@ ИГОРЬ ПИВОВАР / IGOR PIVOVAR

О людях, идеях, неизбежном прогрессе и периодическом регрессе…

Главная » НАУКА » Что говорит Наука » Происхождение Вселенной

Происхождение Вселенной

Источник: punktum.ru

С точки зрения общепринятой научной теории, вначале не было ничего – ни материи, ни энергии, ни пространства, ни времени. 13,75 миллиардов лет назад пустота приходит в состояние так называемой космологической сингулярности – состояние которое характеризуется наличием бесконечных значений температуры и плотности в микроскопической точке, размером меньше атома. Затем начальное сингулярное состояние переходит в так называемый Большой взрыв. За доли секунды возникает Вселенная, состоящая первоначально исключительно из энергии. Появляются время и пространство, которое начало расширяться. По мере расширения Вселенной, температура падала, в результате чего чистая энергия превратилась в материю, появляются первые частицы материи, а затем и первые химические элементы — водород и гелий. Постепенно формировались галактики. Внутри галактик из водорода и гелия образовались первые звёзды (звёзды первого поколения), в которых происходила реакция ядерного синтеза, и водород превращался в гелий. Когда звёзды израсходовали свой запас горючего, они взорвались и превратились в сверхновые звёзды. Давление и температура в недрах звезды достигали колоссальных величин. Это создавало необходимые условия для синтеза тяжелых элементов. При взрывах звёзд первого поколения, новые химические элементы в виде звёздной пыли распространились по Вселенной. Из новых скоплений атомов образовались звезды второго поколения (в т.ч. Солнце). Облака рассеянных частиц, не вошедших в состав центральных звёзд, вращались вокруг них и постепенно разделялись на отдельные сгустки – будущие планеты (в т.ч. Земля). Примерно 4,6 млрд. назад сформировалось Солнце, 4,5 млрд лет назад образовалась планета Земля. Всё — Земля, люди, животные, растения — состоит из звёздной пыли.

* * *

Самое непостижимое в мире — то, что он всё-таки постижим.

Альберт Эйнштейн

Источник: shop.siudmak.fr

Вопрос происхождения и строения мира всегда волновал человечество. Согласно утверждениям большинства религий, Вселенную и Землю создал бог, примерно 6-7 тысяч лет назад. Земля представлялась либо плоской, стоящей на черепахах, слонах и т.д., либо полушарием, небо представлялось твердью, а Солнце, Луна и звёзды — простыми светилами.

В Древней Греции возникла геоцентрическая система мира (известна также как система Птоломея), согласно которой центральное положение во Вселенной занимает неподвижная Земля, вокруг которой вращаются Солнце, Луна, планеты и звёзды. Эта теория позже была принята христианскими церквями.

В XVII веке постепенно утвердилась гелиоцентрическая система мира, в соответствии с которой Солнце является центральным небесным телом, вокруг которого обращается Земля и другие планеты. Церковь не приняла данную систему, и преследовала её сторонников. В конце концов, после получения прямых доказательств вращения Земли вокруг Солнца, католические верхи приняли и эту систему (правда, только в 1992 году).

Что касается происхождения Земли и Вселенной, то теория божественного создания всё меньше и меньше воспринималась учёными и исследователями. В начале прошлого столетия большинство учёных считало, что Вселенная существовала всегда, она неподвижна (стационарна) и бесконечна. Подобной точки зрения придерживался, в частности, Альберт Эйнштейн, несмотря на то, что она противоречила его уравнениям и расчётам, из которых следовало, что у Вселенной было начало. Позже Эйнштейн признал, что это было его величайшей ошибкой.

Предлагались и другие теории строения и развития Вселенной. Так, российский и советский физик Александр Фридман, исследуя уравнения Эйнштейна, предложил теорию нестационарной Вселенной и предсказал расширение Вселенной.

Источник: kosmos-x.net.ru

В XX веке произошло одно из величайших открытий, которое подтвердило теорию Фридмана, коренным образом изменило представления о неподвижной Вселенной и потрясло основы космологии. Американский астроном Эдвин Хаббл, изучая свет галактик, замечает, что чем дальше находится галактика, тем больше её световые волны растягиваются и становятся более длинными и красными. Этот эффект называется красным смещением. Данное открытие означало, что галактики разбегаются друг от друга, что явилось одним из решающих факторов в объяснении происхождения Вселенной. Из утверждения, что галактики разбегаются, следовал вывод, что когда-то Вселенная была меньше и даже очень мала. Более того, существовал момент возникновения Вселенной. Открытие Хабблом расширяющейся Вселенной стало первым доказательством теории Большого взрыва (смотри далее).

Изучив уравнения Эйнштейна и исследования Хаббла, бельгийский священник и профессор физики Жорж Леметр объяснил наблюдаемое разбегание галактик расширением Вселенной. Он рассчитал, что если Вселенная расширяется сейчас, в прошлом она должна была иметь меньшие размеры. Была предложена идея возникновения Вселенной из первозданного атома («космического яйца»).

Позже, с помощью математики, Стивен Хокинг теоретически доказал, что Вселенная должна иметь начало.

После Второй мировой войны советский и американский физик Георгий Гамов (ученик Фридмана) выдвинул идею, что в начальной точке Вселенной могла быть чрезвычайно высокая температура. Гамов предположил, что начало Вселенной было похоже на взрыв атомной бомбы, который должен оставить излучение (британский астроном Фред Хойл, придерживавшийся идеи стационарной Вселенной, иронично назвал это явление Большим взрывом. Более точным определением данного феномена является «повсеместное расширение»). Поначалу эта теория не была воспринята научным сообществом. Однако Гамов оставил очень важное предсказание: след от высокотемпературного взрыва в виде микроволнового излучения (реликтовое излучение) должен существовать и сегодня. Необходимо было практическое доказательство этой теории.

И эти доказательства были представлены. В США двое учёных — Арно Пензиас и Роберт Уилсон (не зная о теории Большого взрыва и о предсказании Гамова), испытывая радиоприёмник для передачи микроволнового сигнала, выявили неизвестный источник шумов. Узнав о теории Большого взрыва, они поняли, что совершили грандиозное открытие. Учёные пришли к выводу, что источник стабильного фонового шума находится за пределами нашей Галактики, и это было микроволновое излучение частиц, образовавшихся на ранней стадии расширения Вселенной, предсказанное Гамовым. Теория Гамова о микроволновом излучении, которое возникло в момент возникновения Вселенной, была подтверждена. Излучение космического микроволнового фона стало очередным, и наиболее убедительным доказательством в пользу модели Большого взрыва. Теория статичной Вселенной была окончательно отброшена. Теория Большого взрыва была принята научным сообществом в качестве основной.

Источник: spaceexpansion.ucoz.ru

Теория Большого взрыва замечательно объясняла происхождение и эволюцию Вселенной. Но, оставалась ещё одна проблема. Необходимо было ответить на вопрос, что вызвало этот Большой взрыв. Американский физик Алан Гут предложил, что Вселенная расширялась со сверхсветовой скоростью, за доли секунды увеличиваясь в триллионы раз. Этот процесс он назвал космической инфляцией. В теории Гута начальное расширение Вселенной могло выть вызвано свойствами самой материи, которые резко отличаются от свойств обычной, знакомой нам материи. Предметы, имеющие в своей основе обычную материю, притягивают друг друга (это притяжение называется гравитацией). Но, неизвестная материя имела прямо противоположное свойство — предметы, созданные из неё отталкиваются. Если Вселенная в самом начале была наполнена такой самоотталкивающейся материей, это могло бы объяснить внезапное расширение Вселенной. Очень быстро эта материя распалась, в результате чего получилась обычная материя и высокотемпературное излучение.

Гипотеза космической инфляции, как и многие другие теории, поначалу казалась фантастикой, однако постепенно стала общепринятой. Эта гипотеза является одной из основ современной космологии, хотя никаких прямых её подтверждений долгое время не удаётся найти. Теория инфляции гласит, что при стремительном расширении Вселенной возникали гравитационные волны. Они беспрепятственно проносились по космосу, деформируя пространство-время, растягивая и сжимая его. Вселенную буквально «трясло» от гравитационных волн. Они оставили свой след и в раскаленном газе, заполнявшем мироздание, и в космическом фоновом излучении. Обнаружить гравитационные волны, возникшие сразу после Большого Взрыва, означает доказать, что Вселенная пережила тогда стадию инфляционного расширения и создать твёрдую основу для теории Большого взрыва. Поиск этих волн стал одной из главных задач современной космологии.

С этой целью, Международная коллаборация BICEP2 с помощью микроволнового телескопа, размещённого на Южном полюсе, на протяжении нескольких лет вела наблюдение за небольшим участком неба. Весной 2014 года был выявлен характерный узор — след инфляционного расширения. По этому узору удалось даже определить, когда начался процесс взрывного расширения. Как и предсказывали теоретики, прошла ничтожно малая доля времени с того момента, как мир был самосотворён – возник в результате Большого Взрыва. Казалось, что гравитационные волны были открыты, и важнейшая гипотеза космологии — идея инфляции — доказана. Однако, немного позже, результаты исследований BICEP2 были поставлены под сомнение другой командой учёных, работающей с космической обсерваторией Planck. В настоящее время обе группы учёных ведут совместный, ещё более аккуратный анализ и перерасчёт данных.

Возвращаясь к инфляционной модели, надо отметить, что она хорошо объясняет причины расширения Вселенной. Но, при этом возник очередной вопрос. Теория инфляции предполагает, что материя, наполняющая Вселенную, однородна и распространена в космосе равномерно, не образуя скоплений. Однако, как нам известно, Вселенная состоит из сгустков материи — галактик. Необходимо было выяснить механизм появления галактик на ранней стадии развития Вселенной.

Ответ на этот вопрос был найден. Стивен Хокинг и Гарри Гибсон предположили, что растущая Вселенная содержала участки с различными температурами, которые, по мере расширения Вселенной, остывали с различной скоростью. Благодаря этим температурным колебаниям и появились галактики. Данная теория отвечала на многие вопросы и могла быть одним из недостающих фрагментов в цепи, связывающей момент рождения Вселенной и мир, который мы видим сегодня.

Источник: wikipedia.org

Вскоре были получены доказательства правильности этой теории. С целью детального изучения космического микроволнового излучения, дошедшего до нас со времён рождения Вселенной, НАСА запустило зонд (WMAP), способный измерить космическое излучение подробнее, чем когда-либо раньше. Если температурные колебания, о которых ранее заявляли Хокинг и Гибсон, действительно имели место, они могли быть зафиксированы аппаратурой зонда. И они были зафиксированы. Зонд обнаружил сигнал, представляющий собой остаточное послесвечение горячей молодой Вселенной, когда космосу было всего 380 000 лет (позже Программа WMAP была включена в Книгу рекордов Гиннеса за «самое точное измерение возраста Вселенной». Программа установила, что космосу 13.75 миллиардов лет, с допустимой погрешностью всего в 1%). Были получены снимки, показывающие как выглядела Вселенная 13 млрд лет назад. На снимках видны следы микроволнового излучения, которое осталось после Большого взрыва. Видны также и температурные колебания, существование которых предполагалось ране. Их тип и размер точно такой, как предсказывала теория. И они образуют рисунок, который соответствует расположению галактик, который мы видим сегодня. Теория Хокинга и Гибсона получила подтверждение. Один из главнейших фрагментов многовековой головоломки занял свое место.

Однако остаётся, наверное, самый интересный вопрос – что же было до Большого взрыва? Ранее считалось, что в момент возникновения Вселенной существовали ныне неизвестные законы физики. Современная же наука, в частности квантовая механика, говорит, что момент возникновения Вселенной может быть описан уже известными законами физики. Предполагается, что Вселенная спонтанно самосоздалась из абсолютного ничего (этой точки зрения придерживаются, в частности, Стивен Хокинг и Лоуренс Краусс). Это может показаться абсурдным, но такое создание, в принципе, возможно. Современная наука допускает, что всё могло появиться из ничего – из вакуума. Вакуум, который ранее считали пустотой, по современным представлениям является своеобразным состоянием, способным при определенных условиях рождать разные формы материи. Квантовая механика допускает, что вакуум может приходить в возбужденное состояние, вследствие чего в нём образуется поле, а из него (что подтверждается современными физическими экспериментами) – вещество. Как утверждает Лоуренс Краусс, общее количество всех энергий во Вселенной равно нулю: гравитация может иметь негативную энергию, а негативную энергию гравитации балансирует позитивная энергия материи. Ноль общей энергии и квантовые флуктуации могут произвести Вселенную. Ноль – именно столько энергии необходимо для создания Вселенной! Стивен Хокинг заметил по этому поводу: «Говорят, бесплатных завтраков не бывает. Но Вселенная – самый большой бесплатный завтрак».

Существуют и другие гипотезы относительно того, что вызвало Большой взрыв. Однако саму теорию Большого взрыва мало кто отрицает. Данная теория является общепринятым объяснением происхождения нашей Вселенной. Она согласуется с имеющимися научными данными и периодически подтверждается новыми наблюдениями и исследованиями.

Таким образом, человек, с помощью научных методов познания, используя современные достижения науки и техники, раскрыл величайшую тайну Вселенной — её происхождение, смог заглянуть за миллиарды лет, отделяющие нас от момента возникновения всего окружающего, ощутить пульс живой и постоянно растущей Вселенной, осознать себя органичной частью этого огромнейшего мира. Загадка, над разрешением которой на протяжении тысячелетий бились лучшие умы человечества, оказалась вполне объяснимой, а её решение, как и всё гениальное, — достаточно простым (по крайней мере, как это кажется в наши дни).

∼

Смотри также:

Стивен Хокинг — Каково происхождение Вселенной