ТЕОРИИ РОЖДЕНИЯ ВСЕЛЕННОЙ⁠⁠

ТЕОРИИ РОЖДЕНИЯ ВСЕЛЕННОЙ     

Big Bang или же нет?

Как вселенная приобрела свой сегодняшний вид и из чего она возникла, пытаются объяснить очень многие теории. Согласно самой популярной теории, 13 млрд. лет назад она зародилась в результате гигантского взрыва. Время, космос, энергия, материя – все это возникло вследствие этого феноменального взрыва. Что было до так называемого «большого взрыва», говорить бессмысленно, до него ничего не было. Получается, что Вселенная произошла из ничего, что Ничто породило Всё! Невозможно себе даже представить, когда и почему такое могло произойти. Любой скажет, что из Ничего нельзя не только создать Вселенную, но и смастерить табуретку. Однако учёные настаивают на своём. Они, и в их числе знаменитый физик-теоретик из Англии Стивен Хокинг, говорят, что не просто придумали, будто Вселенная получилась из Ничего, а пришли к такому выводу в результате строгих математических расчётов, в которых пока никто не обнаружил ошибку. Когда-нибудь, считают они, им удастся узнать, что такое Ничто. Возможно, Ничто — это отсутствие не только каких-нибудь небесных тел, атомов, любых элементарных частиц, но и самого пространства и времени. Возможно также, что в таинственном Ничто отсутствовали привычные нам формы вещества. Но это была не совсем пустота, и там происходили какие-то процессы, в результате которых могли возникать маленькие взрывы и в конце концов случился Большой взрыв. Чтобы найти подтверждение своей гипотезе, исследователи пытаются создать что-то похожее на Ничто. Они построили специальные камеры, из которых удалили частицы вещества, и понизили температуру, почти достигнув холода космического пространства. Оказалось, что получившееся Ничто на самом деле представляет собой Что-то и его можно исследовать различными способами. И всё-таки очень многие не согласны с тем, что Вселенная произошла из Ничего.

Большой взрыв – по современным представлениям, это состояние Вселенной в прошлом (около 13 млрд. лет назад), когда его средняя плотность во много раз превышала современную. Со временем плотность Вселенной уменьшается из-за ее расширения. Соответственно при углублении в прошлое плотность увеличивается, аж к тому моменту, когда классические представления о времени и пространстве теряют силу. Интервал времени от 0 до нескольких секунд условно называют периодом большого Взрыва. Вещество Вселенной, в начале этого периода, получило колоссальные относительные скорости («взорвалось» и отсюда название). Наблюдаемые в наше время, свидетельства большого Взрыва есть значение концентрации гелия, водорода и некоторых других легких элементов, реликтовое излучение, распределение неоднородностей во Вселенной (например, галактик). Астрономы полагают, что Вселенная была невероятно раскалена и полна радиации после большого взрыва. Атомные частицы – протоны, электроны и нейтроны сформировались приблизительно через 10 секунд. Сами же атомы – атомы гелия и водорода – образовались лишь несколько сотен тысяч лет спустя, когда Вселенная остыла и значительно расширилась в размерах. Гигантские облака этих древних элементов позже, благодаря гравитации, начали образовывать звезды и галактики. Если большой взрыв произошел 13 млрд. лет назад, к настоящему времени Вселенная должна была бы охладеть до температуры около 3 градусов по Кельвину, то есть до 3 градусов выше абсолютного ноля. Ученные зарегистрировали фоновые радиошумы, используя телескопы. Эти радиошумы по всему звездному небу, соответствуют этой температуре и их считают до сих пор доходящими до нас отголосками большого взрыва.

Точная Хронология событий

Эпоха сингулярности - Также известная как планковская эпоха (или планковская эра) принимается за самый ранний из известных периодов эволюции Вселенной. В это время вся материя содержалась в единственной точке бесконечной плотности и температуры. Во время этого периода, как считают ученые, квантовые эффекты гравитационного взаимодействия доминировали над физическим, и ни одна из физических сил не была равна по силе гравитации. Планковская эра предположительно длилась от 0 до 10-43 секунды и названа она так потому, что измерить ее продолжительность можно только планковским временем. Ввиду экстремальных температур и бесконечной плотности материи состояние Вселенной в этот период времени было крайне нестабильным. После этого произошли периоды расширения и охлаждения, которые привели к возникновению фундаментальных сил физики. Приблизительно в период с 10-43 до 10-36 секунды во Вселенной происходил процесс столкновения состояний переходных температур. Считается, что именно в этот момент фундаментальные силы, которые управляют нынешней Вселенной, начали отделяться друг от друга. Первым шагом этого отделения явилось появление гравитационных сил, сильных и слабых ядерных взаимодействий, и электромагнетизма. В период примерно с 10-36 до 10-32 секунды после Большого взрыва температура Вселенной стала достаточно низкой (1028 К), что привело к разделению электромагнитных сил (сильное взаимодействие) и слабого ядерного взаимодействия (слабого взаимодействия).

Эпоха инфляции - С появлением первых фундаментальных сил во Вселенной началась эпоха инфляции, которая продлилась с 10-32 секунды по планковскому времени до неизвестной точки во времени. Большинство космологических моделей предполагают, что Вселенная в этот период была равномерно заполнена энергией высокой плотности, а невероятно высокие температура и давление привели к ее быстрому расширению и охлаждению. Это началось на 10-37 секунде, когда за фазой перехода, вызвавшей отделение сил, последовало расширение Вселенной в геометрической прогрессии. В этот же период времени Вселенная находилась в состоянии бариогенезиса, когда температура была настолько высокой, что беспорядочное движение частиц в пространстве происходило с околосветовой скоростью. В это время образуются и сразу же сталкиваясь разрушаются пары из частиц — античастиц, что, как считается, привело к доминированию материи над антиматерией в современной Вселенной. После прекращения инфляции Вселенная состояла из кварк-глюоновой плазмы и других элементарных частиц. С этого момента Вселенная стала остывать, начала образовываться и соединяться материя.

Эпоха охлаждения-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. 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.

Эпоха структуры (иерархическая эпоха) - В последующие несколько миллиардов лет более плотные регионы почти равномерно распределенной во Вселенной материи начали притягиваться друг к другу. В результате этого они стали еще плотнее, начали образовывать облака газа, звезды, галактики и другие астрономические структуры, за которыми мы можем наблюдать в настоящее время. Этот период носит название иерархической эпохи. В это время та Вселенная, которую мы видим сейчас, начала приобретать свою форму. Материя начала объединяться в структуры различных размеров — звезды, планеты, галактики, галактические скопления, а также галактические сверхскопления, разделенные межгалактическими перемычками, содержащими всего лишь несколько галактик. Детали этого процесса могут быть описаны согласно представлению о количестве и типе материи, распределенной во Вселенной, которая представлена в виде холодной, теплой, горячей темной материи и барионного вещества. Однако современной стандартной космологической моделью Большого взрыва является модель Лямбда-CDM, согласно которой частицы темной материи двигаются медленнее скорости света. Выбрана она была потому, что решает все противоречия, которые появлялись в других космологических моделях. Согласно этой модели на холодную темную материю приходится около 23 процентов всей материи/энергии во Вселенной. Доля барионного вещества составляет около 4,6 процента. Лямбда-CDM ссылается на так называемую космологическую постоянную: теорию, предложенную Альбертом Эйнштейном, которая характеризует свойства вакуума и показывает соотношение баланса между массой и энергией как постоянную статичную величину. В этом случае она связана с темной энергией, которая служит в качестве акселератора расширения Вселенной и поддерживает гигантские космологические структуры в значительной степени однородными.

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.

А что если струны?

Каждый атом, как известно, состоит из еще меньших частиц – электронов, которые кружатся вокруг ядра, состоящего из протонов и нейтронов. Протоны и нейтроны, в свою очередь, состоят из еще меньших частиц – кварков. Но теория струн утверждает, что на кварках дело не заканчивается. Кварки состоят из крошечных извивающихся нитей энергии, которые напоминают струны. Каждая из таких струн невообразимо мала. Универсальная теория (она же теория всего сущего) содержит всего несколько уравнений, которые объединяют в себе всю совокупность человеческих знаний о характере взаимодействий и свойствах фундаментальных элементов материи, из которых построена Вселенная. Сегодня теорию струн удалось объединить с концепцией суперсимметрии, в результате чего родилась теория суперструн, и на сегодняшний день это максимум того, что удалось добиться в плане объединения теории всех четырех основных взаимодействий (действующих в природе сил). Сама по себе теория суперсимметрии уже построена на основе априорной современной концепции, согласно которой любое дистанционное (полевое) взаимодействие обусловлено обменом частицами-носителями взаимодействия соответствующего рода между взаимодействующими частицами (см. Стандартная модель). Для наглядности взаимодействующие частицы можно считать «кирпичиками» мироздания, а частицы-носители — цементом. В рамках стандартной модели в роли кирпичиков выступают кварки, а в роли носителей взаимодействия — калибровочные бозоны, которыми эти кварки обмениваются между собой. Теория же суперсимметрии идет еще дальше и утверждает, что и сами кварки и лептоны не фундаментальны: все они состоят из еще более тяжелых и не открытых экспериментально структур (кирпичиков) материи, скрепленных еще более прочным «цементом» сверхэнергетичных частиц-носителей взаимодействий, нежели кварки в составе адронов и бозонов. Естественно, в лабораторных условиях ни одно из предсказаний теории суперсимметрии до сих пор не проверено, однако гипотетические скрытые компоненты материального мира уже имеют названия — например, сэлектрон (суперсимметричный напарник электрона), скварк и т. д. Существование этих частиц, однако, теориями такого рода предсказывается однозначно.

Картину Вселенной, предлагаемую этими теориями, однако, достаточно легко представить себе наглядно. В масштабах порядка 10–35 м, то есть на 20 порядков меньше диаметра того же протона, в состав которого входят три связанных кварка, структура материи отличается от привычной нам даже на уровне элементарных частиц. На столь малых расстояниях (и при столь высоких энергиях взаимодействий, что это и представить немыслимо) материя превращается в серию полевых стоячих волн, подобных тем, что возбуждаются в струнах музыкальных инструментов. Подобно гитарной струне, в такой струне могут возбуждаться, помимо основного тона, множество обертонов или гармоник. Каждой гармонике соответствует собственное энергетическое состояние. Согласно принципу относительности (см. Теория относительности), энергия и масса эквивалентны, а значит, чем выше частота гармонической волновой вибрации струны, тем выше его энергия, и тем выше масса наблюдаемой частицы.

Однако, если стоячую волну в гитарной струне представить себе наглядно достаточно просто, стоячие волны, предлагаемые теорией суперструн наглядному представлению поддаются с трудом — дело в том, что колебания суперструн происходят в пространстве, имеющем 11 измерений. Мы привыкли к четырехмерному пространству, которое содержит три пространственных и одно временное измерение (влево-вправо, вверх-вниз, вперед-назад, прошлое-будущее). В пространстве суперструн всё обстоит гораздо сложнее Физики-теоретики обходят скользкую проблему «лишних» пространственных измерений, утверждая, что они «скрадываются» (или, научным языком выражаясь, «компактифицируются») и потому не наблюдаются при обычных энергиях.

Таким образом теория струн предсказывает существование дополнительных измерений пространства и, возможно, наличие других вселенных в этом суперпространстве, а то, что мы называем Большим взрывом, могло быть столкновением нашей Вселенной с другой.