10 фактов о теории Большого взрыва
Если вы спросите ученого, с чего началась Вселенная, то вероятнее всего услышите о Большом взрыве. Да, наша Вселенная, полная звезд и галактик, которые разделены огромной пустотой, не всегда была такой.
Сначала она была горячей, плотной и однородной, заполненной материей и излучением — без всяких галактик, звезд и даже атомов, — а потом долго расширялась и остывала.
13,8 млрд лет назад того, что есть сейчас, не было и в помине, а выяснили мы это буквально за последние сто лет. Но даже при нынешнем обилии информации есть огромное количество нюансов, которые многие люди — и даже ученые — не совсем понимают.
Представляем 10 самых занимательных фактов о теории Большого взрыва.
В 1915 году общая теория относительности Эйнштейна перевернула представления о гравитации и стала продолжением теории Ньютона. Теория Эйнштейна предсказала:
орбитальное движение Меркурия с такой точностью, которой не могла позволить теория Ньютона;
гравитационное отклонение света, что было подтверждено в 1919 году;
существование гравитационных волн, которые были обнаружены всего несколько месяцев назад.
Но в то же время теория указывала, что Вселенная, заполненная материей и статичная, то есть не изменяющаяся с течением времени, была бы нестабильной.
Когда в 1927 году бельгийский священник и ученый Джордж Леметр выдвинул идею о том, что пространственно-временная структура Вселенной, которая раньше была более сжатой, плотной и однородной, может расширяться, Эйнштейн написал ему: «Vos calculs sont corrects, mais votre physique est abominable», что значит «ваши расчеты верны, но в физике вы ничего не смыслите».
2. Открытие Хабблом расширения Вселенной заставило ученых взглянуть на теорию Большого взрыва всерьез
Хотя задолго до Эйнштейна многие ученые считали, что спиральные туманности в небе — это далекие галактики, подобные нашей, лишь в 1920-е годы Эдвин Хаббл доказал, что это действительно так, и более того, чем дальше находится галактика, тем быстрее она удаляется от нас.
Это открытие — закон Хаббла, описывающий расширение Вселенной, — привело к очень простому выводу касательно теории Большого взрыва: если сейчас Вселенная расширяется, то когда-то она точно была меньше и плотнее!
3. Теория Большого взрыва появилась еще в 1922 году, но в течение многих лет ее никто не принимал всерьез
Советский физик Александр Фридман предложил эту концепцию еще в 1922 году, но тогда Эйнштейн его раскритиковал. Он осудил и работу Леметра в 1927 году, и даже после открытия Хаббла в 1929 году представление о том, что когда-то Вселенная была меньше, плотнее и однороднее, оставалось лишь причудливой идеей.
Однако Леметр пошел дальше и заявил, что красное смещение галактик можно объяснить как раз расширением пространства и что должен был быть некий «момент творения», который потом назвали «первичный атом» или «космическое яйцо».
4. К теории стали относиться серьезно в 1940-х, когда на ее основе удалось сделать ряд важных предсказаний
Джордж Гамов, американский ученый, принявший идеи Леметра, понял, что если Вселенная расширяется, значит, длина волны света со временем увеличивается, следовательно, Вселенная остывает. И если сейчас она остывает, то раньше была горячее.
Экстраполируя это изменение температуры в прошлое, он понял, что когда-то температура была слишком высокой для образования нейтральных атомов, а до того — даже для существования атомных ядер.
Затем, пока Вселенная расширялась и остывала, в ней должны были формироваться самые легкие элементы, и уже потом — первые нейтральные атомы. Если теория верна, в первые моменты существования Вселенная должна была представлять собой «первичный огненный шар».
Гамов предположил, что в космическом пространстве можно обнаружить следы этого состояния — холодное излучение с температурой всего на несколько градусов выше абсолютного нуля.
В 40-х, 50-х и даже 60-х годах XX века главной космологической моделью считалась теория стационарной Вселенной: к тому времени ядерная физика подтвердила, что большинство атомов появилось из умерших звезд, а не из этой ранней плотной горячей материи. В своем выступлении на BBC в 1949 году Хойл сказал:
«Была одна идея о том, что Вселенная возникла конечное время назад в результате одного-единственного мощного взрыва, и что наблюдаемое расширение является следствием этого взрыва. Как по мне, эта идея большого взрыва казалась совершенно неудовлетворительной еще до того, как тщательные проверки показали, что она ведет к серьезным противоречиям».
В 1964 году американские радиоастрономы Арно Пензиас и Роберт Вилсон работая с микроволновой рупорной антенной в лабораториях Белла, обнаружили в атмосфере источник шумового сигнала, который шел отовсюду разом.
Не опознав в нем реликтовое излучение Большого взрыва, они предположили, что дело в антенне и попытались устранить этот «шум». Когда стало ясно, что ничего не помогает, ученым пришлось забраться в саму антенну, где они обнаружили голубиные гнезда. Но даже когда голубиный помет был смыт, сигнал остался.
Стало ясно, что открытие подтверждает предсказания Гамова, и модель Большого взрыва стала основной научной концепцией происхождения Вселенной. Это делает Пензиаса и Вилсона единственными учеными-лауреатами Нобелевской премии, которым на пути к своему открытию пришлось убирать птичий помет.
7. Теория Большого взрыва позволяет нам проследить историю образования во Вселенной звезд, галактик и скалистых планет
Если Вселенная сначала была горячей, плотной и однородной, то при расширении она стала остывать, образовались атомные ядра и нейтральные атомы, а потом потребовалось огромное количество времени, чтобы гравитация сделала свое дело и притянула объекты друг к другу.
На то, чтобы образовались первые звезды, ушло 50−100 млн лет; на первые галактики — 150−250 млн; галактикам размером с Млечный Путь понадобились миллиарды лет, а для появления первых каменистых планет нескольким поколениям звезд пришлось возникнуть, израсходовать свое ядерное топливо и взорваться во вспышке сверхновой.
Возможно, не случайно именно сейчас, через 13,8 млрд лет после Большого взрыва, у нас есть возможность изучать Вселенную — ровно столько времени требуется, чтобы на скалистых мирах могла возникнуть жизнь!
8. Колебания реликтового излучения говорят о том, насколько однородной была структура Вселенной в начале Большого взрыва
Сейчас температура реликтового излучения равна всего 2,725 К, однако как видно на картинке ниже, величина отклонения совсем ничтожна — около 100 микрокельвинов. Тот факт, что реликтовое фоновое излучение имеет небольшие отклонения определенной величины, говорит о том, что Вселенная была равномерна в степени 1 к 30000, но именно отклонения дали начало формированию структур — звезд, галактик и т. д.— которые мы наблюдаем сегодня.
Заманчиво, конечно, пытаться проследить это горячее, плотное, расширяющееся пространство вплоть до момента сингулярности, как 89 лет назад это сделал Леметр.
Однако сегодня мы можем наблюдать ряд эффектов — возникших из-за флуктуаций в первичном огненном шаре — которые говорят о том, что сингулярности могло и не быть; модель космической инфляции предполагает, что вся наша Вселенная появилась из небольшой области пространства, которое существовало задолго до Большого взрыва, а затем начало расширяться с растущей скоростью.
Верна ли эта модель, пока неизвестно, но, так или иначе, наука все дальше и дальше продвигается назад во времени, и конца этому движению пока не видно.
Теория Большого взрыва рассказывает нам о соревновании между гравитацией, которая пыталась сжать обратно расширяющуюся Вселенную, и изначальным расширением, которое старалось растащить все части в стороны.
Но Большой взрыв сам по себе ничего не говорит о том, чем все закончится; для этого нам нужно узнать, из чего состоит вся Вселенная. Существование темной энергии обнаружили всего 18 лет назад, и тогда стало ясно, что расширение не просто победит, но самые удаленные галактики будут разлетаться от нас со все растущей скоростью.
Темная энергия не сулит нам ничего, кроме холода и одиночества. Но если в самом начале во Вселенной было хоть немногим больше материи или излучения, чем то, что мы наблюдаем сегодня, то судьба наша может сложиться совершенно иначе!
