Эволюция Вселенной — как появился и развивался наш мир

О Теории Большого взрыва (ТБЗ)

Этот термин вошёл в обиход в середине 20-го века, а сама концепция выстроена на основе работ ряда учёных: Альберт Энштейн, Виллем де Ситтер, Александр Фридман, Герман Вейл, Жорж Леметр, Эдвин Хаббл и др.

Согласно теории, вся материя во Вселенной возникла за доли секунды примерно 13,8 миллиарда лет назад. Предположительно, до этого всё было сжато в крошечном объёме с бесконечной плотностью и запредельной температурой. Такое состояние называют сингулярностью. В какой-то момент из сингулярности Вселенная стала стремительно расширяться и запустились процессы, которые привели к текущему виду нашего мира.

Именно происходящее после Большого взрыва и рассматривает ТБЗ. Подробнее о ней мы писали в недавней статье, где кратко рассмотрели эволюцию Вселенной в первые мгновения её существования.

Что такое Теория большого взрыва

Уже уходите?

2. Индуистская космология

Религия и наука были лучшими врагами, по крайней мере со времен Коперника и Галилея. Возможно, нет места науке, когда мы говорим о религии и наоборот. Однако есть одна религия, космологические верования которой хорошо согласуются с современной моделью Вселенной.

Теории творения в индуистской мифологии широко рассматриваются как одна из самых древних и значимых из всех других религиозных аналогий. На протяжении многих лет выдающиеся физики и космологи, включая Карла Сагана и Нильса Бора, восхищались индуистскими космологическими верованиями за их близкое сходство с временными линиями в стандартной космологической модели Вселенной.

Согласно индуистской мифологии, Вселенная следует бесконечной циклической модели. Это означает, что на смену нашей нынешней Вселенной придет бесконечное количество вселенных. Каждая повторение Вселенной делится на две фазы — «калпа» (или день Брахмы) и «пралая» (ночь Брахмы), и каждая из них длится 4,32 миллиарда лет. Согласно индуистской мифологии, возраст Вселенной (8,64 миллиарда лет) превышает расчетный возраст Солнечной системы.

Гипотезы происхождения Вселенной

Изображение религиозной теории создания Вселенной

Помимо Большого взрыва существует масса теорий появления Вселенной. Вот наиболее интересные:

• религиозная уверяет, что все вокруг создал Бог, в каждой вере процесс творения Вселенной описывается по разному;
• стационарная говорит, что Вселенная не меняется в размерах и была всегда;
• циклическая – космос находится в непрерывном цикле, рождаясь и уничтожаясь бесконечное количество раз;
• космологическая утверждает, что Вселенная бесконечна;
• теория струн гласит, что внутри уже имеющейся вселенной может образоваться новая за счет квантовых колебаний и достаточного количества энергии.

Несмотря на большое количество теорий, объясняющих происхождение Вселенной, ученые отдают предпочтение Большому взрыву. Эта гипотеза поясняет образование веществ и материи и содержит в себе гораздо меньше белых пятен. Из-за этого ученым легче с ней работать и делать логические заключения.

Интересный факт: у Эйнштейна тоже была собственная теория о происхождении Вселенной, которая строилась на том, что она конечна. Однако это шло вразрез с теорией относительности, одним из авторов которой также был Эйнштейн.

Реионизация

Но примерно через 150 миллионов лет после Большого взрыва что-то начинает происходить. Гравитационный коллапс приводит к образованию квазаров. Это событие, в свою очередь, реионизирует окружающую Вселенную. Этот период длится примерно один миллиард лет. И это создает условия для формирования звезд и галактик.

3. Теория медленного замораживания

Десятилетия математического моделирования и исследований привели космологов к обоснованному выводу, что наша Вселенная возникла из одной точки с бесконечной плотностью и температурой, называемой сингулярностью. Последующее расширение Космоса позволило ему остыть, что привело к образованию галактик, звезд и других астрономических объектов.
Однако, как мы знаем, стандартная модель Большого взрыва не осталась незамеченной, и одна из таких сложных теорий была предложена Кристофом Веттерихом, профессором Гейдельбергского университета в Германии.

Веттерих утверждал, что Вселенная, которую мы знаем сегодня, на самом деле могла начаться как холодная и разреженная, пробудившаяся от долгого замораживания. Со временем фундаментальные частицы в ранней Вселенной стали тяжелее, а гравитационная постоянная уменьшилась.

Кроме того, он объяснил, что если массы частиц увеличиваются, излучение из ранней Вселенной может заставить пространство казаться более горячим и удаляться друг от друга, даже если это не так.

Основная идея космической модели Медленного Замораживания Веттериха состоит в том, что у Вселенной нет ни начала, ни будущего. Вместо горячего Большого взрыва теория защищает холодную и медленно эволюционирующую Вселенную. Согласно Веттериху, теория объясняет флуктуации плотности в ранней Вселенной (первичные флуктуации) и то, почему в нашем нынешнем космосе преобладает темная энергия.

Тайны сингулярности

Сингулярность мало кто может объяснить человеческим языком.

Также известная как планковская эпоха (или планковская эра) принимается за самый ранний из известных периодов эволюции Вселенной. В это время вся материя содержалась в единственной точке бесконечной плотности и температуры. Во время этого периода, как считают ученые, квантовые эффекты гравитационного взаимодействия доминировали над физическим, и ни одна из физических сил не была равна по силе гравитации.

Ученые обнаружили неизвестный источник гравитационных волн

Планковская эра предположительно длилась от 0 до 10-43 секунды и названа она так потому, что измерить ее продолжительность можно только планковским временем. Ввиду экстремальных температур и бесконечной плотности материи состояние Вселенной в этот период времени было крайне нестабильным. После этого произошли периоды расширения и охлаждения, которые привели к возникновению фундаментальных сил физики.

Приблизительно в период с 10-43 до 10-36 секунды во Вселенной происходил процесс столкновения состояний переходных температур. Считается, что именно в этот момент фундаментальные силы, которые управляют нынешней Вселенной, начали отделяться друг от друга. Первым шагом этого отделения явилось появление гравитационных сил, сильных и слабых ядерных взаимодействий и электромагнетизма.

В период примерно с 10-36 до 10-32 секунды после Большого взрыва температура Вселенной стала достаточно низкой (1028 К), что привело к разделению электромагнитных сил (сильное взаимодействие) и слабого ядерного взаимодействия (слабого взаимодействия).

5. Мираж четырехмерной черной дыры

Исследование, проведенное группой исследователей в 2013 году, предположило, что наша Вселенная могла возникнуть из обломков, выброшенных из коллапсировавшей четырехмерной звезды или черной дыры.

По мнению космологов, участвовавших в исследовании, одно из ограничений теории Большого взрыва — объяснение температурного равновесия, обнаруженного во Вселенной.

Хотя большинство ученых согласны с тем, что инфляционная теория дает адекватное объяснение того, как маленький участок с однородной температурой быстро расширится и превратится во Вселенную, которую мы наблюдаем сегодня, группа сочла это неправдоподобным в силу хаотичной природы Большого взрыва.

Для решения этой проблемы команда предложила модель космоса, в которой наша трехмерная Вселенная является мембраной и плавает внутри четырехмерной «объемной вселенной». Они утверждали, что если в четырехмерной «объемной вселенной» есть четырехмерные звезды, то, скорее всего, они обрушатся в четырехмерные черные дыры. Эти четырехмерные черные дыры будут иметь трехмерный горизонт событий (точно так же, как трехмерные имеют двухмерный горизонт событий), который они назвали «гиперсферой».

Когда команда смоделировала коллапс 4-D звезды, они обнаружили, что выброшенные обломки умирающей звезды, скорее всего, образуют 3-D мембрану вокруг этого 3-мерного горизонта событий. Наша Вселенная могла бы быть одной из таких мембран.

Модель «четырехмерной черной дыры» космоса действительно объясняет, почему температура во Вселенной почти равномерна. Она также может дать ценную информацию о том, что именно спровоцировало космическую инфляцию через несколько секунд после ее возникновения. Однако недавнее наблюдение, проведенное спутником Planck ЕКА, выявило небольшие вариации температуры космического микроволнового фона (CMB). Эти спутниковые показания отличаются от предложенной модели примерно на четыре процента.

Воздушный шарик

Все изменилось в первой половине ХХ  века, когда американский астроном Хаббл, обнаружил удивительное явление. Далекие галактики удаляются от нас. Далее было обнаружено, что чем дальше находится от нас галактика, тем стремительнее она улетает. Это был какой-то воистину вселенский парадокс. Был. Пока замечательный американский физик российского происхождения Георгий Гамов не дал ему удивительно простое, понятное любому школьнику объяснение. Он сказал. Давайте представим себе воздушный шарик, который надувается так, что его радиус растет с постоянной скоростью. И давайте нарисуем несколько точек на поверхности этого шарика. Если какие-то две точки находятся рядом друг с другом, то по мере надувания шарика расстояние между ними будет расти, но медленно. А вот если они далеко друг от друга, то расстояние между ними, по мере надувания шарика, будет расти быстрее. Представьте себе эту картину – и все станет понятно.

Так вот, заключил Гамов, все дело в том, что наша Вселенная расширяется, как тот воздушный шарик. Поэтому, чем дальше от нас находится галактика (точка на воображаемом шарике), тем быстрее она удаляется.

Но если Вселенная расширяется, значит, у нее было какое-то начало. Какая-то точка, из которой все и произошло. Так что же это было за начало? Как эволюционировала наша Вселенная? Что с ней будет потом? Из этих трех вопросов вразумительный ответ сейчас есть только на второй. По первому вопросу и по третьему есть разные мнения. Но пока они ничем не подтверждены. Поэтому и пересказывать их мы не будем.

Ответом на второй вопрос и является «Теория Большого Взрыва», которая сегодня является общепринятой в научном мире и постоянно подтверждается все новыми наблюдаемыми явлениями.

Эпоха Великого Объединения

Наверное немного неправильно называть подобные периоды «эпохами». Так как например эта длилась всего одну шестую секунды. Но в течение этого крохотного отрезка времени во все еще микроскопической Вселенной произошло одно очень важное событие. Сила тяжести отделилась от трех других фундаментальных сил.

Имеющая изначально невероятную температуру Вселенная начала остывать. И это способствовало появлению элементарных частиц и античастиц.

Кроме того, в конце этой короткой эпохи сильная ядерная сила также отделилась от остальных. И это предвещало начало следующей эпохи.

Советуем почитать  Проксима Центавра b. Новая Земля ждет!

Сколько вселенной лет?

Эдвин Хаббл, прекрасно понимая, что пространство вокруг расширяется, вычислил константу, характеризующую скорость этого процесса. В 1958 году ученый Сэндидж использовал эту величину в своих расчетах и установил, что Вселенной должно быть примерно 20 миллиардов лет.

Позже астрономы открыли реликтовое излучение – свет от Большого взрыва, который до сих пор заметен на границах пространства. Это помогло выявить более точные размеры космоса. На основе полученных данных ученые смогли подсчитать примерный возраст Вселенной. Он оказался равен 13,824 млрд. лет.

«Теория Большого Взрыва» и сотворение мира

Вот мы и насчитали 5 стадий эволюции Вселенной, а могли бы насчитать и больше. Если бы прибавили время превращения этого первоначального Homo sapiens в действительно разумного человека. Получилось бы шесть. Вот все и сложилось, ведь как сказано в Библии, на седьмой день Господь отдыхал.

В апреле в ходе литургии в храме Христа спасителя в Вербное воскресенье патриарх Московский и всея Руси Кирилл, заявил о том, что зарождение Вселенной надо воспринимать, как божественный акт творения. «Никогда не опишут всего нынешние многие ученые, горделиво считающие себя теми, кто познал тайны бытия и не нашел в них Бога», – заявил предстоятель Русской православной церкви.  По мнению патриарха, познания науки о Вселенной «ничтожно малы» и дальнейшие изыскания ученых «позволят познать лишь незначительную часть божественной тайны». Предстоятель РПЦ полагает, что ученые склонны усложнять. «Ведь проще всего было бы сказать — ну, божественный акт творения! Но язык не поворачивается у тех, которые считают, что разумом можно все объяснить и таким образом вытеснить Бога из человеческого сознания», – заявил Кирилл.

Что сподобило Патриарха на эти заявления, сказать сложно. Можно отметить только то, что здесь он не был оригинален. Католическая церковь уже несколько лет назад говорила, что «Теория Большого Взрыва» подтверждает библейскую историю сотворения мира. То, что не за семь дней, а за миллиарды лет – это детали. Жившим пару тысяч лет назад необразованным людям, объяснить же было невозможно, что такое миллиарды лет, а семь дней – это понятно. На руках и то – всего десять пальцев, а тут всего семь.

Эволюция Вселенной по ТБЗ, если кратко

Учёные знают, что сейчас пространство расширяется, а значит расстояние между всеми объектами в космосе постепенно увеличивается. Можно мысленно прокрутить время обратно, предположив, что в определённый момент всё было сосредоточенно в одной точке, из которой началось это расширение.

Теория предполагает, что только после начала расширения, Вселенная достаточно остыла, чтобы могли образовываться субатомные частицы, а за тем и атомы. Позже космические облака этих первичных элементов объединились под действием силы тяжести, чтобы сформировать звёзды и галактики.

Всё это началось примерно 13,8 миллиарда лет назад, откуда и отсчитывается возраст Вселенной.

Дальнейшая эволюция Вселенной моделировалась на основе следующих методов:

• Теоретические исследования.
• Эксперименты с использованием ускорителей частиц.
• Изучение высокоэнергетических состояний.
• Астрономические исследования глубокой Вселенной.

Но самые ранние времена Вселенной — примерно до 10-32 секунды после Большого взрыва — являются предметом обширных спекуляций. Всё из-за того, что в тот момент ещё не действовали законы физики, которые существуют сегодня, поэтому все заключения здесь основаны на теории.

1. Сингулярность и Планковская эпоха

Изначально вся материя была сконденсирована в одной точке бесконечной плотности и чрезвычайно высокой температуры. Считается, что в этот период квантовые эффекты гравитации доминировали над физическими взаимодействиями, и никакие другие силы не могли с ними сравниться.

В какой-то момент Вселенная выходит из сингулярного состояния, и учёные уже могут предположить конкретные показатели её энергии, плотности и температуры. Этот период отсчитывается от 0 до 10-43 секунд и измеряется в планковском времени. Состояние Вселенной было крайне нестабильным — она была очень горячей и плотной, что привело к дальнейшему стремительному расширению и охлаждению.

2. Великое объединение

Примерно с 10-43 до 10-36 секунд Вселенная начала пересекать переходные температуры. Считается, что именно в этот период фундаментальные силы начали отделяться друг от друга. Первым шагом в этом стало отделение гравитации от сил, которые объясняют сильные и слабые ядерные взаимодействия, а также электромагнетизм — последние 3 всё ещё оставались объединены в одну силу.

Начали формироваться текущие законы Вселенной.

3. Инфляция

С 10-36 до 10-32 секунд после Большого взрыва температура Вселенной была достаточно низкой (от 10 27 К до 10 22 К), чтобы электромагнетизм отделился от сил ядерных взаимодействий.

Большинство космологических моделей предполагают, что Вселенная в этот момент была однородно заполнена энергией чрезвычайно высокой плотности, что привело к следующему стремительнейшему этапу расширения и охлаждения.

Считается, что в инфляционный период объём Вселенной увеличился минимум в 1078 раз.

Одновременно, начиная с 10-37 секунды, происходил ещё один процесс — бариогенез. Температуры были настолько высоки, что случайные частицы двигались со скоростью, сравнимой со световой. Когда частицы и античастицы сталкивались, они аннигилировали друг друга (поглощали), что в итоге привело к преобладанию материи над антиматерией в современной Вселенной.

4. Эпоха электрослабых взаимодействий

По мере того, как плотность и температура Вселенной продолжали уменьшаться, на каждую частицу приходилось меньше энергии, и фазовые переходы продолжались до тех пор, пока фундаментальные физические силы и элементарные частицы не приняли известное нам состояние. С этого момента эволюцию Вселенной можно проследить не только теоретически, но и экспериментально.

С 10-32 до 10-11 секунды за счёт высокоэнергетической среды начали появляться экзотические частицы по типу бозона Хиггса, Вселенная заполнена кварк-глюонной плазмой.

5. Эпоха кварков

С 10-12 до 10-6 секунды окончательно разделились фундаментальные силы гравитационного, электромагнитного, сильного и слабого ядерных взаимодействий. Однако высокая температура и энергия ещё не позволяет кваркам группироваться в адроны.

6. Эпоха адронов

С 10-6 до 1-ю секунду. Кварк-глюонная плазма, заполняющая Вселенную, достаточно охладилась, чтобы образовывались первые адроны, включая нейтроны и протоны.

Как выглядит Вселенная

7. Эпоха лептонов

С 1-ой по 10-ю секунду размер наблюдаемой Вселенной составляет не больше 100 астрономических единиц. В этот период преобладают пары лептонов и антилептонов, но в итоге температура понижается, и эти частицы больше не образуются, а пары аннигилируют друг друга. В итоге остаётся только небольшой объём лептонов.

В это же время нейтрино начинают свободное движение в пространстве, и теоретически первичный нейтринный фон можно наблюдать и сегодня, но пока его зарегистрировать не удалось.

8. Нуклеосинтез

Через несколько минут после расширения температура упала до 1 миллиарда K, плотность энергии стала эквивалентна плотности воздуха, нейтроны и протоны начали объединяться, образуя первые во Вселенной атомы дейтерия (стабильного изотопа водорода) и гелия. Однако большая часть протонов Вселенной осталась несвязанной в виде ядер водорода.

9. Эпоха излучения

Спустя 70 000 лет вещество начинает доминировать над излучением, а к концу этой эпохи (379 000 лет), после рекомбинации водорода, тепловое излучение Вселенной становится прозрачным для фотонов.

10. Первичная рекомбинация

379 000 лет после Большого Взрыва. Вселенная остыла до 3000 K, и электроны смогли соединяться с протонами и альфа-частицами — начали активно образовываться атомы.

Теперь из плазматического состояния материя перешла в газообразное. Газ прозрачен для большей части электромагнитного излучения, и тепловое излучение той эпохи доступно для наблюдения сегодня (реликтовое излучение).

11. Тёмные века

На промежутке 380 тыс. – 550 млн лет Вселенная была заполнена водородом, гелием и различными видами излучения, однако источники света ещё не появились.

12. Эпоха структурирования

В течение последующих нескольких миллиардов лет чуть более плотные области вещества начали притягиваться друг к другу из-за гравитации. Так они становились ещё плотнее, образуя газовые облака, звёзды, галактики и другие астрономические структуры, которые мы регулярно наблюдаем сегодня.

Именно в это время начала формироваться современная Вселенная. Она состоит из видимой материи, распределенной в структуры различных размеров: от звёзд и планет до галактик, галактических скоплений и сверхскоплений.

Формирование звёздной системы

Доказательства, что Вселенная имеет возраст

Эдвин Хаббл поставил финальную точку в спорах, доказав наличие границ у Вселенной и их увеличение

Если верить теории Большого взрыва, то отсчет жизни Вселенной начинается в ту секунду, когда сжатая до микроскопических размеров сингулярность моментально расширилась. Со временем это пространство заполнили галактики и постепенно приняли тот вид, который люди наблюдают из телескопов.

Интересно:  Встречаются ли звезды в межгалактическом пространстве?

Вселенная проделала долгий путь, на который ушли даже не миллионы, а миллиарды лет. Впервые о том, что у нее есть возраст, люди начали задумываться примерно в XVIII веке. Когда Земля была достаточно изучена, они обратили внимание к звездам и начали стремиться узнать как можно больше о них.

Средневековая модель Вселенной

Изначально полагалось, что Вселенная бесконечна и не имеет возраста, являясь вечной. Но открытие законов термодинамики как минимум опровергло отсутствие возраста. Согласно им, тепло от горячих объектов переходит к более холодным, пока между ними не установится температурное равновесие. И если бы Вселенная существовала вечно, планеты, звезды и другие космические тела были бы одной температуры. Благодаря таким умозаключениям ученые того времени установили, что пространство вокруг имеет определенный возраст.

Интересный факт: ученые не исключают наличие в космосе областей, где объекты имеют одну температуру. Но они должны состоять из одинаковых материалов.

Доказать наличие возраста у Вселенной иным способом удалось в XX веке. Астроном Леметр выдвинул гипотезу, что пространство вокруг не бесконечно, имеет границы и постоянно увеличивается. Эдвин Хаббл поддержал его, поскольку заметил, что соседние галактики постепенно отдаляются от Млечного Пути. И если перемещаться назад во времени, можно оказаться во мгновении, когда размеры Вселенной были минимальными и еще не начали расти. Именно в этот момент и произошло ее рождение, соответственно она имеет возраст.

Структура и форма Вселенной

Возможные формы Вселенной

Утверждение того, что реликтовое излучение находится на самом краю Вселенной, довольно спорное. Доказано, что пространство расширяется быстрее скорости света, поэтому реальные края космоса уходят дальше мест, куда успела добраться световая энергия от Большого взрыва. По предварительным оценкам, сейчас размер Вселенной составляет примерно 91 миллиард световых лет, и это число постоянно растет.

Ученые со всего мира пытаются определить точную структуру пространства вокруг. Совершенно ясно, что космос состоит из галактик, между которыми находится пустота, пылевые облака, скопления астероидов и прочие объекты. Однако какую он имеет форму и структуру?

Пространство в четырех измерениях

Вселенная подвластна четырем измерениям: координатам XYZ и времени. На основе этого ученые составили три варианта структур, которым может подчиняться пространство вокруг:

• Открытая по форме похожа на седло и не имеет границ, такая структура не может растягиваться в пространстве бесконечно и должна обязательно остановиться;
• Плоская представляет собой квадрат, который может увеличиваться бесконечно;
• Закрытая похожа на замкнутую сферу, которая не может расти бесконечно, однако исследователи отмечают, что это может произойти через “неограниченное” количество времени.

Ученые пока не решили, какая структура Вселенной является достоверной. Однако все три варианта позволяют спрогнозировать ее форму.

Долгосрочные прогнозы будущего Вселенной

Гипотеза о том, что у Вселенной была начальная точка, естественно, вызывает вопросы о возможной конечной точке. Если Вселенная началась с крошечной области бесконечной плотности, которая начала расширяться, означает ли это, что она будет продолжать расширяться всегда? Или однажды расширение сойдёт на нет и запустится обратный процесс, пока вся материя не сожмется обратно в сингулярность?

Точные прогнозы сегодня составить невозможно, т.к. многого мы ещё не знаем, например, насколько велика роль так называемой «тёмной материи» и насколько эволюция Вселенной зависит от неё.

Тезисно выделим такие наиболее вероятные сценарии:

• Тепловая смерть. Теория говорит о том, что Вселенная будет вечно расширяться, но спустя миллиарды лет все звёзды погибнут, а новые уже не будут образовываться — останутся только остывающие белые карлики, нейтронные звёзды и чёрные дыры. Десятки триллионов лет спустя в космосе ещё может быть свет от редких остатков звёзд и горизонта событий чёрных дыр. Через гугол лет (10100) и чёрные дыры перестанут существовать — они просто испарятся.

Вселенная будет безразмерным холодным ничем, где ещё некоторое время просуществуют элементарные частицы.

Рекомендуем залипательный таймлапс, который описывает сценарий тепловой смерти:

• Большой разрыв. Есть и мнение, что примерно через 22 миллиарда расширение разорвёт всю материю с галактиками, звёздами, планетами, атомами и частицами. Это случится за наносекунду.
• Большое сжатие. По закону Хаббла, процесс расширения определяется плотностью Вселенной. Пока она ниже критической отметки — расширение продолжается, но если критическая отметка выше — гравитация постепенно замедлит и остановит процесс расширения, а Вселенная начнёт обратный процесс — сжатие.

Большой взрыв — в таком виде

Альтернативой служит другой сценарий, который гласит, что если плотность во Вселенной будет равна или ниже значения критической плотности, то ее расширение замедлится, однако никогда не остановится полностью. Согласно этой гипотезе, получившей название «тепловая смерть Вселенной», расширение продолжится до тех пор, пока звездообразования не перестанут потреблять межзвездный газ внутри каждой из окружающих галактик. То есть полностью прекратится передача энергии и материи от одного объекта к другому. Все существующие звезды в этом случае выгорят и превратятся в белых карликов, нейтронные звезды и черные дыры.

Постепенно черные дыры будут сталкиваться с другими черными дырами, что привет к образованию все более и более крупных. Средняя температура Вселенной приблизится к абсолютному нулю. Черные дыры в итоге «испарятся», выпустив свое последнее излучение Хокинга. В конце концов термодинамическая энтропия во Вселенной станет максимальной. Наступит тепловая смерть.

Заходите в наш специальный Telegram-чат. Там всегда есть с кем обсудить новости из мира высоких технологий.

Современные наблюдения, которые учитывают наличие темной энергии и ее влияние на расширение космоса, натолкнули ученых на вывод, согласно которому со временем все больше и больше пространства Вселенной будет проходить за пределами нашего горизонта событий и станет невидимым для нас. Конечный и логичный результат этого ученым пока не известен, однако «тепловая смерть» вполне может оказаться конечной точкой подобных событий.

Есть и другие гипотезы относительно распределения темной энергии, а точнее, ее возможных видов (например фантомной энергии). Согласно им галактические скопления, звезды, планеты, атомы, ядра атомов и материя сама по себе будут разорваны на части в результате ее бесконечного расширения. Такой сценарий эволюции носит название «большого разрыва». Причиной гибели Вселенной согласно этому сценарию является само расширение.

4. Теория плазменной Вселенной

На наше нынешнее понимание Вселенной в основном влияет гравитация, в частности Общая теория относительности Эйнштейна, с помощью которой космологи объясняют природу Вселенной. По совпадению, как и большинство других вещей, ученые на протяжении многих лет рассматривали альтернативу гравитации.

Космология плазмы (или теория плазменной Вселенной) предполагает, что электромагнитные силы и плазма играют очень важную роль во Вселенной вместо гравитации. Хотя у этого подхода много разных вариантов, основная идея остается той же; каждое астрономическое тело, включая Солнце, звезды и галактики, является результатом какого-либо электрического процесса.

Первая выдающаяся теория плазменной Вселенной была предложена лауреатом Нобелевской премии Ханнесом Альвеном в конце 1960-х годов. Позже к нему присоединился шведский физик-теоретик Оскар Клейн для разработки модели Альфвена – Клейна.

Модель построена на предположении, что Вселенная поддерживает равные количества материи и антивещества (это не так, согласно современной физике элементарных частиц). Границы этих двух областей отмечены космическими электромагнитными полями. Таким образом, взаимодействие между ними приведет к образованию плазмы, которую Альфвен назвал «амбиплазмой».

Согласно теории, такая плазма должна образовывать большие участки вещества и антивещества по всей Вселенной. Кроме того, было высказано предположение, что наше текущее местоположение в космосе должно быть в той части, где материи гораздо больше, чем антивещества, — таким образом решается проблема асимметрии материи и антивещества.

История изучения Вселенной

Солнечная система

Четыре тысячи лет назад люди уже пытались изучать Вселенную. Карты созвездий и рисунки звездного неба составлялись еще в Древнем Вавилоне. Вплоть до 16 века астрономы считали Землю центром мироздания, но Галилео Галилей после изобретения телескопа сумел доказать, что планеты вращаются вокруг Солнца. Также ученый обнаружил на небе множество галактик, подобных Млечному Пути. Это расширило представление людей о Вселенной.

На протяжении нескольких веков астрономы изучали космические объекты, а в 1929 году Хаббл подтвердил, что галактики отдаляются друг от друга, а пространство расширяется. Сейчас люди используют современные технологии, чтобы получать о космосе как можно больше данных.

Лептонная эпоха

Все начинает потихоньку успокаиваться. Эта эпоха длится целых три минуты! Чем холоднее становится Вселенная, тем труднее происходит процесс появления элементарных частиц. К этому времени все адроны и антиадроны из предыдущей эпохи уничтожили друг друга. Во Вселенной стало много лептонов (электронов и позитронов). Эти частицы начали сталкиваться и уничтожать друг друга. В результате чего высвободилась энергия в виде фотонов света.

Охлаждение Вселенной

После взрыва все должно было снизить температуру.

Со снижением плотности и температуры внутри Вселенной начало происходить и снижение энергии в каждой частице. Это переходное состояние длилось до тех пор, пока фундаментальные силы и элементарные частицы не пришли к своей нынешней форме. Так как энергия частиц опустилась до значений, которые можно сегодня достичь в рамках экспериментов, действительное возможное наличие этого временного периода вызывает у ученых куда меньше споров.

Как думаете, как как космос изменит человечество в будущем?

Например, ученые считают, что на 10-11 секунде после Большого взрыва энергия частиц значительно уменьшилась. Примерно на 10-6 секунде кварки и глюоны начали образовывать барионы — протоны и нейтроны. Кварки стали преобладать над антикварками, что в свою очередь привело к преобладанию барионов над антибарионами.

Так как температура была уже недостаточно высокой для создания новых протонно-антипротонных пар (или нейтронно-антинейтронных пар), последовало массовое разрушение этих частиц, что привело к остатку только 1/1010 количества изначальных протонов и нейтронов и полному исчезновению их античастиц. Аналогичный процесс произошел спустя около 1 секунды после Большого взрыва. Только «жертвами» на этот раз стали электроны и позитроны. После массового уничтожения оставшиеся протоны, нейтроны и электроны прекратили свое беспорядочное движение, а энергетическая плотность Вселенной была заполнена фотонами и в меньшей степени нейтрино.

В течение первых минут расширения Вселенной начался период нуклеосинтеза (синтез химических элементов). Благодаря падению температуры до 1 миллиарда кельвинов и снижения плотности энергии примерно до значений, эквивалентных плотности воздуха, нейтроны и протоны начали смешиваться и образовывать первый стабильный изотоп водорода (дейтерий), а также атомы гелия. Тем не менее большинство протонов во Вселенной остались в качестве несвязных ядер атомов водорода.

Спустя около 379 000 лет электроны объединились с этими ядрами водорода и образовали атомы (опять же преимущественно водорода), в то время как радиация отделилась от материи и продолжила практически беспрепятственно расширяться через пространство. Эту радиацию принято называть реликтовым излучением, и она является самым древнейшим источником света во Вселенной.

С расширением реликтовое излучение постепенно теряло свою плотность и энергию и в настоящий момент его температура составляет 2,7260 ± 0,0013 К (-270,424 °C), а энергетическая плотность 0,25 эВ (или 4,005×10-14 Дж/м³; 400–500 фотонов/см³). Реликтовое излучение простирается во всех направлениях и на расстояние около 13,8 миллиарда световых лет, однако оценка его фактического распространения говорит примерно о 46 миллиардах световых годах от центра Вселенной.

6. Конформная циклическая модель

Роджер Пенроуз, 6 ноября 2005 года

Модель конформной циклической космологии (англ. conformal cyclic cosmology или CCC) предполагает, что Вселенная проходит через повторяющиеся циклы большого взрыва и последующих расширений. Общая идея состоит в том, что «большой взрыв» был не началом Вселенной, а скорее переходной фазой. Его разработал физик-теоретик и математик Роджер Пенроуз.

В качестве основы для своей модели Пенроуз использовал множественные метрические последовательности FLRW (Фридмана – Лемэтра – Робертсона – Уокера). Он утверждал, что конформная граница одной последовательности FLRW может быть присоединена к границе другой.

Метрика FLRW — это наиболее близкое приближение к природе Вселенной и часть модели Лямбда-CDM. Каждая последовательность начинается с большого взрыва, за которым следует инфляция и последующее расширение.

Циклическая или осциллирующая модель, в которой Вселенная повторяется снова и снова в неопределенном цикле, впервые оказалась в центре внимания в 1930-х годах, когда Альберт Эйнштейн исследовал идею «вечной» Вселенной. Он считал, что по достижении определенной точки Вселенная начинает коллапсировать и заканчивается Большим хрустом перед тем, как пройти через Большой отскок.

Прямо сейчас существует четыре различных варианта циклической модели Вселенной, одна из которых — конформная циклическая космология.

7. Теория вечной инфляции

Понятие инфляции было введено космологом Аланом Гутом в 1979 году, чтобы объяснить, почему Вселенная плоская, чего не хватало в первоначальной теории Большого взрыва.

Хотя идея Гута об инфляции объясняет плоскую Вселенную, она создала сценарий, который не позволяет Вселенной избежать этой инфляции. Если бы это было так, не произошло бы повторного нагрева Вселенной, равно как и образования звезд и галактик.

Эта конкретная проблема была решена Андреасом Альбрехтом и Полем Штайнхардтом в их «новой инфляции». Они утверждали, что быстрое расширение Вселенной произошло всего за несколько секунд, прежде чем прекратиться. Он продемонстрировал, как Вселенная может быстро раздуваться и при этом нагреваться.

Концепция «вечной инфляции», или теория хаотической инфляции, была введена Андреем Линде, профессором Стэнфордского университета. Он был основан на предыдущих работах Штейнхардта и Александра Виленкина.

Теория утверждает, что инфляционная фаза Вселенной продолжается вечно; это не конец для Вселенной в целом. Другими словами, космическая инфляция продолжается в одних частях Вселенной и прекращается в других. Это приводит к сценарию мультивселенной, в котором пространство разбивается на пузыри. Это как вселенная внутри вселенной.

В мультивселенной в разных вселенных могут действовать разные законы природы, физики. Итак, вместо единого расширяющегося космоса наша Вселенная могла бы быть инфляционной мультивселенной с множеством маленьких вселенных с различными свойствами.

Однако Пол Стейнхардт считает, что его теория «новой инфляции» ни к чему не приводит и не предсказывает, и утверждает, что понятие мультивселенной является «фатальным недостатком» и неестественным.

Темная эра

В течение следующих 150 миллионов лет Вселенная находилась в «темном» состоянии. Хотя фотоны существуют, они обнаруживаются только как излучение, а не как свет. В этот период ничего особенного не происходит. Кроме постоянного расширения и охлаждения. В этот период во Вселенной, похоже, доминирует таинственная «темная материя».

Советуем почитать  Пустота после Меркурия

Рекомбинация

Этот период длился около 60000 лет. К этому моменту Вселенная остыла до 3000 градусов. Атомные ядра начали объединяться со свободными электронами, образуя такие элементы как водород, гелий и литий. Это действие нейтрализовало электрический заряд электронов. И они освободили фотоны света. Эти частицы были обнаружены земными учеными в форме космического фонового излучения. К этому времени Вселенная состояла на три четверти из атомов водорода и на четверть из гелия. И еще в ней было немного лития.

Нуклеосинтез

В течение следующих 17 минут температура упала до одного миллиарда градусов. В таких условиях возможен ядерный синтез. Протоны и нейтроны стали объединяться, образуя ядра простых элементов, таких как водород, гелий и литий. Эта эпоха закончилась, когда температура упала до такой степени, что термоядерный синтез перестал быть возможным.

Источники

• https://topor.info/kosmos/evolyucziya-vselennoj
• https://alivespace.ru/kak-rozhdalas-vselennaya/
• https://new-science.ru/proishozhdenie-vselennoj-7-razlichnyh-teorij/
• https://kipmu.ru/vselennaya/
• https://Hi-News.ru/eto-interesno/teoriya-bolshogo-vzryva-istoriya-evolyucii-nashej-vselennoj.html
• https://kapital-rus.ru/articles/article/proishojdenie_vselennoi_kakie_novye_versii_predlagaet_nauka_i_religiya/