Когда появилась вселенная: Как возникла Вселенная и что с ней будет дальше? |

Содержание

Как появилась наша Вселенная? Теория большого взрыва

«Есть только две бесконечные вещи: Вселенная и глупость. Хотя насчет Вселенной я не уверен.»

Приписывается А. Эйнштейну

Откуда и когда появилась наша Вселенная? Или, может быть, она существовала вечно? Ученые давно бьются над этими вопросами, выдвигая различные теории и гипотезы. В наше время самой реалистичной считается теория Большого взрыва.

Три доказательства, что Вселенная когда-то взорвалась

Название теории придумал английский астроном Альфред Хойл, который был с ней абсолютно не согласен. Он выступил с критикой теории и употребил название «Большой взрыв» как уничижительное. Тем не менее оно прижилось и вошло в науку

Если верить теории Большого взрыва, то когда-то, очень давно, нашей Вселенной не существовало. Не было ни материи, ни света, ни пространства, ни времени — только вакуум, то есть пустота. Но в одно прекрасное мгновение Вселенная стала маленькой частицей, гораздо меньше атома, заполненной светом и имеющей невероятно высокую плотность. Она начала расти, превратилась в раскаленный огненный шар и продолжала расширяться.

Ее рост происходил с невообразимой скоростью: за какую-то долю секунду появилась вся энергия и вся материя космоса.

Это и есть то, что ученые называют Большим взрывом. На самом деле, взрыва, подобного фейерверку, не было.

Было стремительное, мгновенное расширение пространства до бесконечных пределов. Впоследствии в этом пространстве появились галактики, зародившиеся из частиц и излучения. Они сгруппировались в скопления и благополучно существуют до сих пор.

Писатель Эдгар Аллан По (1809–1849) предвидел появление теории Большого взрыва еще в середине XIX века, когда ее невозможно было доказать. В поэме «Эврика» он описал зарождение и постоянное расширение Вселенной. Сам автор считал это откровением

Как сформировалась теория Большого взрыва и можно ли доказать, что она истинна? Рассмотрим три основных доказательства, существующих в современной астрофизике.

Первое — это расширение Вселенной. Явление это было открыто в 1929 году, а до этого считалось, что Вселенная неподвижна. Новые данные совершили переворот: раз Вселенная расширяется, значит, когда-то она была меньше. А когда-то, вероятно, ее не было вовсе.

Второе доказательство — обнаружение во Вселенной микроволнового фона. Физики давно предполагали, что Большой взрыв должен был создать мощное излучение, и в 1960-х годах оно было обнаружено. Его назвали реликтовым.

Третья причина поверить, что Вселенная взорвалась, — это изобилие гелия в космосе. Именно этот газ образуется, когда что-то взрывается. Подсчитано, что он присутствует в космосе именно в таком количестве, какое должно было появиться после Большого взрыва.

Альберт Эйнштейн выдвинул альтернативную теорию происхождения Вселенной. В ней материя появлялась без какого-либо «взрыва», сама по себе, чтобы поддерживать плотность расширяющейся Вселенной. Позже ученый отказался от этой гипотезы

Сколько лет Вселенной?

То, что Вселенная образовалась в результате взрыва, считается практически доказанным, хотя до сих пор не обнаружена причина, спровоцировавшая это грандиозное событие. Но источник энергии, питавший расширение, известен — это вакуум. Казалось бы, как пустота может на что-то воздействовать, да еще и с такой невероятной силой? Дело в том, что при подробном изучении вакуум оказывается не таким уж пустым. Он состоит из частиц и античастиц, которые являются мощными источниками энергии. Еще одно свойство вакуума, оказавшееся очень кстати для расширения Вселенной, — это гравитационная сила отталкивания. Обычно гравитация притягивает тела, но у вакуума все наоборот: объекты отталкиваются и разлетаются в разные стороны.

Итак, Вселенная расширялась, постепенно остывала, и в юном возрасте около 300 тысяч лет остыла до такого состояния, что ядра атомов смогли объединиться с электронами. В то время Вселенная напоминала энергетический суп, в котором в итоге «сварились», или образовались, звезды, планеты и галактики.

Сейчас наша Вселенная находится в зрелом возрасте, как считает большинство ученых: ей от 12 до 13,5 миллиарда лет. Если возраст ближе к 12 миллиардам, то это означает, что Вселенная расширяется равномерно и это расширение будет продолжаться бесконечно. Если же время существования Вселенной достигает 13,5 миллиарда лет и более, значит, расширение постепенно ускоряется.

Чтобы частицы смогли соединиться в атомы, нужна температура не выше 4000 °C. Именно до такого состояния Вселенная остыла в возрасте 300 тысяч лет

Как появилась Вселенная?: Альфа-Бета-Гамма теория | Мир вокруг нас

Как появилась наша Вселенная?

Наши предки таких проблем не знали: «Вначале было Слово и Слово было у Бога и Слово было Бог». Потом, когда в космогонию прорвался материализм, о возникновении Вселенной старались не слишком задумываться.

Но в первой половине XX века ученые обнаружили так называемое «красное смещение» галактик. Первооткрывателем этого явления был американский астроном Весто Мелвин Слайфер — именно он в 1913 году обнаружил, что спектр Туманности Андромеды смещен в красную область.

В 1922 году обоснование космологическому красному смещению предложил Александр Фридман. А Эдвин Хаббл в 1929 году, исследовав спектр множества галактик, доказал, что чем дальше от нас находится галактика, тем больше в красную сторону смещен диапазон ее излучения. Но если галактики разлетаются и скорость их разлета ученым известна, то можно подсчитать, когда вся Вселенная только начала разлетаться.

В 1931 году была предложена теория возникновения Вселенной в результате Большого Взрыва. Автор этой теории — бельгийский ученый Жорж Леметр.

Были проведены расчеты, согласно которым примерно 13. 6 млрд лет назад вся Вселенная находилась в одной точке (сингулярности). Внезапно эта точка начала расширяться. Первые звезды образовались примерно через 300 млн лет после Большого Взрыва. Затем начали формироваться галактики, в них стали образовываться планетные системы… Но когда же образовались элементы этой Вселенной?

Крупномасштабная структура нашей Вселенной в инфракрасных лучах
Фото: ru.wikipedia.org

В 1948 году ученые-физики Георгий Гамов, Ханс Альбрехт Бете и Ральф Ашер Альфер предложили теорию, как и за какое время из сингулярности после Большого Взрыва было создано вещество современной Вселенной. По фамилиям авторов эту космогоническую теорию назвали Альфа-Бета-Гамма теорией.

Согласно этой теории, когда изначальная точка (она же сингулярность, она же первоатом) взорвалась, начала создаваться наша Вселенная и все ее атомы. Считалось, что взрыв первоатома породил осколки, которые тоже были сверхтяжелыми, а потому нестабильными. Для того, чтобы создать все 10 в 80-й степени атомов, из которых, как считается, состоит наша Вселенная, надо было, чтобы произошло всего 260 делений.

Итак, изначальная сингулярность, состоявшая из невероятно сжатых «сверхнагретых» нейтронов, начала резко расширяться.

Примерно через сто секунд после Большого Взрыва температура и давление упали настолько, что смогли начаться реакции синтеза элементов. Из нейтрона в ходе бета-реакции получался протон + электрон, затем протон с нейтроном создавали дейтерий.

Были просчитаны реакции синтеза вплоть до лития. По расчетам авторов теории ядра атомов всех существующих ныне элементов были синтезированы в течение первых 15 минут существования Вселенной!

Спустя недолгое время, порядка часа, давление и температура молодой Вселенной упали настолько, что ядра элементов смогли обзавестись электронными оболочками.

Цепочку продолжения синтеза элементов в рамках Альфа-Бета-Гамма теории продолжили другие физики, были найдены некоторые нестыковки у авторов, часть элементов, получаемых по их «схемам», оказались слишком нестабильными. Так что длительность возникновения Вселенной из суперчастицы-сингулярности во время Большого Взрыва, по расчетам ученых, оказалась в несколько раз более длительной. Создание Вселенной, оказывается, длилось не 15 минут, а несколько часов.

После нескольких часов творения наша Вселенная охладилась настолько, что синтез элементов прекратился, после этого несколько сотен миллионов лет она продолжала расширяться. Наконец пространство оказалось достаточно разреженным, чтобы могли возникнуть первые галактики, а затем и звездные системы внутри них.

Георгий Антонович Гамов, советский и американский физик
Фото: ru.wikipedia.org

Как появилась Альфа-Бета-Гамма теория?

Георгий Гамов учился физике и стал известным ученым-физиком в СССР (он был в СССР самым молодым членом-корреспондентом АН СССР). Уже в начале 1930-х он обнаружил, что такие, как он, слишком самовольные ученые начинают попадать в НКВД, и решил бежать из СССР. Он начал реализовывать план побега.

У него был план ухода в Финляндию и в Турцию. Оба плана были слишком рискованными, скорее всего при реализации любого из них он бы погиб. На его счастье, он смог выехать в Бельгию на конгресс ученых физиков. Особенно трудно было ему вытащить за рубеж свою молодую жену, власти СССР старались обеспечить лояльность выезжающих советских граждан путем оставления дома кого-то из близких. В качестве заложников. Гамов сумел заручиться поддержкой видных ученых и уехал под их честное слово, которое не сдержал и остался, вскоре переехав в США.

Здесь, среди прочего, он занялся разработкой теории Большого Взрыва. В 1944 году к разработке теории присоединился его аспирант Ральф Ашер Альфер, который, тщательно прорабатывая теорию своего научного руководителя, проделал большую часть расчетов цепочки синтеза элементов при сверхвысоких давлениях и температурах.

Ральф Ашер Алфер
Фото: ru.wikipedia.org

Когда расчеты Альфера показали реальность такого синтеза, Гамов написал статью, в ней добавил в число соавторов и своего знакомого Ханса Бете, который тогда еще не принимал участия в разработке теории. Своему аспиранту он объяснил, что название «Альфа-Бета-Гамма теория» звучит очень парадоксально и наверняка привлечет внимание в научном мире.

Новая теория возникновения Вселенной и в самом деле произвела сенсацию. Ведь в ней впервые численно, опираясь на известные физические законы, показали, как именно создавалась наша Вселенная.

Первая статья о теории была больше скандальной — при помощи формул авторы доказали, что все вещество нашего мира было создано всего-то за 15 минут! Полагаю, что именно на скандальность Георгий Гамов и рассчитывал.
Фото: Depositphotos

Тот факт, что впоследствии его расчеты были слегка поправлены, не играет большой роли — авторство Гамова в теории создания Вселенной было дополнительными расчетами только подтверждено. И тот факт, что спустя много лет ученые выяснили, что в звездах и сейчас происходит синтез тяжелых элементов, не опровергает основную теорию, появившуюся 75 лет назад.

Теги:

возникновение вселенной,
вселенная,
большой взрыв

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

Впечатление этого художника показывает галактики менее чем через миллиард лет после Большого Взрыва, когда Вселенная была еще частично заполнена водородным туманом, поглощавшим ультрафиолетовый свет.
(Изображение предоставлено ESO/M. Kornmesser)

История Вселенной и то, как она развивалась, широко принята в качестве модели Большого Взрыва, в которой говорится, что Вселенная возникла как невероятно горячая и плотная точка примерно 13,7 миллиарда лет назад. Итак, как Вселенная превратилась из размеров в доли дюйма (несколько миллиметров) в то, чем она является сегодня?

Вот разбивка Большого Взрыва на настоящее в 10 простых для понимания шагах.

Шаг 1: Как все началось

Иллюстрация временной шкалы Вселенной после Большого взрыва. (Изображение предоставлено NASA/WMAP Science Team)

Большой взрыв не был взрывом в космосе, как можно предположить из названия теории. Вместо этого, по словам исследователей, это было появление пространства повсюду во Вселенной. Согласно теории Большого взрыва, Вселенная родилась как очень горячая и очень плотная точка в пространстве.

Космологи не знают, что произошло до этого момента, но с помощью сложных космических миссий, наземных телескопов и сложных расчетов ученые работают над тем, чтобы нарисовать более четкую картину ранней Вселенной и ее формирования.

Ключевая часть этого связана с наблюдениями космического микроволнового фона, который содержит послесвечение света и излучения, оставшиеся после Большого взрыва. Этот реликт Большого взрыва пронизывает Вселенную и виден микроволновым детекторам, что позволяет ученым собрать воедино ключи к разгадке ранней Вселенной.

В 2001 году НАСА запустило миссию Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) для изучения условий, существовавших в ранней Вселенной, путем измерения излучения космического микроволнового фона. Среди других открытий WMAP удалось определить возраст Вселенной — около 13,7 миллиардов лет.

Шаг 2: Первый всплеск роста Вселенной

Когда Вселенная была очень молода — что-то вроде сотой миллиардной триллионной триллионной доли секунды (фу!) — она испытала невероятный всплеск роста. Во время этого всплеска расширения, известного как инфляция, Вселенная росла в геометрической прогрессии и удвоилась в размерах, по крайней мере, на 90 раз.

«Вселенная расширялась, и по мере расширения она становилась все холоднее и менее плотной», — сказал SPACE. com Дэвид Спергель, астрофизик-теоретик из Принстонского университета в Принстоне, штат Нью-Джерси. После инфляции Вселенная продолжала расти, но более медленными темпами.

По мере расширения пространства Вселенная охлаждалась и формировалась материя.

Шаг 3: Слишком жарко, чтобы светить

Легкие химические элементы были созданы в течение первых трех минут образования Вселенной. По мере расширения Вселенной температура снижалась, а протоны и нейтроны сталкивались, образуя дейтерий, изотоп водорода. Большая часть этого дейтерия объединилась в гелий.

WMAP создал новую, более подробную картину зарождающейся вселенной. Цвета обозначают «более теплые» (красные) и «более холодные» (синие) пятна. (Изображение предоставлено NASA/WMAP Science Team)

Однако в течение первых 380 000 лет после Большого взрыва сильное тепло от сотворения Вселенной делало ее слишком горячей для того, чтобы излучать свет. Атомы столкнулись друг с другом с достаточной силой, чтобы разбиться на плотную непрозрачную плазму протонов, нейтронов и электронов, которая рассеивала свет, как туман.

Шаг 4: Да будет свет

Примерно через 380 000 лет после Большого взрыва материя достаточно остыла, чтобы электроны соединились с ядрами и образовали нейтральные атомы. Эта фаза известна как «рекомбинация», и поглощение свободных электронов сделало Вселенную прозрачной. Свет, высвобожденный в то время, можно обнаружить сегодня в виде излучения космического микроволнового фона.

Тем не менее, за эрой рекомбинации последовал период тьмы, прежде чем образовались звезды и другие яркие объекты.

Шаг 5: Выход из темных веков

Примерно через 400 миллионов лет после Большого взрыва Вселенная начала выходить из своих темных веков. Этот период эволюции Вселенной называется эпохой реионизации.

Считалось, что эта динамическая фаза длилась более полумиллиарда лет, но, основываясь на новых наблюдениях, ученые полагают, что реионизация могла происходить быстрее, чем считалось ранее.

За это время сгустков газа разрушилось достаточно, чтобы образовались самые первые звезды и галактики. Испускаемый ультрафиолетовый свет этих энергетических событий очистил и уничтожил большую часть окружающего нейтрального газообразного водорода. Процесс повторной ионизации, а также очистка туманного газообразного водорода привели к тому, что Вселенная впервые стала прозрачной для ультрафиолетового света.

Шаг 6: Больше звезд и больше галактик

Изображение, полученное космическим телескопом НАСА Хаббл, показывает скопление галактик, находящихся на расстоянии 10 миллиардов световых лет. (Изображение предоставлено НАСА/ЕКА/Университет Флориды, Гейнсвилл/Университет Миссури-Канзас-Сити/Калифорнийский университет в Дэвисе)

Астрономы прочесывают Вселенную в поисках самых отдаленных и древнейших галактик, чтобы помочь им понять свойства ранней Вселенной. Точно так же, изучая космический микроволновый фон, астрономы могут работать в обратном направлении, чтобы собрать воедино события, которые произошли раньше.

Данные более старых миссий, таких как WMAP и Cosmic Background Explorer (COBE), которые были запущены в 1989 году, а также все еще действующих миссий, таких как космический телескоп Хаббла, запущенный в 1990 году, — все они помогают ученым разгадывать самые непреходящие загадки и ответить на самые спорные вопросы космологии.

Шаг 7: Рождение нашей Солнечной системы

По оценкам, наша Солнечная система родилась спустя 9 миллиардов лет после Большого Взрыва, то есть ей около 4,6 миллиардов лет. Согласно текущим оценкам, Солнце является одной из более чем 100 миллиардов звезд только в нашей галактике Млечный Путь и вращается примерно в 25 000 световых лет от галактического ядра.

Инфракрасный снимок развивающейся звезды, сделанный космическим телескопом NASA Spitzer. Он иллюстрирует, как могла выглядеть наша Солнечная система миллиарды лет назад. (Изображение предоставлено NASA/JPL-Caltech/AURA)

Многие ученые считают, что Солнце и остальная часть нашей Солнечной системы образовались из гигантского вращающегося облака газа и пыли, известного как солнечная туманность. Когда гравитация заставила туманность схлопываться, она вращалась быстрее и сплющивалась в диск. На этом этапе большая часть материала была стянута к центру, чтобы сформировать солнце.

Шаг 8: Невидимое вещество во Вселенной

В 1960-х и 1970-х годах астрономы начали думать, что во Вселенной может быть больше массы, чем видимая. Вера Рубин, астроном из Института Карнеги в Вашингтоне, наблюдала за скоростью звезд в различных местах галактик.

Основы ньютоновской физики подразумевают, что звезды на окраинах галактики вращаются медленнее, чем звезды в центре, но Рубин не обнаружил разницы в скоростях звезд, расположенных дальше. На самом деле она обнаружила, что все звезды в галактике вращаются вокруг центра с более или менее одинаковой скоростью.

Эта загадочная и невидимая масса стала известна как темная материя. Вывод о темной материи основан на гравитационном притяжении, которое она оказывает на обычную материю. Одна из гипотез гласит, что таинственный материал может быть образован экзотическими частицами, которые не взаимодействуют со светом или обычным веществом, поэтому его так трудно обнаружить.

Изображение Земли, окруженной нитями темной материи, называемыми «волосами». (Изображение предоставлено NASA/JPL-Caltech)

Шаг 9: расширяющаяся и ускоряющаяся Вселенная

В 1920-х годах астроном Эдвин Хаббл сделал революционное открытие о Вселенной. С помощью недавно построенного телескопа в обсерватории Маунт-Вилсон в Лос-Анджелесе Хаббл заметил, что Вселенная не статична, а расширяется.

Десятилетия спустя, в 1998 году, космический телескоп Хаббла, названный в честь знаменитого астронома, изучал очень далекие сверхновые и обнаружил, что давным-давно Вселенная расширялась медленнее, чем сегодня. Это открытие было неожиданным, потому что долгое время считалось, что гравитация материи во Вселенной замедляет ее расширение или даже заставляет ее сжиматься.

Ссылки по теме

Темная энергия считается странной силой, которая разрывает космос на части со все возрастающей скоростью, но она остается незамеченной и окутана тайной. Существование этой неуловимой энергии, которая, как считается, составляет 80% Вселенной, является одной из самых горячо обсуждаемых тем в космологии.

Шаг 10: Нам все еще нужно знать больше

Несмотря на то, что многое известно о сотворении и эволюции Вселенной, остаются вопросы, которые остаются без ответа. Темная материя и темная энергия остаются двумя самыми большими загадками, но космологи продолжают исследовать Вселенную в надежде лучше понять, как все началось.

Космический телескоп Джеймса Уэбба (JWST), запущенный в 2021 году, продолжит охоту за неуловимой темной материей, а также заглянет в начало времен и эволюцию Вселенной с помощью инфракрасных инструментов.

Впечатление художника от космического телескопа NASA/ESA/CSA James Webb. (Изображение предоставлено ЕКА, НАСА, С. Беквитом (STScI) и группой HUDF, Northrop Grumman Aerospace Systems / STScI / ATG medialab) Вселенная (открывается в новой вкладке)» Дэвида Х. Лита или «Краткая история времени (открывается в новой вкладке)» Стивена Хокинга. Вы также можете быть в курсе открытий JWST, посетив специальную веб-страницу НАСА или специальную веб-страницу Европейского космического агентства.

Библиография

Scientific American, «Эволюция Вселенной (открывается в новой вкладке)», октябрь 1994 г.

Уолтер Перри, «Происхождение и эволюция Вселенной (открывается в новой вкладке)», Journal of Modern Physics, Том 12, ноябрь 2021 г.

Бхарат Ратра и Майкл С. Фогели, «Начало и эволюция Вселенной», Публикации Тихоокеанского астрономического общества, том 120, март 2008 г.,

НАСА, «Краткая история Вселенная», декабрь 2006 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].

Скотт является штатным автором журнала How It Works и ранее писал для других научных и информационных изданий, включая журнал BBC Wildlife, журнал World of Animals, Space.com и журнал All About History. Скотт имеет степень магистра в области научной и экологической журналистики, а также степень бакалавра в области природоохранной биологии Университета Линкольна в Великобритании. За свою академическую и профессиональную карьеру Скотт участвовал в нескольких проектах по сохранению животных, включая исследования птиц в Англии, наблюдение за волками в Германии. и отслеживание леопарда в Южной Африке.