Что произошло в результате большого взрыва: Ученые выяснили, что произошло в первую микросекунду Большого взрыва |

Содержание

Ученые выяснили, что произошло в первую микросекунду Большого взрыва

https://ria.ru/20210526/vzryv-1733969483.html

Ученые выяснили, что произошло в первую микросекунду Большого взрыва

Ученые выяснили, что произошло в первую микросекунду Большого взрыва — РИА Новости, 26.05.2021

Ученые выяснили, что произошло в первую микросекунду Большого взрыва

Физики, работающие на детекторе ALICE Большого адронного коллайдера в ЦЕРНе, выяснили, что случилось с кварк-глюонной плазмой — самой ранней материей из… РИА Новости, 26.05.2021

2021-05-26T13:20

2021-05-26T17:39

наука

космос — риа наука

большой адронный коллайдер

физика

европейская организация ядерных исследований (церн)

/html/head/meta[@name=’og:title’]/@content

/html/head/meta[@name=’og:description’]/@content

https://cdnn21.img.ria.ru/images/07e4/09/08/1576940819_4:0:1024:574_1920x0_80_0_0_40e46a474bd4fd8eaa28dfcfd0b9cdae.jpg

МОСКВА, 26 мая — РИА Новости. Физики, работающие на детекторе ALICE Большого адронного коллайдера в ЦЕРНе, выяснили, что случилось с кварк-глюонной плазмой — самой ранней материей из когда-либо существовавших — в первую микросекунду Большого взрыва. Статья с результатами исследования опубликована в журнале Physics Letters B.Соглаcно современным научным представлениям, примерно 14 миллиардов лет назад наша Вселенная перешла от состояния космологической сингулярности, характеризующегося бесконечной плотностью и температурой вещества, к стремительному расширению. Это называется Большим взрывом. В результате него возникли все известные виды вещества: частицы, атомы, звезды, галактики, а также жизнь в том виде, в каком мы ее знаем сегодня. Но сами процессы возникновения первичного вещества ученым пока понятны не до конца.Участники эксперимента ALICE (A Large Ion Collider Experiment) Большого адронного коллайдера изучили вещество под названием кварк-глюонная плазма — единственную материю, существовавшую в самую первую микросекунду Большого взрыва. Это позволило восстановить уникальную историю того, как материя развивалась на ранней стадии становления Вселенной.»Сначала плазма, состоящая из кварков и глюонов, была разделена горячим расширением Вселенной. Затем частицы кварков преобразовались в так называемые адроны. Адрон с тремя кварками образует протон, который является частью атомных ядер. Эти ядра — строительные блоки, из которых состоит Земля, мы и окружающая нас Вселенная», — приводятся в пресс-релизе Копенгагенского университета слова одного из участников исследования доктора Ю Чжоу (You Zhou), доцента Института Нильса Бора.Кварк-глюонная плазма (КГП) присутствовала в первые 0,000001 секунды Большого взрыва, а затем исчезла из-за расширения. В эксперименте в ЦЕРНе исследователи смогли воссоздать это первое в истории Вселенной вещество и проследить, что с ним произошло.»Коллайдер сталкивает ионы плазмы между собой с огромной скоростью — почти со скоростью света. Это позволяет увидеть, как КГП превращается в ядра атомов и строительные блоки жизни», — объясняет Ю Чжоу. Ученые разработали алгоритм, который позволил проанализировать коллективное расширение большего количества частиц КГП одновременно. Результаты показали, что изначально кварк-глюонная плазма была текучей жидкостью, но со временем меняла форму.»В течение долгого времени исследователи думали, что плазма представляет собой форму газа, — продолжает ученый. — Но наш анализ подтвердил экспериментальные наблюдения на адронном коллайдере. КГП, подобно воде, имеет гладкую мягкую текстуру, а форма ее со временем плавно меняется, что довольно удивительно и отличается от любого другого вещества, которое мы знаем, и от того, чего мы ожидали».Эксперименты с кварк-глюонной плазмой продолжаются в ЦЕРНе более двадцати лет. Более десяти лет назад был создан специальный детектор для тяжелых ионов ALICE.»Каждое открытие — это кирпичик, который увеличивает наши шансы узнать правду о Большом взрыве. Нам потребовалось около двадцати лет, чтобы выяснить, что кварк-глюонная плазма была текучей, прежде чем превратилась в адроны и строительные блоки жизни. Поэтому любые новые знания о постоянно меняющемся поведении плазмы — это большой прорыв», — заключает Ю Чжоу.

https://ria.ru/20210514/vselennaya-1732282013.html

https://ria.ru/20210429/vselennaya-1730506397.html

РИА Новости

4.7

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

2021

РИА Новости

4.7

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

Новости

ru-RU

https://ria.ru/docs/about/copyright.html

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/

РИА Новости

4.7

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

1920

1080

true

1920

1440

true

https://cdnn21. img.ria.ru/images/07e4/09/08/1576940819_238:0:1003:574_1920x0_80_0_0_8c172ddef275723f975747ba0b5d3d77.jpg

1920

true

РИА Новости

4.7

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

РИА Новости

4.7

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

космос — риа наука, большой адронный коллайдер, физика, европейская организация ядерных исследований (церн)

Наука, Космос — РИА Наука, Большой адронный коллайдер, Физика, Европейская организация ядерных исследований (ЦЕРН)

МОСКВА, 26 мая — РИА Новости. Физики, работающие на детекторе ALICE Большого адронного коллайдера в ЦЕРНе, выяснили, что случилось с кварк-глюонной плазмой — самой ранней материей из когда-либо существовавших — в первую микросекунду Большого взрыва. Статья с результатами исследования опубликована в журнале Physics Letters B.

Соглаcно современным научным представлениям, примерно 14 миллиардов лет назад наша Вселенная перешла от состояния космологической сингулярности, характеризующегося бесконечной плотностью и температурой вещества, к стремительному расширению. Это называется Большим взрывом. В результате него возникли все известные виды вещества: частицы, атомы, звезды, галактики, а также жизнь в том виде, в каком мы ее знаем сегодня. Но сами процессы возникновения первичного вещества ученым пока понятны не до конца.

Участники эксперимента ALICE (A Large Ion Collider Experiment) Большого адронного коллайдера изучили вещество под названием кварк-глюонная плазма — единственную материю, существовавшую в самую первую микросекунду Большого взрыва. Это позволило восстановить уникальную историю того, как материя развивалась на ранней стадии становления Вселенной.

«Сначала плазма, состоящая из кварков и глюонов, была разделена горячим расширением Вселенной. Затем частицы кварков преобразовались в так называемые адроны. Адрон с тремя кварками образует протон, который является частью атомных ядер. Эти ядра — строительные блоки, из которых состоит Земля, мы и окружающая нас Вселенная», — приводятся в пресс-релизе Копенгагенского университета слова одного из участников исследования доктора Ю Чжоу (You Zhou), доцента Института Нильса Бора.

14 мая 2021, 12:22Наука

Ученые получили необычные данные о расширении Вселенной

Кварк-глюонная плазма (КГП) присутствовала в первые 0,000001 секунды Большого взрыва, а затем исчезла из-за расширения. В эксперименте в ЦЕРНе исследователи смогли воссоздать это первое в истории Вселенной вещество и проследить, что с ним произошло.

«Коллайдер сталкивает ионы плазмы между собой с огромной скоростью — почти со скоростью света. Это позволяет увидеть, как КГП превращается в ядра атомов и строительные блоки жизни», — объясняет Ю Чжоу.

Ученые разработали алгоритм, который позволил проанализировать коллективное расширение большего количества частиц КГП одновременно. Результаты показали, что изначально кварк-глюонная плазма была текучей жидкостью, но со временем меняла форму.

«В течение долгого времени исследователи думали, что плазма представляет собой форму газа, — продолжает ученый. — Но наш анализ подтвердил экспериментальные наблюдения на адронном коллайдере. КГП, подобно воде, имеет гладкую мягкую текстуру, а форма ее со временем плавно меняется, что довольно удивительно и отличается от любого другого вещества, которое мы знаем, и от того, чего мы ожидали».

Эксперименты с кварк-глюонной плазмой продолжаются в ЦЕРНе более двадцати лет. Более десяти лет назад был создан специальный детектор для тяжелых ионов ALICE.

«Каждое открытие — это кирпичик, который увеличивает наши шансы узнать правду о Большом взрыве. Нам потребовалось около двадцати лет, чтобы выяснить, что кварк-глюонная плазма была текучей, прежде чем превратилась в адроны и строительные блоки жизни. Поэтому любые новые знания о постоянно меняющемся поведении плазмы — это большой прорыв», — заключает Ю Чжоу.

29 апреля 2021, 15:36Наука

Ученые придумали необычный способ оценки скорости расширения Вселенной

Что взорвалось при Большом взрыве / Наука / Независимая газета

Классический сегодня ответ на вопрос «откуда взялась Вселенная?» – в результате Большого взрыва 14 миллиард лет назад.
Иллюстрация NASA

Прошедший ХХ век принес человечеству существенные открытия в области космологии и астрофизики – прежде всего в изучении черных дыр, времени, квантовой теории и Большого взрыва. За 100 лет представление о месте человека во Вселенной изменилось кардинально. Нелегко было XVII веку смириться с подчиненным положением Земли по отношению к Солнцу, а следующим векам принять периферийность Солнечной системы и даже галактики Млечный Путь, а человеку осознать себя пылинкой во Вселенной. Но откуда взялась Вселенная? Кажется, что идея, будто все это получилось из ничего, противоречит логике и здравому смыслу.

Большой взрыв покажут по телевизору

Если мы оставим в стороне гипотезу Бога, то какие варианты ответа на загадку существования мира нам остаются? Возможно, когда-нибудь наука объяснит не только то, как мир устроен, но и почему он устроен именно так. По крайней мере именно на это надеется, например, английский биолог-эволюционист Ричард Докинз. Он ищет ответ в теоретической физике, полагаясь на ускоренное, инфляционное расширение в первые доли секунды после Большого взрыва и на принцип космического отбора вселенных, похожего на принцип естественного отбора Дарвина.

Пока считалось, что Вселенная вечна, ее существование не слишком заботило ученых. Альберт Эйнштейн в своих гипотезах просто принял, что Вселенная вечна, и даже подправил уравнения теории относительности соответствующим образом. Однако с принятием концепции Большого взрыва все изменилось. Эксперименты показывают, что мы живем в расширяющихся и охлаждающихся остатках космического «комка», который взорвался около 14 млрд лет назад. Что могло вызвать этот первоначальный взрыв? И что ему предшествовало – и предшествовало ли что-нибудь вообще? Эти вопросы определенно входят в компетенцию науки. Но любая попытка науки на них ответить натыкается на кажущееся непреодолимым препятствие, известное как «сингулярность».

Предположение, что Вселенная расширяется (вопреки прежней статичной модели), подтверждено в 1929 году астрономом Эдвином Хабблом на основании наблюдений за спектром звезд. Окончательным подтверждением инфляции Вселенной стало обнаруженное в 1965 году реликтовое излучение, которое осталось со времен Большого взрыва. Любопытно, что поначалу ученые подумали, что причина постоянного шипения в микроволновом диапазоне – деятельность голубей. Если включить телевизор и настроиться между станциями на пустой канал, то примерно 10% черно-белых крапинок на экране вызывается фотонами, которые остались с момента рождения Вселенной. Наглядней доказательство реальности Большого взрыва невозможно придумать – вы можете увидеть остывающие остатки Большого взрыва в собственном телевизоре.

Если проследить историю расширяющейся Вселенной вспять, Вселенная будет уменьшаться, пока в момент Большого взрыва не обратится в сингулярность. Здесь теория Эйнштейна прерывается и не может предсказать начало Вселенной и начало времени. В этой точке действуют исключительно законы квантовой механики: размытые по пространству волны-частицы движутся всеми возможными путями, и Вселенная может иметь бесконечное множество предысторий. Концептуальный тупик в точке Большого взрыва беспокоил космологов, и они стали искать сценарии, позволяющие избежать первоначальной сингулярности.

Новая инфляционная космология

В 1970 году английские физики-теоретики Стивен Хокинг и Роджер Пенроуз показали, что эти попытки не могут увенчаться успехом. Хокинг и Пенроуз начали со вполне логичного предположения о том, что гравитация всегда притягивает, и приняли плотность материи во Вселенной примерно равной измеренной экспериментально. На основе этих двух допущений они доказали, что в начале Вселенной все-таки должна быть сингулярность.

Означает ли это, что тайна происхождения Вселенной останется навсегда неразгаданной? Не совсем так, скорее расчеты Хокинга и Пенроуза показывают, что Большой взрыв не может быть полностью понят классической космологией вроде теории относительности Эйнштейна, потребуются и другие теории.

По словам Хокинга, одно из следствий теории квантовой механики заключается в том, что события, произошедшие в прошлом, не происходили каким-то определенным образом. Вместо этого они могли происходить всеми возможными способами. Это связано с вероятностным характером вещества и энергии согласно квантовой механике: до тех пор, пока не найдется сторонний наблюдатель, материя будет находиться в неопределенности. Стивен Хокинг пишет: «Независимо от того, какие воспоминания вы храните о прошлом в настоящее время, прошлое, как и будущее, неопределенно и существует в виде спектра возможностей».

В начале ХХ века считалось, что наша Вселенная состоит только из галактики Млечный Путь, которая плывет сама по себе в бесконечном пространстве. С тех пор ученые установили, что Млечный Путь – всего лишь одна из сотен миллиардов галактик, и это только в видимой нам части Вселенной. В настоящее время считается, что сам Большой взрыв лучше всего объясняет теория, названная «новая инфляционная космология».

Согласно этой теории, взрывы, создающие вселенные, подобно Большому взрыву, случаются довольно часто. Инфляционная космология полагает, что наша Вселенная (которая возникла 14 млрд лет назад) появилась из пространства-времени уже существовавшей Вселенной и не является единственной физической реальностью, а представляет собой лишь невообразимо крохотную часть Мультивселенной (Мультиверса).

Хотя каждый из миров внутри Мультиверсума имеет начало во времени, вся самовоспроизводящаяся структура в целом может быть вечной – таким образом, мы вновь будто возвращаемся к концепции статичной Вселенной, которая казалась навсегда отброшенной с открытием Большого взрыва.

Тем не менее остается вопрос: почему же существует вся эта материя и энергия? Почему пространство-время нашей Вселенной обладает определенной геометрической формой и имеет конечный возраст? Почему оно насыщено разнообразными физическими полями, частицами и силами? И почему эти поля, частицы и силы подчиняются определенному набору законов, причем довольно запутанному? Разве не проще было бы, если бы не было вообще ничего?

Для бесконечного во времени мира (неважно, соответствует ли он инфляционной или другой теории) не существует необъяснимого «момента творения», в нем нет места «первопричине», нет произвольных начальных условий. Поэтому кажется, что вечный мир удовлетворяет принципу достаточной причины: его состояние в любой момент можно объяснить его состоянием в предыдущий момент.

Так, если в момент Большого взрыва не было никакого перехода от Ничто к Нечто, то нет надобности искать причину, божественную или какую-то иную, которая вызвала к жизни Вселенную? И также нет необходимости ломать голову над поставленным нами вопросом: откуда взялись материя и энергия во Вселенной? Внезапного и фантастического нарушения закона сохранения энергии-массы во время Большого взрыва не было. А Вселенная всегда обладала одинаковой энергией-массой, от нулевого момента и до настоящего времени.

Сумма альтернативных историй

В классической физике, располагая полными данными о настоящем, мы можем легко восстановить картину прошлого. Это соответствует интуитивному убеждению в существовании лишь единственно определенного прошлого. Но квантовая физика утверждает, что при самом детальном наблюдении настоящего ненаблюдаемое прошлое неопределенно и представляет собой сумму предысторий.

В середине 1940-х годов это коренное отличие квантовой механики от ньютоновской сформулировал физик Ричард Фейнман: в ньютоновской механике движущиеся предметы проходят через фильтр с двумя отверстиями строго определенным путем. Но если на фильтр направить пучок частиц (или даже одну частицу), они/она пройдут через эти отверстия всеми мыслимыми путями: и прямым, и через Альфу Центавра, и через соседний гастроном… Вместо классического детерминизма современная физика здесь имеет дело со случайностью и вероятностью.

Но эта фундаментальная случайность, так беспокоившая Эйнштейна, все же поддается математическому описанию. Фейнман ввел понятие «сумма предысторий» – все возможные пути частиц, по итогам которых мы наблюдаем результаты эксперимента. Мы не можем точно предсказывать не только будущее, но и прошлое – как именно частица попала в конечную точку, но можем рассматривать совокупность всех возможных путей. В итоге основным методом квантовой физики стала «сумма альтернативных историй», то есть учет всех путей с расчетом вероятности каждого.

Поскольку ненаблюдаемое прошлое неопределенно, а наблюдение меняет поведение системы, то выводимое из наблюдений прошлое еще и изменено по сравнению с ненаблюдаемым: наблюдая за системой, мы меняем не только ее настоящее, но и прошлое.

Как возможно сочетание классической физики, имеющей дело с макрообъектами в пространстве-времени, с неопределенностью и непредсказуемостью квантовой механики? Вероятно, происходит примерно то же, что и в специальной теории относительности: теория начинает действовать в «экстремальных обстоятельствах». Такими экстремальными обстоятельствами для движущегося объекта становится приближение к скорости света: скорость начинает влиять на массу, а время замедляется и в конечном счете останавливается.

Квантовая космология

В каком экстремуме квантовые законы и, как следствие, исчезновение измерения времени могут проявиться на уровне Вселенной? Очевидно, когда Вселенная сравнима размерами с атомным ядром. Именно это подразумевает теория Большого взрыва: все начинается с сингулярности – точки, в которой температура, плотность и искривление Вселенной были бесконечны. Из этой точки Вселенная начинает расширяться, и расширение в соответствии с инфляционной моделью продолжается до сих пор. Общая теория относительности Эйнштейна утверждает, что форма пространства-времени определяется распределением энергии и материи. И когда энергия и материя бесконечно сжаты, то и само пространство-время тоже сжато – и оно просто исчезает.

Как именно, можно понять, если учесть, что через неизмеримо малые доли секунды после рождения вся наблюдаемая Вселенная была не больше атома. В таких масштабах классическая физика неприменима: в микромире правят законы квантовой теории. Поэтому космологи стали задаваться вопросом: а что, если квантовую теорию, которая использовалась только для описания субатомных явлений, применить ко всей Вселенной в целом? Так родилась квантовая космология, названная физиком Джоном Гриббином «наиболее значительным шагом вперед в науке со времен Исаака Ньютона».

Квантовая космология предлагает способ обойти проблему сингулярности. Классические космологи полагали, что сингулярность, притаившаяся за Большим взрывом, это что-то вроде точки с нулевым объемом. Однако квантовая теория запрещает столь точно определенное состояние, утверждая, что на самом фундаментальном уровне природа обладает неизбежной размытостью, поэтому невозможно указать точный момент возникновения Вселенной, ее начальное время.

То, что квантовая теория разрешает, еще более интересно, чем то, что она запрещает. А разрешает она спонтанное возникновение частиц из вакуума. Такой способ создания Нечто из Ничто дал квантовым космологам плодотворную идею: что, если сама Вселенная, по законам квантовой механики, возникла из случайной флуктуации? Тогда причина того, что существует Нечто, а не Ничто, состоит в неустойчивости вакуума.

Утверждение физиков о том, что вакуум неустойчив, подчас подвергается нападкам философов. Но физический вакуум и полная пустота – названия разных объектов. Однако о пустоте можно думать не только как об объекте, но и как об описании определенного состояния. Для физика «пустота» описывает такое состояние, когда нет частиц и все поля математически равны нулю. Возможно ли такое состояние в действительности? То есть согласуется ли оно логически с наблюдаемыми физическими реалиями? Возможно ли создать в наполненной Вселенной полную пустоту?

Мир неустойчивой пустоты

Один из наиболее глубоких принципов, лежащих в самой основе нашего квантового понимания природы, это принцип неопределенности Гейзенберга. Он утверждает, что определенные пары свойств связаны друг с другом таким образом, что не могут быть точно измерены вместе. Одна такая пара переменных – координаты и импульс частицы: чем точнее вы установили положение частицы, тем менее точно вам известно значение ее импульса, и наоборот. Другая пара сопряженных переменных – время и энергия: чем точнее вам известен промежуток времени, в течение которого произошло какое-то событие, тем менее точно вы знаете об энергии, связанной с этим событием, и наоборот.

Квантовая неопределенность запрещает точное определение значений поля и скорости изменения этого значения. Пустота, или вакуум, – это состояние, в котором все значения полей постоянно равны нулю, однако принцип неопределенности Гейзенберга говорит, что если мы точно знаем значение поля, то скорость его изменения совершенно случайна, то есть не может быть равна нулю. Таким образом, математическое описание неизменной пустоты несовместимо с квантовой механикой. Точнее, пустота неустойчива, или же чистой пустоты попросту не существует.

Идея, что Вселенная, содержащая сотни миллиардов галактик, могла появиться из пустоты, выглядит невероятной. Как показал Эйнштейн, любая масса представляет собой застывшую энергию. Однако огромному количеству положительной энергии, запертой в звездах и галактиках, должна противостоять отрицательная энергия гравитационного притяжения между ними. В «закрытой» Вселенной (той, которая со временем снова сожмется) положительная и отрицательная энергии должны точно уравновешивать друг друга. Другими словами, общая энергия такой Вселенной равна нулю.

Возможность создания Вселенной из нулевой энергии поражает воображение. С точки зрения квантовой механики Вселенная с нулевой энергией представляет собой интересный случай.

Допустим, что полная энергия Вселенной точно равна нулю. Тогда благодаря взаимосвязи в неопределенности между энергией и временем (как утверждает принцип Гейзенберга) неопределенность во времени становится бесконечной. Другими словами, как только такая Вселенная возникнет из пустоты, то сможет существовать вечно. Что же касается причины, по которой Вселенная возникла, то это просто квантовая вероятность.

Стивен Хокинг в книге «Великий замысел» пишет: «Если полная энергия Вселенной должна всегда оставаться нулевой и необходимо затратить энергию, чтобы создать тело, как может вся Вселенная быть создана из ничего? Вот почему должен существовать такой закон, как гравитация. Так как гравитация притягивает, то энергия гравитации является отрицательной. Необходимо произвести работу, чтобы разделить гравитационно связанную систему, такую как Земля и Луна. Эта отрицательная энергия может быть сбалансирована положительной энергией, необходимой чтобы создать материю, но все не так просто. Отрицательная гравитационная энергия Земли, к примеру, меньше, чем положительная энергия миллиардов частиц, из которых она состоит. Тело, такое как звезда, будет иметь больше отрицательной гравитационной энергии, и чем меньше она (частицы, из которых она состоит, находятся ближе друг к другу), тем больше будет ее отрицательная гравитационная энергия. Но прежде чем отрицательной гравитационной энергии может стать больше положительной энергии вещества, звезда сколлапсирует в черную дыру, и черная дыра будет иметь положительную энергию. Вот почему пустое пространство стабильно. Тела, такие как звезды или черные дыры, не могут так просто появляться из ничего. Но целая Вселенная может!»

С выводами Стивена Хокинга согласна и квантовая механика. Американский ученый русского происхождения Алекс Виленкин в книге «Мир многих миров» показал, что из начального состояния пустоты может спонтанно появиться крохотный кусочек наполненного энергией вакуума. Под действием отрицательного давления этот кусочек энергетического вакуума испытает безудержное расширение. Через пару микросекунд он достигнет космических размеров, испустив поток света и материи, создав Большой взрыв.

Таким образом, по мнению Виленкина, переход от Пустоты к Бытию происходит в два этапа. На первом крохотный кусочек вакуума появляется из вакуума. На втором он раздувается в наполненную материей предшественницу той Вселенной, которую мы сейчас видим вокруг.

На данный момент принципы квантовой механики, управляющие первым этапом, являются самыми надежными принципами в науке. Что касается теории инфляции, которая описывает второй этап, то с момента своего создания в начале 1980-х годов она успешно подтверждена не только теоретически, но и эмпирически – в частности распределением реликтового излучения, оставшегося после Большого взрыва.

Что же происходит в момент Большого взрыва со временем? Общая теория относительности объединяется с квантовой теорией: искривление времени-пространства настолько велико, что все четыре измерения ведут себя одинаково. Иными словами, времени как особого параметра нет. А если времени нет, то нет и возможности говорить о начале Вселенной во времени, что устраняет проблему творения из Ничего.

Таким образом, сингулярность в начале Вселенной не событие во времени, а скорее временная граница или край. До нее времени не было. Поэтому не было и времени, когда преобладало Ничто. И не было никакого «возникновения» – по крайней мере во времени. Вселенная имеет конечный возраст, хоть и существовала всегда, если под «всегда» подразумевать все моменты времени. Вековой парадокс разрешается.

Если Большого взрыва не было – Наука – Коммерсантъ

Физики-теоретики из Института ядерных исследований РАН построили модель ранней Вселенной без Большого взрыва. Соответствующий научный результат готовится к публикации в журнале Journal of Cosmology and Astroparticle Physics. Ученые сделали шаг вперед на пути к теоретическому описанию Вселенной с отскоком.

Фото: NASA

Группа физиков в составе академика Валерия Рубакова и молодых кандидатов наук Виктории Волковой и Сергея Миронова излагает взгляды на происходившее во Вселенной так: сегодня нам многое известно про Вселенную не только теоретически, но и с экспериментальной точки зрения. Благодаря современным астрономическим и астрофизическим наблюдениям мы с уверенностью можем говорить, что наша Вселенная сегодня расширяется медленно и имеет сравнительно небольшую температуру. В начале эволюции она расширялась очень быстро и была горячей, с температурой порядка одного миллиарда градусов, а может, и выше.

Более того, сегодня мы с уверенностью можем сказать, что эта «горячая стадия» в ранней Вселенной не была самой первой. Хотя Вселенная и считается однородной, на малых масштабах она все же такой не является: в ней есть, например, галактики и другие более крупные и мелкие структуры. Эти структуры во Вселенной появились благодаря так называемым первичным неоднородностям в веществе. Вообще, все, что есть во Вселенной, в некотором смысле «живое»; в любой среде есть небольшие отклонения от среднего фона — флуктуации. Первичные неоднородности и есть эти флуктуации, которые появились во Вселенной на самых ранних этапах ее эволюции. Свойства этих первичных неоднородностей сегодня известны из наблюдательных данных о распределении и свойствах галактик, а также из наблюдений реликтового излучения. Реликтовое излучение — электромагнитное излучение, то есть фотоны, которые присутствовали во Вселенной в самые горячие эпохи, а с некоторого момента стали распространяться свободно, тем самым сохраняя на себе отпечаток среды, заполнявшей Вселенную при сравнительно высоких температурах.

Любопытно, что свойства первичных неоднородностей многое говорят об их происхождении, и здесь становится ясно, что эти неоднородности появились до горячей стадии, то есть был еще какой-то предшествующий этап. Что это за этап?

Существует несколько версий, что предшествовало горячей стадии. Одна из самых популярных гипотез — теория об инфляционном расширении. Предполагается, что во время инфляции Вселенная «раздувалась» с немыслимой скоростью, с микроскопических до гигантских размеров за доли секунды. Первичные возмущения в этой модели — это флуктуации вакуума, которые на этом этапе быстро росли и дорастали до нужной величины к моменту перехода на горячую стадию. У инфляционной модели есть свои характерные признаки — например, она предсказывает генерацию реликтовых гравитационных волн (это своего рода «рябь» в пространстве, возмущение геометрии). Реликтовые гравитационные волны пока не обнаружены, то есть наблюдательных данных сегодня не хватает, чтобы подтвердить или опровергнуть теорию инфляции. Это дает свободу теоретикам рассматривать альтернативные сценарии и механизмы.

Один из таких альтернативных сценариев — Вселенная с отскоком. Эта модель предполагает, что еще намного раньше горячей стадии Вселенная была почти такая же, как сегодня, с небольшой плотностью заполняющего ее вещества, но с существенным отличием: она сжималась. Это сжатие продолжалось какое-то время, плотность вещества во Вселенной увеличивалась по мере сжатия, и в некоторый момент происходил отскок — остановка сжатия и начало расширения Вселенной с последующим выходом на стандартную горячую стадию. В такой модели с отскоком есть свои механизмы генерации первичных возмущений на стадии сжатия, и возмущения обладают необходимым набором базовых свойств, согласующихся с известными наблюдательными данными. В то же время предсказания моделей с отскоком отличаются от инфляционных в тонких деталях, которые пока экспериментально не проверены, но в будущем будут доступны проверке.

Привлекательная особенность модели с отскоком — отсутствие так называемого Большого взрыва, точки сингулярности, с которой начинается эволюция Вселенной в общепринятой на сегодня модели. Действительно, смена сжатия расширением может происходить, когда плотность вещества во Вселенной достигает достаточно больших, но все же конечных значений. Тем самым проблема начальной сингулярности в моделях с отскоком решается. Однако модели с отскоком имеют свои характерные сложности: такая нетривиальная динамика со сменой сжатия расширением возможна, если во Вселенной присутствует вещество с довольно экзотическими свойствами, которыми привычная и известная нам материя не обладает. Теоретики тем не менее придумали такую хитрую среду, которая подходит на роль этого экзотического вещества: эта среда взаимодействует с гравитационным полем не так, как обычная окружающая нас материя.

Но на этом трудности не закончились: чтобы сказать, что модель Вселенной с отскоком построена, необходимо убедиться, что решение гравитационных уравнений, которое описывает, как Вселенная сжимается, а потом расширяется, устойчиво. Устойчивость решения означает, что при небольшом отклонении от этого решения Вселенная не рушится, не взрывается и не схлопывается в сингулярность, а плавно возвращается к своей траектории развития и продолжает эволюционировать, как было задумано.

Тут можно представить себе шарик, скатывающийся по наклонному желобу, и шарик, скатывающийся по наклонному ребру. Первый шарик может без существенных последствий отклоняться в направлениях, перпендикулярных направлению его движения вдоль желоба. Напротив, для второго шарика даже малые отклонения вбок от направления его скатывания чреваты падением с ребра и уходом с исходной траектории движения.

Устойчивые модели Вселенной с отскоком, в которых решается проблема Большого взрыва, были предложены сравнительно недавно — в частности, коллективом Института ядерных исследований РАН (ИЯИ РАН). В таких моделях, как уже сказано, необходимо предположить, что Вселенная заполнена специфической средой — например, некоторым скалярным полем, чье взаимодействие с гравитацией не описывается Общей теорией относительности Альберта Эйнштейна. Процедура построения модели предполагает решение полевых уравнений для выбранной теории и последующий анализ решения на предмет его соответствия искомой физической картине, а именно смене эпохи сжатия стадией расширения.

В статье, о которой идет речь, физики-теоретики Виктория Волкова, Сергей Миронов и Валерий Рубаков взяли построенную ими же устойчивую модель с отскоком и усложнили ее, добавив в экзотическую среду, заполняющую Вселенную и обеспечивающую отскок, дополнительную материю, но со стандартными свойствами. Такое усложнение — закономерный шаг, если ставить перед собой цель построить реалистичную модель Вселенной с отскоком, где, вообще говоря, одновременно присутствуют разные типы материи. Из предыдущей работы

А. Викмана, Д. Иссона и И. Савицкого (JCAP 07 (2013) 014) по этой теме было известно, что добавление стандартной материи в системы с упрощенной версией упомянутой выше экзотической среды приводит к возникновению волн в этой среде, которые распространяются со скоростями, превышающими скорость света. Это проблема, потому что в нормальной ситуации скоростей больше скорости света не бывает.

Что удивительно, результат исследований оказался ровно противоположным: при добавлении обычной материи в модель, о которой идет речь, никаких сверхсветовых сигналов не возникает. Для того чтобы выяснить это, было изучено поведение малых отклонений от решения с использованием стандартных методов теории возмущений. Разгадка заключается в различии тонких свойств экзотической среды, которая использовалась и в предыдущей, и в этой работе.

Не менее интересным выглядит и другой результат исследователей из ИЯИ РАН: если в систему добавить вещество, в котором волны распространяются со скоростью, равной или близкой к скорости света (такая материя — не экзотика), то в системе действительно появляются волны, распространяющиеся со скоростью выше скорости света. Причем этот результат не зависит от того, описывает модель отскок во Вселенной или нет; он справедлив для теорий с такой экзотической средой в общем случае. Данное обстоятельство вновь указывает, что в теориях с этой средой все устроено еще более хитро, чем предполагали ученые.

Этот результат может иметь далекоидущие последствия для данного класса теорий в целом и в частности для перспектив построить на их базе реалистичную и, что главное, жизнеспособную модель Вселенной без Большого взрыва.

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.