Вселенная. история возникновения

Охлаждение Вселенной


После взрыва все должно было снизить температуру.

Со снижением плотности и температуры внутри Вселенной начало происходить и снижение энергии в каждой частице. Это переходное состояние длилось до тех пор, пока фундаментальные силы и элементарные частицы не пришли к своей нынешней форме. Так как энергия частиц опустилась до значений, которые можно сегодня достичь в рамках экспериментов, действительное возможное наличие этого временного периода вызывает у ученых куда меньше споров.

Например, ученые считают, что на 10-11 секунде после Большого взрыва энергия частиц значительно уменьшилась. Примерно на 10-6 секунде кварки и глюоны начали образовывать барионы — протоны и нейтроны. Кварки стали преобладать над антикварками, что в свою очередь привело к преобладанию барионов над антибарионами.

Так как температура была уже недостаточно высокой для создания новых протонно-антипротонных пар (или нейтронно-антинейтронных пар), последовало массовое разрушение этих частиц, что привело к остатку только 1/1010 количества изначальных протонов и нейтронов и полному исчезновению их античастиц. Аналогичный процесс произошел спустя около 1 секунды после Большого взрыва. Только «жертвами» на этот раз стали электроны и позитроны. После массового уничтожения оставшиеся протоны, нейтроны и электроны прекратили свое беспорядочное движение, а энергетическая плотность Вселенной была заполнена фотонами и в меньшей степени нейтрино.

В течение первых минут расширения Вселенной начался период нуклеосинтеза (синтез химических элементов). Благодаря падению температуры до 1 миллиарда кельвинов и снижения плотности энергии примерно до значений, эквивалентных плотности воздуха, нейтроны и протоны начали смешиваться и образовывать первый стабильный изотоп водорода (дейтерий), а также атомы гелия. Тем не менее большинство протонов во Вселенной остались в качестве несвязных ядер атомов водорода.

Спустя около 379 000 лет электроны объединились с этими ядрами водорода и образовали атомы (опять же преимущественно водорода), в то время как радиация отделилась от материи и продолжила практически беспрепятственно расширяться через пространство. Эту радиацию принято называть реликтовым излучением, и она является самым древнейшим источником света во Вселенной.

С расширением реликтовое излучение постепенно теряло свою плотность и энергию и в настоящий момент его температура составляет 2,7260 ± 0,0013 К (-270,424 °C), а энергетическая плотность 0,25 эВ (или 4,005×10-14 Дж/м³; 400–500 фотонов/см³). Реликтовое излучение простирается во всех направлениях и на расстояние около 13,8 миллиарда световых лет, однако оценка его фактического распространения говорит примерно о 46 миллиардах световых годах от центра Вселенной.

Небо в крапинку

Квантовые флуктуации приводили не только к рождению галактик, но и к возникновению анизотропии реликтового излучения с температурой примерно 2,7 К, приходящего к нам из дальних областей Вселенной.

Исследовать реликтовое излучение ученым помогают современные искусственные спутники Земли. Самые ценные данные удалось получить с помощью космического зонда WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe), названного так в честь астрофизика Дэвида Уилкинсона (David Wilkinson). Разрешающая способность его аппаратуры в 30 раз больше, чем у его предшественника — космического аппарата COBE.

Ранее считалось, что температура неба всюду равна 2,7 К, однако WMAP смог измерить ее с точностью до 10–5 К с высокой угловой разрешающей способностью. Согласно данным, полученным за первые 3 года наблюдений, небо оказалось неоднородным: где-то горячее, а где-то холоднее. Простейшие модели инфляционной теории предсказали рябь на небе. Но пока телескопы не зафиксировали его пятнистость, наблюдалось только трехградусное излучение, служившее мощнейшим подтверждением теории горячей Вселенной. Теперь же выяснилось, что теории горячей Вселенной не хватает.

Удалось получить фотографии раздутых квантовых флуктуаций, которые появились спустя 10–30 с после рождения мироздания и сохранились до наших дней. Исследователи не только обнаружили пятнистость неба, но и изучили спектр пятен, т. е. интенсивность сигнала на разных угловых направлениях.

Результаты проведенных с помощью WMAP высокоточных измерений поляризации излучения подтвердили теорию расширения Вселенной и позволили установить, когда произошла ионизация межгалактического газа, вызванная самыми первыми звездами. Полученная со спутника информация подтвердила положение инфляционной теории о том, что мы живем в большой плоской Вселенной.

На рисунке красной линией показано предсказание инфляционной теории, а черные точки соответствуют экспериментальным данным WMAP. Если бы Вселенная не была плоской, то пик графика находился бы правее или левее.

Есть ли ответ в математике?

Теория относительности Эйнштейна, пролившая свет на суть пространства и времени, сформулировала представление о единой природе пространства и времени, — континууме, геометрическим артефактом которого является гравитация.


Пространство-время Минковского

Простыми словами, мир в котором мы живем, не описывается бесконечными координатными осями ширины (x), высоты (y) и длины (z) (Евклидовым пространством), в котором независимо протекает время (t), а представляет собой единое искривленное пространство-время, которое можно смоделировать так называемым пространством Минковского.

Время в этой модели — такая же равноправная координата, как и длина, и ширина, которую условно можно вывести из c — скорости света в вакууме, и получить значение 1 сек = 299 792 458 м.

Единственное НО — время описывается мниморазмерной осью — как те самые мнимые единицы, которые мы получали в школе путем извлечения квадратных корней из отрицательных чисел). Но мнимый — не значит не существующий. В конце концов, мы не видим время как длину или ширину, но ощущаемего течение. Также мнимые числа используются в математике, информатике, самой физике — квантовой механике, электротехнике, и т.д. Именно применение комплексных чисел (из мнимых и действительных) позволяет приравнивать время к координатам пространства в координатах Минковского.

За счет этого уравнения объясняется невозможность превышения скорости света, что хорошо подтверждается релятивистскими эффектами: при приближении к скорости света, любой движущийся объект испытывает следующее влияние геометрии пространства Минковского — течение времени в нем замедляется, стремясь к нулю (Лоренцево замедление времени), его длина уменьшается (Лоренцево сокращение длин), а масса стремится к бесконечности (релятивистское увеличение масс).

Иными словами, реальный объект (например, звездолет), достигший скорости света, будет бесконечно мал, бесконечно тяжел, и время в нем остановится. Для стороннего наблюдателя он просто «провалится» из пространства Вселенной.

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.
  1. 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.

О возникновении Вселенной

В своё время учёный Хаббл сделал заключение, что все галактики удаляются друг от друга. Нет галактик, которые бы сближались. Все равномерно так или иначе расходятся. При этом, чем больше галактика, тем с большей скоростью она будет удаляться. Это говорит о том, что при возникновении Вселенной все они находились рядом друг с другом, а затем начали равномерно двигаться в сторону расширения. 

Но какова причина возникновения этого явления? Роман Иванович уверен, что её нужно искать за пределами Вселенной. Как рассказал Роман Иванович, теорема Гёделя гласит: «Никакая замкнутая система не может быть понята до конца изнутри. Мы никогда не можем выйти из Вселенной – она замкнута. Хотим мы или не хотим, но, чтобы добраться до первопричины, мы должны выйти за предел – за пределы Вселенной».

«… То есть за пределами материального может находиться только Духовное, и там может находиться вот эта Первопричина. Можете называть это «Творец», можете назвать это «Бог» (это уже каждый по-своему называет), но наука, наука нас к этому приводит».

Что такое энергия, откуда она взялась?

  • Почему физика Солнца имеет свои уникальные законы?
  • Как на Солнце образовался тот же протон, электрон, гелий?
  • Первичный Звук как причина зарождения всей жизни и возникновения Вселенной.
  • Какую информацию несёт нейтрино? (Подробнее в докладе «ИСКОННАЯ ФИЗИКА АЛЛАТРА».)
  • Что такое температура, и как она связана со скоростью?

Ещё участники круглого стола поговорили о проекте Созидательное общество, который реализуется на платформе Международного общественного движения «АЛЛАТРА». Роман Иванович поддержал эту идею и поблагодарил волонтёров за то, что они делают. Ведь, как считает учёный, сегодня люди очень разобщены, и возрождение морально-нравственных ценностей и объединение на их основе позволят сохранить нашу цивилизацию и планету. И в этом будущее!

Похожее

  • Эксперимент BICEP2 подтверждает важнейшее предсказание теории космической инфляции

    Специализированный телескоп BICEP2, работающий на Южном полюсе и измеряющий поляризацию космического микроволнового излучения, обнаружил реликтовые B-моды поляризации. Их наличие указывает на то, что по ранней Вселенной гуляли сильные гравитационные волны. Они, в свою очередь, могли возникнуть только на стадии инфляции — сверхбыстрого раздувания Вселенной, когда ей было примерно 10^–32 секунды от роду.

  • Парадоксы Большого взрыва


    Даже астрономы не всегда правильно понимают расширение Вселенной. Раздувающийся воздушный шар – старая, но хорошая аналогия расширения Вселенной. Галактики, расположенные на поверхности шара, неподвижны, но поскольку Вселенная расширяется, расстояние между ними возрастает, а размеры самих галактик не увеличиваются.

  • О начале Вселенной для начинающих Как зародилась вселенная и как она расширяется? Том Уитни, физик ЦЕРН, покажет, как космологи и физики, занимающиеся элементарными частицами, ищут ответы на эти вопросы, пытаясь воспроизвести температуру, энергию и события первых секунд после Большого взрыва.

  • Что было до большого взрыва? / What Happened Before the Big Bang? BBC

    Откуда появилась наша Вселенная? Как это все началось? На протяжении почти ста лет, мы думали, что Большой взрыв был около 14 миллиардов лет назад. Но теперь некоторые ученые считают, что было на самом деле не «начало», наша Вселенная, возможно, была уничтожена «до». Этот фильм унесёт Вас в неизвестность, чтобы изучить головокружительный мир космоса и многочисленных вселенных, и Вы узнаете, что было до Большого взрыва.

  • Теория инфляционной Вселенной, или теория Мультивселенной (Мультиверса) Линде А. Д.

    Андрей Дмитриевич Линде рассказывает о теории инфляционной Вселенной или теории Мультивселенной (Мультиверса). Термин «Multi-verse», заменяющий слово «Universe», означает, что вместо одной Вселенной — много вселенных сразу в одной.

  • Параллельные миры Мичио Каку

    Эта книга, конечно же, не развлекательное чтение. Это то, что называется «интеллектуальный бестселлер». Чем, собственно, занимается современная физика? Какова нынешняя модель Вселенной? Как понимать «многомерность» пространства и времени? Что такое параллельные миры? Насколько эти понятия как объект исследования науки отличаются от религиозно-эзотерических идей?

  • Наша Вселенная — лишь один из этапов в череде вселенных Наша Вселенная — лишь один из этапов в череде вселенных, регулярно порождаемых Большими взрывами. Этот результат работы ученых, о котором стало известно на днях, хотя и нуждается в серьезной проверке, демонстрирует, что в науке не закончилась эпоха фундаментальных открытий.

  • Что было до Большого взрыва? Мозговой штурм Сегодня мы решили говорить о самой начальной точке, с которой ученые-космологи начинают историю нашей Вселенной. Многие думают, что такой начальной точкой может считаться Большой взрыв — начало расширения вселенной, которое продолжается до настоящего времени. Однако, простая логика подсказывает, что Большой взрыв тоже должен из-за чего-то произойти. А это значит, что какие-то процессы в нашей Вселенной шли и до него. Получается, что историю Вселенной можно начинать вести с какой-то еще более ранней точки. Мы пригласили в студию ученых, которые размышляют над началом всех начал.

  • Мир многих миров. Физики в поисках иных вселенных Александр Виленкин

    Физик, профессор Университета Тафтса (США) Алекс Виленкин знакомит читателя с последними научными достижениями в сфере космологии и излагает собственную теорию, доказывающую возможность — и, более того, вероятность — существования бесчисленных параллельных вселенных. Выводы из его гипотезы ошеломляют: за границами нашего мира раскинулось множество других миров, похожих на наш или принципиально иных, населенных невообразимыми созданиями или существами, неотличимыми от людей.

  • Параллельные вселенные Макс Тегмарк Статья этой статье Макса Тегмарка выдвигается гипотеза о строении предполагаемой сверхвселенной, теоретически включающей в себя четыре уровня. Однако уже в ближайшее десятилетие у ученых может появиться реальная возможность получить новые данные о свойствах космического простраства и, соответственно, подтвердить или опровергнуть данную гипотезу.

Далее >>>

Мир как тело

Это может быть интересно

Астрономию пообещали вернуть в школьную программу

Древний человек познавал мир с помощью своего тела, измерял расстояния шагами и локтями, много работал руками. Это нашло отражение в олицетворении природы (гром — результат ударов божьего молота, ветер — божество дует). Мир тоже ассоциировался с большим телом.

Например, в скандинавской мифологии мир был создан из тела великана Имира, глаза которого стали водоёмами, а волосы — лесами. В индуистской мифологии эту функцию взял на себя Пуруша, в китайской — Паньгу. Во всех случаях устройство видимого мира связывается с телом антропоморфного существа, великого предка или божества, приносящего себя в жертву, чтобы мир появился. Сам человек при этом — микрокосм, вселенная в миниатюре.

Возможные сценарии развития нашего мира

1. Пульсирующая модель Вселенной, при которой вслед за периодом расширения наступает период сжатия и все заканчивается Большим хлопком 2. Вселенная со строго подогнанной средней плотностью, в точности равной критической. В этом случае наш мир Евклидов, и его расширение все время замедляется 3. Равномерно расширяющаяся по инерции Вселенная. Именно в пользу такой открытой модели мира до последнего времени свидетельствовали данные о подсчете средней плотности нашей Вселенной 4. Мир, расширяющийся со все нарастающей скоростью. Новейшие экспериментальные данные и теоретические изыскания говорят о том, что Вселенная разлетается все быстрее, и несмотря на евклидовость нашего мира, большая часть галактик в будущем будет нам недоступна. И виновата в столь странном устроении мира та самая темная энергия, которую сегодня связали с некоей внутренней энергией вакуума, заполняющего все пространство

Сергей Рубин, доктор физико-математических наук, источник — www.vokrugsveta.ru/publishing/vs/archives/?item_id=310

Какой формы Вселенная?

Сегодня с помощью телескопа «Хаббл» мы можем увидеть более 100 миллиардов галактик, и в каждой из них, возможно, сотни миллиардов звезд. Но как все это возникло? Почему есть нечто, а не ничто? Это основной вопрос для многих религий. Кажется, что такую огромную Вселенную кто-то должен был создать, что нельзя все это получить из ничего. Я хочу рассказать, почему это не так, почему все эти галактики и звезды могут возникнуть просто благодаря законам физики.

В 1926 году Эдвин Хаббл узнал, что наша Галактика — не единственная во Вселенной. А спустя еще три года он понял, что другие галактики отдаляются от нас. После этого поразительного открытия сразу стало казаться, что мы в центре Вселенной

Однако наблюдения Хаббла говорят о другом: Вселенная расширяется — неважно, из какой галактики вы за этим наблюдаете

До 1929 года наука считала, что Вселенная статична и вечна. Но коль скоро теперь мы поняли, что она движется, то мы можем узнать, что было с ней в прошлом. У всех галактик единое начало: около 13,8 миллиарда лет назад все они были в одной точке, которую мы называем Большим взрывом. Но что станет с галактиками в будущем? Бесконечно ли расширение? Это вопрос, из-за которого я начал заниматься космологией и вообще пошел в физику.

Есть три варианта геометрии нашей Вселенной: она может быть закрытой, открытой или плоской. Имеется в виду не форма самой Вселенной, а то, как в ней выглядит плоскость, сравнимая с размером самой Вселенной. Например, если нарисовать сколь угодно большой треугольник в плоской Вселенной, то сумма его углов будет равна 180 градусам. В открытой Вселенной линии, по которым движется свет, изгибаются, поэтому сумма углов треугольника будет меньше 180 градусов. А в закрытой Вселенной сумма его углов, наоборот, будет больше 180 градусов.

Согласно теории относительности, закрытая Вселенная будет расширяться, а затем сжиматься обратно и в конце концов схлопнется, открытая Вселенная будет расширяться бесконечно, а плоская сначала будет расширяться, а затем очень постепенно замедлится и остановится. Если мы сможем определить, в какой Вселенной живем, то узнаем и наше будущее. Но как это сделать?

Вечная и бесконечная

Посмотрим еще раз на рисунок, показывающий простейший потенциал скалярного поля (см. выше). В области, где скалярное поле мало, оно осциллирует, и Вселенная не расширяется экспоненциально. В области, где поле достаточно велико, оно медленно спадает, и на нем возникают маленькие флуктуации. В это время происходит экспоненциальное расширение и идет процесс инфляции. Если бы скалярное поле было еще больше (на графике отмечено голубым цветом), то за счет огромного трения оно бы почти не уменьшалось, квантовые флуктуации были бы огромны, и Вселенная могла стать фрактальной.

Представим, что Вселенная быстро расширяется, а в каком-то месте скалярное поле, вместо того чтобы катиться к минимуму энергии, из-за квантовых флуктуаций подскакивает вверх (см. выше). В том месте, где поле подскочило, Вселенная расширяется экспоненциально быстрее. Низкорасположенное поле вряд ли подскочит, но чем выше оно будет находиться, тем больше вероятность такого развития событий, а значит, и экспоненциально большего объема новой области. В каждой из таких ровных областей поле тоже может подскочить наверх, что приводит к созданию новых экспоненциально растущих частей Вселенной. В результате этого, вместо того чтобы быть похожей на один огромный растущий шар, наш мир становится похожим на вечно растущее дерево, состоящее из многих таких шаров.


Инфляционная теория дает нам единственное известное сейчас объяснение однородности наблюдаемой части Вселенной. Парадоксальным образом эта же теория предсказывает, что в предельно больших масштабах наша Вселенная абсолютно неоднородна и выглядит как огромный фрактал.

На рисунке схематически показано, как одна раздувающаяся область Вселенной порождает все новые и новые ее части. В этом смысле она становится вечной и самовосстанавливающейся.

Свойства пространства-времени и законы взаимодействия элементарных частиц друг с другом в разных областях Вселенной могут быть различны, равно как и размерности пространства, и типы вакуума.

Этот факт заслуживает более детального объяснения. Согласно простейшей теории с одним минимумом потенциальной энергии, скалярное поле катится вниз к этому минимуму. Однако более реалистические версии допускают множество минимумов с разной физикой, что напоминает воду, которая может находиться в разных состояниях: жидком, газообразном и твердом. Разные части Вселенной также могут пребывать в разных фазовых состояниях; это возможно в инфляционной теории даже без учета квантовых флуктуаций.

Следующим шагом, основанным на изучении квантовых флуктуаций, является теория самовосстанавливающейся Вселенной. В этой теории учитывается процесс постоянного воссоздания раздувающихся областей и квантовые скачки из одного вакуумного состояния в другое, перебирающие разные возможности и размерности.

Так Вселенная становится вечной, бесконечной и многообразной. Вся Вселенная никогда не сколлапсирует. Однако это не означает, что отсутствуют сингулярности. Напротив, значительная часть физического объема Вселенной все время находится в состоянии, близком к сингулярному. Но так как различные объемы проходят его в разное время, единого конца пространства-времени, после которого все области исчезают, не существует. И тогда вопрос о множественности миров во времени и в пространстве приобретает совершенно другое звучание: Вселенная может самовоспроизводиться бесконечно во всех своих возможных состояниях.

Это утверждение, в основе которого лежали работы Линде сделанные им в 1986 году, прибрело новое звучание несколько лет назад, когда специалисты по теории струн (лидирующий кандидат на роль теории всех фундаментальных взаимодействий) пришли к выводу что в этой теории возможно 10100–101000 различных вакуумных состояний. Эти состояния отличаются за счет необычайного разнообразия возможного устройства мира на сверхмалых расстояниях.

В совокупности с теорией самовосстанавливающейся инфляционной Вселенной, это означает, что Вселенная во время инфляции разбивается на бесконечно много частей с невероятно большим количеством разных свойств. Космологи называют этот сценарий теорией вечной инфляционной мультивселенной (multiverse), а специалисты по теории струн называют это струнным ландшафтом.

Сколько лет нашей Вселенной?

Чем глубже мы заглядываем в космический океан, тем быстрее галактики удаляются от нас. Выдающийся американский астроном Эдвин Хаббл обнаружил это в 1929 году и с тех самых пор исследователи скрупулезно пытаются облачить эту скорость в цифры – постоянную Хаббла. На сегодняшний день существует два ведущих подхода определения возраста Вселенной. Один из них сопоставляет расстояние до локальных переменных (цефеид) и взрывающихся (сверхновых) звезд, другой – предлагает посмотреть на состояние космоса вскоре после Большого Взрыва и использовать понимание законов физики ранней Вселенной чтобы предсказать постоянную Хаббла.

Макс Планк, немецкий физик-теоретик, основоположник квантовой физики, также придерживался второго подхода. Он изучал реликтовое излучение (космическое сверхвысокочастотное фоновое излучение) – первый свет, который пронесся через пространство, после того, как Вселенная достаточно остыла и в ней начали образовываться нейтральные атомы водорода – что составляет около 380 000 лет жизни космоса.

Свет омывает Землю почти равномерным свечением на микроволновых частотах, а его температурный профиль составляет всего 2,7 градуса выше абсолютного нуля – подробнее о том, что это такое читайте в нашем материале. Но в этом сигнале можно обнаружить мельчайшие отклонения, а также то, как свет становится искривленным или поляризованным когда приближается к нам. Одна из крупиц полученный информации и является значением постоянной Хаббла.

6-метровый телескоп Атакама в Чили исследует реликтовое излучение

Работа, участие в которой приняли астрономы из разных стран мира, опубликована на сервере препринтов arXiv (там публикуются работы, не до конца прошедшие экспертную оценку). Согласно полученным результатам, постоянная Хаббла равняется 67,6 километрам в секунду на мегапарсек – мегапарсек это 3,26 миллионов световых лет.

Расширение Вселенной увеличивается на 67,6 км в секунду на каждые 3,26 миллионов световых лет. Примечательно, что число, полученное с применением планковского метода, равняется 67,5. Но разве подобные подходы не должны давать похожие результаты? Как пишет BBC News, эксперименты были достаточно разными, но в чем именно?


С этим читают