Большой взрыв

В этой статье мы остановимся подробнее на теории Большого взрыва, суть которой заключается в том, что сжатые частицы Вселенной "взорвались" и разлетелись по расширяющемуся пространству. Модель Большого взрыва дает понимание о начале Вселенной.

Содержание

1. Краткая информация о Большом взрыве
2. Большой взрыв и расширение Вселенной
3. Начало Вселенной: от сжатия до расширения
4. Конденсации частиц на раннем этапе развития Вселенной
5. Наблюдаемая Вселенная

Краткая информация о Большом взрыве

• Большой взрыв произошел: 13,7 млрд лет назад
• Преобладание материи: впервые через 70 000 лет после Большого взрыва
• Образование водорода и гелия: 380 000 лет после Большого взрыва
• Образование первых звезд: около 100 млн лет после Большого взрыва
• Образование первых галактик: 600 млн лет после Большого взрыва
• Постоянная Хаббла: 70,4 км/с на мегапарсек
• Главное свидетельство Большого взрыва: фоновое реликтовое излучение
• 1912: первое доказательство (непонятое)
• 1929: Эдвин Хаббл наблюдает разбегающиеся галактики
• 1949: Фред Хойл впервые употребил термин «Большой взрыв»
• 1964: регистрация фонового реликтового излучения

Кликните по картинке, она откроется в новом окне и ее можно будет увеличить

Большой взрыв

Временная шкала эволюции и расширения Вселенной на протяжении 13,7 млрд лет. Временная шкала расширения Вселенной основана на данных, полученных спутником Planck. По вертикали отложен размер Вселенной. С момента быстрой инфляции после Большого взрыва Вселенная до недавнего прошлого росла с постоянной скоростью, пока темная энергия не ускорила расширение.

Большой взрыв и расширение Вселенной

Когда Хаббл подтвердил существование других галактик и расширение Вселенной, стало возможно более обоснованно рассуждать о том, как началась Вселенная. В первую очередь нужно иметь в виду, что Большой взрыв — начало Вселенной — не был взрывом в нашем понимании. То есть из-за этого события осколки и взрывчатое вещество не разлетелись в окружающее пространство. Это, напротив, было расширение пространства как такового. Представьте, что вы печете кекс с изюмом из прозрачного теста. Если бы вы стояли на изюминке, пока тесто поднимается, вы бы видели, как остальные изюминки удаляются от вас по мере того, как расширяется тесто. Изюминка, начавшая свое движение на расстоянии от вас вдвое большем, чем другая, будет удаляться в два раза быстрее, потому что между вами будет вдвое больше теста, чем между вами и третьей изюминкой.

Схема расширения Вселенной.

Если в аналогии Большого взрыва вы замените изюминки на галактики, то увидите в точности то, что видел Хаббл, расширение Вселенной. Как изюм в нашей аналогии не двигается при подъеме теста сквозь него, так и галактики в картине Хаббла увлекаются расширением пространства, а не перемещаются в нем самостоятельно.

Легко поверить в то, что, раз все однородно удаляется от нас, мы находимся в центре Вселенной, но анализ нашей аналогии поможет отыскать истину. Встаньте на любую из изюминок в хлебе, и вам будет казаться, что вы неподвижны, тогда как остальные изюминки удаляются от вас. Каждая изюминка, другими словами, полагает себя центром растущего комка теста, а это означает, что раз мы на Земле считаем свое положение в расширяющейся Вселенной Хаббла центральным, точно так же может считать любой другой наблюдатель. Говоря словами теолога XV века Николая Кузанского, «центр Вселенной везде, а граница нигде».

Начало Вселенной: от сжатия до расширения

Мы можем больше узнать о нашей Вселенной, если представим, что расширение Вселенной это фильм, который можно прокрутить в обратную сторону. В этом попятном движении пленки Вселенная будет сжиматься, чтобы, в конце концов, превратиться в точку. Другими словами, у Вселенной есть вполне определенное начало: момент времени около 13,7 млрд лет назад, если быть точным. Подробнее о начале и конце Вселенной мы говорили в отдельных статьях.

В действительности то, что Вселенная началась в особый момент в прошлом, имеет важные философские последствия. До обретения знания о расширении Хаббла мы могли представить, что Вселенная вечна, без начала, конца и изменений. Или же она могла быть цикличной, что есть другой вариант вечной Вселенной. Или же она могла быть линейной, с началом и концом. Единственный способ понять, какая она на самом деле, провести наблюдения, что, собственно говоря, Хаббл и сделал. Итак, мы живем во Вселенной, у которой совершенно определенно было начало. Ответить на вопрос, каким будет ее конец, несколько сложнее, и мы обсудим современные предположения на этот счет ниже.

Главное свойство вещества в том, что оно нагревается при сжатии и охлаждается при расширении. То есть можно ожидать, что на ранних стадиях Вселенная была горячее, чем сейчас, просто потому, что была меньше и плотнее. Другими словами, мы могли бы предположить, что у Вселенной было горячее начало, а после началось ее охлаждение. И мы нашли подтверждение этому в фоновом реликтовом излучении.

Конденсации частиц на раннем этапе развития Вселенной

Прежде чем перейти к начальным этапам эволюции Вселенной, необходимо усвоить важное понятие «переходы», или «конденсации». Тот факт, что у истоков Вселенная была очень горячей, может дать нам понимание того, как она развивалась на ранних стадиях. Вот еще одна аналогия, которая поможет понять суть. Представьте, что вы поддерживаете очень высокие температуру и давление пара, а потом вдруг выпускаете его. Пар расширяется и охлаждается, но при t = 100 °С произойдет нечто важное: пар сконденсируется в водяные капли. Эта схема длинные периоды расширения и охлаждения с внезапными системными изменениями в основной структуре то, что мы наблюдаем на ранних этапах развития Вселенной. Обратимся к ключевому переходу формированию ядер приблизительно через три минуты, чтобы понять, как это работает.

В первые три минуты материя во Вселенной существовала в форме протонов, нейтронов (частиц, которые входят в состав атомных ядер) и свободных электронов.

Если протон и нейтрон объединятся, образовав простое ядро, следующее же столкновение будет для него фатальным ядро распадется. Однако через три минуты температура понизилась до такого значения, при котором свободные протоны и нейтроны смогут начать образовывать ядра. Внутренне устройство Вселенной изменится внезапно как результат конденсации.

Мы выяснили, что все тяжелые элементы во Вселенной образовались в термоядерных реакциях в сверхновых. Теперь, когда мы понимаем, как после Большого взрыва получились ядра, нам должно стать ясно, почему это было необходимо. В первые минуты никакие ядра не могли выжить. Через три минуты процесс соединения протонов и нейтронов для образования ядер становится возможен, но это происходит в условиях расширения Вселенной, когда частицы уносятся друг от друга и столкновения между ними не так уж часты. Это означает, что есть узкое временное окно, может быть, меньше минуты, между моментом, когда ядра могут быть относительно стабильны, и моментом, когда плотность Вселенной падает настолько, что ядра не могут больше образовываться из-за редкости столкновений. В этом временном окне зарождаются различные формы водорода, гелия и лития все остальное, как мы видели, будет создано позже в сверхновых. Элементы, которые образовались в звездах и позднее «перековались» в элементы периодической таблицы, появились в короткий временной промежуток, когда Вселенной было всего несколько минут.

Обилие этих легких ядер во Вселенной сегодня является одним из зримых доказательств верности теории Большого взрыва.

Двумерное представление Большого взрыва от момента экстремальных энергий вначале (бело-горячий центр) до более холодных областей позднейших тысячелетий, когда материя начала конденсироваться в звезды и галактики.

В лабораториях мы можем воспроизвести виды энергий, которые имели частицы, когда Вселенной было всего 3 минуты от роду. Модель расширения Хаббла прогнозирует, как часто тогда случались столкновения между частицами. То есть мы можем сделать чрезвычайно точное и захватывающее предсказание о том, как много каждого легкого элемента образовалось во время Большого взрыва. Тот факт, что эти предсказания стали следствием наблюдений, придает теории Большого взрыва большую состоятельность.

Наблюдаемая Вселенная

В заключение отметим один важный момент: нужно различать две Вселенные. Одна это все, что есть, а другая, наблюдаемая Вселенная, то, что мы в действительности видим. Мы можем делать грубые оценки размеров наблюдаемой Вселенной, отталкивась от того, что ее возраст составляет 13,7 млрд лет, то есть самые далекие объекты, которые доступны наблюдениям, находятся от нас на расстоянии 13,7 млрд св. лет. В этой сильно упрощенной картине наблюдаемая Вселенная будет сферой радиусом 13,7 млрд св. лет с Землей в центре, и эта сфера будет увеличиваться со скоростью 1 св. год ежегодно. Более детальные вычисления принимают во внимание хаббловское расширение и тот факт, что объекты были ближе к нам в тот момент, когда фотоны света были испущены, чем сейчас.

На этом изображении Вселенной меньше 1 млрд лет. Показан период взрывного звездообразования, когда из первичного водорода началось формирование звезд и галактик и повсюду стали взрываться сверхновые.

Многие космологические модели помещают эту сферу внутрь Вселенной большего размера, как слабую свечу в гигантскую пещеру. По определению, разумеется, мы не можем иметь никакого непосредственного представления о чем-либо за пределами наблюдаемой Вселенной. И к этому пункту мы вернемся в разговоре о мультивселенной.