ПЕРВЫЕ ТРИ МИНУТЫ
В книге «ПЕРВЫЕ ТРИ МИНУТЫ» крупнейшего американского физика-теоретика, лауреата Нобелевской премии по физике (1979 год) Стивена Вайнберга популярно и увлекательно рассказывается о современном взгляде на происхождение Вселенной. Описаны факты, подтверждающие модель «горячей Вселенной», рассказана история фундаментальных астрофизических открытий последних лет.
С большим мастерством и научной точностью излагается эволюция Вселенной на ранних стадиях ее развития после «Большого взрыва».
В новое издание вошла также нобелевская лекция С. Вайнберга, в которой описывается история возникновения единой теории слабых и электромагнитных взаимодействий.
Для читателей, интересующихся проблемами космологии.
Ниже фрагментарно (и с моим, да простит меня автор, форматированием текста для его удобочитаемости) излагается содержание первой, вводной главы, этой увлекательной и познавательной книги.
Полностью книга в формате PDF доступна для скачивания из файлового архива сайта.
Современный взгляд на происхождение Вселенной
(фрагмент первой главы книги)
Вначале был взрыв. Не такой взрыв, который знаком нам на Земле и который начинается из определенного центра и затем распространяется, захватывая все больше и больше пространства, а взрыв, который произошел одновременно везде, заполнив с самого начала все пространство, причем каждая частица материи устремилась прочь от любой другой частицы. В этом контексте «все пространство» может означать либо все пространство бесконечной Вселенной, либо все пространство конечной Вселенной, которое замкнуто на себя, как поверхность сферы. Каждую из этих возможностей нелегко постичь, но это нам не помешает: оказывается, что на историю ранней Вселенной не влияет, является ли пространство конечным или бесконечным.
Примерно через одну сотую долю секунды, самое раннее время, относительно которого мы можем говорить с какой-то определенностью
Примерно через одну сотую долю секунды, самое раннее время, относительно которого мы можем говорить с какой-то определенностью, температура Вселенной была равна примерно ста тысячам миллионов (10 11 ) градусов Цельсия. Это значительно горячее, чем в центре самой горячей звезды, так горячо на самом деле, что ни одни из компонентов обычного вещества — молекулы, атомы или даже ядра атомов — не могли существовать. Вместо этого вещество, разлетавшееся в разные стороны в таком взрыве, состояло из различных типов так называемых элементарных частиц, являющихся предметом изучения современной физики высоких энергий.
Мы неоднократно будем встречаться на страницах книги с этими частицами, но в данный момент будет достаточно назвать только те из них, которые присутствовали в ранней Вселенной в наибольшем количестве, отложив более детальные разъяснения до глав III и IV.
Один тип частиц, присутствовавших в больших количествах, — это электроны, отрицательно заряженные частицы, которые переносятся электрическим током по проводам и образуют внешние части всех атомов и молекул нашей теперешней Вселенной.
Другой тип частиц, имевшихся в изобилии на ранней стадии, — это позитроны, положительно заряженные частицы с массой, в точности равной массе электрона. В теперешней Вселенной позитроны обнаруживаются только в лабораториях физики высоких энергий, в некоторых типах радиоактивного распада, а также в бурных астрономических явлениях вроде космического излучения или сверхновых, но в ранней Вселенной число позитронов почти точно равнялось числу электронов.
Вдобавок к электронам и позитронам было примерно одинаковое количество нейтрино различных типов — призрачных частиц, не имеющих вообще ни массы, ни электрического заряда.
Наконец, Вселенная была заполнена светом. Его не следует рассматривать отдельно от частиц — квантовая теория говорит нам, что свет состоит из частиц нулевой массы и нулевого электрического заряда, известных под названием фотонов. (Каждый раз, когда атом в нити накала электрической лампочки переходит из состояния большей энергии в состояние меньшей энергии, испускается один фотон. При этом из электрической лампочки вылетает так много фотонов, что они кажутся слившимися вместе в непрерывный поток света, однако фотоэлемент может сосчитать отдельные фотоны, один за другим). Каждый фотон несет определенную порцию энергии и импульса, зависящую от длины волны света. Чтобы описать тот свет, который заполнял раннюю Вселенную, мы можем сказать, что число и средняя энергия фотонов были примерно такими же, как у электронов, позитронов или нейтрино.
Эти частицы — электроны, позитроны, нейтрино, фотоны — непрерывно рождались из чистой энергии и затем весьма быстро вновь аннигилировали.
Поэтому число этих частиц не было предопределено заранее, а определялось балансом между процессами рождения и аннигиляции. Из этого баланса можно вывести, что плотность такого космического супа при температуре сотни тысяч миллионов градусов была примерно в четыре тысячи миллионов (4 x 10 9 ) раз больше, чем у воды.
Кроме того, имелась небольшая примесь более тяжелых частиц — протонов и нейтронов, которые в сегодняшнем мире являются составными частями атомных ядер. (Протоны положительно заряжены; нейтроны чуть тяжелее и электрически нейтральны.)
Пропорции составляли примерно один протон и один нейтрон на каждую тысячу миллионов электронов, или позитронов, или нейтрино, или фотонов.
Это число — тысяча миллионов фотонов на одну ядерную частицу — является критической величиной, которая должна браться из наблюдений в целях построения стандартной модели Вселенной. Открытие космического фона излучения, обсуждаемое в главе III, в действительности представляло собой измерение этого числа.
В процессе развития взрыва температура падала, достигнув через одну десятую секунды тридцати тысяч миллионов (3 x 10 10 ) градусов Цельсия, через одну секунду — десяти тысяч миллионов градусов и через четырнадцать секунд — трех тысяч миллионов градусов. Это уже было достаточно прохладно для того, чтобы электроны и позитроны начали аннигилировать быстрее, чем они могли рождаться вновь фотонами или нейтрино.
Энергия, выделявшаяся при такой аннигиляции вещества, постепенно замедляла скорость охлаждения Вселенной, но температура продолжала падать, достигнув наконец одной тысячи миллионов градусов в конце первых трех минут. Тут уже стало достаточно прохладно для того, чтобы протоны и нейтроны начали образовывать сложные ядра, начиная с ядра тяжелого водорода (дейтерия), состоящего из одного протона и одного нейтрона. Плотность была все еще достаточно велика (чуть меньше плотности воды), так что эти легкие ядра были способны быстро объединяться в более стабильные легкие ядра, такие, как ядра гелия, состоящие из двух протонов и двух нейтронов.
В конце первых трех минут Вселенная содержала главным образом свет, нейтрино и антинейтрино.
Кроме того, имелось небольшое количество ядерного материала, состоявшего к этому моменту примерно на 73 процента из ядер водорода и на 27 из ядер гелия, и столь же малое количество электронов, оставшихся от эры электрон-позитронной аннигиляции.
Эта материя продолжала расширяться, становясь постепенно холоднее и разреженнее.
через несколько сот тысяч лет, стало уже достаточно холодно для того, чтобы электроны смогли объединиться с ядрами, образовав атомы водорода и гелия.
Значительно позже, через несколько сот тысяч лет, стало уже достаточно холодно для того, чтобы электроны смогли объединиться с ядрами, образовав атомы водорода и гелия.
Образовавшийся газ начал под действием гравитации образовывать сгустки, которые в конце концов сконденсировались, образовав галактики и звезды нынешней Вселенной.
Однако звезды начали свою жизнь как раз с теми составными элементами, которые были изготовлены в первые три минуты.
Обрисованная выше стандартная модель — совсем не самая удовлетворительная из всех мыслимых теорий происхождения Вселенной.
Как и в «Младшей Эдде», в ней имеется смущающая неопределенность относительно самого начала, первой сотой доли секунды или около того.
Помимо этого, необходимо, к сожалению, фиксировать начальные условия, в особенности начальное отношение тысяча миллионов к одному для фотонов и ядерных частиц.
Мы предпочли бы теорию, логическая неизбежность которой была бы более очевидной.
Существует альтернативная теория, которая кажется значительно более привлекательной с философской точки зрения, так называемая теория стационарного состояния.
В этой теории, предложенной в конце 40-х годов Германом Бонди, Томасом Голдом и (в несколько иной формулировке) Фредом Хойлом, считается, что Вселенная всегда была почти такой же, как сейчас. В процессе ее расширения непрерывно рождается новая материя, заполняя промежутки между галактиками.
В принципе, на все вопросы о том, почему Вселенная такая, какая она есть, можно ответить в этой теории, показав, что она такая, какая она есть, потому, что это единственный способ, при котором она может оставаться неизменной. Проблемы ранней Вселенной нет, ранней Вселенной просто не было.
Как же мы тогда пришли к стандартной модели? И как же она вытеснила другие теории вроде модели стационарного состояния?
Это было данью чрезвычайной объективности современной астрофизики, благодаря которой единодушие стало возможным не из-за сдвигов в философских симпатиях и не под влиянием ученых-мандаринов от астрофизики, а под давлением эмпирических данных.
В следующих двух главах будут описаны две великие путеводные нити, предоставляемые нам астрономическими наблюдениями и приводящие к стандартной модели, — открытие разбегания далеких галактик и обнаружение слабого фона радиоизлучения, заполняющего Вселенную.
Это богатейший сюжет для историка науки, полный ошибочных начинаний, упущенных возможностей, теоретических предубеждений и действий отдельных личностей.
Вслед за этим обзором наблюдательной космологии я попытаюсь соединить разрозненные данные, чтобы дать единую картину физических условий в ранней Вселенной.
Это заставит нас вернуться к более детальному рассмотрению первых трех минут. Представляется подходящим кинематографический метод: кадр за кадром мы будем следить за тем, как Вселенная расширяется, охлаждается и приготовляется. Мы также попробуем заглянуть немного в эру, все еще окутанную тайной, — а именно, в то, что происходило до первой сотой доли секунды.
Можем ли мы действительно быть уверенными в стандартной модели? Не разрушат ли ее новые открытия и не заменят ли сегодняшнюю стандартную модель какой-то другой космогонией, может быть, даже возродив стационарную модель? Возможно.
Я не в силах избавиться от ощущения нереальности, когда пишу о первых трех минутах так, как будто мы действительно знаем, о чем говорим.
Однако даже если стандартную когда-нибудь вытеснит другая модель, она все равно будет играть чрезвычайно важную роль в истории космологии.
Сейчас стало общепринятым (хотя лишь в последнее десятилетие или около того) проверять теоретические идеи в физике или астрофизике, обсуждая их следствия в рамках стандартной модели. Также обычным стало использование стандартной модели в качестве теоретической основы для определения программ астрономических наблюдений.
Таким образом, стандартная модель обеспечивает необходимый общий язык, который позволяет теоретикам и наблюдателям понимать, что каждый из них делает. Если когда-нибудь стандартную модель заменит лучшая теория, то, вероятнее всего, это произойдет в результате наблюдений или вычислений, обоснование необходимости которых будет получено из стандартной модели.
В последней главе я немного поговорю о будущем Вселенной. Возможно, она будет продолжать расширяться всегда, становясь все более холодной, разреженной и мертвой. Но возможно, что она будет вновь сжиматься, вновь разбивая галактики, звезды, атомы и атомные ядра на их составные части. Все те проблемы, с которыми мы сталкиваемся в понимании первых трех минут, возникнут тогда снова при предсказании течения событий в три последние минуты.
Источник
Как люди узнали сколько Вселенной лет? Рассказываю за пару минут.
Прошли тысячи лет, прежде чем люди научились оценивать возраст Вселенной на основе научных исследований.
Измерение расстояния до различных галактик и скорости, с которой они удаляются друг от друга по мере расширения Вселенной, является одним из способов оценки возраста космоса.
Набрав сегодня в поисковой строке интернета вопрос: «Сколько лет Вселенной?». Мы за миллисекунды узнаем ответ, который долго искали многие мыслители человечества: Вселенной почти 14 миллиардов лет, а если быть точными — 13,8 миллиарда лет. Большинство учёных, исследующих космос, с этой цифрой согласны.
В конце декабря 2020 года исследователями, работающими на космологическом телескопе Атакама (ACT) в Чили , была опубликована уточнённая оценка возраста Вселенной — 13,77 миллиарда лет, плюс или минус несколько десятков миллионов лет. Эта оценка возраста совпадает с аналогичными данными наблюдений европейского спутника миссии Planck в период с 2009 по 2013 год.
Точные наблюдения ACT и Planck появились спустя более чем тысячелетия наблюдений людей за небом и размышлений о том, откуда всё могло появиться.
Каким же образом люди, с продолжительностью жизни менее века, получили представление о событиях, которые происходили до того, как их планета существовала?
Давайте проследим, как человечество пришло к пониманию возраста Вселенной.
Античность: Начало осмысления
В каждой культуре есть миф о сотворении мира. Вавилоняне, например, верили, что небо и Земля высечены из тела убитого Бога. Но лишь немногие системы верований указывают, когда началось существование (исключение составляет индуизм, который учит, что Вселенная меняется каждые 4,3 миллиарда лет, что не так уж далеко от фактического возраста Земли).
Главенствующая идея , застопорившая на западе развитие мысли о понимании вселенной, исходила от греческих философов и была в какой-то мере научным шагом назад.
В четвертом и третьем веках до нашей эры Платон, Аристотель и другие философы исходили из того, что планеты и звезды заключены в вечно вращающиеся небесные сферы.
В течение следующего тысячелетия или около того мало кто ожидал, что Вселенная вообще будет иметь возраст.
1600 — 1900 г.г.: Конец бесконечности
В 1610 году астроном Иоганнес Кеплер понял, что одна из главных не стыковок в популярной греческой космологии все это время была перед глазами звездочётов. Наблюдая за ночным небом, он задумался: если вечная Вселенная содержит бесконечное количество звезд, как многие привыкли считать, почему все эти звезды не наполняют вселенную ослепительным светом? Темное ночное небо, рассуждал он, наводит на мысль о конечном космосе, где звезды в конце концов исчезают.
Столкновение между ночным небом и бесконечной Вселенной стало известно как парадокс Ольбера, названный в честь Генриха Ольбера, астронома, который популяризировал его в 1826 году.
Ранняя версия современного решения бесконечной Вселенной пришла, прежде всего, от писателя Эдгара Аллана По.
Мы переживаем ночь — размышлял он в своей прозаической поэме «Эврика» в 1848 году, потому что Вселенная не вечна, она имеет начало, и с тех пор как она появилась, прошло слишком мало времени, чтобы звезды полностью осветили небо.
1900-е годы: Появляются современные и ранние вселенные
На разгадку парадокса Ольбера ушло некоторое время. Когда в 1917 году теория гравитации Эйнштейна подсказала ему, что Вселенная, вероятно, росла или сжималась с течением времени, он добавил в свои уравнения фактор выдумки — космологическую постоянную, чтобы Вселенная оставалась неподвижной (позволяя ей существовать вечно).
Тем временем, более крупные телескопы дали астрономам более чёткое представление о других галактиках. Но, в свою очередь, эти наблюдения вызвали ожесточенные споры о том, смотрят ли астрономы на далекие “островные вселенные” или на близлежащие звёздные скопления внутри Млечного Пути.
Острый взгляд Эдвина Хаббла разрешил этот спор в конце 1920-х годов. Он впервые измерил межгалактические расстояния и обнаружил, что галактики не только огромны и далеки друг от друга, но и удаляются друг от друга.
Вселенная расширялась, и Хаббл установил скорость ее расширения в 500 километров в секунду на мегапарсек, константу, которая теперь носит его имя. С пониманием расширения Вселенной астрономы получили мощный новый инструмент, чтобы оглянуться назад во времени и оценить, когда космос начал расти. Работа Хаббла в 1929 году показала, что Вселенная расширяется таким образом, что ей должно быть примерно 2 миллиарда лет.
«Скорость расширения говорит, как быстро можно перемотать историю Вселенной назад» — говорит Дэниел Скольник, космолог из Университета Дьюка.
Но измерение расстояний до далеких галактик — не всегда даёт точный результат. Более точный метод появился в 1965 году, когда исследователи обнаружили слабое потрескивание микроволн, идущих со всех сторон в космосе. Космологи уже предсказывали, что такой сигнал должен существовать, поскольку свет, испущенный всего через сотни тысяч лет после рождения Вселенной, был бы растянут расширением пространства на более длинные микроволны.
Измеряя характеристики этого космического микроволнового фона (CMB), астрономы могли бы сделать своего рода снимок молодой Вселенной, рассчитав ее ранние размеры и содержание. CMB послужил неопровержимым доказательством того, что космос имел начало.
” Самое важное, что было достигнуто в результате окончательного открытия [CMB] в 1965 году, — это заставить нас всех серьёзно отнестись к идее о существовании ранней Вселенной», — писал лауреат Нобелевской премии Стивен Вайнберг в своей книге 1977 года «первые три минуты».
Источник