Наука для всех простыми словами

Самый лучший сайт c познавательной информацией.

Большой взрыв. Что стало причиной большого взрыва?

21.02.2017 в 18:53

Большой взрыв. Что стало причиной большого взрыва?

В начале был знак вопроса. А потом и все остальное. Конец. Все мы слышали о теории большого взрыва (я сейчас про космологическую модель, а не про сериал), но важно понимать, чем эта теория является, а чем нет. Позвольте разъяснить одну точную, понятную и до смешного простую вещь: теория большого взрыва - это не теория создания вселенной. Зафиксируйте это для протокола. Поправляйте людей, когда они ошибаются.

Большой взрыв. Что стало причиной большого взрыва?Дело в том, что существует большая путаница со всех сторон, и лучше было бы держать все в простоте. Теория большого взрыва - это научная модель, как и любая другая научная модель. Мы считаем, что она правильная, поскольку - внимание - ее поддерживает широкий спектр доказательств.
С момента появления этой идеи, теория большого взрыва пережила десятилетия борьбы среди ученых, которые царапались, дрались, били в спину, критиковали, подрывали, пререкались, спорили и даже обзывались, пытаясь раздавить своих соперников и доказать, что их альтернатива лучше. Почему? Потому что тот, кто предложит лучшую научную парадигму, получит бесплатную путевку в Стокгольм.
И, в конце концов, никто не отменял доказательства. Вы знаете эту вселенную, которую мы пытаемся понять. Любое новое наблюдение - это гром средь бела дня в научном мире; две теории могут войти, но останется только одна. И что осталось спустя десятилетия наблюдений? Подсказка: большой.
Доказательства начались с момента, когда Эдвин хаббл заметил, что каждая галактика, в среднем, улетает от каждой другой галактики. Вселенная расширяется. Этот факт сам по себе уже довольно сильный. На протяжении тысячелетий основным допущением (и винить - то некого) было то, что хотя здесь, на земле, вещи меняются, далеко в небесах все относительно неизменно. Звезды взрываются, галактики сталкиваются, но в целом вселенная две недели назад похожа на вселенную сегодня. Проверьте через месяц - то же самое. Так думали люди.
И ошибались. Вселенная сегодня совсем не похожа на вселенную вчера, и завтра она будет уже другой. И не , внимание, только в локальных масштабах.
И если вы заметили, что каждый день вселенная становится больше, можно приложить логическое усилие и додуматься, что давным-давно вселенная была … меньше? Да? Я угадал? И если ученый внутри вас еще не погиб, как только вы дойдете до этой нелепой и смешной концепции, вы задумаетесь о последствиях и о том, как проверить эту сомнительную, на первый взгляд, теорию.
История последних 14 с лишним миллиардов лет - это история плотности. Вселенная состоит из кучи всякой всячины: водород, гелий, еноты, темная материя, хрящиков, фотонов, чертовых колес, нейтрино и так далее. Все это проявляет себя по-разному при различной плотности, поэтому когда вселенная была меньше, один тип вещей мог преобладать над другим, и физическое поведение этих вещей могло управлять ходом событий.
К примеру, в наши дни вселенная представлена по большей части темной энергией (чем бы она ни была), и ее поведение управляет вселенной - в нашем случае это период ускоренного расширения. Но несколько миллиардов лет назад вселенная была меньше, и вся материя была упакована плотнее. В силу этой плотности, правителем насеста была материя, подавляющая темную энергию, которая была скорее фоновым занавесом, нежели двигателем современности.
(Заметка на полях: перехват инициативы темной энергией произошел почти в то же время, когда наша солнечная система собирала себя по частям, и в то же время вселенная была примерно в два раза меньше.
Рождение эпохи темной материи может показаться не особенно драматичным, но чем дальше во времени - и чем меньше вселенная - тем более странными становятся вещи. Вернитесь на больше чем 13 миллиардов лет, когда вселенная была в тысячу раз меньше своего текущего размера, и вещество, которое однажды будет составлять целые галактики, окажется так плотно стиснутым воедино, что даже атомы не смогут образоваться. Она настолько плотная, что каждый раз, когда ядро притягивает электрон, в него врезается ветреный высокоэнергетический фотон, выбивая электрон прочь. Это плазма, и когда-то вся вселенная была именно в таком состоянии.
Перемотайте в сегодняшний день, и оставшийся свет той эпохи, когда вселенная остыла и расширилась достаточно, чтобы дать образоваться первым атомам, продолжает просвечивать нас даже сейчас. Но вселенная старше и холоднее, и эти высокоэнергетические гамма-лучи представляют собой слабенькие микроволны, создающие фон, пронизывающий космос - космический микроволновый фон, реликтовое излучение, CMB.
CMB не только один из главных признаков большого взрыва (этакий снимок юной вселенной), но и окошко в более ранние времена. Пусть мы и не можем воспринимать вселенную до образования реликтового излучения, но физика того времени оставила отпечаток на самом радиационном фоне. Это важно.
Чем дальше мы возвращаемся во времени, тем меньше мы узнаем вселенную - она еще страннее плазменной. Вернитесь назад во времени - и обнаружите, что не могут образовываться стабильные ядра. Еще дальше - протоны и нейтроны не могут выдержать давление и вырождаются в свои компоненты: кварки и глюоны. А дальше все сложно.
Теорию большого взрыва можно резюмировать так: однажды вся вселенная - все, что вы знаете и любите, на земле и на небе - была сжата в шар с температурой в триллион градусов размером с яблоко или персик. Или небольшой грейпфрут. Неважно.
Это заявление звучит просто смешно, а если бы вы еще и сказали о таком пару сотен лет назад … вас бы сожгли на костре, причем не церковь, а сами ученые. Но каким бы безумием эта теория ни была, мы можем изучать эту эпоху, опираясь на свои знания физики высоких энергий. Мы можем смоделировать физику вселенной этой ранней эпохи и проследить ее последствия в более поздних временах. Можем делать прогнозы и заниматься наукой.
В "Эпоху Персика" возраст вселенной был какую-то долю секунды. Даже меньше доли - 10? - 36 секунды или около того. С того момента мы имеем примерную картинку того, как функционирует вселенная. Некоторые вопросы, конечно, остаются открытыми, но в целом у нас есть хотя бы смутное понимание.
Чем старше становится вселенная, тем четче становится наша картинка, но страшно даже осознавать, что наши бедные обезьяньи мозги постигли настолько юную эпоху вселенной.
Что касается еще более ранних времен, наше понимание вселенной становится … размытым. Силы, энергии, плотности, температуры становятся слишком высокими, и понимание физики, которое мы накапливали столетиями, не справляется с задачей. В очень ранней вселенной гравитация приобретает особую важность на малых масштабах, а это уже покои квантовой гравитации, система которой пока ускользает от современных физиков. У нас просто нет никакого понятия о том, что происходит с сильной гравитацией на малых масштабах.
Просто. Нет.
До этих 10? - 36 секунд мы просто не понимаем природу вселенной. Теория большого взрыва фантастически точно описывает все, что было после этого, но до - непонятно. На достаточно малых масштабах мы даже не знаем, имело ли смысл слово "до". На невероятно крошечных масштабах (еще меньше тех, что вы можете представить в теории), квантовая природа реальности поднимает свою уродливую голову в полную силу, превращая наше дружелюбное пространство - время в джунгли, полные капканов, ловушек и острых шипов. Понятия пространства и времени попросту не работают в таких масштабах. Никто не знает, что происходит.
Конечно, есть некоторые идеи - модели, описывающие, что могло "Зажечь" или "посеять" большой взрыв, но на данном этапе они сугубо спекулятивны. Только в том случае, если эти идеи получать поддержку в виде наблюдений - к примеру, особенный отпечаток на реликтовом фоне - тогда да, мы сможем их прорабатывать.
В случае если же нет, то они останутся сказками на ночь. Как, впрочем, и все, что мы можем сказать на тему того, что было до большого взрыва. По материалам:

Вселенная. Расшифровка понятия

Вселенная. Расшифровка понятияВселенная – грандиозное, непостижимых размеров пространство, заполненное квазарами, пульсарами, черными дырами, галактиками и материей. Все эти компоненты находятся в постоянном взаимодействии и формируют наше мироздание в том виде, каким мы его себе представляем. Нередко звезды во Вселенной находятся не поодиночке, а в составе грандиозных скоплений. В некоторых из них может быть несколько сотен, а то и тысяч такого рода объектов. Астрономы говорят, что небольшие и средние скопления («лягушачья икра») образовались совсем недавно. А вот шаровидные образования – древние и очень древние, «помнящие» еще первичный космос. Вселенная таких образований содержит много.

Что было до Большого взрыва.

    Сложно представить время за 13,7 миллиардов лет до сегодняшнего дня, когда вся вселенная представляла собой сингулярность. Согласно теории Большого взрыва , одной из главных претендентов на роль объяснения того, откуда появилась Вселенная и вся материя в космосе — и сам космос, — все было сжато в точку, меньшую, чем субатомная частица. Но если это еще можно принять, задумайтесь вот о чем: что же было до того, как случился большой взрыв ?

    Что было до Большого взрыва.

    Этот вопрос современной космологии уходит корнями еще в четвертое столетие нашей эры. 1600 лет назад теолог Августин Блаженный пытался понять природу Бога до сотворения Вселенной. И знаете, к чему он пришел? Время было частью Божьего творения, и просто не было никакого «до».

    Один из лучших физиков 20 века Альберт Эйнштейн пришел практически к таким же выводам в разработке своей теории относительности. Достаточно обратить внимание на влияние массы на время. Гигантская масса планеты искажает время, заставляя его течь медленнее для человека на поверхности, нежели для космонавта на орбите. Разница слишком мала, чтобы быть очевидной, но на самом деле человек, стоящий у большого камня, стареет медленнее, чем тот, кто стоит в поле. Но чтобы стать моложе на секунду, понадобится миллиард лет. Сингулярность до большого взрыва обладала всей массой вселенной, что фактически ставило время в тупик.

    Исходя из такой логики, заголовок статьи можно назвать ошибочным, ну или, как минимум, безграмотным. По теории относительности Эйнштейна, время появилось на свет ровно в тот момент, когда сингулярность начала расширяться и вышла за пределы сжатой бесконечности.

    Всё? Вопрос решен? Как бы не так. Этот вопрос остается одним из самых сложных и волнительных. Спустя десятилетия после смерти Эйнштейна развитие квантовой физики и множество новых теорией воскресили сутолоки о природе вселенной до Большого взрыва. Давайте посмотрим.

    Браны, циклы и другие идеи

    Вот вам пища для ума: что, если наша Вселенная является потомком другой, старшей Вселенной? Некоторые астрофизики полагают, что пролить свет на эту историю поможет реликтовое излучение, оставшееся от большого взрыва: космический микроволновый фон.

    Впервые астрономы зафиксировали реликтовое излучение в 1965 году, и оно породило определенные проблемы в теории большого взрыва — проблемы, которые заставили ученых ненадолго (до 1981 года) заморочиться и вывести инфляционную теорию. Согласно этой теории, в первые мгновения своего существования Вселенная начала чрезвычайно быстро расширяться. Также теория объясняет температуру и плотность флуктуаций реликтового излучения и подсказывает, что эти флуктуации должны быть одинаковыми.

    Но как выяснилось, нет. Последние исследования дали понять, что Вселенная на самом деле однобока, и в некоторых областях флуктуаций больше, чем в других. Некоторые космологи считают, что это наблюдение подтверждает, что у нашей Вселенной была «мать».

    В теории хаотической инфляции эта идея приобретает размах: бесконечный прогресс инфляционных пузырьков порождает обилие вселенных, и каждая из них порождает еще больше инфляционных пузырьков в огромном количестве мультивселенных.

    Тем не менее, существуют модели, которыми пытаются объяснить образование сингулярности до большого взрыва. Если вы думаете о черных дырах   как о гигантских мусоросборниках, они являются главными кандидатами первоначального сжатия, поэтому наша расширяющаяся вселенная вполне может быть белой дырой — выходным отверстием черной дыры, и каждая черная дыра в нашей вселенной может вмещать в себя отдельную вселенную.

    Другие ученые считают, что в основе формирования сингулярности лежит цикл под названием «большой скачок», в результате которого расширяющаяся вселенная в итоге коллапсирует сама в себя, порождая другую сингулярность, которая, опять же, порождает другой большой взрыв. Этот процесс будет вечным, и все сингулярности и все схлопывания не будут представлять собой ничего другого, кроме как переход в другую фазу существования вселенной.

    Последнее объяснение, которое мы рассмотрим, использует идею циклической Вселенной, любезно порожденной теорией струн. Она предполагает, что новая материя и потоки энергии появляются каждые триллионы лет, когда две мембраны или браны, лежащие за пределами наших измерений, сталкиваются между собой.

    Что было до Большого взрыва? Вопрос остается открытым. Может быть, ничего. Может, другая вселенная или другая версия нашей. Может, океан вселенных, в каждой из которых свой набор законов и констант, диктующих природу физической реальности.

    Млечный Путь. Основные характеристики и параметры

    Млечный Путь – типичная спиральная галактика класса SBbc, у которой есть перемычка. Диаметр Млечного Пути составляет 100 тыс. световых лет. В пределах этих границ пребывает от 200 до 400 миллиардов звезд различных типов, каждая из которых находится на определенной стадии своего развития. Толщина галактического диска варьируется в пределах 1000 световых лет.

    Млечный Путь. Основные характеристики и параметры

    Состав галактики

    Масса галактики Млечный Путь включает в себя не только массу звезд. Большая часть галактического диска — это масса темной материи и межзвездного газа. Все это вместе составляет колоссальный вес, равный 4,8·10¹¹ M☉. Другими словами, Млечный Путь в 150 млрд. раз тяжелее нашего Солнца .

    Млечный Путь. Основные характеристики и параметры

    Место Солнца в галактике

    Гравитационное образование вращается вокруг центра, при этом отдельные части галактики вращаются с разной скоростью. Если в центре скорость вращения галактического диска достаточно умеренная, то на периферии этот параметр достигает значений 200-250 км/с. На одном из этих участков, ближе к центру галактического диска, расположено Солнце. Расстояние от него до центра галактики составляет 25-28 тыс. световых лет. Полный оборот вокруг центральной оси гравитационного образования Солнце и Солнечная система совершают за 225-250 млн. лет. Соответственно, за всю историю своего существования Солнечная система только 30 раз облетела вокруг центра.

    Большой взрыв Что было до него. Что было до Большого взрыва?

    Сложно представить время за 13,7 миллиардов лет до сегодняшнего дня, когда вся Вселенная представляла собой сингулярность. Согласно теории Большого взрыва, один из главных претендентов на роль объяснения того, откуда появилась Вселенная и вся материя в космосе — все было сжато в точку, меньшую, чем субатомная частица. Но если это еще можно принять, задумайтесь вот о чем: что же было до того, как случился Большой взрыв?

    Этот вопрос современной космологии уходит корнями еще в четвертое столетие нашей эры. 1600 лет назад теолог Августин Блаженный пытался понять природу Бога до сотворения Вселенной. И знаете, к чему он пришел? Время было частью Божьего творения и просто не было никакого «до».

    Один из лучших физиков 20 века Альберт Эйнштейн пришел практически к таким же выводам в разработке своей теории относительности. Достаточно обратить внимание на влияние массы на время. Гигантская масса планеты искажает время, заставляя его течь медленнее для человека на поверхности, нежели для космонавта на орбите. Разница слишком мала, чтобы быть очевидной, но на самом деле человек, стоящий у большого камня, стареет медленнее, чем тот, кто стоит в поле. Но чтобы стать моложе на секунду, понадобится миллиард лет. Сингулярность до большого взрыва обладала всей массой вселенной, что, фактически, ставило время в тупик.

    По теории относительности Эйнштейна, время появилось на свет ровно в тот момент, когда сингулярность начала расширяться и вышла за пределы сжатой бесконечности. Спустя десятилетия после смерти Эйнштейна развитие квантовой физики и множество новых теорий возобновили споры о природе Вселенной до Большого взрыва. Давайте посмотрим.

    Браны, циклы и другие идеи
    «А Бог плюнул, ушел и хлопнул дверью,
    Мы были за ним — а дверей уже нет».
    А. Непомнящий

    Что если наша Вселенная является потомком другой, старшей Вселенной? Некоторые астрофизики полагают, что пролить свет на эту историю поможет реликтовое излучение, оставшееся от большого взрыва: космический микроволновый фон.

    Впервые астрономы зафиксировали реликтовое излучение в 1965 году, и оно породило определенные проблемы в теории большого взрыва — проблемы, которые заставили ученых ненадолго (до 1981 года) заморочиться и вывести инфляционную теорию. Согласно этой теории, в первые мгновения своего существования Вселенная начала чрезвычайно быстро расширяться. Также теория объясняет температуру и плотность флуктуаций реликтового излучения и подсказывает, что эти флуктуации должны быть одинаковыми.

    Но, как выяснилось, нет. Последние исследования дали понять, что Вселенная на самом деле однобока, и в некоторых областях флуктуаций больше, чем в других. Некоторые космологи считают, что это наблюдение подтверждает, что у нашей Вселенной была «мать»(!)

    В теории хаотической инфляции эта идея приобретает размах: бесконечный прогресс инфляционных пузырьков порождает обилие вселенных, и каждая из них порождает еще больше инфляционных пузырьков в огромном количестве Мультивселенных.

    Тем не менее, существуют модели, которыми пытаются объяснить образование сингулярности до большого взрыва. Если вы думаете о черных дырах как о гигантских мусоросборниках, они являются главными кандидатами первоначального сжатия, поэтому наша расширяющаяся Вселенная вполне может быть белой дырой — выходным отверстием черной дыры, и каждая черная дыра в нашей Вселенной может вмещать в себя отдельную вселенную.

    Другие ученые считают, что в основе формирования сингулярности лежит цикл под названием «большой скачок», в результате которого расширяющаяся вселенная в итоге коллапсирует сама в себя, порождая другую сингулярность, которая, опять же, порождает другой большой взрыв. Этот процесс будет вечным, и все сингулярности и все схлопывания не будут представлять собой ничего другого, кроме как переход в другую фазу существования Вселенной.

    Последнее объяснение, которое мы рассмотрим, использует идею циклической Вселенной, порожденной теорией струн. Она предполагает, что новая материя и потоки энергии появляются каждые триллионы лет, когда две мембраны или браны, лежащие за пределами наших измерений, сталкиваются между собой.

    Что было до Большого взрыва? Вопрос остается открытым. Может быть, ничего. Может, другая Вселенная или другая версия нашей. Может, океан Вселенных, в каждой из которых — свой набор законов и констант, диктующих природу физической реальности.

    Черная дыра. Чем на самом деле являются чёрные дыры

    Черная дыра. Чем на самом деле являются чёрные дыры

    Лаконичное объяснение феномена звучит так. Чёрная дыр — это пространственно-временная область, чье гравитационное притяжение настолько велико, что её не может покинуть ни один объект, в том числе световые кванты.

    Когда-то чёрная дыра была массивной звёздой. Пока термоядерные реакции поддерживают в её недрах высокое давление, всё остаётся в норме. Но со временем запас энергии истощается и небесное тело, под действием собственной гравитации, начинает сжиматься. Завершающий этап этого процесса — схлопывание звездного ядра и образование чёрной дыры.

    Черная дыра. Чем на самом деле являются чёрные дыры

    • 1. Выбрасывание черной дырой струи на высокой скорости
    • 2. Диск материи перерастает в чёрную дыру
    • 3. Чёрная дыра
    • 4. Детальная схема региона чёрной дыры
    • 5. Размер найденных новых наблюдений

    Самая распространённая теория гласит, что подобные феномены есть в каждой галактике, в том числе и в центре нашего Млечного пути. Огромная сила притяжения дыры способна удерживать вокруг себя несколько галактик, не давая им удаляться друг от друга. «Площадь покрытия» может быть разной, всё зависит от массы звёзды, которая превратилась в чёрную дыру, и может составлять тысячи световых лет.

    Почему произошел Большой взрыв Вселенной. Проблемы модели и их разрешение

    1. Проблема крупномасштабности и изотропности Вселенной может быть разрешена благодаря тому, что на стадии инфляции расширение происходило необычайно высокими темпами. Из этого следует, что всё пространство наблюдаемой Вселенной – результат одной причинно-связанной области эпохи, предшествующей инфляционной.
    2. Разрешение проблемы плоской Вселенной. Это возможно потому, что на стадии инфляции происходит увеличение радиуса кривизны пространства. Эта величина такова, что позволяет современным параметрам плотности иметь значение, близкое к критическому.
    3. Инфляционное расширение ведёт к возникновению колебаний плотности с определённой амплитудой и формой спектра. Это даёт возможность развития этих колебаний (флуктуаций) в нынешнюю структуру Вселенной, сохраняя крупномасштабную однородность и изотропность. Это разрешение проблемы крупномасштабной структуры Вселенной.

    Основным недостатком инфляционной модели можно считать её зависимость от теорий, которые ещё не доказаны и разработаны не до конца.

     Например, модель базируется на теории единого поля, которая пока является просто гипотезой. Её невозможно проверить экспериментально в лабораторных условиях. Ещё один недостаток модели – непонятность, откуда взялась перегретая и расширяющаяся материя. Здесь рассматриваются три возможности:

    1. Стандартная теория Большого взрыва предполагает начало инфляции на самой ранней стадии эволюции Вселенной. Но тогда не разрешается проблема сингулярности.
    2. Вторая возможность – возникновение Вселенной из хаоса. Разные участки её имели различную температуру, поэтому в одних местах происходило сжатие, а в других – расширение. Инфляция должна была возникнуть в области Вселенной, которая была перегрета и расширялась. Но не ясно, откуда взялся первичный хаос.
    3. Третий вариант – квантово-механический путь, посредством которого возник сгусток перегретой и расширяющейся материи. Фактически, Вселенная возникла из ничего.

    Видео Большой Взрыв: что было и что будет