Происхождение вселенной кратко: Происхождение Вселенной: 7 различных теорий

Содержание

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 года

Модель 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 появилась Вселенная?

Одним из основных вопросов, которые не выходят из сознания человека, всегда был и является вопрос: «как появилась Вселенная?». Конечно же, однозначного ответа на данный вопрос нет, и вряд ли будет получен в скором времени, однако наука работает в этом направлении и формирует некую теоретическую модель зарождения нашей Вселенной. Прежде всего следует рассмотреть основные свойства Вселенной, которые должна описываться в рамках космологической модели:

Модель должна учитывать наблюдаемые расстояния между объектами, а также скорость и направление их движения. Подобные расчеты основываются на законе Хаббла: cz = H₀D, где z – красное смещение объекта, D – расстояния до этого объекта, c – скорость света.
Возраст Вселенной в модели должен превышать возраст самых старых в мире объектов.
Модель должна учитывать первоначальное обилие элементов.
Модель должна учитывать наблюдаемую крупномасштабную структуру Вселенной.
Модель должна учитывать наблюдаемый реликтовый фон.

Крупномасштабная структура Вселенной

Далее рассмотрим подробнее наиболее популярные в научном сообществе концепции зарождения мира.

Содержание:

1 Краткая история Вселенной
2 Материалы по теме
3 Откуда появилась Вселенная?
- 3.1 Циклические модели
- 3.2 Другие модели возникновения Вселенной
4 Итоги

Краткая история Вселенной

Рассмотрим кратко общепризнанную теорию возникновения и ранней эволюции Вселенной, которая поддерживается большинством ученых. Сегодня под теорией Большого взрыва подразумевают комбинацию модели горячей Вселенной с Большим взрывом. И хотя данные концепции сперва существовали независимо друг от друга, в результате их объединение удалось объяснить первоначальный химический состав Вселенной, а также наличие реликтового излучения.

Согласно данной теории, Вселенная возникла около 13,77 млрд лет назад из некоторого плотного разогретого объекта — сингулярное состояние, плохо поддающееся описанию в рамках современной физики. Проблема космологической сингулярности, помимо всего прочего, в том, что при ее описании большинство физических величин, вроде плотности и температуры, стремятся к бесконечности. При этом, известно, что при бесконечной плотности энтропия (мера хаоса) должна устремляться к нулю, что никак не совмещается с бесконечной температурой.

Сингулярность в представлении художника

- Первые 10^-43 секунды после Большого Взрыва называют этапом квантового хаоса. Природа мироздания на этом этапе существования не поддается описанию в рамках известной нам физики. Происходит распад непрерывного единого пространства-времени на кванты.

Материалы по теме

Планковский момент – момент окончания квантового хаоса, который выпадает на 10^-43 секунду. В этот момент параметры Вселенной равнялись планковским величинам, вроде планковской температуры (около 10³² К). В момент планковской эпохи все четыре фундаментальные взаимодействия (слабое, сильное, электромагнитное и гравитационное) являлись объединенными в некое одно взаимодействие. Рассматривать планковский момент как некоторый продолжительный период – не представляется возможным, так как с параметрами меньше планковских современная физика не работает.
Стадия инфляции. Следующей стадией истории Вселенной стала инфляционная стадия. В первый момент инфляции от единого суперсимметричного поля (ранее включающего поля фундаментальных взаимодействий) отделилось гравитационное взаимодействие. В этот период вещество обладает отрицательным давлением, что вызывает экспоненциальный рост кинетической энергии Вселенной. Проще говоря, в данный период Вселенная стала очень быстро раздуваться, а ближе концу энергия физических полей переходит в энергию обычных частиц. В конце данной стадии значительно повышается температура вещества и излучения.
Вместе с окончанием стадии инфляции выделяется и сильное взаимодействие. Также в этот момент возникает барионная асимметрия Вселенной.
Стадия радиационного доминирования. Следующая стадия развития Вселенной, которая включает несколько этапов. На этой стадии температура Вселенной начинает понижаться, образуются кварки, затем адроны и лептоны. В эпоху нуклеосинтеза происходит образование начальных химических элементов, синтезируется гелий. Однако, излучение все еще преобладает над веществом.
Эпоха доминирования вещества. Спустя 10 000 лет энергия вещества постепенно превосходит энергию излучения и происходит их разделения. Вещество начинает доминировать над излучением, возникает реликтовый фон. Также разделение вещества с излучением значительно усилило изначальные неоднородности в распределении вещества, в результате чего начали образовываться галактики и сверхгалактики. Законны Вселенной пришли к тому виду, в котором мы наблюдаем их сегодня.

Вышеописанная картина сложена из нескольких основополагающих теорий и дает общие представление о формировании Вселенной на ранних этапах ее существования.

Эволюция Вселенной

Откуда появилась Вселенная?

Если Вселенная возникла из космологической сингулярности, то откуда взялась сама сингулярность? На данный вопрос дать точный ответ, пока, невозможно. Рассмотрим некоторые космологические модели, затрагивающие «рождение Вселенной».

Циклические модели

Данные модели строятся на утверждении, что Вселенная существовала всегда и со временем лишь меняется ее состояние, переходя от расширения к сжатию – и обратно.

Модель Стейнхардта-Турока. Данная модель строится на теории струн (М-теории), так как использует такой объект как «брана». Согласно этой модели видимая Вселенная располагается внутри 3-бране, которая периодически, раз в несколько триллионов лет, сталкивается с другой 3-браной, что вызывает подобие Большого Взрыва. Далее наша 3-брана начинает отдаляться от другой и расширяться. В какой-то момент доля темной энергии получает первенство и скорость расширения 3-браны растет. Колоссальное расширение рассеивает вещество и излучение настолько, что мир становится почти однородным и пустым.
В конце концов происходит повторное столкновение 3-бран, в результате чего наша возвращается к начальной фазе своего цикла, вновь зарождая нашу «Вселенную».

Моделирование бран

Теория Лориса Баума и Пола Фрэмптона также гласит о цикличности Вселенной. Согласно их теории последняя после Большого Взрыва будет расширяться за счет темной энергии до тех пор, пока не приблизится к моменту «распада» самого пространства-времени – Большой Разрыв. Как известно, в «замкнутой системе энтропия не убывает» (второе начало термодинамики). Из этого утверждения следует, что Вселенная не может вернуться к исходному состоянию, так как во время такого процесса энтропия должна убывать. Однако эта проблема решается рамках данной теории. Согласно теории Баума и Фрэмптона за миг до Большого Разрыва Вселенная распадается на множество «лоскутов», каждый из которых обладает довольно малым значением энтропии. Испытывая ряд фазовых переходов, данные «лоскуты» бывшей Вселенной порождают материю и развиваются аналогично первоначальной Вселенной.

Эти новые миры не взаимодействуют друг с другом, так как разлетаются со скоростью больше скорости света. Таким образом, ученые избежали и космологической сингулярности, с которой начинается рождение Вселенной согласно большинству космологических теорий. То есть в момент конца своего цикла Вселенная распадается на множество других невзаимодействующих миров, которые станут новыми вселенными.

Конформная циклическая космология – циклическая модель Роджера Пенроуза и Ваагна Гурзадяна. Согласно данной модели Вселенная способна перейти в новый цикл, не нарушая второе начало термодинамики. Данная теория опирается на предположение, что черные дыры уничтожают поглощенную информацию, что неким образом «законно» понижает энтропию Вселенной. Тогда каждый такой цикл существования Вселенной начинается с подобия Большого Взрыва и заканчивается сингулярностью.

Инфографика конформной циклической космологии

Другие модели возникновения Вселенной

Среди других гипотез, объясняющих появление видимой Вселенной наиболее популярны две следующие:

Хаотическая теория инфляции — теория Андрея Линде. Согласно данной теории существует некоторое скалярное поле, которое неоднородно во всем своем объеме. То есть в различных областях вселенной скалярное поле имеет разное значение. Тогда в областях, где поле слабое – ничего не происходит, в то время как области с сильных полем начинают расширяться (инфляция) за счет его энергии, образуя при этом новые вселенные. Такой сценарий подразумевает существование множества миров, возникших неодновременно и имеющих свой набор элементарных частиц, а, следовательно, и законов природы.
Теория Ли Смолина – предполагает, что Большой Взрыв не является началом существования Вселенной, а – лишь фазовым переходом между двумя ее состояниями. Так как до Большого Взрыва Вселенная существовала в форме космологической сингулярности, близкой по своей природе к сингулярности черной дыры, Смолин предполагает, что Вселенная могла возникнуть из черной дыры.

Рождение Вселенной из черной дыры

Итоги

Несмотря на то, что циклические и другие модели отвечают на ряд вопросов, ответы на которые не может дать теория Большого Взрыва, в том числе проблема космологической сингулярности. Все же в комплекте с инфляционной теорией Большой Взрыв более цельно объясняет возникновение Вселенной, а также сходится с множеством наблюдений.

Понравилась запись? Расскажи о ней друзьям!

Просмотров записи: 47714

Запись опубликована: 02.06.2017
Автор: Владимир Соловьев

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 галактиками, такими же, 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 материала. 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 сдвинутых 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 темными веками 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 супа кварков в правильном количестве, чтобы быть темной материей, и даже могут быть обнаружены.

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. Попытки обнаружить его используют тот факт, что в очень сильном магнитном поле аксион может трансформироваться 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 увеличение Вселенной Хабблом всего лишь в 100 миллиардов раз и изгнание Земли из центра Вселенной Коперником в 16 веке покажется небольшим прогрессом в понимании нашего места в космосе.

Современная космология смирила нас. Мы состоим из протонов, нейтронов и электронов, которые вместе составляют лишь 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, история, эволюция и будущее Вселенной

Когда вы совершаете покупку по ссылкам на нашем сайте, мы можем получать партнерскую комиссию. Вот как это работает.

Посмотрите, как Вселенная превратилась в то, что мы видим сегодня, в этом инфографическом туре по нашему космосу: «История и структура Вселенной» (ниже). (Изображение предоставлено: Иллюстрация: Карл Тейт; Галактика M74: сотрудничество NASA, ESA и Hubble Heritage; «Пробуждение пилигрима» Камиллы Фламмарион)

СПЕЦИАЛЬНЫЙ ОТЧЕТ: Наша вселенная древняя и обширная, и с каждым днем она расширяется все дальше и быстрее. Эта ускоряющаяся Вселенная, темная энергия, которая, кажется, стоит за этим, и другие загадки, такие как точная природа Большого взрыва и ранняя эволюция Вселенной, входят в число великих загадок космологии.

Было время, когда ученые думали, что Земля находится в центре Вселенной. Еще в 1920-х годах мы не осознавали, что наша галактика была лишь одной из многих в огромной вселенной. Только позже мы осознали, что другие галактики убегают от нас — во всех направлениях — со все большей скоростью. Точно так же в последние десятилетия наше понимание Вселенной ускорилось.

В этой серии рассказов, видеороликов, изображений и инфографики, состоящей из 8 частей, SPACE.com рассматривает некоторые из самых удивительных открытий о Вселенной и непреходящие загадки, которые еще предстоит разгадать.

Часть 1

Видео-шоу: План Вселенной
Вселенная наполнена звездами, галактиками, планетами и многим другим, а также настоящим буфетом невидимых вещей, таких как темная материя, которую астрономам еще предстоит увидеть. Но ученые определили некоторые из основных компонентов нашей Вселенной. Взгляните на звездные вещи и многое другое в этом видео-шоу.

Часть 2

Изображения: взгляд назад на Большой взрыв и раннюю Вселенную образовались звезды и как образовались самые ранние галактики. Смотрите изображения, иллюстрации и схемы Вселенной от настоящего момента до Большого Взрыва.

Часть 3

Вселенная: от Большого взрыва до наших дней за 10 простых шагов
Широко распространенной теорией происхождения и эволюции Вселенной является модель Большого взрыва, согласно которой Вселенная возникла как невероятно горячая и плотная точка примерно 13,7 миллиарда лет назад. Вот разбивка Большого Взрыва на настоящее в 10 простых шагах.

Часть 4

История и структура Вселенной (Галерея инфографики)
Путешествуйте по 13,7 миллиардам лет истории Вселенной, от Большого взрыва до современной планеты Земля, в этой серии инфографик SPACE.com .

Часть 5

Большой взрыв: что на самом деле произошло при рождении нашей Вселенной?
Теория Большого взрыва утверждает, что наша Вселенная началась 13,7 миллиарда лет назад в результате массивного расширения, которое взорвало пространство, как воздушный шар. Вот краткое изложение того, что, по мнению астрономов, произошло.

Часть 6

Темные века Вселенной: как выжил наш космос это увидеть, но ученые очень хотят пролить на них свет, чтобы узнать тайны о том, как возникла Вселенная.

Часть 7

Вселенная сегодня: как она выглядит сейчас Вселенная.

Часть 8

Бесконечная пустота или большое сжатие: как закончится Вселенная?
Ученые не только не знают, как закончится Вселенная, они даже не уверены, что она закончится вообще.

Присоединяйтесь к нашим космическим форумам, чтобы продолжать обсуждать последние миссии, ночное небо и многое другое! А если у вас есть новость, исправление или комментарий, сообщите нам об этом по адресу: [email protected].

Space.com — главный источник новостей об исследованиях космоса, инновациях и астрономии, ведающий хроникой (и отмечающий) продолжающееся расширение человечества за последние рубежи.