Что такое теория Большого взрыва: простое объяснение

Проще говоря, Вселенная, какой мы ее знаем, началась с бесконечно горячей и плотной единой точки, которая раздувалась и растягивалась сначала с невообразимой скоростью, а затем с более измеримой в течение следующих 13,8 миллиарда лет.

Существующие технологии еще не позволяют астрономам буквально заглянуть в прошлое зарождения Вселенной, и многое из того, что мы понимаем о Большом взрыве, исходит из математических формул и моделей. Однако астрономы могут видеть «эхо» расширения через явление, известное как космический микроволновый фон.

Большой взрыв не был взрывом как таковым. Когда он случился, никто не пострадал и ничего не было разрушено. Это было просто начало нашей Вселенной. Во время Большого взрыва произошло расширение самого пространства – концепция, которая вытекает из уравнений общей теории относительности Эйнштейна.

Более десятка миллиарда лет назад все во Вселенной было сжато до крошечной точки. Затем внезапно началось взрывное расширение, раздувающее нашу вселенную быстрее скорости света. Это был период космической инфляции, который длился всего лишь доли секунды.

Когда космическая инфляция подошла к внезапному и все еще загадочному концу, более классические описания Большого взрыва утвердились. Поток материи и излучения, известный как «разогрев», начал заселять нашу Вселенную веществом, которое мы называем сегодня: частицами, атомами, веществом, которое станет звездами и галактиками.

По данным НАСА, все это произошло всего за первую секунду после начала Вселенной, когда температура всего еще была безумно горячей, около 10 миллиардов градусов по Фаренгейту (5,5 миллиарда по Цельсию). Космос теперь содержит огромное количество фундаментальных частиц, таких как нейтроны, электроны и протоны — сырье, которое станет строительными блоками для всего, что существует сегодня.

Со временем свободные электроны встретились с ядрами и создали нейтральные атомы или атомы с равными положительными и отрицательными электрическими зарядами. А это уже позволило свету, наконец, просиять, примерно через 380 000 лет после Большого взрыва.

По данным наблюдения спутника Планка — Вселенная старше, чем считалось ранее: 13,82 миллиарда лет, а не 13,7 миллиарда лет. Миссия исследовательской обсерватории продолжается, и периодически выпускаются новые карты CMB.

Однако карты порождают новые загадки, например, почему Южное полушарие кажется немного краснее (теплее), чем Северное полушарие. Теория большого взрыва говорит, что CMB будет в основном одинаковым, независимо от того, где вы смотрите.

Изучение CMB также дает астрономам подсказки относительно состава Вселенной. Исследователи считают, что большая часть космоса состоит из материи и энергии, которые нельзя «почувствовать» с помощью наших обычных инструментов, что приводит к названию «темная материя». Считается, что только 5% Вселенной состоит из материи, такой как планеты, звезды и галактики.

Теория Большого взрыва хоть и самая популярная версия образования вселенной, но не единственная. И даже внутри самой теории существует множество противоречий касательно того, что было до Большого взрыва, что произошло после, и был ли он вообще.

Вечная инфляция — это теория в космологии, которая предполагает существование бесконечного числа вселенных, каждая из которых имеет свои уникальные физические законы и константы. Эта концепция была предложена физиком Андреем Линде в 1980-х годах как способ объяснить необъятность и сложность нашей Вселенной.

Согласно этой теории, наша Вселенная — лишь одна из множества «карманных» вселенных, которые постоянно создаются и расширяются в рамках более крупной мультивселенной. Процесс космической инфляции — быстрого расширения пространства-времени в первые моменты существования Вселенной — никогда не заканчивается. Вместо этого новые области пространства продолжают подвергаться инфляции, что приводит к созданию новых вселенных с различными свойствами и характеристиками. Этот непрерывный процесс инфляции создает бесконечный цикл создания вселенных, отсюда и термин «вечная инфляция».

В отличие от стандартной теории инфляции, которая предполагает, что быстрое расширение Вселенной прекратилось после короткого периода, теория вечной инфляции утверждает, что это непрерывный процесс, который продолжается вечно. В стандартной теории расширение Вселенной происходит за счет скалярного поля, известного как инфлатон, которое в конечном итоге распадается и переводит Вселенную в фазу более медленного расширения. В теории вечной инфляции, однако, инфлатонное поле может существовать в метастабильном состоянии, что позволяет непрерывно создавать новые вселенные через квантовые флуктуации.

Еще одно ключевое различие между стандартной инфляцией и вечной инфляцией — это концепция мультивселенной. В стандартной инфляции существует только одна Вселенная, которая проходит период быстрого расширения, прежде чем перейти в более стабильное состояние.

Циклическая модель или колеблющаяся модель — это набор космологических теорий, согласно которым Вселенная проходит через бесконечные или неопределенные циклы самоподдерживающегося развития. Наиболее известной из этих теорий является теория колеблющейся Вселенной, которую Альберт Эйнштейн кратко рассмотрел в 1930 году. Согласно этой теории, Вселенная проходит через бесконечный ряд колебаний, каждое из которых начинается с Большого взрыва и заканчивается Большим сжатием.

Конформная циклическая космология (КЦК) — это модель, предложенная физиком сэром Роджером Пенроузом. Согласно КЦК, Вселенная проходит через бесконечную последовательность циклов, каждый из которых начинается с «большого взрыва», за которым следует стадия расширения, и заканчивается сжатием, чтобы начать следующий цикл. Термин «конформный» относится к идее о том, что геометрия пространства-времени остается неизменной на протяжении этих циклов.

Геометрия пространства-времени считается инвариантной, что означает, что она остается неизменной при преобразовании. Конформная бесконечность соединяет отдаленное будущее одной эпохи с отдаленным прошлым следующей, создавая непрерывный цикл. КЦК предполагает, что наблюдаемая темная энергия во Вселенной может быть следствием гравитационной энтропии, возникшей на этапе сжатия предыдущей эпохи. Это дает объяснение наблюдаемому ускорению Вселенной.

Теория Пенроуза пытается объяснить низкую энтропию ранней Вселенной. Конформная непрерывность на между Большими взрывами призвана объяснить, почему энтропия в начале каждого цикла низкая, избегая проблемы начального состояния с низкой энтропией.

Но что, если Большой взрыв был лишь иллюзией? Что, если наша Вселенная на самом деле возникла в результате гибели четырехмерной черной дыры? Это поразительная теория, предложенная в новой статье канадского астрофизика Ниаеша Афшорди из Института Периметра в Ватерлоо, Онтарио.

Идея относится к области «бранной космологии», которая утверждает, что наша Вселенная является «браной», заключенной в многомерную «основную» Вселенную. Простыми словами, наш мир заключен в оболочку (брану), которых в пространстве множество.

Представьте себе двумерный объект, например лист бумаги. Этот объект находится в нашем трехмерном мире. Теперь представьте стопку бумаги. Согласно теории бран, каждый лист бумаги — это отдельная двумерная вселенная, находящаяся в трехмерной объемной вселенной.

У этой теории есть свои преимущества. Она не только объясняет, как могла возникнуть наша Вселенная, но и почему она расширяется и почему она такая однородная. Вопрос о том, почему Вселенная расширяется, несмотря на гравитацию, которая должна притягивать материю, является одним из центральных вопросов современной физики. Этот вопрос привел к поиску темной энергии, которая, как считается, уравновешивает силу притяжения гравитации.

В теории Афшорди есть только одна серьезная проблема: она не согласуется с последними наблюдениями за космическим фоновым излучением — картиной, которую мы имеем о том, как выглядела Вселенная в первые моменты своего существования.

Наше современное понимание Вселенной в значительной степени опирается на гравитацию, особенно на общую теорию относительности Эйнштейна, с помощью которой космологи объясняют природу окружающего мира. Однако, как и в случае с большинством других вещей, ученые на протяжении многих лет рассматривали альтернативы гравитации.

Плазменная космология (или теория плазменной Вселенной) предполагает, что электромагнитные силы и плазма играют гораздо более важную роль во Вселенной, чем гравитация. Несмотря на множество различных вариантов этого подхода, основная идея остается неизменной: каждое астрономическое тело, включая Солнце, звезды и галактики, является результатом какого-либо электрического процесса.

Первая известная теория плазменной Вселенной была предложена лауреатом Нобелевской премии Ханнесом Альфвеном в 1960-х годах. Позже к нему присоединился шведский физик-теоретик Оскар Клейн, и они разработали модель Альфвена — Клейна.

Модель основана на предположении, что во Вселенной содержится равное количество материи и антиматерии (что не соответствует современной физике элементарных частиц). Границы этих двух областей обозначены космическими электромагнитными полями. Таким образом, взаимодействие между ними приводит к образованию плазмы, которую Альвен назвал «амбиплазмой».

Согласно этой теории, такая плазма должна образовывать большие участки материи и антиматерии по всей Вселенной. Кроме того, согласно этой теории, наше нынешнее местоположение в космосе должно находиться в участке, где материи гораздо больше, чем антиматерии.

Модель стационарного состояния представляет собой подход к пониманию Вселенной, утверждая, что она остается неизменной в любом месте и в любое время. В рамках этой модели, несмотря на постоянное расширение Вселенной, материя создается непрерывно, чтобы заполнять образующееся пространство.

Идея о стационарном состоянии была впервые предложена в 1948 году группой космологов, включая Германа Бонди, Фреда Хойла и Томаса Голда. Они основывались на так называемом космологическом принципе, который утверждает, что Вселенная одинакова везде и всегда.

Согласно этой модели, галактики и другие крупные астрономические объекты, находящиеся рядом с нами, должны выглядеть так же, как и те, что расположены на большом расстоянии. Однако теория Большого взрыва утверждает, что удаленные галактики должны выглядеть моложе, чем те, что находятся ближе к Земле, поскольку свету требуется гораздо больше времени, чтобы достичь нас.

Модель стационарного состояния была популярна в начале и середине XX века, но к 1960-м годам научное сообщество в основном отвергло ее в пользу теории Большого взрыва, особенно после открытия космического микроволнового фона.

Интересным фактом является то, что в 2014 году исследователи обнаружили рукопись 1931 года, в которой Альберт Эйнштейн работал над альтернативной теорией Большого взрыва. Эта теория была схожа с моделью стационарного состояния Фреда Хойла и также предполагала постоянное расширение Вселенной. Тем не менее, вскоре Эйнштейн отказался от этой идеи.

На протяжении веков наука и религия часто находились в состоянии противостояния, особенно с эпохи Коперника и Галилея. В этом контексте может показаться, что религия и наука занимают противоположные позиции. Однако существует одна религиозная традиция, чьи космологические представления удивительным образом перекликаются с современными научными моделями Вселенной.

Индуистская мифология предлагает одни из самых древних и значимых теорий о сотворении мира, которые были предметом изучения и восхищения многих выдающихся ученых. Физики и космологи, такие как Карл Саган и Нильс Бор, отмечали, что концепции индуистской космологии имеют поразительное сходство с временной шкалой стандартной космологической модели.

Согласно индуистским представлениям, Вселенная развивается по бесконечной циклической модели. Это означает, что наша текущая Вселенная будет заменена бесконечным числом новых вселенных. Каждая из этих итераций делится на две основные фазы: «кальпа» — день Брахмы, и «пралайя» — ночь Брахмы. Каждая из этих фаз длится 4,32 миллиарда лет.

Интересно, что согласно индуистской мифологии, возраст Вселенной составляет 8,64 миллиарда лет, что превышает предполагаемый возраст нашей Солнечной системы. Таким образом, индуистская космология не только представляет собой богатую мифологическую традицию, но и демонстрирует удивительное соответствие с современными научными представлениями о времени и структуре Вселенной.

Теорию Большого взрыва часто критикуют и пытаются опровергнуть разными доводами:

Недавние исследования, проведенные доцентом Канзасского государственного университета Лиором Шамиром, вновь привлекли внимание к теории, которой почти 100 лет, ставящей под сомнение одну из самых устоявшихся концепций современной науки — теорию Большого взрыва. В своей статье, опубликованной в журнале Particles, Шамир утверждает, что фотоны света теряют свою энергию, преодолевая огромные космические расстояния.

Эта теория «усталого света» была впервые предложена астрономом Фрицем Цвикки в 1929 году. Он использовал ее для объяснения явления красного смещения — уменьшения энергии фотонов света, наблюдаемого у далеких галактик, которые удаляются от нас. Проще говоря, если бы эта теория была верной, Вселенная должна быть статичной, а не расширяться с ускорением, поскольку свет терял бы свою энергию, а не перемещался между галактиками.

С тех пор астрономы неоднократно оспаривали эту теорию, и она была отодвинута на второй план. Однако Шамир, опираясь на данные космического телескопа «Джеймс Уэбб», решил возродить эту идею. Он отметил, что в 1920-х годах Эдвин Хаббл и Джордж Леметр обнаружили, что более удаленные галактики движутся быстрее, что стало основой для теории Большого взрыва, предполагающей, что Вселенная начала расширяться около 13,8 миллиарда лет назад.

Однако, как объяснил Шамир, уверенность в теории Большого взрыва начала ослабевать после наблюдений, сделанных телескопом «Джеймс Уэбб». Вместо того чтобы показать зарождающуюся Вселенную, телескоп зафиксировал «крупные и зрелые галактики», что, по словам Шамира, ставит под сомнение саму идею о Большом взрыве. Если бы этот процесс действительно произошел так, как предполагали ученые, то эти галактики должны были бы быть старше самой Вселенной.