Теория большого взрыва появление вселенной. Конкурент теории Большого Взрыва. Что было триллион лет назад. Хронология событий в теории Большого Взрыва

После загадочной космологической сингулярности следует не менее таинственная планковская эра (0 -10 -43 с). Трудно сказать какие процессы происходили в этот краткий миг новорождённой Вселенной. Но точно известно, что к концу планковского момента гравитационное воздействие отделилось от трёх фундаментальных сил, соединенных в единую группу Великого объединения.

Для того, чтобы описать более ранний момент, необходима новая теория, частью которой может стать модель петлевой квантовой гравитации и теория струн. Получается, что планковская эра, как и космологическая сингулярность, составляет сверхмалый по длительности, но значительный по научному весу пробел в доступных знаниях ранней Вселенной. Так же в пределах планковского времени существовали своеобразные флуктации пространства и времени. Для описания этого квантового хаоса можно использовать образ пенящихся квантовых ячеек пространства-времени.

По сравнению с планковской эрой дальнейшие события предстают перед нами в ярком и понятном свете. В период с 10 -43 с до 10 -35 с в молодой Вселенной уже действовали силы гравитации и Великого объединения. В этот период сильное, слабое и электромагнитное воздействия были единым целым и составляли силовое поле Великого объединения.

Когда с момента Большого взрыва прошло 10 -35 с, Вселенная достигла температуры 10 29 К. В этот момент сильное взаимодействие отделилось от электрослабого. Это привело к нарушению симметрии, которое происходило по-разному в разных частях Вселенной. Есть вероятность, что Вселенная разделилась на части, которые были отгорожены друг от друга дефектами пространства-времени. Так же там могли существовать и другие дефекты - космические струны или магнитные монополи. Однако, сегодня мы не можем этого видеть из-за другого разделения силы Великого объединения - космологической инфляции.

В то время Вселенная была заполнена газом из гравитонов - гипотетических квантов поля тяготения и бозонов силы Большого объединения. В это же время почти не существовала разница между лептонами и кварками.

Когда в некоторых частях Вселенной произошло разделение сил, возник ложный вакуум. Энергия застряла на высоком уровне, вынуждая пространство удваиваться каждые 10 -34 с. Таким образом, Вселенная от квантовых масштабов(одна миллиардная триллионной триллионной доли сантиметра) перешла к размерам шара с диаметром около 10 см. В результате эпохи Великого объединения произошёл фазовый переход первичной материи, который сопровождался нарушением однородности её плотности. Эпоха Великого объединения закончилась приблизительно в 10 ?34 секунд с момента Большого Взрыва, когда плотность материи составляла 10 74 г/смі, а температура 10 27 K. В этот момент времени от первичного взаимодействия отделяется сильное ядерное взаимодействие, которое начинает играть важную роль в создавшихся условиях. Это отделение привело к следующему фазовому переходу и масштабному расширению Вселенной, которое привело к изменению плотности вещества и распределению его по Вселенной.

Одна из причин, почему мы так мало знаем о состоянии Вселенной до инфляции, заключается в том, что дальнейшие события очень сильно её изменили, разбросав частицы до инфляционного возраста по самым дальним уголкам Вселенной. Поэтому, даже если эти частицы и сохранились, обнаружить их в современном веществе достаточно сложно.

С быстрым развитием Вселенной происходят большие изменения, и в след за периодом Великого объединения идёт эпоха инфляции (10 -35 - 10 -32). Для этой эпохи характерно сверхбыстрое расширения молодой Вселенной, то есть инфляция. В этот краткий миг Мироздание представляло собой океан ложного вакуума с высокой плотностью энергии, благодаря чему и стало возможно расширение. При этом параметры вакуума постоянно менялись из-за квантовых всплесков - флуктации (пространство-временное вспенивание).

Инфляция объясняет природу взрыва при Большом взрыве, то есть почему происходило стремительное расширение Вселенной. Основой для описания этого явления послужили общая теория относительности Эйнштейна и квантовая теория поля. Для того, что описать это явление, физики построили гипотетическое инфлаторное поле, которое заполняло всё пространство. Благодаря случайным колебаниям оно принимало разные значения в произвольных пространственных областях и в разные моменты времени. Затем в инфлаторном поле образовалась однородная конфигурация критического размера, после чего пространственная область, занятая флуктацией, начала быстро увеличиваться в размерах. Из-за стремления инфлаторного поля занять положение, в котором его энергия минимальна, процесс расширения обрёл нарастающий характер, в результате которого Вселенная начала увеличиваться в размерах. В момент расширения(10 -34) начал распадаться ложный вакуум, в результате чего начинают образоваться частицы и античастицы больших энергий.

В истории Вселенной наступает адронная эра, важной особенностью которой является существования частиц и античастиц. Согласно современным представлениям в первые микросекунды после Большого взрыва, Вселенная находилась в состоянии кварк-глюонной плазмы. Кварки являются составными частями всех адронов (протонов и нейтронов), а нейтральные частицы глюоны-переносчики сильного взаимодействия, которые обеспечивают слипание кварков в адроны. В первые моменты Вселенной эти частицы только образовывались и находились в свободном, газообразном, состоянии.

Хромоплазму кварков и глюонов обычно сравнивают с жидким состоянием взаимодействующей материи. В такой фазе кварки и глюоны освобождаются от адронной материи и могут свободно перемещаться по всему плазменному пространству, в результате чего образуется цветопроводность.

Не смотря на экстремально высокие температуры, кварки были достаточно связаны между собой, а их движение напоминало скорее движение атомов в жидкости, чем в газе. Так же при таких условиях происходит ещё один фазовый переход, при котором лёгкие кварки, составляющие вещество, становятся безмассовыми.

Наблюдения реликтового фона показали, что первоначальное изобилие частиц по сравнению с количеством античастиц составляло ничтожно малую долю от общего числа. И именно этих избыточных протонов хватило для создания вещества Вселенной.

Некоторые учёные полагают, что в адронной эре существовали и скрытие вещества. Носитель скрытой массы неизвестен, но наиболее вероятными считаются такие элементарные частицы как аксионы.

В процессе развития взрыва температура падала и через одну десятую секунды достигала 3*10 10 градусов Цельсия. Через одну секунду - десять тысяч миллионов градусов, а через тринадцать секунд- три тысячи миллионов. Этого было уже достаточно для того, чтобы электроны и позитроны начали аннагилировать быстрее. Энергия, выделяющаяся при аннагиляции, постепенно замедляла скорость охлаждения Вселенной, но температура продолжала падать.

Период с 10-4 - 10 с принято называть эрой лептонов. Когда энергия частиц и фотонов понизилась в сотню раз, вещество заполнили лептоны-электроны и позитроны. Лептонная эра начинается с распада последних адронов в мюоны и мюонное нейтрино, а кончается через несколько секунд, когда энергия фотонов резко уменьшилась и генерация электрон-позитронных пар прекратилась.

Примерно через одну сотую секунды после Большого взрыва температура Вселенной была равна 10 11 градусов Цельсия. Это намного горячее, чем в центре любой известной нам звезды. Эта температура так высока, что ни один из компонентов обычного вещества, атомы и молекулы, не могли существовать. Вместо этого молодая Вселенная состояла из элементарных частиц. Одними из этих частиц были электроны, - отрицательно заряженные частицы, которые образую внешние части всех атомов. Другими частицами были позитроны,- положительно заряженные частицы с массой, в точности равной массе электрона. Помимо этого существовало нейтрино различных типов- призрачных частиц, не имеющих ни массы, ни электрического заряда. Но нейтрино и антинейтрино не аннигилировали друг с другом, потому что эти частицы очень слабо взаимодействуют между собой и другими частицами. Поэтому они до сих пор должны встречаться вокруг нас, и они могло бы стать хорошим способ проверки модели горячей ранней Вселенной. Однако энергии этих частиц сейчас слишком малы для их наблюдения.

Во время эры лептонов имелись такие частицы как протоны и нейтроны. И наконец, во Вселенной был свет, который, согласно, квантовой теории, состоит из фотонов. В пропорциональном отношении, на один нейтрон и протон приходилось тысяча миллионов электронов. Все эти частицы непрерывно рождались из чистой энергии, а затем аннигилировали, образовывали другие виды частиц. Плотность в ранней Вселенной при столь высоких температурах была в четыре тысячи миллионов раз больше, чем у воды.

Как говорилось ранее, именно в этот период происходит интенсивное рождение в ядерных реакциях различных типов призрачного нейтрино, которое называют реликтовым.

Начинается радиационная эра, в начале которой Вселенная вступает в эпоху излучения. В начала эры (10 с) излучение интенсивно взаимодействовало с заряженными частицами протонов и электронов. Из-за падения температуры фотоны охлаждались, и в результате многочисленных рассеяний на удаляющихся частицах уносилась часть их энергии.

Примерно через сто секунд после Большого взрыва температура падает до тысячи миллионов градусов, что соответствует температуре самых горячих звёзд. При таких условиях энергии протонов и нейтронов уже недостаточно для сопротивления сильному ядерному притяжению, и они начинают объединяться друг с друг с другом, образуя ядра дейтерия- тяжёлого водорода. Затем ядра дейтерия присоединяют другие нейтроны и протоны и превращаются в ядра гелия. После образуются более тяжёлые элементы - литий и бериллий. Первичное образование атомных ядер рождающегося вещества продолжалось недолго. После трёх минут частицы разлетелись так далеко друг от друга, что столкновения стали редким явлением. Согласно горячей модели Большого взрыва, около четвёртой части протонов и нейтронов должно было превратиться в атомы гелия, водорода и других элементов. Оставшиеся элементарные частицы распались на протоны, представляющие ядра обычного водорода.

Через несколько часов после Большого взрыва образование гелия и других элементов прекратилось. В течение миллиона лет Вселенная просто продолжала расширяться и в ней почти больше ничего не происходило. Существующая в тот период материя начала расширяться и охлаждаться. Значительно позже, через сотни тысяч лет температура упала до нескольких тысяч градусов, и энергии электронов и ядер стало недостаточно для преодоления действующего между ними электромагнитного притяжения. Они начали сталкиваться между собой, образуя первые атомы водорода и гелия (рис 2).

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».

Ответ на вопрос «Что такое Большой Взрыв?» может быть получен в ходе долгой дискуссии, поскольку занимает не мало времени. Я же попытаюсь объяснить эту теорию вкратце и по существу. Итак, теория «Большого Взрыва» постулирует, что наша Вселенная внезапно возникла приблизительно 13,7 миллиардов лет назад (из ничего появилось все). И происшедшее тогда до сих пор влияет на то, как и каким образом все во Вселенной взаимодействует друг с другом. Рассмотрим ключевые моменты теории.

Что было до Большого Взрыва?

Теория Большого Взрыва включает очень интересное понятие — сингулярность. Держу пари, это заставляет вас задаться вопросом: что это такое - сингулярность? Астрономы, физики и другие ученые также задаются этим вопросом. Сингулярности, как полагают, есть в ядрах черных дыр. Черная дыра - это область интенсивного гравитационного давления. Это давление, в соответствии с теорией, настолько интенсивно, что вещество сжимается, пока у него не появляется бесконечная плотность. Эту бесконечную плотность и называют сингулярностью . Наша Вселенная, как предполагают, началась как одна из этих бесконечно маленьких, бесконечно горячих и бесконечно плотных сингулярностей. Однако мы еще не подошли к самому Большому Взрыву. Большой Взрыв - это момент, в котором эта сингулярность внезапно «взорвалась» и начала расширяться и создала нашу Вселенную.

Теория «Большого Взрыва» казалось бы подразумевает, что время и пространство существовали прежде, чем возникла наша Вселенная. Однако Стивен Хокинг, Джордж Эллис и Роджер Пенроз (и др.) развивали в конце 1960-х теорию, которая пыталась объяснить, что время и пространство не существовали до расширения сингулярности. Другими словами, ни время, ни пространство не существовали, пока не существовала Вселенная.

Что произошло после Большого Взрыва?

Момент Большого Взрыва — это момент начала времени. После Большого Взрыва, но задолго до первой секунды (10 -43 секунды), космос переживает сверхбыстрое инфляционное расширение, увеличившись в 1050 раз за долю секунды.

Затем расширение замедляется, но первая секунда еще не наступила (еще только 10 -32 секунды). В этот момент Вселенная представляет собой кипящий «бульон» (с температурой 10 27 °C) из электронов, кварков и других элементарных частиц.

Быстрое остывание космоса (до 10 13 °C) позволяет кваркам объединяться в протоны и нейтроны. Тем не менее первая секунда еще не наступила (еще только 10 -6 секунды).

На 3 минуте, слишком горячие для объединения в атомы, заряженные электроны и протоны препятствуют испусканию света. Вселенная представляет собой сверхгорячий туман (10 8 °C).

Через 300 000 лет Вселенная остывает до 10 000 °C, электроны с протонами и нейтронами образуют атомы, в основном водорода и гелия.

Спустя 1 млрд. лет после Большого Взрыва, когда температура Вселенной достигла -200 °C, водород и гелий формируют гигантские «облака», которые впоследствии станут галактиками. Появляются первые звезды.

Большой Взрыв. Так называется теория, вернее одна из теорий, возникновения или, если угодно, сотворения Вселенной. Название, пожалуй, слишком несерьезное для столь устрашающего и вызывающего благоговейный трепет события. В особенности устрашающего, если когда – нибудь вы задавали себе очень трудные вопросы о мироздании.

Например, если Вселенная - это все то, что есть, то каким образом это началось? И что было до этого? Если пространство не бесконечно, то что за пределами его? И в чем собственно должно помещаться это нечто? Как можно понять слово «бесконечно»?

Эти вещи трудны для понимания. Более того, когда об этом начинаешь задумываться, охватывает жуткое ощущение чего-то величественно – ужасного. Но вопросы о мироздании - это одни из самых главных вопросов, которые задает себе человечество на протяжение своей истории.

Материалы по теме:

Звезды и созвездия

Что послужило началом существования Вселенной?

Большинство ученых убеждено, что начало существованию Вселенной положено грандиозным большим взрывом вещества, который произошел около 15 миллиардов лет назад. Многие годы большинство ученых разделяло гипотезу о том, что начало Вселенной было положено грандиозным взрывом, который ученые шутливо окрестили «Большой Взрыв». По их мнению, вся материя и все пространство, которое сейчас представлено миллиардами и миллионами галактик и звезд, 15 миллиардов лет назад умещалось в мизерном пространстве размером не превышающем нескольких слов в этом предложении.

Как образовывалась Вселенная?

Ученые полагают, что 15 миллиардов лет назад этот маленький объем взорвался мельчайшими, меньшими чем атомы, частицами, положив начало существованию Вселенной. Первоначально она представляла собой туманность из мелких частиц. Позже при соединении этих частиц образовались атомы. Из атомов же сформировались звездные галактики . Со времени этого Большого Взрыва Вселенная продолжает расширяться, как раздуваемый воздушный шар.

Материалы по теме:

Интересные факты о звездах

Сомнения в теории Большого Взрыва

Но за последние несколько лет ученые, занимающиеся изучением структуры Вселенной, совершили несколько неожиданных открытий. Некоторые из них ставят под сомнение теорию Большого Взрыва. Что поделаешь, наш мир не всегда соответствует нашим удобным представлениям о нем.

Распределение вещества при взрыве

Одна проблема заключается в том способе, которым материя распределена по Вселенной. Когда взрывается какой-либо предмет, то его содержимое разлетается равномерно во всех направлениях. Другими словами, если материя в начале была спрессована в малом объеме, а затем взорвалась, то вещество должно было равномерно распределиться по пространству Вселенной.

Реальность, однако, сильно отличается от ожидаемых представлений. Мы живем в весьма неравномерно заполненной Вселенной. При взгляде в космос взору предстают отдельные удаленные друг от друга сгустки материи. Громадные галактики разбросаны там и сям по космическому пространству. Между

У теории Большого взрыва в нынешнем десятилетии появился сильный конкурент — циклическая теория.

Теория Большого взрыва пользуется доверием абсолютного большинства ученых, изучающих раннюю историю нашей Вселенной. Она и в самом деле объясняет очень многое и ни в чем не противоречит экспериментальным данным. Однако недавно у нее появился конкурент в лице новой, циклической теории, основы которой разработали двое физиков экстра-класса – директор Института теоретической науки Принстонского университета Пол Стейнхардт и лауреат Максвелловской медали и престижной международной премии TED Нил Тьюрок, директор канадского Института перспективных исследований в области теоретической физики (Perimeter Institute for Theoretical Physics). С помощью профессора Стейнхардта «Популярная механика» попыталась рассказать о циклической теории и о причинах ее появления.

Алексей Левин

Название этой статьи может показаться не слишком умной шуткой. Согласно общепринятой космологической концепции, теории Большого взрыва, наша Вселенная возникла из экстремального состояния физического вакуума, порожденного квантовой флуктуацией. В этом состоянии не существовало ни времени, ни пространства (или они были спутаны в пространственно-временную пену), а все фундаментальные физические взаимодействия были слиты воедино. Позже они разделились и обрели самостоятельное бытие — сначала гравитация, затем сильное взаимодействие, а уже потом — слабое и электромагнитное.

Момент, предшествовавший этим переменам, принято обозначать как нулевое время, t=0, однако это чистая условность, дань математическому формализму. Согласно стандартной теории, непрерывное течение времени началось лишь после того, как сила тяготения обрела независимость. Этому моменту обычно приписывают величину t=10 -43 с (точнее, 5,4х10 -44 с), которую называют планковским временем. Современные физические теории просто не в состоянии осмысленно работать с более короткими промежутками времени (считается, что для этого нужна квантовая теория гравитации, которая пока не создана). В контексте традиционной космологии нет смысла рассуждать о том, что происходило до начального момента времени, поскольку времени в нашем понимании тогда просто не существовало.

Теория Большого взрыва пользуется доверием абсолютного большинства ученых, изучающих раннюю историю нашей Вселенной. Она и в самом деле объясняет очень многое и ни в чем не противоречит экспериментальным данным. Однако недавно у нее появился конкурент в лице новой, циклической теории, основы которой разработали двое физиков экстра-класса — директор Института теоретической науки Принстонского университета Пол Стейнхардт и лауреат Максвелловской медали и престижной международной премии TED Нил Тьюрок, директор канадского Института перспективных исследований в области теоретической физики (Perimeter Institute for Theoretical Physics). С помощью профессора Стейнхардта «Популярная механика» попыталась рассказать о циклической теории и о причинах ее появления.

Инфляционная космология

Непременной частью стандартной космологической теории служит концепция инфляции (см. врезку). После окончания инфляции в свои права вступило тяготение, и Вселенная продолжила расширяться, но уже с уменьшающейся скоростью. Такая эволюция растянулась на 9 млрд лет, после чего в дело вступило еще одно антигравитационное поле еще неизвестной природы, которое именуют темной энергией. Оно опять вывело Вселенную в режим экспоненциального расширения, который вроде бы должен сохраниться и в будущие времена. Следует отметить, что эти выводы базируются на астрофизических открытиях, сделанных в конце прошлого века, почти через 20 лет после появления инфляционной космологии.

Впервые инфляционная интерпретация Большого взрыва была предложена около 30 лет назад и с тех пор многократно шлифовалась. Эта теория позволила разрешить несколько фундаментальных проблем, с которыми не справилась предшествующая космология. Например, она объяснила, почему мы живем во Вселенной с плоской евклидовой геометрией — в соответствии с классическими уравнениями Фридмана, именно такой она и должна сделаться при экспоненциальном расширении. Инфляционная теория объяснила, почему космическая материя обладает зернистостью в масштабах, не превышающих сотен миллионов световых лет, а на больших дистанциях распределена равномерно. Она также дала истолкование неудачи любых попыток обнаружить магнитные монополи, очень массивные частицы с одиночным магнитным полюсом, которые, как считается, в изобилии рождались перед началом инфляции (инфляция так растянула космическое пространство, что первоначально высокая плотность монополей сократилась почти до нуля, и поэтому наши приборы не могут их обнаружить).

Вскоре после появления инфляционной модели несколько теоретиков поняли, что ее внутренняя логика не противоречит идее перманентного множественного рождения все новых и новых вселенных. В самом деле, квантовые флуктуации, подобные тем, которым мы обязаны существованием нашего мира, могут возникать в любом количестве, если для этого имеются подходящие условия. Не исключено, что наше мироздание вышло из флуктуационной зоны, сформировавшейся в мире-предшественнике. Точно так же можно допустить, что когда-нибудь и где-нибудь в нашей собственной Вселенной образуется флуктуация, которая «выдует» юную вселенную совершенно другого рода, также способную к космологическому «деторождению». Существуют модели, в которых такие дочерние вселенные возникают непрерывно, отпочковываются от своих родительниц и находят свое собственное место. При этом вовсе не обязательно, что в таких мирах устанавливаются одни и те же физические законы. Все эти миры «вложены» в единый пространственно-временной континуум, но разнесены в нем настолько, что никак не ощущают присутствия друг друга. В общем, концепция инфляции позволяет- более того, вынуждает!- считать, что в исполинском мегакосмосе существует множество изолированных друг от друга вселенных с различным устройством.

Альтернатива

Физики-теоретики любят придумывать альтернативы даже самым общепринятым теориям. Появились конкуренты и у инфляционной модели Большого взрыва. Они не получили широкой поддержки, но имели и имеют своих последователей. Теория Стейнхардта и Тьюрока среди них не первая и наверняка не последняя. Однако на сегодняшний день она разработана детальней остальных и лучше объясняет наблюдаемые свойства нашего мира. Она имеет несколько версий, из которых одни базируются на теории квантовых струн и многомерных пространств, а другие полагаются на традиционную квантовую теорию поля. Первый подход дает более наглядные картинки космологических процессов, так что на нем и остановимся.

Самый продвинутый вариант теории струн известен как М-теория. Она утверждает, что физический мир имеет 11 измерений — десять пространственных и одно временное. В нем плавают пространства меньших размерностей, так называемые браны. Наша Вселенная — просто одна из таких бран, обладающая тремя пространственными измерениями. Ее заполняют различные квантовые частицы (электроны, кварки, фотоны и т. д.), которые на самом деле явлются разомкнутыми вибрирующими струнами с единственным пространственным измерением — длиной. Концы каждой струны намертво закреплены внутри трехмерной браны, и покинуть брану струна не может. Но есть и замкнутые струны, которые могут мигрировать за пределы бран — это гравитоны, кванты поля тяготения.

Как же циклическая теория объясняет прошлое и будущее мироздания? Начнем с нынешней эпохи. Первое место сейчас принадлежит темной энергии, которая заставляет нашу Вселенную расширяться по экспоненте, периодически удваивая размеры. В результате плотность материи и излучения постоянно падает, гравитационное искривление пространства слабеет, а его геометрия становится все более плоской. В течение следующего триллиона лет размеры Вселенной удвоятся около ста раз и она превратится в практически пустой мир, полностью лишенный материальных структур. Рядом с нами находится еще одна трехмерная брана, отделенная от нас на ничтожное расстояние в четвертом измерении, и она тоже претерпевает аналогичное экспоненциальное растяжение и уплощение. Все это время дистанция между бранами практически не меняется.

А потом эти параллельные браны начинают сближаться. Их толкает друг к другу силовое поле, энергия которого зависит от расстояния между бранами. Сейчас плотность энергии такого поля положительна, поэтому пространство обеих бран расширяется по экспоненте, — следовательно, именно это поле и обеспечивает эффект, который объясняют наличием темной энергии! Однако этот параметр постепенно уменьшается и через триллион лет упадет до нуля. Обе браны все равно продолжат расширяться, но уже не по экспоненте, а в очень медленном темпе. Следовательно, в нашем мире плотность частиц и излучения так и останется почти что нулевой, а геометрия — плоской.

Новый цикл

Но окончание старой истории — лишь прелюдия к очередному циклу. Браны перемещаются навстречу друг другу и в конце концов сталкиваются. На этой стадии плотность энергии межбранового поля опускается ниже нуля, и оно начинает действовать наподобие гравитации (напомню, что у тяготения потенциальная энергия отрицательна!). Когда браны оказываются совсем близко, межбрановое поле начинает усиливать квантовые флуктуации в каждой точке нашего мира и преобразует их в макроскопические деформации пространственной геометрии (например, за миллионную долю секунды до столкновения расчетный размер таких деформаций достигает нескольких метров). После столкновения именно в этих зонах выделяется львиная доля высвобождаемой при ударе кинетической энергии. В итоге именно там возникает больше всего горячей плазмы с температурой порядка 1023 градусов. Именно эти области становятся локальными узлами тяготения и превращаются в зародыши будущих галактик.

Такое столкновение заменяет Большой взрыв инфляционной космологии. Очень важно, что вся возникшая заново материя с положительной энергией появляется за счет накопленной отрицательной энергии межбранового поля, поэтому закон сохранения энергии не нарушается.

Инфляционная теория допускает образование множественных дочерних вселенных, которые непрерывно отпочковываются от существующих.

А как ведет себя такое поле в этот решающий момент? До столкновения плотность его энергии достигает минимума (причем отрицательного), затем начинает возрастать, а при столкновении становится нулевой. Затем браны отталкиваются друг от друга и начинают расходиться. Плотность межбрановой энергии проходит обратную эволюцию — опять делается отрицательной, нулевой, положительной. Обогащенная материей и излучением брана сначала расширяется с падающей скоростью под тормозящим воздействием собственного тяготения, а потом вновь переходит к экспоненциальному расширению. Новый цикл заканчивается подобно прежнему — и так до бесконечности. Циклы, предшествующие нашему, происходили и в прошлом — в этой модели время непрерывно, поэтому прошлое существует и за пределами 13,7 млрд лет, прошедших после последнего обогащения нашей браны материей и излучением! Было ли у них вообще какое-то начало, теория умалчивает.

Циклическая теория по‑новому объясняет свойства нашего мира. Он обладает плоской геометрией, поскольку к концу каждого цикла непомерно растягивается и лишь немного деформируется перед началом нового цикла. Квантовые флуктуации, которые становятся предшественниками галактик, возникают хаотически, но в среднем равномерно — поэтому космическое пространство заполнено сгустками материи, но на очень больших дистанциях вполне однородно. Мы не можем обнаружить магнитные монополи просто потому, что максимальная температура новорожденной плазмы не превышала 10 23 К, а для возникновения таких частиц потребны много большие энергии — порядка 10 27 К.

Момент Большого Взрыва — это столкновение бран. Выделяется огромное количество энергии, браны разлетаются, происходит замедляющееся расширение, вещество и излучение остывают, образуются галактики. Расширение вновь ускоряется за счет положительной плотности межбрановой энергии, а затем замедляется, геометрия становится плоской. Браны притягиваются друг к другу, перед столкновением квантовые флуктуации усиливаются и преобразуются в деформации пространственной геометрии, которые в будущем станут зародышами галактик. Происходит столкновение, и цикл начинается сначала.

Мир без начала и конца

Циклическая теория существует в нескольких версиях, как и теория инфляции. Однако, по словам Пола Стейнхардта, различия между ними чисто технические и интересны лишь специалистам, общая концепция же остается неизменной: «Во-первых, в нашей теории нет никакого момента начала мира, никакой сингулярности. Есть периодические фазы интенсивного рождения вещества и излучения, каждую из которых при желании можно называть Большим взрывом. Но любая из этих фаз знаменует не возникновение новой вселенной, а лишь переход от одного цикла к другому. И пространство, и время существуют и до, и после любого из этих катаклизмов. Поэтому вполне закономерно спросить, каким было положение дел за 10 млрд лет до последнего Большого взрыва, от которого отсчитывают историю мироздания.

Второе ключевое отличие — природа и роль темной энергии. Инфляционная космология не предсказывала перехода замедляющегося расширения Вселенной в ускоренное. А когда астрофизики открыли это явление, наблюдая за вспышками далеких сверхновых звезд, стандартная космология даже не знала, что с этим делать. Гипотезу темной энергии выдвинули просто для того, чтобы как-то привязать к теории парадоксальные результаты этих наблюдений. А наш подход гораздо лучше скреплен внутренней логикой, поскольку темная энергия у нас присутствует изначально и именно она обеспечивает чередование космологических циклов». Впрочем, как отмечает Пол Стейнхардт, есть у циклической теории и слабые места: «Нам пока не удалось убедительно описать процесс столкновения и отскока параллельных бран, имеющий место в начале каждого цикла. Прочие аспекты циклической теории разработаны куда лучше, а здесь предстоит устранить еще немало неясностей».

Проверка практикой

Но даже самые красивые теоретические модели нуждаются в опытной проверке. Можно ли подтвердить или опровергнуть циклическую космологию с помощью наблюдений? «Обе теории, и инфляционная, и циклическая, предсказывают существование реликтовых гравитационных волн, — объясняет Пол Стейнхардт. — В первом случае они возникают из первичных квантовых флуктуаций, которые в ходе инфляции размазываются по пространству и порождают периодические колебания его геометрии, — а это, согласно общей теории относительности, и есть волны тяготения. В нашем сценарии первопричиной таких волн также служат квантовые флуктуации — те самые, что усиливаются при столкновении бран. Вычисления показали, что каждый механизм порождает волны, обладающие специфическим спектром и специфической поляризацией. Эти волны обязаны были оставить отпечатки на космическом микроволновом излучении, которое служит бесценным источником сведений о раннем космосе. Пока такие следы обнаружить не удалось, но, скорее всего, это будет сделано в течение ближайшего десятилетия. Кроме того, физики уже думают о прямой регистрации реликтовых гравитационных волн с помощью космических аппаратов, которые появятся через два-три десятка лет».

Радикальная альтернатива

1980-х годах профессор Стейнхардт внес немалый вклад в разработку стандартной теории Большого Взрыва. Однако это ничуть не помешало ему искать радикальную альтернативу теории, в которую вложено столько труда. Как рассказал «Популярной механике» сам Пол Стейнхардт, гипотеза инфляции действительно раскрывает много космологических загадок, но это не означает, что нет смысла искать и другие объяснения: «Сначала мне было просто интересно попробовать разобраться в основных свойствах нашего мира, не прибегая к инфляции. Позднее, когда я углубился в эту проблематику, я убедился, что инфляционная теория совсем не так совершенна, как утверждают ее сторонники. Когда инфляционная космология только создавалась, мы надеялись, что она объяснит переход от первоначального хаотического состояния материи к нынешней упорядоченной Вселенной. Она это и сделала — но пошла много дальше. Внутренняя логика теории потребовала признать, что инфляция постоянно творит бесконечное число миров. В этом не было бы ничего страшного, если бы их физическое устройство копировало наше собственное, но этого как раз и не получается. Вот, скажем, с помощью инфляционной гипотезы удалось объяснить, почему мы живем в плоском евклидовом мире, но ведь большинство других вселенных заведомо не будет обладать такой же геометрией. Короче говоря, мы строили теорию для объяснения своего собственного мира, а она вышла из-под контроля и породила бесконечное разнообразие экзотических миров. Такое положение дел перестало меня устраивать. К тому же стандартная теория не способна объяснить природу более раннего состояния, предшествовавшего эспоненциальному расширению. В этом смысле она так же неполна, как и доинфляционная космология. Наконец, она не в состоянии ничего сказать о природе темной энергии, которая уже 5 миллиардов лет управляет расширением нашей Вселенной».

Еще одно различие, по словам профессора Стейнхардта, состоит в распределении температур фонового микроволнового излучения: «Это излучение, приходящее из разных участков небосвода, не вполне однородно по температуре, в нем есть более и менее нагретые зоны. На том уровне точности измерений, который обеспечивает современная аппаратура, количество горячих и холодных зон примерно одинаково, что совпадает с выводами обеих теорий — и инфляционной, и циклической. Однако эти теории предсказывают более тонкие различия между зонами. В принципе, их сможет выявить запущенная в прошлом году европейская космическая обсерватория "Планк" и другие новейшие космические аппараты. Я надеюсь, что результаты этих экспериментов помогут сделать выбор между инфляционной и циклической теориями. Но может случиться и так, что ситуация останется неопределенной и ни одна из теорий не получит однозначной экспериментальной поддержки. Ну что ж, тогда придется придумать что-нибудь новое».