Сколько лет Вселенной

Согласно теории горячего Большого взрыва, у Вселенной было начало — существовал день, у которого не было «вчера». Человеку представить это довольно сложно, не уходя в философские и теологические размышления о сотворении мира. Кроме того, многие современные учёные утверждают, что горячий Большой взрыв был не самым началом, а следствием предыдущей эпохи — космической инфляции.

Тем не менее, если спросить любого космолога, сколько лет нашей Вселенной, ответ будет простой: 13,8 миллиарда лет. Почему именно так, и с какого момента начинается отсчёт?

Существует два подхода к определению возраста Вселенной:

1. Эмпирический — найти самое древнее из известных нам объектов и считать, что Вселенная не может быть моложе его.

2. Теоретический — использовать общую теорию относительности и наши знания о составе и скорости расширения Вселенной, чтобы вычислить, сколько времени прошло с начала горячего Большого взрыва.

Первый способ не даёт точного возраста, но задаёт нижнюю границу: Вселенная не может быть моложе своих звёзд.

Астрономы научились достаточно точно определять возраст звёздных систем, особенно шаровидных звёздных скоплений — плотных скоплений, где звёзды рождаются почти одновременно. По тому, какие звёзды в них остались (в основном холодные и тусклые), можно судить, сколько времени прошло с момента их образования. Эти наблюдения показывают, что возраст Вселенной — не меньше 12,5–13 миллиардов лет.

Второй подход использует уравнения Фридмана, связывающие скорость расширения Вселенной с её плотностью и составом. Учёные рассчитали состав Вселенной, используя наблюдения за реликтовым излучением (оставшимся после Большого взрыва) и данные о крупномасштабных структурах.

Реликтовое излучение, представляет собой микроволновое излучение, заполняющее всё пространство наблюдаемой Вселенной. При использовании стандартного оптического телескопа пространство между звёздами и галактиками выглядит почти полностью тёмным. Однако достаточно чувствительный радиотелескоп улавливает слабое фоновое свечение, которое является почти однородным и не связано ни с одной звездой, галактикой или другим объектом. Это свечение наиболее сильное в микроволновой области электромагнитного спектра. Его общая энергетическая плотность превышает энергетическую плотность всех фотонов, излучённых всеми звёздами за всю историю Вселенной.

Реликтовое излучение является важным доказательством теории Большого взрыва о происхождении Вселенной. Согласно космологическим моделям Большого взрыва, в самые ранние периоды Вселенная была заполнена непрозрачным туманом из плотной горячей плазмы субатомных частиц. По мере расширения Вселенной эта плазма охлаждалась до такой степени, что протоны и электроны объединялись, образуя нейтральные атомы, в основном водорода. В отличие от плазмы, эти атомы не могли рассеивать тепловое излучение, и поэтому Вселенная стала прозрачной. Это событие, известное как эпоха рекомбинации, привело к отделению фотонов, которые стали свободно распространяться в пространстве. Однако фотоны стали менее энергичными из-за космологического красного смещения, связанного с расширением Вселенной.

Реликтовое излучение очень ровное и однородное, однако чувствительные детекторы фиксируют небольшие, но важные колебания его температуры. Для измерения этих неравномерностей температуры используются наземные и космические эксперименты, такие как COBE, WMAP и Planck.

Пиковые значения этого спектра содержат важную информацию о физических свойствах ранней Вселенной: первый пик определяет общую кривизну Вселенной, а второй и третий пики подробно описывают плотность нормальной материи и так называемой тёмной материи соответственно.

По расчётам, итоговый состав Вселенной сегодня выглядит следующим образом:

• 68% — тёмная энергия,

• 27% — тёмная материя,

• 4,9% — обычное вещество,

• 0,1% — нейтрино,

• 0,01% — фотоны.

С учётом скорости расширения около 67 км/с на мегапарсек расчёты показывают, что Вселенная существует 13,8 миллиарда лет. Правда, на сегодня этот ответ нельзя назвать окончательным и неоспоримым — к нему есть претензии.

Противоречие в измерениях (хаббловская напряжённость)

Разные методы измерения скорости расширения дают разные результаты: 67 км/с/Мпк и 74 км/с/Мпк (что на 9% больше). Можно подумать, что при более быстрой экспансии Вселенная должна быть моложе, ведь она достигла нынешнего состояния быстрее. Однако при пересчётах оказывается, что возраст меняется совсем немного — примерно до 13,6 млрд лет. Иными словами, погрешность мала, и возраст почти не зависит от этой разницы.

Почему бы не считать возраст Вселенной с момента излучения реликтового излучения (через 380 000 лет после Большого взрыва)?

Это логичный вопрос, ведь именно тогда появились фотоны, которые мы можем наблюдать. Однако есть данные, позволяющие заглянуть ещё глубже в прошлое — вплоть до первых секунд после начала горячего Большого взрыва.

Например:

• соотношение лёгких элементов (водорода, гелия, лития), сформировавшихся через 3–4 минуты,

• космическое нейтринное излучение, возникшее примерно через секунду.

На фоне 13,8 миллиардов лет разница в сотни тысяч лет или даже минуту ничтожна, поэтому это несущественно для общего возраста.

Но ведь до горячего Большого взрыва была эпоха инфляции?

Современная космология действительно считает, что горячий Большой взрыв — не начало всего, а переход от предыдущего этапа — космической инфляции.

Инфляция — это краткий период сверхбыстрого (экспоненциального) расширения Вселенной, когда она увеличивалась в размерах многократно за доли секунды. Именно этот процесс объясняет:

• почему Вселенная почти идеально плоская,

• почему температура и плотность вещества в разных её частях одинаковы, хотя они никогда не были в контакте,

• почему мы не наблюдаем «реликтов» сверхвысоких энергий, которые должны были бы остаться от начальной сингулярности.

Инфляция также предсказала ряд эффектов, которые потом подтвердились наблюдениями: почти равномерный спектр плотностных флуктуаций, их адиабатическую природу, существование возмущений на масштабах, превышающих космический горизонт, и ограниченную (не бесконечную) максимальную температуру ранней Вселенной.

Что было до инфляции?

На этот вопрос наука пока не знает ответа — а возможно, и никогда не узнает. Мы можем лишь сказать, что инфляция длилась не меньше 10^-32 секунды, но могла продолжаться гораздо дольше — вплоть до астрономических времён. Однако большинство моделей предполагает, что у неё всё же было начало. Что именно её запустило и какие законы действовали до этого момента — неизвестно.

Итак, что мы называем «возрастом Вселенной»?

Когда учёные говорят, что Возраст Вселенной — 13,8 миллиарда лет, они имеют в виду возраст наблюдаемой части Вселенной, начиная с окончания инфляции и начала горячего Большого взрыва.

Что было раньше — сколько длилась инфляция, что существовало до неё и откуда всё началось — остаётся предметом гипотез и философских спекуляций. Мы можем уверенно говорить только о Вселенной, которую видим и измеряем.

Каков был бы размер видимой части статичной Вселенной

Итак, у нас есть два главных факта. Первый: Вселенная возникла чуть менее 14 миллиардов лет назад в результате уникального события, называемого Большим взрывом. Второй: обычный видимый свет имеет конечную скорость в 300 000 километров в секунду, что достаточно быстро, чтобы обогнуть Землю примерно семь раз за одну секунду или пролететь от Солнца до Земли за 8 минут. Расстояние, которое свет может пройти за год, мы называем световым годом, что равно примерно десяти триллионам километров.

Ещё одна важная идея, которую нам нужно понять, — это разница между видимой Вселенной и всей Вселенной. На поверхности Земли то, что может увидеть человек, даже в бинокль, ограничивается прозрачностью воздуха, а также кривизной поверхности планеты. В космосе ограничивающим фактором является другое: скорость света. Если бы наша Вселенная была статичной и неизменной (а сегодня мы уже знаем, что это на самом деле не так), самые далёкие предметы, которые мы могли бы увидеть, находились бы на расстоянии 13,8 миллиардов световых лет. Это потому, что, если бы объект, находящийся на таком расстоянии, испустил бы свет в момент возникновения Вселенной, этот свет только сейчас достиг бы Земли. Свет, излучённый объектом, расположенным на расстоянии 14,8 миллиарда световых лет, достиг бы Земли только через миллиард лет, поэтому сегодня мы ещё не смогли бы его увидеть.

В статической вселенной видимая её часть представляла бы собой сферу, окружающую Землю, с радиусом почти 14 миллиардов световых лет. Вся Вселенная может быть больше, но мы не имеем возможности это узнать, поскольку свет из более удалённых мест ещё не достиг нас.

Каков размер видимой части нашей Вселенной

Хотя скорость света ограничена в расширяющейся Вселенной, мы можем видеть объекты, расположенные дальше, чем может пройти свет за время, соответствующее возрасту Вселенной. То есть, несмотря на то, что Вселенной 13,8 млрд лет, мы видим объекты, расположенные от нас дальше, чем 13,8 млрд световых лет. Почему?

На самом деле всё просто. Из-за расширения Вселенной (а расширение работает так, что всё время и повсеместно появляется новое пространство), не связанные между собой электромагнитными и гравитационными силами объекты удаляются друг от друга (ваше тело не расширяется при расширении Вселенной, как и Млечный Путь — а вот разные галактические скопления удаляются друг от друга). Можно представить себе, как в тесте с изюмом изюминки по мере выпекания хлеба удаляются друг от друга. Изюм не движется относительно окружающего его теста – просто тесто растёт в объёме.

Свету приходится преодолевать постоянно расширяющееся пространство — можно представить себе, как муравей ползёт по постепенно растягивающейся резиновой ленте. Только в отличие от муравья свет также растягивается, увеличивается его длина волны, смещаясь в красную часть спектра. В результате за время, прошедшее с Большого взрыва (или с момента возникновения реликтового излучения, поскольку до этого Вселенная всё равно была непрозрачной для света) свету пришлось пройти расстояние большее, чем возраст Вселенной в световых годах. А какое конкретно? Это зависит от наполнения Вселенной.

Плотность энергии в каждый момент прошлого определяет историю расширения Вселенной, а излучение, материя и энергия, присущие самому пространству, развиваются по-разному. В результате если бы Вселенная, возраст которой составляет 13,8 миллиарда лет:

• была заполнена только излучением; объекты, свет от которых наконец достиг нас после путешествия в течение 13,8 миллиарда лет, сейчас находились бы на расстоянии 27,6 миллиарда световых лет от нас,

• была заполнена только материей; объекты, свет от которых наконец достиг нас после путешествия в течение 13,8 миллиарда лет, сейчас находились бы на расстоянии 41,4 миллиарда световых лет от нас,

• была заполнена только тёмной энергией, то ни один луч света не достиг бы нас после путешествия длиной в 13,8 миллиарда световых лет; расширение было бы экспоненциальным, и мы просто не увидели бы ничего после такого долгого времени.

Но ни один из этих примеров не соответствует тому, что на самом деле находится в нашей Вселенной; содержимое нашей Вселенной представляет собой смесь всего перечисленного, причём эта смесь менялась с течением времени.

На самых ранних этапах развития Вселенной, в течение первых нескольких тысяч лет, в ней преобладало излучение, в основном в виде фотонов и нейтрино. Затем произошёл переход, и материя — как обычная, так и тёмная — стала наиболее важным компонентом на миллиарды лет. А совсем «недавно», уже после образования нашей Солнечной системы и Земли, стала доминировать тёмная энергия. Поскольку тёмная энергия никогда не была (и никогда не будет) единственным источником энергии во Вселенной, нам не грозит судьба «никогда не увидеть света», но её влияния достаточно, чтобы раздуть Вселенную даже больше, чем в сценарии, где в ней есть только материя — до 46,1 миллиарда световых лет.

13,8 миллиарда лет назад вся наша наблюдаемая Вселенная была меньше, чем сегодняшняя Солнечная система. Расширение Вселенной вначале было очень быстрым, но со временем замедлилось. Фактически, оно продолжает замедляться, но не стремится к нулю, а к конечному и всё ещё значительному значению. Но это означает, что свет очень удалённого объекта, которого расширение Вселенной унесло на расстояние более 40 миллиардов световых лет, всё равно может достичь нас сегодня, после путешествия по Вселенной, длившегося почти всю историю её существования.

И когда он наконец достигает нас, мы видим свет от него таким, каким он был излучён, когда Вселенная была ещё очень молодой — за исключением смещения в красную часть спектра, которое позволяет нам определить, насколько старый и удалённый на самом деле объект, испустивший данный фотон.

Именно поэтому во Вселенной, возраст которой составляет 13,8 миллиарда лет, самые удалённые объекты, видимые нам, находятся на расстоянии 46 миллиардов световых лет!

Такие масштабы сложно представить. Размеры людей измеряются парой метров; Вселенная, которую мы можем видеть, простирается на 46 миллиардов световых лет во всех направлениях. Это означает, что диаметр наблюдаемой Вселенной — почти на 27 порядков, или в один октиллион (1 000 000 000 000 000 000 000 000 000) раз превосходит размер человека. Нет ничего удивительного в том, что его невозможно представить.

Можно попытаться сделать это, думая не в терминах обычных расстояний, а рассуждать о расстояниях с логарифмической точки зрения. Тогда логарифмическая карта Вселенной, показанная ниже, может действительно запечатлеть величие Вселенной в различных масштабах одновременно.

Каков общий размер всей Вселенной

Но мы всё ещё говорим о видимой Вселенной. А как насчёт всей Вселенной целиком? Как мы можем узнать о частях, которые находятся так далеко, что мы их ещё даже не видели? Вот тут-то и начинается самое интересное.

Это может вас удивить, но астрономы не на 100% уверены в геометрии пространства. Оно может быть плоским, а может быть и искривлённым. Хотя пространство трёхмерно, мы можем использовать двумерную аналогию, чтобы объяснить, что имеется в виду.

В двух измерениях плоский означает плоский, как поверхность стола. Однако двумерная поверхность может быть изогнутой, как поверхность глобуса (иметь положительную кривизну), но она также может быть изогнутой, как поверхность седла (иметь отрицательную кривизну). Если она изогнута, как поверхность глобуса, это означает, что если у вас был сверхбыстрый космический корабль и вы путешествовали достаточно долго, вы могли бы оказаться там, откуда начали, как самолёт, летящий вдоль экватора Земли.

Астрономы изучили данные и определили, что пространство плоское или почти плоское. Однако это результат измерения, а у любого измерения есть погрешность. Остаётся вероятность того, что Вселенная имеет очень небольшую кривизну. Но если она изогнута, то эквивалент «экватора Вселенной» по крайней мере в 500 раз больше видимой Вселенной.

Таким образом, несмотря на то, что астрономы не знают размера всей Вселенной, они знают, что она по крайней мере в 500 раз больше того, что мы можем видеть. (То есть, такое расстояние придётся пролететь, чтобы вернуться в исходное место). Получается, в терминах объёма вся Вселенная как минимум в 125 миллионов раз больше видимой Вселенной.

Суть в том, что видимая Вселенная невероятно велика, а вся Вселенная умопомрачительно огромна — более того, вся Вселенная может быть бесконечно велика. Дело в том, что у нас нет достаточной информации, чтобы однозначно ответить на вопрос о конечности Вселенной. Мы знаем только, как получить доступ к информации, доступной внутри нашей наблюдаемой Вселенной: тех самых 46 миллиардов световых лет во всех направлениях. Ответ на, возможно, самый важный из всех вопросов о том, является ли Вселенная конечной или бесконечной, может быть закодирован в самой Вселенной, но у нас не хватает доступа к достаточному её объёму. Пока мы не разберёмся в этом или не придумаем какую-либо хитроумную схему, чтобы расширить возможности физики, нам останется оперировать только предположениями.

© 2025 ООО «МТ ФИНАНС»