Всё из ничего: Теория Большого Взрыва и другие интересные штуки

Уже несколько тысячелетий человечество смотрело на небо, мечтая отправится туда и разгадать все его загадки. И если с первым мы все-таки справились в прошлом веке, то со вторым все намного сложнее: чем больше мы узнаем, тем больше вопросов возникает. В данной статье поговорим немного о том, что известно ученым на данный момент.

Начну с самой известной научной теории, вокруг которой ходит немало заблуждений. И самое популярное заблуждение, которое было и у меня, заключается в том, что вселенная возникла в результате какого-то взрыва, после чего она начала сильно расширяться. На деле же, мы точно не знаем в результате чего из буквального ничего появилось что-то. А взрыва не было как минимум потому, что нечему было взрываться.

ТБВ это не теория о рождении нашей вселенной. Отчасти, она конечно отвечает на вопрос о происхождении, но ее основная цель совершенно иная. И чтобы лучше объяснить, начну с самого начала.

В далеком 1912 году американский астроном Весто Слайфер измерил первое допплеровское смещение спиральных галактик, и заметил крайне интересный эффект - все подобные галактики равноудаляются от Земли.

На тот момент времени это не вызвало ажиотажа, так как не было особого понимания этих объектов, тогда они вообще назывались туманностями, и были идеи того, что они все находились внутри Млечного пути (в результате великих дебатов 1920 года, ученые установили, что это все таки отдельные галактики).

Позже, в 1916 году, вышла работа, которая поделила научный мир на до и после. И этой работой была "Основы общей теории относительности" Альберта Эйнштейна. На основе его теории базируется практически все нынешнее представление ученых о нашей Вселенной. И именно благодаря гравитационным уравнениям Эйнштейна, советский космолог и математик Александр Фридман в 1922 году вывел уравнения, которые показали, что вселенная расширяется.

Тогда главенствовала идея, что вселенная статичная. Даже Эйнштейн в своих работах основывался именно на статичной вселенной. Но несмотря на это, теория относительности прекрасно работала и в расширяющейся вселенной, благодаря одному "костылю", который Эйнштейн впоследствии назвал своей главной ошибкой. Позже эта "ошибка" поспособствовала другому прорыву, но об это речь пойдет в другом разделе. Главное что нужно понять: идея о расширяющейся вселенной не было принята научным сообществом единогласно, споры происходили еще порядка полвека.

Главным создателем теории большого взрыва принято считать Жоржа Леметра - бельгийский астрофизик, математик, а также священник. В 1927 году на основе все той же теории относительности, он независимо от Фридмана вывел уравнения Фридмана, и построил теорию о расширяющейся вселенной в своей статье, вышедшей в том же году. Также он первый вывел зависимость скорости расширения от расстояния, которая позже, в 1929 году, станет известна как постоянная Хаббла. (при публикации работы он решил отказаться от нескольких вычислений, в том числе и этой).

Но именно 1931 год можно считать годом рождения Теории большого взрыва. Тогда Леметр предположил, что если расширение вселенной отмотать назад по времени, то она сожмется до невероятно малого размера, "первобытного атома".

Эти идеи вызвали сильное негодование в научном сообществе. Теория предполагала точку отсчета, "начало времен", что позволяло трактовать её как поддержку религии. А учитывая что создатель теории был в том числе священником, критика шла в удвоенном масштабе. Были выдвинуты другие интерпретации расширения вселенной. Фридман и Эйнштейн, к примеру, предполагали циклическую модель: после большого взрыва должно следовать большое сжатие, и наоборот. И так до бесконечности.

В конечном итоге остались две теории:

Собственно, открытие космического микроволнового фонового излучения (научное название реликтового излучения) в 1965 году американскими астрофизиками Пензиасом и Вильсоном и поставило жирную точку в данном споре. Теория Большого Взрыва стала самой правдоподобной теорией о расширении вселенной, имеющую большую доказательную и предсказательную базу.

Современная теория большого взрыва протерпела некоторые изменения, были добавлены новые идеи, а также ученые прорабатывали ответы на вопросы, которые ТБВ попросту проигнорировала.

Оригинальная версия теории Леметра объясняла только расширение вселенной, поэтому группа ученых, которые поддерживали его видение, решили доработать её и создали "модель горячей вселенной". Она появилась в 1947 году благодаря вышеупомянутому Г. Гамову, и именно на основе этой модели и было предсказано реликтовое излучение. Она рассказывает как выглядела вселенная на первых этапах своего развития, и как происходило расширение.

Согласно этой модели, вселенная на начальных этапах представляла собой "бульон" из очень плотной горячей плазмы, в которой куча электронов, протонов, фотонов и многих других частиц в беспорядке сталкивались между собой. Из-за того, что их скорости были очень высокими, у них не было ни времени, ни пространства, чтобы объединится во что-то крупнее. Но вселенная равномерно расширялась, плотность падала и тем самым охлаждалась, благодаря чему частицы начали образовывать атомы, а фотоны смогли свободно путешествовать. В конечном итоге образовались первичные звезды, а фотоны перестали самопоглощаться, и отправились в путешествие, дошли до нашей Земли, образовав реликтовое излучение.

Но если вы внимательно посмотрите на ночное небо, вы ничего кроме черноты и близких к нам звезд не увидите, хотя по идее все небо должно сиять как днем. Дело в том, что спектр реликтового излучения напоминает спектр абсолютного черного тела, так что вся эта чернота и есть реликтовое излучение. Так получилось из-за растяжения длины волны света. На малых дистанциях, в тысячи и несколько миллионов лет этот эффект не очень заметен, и свет остается в рамках видимого спектра.

Но в рамках миллиардов лет, свет настолько сильно смещается в красную область, что уходит из видимого спектра в инфракрасный и микроволновый спектр, зависит от возраста фотона.

Но были у этой модели и серьёзные проблемы. Во-первых, исходя из этой теории, во вселенной должны наблюдаться сильные неоднородности, то есть реликтовое излучение должно быть анизотропно, но наблюдаем мы вполне изотропную однородную картину. Хотя, если взглянуть на карту реликтового излучения, то могут возникнуть вопросики по поводу её однородности...

Но постойте бить лица ученым, тут примерно та же петрушка, что и с плоской картой Земли. Это сделано для наглядности, в реальности разница между самым холодным участком и самым горячим составляет где-то 6мкК или 0.006К. Чтобы вы понимали, размерность шкалы Кельвина примерно равна 1 градусу Цельсия, грубо говоря разница составляет 0.006 градусов Цельсия. Это уровень статистической погрешности! Так что наша вселенная невероятно однородна.

Во-вторых, существовала проблема плоскостности вселенной. О ней я поговорю подробнее ниже. Для решений этих и многих других проблем была создана инфляционная модель Вселенной. Но перед тем как к ней перейти стоит поговорить о не менее интересной вещи.

Про шарообразную форму нашей матушки Земли стало известно еще в античной Греции благодаря различным геометрическим фокусам, а после изобретения подзорных труб её кривизну можно было наблюдать воочию. Сейчас только весьма недалекие люди придерживаются устаревшей теории о плоской Земле, но что по поводу вселенной? А с ней все не так просто.

Также как и древние греки не могли вылететь в космос, чтобы посмотреть на Землю со стороны, так и мы не имеем возможности вылететь за пределы вселенной, и скорее всего не сможем никогда. Но! Мы можем измерить кривизну пространства-времени, и в этом нам поможет темная материя.

Что такое темная материя до сих пор остается загадкой (предпологают, что она состоит из WIMP-частиц), но большинство учёных не сомневаются в её существовании: уж слишком хорошо она вписывается в гравитационные взаимодействия галактик, да и во многие другие вещи тоже. Ученые смогли подсчитать её количество и она равняется примерно 23% от всего состава вселенной. Остальное это 72% темной энергии и 5% барионной (видимой) материи.

Благодаря этому ученые смогли подсчитать плотность пространства вселенной и определить её кривизну. Есть 3 стула на которые могла сеть вселенная: закрытая, плоская и открытая.

Если плотность превышает некое критическое значение (P>Pкр), получается вселенная закрытого типа. В такой вселенной углы треугольника будут больше 180 градусов, а её расширение будет замедляться до момента начала большого сжатия. Во вселенной открытого типа, где плотность ниже критического уровня, углы треугольника составляют меньше 180 градусов, а её расширение идет вверх.

И как можно было догадаться, наша вселенная имеет плотность близкой к критической, поэтому её определяют как плоскую вселенную с практически нулевой кривизной (она составляет -0.004). Хотя из описания моделей наша вселенная могла быть и открытой, но измерения плотности говорят в пользу плоской версии. Конечно существуют места, где происходят дикие искривления пространства-времени, например в черных дырах, но в масштабах вселенной это крайне маленькие области пространства, как холм по сравнению со всей поверхностью Земли.

В этом и заключается проблема плоскостности — как наша вселенная пришла к такому точному значению? И поддерживает его на протяжении 13,7 млрд. лет. Это очень хрупкий баланс, тонкая начальная настройка темной материи и энергии. Шаг влево, шаг вправо — и вселенная начинает работать совершенно по-другому. И ученые, кажется, нашли ответ на этот вопрос.

Инфляционная модель это своего рода заплатка, фикс патч к модели горячей вселенной. В её основе лежит все тот же первичный бульон из плазмы в течении первых нескольких долей секунды жизни вселенной, но вместо планомерного расширения, эта модель предлагает своеобразный второй большой взрыв - инфляцию.

Inflation с английского переводится как "вздутие", что очень подходит к описываемым событиям. Вселенная за крайне маленький промежуток времени увеличилась в 10 в 28 степени раз. Вдумайтесь в это число: единица с 28 нулями после неё.

Что же послужило толчком к подобному вздутию? Когда вселенная расширялась и охлаждалась, создавая больше пространства для маневра частицам, возникла ситуация, когда она как бы "застыла", но при этом охлаждение протекало и дальше. Ученые называют это мета-стабильным состоянием. Это продолжалось крайне недолго, стабильность упала и вся энергия вышла наружу, совершив настолько вот невероятный рывок. Чтобы было понятнее, приведу пример из обычной жизни: с помощью холодного пивасика.

Предположим, Габедан хотел по-быстрому охладить баночку пива, и решил закинуть ненадолго в морозилку, но отвлекся на дтф и она продержалась там больше положенного. Когда он достал баночку, с удивлением обнаружил, что в банке вполне себе плескается жидкость. Но после вскрытия, прямо на его глазах жидкость начинает быстро превращаться в лед. "Это что за чёрная магия?!" - кричит в отчаянии Габедан.

Дело в том, что вода замерзает при температуре 0 градусов по Цельсию когда соблюдаются 2 условия: нормальное атмосферное давление (примерно 760 мм рт.ст), и наличие точек кристаллизации. В запечатанной банке давление выше атмосферного, потому и происходит пшиканье при открытии - выходит избыточное давление.

При высоком давлении предпочтительным низкоэнергетическим состоянием является жидкая форма, но когда давление нормализуется, то теперь воде куда удобнее быть в твердой форме, поэтому и происходит фазовый переход. Причем при этом может выделяться энергия, так называемая "скрытая теплота", из-за разницы низкоэнергетических состояний в каждой форме.

Что-то подобное произошло и со вселенной во время инфляции. Вселенная тоже совершила фазовый переход из одного низкоэнергетического состояния в другое, с выделением "скрытой теплоты", которая и рванула расширение пространства в нескольких десятков степеней.

Но сам процесс инфляции не был равномерным на протяжении всего пространства вселенной. В свободном пространстве начинают происходить квантовые флуктуации - бурление различных частиц и полей. Из-за них в каких-то местах вселенной инфляция закончилась раньше, в каких-то позже, в результате чего и возникла такая небольшая разница в температурах, которые мы можем наблюдать на карте реликтового излучения.

Эти идеи предложили американец Алан Гут и советско-американский ученый Андрей Линде в 70-х и 80-х годах прошлого века. Они оба в 2014 году получили Премию Кавли за "Открытие теории инфляции".

Но как эта модель помогает решить проблемы "Модели горячей вселенной"?

Тут можно привести довольно забавный пример. В обычном состоянии воздушный шарик имеет много складок и в целом имеет довольно безобразную форму. Но если начать его надувать, то все складки выравниваются, а форма становится более определенная, из-за равного давления изнутри во все стороны. Подобное выравнивание происходило и с пространством Вселенной во время инфляции, но в качестве движущей силы использовалась энергия ложного вакуума (та самая скрытая теплота). Со временем эта энергия закончилась, инфляция тоже остановилась и дальнейшее расширение вселенной начало происходить в прежнем темпе.

Но у этой теории есть недостаток. Как и другие научные теории она является попыткой объяснить наблюдаемые явления, и со своей задачей она вполне справляется. Но научная теория ещё должна иметь и рабочую предсказательную модель, иначе она ничем не будет отличаться от шизотеорий конспирологов. И с этим есть проблемы. У неё есть лишь косвенные предсказания: карта реликтового излучения напоминает квантовые флуктуации в микромире.

Только вот теории квантовой гравитации, которая связывает теорию относительности в макромире и квантовую механику из микромира НЕ СУЩЕСТВУЕТ. Учёные несколько десятков лет пытаются создать теорию всего, и ничего не выходит - любые попытки вставить гравитацию в формулы квантовой механики делают их бессмысленными. А тут в макромире возможно виднеются последствия микромира, и мы никак не можем однозначно это теоретически объяснить. Вселенная будто бы жирно троллит человечество, а нам только и остаётся что биться головой об стену.

С того момента, как расширение вселенной стало доказанным явлением, все это время учёные считали что она замедляется. Это было вполне логичным заявлением, учитывая гравитационные силы притяжения всех объектов во вселённой, которые должны были замедлять расширение. Должны были, но наблюдения показали иначе.

В 1998 году трое учёных во главе с Б. Шмидтом обнаружили ускорение расширения, когда наблюдали за блеском сверхновых типа IA. Измеряя блеск, которая отвечает за расстояние до звезды, и красное смещение, которое отвечает за скорость удаления её от нас, можно составить такой график.

Если есть тенденция к понижению относительно оси X, то это говорит о замедлении расширения, если наоборот идёт к повышению, то это говорит об ускорении. На графике можно увидеть, что большинство сверхновых идут над осью X. Бинго! Но как работает этот график?

Сверхновые типа IA имеют постоянную светимость, так что их блеск зависит только от расстояния до них. А отношение расстояния и скорости движения удаления от нас является постоянной величиной, называемой постоянной Хаббла. Соответственно, если вселенная не ускоряется, то все точки будут находится на прямой линии, так как при увеличении расстояния, красное смещение тоже увеличится в тех же пропорциях, сохраняя их отношения постоянными.

Но если вселенная ускоряется, то красное смещение становится больше, так как свету нужно больше времени чтобы добраться до нас. При замедлении происходит все наоборот. На графике это и можно увидеть, чем дальше сверхновые от нас, тем больше отклонение от прямой, которая и показывает предсказанное соотношение.

Это открытие произвело настоящий фурор в научном сообществе, но тем не менее её достаточно быстро приняли. А журнал Science назвал её научным прорывом года, и сделал такую забавную обложку с Эйнштейном.

Но за счет чего происходит ускорение расширения? А вот и настало время вспомнить о главной "ошибке" Эйнштейна. В своей работе он опирался на статичную вселенную, и чтобы "подогнать" её под реальность, использовал коэффициент, который позже станет известен как "Космологическая постоянная". Когда открыли и доказали расширение вселенной, то решили от неё отказаться, по сути она стала равняться нулю. Но когда обнаружили ускорение, то пришлось достать её с антресолей.

Космологическая постоянная показывает энергию пустого пространства, энергию вакуума. Сейчас она более известна под названием "Темная энергия", по аналогии с темной материей. Она порождает так называемое "отрицательное давление", или "гравитационное отталкивание", что означает, что когда вселенная расширяется, расширение сбрасывает энергию в пространство, а не наоборот.

Её природа также неизвестна, и пока что нет даже теоретических частиц. На данный момент она преобладает в составе нашей вселенной - около 72% от всего объёма. Но так было не всегда.

Когда-то расширение вселенной не ускорялось, а замедлялось, но в определенный момент жизни вселенной, расширение начало ускорятся. Это связывают как раз с тем, что темная энергия начала преобладать в составе, и её влияние послужило толчком для начала ускорения. И её количество будет только расти, увеличивая скорость ускорения расширения до сверхсветовых значений. Это не противоречит ОТО, так как ограничение на скорость работают только для движения в пространстве, а не на движение самого пространства. По расчетам ученых, если вся эта модель соответствует реальности, через 2 трл. лет условный астроном-инопланетянин, посмотрев на ночное небо, не увидит ничего, кроме черноты, потому что все космические объекты будут удалятся с такой скоростью, что свет от звезд не будет поспевать за ними.

Но в 2020 году группа корейских ученых сделали заявление, что блеск сверхновых не является постоянной, и может зависит ещё и от химического состава и возраста звездной системы. Так что вся эта теория с ускорением может быть просто ошибкой (на существование темной энергии это заявление никак не влияет).

А также существует проблема космологической постоянной - по теоретическим расчётам учёных, энергия вакуума должна иметь настолько большое значение, что нашу планету бы просто разорвало. И это мягко говоря, не соответствует наблюдениям. Эти расчёты называют самыми ужасными теоретическими предсказаниями за всю историю науки.

В рамках этой статьи, я довольно поверхностно коснулся тех теории, которые представляют наше общее представление о развитии вселенной. За более подробной информацией советую обратится к книге "Вселенная из ничего", на основе которой я и написал эту статью. В какой-то степени этот лонг является "обзором" книги, хотя я и упростил некоторые вещи, добавил немного дополнительной информации от себя, а также приправил мемами, чтобы разбавить духоту.

P.S. Мемы с землёй-чан переведены и доработаны мной.

P.S.S. Ну и напоследок. Матушка Земля единственная в своем роде планета с жизнью, по крайне мере в ближайшем по космическим меркам пространстве. И если с ней что-то случится, как с Марсом например (есть некоторые теории, что на Марсе когда-то была вода), то человечеству настанет ХАНА, и про космическую цивилизацию можно будет забыть. Так что любите и лелейте нашу планету, не уничтожайте природу, благодаря которой мы появились и живем, и не будьте тупыми как некоторые экоактивисты, которые выступают против ГМО. Мы сейчас находимся на такой стадии развития, что реально можем сильно усложнить (или вообще лишить) жизнь последующим поколениям и самой планеты в целом.

#jfreview #лонг #якорь #в_глубинах_космоса