В научном мире принято считать, что Вселенная произошла в результате Большого взрыва. Строится данная теория на том, что энергия и материя (основы всего сущего) ранее находились в состоянии сингулярности. Оно, в свою очередь, характеризуется бесконечностью температуры, плотности и давления. Состояние сингулярности само по себе отвергает все известные современному миру законы физики. Ученые считают, что Вселенная возникла из микроскопической частицы, которая в силу неизвестных пока причин пришла в далеком прошлом в нестабильное состояние и взорвалась.
Термин «Большой взрыв» стал применяться с 1949 года после публикации в научно-популярных изданиях работ ученого Ф.Хойла. Сегодня теория «динамической эволюционирующей модели» разработана настолько хорошо, что физики могут описать процессы, происходящие во Вселенной уже через 10 секунд после взрыва микроскопической частицы, положившей начало всему сущему.
Доказательств теории существует несколько. Одним из главных является реликтовое излучение, которое пронизывает всю Вселенную. Оно могло возникнуть, по мнению современных ученых, только в результате Большого взрыва, благодаря взаимодействию микроскопических частиц. Именно реликтовое излучение позволяет узнать о тех временах, когда Вселенная была похожа на пылающее пространство, а звезд, планет и самой галактики не было и в помине. Вторым доказательством рождения всего сущего из Большого взрыва считается космологическое красное смещение, заключающееся в уменьшении частоты излучения. Это подтверждает удаление звезд, галактик от Млечного пути в частности и друг от друга в целом. То есть, свидетельствует о том, что Вселенная расширялась ранее и продолжает это делать до сих пор.
Краткая история Вселенной
- 10 -45 - 10 -37 сек - инфляционное расширение
- 10 -6 сек - возникновение кварков и электронов
- 10 -5 сек - образование протонов и нейтронов
- 10 -4 сек - 3 мин - возникновение ядер дейтерия, гелия и лития
- 400 тыс. лет - образование атомов
- 15 млн. лет - продолжение расширения газового облака
- 1 млрд. лет - зарождение первых звезд и галактик
- 10 - 15 млрд. лет - появление планет и разумной жизни
- 10 14 млрд. лет - прекращение процесса рождения звезд
- 10 37 млрд. лет - истощение энергии всех звезд
- 10 40 млрд. лет - испарение черных дыр и рождение элементарных частиц
- 10 100 млрд. лет - завершение испарения всех черных дыр
Теория Большого взрыва стала настоящим прорывом в науке. Она позволила ученым ответить на множество вопросов относительно рождения Вселенной. Но одновременно эта теория породила новые загадки. Главная из них заключается в причине самого Большого взрыва. Второй вопрос, на который нет ответа у современной науки - как появилось пространство, время. По мнению некоторых исследователей, они родились вместе с материей, энергией. То есть, являются результатом Большого взрыва. Но тогда получается, что и у времени, пространства должно быть какое-то начало. То есть, некая сущность, постоянно существующая и не зависящая от их показателей, вполне могла положить начало процессам нестабильности в микроскопической частице, породившей Вселенную.
Чем больше исследований проводится в этом направлении, тем больше вопросов возникает у астрофизиков. Ответы на них ждут человечество в будущем.
> 10 удивительных теорий о том, как появилась Вселенная
Если коротко описать современную идею, то получим: «Вначале была пустота, а потом случился взрыв». Современная наука убеждена, что происходит расширение, что доказывает наличие реликтового излучения и смещение к красному концу спектра. Но не все в это верят. Годами появлялись альтернативные истории начала всего и некоторые заслуживают вашего внимания.
Устойчивое состояние
Альберт Эйнштейн писал, что больше верит в мысли Фреда Хойла о том, что возможно нескончаемое расширение с сохранением неизменной плотности, если новое вещество прибавляется в процессе непредсказуемой генерации.
Эта идея сформировалась в 1948 году из принципа, что Вселенная кажется совершенно такой же в любом пункте. То есть, пространство лишено стартовой и финишной точки. В 1960-х гг. она обрела популярность. При появлении доказательств расширения, сторонники сообщили, что новое вещество должно формироваться спонтанно, но на небольшом ускорении. Но доводы разбились при появлении реликтового излучения.
Усталый свет
Именно Эдвину Хабблу удалось заметить, что волновые длины света, поступающие от удаленных галактик, приближаются к красному спектру. То есть, каким-то образом фотоны утратили свою энергию. Чаще всего, этот момент объясняется в теме вселенского расширения в качестве эффекта Доплера. Но те, кто придерживается мнения о стабильной Вселенной, полагают, что энергия теряется по мере продвижения фотонов по пространству и смещения к более длинной волне. В 1929 году это озвучил Фриц Цвикки.
Теория сталкивается с множеством проблем. Начнем с того, что нет ничего, что могло бы трансформировать энергию фотона без перемены импульса (привело бы к размытости). Она не может объяснить закономерностей светового свечения для расширяемого пространства. К тому же большинство подобных моделей полагаются на нерасширяющуюся Вселенную, что никак не согласуется с наблюдениями.
Бесконечная инфляция
Многие современные модели берут за основу краткий период инфляции, созданной вакуумной энергией. После этого энергия распалась на некий раскаленный плазменный бульон, сформировавший атомы, молекулы и т.д. Однако эта теория заявляет, что инфляционный процесс так и не подошел к концу. Сторонники полагают, что все наше пространство выступает единым пузырьком, расположенным среди других вселенных с постоянной инфляцией.
Если две вселенных находятся рядом, то могут привести к обоюдному сбою в пространстве-времени. Если теория верна, то мы должны заметить какие-то нарушения в реликтовом излучении. Подобные идеи связал в единую Андрей Линде и назвал «вечной хаотической экспансией». Здесь не нужен Большой Взрыв, потому что расширение способно начаться из любого пункта в скалярном пространстве.
Мираж в 4D
В привычной модели взрыв произошел из нескончаемо плотного формирования, из-за чего сложно объяснить, почему пространство обладает почти однородным температурным показателем. Есть те, кто думает, что причина заключается в неизвестной энергетической форме, приводящей к расширению. Ученые предположили, что мир может существовать в виде трехмерного миража, сформированного на горизонте 4D-звезды, трансформирующейся в черную дыру.
То есть, известное нам пространство выступает лишь одной стороной внутри объемной вселенной с четырьмя измерениями. Если она вмещает 4D-звезды, то они будут вести себя также, как и остальные. Трехмерные черные дыры расположены в сферической поверхности, а форма горизонта событий – гиперсфера. Смоделировав смерть этой звезды, они выяснили, что наше пространство может оказаться всего лишь миражем, созданным на основе остатков ее внешних слоев.
Зеркальная Вселенная
Физика столкнулась с проблемой: все модели прекрасно срабатывают при характеристике пространства, не зависимо от временной направленности. В реальности мы понимаем, что время мчится только вперед, а значит это продукт энтропии, где порядок растворяется в беспорядке. Неувязка в том, что теория полагает, будто все началось с высокой организованности при низком показателе энтропии. Многие думают, что гравитация заставляет временное направление устремляться вперед.
В подтверждение, исследователи рассмотрели моделирование 1000 контактирующих точечных частичек, обусловленных гравитацией Ньютона. Оказалось, что при любом размере и количестве они трансформируются в минимальные показатели. Далее система расширяется в обе стороны, формируя противоположные «временные стрелки». То есть, Большой Взрыв произвел сразу две вселенные, которые зеркально отражают друг друга.
Не начало, а переход
Привычная для нас точка отсчета стала не началом для рождения всего, а лишь следующим шагом, потому что проходит сквозь повторяющиеся моменты. Со временем пространственная геометрия меняется и превращается в нечто более запутанное. Это именуют тензором кривизны Вейля – стартует с нуля и вырастает со временем. Физики полагают, что черные дыры сокращают вселенскую энтропию. Когда мир подойдет к концу, а дыры растеряют энергию, то пространство станет однородным и переполнится ненужным энергетическим запасом.
Здесь появляется симметрия геометрии с различными величинами, но единой формой. Эта трансформация приведет к тому, что пространственная геометрия сгладится, а деградированные частички вернутся к позиции нулевой энтропии. Далее Вселенная бы вернулась в изначальную точку, создавая новый взрыв.
Холодное начало и сжимающееся пространство
После сингулярности материя попала в плотное и раскаленное пространство, после чего начала медленно увеличиваться на миллиарды лет. Однако это не совсем сходится с общей теорией относительности и квантовой механикой. Из-за этого Кристофф Веттерих считает, что пространство могло начаться как прохладное и пустое место. Оно активировалось только из-за сокращения, а не расширения. Здесь красное смещение вызывается из-за массового увеличения. Проблема в том, что измерения нельзя доказать, потому что нам удается сравнить лишь отношение масс, а не их самих.
Живое пространство
Теория Джима Картера базируется на идее стабильных иерархичных кругов, выступающих круговыми механическими объектами. Он полагает, что все пространство представлено поколениями кругов, появляющихся из-за воспроизводства и раздела. Эта мысль пришла после наблюдения за совершенным пузырьковым кольцом. Картер считает, что синхронизация колец лучше подходит под наблюдения, чем Большой Взрыв. Живое пространство намекает на то, что существовал хотя бы один атом водорода во все времена.
Началось все с антиводорода. Частичка обладала массой нынешнего пространства представляла собою протон и антипротон. Последний расширялся быстрее первого, из-за чего терял относительную массу. Потом они сближались, пока отрицательный элемент не впитал положительный и не создался антинейтрон. Он также не отличался сбалансированностью массы, но возвратился к равновесию, распавшись на два новых нейтрона. Сформировались образования, среди которых некоторые не поддавались расщеплению. Электроны слились с протонами, формируя первые водородные атомы. Процесс дошел до появления всех известных нам космических объектов.
Плазменное пространство
Основное внимание заостряет на электромагнетизме, как движущей силе. Еще в 1946 году появился материал от Иммануила Великовского, считавшего, что гравитационная сила – электромагнитное явление. Она формируется из-за атомных и свободных зарядов, а также магнитного поля небесных тел. Теорию продолжили развивать в 1970-х гг., заменяя термоядерные процессы в звездах на электрические.
Согласно теории, все звезды питаются от перемещающихся токов, а многие небесные явления – электрические процессы. Пространство переполнено масштабными нитями электронов и ионов, скручивающихся из-за электромагнитных сил. Сторонники полагают, что у Вселенной нет границ, а теория Большого Взрыва неверно вычислила плотность главных элементов. Кроме того, она не соответствует закону энергетического сбережения, потому что все появилось из ничего.
Бинду
Мы старались не касаться религиозных историй о создании Вселенной, но затронем поверье индусов, которое может обладать научной базой. Начнем с того, что это пока единственная религия, чьи временные масштабы сходятся с научными показателями. Их верование основано на бинду, что переводится как «взрыв» или «точка». Люди верят, что бинду создал звуковые волны «ом», обозначающие Божество или Абсолютную реальность. Этот звук интерпретируют как вибрационные волны стартовой точки. Упанишады говорят, что Брахман хотел стать всем и добился этого через событие взрыва.
Как появилась наша Вселенная? Была ли она всегда? А если нет, то из чего возникла? И когда? А если у вселенной было начало, то значит, что будет и конец?
До начала прошлого века ученые полагали, что Вселенная вечна и неизменна. Но еще раньше научных теорий существовало и другое мнение: мир сотворен Богом. Происхождение Вселенной, жизни и человека есть разумный творческий акт, осуществленный Богом, творцом и вседержителем, природа которого непостижима человеческим разумом. До сих пор в эту версию происхождения Вселенной в той или иной форме верит половина человечества.
И вот в XX веке появилась еще одна версия происхождения Вселенной – теория «большого взрыва». Началось с того, что в 1929 году Эдвин Хаббл обнаружил, что свет от более далеких галактик «краснee» света от более близких. Обнаружить это удалось благодаря эффекту Доплера (зависимости длины волны света от скорости источника света). Поскольку более далекие галактики кажутся более «красными», то предположили, что они удаляются от нашей Галактики с большей скоростью. На самом деле разбегаются не отдельные галактики, и тем более не отдельные звезды. Галактики связаны гравитационными силами и образуют скопления. В каком направлении ни посмотри, скопления галактик разбегаются от Земли с одинаковой скоростью, и может показаться, что наша Галактика является центром Вселенной, однако это не так. Где бы ни находился наблюдатель, он будет везде видеть все ту же картину - все галактики разбегаются от него.
Но разлетаться скопления галактик могут только из какого-то начала. Значит, все галактики должны были родиться в одной точке. То есть было время, когда Вселенная была бесконечно малой и бесконечно плотной. Затем эта точка взорвалась с огромной силой. Расчеты показывают, что произошло это примерно 15 млрд. лет назад. В момент такого взрыва температура была очень большой, и должно было появиться очень много квантов света.
Как могла наша огромная Вселенная поместиться в маленькой точке? Сколько в ней звезд и галактик сейчас! Кажется, что полная энергия и масса Вселенной огромны. Дело в том, что во Вселенной существует не только материя, но и гравитационное поле. Известно, что его энергия отрицательна, и она в точности компенсирует энергию, заключенную в частицах, планетах, звездах и прочих массивных объектах. Таким образом, закон сохранения энергии прекрасно выполняется, и суммарная энергия и масса нашей Вселенной практически равны нулю. Процесс рождения Вселенной «практически из ничего» опирается на строго научные расчеты.
Первое подтверждение факта взрыва пришло в 1964 году, когда американские радиоастрономы Р. Вильсон и А. Пензиас обнаружили реликтовое электромагнитное излучение. Именно это открытие, неожиданное для ученых, убедило их в том, что Большой взрыв действительно имел место, и в самом начале своего существования Вселенная была очень горячей.
Что же такое реликтовое излучение? ? Согласно теории большого взрыва Вселенная возникла в результате грандиозного взрыва, создавшего пространство и время, всю материю и энергию, которые нас окружают. Новорожденная Вселенная прошла стадию чрезвычайно быстрого расширения и до возраста приблизительно 300 тыс. лет была кипящим котлом из электронов, протонов, нейтрино и излучения. Общее расширение Вселенной постепенно охлаждало этy среду, и, когда темпеpaтypa упала до значения нескольких тысяч градусов, наступило время для формирования стабильных атомов. В результате расширения первоначальное излучение стало значительно менее интенсивным, но не пропало совсем. Именно его и обнаружили американские ученые.
Все это прекрасно, но остается вопрос: если первоначально Вселенная была сжата в точку, то что привело ее к этому состоянию? Сделав виток, мы вернулись в начало. Как появилась наша Вселенная?
7 марта 2015, 18:50Вселенная - это весь окружающий нас бесконечный мир. Это другие планеты и звёзды, наша планета Земля, её растения и животные, ты и я - всё это Вселенная, в том числе и то, что находится за пределами Земли- космическое пространство, планеты, звёзды. Это материя без конца и края, принимающая самые разнообразные формы своего существования.
Вселенная - это всё существующее. От мельчайших пылинок и атомов до огромных скоплений вещества звездных миров и звездных систем. Вселенная, или космос,состоит из гигантских скоплений звёзд.
Откуда же всё это взялось?
Существует несколько теорий, самая популярная из которых - теория большого взрыва.
70 лет назад американский астроном Эдвин Хаббл обнаружил, что галактики располагаются в красной части цветового спектра. Это, согласно «эффекту Доплера», означало, что они удаляются друг от друга. Причем свет от более далеких галактик «краснee» света от более близких, что говорило о меньшей скорости далеких. Картина разлета огромных масс вещества поразительно напоминала картину взрыва. Тогда и была предложена теория Большого взрыва.
Согласно расчетам, это произошло примерно 13,7 миллиарда лет назад. К моменту взрыва Вселенная представляла собой «точку» размером 10-33 сантиметра. Протяженность же нынешней Вселенной оценивается астрономами в 156 миллиардов световых лет (для сравнения: «точка» во столько раз меньше протона – ядра атома водорода, во сколько раз сам протон меньше Луны).
Вещество в «точке» было чрезвычайно горячим, а значит, при взрыве появилось очень много квантов света. Конечно, со временем все остывает, а кванты разлетаются по возникающему пространству, но отзвуки Большого взрыва должны были сохраниться до наших дней.
Первое подтверждение факта взрыва пришло в 1964 году, когда американские радиоастрономы Р. Уилсон и А. Пензиас обнаружили реликтовое электромагнитное излучение с температурой около 3° по шкале Кельвина (–270° С). Это открытие, неожиданное для ученых, было расценено в пользу Большого взрыва.
Итак, из постепенно расширявшегося во все стороны сверхгорячего облака субатомных частиц начали постепенно образовываться атомы, вещества, планеты, звезды, галактики, и наконец появилась жизнь. Вселенная расширяется до сих пор, и неизвестно, как долго будет это продолжаться. Возможно, когда-нибудь она достигнет своего предела.
Теория Большого взрыва позволила ответить на многие вопросы, стоявшие перед космологией, но, к сожалению, а может, и к счастью, она же поставила и ряд новых. В частности: что было до Большого взрыва? Что привело к начальному нагреву Вселенной до невообразимой температуры более 1032 градусов К? Почему Вселенная на удивление однородна, в то время как при любом взрыве вещество разлетается в разные стороны крайне неравномерно?
Но главная загадка – это, конечно, «феномен». Неизвестно, откуда он появился, как образовался. В научно-популярных изданиях тема «феномена» обычно опускается вообще, а в специализированных научных публикациях о нем пишут как о вещи недопустимой с научной точки зрения. Стивен Хокинг, всемирно известный ученый, профессор Кембриджского университета, и Дж. Ф. Р. Эллис, профессор математики университета в Кейптауне, в своей книге «Длинная шкала структуры пространства-времени» так прямо и говорят: «Достигнутые нами результаты подтверждают концепцию, что Вселенная возникла конечное число лет назад. Однако отправной пункт теории возникновения Вселенной в результате Большого взрыва – так называемый “феномен” – находится за гранью известных законов физики».
При этом надо учитывать, что проблема «феномена» – это только часть гораздо большей проблемы, проблемы самого источника начального состояния Вселенной. Иными словами: если первоначально Вселенная была сжата в точку, то что привело ее в это состояние?
В попытках обойти проблему «феномена» некоторые ученые предлагают другие гипотезы. Одна из них – теория «пульсирующей Вселенной». Согласно ей, Вселенная бесконечно раз за разом то сжимается в точку, то расширяется до каких-то границ. Такая Вселенная не имеет ни начала, ни конца, существуют только циклы расширения-сжатия. При этом авторы гипотезы утверждают, что Вселенная существовала всегда, тем самым вроде бы снимая вопрос о «начале мира».
Но дело в том, что никто до сих пор не предоставил удовлетворительного объяснения механизма пульсации. Почему она происходит? Какими причинами вызвана? Нобелевский лауреат, физик Стивен Вайнберг в своей книге «Первые три минуты» указывает, что при каждой очередной пульсации во Вселенной неизбежно должна возрастать величина соотношения количества фотонов к количеству нуклеонов, что ведет к угасанию новых пульсаций. Вайнберг делает вывод, что, таким образом, количество циклов пульсации Вселенной конечно, а значит, в какой-то момент они должны прекратиться. Следовательно, «пульсирующая Вселенная» имеет конец, а стало быть, имеет и начало.
Еще одна теория возникновения Вселенной – это теория «белых дыр», или квазаров, которые «выплевывают» из себя целые галактики.
Любопытна также теория «пространственно-временных туннелей», или «космических каналов». Мысль о них впервые была высказана в 1962 году американским физиком-теоретиком Джоном Уилером в книге «Геометродинамика», в которой исследователь сформулировал возможность надпространственных, необыкновенно быстрых межгалактических путешествий. Некоторые версии концепции «космических каналов» рассматривают возможность перемещения с их помощью в прошлое и будущее, а также в другие вселенные и измерения.
Физик из Стэнфорда Андрей Линде задаётся вопросами, на которые теория Большого взрыва не может ответить. Некоторые из них были озвучены в 2007 г. в статье журнала Stanford Alumni magazine: «Что именно взорвалось? Почему оно взорвалось в этот конкретный момент и сразу везде? Что существовало до Большого взрыва?»
С точки зрения Линде, Большой взрыв не был единичным событием, а, скорее, беспорядочной и рассредоточенной инфляцией. Он разработал свою хаотическую теорию инфляции в 80-е годы: расширения, как после Большого взрыва, могут произойти в любом месте в космосе при достаточном количестве потенциальной энергии.
«Мы предполагали, что вся Вселенная была создана в один момент, - говорит Линде. - Но на самом деле это не так».
Исследование реликтового излучения в 90-е годы показали различную интенсивность, что даёт некоторые доказательства в поддержку хаотической теории инфляции.
Линде считает, что если смотреть с очень широкой перспективы, космос не вписывается в рамки, созданные наукой: «Вместо Вселенной, где существует один закон физики, вечная хаотическая инфляция создаёт картину самовоспроизводящейся и вечной мультивселенной, где возможно всё, - говорит Линде. - Параллельные линии могут пересечься на очень далёком расстоянии. Законы физики могут меняться… Мы просто неспособны увидеть, когда это происходит. Мы похожи на муравьёв внутри огромного шара».
Другие теории о происхождении Вселенной:
Экпиротическая теория
Приверженцы этой теории считают, что есть параллельная нашей Вселенная, которая время от времени сталкивается с "сестрой". Энергия столкновения приводит к огромным возмущениям пространства, в результате чего появляются частицы, формирующие затем газовые туманности, галактики, звезды и прочие космические тела.
После столкновения Вселенные разбегаются, но чем дальше они разбегаются, тем сильнее начинают притягиваться друг к другу (а почему бы и нет?). Постепенно они начинают снова сближаться, и к тому времени уже никаких звезд и других объектов в обеих Вселенных нет, все равномерно распределено согласно Второму Закону Термодинамики.
Вселенные снова сталкиваются, и снова энергия столкновения приводит к появлению частиц, и так далее, это бесконечный цикл.
Белые дыры
Все мы слышали о существовании черных дыр. В общем-то, на данный момент об их существовании можно догадываться только по возмущению гравитационных полей/отклонению света. Но ученые уже говорят о существовании белых дыр. Ведь если вещество поглощается черной дырой, где-то же оно должно выбрасываться, правда?
И в теории, точки, где вещество выбрасывается, а не поглощается, действительно существуют. Пока что их не удается обнаружить, однако приверженцы этой теории не оставляют надежды на обнаружение белой дыры в ближайшем будущем.
Вообще говоря, существование белых дыр, если таковые действительно будут обнаружены, нарушает сразу несколько фундаментальных законов физики. И если действительно белая дыра будет обнаружена, то придется подлатывать фундамент нынешней науки, и очень основательно (в который раз, кстати говоря).
Вселенная - порождение Черной дыры
Очень интересная теория, согласно которой черные дыры, выбрасывающие вещество непонятно куда, на самом деле, создают новые Вселенные, которые появляются даже быстрее, чем грибы после дождя. Каждая частичка, поглощенная черной дырой, может являться началом новой Вселенной, после того, как частичка, наделенная огромной энергией, взорвется. Это будет Большой Взрыв, и таких Взрывов очень много.
Каждая порожденная Вселенная, в свою очередь порождает новые черные дыры, а те - новые Вселенные. В общем, голова идет кругом, очень уж сложно себе представить всю эту бесконечную круговерть.
Квантовая теория миров
Эту теорию очень часто используют фантасты в своих произведениях. Суть ее в постоянном разветвлении вариаций. Например, сейчас вы решаете - идти в магазин, или включить ТВ. В одной инвариантности вы идете в магазин, в другой - включаете ТВ. Имеем уже две Вселенных, которые очень слабо отличаются друг от друга, но чем дальше, тем отличия сильнее.
Да и вообще - вариантности "ветвятся" в зависимости от очень многих факторов, включая поведение атомов, которые движутся в разных направлениях и прочее. В результате каждый миг появляются миллиарды миллиардов новых инвариантностей, и чем удаленнее они друг от друга, тем сильнее различаются эти Вселенные.
Образно это можно представить себе как веер, каждая лопасть которого бесконечно делится, и каждая из последующих частей снова делится, и так далее...
Одним из основных вопросов, которые не выходят из сознания человека, всегда был и является вопрос: «как появилась Вселенная?». Конечно же, однозначного ответа на данный вопрос нет, и вряд ли будет получен в скором времени, однако наука работает в этом направлении и формирует некую теоретическую модель зарождения нашей Вселенной. Прежде всего следует рассмотреть основные свойства Вселенной, которые должна описываться в рамках космологической модели.
***Модель должна учитывать наблюдаемые расстояния между объектами, а также скорость и направление их движения. Подобные расчеты основываются на законе Хаббла: cz = H0D, где z – красное смещение объекта, D – расстояния до этого объекта, c – скорость света.
***Возраст Вселенной в модели должен превышать возраст самых старых в мире объектов.
***Модель должна учитывать первоначальное обилие элементов.
***Модель должна учитывать наблюдаемую крупномасштабную структуру Вселенной.
***Модель должна учитывать наблюдаемый реликтовый фон.
Краткая история Вселенной. Сингулярность в представлении художника (фото)
Рассмотрим кратко общепризнанную теорию возникновения и ранней эволюции Вселенной, которая поддерживается большинством ученых. Сегодня под теорией Большого взрыва подразумевают комбинацию модели горячей Вселенной с Большим взрывом. И, хотя данные концепции сперва существовали независимо друг от друга, в результате их объединение удалось объяснить первоначальный химический состав Вселенной, а также наличие реликтового излучения.
Согласно данной теории, Вселенная возникла около 13,77 млрд лет назад из некоторого плотного разогретого объекта - сингулярное состояние, плохо поддающееся описанию в рамках современной физики. Проблема космологической сингулярности, помимо всего прочего, в том, что при ее описании большинство физических величин, вроде плотности и температуры, стремятся к бесконечности. При этом, известно, что при бесконечной плотности энтропия (мера хаоса) должна устремляться к нулю, что никак не совмещается с бесконечной температурой.
Эволюция Вселенной
***Первые 10 в -43 секунды после Большого Взрыва называют этапом квантового хаоса. Природа мироздания на этом этапе существования не поддается описанию в рамках известной нам физики. Происходит распад непрерывного единого пространства-времени на кванты.
***Планковский момент – момент окончания квантового хаоса, который выпадает на 10 в -43 секунду. В этот момент параметры Вселенной равнялись планковским величинам, вроде планковской температуры (около 1032 К). В момент планковской эпохи все четыре фундаментальные взаимодействия (слабое, сильное, электромагнитное и гравитационное) являлись объединенными в некое одно взаимодействие. Рассматривать планковский момент как некоторый продолжительный период – не представляется возможным, так как с параметрами меньше планковских современная физика не работает.
***Стадия инфляции. Следующей стадией истории Вселенной стала инфляционная стадия. В первый момент инфляции от единого суперсимметричного поля (ранее включающего поля фундаментальных взаимодействий) отделилось гравитационное взаимодействие. В этот период вещество обладает отрицательным давлением, что вызывает экспоненциальный рост кинетической энергии Вселенной. Проще говоря, в данный период Вселенная стала очень быстро раздуваться, а ближе к концу энергия физических полей переходит в энергию обычных частиц. В конце данной стадии значительно повышается температура вещества и излучения. Вместе с окончанием стадии инфляции выделяется и сильное взаимодействие. Также в этот момент возникает барионная асимметрия Вселенной.
[Барионная асимметрия Вселенной – наблюдаемое явление преобладания вещества над антивеществом во Вселенной]
***Стадия радиационного доминирования. Следующая стадия развития Вселенной, которая включает несколько этапов. На этой стадии температура Вселенной начинает понижаться, образуются кварки, затем адроны и лептоны. В эпоху нуклеосинтеза происходит образование начальных химических элементов, синтезируется гелий. Однако, излучение все еще преобладает над веществом.
***Эпоха доминирования вещества. Спустя 10 000 лет энергия вещества постепенно превосходит энергию излучения и происходит их разделения. Вещество начинает доминировать над излучением, возникает реликтовый фон. Также разделение вещества с излучением значительно усилило изначальные неоднородности в распределении вещества, в результате чего начали образовываться галактики и сверхгалактики. Законны Вселенной пришли к тому виду, в котором мы наблюдаем их сегодня.
Вышеописанная картина сложена из нескольких основополагающих теорий и дает общие представление о формировании Вселенной на ранних этапах ее существования.
Откуда появилась Вселенная?
Если Вселенная возникла из космологической сингулярности, то откуда взялась сама сингулярность? На данный вопрос дать точный ответ, пока, невозможно. Рассмотрим некоторые космологические модели, затрагивающие «рождение Вселенной».
Циклические модели. Моделирование бран (фото)
Данные модели строятся на утверждении, что Вселенная существовала всегда и со временем лишь меняется ее состояние, переходя от расширения к сжатию – и обратно.
***Модель Стейнхардта-Турока. Данная модель строится на теории струн (М-теории), так как использует такой объект как «брана».
[Бра́на (от мембрана) в теории струн (М-теории) - гипотетический фундаментальный многомерный физический объект размерности, меньшей, чем размерность пространства, в котором он находится]
Согласно этой модели видимая Вселенная располагается внутри три-брана, которая периодически, раз в несколько триллионов лет, сталкивается с другой три-браной, что вызывает подобие Большого Взрыва. Далее наша три-брана начинает отдаляться от другой и расширяться. В какой-то момент доля темной энергии получает первенство и скорость расширения три-браны растет. Колоссальное расширение рассеивает вещество и излучение настолько, что мир становится почти однородным и пустым. В конце концов происходит повторное столкновение три-бран, в результате чего наша возвращается к начальной фазе своего цикла, вновь зарождая нашу «Вселенную».
Источник:
***Теория Лориса Баума и Пола Фрэмптона также гласит о цикличности Вселенной. Согласно их теории последняя после Большого Взрыва будет расширяться за счет темной энергии до тех пор, пока не приблизится к моменту «распада» самого пространства-времени – Большой Разрыв. Как известно, в «замкнутой системе энтропия не убывает» (второе начало термодинамики). Из этого утверждения следует, что Вселенная не может вернуться к исходному состоянию, так как во время такого процесса энтропия должна убывать. Однако эта проблема решается рамках данной теории. Согласно теории Баума и Фрэмптона за миг до Большого Разрыва Вселенная распадается на множество «лоскутов», каждый из которых обладает довольно малым значением энтропии. Испытывая ряд фазовых переходов, данные «лоскуты» бывшей Вселенной порождают материю и развиваются аналогично первоначальной Вселенной. Эти новые миры не взаимодействуют друг с другом, так как разлетаются со скоростью больше скорости света. Таким образом, ученые избежали и космологической сингулярности, с которой начинается рождение Вселенной согласно большинству космологических теорий. То есть в момент конца своего цикла Вселенная распадается на множество других невзаимодействующих миров, которые станут новыми вселенными.
***Конформная циклическая космология – циклическая модель Роджера Пенроуза и Ваагна Гурзадяна. Согласно данной модели Вселенная способна перейти в новый цикл, не нарушая второе начало термодинамики. Данная теория опирается на предположение, что черные дыры уничтожают поглощенную информацию, что неким образом «законно» понижает энтропию Вселенной. Тогда каждый такой цикл существования Вселенной начинается с подобия Большого Взрыва и заканчивается сингулярностью.
Другие модели возникновения Вселенной
Среди других гипотез, объясняющих появление видимой Вселенной наиболее популярны две следующие:
***Хаотическая теория инфляции - теория Андрея Линде. Согласно данной теории существует некоторое скалярное поле, которое неоднородно во всем своем объеме. То есть в различных областях вселенной скалярное поле имеет разное значение. Тогда в областях, где поле слабое – ничего не происходит, в то время как области с сильных полем начинают расширяться (инфляция) за счет его энергии, образуя при этом новые вселенные. Такой сценарий подразумевает существование множества миров, возникших не одновременно и имеющих свой набор элементарных частиц, а, следовательно, и законов природы.
***Теория Ли Смолина – предполагает, что Большой Взрыв не является началом существования Вселенной, а – лишь фазовым переходом между двумя ее состояниями. Так как до Большого Взрыва Вселенная существовала в форме космологической сингулярности, близкой по своей природе к сингулярности черной дыры, Смолин предполагает, что Вселенная могла возникнуть из черной дыры.
Так же существуют модели, в которых 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.
Несмотря на то, что циклические и другие модели отвечают на ряд вопросов, ответы на которые не может дать теория Большого Взрыва, в том числе проблема космологической сингулярности. Все же в комплекте с инфляционной теорией Большой Взрыв более цельно объясняет возникновение Вселенной, а также сходится с множеством наблюдений.
Сегодня исследователи продолжают интенсивно изучать возможные сценарии зарождения Вселенной, однако, дать неопровержимый ответ на вопрос «Как появилась Вселенная?» - вряд ли удастся в ближайшем будущем. На это есть две причины: прямое доказательство космологических теорий практически невозможно, лишь косвенное; даже теоретически нет возможности получить точную информацию о мире до момента Большого Взрыва. По этим двум причинам ученым остается лишь выдвигать гипотезы и строить космологические модели, которые максимально верно будут описывать природу наблюдаемой нами Вселенной.