Как образовалась Вселенная
Что же такое Вселенная? Если емко, то это сумма всего существующего. Это все время, пространство, материя и энергия, образовавшиеся и расширяющиеся вот уже 13.8 миллиардов лет. Никто не может точно сказать, насколько обширны просторы нашего мира и пока нет точных предсказаний финала.
Определение Вселенной
Само слово «Вселенная» происходит от латинского «universum». Впервые его использовал Цицерон, а уже после него оно стало общепринятым у римских авторов. Понятие обозначало мир и космос. На тот момент люди в этих словах видели Землю, все известные живые существа, Луну, Солнце, планеты (Меркурий, Венера, Марс, Юпитер и Сатурн) и звезды.
Иногда вместо «Вселенная» используют «космос», которое с греческого переводится как «мир». Кроме того, среди терминов фигурировали «природа» и «все».
В современном понятии вмещают все, что существует во Вселенной – наша система, Млечный Путь и прочие структуры. Также сюда входят все виды энергии, пространство-время и физические законы.
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.
Теории происхождения Вселенной
Креационизм: все создал Господь Бог
Среди всех теорий о происхождении Вселенной эта появилась самой первой. Очень хорошая и удобная версия, которая, пожалуй, будет иметь актуальность всегда. Кстати, многие ученые физики, несмотря на то что наука и религия часто представляются понятиями противоположными, верили в Бога.
Например, Альберт Эйнштейн говорил:
«Каждый серьезный естествоиспытатель должен быть каким-то образом человеком религиозным. Иначе он не способен себе представить, что те невероятно тонкие взаимозависимости, которые он наблюдает, выдуманы не им.»
Теория Большого Взрыва (модель горячей Вселенной)
Пожалуй, самая распространенная и наиболее признанная модель происхождения нашей Вселенной. Отвечает на вопрос — каким образом образовались химические элементы и почему распространённость их именно такая, какая сейчас наблюдается.
Согласно этой теории, около 14 миллиардов назад, пространства и времени не было, а вся масса вселенной была сосредоточена в крохотной точке с невероятной плотностью – в сингулярности. Однажды из-за возникшей в ней неоднородности, произошел так называемый Большой Взрыв. И с тех пор Вселенная постоянно расширяется и остывает.
Теория Большого взрыв
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.
Спустя 10 000 лет энергия вещества постепенно превосходит энергию излучения и происходит их разделения. Вещество начинает доминировать над излучением, возникает реликтовый фон.
Теория Большого Взрыва тверже встала на ноги после открытия космологического красного смещения и реликтового излучения. Два этих явления — самые весомые доводы в пользу правильности теории.
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.
Модель расширяющейся Вселенной
Сейчас доподлинно известно, что Галактики и иные космические объекты удаляются друг от друга, а значит, Вселенная расширяется.
Модель расширяющейся Вселенной описывает сам факт расширения. В общем случае не рассматривается, когда и почему Вселенная начала расширяться. В основе большинства моделей лежит общая теория относительности и её геометрический взгляд на природу гравитации.
Красное смещение – это наблюдаемое для далеких источников понижение частот излучения, которое объясняется отдалением источников (галактик, квазаров) друг от друга. Данный факт свидетельствует о том, что Вселенная расширяется.
Реликтовое излучение – это как бы отголоски большого взрыва. Ранее Вселенная представляла собой горячую плазму, которая постепенно остывала. Еще с тех далеких времен во Вселенной остались так называемые блуждающие фотоны, которые образуют фоновое космическое излучение. Ранее при более высоких температурах Вселенной данное излучение было гораздо мощнее. Сейчас же его спектр соответствует спектру излучения абсолютно твердого тела с температурой всего 2,7 Кельвин.
Теория эволюции крупномасштабных структур
Как показывают данные по реликтовому фону, в момент отделения излучения от вещества Вселенная была фактически однородна, флуктуации вещества были крайне малыми, и это представляет собой значительную проблему.
Вторая проблема — ячеистая структура сверхскоплений галактик и одновременно сфероподобная — у скоплений меньших размеров. Любая теория, пытающаяся объяснить происхождение крупномасштабной структуры Вселенной, в обязательном порядке должна решить эти две проблемы.
Современная теория формирования крупномасштабной структуры, как впрочем и отдельных галактик, носит названия «иерархическая теория».
Суть — вначале галактики были небольшие по размеру (примерно как Магеллановы облака ), но со временем они сливаются, образуя всё большие галактики.
В последнее время верность теории поставлена под вопрос.
Теория струн
Эта гипотеза в некоторой степени опровергает Большой взрыв в качестве начального момента возникновения элементов открытого космоса.
Согласно теории струн, Вселенная существовала всегда. Гипотеза описывает взаимодействие и структуру материи, где существует определенный набор частиц, которые делятся на кварки, бозоны и лептоны. Говоря простым языком, эти элементы являются основой мироздания, поскольку их размер настолько мал, что деление на другие составляющие стало невозможным.
Отличительной чертой теории о том, как образовалась Вселенная, становится утверждение о вышеупомянутых частицах, которые представляют собой ультрамикроскопические струны, которые постоянно колеблются. Поодиночке они не имеют материальной формы, являясь энергией, которая в совокупности создает все физические элементы космоса.
Примером в данной ситуации послужит огонь: глядя на него, он кажется материей, однако он неосязаем.
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
Эта теория достаточно известна и 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.
Эволюция Вселенной
Как происходил процесс развития и эволюции Вселенной? В течение следующих миллиардов лет гравитация заставила более плотные области притягиваться. В этом процессе формировались газовые облака, звезды, галактические структуры и прочие небесные объекты.
Этот период именуют Структурной Эпохой, так как именно в этот временной отрезок зарождалась современная Вселенная. Видимое вещество распределялось на различные формирования (звезды в галактики, а те в скопления и сверхскопления).
Что было до появления Вселенной
Сложно представить время за 13,7 миллиардов лет до сегодняшнего дня, когда вся Вселенная представляла собой сингулярность. Согласно теории Большого взрыва, один из главных претендентов на роль объяснения того, откуда появилась Вселенная и вся материя в космосе — все было сжато в точку, меньшую, чем субатомная частица. Но если это еще можно принять, задумайтесь вот о чем: что же было до того, как случился Большой взрыв?
Этот вопрос современной космологии уходит корнями еще в четвертое столетие нашей эры. 1600 лет назад теолог Августин Блаженный как и один из лучших физиков 20 века Альберт Эйнштейн пытались понять природу до сотворения Вселенной. Они пришли к выводу , что просто не было никакого «до».
В настоящее время человеком выдвигаются различные теории.
Теория Мультивселенной
Что если наша Вселенная является потомком другой, старшей Вселенной? Некоторые астрофизики полагают, что пролить свет на эту историю поможет реликтовое излучение, оставшееся от большого взрыва.
Согласно этой теории, в первые мгновения своего существования Вселенная начала чрезвычайно быстро расширяться. Также теория объясняет температуру и плотность флуктуаций реликтового излучения и подсказывает, что эти флуктуации должны быть одинаковыми.
Но, как выяснилось, нет. Последние исследования дали понять, что Вселенная на самом деле однобока, и в некоторых областях флуктуаций больше, чем в других. Некоторые космологи считают, что это наблюдение подтверждает, что у нашей Вселенной была «мать»(!)
В теории хаотической инфляции эта идея приобретает размах: бесконечный прогресс инфляционных пузырьков порождает обилие вселенных, и каждая из них порождает еще больше инфляционных пузырьков в огромном количестве Мультивселенных.
Теория белых и черных дыр
Тем не менее, существуют модели, которыми пытаются объяснить образование сингулярности до большого взрыва. Если вы думаете о черных дырах как о гигантских мусоросборниках, они являются главными кандидатами первоначального сжатия, поэтому наша расширяющаяся Вселенная вполне может быть белой дырой — выходным отверстием черной дыры, и каждая черная дыра в нашей Вселенной может вмещать в себя отдельную вселенную.
Большой скачок
Другие ученые считают, что в основе формирования сингулярности лежит цикл под названием «большой скачок», в результате которого расширяющаяся вселенная в итоге коллапсирует сама в себя, порождая другую сингулярность, которая, опять же, порождает другой большой взрыв.
Этот процесс будет вечным, и все сингулярности и все схлопывания не будут представлять собой ничего другого, кроме как переход в другую фазу существования Вселенной.
Теория циклической Вселенной
Последнее объяснение, которое мы рассмотрим, использует идею циклической Вселенной, порожденной теорией струн. Она предполагает, что новая материя и потоки энергии появляются каждые триллионы лет, когда две мембраны или браны, лежащие за пределами наших измерений, сталкиваются между собой.
Что было до Большого взрыва? Вопрос остается открытым. Может быть, ничего. Может, другая Вселенная или другая версия нашей. Может, океан Вселенных, в каждой из которых — свой набор законов и констант, диктующих природу физической реальности.
Проблемы современных моделей рождения и эволюции Вселенной
Многие теории, касающиеся Вселенной в последнее время сталкиваются с проблемами, как теоретического, так и, что более важно, наблюдательного характера:
- Вопрос о форме Вселенной является важным открытым вопросом космологии. Говоря математическим языком, перед нами стоит проблема поиска трёхмерного пространственного сечения Вселенной, то есть такой фигуры, которая наилучшим образом представляет пространственный аспект Вселенной.
- Неизвестно, является ли Вселенная глобально пространственно плоской, то есть применимы ли законы Евклидовой геометрии на самых больших масштабах.
- Также неизвестно, является ли Вселенная односвязной или многосвязной. Согласно стандартной модели расширения, Вселенная не имеет пространственных границ, но может быть пространственно конечна.
- Существуют предположения, что Вселенная изначально родилась вращающейся. Классическим представлением о зарождении является идея об изотропности Большого взрыва, то есть о распространении энергии одинаково во все стороны. Однако появилась и получила некоторое подтверждение конкурирующая гипотеза о наличии изначального момента вращения Вселенной.
Видео
Источник
Все за сегодня
Политика
Экономика
Наука
Война и ВПК
Общество
ИноБлоги
Подкасты
Мультимедиа
Наука
Big Think (США): что было до Большого взрыва?
Спрашивать науку, что было до начала времени, подобно вопросу «Кем вы были до рождения»
— Наука позволяет нам определить, что произошло за одну триллионную долю секунды после Большого взрыва.
— Но мы вряд ли когда-нибудь узнаем, что вызвало Большой взрыв.
— Это вызывает разочарование, но некоторые вещи совершенно непознаваемы. И это хорошо.
Давайте скажем честно: довольно странно думать о том, будто история Вселенной началась со своеобразного дня рождения 13,8 миллиарда лет тому назад. Это соответствует многим религиозным постулатам, согласно которым космос был создан благодаря вмешательству свыше, хотя наука ничего об этом не говорит.
Что случилось до начала времени?
Если все произошедшее имеет причинно-следственную связь, то что вызвало возникновение Вселенной? Чтобы ответить на очень сложный вопрос о Первопричине, в религиозных мифах о сотворении мира используют то, что антропологи культуры порой называют «позитивным бытием» или сверхъестественным явлением. Поскольку у времени в какой-то момент в далеком прошлом было начало, Первопричина должна быть особенной. Это должна быть беспричинная причина, явление, которое просто произошло, и ему ничто не предшествовало.
Но если приписывать начало всего Большому взрыву, напрашивается вопрос: а что было до этого? Когда мы имеем дело с бессмертными богами, это совсем другое дело, так как для них неподвластность времени не вопрос. Боги существуют вне времени, а мы нет. Для нас нет такого понятия как «до времени». Следовательно, если задать вопрос, что происходило до Большого взрыва, он будет в определенной степени бессмысленным, даже если нам необходимо найти смысл. Стивен Хокинг как-то раз приравнял его к вопросу «Что находится севернее Северного полюса?» А мне нравится фраза «Кем вы были до рождения?»
Аврелий Августин выдвинул гипотезу о том, что время и пространство появились вместе с сотворением мира. Для него это был, конечно же, божий промысел. А для науки?
Мультимедиа
10 худших мест для жизни во вселенной
13 фото, напоминающих о том, насколько поразительна наша Вселенная
В науке мы, чтобы понять, как Вселенная зарождалась, развивалась и взрослела, возвращаемся назад во времени, пытаясь реконструировать происходившее. Подобно палеонтологам, мы идентифицируем «окаменелости», то есть остатки вещества из давно минувших дней, а потом с их помощью узнаем о существовавших в те времена различных физических явлениях.
Мы с уверенностью исходим из того, что Вселенная расширяется на протяжении миллиардов лет, и что этот процесс продолжается сейчас. В данном случае «расширение» означает, что расстояния между галактиками увеличиваются; галактики отдаляются друг от друга со скоростью, зависящей от того, что было внутри Вселенной в разные эпохи, то есть, какая материя заполняла пространство.
Большой взрыв не был взрывом
Когда мы говорим о Большом взрыве и расширении, мы представляем себе взрыв, положивший начало всему. Поэтому мы его так и назвали. Но это неверное представление. Галактики удаляются друг от друга, потому что их буквально разводит растяжение самого пространства. Подобно эластичной ткани, пространство растягивается и несет с собой галактики, как течение реки уносит с собой бревна. Так что галактики нельзя назвать осколками, разлетающимися от взрыва. Не было никакого центрального взрыва. Вселенная расширяется во всех направлениях, и она вполне демократична. Каждая точка важна в одинаковой степени. Кто-то в далекой галактике видит удаление других галактик так же, как и мы.
(Примечание: У близких к нам галактик есть отклонения от этого космического потока, которые называются «локальным движением». Это вызвано гравитацией. Например, Туманность Андромеды приближается к нам.)
Возвращение в прошлое
Если крутить космическое кино назад, мы увидим, как материя все больше и больше сдавливается в сокращающемся пространстве. Температура растет, давление увеличивается, и начинается распад. Молекулы распадаются на атомы, атомы на ядра и электроны, атомные ядра на протоны и нейтроны, а затем протоны и нейтроны на кварки. Такое последовательное разложение материи на самые базовые и элементарные составные части происходит по мере того, как часы тикают в обратном направлении в сторону взрыва.
Например, атомы водорода распадаются примерно за 400 000 лет до Большого взрыва, ядра атомов примерно за одну минуту, а протоны с нейтронами за сотую долю секунды (при просмотре в обратном направлении, конечно). Откуда это нам известно? Мы нашли остатки радиации из того времени, когда сформировались первые атомы (реликтовое микроволновое фоновое излучение), и выяснили, как возникли первые ядра легких атомов, когда Вселенной было всего несколько минут от роду. Это как раз те космические окаменелости, которые показывают нам путь в обратном направлении.
В настоящее время мы в ходе экспериментов можем смоделировать условия, существовавшие в тот момент, когда возраст Вселенной составлял одну триллионную долю секунды. Нам это может показаться ничтожно малой величиной, однако для световой частицы фотона это продолжительное время, позволяющее ему пролететь расстояние, в триллион раз превышающее диаметр протона. Когда мы говорим о ранней Вселенной, нам следует забыть про человеческие мерки и представления о времени.
Безусловно, мы хотим как можно ближе подобраться к моменту, когда время было равно 0. Но в какой-то момент мы утыкаемся в стену незнания и можем лишь экстраполировать свои нынешние теории в надежде на то, что они дадут нам хоть какие-то намеки на происходившее в начале времени, при таких энергиях и температурах, которые мы не можем создать в лаборатории. Но одно мы знаем наверняка. Когда время близко к 0, наша нынешняя теория о свойствах пространства и времени, какой является общая теория относительности Эйнштейна, не действует.
Это сфера квантовой механики, в которой расстояния настолько малы, что мы должны представлять себе пространство не как непрерывный лист, а как зернистую структуру. К сожалению, у нас нет качественной теории, описывающей такую зернистость пространства, как нет и физических законов гравитации в квантовом масштабе (известной как квантовая гравитация). Кандидаты, конечно, есть, например, теория суперструн и петлевая квантовая гравитация. Но в настоящее время отсутствуют доказательства того, что они верно описывают физические явления.
Квантовая космология не дает ответ на вопрос
Тем не менее, любознательность человека требует приблизить границы к нулевому значению времени. Что можно сказать? В 1980-х годах Александр Виленкин, Андрей Линде и Джеймс Хартл со Стивеном Хокингом предложили три модели квантовой космологии, в которых Вселенная существует как атом, а уравнение похоже на то, что используется в квантовой механике. В этом уравнении вселенная есть волна вероятности, которая по сути дела связывает вневременную квантовую область с классической, где есть время, то есть, со вселенной, в которой мы обитаем, и которая сейчас расширяется. Переход от кванта к классике буквально означает возникновение космоса, то, что мы называем Большим взрывом. Таким образом, Большой взрыв является беспричинной квантовой флуктуацией, такой же случайной, как радиоактивный распад: от отсутствия времени к его присутствию.
Контекст
BBC: загадка взрывающихся сибирских кратеров
Forskning: пять мифов о Большом взрыве
Iltalehti: новое объяснение загадки Тунгусского метеорита
Если исходить из того, что одна из этих простых моделей верна, будет ли она научным объяснением Первопричины? Можем ли мы вообще избавиться от необходимости существования причины, пользуясь вероятностями квантовой физики?
К сожалению, нет. Конечно, такая модель стала бы поразительным интеллектуальным подвигом. Это был бы колоссальный шаг вперед в понимании происхождения всего. Но этого недостаточно. Наука не может существовать в вакууме. Ей нужен понятийный аппарат, такие понятия как пространство, время, материя, энергия. Ей нужны расчеты, нужны законы сохранения таких величин как энергия и количество движения. Из идей небоскреб не построишь, как не создашь модель без понятий и законов. Требовать от науки «объяснений» Первопричины — все равно что просить ее объяснить собственную структуру. Это просьба представить научную модель, в которой не используются прецеденты, нет более ранних концепций, которыми можно оперировать. Наука не может этого сделать, как человек не может думать без мозга.
Загадка Первопричины остается неразгаданной. В качестве ответа можно выбрать религию и веру, а еще можно считать, что наука со временем все разгадает. Мы также можем, подобно древнегреческому скептику Пиррону, смиренно признать, что существуют пределы нашего познания. Мы можем радоваться достигнутому и продолжать постигать, осознавая при этом, что нет необходимости знать все и понимать все. Достаточно того, что мы продолжаем пытливо интересоваться.
Любознательность без загадки слепа, а загадка без любознательности ущербна.
Материалы ИноСМИ содержат оценки исключительно зарубежных СМИ и не отражают позицию редакции ИноСМИ.
Источник