Теория Большого взрыва
«Вначале был взрыв. Не такой взрыв, который знаком нам на Земле и который начинается из определенного центра и затем распространяется, захватывая всё больше и больше пространства, а взрыв, который произошёл одновременно везде, заполнив с самого начала всё пространство, причём каждая частица материи устремилась прочь от любой другой частицы». С.Вайнберг. Первые три минуты.
Современный взгляд на происхождение Вселенной.
По современным представлениям, наблюдаемая нами сейчас Вселенная возникла 13,77 ± 0,059 млрд лет назад из некоторого начального сингулярного состояния и с тех пор непрерывно расширяется и охлаждается. Этот момент принято считать моментом зарождения Вселенной, и поэтому его часто берут за начало отсчёта времени.
Открытие расширяющейся Вселенной было одним из знаменательных интеллектуальных переворотов 20-го века. Сейчас мы можем лишь удивляться, что подобная идея не пришла раньше. Исаак Ньютон и другие учёные должны были бы сообразить, что статистическая Вселенная вскоре бы обязательно начала бы сжиматься под действием сил гравитации. При этом вера в статическую Вселенную была столь велика, что существовала в умах учёных ещё в начале 20-го века. Даже Эйнштейн, разрабатывая общую теорию относительности, был уверен в статичности Мира.
Большой Взрыв и разбегание галактик были доказаны благодаря такому явлению, как эффект Доплера. После получения советским математиком Александром Фридманом общего решения уравнений Эйнштейна, применённых к описанию всей Вселенной, было установлено, что Вселенная меняется во времени. Звёздные системы не могут находиться в неизменённых расстояниях друг от друга и должны либо сближаться, либо удаляться.
Из этого следует вывод, что Вселенная должна расширяться или, наоборот, сжиматься до начального состояния. В частности Фридман предсказал необходимость существования «сингулярного состояния» , а значит, и необходимость причины, побудившей сверхплотное вещество расширяться. То есть, в далёком прошлом Вселенная была не похожа на ту, которую мы наблюдаем сегодня. Раньше не было ни отдельных небесных тел, ни систем. Мир был почти однородным, очень плотным и быстро расширялся. Только значительно позже из этого вещества возникли звёзды. Это стало теоретическим открытием взрывающейся Вселенной.
Позже астроном Эдмин Хаббл подтвердил эту теорию благодаря изучению спектров галактик. Звёздные системы и галактики являются структурными единицами Вселенной. Они наблюдаются с больших расстояний, и поэтому изучение их движений стало основой для исследования кинематики Вселенной. Скорость удаления и приближения объектов можно измеряет с помощью так называемого эффекта Доплера, согласно которому длина волны приближающегося источника света меньше, чем удаляющегося. То есть цвет первого источника будет смещён к концу фиолетового спектра, а второго - к красному.
Исследуя свет очень далёких светил, астрономы обнаружили, что линии их спектров смещены в сторону красного края. Долгое изучение спектров галактик показало, что почти все звёздные системы удаляются от нас, причём чем дальше, тем быстрее. Это открытия было шоком для многих учёных, которые считали, что все галактики движутся хаотично, а число удаляющихся и приближающихся галактических скоплений примерно одинаково. Позднее астрофизики установили, что разбегаются не звёзды и галактики, а сами скопления галактик.
При этом удаление галактик при доплеровской интерпретации красного смещения -- это не единственное доказательство Большого Взрыва. Независимым подтверждением служит чернотельное фоновое космическое излучение -- постоянный слабый фон радиоволн, приходящих к нам из космоса со всех сторон. В 1940 году физик Георгий Гамов выдвинул теорию о горячей Вселенной, которая заключалась в том, что в самом начале расширения Вселенной температура вещества была очень велика и падала с расширением. Другой вывод теории гласил, что в сегодняшней Вселенной должно существовать слабое электромагнитное излучение, оставшееся от эпохи большой плотности и температуры вещества. По мере развития Вселенная остывала, пока излучение не превратилось в слабый остаток. И сегодня интенсивность этого реликтового излучения такая, какой следует ожидать в наше время от заметно ослабшего Большого Взрыва.
Брайан Грин в своей книге «Ткань Космоса» отмечает, что неправильно думать о Большом взрыве, как о теории возникновения космоса. Большой взрыв-это теория, которая намечает космическую эволюцию от долей секунды после чего-то произошедшего, чтобы привести Вселенную к существованию. Эта теория не говорит о том, что взорвалось, о причине возникновения сингулярности, или материи и энергии.
В результате развития теории Большого взрыва, учёные выделили точку начала расширения наблюдаемой Вселенной- космологическую сингулярность. В этот момент нарушается математически корректное описание геометрии пространства и времени. Сам термин «сингулярность» можно назвать особенностью, ибо начальное состояние материи характеризовалось совершенно исключительными плотностями материи и энергии, стремящимся к бесконечности. Иногда сингулярность называют «первичным огненным шаром» в котором не могло существовать ни одной из структур, наблюдаемых сегодня,- ни галактик, ни звёзд. Даже атомы должны были быть разделены на части под действием высокого давления и температуры.
Что происходит в области сингулярности не известно, но логически ясно, что там нарушаются многие законы теории относительности и квантовой физики.
Зная, что история нашей Вселенной началась с некого сингулярного состояния, стоит задать вопрос, что послужило причиной её расширения. Огромное давление в начале не может стать причиной большой скорости разлёта вещества, потому что из-за однородности первоначальной стадии исчезают перепады давления, которые могут создать силу, ведущую к разлёту. Более того, большое давление увеличивает силы тяготения, замедляя расширение пространства. Однако, существуют такие свойства вакуума, которые в некоторых случаях, обладают положительной плотностью энергии, плотностью вещества, отрицательным давлением или натяжением. Это приводит к тому, что космологическая постоянная, величина, характеризующая свойства вакуума, может оказаться такой большой, что своим гравитационным действием она затмит тяготение обычной физической материи и приведёт к «толчку», с которого началось расширение Вселенной. Исходя из сказанного, стоит заметить, что процесс Большого взрыва нельзя сравнивать со взрывом гранаты, когда в пространстве рождаются и разлетаются частицы и атомы, подобно осколкам и газам. Эта аналогия является абсолютно неверной и не объясняет, как возникло пространство и время. В случае с бомбой сила, которая способствует разлёту частиц, вызвана градиентом давления внутри вещества, а во Вселенной вещество однородно и градиентов давления нет. Из-за большой величины отрицательного давления знак источника меняется, и возникает антигравитация, которая ведёт к расширению мира. Именно в этом заключается причина Большого взрыва.
Важно понимать, что расширение пространства не влияет на размер объектов - звёзд, галактик и туманностей.
Это связано с гравитационными силами, которые удерживают галактики. Если бы всё свободно расширялось, то мы сами,
наши дома и планеты расширялась бы пропорционально расширению пространства, и мы бы не заметили никакой разницы.
Обычно учёные сочетают теорию Большого взрыва и модель горячей Вселенной, но эти концепции независимы, и исторически существовало также представление о холодной начальной Вселенной вблизи Большого взрыва. Сегодня теория о горячей ранней Вселенной доказана наличием реликтового излучения.
Астрономы обнаружили и другие свидетельства, подтверждающие связь Большого взрыва с горячей ранней Вселенной. Примерно в течении одной минуты после взрыва температура молодого Мира была выше, чем в ядре любой звезды. Вселенная работала, как термоядерный реактор, но реакции прекратились, когда Вселенная остыла и расширилась. При этом она состояла из водорода и гелия с небольшими примесями лития. Расчёты хорошо согласуются с теми массами гелия и водорода, которые мы наблюдаемся в наше время.
За тайной космической сингулярности долго скрывался секрет происхождения Вселенной, однако, в 1960-хх гг. стали возникать и другие сценарии происхождения Мира.
