В каком состоянии была вселенная до взрыва. Теории возникновения Вселенной. Сколько существует теорий возникновения Вселенной? Теория Большого взрыва: возникновение Вселенной. Религиозная теория возникновения Вселенной. Креационизм - теория создания мира
Большой взрыв и происхождение вселенной
Если, любопытствуя, мы возьмем в руки справочник или какое-нибудь научно-популярное пособие, то непременно наткнемся в них на одну из версий теории происхождения Вселенной - так называемой теории большого взрыва . В кратком виде эту теорию можно изложить так: первоначально вся материя была сжата в одну "точку", имевшую необычайно высокую температуру, а затем эта "точка" взорвалась с огромной силой. В результате взрыва из постепенно расширявшегося во все стороны супергорячего облака субатомных частиц постепенно образовывались атомы, вещества, планеты, звезды, галактики и, наконец, жизнь. При этом Расширение Вселенной продолжается, и неизвестно, как долго будет продолжаться: возможно, когда-нибудь оно достигнет своих границ.Есть и другая теория происхождения Вселенной. Согласно ей, происхождение Вселенной, всего мироздания, жизни и человека есть разумный творческий акт, осуществленный Богом, творцом и вседержителем, природа которого непостижима человеческим разумом. "Убежденные" материалисты обычно склонны осмеивать эту теорию, но так как в нее в той или иной форме верит половина человечества, мы не имеем права обойти ее молчанием.
Объясняя происхождение Вселенной и человека с механистической позиций, трактуя Вселенную как продукт материи, чье развитие подчиняется объективным законам природы, сторонники рационализма, как правило, отрицают нефизические факторы, особенно тогда, когда речь идет о существовании некоего Всемирного или Космического разума, так как это "ненаучно". Научным же следует считать то, что можно описать с помощью математических формул.
Одна из самых больших проблем, стоящих перед сторонниками теории большого взрыва, как раз состоит в том, что ни один из предлагаемых ими сценариев возникновения Вселенной невозможно описать математически или физически. Согласно базовым теориям большого взрыва , первоначальным состоянием Вселенной была точка бесконечно малых размеров с бесконечно большой плотностью и бесконечно высокой температурой. Однако такое состояние выходит за пределы математической логики и не поддается формальному описанию. Так что в действительности о первоначальном состоянии Вселенной ничего определенного сказать нельзя, и расчеты тут подводят. Поэтому это состояние получило в среде ученых название "феномена".Так как этот барьер до сих пор не преодолен, то в научно-популярных изданиях для широкой публики тема "феномена" обычно опускается вообще, а в специализированных научных публикациях и изданиях, авторы которых пытаются как-то справиться с этой математической проблемой, о "феномене" говорят как о вещи, недопустимой с научной точки зрения. Стивен Хоукинг, профессор математики из Кембриджского университета, и Дж.Ф.Р. Эллис, профессор математики университета в Кейптауне, в своей книге "Длинная шкала структуры пространство-время" указывают: "Достигнутые нами результаты подтверждают концепцию, что Вселенная возникла конечное число лет назад. Однако отправной пункт теории возникновения Вселенной - так называемый "феномен" - находится за гранью известных законов физики". Тогда приходится признать, что во имя обоснования "феномена", этого краеугольного камня теории большого взрыва , необходимо допустить возможность использования методов исследований, выходящих за рамки современной физики.
"Феномен", как и любой другой отправной пункт "начала Вселенной", включающий в себя что-то, что невозможно описать научными, категориями, остается открытым вопросом. Однако возникает следующий вопрос: откуда появился сам "феномен", как он образовался? Ведь проблема "феномена" - это только часть гораздо большей проблемы, проблемы самого источника начального состояния Вселенной. Иными словами - если первоначально Вселенная была сжата в точку, то что привело ее в это состояние? И если мы даже откажемся от вызывающего теоретические трудности "феномена", то все равно останется вопрос: как образовалась Вселенная?
В попытках обойти эту трудность, некоторые ученые предлагают так называемую теорию "пульсирующей Вселенной". По их мнению, Вселенная бесконечно, раз за разом, то сжимается в точку, то расширяется до каких-то границ. Такая Вселенная не имеет ни начала, ни конца, существуют только цикл расширения и цикл сжатия. При этом авторы гипотезы утверждают, что Вселенная существовала всегда, тем самым вроде бы полностью снимая вопрос о "начале мира". Но дело в том, что никто до сих пор не представил удовлетворительного объяснения механизма пульсации. Почему происходит пульсация Вселенной? Какими причинами она вызвана? Физик Стивен Вайнберг в своей книге "Первые три минуты" указывает, что при каждой очередной пульсации во Вселенной неизбежно должна возрастать величина соотношения количества фотонов к количеству нуклеонов, что ведет к угасанию новых пульсаций. Вайнберг делает вывод, что таким образом количество циклов пульсации Вселенной конечно, а значит, в какой-то момент они должны прекратиться. Следовательно, "пульсирующая Вселенная" имеет конец, а значит, имеет и начало...
И снова мы упираемся в проблему начала. Дополнительные хлопоты создает общая теория относительности Эйнштейна. Главной проблемой этой теории является то, что она не рассматривает время таким, каким мы его знаем. В эйнштейновской теории время и пространство объединены в четырехмерный пространственновременной континуум. Для него невозможно описать предмет, как занимающий определенное место в определенное время. Релятивистское описание предмета определяет его пространственное и временное положение как единое целое, растянутое от начало до конца существования предмета. Например, человек оказался бы изображенным как единое целое на всем пути своего развития от эмбриона до трупа. Такие конструкции носят название "пространственно-временных червей".
Но если мы "пространственно-временные черви", значит, мы являемся только заурядной формой материи. То, что человек разумное существо, при этом не учитывается. Определяя человека как "червя", теория относительности не принимает во внимание наше индивидуальное восприятие прошлого, настоящего и будущего, а рассматривает ряд отдельных случаев, объединенных пространственно-временным существованием. В действительности-то мы знаем, что мы существуем лишь в сегодняшнем дне, в то время как прошлое существует только в нашей памяти, а будущее - в нашем воображении. А это означает, что все концепции "начала Вселенной", построенные на теории относительности, не учитывают восприятие времени человеческим сознанием. Впрочем, само время еще мало изучено.
Анализируя альтернативные, немеханистические концепции возникновения Вселенной, Джон Гриббин в книге "Белые боги" подчеркивает, что в последние годы имеет место "серия взлетов творческого воображения мыслителей, которых сегодня мы уже не называем ни пророками, ни ясновидящими". Одним из таких творческих взлетов стала концепция "белых дыр", или квазаров, которые в потоке первичного вещества "выплевывают" из себя целые галактики. Другая обсуждающаяся в космологии гипотеза - идея так называемых пространственно-временных туннелей, так называемых "космических каналов". Эта мысль впервые была высказана в 1962 году физиком Джоном Уилером в книге "Геометродинамика", в которой исследователь сформулировал возможность надпространственных, необыкновенно быстрых межгалактических путешествий, которые при движении со скоростью света заняли бы миллионы лет. Некоторые версии концепции "надпространственных каналов" рассматривают возможность перемещения с их помощью в прошлое и будущее, а также в другие вселенные и измерения.
Бог и большой взрыв
Как видим, теория "большого взрыва" подвергается атакам со всех сторон, что вызывает законное неудовольствие у ученых, стоящих на ортодоксальных позициях. Одновременно в научных публикациях все чаще можно натолкнуться на косвенное или прямое признание существования надприродных сил, неподвластных науке. Возрастает число ученых, в том числе крупных математиков и физиков-теоретиков, которые убеждены в существовании Бога или высшего Разума. К числу таких ученых принадлежат, например, лауреаты Нобелевской премии Джордж Уэйлд и Уильям Маккри. Известный советский ученый, доктор наук, физик и математик О.В. Тупицын первым из отечественных ученых сумел математически доказать, что Вселенная, а вместе с ней и человек, сотворены Разумом, неизмеримо более могущественным, чем наш, - то есть Богом.Нельзя спорить, пишет в своих "Тетрадях" О. В. Тупицын, что жизнь, в том числе разумная, - это всегда строго упорядоченный процесс. В основе жизни лежит порядок, система законов, по которым движется материя. Смерть - это, напротив, беспорядок, хаос и, как следствие, разрушение материи. Без воздействия извне, причем воздействия разумного и целенаправленного, никакой порядок невозможен - тут же начинается процесс разрушения, означающий смерть. Без понимания этого, а значит, без признания идеи Бога науке никогда не суждено открыть первопричину Вселенной, возникшей из праматерии в результате строго упорядоченных процессов или, как называет их физика, фундаментальных законов. Фундаментальных - это значит основных и неизменных, без которых существование мира было бы вообще невозможным.
Однако современному человеку, особенно воспитанному на атеизме, очень трудно включить Бога в систему своего мировоззрения - в силу неразвитой интуиции и полного отсутствия понятия о Боге. Что ж, тогда, приходится верить в большой взрыв ...
Основываясь на знаниях о нынешнем состоянии Вселенной, ученые предполагают, что все должно было начаться с единственной точки с бесконечной плотностью и конечным временем, которые начали расширяться. После первоначального расширения, как гласит теория, Вселенная прошла фазу охлаждения, которая позволила появиться субатомным частицам и позже простым атомам. Гигантские облака этих древних элементов позже, благодаря гравитации, начали образовывать звезды и галактики.
Все это, по догадкам ученых, началось около 13,8 миллиарда лет назад, и поэтому эта отправная точка считается возрастом Вселенной. Путем исследования различных теоретических принципов, проведения экспериментов с привлечением ускорителей частиц и высокоэнергетических состояний, а также путем проведения астрономических исследований дальних уголков Вселенной ученые вывели и предложили хронологию событий, которые начались с Большого взрыва и привели Вселенную в конечном итоге к тому состоянию космической эволюции, которое имеет место быть сейчас.
Ученые считают, что самые ранние периоды зарождения Вселенной — продлившиеся от 10 -43 до 10 -11 секунды после Большого взрыва, — по прежнему являются предметом споров и обсуждений. Если учесть, что те законы физики, которые нам сейчас известны, не могли существовать в это время, то очень сложно понять, каким же образом регулировались процессы в этой ранней Вселенной. Кроме того, экспериментов с использованием тех возможных видов энергий, которые могли присутствовать в то время, до сих пор не проводилось. Как бы там ни было, многие теории о возникновении Вселенной в конечном итоге согласны с тем, что в какой-то период времени имелась отправная точка, с которой все началось.
Эпоха сингулярности
Также известная как планковская эпоха (или планковская эра) принимается за самый ранний из известных периодов эволюции Вселенной. В это время вся материя содержалась в единственной точке бесконечной плотности и температуры. Во время этого периода, как считают ученые, квантовые эффекты гравитационного взаимодействия доминировали над физическим, и ни одна из физических сил не была равна по силе гравитации.
Планковская эра предположительно длилась от 0 до 10 -43 секунды и названа она так потому, что измерить ее продолжительность можно только планковским временем . Ввиду экстремальных температур и бесконечной плотности материи состояние Вселенной в этот период времени было крайне нестабильным. После этого произошли периоды расширения и охлаждения, которые привели к возникновению фундаментальных сил физики.
Приблизительно в период с 10 -43 до 10 -36 секунды во Вселенной происходил процесс столкновения состояний переходных температур. Считается, что именно в этот момент фундаментальные силы, которые управляют нынешней Вселенной, начали отделяться друг от друга. Первым шагом этого отделения явилось появление гравитационных сил, сильных и слабых ядерных взаимодействий и электромагнетизма.
В период примерно с 10 -36 до 10 -32 секунды после Большого взрыва температура Вселенной стала достаточно низкой (1028 К), что привело к разделению электромагнитных сил (сильное взаимодействие) и слабого ядерного взаимодействия (слабого взаимодействия).
Эпоха инфляции
С появлением первых фундаментальных сил во Вселенной началась эпоха инфляции, которая продлилась с 10 -32 секунды по планковскому времени до неизвестной точки во времени. Большинство космологических моделей предполагают, что Вселенная в этот период была равномерно заполнена энергией высокой плотности, а невероятно высокие температура и давление привели к ее быстрому расширению и охлаждению.
Это началось на 10 -37 секунде, когда за фазой перехода, вызвавшей отделение сил, последовало расширение Вселенной в геометрической прогрессии. В этот же период времени Вселенная находилась в состоянии бариогенезиса, когда температура была настолько высокой, что беспорядочное движение частиц в пространстве происходило с околосветовой скоростью.
В это время образуются и сразу же сталкиваясь разрушаются пары из частиц — античастиц, что, как считается, привело к доминированию материи над антиматерией в современной Вселенной. После прекращения инфляции Вселенная состояла из кварк-глюоновой плазмы и других элементарных частиц. С этого момента Вселенная стала остывать, начала образовываться и соединяться материя.
Эпоха охлаждения
Со снижением плотности и температуры внутри Вселенной начало происходить и снижение энергии в каждой частице. Это переходное состояние длилось до тех пор, пока фундаментальные силы и элементарные частицы не пришли к своей нынешней форме. Так как энергия частиц опустилась до значений, которые можно сегодня достичь в рамках экспериментов, действительное возможное наличие этого временного периода вызывает у ученых куда меньше споров.
Например, ученые считают, что на 10 -11 секунде после Большого взрыва энергия частиц значительно уменьшилась. Примерно на 10 -6 секунде кварки и глюоны начали образовывать барионы — протоны и нейтроны. Кварки стали преобладать над антикварками, что в свою очередь привело к преобладанию барионов над антибарионами.
Так как температура была уже недостаточно высокой для создания новых протонно-антипротонных пар (или нейтронно-антинейтронных пар), последовало массовое разрушение этих частиц, что привело к остатку только 1/1010 количества изначальных протонов и нейтронов и полному исчезновению их античастиц. Аналогичный процесс произошел спустя около 1 секунды после Большого взрыва. Только «жертвами» на этот раз стали электроны и позитроны. После массового уничтожения оставшиеся протоны, нейтроны и электроны прекратили свое беспорядочное движение, а энергетическая плотность Вселенной была заполнена фотонами и в меньшей степени нейтрино.
В течение первых минут расширения Вселенной начался период нуклеосинтеза (синтез химических элементов). Благодаря падению температуры до 1 миллиарда кельвинов и снижения плотности энергии примерно до значений, эквивалентных плотности воздуха, нейтроны и протоны начали смешиваться и образовывать первый стабильный изотоп водорода (дейтерий), а также атомы гелия. Тем не менее большинство протонов во Вселенной остались в качестве несвязных ядер атомов водорода.
Спустя около 379 000 лет электроны объединились с этими ядрами водорода и образовали атомы (опять же преимущественно водорода), в то время как радиация отделилась от материи и продолжила практически беспрепятственно расширяться через пространство. Эту радиацию принято называть реликтовым излучением, и она является самым древнейшим источником света во Вселенной.
С расширением реликтовое излучение постепенно теряло свою плотность и энергию и в настоящий момент его температура составляет 2,7260 ± 0,0013 К (-270,424 °C), а энергетическая плотность 0,25 эВ (или 4,005×10 -14 Дж/м³; 400–500 фотонов/см³). Реликтовое излучение простирается во всех направлениях и на расстояние около 13,8 миллиарда световых лет, однако оценка его фактического распространения говорит примерно о 46 миллиардах световых годах от центра Вселенной.
Эпоха структуры (иерархическая эпоха)
В последующие несколько миллиардов лет более плотные регионы почти равномерно распределенной во Вселенной материи начали притягиваться друг к другу. В результате этого они стали еще плотнее, начали образовывать облака газа, звезды, галактики и другие астрономические структуры, за которыми мы можем наблюдать в настоящее время. Этот период носит название иерархической эпохи. В это время та Вселенная, которую мы видим сейчас, начала приобретать свою форму. Материя начала объединяться в структуры различных размеров — звезды, планеты, галактики, галактические скопления, а также галактические сверхскопления, разделенные межгалактическими перемычками, содержащими всего лишь несколько галактик.
Детали этого процесса могут быть описаны согласно представлению о количестве и типе материи, распределенной во Вселенной, которая представлена в виде холодной, теплой, горячей темной материи и барионного вещества. Однако современной стандартной космологической моделью Большого взрыва является модель Лямбда-CDM, согласно которой частицы темной материи двигаются медленнее скорости света. Выбрана она была потому, что решает все противоречия, которые появлялись в других космологических моделях.
Согласно этой модели на холодную темную материю приходится около 23 процентов всей материи/энергии во Вселенной. Доля барионного вещества составляет около 4,6 процента. Лямбда-CDM ссылается на так называемую космологическую постоянную: теорию, предложенную Альбертом Эйнштейном, которая характеризует свойства вакуума и показывает соотношение баланса между массой и энергией как постоянную статичную величину. В этом случае она связана с темной энергией, которая служит в качестве акселератора расширения Вселенной и поддерживает гигантские космологические структуры в значительной степени однородными.
Долгосрочные прогнозы относительно будущего Вселенной
Гипотезы относительно того, что эволюция Вселенной обладает отправной точкой, естественным способом подводят ученых к вопросам о возможной конечной точке этого процесса. Если Вселенная начала свою историю из маленькой точки с бесконечной плотностью, которая вдруг начала расширяться, не означает ли это, что расширяться она тоже будет бесконечно? Или же однажды у нее закончится экспансивная сила и начнется обратный процесс сжатия, конечным итогом которого станет все та же бесконечно плотная точка?
Ответы на эти вопросы были основной целью космологов с самого начала споров о том, какая же космологическая модель Вселенной является верной. С принятием теории Большого взрыва, но по большей части благодаря наблюдению за темной энергией в 1990-х годах, ученые пришли к согласию в отношении двух наиболее вероятных сценариев эволюции Вселенной.
Согласно первому, получившему название «большое сжатие», Вселенная достигнет своего максимального размера и начнет разрушаться. Такой вариант развития событий будет возможен, если только плотность массы Вселенной станет больше, чем сама критическая плотность. Другими словами, если плотность материи достигнет определенного значения или станет выше этого значения (1-3×10 -26 кг материи на м³), Вселенная начнет сжиматься.
Большой взрыв — в таком виде
Альтернативой служит другой сценарий, который гласит, что если плотность во Вселенной будет равна или ниже значения критической плотности, то ее расширение замедлится, однако никогда не остановится полностью. Согласно этой гипотезе, получившей название «тепловая смерть Вселенной», расширение продолжится до тех пор, пока звездообразования не перестанут потреблять межзвездный газ внутри каждой из окружающих галактик. То есть полностью прекратится передача энергии и материи от одного объекта к другому. Все существующие звезды в этом случае выгорят и превратятся в белых карликов, нейтронные звезды и черные дыры.
Постепенно черные дыры будут сталкиваться с другими черными дырами, что привет к образованию все более и более крупных. Средняя температура Вселенной приблизится к абсолютному нулю. Черные дыры в итоге «испарятся», выпустив свое последнее излучение Хокинга . В конце концов термодинамическая энтропия во Вселенной станет максимальной. Наступит тепловая смерть.
Современные наблюдения, которые учитывают наличие темной энергии и ее влияние на расширение космоса, натолкнули ученых на вывод, согласно которому со временем все больше и больше пространства Вселенной будет проходить за пределами нашего горизонта событий и станет невидимым для нас. Конечный и логичный результат этого ученым пока не известен, однако «тепловая смерть» вполне может оказаться конечной точкой подобных событий.
Есть и другие гипотезы относительно распределения темной энергии, а точнее, ее возможных видов (например фантомной энергии). Согласно им галактические скопления, звезды, планеты, атомы, ядра атомов и материя сама по себе будут разорваны на части в результате ее бесконечного расширения. Такой сценарий эволюции носит название «большого разрыва». Причиной гибели Вселенной согласно этому сценарию является само расширение.
История теории Большого взрыва
Самое раннее упоминание Большого взрыва относится к началу 20-го века и связано с наблюдениями за космосом. В 1912 году американский астроном Весто Слайфер провел серию наблюдений за спиральными галактиками (которые изначально представлялись туманностями) и измерил их доплеровское красное смещение. Почти во всех случаях наблюдения показали, что спиральные галактики отдаляются от нашего Млечного Пути.
В 1922 году выдающийся российский математик и космолог Александр Фридман вывел из уравнений Эйнштейна для общей теории относительности так называемые уравнения Фридмана. Несмотря продвижения Эйнштейном теории в пользу наличия космологической постоянной, работа Фридмана показала, что Вселенная скорее находится в состоянии расширения.
В 1924 году измерения Эдвина Хаббла дистанции до ближайшей спиральной туманности показали, что эти системы на самом деле являются действительно другими галактиками. В то же время Хаббл приступил к разработке ряда показателей для вычета расстояния, используя 2,5-метровый телескоп Хукера в обсерватории Маунт Вилсон. К 1929 году Хаббл обнаружил взаимосвязь между расстоянием и скоростью удаления галактик, что впоследствии стало законом Хаббла.
В 1927 году бельгийский математик, физик и католический священник Жорж Леметр независимо пришел к тем же результатам, какие показывали уравнения Фридмана, и первым сформулировал зависимость между расстоянием и скоростью галактик, предложив первую оценку коэффициента этой зависимости. Леметр считал, что в какой-то период времени в прошлом вся масса Вселенной была сосредоточена в одной точке (атоме).
Эти открытия и предположения вызывали много споров между физиками в 20-х и 30-х годах, большинство из которых считало, что Вселенная находится в стационарном состоянии. Согласно устоявшейся в то время модели, новая материя создается наряду с бесконечным расширением Вселенной, равномерно и равнозначно по плотности распределяясь на всей ее протяженности. Среди ученых, поддерживающих ее, идея Большого взрыва казалась больше теологической, нежели научной. В адрес Леметра звучала критика о предвзятости на основе религиозных предубеждений.
Следует отметить, что в то же время существовали и другие теории. Например, модель Вселенной Милна и циклическая модель. Обе основывались на постулатах общей теории относительности Эйнштейна и впоследствии получили поддержку самого ученого. Согласно этим моделям Вселенная существует в бесконечном потоке повторяющихся циклов расширений и коллапсов.
После Второй мировой войны между сторонниками стационарной модели Вселенной (которая фактически была описана астрономом и физиком Фредом Хойлом) и сторонниками теории Большого взрыва, быстро набиравшей популярность среди научного сообщества, разгорелись жаркие дебаты. По иронии судьбы, именно Хойл вывел фразу « », впоследствии ставшую названием новой теории. Произошло это в марте 1949 года на британском радио BBC.
В конце концов дальнейшие научные исследования и наблюдения все больше и больше говорили в пользу теории Большого взрыва и все чаще ставили под сомнение модель стационарной Вселенной. Обнаружение и подтверждение реликтового излучения в 1965 году окончательно укрепили Большой взрыв в качестве лучшей теории происхождения и эволюции Вселенной. С конца 60-х годов и вплоть до 1990-х астрономы и космологи провели еще больше исследований вопроса Большого взрыва и нашли решения для многих теоретических проблем, стоящих на пути у данной теории.
Среди этих решений, например, работа Стивена Хокинга и других физиков, которые доказали, что сингулярность являлась неоспоримым начальным состоянием общей относительности и космологической модели Большого взрыва. В 1981 году физик Алан Гут вывел теорию, описывающую период быстрого космического расширения (эпохи инфляции), которая решила множество ранее нерешенных теоретических вопросов и проблем.
В 1990-х наблюдался повышенный интерес к темной энергии, которую рассматривали как ключ к решению многих нерешенных вопросов космологии. Помимо желания найти ответ на вопрос о том, почему Вселенная теряет свою массу наряду с темной матерей (гипотеза была предложена еще в 1932 году Яном Оортом), также было необходимо найти объяснение тому, почему Вселенная по-прежнему ускоряется.
Дальнейший прогресс изучения обязан созданию более продвинутых телескопов, спутников и компьютерных моделей, которые позволили астрономам и космологам заглянуть дальше во Вселенной и лучше понять ее истинный возраст. Развитие космических телескопов и появление таких, как, например, Cosmic Background Explorer (или COBE), космический телескоп Хаббла, Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) и космическая обсерватория Планка, тоже внесло бесценный вклад в исследование вопроса.
Сегодня космологи могут с довольно высокой точностью проводить измерения различных параметров и характеристик модели теории Большого взрыва, не говоря уже о более точных вычислениях возраста окружающего нас космоса. А ведь все началось с обычного наблюдения за массивными космическими объектами, расположенными во многих световых годах от нас и медленно продолжающих от нас отдаляться. И несмотря на то, что мы понятия не имеем, чем это все закончится, чтобы выяснить это, по космологическим меркам на это потребуется не так уж и много времени.
Ответ на вопрос «Что такое Большой Взрыв?» может быть получен в ходе долгой дискуссии, поскольку занимает не мало времени. Я же попытаюсь объяснить эту теорию вкратце и по существу. Итак, теория «Большого Взрыва» постулирует, что наша Вселенная внезапно возникла приблизительно 13,7 миллиардов лет назад (из ничего появилось все). И происшедшее тогда до сих пор влияет на то, как и каким образом все во Вселенной взаимодействует друг с другом. Рассмотрим ключевые моменты теории.
Что было до Большого Взрыва?
Теория Большого Взрыва включает очень интересное понятие — сингулярность. Держу пари, это заставляет вас задаться вопросом: что это такое - сингулярность? Астрономы, физики и другие ученые также задаются этим вопросом. Сингулярности, как полагают, есть в ядрах черных дыр. Черная дыра - это область интенсивного гравитационного давления. Это давление, в соответствии с теорией, настолько интенсивно, что вещество сжимается, пока у него не появляется бесконечная плотность. Эту бесконечную плотность и называют сингулярностью . Наша Вселенная, как предполагают, началась как одна из этих бесконечно маленьких, бесконечно горячих и бесконечно плотных сингулярностей. Однако мы еще не подошли к самому Большому Взрыву. Большой Взрыв - это момент, в котором эта сингулярность внезапно «взорвалась» и начала расширяться и создала нашу Вселенную.
Теория «Большого Взрыва» казалось бы подразумевает, что время и пространство существовали прежде, чем возникла наша Вселенная. Однако Стивен Хокинг, Джордж Эллис и Роджер Пенроз (и др.) развивали в конце 1960-х теорию, которая пыталась объяснить, что время и пространство не существовали до расширения сингулярности. Другими словами, ни время, ни пространство не существовали, пока не существовала Вселенная.
Что произошло после Большого Взрыва?
Момент Большого Взрыва — это момент начала времени. После Большого Взрыва, но задолго до первой секунды (10 -43 секунды), космос переживает сверхбыстрое инфляционное расширение, увеличившись в 1050 раз за долю секунды.
Затем расширение замедляется, но первая секунда еще не наступила (еще только 10 -32 секунды). В этот момент Вселенная представляет собой кипящий «бульон» (с температурой 10 27 °C) из электронов, кварков и других элементарных частиц.
Быстрое остывание космоса (до 10 13 °C) позволяет кваркам объединяться в протоны и нейтроны. Тем не менее первая секунда еще не наступила (еще только 10 -6 секунды).
На 3 минуте, слишком горячие для объединения в атомы, заряженные электроны и протоны препятствуют испусканию света. Вселенная представляет собой сверхгорячий туман (10 8 °C).
Через 300 000 лет Вселенная остывает до 10 000 °C, электроны с протонами и нейтронами образуют атомы, в основном водорода и гелия.
Спустя 1 млрд. лет после Большого Взрыва, когда температура Вселенной достигла -200 °C, водород и гелий формируют гигантские «облака», которые впоследствии станут галактиками. Появляются первые звезды.
Теория Большого взрыва стала почти такой же общепринятой космологической моделью, как и вращение Земли вокруг Солнца. Согласно теории, около 14 млрд лет назад спонтанные колебания в абсолютной пустоте привели к появлению Вселенной. Нечто, сравнимое по размеру с субатомной частицей, расширилось до невообразимых размеров за доли секунды. Но в этой теории существует много проблем, над которыми бьются физики, выдвигая всё новые и новые гипотезы.
Что не так с теорией Большого взрыва
Из теории следует, что все планеты и звёзды образовались из пыли, размётанной по космосу в результате взрыва. Но что предшествовало ему, неясно: здесь наша математическая модель пространства-времени перестаёт работать. Вселенная возникла из начального сингулярного состояния, к которому не применить современную физику. Теория также не рассматривает причины возникновения сингулярности или материи и энергии для её возникновения. Считается, что ответ на вопрос о существовании и происхождении начальной сингулярности даст теория квантовой гравитации.
Большинство космологических моделей предсказывают, что полная Вселенная имеет размер намного больший, чем наблюдаемая часть - сферическая область с диаметром примерно 90 млрд световых лет. Мы видим только ту часть Вселенной, свет от которой успел достичь Земли за 13,8 млрд лет. Но телескопы становятся всё лучше, мы обнаруживаем всё более дальние объекты, и пока нет оснований считать, что этот процесс остановится.
С момента Большого взрыва Вселенная расширяется с ускорением . Сложнейшая загадка современной физики - вопрос о том, что вызывает ускорение. Согласно рабочей гипотезе, во Вселенной содержится невидимая составляющая, называемая «тёмной энергией». Теория Большого взрыва не объясняет, будет ли Вселенная расширяться бесконечно, и если да, то к чему это приведёт - к её исчезновению или чему-то ещё.
Хотя ньютоновскую механику потеснила релятивистская физика, её нельзя назвать ошибочной. Тем не менее восприятие мира и модели для описания Вселенной полностью изменились. Теория Большого взрыва предсказала ряд вещей, которые не были известны до того. Таким образом, если на её место придёт другая теория, то она должна быть похожей и расширить понимание мира.
Мы остановимся на самых интересных теориях, описывающих альтернативные модели Большого взрыва.
Вселенная как мираж чёрной дыры
Вселенная возникла благодаря коллапсу звезды в четырёхмерной Вселенной, считают учёные из Института теоретической физики «Периметр». Результаты их исследования опубликовал журнал Scientific American . Ниайеш Афшорди, Роберт Манн и Рази Пурхасан говорят, что наша трёхмерная Вселенная стала подобием «голографического миража» при схлопывании четырёхмерной звезды. В отличие от теории Большого взрыва, согласно которой Вселенная возникла из чрезвычайно горячего и плотного пространства-времени, где не применяются стандартные законы физики, новая гипотеза о четырёхмерной вселенной объясняет как причины зарождения, так и её стремительного расширения
Согласно сценарию, сформулированному Афшорди и его коллегами, наша трёхмерная Вселенная - это своеобразная мембрана, которая плывёт сквозь ещё более объёмную вселенную, существующую уже в четырёх измерениях. Если бы в этом четырёхмерном космосе существовали свои четырёхмерные звёзды, они бы тоже взрывались, как и трёхмерные в нашей Вселенной. Внутренний слой становился бы чёрной дырой, а внешний выбрасывался бы в пространство.
В нашей Вселенной чёрные дыры окружены сферой, называемой горизонтом событий. И если в трёхмерном пространстве эта граница двухмерная (как мембрана) , то в четырёхмерной вселенной горизонт событий будет ограничен сферой, существующей в трёх измерениях. Компьютерное моделирование коллапса четырёхмерной звезды показало, что её трёхмерный горизонт событий будет постепенно расширяться. Именно это мы и наблюдаем, называя рост 3D-мембраны расширением Вселенной, полагают астрофизики.
Большая заморозка
Альтернативой Большому взрыву может быть Большая заморозка. Команда физиков из Мельбурнского университета во главе с Джеймсом Кватчем представила модель рождения Вселенной, которая больше напоминает постепенный процесс заморозки аморфной энергии, чем её выплеск и расширение в трёх направлениях пространства.
Бесформенная энергия, по мнению учёных, подобно воде охладилась до кристаллизации, создав привычные три пространственных и одно временное измерение.
Теория Большой заморозки ставит под сомнение принятое в настоящее время утверждение Альберта Эйнштейна о непрерывности и плавности пространства и времени. Не исключено, что пространство имеет составные части - неделимые стандартные блоки наподобие крошечных атомов или пикселей в компьютерной графике. Эти блоки настолько малы, что их невозможно наблюдать, однако, следуя новой теории, можно обнаружить дефекты, которые должны преломлять потоки других частиц. Учёные вычислили такие эффекты с помощью математического аппарата, а теперь попытаются обнаружить их экспериментально.
Вселенная без начала и конца
Ахмед Фараг Али из Университета Бенха в Египте и Саурия Дас из Университета Летбриджа в Канаде предложили новое решение проблему сингулярности, отказавшись от Большого взрыва. Они привнесли в уравнение Фридмана, описывающее расширение Вселенной и Большой взрыв, идеи известного физика Дэвида Бома . «Удивительно, что небольшие поправки потенциально могут решить так много вопросов», - говорит Дас.
Полученная модель объединила в себе общую теорию относительности и квантовую теорию. Она не только отрицает сингулярность, предшествовавшую Большому взрыву, но и не допускает того, что Вселенная со временем сожмётся обратно в первоначальное состояние. Согласно полученным данным, Вселенная имеет конечный размер и бесконечное время жизни. В физическом выражении модель описывает Вселенную, наполненную гипотетической квантовой жидкостью, которая состоит из гравитонов - частиц, обеспечивающих гравитационное взаимодействие.
Учёные также утверждают, что их выводы соотносятся с последними результатами измерения плотности Вселенной.
Бесконечная хаотическая инфляция
Термин «инфляция» обозначает стремительное расширение Вселенной, происходившее по экспоненте в первые мгновения после Большого взрыва. Сама по себе теория инфляции не опровергает теорию Большого взрыва, а лишь по-другому интерпретирует её. Эта теория решает несколько фундаментальных проблем физики.
Согласно инфляционной модели, вскоре после зарождения Вселенная очень короткое время расширялась по экспоненте: её размер многократно удваивался. Учёные полагают, что за 10 в -36 степени секунд Вселенная увеличилась в размерах как минимум в 10 в 30–50 степени раз, а возможно, и больше. В конце инфляционной фазы Вселенная заполнилась сверхгорячей плазмой из свободных кварков, глюонов, лептонов и высокоэнергетичных квантов.
Концепция подразумевает , что в мире существует множество изолированных друг от друга вселенных с разным устройством
Физики пришли к выводу, что логика инфляционной модели не противоречит идее постоянного множественного рождения новых вселенных. Квантовые флуктуации - такие же, как те, из-за которых появился наш мир - могут возникать в любом количестве, если для этого есть подходящие условия. Вполне возможно, что наше мироздание вышло из флуктуационной зоны, сформировавшейся в мире-предшественнике. Можно также допустить, что когда-нибудь и где-нибудь в нашей Вселенной образуется флуктуация, которая «выдует» юную вселенную совершенно другого рода. По такой модели дочерние вселенные могут отпочковываться непрерывно. При этом вовсе не обязательно, что в новых мирах устанавливаются одни и те же физические законы. Концепция подразумевает, что в мире существует множество изолированных друг от друга вселенных с разным устройством.
Циклическая теория
Пол Стейнхардт, один из физиков, заложивших основы инфляционной космологии, решил развить эту теорию и дальше. Учёный, который возглавляет Центр теоретической физики в Принстоне, совместно с Нэйлом Тьюроком из Института теоретической физики «Периметр» изложил альтернативную теорию в книге Endless Universe: Beyond the Big Bang («Бесконечная Вселенная: За гранью Большого взрыва»). Их модель основана на обобщении теории квантовых суперструн, известной как М-теория. Согласно ей, физический мир имеет 11 измерений - десять пространственных и одно временное. В нём «плавают» пространства меньших размерностей, так называемые браны (сокращение от «мембраны»). Наша Вселенная - просто одна из таких бран.
Модель Стейнхардта и Тьюрока утверждает, что Большой взрыв произошёл в результате столкновения нашей браны с другой браной - неизвестной нам вселенной. По этому сценарию столкновения происходят бесконечно. Согласно гипотезе Стейнхардта и Тьюрока, рядом с нашей браной «плавает» ещё одна трёхмерная брана, отделённая крошечным расстоянием. Она также расширяется, уплощается и пустеет, но через триллион лет браны начнут сближаться и в конце концов столкнутся. При этом выделится огромное количество энергии, частиц и излучения. Этот катаклизм запустит очередной цикл расширения и охлаждения Вселенной. Из модели Стейнхардта и Тьюрока следует, что эти циклы были и в прошлом и обязательно повторятся в будущем. С чего эти циклы начались, теория умалчивает.
Вселенная
как компьютер
Ещё одна гипотеза об устройстве мироздания гласит, что весь наш мир - это не более чем матрица или компьютерная программа. Идею о том, что Вселенная представляет собой цифровой компьютер, впервые выдвинул немецкий инженер и пионер компьютеростроения Конрад Цузе в книге Calculating Space («Вычислительное пространство»). Среди тех, кто также рассматривал Вселенную как гигантский компьютер, значатся физики Стивен Вольфрам и Герард "т Хоофт.
Теоретики цифровой физики предполагают, что Вселенная - по сути информация, и, следовательно, она вычислима. Из этих предположений следует, что Вселенную можно рассматривать как результат работы компьютерной программы или цифрового вычислительного устройства. Этот компьютер может быть, например, гигантским клеточным автоматом или универсальной машиной Тьюринга .
Косвенным доказательством виртуальной природы Вселенной называют принцип неопределённости в квантовой механике
Согласно теории, всякий предмет и событие физического мира происходит из постановки вопросов и регистрации ответов «да» или «нет». То есть за всем, что нас окружает, скрывается некий код, аналогичный бинарному коду компьютерной программы. А мы - своего рода интерфейс, с помощью которого появляется доступ к данным «вселенского интернета». Косвенным доказательством виртуальной природы Вселенной называют принцип неопределённости в квантовой механике: частицы материи могут существовать в неустойчивой форме, а «закрепляются» в конкретном состоянии только при наблюдении за ними.
Последователь цифровой физики Джон Арчибальд Уилер писал : «Не было бы неразумным представить, что информация находится в ядре физики так же, как в ядре компьютера. Всё из бита. Иными словами, всё сущее - каждая частица, каждое силовое поле, даже сам пространственно-временной континуум - получает свою функцию, свой смысл и, в конечном счёте, само своё существование».
После загадочной космологической сингулярности следует не менее таинственная планковская эра (0 -10 -43 с). Трудно сказать какие процессы происходили в этот краткий миг новорождённой Вселенной. Но точно известно, что к концу планковского момента гравитационное воздействие отделилось от трёх фундаментальных сил, соединенных в единую группу Великого объединения.
Для того, чтобы описать более ранний момент, необходима новая теория, частью которой может стать модель петлевой квантовой гравитации и теория струн. Получается, что планковская эра, как и космологическая сингулярность, составляет сверхмалый по длительности, но значительный по научному весу пробел в доступных знаниях ранней Вселенной. Так же в пределах планковского времени существовали своеобразные флуктации пространства и времени. Для описания этого квантового хаоса можно использовать образ пенящихся квантовых ячеек пространства-времени.
По сравнению с планковской эрой дальнейшие события предстают перед нами в ярком и понятном свете. В период с 10 -43 с до 10 -35 с в молодой Вселенной уже действовали силы гравитации и Великого объединения. В этот период сильное, слабое и электромагнитное воздействия были единым целым и составляли силовое поле Великого объединения.
Когда с момента Большого взрыва прошло 10 -35 с, Вселенная достигла температуры 10 29 К. В этот момент сильное взаимодействие отделилось от электрослабого. Это привело к нарушению симметрии, которое происходило по-разному в разных частях Вселенной. Есть вероятность, что Вселенная разделилась на части, которые были отгорожены друг от друга дефектами пространства-времени. Так же там могли существовать и другие дефекты - космические струны или магнитные монополи. Однако, сегодня мы не можем этого видеть из-за другого разделения силы Великого объединения - космологической инфляции.
В то время Вселенная была заполнена газом из гравитонов - гипотетических квантов поля тяготения и бозонов силы Большого объединения. В это же время почти не существовала разница между лептонами и кварками.
Когда в некоторых частях Вселенной произошло разделение сил, возник ложный вакуум. Энергия застряла на высоком уровне, вынуждая пространство удваиваться каждые 10 -34 с. Таким образом, Вселенная от квантовых масштабов(одна миллиардная триллионной триллионной доли сантиметра) перешла к размерам шара с диаметром около 10 см. В результате эпохи Великого объединения произошёл фазовый переход первичной материи, который сопровождался нарушением однородности её плотности. Эпоха Великого объединения закончилась приблизительно в 10 ?34 секунд с момента Большого Взрыва, когда плотность материи составляла 10 74 г/смі, а температура 10 27 K. В этот момент времени от первичного взаимодействия отделяется сильное ядерное взаимодействие, которое начинает играть важную роль в создавшихся условиях. Это отделение привело к следующему фазовому переходу и масштабному расширению Вселенной, которое привело к изменению плотности вещества и распределению его по Вселенной.
Одна из причин, почему мы так мало знаем о состоянии Вселенной до инфляции, заключается в том, что дальнейшие события очень сильно её изменили, разбросав частицы до инфляционного возраста по самым дальним уголкам Вселенной. Поэтому, даже если эти частицы и сохранились, обнаружить их в современном веществе достаточно сложно.
С быстрым развитием Вселенной происходят большие изменения, и в след за периодом Великого объединения идёт эпоха инфляции (10 -35 - 10 -32). Для этой эпохи характерно сверхбыстрое расширения молодой Вселенной, то есть инфляция. В этот краткий миг Мироздание представляло собой океан ложного вакуума с высокой плотностью энергии, благодаря чему и стало возможно расширение. При этом параметры вакуума постоянно менялись из-за квантовых всплесков - флуктации (пространство-временное вспенивание).
Инфляция объясняет природу взрыва при Большом взрыве, то есть почему происходило стремительное расширение Вселенной. Основой для описания этого явления послужили общая теория относительности Эйнштейна и квантовая теория поля. Для того, что описать это явление, физики построили гипотетическое инфлаторное поле, которое заполняло всё пространство. Благодаря случайным колебаниям оно принимало разные значения в произвольных пространственных областях и в разные моменты времени. Затем в инфлаторном поле образовалась однородная конфигурация критического размера, после чего пространственная область, занятая флуктацией, начала быстро увеличиваться в размерах. Из-за стремления инфлаторного поля занять положение, в котором его энергия минимальна, процесс расширения обрёл нарастающий характер, в результате которого Вселенная начала увеличиваться в размерах. В момент расширения(10 -34) начал распадаться ложный вакуум, в результате чего начинают образоваться частицы и античастицы больших энергий.
В истории Вселенной наступает адронная эра, важной особенностью которой является существования частиц и античастиц. Согласно современным представлениям в первые микросекунды после Большого взрыва, Вселенная находилась в состоянии кварк-глюонной плазмы. Кварки являются составными частями всех адронов (протонов и нейтронов), а нейтральные частицы глюоны-переносчики сильного взаимодействия, которые обеспечивают слипание кварков в адроны. В первые моменты Вселенной эти частицы только образовывались и находились в свободном, газообразном, состоянии.
Хромоплазму кварков и глюонов обычно сравнивают с жидким состоянием взаимодействующей материи. В такой фазе кварки и глюоны освобождаются от адронной материи и могут свободно перемещаться по всему плазменному пространству, в результате чего образуется цветопроводность.
Не смотря на экстремально высокие температуры, кварки были достаточно связаны между собой, а их движение напоминало скорее движение атомов в жидкости, чем в газе. Так же при таких условиях происходит ещё один фазовый переход, при котором лёгкие кварки, составляющие вещество, становятся безмассовыми.
Наблюдения реликтового фона показали, что первоначальное изобилие частиц по сравнению с количеством античастиц составляло ничтожно малую долю от общего числа. И именно этих избыточных протонов хватило для создания вещества Вселенной.
Некоторые учёные полагают, что в адронной эре существовали и скрытие вещества. Носитель скрытой массы неизвестен, но наиболее вероятными считаются такие элементарные частицы как аксионы.
В процессе развития взрыва температура падала и через одну десятую секунды достигала 3*10 10 градусов Цельсия. Через одну секунду - десять тысяч миллионов градусов, а через тринадцать секунд- три тысячи миллионов. Этого было уже достаточно для того, чтобы электроны и позитроны начали аннагилировать быстрее. Энергия, выделяющаяся при аннагиляции, постепенно замедляла скорость охлаждения Вселенной, но температура продолжала падать.
Период с 10-4 - 10 с принято называть эрой лептонов. Когда энергия частиц и фотонов понизилась в сотню раз, вещество заполнили лептоны-электроны и позитроны. Лептонная эра начинается с распада последних адронов в мюоны и мюонное нейтрино, а кончается через несколько секунд, когда энергия фотонов резко уменьшилась и генерация электрон-позитронных пар прекратилась.
Примерно через одну сотую секунды после Большого взрыва температура Вселенной была равна 10 11 градусов Цельсия. Это намного горячее, чем в центре любой известной нам звезды. Эта температура так высока, что ни один из компонентов обычного вещества, атомы и молекулы, не могли существовать. Вместо этого молодая Вселенная состояла из элементарных частиц. Одними из этих частиц были электроны, - отрицательно заряженные частицы, которые образую внешние части всех атомов. Другими частицами были позитроны,- положительно заряженные частицы с массой, в точности равной массе электрона. Помимо этого существовало нейтрино различных типов- призрачных частиц, не имеющих ни массы, ни электрического заряда. Но нейтрино и антинейтрино не аннигилировали друг с другом, потому что эти частицы очень слабо взаимодействуют между собой и другими частицами. Поэтому они до сих пор должны встречаться вокруг нас, и они могло бы стать хорошим способ проверки модели горячей ранней Вселенной. Однако энергии этих частиц сейчас слишком малы для их наблюдения.
Во время эры лептонов имелись такие частицы как протоны и нейтроны. И наконец, во Вселенной был свет, который, согласно, квантовой теории, состоит из фотонов. В пропорциональном отношении, на один нейтрон и протон приходилось тысяча миллионов электронов. Все эти частицы непрерывно рождались из чистой энергии, а затем аннигилировали, образовывали другие виды частиц. Плотность в ранней Вселенной при столь высоких температурах была в четыре тысячи миллионов раз больше, чем у воды.
Как говорилось ранее, именно в этот период происходит интенсивное рождение в ядерных реакциях различных типов призрачного нейтрино, которое называют реликтовым.
Начинается радиационная эра, в начале которой Вселенная вступает в эпоху излучения. В начала эры (10 с) излучение интенсивно взаимодействовало с заряженными частицами протонов и электронов. Из-за падения температуры фотоны охлаждались, и в результате многочисленных рассеяний на удаляющихся частицах уносилась часть их энергии.
Примерно через сто секунд после Большого взрыва температура падает до тысячи миллионов градусов, что соответствует температуре самых горячих звёзд. При таких условиях энергии протонов и нейтронов уже недостаточно для сопротивления сильному ядерному притяжению, и они начинают объединяться друг с друг с другом, образуя ядра дейтерия- тяжёлого водорода. Затем ядра дейтерия присоединяют другие нейтроны и протоны и превращаются в ядра гелия. После образуются более тяжёлые элементы - литий и бериллий. Первичное образование атомных ядер рождающегося вещества продолжалось недолго. После трёх минут частицы разлетелись так далеко друг от друга, что столкновения стали редким явлением. Согласно горячей модели Большого взрыва, около четвёртой части протонов и нейтронов должно было превратиться в атомы гелия, водорода и других элементов. Оставшиеся элементарные частицы распались на протоны, представляющие ядра обычного водорода.
Через несколько часов после Большого взрыва образование гелия и других элементов прекратилось. В течение миллиона лет Вселенная просто продолжала расширяться и в ней почти больше ничего не происходило. Существующая в тот период материя начала расширяться и охлаждаться. Значительно позже, через сотни тысяч лет температура упала до нескольких тысяч градусов, и энергии электронов и ядер стало недостаточно для преодоления действующего между ними электромагнитного притяжения. Они начали сталкиваться между собой, образуя первые атомы водорода и гелия (рис 2).