Как она в кажущееся на первый взгляд бесконечное пространство превратилась? И чем она спустя многие миллионы и миллиарды лет станет? Эти вопросы терзали (и продолжают терзать) умы философов и ученых, кажется, еще с начала времен, породив при этом множество интересных и порой даже безумных теорий
Сегодня большинство астрономов и космологов пришли к общему согласию относительно того, что вселенная, которую мы знаем, появилась в результате гигантского взрыва, породившего не только основную часть материи, но явившегося источником основных физических законов, согласно которым существует тот космос, который нас окружает. Все это называется теорией большого взрыва.
Основы теории большого взрыва относительно просты. Таким образом, если кратко, согласно ей вся существовавшая и существующая сейчас во вселенной материя появилась в одно и то же время - около 13, 8 миллиарда лет назад. В тот момент времени вся материя существовала в виде очень компактного абстрактного шара (или точки) с бесконечной плотностью и температурой. Это состояние носило название сингулярности. Неожиданно сингулярность начала расширяться и породила ту вселенную, которую мы знаем.
Стоит отметить, что теория большого взрывая является лишь одной из многих предложенных гипотез возникновения вселенной (например, есть еще теория стационарной вселенной), однако она получила самое широкое признание и популярность. Она не только объясняет источник всей известной материи, законов физики и большую структуру вселенной, она также описывает причины расширения вселенной и многие другие аспекты и феномены.
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. Внимание! Только в том случае, 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.
Эпоха сингулярности.
Также известная как планковская эпоха (или планковская эра) принимается за самый ранний из известных периодов эволюции вселенной. В это время вся материя содержалась в единственной точке бесконечной плотности и температуры. Во время этого периода, как считают ученые, квантовые эффекты гравитационного взаимодействия доминировали над физическим, и ни одна из физических сил не была равна по силе гравитации.
Планковская эра предположительно длилась от 0 до 10-43 секунды и названа она так потому, что измерить ее продолжительность можно только планковским временем. Ввиду экстремальных температур и бесконечной плотности материи состояние вселенной в этот период времени было крайне нестабильным. После этого произошли периоды расширения и охлаждения, которые привели к возникновению фундаментальных сил физики.
Приблизительно в период с 10-43 до 10-36 секунды во вселенной происходил процесс столкновения состояний переходных температур. Считается, что именно в этот момент фундаментальные силы, которые управляют нынешней вселенной, начали отделяться друг от друга. Первым шагом этого отделения явилось появление гравитационных сил, сильных и слабых ядерных взаимодействий и электромагнетизма.
В период примерно с 10-36 до 10-32 секунды после большого взрыва температура вселенной стала достаточно низкой (1028 к), что привело к разделению электромагнитных сил (сильное взаимодействие) и слабого ядерного взаимодействия (слабого взаимодействия.
Эпоха инфляции.
С появлением первых фундаментальных сил во вселенной началась эпоха инфляции, которая продлилась с 10-32 секунды по планковскому времени до неизвестной точки во времени. Большинство космологических моделей предполагают, что вселенная в этот период была равномерно заполнена энергией высокой плотности, а невероятно высокие температура и давление привели к ее быстрому расширению и охлаждению.
Это началось на 10-37 секунде, когда за фазой перехода, вызвавшей отделение сил, последовало расширение вселенной в геометрической прогрессии. В этот же период времени вселенная находилась в состоянии бариогенезиса, когда температура была настолько высокой, что беспорядочное движение частиц в пространстве происходило с околосветовой скоростью.
В это время образуются и сразу же сталкиваясь разрушаются пары из частиц - античастиц, что, как считается, привело к доминированию материи над антиматерией в современной вселенной. После прекращения инфляции вселенная состояла из кварк - глюоновой плазмы и других элементарных частиц. С этого момента вселенная стала остывать, начала образовываться и соединяться материя.
Эпоха охлаждения.
Со снижением плотности и температуры внутри вселенной начало происходить и снижение энергии в каждой частице. Это переходное состояние длилось до тех пор, пока фундаментальные силы и элементарные частицы не пришли к своей нынешней форме. Так как энергия частиц опустилась до значений, которые можно сегодня достичь в рамках экспериментов, действительное возможное наличие этого временного периода вызывает у ученых куда меньше споров.
Например, ученые считают, что на 10-11 секунде после большого взрыва энергия частиц значительно уменьшилась. Примерно на 10-6 секунде кварки и глюоны начали образовывать барионы - протоны и нейтроны. Кварки стали преобладать над антикварками, что в свою очередь привело к преобладанию барионов над антибарионами.
Так как температура была уже недостаточно высокой для создания новых протонно - антипротонных пар (или нейтронно - антинейтронных пар), последовало массовое разрушение этих частиц, что привело к остатку только 1/1010 количества изначальных протонов и нейтронов и полному исчезновению их античастиц. Аналогичный процесс произошел спустя около 1 секунды после большого взрыва. Только "Жертвами" на этот раз стали электроны и позитроны. После массового уничтожения оставшиеся протоны, нейтроны и электроны прекратили свое беспорядочное движение, а энергетическая плотность вселенной была заполнена фотонами и в меньшей степени нейтрино.
В течение первых минут расширения вселенной начался период нуклеосинтеза (синтез химических элементов. Благодаря падению температуры до 1 миллиарда кельвинов и снижения плотности энергии примерно до значений, эквивалентных плотности воздуха, нейтроны и протоны начали смешиваться и образовывать первый стабильный изотоп водорода (дейтерий), а также атомы гелия. Тем не менее большинство протонов во вселенной остались в качестве несвязных ядер атомов водорода.
Спустя около 379 000 лет электроны объединились с этими ядрами водорода и образовали атомы (опять же преимущественно водорода), в то время как радиация отделилась от материи и продолжила практически беспрепятственно расширяться через пространство. Эту радиацию принято называть реликтовым излучением, и она является самым древнейшим источником света во вселенной.
С расширением реликтовое излучение постепенно теряло свою плотность и энергию и в настоящий момент его температура составляет 2, 7260 0, 0013 к (- 270, 424 C), а энергетическая плотность 0, 25 эВ (или 4, 005x10-14 Дж/м? ; 400-500 Фотонов/см. Реликтовое излучение простирается во всех направлениях и на расстояние около 13, 8 миллиарда световых лет, однако оценка его фактического распространения говорит примерно о 46 миллиардах световых годах от центра вселенной.
Эпоха структуры (иерархическая эпоха).
В последующие несколько миллиардов лет более плотные регионы почти равномерно распределенной во вселенной материи начали притягиваться друг к другу. В результате этого они стали еще плотнее, начали образовывать облака газа, звезды, галактики и другие астрономические структуры, за которыми мы можем наблюдать в настоящее время. Этот период название иерархической эпохи носит. В это время та вселенная, которую мы видим сейчас, начала приобретать свою форму. Материя начала объединяться в структуры различных размеров - звезды, планеты, галактики, галактические скопления, а также галактические сверхскопления, разделенные межгалактическими перемычками, содержащими всего лишь несколько галактик.
Детали этого процесса могут быть описаны согласно представлению о количестве и типе материи, распределенной во вселенной, которая представлена в виде холодной, теплой, горячей темной материи и барионного вещества. Однако современной стандартной космологической моделью большого взрыва является модель лямбда - CDM, согласно которой частицы темной материи двигаются медленнее скорости света. Выбрана она была потому, что решает все противоречия, которые появлялись в других космологических моделях.
Согласно этой модели на холодную темную материю приходится около 23 процентов всей материи/энергии во вселенной. Доля барионного вещества составляет около 4, 6 процента. Лямбда - CDM ссылается на так называемую космологическую постоянную: теорию, предложенную Альбертом Эйнштейном, которая характеризует свойства вакуума и показывает соотношение баланса между массой и энергией как постоянную статичную величину. В этом случае она связана с темной энергией, которая служит в качестве акселератора расширения вселенной и поддерживает гигантские космологические структуры в значительной степени однородными.
Долгосрочные прогнозы относительно будущего вселенной.
Гипотезы относительно того, что эволюция вселенной обладает отправной точкой, естественным способом подводят ученых к вопросам о возможной конечной точке этого процесса. Только в том случае, 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 (1-3x10-26 кг материи на м), вселенная начнет сжиматься.
Альтернативой служит другой сценарий, который гласит, что если плотность во вселенной будет равна или ниже значения критической плотности, то ее расширение замедлится, однако никогда не остановится полностью. Согласно этой гипотезе, получившей название "Тепловая Смерть Вселенной", расширение продолжится до тех пор, пока звездообразования не перестанут потреблять межзвездный газ внутри каждой из окружающих галактик. То есть полностью прекратится передача энергии и материи от одного объекта к другому. Все существующие звезды в этом случае выгорят и превратятся в белых карликов, нейтронные звезды и черные дыры.
Постепенно черные дыры будут сталкиваться с другими черными дырами, что привет к образованию все более и более крупных. Средняя температура вселенной приблизится к абсолютному нулю. Черные дыры в итоге "Испарятся", выпустив свое последнее излучение хокинга. В конце концов термодинамическая энтропия во вселенной максимальной станет. Тепловая смерть наступит.
Современные наблюдения, которые учитывают наличие темной энергии и ее влияние на расширение космоса, натолкнули ученых на вывод, согласно которому со временем все больше и больше пространства вселенной будет проходить за пределами нашего горизонта событий и станет невидимым для нас. Конечный и логичный результат этого ученым пока не известен, однако "Тепловая Смерть" вполне может оказаться конечной точкой подобных событий.
Есть и другие гипотезы относительно распределения темной энергии, а точнее, ее возможных видов (например фантомной энергии. Согласно им галактические скопления, звезды, планеты, атомы, ядра атомов и материя сама по себе будут разорваны на части в результате ее бесконечного расширения. Такой сценарий эволюции носит название "Большого Разрыва". Причиной гибели вселенной согласно этому сценарию является само расширение.
История теории большого взрыва.
Самое раннее упоминание большого взрыва относится к началу 20-го века и связано с наблюдениями за космосом. В 1912 году американский астроном весто слайфер провел серию наблюдений за спиральными галактиками (которые изначально представлялись туманностями) и измерил их доплеровское красное смещение. Почти во всех случаях наблюдения показали, что спиральные галактики отдаляются от нашего млечного пути.
В 1922 году выдающийся российский математик и космолог Александр Фридман вывел из уравнений Эйнштейна для общей теории относительности так называемые уравнения Фридмана. Несмотря продвижения Эйнштейном теории в пользу наличия космологической постоянной, работа Фридмана показала, что вселенная скорее находится в состоянии расширения.
В 1924 году измерения Эдвина хаббла дистанции до ближайшей спиральной туманности показали, что эти системы на самом деле являются действительно другими галактиками. В то же время хаббл приступил к разработке ряда показателей для вычета расстояния, используя 2, 5-метровый телескоп хукера в обсерватории маунт Вилсон. К 1929 году хаббл обнаружил взаимосвязь между расстоянием и скоростью удаления галактик, что впоследствии стало законом хаббла.
В 1927 году бельгийский математик, физик и католический священник Жорж леметр независимо пришел к тем же результатам, какие показывали уравнения Фридмана, и первым сформулировал зависимость между расстоянием и скоростью галактик, предложив первую оценку коэффициента этой зависимости. Леметр считал, что в какой-то период времени в прошлом вся масса вселенной была сосредоточена в одной точке (атоме.
Эти открытия и предположения вызывали много споров между физиками в 20-х и 30-х годах, большинство из которых считало, что вселенная находится в стационарном состоянии. Согласно устоявшейся в то время модели, новая материя создается наряду с бесконечным расширением вселенной, равномерно и равнозначно по плотности распределяясь на всей ее протяженности. Среди ученых, поддерживающих ее, идея большого взрыва казалась больше теологической, нежели научной. В адрес леметра звучала критика о предвзятости на основе религиозных предубеждений.
Следует отметить, что в то же время существовали и другие теории. Например, модель вселенной Милна и циклическая модель. Обе основывались на постулатах общей теории относительности Эйнштейна и впоследствии получили поддержку самого ученого. Согласно этим моделям вселенная существует в бесконечном потоке повторяющихся циклов расширений и коллапсов.
1. Эпоха сингулярности (планковская). Ее принято считать первичной, в качестве раннего эволюционного периода Вселенной. Материя была сосредоточена в одной точке, имеющей свою температуру и бесконечную плотность. Ученые утверждают, что эта эпоха характерна для доминирования квантовых эффектов, принадлежащих гравитационному взаимодействию над физическими, причем ни одна физическая сила из всех существовавших в те далекие времена по своей силе не была идентична гравитации, то есть не была ей равна. Время продолжительности планковской эры сосредотачивается в интервале от 0 до 10-43 секунды. Она получила такое название по причине того, что полноценно измерить ее протяженность смогло лишь планковское время. Этот временной интервал считается очень нестабильным, что в свою очередь тесным образом связано с экстремальной температурой и безграничной плотностью материи. Следом за эпохой сингулярности произошел период расширения, а вместе с ним и охлаждения, приведшие к формированию основных физических сил.
Как зарождалась Вселенная. Холодное рождение
Что было до Вселенной. Модель «Спящей» Вселенной
«Возможно, до Большого взрыва Вселенная представляла собой некое очень компактное, медленно эволюционирующее статичное пространство», - теоретизируют такие физики, как Курт Хинтербихлер, Остин Джойс и Джастин Хури.
Эта «предвзрывная» Вселенная должна была обладать метастабильным состоянием, то есть быть стабильной до того момента, пока не появится еще более стабильное состояние. По аналогии представьте обрыв, на краю которого в состоянии вибрации находится валун. Любое касание до валуна приведет к тому, что он сорвется в пропасть или - что ближе к нашему случаю – произойдет Большой взрыв. Согласно некоторым теориям «предвзрывная» Вселенная могла существовать в ином виде, например, в форме сплюснутого и очень плотного пространства. В итоге этот метастабильный период подошел к концу: она резко расширилась и приобрела форму и состояние того, что мы видим сейчас.
«В модели «спящей» Вселенной, однако, тоже имеются свои проблемы», - говорит Кэрролл.
«Она тоже предполагает наличие у нашей Вселенной появления низкого уровня энтропии и при этом не объясняет, почему это так».
Однако Хинтербихлер, физик-теоретик из Университета Кейс Вестерн Резерв, не считает появление низкого уровня энтропии проблемой.
«Мы просто ищем объяснение динамики, происходившей до Большого взрыва, которая объясняет, почему мы видим то, что мы видим сейчас. Пока это лишь единственное, что нам остается», - говорит Хинтербихлер.
Кэрролл, тем не менее, считает, что есть еще одна теория «предвзрывной» Вселенной, которая способна объяснить низкий уровень энтропии, имеющийся в нашей Вселенной.
Как появилась Вселенная из ничего. Как работает Вселенная
Поговорим о том, как на самом деле устроена физика, по нашим понятиям. Со времён Ньютона парадигма фундаментальной физики не менялась; в неё входит три части. Первое – «пространство состояний»: по сути, список всех возможных конфигураций, в которых может находиться Вселенная. Второе - определённое состояние, представляющее Вселенную в какой-то момент времени, обычно в текущий. Третье – некое правило, по которому Вселенная развивается во времени. Дайте мне Вселенную на сегодня, и законы физики скажут, что станет с ней в будущем. Такой способ мышления не менее верен для квантовой механики или ОТО или квантовой теории поля, чем для ньютоновой механики или максвелловской электродинамики.
Квантовая механика, в частности - особенная, но очень многосторонняя реализация этой схемы. (Квантовая теория поля – просто определённый пример квантовой механики, а не новый способ мышления). Состояния – это «волновые функции», а набор всех возможных волновых функций определённой системы называется “ гильбертовым пространством “. Его преимущество в том, что оно сильно ограничивает набор возможностей (потому что это векторное пространство: замечание для экспертов). Как только вы сообщите мне его размер (количество измерений), вы полностью определите ваше Гильбертово пространство. Это кардинально отличается от классической механики, в которой пространство состояний может стать чрезвычайно сложным. А ещё есть машинка – “ гамильтониан ” – указывающая, как именно развиваться из одного состояния в другое с течением времени. Повторюсь, что разновидностей гамильтонианов бывает не много; достаточно записать определённый список величин (собственных значений энергии – уточнение для вас, надоедливые эксперты).
Как появилась жизнь на Земле. Жизнь на Земле
Жизнь, использующая химию, отличную от нашей, может возникнуть на Земле более одного раза. Возможно. И если мы найдем доказательства наличия такого процесса, это означает, что существует большая вероятность, что жизнь будет возникать во многих местах Вселенной независимо друг от друга, также как возникла жизнь на Земле. Но с другой стороны, представьте, что мы почувствуем, если в конце концов обнаружим жизнь на другой планете, возможно, вращающейся вокруг далекой звезды, и окажется, что она имеет идентичную химию и, возможно, даже идентичную нашей структуру ДНК.
Шансы на то, что жизнь на Земле возникла абсолютно самопроизвольно и случайно кажутся очень небольшими. Шансы возникновения точно такой же жизни в другом месте невероятно малы, и практически равны нулю. Но на эти вопросы есть возможные ответы, которые английские астрономы Фред Хойл и Чандра Викрамасингхе изложили в своей необычной книге, написанной в 1979 году - « Life cloud» .
Учитывая крайне маловероятный шанс, что жизнь на Земле появилась сама по себе, авторы предлагают другое объяснение. Оно заключается в том, что появление жизни произошло где-то в космосе, а затем распространилась по всей Вселенной посредством панспермии. Микроскопическая жизнь, застрявшая в мусоре, возникшем в результате космических столкновений, может путешествовать, находясь в неактивном состоянии в течение очень долгого времени. После чего, когда она прибудет в пункт назначения, где снова начнет развиваться. Таким образом, вся жизнь во Вселенной, в том числе и жизнь на Земле, на самом деле является одной и той же жизнью.
Видео Как появилась Вселенная
Как появилась Вселенная из ничего. Холодное рождение
Однако пути к подобному объединению можно обдумать на качественном уровне, и здесь появляются весьма интересные перспективы. Одну из них рассмотрел известный космолог, профессор Аризонского университета Лоуренс Краусс в своей недавно изданной книге «A Universe From Nothing» («Вселенная из ничего»). Его гипотеза выглядит фантастической, но отнюдь не противоречит установленным законам физики.
Считается, что наша Вселенная возникла из очень горячего начального состояния с температурой порядка 1032 кельвинов. Однако возможно представить и холодное рождение вселенных из чистого вакуума - точнее, из его квантовых флуктуаций. Хорошо известно, что такие флуктуации порождают великое множество виртуальных частиц, буквально возникших из небытия и впоследствии бесследно исчезнувших. Согласно Крауссу, вакуумные флуктуации в принципе способны давать начало столь же эфемерным протовселенным, которые при определенных условиях переходят из виртуального состояния в реальное.
Вопрос о том, как появилась Вселенная, всегда волновал людей. Это и не удивительно, ведь каждому хочется знать свои истоки. Над этим вопросом уже несколько тысячелетий бьются ученые, священники и писатели. Этот вопрос будоражит умы не только специалистов, но и каждого простого человека. Однако сразу стоит сказать, что стопроцентного ответа на вопрос о том, как появилась Вселенная, нет. Есть только теория, которую поддерживает большинство ученых.
- Вот ее мы и разберем.
Поскольку все, что окружает человека, имеет свое начало, то не удивляет тот факт, что с древних времен человек пытался найти начало Вселенной. У человека эпохи Средневековья ответ на этот вопрос был достаточно прост – Вселенную создал Бог. Однако с развитием науки ученые начали подвергать сомнению не только вопрос о Боге, но и вообще о том, что Вселенная имеет начало.
В 1929 году благодаря американскому астроному Хабблу ученые вернулись к вопросу о корнях Вселенной. Дело в том, что Хаббл доказал, что галактики, из которых состоит Вселенная, постоянно двигаются. Кроме движения они еще и могут увеличиваться, а значит, увеличивается и Вселенная. А если она растет, выходит так, что был когда-то этап старта этого роста. А это означает, что у Вселенной есть начало.
Чуть позже уже британский астроном Хойл выдвинул сенсационную гипотезу: Вселенная возникла в момент Большого Взрыва. Его теория так и вошла в историю под таким названием. Суть идеи Хойла проста и сложна одновременно. Он считал, что когда-то существовал этап, который называют состоянием космической сингулярности, то есть время стояло на отметке нуль, а плотность и температура равнялись бесконечности. И в один момент случился взрыв, в результате которого нарушилась сингулярность, а следовательно плотность и температура изменились, начался рост материи, а значит время начало свой отчет. Позже сам Хойл назвал свою теорию малоубедительной, однако это не помешало ей стать самой популярной гипотезой происхождения Вселенной.
Когда случилось то, что Хойл назвал Большим Взрывом? Ученые проводили множество расчетов, в результате большинство сошлось на цифре 13,5 миллиардов лет. Именно тогда из ничего начала появляться Всего за долю секунды Вселенная приобрела размер меньше атома, и процесс разрастания был запущен. Ключевую роль сыграла гравитация. Самое интересное, что если бы она была чуть сильнее, то ничего бы не возникло, максимум черная дыра. А если бы гравитация была немного слабее, то ничего бы не возникло вообще.
Через несколько секунд после Взрыва температура во Вселенной немного уменьшилась, что дало толчок созданию вещества и антивещества. В результате начали появляться атомы. Так Вселенная перестала быть однотонной. Где-то атомов было больше, где-то меньше. В одних частях было горячее, в других температура была ниже. Атомы начали сталкиваться друг с другом, образовывая соединения, затем новые вещества, а позже тела. Часть объектов обладала большой внутренней энергией. Это были звезды. Они начали собирать вокруг себя (благодаря силе притяжения) другие тела, которые мы называем планетами. Так возникли системы, одной из которых является наша Солнечная.
Большой взрыв. Проблемы модели и их разрешение
- Проблема крупномасштабности и изотропности Вселенной может быть разрешена благодаря тому, что на стадии инфляции расширение происходило необычайно высокими темпами. Из этого следует, что всё пространство наблюдаемой Вселенной – результат одной причинно-связанной области эпохи, предшествующей инфляционной.
- Разрешение проблемы плоской Вселенной. Это возможно потому, что на стадии инфляции происходит увеличение радиуса кривизны пространства. Эта величина такова, что позволяет современным параметрам плотности иметь значение, близкое к критическому.
- Инфляционное расширение ведёт к возникновению колебаний плотности с определённой амплитудой и формой спектра. Это даёт возможность развития этих колебаний (флуктуаций) в нынешнюю структуру Вселенной, сохраняя крупномасштабную однородность и изотропность. Это разрешение проблемы крупномасштабной структуры Вселенной.
Основным недостатком инфляционной модели можно считать её зависимость от теорий, которые ещё не доказаны и разработаны не до конца.
Например, модель базируется на теории единого поля, которая пока является просто гипотезой. Её невозможно проверить экспериментально в лабораторных условиях. Ещё один недостаток модели – непонятность, откуда взялась перегретая и расширяющаяся материя. Здесь рассматриваются три возможности:
- Стандартная теория Большого взрыва предполагает начало инфляции на самой ранней стадии эволюции Вселенной. Но тогда не разрешается проблема сингулярности.
- Вторая возможность – возникновение Вселенной из хаоса. Разные участки её имели различную температуру, поэтому в одних местах происходило сжатие, а в других – расширение. Инфляция должна была возникнуть в области Вселенной, которая была перегрета и расширялась. Но не ясно, откуда взялся первичный хаос.
- Третий вариант – квантово-механический путь, посредством которого возник сгусток перегретой и расширяющейся материи. Фактически, Вселенная возникла из ничего.
В 1926 году ученые поняли, что наша Галактика - не единственная во Вселенной, а спустя еще несколько лет Вселенная вдруг перестала быть статичной и вечной: оказалось, что она расширяется. Но какое будущее в таком случае ее ожидает? Возможно ли, что Вселенная возникла просто так из ничего? О том, к каким выводам пришла современная наука, рассказал известный американский ученый, физик и специалист в области космологии Лоуренс Краусс. T&P сделали конспект его лекции.
Какой формы Вселенная?
Сегодня с помощью телескопа «Хаббл» мы можем увидеть более 100 миллиардов галактик, и в каждой из них, возможно, сотни миллиардов звезд. Но как все это возникло? Почему есть нечто, а не ничто? Это основной вопрос для многих религий. Кажется, что такую огромную Вселенную кто-то должен был создать, что нельзя все это получить из ничего. Я хочу рассказать, почему это не так, почему все эти галактики и звезды могут возникнуть просто благодаря законам физики.
В 1926 году Эдвин Хаббл узнал, что наша Галактика - не единственная во Вселенной. А спустя еще три года он понял, что другие галактики отдаляются от нас. После этого поразительного открытия сразу стало казаться, что мы в центре Вселенной. Однако наблюдения Хаббла говорят о другом: Вселенная расширяется - неважно, из какой галактики вы за этим наблюдаете.
До 1929 года наука считала, что Вселенная статична и вечна. Но коль скоро теперь мы поняли, что она движется, то мы можем узнать, что было с ней в прошлом. У всех галактик единое начало: около 13,8 миллиарда лет назад все они были в одной точке, которую мы называем Большим взрывом. Но что станет с галактиками в будущем? Бесконечно ли расширение? Это вопрос, из-за которого я начал заниматься космологией и вообще пошел в физику.
Есть три варианта геометрии нашей Вселенной: она может быть закрытой, открытой или плоской. Имеется в виду не форма самой Вселенной, а то, как в ней выглядит плоскость, сравнимая с размером самой Вселенной. Например, если нарисовать сколь угодно большой треугольник в плоской Вселенной, то сумма его углов будет равна 180 градусам. В открытой Вселенной линии, по которым движется свет, изгибаются, поэтому сумма углов треугольника будет меньше 180 градусов. А в закрытой Вселенной сумма его углов, наоборот, будет больше 180 градусов.
Согласно теории относительности, закрытая Вселенная будет расширяться, а затем сжиматься обратно и в конце концов схлопнется, открытая Вселенная будет расширяться бесконечно, а плоская сначала будет расширяться, а затем очень постепенно замедлится и остановится. Если мы сможем определить, в какой Вселенной живем, то узнаем и наше будущее. Но как это сделать?
Темная материя
«Самая прекрасная эмоция, которую нам дано испытать, - ощущение тайны. Это основополагающая эмоция, стоящая у истоков всякого истинного искусства и науки».
Вселенная была создана не для нас, она была просто создана. Вселенной на нас наплевать. Мы сами наполняем нашу жизнь значением и смыслом.
Вопросы и ответы
У меня вопрос об инфляции. Вы сказали, что ее предсказали физики, которые занимаются физикой частиц. А какое отношение инфляция пространства имеет к физике частиц?
Физика частиц говорит о том, что ранняя Вселенная претерпела переход из одного фазового состояния в другое . Когда происходит этот фазовый переход, выделяется огромное количество энергии, что и привело к инфляции.
Предположим, что темная материя окажется все-таки частицей и мы сможем ее найти. Не окажется ли тот фундамент, на котором построена вся современная физика, ложным?
Физика элементарных частиц предсказывает наличие большого количества различных частиц. И открытие каждой новой частицы выводит стандартную модель за прежние границы. Если мы сможем найти темную материю - да, многие наши идеи окажутся неверными, и нам придется продумать и разработать новые законы. Но ученые готовы ошибаться. Многие из нас ходят на работу для того, чтобы доказать, что другие ученые ошибаются, - именно так и приходит известность.
Понятно, какими могут быть границы у закрытой Вселенной. Но мне не совсем понятно, какие границы у плоской Вселенной, в которой мы находимся.
У закрытой Вселенной нет границ. Возьмите воздушный шарик, нарисуйте на нем несколько точек и надувайте. Вселенная похожа на поверхность этого шарика: она не имеет границ, при этом расширяется так, что расстояние между точками постепенно увеличивается.
У меня вопрос, который возник при чтении книг Ричарда Докинза. Наш мозг эволюционно запрограммирован не для того, чтобы понимать Вселенную, а для того, чтобы решать бытовые вопросы. Не боитесь ли вы того, что в какой-то момент наука столкнется с границами возможностей мозга?
Может быть. Но я не боюсь. Так же, как я не боюсь жить в этой Вселенной, у которой нет никакого назначения. Да, могут быть какие-то ограничения у человеческого мозга, но мы не узнаем наверняка до тех пор, пока не попробуем. Именно поэтому нужно постоянно пытаться. И, как я понимаю, у нас пока не получилось уткнуться в какую-то стену. Может быть, у вас будут какие-то сложности, но ваши дети и внуки смогут преодолеть их. Мы постоянно идем дальше, мы постоянно преодолеваем эти границы. Наука именно тем и занимается, что выходит за границы.
Может быть, не очень по теме, но одна из причин, по которой я занимаюсь квантовыми компьютерами и искусственным интеллектом, в том, что, может быть, они смогут объяснить нам то, что сами мы понять не можем. Многих пугает искусственный интеллект, но я думаю, что он сможет стать лучшим физиком, чем мы.
- В какой роли вы видите искусственный интеллект в вашей области?
Понятия не имею. Я не прогнозирую ближе чем на 2 трлн лет. Каким будет будущее с искусственным интеллектом, зависит от нас. Мы должны думать о возможностях и быть готовыми к ним. Один из вариантов - что мы останемся без работы. Но зато мы сможем бесконечно ходить на научные конференции и слушать музыку. Я в данном случае пессимистически настроен, поскольку, честно говоря, не очень верю в человечество. Но посмотрим, что будет. Мы еще можем подготовиться.
- Возможно ли доказать, что мы живем в компьютерной симуляции?
Очень многие задают этот вопрос. Ответ: скорее всего, нет.
Во-первых, компьютерная симуляция никогда не является идеальной. Есть битые пиксели, в которых не работают законы природы. Но мы такого не видим. Может быть, в голове у президента Трампа есть такие пиксели, но в большинстве остальных случаев таких пикселей не наблюдается. Все работает согласно законам природы.
Во-вторых, говоря о том, что мы внутри симуляции, мы должны задать вопрос: что нас создало? А наших создателей? Идея, что наше существование - это компьютерная симуляция, - просто еще одна версия вопроса о том, кто создал Вселенную.
Но мне как физику вообще неважно, в симуляции я или нет, - мне интересно, по каким законам она создана.
Если вы хотите доказать, что наш мир - симуляция, ищите баги в программе. Может быть, в будущем мы их найдем, пока - нет.
Вселенная расширяется. Бесчисленное количество космических объектов отдаляются от нас все быстрее и быстрее. Значит ли это, что наши шансы найти в этой Вселенной другие цивилизации все уменьшаются и уменьшаются?
Во-первых, до того, как другие галактики окончательно пропадут из виду, у нас еще 2 трлн лет - за это время можно найти внеземную цивилизацию. Во-вторых, даже через 2 трлн лет у нас будет наша Галактика - потому что сами галактики не расширяются .
Если все появилось из ничего, каким образом 13 млрд лет назад это ничто решило сделать Большой взрыв? И почему Большой взрыв не происходит сейчас?
Ответ на первый вопрос - я не знаю. Именно поэтому я занимаюсь наукой.
Что касается второго вопроса. Большие взрывы могут происходить прямо сейчас, в других пространствах. Прямо перед вами может появиться пространство, но оно очень быстро будет отделено от нашей Вселенной. В мультивселенной постоянно могут происходить большие взрывы, появляться и схлопываться вселенные.
- Не конфликтует ли то, о чем вы нам рассказали, с законом сохранения энергии?
Честно говоря, не конфликтует. Если посмотреть на сотни миллионов звезд и галактик, то в них очень много энергии. Но нужно просто добавить в это уравнение гравитационное притяжение, и общая результирующая энергия всей нашей Вселенной, всего вещества, будет равна нулю. Таким образом, энергия сохраняется. Поразительно, да?
- Можно ли создать модель такой вселенной, законы физики в которой были бы невозможны в нашей Вселенной?
Я именно этим чаще всего и занимаюсь. Я физик-теоретик, я постоянно создаю модели, которые описывают разные вселенные. Нужно понимать, что в большинстве случаев я ошибаюсь. У меня были потрясающе красивые, очень хорошие теории, которые оказались неверными. Но, может быть, раз в жизни я случайно окажусь прав (как это было с идеей, что Вселенная расширяется с ускорением).
Поиск важнее, чем сама реальность. Наша жизнь похожа на миф о Сизифе, у нас нет выбора. Мы можем впасть в депрессию - а можем наслаждаться поиском.
Если в разных вселенных образуются разные законы физики, существует ли какой-то высший закон физики над ними всеми, по которому образуются эти разные законы?
То есть метазаконы? Может быть. Кто знает… Это возможно. В каких-то теориях, например теории струн. Но сейчас нет доказательств. Может быть, там действуют законы математики. Я не знаю, чего ожидать. Но это не доказывает, конечно же, существование какого-либо бога.
Вы живете в стране, где политику нежелательно признаваться в том, что он атеист, для того чтобы не потерять рейтинг. А мы живем в стране, где около 70–80% людей считают себя людьми религиозными, ничего не знают и знать не хотят про теорию Большого взрыва. Как вы считаете, что должно произойти, для того чтобы расстановка сил в мире поменялась?
Честно говоря, мне без разницы, религиозны люди или нет. Когда я вижу людей, которые считают, что миру 5 или 6 тысяч лет, я не считаю, что они глупы. Мне кажется, им просто не хватает знаний. Людям старшего поколения уже поздно меняться, но я надеюсь на молодых людей. Я хочу, чтобы молодые люди думали, а не только чувствовали. И дело даже не в фактах, потому что факты вы в большом количестве найдете в своем смартфоне - но они могут быть неверными. Самое важное - научить людей задавать вопросы и отличать истинное от ложного. Я думаю, преподавание наук в школе побуждает молодых людей к этому.
Учитель физики в школе говорил мне, что спрашивать, чтó было до Большого взрыва - это как бы моветон, потому что в точке сингулярности не действуют законы физики. Он говорил, что все будут смеяться, если я кого-то спрошу об этом. Но при этом всю лекцию вы только об этом и говорили. Поэтому у меня вопрос: ограниченны ли вообще возможности человеческого познания?
Вопрос хороший, но ответ вам не понравится. Нет никакого «до», потому что само время возникло во время Большого взрыва. Это очень сложно представить. Но вопрос «Что было до Большого взрыва?» может просто не иметь значения. И нашему сознанию, может быть, не хватает возможностей для того, чтобы понять этот вопрос и ответить на него.
Но я бы хотел, чтобы вы продолжали задавать вопросы и поражаться Вселенной такой, какая она есть. Неважно, если вы понимаете не все. Цените ее за то, что она больше, чем вы можете понять. Нужно постоянно смотреть вперед, потому что Вселенная нас может очень многому научить.
Литература
Краусс Л. Все из ничего. М.: Альпина нон-фикшн, 2019.
Краусс Л. Страх физики. Сферический конь в вакууме. СПб.: Питер, 2016.
Краусс Л. Почему мы существуем? Величайшая из когда-либо рассказанных историй. М.: Альпина нон-фикшн, 2018.
Краусс Л. Вселенная из ничего. Почему не нужен Бог, чтобы из пустоты создать Вселенную. М.: АСТ, 2016.
Lens-Like Action of a Star by the Deviation of Light in the Gravitational Field. Albert Einstein Science, New Series, Vol. 84, No. 2188. (Dec. 4, 1936), pp. 506–507.
Благодарим Марию Ломаеву за помощь в подготовке конспекта.
Мы публикуем сокращенные записи лекций, вебинаров, подкастов - то есть устных выступлений. Мнение спикера может не совпадать с мнением редакции. Мы запрашиваем ссылки на первоисточники, но их предоставление остается на усмотрение спикера.
Сейчас существует огромное количество предположений о возможном происхождении Вселенной. Но ни одно из них не может дать четкого ответа на главный вопрос о том, как появилась .
Парадоксальным остается тот факт, что после изучения и анализа одной из теорий и при нахождении в ней достаточного количества убедительных суждений, вникание в другую теорию также предоставляет немалое количество аргументов.
Именно поэтому поиск однозначного ответа на этот вопрос длится много лет.
На данный момент есть 3 основные теории возникновения Вселенной:
- теологическая;
- теория «Большого взрыва»;
- научно-философская теория.
Теологический подход
Если рассматривать одну из древнейших теорий происхождения Вселенной, описанной в Библии, то происхождение мира датируется 5508 годом до рождества Христова.
Теологическая точка зрения о происхождении мира известна давно, но ее сторонниками являются в основном глубоко верующие люди и духовенство.
Эта теория наиболее часто подвергается критике ученых, которые совершенно иначе смотрят на происхождение мира и его структуру.
Если обратиться к толковому словарю, то мы там прочитаем, что Вселенная – это мировоззренческая система, включающая в себя космическую бесконечность и все тела, находящиеся в ней.
Более альтернативным определением понятия «Вселенная» является «сгусток звездных тел и галактик».
Большой взрыв – начало Вселенной
С научной точки зрения самой популярной теорией, объясняющей возникновение Вселенной, является так называемая теория «Большого взрыва».
Эта версия гласит, что около 20 млрд. лет назад Вселенная имела вид небольшой песчинки. Но несмотря на мизерные размеры этой субстанции, ее плотность составляла более 1100 г/см3 . Естественно, что на тот момент в состав этой субстанции не входили звезды, планеты или галактики. Она представляла лишь некий потенциал для создания многих небесных тел.
Высокая плотность стала причиной взрыва, который смог поделить песчинку на миллионы частей, из которых и образовалась Вселенная.
Есть и другая теория возникновения Вселенной. Ее суть перекликается с теорией «Большого взрыва». Исключением является только тот факт, что во второй теории Вселенная предположительно возникла не из вещества, а из вакуума. Другими словами, мир возник в результате взрыва в вакууме.
Слово "вакуум" переводится с латинского как "пустота", но под пустотой принято понимать не общепринятый смысл этого слова, а определенное состояние, в котором находится все сущее. Вакууму свойственно изменять свою структуру так, как это делает вода, превращаясь в твердое вещество или газ. В процессе одного из таких переходов из одного состояния в другое и возник взрыв, зародивший Вселенную.
Разработка теории «Большого взрыва» позволила ответить на многие важные вопросы, но вместе с тем поставила перед учеными еще больше новых. Например, что привело к нестабильности точки сингулярности и какое состояние имела частица до большого взрыва? Одной из главных загадок остается возникновение и природа пространства и времени.
Научно-философская теория
Кроме теологической и научной гипотез, дающих объяснение возникновению Вселенной, есть еще и научно-философский подход к этому вопросу.
Научно-философская теория рассматривает создание Вселенной определенным разумным Началом. Такой подход подразумевает непостоянное существование мира, так как есть фиксируемая точка начала. Также теория описывает постоянный рост и развитие Вселенной. Такие выводы сделали ученые, занимающиеся изучением состава и сияния звездных тел.
«Исследования Млечного пути, проведенные в 30-х годах ХХ века, установили, что звездное сияние смещено в сторону красной области спектра и чем более удалена звезда от Земли, тем больше оно выражено. Именно этот факт стал основанием для выводов ученых о постоянном росте и расширении Вселенной».
Вселенная, фото которой постоянно делают ученые, постоянно видоизменяется.
Еще одним фактом, подтверждающим расширение Вселенной, является явление под названием «смерть» звезды.
По химическому составу тело звезды состоит из водорода, который принимает участие во многих реакциях и превращается в более тяжелые элементы. После вступления в реакцию большей части водорода наступает «смерть» звезды. В некоторых теориях утверждается, что планеты являются результатом этого явления.
Эти исследования подтвердили еще одно предположение: водородный распад – природный и необратимый процесс, а Вселенная движется к своему концу.
Заметка: Добавка (присадка) в коробку передач поможет продлить срок службы вашего автомобиля. Купить присадку вы можете на сайте forumyug.ru по доступной цене.
Сложно представить время за 13,7 миллиардов лет до сегодняшнего дня, когда вся Вселенная представляла собой сингулярность. Согласно теории Большого взрыва, один из главных претендентов на роль объяснения того, откуда появилась Вселенная и вся материя в космосе - 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.
По теории относительности Эйнштейна, время появилось на свет ровно в тот момент, когда сингулярность начала расширяться и вышла за пределы сжатой бесконечности. Спустя десятилетия после смерти Эйнштейна развитие квантовой физики и множество новых теорий возобновили споры о природе Вселенной до Большого взрыва. Давайте посмотрим.
Браны, циклы и другие идеи
«А Бог плюнул, ушел и хлопнул дверью,
Мы были за ним - а дверей уже нет».
А. Непомнящий
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, 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.