Большой взрыв термин ввел. Происхождение Вселенной. А был ли Большой взрыв

«Для меня жизнь слишком коротка, чтобы беспокоиться о вещах мне неподвластных и, может, даже несбыточных. Вот спрашивают: «А вдруг Землю поглотит чёрная дыра, или возникнет искажение пространства-времени - это же повод для волнения?» Мой ответ: «нет», - потому что мы об этом узнаем, только когда оно достигнет нашего… нашего места в пространстве-времени. Мы получаем толчки, когда природа решает, что настало время: будь то скорость звука, скорость света, скорость электрических импульсов - мы всегда будем жертвами временной задержки между окружающей нас информацией и нашей способностью её получить »

Нил Деграсс Тайсон

Время – удивительная штука. Оно дарит нам прошлое, настоящее и будущее. Из-за времени у всего, что нас окружает, есть возраст. Например, возраст Земли составляет примерно 4,5 миллиарда лет. Примерно столько же лет назад загорелась и ближайшая к нам звезда – Солнце. Если эта цифра кажется вам умопомрачительной, не стоит забывать, что задолго до образования нашей родной Солнечной системы появилась галактика, в которой мы живем – Млечный путь. По последним оценкам ученых , возраст Млечного пути составляет 13,6 миллиардов лет. Но ведь мы точно знаем, что у галактик тоже есть прошлое, а космос просто огромен, поэтому нужно смотреть еще дальше. И это размышление неизбежно приводит нас к моменту, когда все началось – Большому Взрыву.

Эйнштейн и Вселенная

Восприятие окружающего мира людьми всегда было неоднозначным. Кто-то до сих пор не верит в существование огромной Вселенной вокруг нас, кто-то считает Землю плоской. До научного прорыва в 20 веке существовала всего пара версий происхождения мира. Приверженцы религиозных взглядов верили в божественное вмешательство и творение высшего разума, несогласных иногда сжигали. Была и другая сторона, которая верила, что окружающий нас мир, равно как и Вселенная, бесконечен.

Для многих людей все изменилось тогда, когда в 1917 году с докладом выступил Альберт Эйнштейн, представив широкой публике труд своей жизни – Общую теорию относительности. Гений 20-го века связал пространство-время с материей космоса с помощью выведенных им уравнений. В результате этого получалось, что Вселенная конечна, неизменна в размерах и имеет форму правильного цилиндра.

На заре технического прорыва опровергнуть слова Эйнштейна не мог никто, поскольку его теория была слишком сложна даже для величайших умов начала 20 века. Поскольку других вариантов не было, модель цилиндрической стационарной Вселенной была принята научным сообществом как общепринятая модель нашего мира. Впрочем, прожить она смогла всего несколько лет. После того, как физики смогли оправиться от научных трудов Эйнштейна и начали разбирать их по полочкам, параллельно с этим начали вноситься коррективы в теорию относительности и конкретные расчеты немецкого ученого.

В 1922 году в журнале «Известия физики» внезапно выходит статья российского математика Александра Фридмана, в которой тот заявляет, что Эйнштейн ошибся и наша Вселенная не стационарна. Фридман объясняет, что утверждения немецкого ученого относительно неизменности радиуса кривизны пространства – заблуждения, на самом деле радиус изменяется относительно времени. Соответственно, Вселенная должна расширяться.

Более того, здесь же Фридман привел свои предположения относительно того, как именно может расширяться Вселенная. Всего модели было три: пульсирующая Вселенная (предположение того, что Вселенная расширяется и сжимается с некоей периодичностью во времени); расширяющаяся Вселенная из массы и третья модель – расширение из точки. Поскольку в те времена других моделей не существовало, за исключением божественного вмешательства, то физики быстро взяли на заметку все три модели Фридмана и начали разрабатывать их в своем направлении.

Работа российского математика слегка уязвила Эйнштейна, и в том же году он публикует статью, в которой высказывает свои замечания относительно трудов Фридмана. В ней немецкий физик пытается доказать верность своих расчетов. Вышло это довольно неубедительно, и когда боль от удара по самооценке немного спала, Эйнштейн выпустил еще одну заметку в журнале «Известия физики», в которой сказал:

«В предыдущей заметке я подверг критике названную выше работу. Однако моя критика, как я убедился из письма Фридмана, сообщенного мне г-ном Крутковым, основывалась на ошибке в вычислениях. Я считаю результаты Фридмана правильными и проливающими новый свет ».

Ученым пришлось признать, что все три модели Фридмана появления и существования нашей Вселенной абсолютно логичны и имеют право на жизнь. Все три объясняются понятными математическими расчетами и не оставляют вопросов. Кроме одного: с чего бы Вселенной начинать расширяться?

Теория, которая изменила мир

Заявления Эйнштейна и Фридмана привели к тому, что ученое сообщество всерьез задалось вопросом происхождения Вселенной. Благодаря общей теории относительности появился шанс пролить свет на наше прошлое, и физики не преминули этим воспользоваться. Одним из ученых, попытавшимся представить модель нашего мира, стал астрофизик Жорж Леметр из Бельгии. Примечателен тот факт, что Леметр был католическим священником, но при этом занимался математикой и физикой, что для нашего времени настоящий нонсенс.

Жорж Леметр заинтересовался уравнениями Эйнштейна, и с их помощью смог вычислить, что наша Вселенная появилась в результате распада некоей суперчастицы, которая находилась вне пространства и времени до начала деления, которое можно фактически считать взрывом. При этом физики отмечают, что Леметр первым пролил свет на рождение Вселенной.

Теория взорвавшегося суператома устроила не только ученых, но также и духовенство, которое было очень недовольно современными научными открытиями, под которые приходилось придумать новые толкования Библии. Большой взрыв не вступал в существенные противоречия с религией, возможно на это повлияло воспитание самого Леметра, который посвятил свою жизнь не только науке, но и служению Богу.

22 ноября 1951 года Папа Римский Пий XII сделал заявление , что Теория большого взрыва не конфликтует с Библией и католическими догмами о возникновении мира. Православные священнослужители также заявили, что относятся к этой теории положительно. Эту теорию относительно нейтрально восприняли и приверженцы других религий, некоторые из них даже сказали, что в их священных писаниях есть упоминания о Большом Взрыве.

Впрочем, несмотря на то, что Теория Большого Взрыва на данный момент является общепринятой космологической моделью, она завела многих ученых в тупик. С одной стороны, взрыв суперчастицы отлично вписывался в логику современной физики, но с другой в результате такого взрыва могли образоваться, в основном, лишь тяжелые металлы, в частности железо. Но, как оказалось, Вселенная состоит, в основном, из сверхлегких газов – водорода и гелия. Что-то не сходилось, поэтому физики продолжили работу над теорией происхождения мира.

Изначально термина «Большой взрыв» не существовало. Леметр и другие физики предлагали лишь скучное название «динамическая эволюционирующая модель», что вызывало зевоту у студентов. Лишь в 1949 году на одной из своих лекций британский астроном и космолог Фрейд Хойл произнес:

«Эта теория основана на предположении, что Вселенная возникла в процессе одного-единственного мощного взрыва и потому существует лишь конечное время… Эта идея Большого взрыва кажется мне совершенно неудовлетворительной» .

С тех пор этот термин стал широко использоваться в научных кругах и представлении широкой общественности об устройстве Вселенной.

Откуда появились водород и гелий

Наличие легких элементов поставило физиков в тупик, и многие приверженцы Теории Большого Взрыва задались целью найти их источник. На протяжении многих лет им не удавалось добиться особых успехов, пока в 1948 году гениальный ученый Георгий Гамов из Ленинграда наконец не смог установить этот источник. Гамов был одним из учеников Фридмана, поэтому с удовольствием взялся за разработку теории своего преподавателя.

Гамов постарался представить жизнь Вселенной в обратном направлении, и отмотал время до того момента, когда она только начала расширяться. К тому времени, как известно, человечество уже открыло принципы термоядерного синтеза, поэтому теория Фридмана-Леметра получила право на жизнь. Когда Вселенная была совсем маленькой, она была очень горячей, согласно законам физики.

По мнению Гамова, спустя всего секунду после Большого взрыва, пространство новой Вселенной заполнили элементарные частицы, которые начали взаимодействовать друг с другом. В результате этого начался термоядерный синтез гелия , который смог рассчитать для Гамова математик из Одессы Ральф Ашер Альфер. Согласно подсчетам Альфера, уже спустя пять минут после Большого взрыва Вселенная была заполнена гелием на столько, что даже убежденным противникам Теории Большого Взрыва придется смириться и принять эту модель, как основную в космологии. Своими исследованиями Гамов не только открыл новые пути изучения Вселенной, но также воскресил теорию Леметра.

Несмотря на стереотипы об ученых, им нельзя отказать в романтизме. Свои исследования относительно теории Супергорячей Вселенной в момент Большого взрыва Гамов опубликовал в 1948 году в работе «Происхождение химических элементов». В качестве коллег-помощников он указал не только Ральфа Ашера Альфера, но и Ханса Бете – американского астрофизика и будущего лауреата Нобелевской премии. На обложке книги получилось: Альфер, Бете, Гамов. Ничего не напоминает?

Впрочем, несмотря на то, что труды Леметра получили вторую жизнь, физики до сих пор не могли ответить на самый волнующий вопрос: а что было до Большого Взрыва?

Попытки воскресить стационарную Вселенную Эйнштейна

Не все ученые были согласны с теорией Фридмана-Леметра, но, несмотря на это, им приходилось преподавать в университетах общепринятую космологическую модель. Например астроном Фред Хойл, который сам же и предложил термин «Большой Взрыв», на самом деле считал, что никакого взрыва не было, и посвятил свою жизнь попыткам это доказать.
Хойл стал одним из тех ученых, которые в наше время предлагают альтернативные взгляд на современный мир. Большинство физиков довольно прохладно относятся к заявлениям подобных людей, но это ничуть их не смущает.

Чтобы посрамить Гамова и его обоснования Теории Большого Взрыва, Хойл вместе с единомышленниками решили разработать свою модель происхождения Вселенной. За ее основу они взяли предложения Эйнштейна о том, что Вселенная стационарна, и внесли некоторые коррективы, предлагающие альтернативные причины расширения Вселенной.

Если приверженцы теории Леметра-Фридмана считали, что Вселенная возникла из одной единственной сверхплотной точки с бесконечно малым радиусом, то Хойл предположил, что материя образуется постоянно из точек, которые находятся между удаляющимися друг от друга галактиками. В первом случае, из одной частицы образовалась вся Вселенная, с ее бесконечным числом звезд и галактик. В другом случае, одна точка дает вещества столько, сколько достаточно для производства всего одной галактики.

Несостоятельность теории Хойла в том, что он так и не смог объяснить, откуда берется то самое вещество, которое продолжает создавать галактики, в которых находятся сотни миллиардов звезд. Фактически Фред Хойл предлагал всем поверить, что структура Вселенной возникает из ниоткуда. Несмотря на то, что многие физики пытались найти решение теории Хойла, никому так и не удалось этого сделать, и спустя пару десятилетий это предложение утратило свою актуальность.

Вопросы без ответов

На самом деле Теория Большого Взрыва также не дает нам ответы на многие вопросы. Например, в уме обычного человека не может уложиться тот факт, что вся окружающая нас материя некогда была сжата в одну точку сингулярности, которая по своим размерам намного меньше атома. И как так получилось, что эта суперчастица нагрелась до такой степени, что запустилась реакция взрыва.

До середины 20 века теория расширяющейся Вселенной так и не была подтверждена экспериментально, поэтому не имела широкого распространения в учебных заведениях. Все изменилось в 1964 году, когда двое американских астрофизиков — Арно Пензиас и Роберт Вильсон – не решили заняться исследованием радиосигналов звездного неба.

Сканируя излучение небесных тел, а именно Кассиопеи А (один из мощнейших источников радиоизлучения на звездном небе) ученые заметили какой-то посторонний шум, который постоянно мешал зафиксировать точные данные по излучению. Куда бы они ни направили свою антенну, в какое бы время суток они не начинали свои исследования – этот характерный и постоянный шум всегда преследовал их. Разозлившись до определенной степени, Пензиас и Вильсон решили изучить источник этого шума и неожиданно совершили открытие, которое изменило мир. Они открыли реликтовое излучение, которое является отголоском того самого Большого Взрыва.

Наша Вселенная остывает гораздо медленнее, чем чашка горячего чая, и реликтовое излучение свидетельствует о том, что некогда окружающая нас материя была очень горяча, и теперь охлаждается по мере расширения Вселенной. Таким образом, все теории, связанные с холодной Вселенной, остались за бортом, и на вооружение была окончательно принята Теория Большого Взрыва.

В своих трудах Георгий Гамов предполагал, что в космосе удастся обнаружить фотоны, которые существуют с момента Большого Взрыва, нужно лишь более совершенное техническое оснащение. Реликтовое излучение подтверждало все его предположения относительно существования Вселенной. Также с его помощью удалось установить, что возраст нашей Вселенной составляет примерно 14 миллиардов лет.

Как и всегда, при практическом доказательстве какой-либо теории, сразу возникает множество альтернативных мнений. Некоторые физики с насмешкой восприняли открытие реликтового излучения как свидетельство Большого Взрыва. Несмотря на то, что Пензиас и Вильсон стали лауреатами Нобелевской премии за свое историческое открытие, появилось множество несогласных с их исследованиями.

Основными аргументами в пользу несостоятельности расширения Вселенной стали несовпадения и логические ошибки. Например, взрыв равноускорил все галактики в космосе, однако вместо того, чтобы удаляться от нас, галактика Андромеды медленно, но верно приближается к Млечному Пути. Ученые предполагают, что эти две галактики столкнутся между собой всего через каких-то 4 миллиарда лет. К сожалению, человечество пока слишком молодо, чтобы ответить на этот и другие вопросы.

Теория равновесия

В наше время физики предлагают различные модели существования Вселенной. Многие из них не выдерживают даже простой критики, другие же получают право на жизнь.

В конце 20 века астрофизик из Америки Эдвард Трайон вместе со своим коллегой из Австралии Уорреном Керри предложили принципиально новую модель Вселенной, при этом сделали это независимо друг от друга. В основу своих исследований ученые положили предположение, что во Вселенной все уравновешено. Масса уничтожает энергию, и наоборот. Такой принцип стали называть принципом Нулевой Вселенной. В рамках этой Вселенной новое вещество возникает в точках сингулярности между галактиками, где притяжение и отталкивание материи уравновешено.

Теорию Нулевой Вселенной не разнесли в пух и прах потому, что спустя некоторое время ученые смогли открыть существование темной материи – загадочной субстанции, из которой почти на 27% состоит наша Вселенная. Еще 68,3% Вселенной составляет более таинственная и загадочная темная энергия.

Именно благодаря гравитационным эффектам темной энергии и приписывают ускорение расширения Вселенной. К слову, наличие темной энергии в космосе предсказал еще сам Эйнштейн, который видел, что в его уравнениях что-то не сходится, Вселенную не получалось сделать стационарной. Поэтому он ввел в уравнения космологическую постоянную – Лямбда-член, за что потом неоднократно себя винил и ненавидел.

Так получалось, что пустое в теории пространство во Вселенной все же заполнено неким особым полем, которое и приводит в действие модель Эйнштейна. В трезвом уме и согласно логике тех времен, существование такого поля было просто невозможным, но на деле немецкий физик просто не знал, как описать темную энергию.

***
Возможно, мы никогда не узнаем, как и из чего возникла наша Вселенная. Еще сложнее будет установить, что было до ее существования. Люди склонны бояться того, что не могут объяснить, поэтому не исключено, что до конца времен человечество будет верить в том числе и в божественное влияние на создание окружающего нас мира.

Согласно данной теории Вселенная появилась в виде горячего сгустка сверхплотной материи, после чего она начала расширяться и остывать. На самом первом этапе эволюции Вселенная находилась в сверхплотном состоянии и представляла собой -глюонную плазму. Если протоны и нейтроны сталкивались и образовывали более тяжелые ядра, время их существования было ничтожно мало. При следующем столкновении с какой-либо быстрой частицей они сразу же распадались на элементарные компоненты.

Примерно 1 миллиард лет назад началось формирование галактик, в тот момент Вселенная стала отдаленно напоминать то, что мы можем увидеть сейчас. Через 300 тысяч лет после Большого взрыва она настолько остыла, что электроны стали прочно удерживаться ядрами, вследствие чего появились стабильные атомы, которые не распадались сразу же после соударения с другим ядром.

Образование частиц

Образование частиц началось в результате расширения Вселенной. Ее дальнейшее охлаждение привело к образованию ядер гелия, которое произошло в результате первичного нуклеосинтеза. С момента Большого взрыва должно было пройти около трех минут, прежде чем Вселенная остыла, а энергия соударения уменьшалась настолько, что частицы стали образовывать устойчивые ядра. В первые три минуты Вселенная представляла собой раскаленное море элементарных частиц.

Первичное образование ядер продолжалось очень недолго, после первых трех минут частицы отдались друг от друга так, что столкновения между ними стали крайне редки. В этот короткий период первичного нуклеосинтеза появился дейтерий - тяжелый изотоп водорода, ядро которого содержит один протон и один . Одновременно с дейтерием образовались: гелий-3, гелий-4 и незначительное количество лития-7. Все более тяжелые элементы появились на стадии формирования звезд.

После рождения Вселенной

Примерно через одну стотысячную долю секунды от начала зарождения Вселенной кварки соединились в элементарные частицы. С этого момента Вселенная стала остывающим морем элементарных частиц. Вслед за этим начался процесс, который называют великим объединением фундаментальным сил. Тогда во Вселенной присутствовали энергии, соответствующие максимальным энергиям, которые могут быть получены в современных ускорителях. После началось скачкообразное инфляционное расширение, одновременно с ним исчезли античастицы.

Теория Большого взрыва сейчас считается столь же несомненной, как и система Коперника. Однако вплоть до второй половины 1960-х она отнюдь не пользовалась всеобщим признанием, и не только потому, что многие ученые с порога отрицали саму идею расширения Вселенной. Просто у этой модели имелся серьезный конкурент.

Через 11 лет космология как наука сможет отмечать свой столетний юбилей. В 1917 году Альберт Эйнштейн осознал, что уравнения общей теор ии относительности позволяют вычислять физически разумные модели мироздания. Классическая механика и теор ия гравитации такой возможности не дают: Ньютон пытался построить общую картину Вселенной, однако при всех раскладах она неизбежно схлопывалась под действием силы тяготения.

Эйнштейн решительно не верил в начало и конец мироздания и поэтому придумал вечно существующую статичную Вселенную. Для этого ему понадобилось ввести в свои уравнения особую компоненту, которая создавала "антитяготение" и тем самым формально обеспечивала стабильность мироустройства. Это дополнение (так называемый космологический член) Эйнштейн считал неэлегантным, уродливым, но все же необходимым (автор ОТО зря не поверил своему эстетическому чутью - позднее было доказано, что статичная модель неустойчива и поэтому физически бессмысл енна).

У модели Эйнштейна быстро появились конкуренты - модель мира без материи Виллема де Ситтера (1917), замкнутые и открытые нестационарные модели Александра Фридмана (1922 и 1924). Но эти красивые конструкции до поры оставались чисто математическими упражнениями. Чтобы рассуждать о Вселенной в целом не умозрительно, надо хотя бы знать, что существуют миры, расположенные за пределами звездного скопления, в котором находится Солнечная система и мы вместе с нею. А космология получила возможность искать опору в астрономических наблюдениях лишь после того, как в 1926 году Эдвин Хаббл опубликовал работу "Внегалактические туманности", где впервые было дано описание галактик как самостоятельных звездных систем, не входящих в состав Млечного пути.

Сотворение Вселенной заняло вовсе не шесть дней – основная доля работы была завершена гораздо раньше. Вот его примерная хронология.

0. Большой взрыв.

Планковская эра: 10-43 с. Планковский момент. Происходит отделение гравитационного взаимодействия. Размер Вселенной в этот момент равен 10-35 м (т.н. Планковская длина). 10-37 с. Инфляционное расширение Вселенной.

Эра великого объединения: 10-35 с. Разделение сильного и электрослабого взаимодействий. 10-12 с. Отделение слабого взаимодействия и окончательное разделение взаимодействий.

Адронная эра: 10-6 с. Аннигиляция протон-антипротонных пар. Кварки и антикварки перестают существовать, как свободные частицы.

Лептонная эра: 1 с. Формируются ядра водорода. Начинается ядерный синтез гелия.

Эра нуклеосинтеза: 3 минуты. Вселенная состоит на 75% из водорода и на 25% из гелия, а также следовых количеств тяжелых элементов.

Радиационная эра: 1 неделя. К этому времени излучение термализуется.

Эра вещества: 10 тыс. лет. Вещество начинает доминировать во Вселенной. 380 тыс. лет. Ядра водорода и электроны рекомбинируют, Вселенная становится прозрачной для излучения.

Звездная эра: 1 млрд. лет. Формирование первых галактик. 1 млрд. лет. Образование первых звезд. 9 млрд. лет. Образование Солнечной системы. 13,5 млрд. лет. Текущий момент

Разбегание галактик

Этот шанс был быстро реализован. До бельгийца Жоржа Анри Леметра, изучавшего астрофизику в Массачусетсcком технологическом институте, дошли слухи, что Хаббл вплотную подошел к революционному открытию - доказательству разбегания галактик. В 1927 году, вернувшись на родину, Леметр опубликовал (а в последующие годы уточнил и развил) модель Вселенной, образовавшейся в результате взрыва сверхплотной материи, расширяющейся в соответствии с уравнениями ОТО. Он математически доказал, что их радиальная скорость должна быть пропорциональна расстоянию от Солнечной системы. Годом позже к этому же выводу независимо пришел принстонский математик Хауард Робертсон.

А в 1929 году Хаббл получил ту же самую зависимость экспериментально, обработав данные по удаленности двадцати четырех галактик и величине красного смещения приходящего от них света. Пятью годами позже Хаббл и его ассистент-наблюдатель Милтон Хьюмасон привели новые доказательства справедливости этого вывода, осуществив мониторинг очень тусклых галактик, лежащих на крайней периферии наблюдаемого космоса. Предсказания Леметра и Робертсона полностью оправдались, и космология нестационарной Вселенной, казалось бы, одержала решительную победу.

Непризнанная модель

Но все же астрономы не спешили кричать ура. Модель Леметра позволяла оценить продолжительность существования Вселенной - для этого нужно было лишь выяснить численную величину константы, входящей в уравнение Хаббла. Попытки определить эту константу приводили к заключению, что наш мир возник всего лишь около двух миллиардов лет назад. Однако геологи утверждали, что Земля много старше, да и астрономы не сомневались, что в космосе полным-полно звезд более почтенного возраста. У астрофизиков тоже были собственные основания для недоверия: процентный состав распределения химических элементов во Вселенной на основе леметровской модели (впервые эту работу в 1942 году проделал Чандрасекар) явно противоречил реальности.

Скепсис специалистов объяснялся и философскими причинами. Астрономическое сообщество только-только свыклось с мыслью, что перед ним распахнулся бесконечный мир, населенный множеством галактик. Казалось естественным, что в своих основах он не изменяется и существует вечно. А теперь ученым предлагалось признать, что Космос конечен не только в пространстве, но и во времени (к тому же эта идея наводила на мысль о божественном творении). Поэтому леметровская теор ия долго оставалась не у дел. Впрочем, еще худшая судьба постигла модель вечно осциллирующей Вселенной, пред-ложенную в 1934 году Ричардом Толманом. Она вообще не получила серьезного признания, а в конце 1960-х годов была отвергнута как математически некорректная.

Акции "раздувающегося мира" не слишком повысились и после того, как в начале 1948 года Джордж Гамов и его аспирант Ральф Алфер построили новую, более реалистичную версию этой модели. Вселенная Леметра родилась из взрыва гипотетического "первичного атома", который явно выходил за рамки представлений физиков о природе микромира.

Гамовскую теор ию долгое время называли вполне академично - "динамическая эволюционирующая модель". А словосочетание "Большой взрыв", как ни странно, ввел в оборот не автор этой теор ии и даже не ее сторонник. В 1949 году продюсер научных программ BBC Питер Ласлетт предложил Фреду Хойлу подготовить серию из пяти лекций. Хойл блистал перед микрофоном и мгновенно приобрел множество поклонников среди радиослушателей. В последнем выступлении он заговорил о космологии, рассказал о своей модели и под конец решил свести счеты с конкурентами. Их теор ия, сказал Хойл, "основана на предположении, что Вселенная возникла в процессе одного-единственного мощного взрыва и потому существует лишь конечное время... Эта идея Большого взрыва кажется мне совершенно неудовлетворительной". Вот так впервые и появилось это выражение. На русский его можно перевести и как "Большой хлопок", что, вероятно, точнее соответствует уничижительному смысл у, который вложил в него Хойл. Через год его лекции были опубликованы, и новый термин пошел гулять по свету

Джордж Гамов и Ральф Алфер предположили, что Вселенная вскоре после рождения состояла из хорошо известных частиц - электронов, фотонов, протонов и нейтронов. В их модели эта смесь была нагрета до высоких температур и плотно упакована в крохотном (по сравнению с нынешним) объеме. Гамов с Алфером показали, что в этом супергорячем супе происходит термоядерный синтез, в результате которого образуется основной изотоп гелия, гелий-4. Они даже вычислили, что уже через несколько минут материя переходит в равновесное состояние, в котором на каждое ядро гелия приходится примерно десяток ядер водорода.

Такая пропорция вполне соответствовала астрономическим данным о распределении легких элементов во Вселенной. Эти выводы вскоре подтвердили Энрико Ферми и Энтони Туркевич. Они к тому же установили, что процессы термоядерного синтеза обязаны порождать немного легкого изотопа гелия-3 и тяжелые изотопы водорода - дейтерий и тритий. Сделанные ими оценки концентрации этих трех изотопов в космическом пространстве тоже совпадали с наблюдениями астрономов.

Проблемная теор ия

Но астрономы-практики продолжали сомневаться. Во-первых, оставалась проблема возраста Вселенной, которую теор ия Гамова решить не могла. Увеличить продолжительность существования мира можно было, только доказав, что галактики разлетаются много медленней, чем принято считать (в конечном счете так и произошло, причем в немалой степени с помощью наблюдений, выполненных в Паломарской обсерватории, но уже в 1960-е годы).

Во-вторых, гамовская теор ия забуксовала на нуклеосинтезе. Объяснив возникновение гелия, дейтерия и трития, она не смогла продвинуться к более тяжелым ядрам. Ядро гелия-4 состоит из двух протонов и двух нейтронов. Все было бы хорошо, если бы оно могло присоединить протон и превратиться в ядро лития. Однако ядра из трех протонов и двух нейтронов или двух протонов и трех нейтронов (литий-5 и гелий-5) крайне неустойчивы и мгновенно распадаются. Поэтому в природе существует лишь стабильный литий-6 (три протона и три нейтрона). Для его образования путем прямого синтеза необходимо, чтобы с ядром гелия одновременно слились и протон, и нейтрон, а вероятность этого события крайне мала. Правда, в условиях высокой плотности материи в первые минуты существования Вселенной подобные реакции все же изредка происходят, что и объясняет очень малую концентрацию древнейших атомов лития.

Природа приготовила Гамову еще один неприятный сюрприз. Путь к тяжелым элементам мог бы лежать и через слияние двух ядер гелия, но эта комбинация тоже нежизнеспособна. Объяснить происхождение элементов тяжелее лития никак не удавалось, и в конце 1940-х годов это препятствие казалось непреодолимым (сейчас мы знаем, что они рождаются только в стабильных и взрывающихся звездах и в космических лучах, но Гамову это не было известно).

Впрочем, у модели "горячего" рождения Вселенной оставалась в запасе еще одна карта, которая со временем стала козырной. В 1948 году Алфер и другой ассистент Гамова, Роберт Герман, пришли к выводу, что космос пронизан микроволновым излучением, возникшим спустя 300 тысяч лет после первичного катаклизма. Однако радиоастрономы не проявили интереса к этому прогнозу, и он так и остался на бумаге.

Появление конкурента

Гамов и Алфер изобрели свою "горячую" модель в столице США, где с 1934 году Гамов преподавал в университете имени Джорджа Вашингтона. Многие продуктивные идеи возникли у них под умеренную выпивку в баре "Маленькая Вена" на Пенсильвания-авеню неподалеку от Белого дома. А если этот путь к построению космологической теор ии кое-кому кажется экзотичным, что можно сказать об альтернативе, появившейся на свет под влиянием фильма ужасов?

Фред Хойл: Расширение Вселенной происходит вечно! Вещество рождается в пустоте самопроизвольно с такой скоростью, что средняя плотность Вселенной остается постоянной

В доброй старой Англии, в университетском Кембридже, после войны обосновались трое замечательных ученых - Фред Хойл, Герман Бонди и Томас Голд. Перед этим они работали в радиолокационной лаборатории британских ВМФ, где и подружились. Хойлу, англичанину из Йоркшира, к моменту капитуляции Германии еще не исполнилось и 30, а его приятелям, уроженцам Вены, стукнуло по 25. Хойл и его друзья в свою "радарную эру" отводили душу в беседах о проблемах мироздания и космологии. Все трое невзлюбили модель Леметра, но закон Хаббла приняли всерьез, а потому отвергли и концепцию статичной Вселенной. После войны они собирались у Бонди и обсуждали те же проблемы. Озарение снизошло после просмотра кинострашилки "Мертвые в ночи". Ее главный герой Уолтер Крейг попал в замкнутую событийную петлю, которая в конце картины возвратила его в ту же ситуацию, с которой все и началось. Фильм с такой фабулой может длиться бесконечно (как стишок о попе и его собаке). Тут-то Голд и сообразил, что Вселенная может оказаться аналогом этого сюжета - одновременно изменяющейся и неизменной!

Друзья сочли идею безумной, но потом решили, что в ней что-то есть. Объединенными усилиями они превратили гипотез у в связную теор ию. Бонди с Голдом дали ее общее изложение, а Хойл в отдельной публикации "Новая модель расширяющейся Вселенной" - математические расчеты. За основу он взял уравнения ОТО, но дополнил их гипотетическим "полем творения" (Creation field, С-поле), обладающим отрицательным давлением. Нечто в этом роде через 30 лет появилось в инфляционных космологических теор иях, что Хойл подчеркивал с немалым удовольствием.

Космология стабильного состояния

Новая модель вошла в историю науки как Космология стабильного состояния (Steady State Cosmology). Она провозгласила полное равноправие не только всех точек пространства (это было у Эйнштейна), но и всех моментов времени: Вселенная расширяется, но начала не имеет, поскольку всегда остается подобной себе самой. Голд назвал это утверждение совершенным космологическим принципом. Геометрия пространства в этой модели остается плоской, как и у Ньютона. Галактики разбегаются, однако в космосе "из ничего" (точнее, из поля творения) появляется новое вещество, причем с такой интенсивностью, что средняя плотность материи остается неизменной. В соответствии с известным тогда значением постоянной Хаббла Хойл вычислил, что в каждом кубометре пространства в течение 300 тысяч лет рождается всего одна частица. Сразу снимался вопрос, почему приборы не регистрируют эти процессы, - они слишком медленны по человеческим меркам. Новая космология не испытывала никаких трудностей, связанных с возрастом Вселенной, этой проблемы для нее просто не существовало.

Для подтверждения своей модели Хойл предложил воспользоваться данными о пространственном распределении молодых галактик. Если С-поле равномерно творит материю повсюду, то средняя плотность таких галактик должна быть примерно одинаковой. Напротив, модель катаклизмического рождения Вселенной предсказывает, что на дальней границе наблюдаемого космоса эта плотность максимальна - оттуда к нам приходит свет еще не успевших состариться звездных скоплений. Хойловский критерий был совершенно разумным, однако в то время проверить его не представлялось возможным из-за отсутствия достаточно мощных телескопов.

Триумф и поражение

Больше 15 лет соперничающие теор ии сражались почти на равных. Правда, в 1955 году английский радиоастроном и будущий нобелевский лауреат Мартин Райл обнаружил, что плотность слабых радиоисточников на космической периферии больше, чем около нашей галактики. Он заявил, что эти результаты несовместимы с Космологией стабильного состояния. Однако через несколько лет его коллеги пришли к выводу, что Райл преувеличил различия плотностей, так что вопрос остался открытым.

Но на двадцатом году жизни хойловская космология стала быстро увядать. К этому времени астрономы доказали, что постоянная Хаббла на порядок меньше прежних оценок, что позволило поднять предполагаемый возраст Вселенной до 10-20 млрд. лет (современная оценка - 13,7 млрд. лет ± 200 млн.). А в 1965 году Арно Пензиас и Роберт Вильсон зарегистрировали предсказанное Алфером и Германом излучение и тем самым сразу привлекли к теор ии Большого взрыва великое множество сторонников.

Вот уже сорок лет эта теор ия считается стандартной и общепризнанной космологической моделью. У нее есть и конкуренты разных возрастов, но вот теор ию Хойла всерьез никто больше не принимает. Ей не помогло даже открытие (в 1999 году) ускорения разлета галактик, о возможности которого писали и Хойл, и Бонди с Голдом. Ее время бесповоротно ушло.

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.