Теорія Великого вибуху: історія еволюції нашого Всесвіту

1. Хронологія подій в теорії Великого Вибуху
2. Епоха сингулярності
3. Епоха інфляції
4. Епоха охолодження
5. Епоха структури (ієрархічна епоха)
6. Довгострокові прогнози щодо майбутнього Всесвіту
7. Історія теорії Великого вибуху

Як з'явилася наш Всесвіт? Як вона перетворилася в удавану на перший погляд нескінченний простір? І чим вона стане через багато мільйонів і мільярди років? Ці питання терзали (і продовжують терзати) уми філософів і вчених, здається, ще з початку часів, породивши при цьому безліч цікавих і часом навіть божевільних теорій. Сьогодні більшість астрономів і космологів дійшли спільної згоди щодо того, що Всесвіт, яку ми знаємо, з'явилася в результаті гігантського вибуху, який породив не тільки основну частину матерії, але з'явився джерелом основних фізичних законів, згідно з якими існує той космос, який нас оточує. Все це називається теорією Великого вибуху.

Основи теорії Великого вибуху відносно прості. Якщо коротко, згідно з нею вся існувала і існує зараз у Всесвіті матерія з'явилася в один і той же час - близько 13,8 мільярда років тому. В той момент часу вся матерія існувала у вигляді дуже компактного абстрактного кулі (або точки) з нескінченної щільністю і температурою. Цей стан носило назву сингулярності. Несподівано сингулярність почала розширюватися і породила ту Всесвіт, яку ми знаємо.

Варто відзначити, що теорія Великого Вибуху є лише однією з багатьох запропонованих гіпотез виникнення Всесвіту (наприклад, є ще теорія стаціонарного Всесвіту), проте вона отримала саме широке визнання і популярність. Вона не тільки пояснює джерело всієї відомої матерії, законів фізики і велику структуру Всесвіту, вона також описує причини розширення Всесвіту і багато інших аспектів і феномени.

Хронологія подій в теорії Великого Вибуху

Грунтуючись на знаннях про нинішній стан Всесвіту, вчені припускають, що все повинно було початися з єдиною точки з нескінченною щільністю і кінцевим часом, які почали розширюватися. Після початкового розширення, як свідчить теорія, Всесвіт пройшла фазу охолодження, яка дозволила з'явитися субатомних частинок і пізніше простим атомам. Гігантські хмари цих древніх елементів пізніше, завдяки гравітації, почали утворювати зірки і галактики.

Все це, по припущенням вчених, почалося близько 13,8 мільярда років тому, і тому ця відправна точка вважається віком Всесвіту. Шляхом дослідження різних теоретичних принципів, проведення експериментів із залученням прискорювачів частинок і високоенергетичних станів, а також шляхом проведення астрономічних досліджень далеких куточків Всесвіту вчені вивели і запропонували хронологію подій, які почалися з Великого вибуху і привели Всесвіт в кінцевому підсумку до того стану космічної еволюції, яке має місце бути зараз.

Вчені вважають, що найбільш ранні періоди зародження Всесвіту - тривали від 10-43 до 10-11 секунди після Великого вибуху, - як і раніше є предметом суперечок і обговорень. Якщо врахувати, що ті закони фізики, які нам зараз відомі, не могли існувати в цей час, то дуже складно зрозуміти, яким же чином регулювалися процеси в цій ранньому Всесвіті. Крім того, експериментів з використанням тих можливих видів енергій, які могли бути присутніми в той час, до сих пір не проводилося. Як би там не було, багато теорій про виникнення Всесвіту в кінцевому підсумку згодні з тим, що в якийсь період часу була відправна точка, з якої все почалося.

Епоха сингулярності

Також відома як Планка епоха (або Планка ера) приймається за найбільш ранній з відомих періодів еволюції Всесвіту. В цей час вся матерія містилася в єдиній точці нескінченної щільності і температури. Під час цього періоду, як вважають вчені, квантові ефекти гравітаційної взаємодії домінували над фізичним, і жодна з фізичних сил не дорівнювала по силі гравітації.

Планка ера імовірно тривала від 0 до 10-43 секунди і названа вона так тому, що виміряти її тривалість можна тільки Планка часом . З огляду на екстремальних температур і нескінченної щільності матерії стан Всесвіту в цей період часу було вкрай нестабільним. Після цього відбулися періоди розширення і охолодження, які привели до виникнення фундаментальних сил фізики.

Приблизно в період з 10-43 до 10-36 секунди у Всесвіті відбувався процес зіткнення станів перехідних температур. Вважається, що саме в цей момент фундаментальні сили, які керують нинішньою Всесвіту, почали відділятися один від одного. Першим кроком цього відділення стала поява гравітаційних сил, сильних і слабких ядерних взаємодій і електромагнетизму.

У період приблизно з 10-36 до 10-32 секунди після Великого вибуху температура Всесвіту стала досить низькою (1028 К), що призвело до поділу електромагнітних сил (сильна взаємодія) і слабкого ядерного взаємодії (слабкої взаємодії).

Епоха інфляції

З появою перших фундаментальних сил у Всесвіті почалася епоха інфляції, яка тривала з 10-32 секунди по Планка часу до невідомої точки в часі. Більшість космологічних моделей припускають, що Всесвіт в цей період була рівномірно заповнена енергією високої щільності, а неймовірно високі температура і тиск призвели до її швидкого розширення і охолодження.

Це почалося на 10-37 секунді, коли за фазою переходу, що викликала відділення сил, було розширення Всесвіту в геометричній прогресії. В цей же період часу Всесвіт перебувала в стані баріогенезис, коли температура була настільки високою, що безладний рух частинок в просторі відбувалося зі швидкістю, близькою.

В цей час утворюються і відразу ж стикаючись руйнуються пари з частинок - античастинок, що, як вважається, призвело до домінування матерії над антиматерією в сучасному Всесвіті. Після припинення інфляції Всесвіт складався з кварк-глюоновой плазми та інших елементарних частинок. З цього моменту Всесвіт стала остигати, почала утворюватися і з'єднуватися матерія.

Епоха охолодження

Зі зниженням щільності і температури всередині Всесвіту почало відбуватися і зниження енергії в кожній частинці. Це перехідний стан тривав до тих пір, поки фундаментальні сили і елементарні частинки не прийшли до своєї нинішньої формі. Так як енергія частинок опустилася до значень, які можна сьогодні досягти в рамках експериментів, дійсне можливу наявність цього тимчасового періоду викликає у вчених куди менше суперечок.

Наприклад, вчені вважають, що на 10-11 секунді після Великого вибуху енергія частинок значно зменшилася. Приблизно на 10-6 секунді кварки і глюони почали утворювати баріони - протони і нейтрони. Кварки стали переважати над антикварки, що в свою чергу призвело до переважання баріонів над антібаріонов.

Так як температура була вже недостатньо високою для створення нових протонно-антипротонних пар (або нейтронно-антинейтрона пар), було масове руйнування цих частинок, що призвело до залишку тільки 1/1010 кількості початкових протонів і нейтронів і повного зникнення їх античастинок. Аналогічний процес відбувся через близько 1 секунди після Великого вибуху. Тільки «жертвами» цього разу стали електрони і позитрони. Після масового знищення залишилися протони, нейтрони і електрони припинили своє безладний рух, а енергетична щільність Всесвіту була заповнена фотонами і в меншій мірі нейтрино.

Протягом перших хвилин розширення Всесвіту почався період нуклеосинтеза (синтез хімічних елементів). Завдяки падінню температури до 1 мільярда кельвінів і зниження щільності енергії приблизно до значень, еквівалентних щільності повітря, нейтрони і протони почали змішуватися і утворювати перший стабільний ізотоп водню (дейтерій), а також атоми гелію. Проте більшість протонів у Всесвіті залишилися в якості незв'язних ядер атомів водню.

Через близько 379 000 років електрони об'єдналися з цими ядрами водню і утворили атоми (знову ж переважно водню), в той час як радіація відокремилася від матерії і продовжила практично безперешкодно розширюватися через простір. Цю радіацію прийнято називати реліктовим випромінюванням, і вона є самим найдавнішим джерелом світла у Всесвіті.

З розширенням реліктове випромінювання поступово втрачала свою щільність і енергію і зараз його температура становить 2,7260 ± 0,0013 К (-270,424 ° C), а енергетична щільність 0,25 еВ (або 4,005 × 10-14 Дж / м³; 400-500 фотонів / см³). Реліктове випромінювання простягається в усіх напрямках і на відстань близько 13,8 мільярда світлових років, проте оцінка його фактичного поширення говорить приблизно про 46 мільярдах світлових роках від центру Всесвіту.

Епоха структури (ієрархічна епоха)

У наступні кілька мільярдів років щільніші регіони майже рівномірно розподіленим у Всесвіті матерії почали притягатися один до одного. В результаті цього вони стали ще щільніше, почали утворювати хмари газу, зірки, галактики та інші астрономічні структури, за якими ми можемо спостерігати в даний час. Цей період носить назву ієрархічної епохи. В цей час та Всесвіт, яку ми бачимо зараз, почала набувати свою форму. Матерія почала об'єднуватися в структури різних розмірів - зірки, планети, галактики, галактичні скупчення, а також галактичні надскупчення, розділені міжгалактичними перемичками, що містять всього лише кілька галактик.

Деталі цього процесу можуть бути описані згідно з поданням про кількість і тип матерії, розподіленої у Всесвіті, яка представлена ​​у вигляді холодної, теплої, гарячої темної матерії і баріонів речовини. Однак сучасної стандартної космологічної моделлю Великого вибуху є модель Лямбда-CDM, згідно з якою частинки темної матерії рухаються повільніше швидкості світла. Її було обрано тому, що вирішує всі протиріччя, які виникали в інших космологічних моделях.

Відповідно до цієї моделі на холодну темну матерію припадає близько 23 відсотків всієї матерії / енергії у Всесвіті. Частка баріонів речовини становить близько 4,6 відсотка. Лямбда-CDM посилається на так звану космологічну постійну: теорію, запропоновану Альбертом Ейнштейном, яка характеризує властивості вакууму і показує співвідношення балансу між масою і енергією як постійну статичну величину. В цьому випадку вона пов'язана з темною енергією, яка служить в якості акселератора розширення Всесвіту і підтримує гігантські космологічні структури в значній мірі однорідними.

Довгострокові прогнози щодо майбутнього Всесвіту

Гіпотези щодо того, що еволюція Всесвіту має відправною точкою, природним способом підводять вчених до питань про можливу кінцевій точці цього процесу. Якщо Всесвіт почала свою історію з маленької точки з нескінченною щільністю, яка раптом почала розширюватися, чи не означає це, що розширюватися вона теж буде нескінченно? Або ж одного разу у неї закінчиться експансивна сила і почнеться зворотний процес стиснення, кінцевим підсумком якого стане все та ж нескінченно щільна точка?

Відповіді на ці питання були основною метою космологов з самого початку суперечок про те, яка ж космологічна модель Всесвіту є вірною. З прийняттям теорії Великого вибуху, але здебільшого завдяки спостереженню за темною енергією в 1990-х роках, вчені прийшли до згоди щодо двох найбільш ймовірних сценаріїв еволюції Всесвіту.

Відповідно до першого, який отримав назву «велике стиснення», Всесвіт досягне свого максимального розміру і почне руйнуватися. Такий варіант розвитку подій буде можливий, якщо тільки щільність маси Всесвіту стане більше, ніж сама критична щільність. Іншими словами, якщо щільність матерії досягне певного значення або стане вище цього значення (1-3 × 10-26 кг матерії на м³), Всесвіт почне стискатися.

Альтернативою служить інший сценарій, який говорить, що якщо щільність у Всесвіті буде дорівнює або нижче значення критичної щільності, то її розширення сповільниться, однак ніколи не зупиниться повністю. Відповідно до цієї гіпотези, що отримала назву «теплова смерть Всесвіту», розширення продовжиться до тих пір, поки зореутворення не перестануть споживати міжзоряний газ всередині кожної з навколишніх галактик. Тобто повністю припиниться передача енергії і матерії від одного об'єкта до іншого. Всі існуючі зірки в цьому випадку вигорятимуть і перетворяться в білих карликів, нейтронні зірки і чорні діри.

Поступово чорні діри будуть стикатися з іншими чорними дірами, що привіт до утворення все більш і більш великих. Середня температура Всесвіту наблизиться до абсолютного нуля. Чорні діри в результаті «випаруються», випустивши свій останній випромінювання Хокінга . Зрештою термодинамічна ентропія у Всесвіті стане максимальною. Настане теплова смерть.

Сучасні спостереження, які враховують наявність темної енергії і її вплив на розширення космосу, наштовхнули вчених на висновок, згідно з яким з часом все більше і більше простору Всесвіту буде проходити за межами нашого горизонту подій і стане невидимим для нас. Кінцевий і логічний результат цього вченим поки не відомий, проте «теплова смерть» цілком може виявитися кінцевою точкою подібних подій.

Є й інші гіпотези щодо розподілу темної енергії, а точніше, її можливих видів (наприклад фантомної енергії). Згідно з ними галактичні скупчення, зірки, планети, атоми, ядра атомів і матерія сама по собі будуть розірвані на частини в результаті її нескінченного розширення. Такий сценарій еволюції носить назву «великого розриву». Причиною загибелі Всесвіту згідно з цим сценарієм є саме розширення.

Історія теорії Великого вибуху

Найперша згадка Великого вибуху відноситься до початку 20-го століття і пов'язане зі спостереженнями за космосом. У 1912 році американський астроном Вести Слайфер провів серію спостережень за спіральними галактиками (які спочатку представлялися туманностями) і виміряв їх доплеровское червоне зміщення. Майже у всіх випадках спостереження показали, що спіральні галактики віддаляються від нашого Чумацького Шляху.

У 1922 році видатний російський математик і космолог Олександр Фрідман вивів з рівнянь Ейнштейна для загальної теорії відносності так звані рівняння Фрідмана. Незважаючи просування Ейнштейном теорії на користь наявності космологічної сталої, робота Фрідмана показала, що Всесвіт швидше знаходиться в стані розширення.

У 1924 році вимірювання Едвіна Хаббла дистанції до найближчої спіральної туманності показали, що ці системи насправді є дійсно іншими галактиками. У той же час Хаббл приступив до розробки ряду показників для вирахування відстані, використовуючи 2,5-метровий телескоп Хукера в обсерваторії Маунт Вілсон. До 1929 року Хаббл виявив взаємозв'язок між відстанню і швидкістю видалення галактик, що згодом стало законом Хаббла.

У 1927 році бельгійський математик, фізик і католицький священик Жорж Леметр незалежно прийшов до тих самих результатів, які показували рівняння Фрідмана, і першим сформулював залежність між відстанню і швидкістю галактик, запропонувавши першу оцінку коефіцієнта цієї залежності. Леметр вважав, що в якийсь період часу в минулому вся маса Всесвіту була зосереджена в одній точці (атомі).

Ці відкриття і припущення викликали багато суперечок між фізиками в 20-х і 30-х роках, більшість з яких вважало, що Всесвіт перебуває в стаціонарному стані. Згідно з усталеною в той час моделі, нова матерія створюється поряд з нескінченним розширенням Всесвіту, рівномірно і рівнозначно по щільності розподіляючись на всій її протяжності. Серед вчених, які підтримують її, ідея Великого вибуху здавалася більше теологічної, ніж наукової. На адресу Леметра звучала критика про упередженість на основі релігійних упереджень.

Слід зазначити, що в той же час існували і інші теорії. Наприклад, модель Всесвіту Мілна і циклічна модель. Обидві грунтувалися на постулатах загальної теорії відносності Ейнштейна і згодом отримали підтримку самого вченого. Згідно з цими моделями Всесвіт існує в нескінченному потоці повторюваних циклів розширень і колапсів.

После Другої Світової Війни между Прихильники стаціонарної моделі Всесвіту (яка Фактично булу описана астрономом и фізіком Фредом Хойлом) и Прихильники Теорії Великого Вибух, швидко набирала Популярність среди Наукової спільноті, розгоріліся палкі дебати. За іронією долі, самє Хойл Вивів фразу «великий вибух», яка Згідно стала назв новой Теорії. Сталося це в березні 1949 року на британському радіо BBC.

Зрештою подальші наукові дослідження і спостереження все більше і більше говорили на користь теорії Великого вибуху і все частіше ставили під сумнів модель стаціонарного Всесвіту. Виявлення та підтвердження реліктового випромінювання в 1965 році остаточно зміцнили Великий вибух як краща теорії походження та еволюції Всесвіту. З кінця 60-х років і аж до 1990-х астрономи і космологи провели ще більше досліджень питання Великого вибуху і знайшли рішення для багатьох теоретичних проблем, що стоять на шляху у цієї теорії.

Серед цих рішень, наприклад, робота Стівена Хокінга та інших фізиків, які довели, що сингулярність була незаперечною початковим станом загальної відносності і космологічної моделі Великого вибуху. У 1981 році фізик Алан Гут вивів теорію, що описує період швидкого космічного розширення (епохи інфляції), яка вирішила безліч невирішених раніше теоретичних питань і проблем.

У 1990-х спостерігався підвищений інтерес до темної енергії, яку розглядали як ключ до вирішення багатьох невирішених питань космології. Крім бажання знайти відповідь на питання про те, чому Всесвіт втрачає свою масу поряд з темною матерів (гіпотеза була запропонована ще в 1932 році Яном Оортом), також було необхідно знайти пояснення тому, чому Всесвіт як і раніше прискорюється.

Подальший прогрес вивчення зобов'язаний створенню більш просунутих телескопів, супутників і комп'ютерних моделей, які дозволили астрономам і космологам заглянути далі у Всесвіті і краще зрозуміти її справжній вік. Розвиток космічних телескопів і поява таких, як, наприклад, Cosmic Background Explorer (або COBE), космічний телескоп Хаббла, Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) і космічна обсерваторія Планка, теж внесло неоціненний внесок у дослідження питання.

Сьогодні космологи можуть з досить високою точністю проводити вимірювання різних параметрів і характеристик моделі теорії Великого вибуху, не кажучи вже про більш точних обчисленнях віку навколишнього нас космосу. Але ж все почалося зі звичайного спостереження за масивними космічними об'єктами, розташованими в багатьох світлових роках від нас і повільно продовжують від нас віддалятися. І незважаючи на те, що ми поняття не маємо, чим це все закінчиться, щоб з'ясувати це, по космологічним мірками на це буде потрібно не так вже й багато часу.