Рождение и развитие Вселенной
Оригинал взят у universal_inf в Большой взрыв. Рождение и развитие Вселенной
Оригинал взят у universal_inf в 1.1. Большой взрыв. Рождение и развитие Вселенной
Вселенная началась с Большого взрыва. Большой взрыв не взорвал космос, а создал его. Создал из ничего. Во всяком случае мы сейчас так думаем. Чтобы понять современные теории о Вселенной, факт создания из ничего нужно принять. Но в отличие от религиозной догматики научные допущения не объявляются непреложной истиной. О них мы говорим так: «Пока мы понимает это так. Но ничего не мешает вам открыть что-то новое и изменить наше понимание. Дерзайте!»
Большой взрыв создал материю, энергию, законы физики, все действующие силы. Первыми силами были сильное атомное взаимодействие и гравитация. Первыми элементарными частицами были протоны. Их сращивание дало начало всем 92-м химическим элементам Вселенной. Сращивание протонов и нейтронов происходит в реакции ядерного синтеза. На Земле условия для ядерного синтеза научились создавать только в 1950-х. Для этого требуется температура минимум 4 млн градусов Цельсия.
После Большого взрыва расширение пространства-времени происходило быстрее скорости света. Как такое возможно? На это способно только ничто, на которое не действуют современные законы физики. Это ничто существовало до возникновения Вселенной, и оно не сразу стало материей и энергией в современном понимании. Есть еще одно предположение: Большой взрыв создал столько концентрированной энергии, что для ее разреживания понадобилась сверхсветовая скорость. Также возможно, что эти два факта последовали один за другим.
На ранних этапах существования Вселенной, сразу после Большого взрыва, энергия и материя подвергались взаимным превращениям. Понять это помогло нам открытие Альберта Эйнштейна: E = mc2. Все, что мы имеем во Вселенной, можно создать из небольшого количества чистой энергии. После Большого взрыва все время рождались новые частицы, которые потом снова превращались в энергию. Так было, пока Вселенная не начала остывать, и пока плотность энергии была очень высокой. На этом же принципе основана и атомная бомба: из небольшого количества вещества выделяется очень много энергии. А эта энергия порождает новые частицы.
Таким образом, вся материя Вселенной была создана из чистой материи Большого взрыва. После создания элементарных частиц началось создание химических элементов. Первый этап развития Вселенной был этапом больших температур и скоростей. Уже через несколько секунд после Большого взрыва появились водород, гелий и литий, а Вселенная уже имела размеры несколько световых лет в диаметре. Как это было, мы только пытаемся понять. Для воссоздания первых секунд существования Вселенной в швейцарском Церне построен самый большой в мире экспериментальный комплекс с ускорителем элементарных частиц - Большой адронный коллайдер (напишу об этом в разделе «7. Наука, научные школы и исследовательские центры»).
Второй этап развития Вселенной начался с ее остыванием. Не менее драматический этап, когда началась борьба материи и антиматерии. Второй этап не менее драматичен. При встрече частиц и античастиц происходит их взаимное уничтожение с выделением огромной энергии. По нашему представлению, в этой битве победили частицы. Это произошло, так как на каждый миллиард частиц антиматерии приходились миллиард и одна часта материи. На этом этапе Вселенная была наполнена газами и пылью, была молочно-белой, непрозрачной.
[Примечание об антиматерии]
Примечание об антиматерии:
Видимая материя слагается из атомов, а атомы - из заряженных частиц. Материя имеет положительно заряженные протоны и отрицательно заряженные электроны. Антиматерия имеет противоположные заряды. Представьте, что два объекта из разных миров, построенные из материи и антиматерии, встретились в космосе. Произойдет взрыв, выделится много энергии. В 100 раз больше, чем при взрыве атомной бомбы. Из выделенной энергии может снова родиться как материя, так и антиматерия. Возможно, есть галактики, где преобладает антиматерия. Тогда столкновение нашей галактики и галактики из антиматерии приведет не к их слиянию, а к взаимному уничтожению.
Мы уже умеем создавать антиматерию, и даже используем ее для своих нужд. Позитронно-эмиссионный метод исследования в медицине работает на антиматерии. Датчики фиксируют взаимоуничтожение материи и антиматерии, энергию гамма-излучения, и дают очень четкую картинку.
Третий этап начался через 380 тысяч лет после Большого взрыва, когда Вселенная стала становиться прозрачной. В прозрачной Вселенной начал распространяться свет. Именно его и зафиксировали Арно Пензиас и Роберт Вилсон в своих экспериментах. С помощью орбитальных телескопов позже была составлена тепловая карта молодой Вселенной. Второй телескоп «Вилсон» в 2001 году дал более четкое изображение, которое ученые используют по сей день.
Через 200 млн лет после Большого взрыва в облаках пыли и газа зажглись первые звезды. Вселенная зажгла огни по все направлениям. Новые звезды стали центрами гравитации для формирования звездных систем, а скопления звезд - центрами будущих галактик, так как в них звезды чаще сливались с образованием сверхмассивных черных дыр. Первые галактики появились через миллиард лет после Большого взрыва, а Солнечная система - через 9 млрд лет.
Теорию Большого взрыва разрабатывали многие ученые, но самый большой вклад внес Стивен Хокинг. Чтобы рассказать про открытие Большого взрыва, я начну с подробного пересказа фильма 2004 г. "Хокинг", основанного на реальных событиях, научных публикациях и общественных записях. "Эта история о поиске начала времени", - говорится в предисловии к фильму. Посмотрите его или прочтите эти диалоги:
Молодой Хокинг и его оппоненты вели жаркие споры:
- Я космолог.
- Космология - наука из гетто. Одни только спекуляции и никаких доказательств.
- Нет, это наука!
- Величайшие достижения физики 20 века. Резерфорд, Оппенгеймер. Что они дали нам? Атомную бомбу! В чем смысл спрашивать: "Откуда мы здесь и куда мы движемся?" Если Эйнштейн в вашей модели приготовил нас к чему угодно?
- Позволь мне напомнить, что эти вопросы относятся и к Ньютону. Самолёты не падают, потому что он открыл гравитацию.
- Очень остроумно, но вся эта заумность не имеет никакого отношения к реальному миру. Космологов не интересует реальный мир...
Примерно так выглядели споры Хокинга с профессором Фредом Хойлом относительно его "стационарной модели Вселенной":
- У Вселенной не было никакого начала. Прошлое, настоящее, будущее всегда существовало и всегда будет существовать. Новая материя создана, чтобы заменить устаревшую. Этот процесс всегда существовал и будет продолжаться вечно. Все неизменно, ничего никогда не менялось. Вселенная расширяется по мере того, как Галактики отдаляются друг от друга. Новые Галактики образуются и заполняют образовавшиеся пространства. Новое заменяет старое точно в таком же соотношении. Ничего не меняется. Это очень убедительная теория. И привлекательная.
- Может быть она привлекательна, потому что убедительна?
- На эмоциональном уровне намного труднее принять, то что у Вселенной было начало, что Вселенная существовала не всегда.
- Эйнштейн?
- Никто и не ожидал, что его теория будет предсказывать то, что у Вселенной когда то было начало. Он сбежал от возможности того, что на самом деле у Вселенной может быть начало.
- Потому что он понимал, что такое начало нарушило бы все законы физики.
- Как наука может объяснить что-то, чего не существует?
- В этом то и заключается Теория Большого Взрыва.
- Идея Теории Большого Взрыва в том, что она не верна. Иррациональна и не-правильна. "Большой взрыв", "большой бум" - это звучит по-мультяшному.
- До "Большого Взрыва" не было ничего - ни пространства, ни времени, ни материи, ни науки, никаких правил.
- Что как раз оставляет место для... догадайтесь кого? Бога всемогущего! Религия - это враг науки, молодой человек. Была бы воля Католицизма, мы бы сей-час жили на плоской Земле в центре вселенной. Под нами ничего, и на небесах лишь место для Луны. Сейчас 1963-й и Бог мертв. Держись подальше от "Большого Взрыва": мультики до хорошего не доведут.
Следующей теорией профессора Хойла стала "теория симметричного времени гравитации". Она также была раскритикована молодым Хокингом, который нашел ошибки в математических расчетах. Но научный руководитель Хокинга Деннис Сиама (кафедра прикладной математики и теоретической физики) сказал ему:
- Я знаю, ты можешь сделать еще более блестящие нападки на другие теории. Но сделай что-нибудь свое собственное!
Все знают, что Хокинга парализовало в достаточно молодом возрасте. Его недуг - мотонейронное заболевание боковой амниотрофический склероз (БАС), поразивший нервные клетки, которые дают сигналы для движения мышц. У больных БАС эти клетки постепенно умирают, сигналы не отсылаются, мышцы не используются. Мозг перестает давать сигналы, заставляющие мышцы двигаться. Мышцы начинают медленно атрофироваться. Происходит постепенный паралич. Дыхательные мышцы, в отличие от большинства других мышц, работают автоматически. Когда они перестают двигаться, наступает смерть. Мозг остается нетронутым. Чем в более молодом возрасте ты получаешь мотонейроное заболевание - тем быстрее происходит ухудшение. Сиама знал об этом, но не делал Хокингу поблажек. При этом но был внимателен к работе молодого ученого.
Деннис Сиама понимал, что поблажки недопустимы, и выжить в конкурентной борьбе не просто:
- Мозги, быки и деньги. Физика в этой стране - это кровавое поле боя. Здесь нужны мозги, которых, казалось бы, должно быть достаточно, но это не так. Поэтому еще нужны деньги, чтобы обеспечивать то, над чем ты работаешь. Но чтобы получить от кого-то деньги в этой стране, тебе нужны быки, чтобы вытянуть их. Иначе они пытаются отказывать тебе всякий раз. Ты должен бороться своими зубами и ногтями за то, во что ты веришь. Иначе неприятели остановят тебя.
Как рождалось открытие
К доказательствам Большого взрыва Хокинга привели размышления о времени и коллапсе звезд. Он понял: если повернуть время вспять - придешь к сингулярности. Вот в чем его гениальная догадка:
- Для идеальной звезды возможно такое состояние, в котором она может сколлапсировать - и от неё ничего не останется. Если она имеет форму идеальной звезды, она может сколлапсировать и стать бесконечно плотной. Такой плотной, что все сжимается в ничто. Но для этого должны быть соответствующие условия: она должна быть идеальной сферической формы, очень правильно двигаться. И тогда возникает вероятность того, что гравитационное притяжение станет таким мощным, что ничего не сможет покинуть его.
Хокинг никак не мог понять, когда могут возникнуть такие условия. Но на мысль его навел профессор Роджер Пенроуз. Читая студентам лекцию, он говорил:
- В определённом смысле у вас у всех уже большие бицепсы. Потому что проводите половину своей жизни, расходуя тонны мела, милями чертя что-то на доске. Я так не делаю. У меня есть кое-что магическое и прекрасное, о чем я бы хотел вам рассказать: это стремительно, неумолимо и не требует крепких мышц. И зовётся это Топологией. Изображения вместо уравнений. Как известно, нет ничего быстрее скорости света: почти 300 тысяч километров в секунду. Свет самый быстрый. Настолько быстрый, что с легкостью может преодолеть силу гравитации. Скажем, Солнца или Земли. И сбежать. Скорость достаточно быстрая для того, чтобы преодолеть гравитацию, которая притягивает назад. Но что если бы Солнце было бы сжато сильнее? Что если Солнце сколлапсирует? Тогда плотность станет огромной, и гравитационное притяжение возрастет очень сильно. Тогда ничто не сможет остановить гравитацию. Притягивать всё обратно. Даже свет. Образуется сингулярность.
- Что такое сингулярность?
- Сингулярность - это место, где все (материя, свет, пространство, время) складывается в себя и исчезает. В полное и абсолютное ничего. Всё и ничего! До этого момента каждый из вас с вашими большими бицепсами и большими уравнениями всегда говорил: "Ой моё большое уравнение заканчивается на сингулярности, я должно быть где-то ошибся". Эйнштейна это не испугало.
- Сингулярность не может существовать, потому что законы физики не позволяют этого.
- Неверно! Сингулярность существует.
- Для совершенных сфер и идеализированных звезд.
- Нет! Для реальных звёзд! Из реальной звезды тоже может получится сингулярность. Существуют места, где наука и правила перестают работать. Там, где не существует ни материи, ни пространства... ничего! Где всё, включая время, перестает существовать. И там, где коллапсирует звезда, неизбежно образуется сингулярность. Топология не занимается запутанными вещами, типа частиц и того как они движутся, а тем, как всё взаимосвязано.
- Мышление по-крупному?
- Мышление по очень крупному. Это отправляет тебя в такие места, где правила говорят, что ты не можешь туда попасть.
Хокинг и его коллеги размышляли о Вселенной, времени, познании, читали стихи и слушали музыку.
- Моцарт мог пойти спать и проснуться с целой симфонией в голове. И я совершенно не понимаю, как у него это получалось. Музыка - это способ мышления, лежащий за пределами языкового общения. Как можно уложить целую симфонию всего в один момент? Ведь музыка длится определенное время. Может в этом и заключается гениальность: думать, не ограничиваясь временем?
- Все дороги ведут к физике. Я считаю, что математическая мысль может существовать совершенно без слов. Я думаю, что мышление - это невербальный процесс. Я даже думаю, что слова приходят, только чтобы помочь мышлению. Я считаю, что можно размышлять и без слов.
- Поэты всегда были заинтересованы временем. Сжимать его, контролировать его, останавливать его. Настоящее время и прошедшее время, возможно, существуют вместе во времени будущем. И будущее время содержится в прошедшем времени.
- Руперт Брук: "Застынут ли стрелки церковных часов на без десяти три?"
- Уильям Блейк:
"Увидеть небо в полевом цветке.
В песчинке малой - бесконечность,
мир целый удержать в своей руке.
И уместить в мгновенье вечность."
- Лимерик:
"Жила была девочка с именем Яркая,
Чья скорость стремительней света была.
Однажды пустилась в дорогу она -
Вернулась днём ранее".
Вот мысли, которые Хокинг высказывал, приближаясь к своему открытию:
- Галилео ошибался: центр Вселенной абсолютно везде.
- Звёзды так далеки от нас, но они такими не кажутся. Кажется, что можно дотянуться до них рукой и дотронуться. Тебе лучше поторопиться, если хочешь дотянуться и дотронуться до них: они удаляются от нас все дальше и дальше. Галактики удаляются от нас. И если в один момент они удаляются со скоростью примерно 6 млн. миль в час, то в другой момент эта скорость уже 200 млн. миль в час.
- Нет ничего дурного в соотношении чувств и науки. Чувства важны. Все лучшие идеи были сперва почувствованы, и потом только оспорены. Эйнштейн говорил, что он чувствовал кончиками своих пальцев, когда идея была верна.
- Время и пространство не существуют раздельно друг от друга. Материя и энергия во Вселенной искривляют и меняют пространство-время.
- Иногда, когда я задумываюсь о нескольких измерениях, мне порой трудно вернуться обратно в реальный мир и сразу начать использовать слова для общения.
- Мы привыкли думать что время у всех одинаковое, что оно просто есть. Тикает одновременно в ногу. Для каждого, где бы он не находился. Как состав поезда, который растягивается до бесконечности. Время было неизменным. Сейчас мы знаем, что это не так. Время - это не та вещь, которая протекает на фоне. Это не тот абсолют, по которому можно всё измерять. Время динамично, активно. Если ты поедешь очень далеко, а я останусь на месте, твое время замедлилось бы относительно моего времени. Но двигаться нужно очень быстро.
- Необходимо поле отрицательной энергии - для того, чтобы создавалась новая материя. Это делает Вселенную нестабильной!
Но вот открытие назрело. Если повернуть время в обратную сторону, тогда коллапс будет взрывом, понял Хокинг. И вот диалог Пенроуза и Хокинга в момент открытия:
- Эйнштейн был прав. На пространственно-временной диаграмме сперва идет пространство. А нужно поставить время. Затем нужно представить изменение направления времени. Когда время начнёт двигаться в противоположном направлении. Двигаясь в космическом пространстве, искривляя пространство-время, световые лучи приближаются друг к другу.
- Что ты хочешь сказать?
- Что если дыра во Вселенной находится в таком месте, где границы этой дыры стремятся к нулевому значению. Вот она, сингулярность! Абсолютное ничего! Это согласуется с теорией об умирающих звездах путём коллапса. Это доказывает, что сингулярность должна существовать.
- Что это означает?
- Коллапс в обратную сторону.
- Что является чем?
- Взрывом. БУМ!
И затем: 15 Октября 1965 г. подпись на диссертации: "Эта диссертация - моя оригинальная работа. Стивен Уильям Хокинг". То, что им сделано, по мнению коллег сравнимо с тем, что сделал Эйнштейн. Эйнштейн, казалось, предсказывал это, но затем отказался. Почему? Устал бороться? Считал свое открытие преждевременным? Скорее сам испугался своей идеи, которую прочувствовал интуитивно. Это не так важно. Важнее, что идея была, и что было, кому ее подхватить.
После своего открытия Хокинг говорит своей супруге Джейн:
- Теперь я займусь теорией всего. До этого я изучал очень большие объекты, а сейчас я хочу заглянуть в очень малые. И посмотреть, смогу ли я объединить гравитацию и квантовую механику.
- Ну и сколько времени может занять разработка Теории всего?
- 20 лет, не больше.
- Не быстро!
- Не быстро, но я верю в возможность. Мы можем достигнуть полного понимания Вселенной.
- Я чувствую себя очень маленькой, когда смотрю на звездное небо.
- Мы очень очень маленькие, но несомненно способны к пониманию очень очень больших вещей.
После долгой и выдающейся карьеры сэр Фрэд Хойл умер в 2001 году. Он так и не принял идею о том, что у Вселенной было начало.
Роджер Пенроуз в 1994 году был удостоен рыцарского звания за заслуги перед наукой. Его теорема сингулярности для коллапсирующих звезд была принята как доказательство существования чёрных дыр в космосе.
Стивен и Джейн Хокинг были женаты 25 лет и родили 3-х детей. Спустя 40 лет после своего диагноза мотонейронного заболевания Стивен является Лукасианским профессором математики в Кембридже. Находясь на позиции, которую когда-то занимал Исаак Ньютон.
Символы научных открытий этих людей в фильме - часы с обратным ходом и сцена в поезде, когда поезд тронулся с места на противоположной платформе, а кажется, что с места тронулся твой поезд. Они демонстрируют принципы относительности движения и времени.
Реликтовое излучение
10 Декабря 1978 года Арно Пензиас и Роберт Уилсон получили нобелевскую премию по физике за их открытие микроволнового реликтового излучения, остаточного нагревания Большого Взрыва, открытого в 1965 году Стивеном Хокингом. Перед вручением премии они дали интервью, которое примерно выглядело так:
- Что вы делали?
- Мы измеряли шум, который исходит из-за пределов Млечного пути.
- Что за шум?
- Шум - это нагревание. Чем больше нагревание - тем интенсивней шум. Мы получали много шума, что значит и много нагревания. Намного больше, чем мы должны были получать от Млечного пути. В этом и заключалась наша работа. День ото дня.
- Насколько больше?
- Нагревание, которое мы получали, должно было быть на 2 градуса ниже благодаря "Колдо". Но оно было выше, выше на 3 градуса. Выше чем оно могло бы исходить от Млечного пути. Выше, чем оно могло исходить даже от далёких галактик. И мы подумали, что это исходит от чего-то, что находится ближе к нам.
- Как вы это делали?
- Мы построили установку "Колдо", соединили ее с антенной. Большая, размером с дом, антенна, лежащая на боку, по форме как труба граммофона антенна. Стоит посреди поля на холме, в 20 милях от Нью-Йорка. Направлена на звезды и принимает шипящий шум. Внутрь закачали 5 галлонов жидкого гелия. Это дало возможность провести очень точные расчеты. День за днём мы пытались понять, что это за нагревание, откуда этот шипящий шум?
- Что вы решили?
- У нас был целый список идей. Одна такая: в 1950-е проводились испытания ядерных бомб. И может быть это от них шло остаточное излучение. Но тогда оно должно было бы постоянно уменьшаться. А оно не уменьшалось. Абсолютно постоянное значение. И мы снова возвращались к списку своих идей.
- Какая еще идея была?
- Должно быть, причиной шипящего шума является белый диэлектрический материал внутри трубы антенны? Голубиное дерьмо. В 6 метровой трубе внутри жила пара голубей.
- Что вы сделали?
- Мы отправляли их как почтовых голубей. Люди, на которых мы работали, имели внутреннюю почту и офисы по все Америке. Мы отправляли голубей настолько далеко, насколько мы могли их послать.
- И это работало?
- Они возвращались домой :)
- И что же вы сделали?
- Нам приходилось отстреливать голубей. Затем мы вычистили весь тот диэлектрический материал из трубы. Ползая на корточках и на коленях в белых халатах. Нам пришлось ползать там отскребая эти белые какашки. Но голуби оказались ни в чем не виноваты. Мы всё еще получали этот шипящий шум.
- Но что же тогда?
- Тогда мы подумали, что шипящий шум может исходить от Нью-Йорка. Мы решили так: если какой-нибудь из больших городов мира и может давать 3 горячих градуса радио шума, то это должен быть Нью-Йорк. Одна только моя семья может издавать столько шума. Как могли мы заявлять о том, что делаем очень чувствительные радиоастрономические измерения со всеми этими вещами вокруг сделанными человеком. Мы направили антенну на Нью-Йорк. Вся эта энергия, которая распространяется из-за горизонта: шумы от поездов, жужжание от электропроводов, радиосигнал, издаваемый аэропортом, распространяется вокруг в киловаттах. Но Нью-Йорк не был причиной шума. Мы направили 6-ти метровую трубу на город и это дало нам значительное нагревание, но недостаточное.
- Все так сложно?!
- Наука может быть очень медленной. Очень редко бывает, когда всё сразу получается. Здесь нужна аккуратность, твердость воли, посвящение.
- У вас была хоть какая-нибудь идея о том, что это могло быть? Или вы думали, что знали это?
- Этот шум - звук начала времени. Остаточное нагревание от Большого Взрыва. Те 3 градуса, которые до сих пор не остыли. Он везде. Везде и вокруг нас. Ему 13,7 миллиардов лет. И мы обнаружили его. Вот наше открытие.
- Это должно быть возвращение к самому началу.
- Стивен Хокинг, кто он? И когда вы познакомились с ним?
- В 1963.
- Какая для вас была польза от знакомства с ним?
- Для нас не было пользы. Он не был нужен нам. Он был в Англии, мы были в Нью Джерси. Мы даже не знали о его существовании.
- Вы что-нибудь знали о нем?
- Мы ничего о нем не знали.
Вот так были сделаны эти два важнейших открытия. А теперь таким же простым языком подытожим:
Есть 4 основных положения Теории Большого взрыва*:
1. Вселенная родилась из взрыва, как единое тело, и с тех пор расширяется во всех направлениях. Если вернуться в точку сосредоточения энергии и материи, назад по оси времени, можно дойти до точки сингулярности.
2. Легкие элементы (такие, как водород) сформировались первыми.
3. Вселенной распространяется свет, возникший в момент Большого взрыва.
4. Есть четкие рамки эволюции у звезд, звездных систем, галактик, галактических кластеров, галактических суперкластеров и т.д.
Что происходит со Вселенная
Вселенная растет, причем с возрастающей скоростью. Растет и расширяется. Процесс расширения Вселенной называют инфляцией. Инфляционная теория развития Вселенной создана Аланом Гутом. С большой вероятностью жизнь Вселенной, начавшаяся с Большого взрыва, закончится "большим разрывом". Сначала расширение просто увеличит расстояние между галактиками, затем между звездными системами, но в конце концов разорвет даже атомы. Причем, чтобы разорвать Солнечную систему, понадобятся сотни тысяч лет, а чтобы разорвать Землю - всего пол часа земного времени. Большой разрыв произойдет примерно через 50 млрд лет. Ответственна за это темная энергия. Эдвин Хаббл обнаружил расширение Вселенной в 1920-х, но только в 1998 году было обнаружено, что это расширение ускоряется. Все эти угрозы заставляют задуматься, насколько хрупка жизни на Земле.
Большой взрыв создал неоднородную Вселенную, состоящую из скоплений вещества и энергии и пустот. Именно это сделало возможным появление жизни. Что было до Большого взрыва - мы не знаем. Сингулярность - это линия горизонта, за которую нам скорее всего никогда не заглянуть. Но есть мнение, что Большие взрывы - периодические явления, и что окончание жизни Вселенной означает начало жизни новой Вселенной, а значит и новый Большой взрыв. Это теория цикличности Больших взрывов. По этой теории раз в триллион лет Вселенная дает большой взрыв, расширяется, затем схлопывается, и все начинается по новой.
Как изучают Вселенную
После таких утверждений возникает закономерный вопрос: как именно устанавливают подобные факты? Ученые обычно проходят путь от теоретических рассуждений к наблюдениям и опытам с помощью специальной техники. Например, телескопов, орбитальных и наземного базирования. В апреле 1990 года шатл «Дискавери» вывел на орбиту телескоп «Хаббл», который помог установить возраст Вселенной - 13,7 млрд лет.
Орбитальный телескоп Хаббл
Для изучения реликтового излучения на орбиту была выведена обсерватория Планка. За открытие специфических свойств реликтового излучения (анизотропии) еще два физика - Джордж Смут и Джон Мазер - получили нобелевскую премию по физике в 2006 году. Их работа подтвердила наличие реликтового излучения и расширила представления о нем. Ученые составили карту горячих и холодных участков Вселенной.
Панорама анизотропии реликтового фона с холодными (синими) и горячими (красными) участками
Карты микроволнового излучения Вселенной значительно уточнили телескопы Вилкинсона и Планка. А в 1990-х начали составлять трехмерные карты Вселенной. В будущем NASA планирует запустить новые орбитальные телескопы, задачей которых будет более точная фиксация остаточного излучения Большого взрыва.
Продолжение следует
Примечания:
*Использованы материалы фильма "Загадки Вселенной".
Весь проект: Вселенная, Млечный путь и Солнечная система
Оригинал взят у universal_inf в 1.1. Большой взрыв. Рождение и развитие Вселенной
Вселенная началась с Большого взрыва. Большой взрыв не взорвал космос, а создал его. Создал из ничего. Во всяком случае мы сейчас так думаем. Чтобы понять современные теории о Вселенной, факт создания из ничего нужно принять. Но в отличие от религиозной догматики научные допущения не объявляются непреложной истиной. О них мы говорим так: «Пока мы понимает это так. Но ничего не мешает вам открыть что-то новое и изменить наше понимание. Дерзайте!»
Большой взрыв создал материю, энергию, законы физики, все действующие силы. Первыми силами были сильное атомное взаимодействие и гравитация. Первыми элементарными частицами были протоны. Их сращивание дало начало всем 92-м химическим элементам Вселенной. Сращивание протонов и нейтронов происходит в реакции ядерного синтеза. На Земле условия для ядерного синтеза научились создавать только в 1950-х. Для этого требуется температура минимум 4 млн градусов Цельсия.
После Большого взрыва расширение пространства-времени происходило быстрее скорости света. Как такое возможно? На это способно только ничто, на которое не действуют современные законы физики. Это ничто существовало до возникновения Вселенной, и оно не сразу стало материей и энергией в современном понимании. Есть еще одно предположение: Большой взрыв создал столько концентрированной энергии, что для ее разреживания понадобилась сверхсветовая скорость. Также возможно, что эти два факта последовали один за другим.
На ранних этапах существования Вселенной, сразу после Большого взрыва, энергия и материя подвергались взаимным превращениям. Понять это помогло нам открытие Альберта Эйнштейна: E = mc2. Все, что мы имеем во Вселенной, можно создать из небольшого количества чистой энергии. После Большого взрыва все время рождались новые частицы, которые потом снова превращались в энергию. Так было, пока Вселенная не начала остывать, и пока плотность энергии была очень высокой. На этом же принципе основана и атомная бомба: из небольшого количества вещества выделяется очень много энергии. А эта энергия порождает новые частицы.
Таким образом, вся материя Вселенной была создана из чистой материи Большого взрыва. После создания элементарных частиц началось создание химических элементов. Первый этап развития Вселенной был этапом больших температур и скоростей. Уже через несколько секунд после Большого взрыва появились водород, гелий и литий, а Вселенная уже имела размеры несколько световых лет в диаметре. Как это было, мы только пытаемся понять. Для воссоздания первых секунд существования Вселенной в швейцарском Церне построен самый большой в мире экспериментальный комплекс с ускорителем элементарных частиц - Большой адронный коллайдер (напишу об этом в разделе «7. Наука, научные школы и исследовательские центры»).
Второй этап развития Вселенной начался с ее остыванием. Не менее драматический этап, когда началась борьба материи и антиматерии. Второй этап не менее драматичен. При встрече частиц и античастиц происходит их взаимное уничтожение с выделением огромной энергии. По нашему представлению, в этой битве победили частицы. Это произошло, так как на каждый миллиард частиц антиматерии приходились миллиард и одна часта материи. На этом этапе Вселенная была наполнена газами и пылью, была молочно-белой, непрозрачной.
[Примечание об антиматерии]
Примечание об антиматерии:
Видимая материя слагается из атомов, а атомы - из заряженных частиц. Материя имеет положительно заряженные протоны и отрицательно заряженные электроны. Антиматерия имеет противоположные заряды. Представьте, что два объекта из разных миров, построенные из материи и антиматерии, встретились в космосе. Произойдет взрыв, выделится много энергии. В 100 раз больше, чем при взрыве атомной бомбы. Из выделенной энергии может снова родиться как материя, так и антиматерия. Возможно, есть галактики, где преобладает антиматерия. Тогда столкновение нашей галактики и галактики из антиматерии приведет не к их слиянию, а к взаимному уничтожению.
Мы уже умеем создавать антиматерию, и даже используем ее для своих нужд. Позитронно-эмиссионный метод исследования в медицине работает на антиматерии. Датчики фиксируют взаимоуничтожение материи и антиматерии, энергию гамма-излучения, и дают очень четкую картинку.
Третий этап начался через 380 тысяч лет после Большого взрыва, когда Вселенная стала становиться прозрачной. В прозрачной Вселенной начал распространяться свет. Именно его и зафиксировали Арно Пензиас и Роберт Вилсон в своих экспериментах. С помощью орбитальных телескопов позже была составлена тепловая карта молодой Вселенной. Второй телескоп «Вилсон» в 2001 году дал более четкое изображение, которое ученые используют по сей день.
Через 200 млн лет после Большого взрыва в облаках пыли и газа зажглись первые звезды. Вселенная зажгла огни по все направлениям. Новые звезды стали центрами гравитации для формирования звездных систем, а скопления звезд - центрами будущих галактик, так как в них звезды чаще сливались с образованием сверхмассивных черных дыр. Первые галактики появились через миллиард лет после Большого взрыва, а Солнечная система - через 9 млрд лет.
Теорию Большого взрыва разрабатывали многие ученые, но самый большой вклад внес Стивен Хокинг. Чтобы рассказать про открытие Большого взрыва, я начну с подробного пересказа фильма 2004 г. "Хокинг", основанного на реальных событиях, научных публикациях и общественных записях. "Эта история о поиске начала времени", - говорится в предисловии к фильму. Посмотрите его или прочтите эти диалоги:
Молодой Хокинг и его оппоненты вели жаркие споры:
- Я космолог.
- Космология - наука из гетто. Одни только спекуляции и никаких доказательств.
- Нет, это наука!
- Величайшие достижения физики 20 века. Резерфорд, Оппенгеймер. Что они дали нам? Атомную бомбу! В чем смысл спрашивать: "Откуда мы здесь и куда мы движемся?" Если Эйнштейн в вашей модели приготовил нас к чему угодно?
- Позволь мне напомнить, что эти вопросы относятся и к Ньютону. Самолёты не падают, потому что он открыл гравитацию.
- Очень остроумно, но вся эта заумность не имеет никакого отношения к реальному миру. Космологов не интересует реальный мир...
Примерно так выглядели споры Хокинга с профессором Фредом Хойлом относительно его "стационарной модели Вселенной":
- У Вселенной не было никакого начала. Прошлое, настоящее, будущее всегда существовало и всегда будет существовать. Новая материя создана, чтобы заменить устаревшую. Этот процесс всегда существовал и будет продолжаться вечно. Все неизменно, ничего никогда не менялось. Вселенная расширяется по мере того, как Галактики отдаляются друг от друга. Новые Галактики образуются и заполняют образовавшиеся пространства. Новое заменяет старое точно в таком же соотношении. Ничего не меняется. Это очень убедительная теория. И привлекательная.
- Может быть она привлекательна, потому что убедительна?
- На эмоциональном уровне намного труднее принять, то что у Вселенной было начало, что Вселенная существовала не всегда.
- Эйнштейн?
- Никто и не ожидал, что его теория будет предсказывать то, что у Вселенной когда то было начало. Он сбежал от возможности того, что на самом деле у Вселенной может быть начало.
- Потому что он понимал, что такое начало нарушило бы все законы физики.
- Как наука может объяснить что-то, чего не существует?
- В этом то и заключается Теория Большого Взрыва.
- Идея Теории Большого Взрыва в том, что она не верна. Иррациональна и не-правильна. "Большой взрыв", "большой бум" - это звучит по-мультяшному.
- До "Большого Взрыва" не было ничего - ни пространства, ни времени, ни материи, ни науки, никаких правил.
- Что как раз оставляет место для... догадайтесь кого? Бога всемогущего! Религия - это враг науки, молодой человек. Была бы воля Католицизма, мы бы сей-час жили на плоской Земле в центре вселенной. Под нами ничего, и на небесах лишь место для Луны. Сейчас 1963-й и Бог мертв. Держись подальше от "Большого Взрыва": мультики до хорошего не доведут.
Следующей теорией профессора Хойла стала "теория симметричного времени гравитации". Она также была раскритикована молодым Хокингом, который нашел ошибки в математических расчетах. Но научный руководитель Хокинга Деннис Сиама (кафедра прикладной математики и теоретической физики) сказал ему:
- Я знаю, ты можешь сделать еще более блестящие нападки на другие теории. Но сделай что-нибудь свое собственное!
Все знают, что Хокинга парализовало в достаточно молодом возрасте. Его недуг - мотонейронное заболевание боковой амниотрофический склероз (БАС), поразивший нервные клетки, которые дают сигналы для движения мышц. У больных БАС эти клетки постепенно умирают, сигналы не отсылаются, мышцы не используются. Мозг перестает давать сигналы, заставляющие мышцы двигаться. Мышцы начинают медленно атрофироваться. Происходит постепенный паралич. Дыхательные мышцы, в отличие от большинства других мышц, работают автоматически. Когда они перестают двигаться, наступает смерть. Мозг остается нетронутым. Чем в более молодом возрасте ты получаешь мотонейроное заболевание - тем быстрее происходит ухудшение. Сиама знал об этом, но не делал Хокингу поблажек. При этом но был внимателен к работе молодого ученого.
Деннис Сиама понимал, что поблажки недопустимы, и выжить в конкурентной борьбе не просто:
- Мозги, быки и деньги. Физика в этой стране - это кровавое поле боя. Здесь нужны мозги, которых, казалось бы, должно быть достаточно, но это не так. Поэтому еще нужны деньги, чтобы обеспечивать то, над чем ты работаешь. Но чтобы получить от кого-то деньги в этой стране, тебе нужны быки, чтобы вытянуть их. Иначе они пытаются отказывать тебе всякий раз. Ты должен бороться своими зубами и ногтями за то, во что ты веришь. Иначе неприятели остановят тебя.
Как рождалось открытие
К доказательствам Большого взрыва Хокинга привели размышления о времени и коллапсе звезд. Он понял: если повернуть время вспять - придешь к сингулярности. Вот в чем его гениальная догадка:
- Для идеальной звезды возможно такое состояние, в котором она может сколлапсировать - и от неё ничего не останется. Если она имеет форму идеальной звезды, она может сколлапсировать и стать бесконечно плотной. Такой плотной, что все сжимается в ничто. Но для этого должны быть соответствующие условия: она должна быть идеальной сферической формы, очень правильно двигаться. И тогда возникает вероятность того, что гравитационное притяжение станет таким мощным, что ничего не сможет покинуть его.
Хокинг никак не мог понять, когда могут возникнуть такие условия. Но на мысль его навел профессор Роджер Пенроуз. Читая студентам лекцию, он говорил:
- В определённом смысле у вас у всех уже большие бицепсы. Потому что проводите половину своей жизни, расходуя тонны мела, милями чертя что-то на доске. Я так не делаю. У меня есть кое-что магическое и прекрасное, о чем я бы хотел вам рассказать: это стремительно, неумолимо и не требует крепких мышц. И зовётся это Топологией. Изображения вместо уравнений. Как известно, нет ничего быстрее скорости света: почти 300 тысяч километров в секунду. Свет самый быстрый. Настолько быстрый, что с легкостью может преодолеть силу гравитации. Скажем, Солнца или Земли. И сбежать. Скорость достаточно быстрая для того, чтобы преодолеть гравитацию, которая притягивает назад. Но что если бы Солнце было бы сжато сильнее? Что если Солнце сколлапсирует? Тогда плотность станет огромной, и гравитационное притяжение возрастет очень сильно. Тогда ничто не сможет остановить гравитацию. Притягивать всё обратно. Даже свет. Образуется сингулярность.
- Что такое сингулярность?
- Сингулярность - это место, где все (материя, свет, пространство, время) складывается в себя и исчезает. В полное и абсолютное ничего. Всё и ничего! До этого момента каждый из вас с вашими большими бицепсами и большими уравнениями всегда говорил: "Ой моё большое уравнение заканчивается на сингулярности, я должно быть где-то ошибся". Эйнштейна это не испугало.
- Сингулярность не может существовать, потому что законы физики не позволяют этого.
- Неверно! Сингулярность существует.
- Для совершенных сфер и идеализированных звезд.
- Нет! Для реальных звёзд! Из реальной звезды тоже может получится сингулярность. Существуют места, где наука и правила перестают работать. Там, где не существует ни материи, ни пространства... ничего! Где всё, включая время, перестает существовать. И там, где коллапсирует звезда, неизбежно образуется сингулярность. Топология не занимается запутанными вещами, типа частиц и того как они движутся, а тем, как всё взаимосвязано.
- Мышление по-крупному?
- Мышление по очень крупному. Это отправляет тебя в такие места, где правила говорят, что ты не можешь туда попасть.
Хокинг и его коллеги размышляли о Вселенной, времени, познании, читали стихи и слушали музыку.
- Моцарт мог пойти спать и проснуться с целой симфонией в голове. И я совершенно не понимаю, как у него это получалось. Музыка - это способ мышления, лежащий за пределами языкового общения. Как можно уложить целую симфонию всего в один момент? Ведь музыка длится определенное время. Может в этом и заключается гениальность: думать, не ограничиваясь временем?
- Все дороги ведут к физике. Я считаю, что математическая мысль может существовать совершенно без слов. Я думаю, что мышление - это невербальный процесс. Я даже думаю, что слова приходят, только чтобы помочь мышлению. Я считаю, что можно размышлять и без слов.
- Поэты всегда были заинтересованы временем. Сжимать его, контролировать его, останавливать его. Настоящее время и прошедшее время, возможно, существуют вместе во времени будущем. И будущее время содержится в прошедшем времени.
- Руперт Брук: "Застынут ли стрелки церковных часов на без десяти три?"
- Уильям Блейк:
"Увидеть небо в полевом цветке.
В песчинке малой - бесконечность,
мир целый удержать в своей руке.
И уместить в мгновенье вечность."
- Лимерик:
"Жила была девочка с именем Яркая,
Чья скорость стремительней света была.
Однажды пустилась в дорогу она -
Вернулась днём ранее".
Вот мысли, которые Хокинг высказывал, приближаясь к своему открытию:
- Галилео ошибался: центр Вселенной абсолютно везде.
- Звёзды так далеки от нас, но они такими не кажутся. Кажется, что можно дотянуться до них рукой и дотронуться. Тебе лучше поторопиться, если хочешь дотянуться и дотронуться до них: они удаляются от нас все дальше и дальше. Галактики удаляются от нас. И если в один момент они удаляются со скоростью примерно 6 млн. миль в час, то в другой момент эта скорость уже 200 млн. миль в час.
- Нет ничего дурного в соотношении чувств и науки. Чувства важны. Все лучшие идеи были сперва почувствованы, и потом только оспорены. Эйнштейн говорил, что он чувствовал кончиками своих пальцев, когда идея была верна.
- Время и пространство не существуют раздельно друг от друга. Материя и энергия во Вселенной искривляют и меняют пространство-время.
- Иногда, когда я задумываюсь о нескольких измерениях, мне порой трудно вернуться обратно в реальный мир и сразу начать использовать слова для общения.
- Мы привыкли думать что время у всех одинаковое, что оно просто есть. Тикает одновременно в ногу. Для каждого, где бы он не находился. Как состав поезда, который растягивается до бесконечности. Время было неизменным. Сейчас мы знаем, что это не так. Время - это не та вещь, которая протекает на фоне. Это не тот абсолют, по которому можно всё измерять. Время динамично, активно. Если ты поедешь очень далеко, а я останусь на месте, твое время замедлилось бы относительно моего времени. Но двигаться нужно очень быстро.
- Необходимо поле отрицательной энергии - для того, чтобы создавалась новая материя. Это делает Вселенную нестабильной!
Но вот открытие назрело. Если повернуть время в обратную сторону, тогда коллапс будет взрывом, понял Хокинг. И вот диалог Пенроуза и Хокинга в момент открытия:
- Эйнштейн был прав. На пространственно-временной диаграмме сперва идет пространство. А нужно поставить время. Затем нужно представить изменение направления времени. Когда время начнёт двигаться в противоположном направлении. Двигаясь в космическом пространстве, искривляя пространство-время, световые лучи приближаются друг к другу.
- Что ты хочешь сказать?
- Что если дыра во Вселенной находится в таком месте, где границы этой дыры стремятся к нулевому значению. Вот она, сингулярность! Абсолютное ничего! Это согласуется с теорией об умирающих звездах путём коллапса. Это доказывает, что сингулярность должна существовать.
- Что это означает?
- Коллапс в обратную сторону.
- Что является чем?
- Взрывом. БУМ!
И затем: 15 Октября 1965 г. подпись на диссертации: "Эта диссертация - моя оригинальная работа. Стивен Уильям Хокинг". То, что им сделано, по мнению коллег сравнимо с тем, что сделал Эйнштейн. Эйнштейн, казалось, предсказывал это, но затем отказался. Почему? Устал бороться? Считал свое открытие преждевременным? Скорее сам испугался своей идеи, которую прочувствовал интуитивно. Это не так важно. Важнее, что идея была, и что было, кому ее подхватить.
После своего открытия Хокинг говорит своей супруге Джейн:
- Теперь я займусь теорией всего. До этого я изучал очень большие объекты, а сейчас я хочу заглянуть в очень малые. И посмотреть, смогу ли я объединить гравитацию и квантовую механику.
- Ну и сколько времени может занять разработка Теории всего?
- 20 лет, не больше.
- Не быстро!
- Не быстро, но я верю в возможность. Мы можем достигнуть полного понимания Вселенной.
- Я чувствую себя очень маленькой, когда смотрю на звездное небо.
- Мы очень очень маленькие, но несомненно способны к пониманию очень очень больших вещей.
После долгой и выдающейся карьеры сэр Фрэд Хойл умер в 2001 году. Он так и не принял идею о том, что у Вселенной было начало.
Роджер Пенроуз в 1994 году был удостоен рыцарского звания за заслуги перед наукой. Его теорема сингулярности для коллапсирующих звезд была принята как доказательство существования чёрных дыр в космосе.
Стивен и Джейн Хокинг были женаты 25 лет и родили 3-х детей. Спустя 40 лет после своего диагноза мотонейронного заболевания Стивен является Лукасианским профессором математики в Кембридже. Находясь на позиции, которую когда-то занимал Исаак Ньютон.
Символы научных открытий этих людей в фильме - часы с обратным ходом и сцена в поезде, когда поезд тронулся с места на противоположной платформе, а кажется, что с места тронулся твой поезд. Они демонстрируют принципы относительности движения и времени.
Реликтовое излучение
10 Декабря 1978 года Арно Пензиас и Роберт Уилсон получили нобелевскую премию по физике за их открытие микроволнового реликтового излучения, остаточного нагревания Большого Взрыва, открытого в 1965 году Стивеном Хокингом. Перед вручением премии они дали интервью, которое примерно выглядело так:
- Что вы делали?
- Мы измеряли шум, который исходит из-за пределов Млечного пути.
- Что за шум?
- Шум - это нагревание. Чем больше нагревание - тем интенсивней шум. Мы получали много шума, что значит и много нагревания. Намного больше, чем мы должны были получать от Млечного пути. В этом и заключалась наша работа. День ото дня.
- Насколько больше?
- Нагревание, которое мы получали, должно было быть на 2 градуса ниже благодаря "Колдо". Но оно было выше, выше на 3 градуса. Выше чем оно могло бы исходить от Млечного пути. Выше, чем оно могло исходить даже от далёких галактик. И мы подумали, что это исходит от чего-то, что находится ближе к нам.
- Как вы это делали?
- Мы построили установку "Колдо", соединили ее с антенной. Большая, размером с дом, антенна, лежащая на боку, по форме как труба граммофона антенна. Стоит посреди поля на холме, в 20 милях от Нью-Йорка. Направлена на звезды и принимает шипящий шум. Внутрь закачали 5 галлонов жидкого гелия. Это дало возможность провести очень точные расчеты. День за днём мы пытались понять, что это за нагревание, откуда этот шипящий шум?
- Что вы решили?
- У нас был целый список идей. Одна такая: в 1950-е проводились испытания ядерных бомб. И может быть это от них шло остаточное излучение. Но тогда оно должно было бы постоянно уменьшаться. А оно не уменьшалось. Абсолютно постоянное значение. И мы снова возвращались к списку своих идей.
- Какая еще идея была?
- Должно быть, причиной шипящего шума является белый диэлектрический материал внутри трубы антенны? Голубиное дерьмо. В 6 метровой трубе внутри жила пара голубей.
- Что вы сделали?
- Мы отправляли их как почтовых голубей. Люди, на которых мы работали, имели внутреннюю почту и офисы по все Америке. Мы отправляли голубей настолько далеко, насколько мы могли их послать.
- И это работало?
- Они возвращались домой :)
- И что же вы сделали?
- Нам приходилось отстреливать голубей. Затем мы вычистили весь тот диэлектрический материал из трубы. Ползая на корточках и на коленях в белых халатах. Нам пришлось ползать там отскребая эти белые какашки. Но голуби оказались ни в чем не виноваты. Мы всё еще получали этот шипящий шум.
- Но что же тогда?
- Тогда мы подумали, что шипящий шум может исходить от Нью-Йорка. Мы решили так: если какой-нибудь из больших городов мира и может давать 3 горячих градуса радио шума, то это должен быть Нью-Йорк. Одна только моя семья может издавать столько шума. Как могли мы заявлять о том, что делаем очень чувствительные радиоастрономические измерения со всеми этими вещами вокруг сделанными человеком. Мы направили антенну на Нью-Йорк. Вся эта энергия, которая распространяется из-за горизонта: шумы от поездов, жужжание от электропроводов, радиосигнал, издаваемый аэропортом, распространяется вокруг в киловаттах. Но Нью-Йорк не был причиной шума. Мы направили 6-ти метровую трубу на город и это дало нам значительное нагревание, но недостаточное.
- Все так сложно?!
- Наука может быть очень медленной. Очень редко бывает, когда всё сразу получается. Здесь нужна аккуратность, твердость воли, посвящение.
- У вас была хоть какая-нибудь идея о том, что это могло быть? Или вы думали, что знали это?
- Этот шум - звук начала времени. Остаточное нагревание от Большого Взрыва. Те 3 градуса, которые до сих пор не остыли. Он везде. Везде и вокруг нас. Ему 13,7 миллиардов лет. И мы обнаружили его. Вот наше открытие.
- Это должно быть возвращение к самому началу.
- Стивен Хокинг, кто он? И когда вы познакомились с ним?
- В 1963.
- Какая для вас была польза от знакомства с ним?
- Для нас не было пользы. Он не был нужен нам. Он был в Англии, мы были в Нью Джерси. Мы даже не знали о его существовании.
- Вы что-нибудь знали о нем?
- Мы ничего о нем не знали.
Вот так были сделаны эти два важнейших открытия. А теперь таким же простым языком подытожим:
Есть 4 основных положения Теории Большого взрыва*:
1. Вселенная родилась из взрыва, как единое тело, и с тех пор расширяется во всех направлениях. Если вернуться в точку сосредоточения энергии и материи, назад по оси времени, можно дойти до точки сингулярности.
2. Легкие элементы (такие, как водород) сформировались первыми.
3. Вселенной распространяется свет, возникший в момент Большого взрыва.
4. Есть четкие рамки эволюции у звезд, звездных систем, галактик, галактических кластеров, галактических суперкластеров и т.д.
Что происходит со Вселенная
Вселенная растет, причем с возрастающей скоростью. Растет и расширяется. Процесс расширения Вселенной называют инфляцией. Инфляционная теория развития Вселенной создана Аланом Гутом. С большой вероятностью жизнь Вселенной, начавшаяся с Большого взрыва, закончится "большим разрывом". Сначала расширение просто увеличит расстояние между галактиками, затем между звездными системами, но в конце концов разорвет даже атомы. Причем, чтобы разорвать Солнечную систему, понадобятся сотни тысяч лет, а чтобы разорвать Землю - всего пол часа земного времени. Большой разрыв произойдет примерно через 50 млрд лет. Ответственна за это темная энергия. Эдвин Хаббл обнаружил расширение Вселенной в 1920-х, но только в 1998 году было обнаружено, что это расширение ускоряется. Все эти угрозы заставляют задуматься, насколько хрупка жизни на Земле.
Большой взрыв создал неоднородную Вселенную, состоящую из скоплений вещества и энергии и пустот. Именно это сделало возможным появление жизни. Что было до Большого взрыва - мы не знаем. Сингулярность - это линия горизонта, за которую нам скорее всего никогда не заглянуть. Но есть мнение, что Большие взрывы - периодические явления, и что окончание жизни Вселенной означает начало жизни новой Вселенной, а значит и новый Большой взрыв. Это теория цикличности Больших взрывов. По этой теории раз в триллион лет Вселенная дает большой взрыв, расширяется, затем схлопывается, и все начинается по новой.
Как изучают Вселенную
После таких утверждений возникает закономерный вопрос: как именно устанавливают подобные факты? Ученые обычно проходят путь от теоретических рассуждений к наблюдениям и опытам с помощью специальной техники. Например, телескопов, орбитальных и наземного базирования. В апреле 1990 года шатл «Дискавери» вывел на орбиту телескоп «Хаббл», который помог установить возраст Вселенной - 13,7 млрд лет.
Орбитальный телескоп Хаббл
Для изучения реликтового излучения на орбиту была выведена обсерватория Планка. За открытие специфических свойств реликтового излучения (анизотропии) еще два физика - Джордж Смут и Джон Мазер - получили нобелевскую премию по физике в 2006 году. Их работа подтвердила наличие реликтового излучения и расширила представления о нем. Ученые составили карту горячих и холодных участков Вселенной.
Панорама анизотропии реликтового фона с холодными (синими) и горячими (красными) участками
Карты микроволнового излучения Вселенной значительно уточнили телескопы Вилкинсона и Планка. А в 1990-х начали составлять трехмерные карты Вселенной. В будущем NASA планирует запустить новые орбитальные телескопы, задачей которых будет более точная фиксация остаточного излучения Большого взрыва.
Продолжение следует
Примечания:
*Использованы материалы фильма "Загадки Вселенной".
Весь проект: Вселенная, Млечный путь и Солнечная система