Естествознание.ру
Краткая история Вселенной
Итак, примерно 13,8 миллиардов лет назад произошел Большой взрыв, и 13,8 миллиардов световых лет — это горизонт видимости во Вселенной. Самые дальние объекты, которые астрономам уже удалось разглядеть, это несколько звездных скоплений на расстоянии 13,2 миллиардов световых лет. Таким образом, мы «получили привет» от молодой Вселенной, возраст которой был всего 600 миллионов лет!
В принципе, мы могли бы заглянуть еще чуть дальше — вплоть до возраста 379 тысяч лет после Большого Взрыва. Почему именно такая цифра? Скоро узнаем.
Современные теории позволяют описать всё, что происходило, начиная от одной сотой секунды от Большого взрыва и до сего дня. Все нужные для этого законы являются надежно установленными, поэтому получаемую с их помощью информацию можно считать вполне достоверной. Принципиальные трудности возникают лишь при попытке продвинуться еще ближе к началу мира, то есть внутрь первой сотой доли секунды. Здесь мы выходим за рамки Стандартной модели и попадаем в область гипотетических теорий. И тем не менее научные гипотезы простираются вплоть до 10 -35 с! Ещё ближе к началу мира, возможно, позволит в будущем приблизиться теория суперструн.
Давайте «прокрутим» основные события от Большого взрыва и до нашей эпохи. Итак.
Большой взрыв. По каким бы причинам ни возникла Вселенная, она начинает свою жизнь с планковского размера по всем измерениям (порядка 10 -35 м) и планковской температуры (порядка 10 32 К).
В этот начальный момент все 9 или 10 пространственных измерений свернуты в комок. Но уже через планковский квант времени (5×10 -44 с) три пространственных измерения начинают расширяться, а оставшиеся сворачиваются определенным образом (свойства свернутых измерений определяют все фундаментальные константы нашего мира, а значит, и то, какие именно частицы потом в нем родятся).
Разворачивание трех пространственных измерений подстегивается само собой и становится скачкообразным. Этот этап расширения Вселенной, называют инфляционным, оно происходит во много раз быстрее обычного хаббловского расширения. Примерно за 10 -32 секунды Вселенная раздулась в неимоверное число (10 50 ) раз.
Поначалу в горячей Вселенной бурно рождаются как частицы, так и античастицы. На каждый миллиард обычных частиц рождается почти столько же античастиц — но всё же на одну меньше. Затем частицы и античастицы аннигилируют, и вся их энергия превращается в излучение. Во Вселенной остается лишь жалкий клочок обычной материи. Из него-то и будут построены в дальнейшем все звезды и галактики.
К концу первой секунды расширения Вселенная остыла настолько, что кварки начинают группироваться в адроны, включая протоны и нейтроны. И с этого же момента начинается первичный ядерный синтез, который продолжается три минуты. Четверть всех ядер, сформировавшихся за это время — это гелий, чуточку дейтерия, а остальные три четверти — протоны. Таким и будет состав первых звезд.
Через 3 минуты Вселенная расширилась настолько, что столкновения ядер, в результате которых могли бы образовываться новые ядра, становятся огромной редкостью, и синтез ядер прекращается.
К исходу первых трёх минут Вселенная представляет собой раскаленное до миллиарда градусов море частиц — ядер и лептонов. Высокая температура не позволяет им объединиться в атомы. Это состояние раскаленной плазмы.
В следующие 379 тысяч лет ничего заметного не происходит — Вселенная спокойно расширяется и остывает. В этот период она непрозрачна для излучения, потому что фотоны постоянно рассеиваются на свободных электронах и ядрах. Это похоже на «светящийся туман».
Через 379 тысяч лет Вселенная охладилась достаточно (до 3000 градусов), чтобы из ядер и электронов могли образоваться нейтральные атомы. Среда становится прозрачной для света и остается таковой до сих пор. Говорят, что в этот момент излучение отделилось от вещества: с тех пор излучение расширяется и остывает само по себе, а вещество эволюционирует само по себе. Реликтовое тепловое излучение с характерной длиной волны около 4 см — это и есть то самое отделившееся излучение.
После отделения излучения от вещества началась тёмная эпоха — звезд еще не было, и светить было некому. На протяжении сотен миллионов лет вещество стягивалось к местам случайных первоначальных сгустков темной материи.
Через 600 миллионов лет после Большого взрыва стали формироваться галактики. Плотные и холодные облака газа сжимались, разогреваясь изнутри — и вот зажглись первые звезды. В их недрах начался синтез более тяжелых элементов, вплоть до железа. Через пару миллиардов лет Вселенная стала отдаленно напоминать то, что мы видим сегодня.
Массивные звезды первого поколения кончали свои жизни грандиозными взрывами, во время которых возникли элементы тяжелее железа. Потом из этого вещества сформировались звездные системы второго поколения, в том число и наша.
Процесс звёздообразования продолжается и сейчас, хотя темп его постепенно замедляется, поскольку запасы межзвездного вещества расходуются быстрее, чем пополняются.
Что касается нашего Солнца, то про его будущее можно сказать достаточно определенно. Солнце принадлежит к классу желтых карликов — спокойных долгоживущих звёзд. Уже около 5 млрд. лет оно светит, практически не меняясь. Но это может закончиться уже через 0,5 — 1 млрд. лет, когда водород в ядре звезды выгорит и зона термоядерного синтеза переместится в слои вокруг ядра. Это приведёт к «раздуванию» Солнца — оно превратится в красного гиганта. Через 4 миллиарда лет Солнце раздуется так, что поглотит Меркурий, Венеру и почти достигнет орбиты Земли. На Земле вся вода испарится, а большая часть атмосферы рассеется в космическое пространство. Ничего живого, понятное дело, не останется. А в ядре Солнца гелий начнет превращаться в углерод. Когда же и гелий «выгорит», Солнце может взорваться, сбросив свою распухшую оболочку. Оставшееся после взрыва компактное ядро (белый карлик) будет постепенно остывать, превращаясь в холодное безжизненное тело.
А что касается возможного развития Вселенной в будущем, то имеются самые разные сценарии. Теоретики, например, рассматривают гипотезу «Большого разрыва», связанного с изменением состояния вакуума, в момент которого наша Вселенная исчезнет за одно мгновение. Но это не очень скоро — через 22 млрд. лет, и не наверняка.
Если же такого не произойдет, то через сотни миллиардов лет погаснут последние звезды, и галактики погрузятся во тьму. Все планетные системы будут постепенно разрушены. Вероятно, галактики превратятся в гигантские черные дыры. В результате квантового процесса «испарения» черные дыры в конце концов тоже исчезнут, и Вселенная будет представлять собой расширяющийся нейтринно-фотонный газ. В общем, совершенно безрадостная картина.
Но история космологии уже неоднократно демонстрировала нам, что картины, нарисованные совсем недавно, неожиданно оказываются устаревшими.
Реальность бесконечно разнообразнее и интереснее наших сегодняшних представлений о ней. Работы для физиков и космологов — непочатый край!
Источник
Краткая история Вселенной за 13,7 миллиардов лет или теория Большого взрыва. ЧАСТЬ I
На протяжении веков люди смотрели на звезды и задавались вопросом, как вселенная превратилась в то, чем она является сегодня. Это было предметом религиозных, философских и научных дискуссий. Люди, которые пытались раскрыть тайны развития Вселенной, включают таких известных ученых, как Альберт Эйнштейн, Эдвин Хаббл и Стивен Хокинг. Одной из самых известных и общепринятых моделей развития Вселенной является теория большого взрыва.
Хотя теория Большого взрыва известна, она также широко недопонимается. Распространенное ошибочное представление о теории состоит в том, что она описывает происхождение Вселенной. Это не совсем так. Большой взрыв — это попытка объяснить, как вселенная развилась из очень крошечного, плотного состояния в то, чем она является сегодня. Она не пытается объяснить, что инициировало создание Вселенной, или то, что было до Большого взрыва или даже то, что лежит вне Вселенной.
Другое заблуждение в том, что большой взрыв был действительно взрывом. Это тоже неточно. Большой взрыв описывает расширение Вселенной. Хотя некоторые версии теории относятся к невероятно быстрому расширению (возможно, быстрее скорости света), но это все равно не взрыв в классическом смысле.
Понимание теории Большого взрыва – важная задача. Она включает понятия, которые противоречат тому, как мы воспринимаем мир. Самые ранние этапы Большого взрыва сосредоточены на моменте, когда все отдельные силы во Вселенной были частью единой силы. Законы науки начинают нарушать все, что нам известно. В конце концов, мы не можем делать какие-либо научные теории о том, что происходит, потому что сама наука здесь не применяется.
Теория большого взрыва описывает развитие Вселенной с момента, когда она появилась до сегодняшнего дня. Это одна из нескольких научных моделей, которая пытается объяснить, почему вселенная является такой, какой она есть. Теория делает несколько предсказаний, многие из которых были подтверждены данными наблюдений. В результате, это самая популярная и принятая теория развития нашей вселенной.
Самое важное понятие, которое нужно понять, когда речь идет о Большом взрыве, — это расширение. Многие люди думают, что большой взрыв — это момент, когда все материя и энергия во Вселенной были сосредоточены в крошечной точке. Затем эта точка взорвалась, раскидав все вещество в космос, и вселенная родилась. Фактически, большой взрыв объясняет расширение самого пространства, что, в свою очередь, означает, что все, что содержится в пространстве, распространяется отдельно от всего остального.
Сегодня, когда мы смотрим на ночное небо, мы видим галактики, отделенные тем, что кажется огромным пустым пространством. В самые ранние моменты Большого взрыва все вещество, энергия и пространство, которые мы можем наблюдать, были сжаты до области нулевого объема и бесконечной плотности. Космологи называют это сингулярностью.
Какова была вселенная, в начале Большого взрыва? Согласно теории, она был чрезвычайно плотной и жаркой. Во вселенной в эти первые несколько мгновений было много энергии. Но вселенная быстро расширялась, а это означает, что она стала менее плотной и остывшей. По мере того как она расширялась, материя начала формироваться, и излучение начало терять энергию. Всего за несколько секунд вселенная сформировалась из сингулярности, которая простиралась в пространстве.
Одним из результатов Большого взрыва стало формирование четырех основных сил во Вселенной. Этими силами являются: электромагнетизм, сильное ядерное и слабое ядерное взаимодействие, гравитация.
В начале Большого Взрыва эти взаимодействия были частью единой силы. Только вскоре после того, как начался большой взрыв, силы разделились на то, чем они являются сегодня. Как эти силы когда-то были частью единого целого, это загадка для ученых. Многие физики и космологи все еще работают над созданием Великой единой теории, которая объясняет, как четыре силы были объединены и как они соотносятся друг с другом.
ОТКУДА ПОЯВИЛАСЬ ТЕОРИЯ БОЛЬШОГО ВЗРЫВА
Теория большого взрыва — результат двух разных подходов к изучению Вселенной: астрономии и космологии. Астрономы используют инструменты для наблюдения за звездами и другими небесными телами. Космологи изучают астрофизические свойства Вселенной.
В 1800-х годах астрономы начали экспериментировать с инструментами, называемыми спектроскопами. Спектроскоп — это устройство, которое делит свет на спектр его составляющих длин волн. Спектроскопы показали, что свет из определенного материала, такого как светящаяся трубка водорода, всегда производит одинаковое распределение длин волн, уникальных для этого материала. Стало ясно, что, глядя на распределение длины волны от спектрографа, вы можете выяснить, какие элементы были в источнике света.
Между тем австрийский физик Кристиан Доплер обнаружил, что частота звуковой волны зависит от относительного положения источника звука. Когда к вам подходит шумный объект, звуковые волны изменяют частоту, и поэтому вы воспринимаете звук как другой. Когда объект уходит от вас, звуковые волны растягиваются, и высота звука падает. Это называется эффектом Доплера.
Рассматривая свет как электромагнитную волну, астрономы обнаружили, что у некоторых звезд больше света попадает в красную сторону спектра, чем они ожидали. Они предположили, что это означает, что звезды движутся от Земли. Когда звезды уходят, длины волн от света, который они излучают, растягиваются. Они смещаются в красный конец спектра, потому что эта часть имеет более длинные волны. Космологи называют это явление красным смещением. Красное смещение звезды — это показатель того, как быстро она уходит от Земли. Чем дальше к красному концу спектра свет сдвигается, тем быстрее звезда убегает.
В 1920-х годах астроном по имени Эдвин Хаббл заметил что-то интересное. Скорость звезды оказалась пропорциональной ее расстоянию до Земли. Другими словами, чем дальше от Земли была звезда, тем быстрее она, казалось, убегала от нас. Хаббл предположил, что это означает, что вселенная расширяется.
Открытие Хаббла привело к длительным дебатам, которые все еще бушуют сегодня: какова именно связь между скоростью отдаленного небесного тела и его расстоянием от наблюдателя? Космологи называют это отношение постоянной Хаббла. Хаббл предположил, что оно составляет 464 километра в секунду на мегапарсек. Мегапарсек — это единица расстояния, равная более чем 3.08 x 10 в 22 степени метров.
Оказывается, Хаббл переоценил это число. Это потому, что во времена Хаббла астрономические инструменты были недостаточно чувствительны, чтобы точно измерять расстояние между Землей и небесными телами. По мере совершенствования инструментов ученые уточнили константу Хаббла, но вспыхнула дискуссия о фактической ценности постоянной Хаббла.
Хаббл предположил, что вселенная расширяется с течением времени. Это означало, что миллиарды лет назад вселенная была бы намного меньше и плотнее. Если вы вернетесь достаточно далеко, вселенная рухнет в область с бесконечной плотностью, содержащую всю материю, энергию, пространство и время Вселенной. В некотором смысле, теория Большого взрыва появилась в результате обратной инженерии.
У некоторых людей была настоящая проблема с этой теорией. Среди них был известный физик Альберт Эйнштейн. Эйнштейн согласился с убеждением, что Вселенная была статичной. Статическая вселенная не изменяется. Она всегда была и всегда будет одинаковой. Эйнштейн надеялся, что его работа по общей теории относительности даст ему более глубокое понимание структуры Вселенной.
По завершении своей теории Эйнштейн с удивлением обнаружил, что, согласно его расчетам, вселенная должна расширяться или сокращаться. Поскольку это противоречило его убеждениям в то, что Вселенная была статичной, он искал этому возможные объяснения. Он предложил космологическую константу — число, которое, будучи включенным в его общую теорию относительности, объясняло бы очевидную необходимость расширения Вселенной или сокращения ее.
Когда он столкнулся с выводами Хаббла, Эйнштейн признал, что ошибся. Кажется, что вселенная расширялась, и собственная теория Эйнштейна подтвердила этот вывод. Теория и наблюдения привели к нескольким предсказаниям, многие из которых с тех пор наблюдались.
Одно из этих предсказаний состоит в том, что Вселенная является однородной и изотропной. По сути, это означает, что Вселенная выглядит одинаково независимо от перспективы наблюдателя. На локализованном уровне это предсказание кажется ложным. В конце концов, не каждая звезда имеет солнечную систему таких планет, как наша. Не каждая галактика выглядит одинаково. Но на макроскопическом уровне, охватывающем миллионы световых лет, распределение материи во Вселенной статистически однородно. Это означает, что даже если бы вы были во вселенной, ваши наблюдения за строением вселенной выглядели бы так же, как и здесь, на Земле.
Другое предсказание заключалось в том, что вселенная была бы очень жаркой на самых ранних этапах Большого взрыва. Излучение этого периода было бы феноменально большим, и должны были быть некоторые свидетельства того, что это излучение осталось. Поскольку Вселенная должна быть однородной и изотропной, доказательства должны быть равномерно распределены по всей вселенной. Ученые обнаружили доказательства этого излучения еще в 1940-х годах, хотя в то время они не знали, что это такое. Только в 1960-х годах, когда две отдельные группы ученых обнаружили то, что мы теперь называем космическим микроволновым фоновым излучения. Это остатки интенсивной энергии, испускаемой изначальным огненным шаром в Большом Взрыве. Когда-то было очень жарко, но теперь вселенная охладилась до холодного 2,725 Кельвина (или -270,4 градуса по Цельсию).
Из-за ограничений законов науки мы не можем догадываться о том, как возникла Вселенная. Вместо этого мы можем посмотреть на период, следующий за созданием Вселенной. Прямо сейчас, самый ранний момент, о котором говорят ученые, происходит при t = 1 x 10 в -43 степени секунд («t» означает время после создания Вселенной). Другими словами, возьмите число 1,0 и переместите запятую влево 43 раза.
В самые ранние моменты Большого взрыва вселенная была настолько мала, что классическую физику к ней не применить. Вместо этого большую роль играет квантовая физика. Квантовая физика рассматривает физику в субатомном масштабе. Мне кажется, что большая часть поведения частиц в квантовом масштабе кажется нам странной, потому что частицы, похоже, бросают вызов нашему пониманию классической физики. Ученые надеются обнаружить связь между квантовой и классической физикой, которая даст нам гораздо больше информации о том, как работает Вселенная.
При t = 1 × 10 в -43 степени секунд Вселенная была невероятно маленькой, плотной и горячей. Эта однородная Вселенной охватывала область только в 1 x 10 в -33 степени сантиметров. Сегодня тот же самый участок пространства охватывает миллиарды световых лет. На этом этапе теоретики большого взрыва полагают, что материя и энергия неразделимы. Четыре первичные силы Вселенной были также одной объединенной силой. Температура этой вселенной составляла 1 x 10 в 32 степени Кельвин (или 1 x 10 в 32 степени градусов по Цельсию). По мере того как крошечные доли секунды проходили, вселенная быстро расширялась. Космологи ссылаются на расширение вселенной как на инфляцию. Вселенная удваивалась по размеру несколько раз менее чем за секунду.
Когда Вселенная расширилась, она остыла. Приблизительно t = 1 × 10 в -35 степени секунд, материя и энергия разделились. Космологи называют это этапом образования барионной материей (бариогенез) — это тот вид материи, который мы можем наблюдать. Напротив, мы не можем наблюдать темную материю, но мы знаем, что она существует по тому, как она влияет на энергию и другую материю. Во время бариогенеза вселенная заполнялась почти равным количеством вещества и антиматерии. Было больше материи, чем антиматерии, поэтому, когда большинство частиц и античастиц уничтожили друг друга, некоторые частицы выжили. Эти частицы позже объединились, чтобы сформировать все материю во Вселенной.
Следующий за этим квантовым возрастом шел период космической космологии. Этот период начинается с t = 1 x 10 в -11 степени секунд. Это этап, который ученые могут воссоздать в лабораторных условиях с ускорителями частиц. Это означает, что у нас есть некоторые экспериментальные данные о том, какой вселенная должна была быть в это время. Единая сила разбилась на составляющие. Силы электромагнетизма и слабая ядерная сила отделились. Фотоны превосходили численность материи, но вселенная была слишком плотной, чтобы свет сиял внутри нее.
Затем наступил период стандартной космологии, который начинается через 0,01 секунды после начала Большого Взрыва. С этого момента ученые считают, что они хорошо справляются с тем, как эволюционировала Вселенная — продолжала расширяться и охлаждаться, и субатомные частицы, образовавшиеся во время бариогенеза, начали связываться. Они образовали нейтроны и протоны. К тому времени, когда прошла полная секунда, эти частицы могли образовывать ядра легких элементов, таких как водород (в виде его изотопа, дейтерия), гелия и лития. Этот процесс известен как нуклеосинтез. Но вселенная была слишком плотной и горячей для электронов, чтобы присоединиться к этим ядрам и сформировать устойчивые атомы.
Многое произошло в эту первую секунду Большого взрыва. Но это только начало истории.
Источник