Большой взрыв. Как родилась вселенная?

Интересные факты

Знакомое всему миру имя теории – «Большой взрыв» – было невольно подарено противником версии о расширении Вселенной Хойлом. Он считал такую идею «совершенно неудовлетворительной». После публикации его тематической лекций занятный термин тут же подхватила общественность.

Причины, вызвавшие Большой взрыв, достоверно неизвестны. По одной из многочисленных версий, принадлежащей А. Ю. Глушко, сжатое в точку исходное вещество было черной гипер-дырой, а причиной взрыва стал контакт двух таких объектов, состоящих из частиц и античастиц. При аннигиляции материя частично уцелела и дала начало нашей Вселенной.

Инженеры Пензиас и Уилсон, открывшие реликтовое излучение Вселенной, получили Нобелевские премии по физике.

Показатели температуры реликтового излучения изначально было очень высоким. Спустя несколько миллионов лет этот параметр оказался в пределах, обеспечивающих зарождение жизни. Но к этому периоду успело сформироваться лишь небольшое количество планет.

Астрономические наблюдения и исследования помогают найти ответы на важнейшие для человечества вопросы: «Как все появилось, и что ждет нас в будущем?». Вопреки тому, что не все проблемы решены, и первопричина появления Вселенной не имеет строгого и стройного разъяснения, теория Большого взрыва обрела достаточное количество подтверждений, делающих ее основной и приемлемой моделью возникновения мироздания.

Основная критика

Сегодня существует множество статей, которые затрагивают теорию большого взрыва. Но в ней еще остается много неясного. Вселенная существует не так давно, поэтому нельзя сказать, что было до нее и что появится после. Сегодня ученые могут прогнозировать будущее, но сказать, как зародилась Вселенная до взрыва они не могут.

Но не все согласны с теорией. Так, часть ученые предполагает, что у мира нет начала и конца, он стационарен. В советской науке идею большого взрыва тоже долго не воспринимали, о ней было запрещено упоминать в словарях и книгах.

Интересно то, что еще в середине XX века Папа Римский Пий XII заявил, что теория о взрыве не противоречит католическим представлениям. Позже с одобрением выступили православные и протестанты, даже некоторые мусульмане согласились с ней.

Любая статья о теории большого взрыва порождает массу обсуждений. Сегодня теорию развивается множество ученых. Пока ничего нельзя сказать точно об эволюции Вселенной, однозначно только одно: мир развивается, и пока неизвестно, к чему именно он придет. Возможно, что процесс расширения остановится, и начнется сжатие.

Критика теории большого взрыва. КРИТИКА СОВРЕМЕННОЙ ТЕОРИИ БВ

По современным представлениям, наблюдаемая нами сейчас Вселенная возникла около
15 миллиардов лет
назад
из некоторого начального «сингулярного» состояния с бесконечно большими температурой
и плотностью и с тех пор непрерывно расширяется и охлаждается.

Интересно было бы понять, а в чём выражалась эта температура? Подобное говорят, когда нечего сказать.

Начнём с самого начала. А от куда и из чего возникло это первичное тело, из которого родилась вселенная.
Единственным источником энергии для такого тела могла быть только предыдущая вселенная. Энергия ведь
не может ни появляться, ни исчезать. А могло ли первичное тело быть маленьким? Конечно же нет.
Сомнительно, что бы такая галактика как наша, могла упасть на тело, размером даже с нашу Солнечную
систему, не говоря уже о более малом теле. Да большая часть вещества предыдущей вселенной просто
вращалась бы вокруг подобного тела. Да и сомнительно, что бы можно было всё вещество вселенной
сжать даже до размеров нашей Солнечной Системы. О более малом теле я и не говорю. В нашей вселенной
больше всего находится гелия и водорода. Предыдущая вселенная, в конце своей жизни, должна была состоять,
по большей части, из тяжёлых элементов. Это доказывает, что большая часть вещества предыдущей вселенной
прошло через горнило БВ. Большая часть вещества, но не всё вещество участвовало в БВ.
Каждая старая вселенная, оставляет часть вещества для новой вселенной.
Поэтому мы вправе предположить, что первичное тело было размером больше любой самой большой
галактики.

Что будет со Вселенной

Будущее знать нельзя, но можно предсказать.

Гипотезы относительно того, что эволюция Вселенной обладает отправной точкой, естественным способом подводят ученых к вопросам о возможной конечной точке этого процесса. Если Вселенная начала свою историю из маленькой точки с бесконечной плотностью, которая вдруг начала расширяться, не означает ли это, что расширяться она тоже будет бесконечно? Или же однажды у нее закончится экспансивная сила и начнется обратный процесс сжатия, конечным итогом которого станет все та же бесконечно плотная точка?

Ответы на эти вопросы были основной целью космологов с самого начала споров о том, какая же космологическая модель Вселенной является верной. С принятием теории Большого взрыва, но по большей части благодаря наблюдению за темной энергией в 1990-х годах, ученые пришли к согласию в отношении двух наиболее вероятных сценариев эволюции Вселенной.

Согласно первому, получившему название «большое сжатие», Вселенная достигнет своего максимального размера и начнет разрушаться. Такой вариант развития событий будет возможен, если только плотность массы Вселенной станет больше, чем сама критическая плотность. Другими словами, если плотность материи достигнет определенного значения или станет выше этого значения (1-3×10-26 кг материи на м³), Вселенная начнет сжиматься.

Итак, вселенная бесконечна, но что такое «Большой Взрыв»?

А 1922 г. советский математик Александр Александрович Фридман уточнил схему мира, нарисованную Эйнштейном. Он доказал, что замкнутая Вселенная Эйнштейна нестабильна. Она неизбежно должна расширяться: радиус конечной Вселенной должен расти, а вместе с ним будут увеличиваться и расстояния между космическими объектами. Расширяющееся пространство замкнутой Вселенной как бы разрежает находящееся внутри нее вещество. Иначе говоря, модель «расширяющейся Вселенной» была создана еще до того, как расширение всей известной системы галактик стало наблюдаемым фактом.

Но именно этот факт и оказался философски неприемлемым. В самом деле, если Вселенная — четырехмерный шар, то этот шар, вероятно, погружен в какое-то четырехмерное пространство. Но «четвертое измерение» долгое время ассоциировалось со всякой мистикой. Оно было излюбленной темой всевозможных спиритов, пытавшихся с помощью «четвертого измерения» объяснить разные «чудеса». Реальная же многовековая практика человечества совершалась и совершается в трехмерном пространстве. Отсюда и сложилось убеждение, что реально лишь пространство трех измерений, а многомерные пространства — не более чем удобная в ряде случаев математическая абстракция.

Психологически очень трудно было отказаться не только от бесконечной в евклидовом пространстве Вселенной, но и от ее вечности. Такую привычную для сознания вечность теория расширяющейся Вселенной явно не гарантировала. Если экстраполировать процесс расширения в прошлое, легко подсчитать, что около 10 млрд. лет назад радиус Вселенной был близок к нулю. Иначе говоря, «всего» 14 млрд. лет назад Вселенная представляла собой очень небольшой по объему, но зато сверхплотный сгусток вещества и энергии.

Надо заметить, что «возраст» Вселенной, т. е. промежуток времени от начала ее расширения до наших дней, по ряду причин определен не вполне точно. Возможно, этот возраст измеряется 18-20 миллиардами лет (оценка американского астронома Сэндиджа) или даже большим сроком

Важно другое: когда-то Вселенная была крошечной и сверхплотной

Внезапный (и по неизвестным причинам) взрыв, а точнее то, что называют «Большой Взрыв» этого сгустка и положил начало расширению Вселенной. Если же расширение Вселенной будет длиться вечно, миру грозит «растворение в ничто».

Все это казалось явно абсурдным, противоречащим материалистическим представлениям о мире. Не случайно буржуазные идеалисты тотчас ухватились за экстравагантную теорию расширяющейся Вселенной и объявили ее «первовзрыв» актом божественного творения мира.

С тех пор на протяжении трех десятилетий предпринимались попытки объяснить «красное смещение» каким-нибудь физическим процессом, не связанным с принципом Доплера, а значит, и с разбеганием галактик. Ныне большинство астрофизиков считают, что «красное смещение» в спектрах галактик — чисто доплеровский эффект, а следовательно, разбегание галактик — твердо установленный факт.

Строго говоря, в переводе с языка философии и науки на обычный, это звучало так – да, вселенная постоянно расширяется. И да, когда-то очень давно, она была значительно меньше, плотнее и (с сохранением всего того же, что и сейчас объема атомов, молекул, материи и энергии) сжата в непостижимо плотный с нашей точки зрения “клубочек”, который однажды был “развязан” неким не поддающимся осмыслению и описанию событием, которое мы называем “большой взрыв”.

Иллюстрация механизма «Большого Взрыва» – рождение «горячей» и «однородной» Вселенной, её постепенное остывание и формирование галактик и звезд

Что было до Большого взрыва.

Сложно представить время за 13,7 миллиардов лет до сегодняшнего дня, когда вся вселенная представляла собой сингулярность. Согласно теории Большого взрыва , одной из главных претендентов на роль объяснения того, откуда появилась Вселенная и вся материя в космосе — и сам космос, — все было сжато в точку, меньшую, чем субатомная частица. Но если это еще можно принять, задумайтесь вот о чем: что же было до того, как случился большой взрыв ?

Этот вопрос современной космологии уходит корнями еще в четвертое столетие нашей эры. 1600 лет назад теолог Августин Блаженный пытался понять природу Бога до сотворения Вселенной. И знаете, к чему он пришел? Время было частью Божьего творения, и просто не было никакого «до».

Один из лучших физиков 20 века Альберт Эйнштейн пришел практически к таким же выводам в разработке своей теории относительности

Достаточно обратить внимание на влияние массы на время. Гигантская масса планеты искажает время, заставляя его течь медленнее для человека на поверхности, нежели для космонавта на орбите

Разница слишком мала, чтобы быть очевидной, но на самом деле человек, стоящий у большого камня, стареет медленнее, чем тот, кто стоит в поле. Но чтобы стать моложе на секунду, понадобится миллиард лет. Сингулярность до большого взрыва обладала всей массой вселенной, что фактически ставило время в тупик.

Исходя из такой логики, заголовок статьи можно назвать ошибочным, ну или, как минимум, безграмотным. По теории относительности Эйнштейна, время появилось на свет ровно в тот момент, когда сингулярность начала расширяться и вышла за пределы сжатой бесконечности.

Всё? Вопрос решен? Как бы не так. Этот вопрос остается одним из самых сложных и волнительных. Спустя десятилетия после смерти Эйнштейна развитие квантовой физики и множество новых теорией воскресили сутолоки о природе вселенной до Большого взрыва. Давайте посмотрим.

Браны, циклы и другие идеи

Вот вам пища для ума: что, если наша Вселенная является потомком другой, старшей Вселенной? Некоторые астрофизики полагают, что пролить свет на эту историю поможет реликтовое излучение, оставшееся от большого взрыва: космический микроволновый фон.

Впервые астрономы зафиксировали реликтовое излучение в 1965 году, и оно породило определенные проблемы в теории большого взрыва — проблемы, которые заставили ученых ненадолго (до 1981 года) заморочиться и вывести инфляционную теорию. Согласно этой теории, в первые мгновения своего существования Вселенная начала чрезвычайно быстро расширяться. Также теория объясняет температуру и плотность флуктуаций реликтового излучения и подсказывает, что эти флуктуации должны быть одинаковыми.

Но как выяснилось, нет. Последние исследования дали понять, что Вселенная на самом деле однобока, и в некоторых областях флуктуаций больше, чем в других. Некоторые космологи считают, что это наблюдение подтверждает, что у нашей Вселенной была «мать».

В теории хаотической инфляции эта идея приобретает размах: бесконечный прогресс инфляционных пузырьков порождает обилие вселенных, и каждая из них порождает еще больше инфляционных пузырьков в огромном количестве мультивселенных.

Тем не менее, существуют модели, которыми пытаются объяснить образование сингулярности до большого взрыва. Если вы думаете о черных дырах   как о гигантских мусоросборниках, они являются главными кандидатами первоначального сжатия, поэтому наша расширяющаяся вселенная вполне может быть белой дырой — выходным отверстием черной дыры, и каждая черная дыра в нашей вселенной может вмещать в себя отдельную вселенную.

Другие ученые считают, что в основе формирования сингулярности лежит цикл под названием «большой скачок», в результате которого расширяющаяся вселенная в итоге коллапсирует сама в себя, порождая другую сингулярность, которая, опять же, порождает другой большой взрыв. Этот процесс будет вечным, и все сингулярности и все схлопывания не будут представлять собой ничего другого, кроме как переход в другую фазу существования вселенной.

Последнее объяснение, которое мы рассмотрим, использует идею циклической Вселенной, любезно порожденной теорией струн. Она предполагает, что новая материя и потоки энергии появляются каждые триллионы лет, когда две мембраны или браны, лежащие за пределами наших измерений, сталкиваются между собой.

Что было до Большого взрыва? Вопрос остается открытым. Может быть, ничего. Может, другая вселенная или другая версия нашей. Может, океан вселенных, в каждой из которых свой набор законов и констант, диктующих природу физической реальности.

Спорная теория

В 1988 году Роджер Пенроуз разделил премию Вольфа по физике с профессором Стивеном Хокингом за совместную работу над черными дырами.

Сэр Роджер разделил Нобелевскую премию по физике с профессорами Рейнхардом Герцелем из Института внеземной физики Макса Планка и Андреа Гез из Калифорнийского университета, которые доказали, что в центре Млечного Пути находится сверхмассивная черная дыра Стрелец А (Sagittarius A*).

Напомним, что черные дыры являются самыми таинственными объектами во Вселенной, не считая, конечно, темной энергии и темной материи. В 2017 году Нобелевскую премию по физике вручили ученым коллабораций LIGO и VIRGO за открытие гравитационных волн – ряби пространства-времени, вызванной столкновением двух сверхмассивных черных дыр. Это открытие положило начало новой эре исследований гравитации.

Основные теории происхождения Вселенной

Большой взрыв не единственное современное представление о происхождении и эволюции Вселенной. Научный мир знает множество теорий возникновения мира, основными из которых являются:

  • Теория струн. Ее основное утверждение заключается в том, что все существующее состоит из мельчающих энергетических нитей. Такие квантовые струны могут растягиваться, искривляться и располагаться в любых направлениях, что делает космическое пространство многомерным. И каждое
    из этих измерений имеет свою эволюционную стадийность.
  • Теория стационарной Вселенной. По этой версии, в расширяющемся пространстве космоса постоянно возникает новая материя, что делают всю систему стабильной. Идея была популярна в середине 20-го века, но после открытия и изучения реликтового излучения у нее практически не
    осталось сторонников.

Не исключено, что все предположения о возникновении мироздания, признанные сейчас в научном мире, не будут опровергнуты в будущем. И чем дальше и дольше человечество исследует космические просторы, тем больше новых ответов и вопросов оно находит.

Что это значит

Зарождение нашей Вселенной — тайна, над разгадкой которой астрофизики бьются уже долгие годы. Несмотря на разнообразие различных теорий, наиболее популярными на данный момент считаются теория Большого взрыва и горячей Вселенной, согласно которым Вселенная возникла из сингулярного состояния и с тех пор непрерывно расширяется и охлаждается. Благодаря открытиям, сделанным космическим телескопом «Спектр-РГ», ученым удалось в очередной раз это подтвердить.

Истоки теории Большого взрыва кроются в работах Альберта Эйнштейна, в которых он обозначил основы общей теории относительности. Практически сто лет спустя, — в 2014 году, — с помощью телескопа, установленного на Южном полюсе, американским астрофизикам удалось зафиксировать гравитационные волны, являющиеся своеобразным «эхом» Большого взрыва, что стало первым подтверждением данной теории.

Развитие астрофизики и современных технологий позволяет углублять знания о Вселенной и процессах, происходящих в ней, — в настоящее время в космос запущено большое количество обсерваторий, которые запечатлевают космические объекты и явления.

Например, в апреле 2021 года орбитальный телескоп NASA «Хаббл» обнаружил такое редкое явление как двойной квазар. Предполагается, что это два квазара, которые находятся в ядрах двух сходящихся галактик, которые впоследствии могут объединиться в сверхмассивные черные дыры.

Мерцающий свет двойных квазаров

(Видео: Hubble Space Telescope)

Этапы развития Вселенной после большого взрыва. Развитие Вселенной после Большого Взрыва

В одном мгновении видеть вечность…

(Уильям Блейк)

Согласно теории Большого взрыва, Вселенная в момент образования была в чрезвычайно плотном и горячем состоянии, называемом космологической сингулярностью.

Сразу после взрыва вещество стало разлетаться во всех направлениях. С тех самых времен плотность вещества и температура уменьшались. Через 400 000 лет после большого взрыва образовались атомы, вселенная стала прозрачна и внешне было похожа на ту, что мы видим сегодня. На самом деле внешний вид той молодей вселенной еще довольно сильно отличался от теперешнего. Вселенная было совершенно темной. Не было ни звезд, ни галактик, ни планет. Только отдельно летающие атомы и реликтовое излучение. Такое существование вселенной продолжалось несколько сотен миллионов лет .

Описанная картина горячей Вселенной на ранней стадии развития была предложена ученым Джорджем (Г. А.) Гамовым в знаменитой работе, которую Гамов написал в 1948 г. вместе со своим аспирантом Ральфом Альфером. вселенная большой взрыв космологический

Вся Вселенная как целое могла продолжать расширяться и охлаждаться, но в тех областях, плотность которых была немного выше средней, расширение замедлялось из-за дополнительного гравитационного притяжения. В результате некоторые области перестали расширяться и начали сжиматься. В процессе сжатия под действием гравитационного притяжения материи, находящейся снаружи этих областей, могло начаться их медленное вращение. С уменьшением размеров коллапсирующей области ее вращение ускорялось, подобно тому, как ускоряется вращение фигуриста на льду, когда он прижимает руки к телу. Когда наконец коллапсирующая область стала достаточно малой, скорости ее вращения должно было хватить для уравновешивания гравитационного притяжения — так образовались вращающиеся дискообразные галактики. Те области, которые не начали вращаться, превратились в овальные объекты, называемые эллиптическими галактиками. Коллапс этих областей тоже прекратился, потому что, хотя отдельные части галактики стабильно вращались вокруг ее центра, галактика в целом не вращалась.

Откуда появились водород и гелий

Наличие легких элементов поставило физиков в тупик, и многие приверженцы Теории Большого Взрыва задались целью найти их источник. На протяжении многих лет им не удавалось добиться особых успехов, пока в 1948 году гениальный ученый Георгий Гамов из Ленинграда наконец не смог установить этот источник. Гамов был одним из учеников Фридмана, поэтому с удовольствием взялся за разработку теории своего преподавателя.

Гамов постарался представить жизнь Вселенной в обратном направлении, и отмотал время до того момента, когда она только начала расширяться. К тому времени, как известно, человечество уже открыло принципы термоядерного синтеза, поэтому теория Фридмана-Леметра получила право на жизнь. Когда Вселенная была совсем маленькой, она была очень горячей, согласно законам физики.

По мнению Гамова, спустя всего секунду после Большого взрыва, пространство новой Вселенной заполнили элементарные частицы, которые начали взаимодействовать друг с другом. В результате этого начался термоядерный синтез гелия, который смог рассчитать для Гамова математик из Одессы Ральф Ашер Альфер. Согласно подсчетам Альфера, уже спустя пять минут после Большого взрыва Вселенная была заполнена гелием на столько, что даже убежденным противникам Теории Большого Взрыва придется смириться и принять эту модель, как основную в космологии. Своими исследованиями Гамов не только открыл новые пути изучения Вселенной, но также воскресил теорию Леметра.

• Несмотря на стереотипы об ученых, им нельзя отказать в романтизме. Свои исследования относительно теории Супергорячей Вселенной в момент Большого взрыва Гамов опубликовал в 1948 году в работе «Происхождение химических элементов». В качестве коллег-помощников он указал не только Ральфа Ашера Альфера, но и Ханса Бете – американского астрофизика и будущего лауреата Нобелевской премии. На обложке книги получилось: Альфер, Бете, Гамов. Ничего не напоминает?

Впрочем, несмотря на то, что труды Леметра получили вторую жизнь, физики до сих пор не могли ответить на самый волнующий вопрос: а что было до Большого Взрыва?

Суть теории

Если рассматривать кратко гипотезу о большом взрыве, то она отражает идею о том, что Вселенная зародилась примерно 14 миллиардов лет назад. В тот момент она представляла собой небольшой сгусток энергии и веществ. Он был очень плотным, но что-то случилось и произошел взрыв. В итоге сгусток разлетелся на миллиарды осколков.

Если расширение будет продолжаться, то миру грозит полное растворение. Теория полностью противопоставлялась идеям о материальном мире. Понятие большого взрыва изменило представление об устройстве космоса.

Для того чтобы проще разобраться в особенностях теории нужно представить Вселенную в виде точки. Объяснить ее особенности с точки зрения физики не представляется возможным. После взрыва это точка, по сути, масштабно развернулся.

В качестве примера можно плотно скатать лист бумаги в шарик, а потом разгладить его. Примерно так появилась Вселенная. Еще одна теория объясняет, что до взрыва точка была очень горячей и поэтому после него объекты стали остывать.

Доктор Парам Сингх, большой прыжок

Доктор Сингх, известный исследователь из института Теоретической физики, Канада, говорит в программе: «Математическое противоречие состоит в том, что по мере движения назад и приближения нулевого часа Хаббла, все вещество вселенной заключено в меньшем и меньшем пространстве. Со временем это пространство станет бесконечно малым. А в математике приход к бесконечности равен нерешенной задаче или обману». (Выделенный шрифт добавлен.)

Его решение: «Наша вселенная не появилась из ничего, а возникла из существующей ранее вселенной, которая просто разрушилась. Затем, спасибо умным математикам, она развернулась до того, что мы видим сегодня. То есть, Большой взрыв — это вовсе не взрыв. Это, скорее, Большой прыжок. … Все это, конечно же, может быть не более чем фантазией математиков, но остается вопрос, что же было изначально причиной огромного прыжка. Это точно не Большой взрыв, это просто невозможно!» (Выделенный шрифт добавлен.)

Хронология событий в теории Большого Взрыва

Основываясь на знаниях о нынешнем состоянии Вселенной, ученые предполагают, что все должно было начаться с единственной точки с бесконечной плотностью и конечным временем, которые начали расширяться. После первоначального расширения, как гласит теория, Вселенная прошла фазу охлаждения, которая позволила появиться субатомным частицам и позже простым атомам. Гигантские облака этих древних элементов позже, благодаря гравитации, начали образовывать звезды и галактики.

Все это, по догадкам ученых, началось около 13,8 миллиарда лет назад, и поэтому эта отправная точка считается возрастом Вселенной. Путем исследования различных теоретических принципов, проведения экспериментов с привлечением ускорителей частиц и высокоэнергетических состояний, а также путем проведения астрономических исследований дальних уголков Вселенной ученые вывели и предложили хронологию событий, которые начались с Большого взрыва и привели Вселенную в конечном итоге к тому состоянию космической эволюции, которое имеет место быть сейчас.

Ученые считают, что самые ранние периоды зарождения Вселенной — продлившиеся от 10-43 до 10-11 секунды после Большого взрыва, — по прежнему являются предметом споров и обсуждений. Если учесть, что те законы физики, которые нам сейчас известны, не могли существовать в это время, то очень сложно понять, каким же образом регулировались процессы в этой ранней Вселенной. Кроме того, экспериментов с использованием тех возможных видов энергий, которые могли присутствовать в то время, до сих пор не проводилось. Как бы там ни было, многие теории о возникновении Вселенной в конечном итоге согласны с тем, что в какой-то период времени имелась отправная точка, с которой все началось.

«Биг бэнг»

Так звучит по-английски словосочетание «Большой Взрыв». Впервые этот термин использовал в одной из своих лекций выдающийся астроном и писатель Фред Хойл, обозначив им момент начала расширения Вселенной.

Зная скорости «разбегания» галактик, не так уж сложно определить момент, когда оно началось. По самым точным оценкам, это случилось примерно 13,73 млрд лет назад.

Именно тогда материя, из которой впоследствии возникли все объекты Вселенной, получила ту скорость, с которой она и сегодня продолжает разлетаться.

А до того вся материя находилась в чрезвычайно малом объеме и в таком состоянии, о котором современные физики могут только строить догадки. Ученые называют его сингулярностью — особым состоянием, для которого характерны бесконечно большая плотность и температура вещества.

Существование сингулярности было математически строго доказано еще в 1967 г. Стивеном Хокингом. Однако главная проблема в другом — никакие данные о том, что произошло после Большого Взрыва, не могут нам дать никакой информации о том, что происходило до этого.