Як утворився Всесвіт. Теорії освіти Всесвіту. Як і коли утворився всесвіт З чого почалося зародження всесвіту

Як вона в здавалося б на перший погляд нескінченний простір перетворилася? І чим вона через багато мільйонів і мільярдів років стане? Ці питання мучили (і продовжують мукати) уми філософів і вчених, здається, ще з початку часів, породивши при цьому безліч цікавих і часом навіть божевільних теорій

Сьогодні більшість астрономів і космологів дійшли спільної згоди щодо того, що всесвіт, який ми знаємо, з'явився внаслідок гігантського вибуху, що породив не лише основну частину матерії, але й став джерелом основних фізичних законів, згідно з якими існує той космос, який нас оточує. Усе це називається теорією великого вибуху.

Основи теорії великого вибуху щодо прості. Таким чином, якщо коротко, згідно з нею вся існуюча і існуюча зараз у всесвіті матерія з'явилася в один і той же час - близько 13,8 мільярда років тому. У той момент часу вся матерія існувала у вигляді дуже компактної абстрактної кулі (або крапки) з нескінченною щільністю та температурою. Цей стан називався сингулярності. Несподівано сингулярність почала розширюватися і породила той всесвіт, який ми знаємо.

Варто зазначити, що теорія великого вибуху є лише однією з багатьох запропонованих гіпотез виникнення всесвіту (наприклад, є ще теорія стаціонарного всесвіту), проте вона отримала найширше визнання та популярність. Вона не тільки пояснює джерело всієї відомої матерії, законів фізики та велику структуру всесвіту, вона також описує причини розширення всесвіту та багато інших аспектів та феноменів.

Хронологія подій теорії великого вибуху.

Грунтуючись на знаннях про нинішній стан всесвіту, вчені припускають, що все мало розпочатися з єдиної точки з нескінченною щільністю та кінцевим часом, які почали розширюватися. Після початкового розширення, як говорить теорія, всесвіт пройшов фазу охолодження, яка дозволила з'явитися субатомним частинкам і пізніше простим атомам. Гігантські хмари цих древніх елементів пізніше завдяки гравітації почали утворювати зірки та галактики.

Все це, за припущеннями вчених, почалося близько 13, 8 мільярда років тому, і тому ця відправна точка вважається віком всесвіту. Шляхом дослідження різних теоретичних принципів, проведення експериментів із залученням прискорювачів частинок та високоенергетичних станів, а також шляхом проведення астрономічних досліджень далеких куточків всесвіту вчені вивели та запропонували хронологію подій, які почалися з великого вибуху та привели всесвіт зрештою до того стану космічної еволюції, який має місце зараз.

Вчені вважають, що ранні періоди зародження всесвіту - що тривали від 10-43 до 10-11 секунди після великого вибуху, - як і раніше, є предметом суперечок і обговорень. Увага! Тільки в тому випадку, якщо врахувати, що ті закони фізики, які нам зараз відомі, не могли існувати в цей час, то дуже складно зрозуміти, яким чином регулювалися процеси в цьому ранньому всесвіті. Крім того, експериментів з використанням тих можливих видів енергій, які могли бути присутніми на той час, досі не проводилося. Як би там не було, багато теорій про виникнення всесвіту зрештою згодні з тим, що в якийсь період часу була відправна точка, з якої все почалося.

Епоха сингулярності.

Також відома як планківська епоха (або планківська ера) приймається за ранній з відомих періодів еволюції всесвіту. У цей час вся матерія містилася в єдиній точці нескінченної щільності та температури. Під час цього періоду, як вважають вчені, квантові ефекти гравітаційної взаємодії домінували над фізичним, і жодна з фізичних сил не була рівна за силою гравітації.

Планківська ера імовірно тривала від 0 до 10-43 секунди і названа так тому, що виміряти її тривалість можна тільки планковським часом. Зважаючи на екстремальні температури і нескінченну щільність матерії, стан всесвіту в цей період часу був вкрай нестабільним. Після цього відбулися періоди розширення та охолодження, що призвели до виникнення фундаментальних сил фізики.

Приблизно в період з 10-43 до 10-36 секунд у всесвіті відбувався процес зіткнення станів перехідних температур. Вважається, що саме в цей момент фундаментальні сили, які керують нинішнім всесвітом, почали відокремлюватися одна від одної. Першим кроком цього відділення стала поява гравітаційних сил, сильних і слабких ядерних взаємодій та електромагнетизму.

У період приблизно з 10-36 до 10-32 секунди після великого вибуху температура всесвіту стала досить низькою (1028 к), що призвело до поділу електромагнітних сил (сильна взаємодія) та слабкої ядерної взаємодії (слабкої взаємодії).

Епоха інфляції.

З появою перших фундаментальних сил у всесвіті почалася епоха інфляції, яка тривала з 10-32 секунди за планковським часом до невідомої точки часу. Більшість космологічних моделей припускають, що всесвіт у цей період був рівномірно заповнений енергією високої щільності, а неймовірно високі температура і тиск призвели до її швидкого розширення та охолодження.

Це почалося на 10-37 секунді, коли за фазою переходу, що викликала відділення сил, було розширення всесвіту в геометричній прогресії. В цей же період часу всесвіт перебував у стані баріогенези, коли температура була настільки високою, що безладний рух частинок у просторі відбувався з навколосвітньою швидкістю.

У цей час утворюються і відразу ж зіштовхуючись руйнуються пари з частинок - античасток, що, як вважається, призвело до домінування матерії над антиматерією в сучасному всесвіті. Після припинення інфляції всесвіт складався з кварк - глюонової плазми та інших елементарних частинок. З цього моменту всесвіт почав остигати, почала утворюватися і з'єднуватися матерія.

Епоха охолодження.

Зі зниженням щільності та температури всередині всесвіту почало відбуватися і зниження енергії в кожній частинці. Цей перехідний стан тривав доти, доки фундаментальні сили та елементарні частки не дійшли своєї нинішньої форми. Так як енергія частинок опустилася до значень, які можна сьогодні досягти в рамках експериментів, дійсна можлива наявність цього часового періоду викликає у вчених значно менше суперечок.

Наприклад, вчені вважають, що на 10-11 секунд після великого вибуху енергія частинок значно зменшилася. Приблизно на 10-6 секунді кварки та глюони почали утворювати баріони – протони та нейтрони. Кварки стали переважати антикварки, що у свою чергу призвело до переважання баріонів над антибаріонами.

Так як температура була вже недостатньо високою для створення нових протонно - антипротонних пар (або нейтронно - антинейтронних пар), було масове руйнування цих частинок, що призвело до залишку тільки 1/1010 кількості початкових протонів і нейтронів і повного зникнення їх античастинок. Аналогічний процес стався близько 1 секунди після великого вибуху. Тільки "Жертвами" цього разу стали електрони та позитрони. Після масового знищення протони, нейтрони і електрони, що залишилися, припинили свій безладний рух, а енергетична щільність всесвіту була заповнена фотонами і в меншій мірі нейтрино.

Протягом перших хвилин розширення всесвіту почався період нуклеосинтезу (синтез хімічних елементів. Завдяки падінню температури до 1 мільярда кельвінів і зниження щільності енергії приблизно до значень, еквівалентних щільності повітря, нейтрони і протони почали змішуватися та утворювати перший стабільний ізотоп водню ( Проте гелію. Проте більшість протонів у всесвіті залишилися як незв'язні ядер атомів водню.

Через близько 379 000 років електрони об'єдналися з цими ядрами водню і утворили атоми (знов-таки переважно водню), тоді як радіація відокремилася від матерії і продовжила практично безперешкодно розширюватися через простір. Цю радіацію прийнято називати реліктовим випромінюванням, і вона є найдавнішим джерелом світла у всесвіті.

З розширенням реліктове випромінювання поступово втрачало свою щільність та енергію і зараз його температура становить 2, 7260 0, 0013 до (- 270, 424 C), а енергетична щільність 0, 25 еВ (або 4, 005x10-14 Дж/м?). 400-500 Фотонів/див.

Епоха структури (ієрархічна доба).

У наступні кілька мільярдів років щільніші регіони майже рівномірно розподіленої у всесвіті матерії почали притягуватися один до одного. Внаслідок цього вони стали ще щільнішими, почали утворювати хмари газу, зірки, галактики та інші астрономічні структури, за якими ми можемо спостерігати нині. Цей період носить назву ієрархічної епохи. У цей час той всесвіт, який ми бачимо зараз, почав набувати своєї форми. Матерія почала об'єднуватися в структури різних розмірів - зірки, планети, галактики, галактичні скупчення, а також галактичні надскоплення, розділені міжгалактичними перемичками, що містять лише кілька галактик.

Деталі цього процесу можуть бути описані згідно з уявленням про кількість і тип матерії, розподіленої у всесвіті, яка представлена ​​у вигляді холодної, теплої, гарячої темної матерії та баріонної речовини. Однак сучасною стандартною космологічною моделлю великого вибуху є модель лямбда - CDM, згідно з якою частинки темної матерії рухаються повільніше за швидкість світла. Обрано її було тому, що вирішує всі протиріччя, які виникали в інших космологічних моделях.

Відповідно до цієї моделі на холодну темну матерію припадає близько 23 відсотків усієї матерії/енергії у всесвіті. Частка баріонної речовини становить близько 4,6 відсотка. Лямбда - CDM посилається на так звану космологічну постійну: теорію, запропоновану Альбертом Ейнштейном, яка характеризує властивості вакууму та показує співвідношення балансу між масою та енергією як постійну статичну величину. У цьому випадку вона пов'язана з темною енергією, яка служить акселератором розширення всесвіту і підтримує гігантські космологічні структури значною мірою однорідними.

Довгострокові прогнози щодо майбутнього всесвіту.

Гіпотези щодо того, що еволюція всесвіту має відправну точку, природним способом підводять учених до питань про можливу кінцеву точку цього процесу. Тільки в тому випадку, якщо всесвіт почав свою історію з маленької точки з нескінченною щільністю, яка раптом почала розширюватися, чи не означає це, що розширюватися вона теж буде нескінченно або одного разу в неї закінчиться експансивна сила і почнеться зворотний процес стиснення, кінцевим підсумком якого стане все та ж нескінченно щільна точка?

Відповіді на ці питання були основною метою космологів із самого початку суперечок про те, яка ж космологічна модель всесвіту є вірною. З прийняттям теорії великого вибуху, але здебільшого завдяки спостереженню за темною енергією в 1990-х роках, вчені дійшли згоди щодо двох найбільш ймовірних сценаріїв еволюції всесвіту.

Згідно з першим, що отримав назву "Великий Стиснення", всесвіт досягне свого максимального розміру і почне руйнуватися. Такий варіант розвитку подій буде можливим, якщо тільки щільність маси всесвіту стане більшою, ніж сама критична щільність. Іншими словами, якщо щільність матерії досягне певного значення або стане вищою від цього значення (1-3x10-26 кг матерії на м), всесвіт почне стискатися.

Альтернативою служить інший сценарій, який говорить, що якщо щільність у всесвіті дорівнюватиме або нижче значення критичної щільності, то її розширення сповільниться, проте ніколи не зупиниться повністю. Згідно з цією гіпотезою, що отримала назву "Теплова Смерть Всесвіту", розширення продовжиться доти, доки зіркоутворення не перестануть споживати міжзоряний газ усередині кожної з навколишніх галактик. Тобто повністю припиниться передача енергії та матерії від одного об'єкта до іншого. Всі існуючі зірки в цьому випадку вигорять і перетворяться на білих карликів, нейтронні зірки та чорні дірки.

Поступово чорні діри стикатимуться з іншими чорними дірками, що привіт до утворення все більших і більших. Середня температура всесвіту наблизиться до абсолютного нуля. Чорні дірки в результаті "Випаряться", випустивши своє останнє випромінювання хокінгу. Зрештою термодинамічна ентропія у всесвіті максимальної стане. Теплова смерть настане.

Сучасні спостереження, які враховують наявність темної енергії та її вплив на розширення космосу, наштовхнули вчених на висновок, згідно з яким згодом дедалі більше простору всесвіту проходитиме за межами нашого горизонту подій і стане невидимим для нас. Кінцевий і логічний результат цього вченим поки що не відомий, проте "Теплова Смерть" цілком може стати кінцевою точкою подібних подій.

Є й інші гіпотези щодо розподілу темної енергії, а точніше, її можливих видів (наприклад фантомної енергії. Відповідно до них галактичні скупчення, зірки, планети, атоми, ядра атомів та матерія сама по собі будуть розірвані на частини внаслідок її нескінченного розширення. Такий сценарій еволюції зветься "Великого Розриву".

Історія теорії величезного вибуху.

Найбільш рання згадка великого вибуху відноситься до початку 20-го століття і пов'язана зі спостереженнями за космосом. У 1912 році американський астроном Весто слайфер провів серію спостережень за спіральними галактиками (які спочатку представлялися туманностями) і виміряв їх доплерівське червоне усунення. Майже завжди спостереження показали, що спіральні галактики віддаляються від нашого чумацького шляху.

У 1922 році видатний російський математик і космолог Олександр Фрідман вивів із рівнянь Ейнштейна для загальної теорії відносності так звані рівняння Фрідмана. Незважаючи на просування Ейнштейном теорії на користь наявності космологічної постійної, робота Фрідмана показала, що всесвіт швидше перебуває в стані розширення.

У 1924 році виміри Едвіна хабла дистанції до найближчої спіральної туманності показали, що ці системи насправді є дійсно іншими галактиками. У той же час хаббл приступив до розробки ряду показників для відрахування відстані, використовуючи 2,5-метровий хукерський телескоп в обсерваторії маунт Вілсон. До 1929 хаббл виявив взаємозв'язок між відстанню і швидкістю видалення галактик, що згодом стало законом хаббла.

У 1927 році бельгійський математик, фізик і католицький священик Жорж Леметр незалежно прийшов до тих же результатів, які показували рівняння Фрідмана, і першим сформулював залежність між відстанню та швидкістю галактик, запропонувавши першу оцінку коефіцієнта цієї залежності. Леметр вважав, що в якийсь період часу у минулому вся маса всесвіту була зосереджена в одній точці (атомі).

Ці відкриття та припущення викликали багато суперечок між фізиками у 20-х та 30-х роках, більшість з яких вважала, що всесвіт перебуває у стаціонарному стані. Відповідно до усталеної тоді моделі, нова матерія створюється поруч із нескінченним розширенням всесвіту, рівномірно і рівнозначно по щільності розподіляючись по всій її протяжності. Серед вчених, які її підтримували, ідея великого вибуху здавалася більш теологічною, ніж науковою. На адресу леметра звучала критика про упередженість на основі релігійних упереджень.

Слід зазначити, що у той час існували й інші теорії. Наприклад, модель всесвіту Мілна та циклічна модель. Обидві ґрунтувалися на постулатах загальної теорії відносності Ейнштейна та згодом отримали підтримку самого вченого. Згідно з цими моделями всесвіт існує в нескінченному потоці циклів розширень і колапсів, що повторюються.

1. Епоха сингулярності (планківська). Її прийнято вважати первинною, як ранній еволюційний період Всесвіту. Матерія була зосереджена в одній точці, що має свою температуру та нескінченну щільність. Вчені стверджують, що ця епоха характерна для домінування квантових ефектів, що належать гравітаційній взаємодії над фізичними, причому жодна фізична сила з усіх існуючих у ті далекі часи за своєю силою не була ідентична гравітації, тобто не була їй рівна. Час тривалості планківської епохи зосереджується в інтервалі від 0 до 10-43 секунди. Вона отримала таку назву через те, що повноцінно виміряти її протяжність зміг лише планківський час. Цей часовий інтервал вважається дуже нестабільним, що у свою чергу тісно пов'язане з екстремальною температурою і безмежною щільністю матерії. Слідом за епохою сингулярності відбувся період розширення, а разом з ним і охолодження, що призвели до формування основних фізичних сил.

Як зароджувався Всесвіт. Холодне народження

Що було до Всесвіту. Модель «Сплячого» Всесвіту

«Можливо, до Великого вибуху Всесвіт являв собою дуже компактний, повільно еволюціонуючий статичний простір», - теоретизують такі фізики, як Курт Хінтербіхлер, Остін Джойс і Джастін Хурі.

Цей «передвибуховий» Всесвіт повинен був мати метастабільний стан, тобто бути стабільним до того моменту, поки не з'явиться ще більш стабільний стан. За аналогією уявіть урвище, на краю якого в стані вібрації знаходиться валун. Будь-який дотик до валуна призведе до того, що він зірветься в прірву або - що ближче до нашої нагоди - станеться Великий вибух. Згідно з деякими теоріями «передвибуховий» Всесвіт міг існувати в іншому вигляді, наприклад, у формі сплюснутого і дуже щільного простору. В результаті цей метастабільний період добіг кінця: вона різко розширилася і набула форми і стану того, що ми бачимо зараз.

"У моделі "сплячого" Всесвіту, однак, теж є свої проблеми", - говорить Керрол.

"Вона теж передбачає наявність у нашого Всесвіту появи низького рівня ентропії і при цьому не пояснює, чому це так".

Однак Хінтербіхлер, фізик-теоретик з Університету Кейс Вестерн Резерв, не вважає появу низького рівня ентропії проблемою.

«Ми просто шукаємо пояснення динаміки до Великого вибуху, яка пояснює, чому ми бачимо те, що ми бачимо зараз. Поки що це лише єдине, що нам залишається», - каже Хінтербіхлер.

Керрол, тим не менш, вважає, що є ще одна теорія «передвибухового» Всесвіту, яка здатна пояснити низький рівень ентропії, який є у нашому Всесвіті.

Як з'явився Всесвіт з нічого. Як працює Всесвіт

Поговоримо про те, як насправді влаштовано фізику, за нашими поняттями. З часів Ньютона парадигма фундаментальної фізики не змінювалася; до неї входить три частини. Перше – «простір станів»: насправді, перелік всіх можливих змін, у яких може бути Всесвіт. Друге - певний стан, що представляє Всесвіт у якийсь момент часу, зазвичай у поточний. Третє – якесь правило, яким Всесвіт розвивається у часі. Дайте мені Всесвіт на сьогодні, і закони фізики скажуть, що станеться з нею в майбутньому. Такий спосіб мислення є не менш вірним для квантової механіки або ОТО або квантової теорії поля, ніж для ньютонової механіки або максвеллівської електродинаміки.

Квантова механіка, зокрема – особлива, але дуже багатостороння реалізація цієї схеми. (Квантова теорія поля – просто певний приклад квантової механіки, а чи не новий спосіб мислення). Стану - це «хвильові функції», а набір всіх можливих хвильових функцій певної системи називається "гільбертовим простором". Його перевага в тому, що вона сильно обмежує набір можливостей (бо це векторний простір: зауваження для експертів). Як тільки ви повідомите мені його розмір (кількість вимірювань), ви повністю визначите ваш простір Гільберта. Це кардинально відрізняється від класичної механіки, де простір станів може стати надзвичайно складним. А ще є машинка - "гамільтоніан" - вказує, як саме розвиватися з одного стану в інший з часом. Повторюся, що різновидів гамільтоніанів буває небагато; досить записати певний перелік величин (власних значень енергії – уточнення вам, набридливі фахівці).

Як з'явилося життя Землі. Життя Землі

Життя, що використовує хімію, відмінну від нашої, може виникнути на Землі більше одного разу. Можливо. І якщо ми знайдемо докази наявності такого процесу, це означає, що існує велика ймовірність, що життя виникатиме в багатьох місцях Всесвіту незалежно один від одного, так само, як виникло життя на Землі. Але з іншого боку, уявіть, що ми відчуємо, якщо врешті-решт виявимо життя на іншій планеті, можливо, навколо далекої зірки, що обертається, і виявиться, що вона має ідентичну хімію і, можливо, навіть ідентичну нашій структуру ДНК.

Шанси на те, що життя на Землі виникло мимовільно і випадково здаються дуже невеликими. Шанси виникнення точно такого ж життя в іншому місці неймовірно малі, і практично дорівнюють нулю. Але на ці запитання є можливі відповіді, які англійські астрономи Фред Хойл та Чандра Вікрамасінгхе виклали у своїй незвичайній книзі, написаній у 1979 році – «Life cloud».

Враховуючи вкрай малоймовірний шанс, що життя на Землі з'явилося саме собою, автори пропонують інше пояснення. Воно полягає в тому, що поява життя відбулася десь у космосі, а потім поширилася по всьому Всесвіту за допомогою панспермії. Мікроскопічне життя, яке застрягло у смітті, що виникло в результаті космічних зіткнень, може подорожувати, перебуваючи в неактивному стані протягом дуже довгого часу. Після чого, коли вона прибуде до пункту призначення, де знову почне розвиватися. Таким чином, все життя у Всесвіті, в тому числі і життя на Землі, насправді є одним і тим самим життям.

Відео Як з'явився Всесвіт

Як з'явився Всесвіт з нічого. Холодне народження

Однак шляхи до такого об'єднання можна обміркувати на якісному рівні, і тут з'являються дуже цікаві перспективи. Одну з них розглянув відомий космолог, професор університету Арізони Лоуренс Краусс у своїй нещодавно виданій книзі «A Universe From Nothing» («Всесвіт з нічого»). Його гіпотеза виглядає фантастичною, але аж ніяк не суперечить встановленим законам фізики.

Вважається, що наш Всесвіт виник з дуже гарячого початкового стану з температурою близько 1032 кельвінів. Однак можна уявити і холодне народження всесвітів із чистого вакууму - точніше, з його квантових флуктуацій. Добре відомо, що такі флуктуації породжують безліч віртуальних частинок, що буквально виникли з небуття і згодом зникли безслідно. Згідно з Крауссом, вакуумні флуктуації в принципі здатні давати початок настільки ж ефемерним протовселеним, які за певних умов переходять з віртуального стану в реальний.

Питання про те, як з'явився Всесвіт, завжди хвилювало людей. Це не дивно, адже кожному хочеться знати свої витоки. Над цим питанням вже кілька тисячоліть б'ються вчені, священики та письменники. Це питання розбурхує уми не тільки фахівців, а й кожної простої людини. Однак відразу варто сказати, що стовідсоткової відповіді на питання про те, як з'явився Всесвіт, немає. Є лише теорія, яку підтримує більшість вчених.

• Ось її ми й розберемо.

Оскільки все, що оточує людину, має свій початок, то не дивує той факт, що з давніх-давен людина намагалася знайти початок Всесвіту. У людини епохи Середньовіччя відповідь це питання була досить проста – Всесвіт створив Бог. Однак з розвитком науки вчені почали ставити під сумнів не тільки питання про Бога, а й взагалі про те, що Всесвіт має початок.

У 1929 році завдяки американському астроному Хаблу вчені повернулися до питання про коріння Всесвіту. Справа в тому, що Хаббл довів, що галактики, з яких складається Всесвіт, постійно рухаються. Крім руху, вони ще й можуть збільшуватися, а значить, збільшується і Всесвіт. А якщо вона росте, то виходить так, що був колись етап старту цього зростання. А це означає, що Всесвіт має початок.

Трохи пізніше вже британський астроном Хойл висунув сенсаційну гіпотезу: Всесвіт виник у момент Великого Вибуху. Його теорія так і увійшла до історії під такою назвою. Суть ідеї Хойла проста та складна одночасно. Він вважав, що колись існував етап, який називають станом космічної сингулярності, тобто час стояло на позначці нуль, а щільність і температура дорівнювали нескінченності. І в один момент стався вибух, в результаті якого порушилася сингулярність, а отже щільність і температура змінилися, почалося зростання матерії, а значить, час почав свій звіт. Пізніше сам Хойл назвав свою теорію малопереконливою, проте це не завадило їй стати найпопулярнішою гіпотезою походження Всесвіту.

Коли сталося те, що Хойл назвав Великим Вибухом? Вчені проводили безліч розрахунків, у результаті більшість зійшлася на цифрі 13,5 мільярда років. Саме тоді з нічого почала з'являтися Всього за частку секунди Всесвіт придбав розмір менше атома, і процес розростання був запущений. Ключову роль відіграла гравітація. Найцікавіше, що якби вона була трохи сильнішою, то нічого б не виникло, максимум чорна діра. А якби гравітація була трохи слабшою, то нічого не виникло б взагалі.
Через кілька секунд після Вибуху температура у Всесвіті трохи зменшилася, що дало поштовх до створення речовини та антиречовини. Внаслідок цього почали з'являтися атоми. Так Всесвіт перестав бути однотонним. Десь атомів було більше, десь менше. В одних частинах було гаряче, в інших температура була нижчою. Атоми почали стикатися один з одним, утворюючи сполуки, потім нові речовини, а згодом тіла. Частина об'єктів мала велику внутрішню енергію. То були зірки. Вони почали збирати навколо себе (завдяки силі тяжіння) інші тіла, які ми називаємо планетами. Так виникли системи, однією з яких є наша Сонячна.

Великий вибух. Проблеми моделі та їх вирішення

1. Проблема великомасштабності та ізотропності Всесвіту може бути вирішена завдяки тому, що на стадії інфляції розширення відбувалося надзвичайно високими темпами. З цього випливає, що весь простір Всесвіту, що спостерігається, - результат однієї причинно-пов'язаної області епохи, що передує інфляційній.
2. Вирішення проблеми плоского Всесвіту. Це можливо тому, що на стадії інфляції відбувається збільшення радіусу кривизни простору. Ця величина така, що дозволяє сучасним параметрам щільності мати значення близьке до критичного.
3. Інфляційне розширення веде до виникнення коливань щільності з певною амплітудою та формою спектра. Це дає можливість розвитку цих коливань (флуктуацій) у нинішню структуру Всесвіту, зберігаючи великомасштабну однорідність та ізотропність. Це вирішення проблеми великомасштабної структури Всесвіту.

p align="justify"> Основним недоліком інфляційної моделі можна вважати її залежність від теорій, які ще не доведені і розроблені не до кінця.

Наприклад, модель базується на теорії єдиного поля, яка поки що є просто гіпотезою. Її неможливо перевірити експериментально у лабораторних умовах. Ще один недолік моделі - незрозумілість, звідки взялася перегріта і матерія, що розширюється. Тут розглядаються три можливості:

1. Стандартна теорія Великого вибуху передбачає початок інфляції на ранній стадії еволюції Всесвіту. Але тоді не вирішується проблема сингулярності.
2. Друга можливість - виникнення Всесвіту з хаосу. Різні ділянки її мали різну температуру, у одних місцях відбувалося стиск, а інших – розширення. Інфляція мала виникнути в області Всесвіту, який був перегрітий і розширювався. Але не зрозуміло, звідки взявся первинний хаос.
3. Третій варіант - квантово-механічний шлях, за допомогою якого виник згусток перегрітої і матерії, що розширюється. Фактично, Всесвіт виник з нічого.

Виконала студентка гр.ПІ-05-1: Цааєва Д.Б.

Грозненський державний нафтовий інститут
імені академіка М.Д. Мільйонщикова

Дана робота дає опис про те, що являє собою наукова картина світу, так само дається короткий опис уявлення про Всесвіт (Наше уявлення про Всесвіт, Народження Всесвіту і т.д.).

Ця робота включає 10 сторінок.

Наукова картина світу - цілісна система уявлень про загальні властивості та закономірності дійсності, побудована в результаті узагальнення та синтезу фундаментальних наукових понять та принципів.

Наукова картина світу істотно відрізняється від релігійних уявлень про світ, які засновані не так на доведених фактах, як на авторитеті пророків та релігійної традиції. Релігійні інтерпретації концепції всесвіту постійно змінюються, щоб наблизити їх до сучасних наукових трактувань. Так, ще кілька сотень років тому християни, буквально тлумачачи Біблію, вважали, що небо - тверде («твердь»), а мусульмани, згідно з Кораном, вважали, що Сонце заходить у «каламутну криницю». Догми різних релігій, як правило, суперечать один одному, і ці протиріччя дуже важко подолати (на відміну від наукових протиріч, що долаються експериментальним шляхом).

Якось один відомий вчений (кажуть, це був Бертран Рассел) читав публічну лекцію про астрономію. Він розповідав, як Земля обертається навколо Сонця, а Сонце, своєю чергою, обертається навколо центру величезного скупчення зірок, яке називають нашою Галактикою. Коли лекція добігла кінця, з останніх рядів зали піднялася маленька літня леді і сказала: "Все, що ви нам казали, - нісенітниця. Насправді наш світ - це плоска тарілка, яка стоїть на спині гігантської черепахи". Поблажливо посміхнувшись, учений спитав: "А на чому тримається черепаха?" - "Ви дуже розумні, юначе, - відповіла літня леді. - Черепаха - на іншій черепасі, та - теж на черепасі, і так все нижче і нижче".

Таке уявлення про Всесвіт як про нескінченну вежу з черепів більшості з нас здасться смішним, але чому ми думаємо, що самі знаємо краще? Що нам відомо про Всесвіт і як ми це дізналися? Звідки взялася Всесвіт, і що з нею станеться? Чи був у Всесвіті початок, а якщо було, те, що відбувалося до початку? Яка сутність часу? Чи скінчиться воно колись? Досягнення фізики останніх років, якими ми частково завдячуємо фантастичній новій техніці, дозволяють зрештою отримати відповіді хоча б на окремі з таких давно поставлених питань. Мине час, і ці відповіді, можливо, стануть настільки ж очевидними, як те, що Земля обертається навколо Сонця, а може, настільки ж безглуздими, як вежа з черепах. Тільки час (хоч би воно було) вирішить це.

Відповідно до даних космології, Всесвіт виник у результаті вибухового процесу, який отримав назву Великий вибух, що стався близько 14 млрд. років тому. Теорія Великого вибуху добре узгоджується з фактами, що спостерігаються (наприклад, розширенням Всесвіту і переважанням водню) і дозволила зробити вірні передбачення, зокрема, про існування та параметри реліктового випромінювання.

У момент Великого вибуху Всесвіт займав мікроскопічні, квантові розміри.

Відповідно до інфляційної моделі, у початковій стадії своєї еволюції Всесвіт пережив період прискореного розширення (інфляції). Передбачається, що в цей момент Всесвіт був "порожнім і холодним" (існувало тільки високоенергетичне скалярне поле), а потім заповнився гарячою речовиною, яка продовжувала розширюватися.

Перехід енергії в масу не суперечить фізичним законам, наприклад, народження пари частка-античастка з вакууму можна спостерігати і зараз у деяких наукових експериментах.

Одна з найважливіших властивостей Всесвіту – вона розширюється, причому прискорено. Чим далі розташований об'єкт від нашої галактики, тим швидше він від нас віддаляється (але це не означає, що ми знаходимося в центрі світу: те саме справедливо для будь-якої точки простору).

Видима речовина у Всесвіті структурована в зоряні скупчення - галактики. Галактики утворюють групи, які, своєю чергою, входять у скупчення галактик. Надскоплення зосереджені в основному всередині плоских шарів, між якими знаходиться простір, практично вільний від галактик. Таким чином, у дуже великих масштабах Всесвіт має комірчасту структуру, що нагадує «ніздрювату» структуру хліба. Однак на ще більших відстанях (понад 1 млрд. світлових років) речовина у Всесвіті розподілена однорідно.

Якщо в ясну безмісячну ніч подивитися на небо, то, найімовірніше, найяскравішими об'єктами, які ви побачите, будуть планети Венера, Марс, Юпітер та Сатурн. Крім того, ви побачите величезну кількість зірок, схожих на наше Сонце, але що знаходяться набагато далі від нас. При зверненні Землі навколо Сонця деякі з цих "нерухомих" зірок трохи змінюють своє становище відносно один одного, тобто насправді вони зовсім не нерухомі!

Справа в тому, що вони дещо ближче до нас, ніж інші. Оскільки Земля обертається навколо Сонця, близькі зірки видно весь час у різних точках фону віддалених зірок. Завдяки цьому можна безпосередньо виміряти відстань від нас до цих зірок: чим вони ближчі, тим сильніше помітне їхнє переміщення.

Цікаво, яким був загальний стан наукової думки до початку XX ст.: нікому і на думку не спало, що Всесвіт може розширюватися або стискатися. Всі вважали, що Всесвіт або існував завжди в незмінному стані, або був створений в якийсь момент часу в минулому приблизно такий, який він зараз. Почасти це, можливо, пояснюється схильністю людей вірити у вічні істини, а також особливою привабливістю тієї думки, що, хай самі вони постаріють і помруть, Всесвіт залишиться вічним і незмінним.

Горєлов А.А. Концепція сучасного природознавства. - М.: Центр, 2002. - 208с.

Канке В.А. Концепція сучасного природознавства. Підручник для вишів. Вид. 2-ге, испр. - М.: Логос, 2003. - 368с.

Карпенков С.Х. Концепція сучасного природознавства. ГУП "Видавництво", "Вища школа", 2001.

Після загадкової космологічної сингулярності слід не менш таємнича ера планків (0 -10 -43 с). Важко сказати які процеси відбувалися в цю коротку мить новонародженого Всесвіту. Але точно відомо, що до кінця планківського моменту гравітаційний вплив відокремився від трьох фундаментальних сил, об'єднаних у єдину групу Великого об'єднання.

Для того, щоб описати більш ранній момент, потрібна нова теорія, частиною якої може стати модель петльової квантової гравітації та теорія струн. Виходить, що планківська ера, як і космологічна сингулярність, становить надмалу за тривалістю, але значну за науковою вагою прогалину в доступних знаннях раннього Всесвіту. Так само в межах планківського часу існували своєрідні флуктації простору та часу. Для опису цього квантового хаосу можна використовувати образ пінистих квантових осередків простору-часу.

Порівняно з планківською ерою подальші події постають перед нами у яскравому та зрозумілому світлі. У період з 10 -43 до 10 -35 с у молодому Всесвіті вже діяли сили гравітації та Великого об'єднання. У цей період сильне, слабке та електромагнітне впливи були єдиним цілим і становили силове поле Великого об'єднання.

Коли з моменту Великого вибуху пройшло 10 -35 с, Всесвіт досяг температури 10 29 К. У цей момент сильна взаємодія відокремилася від електрослабого. Це спричинило порушення симетрії, яке відбувалося по-різному у різних частинах Всесвіту. Є ймовірність, що Всесвіт розділився на частини, які були відгороджені один від одного дефектами простору-часу. Також там могли існувати й інші дефекти - космічні струни або магнітні монополі. Однак сьогодні ми не можемо цього бачити через інший поділ сили Великого об'єднання – космологічної інфляції.

На той час Всесвіт був заповнений газом з гравітонів - гіпотетичних квантів поля тяжіння та бозонів сили Великого об'єднання. У цей час майже існувала різниця між лептонами і кварками.

Коли в деяких частинах Всесвіту стався поділ сил, виник хибний вакуум. Енергія застрягла високому рівні, змушуючи простір подвоюватися кожні 10 -34 з. Таким чином, Всесвіт від квантових масштабів (одна мільярдна трильйонної трильйонної частки сантиметра) перейшла до розмірів кулі з діаметром близько 10 см. В результаті епохи Великого об'єднання відбувся фазовий перехід первинної матерії, який супроводжувався порушенням однорідності її щільності. Епоха Великого об'єднання закінчилася приблизно в 10-34 секунд з моменту Великого Вибуху, коли щільність матерії становила 10 74 г/смі, а температура 10 27 K. умовах. Це відділення призвело до наступного фазового переходу та масштабного розширення Всесвіту, яке призвело до зміни щільності речовини та розподілу її по Всесвіту.

Одна з причин, чому ми так мало знаємо про стан Всесвіту до інфляції, полягає в тому, що подальші події дуже сильно її змінили, розкидавши частки до інфляційного віку найдальшими куточками Всесвіту. Тому навіть якщо ці частинки і збереглися, виявити їх у сучасній речовині досить складно.

З швидким розвитком Всесвіту відбуваються великі зміни, і слідом за періодом Великого об'єднання йде епоха інфляції (10 -35 - 10 -32). Для цієї епохи характерно надшвидке розширення молодого Всесвіту, тобто інфляція. У цю коротку мить Світобудова являла собою океан хибного вакууму з високою щільністю енергії, завдяки чому і стало можливим розширення. При цьому параметри вакууму постійно змінювалися через квантові сплески - флуктацію (простір-тимчасове спінювання).

Інфляція пояснює природу вибуху під час Великого вибуху, тобто чому відбувалося стрімке розширення Всесвіту. Основою опису цього явища послужили загальна теорія відносності Ейнштейна і квантова теорія поля. Для того, що описати це явище, фізики збудували гіпотетичне інфлаторне поле, яке заповнювало весь простір. Завдяки випадковим коливанням воно набувало різних значень у довільних просторових областях і в різні моменти часу. Потім інфлаторному полі утворилася однорідна конфігурація критичного розміру, після чого просторова область, зайнята флуктацією, почала швидко збільшуватися в розмірах. Через прагнення інфлаторного поля зайняти положення, в якому його енергія мінімальна, процес розширення набув наростаючого характеру, в результаті якого Всесвіт почав збільшуватися в розмірах. У момент розширення (10 -34) почав розпадатися помилковий вакуум, у результаті починають утворитися частки і античастинки великих енергій.

В історії Всесвіту настає адронна ера, важливою особливістю якої є існування частинок та античасток. Згідно з сучасними уявленнями в перші мікросекунди після Великого вибуху, Всесвіт перебував у стані кварк-глюонної плазми. Кварки є складовими частинами всіх адронів (протонів та нейтронів), а нейтральні частки глюони-переносники сильної взаємодії, які забезпечують злипання кварків у адрони. У перші моменти Всесвіту ці частинки тільки утворювалися і перебували у вільному, газоподібному стані.

Хромоплазму кварків і глюонів зазвичай порівнюють з рідким станом матерії, що взаємодіє. У такій фазі кварки та глюони звільняються від адронної матерії і можуть вільно переміщатися по всьому плазмовому просторі, внаслідок чого утворюється квіткопровідність.

Не дивлячись на екстремально високі температури, кварки були пов'язані між собою, які рух нагадував швидше рух атомів у рідини, ніж у газі. Також за таких умов відбувається ще один фазовий перехід, при якому легкі кварки, що становлять речовину, стають безмасовими.

Спостереження реліктового фону показали, що початковий достаток частинок порівняно з кількістю античастинок становив мізерну частку від загального числа. І саме цих надлишкових протонів вистачило для створення речовини Всесвіту.

Деякі вчені вважають, що у адронної ері існували і приховування речовини. Носій прихованої маси невідомий, але найімовірнішими вважаються такі елементарні частки, як аксіони.

У процесі розвитку вибуху температура падала і за одну десяту секунди досягала 3*10 10 градусів Цельсія. Через одну секунду – десять тисяч мільйонів градусів, а через тринадцять секунд – три тисячі мільйонів. Цього було вже достатньо для того, щоб електрони та позитрони почали аннагілювати швидше. Енергія, що виділяється при аннагіляції, поступово уповільнювала швидкість охолодження Всесвіту, але температура продовжувала падати.

Період з 10-4 - 10 с прийнято називати ерою лептонів. Коли енергія частинок та фотонів знизилася в сотню разів, речовину заповнили лептони-електрони та позитрони. Лептонна ера починається з розпаду останніх адронів у мюони та мюонне нейтрино, а закінчується за кілька секунд, коли енергія фотонів різко зменшилася і генерація електрон-позитронних пар припинилася.

Приблизно через одну соту секунди після Великого вибуху температура Всесвіту дорівнювала 10 11 градусів Цельсія. Це набагато гарячіше, ніж у центрі будь-якої відомої зірки. Ця температура така висока, що жоден з компонентів звичайної речовини, атоми і молекули, не могли існувати. Натомість молодий Всесвіт складався з елементарних частинок. Одними з цих частинок були електрони - негативно заряджені частинки, які утворюють зовнішні частини всіх атомів. Іншими частинками були позитрони,- позитивно заряджені частинки з масою, точно рівної масі електрона. Крім цього існувало нейтрино різних типів-примарних частинок, які мають ні маси, ні електричного заряду. Але нейтрино та антинейтрино не анігілювали один з одним, тому що ці частинки дуже слабо взаємодіють між собою та іншими частинками. Тому вони до цих пір повинні зустрічатися навколо нас, і вони могли б стати хорошим способом перевірки моделі гарячого раннього Всесвіту. Однак енергії цих частинок зараз надто малі для їхнього спостереження.

Під час епохи лептонів були такі частинки як протони і нейтрони. І нарешті, у Всесвіті було світло, яке, згідно з квантовою теорією, складається з фотонів. У пропорційному відношенні на один нейтрон і протон припадало тисяча мільйонів електронів. Всі ці частинки безперервно народжувалися з чистої енергії, а потім анігілювали, утворювали інші види частинок. Щільність у ранньому Всесвіті за таких високих температур була в чотири тисячі мільйонів разів більша, ніж у води.

Як говорилося раніше, саме в цей період відбувається інтенсивне народження в ядерних реакціях різних типів примарного нейтрино, яке називають реліктовим.

Починається радіаційна епоха, на початку якої Всесвіт входить у епоху випромінювання. На початку ери (10 с) випромінювання інтенсивно взаємодіяло із зарядженими частинками протонів та електронів. Через падіння температури фотони охолоджувалися, і в результаті численних розсіянь на частинках, що віддалялися, неслася частина їх енергії.

Приблизно через сто секунд після Великого вибуху температура падає до тисячі мільйонів градусів, що відповідає температурі найгарячіших зірок. За таких умов енергії протонів і нейтронів вже недостатньо для опору сильному ядерному тяжінню, і вони починають поєднуватися один з одним, утворюючи ядра дейтерію-важкого водню. Потім ядра дейтерію приєднують інші нейтрони і протони і перетворюються на ядра гелію. Після цього утворюються більш важкі елементи - літій і берилій. Первинне утворення атомних ядер речовини, що народжується, тривало недовго. Після трьох хвилин частки розлетілися так далеко одна від одної, що зіткнення стали рідкісним явищем. Згідно з гарячою моделлю Великого вибуху, близько четвертої частини протонів і нейтронів мало перетворитися на атоми гелію, водню та інших елементів. Елементарні частинки, що залишилися, розпалися на протони, що представляють ядра звичайного водню.

За кілька годин після Великого вибуху утворення гелію та інших елементів припинилося. Протягом мільйона років Всесвіт просто продовжував розширюватися і в ньому майже більше нічого не відбувалося. Існуюча у період матерія почала розширюватися і охолоджуватися. Значно пізніше, через сотні тисяч років температура впала до кількох тисяч градусів, і енергії електронів і ядер стало недостатньо для подолання електромагнітного тяжіння, що діє між ними. Вони почали зіштовхуватися між собою, утворюючи перші атоми водню та гелію (рис 2).

Космологи продовжують просуватися до остаточного розуміння процесів, що створили і сформували Всесвіт.

Всесвіт настільки великий в просторі і в часі, що протягом майже всієї історії людства він залишався недоступним як для наших приладів, так і для нашого розуму. Але все змінилося XX в., коли з'явилися нові ідеї - від загальної теорії відносності Ейнштейна до сучасних теорій елементарних частинок. Успіху було досягнуто також завдяки потужним приладам - ​​від 100- і 200-дюймових рефлекторів, створених Джорджем Еллері Хейлом (George Ellery Hale) і відкрив для нас галактики за межами Чумацького Шляху, до космічного телескопа «Хаббл» епоху народження галактик. Останні 20 років прогрес прискорився. Стало ясно, що темна матерія складається не із звичайних атомів, що існує темна енергія. Народилися сміливі ідеї про космічну інфляцію та множинність всесвітів.

Сто років тому Всесвіт був простіше: вічний і незмінний, що складається з однієї галактики, що містить кілька мільйонів видимих ​​зірок. Сучасна картина набагато складніша і набагато багатша. Космос виник 13,7 млрд років тому внаслідок Великого вибуху. Через частку секунди після початку Всесвіт був гарячою безформною сумішшю елементарних частинок - кварків та лептонів. У міру розширення та охолодження крок за кроком виникали структури: нейтрони та протони, атомні ядра, атоми, зірки, галактики, скупчення галактик та, нарешті, надскоплення. У частині Всесвіту, що спостерігається, зараз міститься 100 млрд галактик, у кожній з них близько 100 млрд зірок і, ймовірно, стільки ж планет. Самі галактики утримуються від розширення гравітацією загадкової темної матерії. А Всесвіт продовжує розширюватись і навіть робить це з прискоренням під дією темної енергії – ще більш загадкової форми енергії, чия гравітаційна сила не притягує, а відштовхує.

Головна тема нашої розповіді про Всесвіт - це еволюція від примітивного кваркового «супу» до наростаючої складності галактик, зірок, планет та життя, яке спостерігається сьогодні. Ці структури з'являлися одна за одною протягом мільярдів років, підкоряючись основним законам фізики. Подорожуючи в минуле, до епохи зародження, космологи спочатку просуваються через детально вивчену історію Всесвіту назад, до першої мікросекунди, потім до $10^(–34)$ з початку (про цей час є ясні ідеї, але поки що немає їх чіткого підтвердження) і , нарешті, до моменту народження (про який існують поки лише припущення). Хоча ми ще не в змозі до кінця зрозуміти, як народився Всесвіт, у нас вже є приголомшливі гіпотези, такі як поняття про множинний всесвіт, що включає нескінченну кількість не пов'язаних між собою субвсесвітів.

ОСНОВНІ ПОЛОЖЕННЯ

• Наш Всесвіт почався з гарячого Великого вибуху 13,7 млрд років тому і з тих пір розширюється та охолоджується. Вона еволюціонувала від безформної суміші елементарних частинок до сучасного високоструктурованого космосу.
• Перша мікросекунда була визначальним періодом, коли речовина стала домінувати над антиречовиною, зародилася структура майбутніх галактик та їх скупчень, і виникла темна матерія – невідома речовина, яка утримує цю структуру.
• Майбутнє Всесвіту визначається темною енергією - невідомою формою енергії, яка спричиняє прискорення космологічного розширення, яке почалося кілька мільярдів років тому.

Всесвіт, що розширюється.

У 1924 р. за допомогою 100-дюймового телескопа "Хукер" Маунт-Вілсонівської обсерваторії Едвін Хаббл виявив, що розпливчасті туманності, що залишалися загадковими кілька століть, - це такі ж галактики, як наша. Тим самим Хаббл збільшив наше уявлення про Всесвіт у 100 млрд разів! А через кілька років він довів, що галактики віддаляються одна від одної, підкоряючись математичній закономірності, відомої тепер як закон Хаббла: що далі галактика, то швидше вона рухається. Саме з цього закону випливає, що Великий вибух становив 13,7 млрд років тому.

КОСМІЧНЕ РОЗШИРЕННЯ
Еволюція Всесвіту відбувається в результаті розширення простору. Оскільки простір розтягується, як оболонка повітряної кульки, галактики віддаляються одна від одної, а світлові хвилі подовжуються (червоніють).

У межах загальної теорії відносності закон Хаббла тлумачиться так: саме простір розширюється, а галактики переміщаються разом із (рис. вгорі). Світло теж розтягується, відчуваючи червоне усунення, а отже, втрачаючи енергію, тому Всесвіт при розширенні охолоджується. Космічне розширення допомагає зрозуміти, як сформувався сучасний Всесвіт. Якщо подумки поринути у минуле, то Всесвіт ставатиме все щільніше, гарячіше, незвичайніше і простіше. Наближаючись до самого початку, ми стикаємося з найглибшими механізмами природи, використовуючи прискорювач потужніший за будь-який з побудованих на Землі - сам Великий вибух.

Вдивляючись через телескоп у простір, астрономи буквально потрапляють у минуле - і що більше телескоп, то глибше проникає їх погляд. Світло, що надходить від далеких галактик, демонструє нам давні епохи, а його червоне зміщення показує, наскільки розширився Всесвіт за минулий час. Спостережуване зараз рекордне червоне зміщення близько восьми, отже, це світло було випущено, коли розмір Всесвіту був у дев'ять разів менший за нинішній, а вік - лише кілька сотень мільйонів років. Такі прилади, як космічний телескоп «Хаббл» і десятиметрові телескопи «Кек» на Мауна-Кеа, легко переносять нас в епоху формування галактик, подібних до нашої - через кілька мільярдів років після Великого вибуху. Світло з більш ранніх епох настільки сильно зміщене в червону частину спектра, що астрономи змушені приймати його в інфрачервоному та радіодіапазонах. Телескопи, що будуються, такі як інфрачервоний космічний телескоп «Джеймс Вебб» діаметром 6,5 м і Великий атакамський міліметровий комплекс (Atacama Large Millimeter Array, ALMA) - мережа з 64 радіотелескопів на півночі Чилі, - перенесуть нас у минуле, до епох зірок та галактик.

Комп'ютерне моделювання показує, що ці зірки та галактики з'явилися, коли вік Всесвіту був близько 100 млн років. Перед цим Всесвіт пройшов через період, званий темною ерою, коли вона була чорною як смоль. Простір заповнювала безформна маса з п'яти частин темної матерії та однієї частини водню з гелієм, яка розріджувалася в міру розширення Всесвіту. Речовина була трохи неоднорідною за щільністю, а гравітація діяла як підсилювач цих неоднорідностей: щільніші області розширювалися повільніше, ніж менш щільні. На момент 100 млн років найбільш щільні області не тільки сповільнили своє розширення, а й почали стискатися. Кожна з таких зон містила близько 1 млн. сонячних мас речовини; вони і стали першими гравітаційно пов'язаними об'єктами в космосі.

Основну частину їхньої маси становила темна матерія, не здатна, за своєю назвою, випромінювати чи поглинати світло. Тому вона утворювала дуже протяжні хмари. З іншого боку, водень і гелій, випромінюючи світло, втрачали енергію та стискалися до центру кожної хмари. Зрештою вони зіщулювалися настільки, що перетворювалися на зірки. Ці перші об'єкти були значно масивнішими за сучасні - сотні мас Сонця. Проживши дуже коротке життя, вони вибухали, викидаючи в простір перші важкі елементи. Через кілька мільярдів років ці хмари з масами мільйони сонячних під дією гравітації згрупувалися в перші галактики.

Випромінювання від перших водневих хмар, яке зазнало сильного червоного зміщення через розширення, можна було б зареєструвати за допомогою величезних комплексів радіоантен із загальною приймальною площею близько квадратного кілометра. Коли ці радіотелескопи будуть створені, стане відомо, як перше покоління зірок і галактик іонізувало водень і тим самим завершило темну еру. (див.: Лоєб А. Темні віки Всесвіту // ВМН, № 3, 2007).

Слабкий відблиск гарячого початку

Позаду темної ери помітний відблиск гарячого Великого вибуху при червоному зміщенні 1100. Це спочатку видиме (червоно-оранжеве) випромінювання через червоне зміщення стало навіть не інфрачервоним, а мікрохвильовим. Заглядаючи в ту епоху, ми бачимо лише стіну мікрохвильового випромінювання, що заповнює все небо - космічне мікрохвильове фонове випромінювання, відкрите в 1964 р. Арно Пензіасом (Arno Penzias) та Робертом Уїлсоном (Robert Wilson). Це слабкий відсвіт Всесвіту, який перебував у дитинстві 380 тис. років, в епоху формування атомів. До цього вона була майже однорідною сумішшю атомних ядер, електронів та фотонів. Коли Всесвіт охолоне до температури близько 3000 К, ядра і електрони почали об'єднуватися в атоми. Фотони перестали розсіюватися на електронах і стали вільно рухатися крізь простір, демонструючи, яким був Всесвіт задовго до народження зірок і галактик.

У 1992 р. супутник NASA «Дослідник фонового випромінювання» (Cosmic Background Explorer, COBE) виявив, що інтенсивність цього випромінювання трохи змінюється - але на 0,001%, вказуючи на слабку неоднорідність у розподілі речовини. Ступінь первинної неоднорідності виявилася достатньою, щоб малі ущільнення стали «затравкою» для майбутніх галактик та їх скупчень, які пізніше виросли під дією гравітації. Розподіл неоднорідностей фонового випромінювання по небу свідчить про важливі властивості Всесвіту: про її середню щільність і склад, про ранні етапи її еволюції. Ретельне вивчення цих неоднорідностей розповіло нам багато про Всесвіт.

КОСМІЧНИЙ МІКРОХВИЛЬОВИЙ ФОНОВИЙ ВИМИК - це зображення Всесвіту в дитячому віці 380 тис. років. Слабкі варіації інтенсивності цього випромінювання (відзначені кольором) служать космічним Розетським каменем, що дає ключ до загадок Всесвіту - його віку, щільності, складу та геометрії..

СВЕРХГЛИБОКОЕ ПОЛЕ «ХАББЛА», найчутливіше з будь-яких отриманих зображень космосу, що відобразило більше 1 тис. галактик на ранній стадії їх формування.

Просуваючись від цієї точки назад, до початку еволюції Всесвіту, ми побачимо, як первинна плазма стає все більш гарячою та щільною. До віку близько 100 тис. років щільність енергії випромінювання була вищою, ніж у речовини, що й утримувало речовину від фрагментації. А в цей момент почалося гравітаційне нудьгування всіх структур, які зараз спостерігаються у Всесвіті. Ще ближче до початку, коли вік Всесвіту був менше однієї секунди, не було атомних ядер, а лише їх складові - протони та нейтрони. Ядра виникли, коли Всесвіту виповнилося кілька секунд, і температура та щільність стали придатними для ядерних реакцій. У цьому нуклеосинтезі Великого вибуху народилися лише легкі хімічні елементи: багато гелію (близько 25% за масою від усіх атомів Всесвіту) та трохи літію, дейтерію та гелію-3. Решта плазми (близько 75%) залишилася у формі протонів, які згодом стали атомами водню. Всі інші елементи Періодичної таблиці народилися через мільярди років в надрах зірок і при їх вибухах.

ВСЕСВІТ Складається в основному з темної енергії та темної матерії; природа обох невідома. Звичайна речовина, з якої сформовані зірки, планети та міжзоряний газ, становить лише малу частку.

Теорія нуклеосинтезу точно передбачає вміст елементів та ізотопів, виміряний у найдавніших об'єктах Всесвіту - у найстаріших зірках і газових хмарах з великим червоним зміщенням. Зміст дейтерію, дуже чутливе до середньої густини атомів у Всесвіті, відіграє особливу роль: його виміряне значення показує, що звичайна речовина становить (4,5 ± 0,1) % від повної густини енергії. Решта – темна матерія та темна енергія. Це точно узгоджується з даними про склад, отриманими з аналізу фонового випромінювання. Така відповідність – величезне досягнення. Адже це два абсолютно різних виміри: перше засноване на ядерній фізиці і відноситься до Всесвіту у віці 1 с, а друге - на атомній фізиці та властивостях Всесвіту у віці 380 тис. років. Їхня узгодженість - важливий тест не тільки для наших моделей еволюції космосу, але і для всієї сучасної фізики.

Відповіді у кварковому супі

До віку в одну мікросекунду не було навіть протонів та нейтронів; Всесвіт був схожий на суп з базових елементів природи: кварків, лептонів та переносників сил (фотонів, W- та Z-бозонів та глюонів). Ми впевнені, що цей «суп із кварками» справді існував, оскільки фізичні умови тієї епохи відтворюються зараз в експериментах на прискорювачах частинок (Див.: Райорден М., Зейц У. Перші мікросекунди // ВМН, № 8, 2006).

Вивчити ту епоху космологи сподіваються не за допомогою великих та пильних телескопів, а спираючись на глибокі ідеї фізики елементарних частинок. Створення Стандартної моделі фізики частинок 30 років тому призвело до сміливих гіпотез, включаючи теорію струн, що намагається об'єднати начебто не пов'язані між собою частки та сили. У свою чергу, ці нові ідеї знайшли додаток у космології, ставши такими ж важливими, як вихідна ідея гарячого Великого вибуху. Вони вказали на глибокий і несподіваний зв'язок між мікросвітом та великим Всесвітом. Можливо, невдовзі ми отримаємо відповіді на три ключові питання: яка природа темної матерії, в чому причина асиметрії між речовиною та антиречовиною і як виник комковатий кварковий суп.

Зважаючи на все, темна матерія народилася в епоху первинного кваркового супу. Природа темної матерії поки що не зрозуміла, та її існування немає сумнівів. Наша Галактика та інші галактики, і навіть їх скупчення утримуються тяжінням невидимої темної матерії. Чим би вона не була, вона повинна слабко взаємодіяти зі звичайною речовиною, інакше вона якось виявила б себе крім гравітації. Спроби описати єдиною теорією всі сили і частки, що спостерігаються в природі, призводять до передбачення стабільних або довгоживучих частинок, з яких могла б складатися темна матерія. Ці частки можуть бути реліктом доби кваркового супу і дуже слабко взаємодіяти з атомами. Один із кандидатів – нейтраліно, найлегша з частинок нещодавно передбаченого класу масивних копій відомих частинок. Нейтраліно повинне мати масу від 100 до 1000 мас протона, тобто. воно має народжуватися в експериментах на Великому адронному колайдері в ЦЕРНі поблизу Женеви. До того ж, намагаючись зловити ці частинки з космосу (або продукти їх взаємодії), фізики створили надчутливі детектори під землею, а також запускають їх на аеростатах і супутниках.

Другий кандидат - аксіон, надлегка частка з масою приблизно в трильйон разів менша, ніж у електрона. На її існування вказують тонкі відмінності, передбачені Стандартною моделлю у поведінці кварків. Спроби зареєструвати аксіон спираються на той факт, що в дуже сильному магнітному полі він може перетворитися на фотон. Як нейтраліно, так і аксіон мають важливу властивість: фізики називають ці частинки «холодними». Незважаючи на те, що вони народжуються при дуже високій температурі, рухаються вони повільно і тому легко групуються в галактики.

Ймовірно, ще один секрет криється в епосі первинного кваркового супу: чому зараз Всесвіт містить тільки речовину і майже не містить антиречовини. Фізики вважають, що спочатку у Всесвіту їх було в рівній кількості, але в деякий момент виник невеликий надлишок речовини - приблизно один зайвий кварк на кожний мільярд антикварків. Завдяки цьому дисбалансу при анігіляції кварків з антикварками у процесі розширення та охолодження Всесвіту збереглося достатньо кварків. Понад 40 років тому експерименти на прискорювачах показали, що закони фізики влаштовані трохи на користь речовини; саме це мале перевагу у процесі взаємодії частинок дуже ранньому етапі призвело до народження надлишку кварків.

Ймовірно, сам кварковий суп виник дуже рано - приблизно через $10^(-34)$ після Великого вибуху, у сплеску космічного розширення, відомого як інфляція. Причиною цього сплеску стала енергія нового поля, що нагадує електромагнітне поле і назване інфлатоном. Саме інфляція має пояснити такі фундаментальні властивості космосу, як його загальну однорідність та дрібні флуктуації щільності, що породили галактики та інші структури у Всесвіті. Коли інфлатон розпався, він передав свою енергію кваркам та іншим частинкам, створивши таким чином тепло Великого вибуху та сам кварковий суп.

Теорія інфляції демонструє глибокий зв'язок між кварками і космосом: квантові флуктуації інфлатону, що існували на субатомному рівні, виросли до астрофізичних розмірів завдяки швидкому розширенню і стали зародком для всіх структур, що спостерігаються сьогодні. Іншими словами, картина мікрохвильового фонового випромінювання на небі – це гігантське зображення субатомного світу. Спостерігаються властивості цього випромінювання узгоджуються з теоретичним прогнозом, доводячи, що інфляція чи щось їй подібне справді сталося дуже ранньої історії Всесвіту.

Народження Всесвіту

Коли космологи намагаються просунутися ще далі і зрозуміти початок Всесвіту, їх судження стають менш впевненими. Протягом століття загальна теорія відносності Ейнштейна була основою вивчення еволюції Всесвіту. Але вона не узгоджується з іншим стовпом сучасної фізики – квантовою теорією, тому найважливіше завдання – примирити їх одне з одним. Тільки з такою об'єднаною теорією ми зможемо просунутися до ранніх моментів еволюції Всесвіту, до так званої ери Планка з віком $10^(–43)$ с, коли формувався сам простір-час.

Пробні варіанти єдиної теорії пропонують нам дивовижні картини перших миттєвостей. Наприклад, теорія струн передбачає існування додаткових вимірів простору і, можливо, наявність інших всесвітів у цьому суперпросторі. Те, що ми називаємо Великим вибухом, могло бути зіткненням нашого Всесвіту з іншого (Див.: Венеціано Г. Міф про початок часів // ВМН, № 8, 2004). Поєднання теорії струн з теорією інфляції призводить, можливо, до найграндіознішої ідеї - до уявлення про множинний Всесвіт (multiverse), що складається з нескінченного числа незв'язаних частин, у кожній з яких свої фізичні закони (Див.: Буссо Р., Полчинськи Й. Ландшафт теорії струн // ВМН, № 12, 2004).

Ідея множинного Всесвіту ще перебуває у розвитку та націлена на дві найважливіші теоретичні проблеми. По-перше, із рівнянь, що описують інфляцію, випливає, що якщо вона відбулася один раз, то процес відбуватиметься знову і знову, породжуючи нескінченну кількість «роздутих» областей. Вони такі великі, що не можуть спілкуватися один з одним і тому не впливають один на одного. По-друге, теорія струн вказує, що ці області мають різні фізичні параметри, такі як кількість просторових вимірів та сімейства стабільних частинок.

Концепція множинного Всесвіту дозволяє по-новому подивитись дві складні наукові проблеми: що було до Великого вибуху і чому закони фізики саме такі? (Питання Ейнштейна: «Чи був у Бога вибір?» ставився саме до таких законів.) Множинний Всесвіт робить безглуздим питання про те, що було до Великого вибуху, оскільки відбувалося безліч великих вибухів, і кожен породжував свій сплеск інфляції. Питання Ейнштейна теж втрачає сенс: у нескінченній кількості всесвітів реалізуються всі можливі варіанти законів фізики, тому закони, що управляють нашого Всесвіту, не є чимось особливим.

Космологи неоднозначно ставляться до ідеї множинного Всесвіту. Якщо між окремими субвсесвітами справді немає зв'язку, ми зможемо переконатися у тому існуванні; фактично вони знаходяться за межами наукових знань. Частина мене хоче закричати: «Будь ласка, не більше одного Всесвіту!» Але з іншого боку, ідея множинного Всесвіту вирішує низку принципових проблем. Якщо вона вірна, то хаблівське розширення Всесвіту лише у 100 млрд разів і коперниківське вигнання Землі з центру Всесвіту у XVI ст. здадуться лише малим доповненням до нашого усвідомлення свого місця у космосі.

В ТЕМРЯВІ

Найважливіший елемент сучасного ставлення до Всесвіту та його найбільша загадка - темна енергія, нещодавно виявлена ​​і глибоко таємнича форма енергії, що викликає прискорення космічного розширення. Темна енергія перехопила управління у матерії кілька мільярдів років тому. Доти розширення сповільнювалося під впливом гравітаційного тяжіння матерії, і гравітація була здатна створювати структури - від галактик до скупчень. Нині, через вплив темної енергії, структури більші за скупчення не можуть формуватися. А якби темна енергія перемогла ще раніше – скажімо, коли вік Всесвіту був лише 100 млн років – то формування структур припинилося б до того, як виникли галактики, і нас би тут не було.

У космологів поки що дуже невиразне уявлення про те, що ж таке ця темна енергія. Щоб розширення прискорювалося, потрібна сила відштовхування. Загальна теорія відносності Ейнштейна показує, що гравітація гранично пружної форми енергії може викликати відштовхування. Квантова енергія, що заповнює порожній простір, діє саме так. Але проблема в тому, що теоретичні оцінки густини квантової енергії не узгоджуються з вимогами спостережень; Власне, вони перевершують їх на багато порядків. Інша можливість: космічним прискоренням може керувати не нова форма енергії, а щось, що імітує цю енергію, скажімо, хибність загальної теорії відносності чи вплив невидимих ​​просторових вимірів (Див.: Крос Л., Тернер М. Космічна загадка // ВМН, № 12, 2004).

Якщо Всесвіт продовжить прискорюватись у нинішньому темпі, то через 30 млрд років усі ознаки Великого вибуху зникнуть (див.: Крос Л., Шеррер Р. Чи настане кінець космології? // ВМН, № 6, 2008). Всі галактики за винятком кількох найближчих зазнають такого великого червоного зміщення, що стануть невидимими. Температура космічного фонового випромінювання опуститься нижче за чутливість приладів. При цьому Всесвіт стане схожим на той, який астрономи уявляли собі 100 років тому, перед тим, як їхні прилади стали досить потужними, щоб побачити Всесвіт, який ми знаємо сьогодні

Сучасна космологія, по суті, принижує нас. Ми складаємося з протонів, нейтронів та електронів, які в сукупності складають всього 4,5% Всесвіту; ми існуємо лише завдяки найтоншим зв'язкам між найменшим і найбільшим. Закони мікрофізики забезпечили домінування речовини над антиречовиною, поява флуктуацій, що стали затравкою для галактик, заповнення простору частинками темної матерії, що забезпечила гравітаційну інфраструктуру, яка дозволила сформуватися галактикам, перш ніж взяла гору темна енергія, а розширення почало прискорюватися. У той же час космологія за своєю природою зарозуміла. Думка про те, що ми можемо зрозуміти щось у такому безмежному океані простору та часу, як наш Всесвіт, на перший погляд здається абсурдним. Ця дивна суміш скромності та самовпевненості дозволила нам за минуле століття дуже далеко просунутися у розумінні будови сучасного Всесвіту та його еволюції. Я з оптимізмом чекаю подальшого прогресу найближчими роками і абсолютно впевнений, що ми живемо у золотий вік космології.

Якби у Всесвіті було ще більше темної енергії, він би залишився майже безформним (ліворуч), без тих великих структур, які ми бачимо (праворуч).

Переклад: В.Г. Сурдін

ДОДАТКОВА ЛІТЕРАТУРА

• The Early Universe. Edward W. Kolb та Michael S. Turner. Westview Press, 1994.
• The Inflationary Universe. Alan Guth. Basic, 1998.
• Quarks and the Cosmos. Michael S. Turner in Science, Vol. 315, pages 59–61; January 5, 2007.
• Dark Tnergy and the Accelerating Universe. Joshua Frieman, Michael S. Turn-er and Dragan Huterer в Annual Reviews of Astronomy and Astrophysics, Vol. 46, pages 385-432; 2008. Доступно онлайн: arxiv.org.
• Черепащук А.М., Чернін О.Д. Гори- парасольки Всесвіту. Новосибірськ: Вид-во З РАН, 2005.

Майкл Тернер (Michael S. Turner) першим взявся за об'єднання фізики частинок, астрофізики та космології та на початку нинішнього десятиліття очолив роботу Національної академії у цій новій галузі досліджень. Він професор Інституту космологічної фізики Фонду Кавлі у університеті Чикаго. З 2003 до 2006 р. він очолював відділення фізико-математичних наук Національного наукового фонду. Серед його нагород премія Уорнера Американського астрономічного товариства, премія Лілієнфельда Американського фізичного товариства та премія Клопстега Американської асоціації вчителів фізики.

Грунтуючись на знаннях про нинішній стан Всесвіту, вчені припускають, що все мало розпочатися з єдиної точки з нескінченною щільністю та кінцевим часом, які почали розширюватися. Після початкового розширення, як говорить теорія, Всесвіт пройшов фазу охолодження, яка дозволила з'явитися субатомним частинкам і пізніше простим атомам. Гігантські хмари цих древніх елементів пізніше завдяки гравітації почали утворювати зірки та галактики.

Все це, за припущеннями вчених, почалося близько 13,8 мільярда років тому, і тому ця відправна точка вважається віком Всесвіту. Шляхом дослідження різних теоретичних принципів, проведення експериментів із залученням прискорювачів частинок та високоенергетичних станів, а також шляхом проведення астрономічних досліджень далеких куточків Всесвіту вчені вивели та запропонували хронологію подій, які розпочалися з Великого вибуху та привели Всесвіт зрештою до того стану космічної еволюції, який має місце зараз.

Вчені вважають, що ранні періоди зародження Всесвіту — тривалі від 10 -43 до 10 -11 секунди після Великого вибуху, — як і раніше, є предметом суперечок і обговорень. Якщо врахувати, що ті закони фізики, які нам зараз відомі, не могли існувати в цей час, то дуже складно зрозуміти, яким чином регулювалися процеси в цьому ранньому Всесвіті. Крім того, експериментів з використанням тих можливих видів енергій, які могли бути присутніми на той час, досі не проводилося. Як би там не було, багато теорій про виникнення Всесвіту зрештою згодні з тим, що в якийсь період часу була відправна точка, з якої все почалося.

Епоха сингулярності

Також відома як планківська епоха (або планківська ера) приймається за ранній з відомих періодів еволюції Всесвіту. У цей час вся матерія містилася в єдиній точці нескінченної щільності та температури. Під час цього періоду, як вважають вчені, квантові ефекти гравітаційної взаємодії домінували над фізичним, і жодна з фізичних сил не була рівна за силою гравітації.

Планківська ера ймовірно тривала від 0 до 10 -43 секунди і названа вона так тому, що виміряти її тривалість можна лише планковським часом. Зважаючи на екстремальні температури і нескінченну щільність матерії, стан Всесвіту в цей період був вкрай нестабільним. Після цього відбулися періоди розширення та охолодження, що призвели до виникнення фундаментальних сил фізики.

Приблизно в період з 10 -43 до 10 -36 секунд у Всесвіті відбувався процес зіткнення станів перехідних температур. Вважається, що саме в цей момент фундаментальні сили, які керують нинішнім Всесвітом, почали відокремлюватись одна від одної. Першим кроком цього відділення стала поява гравітаційних сил, сильних і слабких ядерних взаємодій та електромагнетизму.

У період приблизно з 10 -36 до 10 -32 секунди після Великого вибуху температура Всесвіту стала досить низькою (1028 К), що призвело до поділу електромагнітних сил (сильна взаємодія) та слабкої ядерної взаємодії (слабкої взаємодії).

Епоха інфляції

З появою перших фундаментальних сил у Всесвіті почалася епоха інфляції, яка тривала з 10 -32 секунди за планковським часом до невідомої точки часу. Більшість космологічних моделей припускають, що Всесвіт у цей період був рівномірно заповнений енергією високої щільності, а неймовірно високі температура і тиск призвели до її швидкого розширення та охолодження.

Це почалося на 10 -37 секунді, коли за фазою переходу, що викликала відділення сил, було розширення Всесвіту в геометричній прогресії. У цей же період Всесвіт перебував у стані баріогенези, коли температура була настільки високою, що безладний рух частинок у просторі відбувався з навколосвітньою швидкістю.

У цей час утворюються і відразу ж зіштовхуючись руйнуються пари з частинок - античасток, що, як вважається, призвело до домінування матерії над антиматерією в сучасному Всесвіті. Після припинення інфляції Всесвіт складався з кварк-глюонової плазми та інших елементарних частинок. З цього моменту Всесвіт почав остигати, почала утворюватися і з'єднуватися матерія.

Епоха охолодження

Зі зниженням щільності і температури всередині Всесвіту почалося і зниження енергії в кожній частинці. Цей перехідний стан тривав доти, доки фундаментальні сили та елементарні частки не дійшли своєї нинішньої форми. Так як енергія частинок опустилася до значень, які можна сьогодні досягти в рамках експериментів, дійсна можлива наявність цього часового періоду викликає у вчених значно менше суперечок.

Наприклад, вчені вважають, що на 10-11 секунді після Великого вибуху енергія часток значно зменшилася. Приблизно на 10 -6 секунді кварки та глюони почали утворювати баріони – протони та нейтрони. Кварки стали переважати антикварки, що у свою чергу призвело до переважання баріонів над антибаріонами.

Так як температура була вже недостатньо високою для створення нових протонно-антипротонних пар (або нейтронно-антинейтронних пар), було масове руйнування цих частинок, що призвело до залишку тільки 1/1010 кількості початкових протонів і нейтронів і повного зникнення їх античастинок. Аналогічний процес стався близько 1 секунди після Великого вибуху. Тільки «жертвами» цього разу стали електрони та позитрони. Після масового знищення протони, нейтрони і електрони, що залишилися, припинили свій безладний рух, а енергетична щільність Всесвіту була заповнена фотонами і в меншій мірі нейтрино.

Протягом перших хвилин розширення Всесвіту розпочався період нуклеосинтезу (синтез хімічних елементів). Завдяки падінню температури до 1 мільярда кельвінів та зниження щільності енергії приблизно до значень, еквівалентних щільності повітря, нейтрони та протони почали змішуватися та утворювати перший стабільний ізотоп водню (дейтерій), а також атоми гелію. Проте більшість протонів у Всесвіті залишилися як незв'язні ядер атомів водню.

Через близько 379 000 років електрони об'єдналися з цими ядрами водню і утворили атоми (знов-таки переважно водню), тоді як радіація відокремилася від матерії і продовжила практично безперешкодно розширюватися через простір. Цю радіацію прийнято називати реліктовим випромінюванням, і вона є найдавнішим джерелом світла у Всесвіті.

З розширенням реліктове випромінювання поступово втрачало свою щільність та енергію і зараз його температура становить 2,7260 ± 0,0013 К (-270,424 °C), а енергетична щільність 0,25 еВ (або 4,005×10 -14 Дж/м³; 400–500 фотонів/см³). Реліктове випромінювання простягається у всіх напрямках і на відстань близько 13,8 мільярда світлових років, проте оцінка його фактичного поширення говорить приблизно про 46 мільярдів світлових років від центру Всесвіту.

Епоха структури (ієрархічна епоха)

У наступні кілька мільярдів років щільніші регіони майже рівномірно розподіленої у Всесвіті матерії почали притягуватися один до одного. Внаслідок цього вони стали ще щільнішими, почали утворювати хмари газу, зірки, галактики та інші астрономічні структури, за якими ми можемо спостерігати нині. Цей період зветься ієрархічної епохи. У цей час той Всесвіт, який ми бачимо зараз, почав набувати своєї форми. Матерія почала об'єднуватися в структури різних розмірів — зірки, планети, галактики, галактичні скупчення, а також галактичні надскоплення, розділені міжгалактичними перемичками, що містять лише кілька галактик.

Деталі цього процесу можуть бути описані згідно з уявленням про кількість і тип матерії, розподіленої у Всесвіті, яка представлена ​​у вигляді холодної, теплої, гарячої темної матерії та баріонної речовини. Однак сучасною стандартною космологічною моделлю Великого вибуху є модель Лямбда-CDM, згідно з якою частинки темної матерії рухаються повільніше за швидкість світла. Обрано її було тому, що вирішує всі протиріччя, які виникали в інших космологічних моделях.

Відповідно до цієї моделі на холодну темну матерію припадає близько 23 відсотків усієї матерії/енергії у Всесвіті. Частка баріонної речовини становить близько 4,6 відсотка. Лямбда-CDM посилається на так звану постійну космологічну: теорію, запропоновану Альбертом Ейнштейном, яка характеризує властивості вакууму і показує співвідношення балансу між масою і енергією як постійну статичну величину. У цьому випадку вона пов'язана з темною енергією, яка служить акселератором розширення Всесвіту і підтримує гігантські космологічні структури значною мірою однорідними.

Довгострокові прогнози щодо майбутнього Всесвіту

Гіпотези щодо того, що еволюція Всесвіту має відправну точку, природним способом підводять учених до питань про можливу кінцеву точку цього процесу. Якщо Всесвіт почав свою історію з маленької точки з нескінченною щільністю, яка раптом почала розширюватися, чи не означає це, що розширюватися вона теж буде нескінченно? Або одного разу в неї закінчиться експансивна сила і почнеться зворотний процес стиснення, кінцевим підсумком якого стане все та ж нескінченно щільна точка?

Відповіді на ці питання були основною метою космологів із самого початку суперечок про те, яка ж космологічна модель Всесвіту є вірною. З прийняттям теорії Великого вибуху, але здебільшого завдяки спостереженню за темною енергією в 1990-х роках, вчені дійшли згоди щодо двох найбільш ймовірних сценаріїв еволюції Всесвіту.

Згідно з першим, що отримав назву «великий стиск», Всесвіт досягне свого максимального розміру і почне руйнуватися. Такий варіант розвитку подій буде можливим, якщо тільки щільність маси Всесвіту стане більшою, ніж сама критична щільність. Іншими словами, якщо щільність матерії досягне певного значення або стане вищою від цього значення (1-3×10 -26 кг матерії на м³), Всесвіт почне стискатися.

Великий вибух — у такому вигляді

Альтернативою служить інший сценарій, який говорить, що якщо щільність у Всесвіті дорівнюватиме або нижче значення критичної щільності, то її розширення сповільниться, проте ніколи не зупиниться повністю. Згідно з цією гіпотезою, що отримала назву «теплова смерть Всесвіту», розширення продовжиться доти, доки зіркоутворення не перестануть споживати міжзоряний газ усередині кожної з навколишніх галактик. Тобто повністю припиниться передача енергії та матерії від одного об'єкта до іншого. Всі існуючі зірки в цьому випадку вигорять і перетворяться на білих карликів, нейтронні зірки та чорні дірки.

Поступово чорні діри стикатимуться з іншими чорними дірками, що привіт до утворення все більших і більших. Середня температура Всесвіту наблизиться до абсолютного нуля. Чорні дірки в результаті «випаруються», випустивши своє останнє випромінювання Хокінга. Зрештою термодинамічна ентропія у Всесвіті стане максимальною. Настане теплова смерть.

Сучасні спостереження, які враховують наявність темної енергії та її вплив на розширення космосу, наштовхнули вчених на висновок, згідно з яким згодом дедалі більше простору Всесвіту проходитиме за межами нашого горизонту подій і стане невидимим для нас. Кінцевий і логічний результат цього вченим поки що не відомий, проте «теплова смерть» цілком може стати кінцевою точкою подібних подій.

Є й інші гіпотези щодо розподілу темної енергії, а точніше її можливих видів (наприклад фантомної енергії). Відповідно до них галактичні скупчення, зірки, планети, атоми, ядра атомів і матерія сама по собі будуть розірвані на частини в результаті її нескінченного розширення. Такий сценарій еволюції зветься «великого розриву». Причиною загибелі Всесвіту за цим сценарієм є саме розширення.

Історія теорії Великого вибуху

Найбільш рання згадка Великого вибуху відноситься до початку 20-го століття і пов'язана зі спостереженнями за космосом. У 1912 році американський астроном Весто Слайфер провів серію спостережень за спіральними галактиками (які спочатку представлялися туманностями) та виміряв їх доплерівське червоне усунення. Майже завжди спостереження показали, що спіральні галактики віддаляються від нашого Чумацького Шляху.

У 1922 році видатний російський математик і космолог Олександр Фрідман вивів із рівнянь Ейнштейна для загальної теорії відносності так звані рівняння Фрідмана. Незважаючи на просування Ейнштейном теорії на користь наявності космологічної постійної, робота Фрідмана показала, що Всесвіт швидше перебуває в стані розширення.

У 1924 році виміри Едвіна Хаббла дистанції до найближчої спіральної туманності показали, що ці системи насправді є дійсно іншими галактиками. У той же час Хаббл розпочав розробку низки показників для відрахування відстані, використовуючи 2,5-метровий телескоп Хукера в обсерваторії Маунт Вілсон. До 1929 Хаббл виявив взаємозв'язок між відстанню і швидкістю видалення галактик, що згодом стало законом Хаббла.

У 1927 році бельгійський математик, фізик і католицький священик Жорж Леметр незалежно прийшов до тих же результатів, які показували рівняння Фрідмана, і першим сформулював залежність між відстанню та швидкістю галактик, запропонувавши першу оцінку коефіцієнта цієї залежності. Леметр вважав, що в якийсь період часу в минулому вся маса Всесвіту була зосереджена в одній точці (атомі).

Ці відкриття та припущення викликали багато суперечок між фізиками у 20-х та 30-х роках, більшість з яких вважала, що Всесвіт перебуває у стаціонарному стані. Відповідно до усталеної тоді моделі, нова матерія створюється поруч із нескінченним розширенням Всесвіту, рівномірно і рівнозначно по щільності розподіляючись по всій її протяжності. Серед вчених, які її підтримували, ідея Великого вибуху здавалася більш теологічною, ніж науковою. На адресу Леметра звучала критика про упередженість на основі релігійних упереджень.

Слід зазначити, що у той час існували й інші теорії. Наприклад, модель Всесвіту Мілна та циклічна модель. Обидві ґрунтувалися на постулатах загальної теорії відносності Ейнштейна та згодом отримали підтримку самого вченого. Згідно з цими моделями Всесвіт існує в нескінченному потоці циклів розширень і колапсів, що повторюються.

Після Другої світової війни між прихильниками стаціонарної моделі Всесвіту (яка фактично була описана астрономом і фізиком Фредом Хойлом) і прихильниками теорії Великого вибуху, що швидко набирала популярності серед наукової спільноти, розгорілися жаркі дебати. За іронією долі, саме Хойл вивів фразу «», що згодом стала назвою нової теорії. Сталося це у березні 1949 року на британському радіо BBC.

Зрештою подальші наукові дослідження та спостереження дедалі більше говорили на користь теорії Великого вибуху і дедалі частіше ставили під сумнів модель стаціонарного Всесвіту. Виявлення та підтвердження реліктового випромінювання у 1965 році остаточно зміцнили Великий вибух як найкращу теорію походження та еволюції Всесвіту. З кінця 60-х років і аж до 1990-х астрономи та космологи провели ще більше досліджень питання Великого вибуху і знайшли рішення для багатьох теоретичних проблем, що стоять на шляху цієї теорії.

Серед цих рішень, наприклад, робота Стівена Хокінга та інших фізиків, які довели, що сингулярність була незаперечним початковим станом загальної відносності та космологічної моделі Великого вибуху. У 1981 році фізик Алан Гут вивів теорію, що описує період швидкого космічного розширення (епохи інфляції), яка вирішила безліч раніше невирішених теоретичних питань та проблем.

У 1990-х спостерігався підвищений інтерес до темної енергії, яку розглядали як ключ до вирішення багатьох невирішених питань космології. Окрім бажання знайти відповідь на питання про те, чому Всесвіт втрачає свою масу поряд з темною матір'ю (гіпотеза була запропонована ще в 1932 році Яном Оортом), також було необхідно знайти пояснення тому, чому Всесвіт, як і раніше, прискорюється.

Подальший прогрес вивчення зобов'язаний створенню більш розвинених телескопів, супутників і комп'ютерних моделей, які дозволили астрономам і космологам заглянути далі у Всесвіті і краще зрозуміти її справжній вік. Розвиток космічних телескопів і поява таких, як, наприклад, Cosmic Background Explorer (або COBE), космічний телескоп Хаббла, Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) та космічна обсерваторія Планка, також внесло безцінний внесок у дослідження питання.

Сьогодні космологи можуть з досить високою точністю проводити вимірювання різних параметрів і характеристик моделі теорії Великого вибуху, не кажучи вже про більш точні обчислення віку навколишнього космосу. Адже все почалося зі звичайного спостереження за масивними космічними об'єктами, розташованими в багатьох світлових роках від нас і тих, що повільно продовжують віддалятися. І незважаючи на те, що ми поняття не маємо, чим це все закінчиться, щоб з'ясувати це, за космологічними мірками на це потрібно не так багато часу.