Большой взрыв. Рождение и развитие Вселенной. Большой взрыв вселенная

Какой была наша Вселенная до Большого взрыва?

Физикам-теоретикам и космологам приходится искать ответы на самые фундаментальные вопросы: «Почему мы здесь?», «Когда появилась Вселенная?» и «Как это произошло?» Однако несмотря на очевидную важность поиска ответов на эти вопросы, есть вопрос, который затмевает их всех своим интересом: «Что было до Большого взрыва?».

Скажем откровенно: мы не можем ответить на этот вопрос. Никто не может. Но ведь никто не запрещает порассуждать на эту тему и рассмотреть несколько интересных предположений? С этим согласен, например, Шон Кэрролл из Калифорнийского технологического института. В прошлом месяце Кэрролл принимал участие на проходящей два раза в год встрече Американского астрономического сообщества, где он предложил несколько «предвзрывных» сценариев, чьим «финальным аккордом» могло бы стать появление нашей Вселенной. Опять же, это всего лишь рассуждения, а не теории, поэтому просим это учитывать.

«В то время, если можно так выразиться, еще не действовало тех законов физики, которые нам известны, потому что «тогда» их еще не существовало», — говорит Кэрролл.

«Когда физики говорят, что понятия не имеют, что тогда происходило, они говорят это на полном серьезе. Этот отрезок истории находится в абсолютно непроглядной тьме», — соглашается Питер Войт, физик-теоретик Колумбийского университета.

Одним из самых странных свойств нашей Вселенной является то, что она обладает очень низким уровнем энтропии. У этого термина имеется множество интерпретаций, но в данном случае речь идет о степени неупорядоченности. И в случае со Вселенной порядка в ней больше, чем беспорядка. Представьте себе бомбу, заполненную песком. Бомба взрывается, и содержащиеся в ней миллиарды миллиардов песчинок разлетаются в разные стороны – перед вами по сути макет Большого взрыва.

hi-news.ru

Большой взрыв и теории образования Вселенной. Альманах ХолмТайн

Каждую ночь поднимая голову к звездному небу, в мыслях каждого человека время от времени проносится вопрос: откуда появились все эти мириады ночных звёздочек? Много ли еще таких планет, как наша Земля? И главное: откуда все появилось, как выглядел момент образования Вселенной?

Вселенная сжимается готовя Большой взрыв

На протяжении сотен лет, множество ученых пытались ответить на вопрос образования Вселенной. Многочисленные попытки привели к созданию науки космологии и фундаментальных теорий.

Теория Большого Взрыва.

Исходя из теории Большого взрыва, Вселенная во всем своем многообразии раньше представляла собой лишь бесконечно малую точку с бесконечно большими плотностью и температурой. В науке такое состояние приобрело название космологической сингулярности.

В какой-то определенный момент постоянное сжатие «точки» прекратилось. В долю секунды произошел Большой Взрыв, в результате которого началось стремительное расширение Вселенной.

Ученые даже называют возраст Вселенной – примерно 13,5 млрд. лет. А в связи с тем, что космическое пространство постоянно расширялось, то, возможно, когда-нибудь произойдет обратный процесс – сжатие. И мы вновь вернемся к сингулярности.

Изучением именно этой теории занимались А. Эйнштейн, Ж. Леметер, А. Фридман, и другие именитые ученые. Но Большой Взрыв не может объяснить всех вопросов о появлении Вселенной. Что было до ее возникновения? Что находится за ней? Да и само состояние сингулярности, при котором какой-то малый объем вмещает огромную плотность и температуру как-то не укладывается в голове.

Попытки понять историю Большого Взрыва.

Кроме основной теории возникновения Вселенной появилось множество альтернативных. Например, английский астрофизик П. Дэвисон предложил теорию «пульсирующая Вселенная с обращением хода времени».

Суть предложенного заключается в попеременном расширении и сжатии Вселенной; при этом очередной цикл сопровождается обратным отсчетом времени, то есть, прошлое и будущее все время меняется местами.

Другой физик, А. Гут создал «инфляционную модель Вселенной». Физик предположил, что в изначально разогретой Вселенной появлялись охлажденные места, которые очень быстро расширялись. Но тут рождается вопрос: откуда появилась первородная перегретая Вселенная?

Еще одной теорией стала идея о большом хаосе, то есть вначале не было абсолютно ничего, а затем появилась Вселенная со всем содержимым. Также физики рассматривали возможность зарождения мира квантово-механического (вакуумная флуктуация).

Все модели и теории сводились к двум самым главным проблемам: недостатку экспериментальных данных и числовых параметров, а также непонятностью того, откуда все же брались и сингулярность, и вакуум, и первобытный хаос?

Чтобы хоть как-то объяснить вопросы, были выдвинуты другие, еще более немыслимые гипотезы, вплоть до того, что Вселенная возникла совершенно случайно. Но и новые теории прояснить необъяснимое лишь показывают несостоятельность и неразвитость на сегодняшний момент человеческого мышления.

Без сомнения, когда-нибудь уровень нашего понимания достигнет необходимого развития, при котором мы сможем ответить, с чего же все началось. Современные теории не лишены здравой идеи, хоть и остаются теориями. Возможно, на наш век выпадет шанс узнать тайну зарождения Вселенной.

Поделиться новостью в соцсетях НОВОСТИ СВОБОДНОГО ИНТЕРНЕТА: « Предыдущая запись Следующая запись »

holmtain.ru

Большой взрыв и расширяющаяся Вселенная — Мегаобучалка

В истории познания окружающего нас мира четко прослеживается общее направление — постепенное признание неисчерпаемости природы, ее бесконечности во всех отношениях. Вселенная бесконечна в пространстве и во времени, и если отбросить идеи И. Ньютона о "первом толчке", то такого рода мировоззрение можно считать вполне материалистическим. Ньютоновская Вселенная утверждала, что пространство есть вместилище всех небесных тел, с движением и массой которых оно никак не связано; Вселенная всегда одна и та же, т. е. стационарна, хотя в ней постоянно происходит гибель и рождение миров.

Казалось бы, небо ньютоновской космологии обещало быть безоблачным. Однако очень скоро пришлось убедиться в обратном. В течение XIX в. обнаружились три противоречия, которые были сформулированы в форме трех парадоксов, названных космологическими. Они, казалось, подрывали представление о бесконечности Вселенной.

Фотометрический парадокс.Если Вселенная бесконечна и звезды в ней распределены равномерно, то по любому направлению мы должны видеть какую-нибудь звезду. В этом случае фон неба был бы ослепительно ярким, как Солнце.

Гравитационный парадокс.Если Вселенная бесконечна и звезды равномерно занимают ее пространство, то сила тяготения в каждой его точке должна быть бесконечно велика, а стало быть, бесконечно велики были бы и относительные ускорения космических тел, чего, как известно, нет.

Термодинамический парадокс.По второму закону термодинамики все физические процессы во Вселенной в конечном счете сводятся к выделению теплоты, которая необратимо рассеивается в мировом пространстве. Рано или поздно все тела остынут до температуры абсолютного нуля, движение прекратится и наступит навсегда "тепловая смерть". Вселенная имела начало, и ее ждет неизбежный конец.

Первая четверть XX в. прошла в томительном ожидании развязки. Никто, разумеется, не хотел отрицать бесконечность Вселенной, но, с другой стороны, никому не удавалось устранить космологические парадоксы стационарной Вселенной. Лишь гений Альберта Эйнштейна внес новую струю в космологические споры.

Ньютоновская классическая физика, как уже говорилось, рассматривала пространство как вместилище тел. Никакого взаимодействия между телами и пространством по Ньютону и быть не могло.

В 1916 г. А. Эйнштейн опубликовал основы общей теории относительности. Одна из главных ее идей состоит в том, что материальные тела, в особенности большой массы, заметно искривляют пространство. Из-за этого, например, луч света, проходящий вблизи Солнца, изменяет первоначальное направление.

Представим себе теперь, что во всей наблюдаемой нами части Вселенной материя равномерно "размазана" в пространстве и в любой его точке действуют одни и те же законы. При некоторой средней плотности космического вещества выделенная ограниченная часть Вселенной не только искривит пространство, но

даже замкнет его "на себя". Вселенная (точнее, выделенная ее часть) превратится в замкнутый мир, напоминающий обычную сферу. Но только это будет четырехмерная сфера, или гиперсфера, представить себе которую мы, трехмерные существа, не в состоянии. Однако, мысля по аналогии, мы легко разберемся в некоторых свойствах гиперсферы. Она, как и обычная сфера, имеет конечный объем, заключающий в себе конечную массу вещества. Если в мировом пространстве лететь все время в одном направлении, то через некоторое число миллиардов лет можно попасть в исходную точку.

Идею о возможности замкнутости Вселенной впервые высказал А. Эйнштейн. В 1922 г. советский математик А. А. Фридман доказал, что "замкнутая Вселенная" Эйнштейна никак не может быть статичной. В любом случае ее пространство или расширяется, или сжимается со всем своим содержимым.

В 1929 г. американский астроном Э. Хаббл открыл замечательную закономерность: линии в спектрах подавляющего большинства галактик смещены к красному концу, причем смещение тел тем больше, чем дальше от нас находится галактика. Это интересное явление называется красным смещением. Объяснив красное смещение эффектом Доплера, т. е. изменением длины волны света в связи с движением источника, ученые пришли к выводу о том, что расстояние между нашей и другими галактиками непрерывно увеличивается. Конечно, галактики не разлетаются во все стороны от нашей Галактики, которая не занимает никакого особого положения в Метагалактике, а происходит взаимное удаление всех галактик. Это означает, что наблюдатель, находящийся в любой галактике, мог бы, подобно нам, обнаружить красное смещение, ему казалось бы, что от него удаляются все галактики. Таким образом, Метагалактика нестационарна. Открытие расширения Метагалактики свидетельствует о том, что Метагалактика в прошлом была не такой, как сейчас, и иной станет в будущем, т. е. Метагалактика эволюционирует.

По красному смещению определены скорости удаления галактик. У многих галактик они очень велики, соизмеримы со скоростью света. Самыми большими скоростями, иногда превы-

шающими 250 тыс. км/с, обладают некоторые квазары, считающиеся самыми удаленными от нас объектами Метагалактики.

Закон, согласно которому красное смещение (а значит, и скорость удаления галактик) возрастает пропорционально расстоянию от галактик (закон Хаббла), можно записать в виде: v — Нr, где v — лучевая скорость галактики; r — расстояние до нее; Н — постоянная Хаббла. По современным оценкам, значение Н заключено в пределах:

Следовательно, наблюдаемый темп расширения Метагалактики таков, что галактики, разделенные расстоянием 1 Мпк (3 • 1019 км), удаляются друг от друга со скоростью от 50 до 100 км/с. Если скорость удаления галактики известна, то можно вычислить расстояние до далеких галактик.

Итак, мы живем в расширяющейся Метагалактике. Это явление имеет свои особенности. Расширение Метагалактики проявляется только на уровне скоплений и сверхскоплений галактик, т. е. систем, элементами которых являются галактики. Другая особенность расширения Метагалактики заключается в том, что не существует центра, от которого разбегаются галактики.

Расширение Метагалактики — самое грандиозное из известных в настоящее время явлений природы. Правильное его истолкование имеет исключительно большое мировоззренческое значение. Не случайно в объяснении причины этого явления резко проявилось коренное отличие философских взглядов ученых. Некоторые из них, отождествляя Метагалактику со всей Вселенной, пытаются доказать, что расширение Метагалактики подтверждает религиозное о сверхъестественном, божественном происхождении Вселенной. Однако во Вселенной известны естественные процессы, которые в прошлом могли вызвать наблюдаемое расширение. По всей вероятности, это взрывы. Их масштабы поражают нас уже при изучении отдельных видов галактик. Можно представить, что расширение Метагалактики

также началось с явления, напоминающего колоссальный взрыв вещества, обладавшего огромной температурой и плотностью.

Так как Вселенная расширяется, естественно думать, что раньше она была меньше и когда-то все пространство было сжато в сверхплотную материальную точку. Это был момент так называемой сингулярности, который уравнениями современной физики описан быть не может. По неизвестным причинам произошел процесс, подобный взрыву, и с тех пор Вселенная начала "расширяться". Процессы, происходящие при этом, объясняются теорией горячей Вселенной.

В 1965 г. американские ученые А. Пензиас и Р. Вильсон нашли экспериментальное доказательство пребывания Вселенной в сверхплотном и горячем состоянии, т. е. реликтовое излучение. Оказалось, что космическое пространство заполнено электромагнитными волнами, являющимися посланцами той древней эпохи развития Вселенной, когда еще не было никаких звезд, галактик, туманностей. Реликтовое излучение пронизывает все пространство, все галактики, оно участвует в расширении Метагалактики. Реликтовое электромагнитное излучение находится в радиодиапазоне с длинами волн от 0,06 см до 60 см. Распределение энергии похоже на спектр абсолютно черного тела температурой 2,7 К. Плотность энергии реликтового излучения равна 4 • 10-13 эрг/см3, максимум излучения приходится на 1,1 мм. При этом само излучение имеет характер некоторого фона, ибо заполняет все пространство и совершенно изотропно. Оно является свидетелем начального состояния Вселенной.

Очень важно, что, хотя это открытие было сделано случайно при изучении космических радиопомех, существование реликтового излучения было предсказано теоретиками. Одним из первых предсказал это излучение Д. Гамов, разрабатывая теорию происхождения химических элементов, возникших в первые минуты после Большого взрыва. Предсказание существования реликтового излучения и обнаружение его в космическом пространстве — еще один убедительный пример познаваемости мира и его закономерностей.

Во всех развитых динамических космологических моделях утверждается идея о расширении Вселенной из некоторого сверхплотного и сверхгорячего состояния, называемого сингулярным. Американский астрофизик Д. Гамов пришел к концепции Большого взрыва и горячей Вселенной на ранних этапах ее эволюции. Анализ проблем начальной стадии эволюции Вселенной оказался возможным благодаря новым представлениям о природе вакуума. Космологическое решение, полученное В. де Ситтером для вакуума (r ~ еHt), показало, что экспоненциальное расширение неустойчиво: оно не может продолжаться неограниченно долго. Через сравнительно малый промежуток времени экспоненциальное расширение прекращается, в вакууме происходит фазовый переход, в процессе которого энергия вакуума переходит в обычное вещество и кинетическую энергию расширения Вселенной. Большой взрыв был 15-20 млрд лет назад.

Согласно стандартной модели горячей Вселенной сверхплотная материя после Большого взрыва начала расширяться и постепенно охлаждаться. По мере расширения произошли фазовые переходы, в результате которых выделились физические силы взаимодействия материальных тел. При экспериментальных значениях таких основных физических параметров, как плотность и температура (р ~ 1096 кг/м3 и Т ~ 1032 К), на начальном этапе расширения Вселенной различие между элементарными частицами и четырьмя типами физических взаимодействий практически отсутствует. Оно начинает проявляться когда уменьшается температура и начинается дифференциация материи.

Таким образом, современные представления об истории возникновения нашей Метагалактики основываются на пяти важных экспериментальных наблюдениях:

1. Исследование спектральных линий звезд показывает, что Метагалактика в среднем обладает единым химическим составом. Преобладают водород и гелий.

2. В спектрах элементов далеких галактик обнаруживается систематическое смещение красной части спектра. Величина

этого смещения возрастает по мере удаления галактик от наблюдателя.

3. Измерения радиоволн, приходящих из космоса в сантиметровом и миллиметровом диапазонах, указывают на то, что космическое пространство равномерно и изотропно заполнено слабым радиоизлучением. Спектральная характеристика этого так называемого фонового излучения соответствует излучению абсолютно черного тела при температуре около 2,7 градуса Кельвина.

4. По астрономическим наблюдениям, крупномасштабное распределение галактик соответствует постоянной плотности массы, составляющей, по современным оценкам, по крайней мере 0,3 бариона на каждый кубический метр.

5. Анализ процессов радиоактивного распада в метеоритах показывает, что некоторые из этих компонентов должны были возникнуть от 14 до 24 миллиардов лет назад.

megaobuchalka.ru

Большой взрыв и расширяющаяся Вселенная

⇐ ПредыдущаяСтр 34 из 57Следующая ⇒

этого смещения возрастает по мере удаления галактик от наблюдателя.

Начальная стадия Вселенной

Начало Вселенной — атомы и пустота, все же остальное существует лишь во мнении.

Диоген

Проблема возникновения структурности мира и жизни во Вселенной традиционно трактуется следующим образом: окружающая нас Вселенная обладает определенными физическими свойствами и закономерностями, познаваемыми нами. Как в таком случае происходит эволюция Вселенной, приводящая к достаточно сложным структурам, как зарождается и эволюционирует в такой Вселенной жизнь? От ответа на эти во многом еще не решенные вопросы зависят возможность существования жизни в других областях Вселенной и в другие времена и направления ее поиска.

Любая физическая теория, например уравнение Максвелла в электродинамике, ставит перед собой задачу дать полное физическое описание той или иной системы, если известен

полный набор начальных данных, поскольку в различных физических явлениях начальные данные различны. Но когда мы обращаемся к космологии, которая должна описать свойства одной-единственной системы — нашей Вселенной, вопрос о начальных данных и фундаментальных постоянных неразрывно связан с вопросом: почему Вселенная именно такая, какой мы ее наблюдаем. Прежде чем подойти к ответу на этот вопрос, рассмотрим, какими представляются современному естествознанию начальные условия нашей Вселенной.

Наиболее важным моментом современной стандартной космологической модели Вселенной является вопрос о свойствах ранней Вселенной. Удовлетворительное описание свойств ранней Вселенной дается в модели де Ситтера. Более поздние промежутки эволюции Вселенной даются в модели Фридмана. Переход от одного закона к другому означает радикальное изменение основных свойств Вселенной в этот момент, изменение ее фазового состояния.

Модель экспоненциального роста размеров Вселенной де Ситтера R exp (Ht) на начальной стадии ее эволюции получила название модели "раздувающейся Вселенной". По этой модели, при t > 0 вся энергия мира была заключена в его вакууме. Деситтеровская стадия расширения длилась примерно 10-35 с. Все это время Вселенная быстро расширялась, заполняющий ее вакуум как бы растягивался без изменения своих свойств. Образовавшееся состояние Вселенной было крайне неустойчивым, энергетически напряженным. В таких случаях достаточно возникновения малейших неоДнородностей, играющих роль случайной затравки, чтобы вызвать переход в другое состояние (в качестве примера можно привести явление кристаллизации). При переходе вакуума в другое состояние мгновенно выделялась колоссальная энергия за счет разности его начального и конечного состояний. Примерно за 10-32 с пространство раздулось в громадный раскаленный шар размерами много большими видимой части Вселенной. При этом произошло рождение из вакуума реальных частиц, из которых со временем сформировалось вещество нашей Вселенной.

В последнее время усиленно обсуждаются причины того "первотолчка", который был началом расширений нашей Вселенной. Один из возможных механизмов, основанный на гипотезе о существовании кванта единого пространства-времени, описан в теории инфляционной Вселенной. Рассмотрим ее основные положения и выводы.

А. Эйнштейном была выдвинута идея о существовании космического отталкивания. Если учесть эти силы в уравнениях динамики Вселенной, то полное ускорение оказывается равным

a = атяг+ аотт

Ускорение тяготения атяг равно атяг = -GM / R2 , а ускорение отталкивания аотт. в соответствии с гипотезой Эйнштейна пропорционально R, т. е. аотт = const • R.

Числовое значение константы в этой формуле можно найти, определив среднюю плотность вещества р во Вселенной. В настоящее время считается, что р очень близко к 10-29 г/см3 и

где — космологическая постоянная, равная 10-56 см-2.

Рассмотрим случай, когда во Вселенной нет вещества, она "пуста". При этом М = 0 и атяг = 0. Динамика Вселенной описывается ускорением аотт. Можно показать, что при этом две пробные частицы, помещенные в такую пустую Вселенную, будут удаляться друг от друга по экспоненциальному закону

Согласно современным концепциям естествознания, вакуум — не пустота, в физическом вакууме непрерывно происходят процессы рождения и уничтожения виртуальных частиц. Это своеобразное "кипение" вакуума нельзя устранить, ибо оно означало бы нарушение одного из основных законов квантовой физики, а именно, соотношения неопределенностей Гейзенберга. Как показал академик Я. Б. Зельдович в 1967 г., в результате взаимодействия виртуальных частиц в вакууме появляется некоторая плотность энергии и возникает отрицательное давлени

Такое вакуумно-подобное состояние неустойчиво и с течением времени оно распадается, превратившись в обычную горячую материю. Энергия вакуумно-подобного состояния перейдет в энергию обычной материи, гравитационное отталкивание сменится обычной гравитацией, замедляющей расширение. С этого момента Вселенная начнет развиваться по известной стандартной космологической горячей модели эволюции. Рассмотрим исходные положения этой модели и ее основные результаты. Горячая модель Вселенной, как и любая другая, исходит из наблюдающегося в настоящее время факта ее расширения и объясняет три достоверно установленных факта — наличие ба-рионной асимметрии Вселенной, космическое отношение числа фотонов к числу барионов, примерно равное 109, и однородность и изотропность реликтового излучения. Теория Большого взрыва в наши дни считается общепринятой. Согласно этой теории, наша Вселенная развивалась из первоначального состояния, которое можно представить в виде сгустка сверхплотной раскаленной материи. Излучение и вещество в нем находились в тепловом равновесии. В этой ранней Вселенной фотоны эффективно взаимодействовали с веществом, число частиц было равно числу античастиц.

В развитии Вселенной принято выделять следующие четыре стадии: адронная эра, лептонная эра, эра излучения и эра вещества. Адронная эрапродолжалась до t = 10-4 с. При этом р > 1014 г/см3; Т > 1012 К. Важной особенностью этой стадии является сосуществование вещества (протонов и нейтронов) с антивеществом (антинейтронами и др.). Причем количество частиц в единице объема было того же порядка, что и фотонов. Основной вклад в гравитацию давали тяжелые частицы — адроны. Они аннигилируют с античастицами, остается лишь небольшой избыток нуклонов, который в дальнейшем и определяет свойства нашего мира, т. е. значения его фундаментальных мировых постоянных. Самое начало (т. е. сингулярность) пока недоступно исследованию, так как при этом все главные параметры Вселенной (плотность, температура и т. п.) обращаются в бесконечность.

Далее (до t = 10 с) шла лептонная эра,на протяжении которой температура уменьшается от 1012 К до 5 109 К. С уменьшением температуры более эффективными становятся процессы соединения протонов с нейтронами и образованием дейтерия 2Н, трития 3Н и изотопов 3Не и 4Не. Именно в это время и образуется основная часть гелия, содержащегося в звездах и галактиках. На долю гелия приходится около 30%, на долю водорода — около 70%, а на долю остальных химических элементов — менее 1% массы вещества. За счет термоядерных реакций в Галактике может образоваться около 2% гелия по массе. Поэтому основная масса гелия должна была присутствовать в Галактике изначально. По теории горячей Вселенной за первые 100 секунд образуется 25% Не и 75% Н, что подтверждает и современный химический состав Метагалактики.

Эра излученияпродолжалась от 10 с до 1013с, или 1 млн лет. При этом 300 К < Т < 1010К, 10-21 < р < 104г/см3. Основной вклад в гравитационную массу Вселенной давало излучение. В начале эры закончился синтез гелия и продолжались процессы аннигиляции электронов с позитронами. Все это время температура излучения оставалась одинаковой с температурой вещества. Но как только температура уменьшилась до величины Т = 3000 К, энергия фотонов уже недостаточна для ионизации атомов водорода. Поэтому процессы рекомбинации электронов с протонами уже не уравновешиваются обратными процессами ионизации и происходит "отрыв" излучения от вещества. С этого момента главную роль в расширении Вселенной начинает играть не излучение, а вещество.

Эра веществаначинается с момента рекомбинации и продолжается до сих пор. На ее определенном этапе и начинаются процессы формирования галактик и звезд.

В заключение мы можем констатировать, что гипотеза Большого взрыва позволяет удовлетворительным образом интерпретировать все пять рассмотренных выше экспериментальных фактов. Именно поэтому современные представления о возникновении нашей Метагалактики основаны на изложенной нами модели, хотя многие вопросы все еще остаются открытыми.

Большой взрыв или теория возникновения вселенной - Астрономия - Каталог статей

Теория возникновения вселенной

Большо́й взрыв — космологическая теория начала расширения Вселенной, перед которым Вселенная находилась в сингулярном состоянии.__________________________________________________________________

Эта модель лишь иллюстрирует процесс всеобщего расширения нашего трехмерного пространства. Две любые точки раздувающейся сферы убегают друг от друга, причем чем более они удалены, тем выше скорость разлетания

__________________________________________________________________Обычно сейчас автоматически сочетают теорию Большого взрыва и модель горячей Вселенной, но эти концепции независимы и исторически существовало также представление о холодной начальной Вселенной вблизи Большого взрыва. Именно сочетание теории Большого взрыва с теорией горячей Вселенной, подкрепляемое существованием реликтового излучения, и рассматривается далее.

__________________________________________________________________

Согласно теории Большого взрыва, Вселенная в момент образования была в чрезвычайно плотном и горячем состоянии, называемом космологической сингулярностью__________________________________________________________________

Современные представления теории Большого взрыва и теории горячей Вселенной.

По современным представлениям, наблюдаемая нами сейчас Вселенная возникла 13,7 ± 0,13 млрд лет назад из некоторого начального «сингулярного» состояния и с тех пор непрерывно расширяется и охлаждается. Согласно известным ограничениям по применимости современных физических теорий, наиболее ранним моментом, допускающим описание, считается момент Планковской эпохи с температурой примерно 1032 К (Планковская температура) и плотностью около 1093 г/см³ (Планковская плотность). Ранняя Вселенная представляла собой высокооднородную и изотропную среду с необычайно высокой плотностью энергии, температурой и давлением. В результате расширения и охлаждения во Вселенной произошли фазовые переходы, аналогичные конденсации жидкости из газа, но применительно к элементарным частицам. Приблизительно через 10−35 секунд после наступления Планковской эпохи (Планковское время — 10−43 секунд после Большого взрыва, в это время гравитационное взаимодействие отделилось от остальных фундаментальных взаимодействий) фазовый переход вызвал экспоненциальное расширение Вселенной. Данный период получил название Космической инфляции. После окончания этого периода строительный материал Вселенной представлял собой кварк-глюонную плазму. По прошествии времени температура упала до значений, при которых стал возможен следующий фазовый переход, называемый бариогенезисом. На этом этапе кварки и глюоны объединились в барионы, такие как протоны и нейтроны. При этом одновременно происходило асимметричное образование как материи, которая превалировала, так и антиматерии, которые взаимно аннигилировали, превращаясь в излучение. Дальнейшее падение температуры привело к следующему фазовому переходу — образованию физических сил и элементарных частиц в их современной форме. После чего наступила эпоха нуклеосинтеза, при которой протоны, объединяясь с нейтронами, образовали ядра дейтерия, гелия-4 и ещё нескольких лёгких изотопов. После дальнейшего падения температуры и расширения Вселенной наступил следующий переходный момент, при котором гравитация стала доминирующей силой. Через 380 тысяч лет после Большого взрыва температура снизилась настолько, что стало возможным существование атомов водорода (до этого процессы ионизации и рекомбинации протонов с электронами находились в равновесии). После эры рекомбинации материя стала прозрачной для излучения, которое, свободно распространяясь в пространстве, дошло до нас в виде реликтового излучения.

__________________________________________________________________

Краткая история Вселенной

Это изображение описывает развитие Вселенной со времени Большого взрыва, до "наших" дней. От появления элементарных частиц и атомов, до современных галактик и планет.Подробные пояснения к изображению см. внизу.

__________________________________________________________________

Краткая история развития Вселенной
Время	Температура	Состояние Вселенной
10-45 - 10-37 сек	Более 1026K	Инфляционное расширение
10-6 сек	Более 1013K	Появление кварков и электронов
10-5 cек	1012K	Образование протонов и нейтронов
10-4 сек - 3 мин	1011 - 109 K	Возникновение ядер дейтерия, гелия и лития
400 тыс. лет	4000 К	Образование атомов
15 млн. лет	300 K	Продолжение расширения газового облака
1 млрд. лет	20 K	Зарождение первых звезд и галактик
3 млрд. лет	10 K	Образование тяжелых ядер при взрывах звезд
10 - 15 млрд. лет	3 K	Появление планет и разумной жизни
1014 лет	10-2 K	Прекращение процесса рождения звезд
1037 лет	10-18 K	Истощение энергии всех звезд
1040 лет	-20 K	Испарение черных дыр и рождение элементарных частиц
10100 лет	10-60 - 10-40 K	Завершение испарения всех черных дыр

Открытие Реликтового излучения

В 1964 году физики Арно Пензиас и Роберт Вилсон, сотрудники Веll Laboratories, занимавшиеся обслуживанием радиоантенны слежения за американским космическим спутником «Эхо» в Холмделе (Нью-Джерси), решили проверить некоторые свои научные гипотезы о радиоизлучении тех или иных объектов Вселенной. Антенна была самым чувствительным на тот момент детектором СВЧ-волн, а потому сначала ее надо было правильно настроить, чтобы исключить возможные помехи. Для тестирования была выбрана длина волны 7,35 см, на которой не излучал ни один из известных источников. Работа долго не клеилась, поскольку антенна постоянно фиксировала некий дополнительный посторонний шум, от которого никак нельзя было избавиться. Проверка всех компонентов и даже удаление из дорогостоящей аппаратуры неизвестно как попавшего тyда голубиного помета эффекта не принесли. Шум не зависел ни от направления антенны, что означало, что его источник находится за пределами Земли и ее атмосферы, ни от времени суток, то есть не мог быть связан с Солнцем или планетами.

__________________________________________________________________Карта (панорама) анизотропии реликтового излучения (горизонтальная полоса — засветка от галактики Млечный Путь). Красные цвета означают более горячие области, а синие цвета — более холодные области. __________________________________________________________________

Если бы причина крылась в нашей Галактике, то интенсивность излучения изменялась бы из-за вращения 3емли вокруг своей оси и вокруг Солнца, изменяющего направление антенны на те или иные участки космоса. Шум же был везде и всегда.

Интенсивность этого радиосигнала оказалась равной интенсивности излучения абсолютно черного тела с температурой около 3 К (К - Кельвин, единица температуры: 0 К - «абсолютный нуль» - температура тела, состоящего из неподвижных атомов, а 273 К соответствует 0°С). Потратив около года на устранение неустранимой помехи, Пензиас и Вилсон поняли, что нашли то, чего не теряли, - реликтовое излучение ранней Вселенной, существование которого было предсказано Джорджем Гамовым еще в 1948 году. По иронии судьбы, в то же самое время Роберт Дикке и Джим Пиблз из расположенного по соседству с Холмделом Принстонского университета вычислили, что такое излучение, если оно действительно существует, должно быть изотрапным (не зависеть от направления) и соответствовать температуре излучения абсолютно черного тела с темпертурой не более 10 К, о чем Пиблз и рассказал на своей лекции в начале 1965 года. Случайно узнавший об этом Пензиас по звонил в Принстон, когда там уже почти смонтировали аппаратуру для практического поиска сигнала. Включать ее уже не имело смысла. Теоретическое обоснование открытия взяли на себя принстонцы, но тем не менее Нобелевская премия 1978 года была присуждена Пензиасу и Вилсону именно за практическое обнаружение излучения. Что же такое реликтовое излучение? Согласно теории большого Взрыва Вселенная возникла приблизительно 14 млрд. лет назад в результате грандиозного взрыва, создавшего пространство и время, всю материю и энергию, которые нас окружают. Новорожденная Вселенная прошла стадию чрезвычайно быстрого расширения, названного инфляцией, которая радикально изменила пейзаж младенческого космоса. До возраста приблизительно 300 тыс. лет Вселенная была кипящим котлом из электронов, протонов, нейтрино и излучения, которые взаимодействовали между собой и составляли единую среду, равномерно заполняющую всю раннюю Вселенную. Общее расширение Вселенной постепенно охлаждало этy среду, и, когда темпеpaтypa упала до значения нескольких тысяч градусов, наступило время для формирования стабильных атомов. Так же в результате расширения первоначальное излучение стало куда менее интенсивным, но не пропало совсем. Именно его и обнаружили будущие нобелевские лауреаты.

__________________________________________________________________

Спектр мощности реликтового излучения (распределение энергии по угловым масштабам, то есть по мультиполям. Спектр получен по данным наблюдений: WMAP (2006), Acbar (2004) Boomerang (2005), CBI (2004) и VSA (2004). Сплошной линией показаны теоретические предсказания. __________________________________________________________________

Реликтовое излучение равномерно заполняет всю Вселенную, и, если мы могли бы видеть микроволны, все небо пылало бы с поразительно одинаковой яркостью во всех направлениях. Эта однородность является одной из главных причин, по которой это излучение считают теплом, оставшимся от Большого Взрыва. Но как может локальный источник создать подобную однородность? Оказывается, этому способствует сам процесс расширения пространства. Чтобы наглядно понять, как это происходит, представьте себе такую большую и очевидную неоднородность, как гора Джомолунгма. Теперь начните мысленно растягивать эту гору в ширину, оставляя высоту неизменной. Если как следует постараться и растянуть ее в ширину, скажем, на миллион километров, то получится почти идеально плоская поверхность - перепад высот в 8 км (высота горы) будет практически незаметен на таком колоссальном масштабе. Именно это и происходит при расширении пространства после большого Взрыва - все неоднородности сглаживаются. Но возникшие после инфляции крошечные изменения в плотности материи в ранней Вселенной должны были оставить отпечаток на реликтовом излучении в форме температурных колебаний от точки к точке.

Понравилась статья? Тогда советуем ознакомиться со следующими:

ingenious.ucoz.ru

Большой взрыв. Рождение и развитие Вселенной: vnpru

[Примечание об антиматерии]Примечание об антиматерии:

Видимая материя слагается из атомов, а атомы – из заряженных частиц. Материя имеет положительно заряженные протоны и отрицательно заряженные электроны. Антиматерия имеет противоположные заряды. Представьте, что два объекта из разных миров, построенные из материи и антиматерии, встретились в космосе. Произойдет взрыв, выделится много энергии. В 100 раз больше, чем при взрыве атомной бомбы. Из выделенной энергии может снова родиться как материя, так и антиматерия. Возможно, есть галактики, где преобладает антиматерия. Тогда столкновение нашей галактики и галактики из антиматерии приведет не к их слиянию, а к взаимному уничтожению.

Мы уже умеем создавать антиматерию, и даже используем ее для своих нужд. Позитронно-эмиссионный метод исследования в медицине работает на антиматерии. Датчики фиксируют взаимоуничтожение материи и антиматерии, энергию гамма-излучения, и дают очень четкую картинку.

Третий этап начался через 380 тысяч лет после Большого взрыва, когда Вселенная стала становиться прозрачной. В прозрачной Вселенной начал распространяться свет. Именно его и зафиксировали Арно Пензиас и Роберт Вилсон в своих экспериментах. С помощью орбитальных телескопов позже была составлена тепловая карта молодой Вселенной. Второй телескоп «Вилсон» в 2001 году дал более четкое изображение, которое ученые используют по сей день.

Через 200 млн лет после Большого взрыва в облаках пыли и газа зажглись первые звезды. Вселенная зажгла огни по все направлениям. Новые звезды стали центрами гравитации для формирования звездных систем, а скопления звезд – центрами будущих галактик, так как в них звезды чаще сливались с образованием сверхмассивных черных дыр. Первые галактики появились через миллиард лет после Большого взрыва, а Солнечная система – через 9 млрд лет.

Теорию Большого взрыва разрабатывали многие ученые, но самый большой вклад внес Стивен Хокинг. Чтобы рассказать про открытие Большого взрыва, я начну с подробного пересказа фильма 2004 г. "Хокинг", основанного на реальных событиях, научных публикациях и общественных записях. "Эта история о поиске начала времени", - говорится в предисловии к фильму. Посмотрите его или прочтите эти диалоги:

Молодой Хокинг и его оппоненты вели жаркие споры:- Я космолог.- Космология - наука из гетто. Одни только спекуляции и никаких доказательств.- Нет, это наука!- Величайшие достижения физики 20 века. Резерфорд, Оппенгеймер. Что они дали нам? Атомную бомбу! В чем смысл спрашивать: "Откуда мы здесь и куда мы движемся?" Если Эйнштейн в вашей модели приготовил нас к чему угодно?- Позволь мне напомнить, что эти вопросы относятся и к Ньютону. Самолёты не падают, потому что он открыл гравитацию.- Очень остроумно, но вся эта заумность не имеет никакого отношения к реальному миру. Космологов не интересует реальный мир...

Примерно так выглядели споры Хокинга с профессором Фредом Хойлом относительно его "стационарной модели Вселенной":- У Вселенной не было никакого начала. Прошлое, настоящее, будущее всегда существовало и всегда будет существовать. Новая материя создана, чтобы заменить устаревшую. Этот процесс всегда существовал и будет продолжаться вечно. Все неизменно, ничего никогда не менялось. Вселенная расширяется по мере того, как Галактики отдаляются друг от друга. Новые Галактики образуются и заполняют образовавшиеся пространства. Новое заменяет старое точно в таком же соотношении. Ничего не меняется. Это очень убедительная теория. И привлекательная.- Может быть она привлекательна, потому что убедительна?- На эмоциональном уровне намного труднее принять, то что у Вселенной было начало, что Вселенная существовала не всегда.- Эйнштейн?- Никто и не ожидал, что его теория будет предсказывать то, что у Вселенной когда то было начало. Он сбежал от возможности того, что на самом деле у Вселенной может быть начало.- Потому что он понимал, что такое начало нарушило бы все законы физики.- Как наука может объяснить что-то, чего не существует?- В этом то и заключается Теория Большого Взрыва.- Идея Теории Большого Взрыва в том, что она не верна. Иррациональна и не-правильна. "Большой взрыв", "большой бум" - это звучит по-мультяшному.- До "Большого Взрыва" не было ничего - ни пространства, ни времени, ни материи, ни науки, никаких правил.- Что как раз оставляет место для... догадайтесь кого? Бога всемогущего! Религия - это враг науки, молодой человек. Была бы воля Католицизма, мы бы сей-час жили на плоской Земле в центре вселенной. Под нами ничего, и на небесах лишь место для Луны. Сейчас 1963-й и Бог мертв. Держись подальше от "Большого Взрыва": мультики до хорошего не доведут.

Следующей теорией профессора Хойла стала "теория симметричного времени гравитации". Она также была раскритикована молодым Хокингом, который нашел ошибки в математических расчетах. Но научный руководитель Хокинга Деннис Сиама (кафедра прикладной математики и теоретической физики) сказал ему:- Я знаю, ты можешь сделать еще более блестящие нападки на другие теории. Но сделай что-нибудь свое собственное!

Все знают, что Хокинга парализовало в достаточно молодом возрасте. Его недуг - мотонейронное заболевание боковой амниотрофический склероз (БАС), поразивший нервные клетки, которые дают сигналы для движения мышц. У больных БАС эти клетки постепенно умирают, сигналы не отсылаются, мышцы не используются. Мозг перестает давать сигналы, заставляющие мышцы двигаться. Мышцы начинают медленно атрофироваться. Происходит постепенный паралич. Дыхательные мышцы, в отличие от большинства других мышц, работают автоматически. Когда они перестают двигаться, наступает смерть. Мозг остается нетронутым. Чем в более молодом возрасте ты получаешь мотонейроное заболевание - тем быстрее происходит ухудшение. Сиама знал об этом, но не делал Хокингу поблажек. При этом но был внимателен к работе молодого ученого.

Деннис Сиама понимал, что поблажки недопустимы, и выжить в конкурентной борьбе не просто:- Мозги, быки и деньги. Физика в этой стране - это кровавое поле боя. Здесь нужны мозги, которых, казалось бы, должно быть достаточно, но это не так. Поэтому еще нужны деньги, чтобы обеспечивать то, над чем ты работаешь. Но чтобы получить от кого-то деньги в этой стране, тебе нужны быки, чтобы вытянуть их. Иначе они пытаются отказывать тебе всякий раз. Ты должен бороться своими зубами и ногтями за то, во что ты веришь. Иначе неприятели остановят тебя.

Как рождалось открытие

К доказательствам Большого взрыва Хокинга привели размышления о времени и коллапсе звезд. Он понял: если повернуть время вспять - придешь к сингулярности. Вот в чем его гениальная догадка:- Для идеальной звезды возможно такое состояние, в котором она может сколлапсировать - и от неё ничего не останется. Если она имеет форму идеальной звезды, она может сколлапсировать и стать бесконечно плотной. Такой плотной, что все сжимается в ничто. Но для этого должны быть соответствующие условия: она должна быть идеальной сферической формы, очень правильно двигаться. И тогда возникает вероятность того, что гравитационное притяжение станет таким мощным, что ничего не сможет покинуть его.

Хокинг никак не мог понять, когда могут возникнуть такие условия. Но на мысль его навел профессор Роджер Пенроуз. Читая студентам лекцию, он говорил:- В определённом смысле у вас у всех уже большие бицепсы. Потому что проводите половину своей жизни, расходуя тонны мела, милями чертя что-то на доске. Я так не делаю. У меня есть кое-что магическое и прекрасное, о чем я бы хотел вам рассказать: это стремительно, неумолимо и не требует крепких мышц. И зовётся это Топологией. Изображения вместо уравнений. Как известно, нет ничего быстрее скорости света: почти 300 тысяч километров в секунду. Свет самый быстрый. Настолько быстрый, что с легкостью может преодолеть силу гравитации. Скажем, Солнца или Земли. И сбежать. Скорость достаточно быстрая для того, чтобы преодолеть гравитацию, которая притягивает назад. Но что если бы Солнце было бы сжато сильнее? Что если Солнце сколлапсирует? Тогда плотность станет огромной, и гравитационное притяжение возрастет очень сильно. Тогда ничто не сможет остановить гравитацию. Притягивать всё обратно. Даже свет. Образуется сингулярность.- Что такое сингулярность?- Сингулярность - это место, где все (материя, свет, пространство, время) складывается в себя и исчезает. В полное и абсолютное ничего. Всё и ничего! До этого момента каждый из вас с вашими большими бицепсами и большими уравнениями всегда говорил: "Ой моё большое уравнение заканчивается на сингулярности, я должно быть где-то ошибся". Эйнштейна это не испугало.- Сингулярность не может существовать, потому что законы физики не позволяют этого.- Неверно! Сингулярность существует.- Для совершенных сфер и идеализированных звезд.- Нет! Для реальных звёзд! Из реальной звезды тоже может получится сингулярность. Существуют места, где наука и правила перестают работать. Там, где не существует ни материи, ни пространства... ничего! Где всё, включая время, перестает существовать. И там, где коллапсирует звезда, неизбежно образуется сингулярность. Топология не занимается запутанными вещами, типа частиц и того как они движутся, а тем, как всё взаимосвязано.- Мышление по-крупному?- Мышление по очень крупному. Это отправляет тебя в такие места, где правила говорят, что ты не можешь туда попасть.

Хокинг и его коллеги размышляли о Вселенной, времени, познании, читали стихи и слушали музыку.- Моцарт мог пойти спать и проснуться с целой симфонией в голове. И я совершенно не понимаю, как у него это получалось. Музыка - это способ мышления, лежащий за пределами языкового общения. Как можно уложить целую симфонию всего в один момент? Ведь музыка длится определенное время. Может в этом и заключается гениальность: думать, не ограничиваясь временем?- Все дороги ведут к физике. Я считаю, что математическая мысль может существовать совершенно без слов. Я думаю, что мышление - это невербальный процесс. Я даже думаю, что слова приходят, только чтобы помочь мышлению. Я считаю, что можно размышлять и без слов.- Поэты всегда были заинтересованы временем. Сжимать его, контролировать его, останавливать его. Настоящее время и прошедшее время, возможно, существуют вместе во времени будущем. И будущее время содержится в прошедшем времени.- Руперт Брук: "Застынут ли стрелки церковных часов на без десяти три?"- Уильям Блейк:"Увидеть небо в полевом цветке.В песчинке малой - бесконечность,мир целый удержать в своей руке.И уместить в мгновенье вечность."- Лимерик:"Жила была девочка с именем Яркая,Чья скорость стремительней света была.Однажды пустилась в дорогу она -Вернулась днём ранее".

Вот мысли, которые Хокинг высказывал, приближаясь к своему открытию:- Галилео ошибался: центр Вселенной абсолютно везде.- Звёзды так далеки от нас, но они такими не кажутся. Кажется, что можно дотянуться до них рукой и дотронуться. Тебе лучше поторопиться, если хочешь дотянуться и дотронуться до них: они удаляются от нас все дальше и дальше. Галактики удаляются от нас. И если в один момент они удаляются со скоростью примерно 6 млн. миль в час, то в другой момент эта скорость уже 200 млн. миль в час.- Нет ничего дурного в соотношении чувств и науки. Чувства важны. Все лучшие идеи были сперва почувствованы, и потом только оспорены. Эйнштейн говорил, что он чувствовал кончиками своих пальцев, когда идея была верна.- Время и пространство не существуют раздельно друг от друга. Материя и энергия во Вселенной искривляют и меняют пространство-время.- Иногда, когда я задумываюсь о нескольких измерениях, мне порой трудно вернуться обратно в реальный мир и сразу начать использовать слова для общения.- Мы привыкли думать что время у всех одинаковое, что оно просто есть. Тикает одновременно в ногу. Для каждого, где бы он не находился. Как состав поезда, который растягивается до бесконечности. Время было неизменным. Сейчас мы знаем, что это не так. Время - это не та вещь, которая протекает на фоне. Это не тот абсолют, по которому можно всё измерять. Время динамично, активно. Если ты поедешь очень далеко, а я останусь на месте, твое время замедлилось бы относительно моего времени. Но двигаться нужно очень быстро.- Необходимо поле отрицательной энергии - для того, чтобы создавалась новая материя. Это делает Вселенную нестабильной!

Но вот открытие назрело. Если повернуть время в обратную сторону, тогда коллапс будет взрывом, понял Хокинг. И вот диалог Пенроуза и Хокинга в момент открытия:- Эйнштейн был прав. На пространственно-временной диаграмме сперва идет пространство. А нужно поставить время. Затем нужно представить изменение направления времени. Когда время начнёт двигаться в противоположном направлении. Двигаясь в космическом пространстве, искривляя пространство-время, световые лучи приближаются друг к другу.- Что ты хочешь сказать?- Что если дыра во Вселенной находится в таком месте, где границы этой дыры стремятся к нулевому значению. Вот она, сингулярность! Абсолютное ничего! Это согласуется с теорией об умирающих звездах путём коллапса. Это доказывает, что сингулярность должна существовать.- Что это означает?- Коллапс в обратную сторону.- Что является чем?- Взрывом. БУМ!И затем: 15 Октября 1965 г. подпись на диссертации: "Эта диссертация - моя оригинальная работа. Стивен Уильям Хокинг". То, что им сделано, по мнению коллег сравнимо с тем, что сделал Эйнштейн. Эйнштейн, казалось, предсказывал это, но затем отказался. Почему? Устал бороться? Считал свое открытие преждевременным? Скорее сам испугался своей идеи, которую прочувствовал интуитивно. Это не так важно. Важнее, что идея была, и что было, кому ее подхватить.

После своего открытия Хокинг говорит своей супруге Джейн:- Теперь я займусь теорией всего. До этого я изучал очень большие объекты, а сейчас я хочу заглянуть в очень малые. И посмотреть, смогу ли я объединить гравитацию и квантовую механику.- Ну и сколько времени может занять разработка Теории всего?- 20 лет, не больше.- Не быстро!- Не быстро, но я верю в возможность. Мы можем достигнуть полного понимания Вселенной.- Я чувствую себя очень маленькой, когда смотрю на звездное небо.- Мы очень очень маленькие, но несомненно способны к пониманию очень очень больших вещей.

После долгой и выдающейся карьеры сэр Фрэд Хойл умер в 2001 году. Он так и не принял идею о том, что у Вселенной было начало.

Роджер Пенроуз в 1994 году был удостоен рыцарского звания за заслуги перед наукой. Его теорема сингулярности для коллапсирующих звезд была принята как доказательство существования чёрных дыр в космосе.

Стивен и Джейн Хокинг были женаты 25 лет и родили 3-х детей. Спустя 40 лет после своего диагноза мотонейронного заболевания Стивен является Лукасианским профессором математики в Кембридже. Находясь на позиции, которую когда-то занимал Исаак Ньютон.

Символы научных открытий этих людей в фильме - часы с обратным ходом и сцена в поезде, когда поезд тронулся с места на противоположной платформе, а кажется, что с места тронулся твой поезд. Они демонстрируют принципы относительности движения и времени.

Реликтовое излучение

10 Декабря 1978 года Арно Пензиас и Роберт Уилсон получили нобелевскую премию по физике за их открытие микроволнового реликтового излучения, остаточного нагревания Большого Взрыва, открытого в 1965 году Стивеном Хокингом. Перед вручением премии они дали интервью, которое примерно выглядело так:- Что вы делали?- Мы измеряли шум, который исходит из-за пределов Млечного пути.- Что за шум?- Шум - это нагревание. Чем больше нагревание - тем интенсивней шум. Мы получали много шума, что значит и много нагревания. Намного больше, чем мы должны были получать от Млечного пути. В этом и заключалась наша работа. День ото дня.- Насколько больше?- Нагревание, которое мы получали, должно было быть на 2 градуса ниже благодаря "Колдо". Но оно было выше, выше на 3 градуса. Выше чем оно могло бы исходить от Млечного пути. Выше, чем оно могло исходить даже от далёких галактик. И мы подумали, что это исходит от чего-то, что находится ближе к нам.- Как вы это делали?- Мы построили установку "Колдо", соединили ее с антенной. Большая, размером с дом, антенна, лежащая на боку, по форме как труба граммофона антенна. Стоит посреди поля на холме, в 20 милях от Нью-Йорка. Направлена на звезды и принимает шипящий шум. Внутрь закачали 5 галлонов жидкого гелия. Это дало возможность провести очень точные расчеты. День за днём мы пытались понять, что это за нагревание, откуда этот шипящий шум?- Что вы решили?- У нас был целый список идей. Одна такая: в 1950-е проводились испытания ядерных бомб. И может быть это от них шло остаточное излучение. Но тогда оно должно было бы постоянно уменьшаться. А оно не уменьшалось. Абсолютно постоянное значение. И мы снова возвращались к списку своих идей.- Какая еще идея была?- Должно быть, причиной шипящего шума является белый диэлектрический материал внутри трубы антенны? Голубиное дерьмо. В 6 метровой трубе внутри жила пара голубей.- Что вы сделали?- Мы отправляли их как почтовых голубей. Люди, на которых мы работали, имели внутреннюю почту и офисы по все Америке. Мы отправляли голубей настолько далеко, насколько мы могли их послать.- И это работало?- Они возвращались домой :)- И что же вы сделали?- Нам приходилось отстреливать голубей. Затем мы вычистили весь тот диэлектрический материал из трубы. Ползая на корточках и на коленях в белых халатах. Нам пришлось ползать там отскребая эти белые какашки. Но голуби оказались ни в чем не виноваты. Мы всё еще получали этот шипящий шум.- Но что же тогда?- Тогда мы подумали, что шипящий шум может исходить от Нью-Йорка. Мы решили так: если какой-нибудь из больших городов мира и может давать 3 горячих градуса радио шума, то это должен быть Нью-Йорк. Одна только моя семья может издавать столько шума. Как могли мы заявлять о том, что делаем очень чувствительные радиоастрономические измерения со всеми этими вещами вокруг сделанными человеком. Мы направили антенну на Нью-Йорк. Вся эта энергия, которая распространяется из-за горизонта: шумы от поездов, жужжание от электропроводов, радиосигнал, издаваемый аэропортом, распространяется вокруг в киловаттах. Но Нью-Йорк не был причиной шума. Мы направили 6-ти метровую трубу на город и это дало нам значительное нагревание, но недостаточное.- Все так сложно?!- Наука может быть очень медленной. Очень редко бывает, когда всё сразу получается. Здесь нужна аккуратность, твердость воли, посвящение.- У вас была хоть какая-нибудь идея о том, что это могло быть? Или вы думали, что знали это?- Этот шум - звук начала времени. Остаточное нагревание от Большого Взрыва. Те 3 градуса, которые до сих пор не остыли. Он везде. Везде и вокруг нас. Ему 13,7 миллиардов лет. И мы обнаружили его. Вот наше открытие.- Это должно быть возвращение к самому началу.- Стивен Хокинг, кто он? И когда вы познакомились с ним?- В 1963.- Какая для вас была польза от знакомства с ним?- Для нас не было пользы. Он не был нужен нам. Он был в Англии, мы были в Нью Джерси. Мы даже не знали о его существовании.- Вы что-нибудь знали о нем?- Мы ничего о нем не знали.

Вот так были сделаны эти два важнейших открытия. А теперь таким же простым языком подытожим:

Есть 4 основных положения Теории Большого взрыва*:1. Вселенная родилась из взрыва, как единое тело, и с тех пор расширяется во всех направлениях. Если вернуться в точку сосредоточения энергии и материи, назад по оси времени, можно дойти до точки сингулярности.2. Легкие элементы (такие, как водород) сформировались первыми.3. Вселенной распространяется свет, возникший в момент Большого взрыва.4. Есть четкие рамки эволюции у звезд, звездных систем, галактик, галактических кластеров, галактических суперкластеров и т.д.

Что происходит со Вселенная

Вселенная растет, причем с возрастающей скоростью. Растет и расширяется. Процесс расширения Вселенной называют инфляцией. Инфляционная теория развития Вселенной создана Аланом Гутом. С большой вероятностью жизнь Вселенной, начавшаяся с Большого взрыва, закончится "большим разрывом". Сначала расширение просто увеличит расстояние между галактиками, затем между звездными системами, но в конце концов разорвет даже атомы. Причем, чтобы разорвать Солнечную систему, понадобятся сотни тысяч лет, а чтобы разорвать Землю – всего пол часа земного времени. Большой разрыв произойдет примерно через 50 млрд лет. Ответственна за это темная энергия. Эдвин Хаббл обнаружил расширение Вселенной в 1920-х, но только в 1998 году было обнаружено, что это расширение ускоряется. Все эти угрозы заставляют задуматься, насколько хрупка жизни на Земле.

Большой взрыв создал неоднородную Вселенную, состоящую из скоплений вещества и энергии и пустот. Именно это сделало возможным появление жизни. Что было до Большого взрыва - мы не знаем. Сингулярность – это линия горизонта, за которую нам скорее всего никогда не заглянуть. Но есть мнение, что Большие взрывы – периодические явления, и что окончание жизни Вселенной означает начало жизни новой Вселенной, а значит и новый Большой взрыв. Это теория цикличности Больших взрывов. По этой теории раз в триллион лет Вселенная дает большой взрыв, расширяется, затем схлопывается, и все начинается по новой.

Как изучают Вселенную

После таких утверждений возникает закономерный вопрос: как именно устанавливают подобные факты? Ученые обычно проходят путь от теоретических рассуждений к наблюдениям и опытам с помощью специальной техники. Например, телескопов, орбитальных и наземного базирования. В апреле 1990 года шатл «Дискавери» вывел на орбиту телескоп «Хаббл», который помог установить возраст Вселенной - 13,7 млрд лет.

Орбитальный телескоп Хаббл

Для изучения реликтового излучения на орбиту была выведена обсерватория Планка. За открытие специфических свойств реликтового излучения (анизотропии) еще два физика - Джордж Смут и Джон Мазер - получили нобелевскую премию по физике в 2006 году. Их работа подтвердила наличие реликтового излучения и расширила представления о нем. Ученые составили карту горячих и холодных участков Вселенной.

Панорама анизотропии реликтового фона с холодными (синими) и горячими (красными) участками

Карты микроволнового излучения Вселенной значительно уточнили телескопы Вилкинсона и Планка. А в 1990-х начали составлять трехмерные карты Вселенной. В будущем NASA планирует запустить новые орбитальные телескопы, задачей которых будет более точная фиксация остаточного излучения Большого взрыва.

Продолжение следует

Примечания:

*Использованы материалы фильма "Загадки Вселенной".

Весь проект: Вселенная, Млечный путь и Солнечная система

vnpru.livejournal.com

Большой взрыв • Джеймс Трефил, энциклопедия «Двести законов мироздания»

Астрономы употребляют термин «Большой взрыв» в двух взаимосвязанных значениях. С одной стороны этим термином называют само событие, ознаменовавшее зарождение Вселенной около 15 миллиардов лет назад; с другой — весь сценарий ее развития с последующим расширением и остыванием.

Концепция Большого взрыва появилась с открытием в 1920-е годы закона Хаббла. Этот закон описывает простой формулой результаты наблюдений, согласно которым видимая Вселенная расширяется и галактики удаляются друг от друга. Нетрудно, следовательно, мысленно «прокрутить пленку назад» и представить, что в исходный момент, миллиарды лет назад, Вселенная пребывала в сверхплотном состоянии. Такая картина динамики развития Вселенной подтверждается двумя важными фактами.

Космический микроволновой фон

В 1964 году американские физики Арно Пензиас и Роберт Уилсон обнаружили, что Вселенная наполнена электромагнитным излучением в микроволновом диапазоне частот. Последовавшие измерения показали, что это характерное классическое излучение черного тела, свойственное объектам с температурой около –270°С (3 К), т. е. всего на три градуса выше абсолютного нуля.

Простая аналогия поможет вам интерпретировать этот результат. Представьте, что вы сидите у камина и смотрите на угли. Пока огонь горит ярко, угли кажутся желтыми. По мере затухания пламени угли тускнеют до оранжевого цвета, затем до темно-красного. Когда огнь почти затух, угли перестают испускать видимое излучение, однако, поднеся к ним руку, вы почувствуете жар, что означает, что угли продолжают излучать энергию, но уже в инфракрасном диапазоне частот. Чем холоднее объект, тем ниже излучаемые им частоты и больше длина волн (см. Закон Стефана—Больцмана). По сути, Пензиас и Уилсон определили температуру «космических углей» Вселенной после того, как она остывала на протяжении 15 миллиардов лет: ее фоновое излучение оказалось в диапазоне микроволновых радиочастот.

Исторически это открытие и предопределило выбор в пользу космологической теории Большого взрыва. Другие модели Вселенной (например, теория стационарной Вселенной) позволяют объяснить факт расширения Вселенной, но не наличие космического микроволнового фона.

Изобилие легких элементов

Ранняя Вселенная была очень горячей. Даже если протоны и нейтроны при столкновении объединялись и формировали более тяжелые ядра, время их существования было ничтожным, потому что уже при следующем столкновении с еще одной тяжелой и быстрой частицей ядро снова распадалось на элементарные компоненты. Выходит, что с момента Большого взрыва должно было пройти около трех минут, прежде чем Вселенная остыла настолько, чтобы энергия соударений несколько смягчилась и элементарные частицы начали образовывать устойчивые ядра. В истории ранней Вселенной это ознаменовало открытие окна возможностей для образования ядер легких элементов. Все ядра, образовывавшиеся в первые три минуты, неизбежно распадались; в дальнейшем начали появляться устойчивые ядра.

Однако это первичное образование ядер (так называемый нуклеосинтез) на ранней стадии расширения Вселенной продолжался очень недолго. Вскоре после первых трех минут частицы разлетелись так далеко друг от друга, что столкновения между ними стали крайне редкими, и это ознаменовало закрытие окна синтеза ядер. В этот краткий период первичного нуклеосинтеза в результате соударений протонов и нейтронов образовались дейтерий (тяжелый изотоп водорода с одним протоном и одним нейтроном в ядре), гелий-3 (два протона и нейтрон), гелий-4 (два протона и два нейтрона) и, в незначительном количестве, литий-7 (три протона и четыре нейтрона). Все более тяжелые элементы образуются позже — при формировании звезд (см. Эволюция звезд).

Теория Большого взрыва позволяет определить температуру ранней Вселенной и частоту соударений частиц в ней. Как следствие, мы можем рассчитать соотношение числа различных ядер легких элементов на первичной стадии развития Вселенной. Сравнив эти прогнозы с реально наблюдаемым соотношением легких элементов (с поправкой на их образование в звездах), мы обнаруживаем впечатляющее соответствие между теорией и наблюдениями. По моему мнению, это лучшее подтверждение гипотезы Большого взрыва.

Помимо двух приведенных выше доказательств (микроволновой фон и соотношение легких элементов) недавние работы (см. Инфляционная стадия расширения Вселенной) показали, что сплав космологии Большого взрыва и современной теории элементарных частиц разрешает многие кардинальные вопросы устройства Вселенной. Конечно, проблемы остаются: мы не можем объяснить саму первопричину возникновения Вселенной; не ясно нам и то, действовали ли в момент ее зарождения нынешние физические законы. Но убедительных аргументов в пользу теории Большого взрыва на сегодняшний день накоплено более чем достаточно.

См. также:

elementy.ru