Большие проблемы большого взрыва. Доказательства теории большого взрыва Что произошло в результате большого взрыва кратко
Согласно данной теории Вселенная появилась в виде горячего сгустка сверхплотной материи, после чего она начала расширяться и остывать. На самом первом этапе эволюции Вселенная находилась в сверхплотном состоянии и представляла собой -глюонную плазму. Если протоны и нейтроны сталкивались и образовывали более тяжелые ядра, время их существования было ничтожно мало. При следующем столкновении с какой-либо быстрой частицей они сразу же распадались на элементарные компоненты.
Примерно 1 миллиард лет назад началось формирование галактик, в тот момент Вселенная стала отдаленно напоминать то, что мы можем увидеть сейчас. Через 300 тысяч лет после Большого взрыва она настолько остыла, что электроны стали прочно удерживаться ядрами, вследствие чего появились стабильные атомы, которые не распадались сразу же после соударения с другим ядром.
Образование частиц
Образование частиц началось в результате расширения Вселенной. Ее дальнейшее охлаждение привело к образованию ядер гелия, которое произошло в результате первичного нуклеосинтеза. С момента Большого взрыва должно было пройти около трех минут, прежде чем Вселенная остыла, а энергия соударения уменьшалась настолько, что частицы стали образовывать устойчивые ядра. В первые три минуты Вселенная представляла собой раскаленное море элементарных частиц.
Первичное образование ядер продолжалось очень недолго, после первых трех минут частицы отдались друг от друга так, что столкновения между ними стали крайне редки. В этот короткий период первичного нуклеосинтеза появился дейтерий - тяжелый изотоп водорода, ядро которого содержит один протон и один . Одновременно с дейтерием образовались: гелий-3, гелий-4 и незначительное количество лития-7. Все более тяжелые элементы появились на стадии формирования звезд.
После рождения Вселенной
Примерно через одну стотысячную долю секунды от начала зарождения Вселенной кварки соединились в элементарные частицы. С этого момента Вселенная стала остывающим морем элементарных частиц. Вслед за этим начался процесс, который называют великим объединением фундаментальным сил. Тогда во Вселенной присутствовали энергии, соответствующие максимальным энергиям, которые могут быть получены в современных ускорителях. После началось скачкообразное инфляционное расширение, одновременно с ним исчезли античастицы.
Источники:
- Элементы, Большой взрыв
- Элементы, Ранняя Вселенная
Одним из направлений естественных наук, лежащих на границе физики, математики и отчасти даже богословия, является разработка и исследование теорий возникновения Вселенной. На сегодняшний день ученые предложили несколько космологических моделей, концепция Большого взрыва является общепринятой.
Сущность теории и последствия взрыва
Согласно теории Большого взрыва, Вселенная перешла из так называемого сингулярного состояния в состояние постоянного расширения в результате всеобщего взрыва какого-то вещества небольшого размера и высокой температуры. Взрыв был такого масштаба, что каждая частница материи стремилась удалиться от другой. Расширение Вселенной подразумевает привычные всем категории трехмерного пространства, до взрыва, очевидно, их не существовало.
До самого взрыва выделяют несколько этапов: Планковская эпоха (самая ранняя), эпоха Великого объединения (время электроядерных сил и гравитации) и, наконец, Большой взрыв.
Вначале образовались фотоны (излучение), затем частицы вещества. В течение первой же секунды из этих частиц образовались протоны, антипротоны и нейтроны. После этого стали частыми реакции аннигиляции, так Вселенной было очень плотным, частицы непрерывно между собою сталкивались.
На второй секунде, когда Вселенная остыла до 10 млрд градусов, образовались и некоторые другие элементарные частицы, например, электрон и позитрон. К тому же временному отрезку большая часть частиц аннигилировала. Частиц вещества было минимально больше, чем частиц антивещества. Поэтому наша Вселенная состоит из материи, а не из .
Через три минуты всех протонов и нейтронов превратились в ядра гелия. Через сотни тысяч лет постоянно расширяющаяся Вселенная значительно остыла, ядра гелия и протоны уже могли удерживать в себе электроны. Таким образом образовались атомы гелия и водорода. Вселенная стала менее «тесной». Излучение смогло распространяться на значительные расстояния. До сих пор на Земле можно «услышать» эхо того излучения. Его принято называть реликтовым. Обнаружение и существование реликтового излучения подтверждают концепцию Большого взрыва, это микроволновое излучение.
Постепенно при расширении в тех или иных местах однородной Вселенной образовывались случайные сгущения. Именно они стали предтечами больших уплотнений и точками концентрации вещества. Так во Вселенной образовались области, где вещества почти не было, и области, где его было много. Сгустки вещества увеличивались под действием гравитации. В таких местах постепенно стали образовываться галактики, скопления и сверхскопления галактик.
Критика
В конце двадцатого века концепция Большого Взрыва стала практически общепринятой в космологии. Тем не менее, существует множество критических замечаний и дополнений. Например, самым спорным положением концепции является проблема причин возникновения взрыва. Кроме того, некоторые ученые не соглашаются с идеей расширяющейся Вселенной. Интересно, что разные религии в целом положительно восприняли концепцию, обнаружив даже указания на Большой взрыв в Священных
Астрофизики NASA сделали важное научное открытие – они экспериментально подтвердили инфляционную теорию эволюции Вселенной.
Ученые убеждены, что они "прикоснулись" к событиям примерно 14 000 000 000-летней давности. В продолжении трехлетних непрерывных наблюдений космического фона в микроволновом диапазоне они смогли "поймать" свет, оставшийся(реликтовый) от первых мгновений жизни Вселенной. Данные открытия были совершены при помощи аппарата WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) .
Астрофизики изучают Вселенную в тот момент ее существования, когда ее возраст был около одной триллионной доли секунды, то есть практически сразу же после Большого Взрыва. Именно в этот момент в крошечной Вселенной появились зачатки будущих сотен миллионов галактик, из которых в дальнейшем за сотни миллионов лет сформировались звезды и планеты.
Ведущий постулат инфляционной теории таков: после Большого взрыва (Big Bang), давшего начало нашей Вселенной, она за невероятно короткий отрезок времени - триллионную долю секунды - превратилась из микроскопического объекта в нечто колоссальное, многократно превышающее всю наблюдаемую часть космоса, то есть претерпела инфляцию.
"Полученные результаты свидетельствуют в пользу инфляции", - заявил Чарлз Беннетт (Университет Джонса Гопкинса), сообщивший об открытии. "Поразительно, что мы вообще можем хоть что-то сказать о том, что случилось в первую триллионную долю секунды существования Вселенной", - сказал он.
Судя по всему, в первые триллионные доли секунды после Взрыва скорость расширения Вселенной была выше, чем скорость света и то время, которое прошло с момента расширения Вселенной из размеров нескольких атомов, до устойчивой сферической формы измеряется очень малыми величинами. Впервые данная гипотеза была выдвинута еще в 80-х годах.
"Как нам узнать, что было во Вселенной в моменты ее создания? Космический микроволновой фон - это настоящая сокровищница сведений о прошлом нашей Вселенной. Световое излучение, дошедшее до нас, совершенно точно указывает на факты развития Вселенной", - говорит доктор Гэри Хиншоу, работник космического центра НАСА имени Годдарда.
Сама инфляционная теория существует в нескольких вариантах, рассказывает NewsInfo астроном Николай Николаевич Чугай (Институт Астрономии РАН).
"Полной теории этого не существует, но есть только некие предположения о том, как это происходило. Но есть одно "предсказание", которое следует из того, что квантовые флуктуации (от лат. fluctuatio - колебание; случайные отклонения физических величин от их средних значений на микроскопических масштабах) предсказывают некий спектр возмущений, то есть распределение амплитуды этих возмущений в зависимости от длинны масштаба, на котором это возмущение развивается. Вы можете представить себе на рисунке волнистую линию с разной длинной волнами, и если у вас амплитуда для крупномасштабных одна, а для мелкомасштабных другая - вы говорите, что спектр этих возмущений не плоский", - поясняет Николай Чугай.
Примерно до 1970-х годов 20 века существовала стандартная картина Большого взрыва, в соответствии с которой наша Вселенная возникла из очень плотного горячего состояния. Произошел термоядерный синтез гелия – это одно из подтверждений модели горячей Вселенной. В 1964 году было обнаружено реликтовое (остаточное) излучение, за которое была получена Нобелевская премия. Реликтовое излучение идет к нам от очень далеких областей. В процессе расширения излучение, заполняющее большую Вселенную, остывает.
"Это свойство похоже на то, когда воздушный шарик лопается и становится холодным, - поясняет Николай Чугай. - То же самое происходит, когда спрей из баллона у вас вырывается, и вы можете почувствовать, как баллончик охлаждается".
"Обнаружение этого излучения (оно сейчас холодное – всего 3 градуса) было решающим доказательством горячей фазы Вселенной. Но эта модель не полна, - считает астроном. - Она не объясняет всего. А главное то, что она не объясняет того факта, что Вселенная однородна на всех масштабах. Куда бы мы не посмотрели – мы видим практически одинаковые галактики с одинаковой плотностью этих галактик в единицах объема. Всюду она примерно одинаково устроена. Поскольку эти далекие точки Вселенной не взаимодействуют, то получается странно - с точки зрения физика – как это они не взаимодействуют и друг о друге ничего не знают, условно говоря? И, тем не менее, Вселенная устроена в этих далеких точках одинаково. И это должно означать для физика то, что когда-то эти далекие части Вселенной были в контакте. То есть они были частью целого, в котором распространялись возмущения и эти возмущения сглаживались. То есть когда-то вселенная, которую мы видим сейчас на больших масштабах, была физически единой - сигналы и возмущения из этих далеких точек успевали проходить и размазывать возмущения, которые там возникали".
Сегодня мы как раз и наблюдаем эту однородность в далеких точках Вселенной в противоположных областях неба в качестве совершенно одинаковых по плотности - реликтовое излучение, которое мы наблюдаем абсолютно одинаковой интенсивности и яркости. "Независимо от того, куда вы смотрите", - говорит доктор Чугай.
"А это и обозначает то, что Вселенная была абсолютно однородной – изотропной. Эта начальная инфляционная стадия позволяет "приготовить" такую однородную вселенную. Другое достоинство инфляционной фазы не только, в том, что она приготовила однородную вселенную, но также и в том, что так называемые квантовые флуктуации (возмущение плотности на микроскопических масштабах длины) были связаны с квантовой природой нашего мира (на уровне элементарных частиц)", - заключил Николай Чугай.
Послушайте звуки имитации Большого взрыва.
В статье использованы материалы:
2.Ringside Seat to the Universe"s First Split Second 3.Росиийских сми
Даже современные ученые не могут с точностью сказать, что было во Вселенной до Большого взрыва. Существует несколько гипотез, приоткрывающих завесу тайны над одним из самых сложных вопросов мироздания.
Происхождение материального мира
До XX века существовало только две Сторонники религиозной точки зрения считали, что мир был создан богом. Ученые, наоборот, отказывались признавать рукотворность Вселенной. Физики и астрономы были сторонниками идеи о том, что космос существовал всегда, мир был статичен и все останется таким же, как миллиарды лет назад.
Однако ускорившийся научный прогресс на рубеже веков привел к тому, что у исследователей появились возможности для изучения внеземных просторов. Некоторые из них первыми попытались ответить на вопрос, что было во Вселенной до Большого взрыва.
Исследования Хаббла
XX столетие разрушило многие теории прошлых эпох. На освободившемся месте появились новые гипотезы, объяснившие доселе непонятные тайны. Все началось с того, что ученые установили факт расширения Вселенной. Сделано это было Эдвином Хабблом. Он обнаружил, что далекие галактики отличаются по своему свету от тех космических скоплений, которые находились ближе к Земле. Открытие этой закономерности легло в основу закона расширения Эдвина Хаббла.
Большой взрыв и происхождение Вселенной были изучены, когда стало ясно, что все галактики «убегают» от наблюдателя, в какой бы точке он ни был. Как это можно было объяснить? Раз галактики движутся, значит, их толкает вперед некая энергия. Кроме того, физики вычислили, что все миры когда-то находились в одной точке. Из-за некоего толчка они начали двигаться во все стороны с невообразимой скоростью.
Это явление и получило название «Большой взрыв». И происхождение Вселенной было объяснено именно с помощью теории об этом давнем событии. Когда оно случилось? Физики определили скорость движения галактик и вывели формулу, по которой они вычислили, когда произошел первоначальный «толчок». Точных цифр никто назвать не возьмется, но приблизительно это явление имело место около 15 миллиардов лет назад.
Появление теории Большого взрыва
Тот факт, что все галактики являются источниками света, означает, что при Большом взрыве выделилось огромное количество энергии. Именно она породила ту самую яркость, которую миры теряют по ходу своего отдаления от эпицентра произошедшего. Теория Большого взрыва впервые была доказана американскими астрономами Робертом Вильсоном и Арно Пензиасом. Они обнаружили электромагнитное реликтовое излучение, температура которого равнялась трем градусам по кельвиновской шкале (то есть -270 по Цельсию). Эта находка подтвердила идею о том, что сначала Вселенная была крайне горячей.
Теория Большого взрыва ответила на многие вопросы, сформулированные в XIX веке. Однако теперь появились новые. Например, что было во Вселенной до Большого взрыва? Почему она так однородна, в то время как при таком огромном выбросе энергии вещество должно разлететься во все стороны неравномерно? Открытия Вильсона и Арно поставили под сомнения классическую Евклидову геометрию, так как было доказано, что пространство имеет нулевую кривизну.
Инфляционная теория
Новые поставленные вопросы показывали, что современная теория возникновения мира отрывочна и неполна. Однако долгое время казалось, что продвинуться дальше открытого в 60-е годы будет невозможно. И только совсем недавние исследования ученых позволили сформулировать новый важный принцип для теоретической физики. Это было явление сверхбыстрого инфляционного расширения Вселенной. Оно было изучено и описано с помощью квантовой теории поля и общей теории относительности Эйнштейна.
Так что было во Вселенной до Большого взрыва? Современная наука называет этот период «инфляцией». Вначале было только поле, которое заполняло все воображаемое пространство. Его можно сравнить со снежком, пущенным вниз по склону снежной горы. Ком будет катиться вниз и увеличиваться в размерах. Точно так же поле из-за случайных колебаний на протяжении невообразимого времени меняло свою структуру.
Когда образовалась однородная конфигурация, произошла реакция. В ней и заключаются самые большие загадки Вселенной. Что было до Большого взрыва? Инфляционное поле, которое совсем не походило на нынешнюю материю. После реакции начался рост Вселенной. Если продолжить аналогию со снежным комом, то вслед за первым из них вниз покатились другие снежки, также увеличивавшиеся в размерах. Момент Большого взрыва в этой системе можно сравнить с той секундой, когда огромная глыба рухнула в пропасть и, наконец, столкнулась с землей. В это мгновение выделилось колоссальное количество энергии. Она не может иссякнуть до сих пор. Именно за счет продолжения реакции от взрыва наша Вселенная растет и сегодня.
Материя и поле
Сейчас Вселенная состоит из невообразимого количества звезд и других космических тел. Эта совокупность материи источает огромную энергию, что противоречит физическому закону сохранения энергии. О чем он гласит? Суть этого принципа сводится к тому, что на протяжении бесконечного времени сумма энергии в системе остается неизменной. Но как это может сочетаться с нашей Вселенной, которая продолжает расширяться?
Инфляционная теория смогла ответить на этот вопрос. Крайне редко разгадываются подобные загадки Вселенной. Что было до Большого взрыва? Инфляционное поле. После возникновения мира на его место пришла привычная нам материя. Однако помимо нее во Вселенной также существует которое обладает отрицательной энергией. Свойства этих двух сущностей противоположны. Так компенсируется энергия, исходящая от частиц, звезд, планет и другой материи. Эта взаимосвязь также объясняет, почему Вселенная до сих пор не превратилась в черную дыру.
Когда Большой взрыв только произошел, мир был слишком мал, чтобы в нем что-то могло коллапсировать. Теперь же, когда Вселенная расширилась, на отдельных ее участках появились локальные черные дыры. Их гравитационное поле поглощает все окружающее. Из него не может выбраться даже свет. Собственно из-за этого подобные дыры становятся черными.
Расширение Вселенной
Даже несмотря на теоретическое обоснование инфляционной теории, до сих пор непонятно, как выглядела Вселенная до Большого взрыва. Человеческое воображение не может представить себе этой картины. Дело в том, что инфляционное поле является нематериальным. Оно не поддается объяснению привычными законами физики.
Когда произошел Большой взрыв, инфляционное поле начало расширяться в темпе, который превысил скорость света. Согласно физическим показателям, во Вселенной нет ничего материального, что могло бы двигаться быстрее этого показателя. Свет распространяется по существующему миру с запредельными цифрами. Инфляционное поле же распространилось с еще большей скоростью, как раз в силу своей нематериальной природы.
Современное состояние Вселенной
Текущий период эволюции Вселенной как нельзя лучше подходит для существования жизни. Ученые затрудняются определить, сколько будет продолжаться этот временной отрезок. Но если кто и брался за такие расчеты, то получавшиеся цифры были никак не меньше сотен миллиардов лет. Для одной человеческой жизни подобный отрезок настолько велик, что даже в математическом исчислении его приходится записывать с помощью использования степеней. Настоящее изучено гораздо лучше, чем предыстория Вселенной. Что было до Большого взрыва, в любом случае останется только предметом теоретических изысканий и смелых расчетов.
В материальном мире даже время остается величиной относительной. Например, квазары (вид астрономических объектов), существующие на расстоянии 14 миллиардов световых лет от Земли, отстают от нашего привычного «сейчас» на те самые 14 миллиардов световых лет. Этот временной разрыв колоссален. Его сложно определить даже математически, не говоря уже о том, что отчетливо представить себе подобное с помощью человеческого воображения (даже самого пылкого) просто невозможно.
Современная наука может теоретически объяснить себе всю жизнь нашего материального мира, начиная с первых долей секунд его существования, когда только что произошел Большой взрыв. Полная история Вселенной дополняется до сих пор. Астрономы открывают новые удивительные факты с помощью модернизированного и улучшенного исследовательского оборудования (телескопов, лабораторий и т. д.).
Однако существуют и так и не понятые явления. Таким белым пятном, например, является и ее темная энергия. Сущность этой скрытой массы продолжает будоражить сознание самых образованных и передовых физиков современности. Кроме того, так и не возникло единой точки зрения о причинах того, почему во Вселенной частиц все-таки больше, чем античастиц. По этому поводу было сформулировано несколько фундаментальных теорий. Некоторые из этих моделей пользуются наибольшей популярностью, но ни одна из них пока не принята международным научным сообществом в качестве
В масштабе всеобщего знания и колоссальных открытий XX столетий эти пробелы кажутся совсем незначительными. Но история науки с завидной регулярностью показывает, что объяснение таких «малых» фактов и явлений становится основой для всего представления человечества о дисциплине в целом (в данном случае речь идет об астрономии). Поэтому будущим поколениям ученых, безусловно, будет чем заняться и что открывать в области познания природы Вселенной.
У теории Большого взрыва в нынешнем десятилетии появился сильный конкурент — циклическая теория.
Теория Большого взрыва пользуется доверием абсолютного большинства ученых, изучающих раннюю историю нашей Вселенной. Она и в самом деле объясняет очень многое и ни в чем не противоречит экспериментальным данным. Однако недавно у нее появился конкурент в лице новой, циклической теории, основы которой разработали двое физиков экстра-класса – директор Института теоретической науки Принстонского университета Пол Стейнхардт и лауреат Максвелловской медали и престижной международной премии TED Нил Тьюрок, директор канадского Института перспективных исследований в области теоретической физики (Perimeter Institute for Theoretical Physics). С помощью профессора Стейнхардта «Популярная механика» попыталась рассказать о циклической теории и о причинах ее появления.
Название этой статьи может показаться не слишком умной шуткой. Согласно общепринятой космологической концепции, теории Большого взрыва, наша Вселенная возникла из экстремального состояния физического вакуума, порожденного квантовой флуктуацией. В этом состоянии не существовало ни времени, ни пространства (или они были спутаны в пространственно-временную пену), а все фундаментальные физические взаимодействия были слиты воедино. Позже они разделились и обрели самостоятельное бытие — сначала гравитация, затем сильное взаимодействие, а уже потом — слабое и электромагнитное.
Момент, предшествовавший этим переменам, принято обозначать как нулевое время, t=0, однако это чистая условность, дань математическому формализму. Согласно стандартной теории, непрерывное течение времени началось лишь после того, как сила тяготения обрела независимость. Этому моменту обычно приписывают величину t=10 -43 с (точнее, 5,4х10 -44 с), которую называют планковским временем. Современные физические теории просто не в состоянии осмысленно работать с более короткими промежутками времени (считается, что для этого нужна квантовая теория гравитации, которая пока не создана). В контексте традиционной космологии нет смысла рассуждать о том, что происходило до начального момента времени, поскольку времени в нашем понимании тогда просто не существовало.
Теория Большого взрыва пользуется доверием абсолютного большинства ученых, изучающих раннюю историю нашей Вселенной. Она и в самом деле объясняет очень многое и ни в чем не противоречит экспериментальным данным. Однако недавно у нее появился конкурент в лице новой, циклической теории, основы которой разработали двое физиков экстра-класса — директор Института теоретической науки Принстонского университета Пол Стейнхардт и лауреат Максвелловской медали и престижной международной премии TED Нил Тьюрок, директор канадского Института перспективных исследований в области теоретической физики (Perimeter Institute for Theoretical Physics). С помощью профессора Стейнхардта «Популярная механика» попыталась рассказать о циклической теории и о причинах ее появления.
Инфляционная космология
Непременной частью стандартной космологической теории служит концепция инфляции (см. врезку). После окончания инфляции в свои права вступило тяготение, и Вселенная продолжила расширяться, но уже с уменьшающейся скоростью. Такая эволюция растянулась на 9 млрд лет, после чего в дело вступило еще одно антигравитационное поле еще неизвестной природы, которое именуют темной энергией. Оно опять вывело Вселенную в режим экспоненциального расширения, который вроде бы должен сохраниться и в будущие времена. Следует отметить, что эти выводы базируются на астрофизических открытиях, сделанных в конце прошлого века, почти через 20 лет после появления инфляционной космологии.
Впервые инфляционная интерпретация Большого взрыва была предложена около 30 лет назад и с тех пор многократно шлифовалась. Эта теория позволила разрешить несколько фундаментальных проблем, с которыми не справилась предшествующая космология. Например, она объяснила, почему мы живем во Вселенной с плоской евклидовой геометрией — в соответствии с классическими уравнениями Фридмана, именно такой она и должна сделаться при экспоненциальном расширении. Инфляционная теория объяснила, почему космическая материя обладает зернистостью в масштабах, не превышающих сотен миллионов световых лет, а на больших дистанциях распределена равномерно. Она также дала истолкование неудачи любых попыток обнаружить магнитные монополи, очень массивные частицы с одиночным магнитным полюсом, которые, как считается, в изобилии рождались перед началом инфляции (инфляция так растянула космическое пространство, что первоначально высокая плотность монополей сократилась почти до нуля, и поэтому наши приборы не могут их обнаружить).
Вскоре после появления инфляционной модели несколько теоретиков поняли, что ее внутренняя логика не противоречит идее перманентного множественного рождения все новых и новых вселенных. В самом деле, квантовые флуктуации, подобные тем, которым мы обязаны существованием нашего мира, могут возникать в любом количестве, если для этого имеются подходящие условия. Не исключено, что наше мироздание вышло из флуктуационной зоны, сформировавшейся в мире-предшественнике. Точно так же можно допустить, что когда-нибудь и где-нибудь в нашей собственной Вселенной образуется флуктуация, которая «выдует» юную вселенную совершенно другого рода, также способную к космологическому «деторождению». Существуют модели, в которых такие дочерние вселенные возникают непрерывно, отпочковываются от своих родительниц и находят свое собственное место. При этом вовсе не обязательно, что в таких мирах устанавливаются одни и те же физические законы. Все эти миры «вложены» в единый пространственно-временной континуум, но разнесены в нем настолько, что никак не ощущают присутствия друг друга. В общем, концепция инфляции позволяет- более того, вынуждает!- считать, что в исполинском мегакосмосе существует множество изолированных друг от друга вселенных с различным устройством.
Альтернатива
Физики-теоретики любят придумывать альтернативы даже самым общепринятым теориям. Появились конкуренты и у инфляционной модели Большого взрыва. Они не получили широкой поддержки, но имели и имеют своих последователей. Теория Стейнхардта и Тьюрока среди них не первая и наверняка не последняя. Однако на сегодняшний день она разработана детальней остальных и лучше объясняет наблюдаемые свойства нашего мира. Она имеет несколько версий, из которых одни базируются на теории квантовых струн и многомерных пространств, а другие полагаются на традиционную квантовую теорию поля. Первый подход дает более наглядные картинки космологических процессов, так что на нем и остановимся.
Самый продвинутый вариант теории струн известен как М-теория. Она утверждает, что физический мир имеет 11 измерений — десять пространственных и одно временное. В нем плавают пространства меньших размерностей, так называемые браны. Наша Вселенная — просто одна из таких бран, обладающая тремя пространственными измерениями. Ее заполняют различные квантовые частицы (электроны, кварки, фотоны и т. д.), которые на самом деле явлются разомкнутыми вибрирующими струнами с единственным пространственным измерением — длиной. Концы каждой струны намертво закреплены внутри трехмерной браны, и покинуть брану струна не может. Но есть и замкнутые струны, которые могут мигрировать за пределы бран — это гравитоны, кванты поля тяготения.
Как же циклическая теория объясняет прошлое и будущее мироздания? Начнем с нынешней эпохи. Первое место сейчас принадлежит темной энергии, которая заставляет нашу Вселенную расширяться по экспоненте, периодически удваивая размеры. В результате плотность материи и излучения постоянно падает, гравитационное искривление пространства слабеет, а его геометрия становится все более плоской. В течение следующего триллиона лет размеры Вселенной удвоятся около ста раз и она превратится в практически пустой мир, полностью лишенный материальных структур. Рядом с нами находится еще одна трехмерная брана, отделенная от нас на ничтожное расстояние в четвертом измерении, и она тоже претерпевает аналогичное экспоненциальное растяжение и уплощение. Все это время дистанция между бранами практически не меняется.
А потом эти параллельные браны начинают сближаться. Их толкает друг к другу силовое поле, энергия которого зависит от расстояния между бранами. Сейчас плотность энергии такого поля положительна, поэтому пространство обеих бран расширяется по экспоненте, — следовательно, именно это поле и обеспечивает эффект, который объясняют наличием темной энергии! Однако этот параметр постепенно уменьшается и через триллион лет упадет до нуля. Обе браны все равно продолжат расширяться, но уже не по экспоненте, а в очень медленном темпе. Следовательно, в нашем мире плотность частиц и излучения так и останется почти что нулевой, а геометрия — плоской.
Новый цикл
Но окончание старой истории — лишь прелюдия к очередному циклу. Браны перемещаются навстречу друг другу и в конце концов сталкиваются. На этой стадии плотность энергии межбранового поля опускается ниже нуля, и оно начинает действовать наподобие гравитации (напомню, что у тяготения потенциальная энергия отрицательна!). Когда браны оказываются совсем близко, межбрановое поле начинает усиливать квантовые флуктуации в каждой точке нашего мира и преобразует их в макроскопические деформации пространственной геометрии (например, за миллионную долю секунды до столкновения расчетный размер таких деформаций достигает нескольких метров). После столкновения именно в этих зонах выделяется львиная доля высвобождаемой при ударе кинетической энергии. В итоге именно там возникает больше всего горячей плазмы с температурой порядка 1023 градусов. Именно эти области становятся локальными узлами тяготения и превращаются в зародыши будущих галактик.
Такое столкновение заменяет Большой взрыв инфляционной космологии. Очень важно, что вся возникшая заново материя с положительной энергией появляется за счет накопленной отрицательной энергии межбранового поля, поэтому закон сохранения энергии не нарушается.
Инфляционная теория допускает образование множественных дочерних вселенных, которые непрерывно отпочковываются от существующих.
А как ведет себя такое поле в этот решающий момент? До столкновения плотность его энергии достигает минимума (причем отрицательного), затем начинает возрастать, а при столкновении становится нулевой. Затем браны отталкиваются друг от друга и начинают расходиться. Плотность межбрановой энергии проходит обратную эволюцию — опять делается отрицательной, нулевой, положительной. Обогащенная материей и излучением брана сначала расширяется с падающей скоростью под тормозящим воздействием собственного тяготения, а потом вновь переходит к экспоненциальному расширению. Новый цикл заканчивается подобно прежнему — и так до бесконечности. Циклы, предшествующие нашему, происходили и в прошлом — в этой модели время непрерывно, поэтому прошлое существует и за пределами 13,7 млрд лет, прошедших после последнего обогащения нашей браны материей и излучением! Было ли у них вообще какое-то начало, теория умалчивает.
Циклическая теория по‑новому объясняет свойства нашего мира. Он обладает плоской геометрией, поскольку к концу каждого цикла непомерно растягивается и лишь немного деформируется перед началом нового цикла. Квантовые флуктуации, которые становятся предшественниками галактик, возникают хаотически, но в среднем равномерно — поэтому космическое пространство заполнено сгустками материи, но на очень больших дистанциях вполне однородно. Мы не можем обнаружить магнитные монополи просто потому, что максимальная температура новорожденной плазмы не превышала 10 23 К, а для возникновения таких частиц потребны много большие энергии — порядка 10 27 К.
Момент Большого Взрыва — это столкновение бран. Выделяется огромное количество энергии, браны разлетаются, происходит замедляющееся расширение, вещество и излучение остывают, образуются галактики. Расширение вновь ускоряется за счет положительной плотности межбрановой энергии, а затем замедляется, геометрия становится плоской. Браны притягиваются друг к другу, перед столкновением квантовые флуктуации усиливаются и преобразуются в деформации пространственной геометрии, которые в будущем станут зародышами галактик. Происходит столкновение, и цикл начинается сначала.
Мир без начала и конца
Циклическая теория существует в нескольких версиях, как и теория инфляции. Однако, по словам Пола Стейнхардта, различия между ними чисто технические и интересны лишь специалистам, общая концепция же остается неизменной: «Во-первых, в нашей теории нет никакого момента начала мира, никакой сингулярности. Есть периодические фазы интенсивного рождения вещества и излучения, каждую из которых при желании можно называть Большим взрывом. Но любая из этих фаз знаменует не возникновение новой вселенной, а лишь переход от одного цикла к другому. И пространство, и время существуют и до, и после любого из этих катаклизмов. Поэтому вполне закономерно спросить, каким было положение дел за 10 млрд лет до последнего Большого взрыва, от которого отсчитывают историю мироздания.
Второе ключевое отличие — природа и роль темной энергии. Инфляционная космология не предсказывала перехода замедляющегося расширения Вселенной в ускоренное. А когда астрофизики открыли это явление, наблюдая за вспышками далеких сверхновых звезд, стандартная космология даже не знала, что с этим делать. Гипотезу темной энергии выдвинули просто для того, чтобы как-то привязать к теории парадоксальные результаты этих наблюдений. А наш подход гораздо лучше скреплен внутренней логикой, поскольку темная энергия у нас присутствует изначально и именно она обеспечивает чередование космологических циклов». Впрочем, как отмечает Пол Стейнхардт, есть у циклической теории и слабые места: «Нам пока не удалось убедительно описать процесс столкновения и отскока параллельных бран, имеющий место в начале каждого цикла. Прочие аспекты циклической теории разработаны куда лучше, а здесь предстоит устранить еще немало неясностей».
Проверка практикой
Но даже самые красивые теоретические модели нуждаются в опытной проверке. Можно ли подтвердить или опровергнуть циклическую космологию с помощью наблюдений? «Обе теории, и инфляционная, и циклическая, предсказывают существование реликтовых гравитационных волн, — объясняет Пол Стейнхардт. — В первом случае они возникают из первичных квантовых флуктуаций, которые в ходе инфляции размазываются по пространству и порождают периодические колебания его геометрии, — а это, согласно общей теории относительности, и есть волны тяготения. В нашем сценарии первопричиной таких волн также служат квантовые флуктуации — те самые, что усиливаются при столкновении бран. Вычисления показали, что каждый механизм порождает волны, обладающие специфическим спектром и специфической поляризацией. Эти волны обязаны были оставить отпечатки на космическом микроволновом излучении, которое служит бесценным источником сведений о раннем космосе. Пока такие следы обнаружить не удалось, но, скорее всего, это будет сделано в течение ближайшего десятилетия. Кроме того, физики уже думают о прямой регистрации реликтовых гравитационных волн с помощью космических аппаратов, которые появятся через два-три десятка лет».
Радикальная альтернатива
1980-х годах профессор Стейнхардт внес немалый вклад в разработку стандартной теории Большого Взрыва. Однако это ничуть не помешало ему искать радикальную альтернативу теории, в которую вложено столько труда. Как рассказал «Популярной механике» сам Пол Стейнхардт, гипотеза инфляции действительно раскрывает много космологических загадок, но это не означает, что нет смысла искать и другие объяснения: «Сначала мне было просто интересно попробовать разобраться в основных свойствах нашего мира, не прибегая к инфляции. Позднее, когда я углубился в эту проблематику, я убедился, что инфляционная теория совсем не так совершенна, как утверждают ее сторонники. Когда инфляционная космология только создавалась, мы надеялись, что она объяснит переход от первоначального хаотического состояния материи к нынешней упорядоченной Вселенной. Она это и сделала — но пошла много дальше. Внутренняя логика теории потребовала признать, что инфляция постоянно творит бесконечное число миров. В этом не было бы ничего страшного, если бы их физическое устройство копировало наше собственное, но этого как раз и не получается. Вот, скажем, с помощью инфляционной гипотезы удалось объяснить, почему мы живем в плоском евклидовом мире, но ведь большинство других вселенных заведомо не будет обладать такой же геометрией. Короче говоря, мы строили теорию для объяснения своего собственного мира, а она вышла из-под контроля и породила бесконечное разнообразие экзотических миров. Такое положение дел перестало меня устраивать. К тому же стандартная теория не способна объяснить природу более раннего состояния, предшествовавшего эспоненциальному расширению. В этом смысле она так же неполна, как и доинфляционная космология. Наконец, она не в состоянии ничего сказать о природе темной энергии, которая уже 5 миллиардов лет управляет расширением нашей Вселенной».
Еще одно различие, по словам профессора Стейнхардта, состоит в распределении температур фонового микроволнового излучения: «Это излучение, приходящее из разных участков небосвода, не вполне однородно по температуре, в нем есть более и менее нагретые зоны. На том уровне точности измерений, который обеспечивает современная аппаратура, количество горячих и холодных зон примерно одинаково, что совпадает с выводами обеих теорий — и инфляционной, и циклической. Однако эти теории предсказывают более тонкие различия между зонами. В принципе, их сможет выявить запущенная в прошлом году европейская космическая обсерватория "Планк" и другие новейшие космические аппараты. Я надеюсь, что результаты этих экспериментов помогут сделать выбор между инфляционной и циклической теориями. Но может случиться и так, что ситуация останется неопределенной и ни одна из теорий не получит однозначной экспериментальной поддержки. Ну что ж, тогда придется придумать что-нибудь новое».
Открываем новую рубрику «Интеллектуальный час» - для тех, кто любит науку. Мы будем рассказывать о том, как устроена Вселенная и какие процессы в ней происходят, о секретах физики и астрофизики, математики, статистики, психологии и философии, об искусственном интеллекте. Если ваш ум радуется от слов «знания», «репрезентативность», «черное тело», «уравнение», «нетранзитивный» и «кванты» - эта рубрика для вас.
Сегодня узнаем чуточку больше о Большом взрыве, реликтовом излучении и инфляции, «раздувании», Вселенной: лектором будет Джон Гриббин, астрофизик из Великобритании, автор научно-популярной литературы о квантовой физике, эволюции, происхождении Вселенной, климатических изменениях и других темах, в том числе недавно вышедшей на русском языке книги «13.8. В поисках истинного возраста Вселенной и теории всего» .
Реликтовое излучение. Начало
Первым спутником Земли, запущенным специально для изучения реликтового излучения еще в 1983 году, стал советский «РЕЛИКТ-1». Он доказал осуществимость подобных миссий, но был недостаточно чувствительным, чтобы подтвердить неоднородность излучения в разных точках неба. А сделать это было необходимо, ведь если излучение действительно было отзвуком Большого взрыва, оно должно хранить следы колебаний ранних дней Вселенной, которая развивалась, порождая галактики, которые мы видим сегодня.
К началу 1980-х годов космологов уже тревожила кажущаяся излишняя равномерность реликтового излучения: вытекавшая из нее плоскостность Вселенной - баланс между расширением и сжатием - казалась слишком идеальной моделью.
Критическая плотность, необходимая для плоскостности Вселенной, должна меняться со временем (она неодинакова для разных космических эпох). Уравнения Эйнштейна говорят нам, что если вселенная рождена из Большого взрыва и ее плотность чуть-чуть больше необходимой для плоской модели, то это отклонение со временем будет возрастать, поскольку наличие излишней материи станет замедлять расширение и поддерживать высокую плотность пространства.
И наоборот, если изначально плотность вселенной чуть меньше критической, эта разница начнет увеличиваться в другую сторону, заставляя материю распределяться все менее и менее плотно. Абсолютная плоскостность - наименее вероятная модель из всех возможных.
Проблема №1, или Еще кое-что о Вселенной
Хотя все и раньше знали об этой проблеме, никто не придавал ей большого значения до тех пор, пока Роберт Дикке и Джим Пиблс, два принстонских исследователя, занимавшихся обнаружением реликтового излучения в середине 1960-х годов, в конце 1970-х не привлекли к ней внимание ученых.
В попытках объяснить плоскостность современной Вселенной, ранее исследователи пришли к выводу, что плотность во время Большого взрыва должна была составлять не более одной квадриллионной (1/10 в 15 степени) от критической плотности для того времени. Было очевидно, что этот показатель может сообщить нам нечто важное о рождении Вселенной, но никто не знал, что именно, - вплоть до 6 декабря 1979 года.
Алан Гут, американский физик и космолог, впервые предложивший идею космической инфляции, молодой исследователь из Корнелльского университета, весной того же года присутствовал на лекции Дикке о проблеме плоской Вселенной. Заинтригованный этой загадкой мироздания, он все время держал ее в голове и старался читать о космологии как можно больше.
Знания о физике частиц стали увязываться в его голове с космологическими данными, и 6 декабря после обсуждения любимой темы с приехавшим из Гарварда Сидни Коулманом его осенило.
Он просидел за рабочим столом до утра и в пятницу, 7 декабря 1979 года, внес в записную книжку под громким заголовком «ПОТРЯСАЮЩЕЕ ПРОЗРЕНИЕ» свое действительно важное открытие.
Он понимал, что натолкнулся на нечто очень важное. Гут понял, что при создании Вселенной в первую долю секунды произошел процесс, называемый нарушением симметрии, и в его рамках - фазовый переход, подобный тому, как пар конденсируется в воду и выделяет энергию. Именно мощное выделение энергии запустило процесс стремительного расширения - Гут назвал его инфляцией, буквально «раздуванием», - закончившийся . (Инфляцию часто включают в понятие Большого взрыва, но важно понимать, что она предшествовала ему.)
Инфляция Вселенной
Как это происходило? Давайте рассмотрим подробнее. В процессе раздувания размер Вселенной увеличивался по экспоненте, удваиваясь каждую 10 в минус 38 степени долю секунды, то есть все в наблюдаемой нами Вселенной «надулось» из некоего первичного состояния в миллиард раз меньше протона до размера баскетбольного мяча примерно за 10 в минус 30 степени секунды (при этой скорости за примерно такой же срок теннисный мячик мог бы увеличиться до размеров видимого космоса). И только тогда произошел Большой взрыв. Эту идею дальше развил американец русского происхождения Андрей Линде и другие исследователи.
Видимая нами Вселенная столь однородна потому, что она образовалась из столь крохотного состояния, в котором не было условий для разницы плотностей.
Эта модель также решает и проблему плоскостности: инфляция уплощает Вселенную таким же образом, как становится плоской поверхность надуваемого шарика или любой другой растущей сферы. Поверхность теннисного мячика, представляющая собой двухмерный объект, обернутый вокруг третьего измерения, явно имеет круглую форму, но если мы надуем его до размеров видимой Вселенной и попытаемся исследовать его поверхность, то никакие измерения не смогут заметить ее отклонение от плоскостности.
То же происходит и с реальной Вселенной, только в трех, а не в двух измерениях (Такая модель также предлагает решение проблемы горизонта, поскольку далеко разнесенные части Вселенной оказываются связанными ранее, но разделенными сверхбыстрым растяжением пространства. Это растяжение происходило в определенном смысле быстрее скорости света, но ничто не может двигаться через пространство быстрее света. Это убедительное доказательство существования инфляции обнаружил Сэндидж, а затем оно было подтверждено наблюдениями.)
Само же первичное состояние в рамках этой модели может объясняться так называемой квантовой флуктуацией - небольшим искажением ткани пространственно-временного континуума, которое не успело исчезнуть и подверглось инфляции.
Квантовые флуктуации и Большой взрыв
В довершение всего во время инфляции в зарождающейся Вселенной возникают новые квантовые флуктуации, которые тоже подвергаются инфляции, оставляя рябь на структуре материи, с которой затем происходит Большой взрыв. Эта рябь, часто именуемая анизотропией, становится зачатком таких структур, как галактики (точнее, скопления и сверхскопления галактик), и она должна была оставить свой след в реликтовом излучении.
Если попытаться отследить историю Вселенной, основываясь на флуктуациях наблюдаемого сегодня излучения, надо ориентироваться на разницу в температуре этого излучения в разных частях неба.
Эта температура составляет примерно одну стотысячную часть, то есть для температуры около 2,7 К колебания составят 土0,00003 К. Если же идти от теории инфляции, можно предсказать, где именно на небе будут видны следы этих «раздутых» квантовых флуктуаций. Инфляция должна была оставить на небосклоне явный отпечаток, если только у нас есть достаточно точные датчики, чтобы уловить его. Неудивительно, что «РЕЛИКТ-1» (кстати, «РЕЛИКТ-2» так и не был запущен) не сумел зафиксировать эти тончайшие отклонения. Но уже у следующего спутника, запущенного для изучения реликтового излучения, были более чувствительные датчики.
Еще больше об Вселенной, определении ее возраста и реликтовом излучении Джон Гриббин рассказывает в своей книге: детально и без лишних упрощений.
P.S. Если вы любите науку, присоединяйтесь к сообществам МИФ.Научпоп в
