра энергия связи
	Ядро атомное
	Ядерный магнитный резонанс (ЯМР)

msimagelist>

Большой Взрыв

Big Bang

Большой Взрыв
– космологическая гипотеза о начале расширения Вселенной, которое произошло
13,7 млрд. лет назад из сингулярного состояния. Расширение Вселенной заключается
в динамическом изменении пространства–времени. На раннем этапе эволюции
Вселенная представляла собой плотную (ρ = 10⁹³ г/см³)
кварк-глюонную плазму с температурой T = 10³² К. Если за начальный
момент t = 0 взять момент Большого Взрыва, то в ранней Вселенной зависимости
плотности ρ и температуры Т вещества от времени t космологического расширения
описываются приближёнными соотношениями

В результате расширения и охлаждения Вселенной произошло образование
частиц. Аннигиляция частиц и античастиц привела к образованию реликтового
излучения. Дальнейшее охлаждение Вселенной привело в результате первичного
нуклеосинтеза к образованию ядер ⁴He. Догалактические этапы эволюции
Вселенной приведены в табл. 1. Одним из доказательств модели Большого Взрыва
является космологическое красное смещение.

Таблица 1.

Догалактические этапы эволюции
Вселенной

Время после Большого взрыва	Характерные температуры, K	Характерные расстояния, см	Этап/Событие
< 10^-43 с	> 10³²	< 10^-33	Квантовый хаос. Суперсимметрия (объединение всех взаимодействий)
10^-43 с	10³²	10^-33	Планковский момент. Отделение гравитационного взаимодействия
10^-43–10^-36 с	10³²-10²⁸	10^-33-10^-29	Великое объединение электро-слабого и сильного взаимодействий
10^-36 с	10²⁸	10^-29	Конец Великого объединения. Разделение сильного и электро-слабого взаимодействий
10^-10 с	10¹⁵	10^-16	Конец электрослабого объединения
10^-6 с	10¹³	10^-14	Кварк-адронный фазовый переход
10^-10-10^-4 с	10¹⁵-10¹²	10^-16-10^-13	Адронная эра. Рождение и аннигиляция адронов и лептонов
10^-4-10 с	10¹²-10¹⁰	10^-13-10^-10	Лептонная эра. Рождение и аннигиляция лептонов
0.1-1 с	2·10¹⁰	10^-11	Отделение нейтрино. Вселенная становится прозрачной для нейтрино (антинейтрино)
10²-10³ с	≈10⁹	10^-10-10^-9	Дозвёздный синтез гелия
10 с- — 40 000 лет	10¹⁰-10⁴	10^-10-10^-5	Радиационная эра. Доминирование излучения над веществом
40 000 лет	10⁴	10^-5	Начало эры вещества. Вещество начинает доминировать над излучением
400 000 лет	3·10³	10^-4	Образование атомов. Разделение вещества и излучения (Вселенная прозрачна для излучения)

Величина космологического красного смещения и, следовательно,
скорости разбегания галактик увеличивается для более удаленных галактик.
Скорость разбегания двух галактик v и расстояние между ними R связаны законом
Хаббла

v = H·R,

где H = 71 ± 4 км·с^-1·мегапарсек^-1 − постоянная
Хаббла.
Характеристики Вселенной в настоящее время приведены в табл.
2.

Таблица 2. Характеристики Вселенной в настоящее
время

Возраст t₀	13.7±0.3 млрд лет
Радиус наблюдаемой части Вселенной (горизонт видимости) R₀ = сt₀	10²⁸ см
Полное количество вещества и энергии	10⁵⁶ г
Средняя плотность вещества и энергии	10^-29 г/см³
Полное барионное число (число нуклонов)	10⁷⁸
Доля антивещества	< 10^-4
Постоянная Хаббла H	71 ± 4 км·с^-1·Мпк^-1
Температура реликтового (фонового) излучения	2. 73 K
Плотность реликтовых фотонов	410 см^-3
Энергетическая плотность реликтовых фотонов	0.26 эВ/см³ = = 4.6·10^-34 г/см³
Отношение числа барионов к числу реликтовых фотонов n_б/n_γ	(6.1±0.2)·10^-10
Распространённость атомов (ядер): водород гелий остальные ядра	по числу 91% 8.9% <0.2%	по массе 70.7% 27.4% 1.9%

Вселенная в больших масштабах (>100 Мпк) однородна и изотропна. Она содержит
не менее 10¹¹ галактик. Наша галактика − Млечный путь − содержит
10¹¹ звезд.

См. также

Свидетельства Большого взрыва
Самовоспроизводящаяся Инфляционная
Вселенная

98. Где произошел Большой взрыв?. Твиты о вселенной

ВикиЧтение

Твиты о вселенной
Чаун Маркус

Содержание

98. Где произошел Большой взрыв?

Термин «Большой взрыв» неправильно передает визуальную картину почти во всех мыслимых отношениях. В частности, он создает впечатление взрыва.

Взрыв, так же как взрыв динамита, происходит в одном месте. Но нет места, на которое вы можете указать и сказать: «Большой взрыв произошел здесь».

В момент Большого взрыва пространство взорвалось и сразу же начало расти везде. Это произошло одновременно везде.

Представьте себе изюм в поднимающемся пироге. С точки зрения какой-то одной изюминки, все другие изюминки удаляются (представьте бесконечный пирог без границ!!!).

Галактики, встроенные в расширяющееся пространство, как изюм в растущем торте. С точки зрения любой галактики, все другие галактики удаляются.

Так, в расширяющейся Вселенной каждый видит одну и ту же картину и каждому кажется, что он находится в эпицентре взрыва (хотя ни о ком так сказать нельзя).

Кроме того, при взрыве динамита шрапнель взрывается и разлетается в существующем до взрыва пространстве. Но для Вселенной не было ранее существующего пространства.

Большой взрыв не расширялся в чем-то. Пространство просто появилось, и каждая ячейка начала расширение, удаляясь от всех других.

Представьте бесконечный пирог снова. Если он бесконечный, то не существует чего-то внешнего для того, чтобы расшириться туда. Расширение означает, что все точки внутри отдаляются друг от друга.

Конечно, это могут быть пространственные кривые, замыкающиеся сами на себя, подобно многомерной версии поверхности шара Снова нет «внешнего», чтобы расшириться в него.

Если ваш мозг не может осознать это, то помните: Большой взрыв — 4-мерное явление (3 пространственных координаты и 1 временная) и поэтому принципиально непостижим для 3D-существ, таких как мы.

Все, что мы можем сделать, — это поймать отблески Большого взрыва, но никогда не сможем постичь его во всей полноте. Только общая теории относительности может это сделать.

АТОМНЫЙ ВЗРЫВ В КРИСТАЛЛЕ

АТОМНЫЙ ВЗРЫВ В КРИСТАЛЛЕ
Речь будет идти не о кристалле, попавшем в зону атомного взрыва и обезображенного взрывной волной. Имеются в виду совершенно будничные, мирные условия, при которых кристалл сохраняет все отчетливо видимые добродетели: и совершенство формы, и

СОВЕ и Большой взрыв

СОВЕ и Большой взрыв
Вероятно, наиболее эффектное научное подтверждение теория Большого взрыва получила в 1992 г. благодаря данным спутника СОВЕ (Cosmic Background Explorer — Исследователь космического фона). 23 апреля газеты всей страны возвестили об открытиях группы ученых из

Глава 7. БОЛЬШОЙ ВЗРЫВ

Глава 7. БОЛЬШОЙ ВЗРЫВ
У нас, создателей «Руководства», детей пока что нет, но мы об этом наслышаны. Один из самых неловких диалогов с маленькими детишками (по крайней мере нам так говорили) начинается с того, что крошка Билли спрашивает: «Откуда я взялся?» Но этот день,

БОЛЬШОЙ ВЗРЫВ: ОТ МАЛОГО К БОЛЬШОМУ — СКВОЗЬ ВРЕМЯ

БОЛЬШОЙ ВЗРЫВ: ОТ МАЛОГО К БОЛЬШОМУ — СКВОЗЬ ВРЕМЯ
Теперь, когда мы вышли в пространство и рассуждаем о самых больших размерах, которые можно увидеть в наблюдаемой Вселенной, можно сказать, что мы достигли внешних пределов видимого (и вообразимого). Попробуем разобраться,

Большой взрыв

Большой взрыв
Что было до большого взрыва? Дело в том, что не было никакого «до».
Господин Никто (Mr. Nobody)
Пойдем дальше. Если Вселенная расширяется, то это значит, что раньше она находилась в более плотном состоянии. Проведем экстраполяцию назад по времени в соответствии с

16. «Большой взрыв»

16. «Большой взрыв»
Теория «большого взрыва» о порождении Вселенной утверждает, что все вещество и энергия берут начало 14 млрд. лет назад из одной точки, после чего Вселенная начала расширяться. На первых порах расширение было стремительным, получив название раздувания

97. Что такое Большой взрыв?

97. Что такое Большой взрыв?
Около 13,7 млрд лет назад все пространство, время, энергия и материя вспыхнули в титаническом огненном шаре, называемом большой взрыв.После Большого взрыва Вселенная расширяется, галактики — подобные нашему Млечному Пути, — сгущаются из

99.

Откуда мы знаем, что был Большой взрыв?

99. Откуда мы знаем, что был Большой взрыв?
Вселенная расширяется, значит, должна в прошлом быть меньше. Наличие вселенского гелия (10 % атомов) можно объяснить, только если считать его произведенным в печи Большого взрыва.Повседневные доказательства: 1 % от помех или «шума»

74 Капли в банке, или Ядерный взрыв вверх ногами

74
Капли в банке, или Ядерный взрыв вверх ногами
Для опыта нам потребуются: высокая стеклянная банка или ваза, черная тушь, пипетка.
Вода обычно прозрачная. Мы с трудом можем понять, как движется сама масса воды внутри, если только в воде что-нибудь не плавает. А ведь

10. Взрыв или устойчивое состояние

10. Взрыв или устойчивое состояние
Представьте себе картину постепенного расширения космоса, а затем пустите эту картину в обратном направлении, как это делают в кино. Ясно, что в «скрытом мраком прошлом и бездне времен», как однажды сказал Шекспир, должен был быть такой

Горение и взрыв

Горение и взрыв
Для того чтобы началось горение, надо, как известно, поднести к горючему предмету горящую спичку. Но и спичка не зажигается сама, ею надо чиркнуть о коробку. Таким образом, для того чтобы началась такая химическая реакция, необходимо предварительное

Глава 7 Большой взрыв

Глава 7
Большой взрыв
Что было до Большого взрыва?
У нас, создателей «Руководства», детей пока что нет, но мы об этом наслышаны. Один из самых неловких диалогов с маленькими детишками (по крайней мере, нам так говорили) начинается с того, что крошка Билли спрашивает:

Большой взрыв

Большой взрыв
Вселенная образовалась 13,7 миллиарда лет тому назад в результате грандиозного взрыва. «Большой взрыв» – это насмешливое название[8] придумал мой друг, космолог Фред Хойл, который в 1940-е годы принял данную идею в штыки.Фред ошибался. Мы уже наблюдали

Взрыв на орбите вокруг планеты Манн

Взрыв на орбите вокруг планеты Манн
Такой подход к конструированию корабля приносит свои плоды, когда доктор Манн невольно инициирует сильный взрыв, который размыкает кольцо «Эндюранс», уничтожает два модуля и еще два повреждает (рис. 20.2).
Рис. 20.2. Вверху: взрыв

Большой взрыв — что это такое, что было до него, последствия, пространство, материя, исследования

С чего все началось? Все в мире — мы, планета, галактики и все остальное. Самая популярная теория гласит, что в начале всего был Большой взрыв, которому мы всем и обязаны. Вот только как он произошел и что было до него?

Большой взрыв — это гипотетический момент начала начал. Точнее, космологическая модель, описывающая зарождение Вселенной такой, какой мы ее наблюдаем сегодня. В начале было слово, и слово этому слову — сингулярное состояние. Бесконечно малая и бесконечно плотная точка, в которую была сжата вся Вселенная, физика, константы, материя, пространство и время.

Потом или во время этого случился Большой взрыв, зародилось все вышеперечисленное, а физики спустя четырнадцать миллиардов лет обнаружили космический микроволновый фон и стали думать, что же было в начале начал. Пока додумались только до Большого взрыва или, говоря научным языком, процесс и первые сто тысяч лет спустя Большого взрыва мы можем наблюдать в ретроспективе.

Самое обсуждаемое по теме Большой взрыв

Исследователи из Копенгагенского университета выяснили, что произошло с определенным видом плазмы – самой первой материей во Вселенной – в течение первой микросекунды после Большого взрыва. Их открытие раскрывает часть головоломки об эволюции Вселенной, какой мы знаем ее сегодня: современная наука гласит, что около 14 миллиардов лет назад наша Вселенная перешла из гораздо более горячего и плотного состояния в радикально расширяющееся – этот процесс н назвали Большим взрывом. И хотя мы знаем, что это быстрое расширение породило частицы, атомы, звезды, галактики и жизнь на нашей планете, детали того, как именно произошло рождение Вселенной, до сих пор неизвестны. Новая работа, по мнению ее авторов, проливает свет на самые первые мгновения существования всего сущего. Полученные результаты позволили исследователям пошагово восстановить эволюцию ранней Вселенной – с помощью Большого адронного коллайдера в ЦЕРН физикам удалось воссоздать то крошечное окно времени, в котором вся Вселенная была относительно компактной.

Согласно космологической теории, преобладающей сегодня в научном сообществе, Вселенная родилась около 13,7 миллиардов лет назад в ходе процесса, известного как Большой Взрыв. С тех пор пространство расширяется и охлаждается. Однако недавнее исследование Университета штата Огайо совместно с Университетом Джона Хопкинса и Институтом астрофизики имени Макса Планка углубилось в историю Вселенной и оказалось, что это не совсем так. Фактически, исследователи утверждают, что средняя температура газовых облаков, из которых образуются звезды и галактики, увеличилась в десять раз за последние 10 000 миллионов лет, достигнув к сегодняшнему дню почти двух миллионов градусов. Таким образом, астрономы подтвердили, что галактики нагреваются со временем из-за гравитационного коллапса космической структуры и именно по этой причине потепление Вселенной продолжится и в будущем.

«До Большого взрыва существовала более ранняя Вселенная, которую сегодня можно наблюдать. Большой Взрыв не был началом», — эти слова произнес английский физик и математик сэр Роджер Пенроуз во время вручения Нобелевской премии по физике в 2020 году. Британская The Telegraph также приводит слова выдающегося ученого: «Что-то существовало до Большого взрыва и это что-то продолжит свое существование в будущем». Нобелевский лауреат считает, что наш Большой взрыв начался с того, что являлось далеким будущим более ранней эпохи. Причина, по которой он так думает, заключается в таинственной физике черных дыр – еще в 1964 году, спустя девять лет после смерти Эйнштейна, сэр Роджер предположил, что черные дыры являются неизбежным следствием Общей теории относительности (ОТО). Его новаторская статья до сих пор считается самым важным вкладом в теорию относительности со времен Эйнштейна и доказательства Большого взрыва.

В век высоких технологий мы не особо задумываемся о старой бытовой технике. И уж тем более о старых, огромных телевизорах. Их место теперь занимают плоские черные прямоугольники с жидкокристаллическими экранами. Но что, если мы недооцениваем старое поколение телевизоров? Ведь они оснащены антеннами для приема широковещательных сигналов, что, безусловно, чрезвычайно архаично по современным стандартам. Тем не менее, эти антенны в некотором смысле являются весьма специфическим типом радиотелескопа и могут быть использованы учеными, чтобы… обнаружить Большой Взрыв. На протяжении бесчисленных поколений философы, теологи и поэты размышляли о нашем космическом происхождении, выдвигая самые разнообразные гипотезы. Все изменилось в XX веке, когда теоретические, экспериментальные и наблюдательные открытия в физике и астрономии, наконец, вывели эти вопросы в область проверяемой науки.

Когда кто-то говорит что-то про гравитационные волны, многим остается только недоумевать и не понимать, что это вообще такое. Если вы этого не знали, расслабьтесь — даже ученые не могут дать на это развернутый ответ. Конечно, в целом они понимают, что это такое и откуда берется, но белые пятна в этой истории все равно еще остаются. Даже то, что несколько лет назад их смогли зафиксировать, не дает развернутого ответа на вопрос, что же это такое. Все из-за того, что они появляются в далеком космосе и уже потом доходят до нас. Примечательно, что предсказал их существование еще Альберт Эйнштейн, а современные ученые только сейчас начинают подбираться к их разгадке. Понимание того, откуда они берутся и что из себя представляют, пусть и примерное, очень интересно. Попробуем рассказать об этом попроще и без лишних сложных формул.

Первое, о чем необходимо помнить рассуждая о теории Большого взрыва, является принятие того факта, что это очень сложная для понимания концепция. Мы представляем себе начало всего как мощный взрыв, который произошел из одной точки. Однако космологи подразумевают под этим событием нечто иное. Большой Взрыв – это взрыв пространства, а не взрыв в космосе. У взрыва нет ни центра, ни края. Ученые полагают, что за пределами Большого Взрыва не было места, поэтому Вселенная ни во что не расширялась. Скорее, расширялось пространство повсюду. Вот почему кажется, что галактики удаляются от нас во всех направлениях. Любой наблюдатель, где бы он ни находился, увидел бы то же самое. Но как Вселенная могла образоваться в результате взрыва в одной точке пространства? Некоторые исследователи полагают, что ответ на этот вопрос звучит следующим образом – никак.

Согласно результатам исследования, опубликованного в журнале The Astrophysical Journal, ученые зафиксировали взрыв в пять раз мощнее чем все, что они когда-либо видели. Но что могло послужить причиной столь поразительного события? Вероятным виновником произошедшего исследователи называют одни из самых таинственных объектов во Вселенной – черные дыры. Они не только захватывают материю, но и выбрасывают ее. Выглядит выброс как потоки материи в виде нагретых струй или лучей – так называемые джеты. Однако подобные “извержения”, как правило, в сотни или даже тысячи раз менее мощные, чем произошедший взрыв.

Как известно, наша необъятная Вселенная родилась около 14,5 миллиардов лет назад в результате Большого Взрыва. Несмотря на то, что мы уже знаем многое о том, как именно возникло наше мироздание, мы все еще не понимаем, что же именно стало причиной этого колоссального по мощности взрыва. Для того, чтобы попробовать ответить на этот вопрос, исследователи решили проанализировать механизмы, способные вызвать столь невероятно мощный взрыв, породивший все, в том числе и нас с вами.

Какого цвета Вселенная? Первое, что приходит на ум, когда мы начинаем задаваться подобным вопросом, глядя на ночное небо, конечно же становится черный — универсальный цвет мироздания. Вместе с тем, мы упускаем из виду тот факт, что Вселенная в реальной жизни по-настоящему утопает в море цвета, который проявляется в сине-белых мерцаниях молодых звезд, в пурпурном свечении облаков из водорода и огромном разнообразии красок древних туманностей. Помимо цветов, которые мы можем наблюдать невооруженным глазом, существуют также вспышки рентгеновского излучения и гамма-лучей и даже древнее реликтовое излучение, которые наотрез отказывается видеть человеческий глаз. Космос наполнен цветами, видимыми и невидимыми, однако до появления всего изобилия космических цветов, существовал всего один цвет — первый цвет Вселенной.

Темная материя ускользает от астрофизиков уже довольно давно. О ее существовании впервые заговорил в 1920-х годах голландский астроном по имени Якобус Каптьен. Известный радиоастроном Ян Оорт позже укрепил гипотезу о существовании темной материи в начале 1930-х годов, когда обнаружил, что должно быть больше массы, чем наблюдается, чтобы заставить группу Местных галактик двигаться, как это и происходит. А уже в августе 2006 года NASA нашли прямое доказательство существования самой большой загадки во Вселенной — темной материи. Согласно результатам последнего исследования, темная материя существовала до Большого взрыва. Но как такое возможно?

Большой взрыв: что на самом деле произошло при рождении нашей Вселенной?

(Изображение предоставлено: MARK GARLICK / SCIENCE PHOTO LIBRARY через Getty Images)

Потребовалось чуть больше семи дней, чтобы создать вселенную такой, какой мы ее знаем сегодня. SPACE.com рассматривает тайны небес в нашей серии из восьми частей: История и будущее космоса . Это 5 часть из этой серии.

Наша Вселенная родилась около 13,7 миллиардов лет назад в результате массивного расширения, которое взорвало пространство, как гигантский воздушный шар.

Вкратце это и есть теория Большого Взрыва, которую поддерживают практически все космологи и физики-теоретики. Доказательства, подтверждающие эту идею, обширны и убедительны. Мы знаем, например, что Вселенная продолжает расширяться даже сейчас с постоянно ускоряющейся скоростью.

Ученые также обнаружили предсказанный тепловой отпечаток Большого взрыва, пронизывающее вселенную космическое микроволновое фоновое излучение. И мы не видим никаких объектов явно старше 13,7 миллиардов лет, что позволяет предположить, что наша Вселенная возникла примерно в это время.

«Все эти вещи ставят теорию Большого взрыва на чрезвычайно прочную основу», — сказал астрофизик Алекс Филиппенко из Калифорнийского университета в Беркли. «Большой взрыв — чрезвычайно успешная теория».

Чему учит нас эта теория? Что на самом деле произошло при рождении нашей Вселенной и как она приняла форму, которую мы наблюдаем сегодня?

Связанный: История Вселенной: от Большого взрыва до наших дней за 10 простых шагов

Начало

Традиционная теория Большого взрыва утверждает, что наша Вселенная началась с сингулярности — точки бесконечной плотности и температуры, природа которой сложна для нашего разума, чтобы понять. Однако это может не совсем точно отражать реальность, говорят исследователи, потому что идея сингулярности основана на общей теории относительности Эйнштейна.

«Проблема в том, что нет никаких оснований верить в общую теорию относительности в этом режиме», — сказал Шон Кэрролл, физик-теоретик из Калифорнийского технологического института. «Это будет неправильно, потому что не принимает во внимание квантовую механику. А квантовая механика, безусловно, будет важна, как только вы доберетесь до этого места в истории Вселенной».

Итак, самое начало вселенной остается довольно туманным. Ученые считают, что они могут воспроизвести историю примерно через 10 с минус 36 секунд — одну триллионную от триллионной триллионной доли секунды — после Большого взрыва.

В этот момент, по их мнению, Вселенная претерпела чрезвычайно короткий и драматический период расширения, расширяясь быстрее скорости света. Он удвоился в размере, возможно, в 100 или более раз, и все это в течение нескольких крошечных долей секунды.

(Может показаться, что инфляция нарушает специальную теорию относительности, но это не так, говорят ученые. Специальная теория относительности утверждает, что никакая информация или материя не могут переноситься между двумя точками в пространстве со скоростью, превышающей скорость света. Но инфляция была расширение самого пространства. )

«Инфляция была «взрывом» Большого Взрыва, — сказал Филиппенко SPACE.com. — До инфляции было немного вещества, которое, вполне возможно, немного расширилось. Нам нужно было что-то вроде инфляции, чтобы сделать Вселенная большая».

Эта быстро расширяющаяся вселенная практически не содержала материи, но, согласно теории, содержала огромное количество темной энергии. Темная энергия — это таинственная сила, которая, по мнению ученых, является движущей силой нынешнего ускоряющегося расширения Вселенной.

Во время инфляции темная энергия заставила Вселенную сгладиться и ускориться. Но это не задержалось надолго.

«Это была просто временная темная энергия», — сказал Кэрролл SPACE.com. «Он превратился в обычную материю и излучение посредством процесса, называемого повторным нагревом. Вселенная превратилась из холодной во время инфляции в снова горячую, когда вся темная энергия исчезла».

Ученые не знают, что могло вызвать инфляцию. По словам Филиппенко, это остается одним из ключевых вопросов космологии Большого взрыва.

На этом рисунке показана временная шкала Вселенной, основанная на теории Большого взрыва и моделях инфляции. (Изображение предоставлено NASA/WMAP)

Большой отскок

Большинство космологов считают инфляцию ведущей теорией для объяснения характеристик Вселенной — в частности, того, почему она относительно плоская и однородная, с примерно одинаковым количеством вещества, равномерно распределенным во всех направлениях.

Различные доказательства указывают на то, что инфляция является реальностью, сказал физик-теоретик Энди Альбрехт из Калифорнийского университета в Дэвисе.

«Все они прекрасно сочетаются с инфляционной картиной», — сказал Альбрехт, один из создателей теории инфляции. «Инфляция сделала невероятно хорошо».

Однако инфляция — не единственная идея, пытающаяся объяснить структуру Вселенной. Теоретики придумали другую, названную циклической моделью, которая основана на более ранней концепции, называемой экпиротической вселенной.

Эта идея утверждает, что наша Вселенная не возникла из одной точки или чего-то подобного. Скорее, она отскочила в сторону расширения — гораздо более спокойными темпами, чем предсказывает теория инфляции — из ранее существовавшей Вселенной, которая сжималась. Если эта теория верна, наша Вселенная, вероятно, претерпела бесконечную череду взрывов и схлопываний.

«Начало нашей вселенной было бы прекрасным и конечным», — сказал Берт Оврут из Пенсильванского университета, один из создателей экпиротической теории.

Циклическая модель утверждает, что наша Вселенная состоит из 11 измерений, только четыре из которых мы можем наблюдать (три пространственных и одно временное). Наша четырехмерная часть Вселенной называется браной (сокращение от мембраны).

Согласно идее, в 11-мерном пространстве могут скрываться и другие браны. Столкновение двух бран могло привести к тому, что Вселенная перешла от сжатия к расширению, спровоцировав Большой взрыв, свидетельство которого мы наблюдаем сегодня.

На этом изображении всего неба космического микроволнового фона, созданном спутником «Планк» Европейского космического агентства, видны отголоски Большого взрыва, оставшиеся со времен зарождения Вселенной. (Изображение предоставлено ESA/LFI & HFI Consortia)

Известная нам Вселенная обретает форму

Но, во-первых, как наша Вселенная возникла из ничего? Космологи подозревают, что четыре силы, управляющие Вселенной — гравитация, электромагнетизм, слабое и сильное ядерное взаимодействие — были объединены в единую силу при рождении Вселенной, сжатые вместе из-за связанных с этим экстремальных температур и плотностей.

Но все изменилось, когда Вселенная расширилась и остыла. Примерно во время инфляции сильное взаимодействие, вероятно, отделилось. И примерно через 10 триллионных долей секунды после Большого взрыва электромагнитное и слабое взаимодействия также стали различаться.

Сразу после инфляции Вселенная, вероятно, была заполнена горячей плотной плазмой. Но примерно за 1 микросекунду (от 10 до минус 6 секунд) или около того он достаточно остыл, чтобы позволить сформироваться первым протонам и нейтронам, считают исследователи.

В первые три минуты после Большого взрыва эти протоны и нейтроны начали сливаться вместе, образуя дейтерий (также известный как тяжелый водород). Затем атомы дейтерия соединились друг с другом, образовав гелий-4.

Рекомбинация: Вселенная становится прозрачной

Все вновь созданные атомы были положительно заряжены, поскольку Вселенная была еще слишком горячей, чтобы способствовать захвату электронов.

Но все изменилось примерно через 380 000 лет после Большого Взрыва. В эпоху, известную как рекомбинация, ионы водорода и гелия начали захватывать электроны, образуя электрически нейтральные атомы. Свет значительно рассеивается на свободных электронах и протонах, но гораздо меньше на нейтральных атомах. Так что теперь фотоны могли свободно путешествовать по Вселенной.

Рекомбинация кардинально изменила облик Вселенной; это был непрозрачный туман, а теперь он стал прозрачным. Космическое микроволновое фоновое излучение, которое мы наблюдаем сегодня, относится к этой эпохе.

Тем не менее, Вселенная долгое время была довольно темной после рекомбинации, по-настоящему осветившись только тогда, когда первые звезды начали сиять примерно через 300 миллионов лет после Большого взрыва. Они помогли отменить многое из того, что было достигнуто рекомбинацией. Эти ранние звезды — и, возможно, некоторые другие загадочные источники — испускали достаточно радиации, чтобы расщепить большую часть водорода во Вселенной обратно на составляющие его протоны и электроны.

Этот процесс, известный как реионизация, похоже, завершился примерно через 1 миллиард лет после Большого взрыва. Вселенная сегодня не непрозрачна, как это было до рекомбинации, потому что она так сильно расширилась. По словам ученых, вещество во Вселенной очень разбавлено, поэтому взаимодействия, связанные с рассеянием фотонов, относительно редки.

Со временем звезды притягивались друг к другу, образуя галактики, что приводило к образованию все более крупномасштабных структур во Вселенной. Планеты объединились вокруг некоторых недавно образовавшихся звезд, включая наше собственное Солнце. А 3,8 миллиарда лет назад на Земле зародилась жизнь.

До Большого Взрыва?

Хотя многое о первых мгновениях Вселенной остается спекулятивным, вопрос о том, что предшествовало Большому Взрыву, еще более загадочен и труден для решения.

Во-первых, сам вопрос может быть бессмысленным. Если Вселенная возникла из ничего, как считают некоторые теоретики, то Большой взрыв отмечает момент, когда началось само время. В этом случае не было бы такого понятия, как «раньше», сказал Кэрролл.

Но некоторые концепции рождения вселенной могут предложить возможные ответы. Циклическая модель, например, предполагает, что нашей расширяющейся Вселенной предшествовала сжимающаяся Вселенная. Кэрролл тоже может вообразить, что что-то существовало до Большого взрыва.

«Это может быть просто пустое пространство, которое существовало до того, как произошел наш Большой Взрыв, а затем какая-то квантовая флуктуация породила вселенную, подобную нашей», — сказал он. «Вы можете представить себе небольшой пузырь пространства, оторвавшийся в результате флуктуации и наполнившийся крошечной каплей энергии, которая затем может вырасти во вселенную, которую мы видим благодаря инфляции».

Филиппенко тоже подозревает, что что-то в этом роде может быть правдой.

«Я думаю, что время в нашей вселенной началось с Большого взрыва, но я думаю, что мы были отклонением от предшественника, материнской вселенной», — сказал Филиппенко.

Узнаем ли мы когда-нибудь?

Миссия Европейского космического агентства «Планк», которая вращалась вокруг Земли с 2009 по 2013 год, помогла космологам уточнить свои представления о природе нашей Вселенной и ее происхождении. Подробная карта космического микроволнового фона, созданная космическим кораблем, показала, что наша Вселенная, даже если она возникла от предшественницы, вряд ли снова сожмется в будущем, сказал Space.com астрофизик Дэйв Клементс из Имперского колледжа Лондона.

«Планк не может полностью исключить концепцию прыгающей Вселенной, но, учитывая текущие значения космологических параметров, наша Вселенная не собирается повторно коллапсировать», — сказал Клементс. «Компонент темной энергии, который в данный момент ускоряет расширение Вселенной, должен измениться, чтобы обратить это расширение вспять и привести к большому сжатию».

Используя данные Планка, ученые смогли уточнить свои оценки возраста Вселенной, а также количества видимой материи, темной материи и темной энергии в ней. По словам Клементса, миссия не преподнесла никаких сюрпризов и в основном подтвердила существующие теории.

«Это показывает, что это максимально скучная вселенная», — сказал Клементс.

Тем не менее, по его результатам возникло несколько новых вопросов. Например, постоянная Хаббла, описывающая скорость расширения Вселенной, незначительно отличается, измеренная Планком в далекой Вселенной, по сравнению с ее значением, полученным космическим телескопом Хаббла на основе измерений в ближней Вселенной, сказал Клементс.

Вся эта крупица информации помогает космологам лучше моделировать эволюцию Вселенной и приближаться к ответам на важные вопросы о происхождении всего сущего. Ожидается, что предстоящая миссия Европейского космического агентства под названием «Евклид» , запуск которой запланирован на 2023 год, сделает дальнейшие шаги в этом направлении.

Что дальше

Миссия Евклид будет изучать, как скопления и галактики разбросаны по Вселенной в больших масштабах, чтобы помочь астрономам лучше понять эффекты темной энергии. Он также будет изучать то, что астрономы называют слабым гравитационным линзированием, искривление света, вызванное гравитационным притяжением очень массивных объектов. Поскольку более 80% материи во Вселенной невидимы, сила линзирования может дать астрономам подсказки о распределении темной материи.

«Евклид сможет измерить это в гораздо большем масштабе, возможно, почти на половине внегалактического неба или даже больше», — сказал Клементс.

Дальнейшие части этой космической головоломки могут появиться в результате изучения гравитационных волн, ряби в пространстве-времени, возникающей при столкновениях сверхмассивных объектов, таких как черные дыры и нейтронные звезды.

Гравитационные волны, сказал Клементс, должны были возникнуть во время инфляции, периода быстрого расширения в первые моменты существования Вселенной. Таким образом, обнаружение этих ранних гравитационных волн и расшифровка их свойств могут дать беспрецедентные знания о рождении Вселенной.

«Это расскажет нам кое-что о физике, которая привела к раннему очень быстрому расширению Вселенной», — сказал Клементс. «Мы действительно возвращаемся к самым, самым ранним моментам, и если мы лучше поймем инфляцию, мы, надеюсь, сможем лучше понять, был ли Большой взрыв единичным событием или эта прыгающая идея может быть правильной».

Вы можете следить за старшим писателем SPACE.com Майком Уоллом в Твиттере: @michaeldwall. Подписывайтесь на SPACE.com, чтобы быть в курсе последних новостей космической науки и исследований, в Twitter @Spacedotcom и на Facebook.

Дополнительные ресурсы

Чтобы узнать больше о миссии «Планк» и ее стремлении понять происхождение Вселенной, посетите веб-сайт Европейского космического агентства. Для получения информации о предстоящей миссии EUCLID перейдите сюда.

Для получения дополнительной информации об изучении первичных гравитационных волн и о том, как они могут помочь раскрыть тайны рождения Вселенной, прочитайте эту статью Массачусетского технологического института.

Библиография

Муиа, Ф., Большой взрыв: как мы пытаемся его «прислушаться» и какую новую физику он может открыть, The Conversation, 15 июля 2021 г.
https://theconversation.com/big-bang-how-we-are-trying-to-listen-to-it-and-the-new-physics-it-could-unveil-164502

Кастельвекки, Д. , Как гравитационные волны могут разгадать некоторые из глубочайших загадок Вселенной, Природа, 11 апреля 2018 г.
https://sci.esa.int/web/planck

ESA, Евклид
https://sci.esa.int/web/euclid

Эта справочная статья, первоначально опубликованная 21 октября 2011 г., была обновлена 4 февраля 2022 г.

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].

Майкл Уолл — старший космический писатель Space. com (открывается в новой вкладке) , присоединился к команде в 2010 году. В основном он освещает экзопланеты, космические полеты и военный космос, но, как известно, увлекается космическим искусством. Его книга о поисках инопланетной жизни «Out There» была опубликована 13 ноября 2018 года. Прежде чем стать научным писателем, Майкл работал герпетологом и биологом дикой природы. У него есть докторская степень. по эволюционной биологии Сиднейского университета, Австралия, степень бакалавра Аризонского университета и диплом о высшем образовании в области научного письма Калифорнийского университета в Санта-Круз. Чтобы узнать, какой у него последний проект, вы можете подписаться на Майкла в Твиттере.

Что было до Большого Взрыва?

(Изображение предоставлено Shutterstock)

Большой взрыв обычно считается началом всего: около 13,8 миллиардов лет назад наблюдаемая Вселенная прошла бум и расширилась.

Но что было до Большого Взрыва?

Краткий ответ: Мы не знаем. Длинный ответ: могло быть много вещей, каждая по-своему умопомрачительна.

Связанный: Насколько массивен Млечный Путь?

В начале

Первое, что нужно понять, это что такое Большой взрыв.

«Большой взрыв — это момент времени, а не точка в пространстве», — сказал Шон Кэрролл, физик-теоретик из Калифорнийского технологического института и автор книги «Большая картина: происхождение жизни, смысл и Вселенная». Сам» (Даттон, 2016).

Таким образом, возможно, что Вселенная во время Большого взрыва была крошечной или бесконечно большой, сказал Кэрролл, потому что невозможно оглянуться назад во времени на вещи, которые мы даже не можем увидеть сегодня. Все, что мы действительно знаем, это то, что он был очень, очень плотным и очень быстро стал менее плотным.

Как следствие, за пределами вселенной на самом деле нет ничего, потому что вселенная по определению есть все. Итак, при Большом Взрыве все было плотнее и горячее, чем сейчас, но «снаружи» его было не больше, чем сегодня. По словам Кэрролла, как бы ни было заманчиво принять богоподобный взгляд и представить, что вы можете стоять в пустоте и смотреть на сморщенную детскую вселенную прямо перед Большим взрывом, это было бы невозможно. Вселенная не расширилась в космос; расширилось само пространство.

«Независимо от того, где вы находитесь во Вселенной, если вы проследите себя на 14 миллиардов лет назад, вы придете к этой точке, где она была чрезвычайно горячей, плотной и быстро расширяющейся», — сказал он.

Никто точно не знает, что происходило во Вселенной до 1 секунды после Большого Взрыва, когда Вселенная достаточно остыла для того, чтобы протоны и нейтроны столкнулись и слиплись. Многие ученые действительно думают, что Вселенная прошла через процесс экспоненциального расширения, называемого инфляцией, в течение этой первой секунды. Это сгладило бы ткань пространства-времени и могло бы объяснить, почему сегодня материя так равномерно распределена во Вселенной.

До взрыва

Возможно, что до Большого взрыва Вселенная представляла собой бесконечный участок сверхгорячего плотного материала, который оставался в устойчивом состоянии до тех пор, пока по какой-то причине не произошел Большой взрыв. По словам Кэрролла, эта сверхплотная Вселенная могла управляться квантовой механикой, физикой чрезвычайно малых масштабов. Таким образом, Большой взрыв представлял собой момент, когда классическая физика стала главным двигателем эволюции Вселенной. [Что такое квантовая механика?]

Для Стивена Хокинга этот момент был единственным, что имело значение: до Большого взрыва, по его словам, события были неизмеримы и, следовательно, не определены. Хокинг назвал это предложением об отсутствии границ: по его словам, время и пространство конечны, но у них нет границ, начальной или конечной точки, точно так же, как планета Земля конечна, но не имеет края.

«Поскольку события до Большого взрыва не имеют последствий для наблюдений, их также можно вычеркнуть из теории и сказать, что время началось с Большого взрыва», — сказал он в интервью программе National Geographic «StarTalk» в 2018 году.

Или, возможно, до Большого взрыва было что-то еще, над чем стоит задуматься. Одна из идей состоит в том, что Большой взрыв — это не начало времени, а скорее момент симметрии. В этой идее до Большого взрыва существовала другая вселенная, идентичная этой, но с возрастающей энтропией в сторону прошлого, а не в сторону будущего.

Увеличение энтропии или увеличение беспорядка в системе, по сути, является стрелой времени, сказал Кэрролл, поэтому в этой зеркальной вселенной время будет идти противоположно времени в современной вселенной, а наша вселенная будет в прошлом. Сторонники этой теории также предполагают, что в этой зеркальной вселенной меняются местами другие свойства Вселенной. Например, физик Дэвид Слоан написал в научном блоге Оксфордского университета, что асимметрии в молекулах и ионах (называемые хиральностью) будут иметь противоположную ориентацию, чем в нашей Вселенной.

Родственная теория утверждает, что Большой Взрыв был не началом всего, а скорее моментом времени, когда Вселенная перешла от периода сжатия к периоду расширения. Это понятие «Большого отскока» предполагает, что могут быть бесконечные Большие взрывы, поскольку Вселенная расширяется, сжимается и снова расширяется. Проблема с этими идеями, по словам Кэрролла, заключается в том, что нет объяснения тому, почему и как расширяющаяся Вселенная будет сжиматься и возвращаться в состояние с низкой энтропией.

У Кэрролла и его коллеги Дженнифер Чен есть собственное видение до Большого Взрыва. В 2004 году физики предположили, что, возможно, вселенная, какой мы ее знаем, является потомком родительской вселенной, от которой оторвался кусок пространства-времени.

Это похоже на распад радиоактивного ядра, сказал Кэрролл: Когда ядро распадается, оно выбрасывает альфа- или бета-частицу. Родительская вселенная могла бы делать то же самое, за исключением того, что вместо частиц она выплевывает дочерние вселенные, возможно, бесконечно. «Это просто квантовая флуктуация, которая позволяет этому произойти», — сказал Кэрролл. Эти дочерние вселенные являются «буквально параллельными вселенными», сказал Кэрролл, и не взаимодействуют друг с другом и не влияют друг на друга.

Если все это звучит довольно странно, так оно и есть, потому что у ученых еще нет способа заглянуть даже в момент Большого взрыва, не говоря уже о том, что было до него. Тем не менее, есть место для изучения, сказал Кэрролл. Обнаружение гравитационных волн от мощных галактических столкновений в 2015 году открывает возможность того, что эти волны можно использовать для решения фундаментальных загадок о расширении вселенных в эту первую решающую секунду.

У физиков-теоретиков тоже есть работа, сказал Кэрролл, например, делать более точные прогнозы о том, как могут работать квантовые силы, такие как квантовая гравитация.

«Мы даже не знаем, что ищем, — сказал Кэрролл, — пока у нас не появится теория».

Почему Земля вращается?
Как Млечный Путь получил свое название?
Черные дыры прекрасны. Почему их имена обычно такие скучные?

Первоначально опубликовано на Live Science .

Стефани Паппас — автор статей для журнала Live Science, освещающего самые разные темы — от геонаук до археологии, человеческого мозга и поведения. Ранее она была старшим автором журнала Live Science, но теперь работает внештатным сотрудником в Денвере, штат Колорадо, и регулярно публикует статьи в журналах Scientific American и The Monitor, ежемесячном журнале Американской психологической ассоциации. Стефани получила степень бакалавра психологии в Университете Южной Каролины и диплом о высшем образовании в области научной коммуникации в Калифорнийском университете в Санта-Круз.

Если Большой взрыв не был началом, то что это было?

Вся наша космическая история теоретически хорошо изучена, но только потому, что мы понимаем … [+] теорию гравитации, лежащую в ее основе, и потому что мы знаем нынешнюю скорость расширения Вселенной и энергетический состав. Свет всегда будет продолжать распространяться через эту расширяющуюся Вселенную, и мы будем продолжать получать этот свет сколь угодно далеко в будущем, но он будет ограничен во времени в той мере, в какой он достигает нас. У нас все еще остаются без ответа вопросы о нашем космическом происхождении, но возраст Вселенной известен.

НИКОЛЬ РЕЙДЖЕР ФУЛЛЕР / НАЦИОНАЛЬНЫЙ НАУЧНЫЙ ФОНД

Вот уже более 50 лет у нас есть убедительные научные доказательства того, что наша Вселенная, какой мы ее знаем, началась с горячего Большого взрыва. Вселенная расширяется, остывает и полна сгустков (таких как планеты, звезды и галактики) сегодня, потому что в прошлом она была меньше, горячее, плотнее и однороднее. Если экстраполировать все назад, к самым ранним возможным моментам, то можно представить, что все, что мы видим сегодня, когда-то было сосредоточено в одной точке: сингулярности, знаменующей рождение самого пространства и времени.

По крайней мере, мы так думали: Вселенная родилась конечный промежуток времени назад и началась с Большого Взрыва. Однако сегодня мы знаем намного больше, чем тогда, и картина не так ясна. Большой взрыв больше нельзя описывать как самое начало Вселенной, которую мы знаем, и горячий Большой взрыв почти наверняка не приравнивается к рождению пространства и времени. Итак, если Большой взрыв не был началом, то что же это было? Вот что говорит нам наука.

Ближайшие звезды и галактики, которые мы видим, очень похожи на наши собственные. Но чем дальше мы смотрим, тем … [+] видим Вселенную такой, какой она была в далеком прошлом: менее структурированной, более горячей, более молодой и менее развитой. Во многих отношениях есть границы того, как далеко мы можем заглянуть во Вселенную.

НАСА, ЕКА и А. ФЕЙЛД (STSCI)

Наша Вселенная, какой мы ее наблюдаем сегодня, почти наверняка рано возникла из горячего, плотного, почти идеально однородного состояния. В частности, есть четыре доказательства, которые указывают на этот сценарий:

Хаббловское расширение Вселенной, показывающее, что величина красного смещения света от удаленного объекта пропорциональна расстоянию до этого объекта,
существование остаточного свечения — космического микроволнового фона (CMB) — во всех направлениях, с одинаковой везде температурой всего на несколько градусов выше абсолютного нуля,
легких элементов — водород, дейтерий, гелий-3, гелий-4 и литий-7 — которые существовали в определенном соотношении содержаний еще до того, как образовались какие-либо звезды,
и космическая паутина структуры, которая с течением времени становится все более плотной и комковатой, с большим пространством между все более и более крупными комками.

ЕЩЕ ОТ FORFORBES ADVISOR

Эти четыре факта: хаббловское расширение Вселенной, существование и свойства реликтового излучения, изобилие легких элементов в результате нуклеосинтеза Большого взрыва, а также образование и рост крупномасштабных структур во Вселенной. , представляют собой четыре краеугольных камня Большого взрыва.

Крупнейшие наблюдения во Вселенной, от космического микроволнового фона до космической … [+] паутины до скоплений галактик и отдельных галактик, требуют темной материи для объяснения того, что мы наблюдаем. Крупномасштабная структура требует этого, но семена этой структуры из Космического Микроволнового Фона также требуют этого.

Крис Блейк и Сэм Мурфилд

Почему это четыре краеугольных камня? В 1920-х годах Эдвин Хаббл, используя самый большой и самый мощный телескоп в мире того времени, смог измерить, как со временем меняется яркость отдельных звезд, даже в галактиках, отличных от нашей. Это позволило нам узнать, как далеко находятся галактики, в которых находятся эти звезды. Объединив эту информацию с данными о том, насколько сильно были смещены атомные спектральные линии этих галактик, мы смогли определить, какова связь между расстоянием и спектральным сдвигом.

Как оказалось, это было просто, прямолинейно и линейно: закон Хаббла. Чем дальше находилась галактика, тем значительнее было красное смещение ее света или систематическое смещение в сторону более длинных волн. В контексте общей теории относительности это соответствует Вселенной, сама ткань которой со временем расширяется. С течением времени все точки во Вселенной, которые каким-либо образом не связаны друг с другом (либо гравитацией, либо какой-либо другой силой), будут расширяться друг от друга, вызывая сдвиг любого излучаемого света в сторону более длинных волн к тому времени, когда наблюдатель его получит.

Эта упрощенная анимация показывает, как происходит красное смещение света и как меняются расстояния между несвязанными объектами… [+] с течением времени в расширяющейся Вселенной. Обратите внимание, что объекты начинаются ближе, чем время, которое требуется свету, чтобы пройти между ними, свет смещается в красную сторону из-за расширения пространства, а две галактики оказываются намного дальше друг от друга, чем путь света, пройденный обменявшимся фотоном. между ними.

Роб Кноп

Хотя существует множество возможных объяснений эффекта, который мы наблюдаем как закон Хаббла, Большой взрыв является уникальной идеей среди этих возможностей. Идея проста и прямолинейна в своей простоте, но также захватывает дух своей мощью. Там просто написано:

Вселенная расширяется и растягивает свет до более длинных волн (и более низких энергий и температур) сегодня,
, и это означает, что если экстраполировать назад, Вселенная раньше была плотнее и горячее.
Поскольку Вселенная все время тяготеет, она становится более комковатой и позже образует более крупные и массивные структуры.
Если мы вернемся в достаточно ранние времена, то увидим, что галактики были меньше, многочисленнее и состояли из более молодых и голубых звезд.
Если мы вернемся еще раньше, мы найдем время, когда звезды еще не успели образоваться.
Еще раньше, и мы обнаружим, что она достаточно горячая, чтобы свет в какой-то ранний период расщепил даже нейтральные атомы, создав ионизированную плазму, которая, наконец, «выпускает» излучение, когда Вселенная становится нейтральной. (Происхождение CMB.)
А еще раньше все было настолько горячо, что даже атомные ядра могли быть разорваны на части; переход в более холодную фазу позволяет протекать первым стабильным ядерным реакциям с образованием легких элементов.

По мере охлаждения Вселенной образуются атомные ядра, за которыми следуют нейтральные атомы по мере дальнейшего охлаждения. Все … [+] эти атомы (практически) являются водородом или гелием, и процесс, который позволяет им стабильно образовывать нейтральные атомы, занимает сотни тысяч лет.

E. Siegel

Все эти утверждения в какой-то момент в течение 20-го века были подтверждены и подтверждены наблюдениями. Мы измерили комковатость Вселенной и обнаружили, что с течением времени она увеличивается именно так, как и было предсказано. Мы измерили, как галактики эволюционируют с расстоянием (и космическим временем), и обнаружили, что более ранние, более далекие галактики в целом моложе, голубее, многочисленнее и меньше по размеру. Мы обнаружили и измерили реликтовое излучение, и оно не только впечатляюще соответствует предсказаниям Большого взрыва, но и наблюдало, как изменяется (увеличивается) его температура в более ранние времена. И мы успешно измерили изначальное содержание легких элементов, обнаружив поразительное совпадение с предсказаниями нуклеосинтеза Большого Взрыва.

Мы можем экстраполировать еще дальше, если захотим: за пределы того, что наша текущая технология может непосредственно наблюдать. Мы можем представить себе, что Вселенная становится еще плотнее, горячее и компактнее, чем она была, когда протоны и нейтроны разрывались на части. Если бы мы отступили еще раньше, то увидели бы нейтрино и антинейтрино, которым требуется около светового года твердого свинца, чтобы остановить половину из них, и начать взаимодействовать с электронами и другими частицами в ранней Вселенной. Начиная с середины 2010-х годов нам удалось обнаружить их отпечаток сначала на фотонах реликтового излучения, а через несколько лет — на крупномасштабной структуре, которая впоследствии разрасталась во Вселенной.

Если бы не было колебаний, вызванных взаимодействием материи с излучением во Вселенной, не было бы … [+] не было бы зависящих от масштаба покачиваний, наблюдаемых при скоплении галактик. Сами покачивания, показанные с вычтенной неволнистой частью (внизу), зависят от воздействия космических нейтрино, которые, как предполагается, присутствовали при Большом взрыве. Стандартная космология Большого взрыва соответствует β=1. Обратите внимание, что если присутствует взаимодействие темной материи и нейтрино, акустический масштаб может измениться.

D. Baumann et al. (2019), Nature Physics

Это самый ранний сигнал, который мы когда-либо обнаруживали от горячего Большого взрыва. Но ничто не мешает нам повернуть время вспять еще дальше: до крайности. В какой-то момент:

он становится настолько горячим и плотным, что пары частица-античастица создаются из чистой энергии, просто из квантовых законов сохранения и эйнштейновского E = mc ²,
Вселенная становится более плотной, чем отдельные протоны и нейтроны, заставляя ее вести себя как кварк-глюонная плазма, а не как отдельные нуклоны,
Вселенная становится еще горячее, что приводит к объединению электрослабого взаимодействия, восстановлению симметрии Хиггса и потере элементарными частицами массы покоя,

, а затем мы переходим к энергиям, которые лежат за пределами известной, проверенной физики, даже от ускорителей частиц и космических лучей. В этих условиях должны происходить какие-то процессы, чтобы воспроизвести Вселенную, которую мы видим. Должно быть, что-то создало темную материю. Что-то должно было создать больше материи, чем антиматерии в нашей Вселенной. И что-то должно было когда-то произойти, чтобы Вселенная вообще существовала.

Существует множество научных доказательств, подтверждающих картину расширяющейся Вселенной… [+] и Большого Взрыва, но это свидетельство относится только к определенному моменту в прошлом Вселенной. Кроме того, у нас есть прогнозы того, что должен породить Большой взрыв, но нет надежных тестов для них.

NASA / GSFC

С того момента, как эта экстраполяция была впервые рассмотрена в 1920-х годах — а затем снова в ее более современных формах в 1940-х и 1960-х годах — считалось, что Большой взрыв возвращает вас к сингулярности. . Во многих смыслах большая идея Большого взрыва заключалась в том, что если у вас есть Вселенная, наполненная материей и излучением, и она расширяется сегодня, то, если вы вернетесь достаточно далеко назад во времени, вы придете к состоянию, которое будет таким горячим и настолько плотный, что сами законы физики нарушаются.

В какой-то момент вы достигаете таких энергий, плотностей и температур, что квантовая неопределенность, присущая природе, приводит к бессмысленным последствиям. Квантовые флуктуации обычно создают черные дыры, охватывающие всю Вселенную. Вероятности, если вы попытаетесь их вычислить, дадут ответы либо отрицательные, либо больше 1: обе физические невозможности. Мы знаем, что в этих крайностях гравитация и квантовая физика не имеют смысла, и именно это и есть сингулярность: место, где законы физики больше не действуют. В этих экстремальных условиях вполне возможно, что сами пространство и время могут возникнуть. Первоначально это была идея Большого Взрыва: рождение самих времени и пространства.

Визуальная история расширяющейся Вселенной включает в себя горячее, плотное состояние, известное как Большой Взрыв, и … [+] последующий рост и формирование структуры. Полный набор данных, включая наблюдения за легкими элементами и космическим микроволновым фоном, оставляет только Большой взрыв в качестве достоверного объяснения всего, что мы видим. По мере того как Вселенная расширяется, она также охлаждается, позволяя формироваться ионам, нейтральным атомам и, в конечном счете, молекулам, газовым облакам, звездам и, наконец, галактикам.

НАСА / CXC / М. ВАЙС

Но все это было основано на представлении о том, что мы действительно можем экстраполировать сценарий Большого Взрыва так далеко, как захотим: на произвольно высокие энергии, температуры, плотности и ранние времена. Как оказалось, это создало ряд физических загадок, не поддающихся объяснению. Такие загадки, как:

Почему причинно несвязанные области пространства — области с недостаточным временем для обмена информацией даже со скоростью света — имеют одинаковую температуру?
Почему первоначальная скорость расширения Вселенной так точно уравновешивалась общим количеством энергии во Вселенной: с точностью более 50 знаков после запятой, чтобы создать «плоскую» Вселенную сегодня?
И почему, если мы достигли этих сверхвысоких температур и плотностей раньше, мы не видим реликтовых остатков тех времен в нашей Вселенной сегодня?

Если вы все еще хотите сослаться на Большой Взрыв, единственный ответ, который вы можете дать, будет: «Ну, Вселенная, должно быть, родилась такой, и нет никаких причин, почему». Но в физике это все равно, что сдаться. Вместо этого есть другой подход: придумать механизм, который мог бы объяснить эти наблюдаемые свойства, воспроизводя при этом все успехи Большого взрыва и все же делая новые предсказания явлений, которые мы могли бы наблюдать и которые отличаются от обычного Большого взрыва.

На верхней панели наша современная Вселенная имеет одинаковые свойства (включая температуру) везде… [+] потому что они произошли из области, обладающей одинаковыми свойствами. На средней панели пространство, которое могло иметь произвольную кривизну, раздуто до такой степени, что сегодня мы не можем наблюдать никакой кривизны, что решает проблему плоскостности. А на нижней панели ранее существовавшие высокоэнергетические реликвии раздуваются, обеспечивая решение проблемы высокоэнергетических реликвий. Вот как инфляция решает три великие загадки, которые Большой взрыв не может объяснить сам по себе.

E. SIEGEL / BEYOND THE GALAXY

Около 40 лет назад была выдвинута именно такая идея: космическая инфляция. Вместо того, чтобы экстраполировать Большой взрыв до сингулярности, инфляция в основном говорит о том, что есть предел: вы можете вернуться к определенной высокой температуре и плотности, но не дальше. Согласно большой идее космической инфляции, этому горячему, плотному, однородному состоянию предшествовало состояние, в котором:

Вселенная не была заполнена веществом и излучением,
, но вместо этого обладал большим количеством энергии, присущей самой ткани пространства,
, что привело к экспоненциальному расширению Вселенной (и с постоянной, неизменной скоростью),
, который делает Вселенную плоской, пустой и однородной (вплоть до масштаба квантовых флуктуаций),
, а затем инфляция заканчивается, превращая присущую пространству энергию в материю и излучение,

и вот откуда берется горячий Большой Взрыв. Это не только решило загадки, которые не мог объяснить Большой взрыв, но и сделало несколько новых предсказаний, которые с тех пор подтвердились. Мы еще многого не знаем о космической инфляции, но данные, полученные за последние 3 десятилетия, подавляющим большинством подтверждают существование этого инфляционного состояния: оно предшествовало горячему Большому взрыву и вызвало его.

Квантовые флуктуации, возникающие при инфляции, распространяются по Вселенной, и когда … [+] инфляция заканчивается, они становятся флуктуациями плотности. Это приводит со временем к крупномасштабной структуре современной Вселенной, а также к флуктуациям температуры, наблюдаемым в реликтовом излучении. Новые прогнозы, подобные этим, необходимы для демонстрации обоснованности предлагаемого механизма тонкой настройки.

E. SIEGEL, С ИЗОБРАЖЕНИЯМИ, ПОЛУЧЕННЫМИ ОТ ESA/PLANCK И МЕЖВЕДОМСТВЕННОЙ ЦЕЛЕВОЙ ГРУППЫ DOE/NASA/NSF ПО ИССЛЕДОВАНИЮ CMB

Всего этого вместе достаточно, чтобы сказать нам, что такое Большой взрыв, а что нет. Это представление о том, что наша Вселенная возникла из более горячего, более плотного и более однородного состояния в далеком прошлом.