Как произошел большой взрыв. Теория большого взрыва: возникновение Вселенной из ничтожно малой частицы

Загадки Большого взрыва

Наша Вселенная возникла 13,7 миллиарда лет назад, порожденная Большим взрывом, и вот уже на протяжении нескольких поколений ученые пытаются понять этот феномен.

В конце 20-х годов XX века, Эдвин Хаббл открыл, что все видимые нами галактики разлетаются – словно осколки гранаты после взрыва, тогда же бельгийский астроном и богослов Жорж Леметр и выдвинул свою гипотезу (в 1931 г. она вышла на страницах «Nature»). Он считает что, история мироздания началась с того, что взорвался «первичный атом», и это породило время, пространство и материю (раньше, в начале 1920-х годов, советский ученый Александр Фридман, анализируя уравнения Эйнштейна, тоже пришел к выводу, что «Вселенная создавалась из точки» и на это ушло «десятки миллиардов наших обычных лет»).

Вначале астрономы решительно отвергли рассуждения бельгийского теолога. Потому как теория Большого взрыва как нельзя лучше сочеталась с христианской верой в Бога-Творца. В течении двух веков ученые пресекали проникновение в науку каких бы то ни было религиозных домыслов о «начале всех начал». И вот Бог, изгнанный из природы под мерное покачивание колесиков ньютоновской механики, неожиданно возвращается. Он грядет в пламени Большого взрыва, и трудно придумать более триумфальную картину его явления.

Однако проблема была не только в богословии – Большой взрыв не подчинялся законам точных наук. Важнейший момент истории Вселенной пребывал за гранью познания. В этой сингулярной (особой) точке, расположенной на оси пространства-времени, общая теория относительности переставала действовать, потому как давление, температура, плотность энергии и искривление пространства устремлялись в бесконечность, то есть теряли всякий физический смысл. В этой точке исчезали, превращались не в ноль, не в отрицательные величины, а в полное их отсутствие, в абсолютную беззначность, все эти секунды, метры и астрономические единицы. Эта точка – разрыв, который не преодолеть на ходулях логики или математики, дыра навылет во времени и пространстве.

Только в конце 1960-х годов Роджер Пенроуз и Стивен Хокинг убедительно показали, что в рамках теории Эйнштейна сингулярность Большого взрыва неизбежна. Однако это не смогло облегчить работу теоретиков. Как описать Большой взрыв? Что стало, к примеру, причиной этого события? Ведь если до него вообще не было времени, то вроде бы не могло быть и причины, породившей его.

Как мы понимаем теперь, для создания полной теории Большого взрыва, необходимо связать воедино учение Эйнштейна, описывающее пространство и время, с квантовой теорией, занимающейся элементарными частицами и их взаимодействием. Вероятно, может пройти не одно десятилетие, прежде чем удастся это сделать и вывести единую «формулу мироздания».

А откуда, к примеру, могло появится то грандиозное количество энергии, что породило этот взрыв невероятной силы? Возможно, она досталась нашей Вселенной от ее предшественницы, сжавшейся в сингулярную точку? Однако тогда откуда та ее получила? Или энергия была разлита в первородном вакууме, из которого – «пузырьком пены» – выскользнула наша Вселенная? Или же Вселенные старшего поколения передают энергию Вселенным младшего поколения посредством – тех сингулярных точек – в глубинах которых, возможно, зарождаются новые миры, которые нам никогда не увидеть? Как бы там ни было, Вселенная в таких моделях предстает «открытой системой», что не вполне соответствует «классической» картине Большого взрыва: «Не было ничего, и вдруг родилось мироздание».

Вселенная в момент образования была в чрезвычайно плотном и горячем состоянии.

А возможно, как считают некоторые из исследователей, наша Вселенная вообще… лишена энергии, точней, ее совокупная энергия равна нулю? Положительная энергия излучения, испускаемого веществом, накладывается на отрицательную энергию гравитации. Плюс на минус дает ноль. Этот пресловутый «0» кажется ключом к пониманию природы Большого взрыва. Из него – из «нуля», из «ничего» – мгновенно родилось все. Случайно. Спонтанно. Просто так. Ничтожно малое отклонение от 0 породило вселенскую лавину событий. Можно привести и такое сравнение: каменный шар, балансировавший на тонкой, как шпиль, вершине какой-то Джомолунгмы, неожиданно качнулся и покатился вниз, порождая «лавину событий».

1973 год — физик Эдвард Трион из Америки, попробовал описать процесс рождения нашей Вселенной, используя принцип неопределенности Гейзенберга, одну из основ квантовой теории. По этому принципу, чем точней мы, к примеру, измеряем энергию, тем неопределенней становится время. Итак, если энергия строго равна нулю, то время может быть сколь угодно большим. Настолько большим, что рано или поздно в квантовом вакууме, из которого и предстоит родиться Вселенной, возникнет флуктуация. Это и приведет к стремительному разрастанию космоса, казалось бы, из ничего. «Просто Вселенные иногда рождаются, вот и все», – так незатейливо Трион объяснил подоплеку Большого взрыва. Это был большой Случайный взрыв. Только и всего.

А может ли Большой взрыв повториться?

Как ни странно, да. Мы живем в мироздании, которое все еще может плодоносить и порождать новые миры. Созданы несколько моделей, которые описывают «Большие взрывы» будущего.

Почему бы, к примеру, в том же вакууме, породившем нашу Вселенную, не появиться новым флуктуациям? Может быть, за эти 13,7 миллиарда лет рядом с нашим мирозданием появилось бесчисленное множество миров, никак не соприкасающихся друг с другом. В них действуют разные законы природы, существуют различные физические константы. В большинстве этих миров жизнь никогда не могла бы возникнуть. Многие из них сразу гибнут, испытывают коллапс. Но в некоторых Вселенных – по чистой случайности! – складываются условия, при которых способна зародиться жизнь.

Но дело не только в том вакууме, что пребывает до начала «всех времен и народов». Чреватые будущими мирами флуктуации могут возникать и в вакууме, что разлит в нашей Вселенной, – точней, в темной энергии, заполняющей ее. Такого рода модель «обновляющейся Вселенной» разработал американский космолог, уроженец Советского Союза, Александр Виленкин. Нам эти новые «большие взрывы» ничем не грозят. Они не разрушат структуру Вселенной, не выжгут ее дотла, а только создадут новое пространство за пределами, доступными нашему наблюдению и пониманию. Может быть, подобные «взрывы», знаменующие рождения новых миров, происходят в глубинах многочисленных черных дыр, усеивающих космос, полагает американский астрофизик Ли Смолин.

Другой уроженец СССР, проживающий на Западе, космолог Андрей Линде считает, что мы сами способны учинить новый Большой взрыв, собрав в какой-то точке пространства громадное количество энергии, превышающее некий критический предел. По его расчетам, космические инженеры будущего могли бы взять незримую щепотку вещества – всего несколько сотых долей миллиграмма – и уплотнить его до такой степени, что энергия этого сгустка составит 1015 гигалектронвольт. Образуется крохотная черная дыра, которая начнет расширяться по экспоненте. Так возникнет «дочерняя Вселенная» со своим пространством-временем, стремительно отделяющаяся от нашей Вселенной.

…В природе Большого взрыва много фантастичного. Но справедливость этой теории доказывает целый ряд природных феноменов. К ним относятся наблюдаемое нами расширение Вселенной, картина распределения химических элементов, а также космическое фоновое излучение, которое так и называют «реликтом Большого взрыва».

Мир не существует вечно. Он зародился в пламени Большого взрыва. Однако было ли это уникальным явлением в истории космоса? Или повторяющимся событием, вроде рождения звезд и планет? Что если Большой взрыв – только фаза перехода из одного состояния Вечности в другое?

Многие из физиков говорят о том, что изначально было Нечто, а не Ничто. Возможно, наша Вселенная, – как и другие, – родилась из элементарного квантового вакуума. Но как ни «минимально просто» подобное состояние, – а меньше, чем квантовый вакуум, не позволяют быть законы физики, – его нельзя все же именовать «Ничто».

Возможно, видимая нами Вселенная – только очередное агрегатное состояние Вечности? А причудливое расположение галактик и галактических скоплений – что-то наподобие кристаллической решетки, которая в n-мерном мире, существовавшем до рождения нашей Вселенной, имела совсем иную структуру и которая возможно предсказана «формулой всего», разыскивавшейся еще Эйнштейном? И будет ли она найдена в ближайшие десятилетия? Ученые напряженно вглядываются сквозь стену Неведомого, оградившего наше мироздание, стараясь понять, что же было за мгновение до того, как, по привычным для нас представлениям, не было ровным счетом ничего. Какие формы Вечного космоса возможно вообразить, наделив время и пространство теми качествами, которые немыслимы в нашем мироздании?

Среди самых многообещающих теорий, в которые физики стараются втиснуть целую Вечность, возможно назвать теорию квантовой геометрии, квантово-спиновую динамику или квантовую гравитацию. Наибольший вклад в их разработку внесли Абэй Аштекар, Тед Джекобсон, Ежи Левандовски, Карло Ровелли, Ли Смолин и Томас Тиманн. Все это – сложнейшие физические построения, целые дворцы, возведенные из формул и гипотез, – только бы скрыть таящуюся в их глубине и темноте прорву, сингулярность времени и пространства.

Эпоха сингулярности

Окольные тропы новых теорий заставляют нас перешагнуть через очевидные, на первый взгляд, истины. Так, в квантовой геометрии пространство и время, прежде дробимые бесконечно, вдруг разбиваются на отдельные островки – порции, кванты, меньше которых нет ничего. Все сингулярные точки могут быть вмурованы в эти «каменные глыбы». Само пространство-время превращается в переплетение одномерных структур – «сети спинов», то есть становится дискретной структурой, в своем роде цепью, сплетенной из отдельных звеньев.

Объем минимально возможной петельки пространства составляет всего 10-99 кубического сантиметра. Эта величина до такой степени мала, что в одном кубическом сантиметре гораздо больше квантов пространства, чем тех самых кубических сантиметров в наблюдаемой нами Вселенной (ее объем составляет 1085 сантиметров в кубе). Внутри квантов пространства нет ничего, ни энергии, ни вещества – подобно тому, как внутри математической точки – по определению – не отыскать ни треугольника, ни икосаэдра. Но если мы применим гипотезу о «субмикроскопической ткани Вселенной», что бы описать Большой взрыв, мы получим поразительные результаты, как показали Абэй Аштекар и Мартин Боджовальд из Пенсильванского университета.

Если заменить в Стандартной теории космологии дифференциальные уравнения, предполагающие непрерывное течение пространства, другими дифференциальными уравнениями, следующими из теории квантовой геометрии, то таинственная сингулярность исчезнет. Физика не заканчивается там, где начинается Большой взрыв, – таков первый обнадеживающий вывод космологов, которые отказались принимать за истину в последней инстанции видимые нами свойства мироздания.

В теории квантовой гравитации предполагается, что наша Вселенная (как и все другие) родилась в как результат случайной флуктуации квантового вакуума – глобальной макроскопической среды, в которой не было времени. Каждый раз, когда в квантовом вакууме возникает флуктуация определенных размеров, рождается и новая Вселенная. Она «отпочковывается» от той однородной среды, в которой образовалась, и начинает свою собственную жизнь. Теперь у нее – своя история, свое пространство, свое время, своя стрела времени.

В современной физике создали ряд теорий, показывающих, как из вечно существующей среды, где нет Макровремени, но в отдельных точках которой течет свое микровремя, может возникнуть такой громадный мир, как наш.

К примеру, физики Габриэле Венециано и Маурицио Гасперини из Италии, в рамках теории струн предполагают, что изначально существовал так называемый «струнный вакуум». Случайные квантовые флуктуации в нем привели к тому, что плотность энергии достигла критической величины, и это вызвало локальный коллапс. Который завершился рождением нашей Вселенной из вакуума.

В рамках теории квантовой геометрии Абэй Аштекар и Мартин Боджовальд показали, что пространство и время могут возникать из более примитивных фундаментальных структур, а именно «сетей спинов».

Экхард Ребхан из Дюссельдорфского университета и – независимо от него – Джордж Эллис и Рой Маартенс из Кейптаунского университета развивают идею «статической Вселенной», которую обдумывали еще Альберт Эйнштейн и британский астроном Артур Эддингтон. В своем стремлении обойтись без эффектов квантовой гравитации Ребхан и его коллеги придумали сферическое пространство, пребывающее посреди вечной пустоты (или, если хотите, пустой вечности), где нет никакого времени. Ввиду некоторой нестабильности здесь развивается инфляционный процесс, что и приводит к горячему Большому взрыву.

Конечно, перечисленные модели умозрительны, но они принципиально соответствуют современному уровню развития физики и результатам астрономических наблюдений последних нескольких десятилетий. В любом случае, ясно одно. Большой взрыв был скорей рядовым, естественным событием, а не единственным в своем роде.

Помогут ли подобного рода теории понять, что же могло быть до Большого взрыва? Если Вселенная родилась, что ее породило? Где в современных теориях космологии проступает «генетический отпечаток» ее родительницы? 2005 год — Абэй Аштекар, к примеру, обнародовал результаты своих новых расчетов (проделать их помогли Томаш Павловски и Парамприт Сингх). Из них явствовало, что если исходные посылки верны, то до Большого взрыва существовали то же самое пространство-время, что и после этого события. Физика нашего мироздания, словно в зеркале, отразилась в физике мира иного. В этих расчетах Большой взрыв, словно зеркальный экран, рассекал Вечность, располагая рядом несоединимое – естество и его отражение. И что подлинность здесь, что призрак?

Единственное, что возможно разглядеть «с той стороны зеркального стекла», что Вселенная тогда не расширялась, а сжималась. Большой взрыв стал точкой ее коллапса. В этот момент пространство и время на мгновение пресеклись, чтобы снова отразиться – продолжиться – фениксом восстать уже в знакомом нам мире, том мироздании, которое мы вымеряем нашими формулами, шифрами и числами. Вселенная буквально вывернула сама себя наизнанку, будто перчатку или рубашку, и с того времени неуклонно расширяется. Большой взрыв не был, по Аштекару, «творением целой Вселенной из Ничто», а являлся только переходом из одной динамической формы Вечности в другую. Возможно, Вселенная переживает бесконечную череду «больших взрывов», и эти десятки миллиардов (или сколько там) лет, разделяющие ее отдельные фазы, – только периоды «космической синусоиды», по законам которой живет мироздание?

Теория Большого взрыва стала почти такой же общепринятой космологической моделью, как и вращение Земли вокруг Солнца. Согласно теории, около 14 млрд лет назад спонтанные колебания в абсолютной пустоте привели к появлению Вселенной. Нечто, сравнимое по размеру с субатомной частицей, расширилось до невообразимых размеров за доли секунды. Но в этой теории существует много проблем, над которыми бьются физики, выдвигая всё новые и новые гипотезы.

Что не так с теорией Большого взрыва

Из теории следует, что все планеты и звёзды образовались из пыли, размётанной по космосу в результате взрыва. Но что предшествовало ему, неясно: здесь наша математическая модель пространства-времени перестаёт работать. Вселенная возникла из начального сингулярного состояния, к которому не применить современную физику. Теория также не рассматривает причины возникновения сингулярности или материи и энергии для её возникновения. Считается, что ответ на вопрос о существовании и происхождении начальной сингулярности даст теория квантовой гравитации.

Большинство космологических моделей предсказывают, что полная Вселенная имеет размер намного больший, чем наблюдаемая часть - сферическая область с диаметром примерно 90 млрд световых лет. Мы видим только ту часть Вселенной, свет от которой успел достичь Земли за 13,8 млрд лет. Но телескопы становятся всё лучше, мы обнаруживаем всё более дальние объекты, и пока нет оснований считать, что этот процесс остановится.

С момента Большого взрыва Вселенная расширяется с ускорением . Сложнейшая загадка современной физики - вопрос о том, что вызывает ускорение. Согласно рабочей гипотезе, во Вселенной содержится невидимая составляющая, называемая «тёмной энергией». Теория Большого взрыва не объясняет, будет ли Вселенная расширяться бесконечно, и если да, то к чему это приведёт - к её исчезновению или чему-то ещё.

Хотя ньютоновскую механику потеснила релятивистская физика, её нельзя назвать ошибочной. Тем не менее восприятие мира и модели для описания Вселенной полностью изменились. Теория Большого взрыва предсказала ряд вещей, которые не были известны до того. Таким образом, если на её место придёт другая теория, то она должна быть похожей и расширить понимание мира.

Мы остановимся на самых интересных теориях, описывающих альтернативные модели Большого взрыва.

Вселенная как мираж чёрной дыры

Вселенная возникла благодаря коллапсу звезды в четырёхмерной Вселенной, считают учёные из Института теоретической физики «Периметр». Результаты их исследования опубликовал журнал Scientific American . Ниайеш Афшорди, Роберт Манн и Рази Пурхасан говорят, что наша трёхмерная Вселенная стала подобием «голографического миража» при схлопывании четырёхмерной звезды. В отличие от теории Большого взрыва, согласно которой Вселенная возникла из чрезвычайно горячего и плотного пространства-времени, где не применяются стандартные законы физики, новая гипотеза о четырёхмерной вселенной объясняет как причины зарождения, так и её стремительного расширения

Согласно сценарию, сформулированному Афшорди и его коллегами, наша трёхмерная Вселенная - это своеобразная мембрана, которая плывёт сквозь ещё более объёмную вселенную, существующую уже в четырёх измерениях. Если бы в этом четырёхмерном космосе существовали свои четырёхмерные звёзды, они бы тоже взрывались, как и трёхмерные в нашей Вселенной. Внутренний слой становился бы чёрной дырой, а внешний выбрасывался бы в пространство.

В нашей Вселенной чёрные дыры окружены сферой, называемой горизонтом событий. И если в трёхмерном пространстве эта граница двухмерная (как мембрана) , то в четырёхмерной вселенной горизонт событий будет ограничен сферой, существующей в трёх измерениях. Компьютерное моделирование коллапса четырёхмерной звезды показало, что её трёхмерный горизонт событий будет постепенно расширяться. Именно это мы и наблюдаем, называя рост 3D-мембраны расширением Вселенной, полагают астрофизики.

Большая заморозка

Альтернативой Большому взрыву может быть Большая заморозка. Команда физиков из Мельбурнского университета во главе с Джеймсом Кватчем представила модель рождения Вселенной, которая больше напоминает постепенный процесс заморозки аморфной энергии, чем её выплеск и расширение в трёх направлениях пространства.

Бесформенная энергия, по мнению учёных, подобно воде охладилась до кристаллизации, создав привычные три пространственных и одно временное измерение.

Теория Большой заморозки ставит под сомнение принятое в настоящее время утверждение Альберта Эйнштейна о непрерывности и плавности пространства и времени. Не исключено, что пространство имеет составные части - неделимые стандартные блоки наподобие крошечных атомов или пикселей в компьютерной графике. Эти блоки настолько малы, что их невозможно наблюдать, однако, следуя новой теории, можно обнаружить дефекты, которые должны преломлять потоки других частиц. Учёные вычислили такие эффекты с помощью математического аппарата, а теперь попытаются обнаружить их экспериментально.

Вселенная без начала и конца

Ахмед Фараг Али из Университета Бенха в Египте и Саурия Дас из Университета Летбриджа в Канаде предложили новое решение проблему сингулярности, отказавшись от Большого взрыва. Они привнесли в уравнение Фридмана, описывающее расширение Вселенной и Большой взрыв, идеи известного физика Дэвида Бома . «Удивительно, что небольшие поправки потенциально могут решить так много вопросов», - говорит Дас.

Полученная модель объединила в себе общую теорию относительности и квантовую теорию. Она не только отрицает сингулярность, предшествовавшую Большому взрыву, но и не допускает того, что Вселенная со временем сожмётся обратно в первоначальное состояние. Согласно полученным данным, Вселенная имеет конечный размер и бесконечное время жизни. В физическом выражении модель описывает Вселенную, наполненную гипотетической квантовой жидкостью, которая состоит из гравитонов - частиц, обеспечивающих гравитационное взаимодействие.

Учёные также утверждают, что их выводы соотносятся с последними результатами измерения плотности Вселенной.

Бесконечная хаотическая инфляция

Термин «инфляция» обозначает стремительное расширение Вселенной, происходившее по экспоненте в первые мгновения после Большого взрыва. Сама по себе теория инфляции не опровергает теорию Большого взрыва, а лишь по-другому интерпретирует её. Эта теория решает несколько фундаментальных проблем физики.

Согласно инфляционной модели, вскоре после зарождения Вселенная очень короткое время расширялась по экспоненте: её размер многократно удваивался. Учёные полагают, что за 10 в -36 степени секунд Вселенная увеличилась в размерах как минимум в 10 в 30–50 степени раз, а возможно, и больше. В конце инфляционной фазы Вселенная заполнилась сверхгорячей плазмой из свободных кварков, глюонов, лептонов и высокоэнергетичных квантов.

Концепция подразумевает , что в мире существует множество изолированных друг от друга вселенных с разным устройством

Физики пришли к выводу, что логика инфляционной модели не противоречит идее постоянного множественного рождения новых вселенных. Квантовые флуктуации - такие же, как те, из-за которых появился наш мир - могут возникать в любом количестве, если для этого есть подходящие условия. Вполне возможно, что наше мироздание вышло из флуктуационной зоны, сформировавшейся в мире-предшественнике. Можно также допустить, что когда-нибудь и где-нибудь в нашей Вселенной образуется флуктуация, которая «выдует» юную вселенную совершенно другого рода. По такой модели дочерние вселенные могут отпочковываться непрерывно. При этом вовсе не обязательно, что в новых мирах устанавливаются одни и те же физические законы. Концепция подразумевает, что в мире существует множество изолированных друг от друга вселенных с разным устройством.

Циклическая теория

Пол Стейнхардт, один из физиков, заложивших основы инфляционной космологии, решил развить эту теорию и дальше. Учёный, который возглавляет Центр теоретической физики в Принстоне, совместно с Нэйлом Тьюроком из Института теоретической физики «Периметр» изложил альтернативную теорию в книге Endless Universe: Beyond the Big Bang («Бесконечная Вселенная: За гранью Большого взрыва»). Их модель основана на обобщении теории квантовых суперструн, известной как М-теория. Согласно ей, физический мир имеет 11 измерений - десять пространственных и одно временное. В нём «плавают» пространства меньших размерностей, так называемые браны (сокращение от «мембраны»). Наша Вселенная - просто одна из таких бран.

Модель Стейнхардта и Тьюрока утверждает, что Большой взрыв произошёл в результате столкновения нашей браны с другой браной - неизвестной нам вселенной. По этому сценарию столкновения происходят бесконечно. Согласно гипотезе Стейнхардта и Тьюрока, рядом с нашей браной «плавает» ещё одна трёхмерная брана, отделённая крошечным расстоянием. Она также расширяется, уплощается и пустеет, но через триллион лет браны начнут сближаться и в конце концов столкнутся. При этом выделится огромное количество энергии, частиц и излучения. Этот катаклизм запустит очередной цикл расширения и охлаждения Вселенной. Из модели Стейнхардта и Тьюрока следует, что эти циклы были и в прошлом и обязательно повторятся в будущем. С чего эти циклы начались, теория умалчивает.

Вселенная
как компьютер

Ещё одна гипотеза об устройстве мироздания гласит, что весь наш мир - это не более чем матрица или компьютерная программа. Идею о том, что Вселенная представляет собой цифровой компьютер, впервые выдвинул немецкий инженер и пионер компьютеростроения Конрад Цузе в книге Calculating Space («Вычислительное пространство»). Среди тех, кто также рассматривал Вселенную как гигантский компьютер, значатся физики Стивен Вольфрам и Герард "т Хоофт.

Теоретики цифровой физики предполагают, что Вселенная - по сути информация, и, следовательно, она вычислима. Из этих предположений следует, что Вселенную можно рассматривать как результат работы компьютерной программы или цифрового вычислительного устройства. Этот компьютер может быть, например, гигантским клеточным автоматом или универсальной машиной Тьюринга .

Косвенным доказательством виртуальной природы Вселенной называют принцип неопределённости в квантовой механике

Согласно теории, всякий предмет и событие физического мира происходит из постановки вопросов и регистрации ответов «да» или «нет». То есть за всем, что нас окружает, скрывается некий код, аналогичный бинарному коду компьютерной программы. А мы - своего рода интерфейс, с помощью которого появляется доступ к данным «вселенского интернета». Косвенным доказательством виртуальной природы Вселенной называют принцип неопределённости в квантовой механике: частицы материи могут существовать в неустойчивой форме, а «закрепляются» в конкретном состоянии только при наблюдении за ними.

Последователь цифровой физики Джон Арчибальд Уилер писал : «Не было бы неразумным представить, что информация находится в ядре физики так же, как в ядре компьютера. Всё из бита. Иными словами, всё сущее - каждая частица, каждое силовое поле, даже сам пространственно-временной континуум - получает свою функцию, свой смысл и, в конечном счёте, само своё существование».

Курсовая работа по предмету «Теоретические основы прогрессивных технологий»

Выполнила: Белозерская Лариса Мирзоджоновна, Курс I

Московский государственный открытый университет, филиал

Космология - это физическое учение о Вселенной, включающее в себя теорию всего охваченного астрономическими наблюдениями мира как части Вселенной.

Величайшим достижением современной космологии стала модель расширяющейся Вселенной, названная теорией Большого взрыва.

Согласно этой теории, всё наблюдаемое пространство расширяется. Но что же было в самом начале? Всё вещество в Космосе в какой-то начальный момент было сдавлено буквально в ничто - спрессовано в одну-единственную точку. Оно имело фантастически огромную плотность - её практически невозможно себе представить, она выражается числом, в котором после единицы стоят 96 нулей, - и столь же невообразимо высокую температуру. Астрономы назвали такое состояние сингулярностью.

В силу каких-то причин это удивительное равновесие было внезапно разрушено действием гравитационных сил - трудно даже вообразить, какими они должны были быть при бесконечно огромной плотности "первовещества"!

Этому моменту учёные дали название "Большой взрыв". Вселенная начала расширяться и остывать.

Следует отметить, что вопрос о том, каким же было рождение Вселенной - "горячим" или "холодным", - не сразу был решён однозначно и занимал умы астрономов долгое время. Интерес к проблеме был далеко не праздным - ведь от физического состояния вещества в начальный момент зависит, например, возраст Вселенной. Кроме того, при высоких температурах могут протекать термоядерные реакции. Следовательно, химический состав "горячей" Вселенной должен отличаться от состава "холодной". А от этого в свою очередь зависят размеры и темпы развития небесных тел...

На протяжении нескольких десятилетий обе версии - "горячего" и "холодного" рождения Вселенной - существовали в космологии на равных, имея и сторонников, и критиков. Дело оставалось "за малым" - следовало подтвердить их наблюдениями.

Современная астрономия на вопрос о том, существуют ли доказательства гипотезы горячей Вселенной и Большого взрыва, может дать утвердительный ответ. В 1965 г. было сделано открытие, которое, как считают учёные, прямо подтверждает то, что в прошлом вещество Вселенной было очень плотным и горячим. Оказалось, что в космическом пространстве встречаются электромагнитные волны, которые родились в ту далёкую эпоху, когда не было ещё ни звёзд, ни галактик, ни нашей Солнечной системы.

Возможность существования такого излучения была предсказана астрономами гораздо раньше. В середине 1940гг. американский физик Джордж Гамов (1904-1968) занялся проблемами возникновения Вселенной и происхождения химических элементов. Расчёты, выполненные Гамовым и его учениками, позволили представить, что во Вселенной в первые секунды её существования была очень высокая температура. Нагретое вещество "светилось" - испускало электромагнитные волны. Гамов предположил, что они должны наблюдаться и в современную эпоху в виде слабеньких радиоволн, и даже предсказал температуру этого излучения - примерно 5-6 К.

В 1965 г. американские учёные радиоинженеры Арно Пензиас и Роберт Уилсон зарегистрировали космическое излучение, которое нельзя было приписать никакому известному тогда космическому источнику. Астрономы пришли к выводу, что это излучение, имеющее температуру около 3 К, - реликт (от лат. "остаток", отсюда и название излучения - "реликтовое") тех далёких времён, когда Вселенная была фантастически горяча. Теперь астрономы смогли сделать выбор в пользу "горячего" рождения Вселенной. А. Пензиас и Р. Вильсон, получили в 1978 г. Нобелевскую Премию за открытие космического микроволнового фона (такового официальное название реликтового излучения) на волне 7,35 см.

Большим взрывом называется явление возникновения Вселенной. В рамках этой концепции полагается, что начальным состоянием Вселенной была точка, называемая точкой сингулярности, в которой были сосредоточены все вещество и энергия. Она характеризовалась бесконечно большой плотностью материи. Конкретные свойства точки сингулярности неизвестны, как неизвестно и то, что предшествовало состоянию сингулярности.

Приблизительная хронология событий, последовавших с нулевого момента времени - начала расширения, представлена ниже:

Относительно условий и событий, происходивших до наступления момента 5·10-44 секунды - окончания первого кванта времени - никаких достоверных сведений нет. О физических параметрах той эры можно лишь сказать, что тогда температура была 1,3·1032 К, а плотность материи около 1096 кг/м3. Приведенные значения являются предельными для применения существующих теорий. Они вытекают из соотношений скорости света, гравитационной постоянной, постоянных Планка и Больцмана и называются “планковскими”.

События периода с 5·10-44 по 10-36 секунды отражает модель “инфляционной Вселенной”, описание, которой затруднительно и не может быть дано в рамках этого изложения. Однако следует отметить, что согласно этой модели расширение Вселенной происходило без уменьшения объемной концентрации энергии и при отрицательном давлении первичной смеси вещества и энергии, т.е., как бы, отталкивании материальных объектов друг от друга, вызвавшем расширение Вселенной, продолжающееся и поныне.

Для понимания процессов, протекавших в период 10-36-10-4 секунд с начала взрыва, требуется глубокое знание физики элементарных частиц. В этот период электромагнитное излучение и элементарные частицы - различные виды мезонов, гипероны, протоны и антипротоны, нейтроны и антинейтроны, нейтрино и антинейтрино и т.п. существовали в равновесии, т.е. их объемные концентрации были равны. Очень важную роль в это время играли вначале поля сильных, а затем слабых взаимодействий.

В период 10-4 - 10-3 секунды происходило формирование всего множества элементарных частиц, которые, преобразуясь одни в другие, и составляют ныне всю Вселенную. Произошла аннигиляция подавляющего большинства элементарных частиц и античастиц, существовавших ранее. Именно в этот период появилась барионная асимметрия, которая оказалась следствием очень малого, всего на одну миллиардную долю, превышения количества барионов над антибарионами. Оно возникло, судя по всему, сразу после эры инфляционного расширения Вселенной. При температуре 1011 градусов плотность Вселенной уже снизилась до величины, характерной для атомных ядер, В этот период уменьшение температуры вдвое происходило за тысячные доли секунды. В это же время родилось существующее и ныне реликтовое нейтринное излучение. Однако, несмотря на его значительную плотность, составляющую не менее чем 400 штук/см3, и возможность получить с его помощью важнейшую информацию о том периоде формирования Вселенной, его регистрация пока не реализуема.

В период с 10-3 по 10-120 секунд в результате термоядерных реакций образовались ядра гелия и очень малое количество ядер некоторых других легких химических элементов, а значительная часть протонов - ядер водорода - объединению в атомные ядра не подверглась. Все они остались погруженными в “океан” свободных электронов и фотонов электромагнитного излучения. С этого момента в первичном газе установилось соотношение: 75- 78% водорода и 25-22% гелия - по массам этих газов.

В период между 300 тысячами и 1 миллионом лет температура Вселенной понизилась до 3000 - 45000 К и наступила эра рекомбинации. Свободные прежде электроны объединились с легкими атомными ядрами и протонами. Образовались атомы водорода, гелия и некоторое количество атомов лития. Вещество стало прозрачным и реликтовое излучение, наблюдаемое до сих пор, “отделилось” от него. Все наблюдаемые ныне особенности реликтового излучения, например, флуктуации температуры его потоков приходящих от разных участков на небесной сфере или их поляризация отражают картину свойств и распределения вещества в то время.

В течение последующего - первого миллиарда лет существования Вселенной ее температура снизилась от 3000 - 45000 К до 300 К. В связи с тем, что к этому периоду времени во Вселенной еще не образовалось источников электромагнитного излучения – звезд, квазаров и т.п., а реликтовое излучение уже остыло, эту эпоху называют “Темным возрастом” Вселенной.

Даже современные ученые не могут с точностью сказать, что было во Вселенной до Большого взрыва. Существует несколько гипотез, приоткрывающих завесу тайны над одним из самых сложных вопросов мироздания.

Происхождение материального мира

До XX века существовало только две Сторонники религиозной точки зрения считали, что мир был создан богом. Ученые, наоборот, отказывались признавать рукотворность Вселенной. Физики и астрономы были сторонниками идеи о том, что космос существовал всегда, мир был статичен и все останется таким же, как миллиарды лет назад.

Однако ускорившийся научный прогресс на рубеже веков привел к тому, что у исследователей появились возможности для изучения внеземных просторов. Некоторые из них первыми попытались ответить на вопрос, что было во Вселенной до Большого взрыва.

Исследования Хаббла

XX столетие разрушило многие теории прошлых эпох. На освободившемся месте появились новые гипотезы, объяснившие доселе непонятные тайны. Все началось с того, что ученые установили факт расширения Вселенной. Сделано это было Эдвином Хабблом. Он обнаружил, что далекие галактики отличаются по своему свету от тех космических скоплений, которые находились ближе к Земле. Открытие этой закономерности легло в основу закона расширения Эдвина Хаббла.

Большой взрыв и происхождение Вселенной были изучены, когда стало ясно, что все галактики «убегают» от наблюдателя, в какой бы точке он ни был. Как это можно было объяснить? Раз галактики движутся, значит, их толкает вперед некая энергия. Кроме того, физики вычислили, что все миры когда-то находились в одной точке. Из-за некоего толчка они начали двигаться во все стороны с невообразимой скоростью.

Это явление и получило название «Большой взрыв». И происхождение Вселенной было объяснено именно с помощью теории об этом давнем событии. Когда оно случилось? Физики определили скорость движения галактик и вывели формулу, по которой они вычислили, когда произошел первоначальный «толчок». Точных цифр никто назвать не возьмется, но приблизительно это явление имело место около 15 миллиардов лет назад.

Появление теории Большого взрыва

Тот факт, что все галактики являются источниками света, означает, что при Большом взрыве выделилось огромное количество энергии. Именно она породила ту самую яркость, которую миры теряют по ходу своего отдаления от эпицентра произошедшего. Теория Большого взрыва впервые была доказана американскими астрономами Робертом Вильсоном и Арно Пензиасом. Они обнаружили электромагнитное реликтовое излучение, температура которого равнялась трем градусам по кельвиновской шкале (то есть -270 по Цельсию). Эта находка подтвердила идею о том, что сначала Вселенная была крайне горячей.

Теория Большого взрыва ответила на многие вопросы, сформулированные в XIX веке. Однако теперь появились новые. Например, что было во Вселенной до Большого взрыва? Почему она так однородна, в то время как при таком огромном выбросе энергии вещество должно разлететься во все стороны неравномерно? Открытия Вильсона и Арно поставили под сомнения классическую Евклидову геометрию, так как было доказано, что пространство имеет нулевую кривизну.

Инфляционная теория

Новые поставленные вопросы показывали, что современная теория возникновения мира отрывочна и неполна. Однако долгое время казалось, что продвинуться дальше открытого в 60-е годы будет невозможно. И только совсем недавние исследования ученых позволили сформулировать новый важный принцип для теоретической физики. Это было явление сверхбыстрого инфляционного расширения Вселенной. Оно было изучено и описано с помощью квантовой теории поля и общей теории относительности Эйнштейна.

Так что было во Вселенной до Большого взрыва? Современная наука называет этот период «инфляцией». Вначале было только поле, которое заполняло все воображаемое пространство. Его можно сравнить со снежком, пущенным вниз по склону снежной горы. Ком будет катиться вниз и увеличиваться в размерах. Точно так же поле из-за случайных колебаний на протяжении невообразимого времени меняло свою структуру.

Когда образовалась однородная конфигурация, произошла реакция. В ней и заключаются самые большие загадки Вселенной. Что было до Большого взрыва? Инфляционное поле, которое совсем не походило на нынешнюю материю. После реакции начался рост Вселенной. Если продолжить аналогию со снежным комом, то вслед за первым из них вниз покатились другие снежки, также увеличивавшиеся в размерах. Момент Большого взрыва в этой системе можно сравнить с той секундой, когда огромная глыба рухнула в пропасть и, наконец, столкнулась с землей. В это мгновение выделилось колоссальное количество энергии. Она не может иссякнуть до сих пор. Именно за счет продолжения реакции от взрыва наша Вселенная растет и сегодня.

Материя и поле

Сейчас Вселенная состоит из невообразимого количества звезд и других космических тел. Эта совокупность материи источает огромную энергию, что противоречит физическому закону сохранения энергии. О чем он гласит? Суть этого принципа сводится к тому, что на протяжении бесконечного времени сумма энергии в системе остается неизменной. Но как это может сочетаться с нашей Вселенной, которая продолжает расширяться?

Инфляционная теория смогла ответить на этот вопрос. Крайне редко разгадываются подобные загадки Вселенной. Что было до Большого взрыва? Инфляционное поле. После возникновения мира на его место пришла привычная нам материя. Однако помимо нее во Вселенной также существует которое обладает отрицательной энергией. Свойства этих двух сущностей противоположны. Так компенсируется энергия, исходящая от частиц, звезд, планет и другой материи. Эта взаимосвязь также объясняет, почему Вселенная до сих пор не превратилась в черную дыру.

Когда Большой взрыв только произошел, мир был слишком мал, чтобы в нем что-то могло коллапсировать. Теперь же, когда Вселенная расширилась, на отдельных ее участках появились локальные черные дыры. Их гравитационное поле поглощает все окружающее. Из него не может выбраться даже свет. Собственно из-за этого подобные дыры становятся черными.

Расширение Вселенной

Даже несмотря на теоретическое обоснование инфляционной теории, до сих пор непонятно, как выглядела Вселенная до Большого взрыва. Человеческое воображение не может представить себе этой картины. Дело в том, что инфляционное поле является нематериальным. Оно не поддается объяснению привычными законами физики.

Когда произошел Большой взрыв, инфляционное поле начало расширяться в темпе, который превысил скорость света. Согласно физическим показателям, во Вселенной нет ничего материального, что могло бы двигаться быстрее этого показателя. Свет распространяется по существующему миру с запредельными цифрами. Инфляционное поле же распространилось с еще большей скоростью, как раз в силу своей нематериальной природы.

Современное состояние Вселенной

Текущий период эволюции Вселенной как нельзя лучше подходит для существования жизни. Ученые затрудняются определить, сколько будет продолжаться этот временной отрезок. Но если кто и брался за такие расчеты, то получавшиеся цифры были никак не меньше сотен миллиардов лет. Для одной человеческой жизни подобный отрезок настолько велик, что даже в математическом исчислении его приходится записывать с помощью использования степеней. Настоящее изучено гораздо лучше, чем предыстория Вселенной. Что было до Большого взрыва, в любом случае останется только предметом теоретических изысканий и смелых расчетов.

В материальном мире даже время остается величиной относительной. Например, квазары (вид астрономических объектов), существующие на расстоянии 14 миллиардов световых лет от Земли, отстают от нашего привычного «сейчас» на те самые 14 миллиардов световых лет. Этот временной разрыв колоссален. Его сложно определить даже математически, не говоря уже о том, что отчетливо представить себе подобное с помощью человеческого воображения (даже самого пылкого) просто невозможно.

Современная наука может теоретически объяснить себе всю жизнь нашего материального мира, начиная с первых долей секунд его существования, когда только что произошел Большой взрыв. Полная история Вселенной дополняется до сих пор. Астрономы открывают новые удивительные факты с помощью модернизированного и улучшенного исследовательского оборудования (телескопов, лабораторий и т. д.).

Однако существуют и так и не понятые явления. Таким белым пятном, например, является и ее темная энергия. Сущность этой скрытой массы продолжает будоражить сознание самых образованных и передовых физиков современности. Кроме того, так и не возникло единой точки зрения о причинах того, почему во Вселенной частиц все-таки больше, чем античастиц. По этому поводу было сформулировано несколько фундаментальных теорий. Некоторые из этих моделей пользуются наибольшей популярностью, но ни одна из них пока не принята международным научным сообществом в качестве

В масштабе всеобщего знания и колоссальных открытий XX столетий эти пробелы кажутся совсем незначительными. Но история науки с завидной регулярностью показывает, что объяснение таких «малых» фактов и явлений становится основой для всего представления человечества о дисциплине в целом (в данном случае речь идет об астрономии). Поэтому будущим поколениям ученых, безусловно, будет чем заняться и что открывать в области познания природы Вселенной.