Большой взрыв и происхождение Вселенной
Происхождение Вселенной остается одной из главных загадок науки. С начала наблюдений за звездным небом человечество пыталось понять, как возникло все, что его окружает, и что там за пределами нашего мира. С развитием технологий ему покорились многие природные явления и даже просторы космоса, но никто так до сих пор и не установил, как зародилась Вселенная. Однако, астрономы выдвинули множество теорий на этот счет, некоторые из них вполне логичны и правдоподобны.
Теория большого взрыва
Основной теорией возникновения Вселенной в ее нынешнем состоянии является теория большого взрыва. Впервые этот термин был применен британским астрономом Ф. Хойлом в 1949 году. При этом сам ученый считал данное предположение о происхождении и эволюции Вселенной ошибочным.
Сами же идеи о расширении Вселенной и ее развитии в результате взрывного процесса возникли в начале 20 века. Способствовал этому Альберт Эйнштейн, опубликовавший свою теорию относительности. Нестационарное решение его гравитационного уравнения натолкнуло советского физика Фридмана на гипотезу о том, что Универсум – постоянно расширяющийся объект. По его версии, вначале она представляла собой очень плотное, однородное вещество. Оно в результате большого взрыва начало распространяться, образуя привычные нам элементы космоса – галактики, туманности, звезды, планеты и другие тела.
Теория происхождения Вселенной по Фридману неоднократно подвергалась дополнениям и улучшениям. В 1948 году астрофизик Георгий Гамов опубликовал работу, в которой описывал первичное вещество до Большого взрыва не только как очень плотное, но и как очень горячее. В нем постоянно происходили реакции термоядерного синтеза, в результате которых образовались ядра легких химических элементов. Выделяемое при этом электромагнитное излучение сохранилось до сих пор, но в остывающем виде. Теория была подтверждена почти через 20 лет после того, как ученым удалось открыть и измерить температуру космического фона. Изучение реликтового излучения также помогла установить возраст мироздания и распределение в нем вещества.
Современное представление о возникновении Вселенной
- Теория Большого взрыва – описывает то, что стало пусковым механизмом расширения первичной материи.
- Инфляционная теория – рассматривает причины расширения вещества.
- Модель расширения Фридмана – описывает процессы распределения материи в пространстве.
- Иерархическая теория – описывает возникновение всех структур космоса.
Хронология событий в теории Большого взрыва
Теория эволюции Вселенной подразумевает, что до Большого взрыва все мироздание находилось в принципиально другом состоянии. А после – проходило стадии развития, благодаря которым заполнилось частицами, химическими элементами и другими структурами. Они же послужили строительным материалом для всех космических тел и объектов. Каждый эпоха развития имеет свою продолжительность от незначительных долей секунды до миллиардов лет. Попробуем изложить теорию происхождения Вселенной кратко и простым языком.
Эпоха сингулярности
Большому взрыву и происхождению Вселенной в современном ее виде предшествовала стадия космологической сингулярности. Это состояние Универсума, при котором вещество имеет почти бесконечные значения плотности и температуры, а само оно стремится к нулю.
Космологическая сингулярность – один из самых трудных вопросов современной науки. Невозможно точно установить, что именно было до Большого взрыва. Но бесконечная плотность раннего вселенского вещества не может сопровождаться его бесконечной температурой. Следовательно, сингулярная Вселенная противоречит современным законам физики.
По некоторым предположениям, эпохи сингулярности вообще не существовало. Еще по предположению группы ученых, в число которых входит С.Хокинг, все сущее могло возникнуть из абсолютного вакуума («ничего») из-за колебаний системы. По другой теории, Большой взрыв привел лишь к образованию Метагалактики, как «пузырька» в плотном веществе Универсума. Есть также гипотеза о том, что вселенные образуются из-за разрывов сингулярности в пределах черных дыр. Доподлинно же установить, что было до Большого взрыва, не представляется возможным.
Планковская эпоха
Итак, в первичном мироздании произошел катастрофический процесс, в результате которого вещество начало стремительно расширяться и охлаждаться. При чем для формирования всех структур космического пространства взрыв должен был произойти повсюду. Это и является точкой отчета возникновения мироздания в его нынешнем виде.
В период от нуля до 10 -43 секунд вещество Универсума имело физические параметры (температура, энергия, плотность) соответствующие постоянным Планка. В таких условиях планковской эпохи произошло рождение частиц.
Эпоха великого объединения
В период с 10 -43 по 10 -35 секунд после Большого взрыва в относительно устойчивой системе возникли силы гравитации. Они впоследствии способствовали возникновению звезд и планет. Первичная материя перестала быть однородно плотной. Но электромагнитное и ядерное взаимодействия в ней были еще объединены, поэтому любые физико-химические параметры для этого вещества не имеют смысла.
Эпоха инфляции
При переходе в эту стадию эволюции Вселенная начала ускоренно расширяться. Это позволило перераспределиться высокоплотному изотропному первичному веществу. Эпоха заняла промежуток времени с 10 -35 по 10 -32 секунды от взрывного процесса.
Электрослабая эпоха
К этому моменту сильное ядерное взаимодействие, как и гравитация, отделено от первичной материи. Период с 10 -32 по 10 -12 секунд – момент рождения таких элементарных частиц, как хиггсовский бозон и W-, Z-частицы. Симметрия до вселенского вещества окончательно разрушена.
Кварковая эпоха
С 10 -12 по 10 -6 секунд все четыре фундаментальные взаимодействия начинают существовать отдельно. Все вещество Универсума представляет собой «кварковый суп» из безмассовых и бесструктурных фундаментальных частиц.
Андронная эпоха
Из фундаментальных частиц начали образовываться андроны – частицы с сильным ядерным взаимодействием. Именно из них образуются нуклоны, формирующее атомные ядра, протоны и нейтроны. Весь процесс андронизации занял порядка ста секунд после Большого взрыва.
Лептонная эпоха
Первые три минуты существования Универсума происходит формирование лептонов, в том числе и их подвида – нейтрино. Это еще одни фундаментальные структуры вселенского вещества, из которых в дальнейшем было построено все в мироздании.
Протонная эпоха
Более 300 тысяч лет ушло на первичный процесс нуклеосинтеза легких химических элементов и перераспределения вещества Универсума. Оно стало доминировать над излучением, что замедлило расширение космического пространства. Конец данной стадии ознаменовался возможностью передвижения тепловых фотонов.
Темные века
Ни одной привычной нам космической структуры в первые 500 млн. лет после возникновения Вселенной не существовало. Она была заполнена водородно-гелиевой массой и реликтовым тепловым излучением, распространяющимся по всему ее пространству.
Реионизация
Постепенно облака водорода и гелия под воздействием гравитации начали сжиматься, в них стали зарождаться процессы термоядерного синтеза. Появились первые звезды. Они стали собираться в скопления, называемые галактиками. В центре формирующихся галактик возникал источник мощнейшего излучения и гравитационного притяжения – квазар. Этот процесс занял более 300 млн. лет.
Эра вещества
Молодые звезды формируют вокруг себя протопланетные диски, из которых впоследствии образовываются целые планетарные системы. В эту эру 4,6 млрд. лет назад возникла и Солнечная система со всеми окружающими ее планетами. Вся же история Вселенной продолжается более 13,7 млрд.лет.
Будущее Вселенной
Теория возникновения Вселенной путем Большого взрыва официально признана в научном мире. Согласно ее основным утверждениям, космическое пространство все еще продолжает эволюционировать и на смену одним структурам приходят абсолютно новые. Существуют две противоположные версии дальнейшего развития событий:
- Большой разрыв. Если Универсум и дальше продолжит расширяться, то в дальнейшем гравитационное взаимодействие между его элементами начнет стремительно ослабевать. Произойдет распад галактик и их скоплений. После этого распадутся отдельные звездные системы, где гравитация звезды не в силах будет удержать планеты вокруг себя. Постепенно все элементы Вселенной разрушаться вновь до элементарных частиц, законы физики перестанут иметь смысл. Что произойдет дальше – предсказать невозможно.
- Большое сжатие. В этом сценарии описывается предположение, что космическое пространство постепенно замедлит свое расширение и начнет обратно сжиматься. Все его элементы образуют единое мега скопление, в котором будет продолжаться процессы рождения, эволюции и смерти галактик. Однако, вещество будет сжиматься и далее, что приведет к образованию одной гигантской галактики. Космическое пространство вновь начнет нагреваться, реликтовое излучение разрушит планеты и звезды. Все структуры перейдут в состояние элементарных частиц. Вселенная приобретет свой первоначальный вид до Большого взрыва.
Любой из основных сценариев смерти Вселенной в нынешнем ее состоянии предполагает распад всех ее структур до фундаментальных частиц и прекращения любых сил взаимодействия. Так ли оно будет на самом деле, предсказать современной науке невозможно.
Основные теории происхождения Вселенной
Большой взрыв не единственное современное представление о происхождении и эволюции Вселенной. Научный мир знает множество теорий возникновения мира, основными из которых являются:
- Теория струн. Ее основное утверждение заключается в том, что все существующее состоит из мельчающих энергетических нитей. Такие квантовые струны могут растягиваться, искривляться и располагаться в любых направлениях, что делает космическое пространство многомерным. И каждое из этих измерений имеет свою эволюционную стадийность.
- Теория стационарной Вселенной. По этой версии, в расширяющемся пространстве космоса постоянно возникает новая материя, что делают всю систему стабильной. Идея была популярна в середине 20-го века, но после открытия и изучения реликтового излучения у нее практически не осталось сторонников.
Не исключено, что все предположения о возникновении мироздания, признанные сейчас в научном мире, не будут опровергнуты в будущем. И чем дальше и дольше человечество исследует космические просторы, тем больше новых ответов и вопросов оно находит.
Источник
Теория большого взрыва за 5 минут: как рождалась Вселенная глазами ученых
Из чего состояла сингулярность и Вселенная в начале своего развития? Откуда взялись законы физики и элементарные частицы? Давайте разбираться, что говорит об этом современная астрофизика.
Конечно, мы не можем заглянуть в те мгновения, когда рождалась наша Вселенная. Но человеческий интеллект может использовать данные современной физики, химии и астрономии и просто протянуть их вспять. И довести до момента, когда начался наш мир.
Наша Вселенная «появилась на свет» 13,8 млрд лет назад. Итак, давайте посмотрим, как же она зарождалась.
Здесь и далее я буду основываться на современной космологической теории и на исследованиях Planck Collaboration — группе европейских астрофизиков, работающих в обсерватории Планка.
Сингулярность
Изначально наша Вселенная представляла собой так называемую сингулярность – то есть небольшую точку, в которой была заключена вся материя нашего будущего мира. Тогда материя еще не делилась на атомы и молекулы. А плотность сингулярности была сверхвысокой.
Почему произошел взрыв и из сингулярности стала расширяться наша Вселенная? Что заставило сингулярность выйти из стабильного состояния и взорваться? Эти вопросы остаются загадкой для ученых. Ответ на него вряд ли будет найдет – для этого мы должны выйти за пределы нашей Вселенной, а это физически невозможно.
Итак, сингулярность взорвалась и наша Вселенная стала быстро расширяться. В сингулярности температура составляла 1000 нониллионов (10 с 30 нулями) градусов. С расширением Вселенной, температура и давление стали падать.
Здесь, для простоты изложения, я пропущу несколько этапов (например, слияние кварков и глюонов), которые интересны только профессиональным ученым. Перейдем к самому интересному — как произошла наша материя в привычном виде.
Рождение частиц и законов физики
А дальше процесс стал очень интересным. Произошла серия так называемых фазовых переходов. По сути, этот процесс — аналог обычной конденсации, когда газ скапливается в жидком виде. Только тут он коснулся элементарных частиц.
За миллионную долю секунды материя прошла несколько этапов развития, что в итоге привело к образованию всех элементарных частиц и физических сил (гравитационная, электро-магнитная, а также сильные и слабые ядерные взаимодействия).
Рождение атомов и материи
Если первый этап был, по нашим меркам, почти мгновенным, то в текущем виде вещество появилось не сразу. Протоны и электроны сперва не складывались в атомы. Это произошло лишь спустя 380 тысяч лет после большого взрыва — после того, как температура заметно снизилась.
Появились первые атомы. Материя на этом этапе на 75% состояла из водорода, на 24,99% из гелия. Остальная часть пришлась на тяжелые формы водорода, гелия и лития.
Все более тяжелые элементы, включая важные для нас кислород и углерод, образовались уже в недрах звезд. А некоторые – типа драгоценных золота и платины, появились из-за космологических катастроф – столкновений звезд и галактик.
Появление звезд
Спустя миллионы лет после Большого взрыва гравитация стала главной силой, которая стала собирать вещество в звезды и планеты.
По оценкам астрофизиков из университета Аризоны (США), первые звезды появились во Вселенной через 180 млн лет. Классическая теория космологии говорит, что звезды возникли позже — спустя 400 млн лет. Но все ученые сходятся во мнении, что первые звезды были в сотни миллионов раз ярче современных. Конечно, жизнь в таких условиях зародиться все равно не могла.
В дальнейшем во Вселенной стали появляться тяжелые элементы, из них стали складываться планеты. 4,57 млрд лет назад появилось наше Солнце.
Что ж, картину рождения Вселенной ученые, и правда, более или менее представляют. Открытым пока остается вопрос — как был запущен процесс и все получилось именно так?
Бог или случай?
Как я писал в главе «Рождение частиц и материи», современная теория большого взрыва гласит – из непонятной энергетически насыщенной горячей массы появились вполне конкретные частицы. Из них в дальнейшем собрались звезды, планеты, да и мы с вами.
И как они образовались – это ключевой вопрос мировоззрения в современном естествознании.
Ученые утверждают – все частицы собрались случайным образом. То есть электроны и протоны, которые вышли из этой массы, могли быть совсем другими – более тяжелыми, иметь другие заряды. Всего в мире Вселенные рождаются и погибают бесконечное число раз и у каждой из них — свой набор параметров. В большинстве жить нельзя.
Но ведь если всего лишь чуть-чуть подправить массу протона, то электроны начнут приземляться на ядра и повсюду будет избыток нейтронов. А к чему это приведет? Мы не увидим звезд в нашем привычном понимании. Эти объекты будут жить совсем недолго – по несколько миллионов лет, и этого недостаточно ни для формирования планетарной системы, ни для условий для жизни.
Ни о каких тяжелых материалах – углероде, кислороде и железе нет и речи. Все заканчивается уже на втором элементе – гелии.
Так правда ли возможна такая случайность, которая разложила все элементарные частицы по нужным полочкам? Прям все фундаментальные частицы (их наука насчитывает 24) выстроились в нужном нам порядке случайно?
Поверить можно, но сложно. Гораздо проще поверить, что у Вселенной были изначальные законы развития. Не важно, что их задал – Небесный Бог с бородой, мегамозг или некий ген Вселенной. Все это в философии и называется понятием Бог – то есть закон, который был изначально и который все обуславливает в этом мире.
Этот парадокс в науке известен под названием «антропный принцип». В 2002 году я готовил по нему передачу для Александра Гордона. Прошло 17 лет и ничего не изменилось — ученые до сих пор не могут объяснить, как частицы выстроились случайно и идеально для появления жизни во Вселенной.
А что думаете вы? Был ли Большой взрыв и формирование материи одной большой случайностью или кто-то или что-то задумало такой сценарий изначально?
Источник