Большой взрыв
Большой взрыв - это большая загадка для ученых. Сжатая в точку Вселенная начала стремительно расширяться. Сверхплотное вещество взорвалось и начало разлетаться в стороны. За доли секунды Вселенная увеличивалась в размере в триллионы раз.
В первые три минуты существования Вселенной возникли ядра химических элементов, водорода, лития и гелия, и темная материя, о природе которой пока ведутся научные дискуссии. Что было причиной Большого взрыва, пока неизвестно.
Расширяясь, вещество Вселенной остывало. Возникли сначала мельчайшие частички - атомы,- а потом и более крупные объекты. Миллиарды лет понадобилось, чтобы сформировались первые звезды. Примерно через 300 млн лет после Большого взрыва на просторах космоса возникли скопления звезд, галактики.
Многовековые наблюдения за небом позволили ученым выдвинуть гипотезу и придти к осознанию, что такое Большой взрыв.
«Биг бэнг»
Так звучит по-английски словосочетание «Большой Взрыв». Впервые этот термин использовал в одной из своих лекций выдающийся астроном и писатель Фред Хойл, обозначив им момент начала расширения Вселенной.
Зная скорости «разбегания» галактик, не так уж сложно определить момент, когда оно началось. По самым точным оценкам, это случилось примерно 13,73 млрд лет назад.
Именно тогда материя, из которой впоследствии возникли все объекты Вселенной, получила ту скорость, с которой она и сегодня продолжает разлетаться.
А до того вся материя находилась в чрезвычайно малом объеме и в таком состоянии, о котором современные физики могут только строить догадки. Ученые называют его сингулярностью - особым состоянием, для которого характерны бесконечно большая плотность и температура вещества.
Существование сингулярности было математически строго доказано еще в 1967 г. Стивеном Хокингом. Однако главная проблема в другом - никакие данные о том, что произошло после Большого Взрыва, не могут нам дать никакой информации о том, что происходило до этого.
От атома до галактики
Спустя всего несколько часов после того как закончилась первоначальная «суматоха» Большого Взрыва, уже существовали ядра гелия и других элементов - например, лития.
Затем около миллиона лет Вселенная продолжала просто расширяться и ничего существенного не происходило.
Наконец температура понизилась до нескольких тысяч градусов, энергия движения электронов и ядер стала недостаточной для того, чтобы преодолевать силу электромагнитного притяжения, и они начали объединяться в атомы.
Вселенная в целом продолжала бы расширяться и остывать, но в областях, где плотность была выше средней, расширение тормозилось гравитационным притяжением избыточного вещества.
Под действием этого притяжения расширение не просто тормозилось, а сменялось сжатием. По мере сжатия тяготение окружающего вещества придавало этим областям едва заметное вращение. Чем меньший объем занимало вещество, тем быстрее становилось вращение.
Наконец, когда размеры такой области становились достаточно небольшими, ее вращение ускорялось настолько, что могло уравновесить силы гравитации. Так образовались вращающиеся спиральные галактики.
Другие плотные области Вселенной, не получившие «толчка извне», превратились в эллиптические галактики. В таких областях гравитации противодействует обращение отдельных частей галактики вокруг ее центра, тогда как звездная система в целом не вращается.
Первоначальные галактики представляли собой скопления водородно-гелиевого газа, которые со временем стали распадаться на небольшие облака - глобулы.
Эти облака, в свою очередь, сжимались под действием собственного тяготения. При сжатии атомы в них сталкивались, и температура газа росла, пока не достигала величины, необходимой для начала реакций ядерного синтеза, похожих на управляемый взрыв термоядерной бомбы. Так рождалось первое поколение звезд.
Рождение пространства и времени
«Большой Взрыв» - всего лишь образное выражение, не описывающее истинную картину того, что произошло в момент возникновения Вселенной.
Взрыв в физическом смысле слова - это резкое повышение давления и температуры газа, распространяющееся в окружающей среде.
Ничего подобного взрыву уже существовавшей «глыбы» вещества в вакууме тогда не происходило. Прежде всего потому, что пространства вне Вселенной не существует.
Большой Взрыв следует рассматривать как такое событие, в результате которого возникло не только вещество, но и пространство.
Научная картина «сотворения мира» оказалась глубже той, что описана в Библии, так как она изображает не только сотворение материи, но и пространства и даже... времени.
Поэтому Большой Взрыв - это не грандиозное событие, которое произошло во Вселенной, это самозарождение Вселенной - целиком и буквально «из ничего».
Многие специалисты-космологи убеждены, что времени до Большого Взрыва не существовало, поэтому нет смысла говорить о том, что было «до того».
Один из главных уроков новой физики заключается в том, что пространство и время существуют не сами по себе, а составляют неотъемлемую часть физического мира. И если Большой Взрыв ознаменовал рождение физического мира, то пространство и время возникли как раз в момент Большого Взрыва.
Между прочим, идея отождествления момента рождения Вселенной с началом времени далеко не нова. Еще в 4 в. н. э. Святой Августин, крупнейший христианский философ и богослов, писал: «Мир сотворен с временем, но не во времени».
После сингулярности
Обычную физику невозможно использовать для описания состояния сингулярности. Описанию поддается лишь период, наступивший через 10-40 с после начала Большого Взрыва, когда средняя температура и плотность вещества начали постепенно снижаться и возникла гравитация.
В этот момент ранняя Вселенная представляла собой однородную среду с необычайно высокой плотностью энергии, температурой и давлением.
В результате дальнейшего расширения и охлаждения во Вселенной произошли явления, отдаленно напоминающие конденсацию жидкости из газа, однако речь идет не об атомах, которых еще не существовало, а о мельчайших элементарных частицах - кварках и глюонах, которые образовали нечто вроде раскаленной плазмы.
На следующем этапе кварки и глюоны объединились, образовав более крупные протоны и нейтроны. Одновременно происходило образование и вещества, и антивещества, которые взаимодействовали, превращаясь в излучение.
Дальнейшее снижение температуры Вселенной привело к образованию элементарных частиц в их современной форме. Затем наступила эпоха синтеза атомных ядер, при которой протоны, объединяясь с нейтронами, образовали ядра дейтерия и гелия.
Постепенно гравитация стала главной силой во Вселенной а через 380 тыс. лет после Большого Взрыва температура снизилась настолько, что стало возможным существование атомов водорода.
С этого момента материя стала прозрачной для излучения, которое, свободно распространяясь в пространстве, существует и сегодня в виде реликтового излучения.
До сих пор остается немало вопросов, на которые теория Большого Взрыва не дает ответа, однако ее основные положения подтверждаются экспериментальными данными.
Рождение материи
«Странное» инфляционное состояние очень неустойчиво и вскоре сменяется состоянием обычной горячей материи с положительным давлением.
Тут гравитация вступает в свои права, и «отталкивание» сменяется «притяжением». Это происходит потому, что за микроскопическую долю секунды Вселенная расширилась в миллион миллионов миллионов миллионов миллионов раз, и все неоднородности - вспомните надуваемый воздушный шарик! - просто «разгладились».
Через секунду после Большого Взрыва температура Вселенной упала приблизительно до 10 млрд градусов Цельсия - это в тысячу раз больше, чем в центре Солнца. В то время в ней присутствовали главным образом фотоны, электроны, нейтрино и их античастицы, а также значительно меньшее количество протонов и нейтронов.
Все эти частицы обладали настолько высокой энергией, что, сталкиваясь, порождали множество различных пар частица-античастица. Некоторые из таких вновь возникших частиц, сталкиваясь со своими близнецами-античастицами, взаимно уничтожались (аннигилировали), выделяя огромную энергию.
В конечном счете, большая часть электронов и позитронов аннигилировали друг с другом, произведя большое количество фотонов и оставив относительно мало электронов.
Приблизительно через 100 с после Большого Взрыва Вселенная остыла до одного миллиарда градусов - температуры недр самых горячих звезд. В этих условиях протоны и нейтроны начали сливаться, образуя ядра дейтерия (тяжелого водорода), которые содержат один протон и один нейтрон.
Продолжая присоединять протоны и нейтроны, ядра дейтерия могли превратиться в ядра гелия, состоящие из пары протонов и пары нейтронов. В общей сложности около четверти всех протонов и нейтронов объединились в ядра гелия, тогда как остальные протоны стали ядрами обычных атомов водорода.
Эйнштейн удивился
Конечно, пример с надувным шариком - всего лишь аналогия с реально существующим трехмерным пространством. Подобных областей нет во Вселенной. Однако и трехмерное пространство способно «растягиваться» - это вытекает из общей теории относительности Эйнштейна.
Решая уравнения, описывающие в самом общем виде поведение материи во Вселенной (задолго до открытий Э. Хаббла), сам создатель теории обнаружил, что Вселенная может оказаться нестабильной - постоянно меняющейся.
Удивившись и не поверив в такую возможность, Эйнштейн ввел в свои уравнения произвольный член, который как бы обеспечивал «устойчивость» мироздания - на бумаге, а не в действительности.
А русский астрофизик и математик А. Фридман спустя несколько лет получил решение без этой величины и пришел к выводу, что Вселенная просто обязана либо расширяться, либо сжиматься. Что и происходит на самом деле.
Однако хоть мы и видим, как далекие галактики «разбегаются», это вовсе не означает, что мы находимся в центре расширяющейся Вселенной; с тем же успехом любую точку на поверхности раздувающегося воздушного шара можно считать ее центром. Таким образом, Вселенная просто увеличивается в размере.
Где находится «точка взрыва»?
Для большей наглядности закон Хаббла можно пояснить следующим образом.
Когда-то давно Вселенная образовалась в результате Большого Взрыва. В момент взрыва различные частицы материи (осколки) получили различные скорости. Те из них, которые получили большие скорости, к настоящему моменту успели улететь дальше, чем те, которые получили меньшие скорости.
Если провести расчет, то окажется, что зависимость расстояния от скорости - линейная. Кроме того, эта зависимость одна и та же для всех точек пространства, то есть по наблюдениям за разлетающимися осколками невозможно обнаружить «точку взрыва»: с «точки зрения» каждого осколка, именно он находится в центре.
Однако следует помнить, что расширение Вселенной невозможно описать с помощью классической механики. Для этого и была создана теория относительности.
|