Что на самом деле произошло при рождении нашей Вселенной?

30.08.2022
0
9 мин
156
Что на самом деле произошло при рождении нашей Вселенной?

Приветствую вас, друзья!

Сегодня я бы хотел рассказать вам что на самом деле произошло при рождении нашей Вселенной.

Потребовалось чуть больше семи дней, чтобы создать Вселенную, какой мы ее знаем сегодня.

Наша Вселенная родилась около 13,7 миллиардов лет назад в результате массивного расширения, которое взорвало пространство, как гигантский воздушный шар.

Вкратце это и есть теория Большого взрыва, которую поддерживают практически все космологи и физики-теоретики.

Доказательства, подтверждающие эту идею, обширны и убедительны.

Мы знаем, например, что Вселенная продолжает расширяться даже сейчас с постоянно ускоряющейся скоростью.

Ученые также обнаружили предсказанный тепловой отпечаток Большого взрыва, пронизывающий Вселенную космическим микроволновым фоновым излучением.

И мы не видим никаких объектов явно старше 13,7 миллиардов лет, что позволяет предположить, что наша Вселенная возникла примерно в это время.

«Все это ставит теорию Большого взрыва на чрезвычайно прочную основу», — сказал астрофизик Алекс Филиппенко (Alex Filippenko) из Калифорнийского университета в Беркли.

«Большой взрыв — чрезвычайно успешная теория».

Так чему же учит нас эта теория?

Что на самом деле произошло при рождении нашей Вселенной и как она приняла форму, которую мы наблюдаем сегодня?

Что на самом деле произошло при рождении нашей Вселенной

Начало

Традиционная теория Большого взрыва утверждает, что наша Вселенная началась с сингулярности — точки с бесконечной плотностью и температурой, природу которой нашему разуму трудно понять.

Однако это может не совсем точно отражать реальность, говорят исследователи, потому что идея сингулярности основана на общей теории относительности Эйнштейна (Einstein).

«Проблема в том, что нет никаких оснований верить в общую теорию относительности в этом режиме», — сказал Шон Кэрролл (Sean Carroll), физик-теоретик из Калифорнийского технологического института.

«Это будет неправильно, потому что не принимает во внимание квантовую механику.

А квантовая механика, безусловно, будет важна, как только вы доберетесь до этого места в истории Вселенной».

Так что самое начало Вселенной остается довольно туманным.

Ученые считают, что они могут воспроизвести историю примерно через 10 минус 36 секунд — одну триллионную от триллионной триллионной доли секунды — после Большого взрыва.

В этот момент, как они считают, Вселенная претерпела чрезвычайно короткий и драматический период инфляции, расширяясь быстрее скорости света.

Она удвоилась в размере, возможно, в 100 или более раз, и все это в течение нескольких крошечных долей секунды.

Может показаться, что инфляция нарушает специальную теорию относительности, но это не так, говорят ученые.

Специальная теория относительности утверждает, что никакая информация или материя не могут переноситься между двумя точками в пространстве со скоростью, превышающей скорость света.

Но инфляция была расширением самого пространства.

«Инфляция была «взрывом» Большого взрыва», — сказал Филиппенко.

«До инфляции существовало совсем немного вещества, которое, вполне возможно, немного расширялось».

«Нам нужно было что-то вроде инфляции, чтобы сделать Вселенную большой».

Теория гласит, что эта быстро расширяющаяся Вселенная была практически лишена материи, но содержала огромное количество темной энергии.

Темная энергия — это таинственная сила, которая, по мнению ученых, является движущей силой нынешнего ускоряющегося расширения Вселенной.

Во время инфляции темная энергия заставляла Вселенную сглаживаться и ускоряться.

Но это не задержалось надолго.

«Это была просто временная темная энергия», — сказал Кэрролл.

«Она превратилась в обычную материю и излучение посредством процесса, называемого повторным нагревом.

Вселенная превратилась из холодной во время инфляции в снова горячую, когда вся темная энергия исчезла».

Ученые не знают, что могло вызвать инфляцию.

По словам Филиппенко, это остается одним из ключевых вопросов космологии Большого взрыва.

На этом графике показана временная шкала Вселенной

На этом графике показана временная шкала Вселенной, основанная на теории Большого взрыва и моделях инфляции.

Большой отскок

Большинство космологов считают инфляцию ведущей теорией для объяснения характеристик Вселенной — в частности, того, почему она относительно плоская и однородная, с примерно одинаковым количеством вещества, равномерно разбросанным во всех направлениях.

Различные доказательства указывают на то, что инфляция является реальностью, сказал физик-теоретик Энди Альбрехт (Andy Albrecht) из Калифорнийского университета в Дэвисе.

«Все они прекрасно сочетаются с инфляционной картиной», — сказал Альбрехт, один из создателей теории инфляции.

«Инфляция сделала невероятно хорошо».

Однако инфляция — не единственная идея, пытающаяся объяснить структуру Вселенной.

Теоретики придумали другую, названную циклической моделью, которая основана на более ранней концепции, называемой экпиротической вселенной.

Эта идея утверждает, что наша Вселенная не возникла из одной точки или чего-то подобного.

Скорее, она отскочила в сторону расширения — гораздо более спокойными темпами, чем предсказывает теория инфляции — из ранее существовавшей Вселенной, которая сжималась.

Если эта теория верна, наша Вселенная, вероятно, претерпела бесконечную череду взрывов и схлопываний.

«Начало нашей вселенной было бы прекрасным и конечным», — сказал Берт Оврут (Burt Ovrut) из Пенсильванского университета, один из создателей экпиротической теории.

Циклическая модель утверждает, что наша Вселенная состоит из 11 измерений, только четыре из которых мы можем наблюдать (три пространственных и одно временное).

Наша четырехмерная часть Вселенной называется браной (сокращение от мембраны).

Идея гласит, что в 11-мерном пространстве могут скрываться и другие браны.

Столкновение двух бран могло привести к тому, что Вселенная перешла от сжатия к расширению, спровоцировав Большой взрыв, свидетельство которого мы наблюдаем сегодня.

На этом изображении всего неба космического микроволнового фона

На этом изображении всего неба космического микроволнового фона, созданном спутником Европейского космического агентства «Планк», видны отголоски Большого взрыва, оставшиеся со времен зарождения Вселенной.

Вселенная, которую мы знаем, обретает форму

Вселенная, которую мы знаем, обретает форму

Но во-первых, как наша Вселенная возникла из ничего?

Космологи подозревают, что четыре силы, управляющие Вселенной — гравитация, электромагнетизм, слабое и сильное ядерное взаимодействие — были объединены в единую силу при рождении Вселенной, сжатые вместе из-за связанных с этим экстремальных температур и плотностей.

Но все изменилось, когда Вселенная расширилась и остыла.

Примерно во время инфляции сильное взаимодействие, вероятно, отделилось.

И примерно через 10 триллионных долей секунды после Большого взрыва электромагнитное и слабое взаимодействия также стали различаться.

Сразу после инфляции Вселенная, вероятно, была заполнена горячей плотной плазмой.

Но примерно за 1 микросекунду (от 10 до минус 6 секунд) или около того она достаточно остыла, чтобы позволить сформироваться первым протонам и нейтронам, считают исследователи.

В первые три минуты после Большого взрыва эти протоны и нейтроны начали сливаться вместе, образуя дейтерий (также известный как тяжелый водород).

Затем атомы дейтерия соединились друг с другом, образовав helium-4 (гелий-4).

Рекомбинация: Вселенная становится прозрачной

Рекомбинация: Вселенная становится прозрачной

Все эти недавно созданные атомы были заряжены положительно, поскольку Вселенная была еще слишком горячей, чтобы способствовать захвату электронов.

Но все изменилось примерно через 380 000 лет после Большого взрыва.

В эпоху, известную как рекомбинация, ионы водорода и гелия начали захватывать электроны, образуя электрически нейтральные атомы.

Свет значительно рассеивается на свободных электронах и протонах, но гораздо меньше на нейтральных атомах.

Так что теперь фотоны могли свободно путешествовать по Вселенной.

Рекомбинация резко изменила облик Вселенной — это был непрозрачный туман, а теперь он стал прозрачным.

Космическое микроволновое фоновое излучение, которое мы наблюдаем сегодня, относится к этой эпохе.

Но, тем не менее, Вселенная долгое время была довольно темной после рекомбинации, по-настоящему осветившись только тогда, когда первые звезды начали сиять примерно через 300 миллионов лет после Большого взрыва.

Они помогли отменить многое из того, что было достигнуто рекомбинацией.

Эти ранние звезды — и, возможно, некоторые другие загадочные источники — испускали достаточно радиации, чтобы расщепить большую часть водорода во Вселенной обратно на составляющие его протоны и электроны.

Этот процесс, известный как реионизация, кажется, завершился примерно через 1 миллиард лет после Большого взрыва.

Вселенная сегодня не непрозрачна, как это было до рекомбинации, потому что она так сильно расширилась.

По словам ученых, вещество во Вселенной очень разбавлено, поэтому взаимодействия, связанные с рассеянием фотонов, относительно редки.

Со временем звезды притягивались друг к другу, образуя галактики, что приводило к образованию все более крупномасштабных структур во Вселенной.

Планеты объединились вокруг некоторых недавно образовавшихся звезд, включая наше собственное Солнце.

А 3,8 миллиарда лет назад на Земле зародилась жизнь.

До Большого взрыва

В то время как многое о первых мгновениях Вселенной остается спекулятивным, вопрос о том, что предшествовало Большому взрыву, еще более загадочен и труден для решения.

Во-первых, сам вопрос может быть бессмысленным.

Если Вселенная возникла из ничего, как считают некоторые теоретики, то Большой взрыв отмечает момент, когда началось само время.

В этом случае не было бы такого понятия, как «раньше», сказал Кэрролл.

Но некоторые концепции рождения Вселенной могут предложить возможные ответы.

Циклическая модель, например, предполагает, что нашей расширяющейся Вселенной предшествовала сжимающаяся Вселенная.

Кэрролл тоже может вообразить, что что-то существовало до Большого взрыва.

«Это могло быть просто пустое пространство, которое существовало до того, как произошел наш Большой взрыв, а затем какая-то квантовая флуктуация породила вселенную, подобную нашей», — сказал он.

«Вы можете представить себе небольшой пузырь пространства, оторвавшийся в результате флуктуации и наполнившийся крошечной каплей энергии, которая затем может вырасти во вселенную, которую мы видим благодаря инфляции».

Филиппенко также подозревает, что что-то в этом роде может быть правдой.

«Я думаю, что время в нашей Вселенной началось с Большого взрыва, но я думаю, что мы были отклонением от предшественника, материнской вселенной», — сказал Филиппенко.

Узнаем ли мы когда-нибудь?

Узнаем ли мы когда-нибудь?

Миссия Европейского космического агентства «Планк», которая вращалась вокруг Земли с 2009 по 2013 год, помогла космологам уточнить свои представления о природе нашей Вселенной и ее происхождении.

Подробная карта космического микроволнового фона, созданная космическим кораблем, показала, что наша Вселенная, даже если она возникла от предшественницы, вряд ли снова сожмется в будущем, сказал астрофизик Дэйв Клементс (Dave Clements) из Имперского колледжа Лондона.

«Планк не может полностью исключить концепцию прыгающей Вселенной, но, учитывая текущие значения космологических параметров, наша Вселенная не собирается снова коллапсировать», — сказал Клементс.

«Компонент темной энергии, который в данный момент ускоряет расширение Вселенной, должен измениться, чтобы обратить это расширение вспять и привести к большому сжатию».

Используя данные Планка, ученые смогли уточнить свои оценки возраста Вселенной, а также количества видимой материи, темной материи и темной энергии в ней.

По словам Клементса, миссия не преподнесла никаких сюрпризов и в основном подтвердила существующие теории.

«Это показывает, что это максимально скучная вселенная», — сказал Клементс.

Тем не менее, по его результатам возникло несколько новых вопросов.

Например, постоянная Хаббла, описывающая скорость расширения Вселенной, незначительно отличается, измеренная Планком в далекой Вселенной, по сравнению с ее значением, полученным космическим телескопом Хаббла на основе измерений в ближней Вселенной, сказал Клементс.

Вся эта информация помогает космологам лучше моделировать эволюцию Вселенной и приближаться к ответам на важные вопросы о происхождении всего сущего.

Предстоящая миссия Европейского космического агентства под названием Euclid, запуск которого запланирован на 2023 год, как ожидается, предпримет дальнейшие шаги в этом направлении.

Что дальше?

Миссия Euclid рассмотрит, как скопления и галактики разбросаны по Вселенной в больших масштабах, чтобы помочь астрономам лучше понять эффекты темной энергии.

Он также будет изучать то, что астрономы называют слабым гравитационным линзированием — искривление света, вызванное гравитационным притяжением очень массивных объектов.

Поскольку более 80% материи во Вселенной невидимы, сила линзирования может дать астрономам подсказки о распределении темной материи.

«Евклид сможет измерить это в гораздо больших масштабах, возможно, почти на половине внегалактического неба или даже больше», — сказал Клементс.

Дальнейшие части этой космической головоломки могут появиться при изучении гравитационных волн, ряби в пространстве-времени, возникающей при столкновениях сверхмассивных объектов, таких как черные дыры и нейтронные звезды.

Клементс сказал, что гравитационные волны должны были возникнуть во время инфляции, периода быстрого расширения в первые моменты существования Вселенной.

Таким образом, обнаружение этих ранних гравитационных волн и расшифровка их свойств могут дать беспрецедентные знания о рождении Вселенной.

«Это расскажет нам кое-что о физике, которая привела к раннему очень быстрому расширению Вселенной», — сказал Клементс.

«Мы действительно возвращаемся к самым ранним моментам, и если мы лучше поймем инфляцию, мы надеемся, что сможем лучше понять, был ли Большой взрыв единичным событием или эта скачкообразная идея может быть правильной».

Если у вас остались вопросы или вы хотите оставить комментарий по этой статье - напишите его в разделе комментариев ниже.

До скорых встреч! Заходите!

Средний балл: 0