Физики считают, что именно это и произошло в первые три минуты существования Вселенной
Около 13,8 миллиарда лет назад произошло нечто загадочное, получившее название «Большой взрыв». Произошло массовое расширение, которое взорвало возможную сингулярность, как воздушный шар, в конечном итоге породив нашу Вселенную. Поскольку каждому семени нужно определенное время, чтобы превратиться в полноценное растение, на создание Вселенной в том виде, в каком мы ее знаем сегодня, потребовалось чуть больше семи дней. Но именно в первые 3 минуты происходило больше всего главных событий. Итак, вот что, по мнению физиков, произошло в первые 3 минуты после Большого взрыва!
Планковская эпоха
Вскоре после Большого взрыва первым возникшим периодом была эпоха Планка. В этот конкретный период времени температура Вселенной была 10 32 К, настолько высока, что все четыре фундаментальные силы (гравитационная сила, электромагнитная сила, слабая сила и сильная сила) природы существовали вместе как одна суперсила. Эта эпоха длилась 10 -43 секунды. Поскольку в масштабе Планка современные физические теории не могут быть применены для расчета того, что произошло, о физике эпохи Планка известно очень мало.
Эпоха Великого объединения
Эпоха ТВО или «Великой объединенной теории» началась, когда Вселенной было всего 10 -43 секунды, и продолжалась до 10 -36 секунд после Большого взрыва. После эпохи Планка фундаментальная сила гравитации отделилась от трех других фундаментальных сил стандартной модели. Итак, электрослабое взаимодействие, сильное взаимодействие и электромагнитное взаимодействие были единым целым в эпоху ТВО. Более того, к концу этой эпохи температура упала до 10 29 K с 10 32 K.
Инфляционная и электромагнитная эпоха
Электрослабая эпоха стала третьей по счету после Большого Взрыва. В эту эпоху сильная сила отделилась от двух других сил, таким образом оставив позади слабую и электромагнитную силу как единую силу. Более того, космическая инфляция началась, когда Вселенной было всего 10 -33 секунды. Во время инфляции Вселенная расширялась в геометрической прогрессии и выросла от размера протона до размера, эквивалентного кулаку. Во время инфляции вселенная расширялась со скоростью, превышающей скорость света, однако точная физика этого интенсивно ускорившегося расширения до сих пор не ясна.
Космическая инфляция закончилась очень скоро, и позже Вселенная начала нормально расширяться. Сейчас Вселенной 10 -32 секунды, температура упала до 100 триллионов триллионов кельвинов и, что самое важное, также сформировались W и Z бозоны.
Кварковая эпоха
Электрослабая эпоха закончилась через 10 -12 секунд после Большого взрыва, а затем началась эпоха кварков. К тому времени Вселенная достаточно остыла, чтобы поле Хиггса имело положительное значение. Это привело к тому, что электромагнитная сила и слабая сила отделились друг от друга. Итак, теперь все четыре фундаментальные силы обрели свою индивидуальную идентичность. Все доступные частицы могут взаимодействовать с полем Хиггса и могут набирать массу. Однако температура все еще очень высока для того, чтобы кварки слились и образовали адроны, такие как протоны и нейтроны. В стандартной модели физики кварки являются одним из самых крошечных объектов.
Адронная эра
Адроны — это класс частиц, состоящих из двух или более кварков. Вскоре после того, как эпоха кварков закончилась, эра адронов началась через 1 микросекунду после Большого взрыва. К этому времени температура упала до такой степени, что кварки предыдущей эры могли объединиться в адроны. Хотя небольшая асимметрия вещества и антивещества на более ранних этапах привела к устранению антиадронов, все же большинство пар адрон/антиадрон уничтожили друг друга.
Так что к концу этого периода в основном остались только легкие стабильные адроны: протоны и нейтроны. Эпоха адронов закончилась через 1 секунду после Большого взрыва.
Лептонная эпоха
Когда Вселенная постарела на одну секунду, ее температура стала достаточно благоприятной для образования другого класса элементарных частиц — лептонов. Лептоны — это своего рода элементарные частицы в природе, и поэтому они больше не состоят из каких-либо составляющих частиц, таких как адроны. Электрон — классический пример лептона. Таким образом, к этому времени начали формироваться лептоны и антилептоны, и это производство продолжалось 10 секунд. Лептоны и антилептоны оставались в тепловом равновесии, поскольку энергия фотонов все еще была достаточно высокой для образования электрон-позитронных пар. Однако Вселенная все еще оставалась непрозрачной, поскольку эти свободные электроны могли легко рассеивать фотоны.
Начало нуклеосинтеза
К настоящему времени Вселенная содержит протоны, нейтроны, электроны и фотоны. Фотоны превосходили массивные частицы в миллиарды раз. Все четыре основные силы приобрели свою современную форму. Теперь настало время для начала самого важного процесса нуклеосинтеза.
Проще говоря, нуклеосинтез — это процесс, в котором новые атомные ядра образуются из ранее существовавших нуклонов и меньших ядер. Это процесс, посредством которого образуется большинство более тяжелых элементов в нашей Вселенной.
Так что теперь, в возрасте 2 минут, температура Вселенной упала ниже 1,2 миллиарда градусов Кельвина. При этой температуре средняя энергия фотона составляла 1,8 х 10 -14 Дж, что было эквивалентно энергии связи ядер дейтерия. Ядро дейтерия состоит из протона и нейтрона, удерживаемых вместе сильным ядерным взаимодействием. Итак, через две минуты после Большого взрыва дейтерий образовался в результате слияния протонов и нейтронов. Это произошло впервые после Большого Взрыва, когда Вселенная содержала ядра более сложные, чем один протон.
Наконец, через 3 минуты после Большого взрыва температура Вселенной упала ниже 1 миллиарда градусов Кельвина. При этой температуре средняя энергия фотонов составляла 1,5 х 10 -14 джоулей, что эквивалентно энергии связи ядер гелия. Итак, в возрасте 3 минут дейтерий, протоны и нейтроны объединились с помощью различных возможных процессов, чтобы сформировать ядра гелия.
В двух словах, в первые три минуты после Большого Взрыва протоны и нейтроны начали сливаться вместе, образуя дейтерий, а атомы дейтерия затем соединились друг с другом, образуя гелий-4. За этими тремя минутами последовал ряд различных эпох и разносторонних процессов нуклеосинтеза, которые сформировали вселенную, в которой мы живем сегодня. Но первые три минуты сформировали период, который дал нам самые фундаментальные элементы нашего существования, т.е. водород и гелий, и подготовить почву для продвинутых процессов. Это, несомненно, делает первые три минуты после большого взрыва самыми важными минутами в истории эволюции нашей Вселенной.
Источник
Теория большого взрыва за 5 минут: как рождалась Вселенная глазами ученых
Из чего состояла сингулярность и Вселенная в начале своего развития? Откуда взялись законы физики и элементарные частицы? Давайте разбираться, что говорит об этом современная астрофизика.
Конечно, мы не можем заглянуть в те мгновения, когда рождалась наша Вселенная. Но человеческий интеллект может использовать данные современной физики, химии и астрономии и просто протянуть их вспять. И довести до момента, когда начался наш мир.
Наша Вселенная «появилась на свет» 13,8 млрд лет назад. Итак, давайте посмотрим, как же она зарождалась.
Здесь и далее я буду основываться на современной космологической теории и на исследованиях Planck Collaboration — группе европейских астрофизиков, работающих в обсерватории Планка.
Сингулярность
Изначально наша Вселенная представляла собой так называемую сингулярность – то есть небольшую точку, в которой была заключена вся материя нашего будущего мира. Тогда материя еще не делилась на атомы и молекулы. А плотность сингулярности была сверхвысокой.
Почему произошел взрыв и из сингулярности стала расширяться наша Вселенная? Что заставило сингулярность выйти из стабильного состояния и взорваться? Эти вопросы остаются загадкой для ученых. Ответ на него вряд ли будет найдет – для этого мы должны выйти за пределы нашей Вселенной, а это физически невозможно.
Итак, сингулярность взорвалась и наша Вселенная стала быстро расширяться. В сингулярности температура составляла 1000 нониллионов (10 с 30 нулями) градусов. С расширением Вселенной, температура и давление стали падать.
Здесь, для простоты изложения, я пропущу несколько этапов (например, слияние кварков и глюонов), которые интересны только профессиональным ученым. Перейдем к самому интересному — как произошла наша материя в привычном виде.
Рождение частиц и законов физики
А дальше процесс стал очень интересным. Произошла серия так называемых фазовых переходов. По сути, этот процесс — аналог обычной конденсации, когда газ скапливается в жидком виде. Только тут он коснулся элементарных частиц.
За миллионную долю секунды материя прошла несколько этапов развития, что в итоге привело к образованию всех элементарных частиц и физических сил (гравитационная, электро-магнитная, а также сильные и слабые ядерные взаимодействия).
Рождение атомов и материи
Если первый этап был, по нашим меркам, почти мгновенным, то в текущем виде вещество появилось не сразу. Протоны и электроны сперва не складывались в атомы. Это произошло лишь спустя 380 тысяч лет после большого взрыва — после того, как температура заметно снизилась.
Появились первые атомы. Материя на этом этапе на 75% состояла из водорода, на 24,99% из гелия. Остальная часть пришлась на тяжелые формы водорода, гелия и лития.
Все более тяжелые элементы, включая важные для нас кислород и углерод, образовались уже в недрах звезд. А некоторые – типа драгоценных золота и платины, появились из-за космологических катастроф – столкновений звезд и галактик.
Появление звезд
Спустя миллионы лет после Большого взрыва гравитация стала главной силой, которая стала собирать вещество в звезды и планеты.
По оценкам астрофизиков из университета Аризоны (США), первые звезды появились во Вселенной через 180 млн лет. Классическая теория космологии говорит, что звезды возникли позже — спустя 400 млн лет. Но все ученые сходятся во мнении, что первые звезды были в сотни миллионов раз ярче современных. Конечно, жизнь в таких условиях зародиться все равно не могла.
В дальнейшем во Вселенной стали появляться тяжелые элементы, из них стали складываться планеты. 4,57 млрд лет назад появилось наше Солнце.
Что ж, картину рождения Вселенной ученые, и правда, более или менее представляют. Открытым пока остается вопрос — как был запущен процесс и все получилось именно так?
Бог или случай?
Как я писал в главе «Рождение частиц и материи», современная теория большого взрыва гласит – из непонятной энергетически насыщенной горячей массы появились вполне конкретные частицы. Из них в дальнейшем собрались звезды, планеты, да и мы с вами.
И как они образовались – это ключевой вопрос мировоззрения в современном естествознании.
Ученые утверждают – все частицы собрались случайным образом. То есть электроны и протоны, которые вышли из этой массы, могли быть совсем другими – более тяжелыми, иметь другие заряды. Всего в мире Вселенные рождаются и погибают бесконечное число раз и у каждой из них — свой набор параметров. В большинстве жить нельзя.
Но ведь если всего лишь чуть-чуть подправить массу протона, то электроны начнут приземляться на ядра и повсюду будет избыток нейтронов. А к чему это приведет? Мы не увидим звезд в нашем привычном понимании. Эти объекты будут жить совсем недолго – по несколько миллионов лет, и этого недостаточно ни для формирования планетарной системы, ни для условий для жизни.
Ни о каких тяжелых материалах – углероде, кислороде и железе нет и речи. Все заканчивается уже на втором элементе – гелии.
Так правда ли возможна такая случайность, которая разложила все элементарные частицы по нужным полочкам? Прям все фундаментальные частицы (их наука насчитывает 24) выстроились в нужном нам порядке случайно?
Поверить можно, но сложно. Гораздо проще поверить, что у Вселенной были изначальные законы развития. Не важно, что их задал – Небесный Бог с бородой, мегамозг или некий ген Вселенной. Все это в философии и называется понятием Бог – то есть закон, который был изначально и который все обуславливает в этом мире.
Этот парадокс в науке известен под названием «антропный принцип». В 2002 году я готовил по нему передачу для Александра Гордона. Прошло 17 лет и ничего не изменилось — ученые до сих пор не могут объяснить, как частицы выстроились случайно и идеально для появления жизни во Вселенной.
А что думаете вы? Был ли Большой взрыв и формирование материи одной большой случайностью или кто-то или что-то задумало такой сценарий изначально?
Источник
Тайны первого мгновения зарождения нашей Вселенной
Все самые большие загадки в физике, включая темную материю, антивещество и инфляцию, уходят своими корнями в первые мгновения существования Вселенной.
Лишь немногим более столетия назад родилась наука — космология. Из радикальных идей Альберта Эйнштейна и наблюдательных данных о расширении пространства возникла современная космологическая парадигма, известная как Большой взрыв. Впервые в истории люди начали понимать, с чего начиналась их Вселенная.
После десятилетий наблюдений и измерений мы узнали, как наша Вселенная расширялась и развивалась за все время существования, кроме первых моментов своей истории.
Проведённые наблюдения подтвердили предсказания теории Большого взрыва в невероятной и откровенно неожиданной степени. Скорость, с которой наша Вселенная расширилась за последние 13,8 миллиардов лет, согласуется с уравнениями, выведенными из общей теории относительности (ОТО) Эйнштейна почти сто лет назад, и измерения крупномасштабного распределения галактик и скоплений галактик практически неотличимы от того, что предсказала ОТО.
И что самое впечатляющее, детальная картина изменений температуры, наблюдаемая на космическом микроволновом фоне, стала сокровищницей для космологов, открывая нам все — от количества вещества, присутствующего в нашей Вселенной, до крупномасштабной геометрии самого пространства.
Спустя несколько сотен тысяч лет после Большого взрыва до наших дней у нас есть широкий спектр наблюдений и измерений, на которые можно положиться, и этот массив данных дал нам уверенность в том, что мы достаточно хорошо понимаем эту часть истории нашей Вселенной.
Но когда мы возвращаемся в самому началу космической истории, наша уверенность начинает падать.
Наблюдения и измерения говорят нам, что скорость расширения и количество вещества и энергии в нашей Вселенной не могли сильно отличаться от тех, которые предсказывали наши расчеты. Тем не менее, отрицать, что важные и неизвестные космологические события могли иметь место в течение этого периода, было бы слишком самонадеянно.
Тайны первых секунд Вселенной
Возвращаясь к самому началу — к первым секундам и долям секунды после Большого взрыва, мы вынуждены признать, что по существу нет прямых наблюдений, на которые можно положиться. Эта эра остается скрытой от нашего взгляда, скрытой за непроницаемыми слоями энергии, расстояния и времени.
Можно сказать, что наше понимание того периода космической истории во многих отношениях лишь чуть больше, чем обоснованное предположение, основанное на умозаключениях и экстраполяции.
Несмотря на все успехи современной космологии, в нашей Вселенной многое остается неизвестным. Самая известная из этих «неизвестностей» — таинственная темная материя.
Астрономы и космологи определили, сколько вещества существует в нашей Вселенной с очень высокой степенью точности, и это намного больше, чем существует в форме атомов. После десятилетий измерений и споров мы знаем, что большая часть материи в нашей Вселенной состоит не из каких-либо известных веществ, а из чего-то еще, что не излучает, не отражает и не поглощает свет.
За последние несколько десятилетий физики были вовлечены в амбициозную экспериментальную программу, цель которой — раскрыть, что это за вещество и как оно образовалось в результате Большого взрыва. Но, несмотря на первоначальный оптимизм, мы остаемся в неведении относительно темной материи и ее природы.
Эксперименты выполнены так, как было задумано, но мы ничего не увидели. Темная материя оказалась гораздо более неуловимой, чем мы когда-то себе представляли, заставляя нас отказаться от многих наших любимых теорий и рассмотреть радикально новые идеи о том, чем может быть темная материя и как она могла сформироваться в первые мгновения после Большого взрыва.
Даже происхождение «обычной» материи таит в себе свои упрямые секреты. Хотя протоны, нейтроны и электроны и атомы, которые они формирую, могут быть легко созданы с помощью хорошо понятных процессов, аналогичные процессы также создают равное количество более экзотических частиц, известных как антивещество.
Всякий раз, когда частицы вещества и антивещества вступают в контакт друг с другом, оба уничтожаются. Так почему же тогда наша Вселенная содержит так много материи и так мало антиматерии? На самом деле, почему это вообще так важно?
Если бы материя и антивещество были созданы в равных количествах в разгар Большого взрыва — как мы и ожидали, исходя из нашего нынешнего понимания физики, — тогда почти все это было бы давно уничтожено, в результате чего наша Вселенная не имела бы атомов. И все же вокруг нас есть атомы и мы видим Вселенную.
Очевидно, что больше материи, чем антивещества, должно было быть создано в первые доли секунды истории нашей Вселенной. Мы не знаем, как и когда это произошло, или какой механизм был ответственным. Но каким-то образом что-то в условиях ранней Вселенной позволило «семенам» атомов — и всей химии, включая жизнь — пережить жар Большого взрыва.
Возвращаясь еще дальше во времени, мы приходим к тому, что является, пожалуй, самой интригующей из наших космических загадок. Чтобы осмыслить нашу Вселенную в том виде, в каком мы ее наблюдаем, космологи были вынуждены сделать вывод, что пространство в самые ранние моменты должно было пройти короткий период сверхбыстрого расширения.
Хотя эта эпоха инфляции длилась чуть дольше, чем одна миллионная часть из одной миллиардной из одной миллиардной миллиардной доли секунды, она полностью изменила нашу Вселенную. Во многих отношениях можно считать конец инфляции истинным началом Вселенной, в которой мы живем.
Несмотря на выявление множества убедительных причин полагать, что инфляция действительно имела место, космологи все еще очень мало знают и понимают эту раннюю, ключевую эру нашей космической истории.
И, наконец, в 1990-х годах космологи приступили к амбициозной программе по измерению более поздней истории расширения нашей Вселенной, позволяющей нам определить геометрию и окончательную судьбу нашего мира. Считалось, что впервые мы сможем узнать, будет ли наша Вселенная продолжать расширяться вечно, или вместо этого, в конце концов, развернется и схлопнется.
Эти измерения в конечном итоге были успешными, но они показали нам то, чего ожидали очень немногие ученые: наша Вселенная не только расширяется, но расширяется с ускоряющейся скоростью.
Чтобы объяснить этот факт, мы были вынуждены сделать вывод, что наша Вселенная содержит огромное количество так называемой темной энергии, заполняющей все пространство и разделяющей ее. Но все наши усилия, направленные на то, чтобы понять это явление оказались тщетны. Мы просто не понимаем, что такое темная энергия или почему она существует в нашей Вселенной.
Каждая из этих головоломок тесно связана с первыми моментами, последовавшими за Большим взрывом.
Точно так же, тот простой факт, что атомы существуют в нашем мире, показывает, что эти самые ранние моменты должны были включать события и взаимодействия, о которых мы до сих пор ничего не знаем. Космическая инфляция также имела место в эти самые ранние времена и могла быть связана с существованием темной энергии.
Все эти величайшие тайны нашей Вселенной прочно связаны с ее первыми моментами.
Как мы раскроем эти тайны?
В настоящее время ученые занимаются созданием телескопов, которые будут по-новому и с большей точностью измерять свет, известный как космический микроволновый фон.
Есть основания полагать, что эти измерения позволят космологам больше узнать об инфляции, например, когда она произошла и какие виды энергии могли ее вызвать. В более отдаленном будущем космические детекторы гравитационных волн предоставят нам новый способ наблюдения ранней Вселенной, потенциально обнаруживая сигналы от инфляции, а также от любых фазовых переходов, которые могли иметь место в первые моменты нашей Вселенной.
Однажды мы можем даже начать обнаруживать и изучать частицы, известные как нейтрино, которые были созданы в результате Большого взрыва.
Ясно, что наши величайшие космические загадки связаны с первыми моментами нашей Вселенной. Как наша Вселенная стала содержать так много материи и так мало антиматерии? Как образовалась темная материя? Кажется, наша Вселенная пережила краткий период сверхбыстрого расширения, но как и почему? И связано ли это с тем, что наша Вселенная теперь снова расширяется с ускоряющейся скоростью?
Сегодня это открытые вопросы. Но сегодняшняя тайна — это завтрашнее открытие. Опираясь на новые данные, наблюдения и идеи, человечество будет стремиться пролить свет на эти сложные вопросы. И с этим светом мы увидим прошлое глубже и яснее, чем когда-либо прежде — ближе к самому началу времени.
Источник