Теория Большого взрыва: история эволюции нашей Вселенной. Как появилась вселенная.

Исследование, проведенное группой ученых в 2013 году, предполагает, что наша Вселенная могла образоваться из обломков, выброшенных коллапсировавшей четырехмерной звездой или черной дырой.

Как образовалась Вселенная

Так что же такое Вселенная? Короче говоря, это сумма всего, что существует. Она состоит из времени, пространства, материи и энергии, которые формировались и расширялись на протяжении 13,8 миллиардов лет. Никто не может точно сказать, насколько велика Вселенная, и до сих пор не существует точных предсказаний относительно результата.

Определение Вселенной

Само слово «Вселенная» происходит от латинского слова «universum». Впервые его использовал Цицерон, а затем его переняли римские писатели. Этот термин обозначал мир и вселенную. В то время люди видели землю, все известные живые существа, луну, солнце, планеты (Меркурий, Венеру, Марс, Юпитер, Венеру, Юпитер и Сатурн) и звезды с помощью этих слов.

Иногда вместо слова «вселенная» используется слово «космос», которое переводится с греческого как «мир». Термины также включали «природа» и «все».

Современное значение включает в себя все во Вселенной — нашу систему, Млечный Путь и другие структуры. Она также включает в себя все виды энергии, пространство-время и естественные законы.

Один из основных вопросов, который всегда задавали люди, — «Как была создана Вселенная?». «. Конечно, однозначного ответа на этот вопрос нет и вряд ли он будет получен в обозримом будущем, но наука работает в этом направлении и формулирует теоретическую модель происхождения нашей Вселенной.

Теории происхождения Вселенной

Креационизм: все создал Господь Бог

Из всех теорий о происхождении Вселенной эта заняла первое место. Очень хорошая и удобная версия, которая, вероятно, всегда будет актуальна. Кстати, многие ученые-физики верили в Бога, хотя наука и религия часто представляются как противоположные понятия.

Альберт Эйнштейн, например, сказал:

«Каждый серьезный ученый-естествоиспытатель должен быть в какой-то мере человеком религиозным. Иначе он не сможет представить, что невероятно тонкие взаимозависимости, которые он наблюдает, не являются его изобретением».

Теория Большого Взрыва (модель горячей Вселенной)

Возможно, наиболее широко принятая модель происхождения нашей Вселенной. Она отвечает на вопрос, как образовались химические элементы и почему они преобладают в том виде, в котором мы видим их сегодня.

Согласно этой теории, около 14 миллиардов лет назад не существовало ни пространства, ни времени, а вся масса Вселенной была сосредоточена в крошечной точке невероятной плотности — сингулярности. Из-за того, что там была неоднородность, однажды произошел так называемый большой взрыв. И с тех пор Вселенная расширяется и охлаждается.

Теория большого взрыва

Первые 10-43 секунды после Большого взрыва называются фазой квантового хаоса. На этом этапе существования природа Вселенной не может быть описана в рамках известной физики. Непрерывное, однородное пространственное время распадается на кванты.

Через 10 000 лет энергия материи постепенно превышает энергию излучения, и они разделяются. Материя начинает преобладать над излучением, и возникает остаточный фон.

Теория большого взрыва твердо стоит на ногах после открытия космологического красного смещения и реликтового излучения. Эти два явления являются самыми сильными аргументами в пользу истинности теории.

Кроме того, разделение материи излучением значительно увеличило начальные неоднородности в распределении материи, что привело к образованию галактик и субгалактик. Законы Вселенной возникли в том виде, в котором мы наблюдаем их сегодня.

Модель расширяющейся Вселенной

В настоящее время доказано, что галактики и другие космические объекты удаляются друг от друга, что означает, что Вселенная расширяется.

Модель Расширенной Вселенной описывает само расширение. Как правило, она не учитывает, когда и почему Вселенная начала расширяться. Большинство моделей основано на общей теории относительности и геометрическом представлении гравитации.

Красное смещение — это наблюдаемое снижение частоты излучения у удаленных источников, объясняемое расстоянием между источниками (галактиками, квазарами). Этот факт указывает на то, что Вселенная расширяется.

Связанное с этим излучение подобно эху Большого взрыва. В прошлом Вселенная представляла собой горячую плазму, которая постепенно остывала. Даже с тех далеких времен во Вселенной остались так называемые блуждающие фотоны, космические фоновые лучи. В прежние времена, при более высоких температурах Вселенной, это излучение было гораздо сильнее. Его спектр теперь соответствует спектру излучения идеально твердого тела с температурой всего 2,7 Кельвина.

Эволюция Вселенной

Как эволюционировала и развивалась Вселенная? В течение следующих миллиардов лет гравитация притягивала все более плотные области. В этом процессе формировались газовые облака, звезды, галактические структуры и другие небесные объекты.

Этот период называют структурной эпохой, потому что именно в это время возникла современная Вселенная. Видимая материя была распределена в различных образованиях (звезды в галактиках, а те в скоплениях и суперкластерах).

Первая выдающаяся теория плазменной Вселенной была предложена в конце 1960-х годов лауреатом Нобелевской премии Ханнесом Альвеном. Позже он работал со шведским физиком-теоретиком Оскаром Клейном над созданием модели Альфвена-Клейна.

Хронология событий в теории Большого Взрыва

Вот как это выглядело в свое время.

Основываясь на своих знаниях о текущем состоянии Вселенной, ученые предположили, что все должно было начаться из одной точки с бесконечной плотностью и конечным временем, которая начала расширяться. После первоначального расширения, согласно теории, Вселенная прошла через фазу охлаждения, которая позволила возникнуть субатомным частицам, а затем и простым атомам. Позже, благодаря гравитации, из этих древних элементов образовались огромные облака, из которых сформировались звезды и галактики.

Все это, как предполагают ученые, началось около 13,8 миллиарда лет назад, поэтому эта точка отсчета считается возрастом Вселенной. Изучая различные теоретические принципы, проводя эксперименты с ускорителями частиц и высокоэнергетическими состояниями, а также астрономические исследования в дальних уголках Вселенной, ученые вывели и предложили хронологию событий, которые начались с Большого взрыва и в конечном итоге привели Вселенную к тому состоянию космической эволюции, в котором она находится сегодня.

Ученые считают, что ранние периоды формирования Вселенной — которые длились от 10-43 до 10-11 секунд после Большого взрыва — до сих пор являются предметом споров и разногласий. Поскольку законов физики, которые мы знаем сегодня, в то время не существовало, очень трудно понять, как регулировались процессы в ранней Вселенной. Более того, до сих пор не было проведено никаких экспериментов с энергиями, которые могли существовать в то время. В любом случае, многие теории о происхождении Вселенной в конечном итоге сходятся на том, что в определенное время существовала отправная точка, с которой все началось.

Тайны сингулярности

Существует мало доказательств для объяснения сингулярности в человеческих терминах.

Он также называется планковским возрастом (или возрастом Планка) и считается самым древним из известных периодов в эволюции Вселенной. В это время вся материя находилась в одной точке с бесконечной плотностью и температурой. В течение этого времени ученые считали, что квантовые эффекты гравитационного взаимодействия доминируют над физическим взаимодействием и что ни одна физическая сила не равна гравитации.

Считается, что эпоха Планка длилась от 0 до 1 0-43 секунд и была названа так потому, что ее продолжительность может быть измерена только в планковском времени. Из-за экстремальных температур и бесконечной плотности материи состояние Вселенной в этот период было крайне нестабильным. Затем последовали периоды расширения и охлаждения, которые привели к появлению фундаментальных сил физики.

Примерно с 1 0-43 до 1 0-36 секунд во Вселенной происходил процесс столкновения состояний температурного перехода. Считается, что в этот момент фундаментальные силы, управляющие сегодняшней Вселенной, начали отделяться друг от друга. Первым шагом в этом разделении стало появление гравитационных сил, сильного и слабого ядерных взаимодействий и электромагнетизма.

В период примерно от 10-36 до 10-32 секунд после Большого взрыва температура Вселенной стала достаточно низкой (1028 К), чтобы разделить электромагнитные силы (сильное взаимодействие) и слабое ядерное взаимодействие (слабое взаимодействие).

Эпоха инфляции

Мы можем попытаться представить себе Вселенную следующим образом.

С появлением первых фундаментальных сил во Вселенной началась инфляционная эпоха, которая длилась от 10-32 секунд по времени Планка до неизвестного момента времени. Большинство космологических моделей предполагают, что в этот период Вселенная была равномерно заполнена энергией высокой плотности и что невероятно высокие температуры и давления привели к быстрому расширению и охлаждению Вселенной.

Чтобы не пропустить ничего интересного из мира высоких технологий, подписывайтесь на наш новостной канал в Telegram. Там вы узнаете гораздо больше.

Она началась в 10-37 секунд, когда за переходной фазой, вызвавшей разделение сил, последовало экспоненциальное расширение Вселенной. В этот же период Вселенная находилась в состоянии бариогенеза, когда температура была настолько высокой, что случайное движение частиц в пространстве происходило почти со скоростью света.

В этот момент образовались пары частица-античастица, которые немедленно столкнулись, что, как говорят, привело к доминированию материи над антиматерией в современной Вселенной. После окончания инфляции Вселенная состояла из кварк-глюонной плазмы и других элементарных частиц. С тех пор Вселенная остывала, материя начала формироваться и сливаться.

Первая выдающаяся теория плазменной Вселенной была предложена в конце 1960-х годов лауреатом Нобелевской премии Ханнесом Альвеном. Позже он работал со шведским физиком-теоретиком Оскаром Клейном над созданием модели Альфвена-Клейна.

Эпоха Великого Объединения

Называть такие периоды «эпохами» несколько некорректно. Ведь этот, например, длился всего одну шестую секунды. Но в течение этого крошечного промежутка времени во все еще крошечной Вселенной произошло очень важное событие. Гравитация отделена от трех других фундаментальных сил.

Вселенная, которая изначально имела невероятную температуру, начала остывать. И это способствовало созданию элементарных частиц и античастиц.

Более того, в конце этой короткой эпохи мощная ядерная сила также отделилась от остальных. Это было начало новой эры.

Инфляционная эпоха

Продолжительность этой эпохи окончательно не известна. Однако многие считают, что она длилась всего тринадцатую долю секунды. Разделение силы сильного взаимодействия привело к тому, что крошечная Вселенная расширилась в 100 миллионов миллионов миллионов миллионов миллионов миллионов миллионов миллионов миллионов миллионов миллионов миллионов раз! Хотите верьте, хотите нет, но после этого она была уже около 10 сантиметров в ширину! После этого она начала расширяться со скоростью, превышающей скорость света. Этот факт никоим образом не нарушает правил, установленных Эйнштейном. Потому что в этом случае расширяется само пространство.

Этот период начался одновременно с инфляционным периодом. Но это длилось почти полсекунды. К этому моменту Вселенная остыла до 10 000 миллионов миллионов миллионов миллионов миллионов градусов Кельвина, что позволило появиться так называемым «экзотическим» частицам. Появляются гипотетические W- и Z-бозоны, которые, как считается, управляют слабыми ядерными силами. В этот момент в игру вступает также поле Хиггса. Это теоретическая энергетическая сила, которая придает этим бозонам массу. Это событие превратило Вселенную, состоявшую исключительно из излучения, в ту, в которой могла быть создана материя — звезды и галактики будущего.

Кварковая эпоха

Эта эпоха длилась около одной седьмой секунды. А к тому времени Вселенная остыла до 10 миллионов миллионов миллионов миллионов миллионов миллионов миллионов миллионов миллионов градусов. Было создано большое количество кварков, электронов и нейтрино. Каждая из этих частиц имеет соответствующую античастицу. Несмотря на эффект поля Хиггса, которое придает определенным частицам массу, созданию материи препятствует тот факт, что частицы и античастицы уничтожают друг друга при контакте. И все же ясно, что материя была создана. В конце концов, мы наблюдаем за этим. Считается, что по какой-то таинственной и неизвестной причине в то время было создано несколько больше барионов, чем антибарионов. Избыток был небольшой. Не более трех частиц на миллион. Но этого оказалось достаточно.

Удивительно, что мы появились менее чем через секунду после Большого взрыва! Эта веха была достигнута в эту эпоху. Его продолжительность была такой же, как и у предыдущего. К этому моменту температура Вселенной уже упала примерно до одного триллиона градусов. Это позволило кваркам объединиться и образовать адроны. Это собирательное название таких частиц, как протоны. Свободные электроны сталкиваются с ними, образуя нейтроны. К этому моменту Вселенная расширилась до миллиарда километров в диаметре.

Хотя идея Гута об инфляции объясняет плоскую Вселенную, он создал сценарий, который не позволяет Вселенной избежать этой инфляции. Если бы это было так, то не было бы ни повторного нагрева Вселенной, ни образования звезд и галактик.

Откуда появилась Вселенная?

Если Вселенная возникла из космологической сингулярности, то откуда взялась сама сингулярность? Точный ответ на этот вопрос пока невозможен. Рассмотрим некоторые космологические модели «рождения Вселенной».

Циклические модели

Эти модели основаны на утверждении, что Вселенная существовала всегда и что ее состояние меняется только со временем, расширяясь или сжимаясь — и обратно.

• Модель Штайнхардта-Турока. Эта модель основана на теории струн (М-теории), поскольку в ней используется такой объект, как «мембрана». Согласно этой модели, видимая Вселенная находится в 3-полосе, которая периодически сталкивается с другой 3-полосой каждые несколько триллионов лет, что приводит к событию, похожему на Большой взрыв. Затем наши 3-полосы начинают удаляться друг от друга и расширяться. В какой-то момент компонент темной энергии берет верх, и скорость расширения 3-браны увеличивается. Колоссальное расширение рассеивает материю и излучение настолько, что мир становится почти однородным и пустым. В конце концов, три мембраны снова сталкиваются, возвращая нашу мембрану в исходную фазу своего цикла, и наша «вселенная» создается снова.

• Теория Лориса Баума и Пола Фрэмптона также утверждает, что Вселенная круглая. Согласно их теории, последняя будет расширяться после Большого взрыва за счет темной энергии, пока не приблизится к моменту «распада» самого пространства-времени — Большого взрыва. Как мы знаем, энтропия не уменьшается в закрытой системе» (второй закон термодинамики). Из этого следует, что Вселенная не может вернуться в свое первоначальное состояние, поскольку энтропия должна уменьшаться во время такого процесса. Однако эта проблема может быть решена в рамках настоящей теории. Согласно теории Баума и Фрэмптона, в момент, предшествующий Большому взрыву, Вселенная распадается на множество «ребер», каждое из которых имеет относительно низкое значение энтропии. Используя серию фазовых переходов, эти «крылья» более ранней вселенной генерируют материю и развиваются подобно первоначальной вселенной. Эти новые миры не взаимодействуют друг с другом, поскольку распространяются быстрее скорости света. Таким образом, ученые также избежали космологической сингулярности, с которой, согласно большинству космологических теорий, начинается формирование Вселенной. То есть, в конце своего цикла вселенная распадается на множество других миров, которые не взаимодействуют друг с другом и становятся новыми вселенными.
• Модулированная круговая космология — это круговая модель Роджера Пенроуза и Ваагна Гурзадяна. Согласно этой модели, Вселенная способна вступить в новый цикл, не нарушая второго закона термодинамики. Эта теория основана на предположении, что черные дыры уничтожают поглощенную информацию, тем самым уменьшая энтропию Вселенной «законным» способом. Каждый из этих циклов существования Вселенной начинается с аналогичного большого взрыва и заканчивается сингулярностью.

Инфографика о конформной циклической космологии

Другие модели возникновения Вселенной

Среди других гипотез, объясняющих образование видимой Вселенной, наиболее популярны следующие две:

Итоги

Циклическая и другие модели действительно отвечают на ряд вопросов, на которые теория Большого взрыва ответить не может, включая проблему космологической сингулярности. Однако в сочетании с теорией инфляции Большой взрыв объясняет образование Вселенной более связно и согласуется со многими наблюдениями.

Сегодня исследователи продолжают интенсивно изучать возможные сценарии происхождения Вселенной, но окончательный ответ на вопрос «Как возникла Вселенная?» вряд ли будет найден — и вряд ли он будет получен в ближайшем будущем. На это есть две причины: Прямые доказательства космологических теорий практически невозможны, есть только косвенные; даже теоретически нет способа получить точную информацию о мире до Большого взрыва. По этим двум причинам у ученых нет иного выбора, кроме как делать предположения и разрабатывать космологические модели, которые более точно описывают природу наблюдаемой нами Вселенной.

Само слово «Вселенная» происходит от латинского слова «universum». Впервые его использовал Цицерон, а затем его переняли римские писатели. Этот термин обозначал мир и вселенную. В то время люди видели землю, все известные живые существа, луну, солнце, планеты (Меркурий, Венеру, Марс, Юпитер, Венеру, Юпитер и Сатурн) и звезды с помощью этих слов.

Взрыв представляет собой ударную волну, вызванную резким разделением газа с высоким давлением и газа с низким давлением, в то время как Вселенная со всей своей массой и энергией была сжата в одной крошечной точке, то есть Вселенной некуда было распространяться. Расширяясь, Вселенная несет с собой границу нашего мира, за пределами которого нет ни света, ни энергии, ни пространства, ни времени.

Это довольно трудно представить, не так ли?

Наконец, в 1960-х годах американцы Арно Пензиас и Роберт Уилсон обнаружили космическое микроволновое фоновое излучение или остаточное излучение — шум излучения, равномерно заполняющий Вселенную. Это показало, что космическое пространство не является абсолютно мертвым и холодным, с нулевой температурой и энергией, а наполнено остаточным излучением, которое «подогревает» температуру Вселенной д о-270°C. Это остаточное тепло свидетельствует о самом горячем состоянии Вселенной с момента Большого взрыва.

Теория Большого взрыва, наряду с более поздними наблюдениями расширяющейся Вселенной, позволяет нам рассчитать возраст Вселенной. Если рассчитать время, которое потребовалось Вселенной, чтобы вырасти из точки до нынешних размеров при определенной скорости расширения (так называемая постоянная Хаббла), а также учесть ее температуру, то можно предположить, что возраст Вселенной составляет около 14 миллиардов лет (плюс-минус 1 миллиард). Этот вывод подтверждается астрономическими наблюдениями за самыми старыми объектами во Вселенной: в основном это небольшие, слабо горящие звезды. Однако они не могли образоваться через 500 миллионов лет после Большого взрыва, поэтому их нельзя использовать для определения точного возраста Вселенной. Его возраст в настоящее время оценивается примерно в 13,8 миллиарда лет.

Теория Большого взрыва — нечто большее, чем просто описание разрастания Вселенной из крохотной точки до сегодняшнего громадного размера. Череда событий, изменивших ее начальное состояние, определила строение материи и структуру Вселенной.

И все это произошло за время между первой крошечной долей миллисекунды и минутой после Большого взрыва. Не вдаваясь в подробности, мы можем предположить, что на ранних стадиях Вселенная была невероятно плотной и горячей и представляла собой крошечный шар чистой, колоссальной энергии. По мере его расширения и охлаждения возникали различные состояния материи, энергии и даже природных сил. Этот процесс отдаленно напоминает охлаждение пара, который превращается в воду, а затем в лед. Каждая стадия приводит к изменению состояния вещества (газообразного, жидкого или твердого) — это называется фазовым переходом. Но в ранние моменты существования Вселенной переходы были гораздо более странными, и мы до сих пор ничего не знаем о начальной фазе, из которой они возникли.

Например, ученые считают, что энергия частиц значительно уменьшилась в течение 10-11 секунд после Большого взрыва. Примерно через 10-6 секунд кварки и глюоны начали формировать барионы — протоны и нейтроны. Кварки стали преобладать над антикварками, что в свою очередь привело к преобладанию барионов над антибарионами.

Теория плазменной Вселенной

Наше нынешнее понимание Вселенной в основном зависит от гравитации, в частности от общей теории относительности Эйнштейна, которую космологи используют для объяснения природы Вселенной. Так получилось, что ученые уже много лет думают об альтернативе гравитации.

Плазменная космология (или теория плазменной вселенной) предполагает, что во Вселенной вместо гравитации очень важную роль играют электромагнитные силы и плазма. Хотя существует множество различных вариантов этого подхода, основная идея остается неизменной: каждое астрономическое тело, включая Солнце, звезды и галактики, является результатом электрического процесса.

Первая выдающаяся теория плазменной Вселенной была предложена в конце 1960-х годов лауреатом Нобелевской премии Ханнесом Альвеном. Позже он работал со шведским физиком-теоретиком Оскаром Клейном над созданием модели Альфвена-Клейна.

Модель основана на предположении, что Вселенная состоит из равных частей материи и антиматерии (что не так, согласно выводам современной физики частиц). Границы между этими двумя сферами обозначены космическими электромагнитными полями. Взаимодействие между ними приводит к образованию плазмы, которую Альфвен назвал «окружающей плазмой».

Согласно теории, такая плазма должна образовывать большие регионы материи и антиматерии по всей Вселенной. Также было предложено, что наше нынешнее положение в космосе должно быть в той части, где материи гораздо больше, чем антиматерии — это решает проблему асимметрии между материей и антиматерией.

Теория медленного замораживания

Десятилетия математического моделирования и исследований привели космологов к правдоподобному выводу, что наша Вселенная возникла из одной точки с бесконечной плотностью и температурой, так называемой сингулярности. Последующее расширение Вселенной охладило ее, что привело к образованию галактик, звезд и других астрономических объектов. Однако, как известно, устоявшаяся модель Большого взрыва не осталась незамеченной, и такую сложную теорию предложил Кристоф Веттерих, профессор Гейдельбергского университета в Германии.

Веттерих считал, что Вселенная, какой мы ее знаем сегодня, могла начаться как холодная и бесплодная Вселенная, пробудившаяся от долгого мороза. Со временем элементарные частицы в ранней Вселенной становились тяжелее, а гравитационная постоянная уменьшалась.

Он также объяснил, что излучение ранней Вселенной, по мере увеличения массы частиц, может заставить космос казаться более горячим и далеким, хотя это не так.

Основная идея модели медленного замораживания космоса Веттерича заключается в том, что у Вселенной нет начала и будущего. Вместо горячего большого взрыва теория утверждает, что Вселенная была холодной, медленно эволюционирующей. По словам Веттерича, теория объясняет флуктуации плотности в ранней Вселенной (первобытные флуктуации) и то, почему темная энергия доминирует в нашей сегодняшней Вселенной.

Индуистская космология

По крайней мере, со времен Коперника и Галилея религия и наука были лучшими врагами. Возможно, в разговоре о религии нет места для науки, и наоборот. Однако есть одна религия, космологические верования которой хорошо согласуются с современной моделью Вселенной.

Теория сотворения мира в индуистской мифологии широко считается одной из самых древних и наиболее важных религиозных аналогий. На протяжении многих лет известные физики и космологи, такие как Карл Саган и Нильс Бор, восхищались космологическими идеями индуизма, поскольку они близко напоминают временные рамки стандартной космологической модели Вселенной.

Согласно индуистской мифологии, Вселенная следует бесконечной круговой схеме. Это означает, что на смену нашей нынешней вселенной приходит бесконечное число вселенных. Каждая итерация Вселенной делится на две фазы — «кальпа» (или день Брахмы) и «пралайя» (ночь Брахмы), и каждая фаза длится 4,32 миллиарда лет. Согласно индуистской мифологии, возраст Вселенной (8,64 миллиарда лет) больше, чем рассчитанный возраст Солнечной системы.

Как эволюционировала и развивалась Вселенная? В течение следующих миллиардов лет гравитация притягивала все более плотные области. В этом процессе формировались газовые облака, звезды, галактические структуры и другие небесные объекты.

14 млрд лет расширения Вселенной

Мы очень точно знаем, как расширялась Вселенная с самой первой секунды. Это экспериментальное мероприятие. Сегодня его возраст составляет почти 14 миллиардов лет. Когда ей была одна секунда, ее температура составляла миллиарды градусов Кельвина (°К). Он был горячим, плотным и быстро расширялся! За одну секунду все расстояния увеличились вдвое. Мы знаем это из измерений одного вида. А из измерений другого рода мы уже очень точно знаем, как она располагалась, когда ей было около 380 000 лет. Температура этой довольно молодой Вселенной была уже ниже — 3000 °К.

За этим фактом стоит целая история исследований. Почему мы это знаем? Потому что до этого момента — 380 000 лет назад — Вселенная находилась в состоянии плазмы, состоящей в основном из протонов и электронов и непрозрачной. При охлаждении до 3000°C эта плазма превратилась в газ, в основном в водород. Газ был очень проницаем для электромагнитного излучения и свободно путешествовал по Вселенной, пока не достиг нас. Поэтому, когда мы смотрим на это электромагнитное излучение, мы знаем, как оно было организовано.

У нас есть представление о том, как была устроена Вселенная в то время. Это нечто совершенно иное, чем то, что мы имеем сейчас. Она была очень однородной, имелись слабые неоднородности — на уровне 0,0001. По мере расширения излучение от реликтов охлаждалось, теперь до 2,7°K.

Картина показывает нам, что Вселенная была очень однородной, но существовали небольшие неоднородности, которые расширялись по мере развития Вселенной, превратились в галактики и скопления галактик, сконденсировались и дали жизнь всем структурам и, в конечном итоге, нам с вами.

Конечно, первые звезды появились раньше нас. Они появились примерно через 400-300 миллионов лет после описываемого события. Но для формирования звезд и первых галактик потребовалось еще много сотен миллионов лет. Этот процесс занял очень много времени — целых 14 миллиардов лет.

Мы знаем, что Вселенная была горячей, плотной средой. Мы знаем, как она расширялась и с какой скоростью. Также легко попасть в первую секунду, потому что секунда — это миллиард градусов, это не Бог знает какая температура, и мы очень хорошо знаем эту физику. Мы знаем общую относительность, что означает, что мы знаем скорость расширения Вселенной, и нет большой проблемы в том, чтобы продолжить этот процесс — расширяться назад во времени.

В то время ядерная физика только зарождалась. Подобно тому, как на Солнце происходили термоядерные реакции, во Вселенной происходили термоядерные реакции, результаты которых мы знаем, что произошло на самом деле. Чтобы понять, что предшествовало этому, нужно экстраполировать дальше, основываясь на том, что мы знаем сегодня о физике частиц и гравитации. Именно в этот момент в игру вступают предположения.

Альтернативные гипотезы о зарождении Вселенной

Если вы вернетесь еще дальше в прошлое, к тому, что мы знаем сегодня — через доли секунды после Большого взрыва, — вы придете к ситуации, когда есть начало: Большой взрыв. Это время, когда Вселенная имела гигантскую температуру и гигантскую скорость расширения. Невозможно представить, что это такое, но оно настолько гигантское, что мы уже не в состоянии описать его своим воображением. Следует сказать, что Большой взрыв — это не взрыв из одной точки, а то, что одновременно произошел такой взрыв, если хотите, во всей Вселенной.

Такая картина не соответствует тому, что мы знаем о нем….. Если все было устроено так, как мы только что обсудили, то мы имеем начало всех времен — нули отмечают время. А затем происходит распространение сигнала. Мы можем представить, что с момента возникновения нашей Вселенной передавались какие-то сигналы. Неважно, что это такое, но они путешествуют со скоростью света, а не быстрее. Затем появляется световой конус, который показывает, как далеко прошел сигнал. Регионы за пределами этого размера до сих пор не «разговаривали» друг с другом, они не могли получать информацию друг о друге или обмениваться информацией. Мы намного опередили время и видим много-много таких регионов, которые никак не связаны друг с другом и ничего друг о друге не знают.

Видите ли: Вселенная везде одинакова. Как это произошло? Один регион не может «разговаривать» с другим, и их температуры абсолютно одинаковы — с гигантской, фантастической точностью. Как возможно, что в одной большой области Вселенной температура и плотность немного ниже, а в другой — немного выше? (На фотографии более холодные области имеют темно-синий и голубой цвет, а более теплые — желтый). Как возникли все эти аномалии, которые мы видим? Чтобы понять это, нужно вернуться далеко-далеко в прошлое, к началу Вселенной.

Существует гипотеза, что горячая фаза началась гораздо позже, чем предполагалось изначально. Еще раньше было что-то особенное. Самая красивая и правдоподобная гипотеза — инфляция. Она описывает ситуацию, в которой Вселенная расширяется очень быстро, чрезвычайно, невероятно быстро, и становится огромной за очень короткий промежуток времени. За мельчайшую долю секунды маленькая часть Вселенной становится огромной — она может стать колоссальной. И именно тогда такой образ начинает работать. Но, конечно, для этого должна быть разработана специальная теория. Поскольку горячая фаза такова, что Вселенная в ней не расширяется так быстро, должна существовать какая-то другая материя…..

Энергия этого исходного вещества должна была быть преобразована в тепло, и тогда начиналась горячая фаза. И это еще один вызов для ученых. Первая задача — понять, почему эта Вселенная так гигантски расширилась, а вторая — понять, как получилось, что энергия вещества (также называемого «инфлатоном» — гипотетической элементарной частицей — примечание редактора) преобразуется в энергию частиц, в тепло. Теоретически мы знаем, как ответить на все эти вопросы, но экспериментально мы этого не знаем. Так что все это остается популярной гипотезой.

И вообще, мы можем теоретически представить себе другие сценарии и другие модели. Например, в начале Вселенная могла быть примерно того же размера, что и сегодня. За исключением того, что сегодня Вселенная расширяется, тогда как давным-давно она могла сжиматься: медленно, медленно, медленно. Затем произошло бы чудо — усадка сменилась бы расширением. Эта теория работает и по сей день. Я не одинок, но я, мои коллеги и многие другие группы пытаются разработать теоретически непротиворечивые теории и модели, в которых это происходит. В настоящее время обсуждается еще одна возможность: Существует новое предложение о том, что Вселенная могла начаться с пустого, плоского пространства. Она пуста в том смысле, что в ней нет энергии, она плоская, потому что в ней ничего не развивается. Затем энергия медленно увеличивается, плотность энергии и скорость расширения возрастают, и, наконец, возникает Вселенная с гигантской скоростью расширения. Здесь также энергия, обеспечивающая расширение, должна быть преобразована в тепло. Эта динамика и эти уравнения принимаются во внимание. Мои итальянские коллеги назвали эту модель Genesis, что является английским названием первой книги Библии.

Что мы знаем о структуре Вселенной?

Это другая тема, как и вопрос об асимметрии между материей и антиматерией и о том, как во Вселенной появилась темная материя. Предполагается, что формирование этих свойств, вероятно, происходило во время горячей фазы.

На языке физики частиц они называются «полями». Вам нужны очень необычные сущности и поля, обладающие особыми свойствами. Во всех сценариях, которые я упомянул, требуются совершенно новые поля. Эти сущности никуда не деваются, и теоретически не должны. Но они могут очень слабо взаимодействовать с обычной материей, что делает их очень трудными для обнаружения в лаборатории.

И они всегда доминировали. И вы должны разработать теорию так, чтобы они доминировали тогда и были экспериментально уверены сейчас. И вы можете попытаться найти их. И это, как говорится, отдельный разговор — попытаться найти эти сущности.

Инфляция — очень хорошая теория в этом отношении, потому что она автоматически приводит к возникновению этих первичных неравенств, которые мы видим на рисунке. Кроме того, он обладает необходимыми свойствами. Из этой картины мы можем увидеть многие свойства этих неоднородностей. Если правильно посмотреть на эту фотографию, то можно увидеть, насколько велики были неоднородности, насколько велика была ширина при большем размере, при меньшем размере и так далее.

Теория инфляции однажды сделала предсказание о том, как должна выглядеть эта картина, когда ее еще не было. Он сделал прогноз, и этот прогноз оказался совершенно верным. За исключением остальных гравитационных волн, которые еще не наблюдались. Будет интересно посмотреть, кто получит Нобелевскую премию, потому что кандидатов много.

Это все физика, очень сложная физика — есть теория, есть эксперимент, есть наблюдение. Мы движемся вокруг мельчайших долей секунды с момента образования Вселенной или ее перехода от сжатия к расширению. То, что мы можем там осмотреться, просто фантастика! И мы можем смотреть на него, изучая его великие фундаментальные свойства на больших расстояниях. Мы делаем прогнозы. Конечно, это долгая история, и есть много теоретических карандашей, которые нужно сломать, но мы делаем предсказания и начинаем проверять их на основе наблюдений. Если предсказания не совпадают с наблюдениями, мы должны изменить наше теоретическое понимание физики.

Если действительно существовала инфляционная фаза, то инфляция должна была возникнуть в результате флуктуации, которую мы даже не знаем, как описать. Вероятно, это стадия или состояние пространства, времени и материи, которое невозможно описать в современных терминах. Что такое сингулярность? Сингулярность, очевидно, является своего рода квантовой системой с сильным взаимодействием, в которой все концепции пространства, времени и энергии должны быть другими. На энергетической шкале это пугающе далеко. Несмотря на все попытки теоретизировать, как все это произошло, мы до сих пор не знаем, как. Но я настроен оптимистично и надеюсь, что это открытие будет сделано при моей жизни.

Смотрите полную версию интервью с ученым на нашем канале в программе Алексея Семихатова «Вопрос науки».

«Кастрюлька», открывающая тайны Вселенной: что такое реактор ПИК

Прогноз: как наука изменит мир в ближайшие годы

«Человек может и должен летать!»

На сайте могут быть использованы материалы Facebook и Instagram, принадлежащие Meta Platforms Inc. и запрещенные на территории Российской Федерации.