Возникновение вселенной большой взрыв. Ранний этап эволюции Вселенной. Современные представления о теории Большого взрыва: как это произошло

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

Что не так с теорией Большого взрыва

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

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

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

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

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

Вселенная как мираж чёрной дыры

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

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

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

Большая заморозка

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

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

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

Вселенная без начала и конца

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

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

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

Бесконечная хаотическая инфляция

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

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

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

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

Циклическая теория

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

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

Вселенная
как компьютер

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

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

Косвенным доказательством виртуальной природы Вселенной называют принцип неопределённости в квантовой механике

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

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

Величие и многообразие окружающего мира способно поразить любое воображение. Все объекты и предметы, окружающие человека, другие люди, различные виды растений и животных, частицы, которые можно увидеть только с помощью микроскопа, а также непостижимые звездные скопления: все они объединены понятием «Вселенная».

Теории возникновения Вселенной разрабатывались человеком издавна. Несмотря на отсутствие даже начального понятия о религии или науке, в пытливых умах древних людей возникали вопросы о принципах мироустройства и о том, каково положение человека в том пространстве, которое его окружает. Сколько существует теорий возникновения Вселенной сегодня, сложно и сосчитать, некоторые из них изучаются передовыми учеными с мировыми именами, другие - откровенно фантастические.

Космология и ее предмет

Современная космология - наука о структуре и развитии Вселенной - рассматривает вопрос о ее происхождении как одну из интереснейших и до сих пор недостаточно изученных загадок. Природа процессов, способствовавших возникновению звезд, галактик, солнечных систем и планет, их развитие, источник появления Вселенной, а также ее размеры и границы: все это лишь краткий перечень изучаемых современными учеными вопросов.

Поиски ответов на основополагающую загадку об образовании мира привели к тому, что сегодня существуют различные теории возникновения, существования, развития Вселенной. Волнение специалистов, ищущих ответы, строящих и проверяющих гипотезы, оправдано, ведь достоверная теория рождения Вселенной раскроет для всего человечества вероятность существования жизни в других системах и планетах.

Теории возникновения Вселенной имеют характер научных концепций, отдельных гипотез, религиозных учений, философских представлений и мифов. Их все условно разделяют на две основные категории:

Теории, в соответствии с которыми Вселенная создана творцом. Иначе говоря, их суть в том, что процесс создания Вселенной был осознанным и одухотворенным действием, проявлением воли
Теории возникновения Вселенной, построенные на основе научных факторов. Их постулаты категорически отвергают как существование творца, так и возможность осознанного создания мира. Такие гипотезы зачастую основаны на том, что называется принципом заурядности. Они предполагают вероятность наличия жизни не только на нашей планете, но и на других.

Креационизм - теория создания мира Творцом

Как следует из названия, креационизм (творение) - это религиозная теория возникновения Вселенной. Это мировоззрение основано на концепции создания Вселенной, планеты и человека Богом или Творцом.

Идея длительное время являлась доминирующей, вплоть до конца XIX века, когда ускорился процесс накопления знаний в самых разных сферах науки (биология, астрономия, физика), а также широко распространилась эволюционная теория. Креационизм стал своеобразной реакцией христиан, придерживающихся консервативных взглядов на совершающиеся открытия. Доминирующая в то время идея только усилила противоречия, существующие между религиозной и другими теориями.

Чем отличаются научные и религиозные теории

Главные отличия между теориями различных категорий заключаются прежде всего в терминах, которые используют их приверженцы. Так, в научных гипотезах вместо творца - природа, а взамен сотворения - происхождение. Наряду с этим существуют вопросы, которые сходным образом освещены разными теориями или даже полностью продублированы.

Теории возникновения Вселенной, относящиеся к противоположным категориям, по-разному датируют само ее появление. Например, по данным самой распространенной гипотезы (теории большого взрыва), Вселенная образовалась около 13 млрд лет назад.

В противовес этому, религиозная теория возникновения Вселенной приводит совершенно другие цифры:

В соответствии с христианскими источниками, возраст Вселенной, созданной Богом, на момент рождения Иисуса Христа составлял 3483-6984 лет.
Индуизм предполагает, что нашему миру ориентировочно 155 трлн лет.

Кант и его космологическая модель

Вплоть до XX века большинство ученых придерживались мнения о бесконечности Вселенной. Этим качеством они характеризовали время и пространство. Кроме того, по их мнению, Вселенная обладала статичностью и однородностью.

Идею о безграничности Вселенной в пространстве выдвинул Исаак Ньютон. Развитием этого предположения занимался который разработал теорию об отсутствии также и временных границ. Продвинувшись дальше, в теоретических предположениях, Кант распространил бесконечность Вселенной на число возможных биологических продуктов. Этот постулат значил, что в условиях древнего и огромного мира без конца и начала может существовать неисчислимое количество возможных вариантов, в результате которых реально появление любого биологического вида.

На основании о возможном возникновении жизненных форм была позднее разработана теория Дарвина. Наблюдения за звездным небом и результаты расчетов астрономов подтвердили космологическую модель Канта.

Размышления Эйнштейна

В начале XX века Альбертом Эйнштейном была опубликована собственная модель Вселенной. Согласно его теории относительности, во Вселенной одновременно происходят два противоположных процесса: расширение и сжимание. Однако он соглашался с мнением большинства ученых о стационарности Вселенной, поэтому им было введено понятие космической силы отталкивания. Ее воздействие призвано уравновешивать притяжение звезд и прекращать процесс движения всех небесных тел для сохранения статичности Вселенной.

Модель Вселенной - по Эйнштейну - имеет определенный размер, но границы при этом отсутствуют. Такое сочетание осуществимо только при искривлении пространства таким образом, как это происходит в сфере.

Характеристиками пространства такой модели становятся:

Трехмерность.
Замыкание самого себя.
Однородность (отсутствие центра и края), в которой равномерно располагаются галактики.

А. А. Фридман: Вселенная расширяется

Создатель революционной расширяющейся модели Вселенной, А. А. Фридман (СССР) построил свою теорию на основании уравнений, характеризующих общую теорию относительности. Правда, общепринятым мнением в научном мире того времени была статичность нашего мира, поэтому на его работы не было обращено должного внимания.

Через несколько лет астрономом Эдвином Хабблом было сделано открытие, давшее подтверждение идеям Фридмана. Было обнаружено удаление галактик от находящегося рядом Млечного пути. Вместе с тем неопровержимым стал факт сохранения пропорциональности скорости их движения расстоянию между ними и нашей галактикой.

Это открытие объясняет постоянное «разбегание» звезд и галактик по отношению друг к другу, что приводит к выводу о расширении мироздания.

В конечном счете выводы Фридмана были признаны Эйнштейном, впоследствии он упоминал о заслугах советского ученого как основателя гипотезы о расширении Вселенной.

Нельзя сказать, что существуют противоречия между этой теорией и общей теорией относительности, однако при расширении Вселенной должен был быть изначальный импульс, спровоцировавший разбегание звезд. По аналогии со взрывом, идея получила название «Большой взрыв».

Стивен Хокинг и антропический принцип

Результатом расчетов и открытий Стивена Хокинга стала антропоцентричная теория возникновения Вселенной. Ее создатель утверждает, что существование планеты, настолько хорошо подготовленной для жизни человека, не может быть случайным.

Теория возникновения Вселенной Стивена Хокинга предусматривает также постепенное испарение черных дыр, потерю ими энергии и испускание излучения Хокинга.

В результате поиска доказательств были выделены и проверены более 40 характеристик, соблюдение которых необходимо для развития цивилизации. Американским астрофизиком Хью Россом была произведена оценка вероятности подобного ненамеренного совпадения. Результатом оказалась цифра 10 -53 .

Наша Вселенная включает триллион галактик, по 100 миллиардов звезд в каждой. По произведенным учеными расчетам, общее количество планет должно составлять 10 20 . Эта цифра на 33 порядка меньше рассчитанной ранее. Следовательно, ни одна из планет во всех галактиках не может сочетать условия, которые подошли бы для самопроизвольного возникновения жизни.

Теория большого взрыва: возникновение Вселенной из ничтожно малой частицы

Ученые, поддерживающие теорию большого взрыва, разделяют гипотезу, в соответствии с которой мироздание является последствием грандиозного взрыва. Главным постулатом теории становится утверждение о том, что до этого события все элементы нынешней Вселенной были заключены в частице, имевшей микроскопические размеры. Находясь внутри нее, элементы характеризовались сингулярным состоянием, при котором такие показатели, как температура, плотность и давление не могут быть измерены. Они бесконечны. На материю и энергию в этом состоянии не воздействуют законы физики.

Происшедшего 15 миллиардов лет назад, называют возникшую внутри частицы нестабильность. Разлетевшиеся мельчайшие элементы положили начало тому миру, который мы знаем сегодня.

Вначале Вселенная была туманностью, образованной мельчайшими частицами (мельче атома). Затем, соединяясь, они сформировали атомы, которые послужили основой звездных галактик. Ответ на вопросы о том, что было до взрыва, а также, что стало его причиной, являются важнейшими из задач этой теории возникновения Вселенной.

Таблица схематически изображает этапы формирования мироздания после большого взрыва.

Состояние Вселенной	Временная ось	Предполагаемая температура
Расширение (инфляция)	От 10 -45 до10 -37 секунд	Больше 10 26 К
Появляются кварки и электроны	10 -6 с	Больше 10 13 К
Образованы протоны и нейтроны	10 -5 с	10 12 К
Возникают ядра гелия, дейтерия и лития	От 10 -4 с до 3 мин	От 10 11 до 10 9 К
Образованы атомы	400 тыс. лет	4000 К
Газовое облако продолжает расширяться	15 млн лет	300 К
Зарождаются первые звезды и галактики	1 млрд лет	20 К
Взрывы звезд провоцируют формирование тяжелых ядер	3 млрд лет	10 К
Прекращается процесс рождения звезд	10-15 млрд лет	3 К
Энергия всех звезд истощается	10 14 лет	10 -2 К
Черные дыры истощаются и рождаются элементарные частицы	10 40 лет	-20 К
Завершается испарение всех черных дыр	10 100 лет	От 10 -60 до 10 -40 К

Как следует из приведенных выше данных, Вселенная продолжает расширяться и охлаждаться.

Постоянное увеличение расстояния между галактиками - основной постулат: то, чем отличается теория большого взрыва. Возникновение Вселенной таким способом может быть подтверждено найденными доказательствами. Также существуют и основания для ее опровержения.

Проблематика теории

Учитывая то, что теория большого взрыва не является доказанной на практике, не вызывает удивления то, что существует несколько вопросов, на которые она не в состоянии дать ответ:

Сингулярность. Этим словом обозначено состояние Вселенной, сжатой до одной точки. Проблемой теории большого взрыва становится невозможность описания процессов, происходящих в материи и пространстве в таком состоянии. Общий закон относительности здесь неприменим, поэтому составить математическое описание и уравнения для моделирования нельзя.
Принципиальная невозможность получения ответа на вопрос об изначальном состоянии Вселенной дискредитирует теорию с самого начала. Ее научно-популярные изложения предпочитают замалчивать или упоминать лишь вскользь эту сложность. Однако для ученых, работающих над тем, чтобы подвести математическую базу под теорию большого взрыва, такое затруднение признано главным препятствием.
Астрономия. В этой сфере теория большого взрыва сталкивается с тем, что не может описать процесс происхождения галактик. Исходя из современных версий теорий, возможно предсказать то, как появляется однородное облако газа. При этом его плотность к нынешнему времени должна составлять около одного атома на кубический метр. Для получения чего-то большего не обойтись без корректировки исходного состояния Вселенной. Недостаток информации и практического опыта в этой сфере становятся серьезными препятствиями на пути дальнейшего моделирования.

Также существует несоответствие в показателях расчетной массы нашей галактики и теми данными, которые получены при изучении скорости ее притяжения к Судя по всему, вес нашей галактики в десять раз больше, чем предполагали ранее.

Космология и квантовая физика

Сегодня нет космологических теорий, которые не опирались бы на квантовую механику. Ведь она занимается описанием поведения атомных и Отличие квантовой физики от классической (излагаемой Ньютоном) в том, что вторая наблюдает и описывает материальные объекты, а первая предполагает исключительно математическое описание самого наблюдения и измерения. Для квантовой физики материальные ценности не представляют предмета исследований, здесь сам наблюдатель выступает частью исследуемой ситуации.

Исходя из этих особенностей, квантовая механика испытывает затруднения с описанием Вселенной, ведь наблюдатель - это часть Вселенной. Однако, говоря о возникновении мироздания, невозможно представить посторонних наблюдателей. Попытки разработать модель без участия постороннего наблюдателя были увенчаны квантовой теорией возникновения Вселенной Дж. Уилера.

Ее суть в том, что в каждый момент времени происходит расщепление Вселенной и образование бесконечного количества копий. В итоге каждая из параллельных Вселенных может быть наблюдаема, а наблюдатели могут видеть все квантовые альтернативы. При этом изначальный и новые миры реальны.

Инфляционная модель

Основной задачей, которую призвана решить теория инфляции, становится поиск ответа на вопросы, оставшиеся неосвещенными теорией большого взрыва и теорией расширения. А именно:

По какой причине Вселенная расширяется?
Что представляет собой большой взрыв?

С этой целью инфляционная теория возникновения Вселенной предусматривает экстраполяцию расширения на нулевой момент времени, заключение всей массы Вселенной в одной точке и образование космологической сингулярности, которая часто именуется большим взрывом.

Очевидной становится неактуальность общей теории относительности, которая не может быть применена в этот момент. В результате для разработки более общей теории (или «новой физики») и решения проблемы космологической сингулярности можно применить только теоретические методы, вычисления и выводы.

Новые альтернативные теории

Несмотря на успешность модели космической инфляции, есть ученые, которые выступают против, называя ее несостоятельной. Их основным аргументом становится критика предлагаемых теорией решений. Противники утверждают, что полученные решения оставляют некоторые детали упущенными, иначе говоря, вместо решения проблемы начальных значений, теория лишь искусно их драпирует.

Альтернативой становятся несколько экзотических теорий, идея которых основана на формировании начальных значений до большого взрыва. Новые теории возникновения Вселенной кратко можно описать следующим образом:

Теория струн. Ее приверженцы предлагают, кроме привычных четырех измерений пространства и времени, ввести дополнительные измерения. Они могли бы играть роль на ранних этапах Вселенной, а в данный момент находиться в компактифицированном состоянии. Отвечая на вопрос о причине их компактификации, ученые предлагают ответ, гласящий, что свойством суперструн является Т-дуальность. Поэтому струны «наматываются» на дополнительные измерения и их размер ограничивается.
Теория бран. Ее также называют М-теорией. В соответствии с ее постулатами, в начале процесса образования Вселенной существует холодное статичное пятимерное пространство-время. Четыре из них (пространственные) имеют ограничения, или стены - три-браны. Наше пространство выступает одной из стен, а вторая является скрытой. Третья три-брана размещена в четырехмерном пространстве, ее ограничивают две граничные браны. Теория рассматривает столкновение третьей браны с нашей и высвобождение большого количества энергии. Именно эти условия становятся благоприятными для появления большого взрыва.

Циклические теории отрицают уникальность большого взрыва, утверждая, что Вселенная переходит из одного состояния в другое. Проблемой подобных теорий становится возрастание энтропии, согласно второму закону термодинамики. Следовательно, длительность предыдущих циклов была меньшей, а температура вещества - существенно выше, чем при большом взрыве. Вероятность этого чрезвычайно мала.

Независимо от того, сколько существует теорий возникновения Вселенной, только две из них выдержали проверку временем и преодолели проблему всевозрастающей энтропии. Они были разработаны учеными Стейнхардтом-Тюроком и Баум-Фрэмптоном.

Эти относительно новые теории возникновения Вселенной выдвинуты в 80-х годах прошлого века. Они имеют немало последователей, которые разрабатывают модели на ее основе, занимаются поиском доказательств достоверности и работают над устранением противоречий.

Теория струн

Одна из наиболее популярных среди теории возникновения Вселенной - Прежде чем перейти к описанию ее идеи, необходимо разобраться с понятиями одного из ближайших конкурентов, стандартной модели. Она предполагает, что материю и взаимодействия можно описать как определенный набор частиц, делящихся на несколько групп:

Кварки.
Лептоны.
Бозоны.

Эти частицы являются, по сути, кирпичиками мироздания, так как они настолько малы, что их нельзя разделить на составляющие.

Отличительной чертой теории струн становится утверждение о том, что такие кирпичики являются не частицами, а ультрамикроскопическими струнами, совершающими колебания. При этом, колебаясь на различной частоте, струны становятся аналогами различных частиц, описанных в стандартной модели.

Для понимания теории следует осознать, что струны не являются никакой материей, это энергия. Следовательно, теория струн заключает, что все элементы Вселенной состоят из энергии.

Хорошей аналогией может служить огонь. При взгляде на него создается впечатление его материальности, однако его нельзя осязать.

Космология для школьников

Теории возникновения Вселенной коротко изучают в школах на уроках астрономии. Учащимся описывают основные теории о том, как был образован наш мир, что происходит с ним теперь и как он будет развиваться в дальнейшем.

Целью уроков становится ознакомление детей с природой формирования элементарных частиц, химических элементов и небесных тел. Теории возникновения Вселенной для детей сводят к изложению теории большого взрыва. Преподаватели используют наглядный материал: слайды, таблицы, постеры, иллюстрации. Их основной задачей становится пробуждение у детей интереса к миру, который их окружает.

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.

Анонсы новостей

Загадки Большого взрыва

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

А может ли Большой взрыв повториться?

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Эпоха сингулярности

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

«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.

Понравилась статья? Поделитесь ей

Распечатать статью