Сегодня мы говорим об этой, ну как ее, Вселенной. Так уж получилось, что однажды она откуда-то появилась, и вот все мы здесь. Кто-то читает эту статью, кто-то готовится к экзамену, проклиная все на свете... Самолеты летают, поезда ходят, планеты крутятся, где-то всегда что-то происходит. Людям всегда было интересно знать один сложный ответ на простой вопрос. Как же все начиналось и как это мы докатились до того, что есть? Иными словами - как родилась Вселенная?
Итак, вот они - разные версии и модели происхождения Вселенной.
Среди всех теорий о происхождении Вселенной эта появилась самой первой. Очень хорошая и удобная версия, которая, пожалуй, будет иметь актуальность всегда. Кстати, многие ученые физики, несмотря на то что наука и религия часто представляются понятиями противоположными, верили в Бога. Например, Альберт Эйнштейн говорил:
«Каждый серьезный естествоиспытатель должен быть каким-то образом человеком религиозным. Иначе он не способен себе представить, что те невероятно тонкие взаимозависимости, которые он наблюдает, выдуманы не им. В бесконечном универсуме обнаруживается деятельность бесконечно совершенного Разума. Обычное представление обо мне, как об атеисте – большое заблуждение. Если это представление почерпнуто из моих научных работ, могу сказать, что мои научные работы не поняты»
Пожалуй, самая распространенная и наиболее признанная модель происхождения нашей Вселенной. Во всяком случае, о ней слышал практически каждый. Что говорит нам Большой Взрыв? Однажды, лет эдак 14 миллиардов назад, пространства и времени не было, а вся масса вселенной была сосредоточена в крохотной точке с невероятной плотностью – в сингулярности. В один прекрасный момент (если так можно сказать -времени-то не было) сингулярность не выдержала из-за возникшей в ней неоднородности, произошел так называемый Большой Взрыв. И с тех пор Вселенная постоянно расширяется и остывает.
Сейчас доподлинно известно, что Галактики и иные космические объекты удаляются друг от друга, а значит, Вселенная расширяется. В 20-м веке существовало множество альтернативных теорий происхождения Вселенной. Одной из самых популярных была модель стационарной Вселенной, за которую ратовал сам Эйнштейн. Согласно этой модели, Вселенная не расширяется, а находиться в стационарном состоянии благодаря какой-то удерживающей ее силе.
Красное смещение – это наблюдаемое для далеких источников понижение частот излучения, которое объясняется отдалением источников (галактик, квазаров) друг от друга. Данный факт свидетельствует о том, что Вселенная расширяется.
Реликтовое излучение – это как бы отголоски большого взрыва. Ранее Вселенная представляла собой горячую плазму, которая постепенно остывала. Еще с тех далеких времен во Вселенной остались так называемые блуждающие фотоны, которые образуют фоновое космическое излучение. Ранее при более высоких температурах Вселенной данное излучение было гораздо мощнее. Сейчас же его спектр соответствует спектру излучения абсолютно твердого тела с температурой всего 2,7 Кельвин.
Современное изучение эволюции Вселенной невозможно без согласования его с квантовой теорией. Так, например, в рамках теории струн (теория струн основана на гипотезе о том, что все элементарные частицы и их фундаментальные взаимодействия возникают в результате колебаний и взаимодействий ультрамикроскопических квантовых струн ), предполагается модель множественной Вселенной. Конечно, там тоже был Большой Взрыв, но он произошел не просто так и из ничего, а, возможно, в результате столкновения нашей Вселенной с какой-то другой, еще одной Вселенной.
Собственно, кроме Большого Взрыва, породившего нашу Вселенную, во множественной Вселенной происходит множество других Больших Взрывов, порождающих множество других Вселенных, развивающихся по своим, отличным от известных нам законам физики.
Скорее всего мы никогда не узнаем наверняка, как, откуда и почему появилась Вселенная. Тем не менее, размышлять об этом можно очень долго и интересно, а чтобы у Вас было достаточно пищи для размышлений, предлагаем посмотреть увлекательное видео на тему современных теорий происхождения Вселенной.
Проблемы развития Вселенной слишком масштабны. Настолько масштабны, что, по сути, даже не являются проблемами. Предоставим физикам-теоретикам ломать над ними головы и перенесемся из глубин Вселенной на Землю, где нас, возможно, ждет неначатый курсач или диплом. Если это так, мы предлагаем свое решение этого вопроса. Закажите отличную работу у , вздохните спокойно, и будьте в гармонии с собой и Вселенной.
Новость о том, что Вселенная, согласно свежей математической теории, может представлять собой голограмму, несколько дней назад взорвала сайт Nature - ведущего научного журнала мира. Как обычно, на расчёты, их методику и место в современной физической космологии обратили внимание немногие - но заголовок, будто материализовавшийся из книги Филипа Дика, разошёлся по всем соцсетям. Подобную судьбу в последние годы наследуют почти все термины такого рода, связанные с научными гипотезами о возникновении сущего, - от «сингулярности» до «тёмной материи». Будьте уверены, поп-культура переварит их и превратит значения слов в нечто максимально таинственное и непонятное - тем более что интерес массового зрителя и читателя к космологии в последние годы неуклонно растёт. В этом материале мы решили собрать другие известные теории возникновения Вселенной, превратившиеся в поп-культурные мемы.
Ничто не мило читателю или зрителю в постмодернистском мире так сильно, как синкретическое сочетание различных мифологий: на этом строится буквально любой супергеройский эпос (лучший пример из недавнего - «Мстители»: германские боги, лавкрафтианские инопланетяне, мессианская фигура жертвующего собой Тони Старка, индустриальный оборотень Халк и т. д., и т. п.). Какое это имеет отношение к научным теориям устройства мира, спросите вы? Самое прямое: истории о ясене Иггдрасиле и черепе Урана предшествовали научному пониманию мира и формировали его. Эту хитрую наследственность в жанровом кинематографе любят демонстрировать в лоб - как в «Звёздных войнах», где обеспечивающая существование далёкой галактики Силы имеет двойную природу - мистическую и биологическую (все помнят слово «мидихлорианы»?), или в «Хижине в лесу», где высокотехнологичный центр поддерживает бесперебойное обеспечение древних богов человечиной.
Истории о ясене Иггдрасиле
и черепе Урана предшествовали научному пониманию мира
и формировали его.
Представлению о множественности миров гораздо больше лет, чем вы, скорее всего, думаете - и мы сейчас не имеем в виду индуистскую концепцию перерождения. Еще в XII веке мусульманский философ Фахруддин ар-Рази предположил, что за пределами нашего мира существует пустота, заполненная другими вселенными - а в начале XXI века такая точка зрения является крайне популярной частью персонализированной метафизики. Кстати говоря, личностные квазирелигиозные воззрения, сочетающие в себе христианскую мораль, представления о карме и параллельных мирах раньше любил описывать Дуглас Коупленд - в «Поколении X» для этого даже вводится специальный термин, «селф-изм». Что касается мультиверса, то он стал общим местом в научной фантастике и комиксах как таковых: именно так компания DC, скажем, объясняет одновременное существование полудюжины версий Бэтмена. С другой стороны, в данном случае интерпретация понятия довольно далеко ушла от его современной дефиниции: там, где в нынешней квантовой механике продолжается активная дискуссия о правомерности «многомировой» гипотезы, делающей реальными абсолютно все исходы и события (в том случае если они принципиально возможны), в научной фантастике (от «Эффекта бабочки» Брэдбери до трилогии «Назад в будущее») части мультиверса почти всегда так или иначе влияют друг на друга.
Наиболее часто встречающееся в современной поп-культуре космологическое понятие - соответствующее словосочетание можно найти в текстах песен (между прочим, групп с таким названием существует как минимум три: норвежская металлическая, британская синтипоповая и корейский бойз-бэнд), в бесчисленных сценариях комиксов и, разумеется, в названии популярного ситкома о гиперболизированной жизни молодых учёных. Как ни странно, суть события при пересказе почти не перевирают: действительно, Большой Взрыв - это своеобразный «акт творения» Вселенной; событие, в результате которого появились и время, и материя. Именно поэтому, например, бессмысленно задаваться вопросом «что было до Большого Взрыва?» - поскольку само время появилось ровно с началом этого события! (Этот момент хорошо проясняется в «Краткой истории времени», классическом нон-фикшне Стивена Хокинга.) Не зря к этой теории тепло относился Иоанн Павел II: действительно, она довольно неплохо стыкуется с космологией авраамических религий.
Большой Взрыв - это своеобразный «акт творения» Вселенной; событие, в результате которого появились и время, и материя.
Строго говоря, эволюция - что в исходном понимании гениального Чарльза Дарвина, что в современной версии, рассматривающей эволюцию в применении к популяциям, - не является космологической теорией и описывает лишь развитие жизни. Но в расширительном смысле идея и философия бесконечного изменения находит очень большой отклик у людей творческих профессий - в том числе её переносят на такие метафизические материи как этика и эстетика. Ярчайшим примером работы на эту тему является «Древо жизни» Терренса Малика: даже если не рассматривать те моменты, где режиссёр обращается к космологии напрямую (речь о вызвавших противоречивые отзывы зрителей моментах с древней Землёй, населённой динозаврами), идея эволюционного изменения - это смысловой стержень фильма.
Попыток модификации Теории Большого Взрыва за те почти уже 100 лет, что она существует, было предпринято довольно много. Теорию струн часто называют очередной «теорией всего» или наследницей теории расширяющейся Вселенной, возникнувшей в результате Большого Взрыва, - но, строго говоря, это не совсем так. Хороших объяснений теории струн «на пальцах» почти нет и по сей день (притом что её история насчитывает несколько десятилетий). Главное, что вам нужно знать о ней, - это то, что в её рамках мир представляется не четырёхмерным, как в эйнштейновском варианте общей теории относительности (три пространственных измерения + время), а вовсе даже 11-мерным: такая интерпретация позволяет получить определённые математические преимущества и снять ряд противоречий между экспериментом и теорией. Несмотря на строгую математичность, за теорией сохраняется эзотерический флёр: именно в таком ключе её использовали режиссер Ридли Скотт и автор сценария Кормак Маккарти в недавнем философском экшене «Советник». Вибрация многомерных струн здесь воспринимается как в метафорическом, так и в совершенно буквальном смысле: струны нарушают структуру мироздания - и разрушают жизни.
До сих пор Вселенная является огромным и очень загадочным местом. На протяжении многих веков люди смотрели в космос и пытались объяснить, почему мы здесь и откуда мы пришли. Хотя, чтобы получить ответы на любой из этих вопросов, может потребоваться еще не одно столетие. А пока ученые предлагают нам свои теории.
Следует также отметить, что это всего лишь теории. Поэтому, естественно, они могут не совпадать друг с другом и даже противоречить.
В этом пункте мы поговорим о чем-то, что называется темной материей. Вселенная на 22% состоит из Тёмной материи, на 74% из Тёмной энергии. На остальную материю, в которую входят звёзды, планеты, межзвездный газ приходится лишь около 4% Вселенной. Тёмная материя невидима, потому что не взаимодействует со светом, но оказывает влияние на гравитацию, то есть она влияет на движения галактик и галактических кластеров. Благодаря тому, что тёмная материя обладает лишь гравитационным эффектом, она может практически незаметно проходить через «обычную» материю. По всем этим причинам темная материя еще не обнаружена, но физики уверены, что она существует..
На фото: Детальная картина Вселенной раннего возраста, а именно космическое фоновое излучение (Реликтовое излучение). На снимке обнаружены колебания температуры, что соответствует местам зарождения галактик.
Вопрос в том, почему так трудно обнаружить темную материю в экспериментах, которые проводятся на Земле? Один из возможных ответов исходит от физики элементарных частиц. В ходе эксперимента, было обнаружено, что темная материя может взаимодействовать с обычной материей, если они обе находятся в условиях, близких к началу создания Вселенной, а именно, в чрезвычайно высокотемпературной плазме. Если их моделирование истинно, это означает, что темную материю можно было наблюдать в первые дни Вселенной.
Была надежда на то, что создав эти условия в Большом адронном коллайдере, можно будет обнаружить темную материю. Но этого не случилось. Некоторые учёные считают, что нужен более чувствительный детектор, а некоторые утверждают - не стоит искать то, чего нет.
Наиболее вероятным виновником гибели динозавров считается астероид или вулканическая активность сибирских вулканов. Однако, не прекращаются обсуждения мел-палеогенового вымирания 66 миллионов лет назад. Несмотря на это, физик Лиза Рэндалл считает, что виной тому была темная материя.
Основа теории возвращает нас к 1980-м годам, когда палеонтологи Дэвид Рауп и Джек Сепкоски обнаружили доказательства того, что каждые 26 миллионов лет после Массового пермского вымирания (которое произошло около 252 миллионов лет назад и 96 процентов жизни было уничтожено), также случались вымирания животных. После дальнейших исследований, возвращаясь на полтора миллиарда лет назад, похоже, что примерно каждые 30 миллионов лет на Землю обрушивались катаклизмы, которым планета отдавала или уделяла несколько миллионов лет. Чего только стоят , о которых мы недавно писали.
Тем не менее ученые никогда не были уверены, почему катаклизмы происходили по такому расписанию. Теория Рэндалла заключается в том, что речь идет о темной материи. Считается, что темная материя разбросана по всей Вселенной и используется в качестве лесов, на которых построены галактики, в том числе наш дом - Млечный Путь. По мере того как наша Солнечная система вращается вокруг Млечного Пути, она «плавает», а временами она качается как пробка в воде. И это происходит примерно каждые 30 миллионов лет.
В таких ситуациях наша Солнечная система может столкнуться с диском темной материи. Диск должен был быть на одну десятую толщины видимого диска звезд Млечного Пути и иметь плотность по меньшей мере одной солнечной массы за квадратный световой год.
Обычная материя и темная материя могут проходить друг через друга, но темная материя может влиять на обычную материю через гравитацию. В результате, когда некоторая материя, плывущая в пространстве, вступает в контакт с темной материей, оно может направить некоторые объекты во Вселенной, которые в конечном счете столкнутся с Землей.
Если теория Рэндалла верна, то темная материя может быть ответственной за основные части формирования Вселенной.
Когда речь идет о Вселенной, всегда возникает один вопрос: есть ли разумная жизнь, отличная от нашей? Или мы просто одни здесь во Вселенной? Ученые тоже задаются этими вопросами, и в настоящее время они изучают, как появилась жизнь, в том числе и наша.
Согласно исследованию Гарвардско-Смитсоновского центра астрофизики, наиболее логичным ответом является то, что жизнь распространяется от звезды к звезде, как эпидемия. Понятие о том, что жизнь распространяется от планеты к планете и от звезды к звезде, называется панспермией. Конечно, если вы видели Прометея, эта концепция является основной сюжета.
Если жизнь перешла от звезды к звезде, это означает, что Млечный Путь может быть наполнен жизнью. Если их теория верна, то возможно, что на других планетах в Млечном Пути также может быть жизнь.
Еще одна интересная вещь, которую они нашли в своих расчетах, заключается в том, что жизнь может распространяться микроскопическими организмами, которые прибыли на астероиде. Или ее могли распространить умные существа или существо.
Кроме того, в последнее время ученые сходятся во мнении, что жизнь на других планетах должна развиваться по тем же принципам, что и на Земле. Это говорит о том, что инопланетяне могут быть очень похожими на жителей нашей планеты.
Материя - это все, что занимает пространство, и имеет вес. Противоположность материи называется антиматерией. Когда материя и антиматерия соприкасаются, они уничтожают друг друга (аннигилируют) с выделением огромного количества энергии, что и произошло в начале создания Вселенной и способствовало ее расширению.
В начале должно было быть равное количество материи и антиматерии. Однако, если бы было равное количество материи и антиматерии, они бы уничтожили друг друга, и Вселенная перестала существовать. Это заставило физиков поверить, что было немного больше материи, чем антиматерии. Для распространения материи по Вселенной, было бы достаточно небольшой частицы материи на каждые 10 миллиардов частиц антиматерии.
Проблема заключалась в том, что, хотя физики знали, что было больше материи, они не знали почему. Это было до 2008 года, тогда исследователи из Чикагского университета наблюдали субатомные частицы, у которых была очень короткая жизнь, называемыми B-мезонами. Исследователи, получившие Нобелевскую премию по физике за это открытие, обнаружили, что B-мезоны и анти-B-мезоны распадаются иначе друг от друга. Это означает, что возможно, что после уничтожения в начале Вселенной B-мезоны и анти-B-мезоны разлагаются по-разному, оставляя достаточное количество материи для создания всех звезд, планет и даже вас и всего, что вы касаетесь, включая воздух которым вы дышите.
Энтропия играет огромную роль во Вселенной. Высокая энтропия означает беспорядок и хаос в системе. Низкая энтропия говорит нам о большей организации, упорядоченности.
Пример для визуализации этого - Лего. Дом Лего имел бы низкую энтропию, а коробка случайных, несвязанных предметов имела бы высокую энтропию.
Интересно, что энтропия может быть причиной того, что жизнь существует. И даже говоря о таких высоко организованных вещах, как головной мозг, это утверждение, хоть и кажется неверным, имеет место быть.
Тем не менее согласно теории помощника профессора Массачусетского технологического института Джереми Ингленд, высшая энтропия может быть ответственна за жизнь во Вселенной.
Ингленд говорит, что в идеальных условиях случайная группа молекул может самоорганизоваться, чтобы эффективно рассеивать больше энергии в неоднородной среде, которой является наша Вселенная.
Однако теория Ингленда должна пройти много испытаний. Если он прав, тогда как предполагают эксперты, что его имя будут помнить так же, как мы помним Чарльза Дарвина.
Преобладающая теория начала нашей Вселенной состоит в том, что более 13,8 миллиарда лет назад, с точки зрения сингулярности, Большой взрыв породил Вселенную и с тех пор она расширяется.
«Большой взрыв» впервые был теоретизирован в 1927 году, и модель основана на теории общей теории относительности Альберта Эйнштейна. Проблема в том, что в теории Эйнштейна есть некоторые пробелы. В основном, что законы физики ломаются до достижения сингулярности. Другая большая проблема заключается в том, что другая доминирующая теория в физике, квантовая механика, не согласуется с общей теорией относительности. Кроме того, ни теория относительности, ни квантовая механика не учитывают темную материю. Это означает, что, хотя Большой взрыв является одной из лучших теорий о том, как появилась Вселенная, но теория может быть неверной.!
Альтернативная теория состоит в том, что Вселенная никогда не была в точке сингулярности, и не было большого взрыва. Вместо этого, Вселенная бесконечна и не имеет начала или конца. Исследователи пришли к этой теории, применив квантовые поправки к теории общей теории относительности Эйнштейна, используя более старую модель интерпретации квантовой механики, называемой Бохманской механикой.
Их метод проверки теории также поможет объяснить темную материю. Если их теория правильна, что Вселенная бесконечна, это будет означать, что Вселенная имеет карманы сверхтекучей жидкости, заполненные теоретическими частицами, такими как гравитоны и аксиомы. Если сверхтекучесть соответствует распределению темной материи, то возможно, что Вселенная бесконечна.
Эта тема насколько безгранична, что её можно продолжать ещё очень долго. Другие, еще более удивительные теории о Вселенной вы можете почитать в
Космологи продолжают продвигаться к окончательному постижению процессов, сотворивших и сформировавших Вселенную.
Вселенная настолько велика в пространстве и во времени, что в течение почти всей истории человечества она оставалась недоступной как для наших приборов, так и для нашего разума. Но все изменилось в XX в., когда появились новые идеи - от общей теории относительности Эйнштейна до современных теорий элементарных частиц. Успех был достигнут также благодаря мощным приборам - от 100- и 200-дюймовых рефлекторов, созданных Джорджем Эллери Хейлом (George Ellery Hale) и открыв- шем для нас галактики за пределами Млечного Пути, до космическо- го телескопа «Хаббл», перенесшего нас в эпоху рождения галактик. За последние 20 лет прогресс ускорился. Стало ясно, что темная материя состоит не из обычных атомов, что существует темная энергия. Роди- лись смелые идеи о космической инфляции и множественности все- ленных.
Сто лет назад Вселенная была проще: вечная и неизменная, состоящая из одной галактики, содер- жащей несколько миллионов видимых звезд. Современная картина намного сложнее и гораздо богаче. Космос возник 13,7 млрд лет назад в результате Большого взрыва. Через долю секунды после начала Вселенная была горячей бесформенной смесью элементарных частиц - кварков и лептонов. По мере расширения и охлаждения шаг за ша- гом возникали структуры: нейтроны и протоны, атомные ядра, атомы, звезды, галактики, скопления галактик и, наконец, сверхскопления. В наблюдаемой части Вселенной сейчас содержится 100 млрд галактик, в каждой из них около 100 млрд звезд и, вероятно, столько же планет. Сами галактики удерживаются от расширения гравита- цией загадочной темной материи. А Вселенная продолжает расширяться и даже делает это с ускоре- нием под действием темной энергии - еще более загадочной формы энергии, чья гравитационная сила не притягивает, а отталкивает.
Главная тема нашего рассказа о Вселенной - это эволюция от примитивного кваркового «супа» к нарастающей сложности галактик, звезд, планет и жизни, наблюдаемой сегодня. Эти структуры появлялись одна за другой в течение миллиардов лет, повинуясь основным законам физики. Путешествуя в прошлое, к эпохе зарождения, космологи сначала продвигаются через детально изученную историю Вселенной назад, к первой микросекунде, затем к $10^{–34}$ с от начала (об этом времени есть ясные идеи, но пока нет их четкого подтверждения) и, наконец, к самому моменту рождения (о котором существуют пока лишь догадки). Хотя мы еще не в силах до конца понять, как родилась Вселенная, у нас уже есть потрясающие гипотезы, такие как понятие о множественной вселенной, включающей в себя бесконечное число не связанных между собой субвселенных.
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Расширяющаяся Вселенная
В 1924 г. с помощью 100-дюймового телескопа «Хукер» Маунт-Вилсоновской обсерватории Эдвин Хаббл обнаружил, что расплывчатые туман- ности, остававшиеся загадочными несколько столетий, - это такие же галактики, как наша. Тем самым Хаббл увеличил наше представ- ление о Вселенной в 100 млрд раз! А через несколько лет он доказал, что галактики удаляются друг от друга, подчиняясь математической закономерности, известной теперь как закон Хаббла: чем дальше галактика, тем быстрее она движется. Именно из этого закона следует, что Большой взрыв был 13,7 млрд лет назад.
КОСМИЧЕСКОЕ РАСШИРЕНИЕ
Эволюция Вселенной происходит в резуль-
тате расширения пространства. Поскольку
пространство растягивается, как оболочка
воздушного шарика, галактики удаляют-
ся друг от друга, а световые волны
удлиняются (краснеют).
В рамках общей теории относительности закон Хаббла толкуется так: само пространство расширяется, а галактики перемещаются вместе с ним (рис. вверху). Свет тоже растягивается, испытывая красное смещение, а значит, теряя энергию, поэтому Вселенная при расширении охлаждается. Космическое расширение помогает по- нять, как сформировалась современная Вселенная. Если мысленно устремиться в прошлое, то Вселенная будет становиться все плотнее, горячее, необычнее и проще. Приближаясь к самому началу, мы соприкасаемся с самыми глубинными механизмами природы, используя ускоритель мощнее любого из построенных на Земле - сам Большой взрыв.
Вглядываясь через телескоп в пространство, астрономы буквально попадают в прошлое - и чем больше телескоп, тем глубже проникает их взгляд. Свет, приходящий от далеких галактик, демонстрирует нам древние эпохи, а его крас- ное смещение показывает, насколько расширилась Вселенная за про- шедшее время. Наблюдаемое сейчас рекордное красное смещение около восьми, значит, этот свет был испущен, когда размер Вселенной был в девять раз меньше нынешнего, а возраст - всего лишь несколько сотен миллионов лет. Такие приборы, как космический телескоп «Хаббл» и десятиметровые телескопы «Кек» на Мауна-Кеа, запросто переносят нас в эпоху формирования галактик, подобных нашей - через несколько миллиардов лет после Большого взрыва. Свет из более ранних эпох настолько сильно смещен в красную часть спектра, что астрономы вынуждены принимать его в инфракрасном и радиодиапазонах. Строящиеся телескопы, такие как инфракрасный космический телескоп «Джеймс Уэбб» диаметром 6,5 м и Большой атакамский миллиметровый комплекс (Atacama Large Millimeter Array, ALMA) - сеть из 64 радиотелескопов на севере Чили, - перенесут нас в прошлое, к эпохе рождения самых первых звезд и галактик.
Компьютерное моделирование показывает, что эти звезды и галак- тики появились, когда возраст Вселенной был около 100 млн лет. Перед этим Вселенная прошла через период, называемый темной эрой, когда она была черной как смоль. Пространство заполняла бесформенная масса из пяти частей темной материи и одной части водорода с гелием, которая разрежалась по мере расширения Вселенной. Вещество было немного неоднородным по плотности, а гравитация действовала как усилитель этих неоднородностей: более плотные области расширялись медленнее, чем менее плотные. К моменту 100 млн лет наиболее плотные области не только замедлили свое расширение, но даже начали сжиматься. Каждая из таких зон содержала около 1 млн солнечных масс вещества; они-то и стали первыми гравитационно связанными объектами в космосе.
Основную часть их массы составляла темная материя, не способная, согласно своему названию, излучать или поглощать свет. Поэтому она образовывала весьма протяженные облака. С другой стороны, водород и гелий, излучая свет, теряли энергию и сжимались к центру каждого облака. В конце концов они съеживались настолько, что превращались в звезды. Эти первые объекты были значительно массивнее современных - сотни масс Солнца. Прожив очень короткую жизнь, они взрывались, выбрасывая в прост-ранство первые тяжелые элементы. Спустя несколько миллиардов лет эти облака с массами в миллионы солнечных под действием гравитации сгруппировались в первые галактики.
Излучение от самых первых водородных облаков, испытавшее сильное красное смещение из-за расширения, можно было бы зарегистрировать с помощью огромных комплексов радиоантенн с общей приемной площадью около квадратного километра. Когда эти радиотелескопы будут созданы, станет известно, как первое поколение звезд и галактик ионизовало водород и тем самым завершило темную эру (см.: Лоеб А. Темные века Вселенной // ВМН, № 3, 2007) .
Слабый отблеск горячего начала
Позади темной эры заметен отблеск горячего Большого взрыва при крас- ном смещении 1100. Это изначально видимое (красно-оранжевое) излуче- ние из-за красного смещения стало даже не инфракрасным, а микровол- новым. Заглядывая в ту эпоху, мы ви- дим лишь стену микроволнового из- лучения, заполняющего все небо - космическое микроволновое фоно- вое излучение, открытое в 1964 г. Арно Пензиасом (Arno Penzias) и Ро- бертом Уилсоном (Robert Wilson). Это слабый отсвет Вселенной, пре- бывавшей в младенческом возрас- те 380 тыс. лет, в эпоху формирова- ния атомов. До этого она была почти однородной смесью атомных ядер, электронов и фотонов. Когда Вселен- ная охладилась до температуры око- ло 3000 К, ядра и электроны начали объединяться в атомы. Фотоны пе- рестали рассеиваться на электронах и стали свободно двигаться сквозь пространство, демонстрируя, какой была Вселенная задолго до рождения звезд и галактик.
В 1992 г. спутник NASA «Исследователь фонового излучения» (Cosmic Background Explorer, COBE) обнаружил, что интенсивность этого излучения немного меняется - пример но на 0,001%, указывая на слабую неоднородность в распределении вещества. Степень первичной неоднородности оказалась достаточной, чтобы малые уплотнения стали «затравкой» для будущих галактик и их скоплений, которые позже выросли под действием гравитации. Распределение неоднородностей фонового излучения по небу свидетельствует о важных свойствах Вселенной: о ее средней плотности и составе, о самых ранних этапах ее эволюции. Тщательное изучение этих неоднородностей поведало нам многое о Вселенной.
КОСМИЧЕСКОЕ МИКРОВОЛНОВОЕ
ФОНОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ - это изображение Вселенной в младенческом
возрасте 380 тыс. лет. Слабые вариации интенсивности этого излучения
(отмечены цветом) служат космическим Розеттским камнем, дающим
ключ к загадкам Вселенной - ее
возрасту, плотности, составу
и геометрии
.
СВЕРХГЛУБОКОЕ ПОЛЕ «ХАББЛА», самое
чувствительное из когда-либо полученных
изображений космоса, запечатлевшее
более 1 тыс. галактик на ранней стадии их
формирования.
Продвигаясь от этой точки назад, к началу эволюции Вселенной, мы увидим, как первичная плазма становится все более горячей и плотной. До возраста около 100 тыс. лет плотность энергии излучения была выше, чем у вещества, что и удерживало вещество от фрагментации. А в этот момент началось гравитационное скучивание всех структур, наблюдаемых сейчас во Вселенной. Еще ближе к началу, когда возраст Вселенной был менее одной секунды, не было атомных ядер, а только лишь их составляющие - протоны и нейтроны. Ядра возникли, когда Вселенной исполнилось несколько секунд, и температура и плотность стали подходящими для ядерных реакций. В этом нуклеосинтезе Большого взрыва родились только легкие химические элементы: много гелия (около 25% по массе от всех атомов Вселенной) и немного лития, дейтерия и гелия-3. Остальная плазма (около 75%) осталась в форме протонов, которые со временем стали атомами водорода. Все остальные элементы Периодической таблицы родились миллиарды лет спустя в недрах звезд и при их взрывах.
ВСЕЛЕННАЯ СОСТОИТ в основном
из темной энергии и темной
материи; природа обеих неизвестна.
Обычное вещество, из которого
сформированы звезды, планеты
и межзвездный газ, составляет лишь
малую долю.
Теория нуклеосинтеза точно предсказывает содержание элементов и изотопов, измеренное в наиболее древних объектах Вселенной - в самых старых звездах и газовых облаках с большим красным смещением. Содержание дейтерия, очень чувствительное к средней плотности атомов во Вселенной, играет особую роль: его измеренное значение показывает, что обычное вещество составляет (4,5 ± 0,1)% от полной плотности энергии. Остальное - темная материя и темная энергия. Это в точности согласуется с данными о составе, полученными из анализа фонового излучения. Такое соответствие - огромное достижение. Ведь это два совершенно разных измерения: первое основано на ядерной физике и относится к Вселенной в возрасте 1 с, а второе - на атомной физике и свойствах Вселенной в возрасте 380 тыс. лет. Их согласованность - важный тест не только для наших моделей эволюции космоса, но и для всей современной физики.
Ответы в кварковом супе
До возраста в одну микросекунду не было даже протонов и нейтронов; Вселенная была похожа на суп из базовых элементов природы: кварков, лептонов и переносчиков сил (фотонов, W- и Z-бозонов и глюонов). Мы уверены, что этот «суп с кварками» действительно существовал, поскольку физические условия той эпохи воспроизводятся сейчас в экспериментах на ускорителях частиц (см.: Райордэн М., Зэйц У. Первые микросекунды // ВМН, № 8, 2006) .
Изучить ту эпоху космологи надеются не с помощью больших и зорких телескопов, а опираясь на глубокие идеи физики элементарных частиц. Создание Стандартной модели физики частиц 30 лет назад привело к смелым гипотезам, включая теорию струн, пытающуюся объединить казалось бы не связанные между собой частицы и силы. В свою очередь, эти новые идеи нашли приложение в космологии, став такими же важными, как исходная идея горячего Большого взрыва. Они указали на глубокую и неожиданную связь между микромиром и большой Вселенной. Возможно, вскоре мы получим ответы на три ключевых вопроса: какова природа темной материи, в чем причина асимметрии между веществом и антивеществом и как возник комковатый кварковый суп.
Судя по всему, темная материя родилась в эпоху первичного кваркового супа. Природа темной материи пока не ясна, но ее существование не вызывает сомнений. Наша Галактика и все другие галактики, а также их скопления удерживаются тяготением невидимой темной материи. Чем бы она ни была, она должна слабо взаимодействовать с обычным веществом, иначе она как-то проявила бы себя помимо гравитации. Попытки описать единой теорией все наблюдаемые в природе силы и частицы приводят к предсказанию стабильных или долгоживущих частиц, из которых могла бы состоять темная материя. Эти частицы могут быть реликтом эпохи кваркового супа и очень слабо взаимодействовать с атомами. Один из кандидатов - нейтралино, легчайшая из частиц недавно предсказанного класса массивных копий известных частиц. Нейтралино должно иметь массу от 100 до 1000 масс протона, т.е. оно должно рождаться в экспериментах на Большом адронном коллайдере в ЦЕРНе вблизи Женевы. К тому же, пытаясь поймать эти частицы из космоса (или же продукты их взаимодействия), физики создали сверхчувствительные детекторы под землей, а также запускают их на аэростатах и спутниках.
Второй кандидат - аксион, сверхлегкая частица с массой примерно в триллион раз меньше, чем у электрона. На ее существование указывают тонкие различия, предсказанные Стандартной моделью в поведении кварков. Попытки зарегистрировать аксион опираются на тот факт, что в очень сильном маг-нитном поле он может превратиться в фотон. Как нейтралино, так и аксион обладают важным свойством: физики называют эти частицы «холодными». Несмотря на то что они рождаются при очень высокой температуре, движутся они медленно и поэтому легко группируются в галактики.
Вероятно, еще один секрет кроется в эпохе первичного кваркового супа: почему сейчас Вселенная содержит только вещество и почти не содержит антивещества. Физики считают, что вначале у Вселенной их было в равном количестве, но в некоторый момент возник маленький избыток вещества - примерно один лишний кварк на каждый миллиард антикварков. Благодаря этому дисбалансу при аннигиляции кварков с антикварками в процессе расширения и охлаждения Вселенной сохранилось достаточно кварков. Более 40 лет назад эксперименты на ускорителях показали, что законы физики устроены немного в пользу вещества; именно это малое предпочтение в процессе взаимодействия частиц на очень раннем этапе привело к рождению избытка кварков.
Вероятно, сам кварковый суп возник очень рано - примерно через $10^{-34}$ с после Большого взрыва, во всплеске космического расширения, известного как инфляция. Причиной этого всплеска стала энергия нового поля, напоминающего электромагнитное поле и на-званного инфлатоном. Именно инфляция должна объяснить такие фундаментальные свойства космоса, как его общую однородность и мелкие флуктуации плотности, породившие галактики и другие структуры во Вселенной. Когда инфлатон распался, он передал свою энергию кваркам и другим частицам, создав таким образом тепло Большого взрыва и сам кварковый суп.
Теория инфляции демонстрирует глубокую связь между кварками и космосом: квантовые флуктуации инфлатона, существовавшие на субатомном уровне, выросли до астрофизических размеров благодаря быстрому расширению и стали зародышем для всех наблюдаемых сегодня структур. Иными словами, картина микроволнового фонового излучения на небе - это гигантское изображение субатомного мира. Наблюдаемые свойства этого излучения согласуются с теоретическим прогнозом, доказывая, что инфляция или нечто ей подобное действительно произошло в очень ранней истории Вселенной.
Рождение Вселенной
Когда космологи пытаются продвинуться еще дальше и понять самое начало Вселенной, их суждения становятся менее уверенными. В течение века общая теория относительности Эйнштейна была основой изучения эволюции Вселенной. Но она не согласуется с другим столпом современной физики - квантовой теорией, поэтому важнейшая задача - примирить их друг с другом. Только с такой объединенной теорией мы сможем продвинуться к самым ранним моментам эволюции Вселенной, к так называемой эре Планка с возрастом $10^{–43}$ с, когда формировалось само пространство-время.
Пробные варианты единой теории предлагают нам удивительные картины самых первых мгновений. Например, теория струн предсказывает существование дополнительных измерений пространства и, возможно, наличие других вселенных в этом суперпространстве. То, что мы называем Большим взрывом, могло быть столкновением нашей Вселенной с другой (см.: Венециано Г. Миф о начале времен // ВМН, № 8, 2004) . Сочетание теории струн с теорией инфляции приводит, возможно, к самой грандиозной идее - к представлению о множественной Вселенной (multiverse), состоящей из бесконечного числа несвязанных частей, в каждой из которых свои физические законы (см.: Буссо Р., Полчински Й. Ландшафт теории струн // ВМН, № 12, 2004) .
Идея множественной Вселенной еще находится в развитии и нацелена на две важнейшие теоретические проблемы. Во-первых, из уравнений, описывающих инфляцию, следует, что если она произошла один раз, то процесс будет происходить вновь и вновь, порождая бесконечное число «раздутых» областей. Они так велики, что не могут сообщаться друг с другом и поэтому не влияют друг на друга. Во-вторых, теория струн указывает, что эти области имеют разные физические параметры, такие как число пространственных измерений и семейства стабильных частиц.
Концепция множественной Вселенной позволяет по-новому взглянуть на две сложнейшие научные проблемы: что было до Большого взрыва и почему законы физики именно таковы? (Вопрос Эйнштейна: «Был ли у Бога выбор?» относился именно к таким законам.) Множественная Вселенная делает бессмысленным вопрос о том, что было до Большого взрыва, поскольку происходило бесконечное число больших взрывов, и каждый порождал свой всплеск инфляции. Вопрос Эйнштейна тоже теряет смысл: в бесконечном количестве вселенных реализуются все возможные варианты законов физики, поэтому законы, управляющие нашей Вселенной, не представляет собой что-то особенное.
Космологи неоднозначно относятся к идее множественной Вселенной. Если между отдельными субвселенными действительно нет связи, то мы не сможем убедиться в их существовании; фактически они находятся за пределами научных зна-ний. Часть меня хочет закричать: «Пожалуйста, не более одной Вселенной!» Но с другой стороны, идея множественной Вселенной решает ряд принципиальных проблем. Если она верна, то хаббловское расширение Вселенной всего лишь в 100 млрд раз и коперниковское изгнание Земли из центра Вселенной в XVI в. покажутся лишь малым дополнением к нашему осознанию своего места в космосе.
ВО ТЬМЕ
Важнейший элемент современного представления о Вселенной и ее величайшая загадка - темная энергия, недавно обнаруженная и глубоко таинственная форма энергии, вызывающая ускорение космического расширения. Темная энергия перехватила управление у материи несколько миллиардов лет назад. До этого расширение замедлялось под влиянием гравитационного притяжения материи, и гравитация была способна создавать структуры - от галактик до сверхскоплений. Ныне, из-за влияния темной энергии, структуры крупнее сверхскоплений не могут формироваться. А если бы темная энергия победила еще раньше - скажем, когда возраст Вселенной был всего 100 млн лет - то формирование структур прекратилось бы до того, как возникли галактики, и нас бы здесь не было.
У космологов пока весьма смутное представление о том, что же такое эта темная энергия. Чтобы расширение ускорялось, нужна сила отталкивания. Общая теория относительности Эйнштейна указывает, что гравитация предельно упругой формы энергии действительно может вызывать отталкивание. Квантовая энергия, заполняющая пустое пространство, действует именно так. Но проблема в том, что теоретические оценки плотности квантовой энергии не согласуются с требованиями наблюдений; фактически, они превосходят их на много порядков. Другая возможность: космическим ускорением может управлять не новая форма энергии, а нечто, имитирующее эту энергию, скажем, ошибочность общей теории относительности или влияние невидимых пространственных измерений (см.: Кросс Л., Тернер М. Космическая загадка // ВМН, № 12, 2004).
Если Вселенная продолжит ускоряться в нынешнем темпе, то через 30 млрд лет все признаки Большого взрыва исчезнут (см.: Кросс Л., Шеррер Р. Наступит ли конец космологии? // ВМН, № 6, 2008) . Все галактики за исключением нескольких ближайших испытают столь большое красное смещение, что станут невидимыми. Температура космического фонового излучения опустится ниже чувствительности приборов. При этом Вселенная станет похожа на ту, какую астрономы представляли себе 100 лет назад, перед тем, как их приборы стали достаточно мощными, чтобы увидеть Вселенную, которую мы знаем сегодня
Современная космология по сути унижает нас. Мы состоим из протонов, нейтронов и электронов, которые в совокупности составляют всего 4,5% Вселенной; мы существуем лишь благодаря тончайшим связям между самым малым и самым большим. Законы микрофизики обеспечили доминирование вещества над антивеществом, появление флуктуаций, ставших затравкой для галактик, заполнение пространства частицами темной материи, обеспечившей гравитационную инфраструктуру, которая позволила сформироваться галактикам, прежде чем возобладала темная энергия, а расширение начало ускоряться (врезка вверху). В то же время космология по своей природе высокомерна. Мысль о том, что мы можем понять что-то в таком безбрежном океане пространства и времени, как наша Вселенная, на первый взгляд кажется абсурдной. Эта странная смесь скромности и самоуверенности позволила нам за прошедший век весьма далеко продвинуться в понимании строения современной Вселенной и ее эволюции. Я с оптимизмом жду дальнейшего прогресса в ближайшие годы и совершенно уверен, что мы живем в золотой век космологии.
Если бы во Вселенной было еще
больше темной энергии, она бы
осталась почти бесформенной
(слева), без тех крупных структур,
которые мы видим (справа).
Перевод: В.Г. Сурдин
ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ЛИТЕРАТУРА
Майкл Тернер (Michael S. Turner) первым взялся за объединение физики частиц, астрофизики и космологии и в начале нынешнего десятилетия возглавил работу Национальной академии в этой новой области исследований. Он профессор Института космологической физики Фонда Кавли в Чикагском университете. С 2003 по 2006 г. он возглавлял отделение физико-математических наук Национального научного фонда. Среди его наград премия Уорнера Американского астрономического общества, премия Лилиенфельда Американского физического общества и премия Клопстега Американской ассоциации учителей физики.
Все слышали о теории Большого взрыва, которая объясняет (по крайней мере, на данный момент) зарождение нашей Вселенной. Однако в ученых кругах всегда найдутся желающие оспорить идеи - из этого, кстати, нередко и вырастают великие открытия.
Однако, понял Дикке, если бы эта модель была реальной, то не было бы двух видов звезд - Населения I и Населения II, молодых и старых звезд. А они были. Значит, Вселенная вокруг нас все-таки развилась из горячего и плотного состояния. Даже если это был не единственный в истории Большой взрыв.
Удивительно, правда? Вдруг этих взрывов было несколько? Десятки, сотни? Науке еще предстоит это выяснить. Дикке предложил своему коллеге Пиблсу просчитать необходимую для описанных процессов температуру и вероятную температуру остаточного излучения в наши дни. Примерные расчеты Пиблса показали, что сегодня Вселенная должна быть наполнена микроволновым излучением с температурой менее 10 К, и Ролл с Уилкинсоном уже готовились искать это излучение, когда раздался звонок…
Однако тут стоит перенестись в другой уголок земного шара - в СССР. Ближе всех к открытию реликтового излучения подошли (и тоже не довели дело до конца!) в СССР. Проделав в течение нескольких месяцев огромную работу, отчет о которой вышел в 1964 году, советские ученые сложили, казалось, все части головоломки, не хватило лишь одной. Яков Борисович Зельдович, один из колоссов советской науки, осуществил расчеты, аналогичные тем, что провел коллектив Гамова (советского физика, живушего в США), и тоже пришел к выводу, что Вселенная должна была начаться с горячего Большого взрыва, оставившего фоновое излучение с температурой в несколько кельвинов.
Яков Борисович Зельдович, –
Он даже знал о статье Эда Ома в «Техническом журнале Bell System», который примерно высчитал температуру реликтового излучения, но неверно интерпретировал выводы автора. Почему же советские исследователи не поняли, что Ом уже открыл это излучение? Из-за ошибки в переводе. В статье Ома утверждалось, что измеренная им температура неба составила около 3 К. Это означало, что он вычел все возможные источники радиопомех и что 3 К - это температура оставшегося фона.
Однако по случайному совпадению такой же (3 К) была и температура излучения атмосферы, поправку на которую Ом тоже сделал. Советские специалисты ошибочно решили, что именно эти 3 К и остались у Ома после всех предыдущих корректировок, вычли и их и остались ни с чем.
В наши дни подобные ошибки понимания легко устранились бы в процессе электронной переписки, но в начале 1960-х годов коммуникация между учеными Советского Союза и Соединенных Штатов была весьма затруднена. Это и стало причиной столь обидной ошибки.
Вернемся в день, когда в лаборатории Дикке раздался телефонный звонок. Оказывается, в это же время астрономы Арно Пензиас и Роберт Вильсон сообщили, что им случайно удалось уловить слабый радиошум, поступающий из всего . Тогда они еще не знали, что другой коллектив ученых самостоятельно пришел к идее существования такого излучения и даже начал строить детектор для его поиска. Это был коллектив Дикке и Пиблса.
Еще удивительнее и то, что космическое микроволновое фоновое, или, как его еще называют, реликтовое, излучение было более чем за десять лет до этого описано в рамках модели возникновения Вселенной в результате Большого взрыва Георгием Гамовым и его коллегами. Ни одна, ни другая группа ученых об этом не знала.
Пензиас и Вильсон случайно узнали о работе ученых под руководством Дикке и решили им позвонить, чтобы обсудить это. Дикке внимательно выслушал Пензиаса и сделал несколько замечаний. Положив трубку, он повернулся к коллегам и сказал: «Ребята, нас обскакали».
Спустя почти 15 лет, после того как множество измерений, произведенных на самых разных длинах волн многими группами астрономов, подтвердили, что открытое ими излучение действительно реликтовое эхо Большого взрыва, имеющее температуру 2,712 К, Пензиас и Вильсон разделили Нобелевскую премию за свое изобретение. Хотя поначалу они даже не хотели писать статью о своем открытии, потому что считали его несостоятельным и не укладывающимся в модель стационарной Вселенной, которой они придерживались!
Говорят, Пензиас и Вильсон сочли бы для себя достаточным упоминание в качестве пятого и шестого имени в списке после Дикке, Пиблса, Ролла и Уилкинсона. В таком случае Нобелевская премия, видимо, ушла бы Дикке. Но все случилось так, как случилось.
P.S.: Подписывайтесь на нашу рассылку . Раз в две недели будем присылать 10 самых интересных и полезных материалов из блога МИФ.
