Теория происхождения вселенной: Теория большого взрыва

Содержание

Теория большого взрыва

Одна из версий возникновения нашей Вселенной — теория Большого взрыва. В ее основе лежит простая мысль — у Вселенной было начало. Т&Р вместе с автором подкаста «Теория Большой Бороды» Антоном Поздняковым простыми словами объясняют теорию и рассказывают, как происходил «взрыв».

В чем суть теории Большого Взрыва

Теория Большого Взрыва — это космологическая модель, которая описывает ранние стадии развития Вселенной. В ее основе лежит мысль, которая до недавнего времени была совсем не очевидной — у нашей Вселенной было начало.

В начале 20 века астрономы обнаружили, что удаленные от нас галактики разлетаются в разные стороны. Из этого следует, что наша Вселенная не статична, а расширяется. И если с течением времени происходит расширение, то когда-то в прошлом оно должно было начаться. Именно момент, с которого началось расширение Вселенной, сейчас и называют «Большим взрывом». По современным подсчетам, произошло это 13.8 миллиардов лет назад.

Говорить о том, что было до Большого Взрыва, не совсем корректно. По современным физическим представлениям, сама концепция времени, в нашем понимании, тогда не существовала. Не было ни «до», ни «после», ни «во время». Теория Большого Взрыва же описывает ранние стадии расширения Вселенной, то есть события, происходившие непосредственно после Большого Взрыва.

Как происходил Большой Взрыв

Все процессы после Большого Взрыва были обусловлены тем, что Вселенная постепенно остывала и становилась все менее плотной. Как мы знаем, температура — это мера движения частиц. Температура падает — частицы замедляются. Чем медленнее двигаются частицы, тем проще им друг с другом соединяться. По мере остывания Вселенной сначала отдельно летающие кварки смогли объединиться в протоны, нейтроны и другие адроны и лептоны. Затем уже полученные частицы, продолжая замедляться, начали формировать первые ядра привычных нам атомов.

Период формирования первых атомов во Вселенной называется первичным нуклеосинтезом. Продолжался он примерно 20 минут после Большого Взрыва. В этот период вся Вселенная была разогрета до состояния, которое мы сегодня наблюдаем внутри звезд. В этот период в основном формировались ядра водорода и гелия в соотношении 3 к 1. Такие доли водорода и гелия, двух самых распространенных элементов во Вселенной, мы наблюдаем до сих пор.

Один из самых часто задаваемых вопросов — где именно произошел Большой Взрыв? Ведь если был взрыв, должен быть и эпицентр. Но на самом деле это заблуждение, которое происходит из не совсем корректного термина «взрыв». Дело в том, что у нашей Вселенной нет центра (примерно как нельзя обозначить центр на поверхности сферы). Правильнее представлять, что Большой Взрыв произошел сразу везде, во всех точках Вселенной одновременно.

После того, как закончился первичный нуклеосинтез, и новые ядра атомов уже почти не формировались, Вселенная все еще оставалась горячей настолько, что вещество в ней находилось в состоянии плазмы. В ней электроны летали отдельно от ядер. И благодаря свободно летающим электронам в этот период Вселенная была непрозрачной для света. Фотоны постоянно сталкивались с электронами и не могли лететь прямо, как будто их закрыли в зеркальном лабиринте. Поэтому же, кстати, вы не можете их видеть сквозь лампу дневного света или сквозь наше Солнце. Они тоже состоят из плазмы, и поэтому непрозрачны.

Вселенная продолжала остывать, и спустя примерно 300 000 лет после Большого Взрыва температура опустилась достаточно, чтобы электроны могли присоединиться к ядрам атомов, и, как следствие, Вселенная стала прозрачной. Этот момент называется рекомбинацией. Фотоны, которыми было наполнено все вокруг, больше не видели препятствий в виде электронов и смогли лететь прямо. При чем сразу отовсюду и во все стороны.

Собственно, именно те фотоны, которые были «освобождены» в момент рекомбинации, мы видим и сегодня. Спустя более чем 13 миллиардов лет они долетают до нас в виде реликтового излучения — микроволнового космического фона, который мы регистрируем с помощью современных телескопов.

Обнаружение реликтового излучения — одно из главных подтверждений Теории Большого Взрыва. Важной его особенностью является однородность. Оно одинаковое независимо от того, в какую сторону мы посмотрим. Это также косвенно подтверждает, что у Вселенной нет некого выделенного направления. Куда бы мы не посмотрели, на больших масштабах Вселенная одинакова во всех направлениях.

Сегодня существует множество подтверждений Теории Большого Взрыва. Мы наблюдаем расширение Вселенной и видим, как формировались галактики и межгалактические структуры на разных этапах эволюции Вселенной, наблюдаем предсказанное соотношение гелия и водорода в последней. Все они сходятся с текущими представлениями о ранних этапах формирования Вселенной, которые и описывает ТБВ.

В самой теории есть неточности, которые нужно будет устранять дальнейшими более точными и подробными астрономическими наблюдениями и разработкой более совершенных физических моделей. Но то количество независимых перекрестных данных, которые уже есть на руках у современной космологии, позволяют нам с уверенностью говорить о том, что Большой Взрыв, ставший отправной точкой расширения Вселенной, действительно произошел, и все вокруг нас — это его прямые последствия.

Подробнее о теории Большого взрыва можно узнать в выпуске подкаста «Теория Большой Бороды». Его ведущий простыми словами рассказывает о науке и космосе, общается с гостями из научного мира, разбирает концепты из мира scifi.

Антон Поздняков

5 интересных теорий происхождения Вселенной – HEROINE

Есть много теорий происхождения Вселенной: от создания ее богом до Большого взрыва. Но ни одна гипотеза пока не была доказана на 100 %. Из этого материала ты узнаешь о пяти интересных концепциях происхождения Вселенной.

1. Теория медленной заморозки

Распространенная теория Большого взрыва описывает происхождение Вселенной из единой твердой массы. Она начала расширяться, что привело к высвобождению энергии и материи, которая и создала мир.

А вот теория медленной заморозки бросает вызов Большому взрыву. Ученые описывают процесс создания Вселенной похожим на то, как вода превращается в лед.

Концепция состоит в том, что изначально Вселенная была в жидком состоянии, потом превратилась в кристаллы и раскололась на множество мельчайших частиц. Эти невидимые блоки и составляют ее основу, являясь мельчайшими атомами, которые практически невозможно разглядеть.

2. Теория хаотической инфляции

Алан Гут в 1979 году ввел термин «инфляция» относительно Вселенной. Он помог объяснить, почему Вселенная представляет собой плоскость. Но если бы теория Гута была верна, вряд ли появились бы звезды и галактики, которые состоят из хаотично разбросанных частиц.

Теория хаотической инфляции была сформирована профессором Андреем Линде из США. Она не противоречит Большому взрыву, а по-другому его интерпретирует. А еще помогает решить несколько проблем, с которыми сталкивались ученые-физики.

Согласно этой теории, после Большого взрыва размер Вселенной рос по экспоненте, то есть увеличивался пропорционально ее изначальному значению. Если изначально ее размер был 10 в -36 степени, буквально за несколько секунд Вселенная увеличилась как минимум в 10 в 30 степени раз.

Также теория утверждает, что этот процесс происходит бесконечно, затрагивая разные части Вселенной.

Это приводит к концепции мультивселенной. Ее ты могла видеть в фильме про Доктора Стрэнджа, который вышел в 2022 году.

Мультивселенная представляет собой отдельные Вселенные, кардинально отличающиеся друг от друга. Они могут возникать в любом количестве и уголках пространства, если есть подходящие для этого условия.

3. Одноэлектронная теория Вселенной

Эта теория отражает Вселенную, как скопление миллиардов электронов. Тонкость в том, что все они являются одним электроном, который находится то в одной, то в другой точке пространства.

Наглядно это можно объяснить так: ты совершаешь путешествие во времени из понедельника в субботу, а затем обратно в понедельник. И повторяешь перемещение несколько раз. У тебя получается несколько копий самой себя, расположенных в разных пространствах.

А электрон, согласно концепции одноэлектронной Вселенной, делает это триллионы раз на протяжении миллиардов лет.

Основоположником этой концепции считается американский ученый-физик Ричард Фейнман. Он пришел к выводу, что все электроны на самом деле являются одним, когда разговаривал по телефону с профессором физики Джоном Уилером.

Согласно теории Фейнмана, электрон, который движется по времени назад, то же самое, что позитрон (античастица электрона), который движется вперед. Он заметил, что если две частицы сталкиваются, они исчезают, выделяя гамма-кванта энергию.

Однако, в этой концепции создания Вселенной есть свои проблемы. Выходит, что число электронов в пространстве должно быть равно числу позитронов. Или значение должно быть больше или меньше на единицу.

Но во Вселенной позитронов гораздо меньше. Джон Уилер отмечал, что они могут скрываться в протонах или других частицах, и мы просто не знаем этого.

К сожалению, какой бы интригующей ни была теория одноэлектронной Вселенной, доказать ее вряд ли удастся.

4. Гипотеза симуляции

Если ты смотрела фильмы «Матрица» с Киану Ривзом, тебе будет просто представить эту гипотезу. Она заключается в том, что вся Вселенная — набор букв и цифр компьютерного кода или выполненная другим способом иллюзия.

В 2003 году шведский ученый Ник Бостром опубликовал свою статью «Доказательство симуляции», которая является одной из главных работ в этой области.

Но сама гипотеза симуляции начала зарождаться гораздо раньше. Мысль о том, что реальность может быть кем-то созданной иллюзией, выдвигалась древнегреческим философом Пифагором. Похожего мнения придерживался Аристотель. А в ряде индийских философских школ рассматривалась концепция майя — иллюзии повседневного бытия и человеческого существования на фоне бытия вечного Абсолюта.

Как бы ни была интересна теория матрицы, она подвергается активной критике со стороны научного сообщества. Они делают упор на то, что в статьях, где исследуется подобная концепция, есть множество логических ошибок и ссылаются на недостаток доказательной базы.

5. Теория черной дыры

Черная дыра — это пространственно-временная область, которая обладает высоким гравитационным притяжением. Из-за этого ее не могут покинуть объекты, которые находятся внутри, даже если они движутся со скоростью света.

Согласно одной из концепций происхождения Вселенной, она возникла из черной дыры, которая находится в другой Вселенной.

Если бы все так и произошло, было бы невозможно пересечь границу черной дыры и найти подтверждение или опровержение этой теории за ее пределами. Учитывая, что наша Вселенная «закрыта», вряд ли получится найти ее край — исследователи будут перемещаться либо к начальной точке путешествия, либо оно будет длиться бесконечно.

Но эта теория имеет и свои недостатки — черные дыры нестабильны и закрываются практически сразу после появления. Чтобы Вселенная внутри расширялась, ей нужна экзотическая материя с отрицательной плотностью энергии. Но никто не знает, существует ли она на самом деле.

Читать по теме:Возможно ли заняться сексом в космосе

Добавить в избранное

Статьи по теме:

Происхождение Вселенной — Scientific American

Вселенная велика как в пространстве, так и во времени, и на протяжении большей части истории человечества была вне досягаемости наших инструментов и нашего разума. Это резко изменилось в 20 веке. Успехи были в равной степени обусловлены мощными идеями — от общей теории относительности Эйнштейна до современных теорий элементарных частиц — и мощными инструментами — от 100- и 200-дюймовых рефлекторов, построенных Джорджем Эллери Хейлом, которые перенесли нас за пределы нашей галактики Млечный Путь в космический телескоп Хаббл, который вернул нас к рождению галактик. За последние 30 лет темпы прогресса ускорились благодаря осознанию того, что темная материя не состоит из обычных атомов, открытию темной энергии и появлению смелых идей, таких как космическая инфляция и мультивселенная.

Вселенная 100 лет назад была простой: вечной, неизменной, состоящей из одной галактики, содержащей несколько миллионов видимых звезд. Сегодняшняя картина полнее и намного богаче. Космос начался 13,7 миллиардов лет назад с Большого взрыва. Через долю секунды после начала Вселенная представляла собой горячий бесформенный суп из самых элементарных частиц, кварков и лептонов. По мере его расширения и охлаждения слой за слоем развивались структуры: нейтроны и протоны, атомные ядра, атомы, звезды, галактики, скопления галактик и, наконец, сверхскопления. Наблюдаемая часть Вселенной в настоящее время населена 100 миллиардами галактик, каждая из которых содержит 100 миллиардов звезд и, возможно, такое же количество планет. Сами галактики удерживаются вместе гравитацией таинственной темной материи. Вселенная продолжает расширяться, и действительно делает это с ускорением, движимая темной энергией, еще более загадочной формой энергии, гравитационная сила которой скорее отталкивает, чем притягивает.

Главной темой истории нашей вселенной является эволюция от простого кваркового супа к сложности, которую мы наблюдаем сегодня в галактиках, звездах, планетах и жизни. Эти особенности появлялись одна за другой на протяжении миллиардов лет, руководствуясь основными законами физики. В нашем путешествии назад к началу творения космологи сначала путешествуют по хорошо известной истории Вселенной до первой микросекунды; затем в пределах 10-34 секунд от начала, для которых идеи хорошо сформированы, но доказательства еще не являются твердыми; и, наконец, к самым ранним моментам творения, для которых наши идеи все еще остаются лишь предположениями. Хотя окончательное происхождение Вселенной все еще находится за пределами нашего понимания, у нас есть дразнящие предположения, включая понятие мультивселенной, согласно которому вселенная состоит из бесконечного числа разрозненных подвселенных.

Расширяющаяся Вселенная

С помощью 100-дюймового телескопа Хукера на горе Вильсон в 1924 году Эдвин Хаббл показал, что нечеткие туманности, которые изучались и о которых размышляли в течение нескольких сотен лет, были такими же галактиками, как наша собственная, тем самым увеличив известную Вселенную на 100 миллиардов. Несколько лет спустя он показал, что галактики удаляются друг от друга по регулярной схеме, описываемой математическим соотношением, теперь известным как закон Хаббла, согласно которому галактики, находящиеся дальше, движутся быстрее. Это закон Хаббла, воспроизведенный во времени, который указывает на Большой взрыв 13,7 миллиардов лет назад.

Закон Хаббла нашел готовую интерпретацию в рамках общей теории относительности: само пространство расширяется, а галактики увлекаются за собой [ см. вставку на противоположной странице ]. Свет тоже растягивается или смещается в красную сторону — процесс, который истощает его энергию, так что Вселенная охлаждается по мере расширения. Космическое расширение дает повествование для понимания того, как возникла сегодняшняя Вселенная. Когда космологи представляют себе перемотку часов, Вселенная становится плотнее, горячее, экстремальнее и проще. Исследуя начало, мы также исследуем внутреннюю работу природы, используя ускоритель, более мощный, чем любой из построенных на Земле, — сам Большой взрыв.

Глядя в космос с помощью телескопов, астрономы заглядывают в прошлое — и чем больше телескоп, тем дальше они заглядывают. Свет от далеких галактик указывает на более раннюю эпоху, и величина красного смещения этого света показывает, насколько выросла Вселенная за прошедшие годы. Нынешний рекордсмен имеет красное смещение более 10, что соответствует времени, когда Вселенная была меньше одной одиннадцатой от нынешнего размера и имела возраст всего несколько сотен миллионов лет. Телескопы, такие как космический телескоп Хаббла и 10-метровый телескоп Кека на Мауна-Кеа, обычно возвращают нас в эпоху, когда формировались галактики, подобные нашей, через несколько миллиардов лет после Большого взрыва. Свет еще более ранних времен так сильно смещен в красную сторону, что астрономам приходится искать его в инфракрасном и радиодиапазонах. Такие телескопы, как планируемый космический телескоп Джеймса Уэбба, 6,5-метровый инфракрасный телескоп, и Большая миллиметровая решетка Атакама (ALMA), сеть из 66 радиотарелок, уже работающих в северной части Чили, могут вернуть нас к рождению самого первого звезды и галактики.

Компьютерное моделирование говорит, что эти звезды и галактики возникли, когда Вселенной было около 100 миллионов лет. До этого Вселенная пережила время, называемое «темными веками», когда она была почти кромешной тьмой. Пространство было заполнено безликой кашей, состоящей из пяти частей темной материи и одной части водорода и гелия, которая истончалась по мере расширения Вселенной. Материя была немного неравномерной по плотности, и гравитация усиливала эти колебания плотности: более плотные области расширялись медленнее, чем менее плотные. К 100 миллионам лет самые плотные регионы не только расширялись медленнее, но и фактически начали разрушаться. Каждая из таких областей содержала около миллиона солнечных масс вещества. Они были первыми гравитационно связанными объектами в космосе.

Темная материя составляет большую часть их массы, но, как следует из названия, не способна излучать или поглощать свет. Так оно и осталось в расширенном облаке. С другой стороны, газообразный водород и гелий излучали свет, теряли энергию и концентрировались в центре облака. В конце концов он рухнул вплоть до звезд. Эти первые звезды были намного массивнее современных — сотни масс Солнца. Они прожили очень короткую жизнь, прежде чем взорваться и оставить после себя первые тяжелые элементы. В течение следующего миллиарда лет или около того сила гравитации собрала эти облака массой в миллион солнечных масс в первые галактики.

Излучение первичных водородных облаков, сильно смещенных в красную сторону при расширении, должно быть обнаружено гигантскими массивами радиоантенн с общей площадью сбора до одного квадратного километра. Когда они будут построены, эти массивы будут наблюдать за тем, как первое поколение звезд и галактик ионизируют водород и положат конец темным векам.

Слабое свечение горячего начала

За пределами темных веков находится свечение горячего Большого взрыва с красным смещением 1100. Это излучение было смещено в красную сторону от видимого света (красно-оранжевое свечение) даже за пределы инфракрасного диапазона к микроволнам. То, что мы видим с того времени, — это стена микроволнового излучения, заполняющая небо — космическое микроволновое фоновое излучение (CMB), открытое в 1964 Арно Пензиаса и Роберта Уилсона. Он дает представление о Вселенной в нежном возрасте 380 000 лет, периоде, когда сформировались атомы. До этого Вселенная была почти однородной смесью атомных ядер, электронов и фотонов. Когда он остыл до температуры около 3000 кельвинов, ядра и электроны объединились, чтобы сформировать атомы. Фотоны перестали рассеивать электроны и беспрепятственно устремились сквозь пространство, открывая Вселенную в более простое время, до появления звезд и галактик.

В 1992 году спутник NASA Cosmic Background Explorer обнаружил, что интенсивность реликтового излучения имеет небольшие вариации — около 0,001 процента, — отражающие небольшую комковатость в распределении вещества. Степень изначальной бугристости была достаточной, чтобы послужить семенами для галактик и более крупных структур, которые позже возникнут под действием гравитации. Характер этих вариаций реликтового излучения на небе также кодирует основные свойства Вселенной, такие как ее общая плотность и состав, а также намекает на ее самые ранние моменты; тщательное изучение этих вариаций многое открыло во Вселенной [9].0015 см. иллюстрацию на стр. 41 ].

Когда мы прокручиваем фильм об эволюции Вселенной в обратном направлении от этой точки, мы видим, как первичная плазма становится все более горячей и плотной. Примерно до 100 000 лет плотность энергии излучения превышала плотность энергии материи, что не позволяло материи слипаться. Следовательно, это время знаменует собой начало гравитационной сборки всех структур, наблюдаемых сегодня во Вселенной. Еще раньше, когда Вселенной было меньше секунды, атомные ядра еще не сформировались; существовали только составляющие их частицы, а именно протоны и нейтроны. Ядра появились, когда Вселенной было всего несколько секунд, а температуры и плотности были как раз подходящими для ядерных реакций. Этот процесс нуклеосинтеза Большого взрыва произвел только самые легкие элементы в периодической таблице: много гелия (около 25 процентов атомов во Вселенной по массе) и меньшее количество лития и изотопов дейтерия и гелия 3. Остальная часть плазма (около 75 процентов) осталась в форме протонов, которые в конечном итоге стали атомами водорода. Все остальные элементы периодической таблицы образовались миллиарды лет спустя в виде звезд и звездных взрывов.

Теория нуклеосинтеза точно предсказывает содержания элементов и изотопов, измеренные в самых древних образцах Вселенной, а именно, в самых старых звездах и газовых облаках с большим красным смещением. Обилие дейтерия, очень чувствительного к плотности атомов во Вселенной, играет особую роль: его измеренное значение означает, что обычное вещество составляет 4,5 ± 0,1% от общей плотности энергии. (Остальное — темная материя и темная энергия.) Эта оценка точно согласуется с составом, полученным из анализа реликтового излучения. Эта переписка — великий триумф. То, что эти два совершенно разных измерения, одно из которых основано на ядерной физике, когда Вселенной была всего одна секунда, а другое, основанное на атомной физике, когда Вселенной было 380 000 лет, согласуются друг с другом, является серьезной проверкой не только нашей модели эволюции космоса, но и по всей современной физике.

Ответы в кварковом супе

До микросекунды даже протоны и нейтроны не могли существовать, и Вселенная представляла собой суп из основных строительных блоков природы: кварков, лептонов и переносчиков взаимодействия (фотонов, W и Z бозонов и глюонов). Мы можем быть уверены, что кварковый суп существовал, потому что эксперименты на ускорителях частиц воссоздали подобные условия сегодня здесь, на Земле.

Чтобы исследовать эту эпоху, космологи полагаются не на большие и лучшие телескопы, а на мощные идеи физики элементарных частиц. Разработка Стандартной модели физики элементарных частиц 30 лет назад привела к смелым предположениям, включая теорию струн, о том, как, казалось бы, несопоставимые фундаментальные частицы и силы объединяются. Как оказалось, эти новые идеи имеют значение для космологии, столь же важное, как и первоначальная идея о горячем Большом взрыве. Они намекают на глубокие и неожиданные связи между миром очень большого и очень маленького. Начинают появляться ответы на три ключевых вопроса: природа темной материи, асимметрия между материей и антиматерией и происхождение самого комковатого кваркового супа.

Теперь выясняется, что ранняя фаза кваркового супа была местом рождения темной материи. Идентичность темной материи остается неясной, но ее существование очень хорошо установлено. Наша галактика и любая другая галактика, а также скопления галактик удерживаются вместе гравитацией невидимой темной материи. Чем бы ни была темная материя, она должна слабо взаимодействовать с обычной материей; иначе оно проявило бы себя иначе. Попытки найти единую структуру для сил и частиц природы привели к предсказанию стабильных или долгоживущих частиц, которые могли бы составлять темную материю. Некоторые из этих гипотетических частиц будут присутствовать сегодня как остатки фазы кваркового супа в правильном количестве, чтобы быть темной материей, и их даже можно будет обнаружить.

Одним из кандидатов является нейтралино, самая легкая из предполагаемого нового класса частиц, которые являются более тяжелыми аналогами известных частиц. Считается, что нейтралино имеет массу от 100 до 1000 масс протона, что находится в пределах досягаемости экспериментов, которые сейчас проводятся на Большом адронном коллайдере в ЦЕРН недалеко от Женевы. Физики также построили сверхчувствительные подземные детекторы, а также спутниковые и воздушные детекторы для поиска этой частицы или побочных продуктов ее взаимодействия.

Вторым кандидатом является аксион, сверхлегкая частица, масса которой составляет примерно одну триллионную массы электрона. На его существование намекают тонкости, которые Стандартная модель предсказывает в поведении кварков. Усилия по его обнаружению основаны на том факте, что в очень сильном магнитном поле аксион может превратиться в фотон. И нейтралино, и аксионы обладают тем важным свойством, что они в особом техническом смысле являются «холодными». Хотя они образовались в жарких условиях, они были медленными и поэтому легко сбивались в галактики.

Ранняя фаза кваркового супа, вероятно, также содержит секрет того, почему современная Вселенная состоит в основном из материи, а не из материи и антиматерии. Физики считают, что изначально во Вселенной было равное количество каждого из них, но в какой-то момент в ней образовался небольшой избыток материи — примерно один дополнительный кварк на каждый миллиард антикварков. Этот дисбаланс гарантировал, что достаточное количество кварков переживет аннигиляцию с антикварками по мере расширения и охлаждения Вселенной. Более 40 лет назад эксперименты на ускорителях показали, что законы физики слегка смещены в пользу материи, и в очень ранней последовательности взаимодействий частиц, которую еще предстоит понять, это небольшое смещение привело к созданию избытка кварков.

Считается, что сам кварковый суп возник в очень раннее время — возможно, через 10−34 секунды после Большого взрыва в результате всплеска космического расширения, известного как инфляция. Этот всплеск, движимый энергией нового поля (считается, что оно имеет отдаленное отношение к недавно открытому полю Хиггса), называемого инфлатоном, объясняет такие основные свойства космоса, как его общая однородность и неравномерность, из-за которых галактики и другие структуры поселяются в космосе. Вселенная. По мере того, как инфлатонное поле распадалось, оно высвобождало оставшуюся энергию в кварки и другие частицы, тем самым создавая тепло Большого взрыва и сам суп из кварков.

Инфляция приводит к глубокой связи между кварками и космосом: квантовые флуктуации поля инфлатона в субатомном масштабе увеличиваются до астрофизических размеров в результате быстрого расширения и становятся семенами всех структур, которые мы видим сегодня. Другими словами, картина, наблюдаемая на небе реликтового излучения, представляет собой гигантское изображение субатомного мира. Наблюдения реликтового излучения согласуются с этим предсказанием, предоставляя убедительные доказательства того, что инфляция или что-то подобное произошло очень рано в истории Вселенной.

Рождение Вселенной

По мере того, как космологи пытаются понять происхождение самой Вселенной, наши идеи становятся менее твердыми. Общая теория относительности Эйнштейна обеспечила теоретическую основу для столетия прогресса в нашем понимании эволюции Вселенной. Поскольку общая теория относительности не включает квантовую теорию, другой столп современной физики, на нее нельзя полагаться при рассмотрении самых ранних моментов творения, когда эффекты квантовой гравитации должны были быть важны. Величайшая задача этой дисциплины — разработать квантовую теорию гравитации, с помощью которой мы сможем обратиться к так называемой эре Планка примерно до 10−43 секунд, когда само пространство-время обретало форму.

Предварительные попытки создания единой теории привели к некоторым замечательным предположениям о самом начале нашего существования. Теория струн, например, предсказывает существование дополнительных измерений пространства и, возможно, других вселенных, плавающих в этом большем пространстве. То, что мы называем большим взрывом, могло быть столкновением нашей вселенной с другой. Соединение теории струн с концепцией инфляции привело, пожалуй, к самой смелой идее мультивселенной, а именно к тому, что Вселенная состоит из бесконечного числа несвязанных частей, каждая из которых имеет свои собственные локальные законы физики.

Концепция мультивселенной, которая все еще находится в зачаточном состоянии, опирается на два ключевых теоретических открытия. Во-первых, уравнения, описывающие инфляцию, убедительно предполагают, что если инфляция произошла один раз, то она должна происходить снова и снова, и с течением времени создается бесконечное количество инфляционных областей. Ничто не может перемещаться между этими областями, поэтому они не влияют друг на друга. Во-вторых, теория струн предполагает, что эти области имеют разные физические параметры, такие как количество пространственных измерений и виды стабильных частиц.

Идея мультивселенной дает новые ответы на два самых больших вопроса во всей науке: что произошло до Большого взрыва и почему законы физики такие, какие они есть (знаменитые размышления Альберта Эйнштейна о том, «был ли у Бога выбор»). о законах). Мультивселенная делает спорным вопрос о том, что произошло до Большого взрыва, потому что было бесконечное количество начинаний Большого взрыва, каждое из которых было вызвано собственным всплеском инфляции. Точно так же вопрос Эйнштейна отодвигается в сторону: в бесконечности вселенных были опробованы все возможности законов физики, поэтому нет особой причины для законов, управляющих нашей Вселенной.

Космологи неоднозначно относятся к мультивселенной. Если разъединенные субвселенные действительно закрыты друг от друга, мы не можем надеяться проверить их существование; они, кажется, лежат за пределами области науки. Часть меня хочет кричать, По одной вселенной за раз, пожалуйста! С другой стороны, мультивселенная решает различные концептуальные проблемы. Если это так, то расширение Вселенной Хабблом всего лишь в 100 миллиардов раз и изгнание Земли из центра Вселенной Коперником в 16 веке будут казаться небольшими достижениями в понимании нашего места в космосе.

Современная космология смирила нас. Мы состоим из протонов, нейтронов и электронов, которые вместе составляют всего 4,5 процента Вселенной, и мы существуем только благодаря тонким связям между очень маленькими и очень большими. События, управляемые микроскопическими законами физики, позволили материи доминировать над антиматерией, породили комковатость, засевшую галактики, заполнили пространство частицами темной материи, обеспечивающими гравитационную инфраструктуру, и обеспечили возможность создания галактик из темной материи до того, как темная энергия станет значительной и расширение начал ускоряться [ см. вставку выше ]. В то же время космология по самой своей природе высокомерна. Мысль о том, что мы можем понять что-то настолько обширное как в пространстве, так и во времени, как наша Вселенная, на первый взгляд нелепа. Эта странная смесь смирения и высокомерия продвинула нас в прошлом столетии довольно далеко в продвижении нашего понимания современной вселенной и ее происхождения. Я с оптимизмом смотрю на дальнейший прогресс в ближайшие годы и твердо верю, что мы живем в золотой век космологии.

Первоначально эта статья была опубликована под названием «Происхождение Вселенной» в специальных выпусках SA 22, 2s, 36–43 (май 2013 г.)

doi:10.1038/scientificamericanphysics0513-36

БОЛЬШЕ ДЛЯ УЗНАНИЯ

Ранняя Вселенная. Эдвард В. Колб и Майкл С. Тернер. Вествью Пресс, 1994.

Инфляционная Вселенная. Алан Гут. Базовый, 1998.

Кварки и космос. Майкл С. Тернер в Science , Vol. 315, страницы 59–61; 5 января 2007 г.

Темная энергия и ускоряющаяся Вселенная. Джошуа Фриман, Майкл С. Тернер и Драган Хутерер в Ежегодных обзорах астрономии и астрофизики , Vol. 46, страницы 385–432; 2008. http://arxiv.org/abs/0803.0982

Происхождение Вселенной: 7 различных теорий

Как возникла известная нам Вселенная? И как объяснить его происхождение? Вот некоторые из вопросов, которые космологи и физики пытались разгадать на протяжении десятилетий.

Несомненно, все остальные свидетельства и данные, собранные космологами за годы, указывают на возможность того, что все могло начаться с «большого взрыва». Но что, если есть нечто большее?

Что такое Теория большого взрыва? Краткое введение

В 1927 году бельгийский астроном Жорж Леметр предложил теорию расширяющейся Вселенной (впоследствии подтвержденную Эдвином Хабблом). Он предположил, что расширяющуюся вселенную можно проследить до сингулярной точки, которую он назвал «первичным атомом», в далеком прошлом. Он заложил основы современной теории Большого Взрыва.

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

Космологическая модель Вселенной, описанная в теории Большого взрыва, объясняет, как она первоначально расширилась из состояния бесконечной плотности и температуры, известного как первичная (или гравитационная) сингулярность.

За этим расширением последовала космическая инфляция и сильное падение температуры. На этом этапе Вселенная раздувалась со скоростью, намного превышающей скорость света (в 10 ²⁶ раз).

Впоследствии Вселенная была повторно нагрета до точки, когда элементарные частицы (кварки, лептоны и т. д.) перед постепенным понижением температуры (и плотности) привели к образованию первых протонов и нейтронов.

Через несколько минут после расширения протоны и нейтроны объединяются, образуя первичные ядра водорода и гелия-4. Предполагаемый радиус наблюдаемой Вселенной на этом этапе составлял 300 световых лет. Самые ранние звезды и галактики появились примерно через 400 миллионов лет после этого события.

Важнейшей частью модели Большого Взрыва является космический микроволновый фон (CMB), представляющий собой электромагнитное излучение, оставшееся с тех времен, когда Вселенная находилась в зачаточном состоянии. Реликтовое излучение остается наиболее убедительным доказательством Большого взрыва.

Хотя эта теория остается широко распространенной в научных кругах, несколько альтернативных объяснений, таких как стационарная Вселенная и вечная инфляция, с годами стали привлекать внимание.

Ниже мы обсудили семь наиболее популярных альтернатив Большого Взрыва, объясняющих происхождение Вселенной.

7. Теория вечной инфляции

Концепция инфляционной Вселенной была впервые введена космологом Аланом Гутом в 1979, чтобы объяснить, почему Вселенная плоская, чего не было в исходной теории большого взрыва.

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

Эта конкретная проблема была решена Андреасом Альбрехтом и Паулем Стейнхардтом в их модели «новой инфляции». Они утверждали, что быстрое расширение Вселенной произошло всего за несколько секунд до прекращения. Он продемонстрировал, как Вселенная может пройти через быструю инфляцию и все же в конечном итоге нагреться.

Основываясь на предыдущих работах Стейнхардта и Александра Виленкина, Андрей Линде, профессор Стэнфордского университета, предложил альтернативу теории инфляции Гута, названную хаотической инфляцией или «теорией вечной инфляции».

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

В мультивселенной в разных вселенных могут действовать разные законы природы и физики. Таким образом, вместо одного расширяющегося космоса наша Вселенная может быть инфляционной мультивселенной с множеством маленьких вселенных с различными свойствами.

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

Справочные источники –

Вечная инфляция и ее последствия – Guth, Alan H.

Инфляционная парадигма в беде после Планка 2013 – Анна Иджаса, Пол Дж. Стейнхардт, Абрахам Леба

6. Конформная циклическая модель

Конформно-циклическая космологическая модель (CCC) предполагает, что Вселенная проходит повторяющиеся циклы Большого взрыва и последующие расширения. Общая идея состоит в том, что «большой взрыв» был не началом Вселенной, а скорее переходной фазой. Он был разработан известным физиком-теоретиком и математиком Роджером Пенроузом.

В качестве основы для своей модели Пенроуз использовал несколько метрических последовательностей FLRW (Фридманн-Лемэтр-Робертсон-Уокер). Он утверждал, что конформная граница одной последовательности FLRW может быть присоединена к границе другой.

Метрика FLRW является наиболее близким приближением к природе Вселенной и частью модели Lambda-CDM. Каждая последовательность начинается с большого взрыва, за которым следует инфляция и последующее расширение.

Циклическая или колебательная модель, в которой Вселенная повторяется снова и снова в бесконечном цикле, впервые попала в центр внимания в 19 веке.30-х годов, когда Альберт Эйнштейн исследовал идею «вечной» Вселенной. Он считал, что после достижения определенной точки Вселенная начинает коллапсировать и заканчивается Большим Сжатием, прежде чем пройти Большой Отскок.

На данный момент существует четыре различных варианта циклической модели Вселенной, один из которых — конформная циклическая космология.

5. Мираж черной дыры

Исследование, проведенное группой исследователей в 2013 году, показало, что наша Вселенная могла образоваться из обломков, выброшенных из коллапса четырехмерной звезды или черной дыры.

По словам космологов, участвующих в исследовании, одним из ограничений теории Большого взрыва является объяснение температурного равновесия, обнаруженного во Вселенной.

В то время как большинство ученых согласны с тем, что инфляционная теория дает адекватное объяснение того, как небольшое пятно с одинаковой температурой быстро расширится, чтобы стать Вселенной, которую мы наблюдаем сегодня, группа сочла это неправдоподобным из-за хаотической природы Большого взрыва.

Чтобы решить эту проблему, команда предложила модель космоса, в которой наша трехмерная Вселенная представляет собой мембрану и плавает внутри четырехмерной «объемной вселенной» 9.0003

Они утверждали, что если в 4-мерной «объемной вселенной» есть 4-мерные звезды, вполне вероятно, что они схлопнутся в 4-мерные черные дыры. У этих четырехмерных черных будет трехмерный горизонт событий (точно так же, как у трехмерных есть двухмерный горизонт событий), который они назвали «гиперсферой». Команда смоделировала коллапс 4-мерной звезды, они обнаружили, что выброшенные обломки умирающей звезды, вероятно, создадут 3-мерную мембрану вокруг этого 3-мерного горизонта событий. Наша Вселенная может быть одной из таких мембран.

Модель космоса «четырехмерная черная дыра» действительно объясняет, почему температура во Вселенной почти одинакова. Это также может дать ценную информацию о том, что именно вызвало космическую инфляцию через несколько секунд после ее возникновения.

Однако недавнее наблюдение спутника ЕКА Planck выявило небольшие изменения температуры космического микроволнового фона (CMB). Эти спутниковые показания отличаются от предложенной модели примерно на четыре процента.

4. Теория плазменной Вселенной

Изображение предоставлено: Luc Viatour

Наше нынешнее понимание Вселенной в основном зависит от гравитации, в частности от общей теории относительности Эйнштейна, с помощью которой космологи объясняют природу Вселенной. По совпадению, как и в большинстве других вещей, альтернатива гравитации также рассматривалась учеными на протяжении многих лет.

Плазменная космология (или теория плазменной вселенной) предполагает, что электромагнитные силы и плазма играют гораздо более важную роль во Вселенной, чем гравитация.

Несмотря на то, что у этого подхода много разных вариантов, основная идея остается неизменной; каждое астрономическое тело, включая солнце, звезды и галактики, является результатом некоторого электрического процесса.

Первая выдающаяся теория плазменной вселенной была предложена лауреатом Нобелевской премии Ханнесом Альфвеном в 1960-х годах. Позже к нему присоединился шведский физик-теоретик Оскар Кляйн для разработки модели Альфвена-Кляйна.

Модель построена на предположении, что Вселенная содержит равное количество материи и антиматерии (согласно современной физике элементарных частиц это не так). Границы этих двух областей отмечены космическими электромагнитными полями. Таким образом, взаимодействие между ними будет производить плазму, которую Альфвен назвал «амбиплазмой».0003

Согласно теории, такая плазма будет формировать большие участки материи и антиматерии по всей Вселенной. Кроме того, он предположил, что наше текущее местоположение в космосе должно быть в той части, где материи гораздо больше, чем антиматерии, что решает проблему асимметрии материи и антиматерии.

Читайте: Может ли жизнь сформироваться в двумерной Вселенной?

3. Теория медленного замораживания

Изображение предоставлено НАСА

Десятилетия математического моделирования и исследований привели космологов к верному выводу, что наша Вселенная началась с единственной точки бесконечной плотности и температуры, называемой сингулярностью. Последующее расширение космоса позволило ему остыть, что привело к образованию галактик, звезд и других астрономических объектов.

Однако, как мы знаем, стандартная модель Большого взрыва не осталась без внимания, и одна из таких сложных теорий была предложена Кристофом Веттерихом, профессором Гейдельбергского университета в Германии.

Веттерих утверждал, что Вселенная, которую мы знаем сегодня, могла фактически начаться как холодная и разреженная, проснувшись после долгого замораживания. Со временем фундаментальные частицы в ранней Вселенной стали тяжелее, а гравитационная постоянная уменьшилась.

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

Основная идея космической модели медленной заморозки Веттериха состоит в том, что у Вселенной нет ни начала, ни будущего. Вместо горячего Большого взрыва теория выступает за холодную и медленно развивающуюся Вселенную.

Согласно Веттериху, эта теория объясняет флуктуации плотности в ранней Вселенной (первичные флуктуации) и то, почему в нашем современном космосе преобладает темная энергия.

Прочтите: Все интересные факты о черных и белых дырах

2. Индуистская космология

Религия и наука были лучшими врагами по крайней мере со времен Коперника и Галилея. Возможно, нет места для науки, когда мы говорим о религии и наоборот. Однако есть одна религия, чьи космологические убеждения хорошо согласуются с нынешней моделью Вселенной.

Теории сотворения мира в индуистской мифологии считаются одними из самых древних и значимых из всех других религиозных аналогов.

На протяжении многих лет выдающиеся физики и космологи, включая Карла Сагана и Нильса Бора, восхищались индуистскими космологическими верованиями за их близкое сходство с временными линиями стандартной космологической модели Вселенной.

Согласно индуистской мифологии, Вселенная следует модели бесконечного цикла. Это означает, что наша нынешняя Вселенная будет заменена бесконечным количеством вселенных. Каждая итерация Вселенной делится на две фазы: «Кальпа» (или день Брахмы) и «Пралая» (ночь Брахмы), каждая из которых длится 4,32 миллиарда лет.

Согласно индуистской мифологии, возраст Вселенной (8,64 миллиарда лет) больше, чем нынешний предполагаемый возраст Солнечной системы.

1. Стационарное состояние Вселенной

Постоянное создание материи в стационарной модели в отличие от теории большого взрыва

стационарная модель утверждает, что наблюдаемая Вселенная остается неизменной в любом месте и в любое время. Во Вселенной, которая постоянно расширяется, постоянно создается материя, заполняющая пространство.

Идея стационарной теории впервые была предложена в 1948 году космологами Германом Бонди, Фредом Хойлом и Томасом Голдом. Он был получен из совершенного космологического принципа, который сам утверждает, что Вселенная одна и та же, куда бы вы ни посмотрели, и она всегда будет одной и той же.

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

Теория стационарного состояния приобрела широкую популярность в начале и середине 20 века. Однако к 1960-м годам научное сообщество в основном отказалось от него в пользу Большого взрыва после открытия космического микроволнового фона.

Интересно, что согласно рукописи 1931 года, обнаруженной исследователями в 2014 году, Альберт Эйнштейн работал над альтернативой теории Большого взрыва. Она была идентична модели стационарного состояния Фреда Хойла, предполагающей постоянное расширение Вселенной. Однако Эйнштейн вскоре отказался от этой идеи.

Дополнительная информация

Сколько лет Вселенной?

Возраст Вселенной почти 14 миллиардов лет (13,78 миллиардов, если быть точным).