История Вселенной: от Большого Взрыва до наших дней. Эпоха великого объединения

Космология Возраст Вселенной Большой взрыв Содвижущееся расстояние Реликтовое излучение Космологическое уравнение состояния Тёмная энергия Скрытая масса Вселенная Фридмана Космологический принцип Космологические модели Формирован … Википедия

Отсчёт времени во вселенной «Звёздных войн» ведётся относительно победы Альянса Повстанцев над Империей в битве у планеты Явин IV. Соответственно, даты обозначаются как «до я. б.»/«ДЯБ» (BBY) до Явинской битвы (англ. Before Battle of… … Википедия

Отсчёт времени во вселенной «Звёздных войн» ведётся относительно победы Альянса Повстанцев над Империей в битве у планеты Явин IV. Соответственно, даты обозначаются как «до я. б.» (BBY) до Явинской битвы (англ. Before Battle of Yavin), и «п. я. б … Википедия

Отсчёт времени во вселенной «Звёздных войн» ведётся относительно победы Альянса Повстанцев над Империей в битве у планеты Явин IV. Соответственно, даты обозначаются как «до я. б.» (BBY) до Явинской битвы (англ. Before Battle of Yavin), и «п. я. б … Википедия

Отсчёт времени во вселенной «Звёздных войн» ведётся относительно победы Альянса Повстанцев над Империей в битве у планеты Явин IV. Соответственно, даты обозначаются как «до я. б.» (BBY) до Явинской битвы (англ. Before Battle of Yavin), и «п. я. б … Википедия

Отсчёт времени во вселенной «Звёздных войн» ведётся относительно победы Альянса Повстанцев над Империей в битве у планеты Явин IV. Соответственно, даты обозначаются как «bby» (BBY) До Явинской битвы (en. Before Battle of… … Википедия

Хронология первых трех дней аварии на шахте "Распадская" в 2010 г - В ночь на 9 мая 2010 г. в городе Междуреченске Кемеровской области на шахте Распадская, одной из крупнейших в мире угольных шахт, произошла авария, которая унесла жизни 91 человека. На шахте с интервалом в четыре часа прогремели сразу два взрыва … Энциклопедия ньюсмейкеров

Хронология первых трех дней аварии на шахте "Распадская" в 2010 году - На шахте с интервалом в четыре часа прогремели сразу два взрыва метана, причем повторный взрыв был значительно сильнее. Первый взрыв на шахте Распадская произошел 8 мая 2010 года в 20:55 мск. В этот момент в шахте находились 359 человек. 9 мая в… … Энциклопедия ньюсмейкеров

Млн л … Википедия

Книги

• Хронология. Путешествие сквозь века: от Большого взрыва до наших дней , Гюс Петер. О книге Что мы знаем о всемирной истории? Можем ли выстроить наши знания о разных эпохах в одну стройную линию, связав одни события с другими? Эта большая, оригинально иллюстрированная…
• Хронология. Путешествие сквозь века: от Большого взрыва до наших дней (виммельбух) , Хиде, Сильвия Ванден. Что мы знаем о всемирной истории? Можем ли выстроить наши знания о разных эпохах в одну стройную линию, связав одни события с другими? Эта большая, оригинально иллюстрированная книга поможет…

Основы теории Большого взрыва относительно просты. Если кратко, согласно ей вся существовавшая и существующая сейчас во Вселенной материя появилась в одно и то же время -- около 13,8 миллиарда лет назад. В тот момент времени вся материя существовала в виде очень компактного абстрактного шара (или точки) с бесконечной плотностью и температурой. Это состояние носило название сингулярности. Неожиданно сингулярность начала расширяться и породила ту Вселенную, которую мы знаем.

Стоит отметить, что теория Большого Взрывая является лишь одной из многих предложенных гипотез возникновения Вселенной (например, есть еще теория стационарной Вселенной), однако она получила самое широкое признание и популярность. Она не только объясняет источник всей известной материи, законов физики и большую структуру Вселенной, она также описывает причины расширения Вселенной и многие другие аспекты и феномены.

Хронология событий в теории Большого Взрыва

Основываясь на знаниях о нынешнем состоянии Вселенной, ученые предполагают, что все должно было начаться с единственной точки с бесконечной плотностью и конечным временем, которые начали расширяться.

После первоначального расширения, как гласит теория, Вселенная прошла фазу охлаждения, которая позволила появиться субатомным частицам и позже простым атомам. Гигантские облака этих древних элементов позже, благодаря гравитации, начали образовывать звезды и галактики.

Все это, по догадкам ученых, началось около 13,8 миллиарда лет назад, и поэтому эта отправная точка считается возрастом Вселенной. Путем исследования различных теоретических принципов, проведения экспериментов с привлечением ускорителей частиц и высокоэнергетических состояний, а также путем проведения астрономических исследований дальних уголков Вселенной ученые вывели и предложили хронологию событий, которые начались с Большого взрыва и привели Вселенную в конечном итоге к тому состоянию космической эволюции, которое имеет место быть сейчас.

Ученые считают, что самые ранние периоды зарождения Вселенной -- продлившиеся от 10 -43 до 10 -11 секунды после Большого взрыва, -- по прежнему являются предметом споров и обсуждений. Если учесть, что те законы физики, которые нам сейчас известны, не могли существовать в это время, то очень сложно понять, каким же образом регулировались процессы в этой ранней Вселенной. Кроме того, экспериментов с использованием тех возможных видов энергий, которые могли присутствовать в то время, до сих пор не проводилось. Как бы там ни было, многие теории о возникновении Вселенной в конечном итоге согласны с тем, что в какой-то период времени имелась отправная точка, с которой все началось.

Релятивистская модель Вселенной , вытекающая из теории тяготения А. Эйнштейна (1917 г.), позволила снять фотометрический и гравитационный парадоксы. Напомним, что согласно новой модели свойства Космоса определяются распределением гравитационных масс: Вселенная безгранична, но при этом замкнута и представляет собой пространственно-временную четырехмерную сферу с «плавающей» материей. Аналогией может служить любая знакомая нам сфера, например, глобус или сама планета Земля: путешественник никогда не достигнет линии горизонта, но при этом площадь шара может быть выражена точным конечным числом.

Однако, несмотря на очевидную революционность идей, Эйнштейн в начале ХХ в. оставался в плену мировоззренческих установок на статичность и вечность мироздания.

Дальнейшее развитие космологии, становление парадоксальной для классического естествознания XIX в. модели расширяющейся Вселенной удобнее всего рассматривать в хронологическом порядке.

В 1917 г. А. Эйнштейн при создании своих уравнений поля ввел специальную «космологическую постоянную Λ» или «лямбда-член», необходимую для того, чтобы они допускали решения, приводящие к описанию стационарной Вселенной. Интересно, что впоследствии Эйнштейн назвал введение космологической постоянной «величайшей ошибкой своей жизни». Гораздо позднее выяснилось, что «космологическая постоянная» играет важную роль в описании некоторых этапов эволюции Вселенной.

В 1922 г. русский математик и геофизик Александр Александрович Фридман (1888-1925) нашел нестационарные решения гравитационного уравнения Эйнштейна и предсказал расширение Вселенной, положив начало нестационарной космологической модели (расширяющейся или сжимающейся). Важно отметить, что речь шла о расширении самого пространства . Экстраполируя ситуацию в прошлое, можно было придти к сенсационному выводу: в самом начале вся материя Вселенной была сосредоточена в компактной области, из которой и начала свой разлет. Космос в этих расчетах стал напоминать раздувающийся мыльный пузырь или резиновый воздушный шар, у которого и радиус, и площадь поверхности непрерывно увеличиваются. Поскольку во Вселенной очень часто наблюдаются явления взрывного характера, у А. Фридмана возникло предположение, что и в самом начале ее развития также лежит аналогичный процесс. Позднее он получил название «Большой взрыв».

Эйнштейн был настолько уверен в невозможности события «начала» Вселенной, что даже опубликовал в одном из журналов небольшую статью о якобы найденной им грубой ошибке, допущенной А. Фридманом. Однако через несколько месяцев переписки Эйнштейн публично снял свои возражения, хотя при этом все же считал результаты Фридмана не имеющими какое-нибудь отношение к действительности, а скорее «игрой ума».

В ходе продолжающихся дискуссий о реальной возможности расширения Космоса рождались новые модели. В частности о расширении Вселенной, наполненной веществом, говорилось и в первой космологической работе крупнейшего бельгийского астронома и математика, католического священника, аббата Ж. Леметра (Georges Lemaître, 1894-1966), опубликованной в 1925 г. Однако для серьезного рассмотрения новой модели требовалось серьезное экспериментальное подтверждение.

Оно было впервые получено спустя четыре года, в 1929 г. Американский астроном Э.Хаббл (Edwin Powell Hubble; 1889-1953) установил, что все наблюдаемые гигантские звездные системы - галактики удаляются от нас и даже вычислил с какой именно скоростью. В своих выводах Э. Хаббл исходил из эффекта Доплера – закономерности изменения частоты и длины регистрируемых волн, вызванной движением их источника. Эффект Доплера каждому легко наблюдать на практике, например, когда мимо наблюдателя, стоящего на платформе, проезжает гудящий локомотив. Предположим, гудок выдает какой-то неизменный определенный тон. Когда локомотив не движется относительно наблюдателя, он слышит именно тот тон, который в действительности издается гудком. Но если локомотив будет приближаться к наблюдателю, то частота звуковых волн увеличится, а длина уменьшится, и наблюдатель услышит более высокий, чем на самом деле, тон. В момент, когда поезд будет проезжать мимо наблюдателя, он услышит тот самый тон, который издается на самом деле. А когда локомотив проедет дальше и будет уже отдаляться, наблюдатель услышит более низкий тон, вследствие меньшей частоты и, соответственно, большей длины звуковых волн. Визуально аналогичный эффект распространения волн на поверхности воды можно наблюдать с берега при движении лодки или пловца.

Анализируя спектры электромагнитного излучения галактик, Хаббл зарегистрировал красное смещение - сдвиг наблюдаемых спектральных линий в красную (длинноволновую) сторону, что свидетельствовало об удалении галактик друг от друга с возрастающей скоростью 55 км/с на каждый миллион парсек. Заметим, что речь идет не о «разлете» галактических систем в пространстве, а о расширении самого пространства, подобно тому, как «разбегаются» точки, нанесенные на поверхность воздушного шара при последующем его надувании. Соответственно, вопрос о месте точки, из которой когда-то начался «разбег» материи, не корректен, потому что изначально все различаемые нами отдельные точки-координаты пространства находились вместе . Впервые термин «Большой взрыв » или «Большой хлопок » (Big Bang ) применил британский астроном Ф. Хойл (Sir Fred Hoyle; 1915-(19150624)2001) на одной из своих лекций в 1949 г.

В научном сообществе открытие Э. Хаббла вызвало не только широкий резонанс, но и острые дискуссии. Для надежного подтверждения новой, динамичной картины мира требовались новые факты.

В 1948 г. начали выходить работы русского и американского физика Георгия Антоновича Гамова (1904-1968) о «горячей Вселенной», основанные на модели А. Фридмана. Согласно Фридману, Взрыв породил пространство, наполненное сверхплотным веществом, из которого через миллиарды лет образовались наблюдаемые тела Вселенной - звезды, галактики и планеты. Георгий Гамов предположил, что первичное вещество мира было не только сверхплотным, но и очень горячим. Новая идея заключалась в том, что в горячем и плотном веществе ранней Вселенной происходили ядерные реакции, и в этом «ядерном котле» за несколько минут были синтезированы легкие химические элементы. Самым эффектным результатом данной теории стало предсказание космического фона излучения. По законам термодинамики электромагнитное излучение в ранней Вселенной должно было сосуществовать вместе с горячим веществом, оно не исчезает при общем расширении Космоса и сохраняется - только сильно охлажденным - до сих пор как «эхо Творения » или «эхо Большого взрыва ». Гамов смог ориентировочно оценить, какова должна быть температура гипотетического остаточного излучения в настоящее время. Расчет давал весьма низкие показатели, близкие к абсолютному нулю (0 К или −273,15 °C) – от 1 до 10 К. В 1950 г. Г. Гамов внес уточнения в расчеты и назвал температуру около 3 К.

В 1955 г. молодой советский радиоастроном Тигран Арамович Шмаонов экспериментально обнаружил шумовое СВЧ излучение с температурой около 3K, а в 1964 г. американские радиоастрономы А. Пензиас (Arno Allan Penzias; род. в 1933 г.) и Р. Вилсон (Robert Woodrow Wilson; род. в 1936 г.) открыли космический фон излучения и измерили его температуру: она оказалась равной именно 3 К. Это было самое крупное открытие в космологии со времен наблюдения Хабблом в 1929 г. общего расширения Вселенной. В 1978 году А. Пензиасу и Р. Вилсону была присуждена Нобелевская премия «за открытие микроволнового реликтового излучения ». Термин «реликтовое (т.е. древнейшее или остаточное) излучение » ввел советский астрофизик Иосиф Самуилович Шкловский (1916-1985). Таким образом, модель «горячей вселенной» Г. Гамова оказалась экспериментально подтвержденной.

Теория «Большого взрыва» предполагала, в частности, что Вселенная должна на 23% состоять из гелия. Проведенные измерения содержания гелия в звездах и туманностях подтвердили эти предсказания. Еще более впечатляющим является подтверждение предположений о количественном содержании в космическом веществе тяжелого изотопа водорода – дейтерия и элемента лития.

Изучение реликтового излучения в 1990-е гг. продолжилось при помощи зонда космического фона СОВЕ (Cosmic Background Explorer) агентства NASA. В 2003 и 2009 гг. были запущены специальные астрономические космические аппараты-спутники: WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) Национального управления США по аэронавтике и исследованию космического пространства и «Планк» (Европейское космическое агентство) для проведения высокоточных измерений параметров реликтового излучения.

Вместе с данными предшествующих измерений, полученная информация позволила физикам развить современную стандартную космологическую модель (ΛCDM (читается «Лямбда-СиДиЭм»; сокращение от Lambda-Cold Dark Matter ), согласно которой Вселенная заполнена, помимо обычной барионной материи, темной энергией (описываемой упоминаемой выше космологической постоянной Λ в уравнениях Эйнштейна) и холодной темной материей (Cold Dark Matter ). С высокой точностью был установлен возраст Вселенной и распределение по массам различных видов материи («обычная» барионная материя - 4 %, темная материя - 23 %, темная энергия - 73 %). Согласно этой модели возраст Вселенной оценивается в 13,75 млрд. лет. Выяснилось, что наблюдаемое неравномерное распределение вещества напоминает квазиупорядоченные структуры в виде сот с ячейками неправильной формы размерами порядка 100 млн. световых лет. Рождение гармоничной крупномасштабной структуры Вселенной в некоторых богословских моделях соотносится с библейской «твердью» (Быт. 1:6-8) второго творческого дня.

Реконструированная хронология Большого Взрыва может быть представлена в следующем виде (рассматриваются только некоторые этапы).

Нулевой этап. Если доверять математическим расчетам, до Большого взрыва все вещество и вся энергия Вселенной были сконцентрированы в одной геометрической точке с нулевыми размерами, нулевым временем, но с массой и давлением, стремящимися к бесконечности. Это состояние Г. Гамов предложил назвать Августинской эпохой - в честь блаженного Августина, который говорил о появлении времени вместе с материей и пространством. Это начальное состояние Вселенной называется также сингулярностью (лат. singularis - единственный). Однако, согласно принципу неопределенности В. Гейзенберга, рассмотренному нами в главе, посвященной квантовой механике, вещество никак не может быть «стянуто» в одну точку, т.к. невозможно одновременно вести речь о координатах и скорости частицы. Таким образом, момент начала творения – сингулярность - не подчиняется ни одному из известных законов физики.

В современной инфляционной модели (лат. inflatio - вздутие, раздутие) «началом всего» является восьмимерное пространство или вакуум (лат. vacuum - пустота), приближающееся по размерам к точке. Вакуум нельзя назвать абсолютной пустотой – это среда с особыми свойствами, находящаяся в равновесном состоянии: в ней существуют виртуальные частицы, которые «занимают» у ваккума энергию на краткий миг, чтобы родиться и, возвращая занятую энергию, тут же исчезнуть. Иными словами, происходят квантовые флуктуации полей в возбужденном вакууме. Одна из таких флуктуаций может вывести вакуум из состояния равновесия, виртуальные частицы начинают захватывать энергию без отдачи, становясь реальными. Первые появившиеся нестабильные частицы выдающийся физик И. Пригожин отождествлял с черными мини-дырами , распадающимися на обычную материю и излучение. В целом, процесс мог выглядеть таким образом: спонтанная флуктуация вакуума > появление черных мини-дыр > рождение пространства-времени > рождение элементарных частиц. «Существует некоторая аналогия с переохлажденной жидкостью и порогом перехода в кристаллическое состояние, - писал И. Пригожин, - Мы можем наблюдать в переохлажденной жидкости флуктуации, приводящие к образованию крохотных кристаллов, которые то появляются, то снова растворяются. Но если образуется крупный кристалл, то происходит необратимое событие – кристаллизация всей жидкости».

С точки зрения теории струн , упоминавшейся выше в главе, посвященной строению материи на уровне микромира, начальные условия до Большого взрыва описываются следующим образом: сначала все пространственные измерения плотно свернуты до минимальных размеров планковской длины - 10 −33 м. Температура и энергия высоки, но не бесконечны. В начальный момент существования Вселенной все пространственные измерения совершенно равноправны и полностью симметричны: все они свернуты в «многомерный комок» планковских размеров (10 −33 м). Далее Вселенная проходит первую стадию понижения симметрии, когда в планковский момент времени (10 −43 с) три пространственных измерения «отбираются» для последующего расширения и принимают наблюдаемую ныне форму, а остальные сохраняют исходный планковский размер.

Инфляционный период . Прошедшее с начала расширения Вселенной время составляет 10 −33 с. За этот период с огромной скоростью происходит увеличение ее пространственных размеров до 10 50 раз. Отсюда и применение термина - «инфляция ». Происходит вторичный разогрев материи.

Кварковая эпоха – от 10 −12 до 10 −6 с. Электрослабая симметрия нарушена, все четыре фундаментальные физические взаимодействия существуют раздельно. Кварки еще не объединены в адроны. Вселенная заполнена кварк-глюонной плазмой, лептонами и фотонами.

Адронная и Лептонная эры – от 10 −6 до 3 с. На данном этапе температура понизилась до 10 13 К, прекратилось свободное существование кварков. Начался процесс аннигиляции - взаимоуничтожения барион-антибарионных, а затем лептон-антилептонных пар, сопровождающийся излучением энергии или рождением новых частиц. Благодаря нарушению симметрии вещества-антивещества остается малый избыток барионов над антибарионами (около 1:10 9). Вещество становится прозрачным для нейтрино.

Протонная (фотонная) эпоха – от 3 минут до 380 тыс. лет. Образуются атомы, идет нуклеосинтез гелия, тяжелого изотопа водорода – дейтерия и лития. Вещество начинает доминировать над излучением, что приводит к изменению режима расширения Вселенной. В конце эпохи Вселенная становится прозрачной для фотонов, возникает реликтовое излучение.

Темные века - от 380 тыс. до 150 млн. лет. Однородная расширяющаяся Вселенная заполнена водородом, гелием, реликтовым излучением, излучением атомарного водорода на волне 21 см.

Эры Реионизации и Вещества – от 150 млн. до 10 млрд. лет. Из уплотнений вещества образуются первые звезды, квазары, галактики, скопления и сверхскопления галактик. Водород реионизируется светом звезд и квазаров.

Источником собственного свечения звезд являются термоядерные реакции превращения водорода в гелий. Серии ядерных процессов могут порождать более тяжелые химические элементы. Звезды классифицируются по целому раду параметров: размеру, спектрам излучения, яркости, элементарному химическому составу и т.п. В 1910 г. датским астрономом Э. Герцшпрунгом (Ejnar Hertzsprung; 1873-1967) и американским астрофизиком Г. Расселом (Henry Norris Russell; 1877-1957) была разработана специальная диаграмма для классификации звезд и описания процессов их эволюции, носящая в настоящее время имена этих ученых (диаграмма Герцшпрунга-Рассела ).

Глава Согласно теории Большого взрыва, дальнейшая эволюция зависит от экспериментально измеримого параметра - средней плотности вещества в современной Вселенной. Если плотность не превосходит некоторого (известного из теории) критического значения, Вселенная будет расширяться вечно, если же плотность больше критической, то процесс расширения когда-нибудь остановится и начнётся обратная фаза сжатия, возвращающая к исходному сингулярному состоянию. Современные экспериментальные данные относительно величины средней плотности ещё недостаточно надёжны, чтобы сделать однозначный выбор между двумя вариантами будущего Вселенной.

Есть ряд вопросов, на которые теория Большого взрыва ответить пока не может, однако основные её положения обоснованы надёжными экспериментальными данными, а современный уровень теоретической физики позволяет вполне достоверно описать эволюцию такой системы во времени, за исключением самого начального этапа - порядка сотой доли секунды от «начала мира». Для теории важно, что эта неопределённость на начальном этапе фактически оказывается несущественной, поскольку образующееся после прохождения данного этапа состояние Вселенной и его последующую эволюцию можно описать вполне достоверно.

• Основные этапы развития Вселенной

• Вселенная Фридмана

Напишите отзыв о статье "Хронология Большого взрыва"

Примечания

Источники

• // A TREE OF KNOWLEDGE online book

Отрывок, характеризующий Хронология Большого взрыва