Как рождалась Вселенная?
Ученые считают, что Вселенная существовала не всегда. На самом деле у нее было начало. Теория Большого взрыва — это попытка объяснить, что же произошло в тот момент, до которого ничего не было.
«Ничего» в предыдущем предложении фактически означает следующее: до возникновения Вселенной не было ни пространства, ни времени… Вообще ничего. Почему наша Вселенная вдруг возникла из этого небытия, неизвестно. И это приводит к мыслям о том, было ли это событие вообще случайным. Большой взрыв — это то место, где наука встречается с религией.
Хотите верьте, хотите нет, но большинство самых важных событий произошло до того, как Вселенная имела возраст в одну секунду.
Планковская эпоха
Примерно 13,7 миллиарда лет назад наша Вселенная вдруг возникла. Внезапно. Из ничего. Считается, что изначально это была бесконечно горячая и бесконечно плотная точка.
Считается также, что четыре фундаментальные силы Вселенной (гравитация, электромагнитная сила, слабая ядерная сила и сильная ядерная сила) были объединены в это время в одну универсальную силу.
Эта «эпоха» длилась всего одну единицу времени Планка. Это наименьшая возможная единица времени. Она равна одной тысячной миллионной миллионной миллионной миллионной миллионной миллионной доле секунды. В конце этого отрезка времени Вселенная имела одну длину Планка в поперечнике. И содержала все ингредиенты, необходимые для создания Вселенной такой, какая она есть сегодня.
Эпоха Великого Объединения
Наверное немного неправильно называть подобные периоды «эпохами». Так как например эта длилась всего одну шестую секунды. Но в течение этого крохотного отрезка времени во все еще микроскопической Вселенной произошло одно очень важное событие. Сила тяжести отделилась от трех других фундаментальных сил.
Имеющая изначально невероятную температуру Вселенная начала остывать. И это способствовало появлению элементарных частиц и античастиц.
Кроме того, в конце этой короткой эпохи сильная ядерная сила также отделилась от остальных. И это предвещало начало следующей эпохи.
Инфляционная эпоха
Продолжительность этой эпохи доподлинно не установлена. Но многие считают, что ее длительность равнялась одной тринадцатой секунды. Отделение силы сильного взаимодействия привело к расширению микроскопической Вселенной в 100 миллионов миллионов миллионов раз! Хотите верьте, хотите нет, но после этого ее ширина составляла уже около 10 сантиметров! После этого она начала расширяться со скоростью, превышающей скорость света. Это событие ни в коем случае не нарушает правила, установленные Эйнштейном. Поскольку расширялось в данном случае само пространство.
Электрослабая эпоха
Этот период начался одновременно с инфляционной эпохой. Но длился почти полсекунды. К этому времени Вселенная охладилась до 10 000 миллионов миллионов миллионов градусов Кельвина, что позволило появиться так называемым «экзотическим» частицам. Появляются гипотетические W и Z бозоны, функция которых, как считается, заключается в управлении слабой ядерной силой. Также в это время в игру вступает поле Хиггса. Это теоретическая энергетическая сила, которая придала массу этим бозонам. Это событие превратило Вселенную, полностью состоящую из излучения, в такую, которая может иметь материю — звезды и галактики будущего.
Кварковая эпоха
Эта эпоха длилась около одной седьмой секунды. И к этому времени Вселенная охладилась до 10 миллионов миллионов миллионов градусов. Образовалось большое количество кварков, электронов и нейтрино, каждая из этих частиц имела соответствующую античастицу. Несмотря действие поля Хиггса, придающего массу определенным частицам, созданию материи препятствовал тот факт, что частицы и античастицы уничтожают друг друга при контакте. Но все же, что очевидно, материя была создана. Ведь мы ее наблюдаем. Считается, что по какой-то таинственной и неизвестной причине в это время было создано немного больше барионов, чем антибарионов. Избыток был небольшим. Не более трех частиц на миллион. Но этого оказалось достаточно.
Адронная эпоха
Удивительно, но мы еще не достигли и одной секунды после Большого взрыва! Эта веха была достигнута именно в эту эпоху. Она имела продолжительность, аналогичную предыдущей. К этому времени температура Вселенной опустилась примерно до одного триллиона градусов. И это позволило кваркам объединяться в адроны. Это собирательное название для таких частиц, как протоны. Свободные электроны сталкивались с ними и образовали нейтроны. К этому времени Вселенная расширилась до одного миллиарда километров в поперечнике.
Лептонная эпоха
Все начинает потихоньку успокаиваться. Эта эпоха длится целых три минуты! Чем холоднее становится Вселенная, тем труднее происходит процесс появления элементарных частиц. К этому времени все адроны и антиадроны из предыдущей эпохи уничтожили друг друга. Во Вселенной стало много лептонов (электронов и позитронов). Эти частицы начали сталкиваться и уничтожать друг друга. В результате чего высвободилась энергия в виде фотонов света.
Нуклеосинтез
В течение следующих 17 минут температура упала до одного миллиарда градусов. В таких условиях возможен ядерный синтез. Протоны и нейтроны стали объединяться, образуя ядра простых элементов, таких как водород, гелий и литий. Эта эпоха закончилась, когда температура упала до такой степени, что ядерный синтез перестал быть возможным.
Фотонная эпоха
А вот эта эпоха длилась около 240 000 лет! В этом большом промежутке времени Вселенная сильно остыла. К этому времени она состояла из плазмы, состоящей из атомных ядер, сформировавшихся в период нуклеосинтеза, и свободных электронов. Хотя доминирующей энергией в эти времена обладали фотоны, они все еще были связаны с этими другими элементарными частицами, непрерывно взаимодействуя с ними.
Рекомбинация
Этот период длится около 60000 лет. К этому моменту Вселенная остыла до 3000 градусов. Атомные ядра начали объединяться со свободными электронами, образуя такие элементы как водород, гелий и литий. Это действие нейтрализовало электрический заряд электронов. И они освободили фотоны света. Эти частицы были обнаружены земными учеными в форме космического фонового излучения. К этому времени Вселенная состоит на три четверти из атомов водорода и на четверть из гелия. И еще здесь есть немного лития.
Темная эра
В течение следующих 150 миллионов лет Вселенная находилась в «темном» состоянии. Хотя фотоны существуют, они обнаруживаются только как излучение, а не как свет. В этот период ничего особенного не происходит. Кроме постоянного расширения и охлаждения. В этот период во Вселенной, похоже, доминирует таинственная «темная материя».
Реионизация
Но примерно через 150 миллионов лет после Большого взрыва что-то начинает происходить. Гравитационный коллапс приводит к образованию квазаров. Это событие, в свою очередь, реионизирует окружающую Вселенную. Этот период длится примерно один миллиард лет. И это создает условия для формирования звезд и галактик.
Звездная эра
Примерно через 300 миллионов лет после Большого взрыва условия стали благоприятными для появления первых звезд. Плазменный суп, пронизывающий Вселенную, имел небольшие неравномерности в своей плотности. Поэтому гравитация сделала свое дело, сжимая облака космического газа. По мере того, как они становились все более и более плотными, где-то появилась точка, в которой стал возможным ядерный синтез. Появились самые первые звезды, красные гиганты. Они известны нам как звезды «Населения III». Они полностью состояли из легких элементов. Жили они немного. И заканчивали свое существование сверхновыми, создавая и распространяя более тяжелые элементы по всей Вселенной. Присутствие этих элементов, таких как углерод, азот, кислород, кремний, магний и железо, прокладывало путь к рождению большего количества звезд следующих поколений. По мере того, как все больше и больше рождалось подобных звезд, они начали объединяться в галактики. И примерно через 500 миллионов лет после Большого взрыва Вселенная, наконец, появилась в видимом диапазоне.
Источник
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