Это источник всей наблюдаемой Вселенной, но это еще не самое начало всего.
Ключевые выводы
- Большой взрыв был простой идеей, восходящей к 1920-м годам: сейчас Вселенная расширяется и остывает, а значит, в прошлом она была горячее и плотнее.
- Сделав серию успешных предсказаний, с которыми не может сравниться ни одна другая теория, она широко признана как история происхождения нашей Вселенной.
- Но Большой взрыв - это гораздо больше, и в то же время он больше не является началом всего. Погрузитесь в эти 10 фактов о Большом Взрыве, которые вы могли не знать!
Если вы спросите ученого, где возникла Вселенная, вы, скорее всего, получите ответ «Большой взрыв». Наша Вселенная, полная звезд, галактик и космической паутины крупномасштабной структуры, разделенных необъятностью пустого пространства между ними, не родилась такой и не существовала в таком виде вечно. Наоборот, Вселенная стала такой, потому что она расширялась и охлаждалась из горячего, плотного, однородного, заполненного материей и излучением состояния без галактик, звезд или даже атомов, присутствующих в начале.
Все в том виде, в каком оно существует в своем нынешнем виде, не было таким, каким оно является сегодня, около 13,8 миллиардов лет назад. Более того, вся эта история выяснилась только за последние 100 лет. Но даже при всем этом есть масса фактов, о которых большинство людей - даже многие ученые - не догадываются.
Вот наши 10 главных фактов о Большом Взрыве!
Результаты экспедиции Эддингтона 1919 года убедительно показали, что Общая теория относительности описывает искривление звездного света вокруг массивных объектов, опровергая ньютоновскую картину. Это было первое наблюдательное подтверждение теории гравитации Эйнштейна.
1.) Эйнштейн сначала полностью отверг это, когда ему представили его как возможность
Общая теория относительности Эйнштейна была революционной теорией гравитации, предложенной в 1915 году как преемница теории Ньютона. Он предсказал орбитальное движение Меркурия с точностью, недоступной теории Ньютона, предсказал отклонение звездного света под действием массы, подтвержденное в 1919 году, и предсказал существование гравитационных волн, что было подтверждено всего несколько месяцев назад. Но также было предсказано, что Вселенная, полная материи и статическая или неизменная во времени, будет нестабильной.
Когда бельгийский священник и ученый Жорж Леметр в 1927 году выдвинул идею о том, что пространственно-временная ткань Вселенной может быть очень большой и расширяться, возникнув из меньшего, более плотного и однородного состояния в прошлого Эйнштейн написал ему в ответ: «Vos calculs sont correctors, mais votre physique est abominable», что означает «Ваши расчеты верны, но ваша физика отвратительна!»
Первоначальные наблюдения Хаббловского расширения Вселенной в 1929 году, за которыми последовали более подробные, но также неопределенные наблюдения. График Хаббла ясно показывает отношение красного смещения к расстоянию с превосходными данными по сравнению с его предшественниками и конкурентами; современные эквиваленты идут гораздо дальше. Обратите внимание, что специфические скорости всегда присутствуют, даже на больших расстояниях, но важна общая тенденция.
2.) Открытие Хабблом расширяющейся Вселенной превратило это в серьезную идею
Хотя многие ученые и до Эйнштейна считали спиральные туманности в небе самостоятельными далекими галактиками, именно работа Эдвина Хаббла в 1920-х годах показала, что это не только верно, но и то, что более дальше была галактика, тем быстрее она удалялась от нас. Этот факт - Закон Хаббла, описывающий расширение Вселенной - привел к очень прямолинейной интерпретации, согласующейся с идеей Большого Взрыва: если Вселенная расширяется сегодня, то в прошлом она была меньше и плотнее!
На этом снимке изображен католический священник и космолог-теоретик Жорж Леметр в Католическом университете Лёвена, ок. 1933. Леметр был одним из первых, кто осмыслил Большой Взрыв как происхождение нашей Вселенной в рамках общей теории относительности, хотя сам он не использовал это название.
3.) Эта идея витала в воздухе с 1922 года, но многие десятилетия от нее отказывались
Советский физик Александр Фридман выдвинул эту теорию в 1922 году, когда она подверглась критике со стороны Эйнштейна. Работа Леметра 1927 года также была отвергнута Эйнштейном, и даже после работы Хаббла 1929 года идея о том, что в прошлом Вселенная была меньше, плотнее и однороднее, была лишь второстепенной идеей. Хаббл представил наблюдения, которые дали бы самые убедительные доказательства расширяющейся Вселенной, но публично поддержал эту теорию гораздо позже.
Критически, однако, Лемэтр добавил в идее, что красное смещение галактик можно объяснить этим расширением пространства, и что в начале должен был быть начальный «момент творения», который был известный как «первобытный атом» или «космическое яйцо» на протяжении десятилетий.
Существует множество научных доказательств, подтверждающих картину расширяющейся Вселенной и Большого Взрыва, но это не требует противоречия между научными выводами и религиозными верованиями.
4.) Эта теория приобрела истинную известность в 1940-х годах, когда она сделала поразительный набор предсказаний.
Джордж Гамов, американский ученый, влюбившийся в идеи Леметра, понял, что если Вселенная сегодня расширяется, то длина волны света в ней со временем увеличивается, и, следовательно, Вселенная остывает. Если сегодня прохладно, значит, раньше было жарче.
Экстраполируя назад, он понял, что когда-то был период времени, когда было слишком жарко для образования нейтральных атомов, а затем период до этого, когда было слишком жарко для образования даже атомных ядер. Следовательно, когда Вселенная расширилась и остыла, она должна была впервые сформировать легкие элементы, а затем нейтральные атомы, что привело к существованию «первичного огненного шара» или космического фона холодного излучения всего на несколько градусов выше абсолютного нуля..
Фред Хойл был постоянным участником радиопрограмм Би-би-си в 1940-х и 1950-х годах и одной из самых влиятельных фигур в области звездного нуклеосинтеза. Его роль самого громкого хулителя Большого взрыва, даже после того, как были обнаружены критические доказательства, подтверждающие его, является одним из его самых давних наследий.
5.) Название «Большой взрыв» произошло от самого ярого противника теории, Фреда Хойла.
Теория, делающая другой набор предсказаний, - Теория стационарного состояния Вселенной - фактически была ведущей теорией Вселенной в 1940-х, 1950-х и в 1960-х годах, поскольку утверждалось, что подавляющее большинство атомов произошло из звезд, которые умерли, а не из этого раннего, горячего и плотного состояния, как подтвердила ядерная физика. Хойл в беседе с Би-би-си ввел этот термин в радиоинтервью 1949 года, сказав:
«Одна [идея] заключалась в том, что Вселенная начала свою жизнь конечное время назад в результате одного огромного взрыва, и что нынешнее расширение является пережитком силы этого взрыва. Эта идея большого взрыва казалась мне неудовлетворительной еще до того, как детальное рассмотрение показало, что она ведет к серьезным трудностям».
Это изображение показывает Арно Пензиаса и Роберта Уилсона, соавторов космического микроволнового фона, с рупорной антенной Холмделя, которая использовалась для его открытия. Их совершенно случайное открытие было интерпретировано как самое убедительное доказательство происхождения нашей Вселенной из Большого Взрыва, при этом другие источники низкоэнергетического излучения не могут объяснить наблюдаемые свойства реликтового излучения.
6.) Первоначально предполагалось, что обнаруженный в 1964 году остаточный свет Большого взрыва произошел от птичьего помёта
В 1964 году ученые Арно Пензиас и Боб Уилсон, работая над рупорной антенной Холмделя в Bell Labs, обнаружили однородный радиосигнал, исходящий одновременно отовсюду в небе. Не понимая, что это было остаточное свечение Большого взрыва, они подумали, что это проблема с антенной, и попытались откалибровать этот «шум».
Когда это не сработало, они залезли в антенну и обнаружили там живущие гнезда голубей!
Вычистили оттуда гнезда (и помет) голубей, а сигнал остался. Осознание того, что это было открытие предсказания Гамова, подтвердило модель Большого Взрыва, закрепив за ней научное происхождение нашей Вселенной. Это также делает Пензиаса и Уилсона единственными учеными-лауреатами Нобелевской премии, которые очищают экскременты животных в рамках своих достойных Нобелевской премии исследований.
Иллюстрация нашей космической истории, от Большого взрыва до настоящего времени, в контексте расширяющейся Вселенной. Мы не можем быть уверены, вопреки утверждениям многих, что Вселенная началась из сингулярности. Однако мы можем разбить иллюстрацию, которую вы видите, на разные эпохи, основываясь на свойствах Вселенной в то конкретное время. Мы уже живем в последней эре, где преобладает темная энергия.
7.) Подтверждение Большого Взрыва дает нам подробную историю образования звезд, галактик и твердых планет во Вселенной.
Если Вселенная изначально была горячей, плотной, расширяющейся и однородной, то мы не только остыли бы и образовали атомные ядра и нейтральные атомы, но и гравитации потребовалось бы время, чтобы стянуть объекты вместе в гравитационно сжатый структуры.
Формирование первых звезд заняло от 50 до 100 миллионов лет; первые галактики не сформируются в течение 150-250 миллионов лет; Галактикам размером с Млечный Путь могут потребоваться миллиарды лет, и первые каменистые планеты не сформируются до тех пор, пока несколько поколений звезд не выживут, не сожгут свое топливо и не погибнут в результате катастрофических взрывов сверхновых.
Возможно, не случайно мы наблюдаем Вселенную сейчас, через 13,8 миллиарда лет после Большого Взрыва; возможно, Вселенной понадобилось столько времени или около того, чтобы «созреть» настолько, чтобы появилась разумная жизнь!
COBE, первый спутник реликтового излучения, измерил флуктуации только в масштабе 7º. WMAP смог измерить разрешение до 0,3 ° в пяти различных диапазонах частот, а Planck измерил разрешение всего до 5 угловых минут (0,07 °) в девяти различных диапазонах частот. Все эти космические обсерватории зафиксировали космический микроволновый фон, подтвердив, что это не атмосферное явление, а космическое происхождение.
8.) Флуктуации космического микроволнового фона говорят нам о том, насколько близкой к идеальной была Вселенная в начале Большого взрыва.
Космический микроволновый фон сегодня составляет всего 2,725 К, но показанные выше флуктуации составляют всего около ~100 микрокельвинов по величине. Тот факт, что оставшееся после Большого Взрыва свечение имеет небольшие неоднородности определенной величины в то раннее время, говорит нам о том, что Вселенная была однородной с точностью до 1/30 000, но флуктуации - это то, что порождает все структура - звезды, галактики и т.д.- то, что мы видим во Вселенной сегодня.
Звезды и галактики, которые мы видим сегодня, существовали не всегда, и чем дальше мы уходим в прошлое, тем ближе к очевидной сингулярности становится Вселенная, поскольку мы переходим к более горячим, более плотным и более однородным состояниям.. Однако у этой экстраполяции есть предел, поскольку возвращение к сингулярности создает загадки, на которые мы не можем ответить.
9.) Сам по себе Большой взрыв больше не обязательно означает самое начало
Заманчиво экстраполировать это горячее, плотное расширяющееся состояние вплоть до сингулярности, как это сделал Леметр почти 100 лет назад. Но есть ряд наблюдений - во главе с флуктуациями в первичном огненном шаре - которые учат нас, что до этого было другое состояние, когда вся энергия во Вселенной была присуща самому пространству, и это пространство расширялось с экспоненциальной скоростью. Этот период был известен как космическая инфляция, и мы все еще изучаем подробности этого. Наука уходит все дальше и дальше назад, но пока конца этому не видно.
Различные возможные судьбы Вселенной, наша фактическая, ускоряющаяся судьба показана справа. По прошествии достаточного количества времени ускорение оставит каждую связанную галактическую или сверхгалактическую структуру полностью изолированной во Вселенной, поскольку все другие структуры безвозвратно ускоряются. Мы можем только заглянуть в прошлое, чтобы сделать вывод о присутствии и свойствах темной энергии, для чего требуется по крайней мере одна константа, но ее значение для будущего больше.
10.) И то, как Вселенная началась, не говорит нам, как она закончится
Наконец, Большой взрыв говорит нам о гонке между гравитацией, пытающейся снова сжать расширяющуюся Вселенную, и первоначальным расширением, пытающимся разнести все на части. Но Большой Взрыв сам по себе не говорит нам, какой будет судьба; для этого нужно знать, из чего состоит вся Вселенная.
С существованием темной энергии, открытой только в 1998 году, мы узнали, что не только победит расширение, но и что самые далекие галактики будут продолжать ускоряться в своем удалении от нас. Наша холодная, одинокая, пустая судьба - это то, что мы получаем во Вселенной темной энергии, но если бы Вселенная родилась с чуть-чуть большим количеством материи или излучения, чем мы имеем сегодня, наша судьба могла бы быть совсем другой!