Теорія великого вибуху відкриття. Великий вибух та коротка історія всесвіту

Теорія Великого вибухуу поточному десятилітті з'явився сильний конкурент — циклічна теорія.

Теорія Великого вибуху користується довірою абсолютної більшості вчених, які вивчають ранню історію нашого Всесвіту. Вона і справді пояснює дуже багато і ні в чому не суперечить експериментальним даним. Однак нещодавно у неї з'явився конкурент в особі нової, циклічної теорії, основи якої розробили двоє фізиків екстра-класу – директор Інституту теоретичної науки Прінстонського університету Пол Стейнхардт та лауреат Максвеллівської медалі та престижної міжнародної премії TED Ніл Тьюрок, директор канадського Інституту перспектив фізики (Perimeter Institute for Theoretical Physics). За допомогою професора Стейнхардта «Популярна механіка» спробувала розповісти про циклічну теорію та про причини її появи.

Олексій Левін

Назва цієї статті може здатися не надто розумним жартом. Відповідно до загальноприйнятої космологічної концепції, теорії Великого вибуху, наш Всесвіт виник з екстремального стану фізичного вакууму, породженого квантовою флуктуацією. У цьому стані не існувало ні часу, ні простору (або вони були сплутані в просторово-часову піну), а всі фундаментальні фізичні взаємодії злилися воєдино. Пізніше вони розділилися і набули самостійного буття — спочатку гравітації, потім сильної взаємодії, а вже потім — слабкої та електромагнітної.

Момент, що передував цим змін, прийнято позначати як нульовий час, t = 0, але це чиста умовність, данина математичному формалізму. Згідно зі стандартною теорією, безперервна течія часу почалася лише після того, як сила тяжіння здобула незалежність. Цьому моменту зазвичай приписують величину t = 10-43 с (точніше, 5,4 х10 -44 с), яку називають планковським часом. Сучасні фізичні теорії просто не в змозі осмислено працювати з більш короткими проміжками часу (вважається, що для цього потрібна квантова теорія гравітації, яка поки що не створена). У контексті традиційної космології немає сенсу міркувати про те, що відбувалося до початкового моменту часу, оскільки часу у нашому розумінні тоді просто не існувало.

Теорія Великого вибуху користується довірою абсолютної більшості вчених, які вивчають ранню історію нашого Всесвіту. Вона і справді пояснює дуже багато і ні в чому не суперечить експериментальним даним. Проте нещодавно у неї з'явився конкурент в особі нової, циклічної теорії, основи якої розробили двоє фізиків екстра-класу — директор Інституту теоретичної науки Прінстонського університету Пол Стейнхардт та лауреат Максвеллівської медалі та престижної міжнародної премії TED Ніл Тьюрок, директор канадського Інституту перспектив фізики (Perimeter Institute for Theoretical Physics). За допомогою професора Стейнхардта «Популярна механіка» спробувала розповісти про циклічну теорію та про причини її появи.

Інфляційна космологія

Неодмінною частиною стандартної космологічної теорії є концепція інфляції (див. врізання). Після закінчення інфляції у свої права вступило тяжіння, і Всесвіт продовжив розширюватися, але вже з швидкістю, що зменшується. Така еволюція розтяглася на 9 мільярдів років, після чого в справу вступило ще одне антигравітаційне поле ще невідомої природи, яке називають чорною енергією. Воно знову вивело Всесвіт у режим експоненційного розширення, який начебто має зберегтися і в майбутні часи. Слід зазначити, що ці висновки базуються на астрофізичних відкриттях, зроблених наприкінці минулого століття майже через 20 років після появи інфляційної космології.

Вперше інфляційна інтерпретація Великого вибуху була запропонована близько 30 років тому і з того часу багаторазово шліфувалася. Ця теорія дозволила вирішити кілька фундаментальних проблем, із якими не впоралася попередня космологія. Наприклад, вона пояснила, чому ми живемо у Всесвіті з плоскою евклідовою геометрією — відповідно до класичних рівнянь Фрідмана, саме такий він і повинен зробитися при експоненційному розширенні. Інфляційна теорія пояснила, чому космічна матерія має зернистість у масштабах, не перевищують сотень мільйонів світлових років, але в великих дистанціях розподілена поступово. Вона також дала тлумачення невдачі будь-яких спроб виявити магнітні монополі, дуже масивні частинки з одиночним магнітним полюсом, які, як вважається, удосталь народжувалися перед початком інфляції (інфляція так розтягнула космічний простір, що спочатку висока щільність монополів скоротилася майже до (прилади не можуть їх виявити).

Незабаром після появи інфляційної моделі кілька теоретиків зрозуміли, що її внутрішня логіка не суперечить ідеї перманентного множини все нових і нових всесвітів. Справді, квантові флуктуації, подібні до тих, яким ми зобов'язані існуванням нашого світу, можуть виникати в будь-якій кількості, якщо для цього є відповідні умови. Не виключено, що наша світобудова вийшла з флуктуаційної зони, яка сформувалася у світі-попереднику. Так само можна припустити, що коли-небудь і де-небудь у нашому Всесвіті утворюється флуктуація, яка «видує» юний всесвіт зовсім іншого роду, також здатну до космологічного «дітонародження». Існують моделі, в яких такі дочірні всесвіти виникають безперервно, відбруньковуються від своїх батьків і знаходять своє місце. При цьому зовсім не обов'язково, що в таких світах встановлюються ті самі фізичні закони. Всі ці світи «вкладені» в єдиний просторово-часовий континуум, але рознесені в ньому настільки, що ніяк не відчувають присутності одне одного. Загалом, концепція інфляції дозволяє - більше, змушує! - вважати, що у велетенському мегакосмосі існує безліч ізольованих друг від друга всесвітів із різним пристроєм.

Альтернатива

Фізики-теоретики люблять вигадувати альтернативи навіть загальноприйнятим теоріям. З'явилися конкуренти і інфляційної моделі Великого вибуху. Вони не отримали широкої підтримки, але мали та мають своїх послідовників. Теорія Стейнхардта і Тьюрока серед них не перша і, напевно, не остання. Однак на сьогоднішній день вона розроблена детальніше за інших і краще пояснює спостережувані властивості нашого світу. Вона має кілька версій, у тому числі одні базуються на теорії квантових струн і багатовимірних просторів, інші покладаються на традиційну квантову теорію поля. Перший підхід дає наочніші картинки космологічних процесів, так що на ньому і зупинимося.

Найпросунутіший варіант теорії струн відомий як М-теорія. Вона стверджує, що фізичний світ має 11 вимірів — десять просторових та один тимчасовий. У ньому плавають простори менших розмірностей, звані лайки. Наш Всесвіт — просто одна з таких лайок, що має три просторові виміри. Її заповнюють різні квантові частинки (електрони, кварки, фотони і т. д.), які насправді є розімкненими струнами, що вібрують, з єдиним просторовим виміром — довжиною. Кінці кожної струни намертво закріплені всередині тривимірної лайки, і залишити лайку струна не може. Але є і замкнуті струни, які можуть мігрувати за межі лайки — це гравітони, кванти поля тяжіння.

Як же циклічна теорія пояснює минуле та майбутнє світобудови? Почнемо з нинішньої доби. Перше місце зараз належить темній енергії, яка змушує наш Всесвіт розширюватися експонентом, періодично подвоюючи розміри. В результаті щільність матерії та випромінювання постійно падає, гравітаційне викривлення простору слабшає, а його геометрія стає все більш плоскою. Протягом наступного трильйона років розміри Всесвіту подвоїться близько ста разів і вона перетвориться на практично порожній світ, повністю позбавлений матеріальних структур. Поруч із нами знаходиться ще одна тривимірна брана, відокремлена від нас на нікчемну відстань у четвертому вимірі, і вона теж зазнає аналогічного експоненційного розтягування та ущільнення. Весь цей час дистанція між лайками практично не змінюється.

А потім ці паралельні лайки починають зближуватися. Їх штовхає один одного силове поле, енергія якого залежить від відстані між бранами. Зараз щільність енергії такого поля позитивна, тому простір обох бран розширюється по експоненті, отже, саме це поле забезпечує ефект, який пояснюють наявністю темної енергії! Однак цей параметр поступово зменшується і через трильйон років впаде нанівець. Обидві лайки все одно продовжать розширюватися, але вже не за експонентом, а в дуже повільному темпі. Отже, у нашому світі щільність частинок та випромінювання так і залишиться майже нульовою, а геометрія – плоскою.

Новий цикл

Але закінчення старої історії лише прелюдія до чергового циклу. Брани переміщуються назустріч один одному і зрештою стикаються. На цій стадії щільність енергії міжбранового поля опускається нижче за нуль, і воно починає діяти на зразок гравітації (нагадаю, що у тяжіння потенційна енергія негативна!). Коли лайки виявляються дуже близько, міжбранове поле починає посилювати квантові флуктуації в кожній точці нашого світу і перетворює їх на макроскопічні деформації просторової геометрії (наприклад, за мільйонну частку секунди до зіткнення розрахунковий розмір таких деформацій досягає декількох метрів). Після зіткнення саме в цих зонах виділяється левова частка кінетичної енергії, що вивільняється при ударі. У результаті саме там виникає найбільше гарячої плазми із температурою близько 1023 градусів. Саме ці області стають локальними вузлами тяжіння та перетворюються на зародки майбутніх галактик.

Таке зіткнення замінює Великий вибух інфляційної космології. Дуже важливо, що вся матерія, що виникла заново, з позитивною енергією з'являється за рахунок накопиченої негативної енергії міжбранового поля, тому закон збереження енергії не порушується.

Інфляційна теорія допускає утворення множинних дочірніх всесвітів, які безперервно відбруньковуються від існуючих.

А як поводиться таке поле у ​​цей вирішальний момент? До зіткнення щільність його енергії досягає мінімуму (причому негативного), потім починає зростати, а при зіткненні стає нульовою. Потім лайки відштовхуються один від одного і починають розходитися. Щільність міжбранової енергії проходить зворотну еволюцію - знову стає негативною, нульовою, позитивною. Збагачена матерією і випромінюванням брана спочатку розширюється з швидкістю, що падає, під гальмуючим впливом власного тяжіння, а потім знову переходить до експоненційного розширення. Новий цикл закінчується подібно до колишнього — і так до нескінченності. Цикли, що передували нашому, відбувалися і в минулому — у цій моделі час безперервно, тому минуле існує і за межами 13,7 млрд років, що минули після останнього збагачення нашої лайки матерією та випромінюванням! Чи був у них взагалі якийсь початок, теорія замовчує.

Циклічна теорія по-новому пояснює властивості нашого світу. Він має плоску геометрію, оскільки до кінця кожного циклу непомірно розтягується і лише трохи деформується перед початком нового циклу. Квантові флуктуації, які стають попередниками галактик, виникають хаотично, але в середньому рівномірно — тому космічний простір заповнений згустками матерії, але на великих дистанціях цілком однорідно. Ми не можемо виявити магнітні монополі просто тому, що максимальна температура новонародженої плазми не перевищувала 10 23 К, а для виникнення таких часток потрібні багато більших енергії — близько 10 27 К.

Момент Великого Вибуху – це зіткнення лайок. Виділяється величезна кількість енергії, лайки розлітаються, відбувається уповільнення розширення, речовина і випромінювання остигають, утворюються галактики. Розширення знову прискорюється за рахунок позитивної густини міжбранової енергії, а потім уповільнюється, геометрія стає плоскою. Брани притягуються одна до одної, перед зіткненням квантові флуктуації посилюються і перетворюються на деформації просторової геометрії, які у майбутньому стануть зародками галактик. Відбувається зіткнення і цикл починається спочатку.

Світ без початку та кінця

Циклічна теорія існує у кількох версіях, як і теорія інфляції. Однак, за словами Пола Стейнхардта, відмінності між ними суто технічні та цікаві лише фахівцям, загальна концепція залишається незмінною: «По-перше, у нашій теорії немає жодного моменту початку світу, ніякої сингулярності. Є періодичні фази інтенсивного народження речовини та випромінювання, кожну з яких за бажання можна називати Великим вибухом. Але кожна з цих фаз знаменує не виникнення нового всесвіту, а лише перехід від одного циклу до іншого. І простір, і час існують і до, і після кожного з цих катаклізмів. Тому цілком закономірно запитати, яким був стан справ за 10 млрд. років до останнього Великого вибуху, від якого відраховують історію світобудови.

Друга ключова відмінність - природа та роль темної енергії. Інфляційна космологія не передбачала переходу розширення Всесвіту, що уповільнюється, в прискорене. А коли астрофізики відкрили це явище, спостерігаючи за спалахами далеких наднових зірок стандартна космологія навіть не знала, що з цим робити. Гіпотезу темної енергії висунули просто у тому, щоб якось прив'язати до теорії парадоксальні результати цих спостережень. А наш підхід набагато краще скріплений внутрішньою логікою, оскільки темна енергія у нас є спочатку і саме вона забезпечує чергування космологічних циклів». Втім, як зазначає Пол Стейнхардт, має циклічна теорія і слабкі місця: «Нам поки що не вдалося переконливо описати процес зіткнення і відскоку паралельних бран, що має місце на початку кожного циклу. Інші аспекти циклічної теорії розроблені набагато краще, а тут належить усунути ще чимало неясностей».

Перевірка практикою

Але навіть найкрасивіші теоретичні моделі потребують досвідченої перевірки. Чи можна підтвердити чи спростувати циклічну космологію за допомогою спостережень? «Обидві теорії і інфляційна, і циклічна передбачають існування реліктових гравітаційних хвиль, — пояснює Пол Стейнхардт. — У першому випадку вони виникають із первинних квантових флуктуацій, які в ході інфляції розмазуються по простору і породжують періодичні коливання його геометрії, — а це, відповідно до загальної теорії відносності, є хвилі тяжіння. У нашому сценарії першопричиною таких хвиль також є квантові флуктуації — ті, що посилюються при зіткненні бран. Обчислення показали, що кожен механізм породжує хвилі, що мають специфічний спектр і специфічну поляризацію. Ці хвилі мали залишити відбитки на космічному мікрохвильовому випромінюванні, яке є безцінним джерелом відомостей про ранньому космосі. Поки що такі сліди виявити не вдалося, але, швидше за все, це буде зроблено протягом найближчого десятиліття. Крім того, фізики вже думають про пряму реєстрацію реліктових гравітаційних хвиль за допомогою космічних апаратів, які з'являться через два-три десятки років».

Радикальна альтернатива

1980-х роках професор Стейнхардт зробив чималий внесок у розробку стандартної теорії Великого Вибуху. Однак це не завадило йому шукати радикальну альтернативу теорії, в яку вкладено стільки праці. Як розповів «Популярній механіці» сам Пол Стейнхардт, гіпотеза інфляції справді розкриває багато космологічних загадок, але це не означає, що немає сенсу шукати й інші пояснення: «Спочатку мені просто цікаво було спробувати розібратися в основних властивостях нашого світу, не вдаючись до інфляції. Пізніше, коли я заглибився в цю проблематику, я переконався, що інфляційна теорія зовсім не така досконала, як стверджують її прихильники. Коли інфляційна космологія тільки створювалася, ми сподівалися, що вона пояснить перехід від первісного хаотичного стану матерії до нинішнього впорядкованого Всесвіту. Вона це й зробила, але пішла набагато далі. Внутрішня логіка теорії вимагала визнати, що інфляція постійно творить нескінченну кількість світів. У цьому не було б нічого страшного, якби їхній фізичний пристрій копіював наш власний, але цього якраз і не виходить. Ось, скажімо, за допомогою інфляційної гіпотези вдалося пояснити, чому ми живемо в плоскому евклідовому світі, але більшість інших всесвітів свідомо не матиме такої ж геометрії. Коротше кажучи, ми будували теорію для пояснення власного світу, а вона вийшла з-під контролю і породила нескінченну різноманітність екзотичних світів. Такий стан справ перестав мене влаштовувати. До того ж, стандартна теорія не здатна пояснити природу більш раннього стану, що передував еспоненційному розширенню. У цьому сенсі вона така ж неповна, як і доінфляційна космологія. Зрештою, вона не може нічого сказати про природу темної енергії, яка вже 5 мільярдів років керує розширенням нашого Всесвіту».

Ще одна відмінність, за словами професора Стейнхардта, полягає у розподілі температур фонового мікрохвильового випромінювання: «Це випромінювання, що приходить з різних ділянок небосхилу, не цілком однорідне за температурою, в ньому є більш-менш нагріті зони. На тому рівні точності вимірювань, який забезпечує сучасна апаратура, кількість гарячих та холодних зон приблизно однакова, що збігається з висновками обох теорій – і інфляційною, і циклічною. Однак ці теорії передбачають більш тонкі різницю між зонами. В принципі їх зможе виявити запущена торік європейська космічна обсерваторія "Планк" та інші новітні космічні апарати. Я сподіваюся, що результати цих експериментів допоможуть зробити вибір між інфляційною та циклічною теоріями. Але може статися і так, що ситуація залишиться невизначеною і жодна теорія не отримає однозначної експериментальної підтримки. Ну що ж, тоді доведеться вигадати щось нове».

Усі чули про теорію Великого вибуху, яка пояснює (принаймні, на Наразі) зародження нашого Всесвіту. Однак у вчених колах завжди знайдуться охочі заперечити ідеї – з цього, до речі, нерідко й виростають великі відкриття.

Однак, зрозумів Дікке, якби ця модель була реальною, то не було б двох видів зірок – Населення І та Населення II, молодих та старих зірок. А вони були. Отже, Всесвіт навколо нас таки розвинувсь із гарячого та щільного стану. Навіть якщо це був не єдиний в історії Великий вибух.

Дивно, правда? Аж раптом цих вибухів було кілька? Десятки, сотні? Науці ще належить це з'ясувати. Діке запропонував своєму колезі Піблсу прорахувати необхідну для описаних процесів температуру і ймовірну температуру залишкового випромінювання в наші дні. Приблизні розрахунки Піблса показали, що сьогодні Всесвіт повинен бути наповнений мікрохвильовим випромінюванням з температурою менше 10 К, і Рол з Вілкінсон уже готувалися шукати це випромінювання, коли пролунав дзвінок…

Складнощі перекладу

Однак тут варто перенестися в інший куточок земної кулі - до СРСР. Найближче до відкриття реліктового випромінювання підійшли (і теж не довели справу до кінця!) в СРСР. Проробивши протягом кількох місяців величезну роботу, звіт про яку вийшов у 1964 році, радянські вчені склали, здавалося, всі частини головоломки, не вистачило лише однієї. Яків Борисович Зельдович, один із колосів радянської науки, здійснив розрахунки, аналогічні тим, що провів колектив Гамова (радянського фізика, який жив у США), і також дійшов висновку, що Всесвіт повинен був початися з гарячого Великого вибуху, який залишив фонове випромінювання з температурою у кілька кельвінів.

Яків Борисович Зельдович, –

Він навіть знав про статтю Еда Ома в «Технічному журналі Bell System», яка приблизно вирахувала температуру реліктового випромінювання, але неправильно інтерпретувала висновки автора. Чому ж радянські дослідники не зрозуміли, що Ом уже відкрив це випромінювання? Через помилку у перекладі. У статті Ома стверджувалося, що виміряна ним температура неба становила близько 3 К. Це означало, що він вирахував всі можливі джерела радіоперешкод і що 3 К - це температура фону, що залишився.

Проте за випадковим збігом такою самою (3 К) була і температура випромінювання атмосфери, поправку на яку Ом теж зробив. Радянські фахівці помилково вирішили, що саме ці 3 К і залишилися в Ома після всіх попередніх коригувань, відняли їх і залишилися ні з чим.

У наші дні подібні помилки розуміння легко усунулися б у процесі електронного листування, але на початку 1960-х років комунікація між вченими Радянського Союзу та Сполучених Штатів була дуже складною. Це і стало причиною такої образливої ​​помилки.

Нобелівська премія, яка спливла з рук

Повернімося в день, коли в лабораторії Дікке пролунав телефонний дзвінок. Виявляється, в цей же час астрономи Арно Пензіас і Роберт Вільсон повідомили, що їм випадково вдалося вловити слабкий радіошум, що надходить з усього. Тоді вони ще не знали, що інший колектив вчених самостійно дійшов ідеї існування такого випромінювання і навіть почав будувати детектор для його пошуку. Це був колектив Дікке та Піблса.

Ще дивніше й те, що космічне мікрохвильове фонове, або, як його ще називають, реліктове, випромінювання було більш ніж за десять років до цього описано в рамках моделі виникнення Всесвіту внаслідок Великого вибуху Георгієм Гамовим та його колегами. Жодна, ні інша група вчених про це не знала.

Пензіас і Вільсон випадково дізналися про роботу вчених під керівництвом Дікке і вирішили зателефонувати, щоб обговорити це. Дікке уважно вислухав Пензіаса і зробив кілька зауважень. Поклавши слухавку, він обернувся до колег і сказав: «Хлопці, нас обскакали».

Майже через 15 років, після того, як безліч вимірів, зроблених на різних довжинах хвиль багатьма групами астрономів, підтвердили, що відкрите ними випромінювання справді реліктове відлуння Великого вибуху, що має температуру 2,712 К, Пензіас і Вільсон розділили Нобелівську премію за свій винахід. Хоча спочатку вони навіть не хотіли писати статтю про своє відкриття, тому що вважали його неспроможним і таким, що не вкладається в модель стаціонарного Всесвіту, якого вони дотримувалися!

Кажуть, Пензіас і Вільсон вважали б для себе достатньою згадку як п'яте і шосте ім'я в списку після Дікке, Піблса, Ролла і Вілкінсона. В такому випадку Нобелівська премія, мабуть, пішла б Дікке. Але все сталося так, як сталося.

PS: Підписуйтесь на нашу розсилку . Раз на два тижні надсилатимемо 10 найцікавіших і найкорисніших матеріалів з блогу МІФ.

Поверхня кульки – це простір, в якому ми живемо

Навіть астрономи не завжди правильно розуміють розширення Всесвіту. повітряна куля, Що Роздувається, - стара, але хороша аналогія розширення Всесвіту. Галактики, розташовані на поверхні кулі, нерухомі, але оскільки Всесвіт розширюється, відстань між ними зростає, а розміри самих галактик не збільшуються.

У липні 1965 р. вчені оголосили про відкриття явних ознак розширення Всесвіту з більш гарячого та щільного вихідного стану. Вони знайшли освітлення, що остигає, Великого вибуху – реліктове випромінювання. З цього моменту розширення та охолодження Всесвіту лягло в основу космології. Космологічне розширення дозволяє зрозуміти, як формувалися прості структури та як вони поступово розвивалися у складні. Через 75 років після відкриття розширення Всесвіту багато вчених не можуть проникнути в його справжнє значення. Джеймс Піблз (James Peebles), космолог з Прінстонського університету, який вивчає реліктове випромінювання, писав у 1993 р.: «Мені здається, що навіть фахівці не знають, яке значення та можливості моделі гарячого Великого вибуху».

Відомі фізики, автори підручників з астрономії та популяризатори науки часом дають неправильне чи спотворене трактування розширення Всесвіту, яке лягло в основу моделі Великого вибуху. Що ж ми маємо на увазі, коли кажемо, що Всесвіт розширюється? Безперечно, збиває з пантелику та обставина, що тепер говорять про прискорення розширення, і це ставить нас у глухий кут.

ОГЛЯД: КОСМІЧНИЙ НЕДОРОЗУМІН

* Розширення Всесвіту – одна із фундаментальних концепцій сучасної науки- Досі отримує різне тлумачення.

* Не слід сприймати термін "Великий вибух" буквально. Він не був бомбою, що вибухнула у центрі Всесвіту. Це був вибух самого простору, який стався повсюдно, подібно до того, як розширюється поверхня повітряної кулі.

* Розуміння відмінності між розширенням простору та розширенням у просторі вкрай важливо для того, щоб зрозуміти, який розмір Всесвіту, швидкість розбігання галактик, а також можливості астрономічних спостережень та природи прискорення розширення, яке, ймовірно, відчуває Всесвіт.

* Модель Великого вибуху описує лише те, що відбулося після нього.

Що таке розширення?

Коли розширюється щось звичне, наприклад, волога пляма або Римська імперія, то вони стають більшими, їх межі розсуваються, і вони починають займати більший обсяг у просторі. Але Всесвіт, схоже, не має фізичних обмежень, і йому нема куди рухатися. Розширення нашого Всесвіту дуже схоже на надування повітряної кулі. Відстань до далеких галактик збільшується. Зазвичай астрономи кажуть, що галактики віддаляються чи тікають від нас, але не переміщаються у просторі, як уламки «бомби Великого вибуху». Насправді розширюється простір між нами і галактиками, що хаотично рухаються всередині практично нерухомих скупчень. Реліктове випромінювання заповнює Всесвіт і служить системою відліку, подібної до гумової поверхні повітряної кулі, по відношенню до якої рух і може бути виміряний.

Перебуваючи поза кулею, бачимо, що розширення його викривленої двовимірної поверхні можливе лише оскільки вона перебуває у тривимірному просторі. У третьому вимірі розташовується центр кулі, а його поверхня розширюється в навколишній об'єм. Виходячи з цього, можна було б зробити висновок, що розширення нашого тривимірного світу потребує наявності біля простору четвертого виміру. Але згідно з загальною теорією відносності Ейнштейна, простір динамічний: він може розширюватися, стискатися та згинатися.

Дорожня пробка

Всесвіт самодостатній. Не потрібні ні центр, щоб розширюватися від нього, ні вільний простір із зовнішнього боку (де б він не знаходився), щоб туди розширюватися. Щоправда, деякі новітні теорії, такі як теорія струн, постулюють наявність додаткових вимірів, але при розширенні нашого тривимірного Всесвіту вони не потрібні.

У нашому Всесвіті, як і на поверхні повітряної кулі, кожен об'єкт віддаляється від решти. Таким чином, Великий вибух не був вибухом у просторі, а скоріше це був вибух самого простору, який не стався у певному місці і потім не розширювався у навколишню порожнечу. Це сталося всюди одночасно.

Якщо уявити, що ми прокручуємо кінострічку у зворотному порядку, то побачимо, як усі області Всесвіту стискаються, а галактики зближуються, доки не зіткнуться всі разом у Великому вибуху, як автомобілі в пробці. Але зіставлення тут повне. Якби йшлося про подію, то ви могли б об'їхати затор, почувши повідомлення про нього радіо. Але Великий вибух був катастрофою, яку неможливо уникнути. Це схоже на те, якби поверхня Землі і всі дороги на ній зім'ялися, але автомобілі залишалися б колишнього розміру. Зрештою, машини зіткнулися б, і ніяке повідомлення по радіо не допомогло б запобігти цьому. Так само і Великий вибух: він стався повсюдно, на відміну від вибуху бомби, який відбувається у певній точці, а уламки розлітаються на всі боки.

Теорія Великого вибуху не дає нам інформації про розмір Всесвіту і навіть про те, кінцева вона чи нескінченна. Теорія відносності визначає, як розширюється кожна область простору, але нічого не йдеться про розмір або форму. Іноді космологи заявляють, що Всесвіт колись був не більшим за грейпфрут, але вони мають на увазі лише ту її частину, яку ми зараз можемо спостерігати.

У мешканців туманності Андромеди або інших галактик свої всесвіти, що спостерігаються. Спостерігачі, які знаходяться в Андромеді, можуть бачити галактики, які недоступні нам, просто через те, що вони трохи ближчі до них; зате вони не можуть споглядати тих, які ми розглядаємо. Їхній Всесвіт теж був розміром з грейпфрут. Можна уявити, що ранній Всесвіт був схожий на купу цих фруктів, що безмежно простягається у всіх напрямках. Значить, уявлення про те, що Великий вибух був «маленьким», хибне. Простір Всесвіту безмежний. І як його не стискай, воно таким і залишиться.

Швидше за світло

Помилкові уявлення бувають пов'язані і з кількісним описом розширення. Швидкість, з якою збільшуються відстані між галактиками, підпорядковується простий закономірності, виявленої американським астрономом Едвіном Хаблом (Edwin Hubble) в 1929 р.: швидкість видалення галактики v прямо пропорційна його відстані від нас d, або v = Hd. Коефіцієнт пропорційності H називається постійною Хаббла та визначає швидкість розширення простору як навколо нас, так і навколо будь-якого спостерігача у Всесвіті.

Деяких збиває з пантелику те, що не всі галактики підкоряються закону Хаббла. Найближча до нас велика галактика (Андромеда) загалом рухається до нас, а не від нас. Такі винятки бувають, оскільки закон Хаббла визначає лише середню поведінку галактик. Але кожна з них може мати і невеликий власний рух, оскільки галактики гравітаційно впливають одна на одну, як, наприклад, наша Галактика та Андромеда. Віддалені галактики також мають невеликі хаотичні швидкості, але при великій відстані від нас (за великого значення d) ці випадкові швидкості мізерно малі на тлі великих швидкостей видалення (v). Тому для далеких галактик закон Хаббла виконується з високою точністю.

Відповідно до закону Хаббла, Всесвіт розширюється не з постійною швидкістю. Деякі галактики віддаляються від нас зі швидкістю 1 тис. км/с, інші, що знаходяться вдвічі далі, зі швидкістю 2 тис. км/с і т.д. Таким чином, закон Хаббла вказує, що, починаючи з певної відстані, званої хаббловським, галактики видаляються з надсвітловою швидкістю. Для виміряного значення постійної Хаббла ця відстань становить близько 14 млрд світлових років.

Але хіба приватна теорія відносності Ейнштейна не стверджує, що ніякий об'єкт не може мати швидкість вище за швидкість світла? Таке питання ставило в глухий кут багато покоління студентів. А відповідь полягає в тому, що приватна теорія відносності застосовна лише до «нормальних» швидкостей – руху в просторі. У законі Хаббла мова йдепро швидкість видалення, викликаного розширенням самого простору, а чи не рухом у просторі. Цей ефект загальної теорії відносності підпорядковується приватної теорії відносності. Наявність швидкості видалення вище швидкості світла не порушує приватну теорію відносності. Як і раніше, вірно, що ніхто не може наздогнати промінь світла .

ЧИ МОЖУТЬ ГАЛАКТИКИ ВИДАЛЯТИСЯ З ШВИДКОСТЮ ВИЩЕ ШВИДКОСТІ СВІТЛА? НЕВЕРНО: Приватна теорія відносності Ейнштейна забороняє це Розглянемо область простору, що містить кілька галактик. Через її розширення галактики віддаляються від нас. Що далі галактика, то більша її швидкість (червоні стрілки). Якщо швидкість світла – межа, то швидкість видалення має стати постійною. ВІРНО: Зрозуміло, можуть Приватна теорія відносності розглядає швидкість видалення. Швидкість видалення нескінченно зростає з відстанню. Далі певної відстані, званої хаббловским, вона перевищує швидкість світла. Це не є порушенням теорії відносності, оскільки видалення спричинене не рухом у просторі, а розширенням самого простору.

ЧИ МОЖНА ПОБАЧИТИ ГАЛАКТИКИ, ЩО ВИДАЛЯЮТЬСЯ ШВИДШЕ СВІТЛА? НЕВЕРНО: Звичайно, ні. Світло від таких галактик відлітає разом із ними. Нехай галактика перебуває поза хаббловского відстані (сфера), тобто. віддаляється від нас швидше швидкості світла. Вона випускає фотон (позначено жовтим кольором). Поки фотон летить крізь простір, він розширюється. Відстань до Землі збільшується швидше, ніж рухається фотон. Він ніколи не досягне нас. ВІРНО: Звичайно можна, оскільки швидкість розширення змінюється з часом. Спочатку фотон справді зноситься розширенням. Проте хаббловское відстань який завжди: воно збільшується, і зрештою фотон може потрапити у сферу Хаббла. Як тільки це станеться, фотон рухатиметься швидше, ніж видаляється Земля, і він зможе досягти нас.

Розтягування фотонів

Перші спостереження, що показують, що Всесвіт розширюється, було зроблено між 1910 і 1930 р. У лабораторії атоми випускають і поглинають світло завжди певних довжинах хвиль. Те саме спостерігається і в спектрах далеких галактик, але зі зміщенням у довгохвильову область. Астрономи кажуть, що випромінювання галактики зазнає червоного зміщення. Пояснення просте: при розширенні простору світлова хвиля розтягується і тому слабшає. Якщо протягом того часу, поки світлова хвиля дійшла до нас, Всесвіт розширився вдвічі, то й довжина хвилі подвоїлася, а її енергія ослабла вдвічі.

Гіпотеза втоми Щоразу, коли Scientific American публікує статтю з космології, багато читачів пишуть нам, що, на їхню думку, галактики насправді не віддаляються від нас і що розширення простору – ілюзія. Вони вважають, що червоне зміщення в спектрах галактик викликане чимось на кшталт «втоми» довгої поїздки. Якийсь невідомий процес змушує світло, поширюючись крізь простір, втрачати енергію і тому червоніти. Даній гіпотезі вже понад півстоліття, і на перший погляд вона виглядає розумною. Але вона зовсім не узгоджується зі спостереженнями. Наприклад, коли зірка вибухає як наднова, вона спалахує, а потім тьмяніє. Весь процес триває приблизно два тижні у наднових типу, який астрономи використовують для визначення відстаней до галактик. За цей час наднова випромінює потік фотонів. Гіпотеза втоми світла говорить, що за час шляху фотони втратить енергію, але спостерігач все одно отримає потік фотонів тривалістю два тижні. Однак у просторі, що розширюється, не тільки самі фотони розтягуються (і тому втрачають енергію), але і їх потік також розтягується. Тому потрібно понад два тижні, щоб усі фотони дісталися Землі. Спостереження підтверджують такий ефект. Спалах наднової в галактиці з червоним усуненням 0,5 спостерігається три тижні, а в галактиці з червоним усуненням 1 - місяць. Гіпотеза втоми світла суперечить також спостереженням спектра реліктового випромінювання та вимірюванням поверхневої яскравості далеких галактик. Настав час відправити на спокій «втомлене світло» (Чарльз Ліневівер та Тамара Девіс). Наднові зірки, як ця у скупченні галактик у Діві, допомагають вимірювати космічне розширення. Їх спостережувані властивості виключають альтернативні космологічні теорії, у яких простір не розширюється.

Процес можна описати у термінах температури. Фотони, що випускаються тілом, мають розподіл по енергії, який в цілому характеризують температурою, що вказує, наскільки тіло гаряче. Коли фотони рухаються в просторі, що розширюється, вони втрачають енергію і їх температура знижується. Таким чином, Всесвіт при розширенні охолоджується, як стиснене повітря, що виривається з балона аквалангіста. Наприклад, реліктове випромінювання сьогодні має температуру близько 3 К, тоді як воно народилося при температурі близько 3000 К. Але з того часу Всесвіт збільшився в розмірі в 1000 разів, а температура фотонів знизилася в стільки ж разів. Спостерігаючи газ у далеких галактиках, астрономи прямо вимірюють температуру цього випромінювання у минулому. Вимірювання підтверджують, що Всесвіт згодом охолоджується.

У зв'язку між червоним зміщенням та швидкістю також існують деякі протиріччя. Червоне усунення, викликане розширенням, часто плутають з більш знайомим червоним усуненням, викликаним ефектом Доплера, який зазвичай робить звукові хвилі довшими, якщо джерело звуку видаляється. Те ж саме і для світлових хвиль, які стають довшими, якщо джерело світла віддаляється в просторі.

Доплерівське червоне усунення і космологічне червоне усунення – речі абсолютно різні і описуються різними формулами. Перша випливає із приватної теорії відносності, яка не бере до уваги розширення простору, а друга випливає із загальної теорії відносності. Ці дві формули майже однакові для довколишніх галактик, але розрізняються для віддалених.

Згідно з формулою Доплера, якщо швидкість об'єкта у просторі наближається до швидкості світла, його червоне зміщення прагне нескінченності, а довжина хвилі стає занадто великий і тому недоступною для спостереження. Якби це було правильно для галактик, то найвіддаленіші видимі об'єкти на небі видалялися б зі швидкістю, помітно меншою за швидкість світла. Але космологічна формула для червоного усунення призводить до іншого висновку. В рамках стандартної космологічної моделі галактики з червоним зміщенням близько 1,5 (тобто довжина хвилі їх випромінювання, що приймається, на 50% більше лабораторного значення) видаляються зі швидкістю світла. Астрономи вже виявили близько 1000 галактик із червоним усуненням більше 1,5. А значить, нам відомо близько 1000 об'єктів, що віддаляються швидше за швидкість світла. Реліктове випромінювання приходить з ще більшої відстані і має червоне зміщення близько 1000. Коли гаряча плазма молодого Всесвіту випускала прийняте нами сьогодні випромінювання, вона віддалялася від нас майже в 50 разів швидше за швидкість світла.

Біг на місці

Важко повірити, що ми можемо бачити галактики, що рухаються швидше за швидкість світла, проте це можливо через зміну швидкості розширення. Уявіть промінь світла, що йде до нас з більшої відстані, ніж відстань Хаббла (14 млрд. світлових років). Він рухається до нас зі швидкістю світла щодо свого розташування, але саме воно віддаляється від нас швидше за швидкість світла. Хоча світло прямує до нас з максимально можливою швидкістю, воно не може наздогнати розширення простору. Це нагадує дитину, яка намагається бігти в зворотний бікпо ескалатору. Фотони на відстані хабблівській переміщаються з максимальною швидкістю, щоб залишатися на колишньому місці.

Можна подумати, що світло з областей, віддалених далі за відстань Хаббла, ніколи не зможе дійти до нас і ми його ніколи не побачимо. Але відстань Хаббла не залишається незмінною, оскільки постійна Хаббла, від якої вона залежить, змінюється з часом. Ця величина пропорційна швидкості розбігання двох галактик, поділеної на відстань між ними. (Для обчислення можна використовувати будь-які дві галактики.) У моделях Всесвіту, що узгоджуються з астрономічними спостереженнями, знаменник збільшується швидше за чисельник, тому постійна Хаббла зменшується. Отже, відстань Хаббла зростає. А якщо так, світло, яке спочатку не досягало нас, може з часом опинитися в межах хаблівської відстані. Тоді фотони виявляться в області, що віддаляється повільніше за швидкість світла, після чого вони зможуть дістатися до нас.

ЧИ ДІЙСНО КОСМІЧНЕ ЧЕРВОНЕ ЗМІШЕННЯ – ЦЕ ДОПЛЕРІВСЬКЕ ЗМІШЕННЯ?

НЕВЕРНО: Так, тому що галактики, що віддаляються, рухаються в просторі В ефекті Доплера світлові хвилі розтягуються (стаючи червонішими), коли їх джерело віддаляється від спостерігача. Довжина хвилі світла не змінюється під час подорожі крізь простір. Спостерігач приймає світло, вимірює його червоне усунення і обчислює швидкість галактики.

ВІРНО: Ні, червоне зміщення не має жодного відношення до ефекту Доплера Галактика майже нерухома у просторі, тому випромінює світло однакової довжини хвилі у всіх напрямках. За час шляху довжина хвилі стає більшою, оскільки простір розширюється. Тому світло поступово червоніє. Спостерігач приймає світло, вимірює його червоне усунення і обчислює швидкість галактики. Космічне червоне усунення відрізняється від доплерівського усунення, що підтверджують спостереження.

Однак галактика, яка надіслала світло, може продовжувати віддалятися з надсвітловою швидкістю. Таким чином, ми можемо спостерігати світло від галактик, які, як і раніше, завжди будуть віддалятися швидше за швидкість світла. Одним словом, хаблівська відстань не фіксована і не вказує нам межі спостережуваного Всесвіту.

А що насправді відзначає межу простору, що спостерігається? Тут теж відбувається якась плутанина. Якби простір не розширювалося, то найвіддаленіший об'єкт міг би спостерігати тепер з відривом близько 14 млрд. світлових років від нас, тобто. на відстані, яку світло подолало за 14 млрд. років, що минули з моменту Великого вибуху. Але оскільки Всесвіт розширюється, простір, перетнутий фотоном, розширився під час його шляху. Тому поточна відстань до найвіддаленішого із спостережуваних об'єктів приблизно втричі більша – близько 46 млрд. світлових років.

Раніше космологи думали, що ми живемо у Всесвіті, що сповільнюється, і тому можемо спостерігати все більше і більше галактик. Однак у Всесвіті, що прискорюється, ми відгороджені кордоном, поза яким ніколи не побачимо події, що відбуваються – це космічний обрій подій. Якщо світло від галактик, що віддаляється швидше за швидкість світла, досягне нас, значить, відстань Хаббла збільшиться. Але в Всесвіті, що прискорюється, його збільшення заборонено. Віддалена подія може послати промінь світла у нашому напрямку, але це світло назавжди залишиться за межею відстані Хаббла через прискорення розширення.

Як бачимо, Всесвіт, що прискорюється, нагадує чорну дірку, що теж має горизонт подій, ззовні якого ми не отримуємо сигналів. Нинішня відстань до нашого космічного горизонту подій (16 млрд. світлових років) цілком лежить у межах нашої області, що спостерігається. Світло, випущений галактиками, що зараз нині космічного горизонту подій, будь-коли зможе досягти нас, т.к. відстань, яка зараз відповідає 16 млрд. світлових років, розширюватиметься надто швидко. Ми зможемо побачити події, що відбувалися в галактиках, перш ніж вони перетнули обрій, але про наступні події ми не дізнаємося ніколи.

У Всесвіті все розширюється?

Люди часто думають, що й простір розширюється, те й у ньому теж розширюється. Але це не так. Розширення як таке (тобто за інерцією, без прискорення чи уповільнення) не робить жодної сили. Довжина хвилі фотона збільшується разом із зростанням Всесвіту, оскільки, на відміну від атомів і планет, фотони не пов'язані об'єкти, розміри яких визначаються рівновагою сил. Швидкість розширення, що змінюється, дійсно вносить нову силу в рівновагу, але і вона не може змусити об'єкти розширюватися або стискатися.

Наприклад, якби гравітація стала сильнішою, ваш спинний мозок стиснувся б, поки електрони в хребті не досягли нового положення рівноваги, трохи ближче один до одного. Ваше зростання трохи зменшилося б, але стиснення на цьому припинилося б. Так само, якби ми жили у Всесвіті з переважанням сил тяжіння, як ще кілька років тому вважали більшість космологів, то розширення сповільнювалося б, а на всі тіла діяло б слабке стиснення, що змушує їх досягати меншого рівноважного розміру. Але, досягнувши його, вони більше не стискалися б.

СКІЛЬКИ ВЕЛИКА СПОСТЕРЕЖЕНА ВСЕСВІТ?

НЕВЕРНО: Всесвіту 14 млрд. років, тому її частина, що спостерігається, повинна мати радіус 14 млрд. світлових років. Світловий рік – це відстань фотоном за рік. Отже, фотон подолав 14 млрд світлових років.

ВІРНО: Оскільки простір розширюється, область, що спостерігається, має радіус більше, ніж 14 млрд. світлових років. Поки фотон подорожує, простір, що він перетинає, розширюється. До моменту, коли він досягає нас, відстань до галактики, що випустила його, стає більше, ніж просто обчислена за часом польоту, – приблизно втричі більше

Фактично ж розширення прискорюється, що викликано слабкою силою, яка «роздмухує» всі тіла. Тому пов'язані об'єкти мають розміри трохи більше, ніж були б у Всесвіті, що не прискорюється, оскільки рівновага сил досягається у них при трохи більшому розмірі. На поверхні Землі прискорення, спрямоване назовні, від центру планети становить мізерну частку (10–30) нормального гравітаційного прискорення до центру. Якщо це прискорення незмінне, воно не змусить Землю розширюватися. Просто планета приймає трохи більший розмірчим він був би без сили відштовхування.

Але все зміниться, якщо прискорення не завжди, як вважають деякі космологи. Якщо відштовхування збільшується, то це може зрештою спричинити руйнування всіх структур і призвести до «Великого розриву», який стався б не через розширення чи прискорення як таке, а тому, що прискорення прискорювалося б.

А ОБ'ЄКТИ У ВСЕСВІТНІЙ ТАКОЖ РОЗШИРЮЮТЬСЯ? НЕВЕРНО: Так Розширення змушує Всесвіт і все, що знаходиться в ньому, збільшуватися. Як об'єкт розглянемо скупчення галактик. Якщо Всесвіт стає більшим, то і скупчення – також. Кордон скупчення (жовта лінія) розширюється. ВІРНО: Ні. Всесвіт розширюється, але пов'язані об'єкти в ньому не роблять цього. Сусідні галактики спочатку видаляються, але зрештою їхнє взаємне тяжіння пересилує розширення. Формується накопичення такого розміру, яке відповідає його рівноважному стану.

У міру того як нові точні вимірювання допомагають космологам краще зрозуміти розширення і прискорення, вони можуть поставитися ще більш фундаментальними питаннями про ранні миті і найбільші масштаби Всесвіту. Чим було спричинено розширення? Багато космологів вважають, що в цьому винен процес, званий «інфляцією» (роздуванням), особливий тип розширення, що прискорюється. Але можливо, це лише часткова відповідь: щоб він почався, схоже, Всесвіт уже повинен був розширюватися. А щодо найбільших масштабів за межами наших спостережень? Чи розширюються різні частини Всесвіту по-різному, так, що наш Всесвіт – це лише скромний інфляційний міхур у гігантському надвсесвіті? Ніхто не знає. Але ми сподіваємося, що з часом ми зможемо дійти розуміння процесу розширення Всесвіту.

ПРО АВТОРИ:
Чарльз Ліневівер (Charles H. Lineweaver) та Тамара Девіс (Tamara M. Davis) – астрономи з австралійської обсерваторії Маунт-Стромло. На початку 1990-х років. у Каліфорнійському університеті в Берклі Ліневівер входив до групи вчених, які відкрили за допомогою супутника COBE флуктуацію реліктового випромінювання. Він захистив дисертацію не лише з астрофізики, а й з історії та англійської літератури. Девіс працює над створенням космічної обсерваторії Supernova/Acceleration Probe (Дослідник наднових зірок та прискорення).

ПРИМІТКИ ДО СТАТТІ
Професор Засов Анатолій Володимирович, фіз. ф-т МДУ: Усі непорозуміння, з якими сперечаються автори статті, пов'язані з тим, що для наочності найчастіше розглядають розширення обмеженого обсягу Всесвіту в жорсткій системі відліку (причому розширення досить маленької області, щоб не враховувати різницю ходу часу на Землі та на далеких галактиках у земній системі відліку). Звідси уявлення і про вибух, і про зміщення доплерівське, і поширена плутанина зі швидкостями руху. Автори ж пишуть, і пишуть правильно, як усе виглядає в неінерційній (супутній) системі координат, у якій зазвичай працюють космологи, хоча у статті прямо не йдеться про це (в принципі, всі відстані та швидкості залежать від вибору системи відліку, і тут завжди є якесь свавілля). Єдине, що написано нечітко, так це те, що не визначено, що ж у Всесвіті, що розширюється, розуміється під відстанню. Спочатку у авторів це швидкість світла, помножена на час поширення, а далі говориться, що необхідний ще облік розширення, яке видалило галактику ще більше, поки світло було в дорозі. Таким чином, відстань вже розуміється як швидкість світла, помножена на час поширення, яке він витратив би, якби галактика перестала віддалятися і випромінювала світло зараз. Насправді все складніше. Відстань – величина модельно залежна і безпосередньо зі спостережень не одержувана, тому космологи без нього чудово обходяться, замінюючи червоним усуненням. Але, можливо, суворіший підхід тут і недоречний.

Екологія пізнання: Назва цієї статті може здатися не надто розумним жартом. Відповідно до загальноприйнятої космологічної концепції, теорії Великого вибуху, наш Всесвіт виник з екстремального стану фізичного вакууму, породженого квантовою флуктуацією.

Назва цієї статті може здатися не надто розумним жартом. Відповідно до загальноприйнятої космологічної концепції, теорії Великого вибуху, наш Всесвіт виник з екстремального стану фізичного вакууму, породженого квантовою флуктуацією. У цьому стані не існувало ні часу, ні простору (або вони були сплутані в просторово-часову піну), а всі фундаментальні фізичні взаємодії злилися воєдино. Пізніше вони розділилися і набули самостійного буття - спочатку гравітації, потім сильної взаємодії, а вже потім - слабкої та електромагнітної.

Теорія Великого вибуху користується довірою абсолютної більшості вчених, які вивчають ранню історію нашого Всесвіту. Вона і справді пояснює дуже багато і ні в чому не суперечить експериментальним даним.

Однак нещодавно у неї з'явився конкурент в особі нової, циклічної теорії, основи якої розробили двоє фізиків екстра-класу - директор Інституту теоретичної науки Прінстонського університету Пол Стейнхардт і лауреат Максвеллівської медалі та престижної міжнародної премії TED Ніл Тьюрок, директор канадського Інституту перспектив фізики (Perimeter Institute for Theoretical Physics). За допомогою професора Стейнхардта «Популярна механіка» спробувала розповісти про циклічну теорію та про причини її появи.

Момент, що передував подіям, коли з'явилася "спочатку гравітація, потім сильна взаємодія, а вже потім - слабке та електромагнітне", прийнято позначати як нульовий час, t = 0, проте це чиста умовність, данина математичному формалізму. Згідно зі стандартною теорією, безперервна течія часу почалася лише після того, як сила тяжіння здобула незалежність.

Цьому моменту зазвичай приписують величину t=10-43 (точніше, 5,4х10-44 з), яку називають планковским часом. Сучасні фізичні теорії просто не в змозі осмислено працювати з більш короткими проміжками часу (вважається, що для цього потрібна квантова теорія гравітації, яка поки що не створена). У контексті традиційної космології немає сенсу міркувати про те, що відбувалося до початкового моменту часу, оскільки часу у нашому розумінні тоді просто не існувало.

Неодмінною частиною стандартної космологічної теорії є концепція інфляції. Після закінчення інфляції у свої права вступило тяжіння, і Всесвіт продовжив розширюватися, але вже з швидкістю, що зменшується.

Така еволюція розтяглася на 9 мільярдів років, після чого в справу вступило ще одне антигравітаційне поле ще невідомої природи, яке називають чорною енергією. Воно знову вивело Всесвіт у режим експоненційного розширення, який начебто має зберегтися і в майбутні часи. Слід зазначити, що ці висновки базуються на астрофізичних відкриттях, зроблених наприкінці минулого століття майже через 20 років після появи інфляційної космології.

Вперше інфляційна інтерпретація Великого вибуху була запропонована близько 30 років тому і з того часу багаторазово шліфувалася. Ця теорія дозволила вирішити кілька фундаментальних проблем, із якими не впоралася попередня космологія.

Наприклад, вона пояснила, чому ми живемо у Всесвіті з плоскою евклідовою геометрією - відповідно до класичних рівнянь Фрідмана, саме такий він і повинен зробитися при експоненційному розширенні.

Інфляційна теорія пояснила, чому космічна матерія має зернистість у масштабах, не перевищують сотень мільйонів світлових років, але в великих дистанціях розподілена поступово. Вона також дала тлумачення невдачі будь-яких спроб виявити магнітні монополі, дуже масивні частинки з одиночним магнітним полюсом, які, як вважається, удосталь народжувалися перед початком інфляції (інфляція так розтягнула космічний простір, що спочатку висока щільність монополів скоротилася майже до (прилади не можуть їх виявити).

Незабаром після появи інфляційної моделі кілька теоретиків зрозуміли, що її внутрішня логіка не суперечить ідеї перманентного множини все нових і нових всесвітів. Справді, квантові флуктуації, подібні до тих, яким ми зобов'язані існуванням нашого світу, можуть виникати в будь-якій кількості, якщо для цього є відповідні умови.

Не виключено, що наша світобудова вийшла з флуктуаційної зони, яка сформувалася у світі-попереднику. Так само можна припустити, що коли-небудь і де-небудь у нашому Всесвіті утворюється флуктуація, яка «видує» юний всесвіт зовсім іншого роду, також здатну до космологічного «дітонародження». Існують моделі, в яких такі дочірні всесвіти виникають безперервно, відбруньковуються від своїх батьків і знаходять своє місце. При цьому зовсім не обов'язково, що в таких світах встановлюються ті самі фізичні закони.

Всі ці світи «вкладені» в єдиний просторово-часовий континуум, але рознесені в ньому настільки, що ніяк не відчувають присутності одне одного. Загалом концепція інфляції дозволяє - більше того, змушує! - вважати, що в велетенського мегакосмосі існує безліч ізольованих один від одного всесвітів з різним пристроєм.

Фізики-теоретики люблять вигадувати альтернативи навіть загальноприйнятим теоріям. З'явилися конкуренти і інфляційної моделі Великого вибуху. Вони не отримали широкої підтримки, але мали та мають своїх послідовників. Теорія Стейнхардта і Тьюрока серед них не перша і, напевно, не остання. Однак на сьогоднішній день вона розроблена детальніше за інших і краще пояснює спостережувані властивості нашого світу. Вона має кілька версій, у тому числі одні базуються на теорії квантових струн і багатовимірних просторів, інші покладаються на традиційну квантову теорію поля. Перший підхід дає наочніші картинки космологічних процесів, так що на ньому і зупинимося.

Найпросунутіший варіант теорії струн відомий як М-теорія. Вона стверджує, що фізичний світ має 11 вимірів – десять просторових та одне тимчасове. У ньому плавають простори менших розмірностей, звані лайки.

Наш Всесвіт - просто одна з таких лайок, що володіє трьома просторовими вимірами. Її заповнюють різні квантові частинки (електрони, кварки, фотони і т. д.), які насправді є розімкненими струнами, що вібрують, з єдиним просторовим виміром - довжиною. Кінці кожної струни намертво закріплені всередині тривимірної лайки, і залишити лайку струна не може. Але є і замкнуті струни, які можуть мігрувати за межі лайки - це гравітони, кванти поля тяжіння.

Як же циклічна теорія пояснює минуле та майбутнє світобудови? Почнемо з нинішньої доби. Перше місце зараз належить темній енергії, яка змушує наш Всесвіт розширюватися експонентом, періодично подвоюючи розміри. В результаті щільність матерії та випромінювання постійно падає, гравітаційне викривлення простору слабшає, а його геометрія стає все більш плоскою.

Протягом наступного трильйона років розміри Всесвіту подвоїться близько ста разів і вона перетвориться на практично порожній світ, повністю позбавлений матеріальних структур. Поруч із нами знаходиться ще одна тривимірна брана, відокремлена від нас на нікчемну відстань у четвертому вимірі, і вона теж зазнає аналогічного експоненційного розтягування та ущільнення. Весь цей час дистанція між лайками практично не змінюється.

А потім ці паралельні лайки починають зближуватися. Їх штовхає один одного силове поле, енергія якого залежить від відстані між бранами. Зараз щільність енергії такого поля позитивна, тому простір обох бран розширюється по експоненті, отже саме це поле й забезпечує ефект, який пояснюють наявністю темної енергії!

Однак цей параметр поступово зменшується і через трильйон років впаде нанівець. Обидві лайки все одно продовжать розширюватися, але вже не за експонентом, а в дуже повільному темпі. Отже, у нашому світі щільність частинок та випромінювання так і залишиться майже нульовою, а геометрія – плоскою.

Але закінчення старої історії – лише прелюдія до чергового циклу. Брани переміщуються назустріч один одному і зрештою стикаються. На цій стадії щільність енергії міжбранового поля опускається нижче за нуль, і воно починає діяти на зразок гравітації (нагадаю, що у тяжіння потенційна енергія негативна!).

Коли лайки виявляються дуже близько, міжбранове поле починає посилювати квантові флуктуації в кожній точці нашого світу і перетворює їх на макроскопічні деформації просторової геометрії (наприклад, за мільйонну частку секунди до зіткнення розрахунковий розмір таких деформацій досягає декількох метрів). Після зіткнення саме в цих зонах виділяється левова частка кінетичної енергії, що вивільняється при ударі. У результаті саме там виникає найбільше гарячої плазми із температурою близько 1023 градусів. Саме ці області стають локальними вузлами тяжіння та перетворюються на зародки майбутніх галактик.

Таке зіткнення замінює Великий вибух інфляційної космології. Дуже важливо, що вся матерія, що виникла заново, з позитивною енергією з'являється за рахунок накопиченої негативної енергії міжбранового поля, тому закон збереження енергії не порушується.

А як поводиться таке поле у ​​цей вирішальний момент? До зіткнення щільність його енергії досягає мінімуму (причому негативного), потім починає зростати, а при зіткненні стає нульовою. Потім лайки відштовхуються один від одного і починають розходитися. Щільність міжбранової енергії проходить зворотну еволюцію - знову стає негативною, нульовою, позитивною.

Збагачена матерією і випромінюванням брана спочатку розширюється з швидкістю, що падає, під гальмуючим впливом власного тяжіння, а потім знову переходить до експоненційного розширення. Новий цикл закінчується подібно до колишнього - і так до нескінченності. Цикли, що передували нашому, відбувалися і в минулому - у цій моделі час безперервно, тому минуле існує і за межами 13,7 млрд років, що минули після останнього збагачення нашої лайки матерією та випромінюванням! Чи був у них взагалі якийсь початок, теорія замовчує.

Циклічна теорія по-новому пояснює властивості нашого світу. Він має плоску геометрію, оскільки до кінця кожного циклу непомірно розтягується і лише трохи деформується перед початком нового циклу. Квантові флуктуації, які стають попередниками галактик, виникають хаотично, але в середньому рівномірно - тому космічний простір заповнений згустками матерії, але на великих дистанціях цілком однорідно. Ми не можемо виявити магнітні монополі просто тому, що максимальна температура новонародженої плазми не перевищувала 1023 К, а для виникнення таких частинок потрібні багато більших енергії - близько 1027 К.

Циклічна теорія існує у кількох версіях, як і теорія інфляції. Однак, за словами Пола Стейнхардта, відмінності між ними суто технічні та цікаві лише фахівцям, загальна концепція залишається незмінною: «По-перше, у нашій теорії немає жодного моменту початку світу, ніякої сингулярності.

Є періодичні фази інтенсивного народження речовини та випромінювання, кожну з яких за бажання можна називати Великим вибухом. Але кожна з цих фаз знаменує не виникнення нового всесвіту, а лише перехід від одного циклу до іншого. І простір, і час існують і до, і після кожного з цих катаклізмів. Тому цілком закономірно запитати, яким був стан справ за 10 млрд. років до останнього Великого вибуху, від якого відраховують історію світобудови.

Друга ключова відмінність - природа та роль темної енергії. Інфляційна космологія не передбачала переходу розширення Всесвіту, що уповільнюється, в прискорене. А коли астрофізики відкрили це явище, спостерігаючи за спалахами далеких наднових зірок стандартна космологія навіть не знала, що з цим робити. Гіпотезу темної енергії висунули просто у тому, щоб якось прив'язати до теорії парадоксальні результати цих спостережень.

А наш підхід набагато краще скріплений внутрішньою логікою, оскільки темна енергія у нас є спочатку і саме вона забезпечує чергування космологічних циклів». Втім, як зазначає Пол Стейнхардт, має циклічна теорія і слабкі місця: «Нам поки що не вдалося переконливо описати процес зіткнення і відскоку паралельних бран, що має місце на початку кожного циклу. Інші аспекти циклічної теорії розроблені набагато краще, а тут належить усунути ще чимало неясностей».

Але навіть найкрасивіші теоретичні моделі потребують досвідченої перевірки. Чи можна підтвердити чи спростувати циклічну космологію за допомогою спостережень? «Обидві теорії і інфляційна, і циклічна передбачають існування реліктових гравітаційних хвиль, - пояснює Пол Стейнхардт. - У першому випадку вони виникають із первинних квантових флуктуацій, які в ході інфляції розмазуються по простору і породжують періодичні коливання його геометрії, - а це, згідно із загальною теорією відносності, і є хвилі тяжіння.

У нашому сценарії першопричиною таких хвиль також є квантові флуктуації - ті, що посилюються при зіткненні бран. Обчислення показали, що кожен механізм породжує хвилі, що мають специфічний спектр і специфічну поляризацію. Ці хвилі мали залишити відбитки на космічному мікрохвильовому випромінюванні, яке є безцінним джерелом відомостей про ранньому космосі.

Поки що такі сліди виявити не вдалося, але, швидше за все, це буде зроблено протягом найближчого десятиліття. Крім того, фізики вже думають про пряму реєстрацію реліктових гравітаційних хвиль за допомогою космічних апаратів, які з'являться через два-три десятки років».

Ще одна відмінність, за словами професора Стейнхардта, полягає у розподілі температур фонового мікрохвильового випромінювання: «Це випромінювання, що приходить з різних ділянок небосхилу, не цілком однорідне за температурою, в ньому є більш-менш нагріті зони. На тому рівні точності вимірювань, який забезпечує сучасна апаратура, кількість гарячих та холодних зон приблизно однакова, що збігається з висновками обох теорій – і інфляційною, і циклічною.

Однак ці теорії передбачають більш тонкі різницю між зонами. В принципі їх зможе виявити запущена торік європейська космічна обсерваторія "Планк" та інші новітні космічні апарати. Я сподіваюся, що результати цих експериментів допоможуть зробити вибір між інфляційною та циклічною теоріями. Але може статися і так, що ситуація залишиться невизначеною і жодна теорія не отримає однозначної експериментальної підтримки. Ну що ж, тоді доведеться вигадати щось нове».

Згідно з інфляційною моделлю, Всесвіт незабаром після свого народження дуже короткий час експоненційно розширювався, багато разів подвоюючи свої лінійні розміри. Вчені вважають, що початок цього процесу збігся за часом з відділенням сильної взаємодії і відбулося на тимчасовій позначці 10-36 с.

Таке розширення (з легкої руки американського фізика-теоретика Сідні Коулмена його стали називати космологічною інфляцією) було вкрай нетривалим (до 10-34 с), проте збільшило лінійні розміри Всесвіту як мінімум у 1030-1050 разів, а можливо, що й набагато більше. Відповідно до більшості конкретних сценаріїв, інфляцію запустило антигравітаційне квантове скалярне поле, щільність енергії якого поступово зменшувалась і зрештою дійшла до мінімуму.

Перед тим, як це сталося, поле стало швидко осцилювати, породжуючи елементарні частки. В результаті до закінчення інфляційної фази Всесвіт заповнився надгарячою плазмою, що складається з вільних кварків, глюонів, лептонів та високоенергетичних квантів електромагнітного випромінювання.

Радикальна альтернатива

1980-х роках професор Стейнхардт зробив чималий внесок у розробку стандартної теорії Великого вибуху. Однак це не завадило йому шукати радикальну альтернативу теорії, в яку вкладено стільки праці. Як розповів «Популярній механіці» сам Пол Стейнхардт, гіпотеза інфляції справді розкриває багато космологічних загадок, але це не означає, що немає сенсу шукати й інші пояснення: «Спочатку мені просто цікаво було спробувати розібратися в основних властивостях нашого світу, не вдаючись до інфляції.

Пізніше, коли я заглибився в цю проблематику, я переконався, що інфляційна теорія зовсім не така досконала, як стверджують її прихильники. Коли інфляційна космологія тільки створювалася, ми сподівалися, що вона пояснить перехід від первісного хаотичного стану матерії до нинішнього впорядкованого Всесвіту. Вона це й зробила – але пішла набагато далі.

Внутрішня логіка теорії вимагала визнати, що інфляція постійно творить нескінченну кількість світів. У цьому не було б нічого страшного, якби їхній фізичний пристрій копіював наш власний, але цього якраз і не виходить. Ось, скажімо, за допомогою інфляційної гіпотези вдалося пояснити, чому ми живемо в плоскому евклідовому світі, але більшість інших всесвітів свідомо не матиме такої ж геометрії.

Це Вам буде цікаво:

Коротше кажучи, ми будували теорію для пояснення власного світу, а вона вийшла з-під контролю і породила нескінченну різноманітність екзотичних світів. Такий стан справ перестав мене влаштовувати. До того ж, стандартна теорія не здатна пояснити природу більш раннього стану, що передував еспоненційному розширенню. У цьому сенсі вона така ж неповна, як і доінфляційна космологія. Зрештою, вона не може нічого сказати про природу темної енергії, яка вже 5 млрд років управляє розширенням нашого Всесвіту».опубліковано

Уявлення про розвиток Всесвіту закономірно призвело до постановки проблеми початку еволюції (народження) Всесвіту та її

кінця (смерті). В даний час існує кілька космологічних моделей, що пояснюють окремі аспекти виникнення матерії у Всесвіті, але вони не пояснюють причин і процесу народження самого Всесвіту. З усієї сукупності сучасних космологічних теорій лише теорія Великого вибуху Г. Гамова змогла досі задовільно пояснити майже всі факти, пов'язані з цією проблемою. Основні риси моделі Великого вибуху збереглися досі, хоча і були пізніше доповнені теорією інфляції, або теорією Всесвіту, що роздмухується, розробленого американськими вченими А. Гутом і П. Стейн-хардтом і доповненої радянським фізиком А.Д. Лінде.

У 1948 р. видатний американський фізик російського походження Г. Гамов висунув припущення, що фізичний Всесвіт утворився в результаті гігантського вибуху, що стався приблизно 15 млрд років тому. Тоді вся речовина і вся енергія Всесвіту були сконцентровані в одному крихітному надщільному потік. Якщо вірити математичним розрахункам, то на початку розширення радіус Всесвіту був зовсім рівний нулю, а його щільність дорівнює нескінченності. Цей початковий стан називається сингулярністю -точковий об'єм із нескінченною щільністю. Відомі закони фізики у сингулярності не працюють. У цьому стані втрачають сенс поняття простору та часу, тому безглуздо запитувати, де була ця точка. Також сучасна наука нічого не може сказати про причини такого стану.

Тим не менш, згідно з принципом невизначеності Гейзенбер-га речовина неможливо стягнути в одну точку, тому вважається, що Всесвіт у початковому стані мав певну щільність та розміри. За деякими підрахунками, якщо вся речовина Всесвіту, що оцінюється приблизно в 10 61 г, стиснути до щільності 10 94 г/см 3 , то воно займе об'єм близько 10 -33 см 3 . У жодному електронному мікроскопі розглянути її було б неможливо. Довгий час нічого не можна було сказати про причини Великого вибуху та перехід Всесвіту до розширення. Але сьогодні з'явилися деякі гіпотези, які намагаються пояснити ці процеси. Вони є основою інфляційної моделі розвитку Всесвіту.

«Початок» Всесвіту

Основна ідея концепції Великого вибуху полягає в тому, що Всесвіт на ранніх стадіях виникнення мав нестійкий вакуумоподібний стан з великою щільністю енергії. Ця енергія виникла із квантового випромінювання, тобто. ніби з нічого. Справа в тому, що у фізичному вакуумі відсутні фіксовані

частинки, поля та хвилі, але це не безживна порожнеча. У вакуумі є віртуальні частки, які народжуються, мають швидкоплинне буття і відразу зникають. Тому вакуум «кипить» віртуальними частинками та насичений складними взаємодіями між ними. Причому, енергія, укладена у вакуумі, розташовується на його різних поверхах, тобто. є феномен різниці енергетичних рівнів вакууму.

Поки вакуум перебуває в рівноважному стані, в ньому існують лише віртуальні (примарні) частинки, які займають у вакууму енергію на короткий проміжок часу, щоб народитися, і швидко повертають запозичену енергію, щоб зникнути. Коли ж вакуум з будь-якої причини в деякій вихідній точці (сингулярності) збудився і вийшов зі стану рівноваги, то віртуальні частки стали захоплювати енергію без віддачі і перетворювалися на реальні частки. Зрештою, у певній точці простору утворилося безліч реальних частинок разом із пов'язаною ними енергією. Коли ж збуджений вакуум зруйнувався, вивільнилася гігантська енергія випромінювання, а суперсила стиснула частинки в надщільну матерію. Екстремальні умови «початку», коли навіть простір-час було деформовано, припускають, що і вакуум знаходився в особливому стані, який називають «хибним» вакуумом. Воно характеризується енергією гранично високої густини, якій відповідає гранично висока густина речовини. У цьому стані речовини в ньому можуть виникати сильні напруги, негативні тиски, рівносильні гравітаційному відштовхуванню такої величини, що воно викликало нестримне та стрімке розширення Всесвіту – Великий вибух. Це і було першопоштовхом, «початком» нашого світу.

З цього моменту починається стрімке розширення Всесвіту, виникають час та простір. У цей час йде нестримне роздмухування «бульбашок простору», зародків одного або кількох всесвітів, які можуть відрізнятися один від одного своїми фундаментальними константами та законами. Один із них став зародком нашої Метагалактики.

За різними оцінками, період «роздування», що йде експонентом, займає неймовірно малий проміжок часу - до 10 - 33 с після «початку». Він називається інфляційним періодом.За цей час розміри Всесвіту збільшилися в 10-50 разів, від мільярдної частки розміру протона до розмірів сірникової коробки.

До кінця фази інфляції Всесвіт був порожнім і холодним, але коли інфляція вичерпалася, Всесвіт раптом став надзвичайно «гарячим». Цей сплеск тепла, що висвітлив космос, зумовлений величезними запасами енергії, укладеними у «хибному» вакуумі. Такий стан вакууму дуже нестійкий і прагне розпаду. Коли

розпад завершується, відштовхування зникає, закінчується інфляція. А енергія, пов'язана у вигляді безлічі реальних частинок, вивільнилася у вигляді випромінювання, що миттєво нагріло Всесвіт до 10 27 К. З цього моменту Всесвіт розвивався відповідно до стандартної теорії «гарячого» Великого вибуху.

Ранній етап еволюції Всесвіту

Відразу після Великого вибуху Всесвіт являв собою плазму з елементарних частинок всіх видів та їх античастинок у стані термодинамічної рівноваги при температурі 10 27 К, які вільно перетворювалися одна на одну. У цьому потіку існували тільки гравітаційна і велика (Велика) взаємодії. Потім Всесвіт почав розширюватися, одночасно його щільність і температура зменшувалися. Подальша еволюція Всесвіту відбувалася поетапно і супроводжувалася, з одного боку, диференціацією, з другого - ускладненням її структур. Етапи еволюції Всесвіту відрізняються характеристиками взаємодії елементарних частинок і називаються Ерами.Найважливіші зміни зайняли менш як три хвилини.

Адронна ератривала 10 -7 с. На цьому етапі температура знижується до 1013 К. При цьому з'являються всі чотири фундаментальні взаємодії, припиняється вільне існування кварків, вони зливаються в адрони, найважливішими серед яких є протони та нейтрони. Найбільш значущою подією стало глобальне порушення симетрії, яке відбулося у перші миті існування нашого Всесвіту. Число частинок виявилося трохи більше, ніж число античасток. Причини такої асиметрії достеменно невідомі. У загальному плазмоподібному потік на кожен мільярд пар частинок і античасток на одну частинку виявлялося більше, їй не вистачало пари для анігіляції. Це і визначило подальшу появу речовинного Всесвіту з галактиками, зірками, планетами та розумними істотами на деяких із них.

Лептонна ератривала до 1 с після початку. Температура Всесвіту знизилася до 10 10 К. Головними її елементами були лептони, які брали участь у взаємних перетвореннях протонів та нейтронів. Наприкінці цієї ери речовина стала прозорою для нейтрино, вони перестали взаємодіяти з речовиною і з того часу дожили до наших днів.

Епоха випромінювання (фотонна ера)тривало 1 млн. років. За цей час температура Всесвіту знизилася з 10 млрд. до 3000 К. Протягом цього етапу відбувалися найважливіші для подальшої еволюції Всесвіту процеси первинного нуклеосинтезу - поєднання протонів і нейтронів (їх було приблизно в 8 разів менше).

ше, ніж протонів) в атомні ядра. До кінця цього процесу речовина Всесвіту складалася на 75% з протонів (ядер водню), близько 25% становили ядра гелію, соті частки відсотка припали на дейтерій, літій та інші легкі елементи, після чого Всесвіт став прозорим для фотонів, так як випромінювання відокремилося від речовини та утворило те, що в нашу епоху називається реліктовим випромінюванням.

Потім майже 500 тисяч років не відбувалося жодних якісних змін - йшло повільне охолодження та розширення Всесвіту. Всесвіт, залишаючись однорідним, ставав все більш розрідженим. Коли вона охолола до 3000 К, ядра атомів водню та гелію вже могли захоплювати вільні електрони і перетворюватися при цьому на нейтральні атоми водню та гелію. У результаті утворився однорідний Всесвіт, що являв собою суміш трьох майже не взаємодіючих субстанцій: баріонної речовини (водень, гелій та їх ізотопи), лептонів (нейтрино та антинейтрино) та випромінювання (фотони). До цього часу вже не було високих температур та великих тисків. Здавалося, у перспективі Всесвіт чекає подальше розширення та охолодження, утворення «лептонної пустелі» - щось на кшталт теплової смерті. Але цього не сталося; навпаки, стався стрибок, що створив сучасний структурний Всесвіт, який, за сучасними оцінками, зайняв від 1 до 3 мільярдів років.