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
Как быстро во Вселенной могла появиться жизнь?
История о том, как Вселенная стала такой, какой мы видим её сегодня, от Большого взрыва до огромного пространства, заполненного скоплениями, галактиками, звёздами, планетами и жизнью, объединяет нас всех.
История о том, как Вселенная стала такой, какой мы видим её сегодня, от Большого взрыва до огромного пространства, заполненного скоплениями, галактиками, звёздами, планетами и жизнью, объединяет нас всех.
С точки зрения жителей планеты Земля, до момента появления Солнца и Земли прошло 2/3 космической истории.
Органические молекулы находят в регионах формирования звёзд, в остатках звёзд и в межзвёздном газе, по всему Млечному Пути. В принципе, ингредиенты скалистых планет и жизни на них могли появиться в нашей Вселенной достаточно быстро, и задолго до появления Земли
Однако жизнь появилась на нашем мире настолько давно, насколько мы способны заглядывать в прошлое при помощи измерений – возможно, даже 4,4 млрд лет назад. Это заставляет задуматься: не появлялась ли жизнь во Вселенной раньше нашей планеты, и в принципе, насколько давно она могла появиться?
И даже если мы ограничимся тем типом жизни, который мы считаем «похожим на наш», ответ на этот вопрос отправит нас дальше в прошлое, чем вы могли бы себе представить.
Графитовые отложения, обнаруженные в цирконе, старейшие свидетельства наличия основанной на углероде жизни на Земле. Эти отложения и количество имеющегося в них углерода-12 датируют появление жизни на Земле сроком более 4 млрд лет назад
Мы, конечно, не можем отправиться к самому началу Вселенной. После Большого взрыва не было не только звёзд или галактик, не было даже атомов. Всему нужно время на появление, и Вселенная, содержавшая после рождения море материи, антиматерии и излучения, начала существование с довольно однородного состояния.
Самые плотные регионы были на малую долю процента – возможно, всего на 0,003% — плотнее среднего. Это значит, что потребуется огромный промежуток времени для работы гравитационного коллапса над созданием, например, планеты, которая в 1030 раз плотнее средней плотности Вселенной. И всё же, у Вселенной было столько времени, сколько необходимо, на появление всего этого.
Стандартная временная линейка истории Вселенной. Хотя Земля появилась лишь спустя 9,2 млрд лет после Большого взрыва, многие шаги, необходимые для создания мира, подобного нашему, произошли совсем рано
После первой секунды антиматерия аннигилировала с большей частью материи, и осталось немного протонов, нейтронов и электронов в море нейтрино и фотонов. Через 3-4 минуты протоны и нейтроны сформировали нейтральные атомные ядра, но почти всё это были изотопы водорода и гелия.
И только когда Вселенная остыла до определённой температуры, на что ушло 380 000 лет, электроны смогли присоединиться к этим ядрам и впервые сформировать нейтральные атомы. И даже при наличии этих фундаментальных ингредиентов, жизнь – и даже скалистые планеты – пока были невозможны. Одними лишь атомами водорода и гелия не обойтись. 
С охлаждением Вселенной появляются атомные ядра, а за ними, при дальнейшем охлаждении – нейтральные атомы. Однако, практически все эти атомы – это водород и гелий, и только спустя много миллионов лет назад начинают формироваться звёзды, в которых появляются тяжёлые элементы, необходимые для появления скалистых планет и жизни
Но гравитационный коллапс – это реальность, и, имея достаточно времени, он изменит вид Вселенной. Хотя сначала он идёт очень долго, он продолжается неустанно и набирает обороты. Чем плотнее становится регион космоса, тем лучше у него получается притягивать всё больше и больше материи.
Участки, начинающие с наибольшей плотности, растут быстрее других, и наши симуляции показывают, что самые первые звёзды должны были сформироваться примерно через 50-100 лет после Большого взрыва. Эти звёзды должны были состоять исключительно из водорода и гелия, и могли вырастать до довольно больших масс: сотни или даже тысячи солнечных. А когда формируется настолько массивная звезда, она погибнет уже через один-два миллиона лет.
Но в момент смерти таких звёзд происходит нечто потрясающее – и всё благодаря их жизни. Все звёзды синтезируют в ядре гелий из водорода, но наиболее массивные не только синтезируют углерод из гелия – они переходят на синтез кислорода из углерода, неона/магния/кремния/серы из кислорода, а там всё дальше, и дальше, вперёд по периодической таблице элементов, до тех пор, пока не дойдут до железа, никеля и кобальта.
После этого идти уже некуда, и ядро схлопывается, запуская взрыв сверхновой. Эти взрывы выбрасывают во Вселенную огромные количества тяжёлых элементов, порождая новые поколения звёзд и обогащая межзвёздное пространство. Внезапно тяжёлые элементы, включая ингредиенты, необходимые для появления скалистых планет и органических молекул, заполняют эти протогалактики. 
Атомы связываются, формируя молекулы, включая органические молекулы и биологические процессы, как на планетах, так и в межзвёздном пространстве. Как только нужные тяжёлые элементы становятся доступными во Вселенной, формирование этих «семян жизни» оказывается неизбежным
Чем больше звёзды живут, сгорают и погибают, тем более обогащённым будет следующее поколение звёзд. Многие сверхновые создают нейтронные звёзды, а в слияниях нейтронных звёзд появляется наибольшее количество самых тяжёлых элементов периодической таблицы Менделеева. Увеличение доли тяжёлых элементов означает увеличение количества скалистых планет с большей плотностью, количества элементов, необходимых для известной нам жизни, и вероятности появления сложных органических молекул.
Нам не надо, чтобы средняя звёздная система Вселенной была похожа на Солнечную систему; нам нужно лишь просто, чтобы несколько поколений звёзд прожили и погибли в наиболее плотном регионе пространства, чтобы воспроизвести условия, подходящие для появления скалистых планет и органических молекул.
В центре остатков сверхновой RCW 103 находится медленно вращающаяся нейтронная звезда, бывшая ранее массивной звездой, достигшей конца своей жизни. И хотя сверхновые способны отправлять синтезированные в ядре тяжёлые элементы обратно во Вселенную, именно последующие слияния нейтронных звёзд создают большую часть самых тяжёлых элементов
К тому времени, когда Вселенной исполнился всего миллиард лет, наиболее удалённые объекты, изобилие тяжёлых элементов в которых поддаётся нашим измерениям, содержат много углерода: столько же, сколько его есть в нашей Солнечной системе.
Достаточное количество других тяжёлых элементов набирается ещё быстрее; углероду, возможно, требуется больше времени до достижения большой концентрации потому, что он в основном появляется в звёздах, не превращающихся в сверхновые, а не в тех ультрамассивных звёздах, которые взрываются.
Скалистым планетам углерод не нужен; сойдут и другие тяжёлые элементы. (А многие сверхновые создают фосфор; не нужно верить недавним сообщениям, которые совершенно неправильно преувеличивают его дефицит). Вполне вероятно, что всего лишь через несколько сотен миллионов лет после зажигания первых звёзд – к тому времени, когда Вселенной было от 300 до 500 млн лет – вокруг наиболее обогащённых звёзд уже формировались скалистые планеты.
Протопланетный диск вокруг молодой звезды, HL Тельца; фотография ALMA. Пропуски в диске говорят о наличии новых планет. Как только у диска будет достаточно тяжёлых элементов, в нём могут появиться скалистые планеты
Если бы углерод не был необходим для жизни, в то же самое время в отдельных регионах космоса могли бы запуститься жизненные процессы. Но для жизни, похожей на нашу, нужен углерод, а это значит, что для хорошей вероятности появления жизни придётся ждать немного дольше. Хотя атомы углерода и будут попадаться, на набор достаточного его количества должно уйти 1 – 1,5 млрд лет: до тех пор, пока Вселенной не стукнет 10% от её текущего возраста, а не просто 3-4%, требующиеся лишь для появления скалистых планет.
Интересно думать о том, что Вселенная сформировала планеты и все необходимые ингредиенты в нужном количестве для появления жизни, кроме углерода, и что для создания достаточного количества самого важного ингредиента жизни нужно подождать, пока самые массивные из солнцеподобных звёзд проживут и погибнут.
Остатки сверхновой (слева) и планетарная туманность (справа) – оба этих метода позволяют звёздам вернуть сгоревшие тяжёлые элементы обратно в межзвёздное пространство и использовать их для появления звёзд и планет следующего поколения. Солнцеподобные звёзды, после гибели которых остаётся планетарная туманность, являются главным источником углерода во Вселенной. На его производство уходит больше времени, поскольку звёзды, после гибели которых появляется планетарная туманность, живут дольше тех, что гибнут в виде сверхновых
Экстраполяция в прошлое наиболее продвинутых форм жизни на Земле, появлявшихся в разные эпохи – это интересное упражнение. Оказывается, что увеличение сложности геномов подчиняется определённой тенденции. Если вернуться к отдельным спаренным основаниям, то получится срок, больше похожий на 9-10 млрд лет, чем 12-13 млрд лет назад.
Показатель ли это того, что жизнь, существующая на Земле, появилась гораздо раньше самой Земли? И показатель ли это того, что жизнь могла начаться миллиарды лет назад, а в нашем участке космоса на то, чтобы начать, ушло несколько дополнительных миллиардов лет? 
На этом полулогарифмическом графике сложность организмов, измеряемая длиной функциональной неизбыточной ДНК по отношению к геному, считаемой по спаренным основаниям нуклеотидов, линейно увеличивается со временем. Время отсчитывается назад в миллиардах лет от текущего момента
На текущий момент мы этого не знаем. Но мы не знаем и того, где проходит черта между жизнью и не жизнью. Мы также не знаем, началась ли земная жизнь тут, на раньше образовавшейся планете, или где-то в глубинах межзвёздного пространства, вообще без всяких планет.
Многие аминокислоты, не встречающиеся в природе, обнаружены в Мурчисонском метеорите, упавшем на Землю в Австралии в 1969-м. То, что в простом космическом камне существует более 80 уникальных типов аминокислот, может говорить о том, что ингредиенты для жизни, или даже сама жизнь, появились вообще не на планете
Очень интересно, что сырые, элементарные ингредиенты, необходимые для жизни, появились вскоре после формирования первых звёзд, а самый важный ингредиент – углерод, четвёртый по распространённости элемент во Вселенной – является самым последним ингредиентом, достигшим необходимого нам количества.
Скалистые планеты в некоторых местах появились гораздо раньше, чем могла появиться жизни: всего через полмиллиарда лет после Большого взрыва, или даже раньше. Но как только у нас есть достаточно углерода, через 1 – 1,5 млрд лет после Большого взрыва, становятся неизбежными все шаги, необходимые для появления органических молекул и начала движения по направлению к жизни.
Какие бы жизненные процессы, приведшие к появлению человечества, ни происходили – насколько мы их понимаем, они могли начать свой путь уже тогда, когда Вселенной было в десять раз меньше, чем сейчас. опубликовано econet.ru
Если у вас возникли вопросы по этой теме, задайте их специалистам и читателям нашего проекта здесь.
Понравилась статья? Напишите свое мнение в комментариях.
Подпишитесь на наш ФБ:
Источник