Содержание
Часто задаваемый вопрос: как возникла Вселенная в философии?
Теория Большого Взрыва сегодня открыто принимается наукой и предполагает, что Вселенная могла возникнуть 13 730 ± 120 миллионов лет назад, в определенное время.
Вселенная – это все, что физически существует, сумма пространства и времени и самых разнообразных форм материи, таких как планеты, звезды, галактики и составляющие межгалактического пространства.
Термин происходит от двух греческих слов: «космос», что означает «вселенная», и «gignomai», что означает рождение. Это история, которая объясняет сотворение и устройство мира и, в то же время, появление человека.
По их мнению, наша Вселенная началась от 13 до 14 миллиардов лет назад в результате космического «взрыва». Согласно этой теории, вся материя и энергия были сосредоточены в одной точке немыслимой плотности и подверглись сильному взрыву, породив все, что существует сегодня в пространстве и времени.
Философы-досократы были первыми греческими мудрецами, которые сформулировали рациональное объяснение мира, не прибегая к сверхъестественному.
Среди них можно выделить некоторые общие черты: во-первых, они были естествоиспытателями (физиками).
Согласно этому, наша нынешняя Вселенная возникла в результате большого взрыва около 14 миллиардов лет назад. Все происходило через очень маленькую, горячую и чрезвычайно плотную материальную точку. Этот великий взрыв породил пространство-время. С тех пор Вселенная также постоянно расширялась и охлаждалась.
Этот термин происходит из греческого языка и в переводе и упрощении является способом объяснить, как возникла Вселенная. Прокатившись на происхождении слова, этот текст более подробно расскажет о греческой космогонии, то есть о том, как греки объясняли возникновение Вселенной.
В астрономии космология (от греческого κοσμολογία, κόσμος = «космос»/«порядок»/«мир» + -λογία = «дискурс»/«учение») — это раздел, изучающий происхождение, строение и эволюцию Вселенной от от применения научных методов.
В астрономии определение, которое дается для Вселенной, касается абсолютно всего, что существует.
Поэтому оно соответствует пространству, времени и всем видам материи. Таким образом, наиболее адекватный ответ на вопрос о том, что такое вселенная, — это ВСЁ.
Греческий философ Пифагор был первым, кто использовал термин «космос» для обозначения Вселенной, возможно, имея в виду звездный небосвод.
Наша Вселенная была создана 13,8 миллиарда лет назад в результате Большого взрыва. В начале не было ни звезд, ни галактик, ни живых существ. Только водород, гелий и много энергии. Первые звезды и галактики, вероятно, появились примерно через 200 миллионов лет после Большого взрыва.
Миф о происхождении или возрасте богов: это теогония, рождение богов, мифы о происхождении планеты, богов и человеческого рода.
Теория Большого Взрыва Это наиболее распространенная теория, объясняющая происхождение Вселенной. Космологи, придерживающиеся этой теории, считают, что около 13 миллиардов лет назад Вселенная была намного плотнее и горячее и со временем охлаждалась и, следовательно, постоянно расширялась.
Все указывает на то, что это невозможно знать наверняка! Сам Большой Взрыв, кстати, уже достаточно загадочен. Согласно теории, около 15 миллиардов лет назад вся материя, из которой состоит Вселенная, была сосредоточена в одной точке, которая взорвалась, породив все, что мы знаем… и даже то, чего мы до сих пор не знаем.
В настоящее время наиболее распространенной научной гипотезой является то, что современный человеческий вид (Homo sapiens) появился в Африке около 200 XNUMX лет назад и оттуда рассеялся по другим регионам различными миграционными волнами.
НАША ВСЕЛЕННАЯ НЕ ОДИНОКА | Наука и жизнь
Земной эксперимент подтвердил гипотезу о природе Большого взрыва. Из нее следует, что вселенных может быть много.
Квазары, служащие центрами галактик. Снимки сделаны телескопом Хаббла.
Наука и жизнь // Иллюстрации
Фантастическое изображение космической «пены» — конгломерата множества вселенных: наверху — наше сообщество галактик,внизу — примыкающие к нему иные миры.
Спектральный анализ квазаров позволил графически представить облака воды в молодой Вселенной. Этот хаос размещен в кубе (белые линии) со сторонами, равными 30 миллионам световых лет.
Реликтовое излучение (в кружке). Пойманные радиоволны излучения. В овале (внизу) — температурные отклонения при рождении реликтовых лучей. Нормальное излучение — зеленый цвет, красно-оранжевый — флуктуации.
Новый телескоп, находящийся в штате Нью-Мексико. Он предназначен для астрономических измерений.
Новейший ускоритель элементарных частиц в ЦЕРНе, близ Женевы. Физики надеются, что он откроет им двери в мир не известных доселе элементарных частиц.
‹
›
Открыть в полном размере
«Перед нами — безумная теория. Вопрос в том, достаточно ли она безумна, чтобы быть правильной», — высказывая эту парадоксальную мысль, Нильс Бор (1885-1962) — датский физик, один из основателей теории атома — затронул сущность всей науки. И, может быть, это особенно относится к тем современным наукам, которые рассматривают явления, недоступные для чувств человека.
Таковы, например, природа атома и элементарных частиц, генетика, астрономия. Здесь мы хотим рассказать об одной «безумной» попытке объяснить, как произошла Вселенная и почему можно считать, что она не одинока в мире.
Всего двадцать лет назад астрономы с помощью телескопов в лучшем случае могли обозревать не более двух процентов объема нашей Вселенной. Так говорит А. Ренцини, сотрудник одной из крупнейших в мире обсерваторий — Европейской Южной. «А сегодня, — продолжает он, — мы в состоянии осматривать девять десятых объема нашей Вселенной. Мы видим почти все, что можно увидеть. И этот прорыв в космические дали есть не что иное, как путешествие в глубь времен».
Телескопы и в самом деле — машины времени. Когда астрономы с помощью орбитального телескопа Хаббла наблюдают галактики, уда- ленные от нас на 12 миллиардов световых лет, они видят ту эпоху, в которой Вселенная была, можно сказать, в младенческом возрасте — всего три миллиарда лет. Это было время, когда галактики только что возникли после Большого взрыва частицы, меньшей, чем атомное ядро.
Ученые убеждены, что период младенчества Вселенной и сам породивший ее взрыв должны были оставить своего рода «эхо». Оно и в самом деле не исчезло. В космосе блуждают электромагнитные колебания, которые и в наши дни пронизывают все пространство. Правда, сейчас они уже не обладают той чудовищной энергией, при которой родилось мироздание.
Для исследования этих колебаний в космос были направлены спутники «Прогресс» (запущен в СССР), оснащенный специальным прибором «Реликт-2», и «Cosmic Backgraund Explorer» (США), сокращенно его называют «Кобе». Спутники установили, что реликтовое первичное излучение — удивительно равномерный поток, пронизывающий космос во всех направлениях. Лишь тысячные доли процента составляют в нем некую неравномерность.
Анализ этого феномена показывает, что Вселенная в свою раннюю фазу должна была расширяться со скоростью, превышающей скорость света. В миллиардные доли секунды она из частицы, меньшей, чем атомное ядро, достигла астрономических размеров.
И здесь нет противоречия с теорией относительности, с ее постулатом о предельной скорости света. Эйнштейн утверждал, что скорости не могут выйти за пределы световой, когда тела движутся в пространстве, но в момент взрыва само исчезающе малое пространство также расширялось вместе с продуктами взрыва.
Еще до того, как спутники определили особенности реликтового излучения, многие астрофизики, в их числе доктор физико-математических наук Андрей Дмитриевич Линде, работающий сейчас в США, в Калифорнии, пытались представить себе, что же происходило в то исчезающе малое время, когда возникала Вселенная.
А. Линде, как показали дальнейшие исследования, удалось, пожалуй, глубже других проникнуть в тайну рождения космоса. (Статью А. Линде «Раздувающаяся Вселенная», в которой популяризируется сложная теоретическая конструкция, вобравшая в себя новейшие достижения физики высоких энергий, см. «Наука и жизнь» № 8, 1985 г.)
«Теперь я знаю, как сотворил Бог Вселенную!» — воскликнул Андрей Дмитриевич в 1983 году, когда он нашел ключ к механизму «хаотической инфляции» — так называют теперь это событие.
Под инфляцией в данном случае подразумевается расширение с ускорением. На научных конгрессах, когда он в те годы докладывал свои соображения, многие выслушивали его с ироническими улыбками. «Часто я чувствовал себя полным идиотом», — говорит о тех временах А. Линде. И тут невольно вспоминаются слова Нильса Бора о том, как оцениваются новые идеи в науке.
Прошло совсем немного лет, и спутниковые эксперименты показали правильность теории инфляции Вселенной. И вот уже логика рассуждений А. Линде никого не удивляет. В своем развитии она дала ключи к осмыслению того, почему космос так необъятно велик, помогла представить, как из хаотической материи возникли звезды и галактики: здесь тоже причиной стала случайная инфляция.
В самом начале, когда Вселенная была телом, меньшим, чем атомное ядро, там господствовали, согласно А. Линде, те же законы, что существуют в мире элементарных частиц, в котором не бывает покоя. Волнуется энергия, как волны в море. При этом иногда возникают флуктуации — случайные отклонения от средних величин.
Неожиданное расширение космоса, считает Андрей Дмитриевич, связано с тем, что флуктуации неимоверно выросли и стали зачатками галактик и звезд.
Такое расширение привело к образованию немыслимо большого космоса, который представляет собой отражение немыслимо маленького первоначального ядра. Самое большое и самое малое повторяют друг друга.
Анализ и осмысление измерений, проведенных спутником «Кобе», подтверждают модель, предложенную А. Линде: в космическом реликтовом излучении (мы его назвали «эхо Большого взрыва») обнаружены тончайшие завихрения. Эти неравномерности — отражение того разделения облаков первичной материи, которое возникло после начала расширения. Завихрения действительно похожи на волны, которые должны были быть в мини-вселенной — во взорвавшемся ядре, породившем нашу большую Вселенную.
Первые образования в космосе получили структуру благодаря «темной материи», которая сама по себе остается пока еще довольно загадочным объектом для астрономии.
А уж в какой связи эти невидимые массы, заполняющие, как теперь считают, все пространство космоса, находятся с образованием космических структур — и вовсе загадка.
Однако самые современные исследования подтверждают, что такая бестелесная «темная материя» действительно существует и именно она составляет большую часть Вселенной. Мнения астрономов расходятся: одни считают — на долю «темной материи» приходится 90 процентов, а другие — 95 или даже 99 процентов всей массы космоса.
Галактические спирали и скопления, звезды и планеты, которые сияют на ночном небе, можно сравнить с легкой декорацией, с украшением из крема на темном шоколадном торте. То есть на фоне «темной материи».
То, что «темная материя» определяет структуру формы космических объектов, астрофизики выяснили, проведя многочисленные измерения во Млечном Пути. Звезды, находящиеся на периферии этой галактики, так быстро вращаются вокруг ее центра, что давно должны были под действием центробежных сил разлететься, если бы галактика состояла лишь из той массы, которая светится.
Но поскольку «темная материя» — это основной источник сил притяжения, то именно она позволяет сохранить Млечному Пути свою форму. «Темная материя» выступает в роли вещества, цементирующего галактики.
Звездные скопления, отдельные звезды со спутниками, белые карлики, кометы, черные дыры — их суммарная гравитация может быть лишь малой частью той огромной силы, которая скрепляет галактики. Они не могут создать столь могучего тяготения, какое господствует в галактиках. Некоторые астрофизики предполагают, что существует еще особая форма материи — «тяжелый свет». Разрешить загадку должен помочь новый ускоритель, который недавно введен в строй в Швейцарии в ЦЕРНе. Физики возлагают большие надежды на этот ускоритель, считают, что он откроет двери в мир не известных доселе элементарных частиц.
И еще одну загадку задает нам природа: не известная до недавнего времени сила — антигравитация. В чем она проявляется? Астрофизики определяют возраст нашей Вселенной в 15 миллиардов лет.
Скорость разлетания галактик во Вселенной так велика, что пока невозможно даже предположить, что они затормозятся и повернут вспять. Напротив, скорость, с которой разлетается наша Вселенная, все время возрастает. И словно где-то есть ускоритель, особо действующий на все удаленные от центра Вселенной объекты. Какая-то причина заставляет космос все быстрее расширяться.
Эту непонятную силу, действующую на невообразимо огромных расстояниях, назвали антигравитацией. О том, что это такое, пока есть только предположения. Одно из них принадлежит немецкому астрофизику Лейбундгуту. Он считает, что в межгалактическом пространстве есть внутренняя энергия, она заполняет вакуум и стремится к расширению занимаемого ею объема. Исследователь из Италии Марио Ливио, который сначала весьма скептически отнесся к такому толкованию, вынужден был в конце концов признать: «Если верить числам, вакуумная сила должна существовать». Последние изыскания показывают, что почти три четверти совокупной энергии космоса принадлежат таинственной силе, связанной с вакуумом, то есть с «ничто».
Интересно, что А. Линде свою гипотезу о происхождении Вселенной тоже связал с этим самым «ничто». В его предположениях оно играет ведущую роль: весь космос возник из «ничто». Наполняющая вакуум энергия при содрогании, встряске, по его мнению, вызвала тот Большой взрыв, от которого пошел мир галактик, звезд и газовых облаков, словом, вся наша Вселенная. Затраты энергии на такую «встряску», судя по расчетам, были не столь уж грандиозны. И поэтому можно полагать, что дело не ограничилось рождением одной Вселенной. Их могло образоваться множество!
Как рассказывает сам А. Линде, вынашивание мысли о множественности вселенных было долгим и мучительным. Ученый впадал в депрессию, перед ним глухой стеной вставали, казалось, неразрешимые противоречия. Потом, порой неожиданно для самого себя, он начинал ясно понимать механизм «хаотической инфляции», которая могла объяснить, как произошел Большой взрыв. Исходным моментом рассуждений А. Линде стала молния из «ничего» — так называемые флуктуации.
(Впервые они были обнаружены в ЦЕРНе.) Поскольку вакуум заряжен энергией, в некоторые моменты возникают ее сгустки. Их существование длится ничтожную долю секунды (дробь, в которой единица делится на 1015).
Временами, утверждает автор гипотезы, концентрация и напор в вакууме могут действовать сообща и расширяться. При этом вступает в игру эффект роста снежного кома, начинается космическая инфляция, и ничтожный объем в вакууме мгновенно вырастает до астрономических размеров. А. Линде оценивает температуру, при которой родилась Вселенная, в 10 миллиардов градусов.
Связь энергии с массой показал еще Эйнштейн. Примерно как водяной пар при остывании конденсируется в капли, так и в нашем случае часть начальной энергии из лучевой конденсировалась в элементарные частицы и атомы — вначале водорода и гелия.
Поскольку флуктуации (то есть случайные отклонения от средних величин), с одной стороны, — это начало всех начал, а с другой — отклонения в вакууме должны повторяться.
И первоначальный взрыв — не единственный. Каждый раз, когда случайно сталкиваются частицы энергии, возникает новая вселенная. Поэтому их «бесконечно много», уверяет А. Линде. Мы живем в одной из вселенных — в одном из пузырей неимоверно большой космической «пены». Свои идеи ученый многократно проверил математическими расчетами.
Астрономы, астрофизики, математики, посвятившие себя изучению жизни космоса, говорят, что буквально последние месяцы принесли им такое огромное количество новых знаний, что «человечество в целом стало много умнее», а Вселенная оказалась «много загадочнее», чем еще недавно представлялась ученым.
А. Линде говорит, что последние открытия в астрономической науке можно сравнить с коперниковской революцией. Раньше центром мироздания считалась Земля, затем — Солнце, потом — Галактика, Вселенная. Теперь и с этим покончено. Возможно, и опять кто-то из последователей Коперника задумается: может ли быть центр у космической «пены»?
Среди невообразимого количества вселенных могут быть различные, совсем не схожие с нашей.
Возможно, там где-то существуют иные виды жизни, а в их природе главенствуют иные законы. Но что касается модели, предложенной А. Линде, то она полностью согласуется с теми законами природы, которые действуют в нашем мире.
Взгляды, высказанные Андреем Дмитриевичем, встретили и критические высказывания, и неподдельный интерес у специалистов. Многие сходятся на том, что все эти гипотезы не поддаются проверке. Но надо думать, что здесь они ошибаются.
Большие надежды А. Линде возлагает на новые спутниковые исследования, они продолжат те, что начаты в восьмидесятые годы, когда было зарегистрировано «первичное излучение».
Старт нового усовершенствованного космического аппарата намечен на 2006 год. Предполагается, что благодаря особо высокой чувствительности он сможет уловить излучение, идущее с границ нашего космоса. А. Линде надеется еще и на то, что удастся поймать лучи, идущие от примыкающего космического пространства, то есть от другой — соседней вселенной.
Будущее, теперь уже недалекое, вероятно, позволит науке окончательно утвердиться в ответе на вопросы: как возникла Вселенная и есть ли у нее сестры? И тогда наступит пора разрешить другой важнейший вопрос: почему она возникла?
В то время, когда номер журнала готовился к печати, из Женевы пришло сообщение, что в ЦЕРНе новый ускоритель элементарных частиц помог решить, казалось бы, неимоверную задачу: на короткое мгновение была получена материя в том виде, в каком она существовала сразу после взрыва. Блестящая победа науки тут несомненна. Этому эксперименту, вероятно, предшествовали подобные опыты, но о них ЦЕРН не сообщал.
Даже из нашей статьи видно, сколько еще нерешенных задач поставила природа перед человеческим разумом. Для продолжения исследований нужны новые технические средства.
Сейчас в ЦЕРНе строится мощнейший ускоритель, и Россия тоже принимает в этом участие. На Ижорском заводе (под Петербургом) прокатываются очень толстые металлические плиты, входящие в конструкцию ускорителя.
Их общий вес — 4000 тонн. Ни одному другому заводу в Европе заказ ЦЕРНа не оказался по силам.
ЛИТЕРАТУРА
О проблемах, затронутых в статье, читайте в журнале «Наука и жизнь»:
Гинзбург В., акад. Какие проблемы физики и астрофизики представляются сейчас, на пороге XXI века, особенно важными и интересными? — №№ 11 и 12, 1999 г.
Ройзен И. Вселенная между мгновением и вечностью. -№№ 11 и 12, 1996 г.
Скулачев Д. Градусник для Вселенной. — № 5, 1994 г.
Скулачев Д. Золотая маска Вселенной. — № 12, 1993 г.
Шишлова А. В лаборатории — десять микросекунд после Большого взрыва. — № 3, 2000 г.
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.
Как возникла Вселенная?
Почему мы здесь? Как началась Вселенная? По мнению народа бошонго из центральной Африки, перед нами были только тьма, вода и великий бог Бумба. Однажды Бумбу, страдая от болей в животе, вырвало Солнцем. Солнце испарило часть воды, оставив землю. Все еще испытывая дискомфорт, Бумба изрыгнул Луну, звезды, а затем леопарда, крокодила, черепаху и, наконец, людей.
Этот миф о сотворении, как и многие другие, борется с вопросами, которые все мы задаем сегодня. К счастью, как станет ясно, теперь у нас есть инструмент для получения ответов: наука. Когда дело доходит до этих тайн существования, первые научные доказательства были обнаружены в 19 веке.
20-х годов, когда Эдвин Хаббл начал проводить наблюдения с помощью телескопа на горе Вильсон в Калифорнии. К своему удивлению, Хаббл обнаружил, что почти все галактики удаляются от нас. Более того, чем дальше были галактики, тем быстрее они удалялись. Расширение Вселенной было одним из самых важных открытий всех времен. Это открытие изменило полемику о том, было ли у Вселенной начало.
Если галактики расходятся в настоящее время, значит, в прошлом они должны были быть ближе друг к другу. Если бы их скорость была постоянной, то все они находились бы друг над другом миллиарды лет назад. Так ли началась Вселенная? В то время многие ученые были недовольны тем, что у Вселенной было начало, потому что это, казалось, означало, что физика не работает. Чтобы определить, как зародилась вселенная, пришлось бы призвать внешнюю силу, которую для удобства можно назвать богом. Поэтому они выдвинули теории, согласно которым Вселенная в настоящее время расширяется, но не имеет начала.
Пройдите наш онлайн-курс по космологии под руководством экспертов, раскрывающий самые большие тайны Вселенной
Возможно, самая известная из них была предложена в 1948 году.
Она называлась теорией устойчивого состояния и предполагала, что Вселенная существовала вечно и будет всегда выглядели одинаково. Это последнее свойство обладало большим достоинством, поскольку являлось предсказанием, которое можно было проверить, — важнейшим компонентом научного метода. И оказалось, что его не хватает.
Реклама
Данные наблюдений, подтверждающие идею о том, что Вселенная имела очень плотное начало, появились в октябре 1965 года, когда в космосе был обнаружен слабый фон микроволн. Единственная разумная интерпретация заключается в том, что этот «космический микроволновый фон» — это излучение, оставшееся от раннего горячего и плотного состояния. По мере расширения Вселенной излучение охлаждалось до тех пор, пока не стало тем остатком, который мы видим сегодня. Теория вскоре подтвердила эту идею.
Вместе с Роджером Пенроузом из Оксфордского университета я показал, что если общая теория относительности Альберта Эйнштейна верна, то должна быть сингулярность, точка бесконечной плотности и искривления пространства-времени, где время имеет начало.