Как и когда образовалась вселенная. Происхождение и эволюция Вселенной: теория Большого взрыва

Как появилась наша Вселенная? Была ли она всегда? А если нет, то из чего возникла? И когда? А если у вселенной было начало, то значит, что будет и конец?

До начала прошлого века ученые полагали, что Вселенная вечна и неизменна. Но еще раньше научных теорий существовало и другое мнение: мир сотворен Богом. Происхождение Вселенной, жизни и человека есть разумный творческий акт, осуществленный Богом, творцом и вседержителем, природа которого непостижима человеческим разумом. До сих пор в эту версию происхождения Вселенной в той или иной форме верит половина человечества.

И вот в XX веке появилась еще одна версия происхождения Вселенной – теория «большого взрыва». Началось с того, что в 1929 году Эдвин Хаббл обнаружил, что свет от более далеких галактик «краснee» света от более близких. Обнаружить это удалось благодаря эффекту Доплера (зависимости длины волны света от скорости источника света). Поскольку более далекие галактики кажутся более «красными», то предположили, что они удаляются от нашей Галактики с большей скоростью. На самом деле разбегаются не отдельные галактики, и тем более не отдельные звезды. Галактики связаны гравитационными силами и образуют скопления. В каком направлении ни посмотри, скопления галактик разбегаются от Земли с одинаковой скоростью, и может показаться, что наша Галактика является центром Вселенной, однако это не так. Где бы ни находился наблюдатель, он будет везде видеть все ту же картину - все галактики разбегаются от него.

Но разлетаться скопления галактик могут только из какого-то начала. Значит, все галактики должны были родиться в одной точке. То есть было время, когда Вселенная была бесконечно малой и бесконечно плотной. Затем эта точка взорвалась с огромной силой. Расчеты показывают, что произошло это примерно 15 млрд. лет назад. В момент такого взрыва температура была очень большой, и должно было появиться очень много квантов света.

Как могла наша огромная Вселенная поместиться в маленькой точке? Сколько в ней звезд и галактик сейчас! Кажется, что полная энергия и масса Вселенной огромны. Дело в том, что во Вселенной существует не только материя, но и гравитационное поле. Известно, что его энергия отрицательна, и она в точности компенсирует энергию, заключенную в частицах, планетах, звездах и прочих массивных объектах. Таким образом, закон сохранения энергии прекрасно выполняется, и суммарная энергия и масса нашей Вселенной практически равны нулю. Процесс рождения Вселенной «практически из ничего» опирается на строго научные расчеты.

Первое подтверждение факта взрыва пришло в 1964 году, когда американские радиоастрономы Р. Вильсон и А. Пензиас обнаружили реликтовое электромагнитное излучение. Именно это открытие, неожиданное для ученых, убедило их в том, что Большой взрыв действительно имел место, и в самом начале своего существования Вселенная была очень горячей.

Что же такое реликтовое излучение? ? Согласно теории большого взрыва Вселенная возникла в результате грандиозного взрыва, создавшего пространство и время, всю материю и энергию, которые нас окружают. Новорожденная Вселенная прошла стадию чрезвычайно быстрого расширения и до возраста приблизительно 300 тыс. лет была кипящим котлом из электронов, протонов, нейтрино и излучения. Общее расширение Вселенной постепенно охлаждало этy среду, и, когда темпеpaтypa упала до значения нескольких тысяч градусов, наступило время для формирования стабильных атомов. В результате расширения первоначальное излучение стало значительно менее интенсивным, но не пропало совсем. Именно его и обнаружили американские ученые.

Все это прекрасно, но остается вопрос: если первоначально Вселенная была сжата в точку, то что привело ее к этому состоянию? Сделав виток, мы вернулись в начало. Как появилась наша Вселенная?

Как она в кажущееся на первый взгляд бесконечное пространство превратилась? И чем она спустя многие миллионы и миллиарды лет станет? Эти вопросы терзали (и продолжают терзать) умы философов и ученых, кажется, еще с начала времен, породив при этом множество интересных и порой даже безумных теорий
. Сегодня большинство астрономов и космологов пришли к общему согласию относительно того, что вселенная, которую мы знаем, появилась в результате гигантского взрыва, породившего не только основную часть материи, но явившегося источником основных физических законов, согласно которым существует тот космос, который нас окружает. Все это называется теорией большого взрыва.

Основы теории большого взрыва относительно просты. Таким образом, если кратко, согласно ей вся существовавшая и существующая сейчас во вселенной материя появилась в одно и то же время - около 13, 8 миллиарда лет назад. В тот момент времени вся материя существовала в виде очень компактного абстрактного шара (или точки) с бесконечной плотностью и температурой. Это состояние носило название сингулярности. Неожиданно сингулярность начала расширяться и породила ту вселенную, которую мы знаем.

Стоит отметить, что теория большого взрывая является лишь одной из многих предложенных гипотез возникновения вселенной (например, есть еще теория стационарной вселенной), однако она получила самое широкое признание и популярность. Она не только объясняет источник всей известной материи, законов физики и большую структуру вселенной, она также описывает причины расширения вселенной и многие другие аспекты и феномены.

Хронология событий в теории большого взрыва.

Основываясь на знаниях о нынешнем состоянии вселенной, ученые предполагают, что все должно было начаться с единственной точки с бесконечной плотностью и конечным временем, которые начали расширяться. После первоначального расширения, как гласит теория, вселенная прошла фазу охлаждения, которая позволила появиться субатомным частицам и позже простым атомам. Гигантские облака этих древних элементов позже, благодаря гравитации, начали образовывать звезды и галактики.

Все это, по догадкам ученых, началось около 13, 8 миллиарда лет назад, и поэтому эта отправная точка считается возрастом вселенной. Путем исследования различных теоретических принципов, проведения экспериментов с привлечением ускорителей частиц и высокоэнергетических состояний, а также путем проведения астрономических исследований дальних уголков вселенной ученые вывели и предложили хронологию событий, которые начались с большого взрыва и привели вселенную в конечном итоге к тому состоянию космической эволюции, которое имеет место быть сейчас.

Ученые считают, что самые ранние периоды зарождения вселенной - продлившиеся от 10-43 до 10-11 секунды после большого взрыва, - по прежнему являются предметом споров и обсуждений. Внимание! Только в том случае, если учесть, что те законы физики, которые нам сейчас известны, не могли существовать в это время, то очень сложно понять, каким же образом регулировались процессы в этой ранней вселенной. Кроме того, экспериментов с использованием тех возможных видов энергий, которые могли присутствовать в то время, до сих пор не проводилось. Как бы там ни было, многие теории о возникновении вселенной в конечном итоге согласны с тем, что в какой-то период времени имелась отправная точка, с которой все началось.

Эпоха сингулярности.

Также известная как планковская эпоха (или планковская эра) принимается за самый ранний из известных периодов эволюции вселенной. В это время вся материя содержалась в единственной точке бесконечной плотности и температуры. Во время этого периода, как считают ученые, квантовые эффекты гравитационного взаимодействия доминировали над физическим, и ни одна из физических сил не была равна по силе гравитации.

Планковская эра предположительно длилась от 0 до 10-43 секунды и названа она так потому, что измерить ее продолжительность можно только планковским временем. Ввиду экстремальных температур и бесконечной плотности материи состояние вселенной в этот период времени было крайне нестабильным. После этого произошли периоды расширения и охлаждения, которые привели к возникновению фундаментальных сил физики.

Приблизительно в период с 10-43 до 10-36 секунды во вселенной происходил процесс столкновения состояний переходных температур. Считается, что именно в этот момент фундаментальные силы, которые управляют нынешней вселенной, начали отделяться друг от друга. Первым шагом этого отделения явилось появление гравитационных сил, сильных и слабых ядерных взаимодействий и электромагнетизма.

В период примерно с 10-36 до 10-32 секунды после большого взрыва температура вселенной стала достаточно низкой (1028 к), что привело к разделению электромагнитных сил (сильное взаимодействие) и слабого ядерного взаимодействия (слабого взаимодействия.

Эпоха инфляции.

С появлением первых фундаментальных сил во вселенной началась эпоха инфляции, которая продлилась с 10-32 секунды по планковскому времени до неизвестной точки во времени. Большинство космологических моделей предполагают, что вселенная в этот период была равномерно заполнена энергией высокой плотности, а невероятно высокие температура и давление привели к ее быстрому расширению и охлаждению.

Это началось на 10-37 секунде, когда за фазой перехода, вызвавшей отделение сил, последовало расширение вселенной в геометрической прогрессии. В этот же период времени вселенная находилась в состоянии бариогенезиса, когда температура была настолько высокой, что беспорядочное движение частиц в пространстве происходило с околосветовой скоростью.

В это время образуются и сразу же сталкиваясь разрушаются пары из частиц - античастиц, что, как считается, привело к доминированию материи над антиматерией в современной вселенной. После прекращения инфляции вселенная состояла из кварк - глюоновой плазмы и других элементарных частиц. С этого момента вселенная стала остывать, начала образовываться и соединяться материя.

Эпоха охлаждения.

Со снижением плотности и температуры внутри вселенной начало происходить и снижение энергии в каждой частице. Это переходное состояние длилось до тех пор, пока фундаментальные силы и элементарные частицы не пришли к своей нынешней форме. Так как энергия частиц опустилась до значений, которые можно сегодня достичь в рамках экспериментов, действительное возможное наличие этого временного периода вызывает у ученых куда меньше споров.

Например, ученые считают, что на 10-11 секунде после большого взрыва энергия частиц значительно уменьшилась. Примерно на 10-6 секунде кварки и глюоны начали образовывать барионы - протоны и нейтроны. Кварки стали преобладать над антикварками, что в свою очередь привело к преобладанию барионов над антибарионами.

Так как температура была уже недостаточно высокой для создания новых протонно - антипротонных пар (или нейтронно - антинейтронных пар), последовало массовое разрушение этих частиц, что привело к остатку только 1/1010 количества изначальных протонов и нейтронов и полному исчезновению их античастиц. Аналогичный процесс произошел спустя около 1 секунды после большого взрыва. Только "Жертвами" на этот раз стали электроны и позитроны. После массового уничтожения оставшиеся протоны, нейтроны и электроны прекратили свое беспорядочное движение, а энергетическая плотность вселенной была заполнена фотонами и в меньшей степени нейтрино.

В течение первых минут расширения вселенной начался период нуклеосинтеза (синтез химических элементов. Благодаря падению температуры до 1 миллиарда кельвинов и снижения плотности энергии примерно до значений, эквивалентных плотности воздуха, нейтроны и протоны начали смешиваться и образовывать первый стабильный изотоп водорода (дейтерий), а также атомы гелия. Тем не менее большинство протонов во вселенной остались в качестве несвязных ядер атомов водорода.

Спустя около 379 000 лет электроны объединились с этими ядрами водорода и образовали атомы (опять же преимущественно водорода), в то время как радиация отделилась от материи и продолжила практически беспрепятственно расширяться через пространство. Эту радиацию принято называть реликтовым излучением, и она является самым древнейшим источником света во вселенной.

С расширением реликтовое излучение постепенно теряло свою плотность и энергию и в настоящий момент его температура составляет 2, 7260 0, 0013 к (- 270, 424 C), а энергетическая плотность 0, 25 эВ (или 4, 005x10-14 Дж/м? ; 400-500 Фотонов/см. Реликтовое излучение простирается во всех направлениях и на расстояние около 13, 8 миллиарда световых лет, однако оценка его фактического распространения говорит примерно о 46 миллиардах световых годах от центра вселенной.

Эпоха структуры (иерархическая эпоха).

В последующие несколько миллиардов лет более плотные регионы почти равномерно распределенной во вселенной материи начали притягиваться друг к другу. В результате этого они стали еще плотнее, начали образовывать облака газа, звезды, галактики и другие астрономические структуры, за которыми мы можем наблюдать в настоящее время. Этот период название иерархической эпохи носит. В это время та вселенная, которую мы видим сейчас, начала приобретать свою форму. Материя начала объединяться в структуры различных размеров - звезды, планеты, галактики, галактические скопления, а также галактические сверхскопления, разделенные межгалактическими перемычками, содержащими всего лишь несколько галактик.

Детали этого процесса могут быть описаны согласно представлению о количестве и типе материи, распределенной во вселенной, которая представлена в виде холодной, теплой, горячей темной материи и барионного вещества. Однако современной стандартной космологической моделью большого взрыва является модель лямбда - CDM, согласно которой частицы темной материи двигаются медленнее скорости света. Выбрана она была потому, что решает все противоречия, которые появлялись в других космологических моделях.

Согласно этой модели на холодную темную материю приходится около 23 процентов всей материи/энергии во вселенной. Доля барионного вещества составляет около 4, 6 процента. Лямбда - CDM ссылается на так называемую космологическую постоянную: теорию, предложенную Альбертом Эйнштейном, которая характеризует свойства вакуума и показывает соотношение баланса между массой и энергией как постоянную статичную величину. В этом случае она связана с темной энергией, которая служит в качестве акселератора расширения вселенной и поддерживает гигантские космологические структуры в значительной степени однородными.

Долгосрочные прогнозы относительно будущего вселенной.

Гипотезы относительно того, что эволюция вселенной обладает отправной точкой, естественным способом подводят ученых к вопросам о возможной конечной точке этого процесса. Только в том случае, если вселенная начала свою историю из маленькой точки с бесконечной плотностью, которая вдруг начала расширяться, не означает ли это, что расширяться она тоже будет бесконечно или же однажды у нее закончится экспансивная сила и начнется обратный процесс сжатия, конечным итогом которого станет все та же бесконечно плотная точка?

Ответы на эти вопросы были основной целью космологов с самого начала споров о том, какая же космологическая модель вселенной является верной. С принятием теории большого взрыва, но по большей части благодаря наблюдению за темной энергией в 1990-х годах, ученые пришли к согласию в отношении двух наиболее вероятных сценариев эволюции вселенной.

Согласно первому, получившему название "Большое Сжатие", вселенная достигнет своего максимального размера и начнет разрушаться. Такой вариант развития событий будет возможен, если только плотность массы вселенной станет больше, чем сама критическая плотность. Другими словами, если плотность материи достигнет определенного значения или станет выше этого значения (1-3x10-26 кг материи на м), вселенная начнет сжиматься.

Альтернативой служит другой сценарий, который гласит, что если плотность во вселенной будет равна или ниже значения критической плотности, то ее расширение замедлится, однако никогда не остановится полностью. Согласно этой гипотезе, получившей название "Тепловая Смерть Вселенной", расширение продолжится до тех пор, пока звездообразования не перестанут потреблять межзвездный газ внутри каждой из окружающих галактик. То есть полностью прекратится передача энергии и материи от одного объекта к другому. Все существующие звезды в этом случае выгорят и превратятся в белых карликов, нейтронные звезды и черные дыры.

Постепенно черные дыры будут сталкиваться с другими черными дырами, что привет к образованию все более и более крупных. Средняя температура вселенной приблизится к абсолютному нулю. Черные дыры в итоге "Испарятся", выпустив свое последнее излучение хокинга. В конце концов термодинамическая энтропия во вселенной максимальной станет. Тепловая смерть наступит.

Современные наблюдения, которые учитывают наличие темной энергии и ее влияние на расширение космоса, натолкнули ученых на вывод, согласно которому со временем все больше и больше пространства вселенной будет проходить за пределами нашего горизонта событий и станет невидимым для нас. Конечный и логичный результат этого ученым пока не известен, однако "Тепловая Смерть" вполне может оказаться конечной точкой подобных событий.

Есть и другие гипотезы относительно распределения темной энергии, а точнее, ее возможных видов (например фантомной энергии. Согласно им галактические скопления, звезды, планеты, атомы, ядра атомов и материя сама по себе будут разорваны на части в результате ее бесконечного расширения. Такой сценарий эволюции носит название "Большого Разрыва". Причиной гибели вселенной согласно этому сценарию является само расширение.

История теории большого взрыва.

Самое раннее упоминание большого взрыва относится к началу 20-го века и связано с наблюдениями за космосом. В 1912 году американский астроном весто слайфер провел серию наблюдений за спиральными галактиками (которые изначально представлялись туманностями) и измерил их доплеровское красное смещение. Почти во всех случаях наблюдения показали, что спиральные галактики отдаляются от нашего млечного пути.

В 1922 году выдающийся российский математик и космолог Александр Фридман вывел из уравнений Эйнштейна для общей теории относительности так называемые уравнения Фридмана. Несмотря продвижения Эйнштейном теории в пользу наличия космологической постоянной, работа Фридмана показала, что вселенная скорее находится в состоянии расширения.

В 1924 году измерения Эдвина хаббла дистанции до ближайшей спиральной туманности показали, что эти системы на самом деле являются действительно другими галактиками. В то же время хаббл приступил к разработке ряда показателей для вычета расстояния, используя 2, 5-метровый телескоп хукера в обсерватории маунт Вилсон. К 1929 году хаббл обнаружил взаимосвязь между расстоянием и скоростью удаления галактик, что впоследствии стало законом хаббла.

В 1927 году бельгийский математик, физик и католический священник Жорж леметр независимо пришел к тем же результатам, какие показывали уравнения Фридмана, и первым сформулировал зависимость между расстоянием и скоростью галактик, предложив первую оценку коэффициента этой зависимости. Леметр считал, что в какой-то период времени в прошлом вся масса вселенной была сосредоточена в одной точке (атоме.

Эти открытия и предположения вызывали много споров между физиками в 20-х и 30-х годах, большинство из которых считало, что вселенная находится в стационарном состоянии. Согласно устоявшейся в то время модели, новая материя создается наряду с бесконечным расширением вселенной, равномерно и равнозначно по плотности распределяясь на всей ее протяженности. Среди ученых, поддерживающих ее, идея большого взрыва казалась больше теологической, нежели научной. В адрес леметра звучала критика о предвзятости на основе религиозных предубеждений.

Следует отметить, что в то же время существовали и другие теории. Например, модель вселенной Милна и циклическая модель. Обе основывались на постулатах общей теории относительности Эйнштейна и впоследствии получили поддержку самого ученого. Согласно этим моделям вселенная существует в бесконечном потоке повторяющихся циклов расширений и коллапсов.

1. Эпоха сингулярности (планковская). Ее принято считать первичной, в качестве раннего эволюционного периода Вселенной. Материя была сосредоточена в одной точке, имеющей свою температуру и бесконечную плотность. Ученые утверждают, что эта эпоха характерна для доминирования квантовых эффектов, принадлежащих гравитационному взаимодействию над физическими, причем ни одна физическая сила из всех существовавших в те далекие времена по своей силе не была идентична гравитации, то есть не была ей равна. Время продолжительности планковской эры сосредотачивается в интервале от 0 до 10-43 секунды. Она получила такое название по причине того, что полноценно измерить ее протяженность смогло лишь планковское время. Этот временной интервал считается очень нестабильным, что в свою очередь тесным образом связано с экстремальной температурой и безграничной плотностью материи. Следом за эпохой сингулярности произошел период расширения, а вместе с ним и охлаждения, приведшие к формированию основных физических сил.

Как зарождалась Вселенная. Холодное рождение

Что было до Вселенной. Модель «Спящей» Вселенной

«Возможно, до Большого взрыва Вселенная представляла собой некое очень компактное, медленно эволюционирующее статичное пространство», - теоретизируют такие физики, как Курт Хинтербихлер, Остин Джойс и Джастин Хури.

Эта «предвзрывная» Вселенная должна была обладать метастабильным состоянием, то есть быть стабильной до того момента, пока не появится еще более стабильное состояние. По аналогии представьте обрыв, на краю которого в состоянии вибрации находится валун. Любое касание до валуна приведет к тому, что он сорвется в пропасть или - что ближе к нашему случаю – произойдет Большой взрыв. Согласно некоторым теориям «предвзрывная» Вселенная могла существовать в ином виде, например, в форме сплюснутого и очень плотного пространства. В итоге этот метастабильный период подошел к концу: она резко расширилась и приобрела форму и состояние того, что мы видим сейчас.

«В модели «спящей» Вселенной, однако, тоже имеются свои проблемы», - говорит Кэрролл.

«Она тоже предполагает наличие у нашей Вселенной появления низкого уровня энтропии и при этом не объясняет, почему это так».

Однако Хинтербихлер, физик-теоретик из Университета Кейс Вестерн Резерв, не считает появление низкого уровня энтропии проблемой.

«Мы просто ищем объяснение динамики, происходившей до Большого взрыва, которая объясняет, почему мы видим то, что мы видим сейчас. Пока это лишь единственное, что нам остается», - говорит Хинтербихлер.

Кэрролл, тем не менее, считает, что есть еще одна теория «предвзрывной» Вселенной, которая способна объяснить низкий уровень энтропии, имеющийся в нашей Вселенной.

Как появилась Вселенная из ничего. Как работает Вселенная

Поговорим о том, как на самом деле устроена физика, по нашим понятиям. Со времён Ньютона парадигма фундаментальной физики не менялась; в неё входит три части. Первое – «пространство состояний»: по сути, список всех возможных конфигураций, в которых может находиться Вселенная. Второе - определённое состояние, представляющее Вселенную в какой-то момент времени, обычно в текущий. Третье – некое правило, по которому Вселенная развивается во времени. Дайте мне Вселенную на сегодня, и законы физики скажут, что станет с ней в будущем. Такой способ мышления не менее верен для квантовой механики или ОТО или квантовой теории поля, чем для ньютоновой механики или максвелловской электродинамики.

Квантовая механика, в частности - особенная, но очень многосторонняя реализация этой схемы. (Квантовая теория поля – просто определённый пример квантовой механики, а не новый способ мышления). Состояния – это «волновые функции», а набор всех возможных волновых функций определённой системы называется “ гильбертовым пространством “. Его преимущество в том, что оно сильно ограничивает набор возможностей (потому что это векторное пространство: замечание для экспертов). Как только вы сообщите мне его размер (количество измерений), вы полностью определите ваше Гильбертово пространство. Это кардинально отличается от классической механики, в которой пространство состояний может стать чрезвычайно сложным. А ещё есть машинка – “ гамильтониан ” – указывающая, как именно развиваться из одного состояния в другое с течением времени. Повторюсь, что разновидностей гамильтонианов бывает не много; достаточно записать определённый список величин (собственных значений энергии – уточнение для вас, надоедливые эксперты).

Как появилась жизнь на Земле. Жизнь на Земле

Жизнь, использующая химию, отличную от нашей, может возникнуть на Земле более одного раза. Возможно. И если мы найдем доказательства наличия такого процесса, это означает, что существует большая вероятность, что жизнь будет возникать во многих местах Вселенной независимо друг от друга, также как возникла жизнь на Земле. Но с другой стороны, представьте, что мы почувствуем, если в конце концов обнаружим жизнь на другой планете, возможно, вращающейся вокруг далекой звезды, и окажется, что она имеет идентичную химию и, возможно, даже идентичную нашей структуру ДНК.

Шансы на то, что жизнь на Земле возникла абсолютно самопроизвольно и случайно кажутся очень небольшими. Шансы возникновения точно такой же жизни в другом месте невероятно малы, и практически равны нулю. Но на эти вопросы есть возможные ответы, которые английские астрономы Фред Хойл и Чандра Викрамасингхе изложили в своей необычной книге, написанной в 1979 году - « Life cloud» .

Учитывая крайне маловероятный шанс, что жизнь на Земле появилась сама по себе, авторы предлагают другое объяснение. Оно заключается в том, что появление жизни произошло где-то в космосе, а затем распространилась по всей Вселенной посредством панспермии. Микроскопическая жизнь, застрявшая в мусоре, возникшем в результате космических столкновений, может путешествовать, находясь в неактивном состоянии в течение очень долгого времени. После чего, когда она прибудет в пункт назначения, где снова начнет развиваться. Таким образом, вся жизнь во Вселенной, в том числе и жизнь на Земле, на самом деле является одной и той же жизнью.

Видео Как появилась Вселенная

Как появилась Вселенная из ничего. Холодное рождение

Однако пути к подобному объединению можно обдумать на качественном уровне, и здесь появляются весьма интересные перспективы. Одну из них рассмотрел известный космолог, профессор Аризонского университета Лоуренс Краусс в своей недавно изданной книге «A Universe From Nothing» («Вселенная из ничего»). Его гипотеза выглядит фантастической, но отнюдь не противоречит установленным законам физики.

Считается, что наша Вселенная возникла из очень горячего начального состояния с температурой порядка 1032 кельвинов. Однако возможно представить и холодное рождение вселенных из чистого вакуума - точнее, из его квантовых флуктуаций. Хорошо известно, что такие флуктуации порождают великое множество виртуальных частиц, буквально возникших из небытия и впоследствии бесследно исчезнувших. Согласно Крауссу, вакуумные флуктуации в принципе способны давать начало столь же эфемерным протовселенным, которые при определенных условиях переходят из виртуального состояния в реальное.

Вопрос о том, как появилась Вселенная, всегда волновал людей. Это и не удивительно, ведь каждому хочется знать свои истоки. Над этим вопросом уже несколько тысячелетий бьются ученые, священники и писатели. Этот вопрос будоражит умы не только специалистов, но и каждого простого человека. Однако сразу стоит сказать, что стопроцентного ответа на вопрос о том, как появилась Вселенная, нет. Есть только теория, которую поддерживает большинство ученых.

Вот ее мы и разберем.

Поскольку все, что окружает человека, имеет свое начало, то не удивляет тот факт, что с древних времен человек пытался найти начало Вселенной. У человека эпохи Средневековья ответ на этот вопрос был достаточно прост – Вселенную создал Бог. Однако с развитием науки ученые начали подвергать сомнению не только вопрос о Боге, но и вообще о том, что Вселенная имеет начало.

В 1929 году благодаря американскому астроному Хабблу ученые вернулись к вопросу о корнях Вселенной. Дело в том, что Хаббл доказал, что галактики, из которых состоит Вселенная, постоянно двигаются. Кроме движения они еще и могут увеличиваться, а значит, увеличивается и Вселенная. А если она растет, выходит так, что был когда-то этап старта этого роста. А это означает, что у Вселенной есть начало.

Чуть позже уже британский астроном Хойл выдвинул сенсационную гипотезу: Вселенная возникла в момент Большого Взрыва. Его теория так и вошла в историю под таким названием. Суть идеи Хойла проста и сложна одновременно. Он считал, что когда-то существовал этап, который называют состоянием космической сингулярности, то есть время стояло на отметке нуль, а плотность и температура равнялись бесконечности. И в один момент случился взрыв, в результате которого нарушилась сингулярность, а следовательно плотность и температура изменились, начался рост материи, а значит время начало свой отчет. Позже сам Хойл назвал свою теорию малоубедительной, однако это не помешало ей стать самой популярной гипотезой происхождения Вселенной.

Когда случилось то, что Хойл назвал Большим Взрывом? Ученые проводили множество расчетов, в результате большинство сошлось на цифре 13,5 миллиардов лет. Именно тогда из ничего начала появляться Всего за долю секунды Вселенная приобрела размер меньше атома, и процесс разрастания был запущен. Ключевую роль сыграла гравитация. Самое интересное, что если бы она была чуть сильнее, то ничего бы не возникло, максимум черная дыра. А если бы гравитация была немного слабее, то ничего бы не возникло вообще.
Через несколько секунд после Взрыва температура во Вселенной немного уменьшилась, что дало толчок созданию вещества и антивещества. В результате начали появляться атомы. Так Вселенная перестала быть однотонной. Где-то атомов было больше, где-то меньше. В одних частях было горячее, в других температура была ниже. Атомы начали сталкиваться друг с другом, образовывая соединения, затем новые вещества, а позже тела. Часть объектов обладала большой внутренней энергией. Это были звезды. Они начали собирать вокруг себя (благодаря силе притяжения) другие тела, которые мы называем планетами. Так возникли системы, одной из которых является наша Солнечная.

Большой взрыв. Проблемы модели и их разрешение

Проблема крупномасштабности и изотропности Вселенной может быть разрешена благодаря тому, что на стадии инфляции расширение происходило необычайно высокими темпами. Из этого следует, что всё пространство наблюдаемой Вселенной – результат одной причинно-связанной области эпохи, предшествующей инфляционной.
Разрешение проблемы плоской Вселенной. Это возможно потому, что на стадии инфляции происходит увеличение радиуса кривизны пространства. Эта величина такова, что позволяет современным параметрам плотности иметь значение, близкое к критическому.
Инфляционное расширение ведёт к возникновению колебаний плотности с определённой амплитудой и формой спектра. Это даёт возможность развития этих колебаний (флуктуаций) в нынешнюю структуру Вселенной, сохраняя крупномасштабную однородность и изотропность. Это разрешение проблемы крупномасштабной структуры Вселенной.

Основным недостатком инфляционной модели можно считать её зависимость от теорий, которые ещё не доказаны и разработаны не до конца.

Например, модель базируется на теории единого поля, которая пока является просто гипотезой. Её невозможно проверить экспериментально в лабораторных условиях. Ещё один недостаток модели – непонятность, откуда взялась перегретая и расширяющаяся материя. Здесь рассматриваются три возможности:

Стандартная теория Большого взрыва предполагает начало инфляции на самой ранней стадии эволюции Вселенной. Но тогда не разрешается проблема сингулярности.
Вторая возможность – возникновение Вселенной из хаоса. Разные участки её имели различную температуру, поэтому в одних местах происходило сжатие, а в других – расширение. Инфляция должна была возникнуть в области Вселенной, которая была перегрета и расширялась. Но не ясно, откуда взялся первичный хаос.
Третий вариант – квантово-механический путь, посредством которого возник сгусток перегретой и расширяющейся материи. Фактически, Вселенная возникла из ничего.

В научном мире принято считать, что Вселенная произошла в результате Большого взрыва. Строится данная теория на том, что энергия и материя (основы всего сущего) ранее находились в состоянии сингулярности. Оно, в свою очередь, характеризуется бесконечностью температуры, плотности и давления. Состояние сингулярности само по себе отвергает все известные современному миру законы физики. Ученые считают, что Вселенная возникла из микроскопической частицы, которая в силу неизвестных пока причин пришла в далеком прошлом в нестабильное состояние и взорвалась.

Термин «Большой взрыв» стал применяться с 1949 года после публикации в научно-популярных изданиях работ ученого Ф.Хойла. Сегодня теория «динамической эволюционирующей модели» разработана настолько хорошо, что физики могут описать процессы, происходящие во Вселенной уже через 10 секунд после взрыва микроскопической частицы, положившей начало всему сущему.

Доказательств теории существует несколько. Одним из главных является реликтовое излучение, которое пронизывает всю Вселенную. Оно могло возникнуть, по мнению современных ученых, только в результате Большого взрыва, благодаря взаимодействию микроскопических частиц. Именно реликтовое излучение позволяет узнать о тех временах, когда Вселенная была похожа на пылающее пространство, а звезд, планет и самой галактики не было и в помине. Вторым доказательством рождения всего сущего из Большого взрыва считается космологическое красное смещение, заключающееся в уменьшении частоты излучения. Это подтверждает удаление звезд, галактик от Млечного пути в частности и друг от друга в целом. То есть, свидетельствует о том, что Вселенная расширялась ранее и продолжает это делать до сих пор.

Краткая история Вселенной

10 -45 - 10 -37 сек - инфляционное расширение

10 -6 сек - возникновение кварков и электронов

10 -5 сек - образование протонов и нейтронов

10 -4 сек - 3 мин - возникновение ядер дейтерия, гелия и лития

400 тыс. лет - образование атомов

15 млн. лет - продолжение расширения газового облака

1 млрд. лет - зарождение первых звезд и галактик

10 - 15 млрд. лет - появление планет и разумной жизни

10 14 млрд. лет - прекращение процесса рождения звезд

10 37 млрд. лет - истощение энергии всех звезд

10 40 млрд. лет - испарение черных дыр и рождение элементарных частиц

10 100 млрд. лет - завершение испарения всех черных дыр

Теория Большого взрыва стала настоящим прорывом в науке. Она позволила ученым ответить на множество вопросов относительно рождения Вселенной. Но одновременно эта теория породила новые загадки. Главная из них заключается в причине самого Большого взрыва. Второй вопрос, на который нет ответа у современной науки - как появилось пространство, время. По мнению некоторых исследователей, они родились вместе с материей, энергией. То есть, являются результатом Большого взрыва. Но тогда получается, что и у времени, пространства должно быть какое-то начало. То есть, некая сущность, постоянно существующая и не зависящая от их показателей, вполне могла положить начало процессам нестабильности в микроскопической частице, породившей Вселенную.

Чем больше исследований проводится в этом направлении, тем больше вопросов возникает у астрофизиков. Ответы на них ждут человечество в будущем.

Сейчас существует огромное количество предположений о возможном происхождении Вселенной. Но ни одно из них не может дать четкого ответа на главный вопрос о том, как появилась .

Парадоксальным остается тот факт, что после изучения и анализа одной из теорий и при нахождении в ней достаточного количества убедительных суждений, вникание в другую теорию также предоставляет немалое количество аргументов.

Именно поэтому поиск однозначного ответа на этот вопрос длится много лет.

На данный момент есть 3 основные теории возникновения Вселенной:

теологическая;
теория «Большого взрыва»;
научно-философская теория.

Теологический подход

Если рассматривать одну из древнейших теорий происхождения Вселенной, описанной в Библии, то происхождение мира датируется 5508 годом до рождества Христова.

Теологическая точка зрения о происхождении мира известна давно, но ее сторонниками являются в основном глубоко верующие люди и духовенство.

Эта теория наиболее часто подвергается критике ученых, которые совершенно иначе смотрят на происхождение мира и его структуру.

Если обратиться к толковому словарю, то мы там прочитаем, что Вселенная – это мировоззренческая система, включающая в себя космическую бесконечность и все тела, находящиеся в ней.

Более альтернативным определением понятия «Вселенная» является «сгусток звездных тел и галактик».

Большой взрыв – начало Вселенной

С научной точки зрения самой популярной теорией, объясняющей возникновение Вселенной, является так называемая теория «Большого взрыва».

Эта версия гласит, что около 20 млрд. лет назад Вселенная имела вид небольшой песчинки. Но несмотря на мизерные размеры этой субстанции, ее плотность составляла более 1100 г/см3 . Естественно, что на тот момент в состав этой субстанции не входили звезды, планеты или галактики. Она представляла лишь некий потенциал для создания многих небесных тел.

Высокая плотность стала причиной взрыва, который смог поделить песчинку на миллионы частей, из которых и образовалась Вселенная.

Есть и другая теория возникновения Вселенной. Ее суть перекликается с теорией «Большого взрыва». Исключением является только тот факт, что во второй теории Вселенная предположительно возникла не из вещества, а из вакуума. Другими словами, мир возник в результате взрыва в вакууме.

Слово "вакуум" переводится с латинского как "пустота", но под пустотой принято понимать не общепринятый смысл этого слова, а определенное состояние, в котором находится все сущее. Вакууму свойственно изменять свою структуру так, как это делает вода, превращаясь в твердое вещество или газ. В процессе одного из таких переходов из одного состояния в другое и возник взрыв, зародивший Вселенную.

Разработка теории «Большого взрыва» позволила ответить на многие важные вопросы, но вместе с тем поставила перед учеными еще больше новых. Например, что привело к нестабильности точки сингулярности и какое состояние имела частица до большого взрыва? Одной из главных загадок остается возникновение и природа пространства и времени.

Научно-философская теория

Кроме теологической и научной гипотез, дающих объяснение возникновению Вселенной, есть еще и научно-философский подход к этому вопросу.

Научно-философская теория рассматривает создание Вселенной определенным разумным Началом. Такой подход подразумевает непостоянное существование мира, так как есть фиксируемая точка начала. Также теория описывает постоянный рост и развитие Вселенной. Такие выводы сделали ученые, занимающиеся изучением состава и сияния звездных тел.

«Исследования Млечного пути, проведенные в 30-х годах ХХ века, установили, что звездное сияние смещено в сторону красной области спектра и чем более удалена звезда от Земли, тем больше оно выражено. Именно этот факт стал основанием для выводов ученых о постоянном росте и расширении Вселенной».

Вселенная, фото которой постоянно делают ученые, постоянно видоизменяется.

Еще одним фактом, подтверждающим расширение Вселенной, является явление под названием «смерть» звезды.

По химическому составу тело звезды состоит из водорода, который принимает участие во многих реакциях и превращается в более тяжелые элементы. После вступления в реакцию большей части водорода наступает «смерть» звезды. В некоторых теориях утверждается, что планеты являются результатом этого явления.

Эти исследования подтвердили еще одно предположение: водородный распад – природный и необратимый процесс, а Вселенная движется к своему концу.

Заметка: Добавка (присадка) в коробку передач поможет продлить срок службы вашего автомобиля. Купить присадку вы можете на сайте forumyug.ru по доступной цене.

7 марта 2015, 18:50

Вселенная - это весь окружающий нас бесконечный мир. Это другие планеты и звёзды, наша планета Земля, её растения и животные, ты и я - всё это Вселенная, в том числе и то, что находится за пределами Земли- космическое пространство, планеты, звёзды. Это материя без конца и края, принимающая самые разнообразные формы своего существования.

Вселенная - это всё существующее. От мельчайших пылинок и атомов до огромных скоплений вещества звездных миров и звездных систем. Вселенная, или космос,состоит из гигантских скоплений звёзд.

Откуда же всё это взялось?

Существует несколько теорий, самая популярная из которых - теория большого взрыва.

70 лет назад американский астроном Эдвин Хаббл обнаружил, что галактики располагаются в красной части цветового спектра. Это, согласно «эффекту Доплера», означало, что они удаляются друг от друга. Причем свет от более далеких галактик «краснee» света от более близких, что говорило о меньшей скорости далеких. Картина разлета огромных масс вещества поразительно напоминала картину взрыва. Тогда и была предложена теория Большого взрыва.

Согласно расчетам, это произошло примерно 13,7 миллиарда лет назад. К моменту взрыва Вселенная представляла собой «точку» размером 10-33 сантиметра. Протяженность же нынешней Вселенной оценивается астрономами в 156 миллиардов световых лет (для сравнения: «точка» во столько раз меньше протона – ядра атома водорода, во сколько раз сам протон меньше Луны).

Вещество в «точке» было чрезвычайно горячим, а значит, при взрыве появилось очень много квантов света. Конечно, со временем все остывает, а кванты разлетаются по возникающему пространству, но отзвуки Большого взрыва должны были сохраниться до наших дней.
Первое подтверждение факта взрыва пришло в 1964 году, когда американские радиоастрономы Р. Уилсон и А. Пензиас обнаружили реликтовое электромагнитное излучение с температурой около 3° по шкале Кельвина (–270° С). Это открытие, неожиданное для ученых, было расценено в пользу Большого взрыва.

Итак, из постепенно расширявшегося во все стороны сверхгорячего облака субатомных частиц начали постепенно образовываться атомы, вещества, планеты, звезды, галактики, и наконец появилась жизнь. Вселенная расширяется до сих пор, и неизвестно, как долго будет это продолжаться. Возможно, когда-нибудь она достигнет своего предела.

Теория Большого взрыва позволила ответить на многие вопросы, стоявшие перед космологией, но, к сожалению, а может, и к счастью, она же поставила и ряд новых. В частности: что было до Большого взрыва? Что привело к начальному нагреву Вселенной до невообразимой температуры более 1032 градусов К? Почему Вселенная на удивление однородна, в то время как при любом взрыве вещество разлетается в разные стороны крайне неравномерно?

Но главная загадка – это, конечно, «феномен». Неизвестно, откуда он появился, как образовался. В научно-популярных изданиях тема «феномена» обычно опускается вообще, а в специализированных научных публикациях о нем пишут как о вещи недопустимой с научной точки зрения. Стивен Хокинг, всемирно известный ученый, профессор Кембриджского университета, и Дж. Ф. Р. Эллис, профессор математики университета в Кейптауне, в своей книге «Длинная шкала структуры пространства-времени» так прямо и говорят: «Достигнутые нами результаты подтверждают концепцию, что Вселенная возникла конечное число лет назад. Однако отправной пункт теории возникновения Вселенной в результате Большого взрыва – так называемый “феномен” – находится за гранью известных законов физики».

При этом надо учитывать, что проблема «феномена» – это только часть гораздо большей проблемы, проблемы самого источника начального состояния Вселенной. Иными словами: если первоначально Вселенная была сжата в точку, то что привело ее в это состояние?

В попытках обойти проблему «феномена» некоторые ученые предлагают другие гипотезы. Одна из них – теория «пульсирующей Вселенной». Согласно ей, Вселенная бесконечно раз за разом то сжимается в точку, то расширяется до каких-то границ. Такая Вселенная не имеет ни начала, ни конца, существуют только циклы расширения-сжатия. При этом авторы гипотезы утверждают, что Вселенная существовала всегда, тем самым вроде бы снимая вопрос о «начале мира».

Но дело в том, что никто до сих пор не предоставил удовлетворительного объяснения механизма пульсации. Почему она происходит? Какими причинами вызвана? Нобелевский лауреат, физик Стивен Вайнберг в своей книге «Первые три минуты» указывает, что при каждой очередной пульсации во Вселенной неизбежно должна возрастать величина соотношения количества фотонов к количеству нуклеонов, что ведет к угасанию новых пульсаций. Вайнберг делает вывод, что, таким образом, количество циклов пульсации Вселенной конечно, а значит, в какой-то момент они должны прекратиться. Следовательно, «пульсирующая Вселенная» имеет конец, а стало быть, имеет и начало.

Еще одна теория возникновения Вселенной – это теория «белых дыр», или квазаров, которые «выплевывают» из себя целые галактики.
Любопытна также теория «пространственно-временных туннелей», или «космических каналов». Мысль о них впервые была высказана в 1962 году американским физиком-теоретиком Джоном Уилером в книге «Геометродинамика», в которой исследователь сформулировал возможность надпространственных, необыкновенно быстрых межгалактических путешествий. Некоторые версии концепции «космических каналов» рассматривают возможность перемещения с их помощью в прошлое и будущее, а также в другие вселенные и измерения.

Физик из Стэнфорда Андрей Линде задаётся вопросами, на которые теория Большого взрыва не может ответить. Некоторые из них были озвучены в 2007 г. в статье журнала Stanford Alumni magazine: «Что именно взорвалось? Почему оно взорвалось в этот конкретный момент и сразу везде? Что существовало до Большого взрыва?»

С точки зрения Линде, Большой взрыв не был единичным событием, а, скорее, беспорядочной и рассредоточенной инфляцией. Он разработал свою хаотическую теорию инфляции в 80-е годы: расширения, как после Большого взрыва, могут произойти в любом месте в космосе при достаточном количестве потенциальной энергии.

«Мы предполагали, что вся Вселенная была создана в один момент, - говорит Линде. - Но на самом деле это не так».

Исследование реликтового излучения в 90-е годы показали различную интенсивность, что даёт некоторые доказательства в поддержку хаотической теории инфляции.

Линде считает, что если смотреть с очень широкой перспективы, космос не вписывается в рамки, созданные наукой: «Вместо Вселенной, где существует один закон физики, вечная хаотическая инфляция создаёт картину самовоспроизводящейся и вечной мультивселенной, где возможно всё, - говорит Линде. - Параллельные линии могут пересечься на очень далёком расстоянии. Законы физики могут меняться… Мы просто неспособны увидеть, когда это происходит. Мы похожи на муравьёв внутри огромного шара».

Другие теории о происхождении Вселенной:

Экпиротическая теория

Приверженцы этой теории считают, что есть параллельная нашей Вселенная, которая время от времени сталкивается с "сестрой". Энергия столкновения приводит к огромным возмущениям пространства, в результате чего появляются частицы, формирующие затем газовые туманности, галактики, звезды и прочие космические тела.

После столкновения Вселенные разбегаются, но чем дальше они разбегаются, тем сильнее начинают притягиваться друг к другу (а почему бы и нет?). Постепенно они начинают снова сближаться, и к тому времени уже никаких звезд и других объектов в обеих Вселенных нет, все равномерно распределено согласно Второму Закону Термодинамики.

Вселенные снова сталкиваются, и снова энергия столкновения приводит к появлению частиц, и так далее, это бесконечный цикл.

Белые дыры

Все мы слышали о существовании черных дыр. В общем-то, на данный момент об их существовании можно догадываться только по возмущению гравитационных полей/отклонению света. Но ученые уже говорят о существовании белых дыр. Ведь если вещество поглощается черной дырой, где-то же оно должно выбрасываться, правда?

И в теории, точки, где вещество выбрасывается, а не поглощается, действительно существуют. Пока что их не удается обнаружить, однако приверженцы этой теории не оставляют надежды на обнаружение белой дыры в ближайшем будущем.

Вообще говоря, существование белых дыр, если таковые действительно будут обнаружены, нарушает сразу несколько фундаментальных законов физики. И если действительно белая дыра будет обнаружена, то придется подлатывать фундамент нынешней науки, и очень основательно (в который раз, кстати говоря).

Вселенная - порождение Черной дыры

Очень интересная теория, согласно которой черные дыры, выбрасывающие вещество непонятно куда, на самом деле, создают новые Вселенные, которые появляются даже быстрее, чем грибы после дождя. Каждая частичка, поглощенная черной дырой, может являться началом новой Вселенной, после того, как частичка, наделенная огромной энергией, взорвется. Это будет Большой Взрыв, и таких Взрывов очень много.

Каждая порожденная Вселенная, в свою очередь порождает новые черные дыры, а те - новые Вселенные. В общем, голова идет кругом, очень уж сложно себе представить всю эту бесконечную круговерть.

Квантовая теория миров

Эту теорию очень часто используют фантасты в своих произведениях. Суть ее в постоянном разветвлении вариаций. Например, сейчас вы решаете - идти в магазин, или включить ТВ. В одной инвариантности вы идете в магазин, в другой - включаете ТВ. Имеем уже две Вселенных, которые очень слабо отличаются друг от друга, но чем дальше, тем отличия сильнее.

Да и вообще - вариантности "ветвятся" в зависимости от очень многих факторов, включая поведение атомов, которые движутся в разных направлениях и прочее. В результате каждый миг появляются миллиарды миллиардов новых инвариантностей, и чем удаленнее они друг от друга, тем сильнее различаются эти Вселенные.

Образно это можно представить себе как веер, каждая лопасть которого бесконечно делится, и каждая из последующих частей снова делится, и так далее...