Когда мы говорим о происхождении Вселенной, в уме почти мгновенно возникает образ Большого взрыва — грандиозного события, с которого все началось. Эта идея о «дне без вчера», о моменте, когда родилось само время и пространство, прочно укоренилась в массовом сознании. Однако современная наука показывает, что такое представление, хоть и было революционным для своего времени, сегодня уже не отражает всей полноты картины. Понятие «Большой взрыв» эволюционировало вместе с нашим пониманием космоса, и сегодня оно означает нечто иное, чем десятилетия назад.
Наука по своей сути динамична: наше видение реальности постоянно пересматривается перед лицом новых доказательств. Давайте разберемся, как менялось представление о Большом взрыве и что он означает для космологов сегодня.
От «первобытного атома» до насмешки, ставшей термином
История этой теории началась в 1927 году, когда бельгийский священник и астроном Жорж Леметр впервые соединил воедино два революционных открытия того времени. С одной стороны, была общая теория относительности Эйнштейна (1915), которая описывала гравитацию как искривление пространства-времени под действием массы и энергии. Эйнштейн, полагая, что Вселенная статична, даже ввел в свои уравнения «космологическую постоянную», чтобы уравновесить гравитационное сжатие материи.
С другой стороны, наблюдательные данные говорили об обратном. Сначала теоретик Александр Фридман (в 1922 году) показал, что согласно уравнениям Эйнштейна, однородная Вселенная не может быть статичной — она должна либо расширяться, либо сжиматься. Вскоре после этого (в 1923 году) наблюдения Эдвина Хаббла подтвердили, что далекие «спиральные туманности» на самом деле являются отдельными галактиками («островными вселенными»), и большинство из них стремительно удаляются от нас.
Леметр первым осознал смысл этих открытий: если Вселенная расширяется сегодня, значит, в прошлом она была меньше, плотнее и горячее. Экстраполировав этот процесс в прошлое, он пришел к выводу, что Вселенная должна была возникнуть из некой единой точки, которую он назвал «первобытным атомом» или «космическим яйцом». Это и была первоначальная концепция Большого взрыва — рождение Вселенной из небытия. Эйнштейн поначалу отверг эту идею, заявив Леметру: «Ваши расчеты верны, но ваша физика отвратительна». Позже, перед лицом неопровержимых доказательств расширения Вселенной, он признал свою ошибку, назвав введение космологической постоянной своим «величайшим промахом».
Сам термин «Большой взрыв» (Big Bang) появился лишь в 1949 году и был придуман одним из главных противников этой теории, астрофизиком Фредом Хойлом. Хойл был сторонником «теории стационарной Вселенной», согласно которой Вселенная однородна не только в пространстве, но и во времени, то есть вечна и неизменна. Выступая на радио BBC, он с насмешкой назвал конкурирующую гипотезу «теорией о том, что вся материя во Вселенной была создана в одном Большом взрыве в определенный момент в далеком прошлом», считая ее иррациональной и ненаучной. Ирония судьбы в том, что именно это уничижительное название и закрепилось в науке и культуре.
Четыре столпа Большого взрыва: Горячая модель Вселенной
Следующий качественный скачок в развитии теории произошел в 1940-х годах благодаря работам Георгия (Джорджа) Гамова. Он понял, что ранняя Вселенная была заполнена не только материей, но и излучением (фотонами), которое вело себя иначе при расширении. По мере увеличения объема Вселенной плотность материи уменьшается, но энергия излучения падает еще быстрее, так как расширение пространства «растягивает» длину волны каждого фотона, уменьшая его энергию.
Это означало, что в прошлом, когда Вселенная была меньше, она была не просто плотнее, но и невероятно горячей и в ней доминировало излучение. Основываясь на этом, Гамов сделал три ключевых предсказания, которые вместе с уже наблюдаемым расширением Вселенной стали четырьмя столпами современной теории Большого взрыва:
- Реликтовое излучение: В ранней Вселенной было так горячо, что атомы не могли существовать — любой электрон был бы тут же оторван от ядра фотоном. Остыв, Вселенная стала прозрачной для света. Этот «остаточный свет», или реликтовое излучение, должен до сих пор пронизывать космос, остыв до температуры всего в несколько градусов выше абсолютного нуля.
- Первичный нуклеосинтез: В еще более ранние и горячие моменты было невозможно существование даже стабильных атомных ядер. Гамов предсказал, что в первые минуты жизни Вселенной должен был произойти процесс ядерного синтеза, в ходе которого из протонов и нейтронов образовались легкие элементы (в основном водород и гелий) в определенных пропорциях.
- Формирование крупномасштабной структуры: После того как Вселенная достаточно остыла для образования нейтральных атомов, гравитация начала стягивать материю в сгустки, что в конечном итоге привело к появлению первых звезд и галактик.
Все эти предсказания блестяще подтвердились. Открытие космического микроволнового (реликтового) фона в 1960-х годах стало решающим ударом по теории стационарной Вселенной. Измерения обилия легких элементов и наблюдения за эволюцией галактик полностью соответствовали картине, нарисованной теорией горячего Большого взрыва. Таким образом, под «Большим взрывом» стали понимать не столько момент сингулярности, сколько хорошо изученный процесс эволюции Вселенной из горячего, плотного, почти однородного состояния.
Инфляция: что было до Большого взрыва?
Но что же насчет самого начала? Что насчет той самой сингулярности — бесконечно горячей и плотной точки, из которой родилось все? Здесь современная космология делает еще один шаг вперед. Экстраполяция в прошлое до бесконечных температур и плотностей наталкивается на серьезные проблемы.
В 1980-х годах была предложена теория космологической инфляции, которая описывает состояние Вселенной до горячего Большого взрыва. Согласно этой модели, Вселенная в самый первый момент своего существования (в течение крошечной доли секунды) пережила период экспоненциального, сверхбыстрого расширения. В это время она была лишена материи и излучения, но заполнена особой формой энергии, присущей самому пространству, которая не разбавлялась по мере расширения.
Инфляция не только решает ряд фундаментальных проблем старой модели (например, почему Вселенная такая однородная и «плоская»), но и делает ряд уникальных предсказаний, которые были подтверждены наблюдениями. Например, она предсказала, что Вселенная должна быть заполнена флуктуациями плотности определенного типа, которые позже стали «зародышами» для галактик и их скоплений. Именно эти флуктуации мы сегодня видим как крошечные температурные колебания в реликтовом излучении.
Самое важное следствие инфляционной модели для нашего рассказа заключается в следующем: экспоненциальное расширение не обязательно ведет к сингулярности в прошлом. Если мысленно прокрутить время назад в инфляционной Вселенной, она будет становиться все меньше, но никогда не достигнет нулевого размера или бесконечной плотности. Горячий Большой взрыв в этой картине — это не начало всего, а момент, когда инфляция закончилась, а ее энергия преобразовалась в раскаленную смесь частиц и излучения, с которой и началась известная нам «горячая» фаза эволюции Вселенной.
Так что же такое Большой взрыв сегодня?
Современное научное понимание таково:
Большой взрыв — это не момент сотворения пространства и времени из сингулярности, а эпоха в истории нашей Вселенной, которая началась после окончания периода космической инфляции. Это переход от состояния сверхбыстрого расширения к горячей, плотной фазе, заполненной материей и излучением, которая затем расширялась и остывала, приводя к формированию структур, которые мы наблюдаем сегодня.
Был ли у самой инфляции какой-то начальный момент, существовало ли что-то до нее — это открытые вопросы, находящиеся на переднем крае теоретической физики. Но этот гипотетический «абсолютный старт», если он и был, больше не имеет прямого отношения к тому, что ученые называют горячим Большим взрывом — процессом, который породил нашу наблюдаемую Вселенную.
Хотя меньшинство ученых и многие неспециалисты по-прежнему используют термин «Большой взрыв» для обозначения самого начала времени, такое определение устарело на десятилетия. Понимание того, как меняются научные концепции, — ключ к постижению того, как на самом деле устроен наш мир. И история Большого взрыва — ярчайший тому пример.
Читайте также: Вселенная — чёрная дыра: новая модель предполагает, что Большой взрыв не был началом всего сущего
Комментировать можно ниже в разделе “Добавить комментарий”.