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
Какой была наша Вселенная до Большого взрыва?
Физикам-теоретикам и космологам приходится искать ответы на самые фундаментальные вопросы: «Почему мы здесь?», «Когда появилась Вселенная?» и «Как это произошло?» Однако несмотря на очевидную важность поиска ответов на эти вопросы, есть вопрос, который затмевает их всех своим интересом: «Что было до Большого взрыва?».
Вселенная слишком мало изучена.
Какой была Вселенная
Скажем откровенно: мы не можем ответить на этот вопрос. Никто не может. Но ведь никто не запрещает порассуждать на эту тему и рассмотреть несколько интересных предположений? С этим согласен, например, Шон Кэрролл из Калифорнийского технологического института. В прошлом месяце Кэрролл принимал участие на проходящей два раза в год встрече Американского астрономического сообщества, где он предложил несколько «предвзрывных» сценариев, чьим «финальным аккордом» могло бы стать появление нашей Вселенной. Опять же, это всего лишь рассуждения, а не теории, поэтому просим это учитывать.
«В то время, если можно так выразиться, еще не действовало тех законов физики, которые нам известны, потому что «тогда» их еще не существовало», — говорит Кэрролл.
«Когда физики говорят, что понятия не имеют, что тогда происходило, они говорят это на полном серьезе. Этот отрезок истории находится в абсолютно непроглядной тьме», — соглашается Питер Войт, физик-теоретик Колумбийского университета.
Одним из самых странных свойств нашей Вселенной является то, что она обладает очень низким уровнем энтропии. У этого термина имеется множество интерпретаций, но в данном случае речь идет о степени неупорядоченности. И в случае со Вселенной порядка в ней больше, чем беспорядка. Представьте себе бомбу, заполненную песком. Бомба взрывается, и содержащиеся в ней миллиарды миллиардов песчинок разлетаются в разные стороны – перед вами по сути макет Большого взрыва.
«Только вместо ожидаемого хаотичного разлета эти песчинки, представляющие материю нашей Вселенной, немедленно превращаются во множество готовых «песчаных замков», образовавшихся непонятно каким образом и без посторонней помощи», — говорит Стефан Кантримен, аспирант Колумбийского университета.
Результатом Большого взрыва могло (и, возможно, должно было) стать появление высокого уровня энтропии массы в виде неравномерно распределенной материи. Однако вместо этого мы видим звездные системы, галактики и целые галактические скопления, объединенные между собой. Мы видим порядок.
Все самые свежие новости из мира высоких технологий вы также можете найти в Google News.
Что происходит с энтропией
Помимо этого, важно понимать, что энтропия, или неупорядоченность, со временем могут лишь увеличиваться – тот же песчаный замок рано или поздно и без посторонней помощи снова распадется на множество песчинок. Более того, как указывает Кэрролл, наше наблюдение за временем напрямую взаимосвязано с уровнем энтропии с самого появления Вселенной. При этом саму энтропию можно рассматривать как некое времязависимое физическое свойство, обладающее только одним направлением хода – в будущее.
Итак, энтропия, согласно законам физики, может только возрастать, однако нынешний ее уровень во Вселенной очень низок. По мнению Кэрролла, это может означать лишь одно: ранняя Вселенная обладала еще меньшим ее уровнем, то есть Вселенная должна была быть еще более организованной и упорядоченной. А это, в свою очередь, может наталкивать на мысль о том, что же было с нашей Вселенной собственно до самого Большого взрыва.
«Есть множество людей, считающих, что ранняя Вселенная была очень простой, неинтересной и невыразительной системой. Однако как только вы подключаете к этому вопросу энтропию, то перспектива тут же меняется, и вы понимаете, что в таком случае появляются вещи, которые необходимо объяснить», — продолжает Кэрролл.
Если даже отбросить в сторону энтропию, то перед нами останутся и другие не менее важные аспекты, которые необходимо каким-то образом подстроить под нашу нынешнюю Вселенную, в которой мы живем. Более того, в некоторых случаях низкий уровень энтропии кажется менее значимым, чем в других. Поэтому попытаемся рассмотреть три наиболее популярных предположения о том, что могло происходить со Вселенной до Большого взрыва.
Модель «Большого отскока»
Вот так все было. Или не было.
Согласно одной из гипотез, низкий уровень энтропии нашей Вселенной связан с тем, что ее появление само по себе стало результатом распада некоей «предыдущей» Вселенной. В этой гипотезе говорится, что наша Вселенная могла образоваться в результате стремительного сжатия («отскока»), управляемого сложными эффектами квантовой гравитации (сингулярностью), в свою очередь, породившими Большой взрыв. В свою очередь, это может говорить о том, что мы с одинаковым успехом можем жить как в любой точке бесконечной последовательности возникающих Вселенных, так и, наоборот, в «первой итерации» Вселенной.
Данную гипотетическую модель появления Вселенной еще иногда называют моделью «Большого отскока». Первое упоминание этого термина звучит еще в 60-х, однако в более-менее сформированную гипотезу эта модель превратилась лишь 80-х – начале 90-х годов.
Может ли Большой Разрыв привести к новому Большому Взрыву?
Среди менее значимых спорных моментов, у модели «Большого отскока» есть и явные недостатки. Например, идея коллапса в сингулярность противоречит общей теории относительности Эйнштейна – правилам, согласно которым работает гравитация. Физики считают, что эффект сингулярности может существовать внутри черных дыр, однако известные нам физические законы не могут предоставить нам механизм, позволяющий объяснить, почему «другая Вселенная», достигнув сингулярности, должна породить Большой взрыв.
«В общей теории относительности нет ничего, что указывало бы на «отскок» новой Вселенной в результате сингулярности», — говорит Шон Кэрролл.
Однако это не единственный большой спорный момент. Дело в том, что модель «Большого отскока» подразумевает наличие прямолинейного хода времени со снижающейся энтропией, однако, как говорилось выше, энтропия со временем только увеличивается. Другими словами, согласно известным нам законам физики, появление отскакивающей Вселенной невозможно.
Чтобы не пропустить ничего интересного из мира высоких технологий, подписывайтесь на наш новостной канал в Telegram. Там вы узнаете много нового.
Дальнейшее развитие модели привело к появлению гипотезы о том, что время во Вселенной может являться циклическим. Но при этом модель до сих пор не в состоянии объяснить, каким образом идущее в настоящее время расширение Вселенной сменится её сжатием. И все же это необязательно означает, что модель «Большого отскока» совершенно ошибочна. Вполне возможно, что наши нынешние теории о ней просто несовершенны и не до конца продуманы. В конце концов, физические законы, которые мы сейчас имеем, были выведены с учетом лимита, согласно которому мы способны наблюдать за Вселенной.
Модель «Спящей» Вселенной
«Возможно, до Большого взрыва Вселенная представляла собой некое очень компактное, медленно эволюционирующее статичное пространство», — теоретизируют такие физики, как Курт Хинтербихлер, Остин Джойс и Джастин Хури.
Эта «предвзрывная» Вселенная должна была обладать метастабильным состоянием, то есть быть стабильной до того момента, пока не появится еще более стабильное состояние. По аналогии представьте обрыв, на краю которого в состоянии вибрации находится валун. Любое касание до валуна приведет к тому, что он сорвется в пропасть или — что ближе к нашему случаю – произойдет Большой взрыв. Согласно некоторым теориям «предвзрывная» Вселенная могла существовать в ином виде, например, в форме сплюснутого и очень плотного пространства. В итоге этот метастабильный период подошел к концу: она резко расширилась и приобрела форму и состояние того, что мы видим сейчас.
«В модели «спящей» Вселенной, однако, тоже имеются свои проблемы», — говорит Кэрролл.
«Она тоже предполагает наличие у нашей Вселенной появления низкого уровня энтропии и при этом не объясняет, почему это так».
Однако Хинтербихлер, физик-теоретик из Университета Кейс Вестерн Резерв, не считает появление низкого уровня энтропии проблемой.
«Мы просто ищем объяснение динамики, происходившей до Большого взрыва, которая объясняет, почему мы видим то, что мы видим сейчас. Пока это лишь единственное, что нам остается», — говорит Хинтербихлер.
Кэрролл, тем не менее, считает, что есть еще одна теория «предвзрывной» Вселенной, которая способна объяснить низкий уровень энтропии, имеющийся в нашей Вселенной.
Модель «Мультивселенной»
Появление новых вселенных из «родительской Вселенной»
Гипотетическая модель Мультивселенной избегает недомолвок, связанных со снижением энтропии, как в случае с моделью «Большого отскока», и дает объяснение ее низкого уровня сегодня, говорит Кэрролл. Она берет свое начало из идеи об «инфляции» — хорошо принятой, но неполной модели Вселенной. Термин «инфляция» и первое объяснение этой модели были предложены 1981-м году физиком Аланом Гутом, в настоящий момент работающим в Массачусетском технологическом институте. Согласно данной модели, пространство после Большого взрыва резко расширилось. Настолько резко, что скорость этого расширения оказалась выше скорости света. Согласно квантовой механике, в космосе постоянно происходят случайные, едва заметные колебания энергии. В какой-то момент инфляционного периода пики этих колебаний достигли своего максимума и стали причиной появления галактик, пустот и крупномасштабных низкоэнтропийных структур, которые мы сегодня и наблюдаем во Вселенной.
Сама инфляционная модель была разработана на базе наблюдений за космическим реликтовым микроволновым излучением – самым древним типом излучения, появившимся спустя всего несколько сотен тысяч лет после Большого взрыва. Ученые считают, что инфляционная модель отлично предсказывает его существование.
Заходите в наш специальный Telegram-чат. Там всегда есть с кем обсудить новости из мира высоких технологий.
Согласно одному из предположений, мультивселенная может являться результатом инфляции. В предположении говорится о том, что существует некая одна очень-очень большая Вселенная, время от времени порождающая более компактные вселенные. При этом никакая форма коммуникации между этими вселенными невозможна. Маркус Ву из PBS Nova объясняет:
«В начале 80-х годов физики пришли к мнению, что инфляция может обладать природой бесконечности, останавливаясь лишь в некоторых регионах космоса, создавая некие закрытые «карманы». Однако между этими «карманами» инфляция продолжается, и протекает она быстрее скорости света. В свою очередь, изолированные друг от друга «карманы» со временем становятся Вселенными».
Кэрроллу импонирует больше всего именно эта модель, хотя его собственная предложенная модель несколько отличается от того, что описано выше:
«Это лишь одна из версий теории о мультивселенной, однако основным отличием здесь является то, что «родительская Вселенная» может обладать высоким уровнем энтропии и порождает вселенные с низким ее уровнем», — говорит Кэрролл.
Согласно данной модели, до Большого взрыва было некое большое расширяющееся пространство, из которого родились наша и бесконечное множество других вселенных. Другие вселенные находятся за пределами наших возможностей их обнаружения и могли образоваться как до, так уже и после нашей Вселенной.
Следует отметить, что на данный момент это одна из самых популярных моделей. Тем не менее ученые, разумеется, по-разному ее воспринимают. Одни поддерживают эту идею, другие, наоборот, совершенно с ней не согласны. Но если брать в пример Питера Войта из Колумбийского университета, то теория Мультивселенной хоть и выглядит очень привлекательной с научно-популярной точки зрения, но способна сделать физиков ленивыми и заставить прекратить поиск ответов на самые базовые вопросы, например, — почему физические константы в нашей Вселенной именно такие, какие они есть, — списав все на вариативность.
«Теоретики размышляют по поводу возможности существования бесконечного числа Вселенных, и в конечном итоге мы можем прийти к четким моделям, способным объяснить, почему значения (вроде фундаментальных свойств наблюдаемых нами частиц) могут отличаться друг от друга в каждой отдельно взятой Вселенной», — говорит Войт.
Войт опасается, что однажды основным вопросом для науки в этой сфере станет рассуждение на тему «как нам повезло оказаться в этой случайной Вселенной, где все происходит так, а не по-другому, несмотря на бесконечное многообразие возможностей, поэтому давайте бросим эту затею с теориями».
Какой можно подвести итог? Многие физики получают деньги за то, что спорят и пишут книги, в которых стараются описать, как Большой взрыв и модель «предвзрывной» Вселенной способны объяснить то, что мы видим сегодня, хотя сами при этом не знают и на самом деле не могут знать, почему это так. Факт в том, что даже несмотря на серьезные упрощения как в математических моделях, так и объяснениях, мы не приблизились к верному ответу, и нам предстоит провести еще множество рассуждений на эту тему, пока не придем к нужному результату.
«Важно не только выдвигать теории и гипотезы. Куда важнее дать понять людям, что на самом деле мы пока сами не понимаем, о чем говорим. Все это пока лишь на уровне предположений, но я надеюсь, что рано или поздно мы сможем найти нужный ответ, который устроит всех», — говорит Кэрролл.
Источник