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.
Большой взрыв
Большой Взрыв. Так называется теория, вернее одна из теорий, возникновения или, если угодно, сотворения Вселенной. Название, пожалуй, слишком несерьезное для столь устрашающего и вызывающего благоговейный трепет события. В особенности устрашающего, если когда – нибудь вы задавали себе очень трудные вопросы о мироздании.
Например, если Вселенная - это все то, что есть, то каким образом это началось? И что было до этого? Если пространство не бесконечно, то что за пределами его? И в чем собственно должно помещаться это нечто? Как можно понять слово «бесконечно»?
Эти вещи трудны для понимания. Более того, когда об этом начинаешь задумываться, охватывает жуткое ощущение чего-то величественно – ужасного. Но вопросы о мироздании - это одни из самых главных вопросов, которые задает себе человечество на протяжение своей истории.
Что послужило началом существования Вселенной?
Большинство ученых убеждено, что начало существованию Вселенной положено грандиозным большим взрывом вещества, который произошел около 15 миллиардов лет назад. Многие годы большинство ученых разделяло гипотезу о том, что начало Вселенной было положено грандиозным взрывом, который ученые шутливо окрестили «Большой Взрыв». По их мнению, вся материя и все пространство, которое сейчас представлено миллиардами и миллионами галактик и звезд, 15 миллиардов лет назад умещалось в мизерном пространстве размером не превышающем нескольких слов в этом предложении.
Материалы по теме:
Самые большие планеты Вселенной
Как образовывалась Вселенная?
Ученые полагают, что 15 миллиардов лет назад этот маленький объем взорвался мельчайшими, меньшими чем атомы, частицами, положив начало существованию Вселенной. Первоначально она представляла собой туманность из мелких частиц. Позже при соединении этих частиц образовались атомы. Из атомов же сформировались звездные галактики . Со времени этого Большого Взрыва Вселенная продолжает расширяться, как раздуваемый воздушный шар.
Сомнения в теории Большого Взрыва
Но за последние несколько лет ученые, занимающиеся изучением структуры Вселенной, совершили несколько неожиданных открытий. Некоторые из них ставят под сомнение теорию Большого Взрыва. Что поделаешь, наш мир не всегда соответствует нашим удобным представлениям о нем.
Распределение вещества при взрыве
Одна проблема заключается в том способе, которым материя распределена по Вселенной. Когда взрывается какой-либо предмет, то его содержимое разлетается равномерно во всех направлениях. Другими словами, если материя в начале была спрессована в малом объеме, а затем взорвалась, то вещество должно было равномерно распределиться по пространству Вселенной.
Реальность, однако, сильно отличается от ожидаемых представлений. Мы живем в весьма неравномерно заполненной Вселенной. При взгляде в космос взору предстают отдельные удаленные друг от друга сгустки материи. Громадные галактики разбросаны там и сям по космическому пространству. Между галактиками простираются огромные участки ничем не заполненной пустоты. На более высоком уровне галактики сгруппированы в гроздья - кластеры, а эти последние - в мега кластеры. Как бы то ни было ученые до сих пор не пришли к согласию в вопросе о том, как и почему образовались именно такие структуры. К тому же со всем недавно возникла новая еще более серьезная проблема.
Наука, изучающая Вселенную, как единое целое и Метагалактику – как часть Вселенной, называется космологией
. Георгий Гамов – американский физик–теоретик предполагает, что наша Вселенная, т.е. Метагалактика, родилась в горячем состоянии с температурой около 10 32 К
. Эту модель Гамов назвал «Космологией большого взрыва».
Над этой моделью Гамов работал 10 лет. В 1948 году он опубликовал теорию «Большого взрыва
». Согласно теории "Большого взрыва",
наша Вселенная расширяется. Расширение началось 15 млрд. лет назад
из исходного очень горячего состояния. Согласно этой теории, в начальном моменте материя Вселенной находилась в состоянии физического вакуума. Физический вакуум был в неустойчивом, возбужденном состоянии, так как обладал огромной энергией:
w= , где г/см 3 - плотность материи вакуума, а с
– скорость света. Энергия создает огромное давление . В момент времени 10 43 с.,
из-за огромного давления начинается инфляция вакуума, т.е. вакуум начинает терять энергию. От момента 10 ─43 с. до 10 ─35 с материя вакуума расширяется экспоненциально и его размер увеличивается в 10 50 раза. В промежуток времени от 10 ─35 с до 10 ─32 с происходит фазовый переход
, т. е. «Большой взрыв», в ходе которого вакуумное состояние материи посредством туннельного эффекта
превращается в горячую плотную Вселенную с температурой 10 32 К,
с материей в виде электромагнитных волн
(радиоволны, инфракрасные, видимые, ультрафиолетовые, рентгеновские и гамма лучей). Таким образом, наша Вселенная родилась в виде огненного шара, который назывался «Илем»
(греч. йлем - первичная материя). Илем представлял собой нейтральный газ из электромагнитных волн и элементарных частиц. По причине быстрого расширения,
материя Вселенной охлаждается
и начинается появление частиц из радиации. В начале количество частиц и античастиц было равным. Затем происходит спонтанное нарушение
симметрии, это приводит к преобладанию частиц над античастицами. В первые секунды после взрыва рождаются адроны
(барионы и мезоны). По истечению времени приблизительно в 1000 с
после взрыва температура становится равной примерно 10 10 К
и нарушается равенство концентрации протонов и нейтронов по той причине, что время жизни протонов равно 10 31 лет
, а время жизни нейтронов длится около 800 с
. Нейтроны распадаются и устанавливаются соотношения: 77% протонов и 22% нейтронов. В промежутке времени от 1000 с до 10000 с происходит образование легких атомов водорода и гелия. На образование ядра гелия уходят почти все нейтроны, и устанавливается следующее соотношение: 77% водорода и 22% гелия
. Интервал времени формирования Вселенной ученые делят на четыре “эры”
в соответствии с преобладающей формой существования материи. 1. Эра адронов
продолжается 0,0001 секунд. Адронная эра - это эра тяжелых частиц. Плотность частиц равна ρ>10 14 г/см 3 , а температура Т>10 12 К. В конце эры происходит внезапное нарушение симметрии, равенство частиц и античастиц. Причиной нарушения симметрии считается не сохранение барионного заряда. В результате, на каждый миллион (10 6) античастиц приходится миллион плюс одна (10 6 +1) частица. 2. Эра лептонов
. Продолжительность эры от 0,0001с до 10с, температура от 10 10 К до 10 12 К, плотность от 10 4 до 10 14 г/см 3 . В эту эру основную роль играют легкие частицы
, принимающие участие в реакциях между протонами и нейтронами. Происходят взаимные превращения протонов в нейтроны и наоборот. Постепенно накапливаются мю-мезоны, электроны, нейтрино и их античастицы. В конце эры лептонов происходит аннигиляция частиц и античастиц
. Таким образом, во Вселенной античастицы исчезают, остаются частицы и излучения. Вселенная становится прозрачной для электронных нейтрино. Эти нейтрино сохранились и до нашего времени. 3. Эра радиации.
Еепродолжительность 70 млн. лет, температура уменьшается от 10 10 К до 3000 К, а плотность от 10 4 до 10 -21 г/см 3 . К началу эры радиации количество протонов и нейтронов примерно равно. При уменьшении температуры количество протонов становится больше
из-за распада нейтронов. В конце эры возникают условия для образования первичных атомов, в результате чего начинается новая эра - эра вещества. 4. Эра вещества.
Эта эра наступила через 70 млн. лет после «Большого взрыва» с температурой около 3000К и плотностью порядка 10 4 г/см 3 . В начале эры плотность радиации и плотность вещества (частиц) была равной - около 10 −26 г/см 3 , они находились в условиях теплового равновесия. При равновесии эволюционный процесс не происходит
, т.е. материя не может усложняться. Однако по мере расширения Вселенной, охлаждения вещества и охлаждения радиации происходят по разным законам. Температура вещества уменьшается обратно пропорционально квадрату размера Вселенной: Т вещества ~1/R 2
. Температура радиации уменьшается обратно пропорционально размеру Вселенной: Т радиация ~1/R.
Следовательно, вещество остывает значительно быстрее
. Вселенная от равновесного состояния переходит к неравновесному состоянию. Силы гравитации порождают неустойчивость
, а турбулентное движение создает ударные волны
. Все это приводит к фрагментации материи Вселенной. Образуются маленькие и большие газовые облака, состоящие из радиации, элементарных частиц, атомов водорода и гелия. В интервале времени, от 3 ч. до 3 миллионов лет, из маленьких облаков образуются звезды, а из больших облаков образуются целые галактики. Механизм возникновение звёзд американский ученый Трюмплер (1930) первым объяснил
тем, что газопылевое облако сжимается и нагревается, давление и температура внутри растут, замедляя сжатие. При 20 миллионов градусов начинается ядерная реакция
, происходит взрыв, и возникает новая звезда. Наше Солнце проделало такой путь примерно за 1 млн. лет, около 5 млрд. лет назад. Теория Большого взрыва стала почти такой же общепринятой космологической моделью, как и вращение Земли вокруг Солнца. Согласно теории, около 14 млрд лет назад спонтанные колебания в абсолютной пустоте привели к появлению Вселенной. Нечто, сравнимое по размеру с субатомной частицей, расширилось до невообразимых размеров за доли секунды. Но в этой теории существует много проблем, над которыми бьются физики, выдвигая всё новые и новые гипотезы. Из теории следует,
что все планеты и звёзды образовались из пыли, размётанной по космосу в результате взрыва. Но что предшествовало ему, неясно: здесь наша математическая модель пространства-времени перестаёт работать. Вселенная возникла из начального сингулярного состояния, к которому не применить современную физику. Теория также не рассматривает причины возникновения сингулярности или материи и энергии для её возникновения. Считается, что ответ на вопрос о существовании и происхождении начальной сингулярности даст теория квантовой гравитации. Большинство космологических моделей предсказывают,
что полная Вселенная имеет размер намного больший, чем наблюдаемая часть - сферическая область с диаметром примерно 90 млрд световых лет. Мы видим только ту часть Вселенной, свет от которой успел достичь Земли за 13,8 млрд лет. Но телескопы становятся всё лучше, мы обнаруживаем всё более дальние объекты, и пока нет оснований считать, что этот процесс остановится. С момента Большого взрыва Вселенная расширяется с ускорением .
Сложнейшая загадка современной физики - вопрос о том, что вызывает ускорение. Согласно рабочей гипотезе, во Вселенной содержится невидимая составляющая, называемая «тёмной энергией». Теория Большого взрыва не объясняет, будет ли Вселенная расширяться бесконечно, и если да, то к чему это приведёт - к её исчезновению или чему-то ещё. Хотя ньютоновскую механику потеснила релятивистская физика,
её нельзя назвать ошибочной. Тем не менее восприятие мира и модели для описания Вселенной полностью изменились. Теория Большого взрыва предсказала ряд вещей, которые не были известны до того. Таким образом, если на её место придёт другая теория, то она должна быть похожей и расширить понимание мира. Мы остановимся на самых интересных теориях, описывающих альтернативные модели Большого взрыва. Вселенная возникла благодаря коллапсу звезды в четырёхмерной Вселенной, считают учёные из Института теоретической физики «Периметр». Результаты их исследования опубликовал журнал Scientific American . Ниайеш Афшорди, Роберт Манн и Рази Пурхасан говорят, что наша трёхмерная Вселенная стала подобием «голографического миража» при схлопывании четырёхмерной звезды. В отличие от теории Большого взрыва, согласно которой Вселенная возникла из чрезвычайно горячего и плотного пространства-времени, где не применяются стандартные законы физики, новая гипотеза о четырёхмерной вселенной объясняет как причины зарождения, так и её стремительного расширения Согласно сценарию, сформулированному Афшорди и его коллегами, наша трёхмерная Вселенная - это своеобразная мембрана, которая плывёт сквозь ещё более объёмную вселенную, существующую уже в четырёх измерениях. Если бы в этом четырёхмерном космосе существовали свои четырёхмерные звёзды, они бы тоже взрывались, как и трёхмерные в нашей Вселенной. Внутренний слой становился бы чёрной дырой, а внешний выбрасывался бы в пространство. В нашей Вселенной чёрные дыры окружены сферой, называемой горизонтом событий. И если в трёхмерном пространстве эта граница двухмерная (как мембрана)
, то в четырёхмерной вселенной горизонт событий будет ограничен сферой, существующей в трёх измерениях. Компьютерное моделирование коллапса четырёхмерной звезды показало, что её трёхмерный горизонт событий будет постепенно расширяться. Именно это мы и наблюдаем, называя рост 3D-мембраны расширением Вселенной, полагают астрофизики. Альтернативой Большому взрыву может быть Большая заморозка. Команда физиков из Мельбурнского университета во главе с Джеймсом Кватчем представила модель рождения Вселенной, которая больше напоминает постепенный процесс заморозки аморфной энергии, чем её выплеск и расширение в трёх направлениях пространства. Бесформенная энергия, по мнению учёных, подобно воде охладилась до кристаллизации, создав привычные три пространственных и одно временное измерение. Теория Большой заморозки ставит под сомнение принятое в настоящее время утверждение Альберта Эйнштейна о непрерывности и плавности пространства и времени. Не исключено, что пространство имеет составные части - неделимые стандартные блоки наподобие крошечных атомов или пикселей в компьютерной графике. Эти блоки настолько малы, что их невозможно наблюдать, однако, следуя новой теории, можно обнаружить дефекты, которые должны преломлять потоки других частиц. Учёные вычислили такие эффекты с помощью математического аппарата, а теперь попытаются обнаружить их экспериментально. Ахмед Фараг Али из Университета Бенха в Египте и Саурия Дас из Университета Летбриджа в Канаде предложили новое решение проблему сингулярности, отказавшись от Большого взрыва. Они привнесли в уравнение Фридмана, описывающее расширение Вселенной и Большой взрыв, идеи известного физика Дэвида Бома . «Удивительно, что небольшие поправки потенциально могут решить так много вопросов», - говорит Дас. Полученная модель объединила в себе общую теорию относительности и квантовую теорию. Она не только отрицает сингулярность, предшествовавшую Большому взрыву, но и не допускает того, что Вселенная со временем сожмётся обратно в первоначальное состояние. Согласно полученным данным, Вселенная имеет конечный размер и бесконечное время жизни. В физическом выражении модель описывает Вселенную, наполненную гипотетической квантовой жидкостью, которая состоит из гравитонов - частиц, обеспечивающих гравитационное взаимодействие. Учёные также утверждают, что их выводы соотносятся с последними результатами измерения плотности Вселенной. Термин «инфляция» обозначает стремительное расширение Вселенной, происходившее по экспоненте в первые мгновения после Большого взрыва. Сама по себе теория инфляции не опровергает теорию Большого взрыва, а лишь по-другому интерпретирует её. Эта теория решает несколько фундаментальных проблем физики. Согласно инфляционной модели, вскоре после зарождения Вселенная очень короткое время расширялась по экспоненте: её размер многократно удваивался. Учёные полагают, что за 10 в -36 степени секунд Вселенная увеличилась в размерах как минимум в 10 в 30–50 степени раз, а возможно, и больше. В конце инфляционной фазы Вселенная заполнилась сверхгорячей плазмой из свободных кварков, глюонов, лептонов и высокоэнергетичных квантов. Концепция подразумевает
, что в мире существует множество изолированных друг от друга вселенных
с разным устройством Физики пришли к выводу, что логика инфляционной модели не противоречит идее постоянного множественного рождения новых вселенных. Квантовые флуктуации - такие же, как те, из-за которых появился наш мир - могут возникать в любом количестве, если для этого есть подходящие условия. Вполне возможно, что наше мироздание вышло из флуктуационной зоны, сформировавшейся в мире-предшественнике. Можно также допустить, что когда-нибудь и где-нибудь в нашей Вселенной образуется флуктуация, которая «выдует» юную вселенную совершенно другого рода. По такой модели дочерние вселенные могут отпочковываться непрерывно. При этом вовсе не обязательно, что в новых мирах устанавливаются одни и те же физические законы. Концепция подразумевает, что в мире существует множество изолированных друг от друга вселенных с разным устройством. Пол Стейнхардт, один из физиков, заложивших основы инфляционной космологии, решил развить эту теорию и дальше. Учёный, который возглавляет Центр теоретической физики в Принстоне, совместно с Нэйлом Тьюроком из Института теоретической физики «Периметр» изложил альтернативную теорию в книге Endless Universe: Beyond the Big Bang («Бесконечная Вселенная: За гранью Большого взрыва»).
Их модель основана на обобщении теории квантовых суперструн, известной как М-теория. Согласно ей, физический мир имеет 11 измерений - десять пространственных и одно временное. В нём «плавают» пространства меньших размерностей, так называемые браны (сокращение от «мембраны»).
Наша Вселенная - просто одна из таких бран. Модель Стейнхардта и Тьюрока утверждает, что Большой взрыв произошёл в результате столкновения нашей браны с другой браной - неизвестной нам вселенной. По этому сценарию столкновения происходят бесконечно. Согласно гипотезе Стейнхардта и Тьюрока, рядом с нашей браной «плавает» ещё одна трёхмерная брана, отделённая крошечным расстоянием. Она также расширяется, уплощается и пустеет, но через триллион лет браны начнут сближаться и в конце концов столкнутся. При этом выделится огромное количество энергии, частиц и излучения. Этот катаклизм запустит очередной цикл расширения и охлаждения Вселенной. Из модели Стейнхардта и Тьюрока следует, что эти циклы были и в прошлом и обязательно повторятся в будущем. С чего эти циклы начались, теория умалчивает. Ещё одна гипотеза об устройстве мироздания гласит, что весь наш мир - это не более чем матрица или компьютерная программа. Идею о том, что Вселенная представляет собой цифровой компьютер, впервые выдвинул немецкий инженер и пионер компьютеростроения Конрад Цузе в книге Calculating Space («Вычислительное пространство»).
Среди тех, кто также рассматривал Вселенную как гигантский компьютер, значатся физики Стивен Вольфрам и Герард "т Хоофт. Теоретики цифровой физики предполагают, что Вселенная - по сути информация, и, следовательно, она вычислима. Из этих предположений следует, что Вселенную можно рассматривать как результат работы компьютерной программы или цифрового вычислительного устройства. Этот компьютер может быть, например, гигантским клеточным автоматом или универсальной машиной Тьюринга . Косвенным доказательством
виртуальной природы Вселенной
называют принцип неопределённости в квантовой механике Согласно теории, всякий предмет и событие физического мира происходит из постановки вопросов и регистрации ответов «да» или «нет». То есть за всем, что нас окружает, скрывается некий код, аналогичный бинарному коду компьютерной программы. А мы - своего рода интерфейс, с помощью которого появляется доступ к данным «вселенского интернета». Косвенным доказательством виртуальной природы Вселенной называют принцип неопределённости в квантовой механике: частицы материи могут существовать в неустойчивой форме, а «закрепляются» в конкретном состоянии только при наблюдении за ними. Последователь цифровой физики Джон Арчибальд Уилер писал : «Не было бы неразумным представить, что информация находится в ядре физики так же, как в ядре компьютера. Всё из бита. Иными словами, всё сущее - каждая частица, каждое силовое поле, даже сам пространственно-временной континуум - получает свою функцию, свой смысл и, в конечном счёте, само своё существование».
Что не так с теорией Большого взрыва
Вселенная как мираж чёрной дыры
Большая заморозка
Вселенная без начала и конца
Бесконечная хаотическая инфляция
Циклическая теория
Вселенная
как компьютер