Большой взрыв и происхождение вселенной
Если, любопытствуя, мы возьмем в руки справочник или какое-нибудь научно-популярное пособие, то непременно наткнемся в них на одну из версий теории происхождения Вселенной - так называемой теории большого взрыва . В кратком виде эту теорию можно изложить так: первоначально вся материя была сжата в одну "точку", имевшую необычайно высокую температуру, а затем эта "точка" взорвалась с огромной силой. В результате взрыва из постепенно расширявшегося во все стороны супергорячего облака субатомных частиц постепенно образовывались атомы, вещества, планеты, звезды, галактики и, наконец, жизнь. При этом Расширение Вселенной продолжается, и неизвестно, как долго будет продолжаться: возможно, когда-нибудь оно достигнет своих границ.Есть и другая теория происхождения Вселенной. Согласно ей, происхождение Вселенной, всего мироздания, жизни и человека есть разумный творческий акт, осуществленный Богом, творцом и вседержителем, природа которого непостижима человеческим разумом. "Убежденные" материалисты обычно склонны осмеивать эту теорию, но так как в нее в той или иной форме верит половина человечества, мы не имеем права обойти ее молчанием.
Объясняя происхождение Вселенной и человека с механистической позиций, трактуя Вселенную как продукт материи, чье развитие подчиняется объективным законам природы, сторонники рационализма, как правило, отрицают нефизические факторы, особенно тогда, когда речь идет о существовании некоего Всемирного или Космического разума, так как это "ненаучно". Научным же следует считать то, что можно описать с помощью математических формул.
Одна из самых больших проблем, стоящих перед сторонниками теории большого взрыва, как раз состоит в том, что ни один из предлагаемых ими сценариев возникновения Вселенной невозможно описать математически или физически. Согласно базовым теориям большого взрыва , первоначальным состоянием Вселенной была точка бесконечно малых размеров с бесконечно большой плотностью и бесконечно высокой температурой. Однако такое состояние выходит за пределы математической логики и не поддается формальному описанию. Так что в действительности о первоначальном состоянии Вселенной ничего определенного сказать нельзя, и расчеты тут подводят. Поэтому это состояние получило в среде ученых название "феномена".Так как этот барьер до сих пор не преодолен, то в научно-популярных изданиях для широкой публики тема "феномена" обычно опускается вообще, а в специализированных научных публикациях и изданиях, авторы которых пытаются как-то справиться с этой математической проблемой, о "феномене" говорят как о вещи, недопустимой с научной точки зрения. Стивен Хоукинг, профессор математики из Кембриджского университета, и Дж.Ф.Р. Эллис, профессор математики университета в Кейптауне, в своей книге "Длинная шкала структуры пространство-время" указывают: "Достигнутые нами результаты подтверждают концепцию, что Вселенная возникла конечное число лет назад. Однако отправной пункт теории возникновения Вселенной - так называемый "феномен" - находится за гранью известных законов физики". Тогда приходится признать, что во имя обоснования "феномена", этого краеугольного камня теории большого взрыва , необходимо допустить возможность использования методов исследований, выходящих за рамки современной физики.
"Феномен", как и любой другой отправной пункт "начала Вселенной", включающий в себя что-то, что невозможно описать научными, категориями, остается открытым вопросом. Однако возникает следующий вопрос: откуда появился сам "феномен", как он образовался? Ведь проблема "феномена" - это только часть гораздо большей проблемы, проблемы самого источника начального состояния Вселенной. Иными словами - если первоначально Вселенная была сжата в точку, то что привело ее в это состояние? И если мы даже откажемся от вызывающего теоретические трудности "феномена", то все равно останется вопрос: как образовалась Вселенная?
В попытках обойти эту трудность, некоторые ученые предлагают так называемую теорию "пульсирующей Вселенной". По их мнению, Вселенная бесконечно, раз за разом, то сжимается в точку, то расширяется до каких-то границ. Такая Вселенная не имеет ни начала, ни конца, существуют только цикл расширения и цикл сжатия. При этом авторы гипотезы утверждают, что Вселенная существовала всегда, тем самым вроде бы полностью снимая вопрос о "начале мира". Но дело в том, что никто до сих пор не представил удовлетворительного объяснения механизма пульсации. Почему происходит пульсация Вселенной? Какими причинами она вызвана? Физик Стивен Вайнберг в своей книге "Первые три минуты" указывает, что при каждой очередной пульсации во Вселенной неизбежно должна возрастать величина соотношения количества фотонов к количеству нуклеонов, что ведет к угасанию новых пульсаций. Вайнберг делает вывод, что таким образом количество циклов пульсации Вселенной конечно, а значит, в какой-то момент они должны прекратиться. Следовательно, "пульсирующая Вселенная" имеет конец, а значит, имеет и начало...
И снова мы упираемся в проблему начала. Дополнительные хлопоты создает общая теория относительности Эйнштейна. Главной проблемой этой теории является то, что она не рассматривает время таким, каким мы его знаем. В эйнштейновской теории время и пространство объединены в четырехмерный пространственновременной континуум. Для него невозможно описать предмет, как занимающий определенное место в определенное время. Релятивистское описание предмета определяет его пространственное и временное положение как единое целое, растянутое от начало до конца существования предмета. Например, человек оказался бы изображенным как единое целое на всем пути своего развития от эмбриона до трупа. Такие конструкции носят название "пространственно-временных червей".
Но если мы "пространственно-временные черви", значит, мы являемся только заурядной формой материи. То, что человек разумное существо, при этом не учитывается. Определяя человека как "червя", теория относительности не принимает во внимание наше индивидуальное восприятие прошлого, настоящего и будущего, а рассматривает ряд отдельных случаев, объединенных пространственно-временным существованием. В действительности-то мы знаем, что мы существуем лишь в сегодняшнем дне, в то время как прошлое существует только в нашей памяти, а будущее - в нашем воображении. А это означает, что все концепции "начала Вселенной", построенные на теории относительности, не учитывают восприятие времени человеческим сознанием. Впрочем, само время еще мало изучено.
Анализируя альтернативные, немеханистические концепции возникновения Вселенной, Джон Гриббин в книге "Белые боги" подчеркивает, что в последние годы имеет место "серия взлетов творческого воображения мыслителей, которых сегодня мы уже не называем ни пророками, ни ясновидящими". Одним из таких творческих взлетов стала концепция "белых дыр", или квазаров, которые в потоке первичного вещества "выплевывают" из себя целые галактики. Другая обсуждающаяся в космологии гипотеза - идея так называемых пространственно-временных туннелей, так называемых "космических каналов". Эта мысль впервые была высказана в 1962 году физиком Джоном Уилером в книге "Геометродинамика", в которой исследователь сформулировал возможность надпространственных, необыкновенно быстрых межгалактических путешествий, которые при движении со скоростью света заняли бы миллионы лет. Некоторые версии концепции "надпространственных каналов" рассматривают возможность перемещения с их помощью в прошлое и будущее, а также в другие вселенные и измерения.
Бог и большой взрыв
Как видим, теория "большого взрыва" подвергается атакам со всех сторон, что вызывает законное неудовольствие у ученых, стоящих на ортодоксальных позициях. Одновременно в научных публикациях все чаще можно натолкнуться на косвенное или прямое признание существования надприродных сил, неподвластных науке. Возрастает число ученых, в том числе крупных математиков и физиков-теоретиков, которые убеждены в существовании Бога или высшего Разума. К числу таких ученых принадлежат, например, лауреаты Нобелевской премии Джордж Уэйлд и Уильям Маккри. Известный советский ученый, доктор наук, физик и математик О.В. Тупицын первым из отечественных ученых сумел математически доказать, что Вселенная, а вместе с ней и человек, сотворены Разумом, неизмеримо более могущественным, чем наш, - то есть Богом.Нельзя спорить, пишет в своих "Тетрадях" О. В. Тупицын, что жизнь, в том числе разумная, - это всегда строго упорядоченный процесс. В основе жизни лежит порядок, система законов, по которым движется материя. Смерть - это, напротив, беспорядок, хаос и, как следствие, разрушение материи. Без воздействия извне, причем воздействия разумного и целенаправленного, никакой порядок невозможен - тут же начинается процесс разрушения, означающий смерть. Без понимания этого, а значит, без признания идеи Бога науке никогда не суждено открыть первопричину Вселенной, возникшей из праматерии в результате строго упорядоченных процессов или, как называет их физика, фундаментальных законов. Фундаментальных - это значит основных и неизменных, без которых существование мира было бы вообще невозможным.
Однако современному человеку, особенно воспитанному на атеизме, очень трудно включить Бога в систему своего мировоззрения - в силу неразвитой интуиции и полного отсутствия понятия о Боге. Что ж, тогда, приходится верить в большой взрыв ...
Ответ на вопрос «Что такое Большой Взрыв?» может быть получен в ходе долгой дискуссии, поскольку занимает не мало времени. Я же попытаюсь объяснить эту теорию вкратце и по существу. Итак, теория «Большого Взрыва» постулирует, что наша Вселенная внезапно возникла приблизительно 13,7 миллиардов лет назад (из ничего появилось все). И происшедшее тогда до сих пор влияет на то, как и каким образом все во Вселенной взаимодействует друг с другом. Рассмотрим ключевые моменты теории.
Что было до Большого Взрыва?
Теория Большого Взрыва включает очень интересное понятие — сингулярность. Держу пари, это заставляет вас задаться вопросом: что это такое - сингулярность? Астрономы, физики и другие ученые также задаются этим вопросом. Сингулярности, как полагают, есть в ядрах черных дыр. Черная дыра - это область интенсивного гравитационного давления. Это давление, в соответствии с теорией, настолько интенсивно, что вещество сжимается, пока у него не появляется бесконечная плотность. Эту бесконечную плотность и называют сингулярностью . Наша Вселенная, как предполагают, началась как одна из этих бесконечно маленьких, бесконечно горячих и бесконечно плотных сингулярностей. Однако мы еще не подошли к самому Большому Взрыву. Большой Взрыв - это момент, в котором эта сингулярность внезапно «взорвалась» и начала расширяться и создала нашу Вселенную.
Теория «Большого Взрыва» казалось бы подразумевает, что время и пространство существовали прежде, чем возникла наша Вселенная. Однако Стивен Хокинг, Джордж Эллис и Роджер Пенроз (и др.) развивали в конце 1960-х теорию, которая пыталась объяснить, что время и пространство не существовали до расширения сингулярности. Другими словами, ни время, ни пространство не существовали, пока не существовала Вселенная.
Что произошло после Большого Взрыва?
Момент Большого Взрыва — это момент начала времени. После Большого Взрыва, но задолго до первой секунды (10 -43 секунды), космос переживает сверхбыстрое инфляционное расширение, увеличившись в 1050 раз за долю секунды.
Затем расширение замедляется, но первая секунда еще не наступила (еще только 10 -32 секунды). В этот момент Вселенная представляет собой кипящий «бульон» (с температурой 10 27 °C) из электронов, кварков и других элементарных частиц.
Быстрое остывание космоса (до 10 13 °C) позволяет кваркам объединяться в протоны и нейтроны. Тем не менее первая секунда еще не наступила (еще только 10 -6 секунды).
На 3 минуте, слишком горячие для объединения в атомы, заряженные электроны и протоны препятствуют испусканию света. Вселенная представляет собой сверхгорячий туман (10 8 °C).
Через 300 000 лет Вселенная остывает до 10 000 °C, электроны с протонами и нейтронами образуют атомы, в основном водорода и гелия.
Спустя 1 млрд. лет после Большого Взрыва, когда температура Вселенной достигла -200 °C, водород и гелий формируют гигантские «облака», которые впоследствии станут галактиками. Появляются первые звезды.
Ноя 26, 2014
Говорят, что время – самая загадочная материя. Человек, сколько не пытается понять его законы и научиться управлять ими, всякий раз попадает впросак. Делая последний шаг к разгадке великой тайны, и считая, что она, практически, уже у нас в кармане, мы всякий раз убеждаемся, что она все так же неуловима. Однако человек – существо пытливое и поиск ответов на извечные вопросы для многих становится смыслом жизни.
Одной из таких тайн стало сотворение мира. Последователи «теории Большого взрыва», логично объясняющей происхождение жизни на Земле стали задаваться вопросом о том, что было до Большого взрыва, и было ли что-нибудь вообще. Тема для исследований благодатная, а результаты могут заинтересовать широкую общественность.
У всего на свете есть прошлое – у Солнца, Земли, Вселенной, но откуда взялось все это многообразие и что было до него?
Дать однозначный ответ вряд ли возможно, но выдвинуть гипотезы и поискать им доказательства вполне реально. В поисках истины, исследователи получили не один, а несколько ответов на вопрос «что было до Большого взрыва?». Самый популярный из них звучит несколько обескураживающе и довольно смело – Ничего. Возможно ли, что все сущее произошло из ничего? Что Ничто породило все существующее?
Собственно, это нельзя назвать абсолютной пустотой и там все равно происходят какие-то процессы? Все было порождено ничем? Ничто – полное отсутствие не только материи, молекул и атомов, но даже времени и пространства. Богатая почва для деятельности писателей-фантастов!
Мнения ученых об эпохе до Большого взрыва
Однако Ничто нельзя потрогать, к нему не применимы обычные законы, а значит, либо домысливать и выстраивать теории, либо попытаться создать условия, близкие к тем, в результате которых произошел Большой взрыв, и убедиться в правильности своих предположений. В специальных камерах, из которых были удалены частицы вещества, понизили температуру, приблизив к условиям космоса. Результаты наблюдений дали косвенные подтверждения научным теориям: ученые изучали среду, в которой теоретически мог возникнуть Большой взрыв, но назвать эту среду «Ничто» оказалось не совсем корректно. Происходящие мини-взрывы могли бы привести к более масштабному взрыву, породившему Вселенную.
Теории вселенных до Большого взрыва
Приверженцы иной теории утверждают, что до Большого взрыва существовали две другие Вселенные, развивавшиеся по собственным законам. Какими именно они были – ответить сложно, но согласно выдвигаемой теории, Большой взрыв произошел в результате их столкновения и привел к полному уничтожению прежних Вселенных и, одновременно, к рождению нашей, существующей и ныне.
Теория «сжатия» говорит о том, что Вселенная существует, и существовала всегда, меняются лишь условия ее развития, которые приводят к исчезновению жизни в одном регионе и возникновению в другом. Жизнь исчезает в результате «схлопывания» и возникает после взрыва. Как бы парадоксально это не звучало. Такая гипотеза имеет большое количество сторонников.
Есть еще одно предположение: в результате Большого взрыва из небытия возникла новая Вселенная и раздулась, словно мыльный пузырь, до гигантских размеров. В это время от нее отпочковывались «пузырьки», которые впоследствии, стали другими Галактиками и Вселенными.
Теория «естественного отбора» предполагает, что речь идет о «естественном космическом отборе», вроде того, о котором вещал Дарвин, только в более крупных размерах. У нашей Вселенной был свой предок, у него, в свою очередь, так же имелся свой предок. Согласно этой теории, нашу Вселенную породила Черная дыра. и представляют большой интерес для ученых. По этой теории для того, чтобы появилась новая Вселенная, необходимы механизмы «размножения». Таким механизмом и становится Черная дыра.
А может быть, правы те, кто считает, что по мере роста и развития наша Вселенная расширяется, идя навстречу Большому взрыву, который станет началом для новой Вселенной. Значит, когда-то давно, неизвестная и, увы, исчезнувшая Вселенная стала прародительницей нашей новой вселенной. Цикличность этой системы выглядит логично и приверженцев у данной теории немало.
До какой степени приблизились к истине последователи той или иной гипотезы – сказать сложно. Каждый выбирает то, что ближе по духу и пониманию. Религиозный мир дает на все вопросы свои ответы и укладывает картину создания мира в божественные рамки. Атеисты ищут ответы, стремясь докопаться до сути и потрогать своими руками эту самую суть. Можно удивиться, чем вызвано такое упорство в поисках ответа на вопрос о том, что было до Большого взрыва, ведь практическую пользу из этого знания извлечь довольно проблематично: человек не станет властелином Вселенной, по его слову и желанию не зажгутся новые звезды и не погаснут существующие. Но ведь так интересно то, что не изучено! Человечество бьется над разгадками тайн, и кто знает, быть может, рано или поздно, они дадутся человеку в руки. Вот только, как он этими тайными знаниями воспользуется?
Иллюстрации: КЛАУС БАХМАНН, журнал «GEO»
(26
votes, average: 4,85
out of 5)
- Rupor
- Сергей Ирхужин
- Андрей Москвин
- Рома Чудо
- Дмитрий
- Виталий Ефименко
- Kair Nukenov
- Семенчегнко Владимр
- гость
- вова
- Любовь Марченко
- Станислав
- Андрей
- Юрий Германович Бубнов
- Атман
- Гость
- Павел Шутов
- Влад Менбек
«Для меня жизнь слишком коротка, чтобы беспокоиться о вещах мне неподвластных и, может, даже несбыточных. Вот спрашивают: «А вдруг Землю поглотит чёрная дыра, или возникнет искажение пространства-времени - это же повод для волнения?» Мой ответ: «нет», - потому что мы об этом узнаем, только когда оно достигнет нашего… нашего места в пространстве-времени. Мы получаем толчки, когда природа решает, что настало время: будь то скорость звука, скорость света, скорость электрических импульсов - мы всегда будем жертвами временной задержки между окружающей нас информацией и нашей способностью её получить »
Нил Деграсс Тайсон
Время – удивительная штука. Оно дарит нам прошлое, настоящее и будущее. Из-за времени у всего, что нас окружает, есть возраст. Например, возраст Земли составляет примерно 4,5 миллиарда лет. Примерно столько же лет назад загорелась и ближайшая к нам звезда – Солнце. Если эта цифра кажется вам умопомрачительной, не стоит забывать, что задолго до образования нашей родной Солнечной системы появилась галактика, в которой мы живем – Млечный путь. По последним оценкам ученых , возраст Млечного пути составляет 13,6 миллиардов лет. Но ведь мы точно знаем, что у галактик тоже есть прошлое, а космос просто огромен, поэтому нужно смотреть еще дальше. И это размышление неизбежно приводит нас к моменту, когда все началось – Большому Взрыву.
Эйнштейн и Вселенная
Восприятие окружающего мира людьми всегда было неоднозначным. Кто-то до сих пор не верит в существование огромной Вселенной вокруг нас, кто-то считает Землю плоской. До научного прорыва в 20 веке существовала всего пара версий происхождения мира. Приверженцы религиозных взглядов верили в божественное вмешательство и творение высшего разума, несогласных иногда сжигали. Была и другая сторона, которая верила, что окружающий нас мир, равно как и Вселенная, бесконечен.
Для многих людей все изменилось тогда, когда в 1917 году с докладом выступил Альберт Эйнштейн, представив широкой публике труд своей жизни – Общую теорию относительности. Гений 20-го века связал пространство-время с материей космоса с помощью выведенных им уравнений. В результате этого получалось, что Вселенная конечна, неизменна в размерах и имеет форму правильного цилиндра.
На заре технического прорыва опровергнуть слова Эйнштейна не мог никто, поскольку его теория была слишком сложна даже для величайших умов начала 20 века. Поскольку других вариантов не было, модель цилиндрической стационарной Вселенной была принята научным сообществом как общепринятая модель нашего мира. Впрочем, прожить она смогла всего несколько лет. После того, как физики смогли оправиться от научных трудов Эйнштейна и начали разбирать их по полочкам, параллельно с этим начали вноситься коррективы в теорию относительности и конкретные расчеты немецкого ученого.
В 1922 году в журнале «Известия физики» внезапно выходит статья российского математика Александра Фридмана, в которой тот заявляет, что Эйнштейн ошибся и наша Вселенная не стационарна. Фридман объясняет, что утверждения немецкого ученого относительно неизменности радиуса кривизны пространства – заблуждения, на самом деле радиус изменяется относительно времени. Соответственно, Вселенная должна расширяться.
Более того, здесь же Фридман привел свои предположения относительно того, как именно может расширяться Вселенная. Всего модели было три: пульсирующая Вселенная (предположение того, что Вселенная расширяется и сжимается с некоей периодичностью во времени); расширяющаяся Вселенная из массы и третья модель – расширение из точки. Поскольку в те времена других моделей не существовало, за исключением божественного вмешательства, то физики быстро взяли на заметку все три модели Фридмана и начали разрабатывать их в своем направлении.
Работа российского математика слегка уязвила Эйнштейна, и в том же году он публикует статью, в которой высказывает свои замечания относительно трудов Фридмана. В ней немецкий физик пытается доказать верность своих расчетов. Вышло это довольно неубедительно, и когда боль от удара по самооценке немного спала, Эйнштейн выпустил еще одну заметку в журнале «Известия физики», в которой сказал:
«В предыдущей заметке я подверг критике названную выше работу. Однако моя критика, как я убедился из письма Фридмана, сообщенного мне г-ном Крутковым, основывалась на ошибке в вычислениях. Я считаю результаты Фридмана правильными и проливающими новый свет ».
Ученым пришлось признать, что все три модели Фридмана появления и существования нашей Вселенной абсолютно логичны и имеют право на жизнь. Все три объясняются понятными математическими расчетами и не оставляют вопросов. Кроме одного: с чего бы Вселенной начинать расширяться?
Теория, которая изменила мир
Заявления Эйнштейна и Фридмана привели к тому, что ученое сообщество всерьез задалось вопросом происхождения Вселенной. Благодаря общей теории относительности появился шанс пролить свет на наше прошлое, и физики не преминули этим воспользоваться. Одним из ученых, попытавшимся представить модель нашего мира, стал астрофизик Жорж Леметр из Бельгии. Примечателен тот факт, что Леметр был католическим священником, но при этом занимался математикой и физикой, что для нашего времени настоящий нонсенс.
Жорж Леметр заинтересовался уравнениями Эйнштейна, и с их помощью смог вычислить, что наша Вселенная появилась в результате распада некоей суперчастицы, которая находилась вне пространства и времени до начала деления, которое можно фактически считать взрывом. При этом физики отмечают, что Леметр первым пролил свет на рождение Вселенной.
Теория взорвавшегося суператома устроила не только ученых, но также и духовенство, которое было очень недовольно современными научными открытиями, под которые приходилось придумать новые толкования Библии. Большой взрыв не вступал в существенные противоречия с религией, возможно на это повлияло воспитание самого Леметра, который посвятил свою жизнь не только науке, но и служению Богу.
22 ноября 1951 года Папа Римский Пий XII сделал заявление , что Теория большого взрыва не конфликтует с Библией и католическими догмами о возникновении мира. Православные священнослужители также заявили, что относятся к этой теории положительно. Эту теорию относительно нейтрально восприняли и приверженцы других религий, некоторые из них даже сказали, что в их священных писаниях есть упоминания о Большом Взрыве.
Впрочем, несмотря на то, что Теория Большого Взрыва на данный момент является общепринятой космологической моделью, она завела многих ученых в тупик. С одной стороны, взрыв суперчастицы отлично вписывался в логику современной физики, но с другой в результате такого взрыва могли образоваться, в основном, лишь тяжелые металлы, в частности железо. Но, как оказалось, Вселенная состоит, в основном, из сверхлегких газов – водорода и гелия. Что-то не сходилось, поэтому физики продолжили работу над теорией происхождения мира.
Изначально термина «Большой взрыв» не существовало. Леметр и другие физики предлагали лишь скучное название «динамическая эволюционирующая модель», что вызывало зевоту у студентов. Лишь в 1949 году на одной из своих лекций британский астроном и космолог Фрейд Хойл произнес:
«Эта теория основана на предположении, что Вселенная возникла в процессе одного-единственного мощного взрыва и потому существует лишь конечное время… Эта идея Большого взрыва кажется мне совершенно неудовлетворительной» .
С тех пор этот термин стал широко использоваться в научных кругах и представлении широкой общественности об устройстве Вселенной.
Откуда появились водород и гелий
Наличие легких элементов поставило физиков в тупик, и многие приверженцы Теории Большого Взрыва задались целью найти их источник. На протяжении многих лет им не удавалось добиться особых успехов, пока в 1948 году гениальный ученый Георгий Гамов из Ленинграда наконец не смог установить этот источник. Гамов был одним из учеников Фридмана, поэтому с удовольствием взялся за разработку теории своего преподавателя.
Гамов постарался представить жизнь Вселенной в обратном направлении, и отмотал время до того момента, когда она только начала расширяться. К тому времени, как известно, человечество уже открыло принципы термоядерного синтеза, поэтому теория Фридмана-Леметра получила право на жизнь. Когда Вселенная была совсем маленькой, она была очень горячей, согласно законам физики.
По мнению Гамова, спустя всего секунду после Большого взрыва, пространство новой Вселенной заполнили элементарные частицы, которые начали взаимодействовать друг с другом. В результате этого начался термоядерный синтез гелия , который смог рассчитать для Гамова математик из Одессы Ральф Ашер Альфер. Согласно подсчетам Альфера, уже спустя пять минут после Большого взрыва Вселенная была заполнена гелием на столько, что даже убежденным противникам Теории Большого Взрыва придется смириться и принять эту модель, как основную в космологии. Своими исследованиями Гамов не только открыл новые пути изучения Вселенной, но также воскресил теорию Леметра.
Несмотря на стереотипы об ученых, им нельзя отказать в романтизме. Свои исследования относительно теории Супергорячей Вселенной в момент Большого взрыва Гамов опубликовал в 1948 году в работе «Происхождение химических элементов». В качестве коллег-помощников он указал не только Ральфа Ашера Альфера, но и Ханса Бете – американского астрофизика и будущего лауреата Нобелевской премии. На обложке книги получилось: Альфер, Бете, Гамов. Ничего не напоминает?
Впрочем, несмотря на то, что труды Леметра получили вторую жизнь, физики до сих пор не могли ответить на самый волнующий вопрос: а что было до Большого Взрыва?
Попытки воскресить стационарную Вселенную Эйнштейна
Не все ученые были согласны с теорией Фридмана-Леметра, но, несмотря на это, им приходилось преподавать в университетах общепринятую космологическую модель. Например астроном Фред Хойл, который сам же и предложил термин «Большой Взрыв», на самом деле считал, что никакого взрыва не было, и посвятил свою жизнь попыткам это доказать.
Хойл стал одним из тех ученых, которые в наше время предлагают альтернативные взгляд на современный мир. Большинство физиков довольно прохладно относятся к заявлениям подобных людей, но это ничуть их не смущает.
Чтобы посрамить Гамова и его обоснования Теории Большого Взрыва, Хойл вместе с единомышленниками решили разработать свою модель происхождения Вселенной. За ее основу они взяли предложения Эйнштейна о том, что Вселенная стационарна, и внесли некоторые коррективы, предлагающие альтернативные причины расширения Вселенной.
Если приверженцы теории Леметра-Фридмана считали, что Вселенная возникла из одной единственной сверхплотной точки с бесконечно малым радиусом, то Хойл предположил, что материя образуется постоянно из точек, которые находятся между удаляющимися друг от друга галактиками. В первом случае, из одной частицы образовалась вся Вселенная, с ее бесконечным числом звезд и галактик. В другом случае, одна точка дает вещества столько, сколько достаточно для производства всего одной галактики.
Несостоятельность теории Хойла в том, что он так и не смог объяснить, откуда берется то самое вещество, которое продолжает создавать галактики, в которых находятся сотни миллиардов звезд. Фактически Фред Хойл предлагал всем поверить, что структура Вселенной возникает из ниоткуда. Несмотря на то, что многие физики пытались найти решение теории Хойла, никому так и не удалось этого сделать, и спустя пару десятилетий это предложение утратило свою актуальность.
Вопросы без ответов
На самом деле Теория Большого Взрыва также не дает нам ответы на многие вопросы. Например, в уме обычного человека не может уложиться тот факт, что вся окружающая нас материя некогда была сжата в одну точку сингулярности, которая по своим размерам намного меньше атома. И как так получилось, что эта суперчастица нагрелась до такой степени, что запустилась реакция взрыва.
До середины 20 века теория расширяющейся Вселенной так и не была подтверждена экспериментально, поэтому не имела широкого распространения в учебных заведениях. Все изменилось в 1964 году, когда двое американских астрофизиков — Арно Пензиас и Роберт Вильсон – не решили заняться исследованием радиосигналов звездного неба.
Сканируя излучение небесных тел, а именно Кассиопеи А (один из мощнейших источников радиоизлучения на звездном небе) ученые заметили какой-то посторонний шум, который постоянно мешал зафиксировать точные данные по излучению. Куда бы они ни направили свою антенну, в какое бы время суток они не начинали свои исследования – этот характерный и постоянный шум всегда преследовал их. Разозлившись до определенной степени, Пензиас и Вильсон решили изучить источник этого шума и неожиданно совершили открытие, которое изменило мир. Они открыли реликтовое излучение, которое является отголоском того самого Большого Взрыва.
Наша Вселенная остывает гораздо медленнее, чем чашка горячего чая, и реликтовое излучение свидетельствует о том, что некогда окружающая нас материя была очень горяча, и теперь охлаждается по мере расширения Вселенной. Таким образом, все теории, связанные с холодной Вселенной, остались за бортом, и на вооружение была окончательно принята Теория Большого Взрыва.
В своих трудах Георгий Гамов предполагал, что в космосе удастся обнаружить фотоны, которые существуют с момента Большого Взрыва, нужно лишь более совершенное техническое оснащение. Реликтовое излучение подтверждало все его предположения относительно существования Вселенной. Также с его помощью удалось установить, что возраст нашей Вселенной составляет примерно 14 миллиардов лет.
Как и всегда, при практическом доказательстве какой-либо теории, сразу возникает множество альтернативных мнений. Некоторые физики с насмешкой восприняли открытие реликтового излучения как свидетельство Большого Взрыва. Несмотря на то, что Пензиас и Вильсон стали лауреатами Нобелевской премии за свое историческое открытие, появилось множество несогласных с их исследованиями.
Основными аргументами в пользу несостоятельности расширения Вселенной стали несовпадения и логические ошибки. Например, взрыв равноускорил все галактики в космосе, однако вместо того, чтобы удаляться от нас, галактика Андромеды медленно, но верно приближается к Млечному Пути. Ученые предполагают, что эти две галактики столкнутся между собой всего через каких-то 4 миллиарда лет. К сожалению, человечество пока слишком молодо, чтобы ответить на этот и другие вопросы.
Теория равновесия
В наше время физики предлагают различные модели существования Вселенной. Многие из них не выдерживают даже простой критики, другие же получают право на жизнь.
В конце 20 века астрофизик из Америки Эдвард Трайон вместе со своим коллегой из Австралии Уорреном Керри предложили принципиально новую модель Вселенной, при этом сделали это независимо друг от друга. В основу своих исследований ученые положили предположение, что во Вселенной все уравновешено. Масса уничтожает энергию, и наоборот. Такой принцип стали называть принципом Нулевой Вселенной. В рамках этой Вселенной новое вещество возникает в точках сингулярности между галактиками, где притяжение и отталкивание материи уравновешено.
Теорию Нулевой Вселенной не разнесли в пух и прах потому, что спустя некоторое время ученые смогли открыть существование темной материи – загадочной субстанции, из которой почти на 27% состоит наша Вселенная. Еще 68,3% Вселенной составляет более таинственная и загадочная темная энергия.
Именно благодаря гравитационным эффектам темной энергии и приписывают ускорение расширения Вселенной. К слову, наличие темной энергии в космосе предсказал еще сам Эйнштейн, который видел, что в его уравнениях что-то не сходится, Вселенную не получалось сделать стационарной. Поэтому он ввел в уравнения космологическую постоянную – Лямбда-член, за что потом неоднократно себя винил и ненавидел.
Так получалось, что пустое в теории пространство во Вселенной все же заполнено неким особым полем, которое и приводит в действие модель Эйнштейна. В трезвом уме и согласно логике тех времен, существование такого поля было просто невозможным, но на деле немецкий физик просто не знал, как описать темную энергию.
***
Возможно, мы никогда не узнаем, как и из чего возникла наша Вселенная. Еще сложнее будет установить, что было до ее существования. Люди склонны бояться того, что не могут объяснить, поэтому не исключено, что до конца времен человечество будет верить в том числе и в божественное влияние на создание окружающего нас мира.
Большинство астрономов поддерживает идею о том, что Вселенная произошла от «пузырька», в тысячи раз меньшего, чем булавочная головка, но невероятно горячего и плотного. Почти 13,8 млрд лет назад он взорвался, и именно это событие называют «Большим взрывом». В тот момент начали свое существование космос, время, энергия и материя. За очень малый промежуток времени Вселенная расширилась от размеров субатомной частицы до размеров апельсина, а затем продолжила расширение, постепенно приобретая современный вид. Именно Большой взрыв объясняет различные параметры известной нам сегодня Вселенной, и именно Большой взрыв предопределил, как она будет развиваться в будущем и, возможно, погибнет через миллиарды и миллиарды лет. Изучение Большого взрыва - это поиск ответа на вопрос о том, каким было начало «всего» и каким будет его конец.
Первые мгновения
Астрофизики задаются вопросом, что было в начале Вселенной и что было до ее начала. Благодаря физико-математическим исследованиям уже получены некоторые ответы на такие вопросы. Но ответы, удовлетворяющие физиков-теоретиков, не всегда доступны пониманию широкой публики и переносу в нашу повседневную реальность. Другими словами, ряд концепций следует принять «по определению», не пытаясь найти эмпирические примеры в сегодняшней Вселенной, которые позволили бы понять, что произошло в первые мгновения после Большого взрыва.
Начало
В начале времени и космоса, вполне вероятно, существовала «гравитационная сингулярность», то есть то, что мы можем определить как геометрическую точку, в которой гравитационное поле достигало бесконечно большой величины. Гравитационные сингулярности, существование которых предусмотрено общей теорией относительности Альберта Эйнштейна, образуются тогда, когда плотность вещества настолько высока, что вызывает коллапс пространства-времени. Сингулярность очень сложно представить как нечто конкретное; она поддается описанию главным образом через математические понятия. Предположив, что Вселенная родилась из Большого взрыва, некоторые исследователи задались вопросом, было ли что-то до него. Проблема осложняется тем, что Большой взрыв дал начало не только пространству, но и самому времени, так что в общей теории относительности идет речь о «пространстве-времени» как о едином целом. Это выводит нас на представление о том, что Большой взрыв не произошел в «пустом пространстве», которое впоследствии заполнила собой расширяющаяся Вселенная, а сам создал как пространство, так и время.
Эра Планка
То, что появилось сразу после Большого взрыва, имело такие показатели давления и температуры, что его поведение невозможно описать с помощью законов, действующих в современной Вселенной. Фаза, непосредственно последовавшая за Большим взрывом, называется «эрой Планка» в честь немецкого ученого Макса Планка. Она охватывает период от Большого взрыва до времени 10 × -43 степени с после него (это время называется «временем Планка»). За этот очень короткий период Вселенная достигла размера 10 × — 33 степени см, а температура опустилась до 10 × 32 степени °С, то есть до ста тысяч миллиардов миллиардов миллиардов градусов.
Самый маленький космос
Для того чтобы дать определение этой фазе, Планк сделал сравнительно простое умозаключение. Он спросил себя, существует ли минимальная длина волны, меньше которой невозможно получить никакой информации, то есть такое минимальное значение, меньше которого понятие пространства теряет смысл.
Поскольку самой короткой длиной электромагнитной волны обладают гамма-лучи (она составляет 10 × -33 степени см), Планк догадался, что для меньшей длины волн нет способа получить полную физическую информацию. Перемещающийся со скоростью света гамма-луч проходит за 10 × -43 степени с. расстояние в 10 × -33 степени см. Более короткие промежутки времени находятся за пределами возможности измерения. Поэтому между нулевой точкой Большого взрыва и концом эры Планка нельзя получить никакой физической информации о Вселенной на первом этапе развития.
Вскоре после Большого взрыва
В конце эры Планка от общей совокупности имеющейся во Вселенной энергии отделилась сила гравитации, ставшая самостоятельной. Сразу после этого настал черед сильного ядерного взаимодействия (удерживающего в стабильном состоянии атомные ядра), которое вместе с силами гравитации, электромагнитного взаимодействия и слабого взаимодействия (последнее отвечает за радиоактивный распад) является одной из четырех фундаментальных сил, присутствующих в природе. С их помощью частицы обмениваются энергией. Все это с момента Большого взрыва заняло время до 10 × -36 степени с.
Инфляция
В этот момент началась «эра инфляции». Ее называют так потому, что на этом этапе Вселенная подверглась очень быстрому расширению - «инфляции» (от английского to inflate - «надуваться»). В течение нескольких миллиардных долей секунды Вселенная увеличила свой размер в 10 × 50 степени раз. В ходе инфляционного периода, длившегося с момента Большого взрыва до 10 × -32 с. наблюдались «квантовые флуктуации», вызванные спонтанным формированием пар частица/античастица, придавших пространству-времени довольно неправильную и сложную форму. Эти флуктуации легли в основу гравитационных нарушений однородности, которые, будучи поначалу незначительными, стечением времени выросли и в конце концов сложили наблюдаемые сегодня гигантские космические структуры, такие как галактики и скопления галактик. Частицы вещества и антивещества, сталкиваясь, взаимно уничтожались и производили излучение. Тем не менее в этой игре на уничтожение сохранился излишек вещества: он и составил современную Вселенную.
Кварки
Спустя примерно 10 × -35 с после Большого взрыва начали образовываться первые частицы -кварки, антикварки,частицы W, Z и электроны.
Из комбинации нескольких кварков впоследствии сложились протоны, нейтроны и их античастицы. Протоны и антипротоны взаимно уничтожились, произведя электромагнитное излучение. Только в этот момент разделились слабое ядерное и электромагнитное взаимодействия.
Эти явления произошли в период между 10 × -32 и 10 × -5 с после Большого взрыва, когда образовывались первые атомные ядра. С их рождением вещество стало преобладать над излучением, господствовавшим прежде. Однако температура Вселенной достигала еще 10 млрд градусов, поэтому излучение и вещество превращались друг в друга.
Лишь спустя примерно 300 тыс. лет после Большого взрыва, когда температура опустилась до 3300°С, Вселенная, бывшая до этого бесформенным облаком, стала прозрачной для электромагнитного излучения. И тогда начали образовываться первые атомы водорода, гелия и лития - самые легкие элементы Вселенной.
Фоновое излучение
Примерно 300 тыс. лет спустя после Большого взрыва появилось космическое фоновое излучение — самое близкое к Большому взрыву излучение, сегодня получаемое нами. Это первый вид излучения, которое в разреженной теперь Вселенной не улавливается незамедлительно атомными или субатомными частицами, а блуждает по космосу в виде фотонов. С этого момента первичное вещество начинает постепенно складываться в звезды, квазары и галактики. Сегодня при помощи самых мощных телескопов мы пытаемся бросить взгляд на эти объекты - самые древние и самые далекие в нашей Вселенной. Любая дополнительная информация, полученная от них, может позволить нам лучше узнать о наиболее загадочном моменте нашей истории - Большом взрыве.
Модели Вселенной
В 20-е годы прошлого столетия популярностью среди космологов пользовалась идея Вселенной, в которой отталкивающие и притягивающие гравитационные силы находятся в хрупком равновесии, возможном благодаря «космологической константе», умозрительно введенной Альбертом Эйнштейном в его общей теории относительности. Он ввел эту константу для того, чтобы объяснить наличие отталкивающей силы вещества, которая должна была уравновесить гравитационное притяжение. Это было необходимо, чтобы получить равновесную космологическую модель - свойство, считавшееся базовым для всех моделей нашей Вселенной.
Расширение
Тем временем многие астрономы отмечали, что большая часть галактик обнаруживала в спектре своего света смещение линий в красную сторону -явление, известное как «красное смещение». Этот факт поддавался простому объяснению, если его воспринимать как результат эффекта Доплера - того же самого, благодаря которому звук удаляющейся сирены слышится более низким, чем приближающейся. Все это имело смысл в том случае, если принять как данность, что галактики отдаляются друг от друга. Фундаментальный вклад в это исследование внес немецкий астроном Карл Вирц: детально изучив около сорока галактик, он обнаружил, что чем слабее их свет, тем дальше они находятся от нас, тем сильнее красное смещение в их спектрах. Это означало, что более далекие галактики удаляются быстрее, чем ближние. Но чтобы убедиться в правильности выводов Вирца, пришлось дождаться исследований Эдвина Хаббла.
Нестабильный космос
Российский математик Александр Фридман и бельгийский астроном Жорж-Анри Леметр пришли к выводу, что, несмотря на введение космологической константы, Вселенная Эйнштейна нестабильна и было бы достаточно небольшой флуктуации, чтобы вызвать ее бесконечное расширение или сжатие. Наблюдения Хаббла позволили заключить, что Вселенная расширяется. Леметр разработал также теорию о том, что Вселенная происходит от «первородного атома», давшего начало всему. Несмотря на многочисленные подтверждающие эту теорию данные, она была подвергнута острой критике. Тем не менее идея не умерла; напротив, ее поддержал физик Джордж Гамов, теоретически подтвердивший возможность рождения Вселенной в результате колоссального взрыва.
Стационарная Вселенная
Тем временем другой астроном, Фред Хойл, выдвинул идею о том, что Вселенная может расширяться в «стационарном состоянии»: галактики удаляются друг от друга, но в пространстве между ними постоянно рождается новое вещество. Именно Хойл с иронией назвал гипотезу своих коллег «Большим взрывом» (Big Bang). Но в итоге научный мир поддержал гипотезу Большого взрыва, выдвинутую Гамовым, а в конце 1960-х годов она трансформировалась в конкретную теорию, подтвержденную в конце 1990-х спутниками СОВЕ и WMAP.
Фоновое излучение
Через несколько сотен секунд после Большого взрыва радиус Вселенной составлял всего несколько световых минут, а вещество уже включало в себя базовые элементы атомов - взаимодействующих друг с другом электронов, протонов, нейтронов, и также нейтрино и фотонов (частиц, переносящих энергию). Когда спустя несколько сотен тысяч лет после Большого взрыва температура опустилась примерно до 3300 °С, количество столкновений фотонов и других частиц уменьшилось, и фотоны стали свободно распространяться во Вселенной.
Все холоднее и холоднее
Расширение повлекло за собой дальнейшее снижение температуры, опустившейся в конце концов до 3 К, то есть всего на три градуса выше абсолютного нуля (-273°С). Эта температура «отпечаталась» на блуждающих фотонах, которые, все реже сталкиваясь с другими частицами во все менее плотной Вселенной, дожили до наших дней. Сегодня они считаются самыми главными свидетелями тех далеких времен. Именно блуждающие фотоны образуют так называемое «фоновое космическое излучение». Оно было открыто в 1964 году радиоастрономами Арно Пензиасом и Робертом Вильсоном, удостоенными за это Нобелевской премии по физике в 1978 году.
Открытое случайно
На самом деле исследователи занимались наладкой антенны нового типа для приема микроволн. В ходе работы ученые приняли неизвестное излучение, причем поначалу решили, что оно имеет земное происхождение. Но скоро Пензиас и Вильсон поняли, что «слушают» космическое излучение, существование которого Гамов и его коллеги предполагали еще в 1948 году, - нечто вроде «эха» Большого взрыва. Открытие фонового излучения имело (колоссальную важность, поскольку стандартная модель Вселенной предусматривала наличие в ней однородного сигнала, распространяющегося на длине волны около миллиметра и пронизывающего весь космос. Именно это и было открыто учеными.
Со спутников
Открытие Пензиаса и Вильсона с годами неоднократно подвергалось проверке, но всегда получало подтверждение. Проверки проводились с борта аэростатов (например, эксперимент «Бумеранг», проведенный совместно Италией и США). Три спутника (СОВЕ, WMAP и Planck) были специально созданы для изучения фоновой радиации и дали великолепные результаты, особенно последние два, которые позволили измерить излучение и получить детали, ранее остававшиеся недоступными. Благодаря анализу полученных со спутников данных обнаружились различия в температуре фонового излучения всего лишь в стотысячные доли градуса. Эта небольшая «рябь» составляет подобие генетического кода живого существа: она и определяет эволюцию Вселенной.
Открытие фонового излучения стало важнейшим доказательством в пользу модели Большого взрыва, похоронившим теорию стационарной Вселенной Хойла.
Возникающие сомнения
Если бы мы смогли на самом деле понять, как произошел Большой взрыв, то ответили бы на тысячу нерешенных вопросов о рождении Вселенной и ее строении. Но ответов на эти вопросы пока нет, несмотря на имеющиеся в распоряжении астрономов самые современные приборы. Главный и наиболее сложный вопрос - как и почему произошел Большой взрыв.
Наши возможности в изучении прошлого Вселенной простираются в глубь времен и останавливаются, как уже говорилось, на точке 10 × -43 с после Большого взрыва. Понять, что произошло до этого момента, может лишь теоретическая физика, и только новые гипотезы унесут нас ко времени «до» Большого взрыва.
Темная материя и темная энергия
Другой важной темой, объяснение которой, возможно, кроется в обстоятельствах Большого взрыва, является происхождение темной материи и темной энергии. Вселенная лишь на 5% состоит из вещества, которое мы можем наблюдать традиционными способами, например, в телескоп, и которое является нам в форме звезд, туманностей, галактик. Остальное состоит на 27% из темной материи и на 68% из темной энергии. Относительно темной материи сегодня выдвинуты некоторые конкретные гипотезы: эта материя невидима, она обнаруживает свое присутствие в галактиках и скоплениях галактик благодаря своей силе притяжения, она могла бы состоять из нескольких еще неизвестных типов частиц, из нейтрино (если их масса не равна нулю) или из звезд исключительно низкой яркости.
Темная энергия, напротив, по-прежнему остается загадкой. О ней известно лишь то, что она действует как отталкивающая сила и заставляет Вселенную расширяться с ускорением, а не с замедлением, как можно было бы ожидать, если бы этой энергии не было.
Красное смещение
Если одни вопросы бросают вызов тем, кто изучает происхождение Вселенной, то другие ставят под сомнение саму теорию Большого взрыва. Первый из таких вопросов касается красного смещения света галактик. Некоторые астрофизики, и среди них американский астроном Хэлтон Арп, считают, что красное смещение вызвано не только удалением галактик, но и явлением, связанным с самой природой наблюдаемых объектов. Если это так, то часть опоры, на которой зиждется теория расширения Вселенной, рухнет. Те, кто еще поддерживает теорию стационарной Вселенной Фреда Хойла, основывает свои полемические выступления именно на этом тезисе. Если Арп прав, для объяснения рождения Вселенной теория Большого взрыва просто не нужна. Впрочем, то, что предлагает Арп, встречает опровержения сторонников теории расширения Вселенной.
Циклическая Вселенная
Теории Большого взрыва и стационарной Вселенной - не единственные, объясняющие существование нашего мира. Как минимум есть еще одна, предполагающая циклическое существование Вселенной. Согласно этой теории, всякий раз, когда Вселенная подходит к концу своей эволюции, она «начинает сначала» посредством нового Большого взрыва. Возможно, при каждом возрождении Вселенная «забывает» характеристики своего прошлого и формирует новые физические законы, рождающиеся на этапе инфляции.