Когда появилась вселенная: Физики объяснили, как возникла Вселенная |

Содержание

Происхождение Вселенной: 7 различных теорий

Как появилась Вселенная, которую мы знаем? И как мы объясним ее происхождение? Несомненно, все остальные свидетельства и данные, собранные за эти годы космологами, указывают на то, что все это могло начаться с «большого взрыва». Но что, если есть еще?

В 1927 году бельгийский астроном Жорж Леметр стал первым, кто предложил теорию расширяющейся Вселенной (позже подтвержденную Эдвином Хабблом). Он предположил, что расширяющаяся Вселенная может быть прослежена до особой точки, которую он назвал «первичным атомом», назад во времени. Это заложило основу современной теории Большого Взрыва.

Что такое теория большого взрыва?

Теория Большого взрыва — это объяснение, основанное в основном на математических моделях, того, как и когда возникла Вселенная.

Космологическая модель Вселенной, описанная в теории Большого взрыва, объясняет, как она первоначально расширилась из состояния бесконечной плотности и температуры, известного как изначальная (или гравитационная) сингулярность. За этим расширением последовала космическая инфляция и резкое падение температуры. Во время этой фазы Вселенная раздувалась с гораздо большей скоростью, чем скорость света (в 10²⁶раз).

Впоследствии Вселенная была разогрета до такой степени, что элементарные частицы (кварки, лептоны и так далее) до постепенного понижения температуры (и плотности) привели к образованию первых протонов и нейтронов.

Через несколько минут после расширения протоны и нейтроны объединяются, образуя первичные ядра водорода и гелия-4. Предполагаемый радиус наблюдаемой Вселенной в течение этой фазы составлял 300 световых лет. Первые звезды и галактики появились примерно через 400 миллионов лет после этого события.

Важнейшим элементом модели Большого Взрыва является космическое сверхвысокочастотное фоновое излучение (Реликтовое излучение), представляющий собой электромагнитное излучение, оставшееся со времен зарождения Вселенной. Реликтовое излучение остается самым убедительным доказательством большого взрыва.

Хотя теория остается широко признанной во всем научном спектре, несколько альтернативных объяснений — таких, как стационарная Вселенная и вечная инфляция, приобрели привлекательность с годами.

7. Теория вечной инфляции

Понятие инфляции было введено космологом Аланом Гутом в 1979 году, чтобы объяснить, почему Вселенная плоская, чего не хватало в первоначальной теории Большого взрыва.

Хотя идея Гута об инфляции объясняет плоскую Вселенную, она создала сценарий, который не позволяет Вселенной избежать этой инфляции. Если бы это было так, не произошло бы повторного нагрева Вселенной, равно как и образования звезд и галактик.

Эта конкретная проблема была решена Андреасом Альбрехтом и Полем Штайнхардтом в их «новой инфляции». Они утверждали, что быстрое расширение Вселенной произошло всего за несколько секунд, прежде чем прекратиться. Он продемонстрировал, как Вселенная может быстро раздуваться и при этом нагреваться.

Концепция «вечной инфляции», или теория хаотической инфляции, была введена Андреем Линде, профессором Стэнфордского университета. Он был основан на предыдущих работах Штейнхардта и Александра Виленкина.

Теория утверждает, что инфляционная фаза Вселенной продолжается вечно; это не конец для Вселенной в целом. Другими словами, космическая инфляция продолжается в одних частях Вселенной и прекращается в других. Это приводит к сценарию мультивселенной, в котором пространство разбивается на пузыри. Это как вселенная внутри вселенной.

В мультивселенной в разных вселенных могут действовать разные законы природы, физики. Итак, вместо единого расширяющегося космоса наша Вселенная могла бы быть инфляционной мультивселенной с множеством маленьких вселенных с различными свойствами.

Однако Пол Стейнхардт считает, что его теория «новой инфляции» ни к чему не приводит и не предсказывает, и утверждает, что понятие мультивселенной является «фатальным недостатком» и неестественным.

6. Конформная циклическая модель

Роджер Пенроуз, 6 ноября 2005 года

Модель конформной циклической космологии (англ. conformal cyclic cosmology или CCC) предполагает, что Вселенная проходит через повторяющиеся циклы большого взрыва и последующих расширений. Общая идея состоит в том, что «большой взрыв» был не началом Вселенной, а скорее переходной фазой. Его разработал физик-теоретик и математик Роджер Пенроуз.

В качестве основы для своей модели Пенроуз использовал множественные метрические последовательности FLRW (Фридмана – Лемэтра – Робертсона – Уокера). Он утверждал, что конформная граница одной последовательности FLRW может быть присоединена к границе другой.

Метрика FLRW — это наиболее близкое приближение к природе Вселенной и часть модели Лямбда-CDM. Каждая последовательность начинается с большого взрыва, за которым следует инфляция и последующее расширение.

Циклическая или осциллирующая модель, в которой Вселенная повторяется снова и снова в неопределенном цикле, впервые оказалась в центре внимания в 1930-х годах, когда Альберт Эйнштейн исследовал идею «вечной» Вселенной. Он считал, что по достижении определенной точки Вселенная начинает коллапсировать и заканчивается Большим хрустом перед тем, как пройти через Большой отскок.

Прямо сейчас существует четыре различных варианта циклической модели Вселенной, одна из которых — конформная циклическая космология.

5. Мираж четырехмерной черной дыры

Исследование, проведенное группой исследователей в 2013 году, предположило, что наша Вселенная могла возникнуть из обломков, выброшенных из коллапсировавшей четырехмерной звезды или черной дыры.

По мнению космологов, участвовавших в исследовании, одно из ограничений теории Большого взрыва — объяснение температурного равновесия, обнаруженного во Вселенной.

Хотя большинство ученых согласны с тем, что инфляционная теория дает адекватное объяснение того, как маленький участок с однородной температурой быстро расширится и превратится во Вселенную, которую мы наблюдаем сегодня, группа сочла это неправдоподобным в силу хаотичной природы Большого взрыва.

Для решения этой проблемы команда предложила модель космоса, в которой наша трехмерная Вселенная является мембраной и плавает внутри четырехмерной «объемной вселенной». Они утверждали, что если в четырехмерной «объемной вселенной» есть четырехмерные звезды, то, скорее всего, они обрушатся в четырехмерные черные дыры. Эти четырехмерные черные дыры будут иметь трехмерный горизонт событий (точно так же, как трехмерные имеют двухмерный горизонт событий), который они назвали «гиперсферой».

Когда команда смоделировала коллапс 4-D звезды, они обнаружили, что выброшенные обломки умирающей звезды, скорее всего, образуют 3-D мембрану вокруг этого 3-мерного горизонта событий. Наша Вселенная могла бы быть одной из таких мембран.

Модель «четырехмерной черной дыры» космоса действительно объясняет, почему температура во Вселенной почти равномерна. Она также может дать ценную информацию о том, что именно спровоцировало космическую инфляцию через несколько секунд после ее возникновения. Однако недавнее наблюдение, проведенное спутником Planck ЕКА, выявило небольшие вариации температуры космического микроволнового фона (CMB). Эти спутниковые показания отличаются от предложенной модели примерно на четыре процента.

4. Теория плазменной Вселенной

На наше нынешнее понимание Вселенной в основном влияет гравитация, в частности Общая теория относительности Эйнштейна, с помощью которой космологи объясняют природу Вселенной. По совпадению, как и большинство других вещей, ученые на протяжении многих лет рассматривали альтернативу гравитации.

Космология плазмы (или теория плазменной Вселенной) предполагает, что электромагнитные силы и плазма играют очень важную роль во Вселенной вместо гравитации. Хотя у этого подхода много разных вариантов, основная идея остается той же; каждое астрономическое тело, включая Солнце, звезды и галактики, является результатом какого-либо электрического процесса.

Первая выдающаяся теория плазменной Вселенной была предложена лауреатом Нобелевской премии Ханнесом Альвеном в конце 1960-х годов. Позже к нему присоединился шведский физик-теоретик Оскар Клейн для разработки модели Альфвена – Клейна.

Модель построена на предположении, что Вселенная поддерживает равные количества материи и антивещества (это не так, согласно современной физике элементарных частиц). Границы этих двух областей отмечены космическими электромагнитными полями. Таким образом, взаимодействие между ними приведет к образованию плазмы, которую Альфвен назвал «амбиплазмой».

Согласно теории, такая плазма должна образовывать большие участки вещества и антивещества по всей Вселенной. Кроме того, было высказано предположение, что наше текущее местоположение в космосе должно быть в той части, где материи гораздо больше, чем антивещества, — таким образом решается проблема асимметрии материи и антивещества.

3. Теория медленного замораживания

Десятилетия математического моделирования и исследований привели космологов к обоснованному выводу, что наша Вселенная возникла из одной точки с бесконечной плотностью и температурой, называемой сингулярностью. Последующее расширение Космоса позволило ему остыть, что привело к образованию галактик, звезд и других астрономических объектов.
Однако, как мы знаем, стандартная модель Большого взрыва не осталась незамеченной, и одна из таких сложных теорий была предложена Кристофом Веттерихом, профессором Гейдельбергского университета в Германии.

Веттерих утверждал, что Вселенная, которую мы знаем сегодня, на самом деле могла начаться как холодная и разреженная, пробудившаяся от долгого замораживания. Со временем фундаментальные частицы в ранней Вселенной стали тяжелее, а гравитационная постоянная уменьшилась.

Кроме того, он объяснил, что если массы частиц увеличиваются, излучение из ранней Вселенной может заставить пространство казаться более горячим и удаляться друг от друга, даже если это не так.

Основная идея космической модели Медленного Замораживания Веттериха состоит в том, что у Вселенной нет ни начала, ни будущего. Вместо горячего Большого взрыва теория защищает холодную и медленно эволюционирующую Вселенную. Согласно Веттериху, теория объясняет флуктуации плотности в ранней Вселенной (первичные флуктуации) и то, почему в нашем нынешнем космосе преобладает темная энергия.

2. Индуистская космология

Религия и наука были лучшими врагами, по крайней мере со времен Коперника и Галилея. Возможно, нет места науке, когда мы говорим о религии и наоборот. Однако есть одна религия, космологические верования которой хорошо согласуются с современной моделью Вселенной.

Теории творения в индуистской мифологии широко рассматриваются как одна из самых древних и значимых из всех других религиозных аналогий. На протяжении многих лет выдающиеся физики и космологи, включая Карла Сагана и Нильса Бора, восхищались индуистскими космологическими верованиями за их близкое сходство с временными линиями в стандартной космологической модели Вселенной.

Согласно индуистской мифологии, Вселенная следует бесконечной циклической модели. Это означает, что на смену нашей нынешней Вселенной придет бесконечное количество вселенных. Каждая повторение Вселенной делится на две фазы — «калпа» (или день Брахмы) и «пралая» (ночь Брахмы), и каждая из них длится 4,32 миллиарда лет. Согласно индуистской мифологии, возраст Вселенной (8,64 миллиарда лет) превышает расчетный возраст Солнечной системы.

1. Стационарная Вселенная

Стационарная модель утверждает, что наблюдаемая Вселенная остается неизменной в любом месте и в любое время. Во Вселенной, которая вечно расширяется, материя непрерывно создается, чтобы заполнить пространство.

Согласно модели, галактики и другие крупные астрономические тела рядом с нами должны казаться похожими на те, что находятся далеко. Однако Большой взрыв говорит нам, что далекие галактики должны выглядеть моложе, чем находящиеся в непосредственной близости (при наблюдении с Земли), поскольку свету требуется гораздо больше времени, чтобы добраться до нас.

Идея стационарного состояния была впервые предложена в 1948 году космологами Германом Бонди, Фредом Хойлом и Томасом Голдом. Она исходила из совершенного космологического принципа, который сам по себе утверждает, что Вселенная, где бы ты ни смотрел, одинакова, и она всегда будет одинаковой.

Теория стационарных состояний получила широкую популярность в начале и середине XX века. Однако к 1960-м годам она была в основном отвергнута научным сообществом в пользу Большого взрыва после открытия космического микроволнового фона.

Как появилась Вселенная?

Одним из основных вопросов, которые не выходят из сознания человека, всегда был и является вопрос: «как появилась Вселенная?». Конечно же, однозначного ответа на данный вопрос нет, и вряд ли будет получен в скором времени, однако наука работает в этом направлении и формирует некую теоретическую модель зарождения нашей Вселенной. Прежде всего следует рассмотреть основные свойства Вселенной, которые должна описываться в рамках космологической модели:

Модель должна учитывать наблюдаемые расстояния между объектами, а также скорость и направление их движения. Подобные расчеты основываются на законе Хаббла: cz = H₀D, где z – красное смещение объекта, D – расстояния до этого объекта, c – скорость света.
Возраст Вселенной в модели должен превышать возраст самых старых в мире объектов.
Модель должна учитывать первоначальное обилие элементов.
Модель должна учитывать наблюдаемую крупномасштабную структуру Вселенной.
Модель должна учитывать наблюдаемый реликтовый фон.

Крупномасштабная структура Вселенной

Далее рассмотрим подробнее наиболее популярные в научном сообществе концепции зарождения мира.

Содержание:

1 Краткая история Вселенной
2 Материалы по теме
3 Откуда появилась Вселенная?
- 3.1 Циклические модели
- 3.2 Другие модели возникновения Вселенной
4 Итоги

Краткая история Вселенной

Рассмотрим кратко общепризнанную теорию возникновения и ранней эволюции Вселенной, которая поддерживается большинством ученых. Сегодня под теорией Большого взрыва подразумевают комбинацию модели горячей Вселенной с Большим взрывом. И хотя данные концепции сперва существовали независимо друг от друга, в результате их объединение удалось объяснить первоначальный химический состав Вселенной, а также наличие реликтового излучения.

Согласно данной теории, Вселенная возникла около 13,77 млрд лет назад из некоторого плотного разогретого объекта — сингулярное состояние, плохо поддающееся описанию в рамках современной физики. Проблема космологической сингулярности, помимо всего прочего, в том, что при ее описании большинство физических величин, вроде плотности и температуры, стремятся к бесконечности. При этом, известно, что при бесконечной плотности энтропия (мера хаоса) должна устремляться к нулю, что никак не совмещается с бесконечной температурой.

Сингулярность в представлении художника

- Первые 10^-43 секунды после Большого Взрыва называют этапом квантового хаоса. Природа мироздания на этом этапе существования не поддается описанию в рамках известной нам физики. Происходит распад непрерывного единого пространства-времени на кванты.

Материалы по теме

Планковский момент – момент окончания квантового хаоса, который выпадает на 10^-43 секунду. В этот момент параметры Вселенной равнялись планковским величинам, вроде планковской температуры (около 10³² К). В момент планковской эпохи все четыре фундаментальные взаимодействия (слабое, сильное, электромагнитное и гравитационное) являлись объединенными в некое одно взаимодействие. Рассматривать планковский момент как некоторый продолжительный период – не представляется возможным, так как с параметрами меньше планковских современная физика не работает.
Стадия инфляции. Следующей стадией истории Вселенной стала инфляционная стадия. В первый момент инфляции от единого суперсимметричного поля (ранее включающего поля фундаментальных взаимодействий) отделилось гравитационное взаимодействие. В этот период вещество обладает отрицательным давлением, что вызывает экспоненциальный рост кинетической энергии Вселенной. Проще говоря, в данный период Вселенная стала очень быстро раздуваться, а ближе концу энергия физических полей переходит в энергию обычных частиц. В конце данной стадии значительно повышается температура вещества и излучения. Вместе с окончанием стадии инфляции выделяется и сильное взаимодействие. Также в этот момент возникает барионная асимметрия Вселенной.
Стадия радиационного доминирования. Следующая стадия развития Вселенной, которая включает несколько этапов. На этой стадии температура Вселенной начинает понижаться, образуются кварки, затем адроны и лептоны. В эпоху нуклеосинтеза происходит образование начальных химических элементов, синтезируется гелий. Однако, излучение все еще преобладает над веществом.
Эпоха доминирования вещества. Спустя 10 000 лет энергия вещества постепенно превосходит энергию излучения и происходит их разделения. Вещество начинает доминировать над излучением, возникает реликтовый фон. Также разделение вещества с излучением значительно усилило изначальные неоднородности в распределении вещества, в результате чего начали образовываться галактики и сверхгалактики. Законны Вселенной пришли к тому виду, в котором мы наблюдаем их сегодня.

Вышеописанная картина сложена из нескольких основополагающих теорий и дает общие представление о формировании Вселенной на ранних этапах ее существования.

Эволюция Вселенной

Откуда появилась Вселенная?

Если Вселенная возникла из космологической сингулярности, то откуда взялась сама сингулярность? На данный вопрос дать точный ответ, пока, невозможно. Рассмотрим некоторые космологические модели, затрагивающие «рождение Вселенной».

Циклические модели

Данные модели строятся на утверждении, что Вселенная существовала всегда и со временем лишь меняется ее состояние, переходя от расширения к сжатию – и обратно.

Модель Стейнхардта-Турока. Данная модель строится на теории струн (М-теории), так как использует такой объект как «брана». Согласно этой модели видимая Вселенная располагается внутри 3-бране, которая периодически, раз в несколько триллионов лет, сталкивается с другой 3-браной, что вызывает подобие Большого Взрыва. Далее наша 3-брана начинает отдаляться от другой и расширяться. В какой-то момент доля темной энергии получает первенство и скорость расширения 3-браны растет. Колоссальное расширение рассеивает вещество и излучение настолько, что мир становится почти однородным и пустым. В конце концов происходит повторное столкновение 3-бран, в результате чего наша возвращается к начальной фазе своего цикла, вновь зарождая нашу «Вселенную».

Моделирование бран

Теория Лориса Баума и Пола Фрэмптона также гласит о цикличности Вселенной. Согласно их теории последняя после Большого Взрыва будет расширяться за счет темной энергии до тех пор, пока не приблизится к моменту «распада» самого пространства-времени – Большой Разрыв. Как известно, в «замкнутой системе энтропия не убывает» (второе начало термодинамики). Из этого утверждения следует, что Вселенная не может вернуться к исходному состоянию, так как во время такого процесса энтропия должна убывать. Однако эта проблема решается рамках данной теории. Согласно теории Баума и Фрэмптона за миг до Большого Разрыва Вселенная распадается на множество «лоскутов», каждый из которых обладает довольно малым значением энтропии. Испытывая ряд фазовых переходов, данные «лоскуты» бывшей Вселенной порождают материю и развиваются аналогично первоначальной Вселенной. Эти новые миры не взаимодействуют друг с другом, так как разлетаются со скоростью больше скорости света. Таким образом, ученые избежали и космологической сингулярности, с которой начинается рождение Вселенной согласно большинству космологических теорий. То есть в момент конца своего цикла Вселенная распадается на множество других невзаимодействующих миров, которые станут новыми вселенными.
Конформная циклическая космология – циклическая модель Роджера Пенроуза и Ваагна Гурзадяна. Согласно данной модели Вселенная способна перейти в новый цикл, не нарушая второе начало термодинамики. Данная теория опирается на предположение, что черные дыры уничтожают поглощенную информацию, что неким образом «законно» понижает энтропию Вселенной. Тогда каждый такой цикл существования Вселенной начинается с подобия Большого Взрыва и заканчивается сингулярностью.

Инфографика конформной циклической космологии

Другие модели возникновения Вселенной

Среди других гипотез, объясняющих появление видимой Вселенной наиболее популярны две следующие:

Хаотическая теория инфляции — теория Андрея Линде. Согласно данной теории существует некоторое скалярное поле, которое неоднородно во всем своем объеме. То есть в различных областях вселенной скалярное поле имеет разное значение. Тогда в областях, где поле слабое – ничего не происходит, в то время как области с сильных полем начинают расширяться (инфляция) за счет его энергии, образуя при этом новые вселенные. Такой сценарий подразумевает существование множества миров, возникших неодновременно и имеющих свой набор элементарных частиц, а, следовательно, и законов природы.
Теория Ли Смолина – предполагает, что Большой Взрыв не является началом существования Вселенной, а – лишь фазовым переходом между двумя ее состояниями. Так как до Большого Взрыва Вселенная существовала в форме космологической сингулярности, близкой по своей природе к сингулярности черной дыры, Смолин предполагает, что Вселенная могла возникнуть из черной дыры.

Рождение Вселенной из черной дыры

Итоги

Несмотря на то, что циклические и другие модели отвечают на ряд вопросов, ответы на которые не может дать теория Большого Взрыва, в том числе проблема космологической сингулярности. Все же в комплекте с инфляционной теорией Большой Взрыв более цельно объясняет возникновение Вселенной, а также сходится с множеством наблюдений.

Понравилась запись? Расскажи о ней друзьям!

Просмотров записи: 46500

Запись опубликована: 02.06.2017
Автор: Владимир Соловьев

Как зародилась Вселенная?

Живая наука поддерживается своей аудиторией. Когда вы покупаете по ссылкам на нашем сайте, мы можем получать партнерскую комиссию. Вот почему вы можете доверять нам.

Как возникла Вселенная?

Возможно, это величайшая Великая Тайна и корень всех остальных. Величайшие вопросы человечества — как зародилась жизнь? Что такое сознание? Что такое темная материя, темная энергия, гравитация? — исходить из него.

«Все остальные загадки лежат ниже по течению от этого вопроса», — сказала Энн Друян, автор и вдова астронома Карла Сагана. «Для меня это важно, потому что я человек и не люблю незнания».

Несмотря на то, что теории, пытающиеся разгадать эту тайну, становятся все более сложными, ученых преследует возможность того, что некоторые из наиболее важных звеньев в их цепи рассуждений ошибочны.

Фундаментальные загадки

Согласно стандартной модели Большого Взрыва, Вселенная родилась в период инфляции, начавшейся около 13,8 миллиардов лет назад. Подобно быстро расширяющемуся воздушному шару, он раздулся от размеров, меньших размера электрона, до почти своих нынешних размеров за крохотную долю секунды.

Изначально Вселенная была пронизана только энергией. Часть этой энергии застыла в частицы, которые собрались в легкие атомы, такие как водород и гелий. Эти атомы сгустились сначала в галактики, затем в звезды, в огненных печах которых были выкованы все остальные элементы.

Это общепринятая картина происхождения нашей вселенной, как ее изображают ученые. Это мощная модель, которая объясняет многие вещи, которые ученые видят, когда смотрят в небо, например поразительную гладкость пространства-времени в больших масштабах и равномерное распределение галактик по противоположным сторонам Вселенной.

Но в этой истории есть вещи, которые беспокоят некоторых ученых. Начнем с того, что идея о том, что Вселенная претерпела период быстрой инфляции в начале своей истории, не может быть напрямую проверена, и она опирается на существование таинственной формы энергии в начале Вселенной, которая давно исчезла.

«Инфляция — чрезвычайно мощная теория, и все же мы до сих пор не знаем, что вызвало инфляцию и является ли эта теория вообще правильной, хотя она работает очень хорошо», — сказал Эрик Агол, астрофизик из Вашингтонского университета.

Для некоторых ученых инфляция является неуклюжим дополнением к модели Большого Взрыва, необходимой сложностью, необходимой для соответствия наблюдениям. Это будет не последнее дополнение.

«Мы также узнали, что во Вселенной должна быть темная материя, а теперь и темная энергия», — сказал Пол Стейнхардт, физик-теоретик из Принстонского университета. «Итак, модель работает сегодня так: вы говорите: «Хорошо, вы берете немного Большого взрыва, берете немного инфляции, настраиваете это так, чтобы оно имело следующие свойства, затем добавляете определенное количество темной материи и темной энергии». Эти вещи не связаны последовательной теорией».

Стейнхардт беспокоится, что космологи действуют больше как инженеры, чем ученые. Если наблюдение не соответствует текущей модели, они присоединяют другой компонент или переделывают существующие, чтобы они соответствовали. Компоненты не связаны, и нет причин их добавлять, кроме как для сопоставления наблюдений. Это все равно, что пытаться починить старую машину, добавляя новые детали от более новых, но других моделей. Эти части могут работать в краткосрочной перспективе, но в конечном итоге вам понадобится новая машина.

Вечная вселенная

В последние годы Стейнхардт работал с Анной Иджас, физиком-теоретиком из Гарвардского университета, над радикальной альтернативой стандартной модели Большого взрыва.

Согласно их идее, называемой прыгающей космологией, Вселенная рождалась не один раз, а, возможно, несколько раз в бесконечных циклах сжатия и расширения. Теория заменяет «большой взрыв» «большим отскоком», который плавно связывает периоды сжатия и расширения Вселенной и решает многие вопросы, которые преследуют теорию инфляции.

Пара утверждает, что их экпиротическая или «циклическая» теория объясняет не только инфляцию, но и другие космические загадки, включая темную материю, темную энергию и то, почему Вселенная расширяется с постоянно ускоряющейся скоростью. [18 величайших неразгаданных тайн в физике]

Несмотря на споры, прыгающая космология поднимает вероятность того, что Вселенная не имеет возраста и самообновляется. Это перспектива, возможно, еще более внушающая трепет, чем вселенная с определенным началом и концом, поскольку это означало бы, что звезды на небе, даже самые старые, подобны недолговечным светлячкам в великой схеме вещей.

«Я хотел бы надеяться, что усилия, которые общество вкладывает в научные исследования, приближают нас к фундаментальным истинам, а не просто к созданию полезных инструментов», — сказал астроном Калифорнийского технологического института Ричард Мэсси. «Но я в равной степени боюсь обнаружить, что все, что я знаю, неверно, и втайне надеюсь, что это не так».

Дополнительные ресурсы:

Прочитайте стенограмму лекции Стивена Хокинга «Начало времен».
Посмотрите, как физик Том Уайнти объясняет начало Вселенной для начинающих.
Посмотрите это видео от National Geographic о происхождении Вселенной.

Эта статья была обновлена 27 июня 2019 г. автором Live Science Тимом Чилдерсом.

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, 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 причин 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 со скоростью, превышающей скорость 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 горячую снова, 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, почему она относительно плоская и однородная, с примерно одинаковым количеством вещества, равномерно распределенным во всех направлениях.

Различные доказательства указывают на реальность инфляции, сказал физик-теоретик Энди Альбрехт из Калифорнийского университета в Дэвисе.

«Все они прекрасно сочетаются с картиной инфляции», — 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 гласит, 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 красивым 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 этой 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 таинственные 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 информация 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, гораздо больших масштабах, возможно, почти на половине внегалактического неба или даже больше», — сказал Клементс.

Дальнейшие фрагменты этой космической головоломки могут появиться при изучении гравитационных волн, пульсаций пространства-времени, возникающих 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.0201 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.