Когда учёные говорят о «Большом взрыве», они имеют в виду две возможности. Но корректна лишь одна из них.
Эти теории основаны на гипотезе, по которой вся материя Вселенной была создана в одном большом взрыве в определённый момент в отдалённом прошлом
— Фред Гойл
Если задуматься о начале Вселенной с научной точки зрения, есть одна теория, лучше других описывающая всё, что мы видим: теория Большого взрыва. Но не все соглашаются с тем, что именно означает «Большой взрыв».
Точнее, некоторые новые утверждения говорят о том, что может быть никакого Большого взрыва и не было. Имеют ли они право на жизнь? И что это может означать?
Чтобы понять это, давайте вернёмся на 100 лет назад, когда мы в первый раз решили детально рассмотреть определённый класс небесных объектов – тусклую спираль и эллиптическую туманность.
Сегодня легко посмотреть на эти объекты и сказать: «А, так это ж галактики!». Но сто лет назад это не было настолько понятно. Наши телескопы были слишком плохи, чтобы разглядеть в этих объектах индивидуальные звёзды, из которых они состояли, и поэтому их считали просто разновидностью туманности. Но у них было нечто очень странное: скорость.
Видите ли, у каждого элемента есть свой характерный спектр – набор линий, который он поглощает или испускает – и это спектр фиксирован на определённых длинах волн. Водород, к примеру, всегда испускает линии на 656, 486, 434 и 410 нм, каждая из которых связана с переходом атомной энергии. А в этих спиралях и эллиптических туманностях появлялись все линии поглощения, но они были сильно смещены от обычных.
Самое простое объяснение? Не новые типы элементов или законы физики. Просто эти объекты быстро двигались к нам или от нас. Как у звука – например, сирены полицейской машины – меняется высота, в зависимости от того, двигается он от нас или к нам, так и у удалённого объекта длина волны света будет изменена в зависимости от того, двигается он от нас или к нам.
Если он двигается к нам, свет сдвигается к синему концу спектра. Если от нас – к красному. В начале ХХ века Весто Мелвин Слайфер обнаружил, что у подавляющего большинства спиральных объектов свет был сдвинут в красный спектр, да так сильно, что они двигались быстрее всех известных объектов во Вселенной!
Но лишь к 1920 годам люди начали собирать кусочки этой головоломки. Эдвин Хаббл – именем которого назван известный телескоп – наблюдал вспышки в этих спиралях в поисках сверхновых. К своему удивлению, при наблюдении за Андромедой он обнаружил первую, затем вторую, затем третью. А потом он увидел четвёртую в том же месте, где была первая! Он сразу понял, что это была не сверхновая, а переменная звезда. А благодаря пониманию природы переменных звёзд он мог подсчитать расстояние до объекта и обнаружил, что он находится вне нашей галактики.
Конечно, когда он понял, что в спиральных объектах содержатся звёзды, он не стал на этом останавливаться. Он стал мерить расстояния до десятков других галактик, и, скомбинировав полученные данные с данными Слайфера по скорости, он нашёл нечто примечательное: в среднем, чем дальше от нас была галактика, тем быстрее она отдалялась от нас.
Так и родилась расширяющаяся Вселенная.
В рамках ОТО пространство-время, наполненное материей или излучением в разных местах – а у нас оно именно такое – не особо хорошо умеет оставаться статичным. Оно либо расширяется, либо сжимается, в зависимости от содержания энергии. Сегодня наша Вселенная расширяется, двигаясь от более плотного состояния в прошлом.
Также это означает, что поскольку энергия света (излучения) зависит от его длины волны, то, если Вселенная раньше была меньше, значит, она была горячее и энергии в ней были выше.
А что, если мы экстраполируем это назад? Представим, что Вселенная такая, какая есть, но сделаем её меньше и горячее в прошлом. Как оно всё было бы, если бы мы отправились в прошлое достаточно далеко?
В итоге можно прийти к такому горячему и плотному состоянию, что атомы не смогут формироваться; везде будет горячая ионизированная плазма.
Ещё раньше не смогут формироваться атомные ядра; протоны и нейтроны будут разлетаться, и создадут море свободных частиц без всякого вещества кроме водорода.
До этого, материя и антиматерия спонтанно создаются парами, создавая все известные (а, возможно, ещё пока даже и не открытые) частицы во Вселенной.
И наконец, если мы отправимся ещё дальше в прошлое, где всё было сколь угодно, а возможно, и бесконечно горячим и плотным, мы приходим к сингулярности: месту, где всё время, пространство и энергия сконцентрированы в одной точке. И эта идея, что всё появилось из «космического яйца», из «первозданного атома» или из «сколь угодно горячего и плотного состояния» и известна сегодня под именем Большого взрыва.
Вот только это было оригинальное определение Большого взрыва. С тех пор, как эту идею озвучили, мы узнали о Вселенной очень много нового. Конкретно, мы узнали, что кроме материи и излучения, Вселенная также содержит энергию, присущую самому пространству, или тёмную энергию, или космологическую константу, или энергию вакуума (это синонимы).
Сейчас её относительно мало, но на ранних стадиях её было нереально много.
Именно так: до эпохи доминирования материи и излучения во Вселенной преобладала энергия, присущая самому пространству. Эту теорию впервые предложили в 1970-1980-х годах, и подтвердили наблюдениями в начале 1990-х. Мы говорим о космологической инфляции (или об инфляционной Вселенной): о времени, когда во Вселенной преобладала не материя с излучением, а энергия, присущая самому пространству.
А Вселенная, в которой преобладает энергия вакуума, или инфляция, развивается не так, как Вселенная с преобладанием материи или излучения.
Может показаться, что отличаются они в мелочах, но при этом расширяются с заданной скоростью, начиная с какого-то момента. Но так ли это? Посмотрим на самое начало.
Синяя и красная линии – традиционный сценарий Большого взрыва, где всё начинается во время t = 0, включая и пространство-время. Но в случае инфляции (жёлтый) мы не доходим до сингулярности. Вместо этого мы можем дойти до сколь угодно малого размера в прошлом, а время идёт назад в бесконечность.
Вселенная, где преобладает материя или излучение, появляется из сингулярности, в момент, когда пространство и время сами появляются впервые, а в инфляционной Вселенной такого момента не существует.
Иначе говоря, та точка, из которой по нашим представлениям появились пространство и время, не обязательно должна быть частью Большого взрыва, даже если в начале Вселенной есть инфляционная фаза.
Когда специалисты по космологии – это подразделение астрофизики, занимающееся рождением и эволюцией Вселенной – говорят про Большой взрыв, они имеют в виду одно из двух:
Горячее, плотное, расширяющееся состояние, из которого возникла наблюдаемая Вселенная, которое расширялось, охлаждалось, и породило элементы, атомы, звёзды, молекулы, планеты и нас.
Изначальную сингулярность, представляющую рождение пространства и времени
Проблема в том, что если в 1960-х эти объяснения были взаимозаменяемыми, то теперь это не так.
Первое объяснение – горячее, плотное, расширяющееся состояние – всё ещё имеет смысл в роли Большого взрыва, но второе – уже нет. По вопросу о том, откуда появились пространство и время, до сих пор идут дебаты с обеих сторон, и эта недавняя работа – всего лишь капля в океане этих споров.
Главное, что нужно из этого уяснить – Большой взрыв, хотя и представляет собою то, откуда появилось всё, что мы видим во Вселенной, но не является самым её началом. Мы можем вернуться назад, до того времени, как это объяснение имеет смысл, в инфляционную Вселенную, и у нас есть достаточно оснований для споров и обсуждения уточнений того, что именно это означает для начала всего того, что мы знаем.
Но был ли Большой взрыв? Согласно первому определению – да, конечно. А если вы используете второе, вам лучше переосмыслить используемый термин. Даже если вы не один его используете – делаете ли вы это правильно?
Комментарии (28)
DancingOnWater
22.07.2016 15:07«Эту теорию впервые предложили в 1970-1980-х годах, и подтвердили наблюдениями в начале 1990-х. Мы говорим о космологической инфляции»
А вот теперь с этого места по-подробнее.
Мне лишь известно, что в 90-х открыли ускорение расширения Вселенной. Наличие инфляционной стадии пока ничем не подтверждено.
rombell
22.07.2016 19:15Ну просто сейчас нет другого разумного способа объяснить космологическую равномерность реликтового излучения. Взрыв из сингулярности дал бы принципиально бОльшую неоднородность.
Alex_ME
23.07.2016 01:51Каждый раз говорят, что инфляция объясняет большую однородность вселенной. Что флуктуации квантового поля (что это вообще за зверь такой?) были инфляцией «растянуты» до огромных размеров и «остыли», что наблюдаемая вселенная возникала из области пространства, настолько маленькой, что была однородной, поэтому она такая однородная. Но разве в сингулярности — бесконечно малой точке — были неоднородности? Или они неизбежно возникли бы в ходе расширения вселенной из этой точки не с экспотенциальной скоростью?
rombell
23.07.2016 06:57Флуктуации всех полей происходят всегда и везде, соласно нашему нынешнему пониманию мироустройства. При больших плотностях это должно, по идее, приводить 1) к сильному комкованию материи; 2) к возникновению разного рода волн. При расширении с досветовой скоростью разные части успевают провзаимодействовать, и следы этого взаимодействия мы должны были бы наблюдать как в мироустройстве (распределение материи по метагалактикам), так и в реликтовом излучении. Мы этого не видим.
Второй момент — физикам сильно не нравится сама идея сингулярности, потому что непонятно, как с ней работать. Скрытая в идее инфляции НЕХ кажется более познаваемой, чем абсолютная НЕХ в виде сингулярности.
DancingOnWater
25.07.2016 10:40В курсе, но это совсем не значит, что инфляционную стадию подтвердили наблюдениями.
rombell
25.07.2016 12:58Ну в некотором роде подтвердили — пока нет другой теории, объясняющей однородность. Точно так же любой опыт подтверждает соответствующую теорию (если не противоречит ей), пока нет другой теории, куда он вписался бы.
I-denis
25.07.2016 11:28Возможно я ошибаюсь. Но взрыв без инфляционной стадии дает как раз тотальную однородность. А инфляция растягивает квантовые флуктуации формируя неоднородности, которые и позволяют сформироваться протогалактикам и тд…
rombell
25.07.2016 13:00Ровно наоборот. Без инфляционной стадии всё успевает провзаимодействовать, возникают волны, следы этих волн должны быть видны. Их нет.
В случае инфляционной стадии все неоднородности растягиваются так сильно, что ну его нафиг. А именно6 вся наша наблюдаемая Вселенная — это, видимо, меньше одной исходной неоднородности.
UncleJey
23.07.2016 00:07-3Мне кажется или космологи загнались в своих рассуждениях?
Сильно смущает то наблюдение, что чем дальше галактика, тем она быстрее от нас удаляется. Ну фигня же полная. А вот если предположить что скорость света не постоянна и фотоны «чуть-чуть тормозят» о пространство. То всё сразу встаёт на места. И галактика никуда не расширяется. И тем более не ускоряется. Да всё движется. Но свет от далёких объектов доходит до нас чуть-чуть медленнее чем от близлежащих…
turbo_exe
23.07.2016 13:45+1почему фигня? галактика удаляется всё быстрее не потому, что она сама набирает скорость, а потому что само пространство расширяется между нами и ней. и чем больше между нами пространства, тем на большую линейную величину оно суммарно расширяется в единицу времени.
Alex_ME
23.07.2016 01:53+1Это вносит понятность в статьи «Спросите Итана», где он упорно называет БВ — конец фазы инфляционного расширения.
Alex_ME
23.07.2016 01:59Только щас понял.
Пишут: инфляция закончилась 10^-32 с после хм… «Не БВ». Но у того же Итана, он несколько раз говорил — мы не знаем, как долго длилась инфляция. Ведь она оканчивалась в разные моменты в разных областях. И где-то вероятно не закончилась. Откуда это значение 10^-32? Что-то вообще известно про саму стадию инфляции?
rombell
23.07.2016 07:0210-32 — артефакт тех времён, когда начало виделось как БВ-инфляция-расширение, и величина оценивалась как минимальная для достижения видимой равномерности.
Про инфляцию известно только одно: для достижения наблюдаемой равномерности требуется быстрое растяжение примерно вот такого масштаба.
Mad__Max
23.07.2016 22:09Мы не знаем сколько длилась инфляция (и у Итана дам даже есть мысли, что где-то она не закончилась до сих пор) потому что мы не знаем каков настоящий размер вселенной. Даже не знаем конечна ли она вообще или бесконечна. И сколько таких вселенных существует.
Поэтому и нельзя сказать сколько шла инфляция и не приходит ли она где-то еще прямо сейчас в областях недоступных для наблюдения.
10^-32 это как понимаю просто оценки времени того сколько должна была продолжаться инфляционная стадия, чтобы растянуть пространство от планковских параметров (размера/температуры/энергии/плотности) до таких размеров, чтобы оно с учетом последующего обычного (не инфляционного) расширения продолжающегося до сих пор достигла размеров видимой нам сейчас вселенной. (что-то около 44 млрд. световых лет).
Ckpyt
23.07.2016 10:35-1Люди, такой вопрос: у нас есть «кипящий» вакуум — вакуум, в котором постоянно рождаются и исчезают виртуальные частицы.
Не может ли быть так, что темная материя и энергия — лишь проявления этого кипения?
И второй вопрос: материя после большого взрыва осталась из-за электрослабой ассиметрии(вроде бы… не буду утверждать на все 100%). Действует ли этот эффект в кипящем вакууме? Т.е. происходит ли увеличение вещества и в настоящее время?kauri_39
24.07.2016 21:41Вакуум, который «кипит» от непрерывного рождения и уничтожения виртуальных частиц, это и есть тёмная энергия пространства. Это энергетически плотный вакуум. Он обладает антигравитационной силой, которая проявляется в космологических масштабах — с ускорением раздвигает скопления и сверхскопления галактик. Это силу обозначают через L — лямбда-член в уравнениях Эйнштейна, вновь введённый в уравнения после открытия ускоренного расширения Вселенной. И поэтому современная космологическая модель носит аббревиатуру LCDM.
Остальные три буквы обозначают «колд дак маттери» — холодную тёмную материю, которая должна быть во Вселенной для объяснения высокой скорости вращения звёзд в галактиках и галактик в их скоплениях. Без её удерживающей силы те и другие разлетелись бы из своих систем, согласно формул Ньютона, верных в околозвёздном пространстве.
Есть и альтернативное объяснение тёмной энергии и тёмной материи — в моих комментариях на разные темы и в публикации «Почему постоянна космологическая постоянная».
Во втором вопросе, как я его понял, Вы спрашиваете, сохраняется ли преимущество частиц материи перед частицами антиматерии при их рождении из квантов энергии — фотонов — в наше время? Например, кварков перед антикварками? Наверное, не сохраняется. По-моему, оно действовало при первичном, очень плотном эфире (вакууме), который был везде, а не только в точке современного синтеза кварк-глюонной плазмы. Тогда антикварки просто распадались в плотном эфире, а в нынешнем, менее плотном, они выживают, и могут лишь аннигилировать с кварками или быстро превращаться в кварки и обратно внутри мезонов.DancingOnWater
25.07.2016 13:03Нет, это не так, принимая гипотезу, что ТЭ это и есть физвакуум мы нарываемся на драматическое несоответствие плотности энергии (проблема космологической постоянной).
kauri_39
26.07.2016 08:50Тогда что по Вашему ТЭ? У нас физвакуум уже энергетически плотная субстанция, которая вызывает Лэмбовский сдвиг летящих сквозь него частиц материи. Поэтому расширение такого вакуума и приводит в движение скопления галактик — они расходятся друг от друга.
Конечно, не надо нашпиговывать вакуум виртуальными частицами с бесконечно разными энергиями, которые нельзя выявить из-за неопределённости Гейзенберга. То есть приписывать ему почти планковскую плотность энергии. Но и говорить, что Лямбда чуть больше нуля из-за наблюдаемого ускорения в разлёте кластеров тоже не верно. Её значение может быть достаточно великим и может сходиться со значением плотности эфира (энергетически плотного вакуума), следует только допустить расширение этого плотного вселенского эфира в чуть менее плотной внешней среде.
Вот так на качественном уровне решается проблема космологической постоянной. Конечно, физики от КТП и от ОТО будут против, но как иначе им договориться друг с другом и решить эту проблему? А заодно решить проблему квантовой гравитации? В ней ведь тоже не обмен гравитонами происходит, а квантовое поглощение пространства — эфиронов — с выводом их в 5 измерение. Откуда к нам поступают новые эфироны и уплотняют вселенский эфир, вызывая его расширение. Пусть те и другие физики сообща пишут новую Физику.DancingOnWater
26.07.2016 13:19Ох-е, сколько ошибок.
Кстати. Вот это «Без её удерживающей силы те и другие разлетелись бы из своих систем, согласно формул Ньютона, верных в околозвёздном пространстве.» тоже неверно.
imagus
25.07.2016 10:27Темная материя — нет. А темная энергия — это сумма энергий всех этих виртуальных частиц. «Увеличение вещества» в настоящее время не наблюдается.
GrigoryPek
25.07.2016 10:23Мне вот недавно пришла мысль: что если обычная материя является чем-то вроде дефекта чистой энергии вакуума? Скажем, узлами, в которых эта энергия находится в изменённом, специфическом состоянии и следствием чего является снижение потенциала энергии вакуума на величину, затраченную на формирование этих узлов. Самым наглядным проявлением этого пониженного потенциала является гравитация, которая лишь означает стягивание слабых мест-узлов вместе (по аналогии зон низкого давления в газах) под действием «недефектного» (высокого давления) вакуума.
nkie
Вот вы пишите о многих других теориях рождения вселенной кроме большого взрыва. Я слышал еще о циклически сжимающейся — разжимающейся вселенной. В принципе ее трудно отнести к отдельной теории, т.к. она не отменяет первоначального возникновения вселенной также из БВ. Не подскажите, какие еще есть теории?
Singerofthefall
Можете начать отсюда