Миллиарды лет назад не существовало ничего — ни звёзд, ни галактик, ни самого пространства. Затем Вселенная начала расширяться, и всё, что существует сегодня, появилось из состояния, которое невозможно представить. Теория Большого взрыва объясняет происхождение Вселенной именно с этого момента. Давай подробнее разберём, что это и как оно работает.
Что такое Большой взрыв на самом деле
Сингулярность: как выглядела Вселенная в самом начале
Около 13,8 миллиарда лет назад вся Вселенная была сосредоточена в крошечной, невероятно горячей и плотной точке. Учёные называют это состояние сингулярностью. Все законы физики, которые работают сегодня, в том состоянии перестают описывать реальность — плотность и температура уходят в бесконечность, и привычные уравнения перестают иметь смысл.
Сингулярность — это не точка в пространстве. Пространства тогда ещё не существовало. Само пространство возникло вместе с расширением — не было никакой готовой «комнаты», в которой что-то взорвалось. Структура Вселенной начала формироваться с первых долей секунды этого расширения.
Почему название «Большой взрыв» вводит в заблуждение
Термин «Большой взрыв» ввёл в обиход британский астроном Фред Хойл в радиопередаче BBC в 1949 году. Хойл был сторонником конкурирующей теории стационарной Вселенной и не принимал идею расширения из горячего плотного состояния. По распространённой версии, он использовал термин насмешливо, чтобы высмеять эту идею, однако историки отмечают, что прямых доказательств этому немного: в самих передачах и книге Хойла термин не звучит явно уничижительно, а современники, включая Джорджа Гамова и Жоржа Леметра, в то время не восприняли его как оскорбление. Так или иначе, название прижилось, пусть и вводит немного в заблуждение.
Главное запомнить, что расширение пространства происходило и происходит везде сразу. Эволюция Вселенной — это равномерное растяжение самого пространства, как поверхность надуваемого шара: все точки на ней удаляются друг от друга одновременно, и ни одна из них не является центром.
Первые секунды и минуты после начала расширения
Космическая инфляция: быстрее скорости света
В первые доли секунды Вселенная увеличивалась в размерах быстрее скорости света. Этот период называют космической инфляцией. Звучит как нарушение физических законов, но скорость света ограничивает движение объектов в пространстве — само пространство растягиваться таким образом может.
За ничтожную долю секунды Вселенная выросла от субатомных размеров до макроскопических. Инфляция объясняет, почему космическое пространство сегодня выглядит однородным в разных направлениях: все его части успели «выровняться» до того, как оказались слишком далеко друг от друга. Без этого периода структура Вселенной была бы иной.
Рождение первых атомных ядер: водород, гелий и литий
В первые микросекунды после начала расширения кварки объединились в протоны и нейтроны. Примерно через секунду Вселенная представляла собой чрезвычайно горячую смесь элементарных частиц и излучения, сквозь которую свет не мог свободно распространяться. Это состояние напоминало непрозрачный светящийся туман.
В первые несколько минут протоны и нейтроны начали объединяться в атомные ядра. Так образовались ядра водорода, гелия и следы лития — самые лёгкие элементы периодической таблицы. По массе Вселенная состоит примерно на 75% из водорода и на 25% из гелия, с крошечной примесью лития. Тяжёлые элементы появились значительно позже, внутри звёзд. Соотношение этих первых элементов, предсказанное теорией, учёные наблюдают во Вселенной до сих пор.
Как Вселенная стала прозрачной
Около 380 000 лет после начала расширения Вселенная остыла до температуры, при которой электроны смогли присоединиться к атомным ядрам. Этот процесс называют рекомбинацией. До этого момента свободные электроны постоянно рассеивали фотоны, и космическое пространство оставалось непрозрачным.
После рекомбинации Вселенная стала прозрачной, и свет впервые распространился свободно. Тепловое излучение того момента до сих пор заполняет всё пространство — его называют реликтовым излучением, или космическим микроволновым фоном. По сути, это снимок Вселенной в возрасте 380 000 лет: телескопы фиксируют его как слабое микроволновое излучение, почти равномерно заполняющее всё небо. Крошечные неоднородности этого излучения отражают первоначальные различия в плотности вещества — из них впоследствии сформировались галактики и крупномасштабная структура Вселенной.
Доказательства теории Большого взрыва
Красное смещение и открытие Хаббла
В 1912–1917 годах астроном Весто Слайфер из обсерватории Лоуэлла обнаружил, что спиральные туманности, которые позже оказались галактиками, удаляются от нас. Он измерил это по красному смещению: свет от удаляющегося источника растягивается в сторону красного конца спектра — так же, как звук сирены меняется, когда машина уезжает.
В 1929 году Эдвин Хаббл сделал следующий шаг: он связал расстояния до галактик (измеренные по пульсирующим переменным звёздам — цефеидам) с их красными смещениями и показал прямую пропорциональность: чем дальше галактика, тем быстрее она удаляется. Из этого следует вывод: раньше всё было ближе друг к другу. Если прокрутить расширение Вселенной назад, она сжимается в то самое горячее плотное состояние.
Независимо от Хаббла, в 1922–1924 годах советский математик Александр Фридман первым получил из уравнений общей теории относительности решение, описывающее расширяющуюся Вселенную. Бельгийский физик Жорж Леметр независимо пришёл к аналогичному результату в 1927 году, а четыре года спустя, в 1931 году, пошёл дальше и предложил идею «первичного атома» — сверхплотного состояния, из радиоактивного распада которого, по его гипотезе, родилась расширяющаяся Вселенная. Эту идею считают одним из истоков современной теории Большого взрыва.
Можно ли увидеть следы Большого взрыва сегодня
Три особенно важных наблюдательных свидетельства поддерживают современную космологическую модель: расширение Вселенной, реликтовое излучение и наблюдаемое содержание лёгких элементов.
Телескопы Hubble и James Webb позволяют заглядывать в прошлое: чем дальше объект, тем более древний свет от него приходит. Наблюдая галактики на расстоянии миллиардов световых лет, учёные видят их такими, какими они были миллиарды лет назад. Ранняя Вселенная выглядела иначе, чем сегодня, — и это подтверждение того, что космос менялся.
Что было до Большого взрыва и что будет дальше
В классической общей теории относительности при движении назад к началу расширения возникает сингулярность, где теория перестаёт работать. Поэтому мы не знаем, имеет ли вообще физический смысл говорить о состоянии Вселенной «до» этого момента. Существуют гипотезы, в которых нашей Вселенной предшествовала другая фаза — например, циклические модели. Есть и другие сценарии. Но пока ни один из них не получил убедительного экспериментального подтверждения.
Примерно 5 миллиардов лет назад, то есть через 8–9 миллиардов лет после начала расширения, оно стало ускоряться. Причину этого ускорения пока не знают. Гипотетический компонент Вселенной, связанный с ускоренным расширением, называют тёмной энергией. Её природа остаётся неизвестной, но по расчётам она составляет около 68–70 процентов всей энергии и материи во Вселенной.
Тёмная материя — отдельная загадка: она не светится и не взаимодействует со светом, но влияет на движение галактик через гравитацию. Вместе тёмная энергия и тёмная материя составляют большую часть космоса — и обе остаются предметом активных исследований. От того, как ведёт себя тёмная энергия со временем, зависит дальнейшая судьба Вселенной. Пока неизвестно, останется ли ускоренное расширение постоянным на огромных временных масштабах.
Заключение
Вселенная существует около 13,8 миллиарда лет, и теория Большого взрыва на сегодняшний день остаётся наиболее подтверждённой моделью его происхождения. За ней стоят три независимых наблюдаемых факта, данные нескольких поколений телескопов и десятилетия проверок. Астрофизика продолжает искать ответы на множество тайн, и многое предстоит только узнать.
