Как возникла Вселенная и что было дальше?
Ученые-физики путешествуют во времени, возвращаясь на 14 млрд лет назад.
Вселенная, которую мы наблюдаем, — это односторонняя машина времени. Чем дальше находится то, что мы видим, тем сильнее оно погружено в прошлое. Но ближе к началу времен есть предел, заглянуть за который почти невозможно. Что скрывается там, за невидимым горизонтом Вселенной?
Рассказывает гость программы «Вопрос науки» — академик РАН, главный научный сотрудник Института ядерных исследований РАН и заведующий кафедрой космологии и физики частиц Физического факультета МГУ Валерий Анатольевич Рубаков.
14 млрд лет расширения ВселеннойМы хорошо знаем, как расширялась Вселенная с самой первой секунды. Это экспериментальный факт. Сегодня ей почти 14 млрд лет. Когда ее возраст исчислялся одной секундой, температура в ней составляла миллиарды градусов Кельвина (°К).
Она была горячая, плотная и быстро-быстро расширялась! В течение секунды все расстояния увеличились вдвое. Это мы знаем из измерений одного сорта. А из измерений другого сорта мы знаем уже во всех деталях, как она была устроена, когда ее возраст составлял примерно 380 000 лет. Температура у этой довольно юной Вселенной была уже поменьше — 3000 °К.
За этим фактом стоит вся история исследований. Почему мы об этом знаем? Потому что до этого момента — 380 000 лет — Вселенная была в плазменном состоянии, состояла в основном из протонов и электронов, была непрозрачной. А когда она остыла до 3000 °К, эта плазма превратилась в газ, в основном водород. Газ был очень прозрачный для электромагнитного излучения, и оно пошло свободно гулять по Вселенной и пришло к нам. И вот, глядя на это электромагнитное излучение, мы знаем, как она была устроена.
Мы имеем фотографию того, как была устроена Вселенная в то время. Совершенно не так, как у нас сейчас. Она была очень однородная, были слабенькие неоднородности — на уровне 0,0001.
По мере расширения реликтовое излучение остыло, сейчас его температура — 2,7 °К.
Фотография говорит нам о том, что Вселенная была очень однородная, но были небольшие неоднородности, которые по мере эволюции, расширения Вселенной, превращались в галактики, скопления галактик, сгущались и давали жизнь всем структурам и нам с вами в конце концов.
Конечно, первые звезды появились раньше, чем мы. Они появились примерно через 400–300 млн лет после описанного события. Но все равно потребовались многие сотни миллионов лет, чтобы образовались звезды и самые первые галактики. Этот процесс продолжался долго — все 14 млрд лет.
Мы понимаем, что Вселенная была горячей плотной средой. Мы знаем, как она расширялась и с каким темпом она расширялась. До первой секунды дойти тоже просто, ведь секунда у нас — температура миллиард градусов, это не бог весть какая температура, и физику эту мы прекрасно знаем. Мы знаем общую теорию относительности, а значит, мы знаем темп расширения Вселенной, и нет никаких больших проблем продолжить этот процесс — экстраполировать назад во времени.
В то время работала ядерная физика. Как на Солнце термоядерная реакция происходит, так и во Вселенной были термоядерные реакции, по результатам которых мы, собственно, и знаем, что происходило. Чтобы понять, что было раньше, приходится экстраполировать дальше — на основе тех знаний, которые мы сегодня имеем о физике элементарных частиц, о гравитации. Вот тут уже начинаются гипотезы.
Альтернативные гипотезы о зарождении ВселеннойЕсли вы пойдете дальше во времени назад на основании тех знаний, которые у нас есть сегодня, — на доли секунды после Большого взрыва, вы придете к ситуации, когда у вас есть начало: Большой взрыв. Это момент времени, когда во Вселенной была гигантская температура, гигантский темп расширения. Невозможно себе представить какой, но настолько гигантский, что мы уже перестаем иметь возможность описывать это в рамках наших представлений. Надо сказать, что Большой взрыв — это не взрыв из точки, а это сразу во всей Вселенной произошел такой поджог, если хотите.
Такая картинка не вяжется с тем, что мы знаем из этой фотографии… Если бы все было устроено так, как мы сейчас с вами обговорили, то у нас есть начало всех времен — ноликом обозначенное время. И есть распространение сигнала. С того момента, когда образовалась наша Вселенная, можно себе представить, что были испущены какие-то сигналы. Неважно какие, но они движутся со скоростью света, не быстрее. Тогда у вас есть световой конус, то есть размер, сколько пробежал этот сигнал… Области вне этого размера друг с другом не «разговаривали» к этому моменту, не могли получить никаких сведений друг о друге и обменяться никакой информацией. Мы находимся далеко впереди во времени и видим много-много таких областей, которые друг с другом никак не связаны и ничего друг о друге не знают.
А теперь посмотрите: Вселенная абсолютно одинаковая везде. Как так получилось? Одна область с другой «разговаривать» не могла, а температура в них в точности одинаковая — с гигантской, фантастической точностью.
Как же получилось так, что в большущей области Вселенной температура и плотность оказались чуть-чуть поменьше, а в другом месте — чуть-чуть побольше? (На фото более холодные области обозначены темно-синим и голубым цветом, а более теплые — желтым. — Прим. ред.) Как были созданы все эти неоднородности, которые мы видим? Чтобы это понять, нужно от этой картинки уйти назад во времени гораздо дальше: отправиться далеко-далеко в прошлое, в начало Вселенной.
Существует гипотеза о том, что горячая стадия началась гораздо позже, чем изначально предполагалось. Было что-то совершенно особенное еще раньше. Наиболее красивая и правдоподобная гипотеза об этом — инфляция. Она описывает ситуацию, когда Вселенная расширяется очень быстро, чрезвычайно, невероятно быстро, и за очень короткое время становится огромной. За мельчайшие доли секунды маленький кусочек Вселенной становится огромного размера — такое может быть. И вот тогда такая картинка начинает работать. Но для этого нужно, конечно, специальную теорию создать.
Потому что горячая фаза такова, что в ней Вселенная так быстро не расширяется, нужно иметь какую-то другую материю…
Энергия этой изначальной субстанции должна была перейти в тепло, и тогда началась горячая стадия. И это еще одна задачка для ученых. Первая задача — понять, почему эта Вселенная так гигантски расширилась, а другая задача — понять, как это получилось, что энергия некой субстанции (ее еще называют «инфлатон» — гипотетическая элементарная частица. — Прим. ред.) перешла в энергию частиц, в тепло. Теоретически мы умеем отвечать на все эти вопросы, а экспериментально — нет. Поэтому все это остается популярной гипотезой.
А вообще, в теории можно представить себе другие сценарии и другие модели. Например, Вселенная в самом начале могла быть примерно такой же, как сегодня. Только сегодня Вселенная расширяется, а когда-то давным-давно она могла сжиматься: медленно-медленно, потихонечку. Потом должно было произойти чудо — сжатие должно было смениться расширением… Эта теория сегодня в работе.
Не я один, а мы вместе с коллегами и многие другие группы пытаются придумать теоретически самосогласованные теории, модели, где такое бы происходило. Обсуждается и другая возможность: есть недавнее предположение о том, что Вселенная вообще может начинаться с пустого плоского пространства. Пустого в том смысле, что энергии никакой в нем нет, плоское, так как в нем ничего не эволюционирует. Потом потихонечку энергия нарастает, плотность энергии и темп расширения растут, и со временем Вселенная выходит ускоренно в гигантский темп расширения. И тут опять нужно, чтобы энергия, которая обеспечивает расширение, перешла в тепло. Рассматривается такая динамика и такие уравнения. Мои итальянские коллеги назвали эту модель «Генезис» — это английское название первой книги Библии.
Это отдельный вопрос, как и вопрос об асимметрии между материей и антиматерией и вопрос о том, как образовалась темная материя во Вселенной. Думается, что генерация образования этих свойств произошла, скорее всего, на горячей стадии.
На языке физики элементарных частиц это называется «поля». Нужны очень необычные сущности и поля, которые обладают совершенно особенными свойствами. Во всех сценариях, которые я перечислил, требуются совершенно новые поля. Эти сущности потом никуда не делись, и, по идее, они должны быть. Но они вполне могут быть очень слабо взаимодействующими с обычной материей, с обычным веществом, из-за этого их очень трудно обнаружить в лаборатории.
А когда-то они доминировали. И нужно организовать теорию так, чтобы они тогда доминировали, а сегодня были бы безопасны с точки зрения эксперимента. Ну и можно попытаться их искать. Это тоже, как говорится, отдельный разговор — попытаться найти эти сущности.
Инфляция — очень красивая в этом отношении теория, она автоматически дает образование этих первичных неоднородностей, которые мы видим на фотографии. И более того, она дает их правильные свойства. Глядя на эту фотографию, мы можем многие свойства этих неоднородностей определить. Если правильно посмотреть на эту фотографию, мы сможем определить, какие были неоднородности, какие амплитуды были при большом размере, при меньшем размере и пр.
В свое время инфляционная теория сделала предсказание относительно того, как должна выглядеть эта фотография, когда этой фотографии еще не было. Она сделала предсказание, и предсказание оказалось прекрасно работающим. За исключением реликтовых гравитационных волн, которых пока не видно. Интересно будет узнать, кто поедет получать Нобелевскую премию, претендентов много.
Это все физика, очень сложная физика — есть теория, есть эксперимент, наблюдения. Мы перемещаемся на мельчайшие доли секунды с момента образования Вселенной или с момента ее перехода со сжатия на расширение. Сам факт, что мы туда способны заглянуть, — это уже фантастика! А мы способны заглянуть, разглядывая большие основные ее свойства на огромных расстояниях. Мы делаем предсказания. Это долгая история, конечно, много теоретических карандашей надо сломать, но мы делаем предсказания и начинаем их проверять на наблюдениях. Как только какие-то предсказания не будут согласовываться с наблюдениями, нам надо будет наши теоретические представления о физике менять.
Если и правда была инфляционная стадия, то инфляция, наверное, произошла от флуктуации, которую мы даже не умеем описывать. Это, наверное, такая стадия или состояние пространства, времени, материи, которую в современных терминах невозможно описать. Что такое сингулярность? Сингулярность — это явно какая-то квантовая, сильно взаимодействующая система, в которой все представления о пространстве, времени, энергии должны быть другими… Она страшно далеко по энергетическим масштабам. Несмотря на все попытки даже теоретически представить себе, как все это происходило, мы до сих пор этого не умеем. Но я оптимист и надеюсь, что еще при моей жизни это открытие произойдет.
Полную версию интервью с ученым смотрите на нашем канале в программе Алексея Семихатова «Вопрос науки».
«Кастрюлька», открывающая тайны Вселенной: что такое реактор ПИК
Прогноз: как наука изменит мир в ближайшие годы
«Человек может и должен летать!»
На сайте могут быть использованы материалы интернет-ресурсов Facebook и Instagram, владельцем которых является компания Meta Platforms Inc.
, запрещённая на территории Российской Федерации
Физика всего
Остальные теги
Расскажите друзьям
- Что было раньше
Почему древнеримский бетон был очень прочным? Отвечают ученые
Исследование: странные отметки на первобытных наскальных рисунках — это лунный календарь
- Эволюция сегодня
- Живое
В Китае обнаружена окаменелость существа с динозавровой головой и птичьим телом
- Что было раньше
- Космическая гонка
- Внеземное
Южнокорейский аппарат Danuri сделал потрясающие новогодние фото Луны и Земли
Korea Institute of Fusion Energy
Корейский термоядерный реактор разогрелся в 7 раз сильнее Солнца, работая в течение 24 секунд
© Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences
Флуоресценция, суперпрочный клей и многое другое: за что дали Нобелевскую премию по химии
NASA, ESA, CSA, and STScI
«Джеймс Уэбб» нашел в далеких галактиках органические молекулы
Роскосмос / космонавт Олег Артемьев
Лучшие фото с орбиты Земли за 2022 год
Вид через микроскоп на разнообразное сообщество микроводорослей пресноводного озера
Dr.
M. Stockenreiter / LMU Munich/UFZУченые научились понимать, что «говорят» водоросли
M. Stockenreiter / LMU Munich/UFZХотите быть в курсе последних событий в науке?
Оставьте ваш email и подпишитесь на нашу рассылку
Ваш e-mail
Нажимая на кнопку «Подписаться», вы соглашаетесь на обработку персональных данных
Происхождение Вселенной: 7 различных теорий
Как появилась Вселенная, которую мы знаем? И как мы объясним ее происхождение? Несомненно, все остальные свидетельства и данные, собранные за эти годы космологами, указывают на то, что все это могло начаться с «большого взрыва». Но что, если есть еще?
В 1927 году бельгийский астроном Жорж Леметр стал первым, кто предложил теорию расширяющейся Вселенной (позже подтвержденную Эдвином Хабблом). Он предположил, что расширяющаяся Вселенная может быть прослежена до особой точки, которую он назвал «первичным атомом», назад во времени. Это заложило основу современной теории Большого Взрыва.
Что такое теория 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 изначальная (или гравитационная) сингулярность. За этим расширением последовала космическая инфляция и резкое падение температуры. Во время этой фазы Вселенная раздувалась с гораздо большей скоростью, чем скорость света (в 1026раз).
Впоследствии Вселенная была разогрета до такой степени, что элементарные частицы (кварки, лептоны и так далее) до постепенного понижения 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 в течение этой фазы составлял 300 световых лет.
Первые звезды и галактики появились примерно через 400 миллионов лет после этого события.
Важнейшим элементом модели Большого Взрыва является космическое сверхвысокочастотное фоновое излучение (Реликтовое излучение), представляющий собой электромагнитное излучение, оставшееся со времен зарождения Вселенной. Реликтовое излучение остается самым убедительным доказательством большого взрыва.
Хотя теория остается широко признанной во всем научном спектре, несколько альтернативных объяснений — таких, как стационарная Вселенная и вечная инфляция, приобрели привлекательность с годами.
7. Теория вечной инфляции
Понятие инфляции было введено космологом Аланом Гутом в 1979 году, чтобы объяснить, почему Вселенная плоская, чего не хватало в первоначальной теории Большого взрыва.
Хотя идея Гута об инфляции объясняет плоскую Вселенную, она создала сценарий, который не позволяет Вселенной избежать этой инфляции. Если бы это было так, не произошло бы повторного нагрева Вселенной, равно как и образования звезд и галактик.
Эта конкретная проблема была решена Андреасом Альбрехтом и Полем Штайнхардтом в их «новой инфляции». Они утверждали, что быстрое расширение Вселенной произошло всего за несколько секунд, прежде чем прекратиться. Он продемонстрировал, как Вселенная может быстро раздуваться и при этом нагреваться.
Концепция «вечной инфляции», или теория хаотической инфляции, была введена Андреем Линде, профессором Стэнфордского университета. Он был основан на предыдущих работах Штейнхардта и Александра Виленкина.
Теория утверждает, что инфляционная фаза Вселенной продолжается вечно; это не конец 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 разбивается на пузыри. Это как вселенная внутри вселенной.
В мультивселенной в разных вселенных могут действовать разные законы природы, физики. Итак, вместо единого расширяющегося космоса наша Вселенная могла бы 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 не предсказывает, и утверждает, что понятие мультивселенной является «фатальным недостатком» и неестественным.
6. Конформная циклическая модель
Роджер Пенроуз, 6 ноября 2005 годаМодель конформной циклической космологии (англ. conformal cyclic cosmology или CCC) предполагает, что Вселенная проходит через повторяющиеся циклы большого взрыва и последующих расширений. Общая идея состоит в том, что «большой взрыв» был не началом Вселенной, а скорее переходной фазой. Его разработал физик-теоретик и математик Роджер Пенроуз.
В качестве основы для своей модели Пенроуз использовал множественные метрические последовательности FLRW (Фридмана – Лемэтра – Робертсона – Уокера). Он утверждал, что конформная граница одной последовательности FLRW может быть присоединена к границе другой.
Метрика FLRW — это наиболее близкое приближение к природе Вселенной и часть модели Лямбда-CDM. Каждая последовательность начинается с большого взрыва, за которым следует инфляция и последующее расширение.
Циклическая или осциллирующая модель, в которой Вселенная повторяется снова и снова в неопределенном цикле, впервые оказалась в центре внимания в 1930-х годах, когда Альберт Эйнштейн исследовал идею «вечной» Вселенной. Он считал, что по достижении определенной точки Вселенная начинает коллапсировать и заканчивается Большим хрустом перед тем, как пройти через Большой отскок.
Прямо сейчас существует четыре различных варианта циклической модели Вселенной, одна из которых — конформная циклическая космология.
5. Мираж четырехмерной черной дыры
Исследование, проведенное группой исследователей в 2013 году, предположило, что наша Вселенная могла возникнуть из обломков, выброшенных из коллапсировавшей четырехмерной звезды или черной дыры.
По мнению космологов, участвовавших в исследовании, одно из ограничений теории Большого взрыва — объяснение температурного равновесия, обнаруженного во Вселенной.
Хотя большинство ученых согласны с тем, что инфляционная теория дает адекватное объяснение того, как маленький участок с однородной температурой быстро расширится и превратится во Вселенную, которую мы наблюдаем сегодня, группа сочла это неправдоподобным в силу хаотичной природы Большого взрыва.
Для решения этой проблемы команда предложила модель космоса, в которой наша трехмерная Вселенная является мембраной и плавает внутри четырехмерной «объемной вселенной». Они утверждали, что если в четырехмерной «объемной вселенной» есть четырехмерные звезды, то, скорее всего, они обрушатся в четырехмерные черные дыры. Эти четырехмерные черные дыры будут иметь трехмерный горизонт событий (точно так же, как трехмерные имеют двухмерный горизонт событий), который они назвали «гиперсферой».
Когда команда смоделировала коллапс 4-D звезды, они обнаружили, что выброшенные обломки умирающей звезды, скорее всего, образуют 3-D мембрану вокруг этого 3-мерного горизонта событий. Наша Вселенная могла бы быть одной из таких мембран.
Модель «четырехмерной черной дыры» космоса действительно объясняет, почему температура во Вселенной почти равномерна. Она также может дать ценную информацию о том, что именно спровоцировало космическую инфляцию через несколько секунд после ее возникновения.
Однако недавнее наблюдение, проведенное спутником Planck ЕКА, выявило небольшие вариации температуры космического микроволнового фона (CMB). Эти спутниковые показания отличаются от предложенной модели примерно на четыре процента.
4. Теория плазменной Вселенной
На наше нынешнее понимание Вселенной в основном влияет гравитация, в частности Общая теория относительности Эйнштейна, с помощью которой космологи объясняют природу Вселенной. По совпадению, как и большинство других вещей, ученые на протяжении многих лет рассматривали альтернативу гравитации.
Космология плазмы (или теория плазменной Вселенной) предполагает, что электромагнитные силы и плазма играют очень важную роль во Вселенной вместо гравитации. Хотя у этого подхода много разных вариантов, основная идея остается той же; каждое астрономическое тело, включая Солнце, звезды и галактики, является результатом какого-либо электрического процесса.
Первая выдающаяся теория плазменной Вселенной была предложена лауреатом Нобелевской премии Ханнесом Альвеном в конце 1960-х годов.
Позже к нему присоединился шведский физик-теоретик Оскар Клейн для разработки модели Альфвена – Клейна.
Модель построена на предположении, что Вселенная поддерживает равные количества материи и антивещества (это не так, согласно современной физике элементарных частиц). Границы этих двух областей отмечены космическими электромагнитными полями. Таким образом, взаимодействие между ними приведет к образованию плазмы, которую Альфвен назвал «амбиплазмой».
Согласно теории, такая плазма должна образовывать большие участки вещества и антивещества по всей Вселенной. Кроме того, было высказано предположение, что наше текущее местоположение в космосе должно быть в той части, где материи гораздо больше, чем антивещества, — таким образом решается проблема асимметрии материи и антивещества.
3. Теория медленного замораживания
Десятилетия математического моделирования и исследований привели космологов к обоснованному выводу, что наша Вселенная возникла из одной точки с бесконечной плотностью и температурой, 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 незамеченной, и одна из таких сложных теорий была предложена Кристофом Веттерихом, профессором Гейдельбергского университета в Германии.
Веттерих утверждал, что Вселенная, которую мы знаем сегодня, на самом деле могла начаться как холодная и разреженная, пробудившаяся от долгого замораживания. Со временем фундаментальные частицы в ранней Вселенной стали тяжелее, а гравитационная постоянная уменьшилась.
Кроме того, он объяснил, что если массы частиц увеличиваются, излучение из ранней Вселенной может заставить пространство казаться более горячим и удаляться друг от друга, даже если это не так.
Основная идея космической модели Медленного Замораживания Веттериха состоит в том, что у Вселенной нет ни начала, ни будущего. Вместо горячего Большого взрыва теория защищает холодную и медленно эволюционирующую Вселенную.
Согласно Веттериху, теория объясняет флуктуации плотности в ранней Вселенной (первичные флуктуации) и то, почему в нашем нынешнем космосе преобладает темная энергия.
2. Индуистская космология
Религия и наука были лучшими врагами, по крайней мере со времен Коперника и Галилея. Возможно, нет места науке, когда мы говорим о религии и наоборот. Однако есть одна религия, космологические верования которой хорошо согласуются с современной моделью Вселенной.
Теории творения в индуистской мифологии широко рассматриваются как одна из самых древних и значимых из всех других религиозных аналогий. 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 в стандартной космологической модели Вселенной.
Согласно индуистской мифологии, Вселенная следует бесконечной циклической модели. Это означает, что на смену нашей нынешней Вселенной придет бесконечное количество вселенных.
Каждая повторение Вселенной делится на две фазы — «калпа» (или день Брахмы) и «пралая» (ночь Брахмы), и каждая из них длится 4,32 миллиарда лет. Согласно индуистской мифологии, возраст Вселенной (8,64 миллиарда лет) превышает расчетный возраст Солнечной системы.
1. Стационарная Вселенная
Стационарная модель утверждает, что наблюдаемая Вселенная остается неизменной в любом месте и в любое время. Во Вселенной, которая вечно расширяется, материя непрерывно создается, чтобы заполнить пространство.
Согласно модели, галактики и другие крупные астрономические тела рядом с нами должны казаться похожими на те, что находятся далеко. Однако Большой взрыв говорит нам, 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.
Идея стационарного состояния была впервые предложена в 1948 году космологами Германом Бонди, Фредом Хойлом и Томасом Голдом.
Она исходила из совершенного космологического принципа, который сам по себе утверждает, что Вселенная, где бы ты ни смотрел, одинакова, и она всегда будет одинаковой.
Теория стационарных состояний получила широкую популярность в начале и середине XX века. Однако к 1960-м годам она была в основном отвергнута научным сообществом в пользу Большого взрыва после открытия космического микроволнового фона.
Как зародилась Вселенная?
Когда вы покупаете по ссылкам на нашем сайте, мы можем получать партнерскую комиссию. Вот как это работает.
Как возникла Вселенная?
Возможно, это величайшая Великая Тайна и корень всех остальных. Величайшие вопросы человечества — как зародилась жизнь? Что такое сознание? Что такое темная материя, темная энергия, гравитация? — исходить из него.
«Все остальные загадки лежат ниже по течению от этого вопроса», — сказала Энн Друян, автор и вдова астронома Карла Сагана. «Для меня это важно, потому что я человек и не люблю незнания».
Несмотря на то, что теории, пытающиеся разгадать эту тайну, становятся все более сложными, ученых преследует возможность того, что некоторые из наиболее важных звеньев в их цепи рассуждений ошибочны.
Фундаментальные загадки
Согласно стандартной модели Большого Взрыва, Вселенная родилась в период инфляции, начавшейся около 13,8 миллиардов лет назад. Подобно быстро расширяющемуся воздушному шару, он раздулся от размеров, меньших размера электрона, до почти своих нынешних размеров за крохотную долю секунды.
Изначально Вселенная была пронизана только энергией. Часть этой энергии застыла в частицы, которые собрались в легкие атомы, такие как водород и гелий. Эти атомы сгустились сначала в галактики, затем в звезды, в огненных печах которых были выкованы все остальные элементы.
Это общепринятая картина происхождения нашей вселенной, как ее изображают ученые. Это мощная модель, которая объясняет многие вещи, которые ученые видят, когда смотрят в небо, например поразительную гладкость пространства-времени в больших масштабах и равномерное распределение галактик по противоположным сторонам Вселенной.
Но в этой истории есть вещи, которые беспокоят некоторых ученых. Начнем с того, что идея о том, что Вселенная претерпела период быстрой инфляции в начале своей истории, не может быть напрямую проверена, и она опирается на существование таинственной формы энергии в начале Вселенной, которая давно исчезла.
«Инфляция — чрезвычайно мощная теория, и все же мы до сих пор не знаем, что вызвало инфляцию и является ли эта теория вообще правильной, хотя она работает очень хорошо», — сказал Эрик Агол, астрофизик из Вашингтонского университета.
Для некоторых ученых инфляция является неуклюжим дополнением к модели Большого Взрыва, необходимой сложностью, необходимой для соответствия наблюдениям. Это будет не последнее дополнение.
«Мы также узнали, что во Вселенной должна быть темная материя, а теперь и темная энергия», — сказал Пол Стейнхардт, физик-теоретик из Принстонского университета. «Итак, модель работает сегодня так: вы говорите: «Хорошо, вы берете немного Большого взрыва, берете немного инфляции, настраиваете это так, чтобы оно имело следующие свойства, затем добавляете определенное количество темной материи и темной энергии».
Эти вещи не связаны последовательной теорией».
Стейнхардт беспокоится, что космологи действуют больше как инженеры, чем ученые. Если наблюдение не соответствует текущей модели, они присоединяют другой компонент или переделывают существующие, чтобы они соответствовали. Компоненты не связаны, и нет причин их добавлять, кроме как для сопоставления наблюдений. Это все равно, что пытаться починить старую машину, добавляя новые детали от более новых, но других моделей. Эти части могут работать в краткосрочной перспективе, но в конечном итоге вам понадобится новая машина.
Вечная вселенная
В последние годы Стейнхардт работал с Анной Иджас, физиком-теоретиком из Гарвардского университета, над радикальной альтернативой стандартной модели Большого взрыва.
Согласно их идее, называемой прыгающей космологией, Вселенная рождалась не один раз, а, возможно, несколько раз в бесконечных циклах сжатия и расширения. Теория заменяет «большой взрыв» «большим отскоком», который плавно связывает периоды сжатия и расширения Вселенной и решает многие вопросы, которые преследуют теорию инфляции.
Пара утверждает, что их экпиротическая или «циклическая» теория объясняет не только инфляцию, но и другие космические загадки, включая темную материю, темную энергию и то, почему Вселенная расширяется с постоянно ускоряющейся скоростью. [18 величайших неразгаданных тайн в физике]
Несмотря на споры, прыгающая космология поднимает вероятность того, что Вселенная не имеет возраста и самообновляется. Это перспектива, возможно, еще более внушающая трепет, чем вселенная с определенным началом и концом, поскольку это означало бы, что звезды на небе, даже самые старые, подобны недолговечным светлячкам в великой схеме вещей.
«Я хотел бы надеяться, что усилия, которые общество вкладывает в научные исследования, приближают нас к фундаментальным истинам, а не просто к созданию полезных инструментов», — сказал астроном Калифорнийского технологического института Ричард Мэсси. «Но я в равной степени боюсь обнаружить, что все, что я знаю, неверно, и втайне надеюсь, что это не так».
Дополнительные ресурсы:
- Прочитайте стенограмму лекции Стивена Хокинга «Начало времен».
- Посмотрите, как физик Том Уайнти объясняет начало Вселенной для начинающих.
- Посмотрите это видео от National Geographic о происхождении Вселенной.
Эта статья была обновлена 27 июня 2019 г. автором Live Science Тимом Чилдерсом.
Что было до Большого Взрыва? Все, что вам нужно знать
Каковы доказательства Большого Взрыва?Вселенная не существовала вечно. Он родился. Около 13,82 миллиарда лет назад материя, энергия, пространство и время взорвались огненным шаром, названным Большим взрывом. Он расширился, и из остывающих обломков образовались галактики — островки звезд, среди которых наш Млечный Путь — один из примерно двух триллионов. Это теория Большого Взрыва.
Вселенная, возникающая из ничего, настолько безумна, что ученые должны были пинаться и кричать, чтобы принять эту идею.
Но доказательства убедительны. Галактики разлетаются, как куски космической шрапнели. И тепло Большого Взрыва все еще вокруг нас. Сильно охлажденное космическим расширением, это «послесвечение» проявляется не как видимый свет, а главным образом как микроволновое излучение — «космическое фоновое излучение», открытое радиоастрономами в 1965 году.
При взрыве динамитной шашки детонация происходит в одном месте и осколки летят в пустоту. В Большом взрыве не было ни центра, ни ранее существовавшей пустоты, поэтому он не произошел ни в каком «месте». Возникло само пространство и сразу начало расширяться повсюду.
Книги по астрономии часто сравнивают Вселенную с поднимающимся пирогом с изюмом, символизирующим галактики. По мере того, как пирог растет, изюм удаляется друг от друга, не имея центра расширения — как при Большом взрыве. Но, конечно, у торта есть край, в отличие от Вселенной, который может продолжаться вечно.
Нет идеальных аналогий!
Больше похоже на это
Был ли Большой взрыв единичным случаем?В начале Большого Взрыва был инфляционный вакуум. Когда он удвоил свой объем, он удвоил свою энергию; когда он утроил свой объем, он утроил свою энергию. Если бы банкноты были такими, и вы разобрали стопку, их стало бы еще больше. Физики называют инфляцию «абсолютным бесплатным обедом»!
Инфляционный вакуум расширялся все быстрее. Но это была «квантовая» штука. А квантовые вещи фундаментально непредсказуемы. Случайным образом во всем инфляционном вакууме его части «распадались» до обычного, бытового вакуума.
Представьте крошечные пузыри, образующиеся в огромном океане. В каждом пузыре инфляционный вакуум исчезал, но его огромная энергия должна была куда-то деваться. Он пошел на создание материи и ее нагревание. Это привело к созданию Большого Взрыва. Наша Вселенная Большого Взрыва — всего лишь один такой пузырь среди возможной бесконечности других вселенных Большого Взрыва в постоянно расширяющемся инфляционном вакууме!
Чтобы все это запустить, понадобился кусок инфляционного вакуума всего килограмм.
Невероятно, но законы квантовой теории позволяют ему появиться из ничего.
Основная идея — что Вселенная изначально была горячей и плотной и с тех пор расширяется и охлаждается — неопровержима. Но космологам пришлось внести коррективы в теорию, чтобы учесть некоторые наблюдения.
Во-первых, в стандартной модели Большого взрыва галактики растут за счет гравитационного притяжения материи. Но если бы это было единственное, что происходит, то для их формирования потребовалось бы гораздо больше времени, чем 13,82 миллиарда лет. Астрономы исправляют это, постулируя, что видимые звезды и галактики в шесть раз перевешивают невидимую «темную материю», дополнительная гравитация которой ускоряет формирование галактик.
Во-вторых, базовый Большой Взрыв предсказывает, что гравитационное притяжение между галактиками действует как паутина эластичного, замедляющего космическое расширение. Однако в 1998 году астрономы обнаружили, что расширение Вселенной ускоряется.
Они фиксируют это, постулируя существование «темной энергии», которая невидима, заполняет пространство и обладает отталкивающей гравитацией.
Чтобы объяснить, почему во Вселенной везде одинаковая температура, необходима последняя корректировка базовой теории. Чтобы объяснить это, астрономы считают, что Вселенная вначале была меньше, чем ожидалось, а затем подверглась сверхбыстрому расширению в свою первую долю секунды — «инфляции». Это было вызвано «инфляционным вакуумом», высокоэнергетической версией вакуума, который существует сегодня в космосе.
Подробнее о Большом Взрыве:
- Если бы мы сделали достаточно мощный телескоп, смогли бы мы теоретически увидеть свет Большого Взрыва?
- Что, если Большой Взрыв не был началом?
- Кто на самом деле обнаружил тепло Большого Взрыва?
Два столпа современной физики — общая теория относительности Эйнштейна и квантовая теория.