Материал из РУВИКИ — свободной энциклопедии

Большой взрыв

Экспертиза РАН

Logo-ran.pngLogo-ran-black.png
Проводится экспертиза
Российской академией наук
Подробнее
Times2.svg

Экспертиза РАН

Arrow-Right.png
Logo-ran.png
Проводится экспертиза
Российской академией наук
Подробнее

Рецензированная статья

Рецензент:
Московский планетарий
Aprove.svg

Рецензированная статья

Arrow-Right.png
У этого термина существуют и другие значения, см. Большой взрыв (значения).
Запрос «Теория Большого взрыва» перенаправляется сюда; см. также другие значения.
Временная шкала метрического расширения пространства, где пространство, включая гипотетические ненаблюдаемые части Вселенной, каждый раз представлено круглыми сечениями. Слева резкое расширение происходит в эпоху инфляции, а в центре расширение ускоряется

Большо́й взрыв — общепринятая космологическая научная теория, описывающая раннее развитие Вселенной. Начало расширения Вселенной, вытекающее из уравнений общей теории относительности, подтверждается наблюдениями за участвующими в расширении Вселенной галактиками. Экстраполируя время назад, очевиден вывод о том, что Вселенная должна была быть либо очень маленькой, либо даже сгруппированной в одной точке — так называемой сингулярности[1][2].

Теорема Хокинга-Пенроуза показывает, что из уравнений общей теории относительности следует, что такая точка, породившая пространство и время, должна была существовать. Естественным следствием этого является то, что в прошлом Вселенная имела более высокую температуру и большую плотность. Термин «Большой взрыв» используется как в узком смысле для обозначения точки, с которой началось расширение Вселенной (закон Хаббла), так и в более общем — для преобладающей сегодня космологической концепции, объясняющей происхождение и эволюцию Вселенной[3].

Одним из следствий Большого взрыва является то, что условия в современной Вселенной отличаются от условий в прошлом или будущем. В соответствии с этой моделью Георгий Антонович Гамов в 1948 году предсказал, что должно существовать остаточное излучение (Реликтовое излучение), оставшееся от ранней горячей фазы Вселенной, которое должно иметь спектр абсолютного чёрного тела и исходить со всех сторон неба. Так называемое реликтовое излучение было обнаружено в 1960-х годах Пензиасом и Вильсоном и послужило подтверждением теории Большого взрыва в противовес её основной альтернативе — теории стационарного состояния[2].

Согласно теории Большого взрыва, произошедшего 13,7 млрд лет назад, Вселенная находится в бесконечно плотном состоянии с огромной температурой и давлением. Для первых 10−33 секунды существования Вселенной не существует удовлетворительной физической модели. Общая теория относительности предсказывает гравитационную сингулярность, в которой плотность становится бесконечной. Для разрешения этого парадокса необходима теория квантовой гравитации. Понимание этого периода в истории Вселенной относится к числу наиболее важных нерешенных проблем физики[2].

Термин «Большой взрыв» был введен британским космологом Фредом Хойлом в 1949 году на научной передаче радиостанции Би-би-си. Хойл не поддерживал теорию, и относился к ней скептически[4].

Предпосылки и история возникновения

В 1927 году бельгийский иезуит Жорж Леметр первым выдвинул гипотезу о том, что в начале Вселенной произошел «взрыв» «первобытного атома». До этого, в 1918 году, страсбургский астроном Карл Вильгельм Вурц измерил систематическое красное смещение некоторых туманностей и назвал его K-коррекцией. Он не осознавал ни космологических последствий, ни того, что эти туманности на самом деле являются галактиками за пределами Млечного Пути[5].

Общая теория относительности Альберта Эйнштейна, созданная в то время, не допускает статического решения — Вселенная должна либо расширяться, либо сжиматься. Сам Эйнштейн считал это следствие неправильным и пытался избежать его, добавив космологическую постоянную[6].

В 1929 году Эдвин Хаббл также описал наблюдения, подтверждающие теорию Леметра. Установив в 1913 году, что большинство спиральных туманностей, которые впоследствии были определены как галактики, удаляются от Земли, он объединил этот факт с измерениями расстояний, полученными при наблюдении цефеид в далеких галактиках, и пришел к выводу, что галактики удаляются друг от друга во всех направлениях со скоростью относительно Земли, прямо пропорциональной расстоянию между ними. Сегодня это явление известно как закон Хаббла[2].

В последующие годы наблюдения подтвердили идею о том, что Вселенная возникла из горячего плотного состояния. После открытия реликтового излучения в 1965 году эта теория считается наилучшей теорией происхождения и эволюции космоса. К концу 1960-х годов многие космологи полагали, что бесконечно плотная сингулярность в космологической модели Фридмана является математической идеализацией и что Вселенная до достижения этого состояния сжималась, а затем снова начала расширяться. Это теория пульсирующей Вселенной Ричарда Толмена. В 1960-х годах Роджер Пенроуз и Стивен Хокинг математически доказали несостоятельность этой идеи и то, что сингулярности являются необходимым элементом общей теории относительности. Это убедило большинство космологов в пользу теории Большого взрыва, согласно которой Вселенная возникла до начала конечного времени[2].

Практически все теоретические работы в космологии сегодня сводятся к расширению и детализации основной теории Большого взрыва. Большая часть современных работ направлена на понимание формирования галактик в контексте Большого взрыва, понимание времени самого Большого взрыва и согласование наблюдений с основной теорией[2].

Описание теории

На основе измерений расширения Вселенной, при наблюдении взрывов сверхновых типа Ia, спектральных измерений и анизотропии реликтового излучения был определён возраст Вселенной, равный 13,7 ± 0,2 млрд лет[7].

Ранняя Вселенная была заполнена однородно и изотропно с очень высокой плотностью энергии. Примерно через 10−33 секунды после планковской эпохи Вселенная экспоненциально расширяется в период, называемый космической инфляцией. После прекращения инфляции материальные элементы Вселенной находятся в виде кварк-глюонной плазмы, в которой составляющие её частицы движутся релятивистски. В результате неизвестного пока процесса — бариогенеза — возникает наблюдаемая асимметрия между материей и антиматерией. По мере увеличения размеров Вселенной температура уменьшается, что вызывает новые процессы нарушения симметрии, которые проявляются через известные физические силы и элементарные частицы, а впоследствии позволяют образовать атомы водорода и гелия в процессе, называемом первичным нуклеосинтезом. По мере расширения Вселенной средняя кинетическая энергия электронов становится недостаточной для того, чтобы они могли оставаться в свободном состоянии, и они захватываются протонами, в результате чего Вселенная становится состоящей в основном из связанных атомов, то есть нейтральной. Это явление, происходящее через 300 тыс. лет после Большого взрыва, называется рекомбинацией, и именно фотоны, испускаемые этими электронами при захвате их атомами в этот момент, составляют так называемое «реликтовое излучение». Средний свободный пробег фотонов в нейтральной Вселенной становится очень большим, то есть Вселенная становится прозрачной. Поэтому мы видим реликтовое излучение, но не видим фотонов из предыдущего горячего состояния Вселенной, так как они были поглощены ионизированным веществом[7][8].

Со временем несколько более плотные области почти равномерно распределенного вещества гравитационно перерастают в ещё более плотные области, образуя газовые облака, звезды, галактики и другие наблюдаемые сегодня астрономические объекты. Детали этого процесса зависят от количества и типа материи во Вселенной. Возможны три типа материи: холодная темная материя, горячая темная материя и барионная материя Лучшие из имеющихся измерений, полученные с помощью аппарата WMAP, показывают, что преобладающей формой материи во Вселенной является холодная темная материя. Два других типа материи составляют менее 20 % от общего количества[8].

В настоящее время во Вселенной, по-видимому, преобладает неизученная форма энергии, известная как темная энергия. Примерно 70 % от общей плотности энергии современной Вселенной приходится на эту форму. Эта составляющая Вселенной приводит к тому, что расширение Вселенной отклоняется от линейной зависимости скорости от расстояния, в результате чего на больших расстояниях космическое пространство расширяется быстрее, чем ожидается. Темная энергия принимает форму космологической постоянной в полевых уравнениях Эйнштейна, однако её связь со стандартной моделью физики частиц продолжает оставаться предметом теоретических и экспериментальных исследований[8].

Теоретические основания

В своем нынешнем виде теория Большого взрыва исходит из трех предпосылок: универсальности физических законов, космологического принципа и принципа Коперника[9].

При зарождении теории эти идеи принимались просто как постулаты, но сегодня предпринимаются попытки проверить каждую из них. В результате этих исследований было установлено, что максимальное отклонение физических констант за всю историю существования Вселенной не превышает порядка 10−5. Изотропия Вселенной, определяющая космологический принцип, измерена с точностью до 10−5, а однородность на самых больших масштабах — с точностью до 10 %. Были предприняты попытки измерить принцип Коперника путем наблюдения взаимодействия скоплений галактик и реликтового излучения через эффект Суняева—Зельдовича с точностью до 1 %[9].

Физические основания

Сегодня считается, что теория Большого взрыва опирается на три наблюдательных столпа. Это расширение Вселенной, наблюдаемое по красным смещениям галактик, детальные измерения реликтового излучения и обилие легких элементов. Наблюдения далеких галактик и квазаров показывают, что эти объекты имеют красное смещение, то есть излучаемый ими свет смещен в сторону больших длин волн. Это видно при сравнении спектров объектов с линиями излучения или поглощения, соответствующими атомам элементов при нормальных условиях. Из этого анализа можно определить величину красного смещения, которое объясняется эффектом Доплера[10].

С самого начала теория Большого взрыва предсказывала реликтовое излучение. Когда ранняя Вселенная охлаждалась по мере своего расширения, её температура упала ниже 3000 К. Выше этой температуры электроны и протоны разделяются, делая Вселенную непрозрачной для света. Ниже 3000 К образуются атомы, что позволяет свету свободно проходить через Вселенную. Это излучение беспрепятственно проходит через всю жизнь Вселенной, приобретая красное смещение вследствие расширения Хаббла. Оно наблюдается в каждой точке Вселенной как приходящее со всех направлений космоса[11].

В 1964 году Арно Пензиас и Роберт Вудро Вильсон, проводя серию диагностических наблюдений с помощью нового микроволнового приемника Bell Laboratories, обнаружили реликтовое излучение. Их открытие стало важным подтверждением предсказаний гипотезы Большого взрыва и привело к её широкому признанию в научных кругах[12].

Детали распределения галактик и квазаров являются одновременно и ограничением, и подтверждением современной теории. Конечный возраст Вселенной тесно связывает эволюцию галактик с космологией. Оказывается, что типы и распределение галактик существенно меняются со временем, эволюционируя в соответствии с уравнением Больцмана. Наблюдения показывают зависимость от времени распределения галактик и квазаров, звездообразования, а также типа и размеров крупномасштабных структур Вселенной. Эти наблюдения статистически согласуются с моделированием процессов. Они хорошо объясняются теорией Большого взрыва и помогают уточнить параметры модели[13].

Критика теории

Со временем в теории Большого взрыва возник ряд проблем. Сегодня некоторые из них представляют лишь исторический интерес и были устранены либо путем модификации теории, либо в результате более точных наблюдений. Другие проблемы, например, проблема дефицита карликовых галактик, не считаются фатальными, поскольку могут быть решены путем усовершенствования теории. Некоторые противники Большого взрыва указывают на эти проблемы как на фрагментарные модификации и исправления теории[8].

Чаще всего нападкам подвергаются те части стандартной космологии, которые связаны с темной материей, темной энергией и космической инфляцией. Они хорошо подтверждаются наблюдениями реликтового излучения, крупномасштабной структуры и сверхновых типа Ia, но остаются на переднем крае физических исследований. До сих пор нет единого мнения о природе темной энергии и инфляции. Хотя их гравитационные эффекты были объяснены наблюдательно и теоретически, они пока не нашли общепринятого отражения в стандартной модели физики частиц[8][14].

Примечания

  1. ↑ Антон Поздняков. Теория большого взрыва. theoryandpractice.ru. Дата обращения: 21 сентября 2023.
  2. ↑ 1 2 3 4 5 6 В. Березин, В. Докучаев, Ю. Ерошенко. Космология вечером у камина. — М.: ЛитРес, 2022. — ISBN 9785044645073.
  3. ↑ Стивен Хокинг. Теория всего. От сингулярности до бесконечности: происхождение и судьба Вселенной. — М.: АСТ, 2017. — ISBN 9785040925285.
  4. ↑ Сурдин, Владимир Георгиевич. Большой взрыв сэра Фреда Хойла. elementy.ru (2015). Дата обращения: 21 сентября 2023.
  5. ↑ Алексей Понятов. Эволюция вселенной и открытие первой экзопланеты. Наука и жизнь (2019). Дата обращения: 21 сентября 2023.
  6. ↑ Космологическая постоянная. elementy.ru. Дата обращения: 21 сентября 2023.
  7. ↑ 1 2 Вайнберг, Стивен. Первые три минуты. — М.: АСТ, 2020. — ISBN 9785042362576.
  8. ↑ 1 2 3 4 5 Каку, Митио. Физика невозможного. — Альпина Паблишер, 2008. — ISBN 9785961427011.
  9. ↑ 1 2 Лебедев С. А. Основные концепции вселенной и их философские обоснования // Вестник Московского государственного областного университета : Журанл. — 2022. — С. 49—59. — ISSN 2072-8530. — doi:10.18384/2310-7227-2022-2-49-60.
  10. ↑ Сергей Рубин. Мир, рожденный из "ничего" Научный взгляд на сотворение мира. galspace.spb.ru. Дата обращения: 21 сентября 2023.
  11. ↑ Закон Хаббла. elementy.ru. Дата обращения: 21 сентября 2023.
  12. ↑ Дмитрий Скулачёв. Они были первыми. Наука и жизнь (2009). Дата обращения: 21 сентября 2023.
  13. ↑ Распределение галактик в пространстве. Структура и эволюция Вселенной. ГАИШ. Дата обращения: 21 сентября 2023.
  14. ↑ Антонов А.А. Феномен тёмного простарнства // Sciences of Europe : Журнал. — 2020. — № 60. — С. 30—45.

Литература

Ссылки

Источник — https://ru.ruwiki.ru/w/index.php?title=Большой_взрыв&oldid=1205821631