Космическая хронология: что произошло после Большого взрыва

12.01.2023
0
10 мин
71
Космическая хронология: что произошло после Большого взрыва

Здравствуйте, уважаемые друзья!

Давайте поговорим о том, что произошло после Большого взрыва.

Когда астрономы думают о том, как развивалась Вселенная, они делят прошлое на отдельные эпохи.

Они начинаются с Большого Взрыва.

Каждая последующая эпоха охватывает разный отрезок времени.

Важные события характеризуют каждый период и ведут непосредственно к следующей эпохе.

Никто на самом деле не знает, как описать Большой взрыв.

Мы можем представить это как гигантский взрыв.

Но типичный взрыв расширяется в космос.

Однако Большой взрыв был космическим взрывом.

Космоса не существовало до Большого Взрыва.

На самом деле Большой Взрыв был не только началом космоса, но и началом энергии и материи.

С момента этого катастрофического начала Вселенная остывает.

Более горячие вещи обладают большей энергией.

А физики знают, что вещи с очень высокой энергией могут переключаться между состояниями материи и энергии.

Таким образом, вы можете думать об этой временной шкале как описывающей, как Вселенная постепенно изменилась от чистой энергии к существованию в виде различных смесей материи и энергии.

И все это началось с Большого Взрыва.

Со времен Большого взрыва произошло многое

Со времен Большого взрыва произошло многое. Наш Млечный Путь — всего лишь одна из миллиардов галактик, эволюционировавших за эти почти 14 миллиардов лет.

Во-первых, примечание о числах: эта временная шкала охватывает огромный диапазон времени — буквально от самого маленького представления о времени до самого большого.

Такие числа занимают много места в строке, если вы продолжаете записывать их в виде строк нулей.

Поэтому ученые этого не делают.

Их научное обозначение основано на выражении чисел, связанных с 10.

Написанные в виде надстрочных индексов, эти «степени» — кратные 10 — обозначаются крошечными числами, написанными справа вверху от 10.

Крошечные числа называются показателями степени.

Они определяют, сколько знаков после запятой идет до или после 1.

Отрицательный показатель степени не означает, что число отрицательное.

Это означает, что число является десятичным.

Итак, 10-6 равно 0,000001 (6 знаков после запятой, чтобы добраться до 1), а 106 1 000 000 (6 знаков после 1).

Вот временная шкала нашей Вселенной, которую наметили ученые.

Она начинается через долю секунды после рождения нашего космоса.

От 0 до 10-43 секунды (0,000000000000000000000000000000000000000000001 секунды) после Большого взрыва: этот самый ранний период известен как эра Планка.

Она идет от момента Большого взрыва до этой ничтожной доли секунды после него.

Современная физика — наше понимание основных законов энергии и материи — не может описать, что здесь произошло.

Ученые теоретизируют, как объяснить то, что произошло за это время.

Для этого им придется найти закон физики, объединяющий гравитацию, теорию относительности и квантовую механику (поведение материи в масштабе атомов или субатомных частиц).

Этот чрезвычайно короткий период служит важной вехой, потому что только после этого момента мы сможем объяснить эволюцию нашей вселенной.

От 10-43 до 10-35 секунд после Большого Взрыва: даже в течение этого крошечного промежутка времени, известного как Эра Великой Объединенной Теории, происходят серьезные изменения.

Самое важное событие: гравитация становится отдельной силой, отдельной от всего остального.

От 10-35 до 10-32 секунд после Большого Взрыва: в течение этого короткого отрезка времени, известного как Эра Инфляции, сильное ядерное взаимодействие отделяется от двух оставшихся объединенных взаимодействий: электромагнитного и слабого.

Ученые до сих пор не уверены, как и почему это произошло, но они считают, что это вызвало интенсивное расширение — или «инфляцию» — Вселенной.

Измерения расширения за это время чрезвычайно трудно понять.

Кажется, Вселенная выросла примерно в 100 миллионов миллиардов миллиардов раз. (Это единица, за которой следуют 26 нулей.)

Вещи в этом пункте действительно странные.

Энергия существует, а света, каким мы его знаем, нет.

Это потому, что свет — это волна, которая распространяется в пространстве, а открытого пространства еще нет!

На самом деле, пространство сейчас настолько переполнено высокоэнергетическими явлениями, что сама материя еще не может существовать.

Иногда астрономы называют вселенную в это время «супом», потому что очень трудно представить, насколько густым и энергичным он был бы.

Но даже «суп» — плохой дескриптор.

Космос в это время переполнен энергией, а не материей.

Самое важное, что нужно понять об эре инфляции, это то, что все, что было немного другим до инфляции, позже станет чем-то совершенно другим. (Держитесь за эту мысль — скоро она станет важной!)

Это изображение суммирует некоторые основные события в развитии нашей Вселенной

Это изображение суммирует некоторые основные события в развитии нашей Вселенной, начиная с Большого взрыва и заканчивая сегодняшним днем.

10-32 до 10-10 секунд после Большого Взрыва:

В эту электрослабую эру слабое взаимодействие разделяется на собственное уникальное взаимодействие, так что теперь действуют все четыре фундаментальные силы: гравитация, сильное ядерное, слабое ядерное и электромагнитное взаимодействие.

Тот факт, что эти четыре силы теперь независимы, закладывает основу всего, что мы теперь знаем о физике.

Вселенная все еще слишком горячая (слишком полна энергии) для существования какой-либо физической материи.

Но бозоны — субатомные частицы W, Z и Хиггса — стали «носителями» фундаментальных сил.

От 10-10 до 10-3 (или 0,001) секунды после Большого Взрыва: эта часть первой секунды известна как Эра Частиц.

И она полна захватывающих изменений.

Вероятно, у вас есть фотография самого себя в детстве, на которой вы начинаете видеть черты, которые действительно похожи на вас.

Возможно, это веснушка, которая образовалась на вашей щеке, или форма вашего лица.

Для космоса это переходное время — от электрослабой эры к эре частиц — таково.

Когда все закончится, некоторые из основных строительных блоков атомов, наконец, сформируются.

Например, кварки станут достаточно стабильными, чтобы объединяться в элементарные частицы.

Однако материи и антиматерии одинаково много.

Это означает, что как только образуется частица, она почти сразу же аннигилирует своей противоположностью из антивещества.

Ничто не длится дольше одного мгновения.

Но к концу этой эры частиц Вселенная достаточно остыла, чтобы начать следующую фазу, которая приближает нас к нормальной материи.

От 10-3 (0,001) секунды до 3 минут после Большого взрыва: наконец, мы достигли времени — эры нуклеосинтеза — когда мы действительно можем начать обдумывать все вокруг.

По причинам, которые до сих пор никто полностью не понимает, антиматерия теперь стала чрезвычайно редкой.

В результате аннигиляции материи и антиматерии происходят не так часто.

Это позволяет нашей Вселенной расти почти полностью из оставшейся материи.

Пространство тоже продолжает растягиваться.

Энергия Большого взрыва продолжает остывать, и это позволяет начать формироваться более тяжелым частицам, таким как протоны, нейтроны и электроны.

Вокруг все еще много энергии, но «вещество» космоса стабилизировалось и теперь почти полностью состоит из материи.

Протоны, нейтроны, электроны и нейтрино стали многочисленными и начинают взаимодействовать.

Некоторые протоны и нейтроны сливаются в первые атомные ядра.

Однако могут образовываться только самые простые: водород (1 протон + 1 нейтрон) и гелий (2 протона + 2 нейтрона).

К концу первых трех минут Вселенная настолько остыла, что этот первичный ядерный синтез подходит к концу.

Еще слишком жарко, чтобы образовывать сбалансированные атомы (имеется в виду, с положительными ядрами и отрицательными электронами).

Но эти ядра запечатывают состав будущей материи нашего космоса: три части водорода на одну часть гелия.

Это соотношение остается почти таким же и сегодня.

От 3 минут до 380 000 лет после Большого взрыва: обратите внимание, что временные рамки теперь удлиняются и становятся менее конкретными.

Эта так называемая Эра Ядер возвращает аналогию с «супом».

Но теперь это плотный «бульон» из материи: огромное количество субатомных частиц, включая те первичные ядра, объединяющиеся с электронами, чтобы стать атомами водорода и гелия.

Создание атомов значительно меняет организацию вещей, потому что атомы стабильно держатся вместе.

До сих пор «пространство» едва ли было пустым!

Оно было наполнено субатомными частицами и энергией.

Фотоны света существовали, но они не могли путешествовать далеко.

Но атомы — это в основном пустое пространство.

Итак, при этом невероятно важном переходе Вселенная теперь становится прозрачной для света.

Образование атомов буквально открыло пространство.

Сегодня телескопы могут оглянуться назад во времени и фактически увидеть энергию этих первых путешествующих фотонов.

Этот свет известен как космический микроволновый фон — или CMB-излучение (Cosmic Microwave Background).

Оно было датировано приблизительно 400 000 лет спустя после Большого Взрыва.

За исследование того, как космическое микроволновое фоновое излучение служит доказательством современной структуры космоса, Джеймс Пиблз (James Peebles) разделит Нобелевскую премию по физике 2019 года.

Цвета на этом изображении, полученном телескопом Планк

Цвета на этом изображении, полученном телескопом Планк, показывают крошечные температурные различия космического микроволнового фонового излучения. Диапазон цветов показывает разницу температур до 0,00001 Кельвина. По мере того, как Вселенная расширялась, эти вариации стали фоном, из которого в конечном итоге сформировались галактики.

Космические телескопы измерили этот свет.

Среди них COBE (исследование космического фона) и WMAP (микроволновый зонд анизотропии Уилкинсона).

Они измерили температуру космического фона в 3 кельвина (-270º по Цельсию или -460º по Фаренгейту).

Эта фоновая энергия излучается из каждой точки неба.

Вы можете представить это как тепло, исходящее от костра, даже после того, как он потушен.

Длины волн космического микроволнового фонового излучения попадают в микроволновую часть электромагнитного спектра.

Это означает, что он даже «краснее», чем инфракрасный свет.

Поскольку само пространство растянулось во время расширения Вселенной, растянулись и длины волн даже высокоэнергетического света Большого взрыва.

И он все еще там, чтобы его могли увидеть правильные телескопы.

COBE и WMAP обнаружили еще одну удивительную особенность космического микроволнового фонового излучения.

Помните, что в эпоху инфляции любая крошечная разница в космическом «бульоне» увеличивалась.

Космическое микроволновое фоновое излучение, наблюдаемое COBE и WMAP, действительно имеет почти одинаковую температуру по всему небу.

И все же эти приборы зафиксировали крошечные, совсем крошечные различия — вариации в 0,00001 Кельвина!

На самом деле считается, что эти температурные вариации являются источником галактик.

Другими словами, тогдашние крошечные отличия стали со временем — и по мере остывания Вселенной — структурами, из которых начали расти галактики.

Но это заняло время.

Красное смещение

По мере того, как Вселенная расширялась, растяжение пространства также приводило к растяжению света, удлиняя его длину волны.

Это заставляет этот свет краснеть.

Космический телескоп Джеймса Уэбба оптимизирован для обнаружения слабого, раннего — а теперь и инфракрасного — света от некоторых из самых старых звезд и галактик.

Красное смещение

Красное смещение

От 380 000 лет до 1 миллиарда лет после Большого взрыва: в течение этой чрезвычайно долгой эры атомов материя превратилась в то замечательное разнообразие, которое мы знаем сейчас.

Стабильные атомы водорода и гелия медленно дрейфовали пятнами под действием силы тяжести.

Это еще больше опустошило пространство.

И везде, где атомы слипались, они нагревались.

Это было темное время для Вселенной.

Материя и пространство отделились друг от друга.

Свет мог свободно распространяться — просто его было немного.

По мере того как сгустки атомов становились больше и горячее, они в конечном итоге начинали зажигать термоядерный синтез.

Это тот же процесс, который происходил раньше (слияние ядер водорода в гелий).

Но теперь слияние происходило не везде, равномерно.

Вместо этого оно стало концентрироваться во вновь формирующихся центрах звезд.

Новорожденные звезды превратили водород в гелий, затем (со временем) в литий, а еще позже в гораздо более тяжелые элементы, такие как углерод.

Эти звезды будут генерировать больше света.

На протяжении всей эры атомов звезды начали сплавлять водород и гелий в углерод, азот, кислород и другие легкие элементы.

По мере того, как звезды становились старше, они могли существовать с большей массой.

Это, в свою очередь, породило более тяжелые элементы.

В конце концов, звезды смогли вырваться за свои прежние границы и превратиться в сверхновые.

Звезды также начали притягиваться друг к другу в скопления.

Образовались планеты и солнечные системы.

Это уступило место эволюции галактик.

1 миллиард лет до настоящего времени (13,82 миллиарда лет после Большого взрыва): сегодня мы живем в эпоху галактик.

Люди существовали лишь в течение мельчайшей части космического времени.

Сегодня мы видим прекрасные изображения галактик, звезд, туманностей и других структур, разбросанных по небу.

Мы можем видеть, что есть закономерности в том, где заканчиваются эти структуры — они расположены не ровно, а слипаются.

Каждая частица материи продолжает развиваться, от мельчайшего масштаба атомов до самого большого масштаба галактик.

Вселенная динамична.

Она меняется даже сейчас.

Эту космическую шкалу времени по-прежнему трудно понять.

Но наука помогает нам понять это.

И когда мы смотрим глубже в космос, как мы это делаем с космическим телескопом Джеймса Уэбба, мы заглядываем дальше во времени — ближе к тому времени, когда все началось.

Заметно отсутствует на этой временной шкале… много вещей, которые мы не можем увидеть или даже обнаружить в это время.

Согласно тому, что физики понимают в математике Вселенной, эти другие части известны как темная энергия и темная материя.

Они могут составлять до ошеломляющих 95 процентов всего материала во Вселенной.

Эта временная шкала охватывает лишь примерно 5 процентов того, что нам известно.

Как вам Большой взрыв вашего мозга?

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