- Перевод
Как характерная черта, основанная на наблюдении космической инфляции, может провозгласить научную революцию века (18 марта 2014 года)
Несмотря на название, Теория большого взрыва – это вообще не теория взрыва. Это теория последствий взрыва.
- Алан Гут
Когда вы представляете себе начало Вселенной, вы, наверно, думаете о горячем, плотном состоянии, наполненном материей и излучением, которое невероятно быстро расширяется и охлаждается (и, кстати, так всё и было). Но чего нельзя сделать – так это экстраполировать назад до произвольно горячего и плотного состояния. Вы можете думать, что без проблем пройдёте назад по времени, до «сингулярности» с бесконечными температурой и плотностью, когда вся энергия Вселенной была сжата в единую точку – но это не соответствует действительности.
Одна из замечательных особенностей Вселенной состоит в том, что излучение, зародившееся в то время, всё ещё существует. Оно претерпевало отражения от заряженных частиц во времена Вселенной, бывшей юной, горячей и ионизированной (а это продлилось в течение 380 000 лет). Когда Вселенная стала электрически нейтральной (когда материя впервые сформировала нейтральные атомы), оставшееся от Большого взрыва излучение устремилось по прямой, не прерываемое этой нейтральной материей.
По мере расширения Вселенной - из-за того, что энергия излучения определяется длиной волны – эти длина волны растягивалась вместе с расширением пространства, а энергия с тех пор весьма сильно упала. Но это очень помогает нам, поскольку даёт материал для наблюдений.
И если бы мы могли увидеть и измерить эти волны, они дали бы нам окошко для заглядывания в раннюю Вселенную! И вот, в 1960-х, Арно Пензиас и Роберт Уилсон обнаружили это остаточное свечение от Большого взрыва – излучение, равномерно идущее во всех направлениях, всего лишь на несколько градусов выше абсолютного нуля – и в нём учёные сразу узнали микроволновое космическое фоновое излучение, которое так долго искали!
Спустя 50 лет мы добились невероятного прогресса. Мы смогли не только измерить энергетический спектр этого излучения, но и измерить присущие ему крошечные флуктуации температуры, а так же их масштабы, их взаимосвязь между собой и как это все относится к эволюции Вселенной.
В частности, мы узнали, как выглядела Вселенная в возрасте 380 000 лет, из чего она сделана, и как взаимодействующая материя повлияла на излучение на его пути к нашим глазам длиною в 13,8 миллиардов лет.
Но есть ещё кое-что, что может дать нам информацию об этих вещах: мы можем изучать не только энергию и температуру света, но и его поляризацию. Дайте-ка я поясню.
По сути, свет – это электромагнитная волна. Значит, он состоит из колеблющихся электрических и магнитных полей, перпендикулярных друг другу, у него есть особая длина волны (определяемая энергией), и он распространяется со скоростью света.
Пролетая мимо заряженных частиц, отражаясь от поверхности, взаимодействуя с другими электромагнитными явлениями, электрические и магнитные поля реагируют с окружающей их средой.
Изначально полученный свет должен быть неполяризованным, но огромное количество вещей приводит к его поляризации самыми разными способами. Иначе говоря, свет, который обычно имеет случайно ориентированные электрические и магнитные поля, может испытать взаимодействия, в результате которых у них появится предпочтительная ориентация. И вот она уже сможет рассказать нам очень много познавательных вещей про то, с кем свет взаимодействовал за свою историю.
Эффект поляризации фонового микроволнового излучения впервые открыли в прошлом десятилетии при помощи спутника WMAP, а от обсерватории «Планк» в будущем ожидают ещё лучших результатов (но этот тип исследований, надо отметить, очень сложен в реализации). Поляризация, благодаря которой свет выглядит «радиальным», называется Е-модой поляризации (для электрических полей), а та, из-за которой свет «закручен», называется B-модой поляризации (для магнитных полей).
Большинство наблюдаемых эффектов произошло из-за миллиардов световых лет материи, которую прошёл насквозь свет; мы называем это «передним планом». Ему пришлось пройти весь путь во всех направлениях со времён эры излучения, чтобы дойти сегодня до наших глаз.
Но крохотная, малюсенькая часть поляризации должна была дойти до нас с более ранних времён. Видите ли, до Большого взрыва – до того, как Вселенную вообще можно было бы описать, как горячую, плотную, и наполненную материей и излучением – Вселенная просто экспоненциально расширялась; это был период космической инфляции. В это время во Вселенной господствовала энергия, присущая самому пустому пространству – энергия в количестве гораздо большем, чем присутствует в ней сегодня.
В это время квантовые флуктуации – присущие самому пространству – растягивались по Вселенной, и обеспечивали изначальные флуктуации плотности, которые породили сегодняшнюю Вселенную.
Но только в регионах, где закончилась инфляция, и где эта энергия, присущая пространству, преобразовывается в материю и излучение, и случается Большой взрыв.
И в этих регионах – где закончилась инфляция – у нас получается Вселенная, гораздо большая, чем наблюдаемый её участок. Это и есть идея мультивселенной, и именно поэтому мы считаем, что, скорее всего, живём в ней.
А что насчёт самой этой инфляции? Можем ли мы что-нибудь узнать о ней?
Вы можете решить, что квантовые флуктуации – и посеянные ими флуктуации плотности – это всё, что у нас есть. И до недавнего времени я бы вам так и сказал. Но в теории инфляция порождает и гравитационные волны, которые мы до сих пор не могли обнаружить. LISA, космическая антенна лазерного интерферометра (проект, отодвинутый в лучшем случае в 2030-е), был нашей лучшей надеждой на прямое обнаружение волн.
Но и без LISA гравитационные волны можно обнаружить непрямым методом. Хотя гравитационные волны и свет передвигаются с одинаковой скоростью, свет замедляется при проходе через среду. Это происходит даже в такой разреженной среде, как межгалактическое и межзвёздное пространство! А поскольку гравитационные волны не замедляются – на них влияет только кривизна пространства-времени – они обгоняют свет и сами приводят к поляризации!
Вообще, именно деформации пространства-времени на определённых масштабах растягивают волны света определённым образом, когда они путешествуют от Большого взрыва и до наших глаз.
Конкретно, характерные признаки гравитационных волн должны проявиться, как B-мода поляризации, и они должны оставить специфический рисунок на больших масштабах.
Хотя в обсерватории «Планк» должны это увидеть и подтвердить, его опередила команда, работающая на Южном полюсе: BICEP2!
На масштабах порядка 1,5 градусов B-мода поляризации весьма очевидна, и её уже объявляли открытой, правда со значимостью 2,7σ (примечание: на данных масштабах значимость составляет 5,2σ, но им надо убедить всех, что этот уровень обнаружения не появился благодаря комбинации переднего плана и систематики). 2,7σ означает, что существует 2% шанс того, что это обнаружение ложное, и исчезнет с получением большего количества данных. Но в мире науки это довольно большая вероятность, поэтому пока не стоит считать это открытие свершившимся фактом.
Если открытие выдержит проверку, это будет весьма серьёзным событием. Именно это нам надо измерить, и не только для того, чтобы узнать, была ли инфляция (скорее всего, она была), но чтобы узнать, какая из моделей инфляции описывает Вселенную?
«Планк», выпустив первые результаты в прошлом году, не обнаружил вообще ничего.
Существует несколько общих типов инфляции, которые могли произойти: в частности, если значение r в указанных графиках окажется равным нулю, это будет в пользу модели «малых полей», а если он окажется чем-то огромным (например, 0,2, судя по этим результатам), это будет доказательством модели «больших полей».
Однозначный ли это результат? Нет. Нам нужна гораздо лучшая статистика, чтобы объявить это открытием – мы не можем принять эти результаты и объявить: «да, это изначальные гравитационные волны, оставшиеся со времени до инфляции», так как нам нужны доказательства получше. 2,7σ – это неплохо, но в жестоком мире физики нам нужен подтверждённый результат в 5σ. Мусорная корзина истории физики полна «открытий» с 3σ, которые исчезли с поступлением новых данных.
Мы знаем, что инфляция была; истоки структуры во Вселенной – её сегодняшний внешний вид, её вид 13,8 миллиардов лет назад, и в любом месте в промежутке – уже рассказал нам об этом. Но есть возможность, и первые намёки, что гравитационные волны также могли остаться. И если выяснится, что мы действительно их увидели, мы должны будем получить подтверждение этому в следующие несколько лет. Но если наблюдение перейдёт в разряд незначительных по мере сбора данных, это не будет означать, что модель инфляции неправильная – только, что не она производит самые сильные B-моды.
Это пока ещё не «открытие», но намёк, что мы могли наткнуться на что-то удивительное: первый намёк на то, как родилась наша Вселенная. Если он окажется верным, это будет открытие столетия. Но если новые данные опровергнут его – что вполне может произойти – это не значит, что модель инфляции неправильная; это значит, что гравитационные волны от инфляции меньше, чем предсказывали самые оптимистичные модели.
Но будет оно реальным или нет, мы всё равно узнаем ещё немного о том, как появилась вся наша Вселенная.
Обновление: в комментариях к оригинальной статье читатели сообщали, что в работе упоминается значимость больше, чем 5σ. В частности, они смотрят на определённый участок угловой шкалы, где они и в самом деле видят сигнал со значимостью в 5.2σ.
Может ли фокусировка быть за это в ответе? Это единственный компонент, который можно вычеркнуть – если я, конечно, правильно понял работу – со значимостью всего лишь в 2.7σ.
Смотрите сами.
Значимость результата не выше, чем у самого вероятного из источников неопределённости, и если даже r и может быть равен нулю, очень важно исключить эту возможность. В работе её, возможно, исключили, но мне не показалось, что это было сделано чётко и ясно. Тем не менее, мне очень интересно, как это всё будет развиваться! Если они исключат фокусировку так же, как и синхротронную эмиссию, ограничение в 5σ будет выполнено, и это уже будет означать Нобелевку!
17 марта 2014 года учёные из Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики объявили о обнаружении B-моды на уровне r = 0,2. Однако, более поздний анализ (опубликован 19 сентября 2014), проведённый другой группой исследователей с использованием данных обсерватории «Планк», показал, что результат BICEP2 можно полностью отнести на счёт галактической пыли.
Большой взрыв подтверждается множеством фактов:
Из общей теории относительности Эйнштейна следует, что вселенная не может быть статичной; она должна или расширяться, или сжиматься.
Чем дальше галактика, тем быстрее она удаляется от нас (закон Хаббла). Это указывает на расширение вселенной. Расширение вселенной означает, что в отдалённом прошлом вселенная была небольшой и компактной.
Модель Большого взрыва предсказывает, что космическое микроволновое реликтовое излучение должно проявляться во всех направлениях, имея спектр абсолютно чёрного тела и температуру около 3°К. Мы наблюдаем точный спектр абсолютно чёрного тела с температурой 2,73°К.
Реликтовое излучение равномерно до 0,00001. Небольшая неравномерность должна существовать для объяснения неравномерности распределения материи в сегодняшней вселенной. Такая неравномерность наблюдается и в предсказанном размере.
По теории Большого взрыва предсказывается наблюдаемое количество изначального водорода, дейтерия, гелия и лития. Никаким другим моделям этого не удаётся.
По теории Большого взрыва предсказывается, что вселенная с течением времени меняется. Из-за конечности скорости света наблюдение на дальних расстояниях позволяет нам взглянуть в прошлое. Среди прочих изменений мы видим, что, когда вселенная была моложе, квазары были более обычным явлением, а звёзды были более голубыми.
Существует, по крайней мере, 3 способа определить возраст Вселенной.Я опишу ниже:
*Возраст химических элементов.
*Возраст старейших шаровых скоплений.
*Возраст старейших звезд белых карликов.
*Возраст Вселенной также может быть оценен исходя из космологических моделей,основанных на значении Постоянной Хаббла,а также плотностей материи и темной энергии.Этот возраст, основанный на модели, составляет в настоящее время 13.7 ± 0.2 миллиардов лет.
Экспериментальные измерения согласуются с возрастом на основе модели, что способствует укреплению нашего доверия модели Большого взрыва.
К настоящему моменту с помощью спутника COBE составлена карта фонового излучения с его волнообразными структурами и флуктуациями амплитуды на протяжении нескольких миллиардов световых лет от Земли. Все эти волны являются сильно увеличенными изображениями тех мельчайших структур, с которых начинался Большой Взрыв. Размер этих структур был даже меньше размера субатомных частиц.
Этими же проблемами занимается и новый спутник MAP (Microwave Anisotropy Probe), который был отправлен в космос в пошлом году. Его задача - собирать информацию о микроволновом излучении, оставшемся от Большого Взрыва.
Свет, идущий к Земле от дальних звезд и галактик (вне зависимости от их расположения относительно Солнечной системы), имеет характерный красный сдвиг (Barrow, 1994). Такой сдвиг обусловлен доплеровским эффектом - увеличением длины световых волн при быстром удалении источника света от наблюдателя. Интересно, что этот эффект отмечается во всех направлениях, а значит, все дальние объекты движутся от Солнечной системы. Однако так происходит отнюдь не потому, что Земля - центр Вселенной. Скорее, ситуацию можно описать при помощи сравнения с воздушным шариком, раскрашенным «в горошек». По мере надувания шарика расстояние между горошинами увеличивается. Вселенная расширяется, и это происходит уже долгое время. Космологи считают, что Вселенная образовалась в течение одной минуты 10-20 миллиардов лет назад. Она «вылетела во все стороны» из одной точки, где материя находилась в состоянии невообразимой концентрации. Это событие называют Большим Взрывом.
Решающим доказательством в пользу теории Большого Взрыва стало существование фоновой космической радиации, так называемого реликтового излучения. Эта радиация - остаточный признак энергии, выделившейся в начале взрыва. Реликтовое излучение было предсказано в 1948 году и экспериментально зафиксировано в 1965-м. Оно является микроволновым излучением, которое можно определить в любой точке космоса, и создает фон для всех прочих радиоволн. Излучение имеет температуру 2,7 градуса по Кельвину (Taubes, 1997). Вездесущность этой остаточной энергии подтверждает не только факт возникновения (а не вечного существования) Вселенной, но и то, что ее рождение было взрывоподобно.
Если мы предположим, что Большой Взрыв произошел 13500 миллионов лет назад (что подтверждается несколькими фактами), то первые галактики возникли из гигантских газовых скоплений около 12500 миллионов лет назад (Calder, 1983). Звезды этих галактик были микроскопическими скоплениями сильно сжатого газа. Сильное гравитационное давление в их ядрах инициировало реакции термоядерного синтеза, превращающие водород в гелий с побочным излучением энергии (Davies, 1994). По мере старения звезд атомная масса элементов внутри них возрастала. Фактически, все элементы тяжелее водорода являются продуктами существования звезд. В раскаленной топке звездного ядра образовывались все более и более тяжелые элементы. Именно таким путем появились железо и элементы с меньшей атомной массой. Когда ранние звезды израсходовали свое «топливо», то более не могли противостоять силам гравитации. Звезды сжались, а затем взорвались сверхновыми. Во время взрыва сверхновых появились элементы с атомной массой больше, чем у железа. Неоднородный внутризвездный газ, оставшийся после ранних звезд, стал строительным материалом, из которого могли сформироваться новые солнечные системы. Скопления этого газа и пыли частично формировались в результате взаимного притяжения частиц. Если масса газового облака достигала определенного критического предела, гравитационное давление запускало процесс ядерного синтеза и из остатков старой звезды рождалась новая.
Доказательства модели Большого взрыва исходят из множества наблюдаемых данных, которые соответствуют модели Большого взрыва. Ни одно из этих доказательств Большого взрыва, как научной теории не является определяющим. Многие из этих фактов соответствуют как Большому взрыву, так и некоторым другим космологическим моделям, но взятые все вместе эти наблюдения показывают что модель Большого взыва является на сегодня наилучшей моделью Вселенной. Эти наблюдения включают:
Черноту ночного неба - Парадокс Олбера.
Закон Хаббла - Закон линейной зависимости расстояние от величины красного смещения. Этим данный на сегодня очень точны.
Гомогенность - четкие данные, показывающие что наше расположение во Вселенной не уникально.
Изотропия пространства - очень четкие данные, показывающие, что небо выглядит одинаковым образом во всех направлениях с точностью в 1 часть на 100,000.
Замедление времени на кривых яркости сверхновых звезд.
Наблюдения приведенные выше соответствуют как Большому взрыву так и стационарной модели, но многие наблюдения поддерживают Большой взрыв лучше, чем Стационарную модель:
Зависимость числа источников радиоизлучения и квазаров от яркости. Она показывает, что Вселенная эволюционировала.
Существование чернотельного реликтового излучения. Это показывает что Вселенная развилась из плотного, изотермического состояния.
Изменение Tреликт. с изменением величины красного смещения. Это является прямым наблюдением эволюции Вселенной.
Содержания Дейтерия, 3He, 4He, и 7Li. Содержание всех этих легких изотопов хорошо соответствует предсказываемым реакциям происходящим в первые три минуты.
Наконец, анизотропия угловой интенсивности реликтового излучения составляющая одну часть на миллион соответствует модели Большого взрыва с доминирующей темной матеией, которая прошла через инфляционную стадию.
Точные измерения, проведенные с помощью спутника "COBE", подтвердили, что реликтовое излучение заполняет Вселенную и имеет температуру 2,7 градусов Кельвина.Это излучение регистрируется со всех направлений и достаточно однородно. Согласно теории, Вселенная расширяется и, следовательно, в прошлом она должна была быть более плотной. А следовательно и температура излучения в то время должна быть выше. Теперь это беспорный факт.
Хронология:
* Планковское время: 10-43 секунды. Через этот промеж. времени гравитацию можно рассматривать как классический фон на котором развиваются частицы и поля, подчиняясь при этом законам квантовой механики. Область размером около 10-33 см в поперечнике гомогенна и изотропна, Температура T=1032K.
* Инфляция. В хаотичной инфляционной модели Линде (Linde) инфляция начинается в момент Планковского времени, хотя она может начаться, когда температура упадет до той границы, при которой внезапно разрушится симметрия Великой теории объединения (GUT). Это происходит при температурах от 1027 до 1028K через 10-35 секунд после Большого взрыва.
* Инфляция заканчивается. Время равно 10-33 секунды, температура по-прежнему 1027 - 1028K поскольку плотность энергии вакуума, которая разгоняет инфляцию, преобразуется в тепло. В конце инфляции скорость расширения так велика, что видимый возраст Вселенной составляет лишь 10-35 секунды. Благодаря инфляции, гомогенная область от Планковского момента времени имеет поперечник не менее 100 см, т.е. возросла более чем в 1035 раз с момента Планковского времени. Однако, квантовые флуктуации в ходе инфляции создают участки негомогенности с низкой амплитудой и случайным распределением, имеющим одинаковую энергию во всех диапазонах.
* Бариогенезис: небольшое различие в скоростях реакций для материи и антиматерии приводит к смеси, в которой содержится около 100,000,001 протонов на каждые 100,000,000 антипротонов (и 100,000,000 фотонов).
* Вселенная растет и охлаждается до момента 0.0001 секунды после Большого взрыва и температуры около T=1013 K. Антипротоны аннигилируют с протонами, в результате чего остается только материя, но с очень большим количеством фотонов на каждый выживший протон и нейтрон.
* Вселенная растет и охлаждается до момента в 1 секунду после Большого взрыва, температура T=1010 K. Вымораживаются слабые взаимодействия при отношении протон/нейтрон около 6. Гомогенный участок достигает к этому моменту размера 1019.5 см.
* Вселенная растет и охлаждается до момента 100 секунд после Большого взрыва. Температура 1 миллиард градусов, 109 K. Аннигилируют электроны и позитроны, образуя еще более фотонов, тогда как протоны и нейтроны соединяются, образуя ядра дейтерия (тяжелого водорода). Большая часть ядер дейтерия объединяется с образованием ядер гелия. В конечном итоге имеется по массе около 3/4 водорода, 1/4 гелия; отношение дейтерий/протон равно 30 частей на миллион. На каждый протон или нейтрон присутствует около 2 миллиардов фотонов.
* Через месяц после БВ ослабевают процессы, которые преобразуют поле излучения к спектру излучения абсолютно черного тела, теперь они отстают от расширения Вселенной, поэтому спектр реликтового излучения сохраняет информацию, относящуюся к этому времени.
* Плотность материи сравнивается с плотность излучения через 56,000 лет после БВ. Температура 9000 K. Негомогенности темной материи могут начать сжиматься.
* Объединяются протоны и электроны, образуя нейтральный водород. Вселенная становится прозрачной. Температура T=3000 K, время 380,000 лет после БВ. Обычная материя теперь может падать на облака темной материи. Реликтовое излучение с этого времени свободно путешествует до настоящего времени, поэтому анизотропия реликтового излучения дает картину Вселенной в то время.
* Через 100-200 миллионов лет после БВ образуются первые звезды, и своим излучением вновь ионизируют Вселенную.
* Взрываются первые сверхновые, наполняя Вселенную углеродом, азотом, кислородом, кремнием, магнием, железом, и так далее, вплоть до Урана.
* Как собранные вместе облака темной материи, звезды и газ образуются Галактики.
* Образуются скопления галактик.
* 4.6 милиарда лет назад образуется Солнце и Солнечная система.
* Сегодня: Время 13.7 миллиардов лет после Большого взрыва, температура T=2.725 K. Гомогенный участок сегодня составляет не менее 1029 см в поперечнике, что больше, чем наблюдаемая часть Вселенной.
Большой Взрыв был! Вот что, например, написал по этому поводу академик Я.Б. Зельдович в 1983 г.: «Теория «Большого Взрыва» в настоящий момент не имеет сколько-нибудь заметных недостатков. Можно даже сказать, что она столь же надежно установлена и верна, сколь верно то, что Земля вращается вокруг Солнца. Обе теории занимали центральное место в картине мироздания своего времени, и обе имели много противников, утверждавших, что новые идеи, заложенные в них, абсурдны и противоречат здравому смыслу. Но подобные выступления не в состоянии препятствовать успеху новых теорий».
Данные радиоастрономии свидетельствуют о том, что в прошлом далекие внегалактические радиоисточники излучали больше, чем сейчас. Следовательно, эти радиоисточники эволюционируют. Когда мы сейчас наблюдаем мощный радиоисточник, мы не должны забывать о том, что перед нами его далёкое прошлое (ведь сегодня радиотелескопы принимают волны, которые были излучены миллиарды лет назад). Тот факт, что радиогалактики и квазары эволюционируют, причем время их эволюции соизмеримо со временем существования Метагалактики, принято так же рассматривать в пользу теории Большого Взрыва.
Важное подтверждение «горячей Вселенной» следует из сравнения наблюдаемой распространенности химических элементов с тем соотношением между количеством гелия и водорода (около 1/4 гелия и примерно 3/4 водорода), которое возникло во время первичного термоядерного синтеза.
Изобилие легких элементов
Ранняя Вселенная была очень горячей. Даже если протоны и нейтроны при столкновении объединялись и формировали более тяжелые ядра, время их существования было ничтожным, потому что уже при следующем столкновении с еще одной тяжелой и быстрой частицей ядро снова распадалось на элементарные компоненты. Выходит, что с момента Большого взрыва должно было пройти около трех минут, прежде чем Вселенная остыла настолько, чтобы энергия соударений несколько смягчилась и элементарные частицы начали образовывать устойчивые ядра. В истории ранней Вселенной это ознаменовало открытие окна возможностей для образования ядер легких элементов. Все ядра, образовывавшиеся в первые три минуты, неизбежно распадались; в дальнейшем начали появляться устойчивые ядра.
Однако это первичное образование ядер (так называемый нуклеосинтез) на ранней стадии расширения Вселенной продолжался очень недолго. Вскоре после первых трех минут частицы разлетелись так далеко друг от друга, что столкновения между ними стали крайне редкими, и это ознаменовало закрытие окна синтеза ядер. В этот краткий период первичного нуклеосинтеза в результате соударений протонов и нейтронов образовались дейтерий (тяжелый изотоп водорода с одним протоном и одним нейтроном в ядре), гелий-3 (два протона и нейтрон), гелий-4 (два протона и два нейтрона) и, в незначительном количестве, литий-7 (три протона и четыре нейтрона). Все более тяжелые элементы образуются позже — при формировании звезд (см. Эволюция звезд).
Теория Большого взрыва позволяет определить температуру ранней Вселенной и частоту соударений частиц в ней. Как следствие, мы можем рассчитать соотношение числа различных ядер легких элементов на первичной стадии развития Вселенной. Сравнив эти прогнозы с реально наблюдаемым соотношением легких элементов (с поправкой на их образование в звездах), мы обнаруживаем впечатляющее соответствие между теорией и наблюдениями. По моему мнению, это лучшее подтверждение гипотезы Большого взрыва.
Помимо двух приведенных выше доказательств (микроволновой фон и соотношение легких элементов) недавние работы (см. Инфляционная стадия расширения Вселенной) показали, что сплав космологии Большого взрыва и современной теории элементарных частиц разрешает многие кардинальные вопросы устройства Вселенной. Конечно, проблемы остаются: мы не можем объяснить саму первопричину возникновения Вселенной; не ясно нам и то, действовали ли в момент ее зарождения нынешние физические законы. Но убедительных аргументов в пользу теории Большого взрыва на сегодняшний день накоплено более чем достаточно.
Астрономия, т.е. наука о Вселенной, получила гигантское развитие за последние 60 лет, которое фактически сравнимо с революцией. Еще совсем недавно ученым казалось, что наша Вселенная стационарна, т.е. в ней не происходят никакие изменения и что сегодня она такая же, какой была сотни лет назад. На самом деле Вселенная находится в состоянии бурного динамического развития и там происходят катастрофы, рождение и гибель новых звезд, столкновения галактик, образование новых звезд, включая нейтронные звезды и черные дыры. Вселенная расширяется и все внутри Вселенной движется и изменяется, расстояния между галактиками увеличиваются и они удаляются от нас и друг от друга с ускорением. Исследование зависимости скорости удаления галактик от расстояния между ними позволило Э. Хабблу определить возраст Вселенной. Чем больше расстояние между двумя галактиками, тем быстрее они удаляются друг от друга (закон Хаббла). Закон Хаббла позволяет определить возраст Вселенной. Оказалось, что наша Вселенная образовалась около 14 миллиардов лет. Внутри Вселенной имеется огромное количество темной, т.е. невидимой материи (а dark matter), которая удерживает галактики вместе и темной энергии (а dark energy) или силы отталкивания, ответственной за разбегание галактик с ускорением. Видимая материя составляет всего 4% и одна из причин, почему ученые построили суперколлайдер, чтобы понять природу невидимых материй, исследовать куда исчезло антивещество из Вселенной, а также проверить предсказания новых физических моделей и, в частности стандартную модель и различные суперсимметрии. Говоря иначе, Вселенная находится в состоянии бурного развития и огромное количество революционных открытий изменили отношение к ней не только ученых, но и широкой общественности.
Я преподавал астрономию много лет в одном из университетов Чикаго. Довольно часто в неформальной обстановке мои родственники, друзья да и просто знакомые просят меня рассказать об особенностях нашей Вселенной и, в частности, о моменте ее возникновения и этапах ее развития. Когда я говорю, что наша Вселенная возникла около 14 миллиардов лет тому назад в результате Большого Взрыва (a Big Bang), мне не забудут задать вопрос, а откуда вы все это знаете, ведь вас тогда не было, и вы не могли увидеть момент ее возникновения. Или как сказали бы в Одессе – вас там не стояло. Цель этой статьи не только рассказать о свидетельствах, подтверждающих Большой Взрыв, но и показать, как мы познаем нашу Вселенную. Наши знания основаны на двух фактах – наблюдениях с помощью телескопов, a light bucket, и применении соответствующих законов физики. Полную информацию о Вселенной мы можем получить, применяя различные телескопы, регистрируя все виды излучений, приходящих к нам из космоса, – от радиоволн до гамма-лучей.
Рассмотрим несколько примеров, как астрономы определяют те или иные характеристики Вселенной. Например, чтобы определить массу Солнца мы должны рассмотреть движение Земли вокруг Солнца, измерить ее период обращения (1 год) и расстояние от Земли до Солнца (равное 1 АU или 150 миллионов км). Затем используя гравитационный закон Ньютона – Кеплера, который связывает между собой три величины – массу, период и расстояние, мы определяем массу Солнца. Оказалось, что масса Солнца в 330000 раз больше массы Земли. Аналогично, мы можем определить и массу нашей Галактики, используя период обращения Солнца вокруг центра Галактики (200 миллионов лет) и расстояние до центра Галактики (28 тысяч световых лет). Напомню, что световой год это расстояние, которое свет покрывает за год со скоростью 300000 км/сек. Наше Солнце вращается вокруг центра Галактики со скоростью 220 км/сек. За всю историю своего существования наше Солнце совершило всего 23 оборота вокруг центра Галактики. Оказалось, что масса нашей Галактики в 100 миллиардов раз больше массы Солнца, т.е. наша Галактика состоит из 100 миллиардов звезд подобных нашему Солнцу. Вся Вселенная состоит из 100 миллиардов галактик и полное число звезд таким образом равно 10 в степени 22, которое сравнимо с числом песчинок на всех пляжах Земли. Число галактик во Вселенной было определено с помощью а Hubble Space Telescope. Для этого фотографируется определенный участок неба и определяется количество галактик на снимке. Зная полную площадь поверхности Вселенной, можно определить и полное число галактик.
Чтобы найти свидетельства Большого Взрыва, нам необходимо провести измерения излучений, которые есть в космосе и, применяя законы физики, определить те или иные характеристики Вселенной. Такие измерения были осуществлены впервые двумя американскими физиками А. Пензиас и Р. Вильсон в 1967 г. с помощью 6-метрового радиотелескопа. Они измерили остаточное излучение в космосе (a cosmic background radiation), которое возникло еще в момент Большого Взрыва и которое мы можем измерить сегодня, т.е. спустя почти 14 миллиардов лет. Это было ярким подтверждением, что Большой Взрыв имел место. За это выдающееся открытие Пензиас и Вильсон стали лауреатами Нобелевской премии. Измеряя зависимость интенсивности этого излучения от длины волны, которое представляет собой ассиметричную колоколообразную кривую, ученые измерили длину волны излучения, соответствующую максимуму этой кривой, и нашли, что длина волны излучения в максимуме равна 1.1 мм (микроволновое излучение). Длина волны излучения изменилась (увеличилась) – от длины волны видимого света до длины волны микроволнового излучения вследствие расширения Вселенной. Используя один из законов теплового излучения (закон Вина, который связывает длину волны излучения соответствующую максимуму этой кривой и температуру), мы можем определить температуру космоса. Температура космоса оказалась всего 3 К (Кельвин). Интересно, что дальнейшее расширение Вселенной приведет к смещению максимума этой кривой в сторону больших волн и соответственно низких температур. Если температура космоса уменьшится до 0 К, длина волны возрастет до бесконечности и Вселенная прекратит свое существование. Напомню, что в физике температура измеряется в К или С и они связаны соотношением К = С + 273. Температура в Цельсиях С оказалась – 270 С. Причина такой низкой температуры космоса – расширение Вселенной в течение очень большого времени. В момент же взрыва температура была гигантской и равнялась 10 в 32 степени, а длина волны излучения космоса практически равнялась нулю. Такую температуру невозможно даже себе представить. Температура в центре нашего Солнца, например, равна всего 15 миллионов С, т.е. много меньше температуры во время взрыва. Однако, после взрыва в первые же секунды она уменьшилась до 10 миллиардов С и продолжает уменьшатся сегодня вследствие расширения Вселенной. Интересно, что если температура уменьшится до 0 К, наша Вселенная исчезнет, она как бы растворится в пространстве – плотность и температура станут близкими к нулю. Я даже попытался определить путем теоретических расчетов, когда же это произойдет. Оказалось, что не скоро, т.к. уменьшение температуры сильно замедлилось и приблизится к 0 К не скоро, а после многих миллиардов лет.
Существуют ли, однако, другие доказательства Большого Взрыва? Таких свидетельств несколько. Одно из них связано с количеством водорода и гелия в ранней Вселенной, которое равнялось 75% водорода и 25% гелия. Расчеты, основанные на теории Большого Взрыва, приводят в точности к такому же результату. Говоря иначе, то что мы измеряем и то что мы получаем на основе теоретических расчетов оказываются в прекрасном согласии друг с другом, т.е. наше понимание Вселенной, основанное на теории Большого Взрыва, является правильным. Но откуда во Вселенной берутся другие элементы, ведь фактически там имеется сегодня вся периодическая система элементов Менделеева? Без этих элементов возникновение жизни на Земле было бы просто невозможным. Дело в том, что во Вселенной имеются не только звезды с массой, сравнимой с массой нашего Солнца (a low mass star), но и звезды с массой много больше массы нашего Солнца (a high mass star). Наше Солнце, когда запасы водорода в нем будут исчерпаны, превратится в белого карлика (a White Dwarf) размером с нашу Землю, т.е. Солнце сожмется более чем в 100 раз. Плотность этого объекта так велика, что одна чайная ложка вещества будет весить несколько тонн. Термоядерные реакции внутри Солнца превращают 4 водорода в гелий с выделением огромной энергии. Т.е. количество водорода при этом уменьшается, а гелия увеличивается. Понимание этих реакций внутри Солнца немецким физиком лауреатом Нобелевской премии Г. Бете позволило физикам осуществить эти реакции на Земле при создании водородной бомбы, которое представляет собой маленькое рукотворное Солнце, созданное учеными на Земле. Массивные звезды «умирают» по-другому, т.к. в этих звездах термоядерные реакции в их ядрах протекают при более высоких температурах за счет большего давления внутри звезды и в этих звездах образуется не только Не из Н, но и другие элементы – С, О, Ne, Mg, Si, Fe, Pb, U. Фактически вся таблица Менделеева. Когда звезда проходит стадию a supernova explosion, т.е. взрывается, эти элементы рассеиваются в пространстве и оседают в других звездных системах, включая нашу планету. Наш организм, например, содержит более 70 элементов. Конечный этап такой звезды – образование нейтронной звезды или черной дыры. Интересно, что расширение Вселенной началось с сингулярности, т.е. пространства с гигантским давлением и температурой и ничтожным размером. Если нашу Вселенную развернуть вспять, она сожмется до точки сингулярности. Вселенная имела меньший размер в прошлом и будет иметь больший размер в будущем. Открытие красного смещения (а red shift) свидетельствует о разбегании (удалении) галактик от нас и друг от друга. Другое свидетельство Большого Взрыва – это наличие в космосе пустых пространств (voids) и суперкластеров, т.е. гигантских скоплений галактик, которые были обнаружены.
Знаете ли вы, как появилась наша Вселенная? Сегодня основной теорией возникновения Веселенной считается Теория большого взрыва, возникшая в научной среде в начале 20 века.
Однако мало кто знает, что у данной теории имеется множество противников в научном сообществе и что, по сути, она до сих пор не доказана, а значит, является не более чем общепринятым предположением. Казалось, ситуация могла кардинально измениться в марте 2014 года, когда американские ученые под руководством Джона Ковача из Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики заявили о сенсационном открытии. Исследуя космический микроволновый фон с помощью аппарата BICEP2, установленного на Южном полюсе, ученые обнаружили следы первичных гравитационных волн – по крайней мере, так им показалось вначале.
Считается, что первичные гравитационные волны возникли в момент инфляции (первичного расширения Вселенной) 13,8 миллиадов лет назад, позволяя Вселенной расширяться. Благодаря этим огромным гравитационным волнам, как предполагают ученые, малейшие колебания на уровне атомов создавали гигантские возмущения, из-за которых происходил процесс создания галактик.
Если бы существование этих волн было доказано, то и сама теория Большого взрыва получила бы веское доказательство, однако этого не произошло. Открытие американцев было очень быстро опровергнуто, а Нобелевская премия, которую прочили российскому ученому, описавшему эти волны, похоже, так и не будет вручена.
Ученые под руководством Джона Ковача опубликовали результаты своих исследований в научном журнале Physical Research Letters. Полученные ими данные были названы сенсационными и произвели настоящий переполох в научной среде. Однако вскоре стало понятно, что громкое заявление оказалось преждевременным. Выводы ученых были основаны на результатах, полученных с помощью телескопа BICEP2, который измерял поляризацию реликтового излучения (которое также возникло в момент Большого взрыва). Вскоре критики данного открытия стали предполагать, что обнаруженная поляризация была вызвана некоторыми другими причинами и вовсе не является следом первичным гравитационных волн.
Причиной для такого предположения стали данные другого телескопа – «Планк», который был запущен в 2009 году Европейским космическим агентством. «Планк» работает ниже температуры реликтового излучения, что позволяет с большой точностью измерять его температуру в разных точках. Результаты, полученные телескопом «Планк», были весьма ожидаемыми в научном мире, так как с их помощью можно было бы подтвердить или опровергнуть существование реликтовых гравитационных волн.
Наконец, в июне этого года анализ данных телескопа «Планк» завершился, и ученых ожидало большое разочарование: никаких «следов» реликтовых гравитационных волн обнаружить не удалось, и эти данные, по мнению ученых, заслуживают гораздо большего доверия, нежели данные аппарата BICEP2. Критики неудавшегося открытия предполагают, что поляризация, обнаруженная командой Джона Ковача, могла быть вызвана обычной космической пылью. Сами же авторы сенсационного открытия после полученной критики уже не так уверенно заявляют о своем открытии, отмечая, что полученные ими данные требуют дополнительных подтверждений.
В свете этой поистине детективной истории будет весьма интересно вспомнить об Альберте Эйнштейне, который является основателем современной научной парадигмы и по совместительству первым человеком, который предположил, что Вселенная образовалась в результате взрыва. Из недавно обнаруженных рукописей Эйнштейна стало известно, что ученый сомневался в своей концепции о возникновении Вселенной и параллельно работал над альтернативной теорией . Эта теория, в частности, предполагает, что во Вселенной постоянно происходит образование новой материи, параллельно с процессом ее расширения. Из этой «новой» материи и происходит образование новых галактик, и тем самым Вселенная сохраняет свою плотность. Продолжателями этой теории стали ученые Фред Хойл, Томас Голд и Германн Бонди, однако в 60-е годы их работа была забыта из-за открытия реликтового излучения, которое на данный момент является одним из главных доказательств теории Большого взрыва.
Весьма интересно, что даже с точки зрения самого обычного человека общепринятая сегодня теория Большого взрыва является нелогичной. Ведь, если бы Вселенная расширялась в течение 13,8 млрд лет, то вся материя, которая образовалась в момент взрыва, уже давно бы разлетелась на необозримые расстояния.
Вообще, теория Большого взрыва создает больше вопросов, чем ответов. Сам Эйнштейн называл теорию Большого взрыва отвратительной. Если вся материя появилась в первый момент существования Вселенной, то откуда и как она появилась? На этот вопрос также нет ответа, а значит, ученым предстоит совершить еще множество неожиданных открытий, чтобы по-настоящему понять процесс возникновения Вселенной и объяснить все существующие противоречия текущей научной парадигмы.
Однако пытливые умы, не желающие ждать пока современная наука выберется из всех созданных ею ловушек, могут уже сегодня найти ответы на все вопросы в книге Анастасии Новых «АллатРа». Все, что касается теории Большого взрыва и процесса возникновения Вселенной, описано в этой книге доступным языком, а все противоречия легко разрешаются. Многое кажется неожиданным и даже сенсационным, однако справедливость изложенной информации не вызывает сомнений. Можно сказать, что истина лежит на поверхности, нужно просто захотеть ее увидеть. И сейчас у вас есть такая возможность, ведь книги Анастасии Новых можно скачать абсолютно бесплатно на нашем сайте.
Читайте об этом подробнее в книгах Анастасии Новых
(кликните на цитату, чтобы бесплатно скачать книгу целиком):Ригден: Это действительно так. И отвечая на заданный вопрос, я затрону лишь несколько весьма важных тем астрофизики, естественно, в доступной для мышления человека форме. Но понимание сути сказанного способно дать людям науки глобально иной взгляд на мироустройство.
Начну с шаблонной для нынешнего образованного ума современной теории-предположения о Большом взрыве, который произошёл, как считают учёные, при рождении Вселенной. Эту популярную гипотетическую теорию они аргументируют законами термодинамики. Согласно данному предположению, Вселенная была сжата в точку, а после её Взрыва появились объекты массой около миллиарда тонн и размерами с протон.
Анастасия: Как говорится, что знают на сегодняшний день, тем и аргументируют. Учёные полагают, что они достаточно хорошо освоили этот раздел физики, изучающий законы теплового равновесия и превращения теплоты в другие виды энергии. Да и сам термин ≪ термодинамика ≫ в переводе с греческого языка очень хорошо характеризует их споры в научной среде: ≪ therme ≫ - ≪ жар ≫ , ≪ тепло ≫ ; ≪ dynamikos ≫ - ≪ сильный ≫ . Там, что ни дискуссия, то пыл да жар.
- Анастасия НОВЫХ - "АллатРа"Астрофизики NASA сделали важное научное открытие – они экспериментально подтвердили инфляционную теорию эволюции Вселенной.
Ученые убеждены, что они "прикоснулись" к событиям примерно 14 000 000 000-летней давности. В продолжении трехлетних непрерывных наблюдений космического фона в микроволновом диапазоне они смогли "поймать" свет, оставшийся(реликтовый) от первых мгновений жизни Вселенной. Данные открытия были совершены при помощи аппарата WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) .
Астрофизики изучают Вселенную в тот момент ее существования, когда ее возраст был около одной триллионной доли секунды, то есть практически сразу же после Большого Взрыва. Именно в этот момент в крошечной Вселенной появились зачатки будущих сотен миллионов галактик, из которых в дальнейшем за сотни миллионов лет сформировались звезды и планеты.
Ведущий постулат инфляционной теории таков: после Большого взрыва (Big Bang), давшего начало нашей Вселенной, она за невероятно короткий отрезок времени - триллионную долю секунды - превратилась из микроскопического объекта в нечто колоссальное, многократно превышающее всю наблюдаемую часть космоса, то есть претерпела инфляцию.
"Полученные результаты свидетельствуют в пользу инфляции", - заявил Чарлз Беннетт (Университет Джонса Гопкинса), сообщивший об открытии. "Поразительно, что мы вообще можем хоть что-то сказать о том, что случилось в первую триллионную долю секунды существования Вселенной", - сказал он.
Судя по всему, в первые триллионные доли секунды после Взрыва скорость расширения Вселенной была выше, чем скорость света и то время, которое прошло с момента расширения Вселенной из размеров нескольких атомов, до устойчивой сферической формы измеряется очень малыми величинами. Впервые данная гипотеза была выдвинута еще в 80-х годах.
"Как нам узнать, что было во Вселенной в моменты ее создания? Космический микроволновой фон - это настоящая сокровищница сведений о прошлом нашей Вселенной. Световое излучение, дошедшее до нас, совершенно точно указывает на факты развития Вселенной", - говорит доктор Гэри Хиншоу, работник космического центра НАСА имени Годдарда.
Сама инфляционная теория существует в нескольких вариантах, рассказывает NewsInfo астроном Николай Николаевич Чугай (Институт Астрономии РАН).
"Полной теории этого не существует, но есть только некие предположения о том, как это происходило. Но есть одно "предсказание", которое следует из того, что квантовые флуктуации (от лат. fluctuatio - колебание; случайные отклонения физических величин от их средних значений на микроскопических масштабах) предсказывают некий спектр возмущений, то есть распределение амплитуды этих возмущений в зависимости от длинны масштаба, на котором это возмущение развивается. Вы можете представить себе на рисунке волнистую линию с разной длинной волнами, и если у вас амплитуда для крупномасштабных одна, а для мелкомасштабных другая - вы говорите, что спектр этих возмущений не плоский", - поясняет Николай Чугай.
Примерно до 1970-х годов 20 века существовала стандартная картина Большого взрыва, в соответствии с которой наша Вселенная возникла из очень плотного горячего состояния. Произошел термоядерный синтез гелия – это одно из подтверждений модели горячей Вселенной. В 1964 году было обнаружено реликтовое (остаточное) излучение, за которое была получена Нобелевская премия. Реликтовое излучение идет к нам от очень далеких областей. В процессе расширения излучение, заполняющее большую Вселенную, остывает.
"Это свойство похоже на то, когда воздушный шарик лопается и становится холодным, - поясняет Николай Чугай. - То же самое происходит, когда спрей из баллона у вас вырывается, и вы можете почувствовать, как баллончик охлаждается".
"Обнаружение этого излучения (оно сейчас холодное – всего 3 градуса) было решающим доказательством горячей фазы Вселенной. Но эта модель не полна, - считает астроном. - Она не объясняет всего. А главное то, что она не объясняет того факта, что Вселенная однородна на всех масштабах. Куда бы мы не посмотрели – мы видим практически одинаковые галактики с одинаковой плотностью этих галактик в единицах объема. Всюду она примерно одинаково устроена. Поскольку эти далекие точки Вселенной не взаимодействуют, то получается странно - с точки зрения физика – как это они не взаимодействуют и друг о друге ничего не знают, условно говоря? И, тем не менее, Вселенная устроена в этих далеких точках одинаково. И это должно означать для физика то, что когда-то эти далекие части Вселенной были в контакте. То есть они были частью целого, в котором распространялись возмущения и эти возмущения сглаживались. То есть когда-то вселенная, которую мы видим сейчас на больших масштабах, была физически единой - сигналы и возмущения из этих далеких точек успевали проходить и размазывать возмущения, которые там возникали".
Сегодня мы как раз и наблюдаем эту однородность в далеких точках Вселенной в противоположных областях неба в качестве совершенно одинаковых по плотности - реликтовое излучение, которое мы наблюдаем абсолютно одинаковой интенсивности и яркости. "Независимо от того, куда вы смотрите", - говорит доктор Чугай.
"А это и обозначает то, что Вселенная была абсолютно однородной – изотропной. Эта начальная инфляционная стадия позволяет "приготовить" такую однородную вселенную. Другое достоинство инфляционной фазы не только, в том, что она приготовила однородную вселенную, но также и в том, что так называемые квантовые флуктуации (возмущение плотности на микроскопических масштабах длины) были связаны с квантовой природой нашего мира (на уровне элементарных частиц)", - заключил Николай Чугай.
Послушайте звуки имитации Большого взрыва.
В статье использованы материалы:
2.Ringside Seat to the Universe"s First Split Second 3.Росиийских сми
