10 удивительных теорий о том, как появилась Вселенная. Когда вселенная зародилась
Как зародилась вселенная | Мир Знаний
Представьте себе все вещество сжатым в один массивный объект, весь свет сконцентрированным в одном источнике. Вообразите пространство с числом измерений больше, чем наблюдаемые нами три. До Большого взрыва наша Вселенная могла быть именно такой, но возможно, что вещества и света тогда вообще не было. Ученые считают, что Вселенная возникла из единственной точки, начала расширяться и постепенно оформилась. За 15 млрд лет в ней образовались обширные поля галактик, состоящих из сотен миллиардов звезд и планет. С начала XX в. астрофизики пытаются воссоздать долгую историю формирования Вселенной, понять устройство мироздания. Но до решения этой грандиозной задачи еще очень далеко.
Разгадка тайн аномалий
В 1924 г. американский астроном Эдвин Хаббл обнаружил, что лучи света, идущего от далеких звезд, смещены в сторону длинноволновой красной части спектра. Это означало, что длина световых волн увеличивается, словно излучающий их объект удаляется от точки наблюдения. Хаббл понял, что есть связь между этим явлением и скоростью, с которой галактики удаляются от Солнца. На самом деле происходит не столько удаление галактик, сколько увеличение расстояний между ними в результате расширения Вселенной.
В 1965 г. американские радиоастрономы Арно Пензиас и Роберт Уилсон открыли микроволновое электромагнитное излучение, которое равномерно поступало со всех сторон, имело одинаковую температуру и, следовательно, не могло исходить от одного объекта. Это доказывало существование микроволнового фона, оставшегося со времен рождения Вселенной, когда впервые возникло отделенное от вещества электромагнитное излучение. Сегодня мы умеем регистрировать его. Это реликтовое фоновое излучение показано на снимке видимой с Земли части неба, сделанном в 1993 г. спутником «СОВЕ» (от англ. Cosmic Background Explorer — «исследователь космического фона»). Разные частоты излучения имеют свой цвет.
И СТАЛ СВЕТ
В начале времен было мгновение, когда температура и плотность вещества достигли критического значения и произошел Большой взрыв. За долю секунды гигантская энергия, сосредоточенная в точке, меньше острия иголки, распространилась во все стороны и породила субатомные частицы. В результате их взаимодействия образовалась среда, состоящая из кварков, фотонов, нейтрино и электронов. В течение первых трех минут после Большого взрыва эти частицы оказались прочно связаны друг с другом, и из кварков возникли протоны и нейтроны.
Когда температура начала падать, протоны и нейтроны объединились, образовав первые атомные ядра. Появились самые легкие элементы, прежде всего водород и гелий, — первокирпичики Вселенной.
Плотность среды была так велика, что фотоны оказались заблокированы электронами и не могли рассеиваться, поэтому Вселенная была темной, совсем лишенной света. Через 300 тыс. лет вещество стало электрически нейтральным, его плотность уменьшилась, и фотоны смогли свободно двигаться, начав распространяться в космосе, — так родился свет. Именно эти фотоны и создают космический микроволновый фон, или реликтовое излучение.
В ПОИСКАХ НЕВИДИМОЙ МАТЕРИИ
Через миллион лет после Большого взрыва вещество отделилось от излучения и стало эволюционировать самостоятельно. Вселенная состояла тогда на 90% из водорода и на 10% из гелия.
Со временем появились области, где плотность вещества была выше, чем в окружающем пространстве. Так возникли предшественники галактик. Они обладали большой силой тяготения и становились еще плотнее, притягивая вещество из разреженных областей.
С возникновением объектов, имеющих мощные гравитационные силы, расширение Вселенной замедлилось, но, чтобы она приняла современный вид, в ней изначально должно было быть больше вещества, чем доступно нашему наблюдению. Это скрытое вещество назвали темным. Сколько его? Из чего оно состоит?
Возможно, темное вещество содержит античастицы нейтрино и нейтралино или частицы, называемые вимпами (от англ. WIMP, Weakly Interacting Massive Particle — «слабовзаимодействующая массивная частица»), а может быть, мачо (от MACHO, Massive Astrophysical Compact Halo Object — «массивный астрофизический компактный объект гало») или даже «мертворожденные» звезды. В поисках ответа астрономы сопоставляют данные исследований крошечных и гигантских объектов Вселенной.
Чередование взрывов и сжатий
Не исключено, что Вселенная ритмично пульсирует. Возможно также, что она по-прежнему расширяется и это расширение никогда не прекратится. Все зависит от плотности вещества во Вселенной. При слишком большой плотности сила тяготения невероятно возрастает. А это в свою очередь должно приводить к процессу, обратному расширению, — все галактики под действием тяготения должны вновь начать сжиматься в одну точку. Этот процесс описывает теория Большого сжатия. При этом световые волны будут смещаться в коротковолновую фиолетовую часть спектра, поскольку расстояния между галактиками будут уменьшаться. Но если плотность вещества не превышает критического значения, то Вселенная продолжит расширяться, в итоге галактики утратят связь друг с другом, а звезды погаснут. Некоторые ученые предполагают, что Вселенная проходит бесконечную череду расширений, начинающихся Большим взрывом, и сжатий, заканчивающихся Большим сжатием.
mir-znaniy.com
Когда во Вселенной появились первые звезды?
- История
- Быт и жизненный уклад
- Войны
- Изобретения
- Личности
- События
- Мифы
- Моя планета
- Общество, культура, традиции
- Удивительные места
- Флора и фауна
- Явления
- Наука
- Археология
- Естественные науки
- Космос
- Технологии
- Рекорды
- В мире
- Животные
- Люди
- Новости
- Открытия
Поиск
Интересные статьи, новости, факты — MyDiscoveries.ru- История
- ВсеБыт и жизненный укладВойныИзобретенияЛичностиСобытия
Откуда в русском языке появился мат?
Шер Ами — голубь-герой, получивший боевую награду
Уинстон Черчилль хотел построить авианосец изо… льда
Самые необычные способы казни
- ВсеБыт и жизненный укладВойныИзобретенияЛичностиСобытия
- Мифы
-
Правда, что если хрустеть суставами, можно заработать артрит?
Правда, что мухомор убивает мух?
Правда ли, что носороги топчут огонь?
«Правило пяти секунд» — правда или вымысел?
Правда ли, что акулам не нравится вкус человека?
-
- Моя планета
- ВсеОбщество, культура, традицииУдивительные местаФлора и фаунаЯвления
Ученые показали на видео, как растения передают сигнал о нападении
Почему радиация ассоциируется с зеленым цветом?
Устрашающие фотографии грязной грозы над вулканами
- ВсеОбщество, культура, традицииУдивительные местаФлора и фаунаЯвления
- Наука
- ВсеАрхеологияЕстественные наукиКосмосТехнологии
Когда люди начали есть сыр?
Все эти предметы удалось найти на дне реки
Почему радиация ассоциируется с зеленым цветом?
Почему одних людей комары кусают больше, чем других?
- ВсеАрхеологияЕстественные наукиКосмосТехнологии
- Рекорды
-
Нисияма Онсэн Кэйункан — самая старая гостиница в мире
Haliade-X 12-MW — «король ветра» или самый большой ветряк в мире
Самый продолжительный пассажирский авиарейс в мире
Самый большой комар в мире
Самый большой самолет в мире
-
- В мире
mydiscoveries.ru
Когда во Вселенной зародилась вода?
Загвоздка состояла в том, что молекула воды, состоящая из двух атомов водорода и одного атома кислорода, как и любой элемент тяжелее гелия, была сформирована в ядрах звезд, а не самим Большим Взрывом.
Первым звездам требовалось некоторое количество времени, чтобы сформироваться, состариться и погибнуть, благодаря чему, такие тяжелые элементы как кислород, смогли вырваться через звездные ветра и сверхновые. Принимая во внимание такую временную задержку, астрономы довольно долгое время считали, что вода во Вселенной появилась гораздо позже.
Но согласно новому исследованию, опубликованному в журнале Astrophysical Journal Letters, это могло произойти гораздо быстрее. В самом деле, существует вероятность, что вода могла зародиться спустя один миллиард лет после того, как зародилась Вселенная.
"Мы изучали химию молодых молекулярных облаков, содержащих в тысячу раз меньше кислорода, чем наше Солнце. И к нашему удивлению мы обнаружили, что там может находиться гораздо больше водяного пара, чем предполагалась ранее", - сказал Ави Лоеб, астрофизик из Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики.
Первые звезды, зародившиеся спустя 100 миллионов лет после Большого Взрыва, были массивными и нестабильными. Они быстро сжигали свое водородное топливо, взрываясь как сверхновые. Эти звездные взрывы наполнили Вселенную тяжелыми элементами. Результатом этих событий стали газовые карманы богатые тяжелыми элементами («богатыми» - вопрос спорный, так как по сравнению с содержанием кислорода нашей современной галактики, эти ранние газовые облака были очень бедны кислородом).Но, несмотря на низкий уровень кислорода, среда в то время была идеальной для «приготовления» молекулы воды. Температура около 80 градусов по Фаренгейту(300 по Кельвину) была оптимальной для того, чтобы совместить кислород с атомами водорода, который был в изобилии.
"Такая температура была доступна, потому что Вселенная в прошлом была теплее, чем сегодня, и газ был не в состоянии эффективно охлаждаться", - говорит соавтор исследователь Шмуэль Бялы из Тель-Авивского университета.
"Свечение космического микроволнового фона было жарче, и плотность газа была выше", - добавил Амиэль Штернберг, также соавтор из Тель-Авивского университета.
Тем не менее, в течение этого бурного времени нашей Вселенной, обилие молодых звезд порождало мощное ультрафиолетовое излучение, которое разрывало вновь сформированные молекулы. Но спустя миллионы лет, разрушительное воздействие ультрафиолетового света спало, и процесс формирования воды ускорился.
Это исследование показывает, что спустя всего один миллиард после Большого Взрыва, наша Вселенная имела богатую среду для производства воды, несмотря на низкое содержание воды. Это подготовило почву для более поздних эпох, когда возле более поздних звезд начали формироваться планеты, где вода уже присутствовала.
БОЛЬШЕ удивительных статей
v-kosmose.com
Происхождение Вселенной
Крупномасштабная структура нашей Вселенной
Вопрос о происхождении Вселенной немного схож с самой древней проблемой: что появилось сначала — курица или яйцо? Другими словами, какая сила создала Вселенную и что создало эту силу? Или, возможно, Вселенная или создавшая ее сила существовали всегда и не нуждались в создании? До недавнего времени ученые сторонились этих вопросов, чувствуя, что они относятся скорее к метафизике или религии, чем к науке. Однако в последние несколько лет получилось так, что научные законы могут охватить даже возникновение Вселенной. В таком случае Вселенная может быть самодостаточной и полностью определяться научными законами.
Споры о том, возникла ли Вселенная когда-то и как она возникла, проходят через всю зафиксированную историю. Существовало две основные школы мышления. Многие ранние традиции, а также иудейская, христианская и мусульманская религии утверждали, что Вселенная была создана в сравнительно недалеком прошлом (в XVII веке епископ Ашер вычислил дату создания Вселенной — 4004 г. до н. э.; он пришел к этой цифре путем сложения возраста персонажей Ветхого Завета). Одним из фактов, взятых им для обоснования идеи о недавнем происхождении Вселенной, было признание того, что человечество очевидно развивается в культуре и технике. Мы помним, кто первым выполнил такое-то действие или развил такой-то метод. Таким образом, утверждается, мы не могли активно развиваться все время, иначе мы бы уже продвинулись гораздо дальше, чем продвинулись на самом деле. Действительно, библейская дата сотворения мира не так далека от даты окончания последнего ледникового периода, то есть даты, когда появился человек.
С другой стороны, были и такие люди, как греческий философ Аристотель, которым не правилась мысль, что Вселенная когда-то возникла. Они чувствовали, что это подразумевает божественное вмешательство, и предпочитали верить, что Вселенная существовала всегда и будет существовать всегда. Существующее вечно совершеннее того, что пришлось создать. У них был ответ на приведенный выше аргумент о человеческом прогрессе: наводнения и другие природные катаклизмы периодически отбрасывали человечество назад, к началу.
Общим было то мнение, что со временем Вселенная существенно не меняется. Или она была создана в том виде, как есть сейчас, или просто всегда была такой. Так считать было естественно, поскольку человеческая жизнь коротка и между рождением и смертью Вселенная значительно не изменялась. В статической, неизменной Вселенной вопрос о том, существовала она всегда или была создана конечное время назад, важен для метафизики и религии — обе могут заняться такой Вселенной. В самом деле, в 1781 году философ Иммануил Кант написал монументальный и весьма туманный труд «Критика чистого разума», в котором заключил, что есть равно здравые аргументы как в пользу того, что Вселенная имеет начало, так и того, что начала у нее нет. Как предполагает название, его умозаключения основывались на «чистом разуме» — другими словами, никакие наблюдения Вселенной в расчет не принимались. В конце концов, что наблюдать в неизменной Вселенной?
Однако в XIX веке стали накапливаться свидетельства, что Земля и остальная Вселенная в действительности со временем изменяются. Геологи поняли, что формации скал и окаменелости насчитывают сотни и тысячи миллионов лет. Это значительно превосходило расчеты сторонников сотворения мира. Дальнейшие свидетельства поступили от так называемого второго закона термодинамики, сформулированного немецким физиком Людвигом Больцманом. Этот закон утверждает, что общее количество беспорядка во Вселенной (эту величину называют энтропией) со временем только возрастает. Это, как и аргумент насчет прогресса человечества, предполагает, что Вселенная развивается лишь какое-то конечное время. Иначе она бы уже деградировала до состояния полного беспорядка, где все имело бы одну и ту же температуру. Другая проблема в идее о статической Вселенной заключалась в том, что, согласно Ньютонову закону тяготения, каждая звезда во Вселенной должна притягиваться ко всем другим. А если так, как же они могут оставаться неподвижными, на постоянном расстоянии друг от друга? Не должны ли они собраться все вместе?
Ньютон осознавал эту проблему. В письме Ричарду Бентли, ведущему философу того времени, он согласился, что конечное число звезд не может оставаться неподвижным, — они все притянулись бы к какой-то центральной точке. Однако, возразил он, бесконечное число звезд не собралось бы вместе, поскольку для них нет никакой центральной точки. Этот аргумент служит примером того, сколько ловушек можно встретить, говоря о бесконечных системах. Пробуя по-разному приложить к каждой звезде силы от бесконечного числа остальных звезд во Вселенной, можно получить разные ответы па вопрос, могут ли звезды оставаться па постоянном расстоянии друг от друга. Теперь мы знаем, что правильно будет рассмотреть случай конечной области звезд, а затем добавлять другие, распределенные приблизительно равномерно за пределами этой области. Конечное число звезд, согласно закону Ньютона, соберется вместе, и добавление других звезд за пределами области не остановит коллапса. Таким образом, бесконечное число звезд не может оставаться неподвижным. Если они хоть на мгновение остановятся относительно друг друга, взаимное притяжение заставит их начать падать друг на друга. Или же они могут двигаться друг от друга, и сила притяжения замедляет скорость их удаления.
Учитывая все проблемы в идее о статической и неизменной Вселенной, никто в XVII, XVIII, XIX и начале XX века не предполагал, что со временем она может получить свое развитие. И Ньютон и Эйнштейн упустили шанс предсказать, что Вселенная должна или сжиматься, пли расширяться. Ньютона нельзя в этом упрекнуть, поскольку он жил за 250 лет до того, как наблюдения обнаружили ее расширение, но Эйнштейну следовало бы это знать. Общая теория относительности, сформулированная им в 1915 году, предсказала, что Вселенная должна расширяться. Но он по-прежнему был так убежден в ее статичности, что добавил к своей теории элемент, примиряющий ее с теорией Ньютона и уравновешивающий гравитацию.
Открытое в 1929 году Эдвином Хабблом расширение Вселенной полностью изменило характер дискуссии о ее происхождении. Если взять современные сведения о галактиках и пустить время вспять, окажется, что где-то между десятью и двадцатью миллиардами лет назад они все были в куче. В это время, во время взрыва сингулярности, называемого Большим Взрывом, плотность Вселенной и искривление пространства-времени должны были быть бесконечными. В таких условиях все известные научные законы должны были нарушаться. Для науки это катастрофа. Это означало бы, что наука сама по себе не может предсказать, как возникла Вселенная. Наука могла бы сказать лишь, что «Вселенная такова, какова она есть, потому что она была такой, какой была». Но наука не могла бы сказать, почему сразу после Большого Взрыва Вселенная была такой, какой была.
Ничего удивительного, что многих ученых не устраивал такой вывод, и потому было предпринято несколько попыток избежать заключения, что произошел Большой Взрыв сингулярности и с него началось время. Одной из теорий была так называемая теория устойчивого состояния. Идея заключалась в том, что, когда галактики разлетались друг от друга, в пространстве между ними из постоянно создававшейся материи возникали новые галактики. Тогда Вселенная могла бы существовать вечно почти в том же состоянии, какова она сегодня.
Чтобы Вселенная продолжала расширяться и создавалась новая материя, теория устойчивого состояния требовала несколько изменить общую теорию относительности, но скорость создания материи, согласно ей, должна была быть очень низкой — примерно одна частица на кубический километр в год, что не противоречило наблюдениям. Теория также предсказывала, что средняя плотность галактик и схожих объектов должна быть постоянной и во времени, и в пространстве. Однако наблюдение источников радиоволн вне нашей Галактики, проведенное Мартином Райлом и его группой в Кембридже, показало, что слабых источников больше, чем сильных. В среднем можно было бы ожидать, что слабые источники — это более удаленные. Тут было две возможности: или мы находимся в области Вселенной, где сильные источники встречаются реже, чем в среднем но Вселенной, или плотность источников была выше в прошлом, когда свет отправился к нам из более удаленных источников. Ни одна из этих возможностей не стыковалась с предсказаниями теории устойчивого состояния, предполагавшей, что плотность радиоисточников должна быть постоянной в пространстве и времени. Окончательным ударом по этой теории стало открытие, сделанное в 1964 году Арно Пенциасом и Робертом Уилсоном относительно происхождения микроволнового излучения, исходящего из отдаленных областей вне нашей Галактики. Оно имело характерный спектр излучения, исходящего от горячего тела, хотя в данном случае термин «горячее» вряд ли уместен, поскольку речь идет о температуре 2,7 градуса выше абсолютного нуля. Вселенная — холодное, темное место! В теории устойчивого состояния не было никакого осмысленного механизма для порождения микроволн с таким спектром. Поэтому от нее пришлось отказаться.
Другую идею, обходившуюся без Большого Взрыва сингулярности, предложили в 1963 году двое ученых из России — Евгений Лифшиц и Исаак Халатников. Они говорили, что состояние бесконечной плотности может иметь место, только если галактики движутся строго друг к другу или друг от друга — лишь в этом случае когда-то в прошлом они могли быть все вместе. Но галактики имеют и некоторую скорость в сторону, и это дает возможность предположить, что в прошлом была какая-то фаза сжатия Вселенной, когда галактики находились очень близко друг от друга, но каким-то образом сумели не столкнуться. В таком случае Вселенная могла начать расширение, миновав фазу бесконечной плотности.
Когда Лифшиц и Халатников сделали свое предположение, я был аспирантом и подыскивал тему для диссертации. Меня заинтересовало, произошел ли в прошлом Большой Взрыв сингулярности, поскольку этот вопрос был решающим для понимания происхождения Вселенной. Вместе с Роджером Пенроузом мы разработали ряд новых математических приемов, чтобы оперировать с этой и схожими проблемами. Мы показали, что, если общая теория относительности верна, любая осмысленная модель Вселенной должна начинаться с сингулярности, а значит, наука может сказать, что Вселенная должна была иметь начало, но не может сказать, как она должна была начаться, — для этого нужно обратиться к Богу.
Было интересно наблюдать изменение отношения к сингулярностям. Когда я учился на последнем курсе университета, почти никто не воспринимал их всерьез. Теперь, благодаря теоремам сингулярности, почти все верят, что Вселенная возникла из сингулярности, где физические законы нарушаются. Однако теперь уже я думаю, что, хотя сингулярности и существуют, физические законы все же могут определить, как возникла Вселенная.
Общая теория относительности — это так называемая классическая теория, то есть она не принимает в расчет тот факт, что частицы не имеют точно определенного положения и скорости, а «размазаны» по маленькой области пространства принципом неопределенности квантовой механики, который не позволяет одновременно измерить и положение, и скорость. В обычных ситуациях это не имеет большого значения, потому что радиус искривления пространства-времени очень велик по сравнению с неопределенностью положения частицы. Однако теоремы сингулярности показывают, что в начале настоящей фазы расширения Вселенной пространство-время было сильно деформировано, с малым радиусом искривления. В этой ситуации принцип неопределенности очень важен. Таким образом, общая теория относительности, предсказывая сингулярности, можно сказать, ведет к собственному. крушению. Чтобы обсуждать происхождение Вселенной, нам нужна теория, сочетающая общую теорию относительности и квантовую механику.
Таковой является теория квантовой гравитации. Мы еще точно не знаем, какую форму примет правильная теория квантовой гравитации. Лучшим кандидатом из имеющихся в настоящий момент является теория сверхструн, но в ней еще есть ряд нерешенных проблем. Однако можно предположить, какие свойства будут наличествовать в любой жизнеспособной теории. Одно из них — идея Эйнштейна о том, что влияние гравитации можно представить как искривление или возмущение (искажение) пространства-времени материей и заключенной в ней энергией. Объекты стремятся следовать за ближайшим телом по прямой в искривленном пространстве. Однако, поскольку оно искривлено, их пути оказываются изогнутыми словно бы гравитационным полем.
Другой ожидаемый элемент окончательной теории — это предположение Ричарда Фейнмана относительно того, что квантовую теорию можно сформулировать как «сумму предысторий». В простейшей форме идея заключается в том, что каждая частица имеет все возможные пути, или истории, в пространстве-времени. Каждый путь, или история, имеет некую вероятность, зависящую от его формы. Чтобы эта идея заработала, нужно рассмотреть истории во мнимом, а не в реальном времени, где мы якобы живем. Термин «мнимое время» напоминает нам научную фантастику, но на самом деле это хорошо проработанная математическая концепция. В некотором смысле мнимое время можно представить направлением времени, перпендикулярным к реальному времени. Складываются вероятности всех предысторий частицы с определенными свойствами, такими как прохождение через определенные точки в определенное время. Потом нужно экстраполировать результат обратно в реальное пространство-время, в котором мы живем. Это не самый известный подход к квантовой теории, но он дает те же результаты, что и другие методы. В случае квантовой гравитации идея Фейнмана о сумме историй включает суммирование всевозможных историй по Вселенной — то есть разных искривленных пространств-времен. Они представляют собой историю Вселенной и всего сущего в ней. Тут придется определить, какой класс из возможных искривленных пространств включать в сумму историй. Выбор этого класса пространств определяет, в каком состоянии находится Вселенная. Если в класс искривленных пространств, определяющий состояние Вселенной, войдут пространства с сингулярностями, то вероятность существования таких пространств не удастся определить теорией.
Вместо этого вероятностям придется присвоить значения некоторым произвольным образом. Это означает, что наука не может предсказать вероятности таких сингулярных историй для пространства-времени. Таким образом, она не может сказать, как Вселенная должна себя вести. Возможно, однако, что Вселенная находится в состоянии, определяемом суммой, включающей в себя только несингулярные искривленные пространства. В таком случае научные законы объяснят Вселенную полностью, и чтобы определить, как она возникла, не нужно будет обращаться к какой-то внешней по отношению к ней силе. Предположение, что состояние Вселенной определяется суммой только несингулярных историй, в какой-то степени напоминает ситуацию с пьяным, ищущим свои ключи под фонарем: возможно, он потерял их не там, но это единственное место, где их можно найти. Аналогично, Вселенная может быть в состоянии, определяемом суммой не только несингулярных историй, но это единственное ее состояние, в котором наука может предсказать, какой она будет.
В 1983 году Джим Хартл и я предложили получать состояние Вселенной как сумму определенного класса историй. Этот класс состоял из искривленных пространств без сингулярностей, пространств конечного размера, но не имеющих краев и границ, вроде земной поверхности, но с еще двумя измерениями. Земная поверхность имеет конечную площадь, но не имеет сингулярностей, краев и границ. Я проверил это экспериментально: объехал вокруг Земли и нигде с нее не упал. Предложение, сделанное Хартлом и мной, можно перефразировать так: «Граничным условием Вселенной является то, что она не имеет границ». Только если Вселенная находится в безграничном состоянии, научные законы сами по себе определяют вероятности каждой возможной истории.
Таким образом, только в этом случае известные законы определят, как поведет себя Вселенная. Если она находится в каком-либо другом состоянии, класс искривленных пространств в сумме историй включит пространства с сингулярностями. Чтобы определить вероятности таких сингулярных историй, нужно призвать какой-то другой принцип, отличный от известных научных законов. Этот принцип будет чем-то внешним по отношению к Вселенной. Мы не можем вывести его из чего-то внутри нее. С другой стороны, если Вселенная находится в безграничном состоянии, теоретически мы могли бы полностью определить, как она поведет себя, с точностью, ограниченной принципом неопределенности. Бесспорно, для науки было бы хорошо, если бы Вселенная была в безграничном состоянии, но как мы можем сказать, так ли это? Ответ заключается в том, что из предположения о безграничности Вселенной вытекают некоторые предсказания относительно того, как Вселенная должна себя вести. Если бы все эти предсказания не согласовались с наблюдениями, мы могли бы заключить, что Вселенная не находится в безграничном состоянии. Таким образом, предположение безграничности — это хорошая научная теория в смысле, определенном философом Карлом Поппером: ее можно опровергнуть наблюдением.
Если наблюдения не сойдутся с предсказаниями, мы узнаем, что в классе возможных историй должны быть сингулярности. Однако это почти и всѐ, что мы узнаем. Мы не сможем рассчитать вероятности сингулярных историй, а значит, не сможем предсказать, как Вселенная должна себя вести. Можно подумать, что эта непредсказуемость не так уж много значит, если она имела место только во время Большого Взрыва, — ведь это было десять или двадцать миллиардов лет назад. Но если предсказуемость нарушилась в очень сильном гравитационном иоле при Большом Взрыве, она также нарушится и при коллапсе каждой звезды. Это может случаться несколько раз в неделю только в нашей Галактике, и наша способность предсказывать окажется мала даже по стандартам метеопрогнозов.
Конечно, можно сказать, что нет нужды беспокоиться о нарушении предсказуемости на далеких звездах. Однако в квантовой теории все, что полностью не исключено, может случиться и случится. Следовательно, если класс возможных историй включает пространства с сингулярностями, эти сингулярности могут оказаться где угодно — не только при Большом Взрыве или коллапсе звезды. И наоборот, тот факт, что мы можем предсказать события, — это экспериментальное свидетельство против сингулярностей и за предположение безграничности. Так что же предсказывает для Вселенной предположение безграничности? Прежде всего, поскольку все возможные истории для Вселенной в какой-то мере конечны, любая величина, используемая для измерения времени, будет иметь наибольшее и наименьшее значение. Следовательно, Вселенная будет иметь начало и конец. Началом в реальном времени будет Большой Взрыв сингулярности. Однако начало во мнимом времени не будет сингулярностью, а будет отдаленно напоминать Северный полюс на Земле. Если за аналог времени взять долготу на поверхности времени, то можно сказать, что поверхность Земли начинается с Северного полюса. И все же Северный полюс — это самая обыкновенная точка на Земле. Точно так же событие, которому мы хотим присвоить имя «начало Вселенной во мнимом времени», будет обыкновенной точкой пространства-времени, такой же, как остальные.
Научные законы будут выполняться в начале так же, как и где-либо еще. По аналогии с поверхностью Земли можно ожидать, что конец Вселенной будет напоминать начало, так же как Северный полюс напоминает Южный. Однако Северный и Южный полюсы соотносятся с началом и концом истории Вселенной во мнимом времени, а не в реальном, в котором мы живем. Если экстраполировать результаты суммирования историй во мнимом времени на реальное время, окажется, что начало Вселенной в реальном времени может сильно отличаться от ее конца. Вместе с Джонатаном Галливеллом мы провели приблизительный расчет, что же влечет за собой условие безграничности. Мы оперировали со Вселенной как с совершенно гладким и однообразным фоном, на котором есть малые возмущения плотности. В реальном времени может представиться, что Вселенная начала расширяться с очень маленького радиуса. Во-первых, расширение будет, так сказать, инфляционным, то есть размер Вселенной будет удваиваться за крошечную долю секунды, как цены в некоторых странах удваиваются каждый год. Мировой рекорд экономической инфляции, вероятно, поставила Германия после Первой мировой войны, когда цена буханки хлеба подскочила за месяц от одной марки до миллиона. Но это ничто по сравнению с инфляцией, случившейся при возникновении Вселенной: ее размер увеличивался в геометрической прогрессии с коэффициентом миллион миллионов миллионов миллионов миллионов раз за крошечную долю секунды. Конечно, это было еще до прихода нынешнего правительства.
Инфляция была хороша тем, что произвела Вселенную, гладкую и однообразную в большом масштабе, которая, чтобы избежать повторного коллапса, расширялась с критической скоростью. Инфляция также была хороша тем, что производила все содержимое Вселенной буквально из ничего. Когда Вселенная была одиночной точкой вроде Северного полюса, в ней не было ничего, а теперь в той части Вселенной, что мы можем наблюдать, содержится по меньшей мере 1080 частиц. Откуда же взялись все эти частицы? Ответ заключается в том, что теория относительности и квантовая механика позволяют материи возникать из энергии в форме пар частица-античастица. А откуда взялась энергия на создание этой материи? Ответ таков: она была позаимствована из гравитационной энергии Вселенной. Вселенная взяла в долг огромное количество отрицательной гравитационной энергии, которая точно уравновесила положительную энергию материи. Во время инфляции Вселенная делала огромные долги у гравитационной энергии, чтобы финансировать создание новой материи. В результате восторжествовала кейнсианская экономика: получилась сильная экспансивная Вселенная, полная материальных объектов. А долг гравитационной энергии не будет погашен до скончания Вселенной.
Ранняя Вселенная не могла быть совершенно однородной и равномерной, потому что это нарушило бы существующий в квантовой механике принцип неопределенности. В ней должны были быть отклонения от равномерной плотности. Предположение безграничности подразумевает, что эти различия в плотности имеются уже в своем первоначальном состоянии, то есть они, согласно принципу неопределенности, должны быть насколько возможно малы. Однако в течение инфляционного расширения эти различия будут увеличиваться. Когда период инфляционного расширения закончится, мы окажемся во Вселенной, которая кое-где расширяется быстрее, а кое-где медленнее. В областях более медленного расширения гравитационное притяжение материи будет замедлять дальнейшее расширение. В конце концов, такие области прекратят расширяться и сожмутся в виде галактик и звезд.
Следовательно, предположение безграничности позволяет объяснить все сложные структуры, которые мы видим вокруг. Однако оно не может дать для Вселенной одного-единственного предсказания, а дает целое семейство возможных историй, каждая со своей вероятностью. Возможна история, в которой на последних выборах в Великобритании победила лейбористская партия, хотя вероятность такой истории мала.
Предположение безграничности имеет глубокий смысл для оценки роли Бога в делах Вселенной. Теперь в основном признано, что Вселенная развивается согласно четко определенным законам. Эти законы могли быть установлены Богом, но, похоже, Он больше не вмешивается в жизнь Вселенной, чтобы их нарушить. Дело Бога было завести часы и запустить ее так, как Ему заблагорассудилось; в таком случае нынешнее состояние Вселенной было бы результатом Божьего выбора начальных условий.
Однако если нечто вроде предположения безграничности верно, ситуация была бы совершенно иной. В этом случае законы физики выполнялись бы даже при возникновении Вселенной, и Бог не имел бы свободы выбора начальных условий. Конечно, Он все равно мог бы произвольно выбрать законы, правящие Вселенной, однако у Него не было бы обширного выбора. Могло бы быть лишь небольшое число непротиворечивых законов, которые привели бы к возникновению таких сложных существ, как мы, чтобы задаться вопросом: какова природа Бога? (кто создал Бога? что было до Бога?)
И даже если существует всего одно множество возможных законов, это всего лишь множество уравнений. Что же вдыхает в уравнения жизнь и создает Вселенную, чтобы они управляли ею? Эта окончательная единая теория так мощна, что стала причиной собственного существования? Хотя наука может решить вопрос, как Вселенная возникла, она не может ответить, почему Вселенная появилась. На этот вопрос я ответа не знаю.
Начальная конфигурация Вселенной могла быть выбрана Богом или могла определиться сама по научным законам. В любом случае похоже, что все во Вселенной предопределено эволюцией согласно научным законам, так что трудно понять, как мы можем быть кузнецами своей судьбы. Идея о том, что возможна некая великая единая теория, определяющая все во Вселенной, вызывает много трудностей. Прежде всего, такая теория предположительно должна быть компактна и изящна с точки зрения математики. В теории всего должно быть нечто особое и простое. И все же как может некое число уравнений учесть всю сложность и мельчайшие детали того, что мы видим вокруг? Можно ли действительно поверить, что великая единая теория определила, будто первой в хит-параде этой недели будет Шинейд О'Коннор или что на обложке «Космополитен» появится Мадонна?
Отрывок из книги Стивена Хокинга "Чёрные дыры и молодые Вселенные"
scientifically.info
Как зародилась вселенная.
Окружающим прстранством человек начал интересоваться на заре цивилизации. Естественно, первые его представления о мире были весьма наивны. Однако в мыслях древних жрецов и философов дошло весьма мало их трудов. Древние библиотеки почти все погибли во время стихийных бедствий, пожаров и войн, вследствие невежества завоевателей, а затем церковников.
Упоминание о множественности обитаемых миров и жизни на далеких звездах современные ученые нашли в древних египетских текстах, священных книгах древней Индии и Тибет, а также в легендах народов Перу. О шарообразности Земли знали египтяне и ацтеки. Идею о гелиоцентрической системе планет в своих трудах высказывал древнегреческий философ Аристарх Самосский (310 – 250 гг. до н.э.), которого называют Коперником древности. Однако другие древнегреческие философы его идею не поддержали.Из древних философов нельзя не упомянуть имени Тита Лукреция Кара (99 – 55 гг. до н. э.). В своих трудах он развивал мысли о бесконечности Вселенной и существовании в ней множества миров, пожобных нашему. Земля, он считал, имеет не только начало, но и конец, однако жизнь во Вселенной никогда не прекратится. За свои прогрессивные идеи он подвергся гонениям.
Падение Римской империи подтолкнуло Европу на путь мрачного церковного католического миросозерцания средневековья (с владычеством богословия и инквизиции), господство которого длилось десять веков. В это время книги древнегреческих и древнеримских философов богословы старательно уничтожали, чтобы «оградить» человечество от ереси. И только благодаря арабским ученым, начавшим примерно с девятого века собирать такие книги, некоторые из них и дошли до наших дней.
С развитием науки представления об окружающем мире совершенствуются. В настоящее время большинство ученых считает, что в целом Вселенная безгранична. Доказано, что Вселенная расширяется. Большинство из ученых придерживаюся горячей можели расширяющейся Вселенной.
Сейчас большинство ученых придерживаются мнения, что в прошлом, 10 ~ 20 миллиардов лет назад Вселенная с огромной скоростью вышла из непонятного и неизвестного нам состояния, называемого состоянием сингулярности – когда ее плотность и температура были бесконечно большими. При этих условиях не только теряют смысл обычные для нас представления про пространство и время, но и сами эти понятия могут потерять смысл, так же как и представление о прошлом и будущем.
Основной химический состав Вселенной был сформирован в момент Большого взрыва, когда температуры достигали миллиардов градусов. В этот ранний период Вселенная была горячей и заполненной квантами высоких энергий.
Несмотря на то, что период сверхплотного состояния Вселенной длился сравнительно недолго, он очевидно, сыграл очень важную роль в ее развитии. Исходя из данных реликтового излучения, считается, что вселенная в прошлом находилась в состоянии равновесия между плазмой и излучением.
Химический состав Вселенной образовался в течение 3-х минут после сингулярности.
Так, вблизи момента начала расширения плотность вещества во Вселенной была гораздо больше сегодняшней и отдельные галактики, звезды и т. д. не могли существовать как отдельные тела. Вся материя находилась в состоянии непрерывно распределенного однородного вещества. Лишь позже, в ходе расширения, оно распалось на отдельные комки, что привело к образованию отдельных небесных тел. Но насколько правдивым является вывод о начале расширения Вселенной, о состоянии огромной плотности всего вещества? Какие процессы протекали в этом сверхплотном веществе? Что заставило Вселенную расширяться? И, наконец, что было до начала расширения, до момента сингулярности?? Разумеется это все чрезвычайно важно интересно и мы дальше попробуем разобрать эти проблемы.
smalltalks.ru
10 удивительных теорий о том, как появилась Вселенная
Самые самые > 10 удивительных теорий о том, как появилась Вселенная
Если коротко описать современную идею, то получим: «Вначале была пустота, а потом случился взрыв». Современная наука убеждена, что происходит расширение, что доказывает наличие реликтового излучения и смещение к красному концу спектра. Но не все в это верят. Годами появлялись альтернативные истории начала всего и некоторые заслуживают вашего внимания.
-
Устойчивое состояние
Альберт Эйнштейн писал, что больше верит в мысли Фреда Хойла о том, что возможно нескончаемое расширение с сохранением неизменной плотности, если новое вещество прибавляется в процессе непредсказуемой генерации.
Эта идея сформировалась в 1948 году из принципа, что Вселенная кажется совершенно такой же в любом пункте. То есть, пространство лишено стартовой и финишной точки. В 1960-х гг. она обрела популярность. При появлении доказательств расширения, сторонники сообщили, что новое вещество должно формироваться спонтанно, но на небольшом ускорении. Но доводы разбились при появлении реликтового излучения.
-
Усталый свет
Именно Эдвину Хабблу удалось заметить, что волновые длины света, поступающие от удаленных галактик, приближаются к красному спектру. То есть, каким-то образом фотоны утратили свою энергию. Чаще всего, этот момент объясняется в теме вселенского расширения в качестве эффекта Доплера. Но те, кто придерживается мнения о стабильной Вселенной, полагают, что энергия теряется по мере продвижения фотонов по пространству и смещения к более длинной волне. В 1929 году это озвучил Фриц Цвикки.
Теория сталкивается с множеством проблем. Начнем с того, что нет ничего, что могло бы трансформировать энергию фотона без перемены импульса (привело бы к размытости). Она не может объяснить закономерностей светового свечения для расширяемого пространства. К тому же большинство подобных моделей полагаются на нерасширяющуюся Вселенную, что никак не согласуется с наблюдениями.
-
Бесконечная инфляция
Многие современные модели берут за основу краткий период инфляции, созданной вакуумной энергией. После этого энергия распалась на некий раскаленный плазменный бульон, сформировавший атомы, молекулы и т.д. Однако эта теория заявляет, что инфляционный процесс так и не подошел к концу. Сторонники полагают, что все наше пространство выступает единым пузырьком, расположенным среди других вселенных с постоянной инфляцией.
Если две вселенных находятся рядом, то могут привести к обоюдному сбою в пространстве-времени. Если теория верна, то мы должны заметить какие-то нарушения в реликтовом излучении. Подобные идеи связал в единую Андрей Линде и назвал «вечной хаотической экспансией». Здесь не нужен Большой Взрыв, потому что расширение способно начаться из любого пункта в скалярном пространстве.
-
Мираж в 4D
В привычной модели взрыв произошел из нескончаемо плотного формирования, из-за чего сложно объяснить, почему пространство обладает почти однородным температурным показателем. Есть те, кто думает, что причина заключается в неизвестной энергетической форме, приводящей к расширению. Ученые предположили, что мир может существовать в виде трехмерного миража, сформированного на горизонте 4D-звезды, трансформирующейся в черную дыру.
То есть, известное нам пространство выступает лишь одной стороной внутри объемной вселенной с четырьмя измерениями. Если она вмещает 4D-звезды, то они будут вести себя также, как и остальные. Трехмерные черные дыры расположены в сферической поверхности, а форма горизонта событий – гиперсфера. Смоделировав смерть этой звезды, они выяснили, что наше пространство может оказаться всего лишь миражем, созданным на основе остатков ее внешних слоев.
-
Зеркальная Вселенная
Физика столкнулась с проблемой: все модели прекрасно срабатывают при характеристике пространства, не зависимо от временной направленности. В реальности мы понимаем, что время мчится только вперед, а значит это продукт энтропии, где порядок растворяется в беспорядке. Неувязка в том, что теория полагает, будто все началось с высокой организованности при низком показателе энтропии. Многие думают, что гравитация заставляет временное направление устремляться вперед.
В подтверждение, исследователи рассмотрели моделирование 1000 контактирующих точечных частичек, обусловленных гравитацией Ньютона. Оказалось, что при любом размере и количестве они трансформируются в минимальные показатели. Далее система расширяется в обе стороны, формируя противоположные «временные стрелки». То есть, Большой Взрыв произвел сразу две вселенные, которые зеркально отражают друг друга.
-
Не начало, а переход
Привычная для нас точка отсчета стала не началом для рождения всего, а лишь следующим шагом, потому что проходит сквозь повторяющиеся моменты. Со временем пространственная геометрия меняется и превращается в нечто более запутанное. Это именуют тензором кривизны Вейля – стартует с нуля и вырастает со временем. Физики полагают, что черные дыры сокращают вселенскую энтропию. Когда мир подойдет к концу, а дыры растеряют энергию, то пространство станет однородным и переполнится ненужным энергетическим запасом.
Здесь появляется симметрия геометрии с различными величинами, но единой формой. Эта трансформация приведет к тому, что пространственная геометрия сгладится, а деградированные частички вернутся к позиции нулевой энтропии. Далее Вселенная бы вернулась в изначальную точку, создавая новый взрыв.
-
Холодное начало и сжимающееся пространство
После сингулярности материя попала в плотное и раскаленное пространство, после чего начала медленно увеличиваться на миллиарды лет. Однако это не совсем сходится с общей теорией относительности и квантовой механикой. Из-за этого Кристофф Веттерих считает, что пространство могло начаться как прохладное и пустое место. Оно активировалось только из-за сокращения, а не расширения. Здесь красное смещение вызывается из-за массового увеличения. Проблема в том, что измерения нельзя доказать, потому что нам удается сравнить лишь отношение масс, а не их самих.
-
Живое пространство
Теория Джима Картера базируется на идее стабильных иерархичных кругов, выступающих круговыми механическими объектами. Он полагает, что все пространство представлено поколениями кругов, появляющихся из-за воспроизводства и раздела. Эта мысль пришла после наблюдения за совершенным пузырьковым кольцом. Картер считает, что синхронизация колец лучше подходит под наблюдения, чем Большой Взрыв. Живое пространство намекает на то, что существовал хотя бы один атом водорода во все времена.
Началось все с антиводорода. Частичка обладала массой нынешнего пространства представляла собою протон и антипротон. Последний расширялся быстрее первого, из-за чего терял относительную массу. Потом они сближались, пока отрицательный элемент не впитал положительный и не создался антинейтрон. Он также не отличался сбалансированностью массы, но возвратился к равновесию, распавшись на два новых нейтрона. Сформировались образования, среди которых некоторые не поддавались расщеплению. Электроны слились с протонами, формируя первые водородные атомы. Процесс дошел до появления всех известных нам космических объектов.
-
Плазменное пространство
Основное внимание заостряет на электромагнетизме, как движущей силе. Еще в 1946 году появился материал от Иммануила Великовского, считавшего, что гравитационная сила – электромагнитное явление. Она формируется из-за атомных и свободных зарядов, а также магнитного поля небесных тел. Теорию продолжили развивать в 1970-х гг., заменяя термоядерные процессы в звездах на электрические.
Согласно теории, все звезды питаются от перемещающихся токов, а многие небесные явления – электрические процессы. Пространство переполнено масштабными нитями электронов и ионов, скручивающихся из-за электромагнитных сил. Сторонники полагают, что у Вселенной нет границ, а теория Большого Взрыва неверно вычислила плотность главных элементов. Кроме того, она не соответствует закону энергетического сбережения, потому что все появилось из ничего.
-
Бинду
Мы старались не касаться религиозных историй о создании Вселенной, но затронем поверье индусов, которое может обладать научной базой. Начнем с того, что это пока единственная религия, чьи временные масштабы сходятся с научными показателями. Их верование основано на бинду, что переводится как «взрыв» или «точка». Люди верят, что бинду создал звуковые волны «ом», обозначающие Божество или Абсолютную реальность. Этот звук интерпретируют как вибрационные волны стартовой точки. Упанишады говорят, что Брахман хотел стать всем и добился этого через событие взрыва.
v-kosmose.com
