Это так началась Вселенная или именно так началась наша наблюдаемая Вселенная? Они не одинаковы!
«Эти теории были основаны на гипотезе о том, что вся материя во Вселенной была создана в результате одного большого взрыва в определенное время в далеком прошлом». - Фред Хойл
Если задуматься о том, как Вселенная зародилась, с научной точки зрения, есть одна теория, которая объясняет то, что мы видим больше всех остальных: Большой Взрыв. Но не все согласны с тем, что на самом деле означает «Большой взрыв». В частности, всегда есть какие-то новости, которые периодически утверждают, что, возможно, Большого Взрыва все-таки не было. Это законно? И если да, то что именно это означает?
Чтобы понять это, давайте вернемся на 100 лет назад, к тому моменту, когда мы впервые решили рассмотреть определенный класс объектов слабых спиральных и эллиптических туманностей в нашем небе в любых деталях. Сегодня легко посмотреть на эти объекты и сказать: «О, это галактики!» Но сто лет назад это было не так однозначно. Наши телескопы не были достаточно хороши, чтобы разделить эти объекты на отдельные звезды, из которых они состоят, поэтому их просто считали разновидностью туманности. Но была одна вещь, которая была в них ужасно странной: их скорость.
Видите ли, каждый элемент имеет свой характерный спектр - набор линий, которые он либо поглощает, либо излучает - и этот спектр фиксируется на определенном наборе длин волн. Водород, например, всегда имеет линии 656, 486, 434 и 410 нанометров, каждая из которых соответствует определенному переходу атомной энергии. Когда вы посмотрите на звезду (или галактику), вы увидите этот набор линий поглощения, которые соответствуют различным элементам с различными свойствами поглощения внутри.
Но в этих спиралях и эллиптических формах все линии поглощения, как вы и ожидали, присутствовали, но они проявились странным образом: сильно смещены от нормы.
Простейшее объяснение? Не какой-то новый тип элемента или какой-то новый тип физики, присущий каждой из этих туманностей, а то, что эти объекты быстро двигались либо к нам, либо от нас. Точно так же, как любой звук - от полицейской сирены до фургона с мороженым - будет иметь изменение высоты тона, если он движется либо к нам, либо от нас, длина волны света удаленного объекта будет казаться смещающейся в зависимости от того, движется ли он. к нам или от нас.
Если он движется к нам, свет смещается в сторону синего; если он удаляется от нас, свет смещается в сторону красного. В начале 20-го века Весто Слайфер обнаружил, что подавляющее большинство спиралей смещено в сторону красного цвета, и сдвинуто настолько, что они движутся быстрее, чем что-либо еще в известной Вселенной!
Но именно в 1920-х годах кто-то действительно начал складывать эту головоломку. Эдвин Хаббл, в честь которого назван знаменитый телескоп, наблюдал «вспышки» в этих отдельных спиралях, выискивая события, подобные новым звездам. К своему большому удивлению, глядя на Андромеду, он увидел одну, потом вторую, потом третью. Но затем он увидел четвертый в том же месте, что и первый! Он сразу понял, что это не новая, а переменная звезда. Поскольку переменные звезды были изучены, он смог выяснить, насколько далеко находится этот объект, и пришел к выводу, что он находится далеко за пределами нашей собственной галактики.
Конечно, как только он понял, что в одной из этих спиралей есть переменные звезды, Хаббл не остановился на этом. Он продолжал измерять расстояния до десятков других галактик, и когда он объединил эти данные с данными скорости Слайфера, он обнаружил нечто замечательное: в среднем, чем дальше галактика, тем быстрее она удаляется от нас. Родилась расширяющаяся Вселенная.
В контексте общей теории относительности пространство-время, наполненное материей или излучением во многих разных местах - пространство-время, подобное нашему - , не очень хорошо сохраняет статическое состояние во времени. Они либо расширяются, либо сжимаются, в зависимости от того, сколько в них энергии. Что мы наблюдаем, так это то, что наша Вселенная расширяется сегодня из состояния, которое было более плотным в прошлом.
Это также означает, что, поскольку количество энергии, которой обладает свет (излучение), зависит от его длины волны, что, если Вселенная была меньше в прошлом, она также была горячее и с большей энергией в прошлом..
Должны ли мы экстраполировать это в обратном направлении? Представьте, что Вселенная существует такой, какая она есть сегодня, но мы сделали ее меньше и горячее в прошлом. Что было бы, если бы мы захотели вернуться достаточно далеко назад?
- В конце концов, она стала бы такой горячей и плотной, что сами атомы не смогли бы сформироваться; раньше все было бы горячей ионизированной плазмой.
- Даже раньше атомные ядра не смогли бы сформироваться; отдельные протоны и нейтроны разлетелись бы на части, образовав море свободных частиц, в котором не было бы никаких элементов, кроме водорода.
- До этого материя и антиматерия должны были спонтанно образоваться парами, породив все известные (и, возможно, даже некоторые до сих пор не открытые) частицы во Вселенной.
- И, наконец, если мы вернемся в то время, когда все было произвольно, возможно, даже бесконечно горячим и плотным, мы придем к сингулярности: месту, где все время, пространство и энергия сгущается в одну точку.
Идея о том, что все возникло из «космического яйца», «первобытного атома» или «сколь угодно горячего, плотного состояния» , - это то, что мы знаем сегодня как Большой Взрыв.
Только это было первоначальное определение Большого Взрыва. Мы многое узнали о Вселенной с тех пор, как эта идея была впервые предложена. В частности, мы узнали, что кроме материи и излучения Вселенная также содержит некоторое количество энергии, присущей самому пространству, или темной энергии, или космологической постоянная или вакуумная энергия (все синонимы).
Сейчас он содержит относительно небольшое количество этой энергии, но раньше он содержал фантастически большое количество этой энергии.
Верно: до того, как во Вселенной доминировала материя и излучение, во Вселенной доминировала энергия, присущая самому пространству, теория, впервые выдвинутая в конце 1970-х - начале 1980-х годов и впервые подтвержденная наблюдениями. в начале 1990-х. Когда вы слышите о космологической инфляции (или инфляционной Вселенной), это то, что мы имеем в виду: время, когда во Вселенной доминировала не материя или излучение, а энергия, присущая самому пространству.
И Вселенные, в которых доминирует энергия вакуума или инфляция, развиваются иначе, чем те, в которых доминирует материя или излучение.
Конечно, может показаться, что эти Вселенные различаются только в деталях, но все они расширяются с заданной скоростью из определенной начальной точки.
Или они? Давайте посмотрим поближе на «самое начало», и на этот раз не будем ограничиваться остановкой около этой точки (0, 0) в начале координат.
Хотя Вселенная, в которой преобладает материя или излучение, на самом деле возникнет из сингулярности, из момента, когда впервые возникают сами пространство и время, такого не существует. такой момент для инфляционной Вселенной.
Другими словами, тот последний пункт, который мы догадались интуитивно - что будет место, где впервые возникли пространство и время - не обязательно является частью “Большого Взрыва”, если ваша Вселенная содержит инфляционную фазу в начале.
Когда космологи - подраздел астрофизики, изучающий происхождение и эволюцию Вселенной - , говорят о Большом Взрыве, они имеют в виду одно из двух:
- Горячее, плотное, расширяющееся состояние, из которого возникла наша наблюдаемая Вселенная, которое расширялось, замедлялось, охлаждалось и давало начало элементам, атомам, звездам, молекулам, планетам и, в конечном счете, нам.
- Первоначальная сингулярность, представляющая рождение пространства и времени.
Единственная проблема в том, что, хотя эти два объяснения были взаимозаменяемыми, скажем, в 1960-х, они больше не являются.
Первое объяснение - «горячее, плотное, расширяющееся состояние» - «по-прежнему имеет смысл как «Большой взрыв», но второе уже не имеет. На самом деле, что касается вопроса о том, откуда берутся пространство и время, до сих пор ведется много споров со всех сторон, и какие бы недавние статьи ни вышли, это просто еще одна капля в море этих споров: не более того.
Самый важный урок, который вы должны извлечь из всего этого? Этот «Большой взрыв» представляет собой источник всего, что мы видим во Вселенной, но это уже не самое начало Вселенной. Мы можем вернуться еще до того, как это объяснение окажется хорошим, к инфляционной Вселенной, и у нас есть веские причины спорить и обсуждать тонкости того, что именно это означает для конечного происхождения всего, что мы знаем.
Но был ли Большой Взрыв? Согласно первому определению, да, абсолютно: Вселенная возникла из горячего, плотного, однородного и быстро расширяющегося состояния и с тех пор охлаждается и становится менее плотной. Но если вы используете второе определение, возможно, вы действительно захотите переосмыслить использование термина «Большой взрыв». Вы будете не единственным, кто использует это таким образом, но ваши предположения - и ваши выводы - могут быть совершенно неверными.
Оставляйте свои комментарии на нашем форуме и ознакомьтесь с нашей первой книгой: Beyond The Galaxy, доступной уже сейчас, а также с нашей богатой наградами кампанией Patreon!