Більшість астрономів підтримує ідею про те, що Всесвіт походив від «бульбашки», в тисячі разів меншого, ніж шпильки головка, але неймовірно гарячого і щільного. Майже 13,8 млрд років тому він вибухнув, і саме ця подія називають «Великим вибухом». В той момент почали своє існування космос, час, енергія і матерія. За дуже малий проміжок часу Всесвіт розширилася від розмірів субатомной частки до розмірів апельсина, а потім продовжила розширення, поступово набуваючи сучасний вигляд. Саме Великий вибух пояснює різні параметри відомої нам сьогодні Всесвіту, і саме Великий вибух зумовив, як вона буде розвиватися в майбутньому і, можливо, загине через мільярди і мільярди років. Вивчення Великого вибуху - це пошук відповіді на питання про те, яким був початок «всього» і яким буде його кінець.
перші миті
Астрофізики задаються питанням, що було на початку Всесвіту і що було до її початку. Завдяки фізико-математичним дослідженням вже отримані деякі відповіді на такі питання. Але відповіді, що задовольняють фізиків-теоретиків, не завжди доступні розумінню широкої публіки і переносу в нашу повсякденну реальність. Іншими словами, ряд концепцій слід прийняти «за визначенням», не намагаючись знайти емпіричні приклади в сьогоднішньому Всесвіті, які дозволили б зрозуміти, що сталося в перші миті після Великого вибуху.
початок
На початку часу і космосу, цілком ймовірно, існувала «гравітаційна сингулярність», тобто те, що ми можемо визначити як геометричну точку, в якій гравітаційне поле досягало нескінченно великої величини. Гравітаційні сингулярності, існування яких передбачено загальною теорією відносності Альберта Ейнштейна, утворюються тоді, коли щільність речовини настільки висока, що викликає колапс простору-часу. Сингулярність дуже складно уявити як щось конкретне; вона піддається опису головним чином через математичні поняття. Припустивши, що Всесвіт народився з Великого вибуху, деякі дослідники задалися питанням, чи було щось до нього. Проблема ускладнюється тим, що Великий вибух дав початок не тільки простору, але і самому часу, так що в загальній теорії відносності йдеться про «просторі-часі» як про єдине ціле. Це виводить нас на уявлення про те, що Великий вибух не відбувся в «порожньому просторі», яке згодом заповнила собою розширюється Всесвіт, а сам створив як простір, так і час.
Ера Планка
Те, що з'явилося відразу після Великого вибуху, мало такі показники тиску і температури, що його поведінка неможливо описати за допомогою законів, що діють в сучасному Всесвіті. Фаза, безпосередньо послідувала за Великим вибухом, називається «ерою Планка» на честь німецького вченого Макса Планка. Вона охоплює період від Великого вибуху до часу 10 × -43 ступеня з після нього (цей час називається «часом Планка»). За цей дуже короткий період Всесвіт досягла розміру 10 × - 33 ступеня см, а температура опустилася до 10 × 32 ступеня ° С, тобто до ста тисяч мільярдів мільярдів мільярдів градусів.
Найменший космос
Для того щоб дати визначення цій фазі, Планк зробив порівняно просте умовивід. Він задався питанням, чи існує мінімальна довжина хвилі, менше якої неможливо отримати ніякої інформації, тобто таке мінімальне значення, менше якого поняття простору втрачає сенс.
Оскільки найкоротшою довжиною електромагнітної хвилі мають гамма-промені (вона становить 10 × -33 ступеня см), Планк здогадався, що для меншої довжини хвиль немає способу отримати повну фізичну інформацію. Переміщається зі швидкістю світла гамма-промінь проходить за 10 × -43 ступеня с. відстань в 10 × -33 ступеня см. Більш короткі проміжки часу знаходяться за межами можливості вимірювання. Тому між нульовою точкою Великого вибуху і кінцем ери Планка можна отримати ніякої фізичної інформації про Всесвіт на першому етапі розвитку.
Незабаром після Великого вибуху
В кінці ери Планка від загальної сукупності наявної у Всесвіті енергії відокремилася сила гравітації, що стала самостійною. Відразу після цього настала черга сильного ядерного взаємодії (утримує в стабільному стані атомні ядра), яке разом з силами гравітації, електромагнітного взаємодії і слабкої взаємодії (останнє відповідає за радіоактивний розпад) є однією з чотирьох фундаментальних сил, присутніх в природі. З їх допомогою частки обмінюються енергією. Все це з моменту Великого вибуху зайняло час до 10 × -36 ступеня с.
інфляція
У цей момент почалася «ера інфляції». Її називають так тому, що на цьому етапі Всесвіт піддалася дуже швидкого розширення - «інфляції» (від англійського to inflate - «надуватися»). Протягом декількох мільярдних часток секунди Всесвіт збільшила свій розмір в 10 × 50 ступеня раз. В ході інфляційного періоду, що тривав з моменту Великого вибуху до 10 × -32 с. спостерігалися «квантові флуктуації», викликані спонтанним формуванням пар частка / античастинка, що додали простору-часу досить неправильну і складну форму. Ці флуктуації лягли в основу гравітаційних порушень однорідності, які, будучи спочатку незначними, збігом часу виросли і в кінці кінців склали спостерігаються сьогодні гігантські космічні структури, такі як галактики і скупчення галактик. Частинки речовини і антиречовини, стикаючись, взаємно знищувалися і виробляли випромінювання. Проте в цій грі на знищення зберігся надлишок речовини: він і склав сучасну Всесвіт.
кварки
Приблизно через 10 × -35 с після Великого вибуху почали утворюватися перші частки кварка, антикварки, частинки W, Z і електрони.
З комбінації декількох кварків згодом склалися протони, нейтрони і їх античастинки. Протони і антипротони взаємно будете знищені, зробивши електромагнітне випромінювання. Тільки в цей момент розділилися слабке ядерне і електромагнітне взаємодії.
Ці явища відбулися в період між 10 × -32 і 10 × -5 с після Великого вибуху, коли утворювалися перші атомні ядра. З їх народженням речовина стало переважати над випромінюванням, що панували раніше. Однак температура Всесвіту досягала ще 10 млрд градусів, тому випромінювання і речовина перетворювалися один в одного.
Лише через приблизно 300 тис. Років після Великого вибуху, коли температура опустилася до 3300 ° С, Всесвіт, що була до цього безформним хмарою, стала прозорою для електромагнітного випромінювання. І тоді почали утворюватися перші атоми водню, гелію і літію - найлегші елементи Всесвіту.
фонове випромінювання
Приблизно 300 тис. Років після Великого вибуху з'явилося космічне фонове випромінювання - найближче до Великого вибуху випромінювання, сьогодні отримується нами. Це перший вид випромінювання, яке в розрідженій тепер Всесвіті не вловлюється негайно атомними або субатомними частинками, а блукає по космосу у вигляді фотонів. З цього моменту первинне речовина починає поступово складатися в зірки, квазари і галактики. Сьогодні за допомогою найпотужніших телескопів ми намагаємося кинути погляд на ці об'єкти - найдавніші і найбільш віддалені в нашому Всесвіті. Будь-яка додаткова інформація, отримана від них, може дозволити нам краще дізнатися про найбільш загадковому моменті нашої історії - Великий вибух.
моделі Всесвіту
У 20-ті роки минулого століття популярністю серед космологів користувалася ідея Всесвіту, в якій відразливі і притягують гравітаційні сили знаходяться в крихкому рівновазі, можливий завдяки «космологічної константи», умоглядно введеної Альбертом Ейнштейном в його загальної теорії відносності. Він ввів цю константу для того, щоб пояснити наявність відразливою сили речовини, яка повинна була врівноважити гравітаційне тяжіння. Це було необхідно, щоб отримати рівноважну космологічних моделях - властивість, яке вважалося базовим для всіх моделей нашого Всесвіту.
розширення
Тим часом багато астрономів відзначали, що велика частина галактик виявляла в спектрі свого світла зміщення ліній у червону сторону явище, відоме як «червоний зсув». Цей факт піддавався простому поясненню, якщо його сприймати як результат ефекту Доплера - того ж самого, завдяки якому звук віддаляється сирени чується більш низьким, ніж наближається. Все це мало сенс в тому випадку, якщо прийняти як даність, що галактики віддаляються один від одного. Фундаментальний внесок у це дослідження вніс німецький астроном Карл Вірц: детально вивчивши близько сорока галактик, він виявив, що чим слабкіше їх світло, тим далі вони знаходяться від нас, тим сильніше червоне зміщення в їх спектрах. Це означало, що більш далекі галактики віддаляються швидше, ніж ближні. Але щоб переконатися в правильності висновків Вірца, довелося дочекатися досліджень Едвіна Хаббла.
нестабільний космос
Російський математик Олександр Фрідман і бельгійський астроном Жорж-Анрі Леметр прийшли до висновку, що, незважаючи на введення космологічної константи, Всесвіт Ейнштейна нестабільна і було б досить невеликий флуктуації, щоб викликати її нескінченне розширення або стиснення. Спостереження Хаббла дозволили зробити висновок, що Всесвіт розширюється. Леметр розробив також теорію про те, що Всесвіт походить від «первородного атома», який дав початок всьому. Незважаючи на численні підтверджують цю теорію дані, вона була піддана гострій критиці. Проте ідея не вмерла; навпаки, її підтримав фізик Джордж Гамов, теоретично підтвердив можливість народження Всесвіту в результаті колосального вибуху.
стаціонарна Всесвіт
Тим часом інший астроном, Фред Хойл, висунув ідею про те, що Всесвіт може розширюватися в «стаціонарному стані»: галактики віддаляються один від одного, але в просторі між ними постійно народжується нова речовина. Саме Хойл з іронією назвав гіпотезу своїх колег «Великим вибухом» (Big Bang). Але в підсумку науковий світ підтримав гіпотезу Великого вибуху, висунуту Гамовим, а в кінці 1960-х років вона трансформувалася в конкретну теорію, підтверджену в кінці 1990-х супутниками СОВЕ і WMAP.
фонове випромінювання
Через кілька сотень секунд після Великого вибуху радіус Всесвіту становив лише кілька світлових хвилин, а речовина вже включало в себе базові елементи атомів - взаємодіють один з одним електронів, протонів, нейтронів, і також нейтрино і фотонів (часток, що переносять енергію). Коли через кілька сотень тисяч років після Великого вибуху температура опустилася приблизно до 3300 ° С, кількість зіткнень фотонів та інших частинок зменшилася, і фотони стали вільно поширюватися у Всесвіті.
Все холодніше й холодніше
Розширення спричинило за собою подальше зниження температури, що опустилася в кінці кінців до 3 К, тобто всього на три градуси вище абсолютного нуля (-273 ° С). Ця температура «відбилась» на блукаючих фотонах, які, все рідше стикаючись з іншими частками в усі менш щільною Всесвіту, дожили до наших днів. Сьогодні вони вважаються найголовнішими свідками тих далеких часів. Саме блукаючі фотони утворюють так зване «фонове космічне випромінювання». Воно було відкрито в 1964 році радіоастрономії Арно Пензиасом і Робертом Вілсоном, відзначеними за це Нобелівської премії з фізики в 1978 році.
Відкрите випадково
Насправді дослідники займалися налагодженням антени нового типу для прийому мікрохвиль. В ході роботи вчені взяли невідоме випромінювання, причому спочатку вирішили, що воно має земне походження. Але скоро Пензиас і Вільсон зрозумів, що «слухають» космічне випромінювання, існування якого Гамов і його колеги припускали ще в 1948 році, - щось на зразок «луни» Великого вибуху. Відкриття фонового випромінювання мало (колосальну важливість, оскільки стандартна модель Всесвіту передбачала наявність в ній однорідного сигналу, що поширюється на довжині хвилі близько міліметра і пронизливого весь космос. Саме це і було відкрито вченими.
з супутників
Відкриття Пензиасом і Вільсона з роками неодноразово піддавалося перевірці, але завжди отримувало підтвердження. Перевірки проводилися з борту аеростатів (наприклад, експеримент «Бумеранг», проведений спільно Італією та США). Три супутника (СОВЕ, WMAP і Planck) були спеціально створені для вивчення фонової радіації і дали чудові результати, особливо останні два, які дозволили виміряти випромінювання і отримати деталі, раніше залишалися недоступними. Завдяки аналізу отриманих із супутників даних виявилися відмінності в температурі фонового випромінювання всього лише в стотисячні частки градуса. Ця невелика «брижі» становить подобу генетичного коду живої істоти: вона і визначає еволюцію Всесвіту.
Відкриття фонового випромінювання стало найважливішим доказом на користь моделі Великого вибуху, поховали теорію стаціонарного Всесвіту Хойла.
виникаючі сумніви
Якби ми змогли насправді зрозуміти, як стався Великий вибух, то відповіли б на тисячу невирішених питань про народження Всесвіту і її будову. Але відповідей на ці питання поки немає, незважаючи на наявні в розпорядженні астрономів найсучасніші прилади. Головний і найбільш складне питання - як і чому стався Великий вибух.
Наші можливості у вивченні минулого Всесвіту простягаються в глиб часів і зупиняються, як уже говорилося, на точці 10 × -43 с після Великого вибуху. Зрозуміти, що сталося до цього моменту, може лише теоретична фізика, і тільки нові гіпотези віднесуть нас до часу «до» Великого вибуху.
Темна матерія і темна енергія
Іншою важливою темою, пояснення якої, можливо, криється в обставинах Великого вибуху, є походження темної матерії і темної енергії. Всесвіт лише на 5% складається з речовини, яке ми можемо спостерігати традиційними способами, наприклад, в телескоп, і яке постає перед нами у формі зірок, туманностей, галактик. Решта складається на 27% з темної матерії і на 68% з темної енергії. Щодо темної матерії сьогодні висунуті деякі конкретні гіпотези: ця матерія невидима, вона виявляє свою присутність в галактиках і скупченнях галактик завдяки своїй силі тяжіння, вона могла б складатися з декількох ще невідомих типів частинок, з нейтрино (якщо їх маса не дорівнює нулю) або з зірок виключно низькою яскравості.
Темна енергія, навпаки, як і раніше залишається загадкою. Про неї відомо лише те, що вона діє як відразлива сила і змушує Всесвіт розширюватися з прискоренням, а не з уповільненням, як можна було б очікувати, якби цієї енергії не було.
червоне зміщення
Якщо одні питання кидають виклик тим, хто вивчає походження Всесвіту, то інші ставлять під сумнів саму теорію Великого вибуху. Перший з таких питань стосується червоного зсуву світла галактик. Деякі астрофізики, і серед них американський астроном Хелтон Арп, вважають, що червоне зміщення викликане не тільки видаленням галактик, але і явищем, пов'язаним з самою природою спостережуваних об'єктів. Якщо це так, то частина опори, на якій грунтується теорія розширення Всесвіту, впаде. Ті, хто ще підтримує теорію стаціонарного Всесвіту Фреда Хойл, засновує свої полемічні виступи саме на цій тезі. Якщо Арп прав, для пояснення народження Всесвіту теорія Великого вибуху просто не потрібна. Втім, те, що пропонує Арп, зустрічає спростування прихильників теорії розширення Всесвіту.
циклічна Всесвіт
Теорії Великого вибуху і стаціонарного Всесвіту - не єдині, що пояснюють існування нашого світу. Як мінімум є ще одна, яка передбачає циклічне існування Всесвіту. Відповідно до цієї теорії, всякий раз, коли Всесвіт добігає кінця своєї еволюції, вона «починає спочатку» за допомогою нового Великого вибуху. Можливо, при кожному відродження Всесвіт «забуває» характеристики свого минулого і формує нові фізичні закони, що народжуються на етапі інфляції.
залишити емоцію
Зворушило Ха-Ха Ого Печаль Злюся
