Как появилась Вселенная, которую мы знаем?

31.05.2023
10
13 мин
587
Как появилась Вселенная, которую мы знаем?

Здравствуйте, друзья дорогие!

Сегодня я бы хотел поговорить о том, как появилась Вселенная, которую мы знаем, видим на сколько можем и ощущаем.

Из всех вопросов, которые мы можем придумать о Вселенной, пожалуй, самый грандиозный из всех — спросить, откуда все это взялось в первую очередь?

Это не простой вопрос, потому что для того, чтобы понять, откуда что-то взялось, мы должны сначала точно знать, что это такое.

Точно так же мы должны достаточно хорошо понимать законы физики, чтобы быть в состоянии рассчитать результат физической системы, которая начинается с определенного набора начальных условий.

Только исходя из этих отправных точек, мы можем определить возможные пути того, как вещи стали такими, какие они есть сегодня, и выяснить, какие из них делают предсказания, согласующиеся со Вселенной, в которой мы живем.

Однако при рассмотрении этого примечательно следующее: независимо от того, когда в прошлом или будущем мы задали бы этот вопрос, научный подход к нему всегда приводил бы к одной и той же космической истории.

Сегодня мы невероятно далеко отодвинули границы, определив происхождение планет, звезд, элементов, атомов и многого другого.

Мы обнаружили неопровержимые доказательства горячего Большого взрыва и даже информацию, которая подводит нас к этому грандиозному моменту творения.

Несмотря на все, что мы знаем, есть некоторые эпические неизвестные, которые в настоящее время не имеют решения.

Вот где мы находимся сегодня.

Млечный Путь, изображенный здесь над североамериканскими колдунами

Млечный путь, изображенный здесь над североамериканскими худу, долгое время был источником благоговейного трепета для человечества. Там, в глубинах космоса, у звезд есть свои собственные планеты, подчиняющиеся одним и тем же законам физики, и хотя они имеют различный состав, все они очень похожи на Солнце.

Сегодня, когда мы смотрим на Вселенную за пределы нашей Земли, возникает великолепная и довольно полная картина.

Мы знаем, что наша планета, как и любая другая планета во Вселенной, состоит из атомов.

Газообразная атмосфера окутывает твердый центр, состоящий из самых плотных, самых тяжелых атомов.

Более легкие слои плавают поверх более плотных, что приводит к луковицеобразной композиционной структуре для каждой планеты, карликовой планеты и луны, достаточно изученных на данный момент.

Планеты свободно перемещаются по галактике, а также вращаются вокруг звезд, которые в своих ядрах превращают более легкие элементы в более тяжелые.

Когда у звезды заканчивается топливо, ее ядро сжимается и нагревается.

Если оно станет достаточно горячим и плотным, следующий набор элементов в цепочке продолжит сплавляться — в противном случае звезда превращается в звездный остаток: осторожно в одних случаях и катастрофически в других.

В более крупных масштабах звезды группируются в более крупные скопления, известные как галактики, причем галактики объединяются в группы, скопления и даже более крупные сверхструктуры.

Все вместе они образуют структуру, известную как космическая паутина, где галактики расположены вдоль нитей, сгруппированных вместе на стыках этих нитей, и где эта структура разделена огромными, пустыми космическими пустотами.

В космической паутине, которую мы видим

В космической паутине, которую мы видим, самой крупномасштабной структуре во всей Вселенной, преобладает темная материя. Однако в меньших масштабах барионы могут взаимодействовать друг с другом и с фотонами, что приводит к образованию звездной структуры, но также приводит к излучению энергии, которая может быть поглощена другими объектами. Ни темная материя, ни темная энергия не могут выполнить эту задачу — наша Вселенная должна обладать смесью темной материи, темной энергии и обычной материи.

Вот что такое Вселенная.

Однако, если мы хотим знать, как это произошло, мы должны применить законы физики ко Вселенной и проследить эволюцию физических систем, которые, как мы знаем, существуют.

Например:

  • Мы знаем, как работает гравитация — у нас есть законы общей теории относительности, которые управляют ею, поэтому везде, где у вас есть масса или энергия, у вас есть явление гравитации;
  • Мы знаем, как работает электромагнетизм — где бы у вас ни был электрически заряженный объект, движущийся или покоящийся, или электромагнитная волна (например, фотон), в игру вступает электромагнитная сила;
  • Мы знаем, как работают ядерные взаимодействия, в том числе как кварки и глюоны связываются вместе, образуя протоны и нейтроны, как протоны и нейтроны связываются вместе, образуя атомные ядра, и как нестабильные ядра (а также другие комбинации кварков и / или антикварков, помимо протонов и нейтронов) радиоактивно распадаются;
  • И мы знаем, как эволюционировать во времени любую физическую систему, с которой мы начинаем.

Проще говоря, если вы даете физику набор начальных условий, описывающих вашу систему, он может записать уравнения, которые управляют эволюцией этой системы, и может сказать вам — в пределах неопределенности и индетерминизма, присущих природе — что результат (или вероятностный набор результатов) этой системы будет в любой момент в будущем.

Способ, которым атомы соединяются с образованием молекул

Способ, которым атомы соединяются с образованием молекул, включая органические молекулы и биологические процессы, возможен только благодаря правилу исключения Паули (Pauli), которое управляет электронами, запрещая любым двум из них занимать одно и то же квантовое состояние.

Тогда откуда все это взялось?

Имеет смысл начать с Земли: изобилующей сложной, дифференцированной и даже разумной жизнью, с атмосферой, океанами и слоистой внутренней структурой с корой, мантией, внешним и внутренним ядром.

На простом уровне Земля состоит из атомов.

Однако на более сложном уровне Земля состоит из полного набора атомов, составляющих периодическую таблицу Менделеева, и в первую очередь из железа, кислорода, кремния, магния, серы, никеля, кальция и алюминия.

Это интересно, потому что это чрезвычайно тяжелые элементы, в отличие от самых легких: водорода и гелия.

Но водород и гелий, когда мы исследуем космос, находятся повсюду.

На самом деле их так много, что они составляют более 99% атомов во Вселенной — менее 1% атомов там по количеству имеют что-то более тяжелое.

Итак, чтобы создать планету, подобную Земле, состоящую из камней, металлов, льда и сложных молекул, вам нужен какой—то способ создать эти более тяжелые элементы, а затем собрать их вместе в одном месте в достаточном количестве, чтобы образовать планеты.

К счастью, когда мы вглядываемся во Вселенную, мы видим те самые процессы, которые необходимы для того, чтобы это происходило в действии.

Основной источник изобилия каждого из элементов, встречающихся сегодня во Вселенной

Основной источник изобилия каждого из элементов, встречающихся сегодня во Вселенной. «Маленькая звезда» — это любая звезда, которая недостаточно массивна, чтобы стать сверхгигантом и превратиться в сверхновую — многие элементы, приписываемые сверхновым, могут быть лучше созданы в результате слияния нейтронных звезд.

Внутри звезд происходит ядерный синтез, в результате которого из более легких элементов образуются более тяжелые.

Ближе к концу своей жизни эти звезды, в зависимости от их масс:

  • становятся красными гигантами, приводя к новым ядерным процессам, которые не происходят в течение большей части их жизни,
  • развивают сильные ветры, которые могут сдуть значительную часть массы звезды,
  • могут погибнуть в планетарной туманности, при этом оставшееся ядро сжимается до белого карлика,
  • могут погибнуть в результате коллапса ядра сверхновой, при котором взрывающийся остаток становится либо нейтронной звездой, либо черной дырой,
  • и эти остатки, либо белые карлики, либо нейтронные звезды, позже могут столкнуться, запуская безудержные реакции, которые создают еще большее количество более тяжелых элементов.

Это объясняет, почему — в соответствии с наблюдениями — мы можем обнаружить популяции звезд, где ранее сформировалось меньше поколений, как, например, во внешнем гало Млечного Пути, и в них меньше содержание тяжелых элементов.

Аналогичным образом, существуют популяции звезд, где сформировалось большее число поколений звезд, например, в плоскости галактики, ближе к центру галактики, и в них больше тяжелых элементов.

Кроме того, недавно мы получили прямое изображение дисков, которые формируются вокруг новых звезд: протопланетных дисков.

Внутри мы находим промежутки, скопления и другие свидетельства существования молодых, недавно формирующихся планет.

После поколений звезд, которые жили-и-умерли, новое поколение звезд, богатое переработанными материалами от ранее умерших поколений, дало начало планетам, в том числе каменистым, с ингредиентами для жизни.

Выборка из 20 протопланетных дисков вокруг молодых звезд

Выборка из 20 протопланетных дисков вокруг молодых звезд, измеренных проектом «Проект дисковых подструктур с высоким угловым разрешением» (Disk Substructures at High Angular Resolution Project: DSHARP). Наблюдения, подобные этим, научили нас тому, что протопланетные диски формируются в основном в одной плоскости и, как правило, поддерживают сценарий образования планет в результате аккреции ядра. Дисковые структуры видны как в инфракрасном, так и в миллиметровом/субмиллиметровом диапазонах длин волн.

На самом деле, когда мы заглядываем дальше в далекую Вселенную, мы можем видеть, что эволюционирует не только изобилие тяжелых элементов, но и сами галактики.

Поблизости мы находим крупные спиральные и эллиптические галактики, сильно сгруппированные вместе, с низкими скоростями звездообразования, большими массами, относительно небольшим количеством газа и в целом большей долей красных звезд, чем голубых.

Но по мере того, как мы смотрим все дальше и дальше, мы замечаем два основных различия в галактиках, которые мы видим.

  1. Чем дальше находится галактика, тем менее она развита. Менее массивная, менее сгруппированная, со звездообразованием, которое достигло своего пика около ~11 миллиардов лет назад и с тех пор сокращается, богатая газом, с меньшим содержанием тяжелых элементов и с большим относительным соотношением синих звезд к красным по сравнению с современными галактиками;
  2. Кроме того, чем дальше находится галактика, тем сильнее ее свет систематически смещается в сторону более длинных волн: космологическое красное смещение.

Второе свойство, если учесть общую теорию относительности, приводит нас к выводу, что Вселенная расширяется.

Расширение приводит к тому, что весь свет проявляет космологическое красное смещение при прохождении через межгалактическое пространство, поэтому объекты, которые находятся все дальше и дальше, будут обладать большим красным смещением, будет казаться, что они удаляются от нас быстрее, и — возможно, самое главное — мы будем видеть их такими, какими они были долгое время назад, поскольку свет может двигаться только с конечной скоростью: со скоростью света.

Галактики, сравнимые с современным Млечным Путем

Галактики, сравнимые с современным Млечным Путем, многочисленны на протяжении всего космического времени, в настоящее время они увеличились в массе и имеют более развитую структуру. Молодые галактики по своей природе меньше, голубее, хаотичнее, богаче газом и имеют меньшую плотность тяжелых элементов, чем их современные аналоги, и их истории звездообразования эволюционируют с течением времени. Это не было открыто или хорошо известно до 1960-х годов, когда мы начали видеть большое количество галактик гораздо более раннего периода нашей космической истории.

Но тот факт, что галактики растут и эволюционируют с течением времени, указывает на нечто весьма глубокое: если мы сможем оглянуться назад достаточно рано, мы могли бы обнаружить популяцию «первых» звезд и галактик, а за ее пределами вообще не было бы звезд или галактик.

Если Вселенная такова:

  • расширяется,
  • охлаждается
  • и становится гравитационно «более плотной» с течением времени,

тогда это говорит нам о том, что на ранней стадии Вселенная была меньше, плотнее, горячее и более однородной, чем сегодня.

Мы можем экстраполировать события назад, используя эту логику и применяя соответствующую физику, насколько нам заблагорассудится.

Когда мы это делаем, то получаем экстраординарный набор предсказаний.

  1. Вселенная будет развивать такие структуры, как галактики, скопления галактик и космическая паутина, только в соответствии с правилами гравитационного роста в расширяющейся Вселенной;
  2. Наступит эпоха, когда сформируются первые звезды и галактики — до этого будет только первозданный газ;
  3. Еще до этого наступит время, когда излучение во Вселенной будет настолько горячим, что образование нейтральных атомов было бы невозможно, и поэтому должен быть признак того, что мы впервые сформировали стабильные нейтральные атомы;
  4. И, наконец, в еще более ранние времена было бы слишком жарко для образования стабильных атомных ядер, и поэтому, когда мы остываем ниже этого порога, мы должны получить определенный набор количеств элементов, которые образуются в результате реакций синтеза в ранней Вселенной.

Начиная с простых протонов и нейтронов, Вселенная быстро накапливает гелий-4

Начиная с простых протонов и нейтронов, Вселенная быстро накапливает гелий-4, а также небольшие, но поддающиеся подсчету количества дейтерия, гелия-3 и лития-7, которые также остаются. После первых нескольких минут Большого взрыва Вселенная оказывается населенной, с точки зрения обычной материи, более чем на 99,99999% только водородом и гелием.

Все эти прогнозы были подтверждены, наряду с впечатляющим числом других.

Мы обнаружили остаточный фон микроволнового излучения всего на 2,725К выше абсолютного нуля: это соответствует ожидаемому послесвечению горячего Большого взрыва.

Мы обнаружили свидетельства существования первых первозданных газовых облаков и обнаружили, что они состоят исключительно из водорода, гелия и небольшого количества лития.

Мы даже косвенно обнаружили предсказанный остаточный фон нейтрино и антинейтрино по их отпечатку как в крупномасштабной структуре Вселенной, так и в температурных дефектах космического микроволнового фона.

И мы знаем, основываясь на наблюдаемых фактах Вселенной, что она, должно быть, родилась с зачатками того, что станет ее крупномасштабной структурой: начальный спектр областей повышенной и пониженной плотности.

Что могло создать эти первоначальные перепады плотности и недоплотности?

В этом и заключается великолепие теории космической инфляции.

Это не только стало бы механизмом для генерации этих начальных флуктуаций, и инфляция не только объяснила бы уже наблюдаемые свойства Вселенной (везде одинаковая температура, пространственная плоскостность, крупномасштабная однородность и т. д.), но и позволила бы сделать новые предсказания относительно того, как должны выглядеть эти флуктуации.

Квантовые флуктуации, присущие пространству

Квантовые флуктуации, присущие пространству, распространяющиеся по всей Вселенной во время космической инфляции, привели к флуктуациям плотности, запечатленным в космическом микроволновом фоне, который, в свою очередь, дал начало звездам, галактикам и другим крупномасштабным структурам во Вселенной сегодня. Это лучшая имеющаяся у нас картина того, как ведет себя вся Вселенная, где инфляция предшествует Большому взрыву и приводит его в действие. К сожалению, мы можем получить доступ только к информации, содержащейся внутри нашего космического горизонта, который является частью одной и той же части одного региона, где инфляция закончилась около 13,8 миллиардов лет назад.

Космическая инфляция утверждает, что до горячего Большого взрыва, когда материя и излучение заполняли горячую, плотную, в значительной степени однородную и быстро расширяющуюся Вселенную, Вселенная была полностью пустой.

Только вместо того, чтобы не иметь в себе энергии (или очень малого количества, как в случае с сегодняшней темной энергией), она обладала огромным количеством энергии, присущей структуре пространства.

По мере расширения Вселенной создается больше пространства, и поэтому плотность энергии остается постоянной.

В результате Вселенная повсюду приобретает одни и те же свойства, она растягивается так, что ее кривизна становится плоской, и квантовые флуктуации, которые обычно пронизывают все пространство в крошечных масштабах, вместо этого растягиваются за счет инфляции до огромных космических масштабов.

Согласно теории инфляции, эти колебания должны были заложить основы структуры, которую мы имеем сегодня, и они обладали бы свойствами бытия:

  • почти одинаковой величины во всех масштабах,
  • генерируется в масштабах, превышающих космический горизонт (т. е. в масштабах, больших, чем мог бы пройти свет с момента начала горячего Большого взрыва),
  • 100% адиабатический (с постоянной энтропией) и 0% изокруглый (с постоянной пространственной кривизной),

и это также предсказывает, что свойства остаточного свечения Большого взрыва должны указывать на максимальную температуру горячего Большого взрыва, которая существенно ниже максимально возможной температуры: температуры Планка.

Исходя из ранее существовавшего состояния, инфляция предсказывает

Исходя из ранее существовавшего состояния, инфляция предсказывает, что по мере продолжения инфляции будет порожден ряд вселенных, причем каждая из них будет полностью отделена друг от друга, разделенная все большим расширяющимся пространством. Один из этих «пузырей», где закончилась инфляция, породил нашу Вселенную около 13,8 миллиардов лет назад с очень низкой плотностью энтропии, но никогда не нарушал 2-й закон термодинамики.

К сожалению, это все, на что мы способны с тем пониманием Вселенной, которое у нас есть сегодня.

Из-за природы инфляции она по необходимости стирает любую информацию, существовавшую во Вселенной до того, как это произошло.

На самом деле, мы можем только надеяться получить доступ к тому, что произошло в течение последних ~1032 секунд или около того инфляции — все, что произошло ранее, будет недоступно нам отсюда, из нашей Вселенной.

Хотя мы можем с уверенностью утверждать, откуда взялась наша наблюдаемая Вселенная, и объяснять происхождение огромного множества явлений в ней, вопросы о том, откуда вообще взялись такие вещи, как пространство, время, энергия или законы физики, и возникли ли они вообще, остаются без ответа.

Несмотря на все, что мы знаем, мы можем быть уверены, что все, что мы когда-либо узнаем, ограничено.

Существует конечное число частиц, кодирующих конечное количество информации, которые существовали в течение конечного промежутка времени в пределах нашей видимой Вселенной.

Хотя на такие вопросы, как почему наша Вселенная заполнена материей, а не антивеществом, почему у нас есть темная материя и темная энергия и почему константы природы имеют те значения, которые они имеют, когда-нибудь могут быть даны ответы, нет никакой гарантии, что то, что остается во Вселенной сегодня, дает нам достаточно информации, чтобы найти ответы.

Ответим ли мы когда-нибудь на эти вопросы, остается неизвестным, но в тот момент, когда мы решим, что не можем, и прекратим поиски, мы будем правы.

А что по этому поводу думаете вы?

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: 5
Комментарии к этой статье:
  1. alex:   16.06.2023

    Очень классный блог о космосе. Лучший из всех что есть в интернете

  2. alex, спасибо больше — очень приятно)

  3. Наша Вселенная НИКОГДА не появлялась. Она была всегда! Космос никогда не появлялся. Он был всегда. Подобных Вселенных в космосе БЕСПРЕДЕЛЬНОЕ количество…Гугол!

  4. Приветствую, Виталий!
    Гугол появился раньше нашей вселенной?

  5. виталий:   05.12.2023

    НИКОГДА не появлялся КОСМОС. ОН был всегда…ВСЕЛЕННЫХ в Космосе всюду беспредельное количество

  6. Привет, Виталий!
    И это только ваше мнение. Я же больше доверяю ученым, которые это открыли и спрогнозировали. Вы ученый? Нет! Тогда зачем с пеной у рта навязывать свою теорию? Этого никто не знает, так как в то время никого и не было. Я больше доверяю ученым чем вам.
    P.S. И прекратите постить в адресе сайта телепрограмму Яндекса!
    P.S.S. А можете прекратить писать ваши дурацкие комментарии? Я их теперь буду удалять, чтобы люди не смеялись)

  7. ЭТО НЕПРАВДА…о происхождении Вселенной….Если бы можно было собрать всё вещество ( звёзды и планеты) в одно целое, то ЭТО был бы обьём, даже феноменально сжатый, НА половину нынешней Вселенной…Вселенных в Космосе Бесконечно много. Космос НИКОГДА не сжимался, не начинался…Он был всегда.

  8. виталий, я тоже склоняюсь к этому что космос был всегда)

  9. Я Профессор, я Гений, я Профессиональный литератор…Рекомендую Вам прочесть мои художественные произведения во всех жанрах на сайте «ЛитРес»… Проверьте меня!!!!!

  10. В целях рекламы — пусть повисит)