Що таке всесвіт коротко. Інфляційна стадія раннього Всесвіту

Поняття, що часто вживається, не так вже й просто. Якщо сформулювати гранично стисло: це все, що існує. Однак подібна відповідь на питання про те, що таке Всесвіт (визначення), до ладу нічого не роз'яснює. Тому зупинимося на ньому докладніше.

Два варіанти

Почати можна з того, що поняття «Всесвіт» є фундаментальним одразу у двох найбільших науках усіх часів: філософії та астрономії. У цілому нині подібні значення слова мають важливе відмінність. У першому випадку під Всесвітом мається на увазі умоглядна структура, у другому ж - матеріальна. Строго кажучи, розгорнуте, але чітке визначення «Всесвіт - це…» і філософії, і астрономії відсутня. При цьому кожне дослідження, фізичне чи уявне, як об'єкт має елемент Всесвіту.

Різні науки займаються спостереженням різних частин цілого, що позначається як Всесвіт. Усю її намагаються охопити космологія та астрономія. Саме з погляду цих наук у цій статті і буде дано відповідь на питання про те, що таке Всесвіт, визначення поняття як сукупності простору і часу, існуючих і керуючих ними законів.

У глибині століть

Серйозному перегляду така картина світу зазнала лише після появи робіт Коперника та Ньютона. Виникла геліоцентрична модель. Відкриття галактик та інших явищ значно доповнили уявлення вчених про Всесвіт. Сьогодні вивчення віддалених об'єктів, прогресивний розвиток методів астрономії та космонавтики призвели до появи більш менш чіткого розуміння про Всесвіт. Втім, дані, що щодня надходять, часто не вписуються в існуючі теорії, дозволяють вважати будь-яке визначення слова «Всесвіт» неостаточним.

склад

Макроструктуру Всесвіту можна описати як простір, що має губкоподібну будову. Стіни цієї структури утворені величезним числом галактик. Відстань між сусідніми з них у більшості випадків – приблизно мільйон світлових років.

Головні елементи галактик - зірки, що обертаються навколо єдиного центру. Основна речовина, що становить зірки, – це водень. Серед інших елементів він є основним у нашому Всесвіті.

Чи був початок?

Вік всього сущого - не таке просте питання, як може здатися. Для того щоб на нього відповісти, спочатку необхідно прийняти той факт, що Всесвіт не існував вічно. Для світу, що звикли жити за релігійними канонами, було важко примірятися з теорією про нескінченний у Всесвіті. Також згодом наукове співтовариство важко звикалося з думкою, що появі світу передувала певна подія - надто це нагадувало біблійне творіння. Однак вагомі аргументи зробили теорію великого вибуху, яка сьогодні у всіх на слуху, що веде в космології. Саме в ній описується момент початку Всесвіту. За підрахунками вчених це було 13,7 млрд. років тому.

Великий вибух

Чільна сьогодні теорія передбачає, що момент появи Всесвіту супроводжувався великим вибухом, причому його походження теоретично не описується. Колосальна кількість енергії була стиснута до неймовірно малих розмірів і почала розширюватися. При цьому речовина Всесвіту була розпеченою до величезних температур. За таких умов почали формуватися перші елементарні частки. Одним із доказів теорії вважається реліктове тло, випромінювання, джерелом якого був великий вибух. Жодні гіпотези, що передбачають вічне існування Всесвіту, пояснити його не можуть.

Майбутнє

Всесвіт розширюється досі. Існуючі моделі опису цього процесу не сходяться переважно: у цьому, яким буде майбутнє всієї системи. Тут можливо два варіанти:

• Всесвіт розширюватиметься нескінченно.
• Певного моменту почнеться зворотний процес, і все завершиться великим стиском.

До списку можливих варіантів фіналу також входить теоретично можливе велике замерзання, теплова смерть та великий розрив Всесвіту.

Кривизна простору

Ще одне завдання, яке ставить перед вченими Всесвіт: визначення її форми. Вона й досі не знайшла рішення.

На сьогоднішній день незрозуміло і те, чи простір Всесвіту є плоским. Позитивна відповідь на це питання уможливлює використання Евклідової геометрії на територіях космічного масштабу. Переважна більшість дослідників схиляється до думки, що простір Всесвіту дійсно плоский і має складки лише на невеликих ділянках.

Замкнена чи ні?

Ще один цікавий момент: згідно з теорією великого вибуху Всесвіт не має як такі просторові межі, проте може бути обмежений. Розуміння цього факту стане легшим, якщо уявити собі сферу: її поверхня не має меж, але обмежена площею. Однозначного розуміння просторової структури Всесвіту сьогодні немає. Якщо вона подібна до тієї ж сфери, то теоретично рух по прямій у довільному напрямку рано чи пізно пройде через точку свого початку.

Ще багато моментів потребують ретельного дослідження. Технічний прогрес і наукові знання поки що не досягли того рівня, при якому ми зможемо дати вичерпну відповідь на питання про те, що таке Всесвіт. Визначення, що існує в астрономії та космології сьогодні, має велику кількість прогалин і вимагає уточнення. Втім, стрімкий розвиток техніки та часті наукові відкриття останніх років дозволяють сподіватися, що незабаром багато проломів у знаннях буде заповнено.

Всесвіт- Це все те, що існує у фізичному плані. Це і закони, і простір, і час, і матерія. Але є й інше значення всесвіту – світ, космос. Вважається, що світ існує протягом 14 мільярдів років. Але низка вчених не згодна з цією думкою, вони говорять про те, що Всесвіт існував, і існуватиме вічно.

З чого складається Всесвіт: його основні ознаки.

На що схожий Всесвіт? Це простір, наповнений особливим клаптоподібною губкоподібною структурою, що розширюється в просторі. Стіни структури виконані з галактик, що розташовані на дуже великій відстані одна від одної – млн. світлових років. Галактики у свою чергу складаються із зірок.

Факт розширення Всесвітудає можливість говорити, що вона могла бути народжена внаслідок Великого вибуху. За допомогою WMAP було визначено її приблизний вік – 14 млрд років. Кінцева Всесвіт чи ні, доки встановлено. Але якщо брати до уваги факт, що швидкість світла кінцева, то і Всесвіт кінцевий. Передбачається, що до її кордону лежить відстань, що дорівнює 93 млрд. світлових років.

Форма Всесвіту незвичайна. Людство ще знайшло такої тривимірної постаті, яка б описати її. Справа в тому, що досі неясно, чи світ є плоским чи ні. Але є думка, що він наближений до форми площини із включеннями просторово-часових спотворень.

Незрозуміло й те, чи є Всесвітмножино-з'єднаною. Але, якщо виходити з теорії Великого Вибуху, вона може мати обмеження у просторі, залишаючись просторово необмеженою. Щоб було зрозуміло, про що йдеться, уявіть сферу. Її площа обмежена, але поверхня сфери кордонів немає.

Історичні моделі розуміння Всесвіту.

Доля Всесвіту та його будову цікавило людство з давніх часів. У Стародавній Греції припускали, що в центрі світу знаходиться Земля, а навколо неї обертаються інші планети та Сонце. А Всесвіт, що складається із зірок, теж обертається навколо Землі.

Популярним було й вчення Демокріта. Суть його полягала в тому, що Всесвіт включає множинні світи, і багато з них живуть - в них живуть прибульці.

Потім, завдяки спостереженням за силою тяжіння, було створено геліоцентричну модель світу. Подальше вивчення астрології призвело до того, що було відкрито та вивчено Чумацький шлях. Сучасна космологія займається вивченням розташування галактик у світі та їх спектрів. Виходячи з останніх даних, можна говорити про те, що Всесвіт пронизаний космічними струнами, що складаються з вакууму. Вони обплутують наш світ як павутиння.

Всесвіт… Слово якесь страшне. Масштаби того, що позначається цим словом, не піддаються жодному осмисленню. Для нас проїхати 1000 км – це вже відстань, а що вони означають у порівнянні з гігантською цифрою, яка позначає мінімально можливий, з погляду вчених, діаметр нашого Всесвіту.


Ця цифра не просто колосальна – вона ірреальна. 93 мільярди світлових років! У кілометрах це виражається наступним числом 879847933950014400000000.

Що таке Всесвіт?

Що ж таке Всесвіт? Як осягнути розумом це неосяжне, адже це, як писав Козьма Прутков, нікому не дано. Давайте обіпрімось на всьому нам знайомі, прості речі, здатні шляхом аналогій привести нас до шуканого розуміння.

З чого складається наш Всесвіт?

Щоб розібратися в цьому питанні, йдіть прямо зараз на кухню і візьміть поролонову губку, яку ви використовуєте для миття посуду. Взяли? Так ось, ви тримаєте в руках модель Всесвіту. Якщо ви через лупу розгляньте структуру губки ближче, то побачите, що вона є безліч відкритих пір, обмежених навіть не стінками, а скоріше перемичками.

Щось подібне є і Всесвіт, але тільки як матеріал для перемичок використовується не поролон, а… … Не планет, не зоряних систем, а галактик! Кожна з цих галактик складається із сотень мільярдів зірок, що обертаються навколо центрального ядра, і кожна може мати розмір до сотень тисяч світлових років. Відстань між галактиками зазвичай становить близько мільйона світлових років.

Розширення Всесвіту

Всесвіт не просто великий, він ще також постійно розширюється. Цей встановлений за допомогою спостереження червоного усунення факт, ліг в основу теорії Великого вибуху.


За даними НАСА вік Всесвіту з моменту Великого вибуху, що започаткував йому початок, становить приблизно 13,7 мільярдів років.

Що означає слово "Всесвіт"?

Слово «Всесвіт» має старослов'янське коріння і, фактично, є калькою з грецького слова ойкументу (οἰκουμένη), що походить від дієслова οἰκέω «населяю, живу». Спочатку цим словом позначалася вся населена частина світу. У церковній мові й досі зберігається таке значення: наприклад, Константинопольський Патріарх у своєму титулі має слово «Вселенський».

Термін походить від слова «вселення» і лише співзвучний слову «все».

Що знаходиться у центрі Всесвіту?

Питання про центр Всесвіту - вкрай заплутана штука і однозначно ще не вирішено. Проблема в тому, що незрозуміло, чи є він взагалі, чи його немає. Логічно припустити, що коли був Великий вибух, з епіцентру якого і почали розлітатися незліченні галактики, значить, простеживши траєкторію кожної з них, можна на перетині цих траєкторій знайти центр Всесвіту. Але справа в тому, що всі галактики віддаляються одна від одної приблизно з рівною швидкістю і з кожної точки Всесвіту спостерігається практично та сама картина.


Натеоретизовано тут стільки, що будь-який академік з глузду з'їде. Навіть залучалося не раз четверте вимір, будь воно негаразд, але особливої ​​чіткості в питанні немає і досі.

Якщо немає чіткого визначення центру Всесвіту, то говорити про те, що знаходиться в цьому самому центрі, ми вважаємо порожнім заняттям.

Що знаходиться за межами Всесвіту?

О, це питання дуже цікаве, але таке ж невизначене, як і попереднє. Взагалі невідомо, чи є у Всесвіті межі. Можливо, їх нема. Можливо вони є. Можливо, крім нашого Всесвіту є й інші з іншими властивостями матерії, з відмінними від наших законів природи та світовими константами. Ніхто не може доказово дати відповідь на подібне запитання.

Проблема полягає в тому, що ми маємо можливість спостерігати Всесвіт лише на відстані 13,3 мільярда світлових років. Чому? Дуже просто: ми пам'ятаємо, що вік Всесвіту становить 13,7 мільярдів років. Враховуючи, що наше спостереження відбувається із затримкою, що дорівнює часу, витраченому світлом на проходження відповідної відстані, ми не можемо спостерігати Всесвіт раніше того моменту, як він, власне, з'явився на світ. На цій відстані ми бачимо Всесвіт ясельного віку.

Що ще ми знаємо про Всесвіт?

Дуже багато та нічого! Ми знаємо про реліктове світіння, про космічні струни, про квазари, чорні діри і багато про що інше. Деяка частина цих знань може бути обґрунтована та доведена; дещо є лише теоретичними викладками, які можуть бути підтверджені доказово, а щось - лише плід багатої фантазії псевдоученых.


Але одне ми знаємо напевно: ніколи не настане момент, коли ми зможемо, полегшено витерши піт з чола, сказати: «Фу-у-х! Питання, нарешті, повністю вивчений. Тут більше ловити нема чого!»

Космологи продовжують просуватися до остаточного розуміння процесів, що створили і сформували Всесвіт.

Всесвіт настільки великий в просторі і в часі, що протягом майже всієї історії людства він залишався недоступним як для наших приладів, так і для нашого розуму. Але все змінилося XX в., коли з'явилися нові ідеї - від загальної теорії відносності Ейнштейна до сучасних теорій елементарних частинок. Успіху було досягнуто також завдяки потужним приладам - ​​від 100- і 200-дюймових рефлекторів, створених Джорджем Еллері Хейлом (George Ellery Hale) і відкрив для нас галактики за межами Чумацького Шляху, до космічного телескопа «Хаббл» епоху народження галактик. Останні 20 років прогрес прискорився. Стало ясно, що темна матерія складається не із звичайних атомів, що існує темна енергія. Народилися сміливі ідеї про космічну інфляцію та множинність всесвітів.

Сто років тому Всесвіт був простіше: вічний і незмінний, що складається з однієї галактики, що містить кілька мільйонів видимих ​​зірок. Сучасна картина набагато складніша і набагато багатша. Космос виник 13,7 млрд років тому внаслідок Великого вибуху. Через частку секунди після початку Всесвіт був гарячою безформною сумішшю елементарних частинок - кварків та лептонів. У міру розширення та охолодження крок за кроком виникали структури: нейтрони та протони, атомні ядра, атоми, зірки, галактики, скупчення галактик та, нарешті, надскоплення. У частині Всесвіту, що спостерігається, зараз міститься 100 млрд галактик, у кожній з них близько 100 млрд зірок і, ймовірно, стільки ж планет. Самі галактики утримуються від розширення гравітацією загадкової темної матерії. А Всесвіт продовжує розширюватись і навіть робить це з прискоренням під дією темної енергії – ще більш загадкової форми енергії, чия гравітаційна сила не притягує, а відштовхує.

Головна тема нашої розповіді про Всесвіт - це еволюція від примітивного кваркового «супу» до наростаючої складності галактик, зірок, планет та життя, яке спостерігається сьогодні. Ці структури з'являлися одна за одною протягом мільярдів років, підкоряючись основним законам фізики. Подорожуючи в минуле, до епохи зародження, космологи спочатку просуваються через детально вивчену історію Всесвіту назад, до першої мікросекунди, потім до $10^(–34)$ з початку (про цей час є ясні ідеї, але поки що немає їх чіткого підтвердження) і , нарешті, до моменту народження (про який існують поки лише припущення). Хоча ми ще не в змозі до кінця зрозуміти, як народився Всесвіт, у нас вже є приголомшливі гіпотези, такі як поняття про множинний всесвіт, що включає нескінченну кількість не пов'язаних між собою субвсесвітів.

ОСНОВНІ ПОЛОЖЕННЯ

• Наш Всесвіт почався з гарячого Великого вибуху 13,7 млрд років тому і з тих пір розширюється та охолоджується. Вона еволюціонувала від безформної суміші елементарних частинок до сучасного високоструктурованого космосу.
• Перша мікросекунда була визначальним періодом, коли речовина стала домінувати над антиречовиною, зародилася структура майбутніх галактик та їх скупчень, і виникла темна матерія – невідома речовина, яка утримує цю структуру.
• Майбутнє Всесвіту визначається темною енергією - невідомою формою енергії, яка спричиняє прискорення космологічного розширення, яке почалося кілька мільярдів років тому.

Всесвіт, що розширюється.

У 1924 р. за допомогою 100-дюймового телескопа "Хукер" Маунт-Вілсонівської обсерваторії Едвін Хаббл виявив, що розпливчасті туманності, що залишалися загадковими кілька століть, - це такі ж галактики, як наша. Тим самим Хаббл збільшив наше уявлення про Всесвіт у 100 млрд разів! А через кілька років він довів, що галактики віддаляються одна від одної, підкоряючись математичній закономірності, відомої тепер як закон Хаббла: що далі галактика, то швидше вона рухається. Саме з цього закону випливає, що Великий вибух становив 13,7 млрд років тому.

КОСМІЧНЕ РОЗШИРЕННЯ
Еволюція Всесвіту відбувається в результаті розширення простору. Оскільки простір розтягується, як оболонка повітряної кульки, галактики віддаляються одна від одної, а світлові хвилі подовжуються (червоніють).

У межах загальної теорії відносності закон Хаббла тлумачиться так: саме простір розширюється, а галактики переміщаються разом із (рис. вгорі). Світло теж розтягується, відчуваючи червоне усунення, а отже, втрачаючи енергію, тому Всесвіт при розширенні охолоджується. Космічне розширення допомагає зрозуміти, як сформувався сучасний Всесвіт. Якщо подумки поринути у минуле, то Всесвіт ставатиме все щільніше, гарячіше, незвичайніше і простіше. Наближаючись до самого початку, ми стикаємося з найглибшими механізмами природи, використовуючи прискорювач потужніший за будь-який з побудованих на Землі - сам Великий вибух.

Вдивляючись через телескоп у простір, астрономи буквально потрапляють у минуле - і що більше телескоп, то глибше проникає їх погляд. Світло, що надходить від далеких галактик, демонструє нам давні епохи, а його червоне зміщення показує, наскільки розширився Всесвіт за минулий час. Спостережуване зараз рекордне червоне зміщення близько восьми, отже, це світло було випущено, коли розмір Всесвіту був у дев'ять разів менший за нинішній, а вік - лише кілька сотень мільйонів років. Такі прилади, як космічний телескоп «Хаббл» і десятиметрові телескопи «Кек» на Мауна-Кеа, легко переносять нас в епоху формування галактик, подібних до нашої - через кілька мільярдів років після Великого вибуху. Світло з більш ранніх епох настільки сильно зміщене в червону частину спектра, що астрономи змушені приймати його в інфрачервоному та радіодіапазонах. Телескопи, що будуються, такі як інфрачервоний космічний телескоп «Джеймс Вебб» діаметром 6,5 м і Великий атакамський міліметровий комплекс (Atacama Large Millimeter Array, ALMA) - мережа з 64 радіотелескопів на півночі Чилі, - перенесуть нас у минуле, до епох зірок та галактик.

Комп'ютерне моделювання показує, що ці зірки та галактики з'явилися, коли вік Всесвіту був близько 100 млн років. Перед цим Всесвіт пройшов через період, званий темною ерою, коли вона була чорною як смоль. Простір заповнювала безформна маса з п'яти частин темної матерії та однієї частини водню з гелієм, яка розріджувалася в міру розширення Всесвіту. Речовина була трохи неоднорідною за щільністю, а гравітація діяла як підсилювач цих неоднорідностей: щільніші області розширювалися повільніше, ніж менш щільні. На момент 100 млн років найбільш щільні області не тільки сповільнили своє розширення, а й почали стискатися. Кожна з таких зон містила близько 1 млн. сонячних мас речовини; вони і стали першими гравітаційно пов'язаними об'єктами в космосі.

Основну частину їхньої маси становила темна матерія, не здатна, за своєю назвою, випромінювати чи поглинати світло. Тому вона утворювала дуже протяжні хмари. З іншого боку, водень і гелій, випромінюючи світло, втрачали енергію та стискалися до центру кожної хмари. Зрештою вони зіщулювалися настільки, що перетворювалися на зірки. Ці перші об'єкти були значно масивнішими за сучасні - сотні мас Сонця. Проживши дуже коротке життя, вони вибухали, викидаючи в простір перші важкі елементи. Через кілька мільярдів років ці хмари з масами мільйони сонячних під дією гравітації згрупувалися в перші галактики.

Випромінювання від перших водневих хмар, яке зазнало сильного червоного зміщення через розширення, можна було б зареєструвати за допомогою величезних комплексів радіоантен із загальною приймальною площею близько квадратного кілометра. Коли ці радіотелескопи будуть створені, стане відомо, як перше покоління зірок і галактик іонізувало водень і тим самим завершило темну еру. (див.: Лоєб А. Темні віки Всесвіту // ВМН, № 3, 2007).

Слабкий відблиск гарячого початку

Позаду темної ери помітний відблиск гарячого Великого вибуху при червоному зміщенні 1100. Це спочатку видиме (червоно-оранжеве) випромінювання через червоне зміщення стало навіть не інфрачервоним, а мікрохвильовим. Заглядаючи в ту епоху, ми бачимо лише стіну мікрохвильового випромінювання, що заповнює все небо - космічне мікрохвильове фонове випромінювання, відкрите в 1964 р. Арно Пензіасом (Arno Penzias) та Робертом Уїлсоном (Robert Wilson). Це слабкий відсвіт Всесвіту, який перебував у дитинстві 380 тис. років, в епоху формування атомів. До цього вона була майже однорідною сумішшю атомних ядер, електронів та фотонів. Коли Всесвіт охолоне до температури близько 3000 К, ядра і електрони почали об'єднуватися в атоми. Фотони перестали розсіюватися на електронах і стали вільно рухатися крізь простір, демонструючи, яким був Всесвіт задовго до народження зірок і галактик.

У 1992 р. супутник NASA «Дослідник фонового випромінювання» (Cosmic Background Explorer, COBE) виявив, що інтенсивність цього випромінювання трохи змінюється - але на 0,001%, вказуючи на слабку неоднорідність у розподілі речовини. Ступінь первинної неоднорідності виявилася достатньою, щоб малі ущільнення стали «затравкою» для майбутніх галактик та їх скупчень, які пізніше виросли під дією гравітації. Розподіл неоднорідностей фонового випромінювання по небу свідчить про важливі властивості Всесвіту: про її середню щільність і склад, про ранні етапи її еволюції. Ретельне вивчення цих неоднорідностей розповіло нам багато про Всесвіт.

КОСМІЧНИЙ МІКРОХВИЛЬОВИЙ ФОНОВИЙ ВИМИК - це зображення Всесвіту в дитячому віці 380 тис. років. Слабкі варіації інтенсивності цього випромінювання (відзначені кольором) служать космічним Розетським каменем, що дає ключ до загадок Всесвіту - його віку, щільності, складу та геометрії..

СВЕРХГЛИБОКОЕ ПОЛЕ «ХАББЛА», найчутливіше з будь-яких отриманих зображень космосу, що відобразило більше 1 тис. галактик на ранній стадії їх формування.

Просуваючись від цієї точки назад, до початку еволюції Всесвіту, ми побачимо, як первинна плазма стає все більш гарячою та щільною. До віку близько 100 тис. років щільність енергії випромінювання була вищою, ніж у речовини, що й утримувало речовину від фрагментації. А в цей момент почалося гравітаційне нудьгування всіх структур, які зараз спостерігаються у Всесвіті. Ще ближче до початку, коли вік Всесвіту був менше однієї секунди, не було атомних ядер, а лише їх складові - протони та нейтрони. Ядра виникли, коли Всесвіту виповнилося кілька секунд, і температура та щільність стали придатними для ядерних реакцій. У цьому нуклеосинтезі Великого вибуху народилися лише легкі хімічні елементи: багато гелію (близько 25% за масою від усіх атомів Всесвіту) та трохи літію, дейтерію та гелію-3. Решта плазми (близько 75%) залишилася у формі протонів, які згодом стали атомами водню. Всі інші елементи Періодичної таблиці народилися через мільярди років в надрах зірок і при їх вибухах.

ВСЕСВІТ Складається в основному з темної енергії та темної матерії; природа обох невідома. Звичайна речовина, з якої сформовані зірки, планети та міжзоряний газ, становить лише малу частку.

Теорія нуклеосинтезу точно передбачає вміст елементів та ізотопів, виміряний у найдавніших об'єктах Всесвіту - у найстаріших зірках і газових хмарах з великим червоним зміщенням. Зміст дейтерію, дуже чутливе до середньої густини атомів у Всесвіті, відіграє особливу роль: його виміряне значення показує, що звичайна речовина становить (4,5 ± 0,1) % від повної густини енергії. Решта – темна матерія та темна енергія. Це точно узгоджується з даними про склад, отриманими з аналізу фонового випромінювання. Така відповідність – величезне досягнення. Адже це два абсолютно різних виміри: перше засноване на ядерній фізиці і відноситься до Всесвіту у віці 1 с, а друге - на атомній фізиці та властивостях Всесвіту у віці 380 тис. років. Їхня узгодженість - важливий тест не тільки для наших моделей еволюції космосу, але і для всієї сучасної фізики.

Відповіді у кварковому супі

До віку в одну мікросекунду не було навіть протонів та нейтронів; Всесвіт був схожий на суп з базових елементів природи: кварків, лептонів та переносників сил (фотонів, W- та Z-бозонів та глюонів). Ми впевнені, що цей «суп із кварками» справді існував, оскільки фізичні умови тієї епохи відтворюються зараз в експериментах на прискорювачах частинок (Див.: Райорден М., Зейц У. Перші мікросекунди // ВМН, № 8, 2006).

Вивчити ту епоху космологи сподіваються не за допомогою великих та пильних телескопів, а спираючись на глибокі ідеї фізики елементарних частинок. Створення Стандартної моделі фізики частинок 30 років тому призвело до сміливих гіпотез, включаючи теорію струн, що намагається об'єднати начебто не пов'язані між собою частки та сили. У свою чергу, ці нові ідеї знайшли додаток у космології, ставши такими ж важливими, як вихідна ідея гарячого Великого вибуху. Вони вказали на глибокий і несподіваний зв'язок між мікросвітом та великим Всесвітом. Можливо, невдовзі ми отримаємо відповіді на три ключові питання: яка природа темної матерії, в чому причина асиметрії між речовиною та антиречовиною і як виник комковатий кварковий суп.

Зважаючи на все, темна матерія народилася в епоху первинного кваркового супу. Природа темної матерії поки що не зрозуміла, та її існування немає сумнівів. Наша Галактика та інші галактики, і навіть їх скупчення утримуються тяжінням невидимої темної матерії. Чим би вона не була, вона повинна слабко взаємодіяти зі звичайною речовиною, інакше вона якось виявила б себе крім гравітації. Спроби описати єдиною теорією всі сили і частки, що спостерігаються в природі, призводять до передбачення стабільних або довгоживучих частинок, з яких могла б складатися темна матерія. Ці частки можуть бути реліктом доби кваркового супу і дуже слабко взаємодіяти з атомами. Один із кандидатів – нейтраліно, найлегша з частинок нещодавно передбаченого класу масивних копій відомих частинок. Нейтраліно повинне мати масу від 100 до 1000 мас протона, тобто. воно має народжуватися в експериментах на Великому адронному колайдері в ЦЕРНі поблизу Женеви. До того ж, намагаючись зловити ці частинки з космосу (або продукти їх взаємодії), фізики створили надчутливі детектори під землею, а також запускають їх на аеростатах і супутниках.

Другий кандидат - аксіон, надлегка частка з масою приблизно в трильйон разів менша, ніж у електрона. На її існування вказують тонкі відмінності, передбачені Стандартною моделлю у поведінці кварків. Спроби зареєструвати аксіон спираються на той факт, що в дуже сильному магнітному полі він може перетворитися на фотон. Як нейтраліно, так і аксіон мають важливу властивість: фізики називають ці частинки «холодними». Незважаючи на те, що вони народжуються при дуже високій температурі, рухаються вони повільно і тому легко групуються в галактики.

Ймовірно, ще один секрет криється в епосі первинного кваркового супу: чому зараз Всесвіт містить тільки речовину і майже не містить антиречовини. Фізики вважають, що спочатку у Всесвіту їх було в рівній кількості, але в деякий момент виник невеликий надлишок речовини - приблизно один зайвий кварк на кожний мільярд антикварків. Завдяки цьому дисбалансу при анігіляції кварків з антикварками у процесі розширення та охолодження Всесвіту збереглося достатньо кварків. Понад 40 років тому експерименти на прискорювачах показали, що закони фізики влаштовані трохи на користь речовини; саме це мале перевагу у процесі взаємодії частинок дуже ранньому етапі призвело до народження надлишку кварків.

Ймовірно, сам кварковий суп виник дуже рано - приблизно через $10^(-34)$ після Великого вибуху, у сплеску космічного розширення, відомого як інфляція. Причиною цього сплеску стала енергія нового поля, що нагадує електромагнітне поле і назване інфлатоном. Саме інфляція має пояснити такі фундаментальні властивості космосу, як його загальну однорідність та дрібні флуктуації щільності, що породили галактики та інші структури у Всесвіті. Коли інфлатон розпався, він передав свою енергію кваркам та іншим частинкам, створивши таким чином тепло Великого вибуху та сам кварковий суп.

Теорія інфляції демонструє глибокий зв'язок між кварками і космосом: квантові флуктуації інфлатону, що існували на субатомному рівні, виросли до астрофізичних розмірів завдяки швидкому розширенню і стали зародком для всіх структур, що спостерігаються сьогодні. Іншими словами, картина мікрохвильового фонового випромінювання на небі – це гігантське зображення субатомного світу. Спостерігаються властивості цього випромінювання узгоджуються з теоретичним прогнозом, доводячи, що інфляція чи щось їй подібне справді сталося дуже ранньої історії Всесвіту.

Народження Всесвіту

Коли космологи намагаються просунутися ще далі і зрозуміти початок Всесвіту, їх судження стають менш впевненими. Протягом століття загальна теорія відносності Ейнштейна була основою вивчення еволюції Всесвіту. Але вона не узгоджується з іншим стовпом сучасної фізики – квантовою теорією, тому найважливіше завдання – примирити їх одне з одним. Тільки з такою об'єднаною теорією ми зможемо просунутися до ранніх моментів еволюції Всесвіту, до так званої ери Планка з віком $10^(–43)$ с, коли формувався сам простір-час.

Пробні варіанти єдиної теорії пропонують нам дивовижні картини перших миттєвостей. Наприклад, теорія струн передбачає існування додаткових вимірів простору і, можливо, наявність інших всесвітів у цьому суперпросторі. Те, що ми називаємо Великим вибухом, могло бути зіткненням нашого Всесвіту з іншого (Див.: Венеціано Г. Міф про початок часів // ВМН, № 8, 2004). Поєднання теорії струн з теорією інфляції призводить, можливо, до найграндіознішої ідеї - до уявлення про множинний Всесвіт (multiverse), що складається з нескінченного числа незв'язаних частин, у кожній з яких свої фізичні закони (Див.: Буссо Р., Полчинськи Й. Ландшафт теорії струн // ВМН, № 12, 2004).

Ідея множинного Всесвіту ще перебуває у розвитку та націлена на дві найважливіші теоретичні проблеми. По-перше, із рівнянь, що описують інфляцію, випливає, що якщо вона відбулася один раз, то процес відбуватиметься знову і знову, породжуючи нескінченну кількість «роздутих» областей. Вони такі великі, що не можуть спілкуватися один з одним і тому не впливають один на одного. По-друге, теорія струн вказує, що ці області мають різні фізичні параметри, такі як кількість просторових вимірів та сімейства стабільних частинок.

Концепція множинного Всесвіту дозволяє по-новому подивитись дві складні наукові проблеми: що було до Великого вибуху і чому закони фізики саме такі? (Питання Ейнштейна: «Чи був у Бога вибір?» ставився саме до таких законів.) Множинний Всесвіт робить безглуздим питання про те, що було до Великого вибуху, оскільки відбувалося безліч великих вибухів, і кожен породжував свій сплеск інфляції. Питання Ейнштейна теж втрачає сенс: у нескінченній кількості всесвітів реалізуються всі можливі варіанти законів фізики, тому закони, що управляють нашого Всесвіту, не є чимось особливим.

Космологи неоднозначно ставляться до ідеї множинного Всесвіту. Якщо між окремими субвсесвітами справді немає зв'язку, ми зможемо переконатися у тому існуванні; фактично вони знаходяться за межами наукових знань. Частина мене хоче закричати: «Будь ласка, не більше одного Всесвіту!» Але з іншого боку, ідея множинного Всесвіту вирішує низку принципових проблем. Якщо вона вірна, то хаблівське розширення Всесвіту лише у 100 млрд разів і коперниківське вигнання Землі з центру Всесвіту у XVI ст. здадуться лише малим доповненням до нашого усвідомлення свого місця у космосі.

В ТЕМРЯВІ

Найважливіший елемент сучасного ставлення до Всесвіту та його найбільша загадка - темна енергія, нещодавно виявлена ​​і глибоко таємнича форма енергії, що викликає прискорення космічного розширення. Темна енергія перехопила управління у матерії кілька мільярдів років тому. Доти розширення сповільнювалося під впливом гравітаційного тяжіння матерії, і гравітація була здатна створювати структури - від галактик до скупчень. Нині, через вплив темної енергії, структури більші за скупчення не можуть формуватися. А якби темна енергія перемогла ще раніше – скажімо, коли вік Всесвіту був лише 100 млн років – то формування структур припинилося б до того, як виникли галактики, і нас би тут не було.

У космологів поки що дуже невиразне уявлення про те, що ж таке ця темна енергія. Щоб розширення прискорювалося, потрібна сила відштовхування. Загальна теорія відносності Ейнштейна показує, що гравітація гранично пружної форми енергії може викликати відштовхування. Квантова енергія, що заповнює порожній простір, діє саме так. Але проблема в тому, що теоретичні оцінки густини квантової енергії не узгоджуються з вимогами спостережень; Власне, вони перевершують їх на багато порядків. Інша можливість: космічним прискоренням може керувати не нова форма енергії, а щось, що імітує цю енергію, скажімо, хибність загальної теорії відносності чи вплив невидимих ​​просторових вимірів (Див.: Крос Л., Тернер М. Космічна загадка // ВМН, № 12, 2004).

Якщо Всесвіт продовжить прискорюватись у нинішньому темпі, то через 30 млрд років усі ознаки Великого вибуху зникнуть (див.: Крос Л., Шеррер Р. Чи настане кінець космології? // ВМН, № 6, 2008). Всі галактики за винятком кількох найближчих зазнають такого великого червоного зміщення, що стануть невидимими. Температура космічного фонового випромінювання опуститься нижче за чутливість приладів. При цьому Всесвіт стане схожим на той, який астрономи уявляли собі 100 років тому, перед тим, як їхні прилади стали досить потужними, щоб побачити Всесвіт, який ми знаємо сьогодні

Сучасна космологія, по суті, принижує нас. Ми складаємося з протонів, нейтронів та електронів, які в сукупності складають всього 4,5% Всесвіту; ми існуємо лише завдяки найтоншим зв'язкам між найменшим і найбільшим. Закони мікрофізики забезпечили домінування речовини над антиречовиною, поява флуктуацій, що стали затравкою для галактик, заповнення простору частинками темної матерії, що забезпечила гравітаційну інфраструктуру, яка дозволила сформуватися галактикам, перш ніж взяла гору темна енергія, а розширення почало прискорюватися. У той же час космологія за своєю природою зарозуміла. Думка про те, що ми можемо зрозуміти щось у такому безмежному океані простору та часу, як наш Всесвіт, на перший погляд здається абсурдним. Ця дивна суміш скромності та самовпевненості дозволила нам за минуле століття дуже далеко просунутися у розумінні будови сучасного Всесвіту та його еволюції. Я з оптимізмом чекаю подальшого прогресу найближчими роками і абсолютно впевнений, що ми живемо у золотий вік космології.

Якби у Всесвіті було ще більше темної енергії, він би залишився майже безформним (ліворуч), без тих великих структур, які ми бачимо (праворуч).

Переклад: В.Г. Сурдін

ДОДАТКОВА ЛІТЕРАТУРА

• The Early Universe. Edward W. Kolb та Michael S. Turner. Westview Press, 1994.
• The Inflationary Universe. Alan Guth. Basic, 1998.
• Quarks and the Cosmos. Michael S. Turner in Science, Vol. 315, pages 59–61; January 5, 2007.
• Dark Tnergy and the Accelerating Universe. Joshua Frieman, Michael S. Turn-er and Dragan Huterer в Annual Reviews of Astronomy and Astrophysics, Vol. 46, pages 385-432; 2008. Доступно онлайн: arxiv.org.
• Черепащук А.М., Чернін О.Д. Гори- парасольки Всесвіту. Новосибірськ: Вид-во З РАН, 2005.

Майкл Тернер (Michael S. Turner) першим взявся за об'єднання фізики частинок, астрофізики та космології та на початку нинішнього десятиліття очолив роботу Національної академії у цій новій галузі досліджень. Він професор Інституту космологічної фізики Фонду Кавлі у університеті Чикаго. З 2003 до 2006 р. він очолював відділення фізико-математичних наук Національного наукового фонду. Серед його нагород премія Уорнера Американського астрономічного товариства, премія Лілієнфельда Американського фізичного товариства та премія Клопстега Американської асоціації вчителів фізики.

Плем'я бошонго в центральній Африці вірить, що з давніх-давен була тільки темрява, вода і великий бог Бумба. Якось Бумбу так хворів, що його вирвало. І так з'явилося Сонце. Воно висушило частину великого Океану, звільнивши заточену під його водами землю. Нарешті Бумбу вирвало місяцем, зірками, а потім на світ з'явилися деякі тварини. Першим став леопард, за ним – крокодил, черепаха та, нарешті, людина. Сьогодні ж ми поговоримо про те, що таке Всесвіт у сучасному уявленні.

Розшифрування поняття

Всесвіт - грандіозний, незбагненних розмірів простір, заповнений квазарами, пульсарами, чорними дірками, галактиками та матерією. Всі ці компоненти перебувають у постійній взаємодії і формують наше світобудову у тому вигляді, яким ми його собі уявляємо. Нерідко зірки у Всесвіті знаходяться не поодинці, а у складі грандіозних скупчень. У деяких із них може бути кілька сотень, а то й тисяч таких об'єктів. Астрономи кажуть, що невеликі та середні скупчення («жабина ікра») утворилися зовсім недавно. А ось кулясті освіти - давні і дуже давні, що "пам'ятають" ще первинний космос. Всесвіт таких утворень містить багато.

Загальні відомості про будову

Зірки та планети утворюють галактики. Всупереч поширеній думці системи галактик надзвичайно рухливі і практично весь час переміщаються в просторі. Зірки – також величина непостійна. Вони зароджуються і гинуть, перетворюючись на пульсари та чорні дірки. Наше Сонце – зірка «середнього штибу». Живуть такі (за мірками Всесвіту) дуже мало, трохи більше 10-15 мільярдів років. Звичайно ж, у Всесвіті існують мільярди світил, які за своїми параметрами нагадують наше сонце, і стільки ж систем, що схожі на Сонячну. Зокрема, поблизу нас знаходиться Туманність Андромеди.

Ось що таке Всесвіт. Але все далеко не так просто, оскільки існує грандіозна кількість таємниць та протиріч, відповідей на які поки що немає.

Деякі проблеми та протиріччя теорій

Міфи стародавніх народів про створення всього сущого, як багато інших до і після них, намагаються відповісти на питання, які нас усіх цікавлять. Чому ми тут, звідки взялися планети Всесвіту? Звідки ми походили? Звичайно, більш-менш виразні відповіді ми починаємо отримувати лише зараз, коли наші технології досягли певного прогресу. Втім, за всю історію людини нерідко зустрічалися ті представники людського племені, які чинили опір ідеї того, що Всесвіт взагалі мав початок.

Арістотель і Кант

Наприклад, Арістотель, найвідоміший з грецьких філософів, вважав, що "походження Всесвіту" - термін неправильний, тому що існував він завжди. Щось вічне більш досконале, ніж щось створюване. Мотивація для віри у вічність Всесвіту була проста: Аристотель не хотів визнавати існування якогось божества, яке могло б її створити. Зрозуміло, його противники в полемічних суперечках наводили приклад створення Всесвіту як свідчення існування вищого розуму. Канту довгий час не давав спокою одне питання: «Що було перед тим, як виник Всесвіт?» Він відчував, що всі теорії, які існували на той час, мали багато логічних протиріч. Вченим було розроблено так звану антитезу, яку досі використовують деякі моделі Всесвіту. Ось її положення:

• Якщо Всесвіт мав початок, то чому він вичікував вічність перед своїм виникненням?
• Якщо Всесвіт вічний, то чому в ньому взагалі існує час; навіщо взагалі треба відміряти вічність?

Звичайно, для свого часу він ставив більш ніж правильні питання. Ось тільки сьогодні вони дещо застаріли, але деякі вчені, на превеликий жаль, продовжують керуватися саме ними у своїх дослідженнях. Кінець метанням Канта (точніше, його продовжувачів) поклала теорія Ейнштейна, що проливає світло на будову Всесвіту. Чим вона так вразила наукову спільноту?

Погляд Ейнштейна

У його теорії відносності простір і час більше не були абсолютними, прив'язаними до якоїсь точки відліку. Він припустив, що вони здатні до динамічного розвитку, що визначається енергією у Всесвіті. Час по Ейнштейну настільки невизначений, що немає особливої ​​потреби у його визначенні. Це було схоже на з'ясування напряму на південь від Південного полюса. Досить безглузде заняття. Будь-яке так зване «початок» Всесвіту було б штучно в тому сенсі, що можна було б спробувати розмірковувати про більш «ранні» часи. Простіше кажучи, це проблема не так фізична, як глибоко філософська. Сьогодні її вирішенням займаються найкращі уми людства, які невпинно думають про утворення первинних об'єктів у космічному просторі.

Сьогодні найпоширеніший позитивістський підхід. Простіше кажучи, ми осмислюємо саму будову Всесвіту так, як можемо її уявити. Ні в кого не вдасться запитати, чи модель, що використовується, істинною, чи немає інших варіантів. Її можна вважати вдалою, якщо вона досить витончена і органічно включає всі накопичені спостереження. На жаль, ми (швидше за все) неправильно інтерпретуємо деякі факти, користуючись штучно створеними математичними моделями, що надалі призводить до спотворення фактів про навколишній світ. Думаючи про те, що таке Всесвіт, ми не беремо до уваги мільйони фактів, які поки що просто не відкриті.

Сучасні відомості про виникнення Всесвіту

"Середньовіччя Всесвіту" - ера темряви, що існувала перед появою перших зірок і галактик.

Саме в ті загадкові часи утворилися перші важкі елементи, з яких створено ми і весь навколишній світ. Тепер дослідники розробляють первинні моделі Всесвіту та методи для дослідження тих явищ, які відбувалися на той час. Сучасні астрономи кажуть, що Всесвіту приблизно 13,7 мільярда років. Перед виникненням Всесвіту космос був настільки гарячим, що всі атоми, що існували, були розділені на позитивно заряджені ядра і негативно заряджені електрони. Ці іони блокували весь світ, не даючи йому поширюватись. Царила Темрява, кінця та краю якої не було.

Перше світло

Приблизно через 400 000 років після Великого вибуху простір охолонув достатньо, щоб розрізнені частинки змогли об'єднатися в атоми, утворивши планети Всесвіту і... перше світло в космосі, відлуння якого досі відомі нам як «світловий горизонт». Що було до Великого вибуху, ми й досі не знаємо. Можливо, тоді існував якийсь інший Всесвіт. Можливо, нічого не було. Велике Ніщо… Саме на цьому варіанті наполягають багато філософів та астрофізиків.

Поточні моделі припускають, що перші галактики Всесвіту почали формуватися приблизно через 100 мільйонів років після Великого вибуху, започаткувавши наш світобудову. Процес формування галактик і зірок поступово продовжувався, поки більшість водню і гелію була включено до складу нових сонців.

Таємниці, які чекають на свого дослідника

Існує багато питань, відповісти на які могло б допомогти дослідження процесів, що відбувалися спочатку. Наприклад, коли і як з'явилися жахливо великі чорні дірки, помічені в серцях практично всіх великих скупчень? Сьогодні відомо, що Чумацький шлях має чорну дірку, вага якої становить приблизно 4 мільйони мас нашого Сонця, а деякі стародавні галактики Всесвіту мають у своєму складі чорні дірки, розміри яких взагалі важко уявити. Найбільш величезним є освіта у системі ULAS J1120+0641. Її чорна діра має вагу, що в 2 мільярди разів перевищує масу нашого світила. Ця галактика виникла лише через 770 мільйонів років після Великого вибуху.

В цьому і полягає головна загадка: згідно з сучасними уявленнями, настільки масивні освіти просто не встигли б виникнути. Тож як вони сформувалися? Яке «насіння» цих чорних дірок?

Темна матерія

Нарешті, темна матерія, з якої, на думку багатьох дослідників, на 80% складається космос, Всесвіт, і досі є «темним конем». Ми досі не знаємо, якою є природа темної матерії. Зокрема, викликає багато питань її будову та взаємодію тих елементарних частинок, з яких складається ця таємнича речовина. Сьогодні ми припускаємо, що її складові один з одним практично не взаємодіють, тоді як результати спостережень за деякими галактиками цій тезі суперечать.

Про проблему походження зірок

Інша проблема - питання про те, на що були схожі перші зірки, з яких утворено зірковий Всесвіт. В умовах неймовірного тепла і при жахливому тиску в ядрах цих сонців відносно прості елементи, такі як водень і гелій, перетворювалися, зокрема, на вуглець, на якому ґрунтується наше життя. В даний час вчені вважають, що перші зірки були в багато разів більше сонця. Можливо, вони жили лише кілька сотень мільйонів років, а то й менше (ймовірно, саме так і утворилися перші чорні дірки).

Втім, деякі зі «старожилів» цілком можуть існувати і в сучасному космосі. Вони, напевно, були дуже бідні щодо важких елементів. Можливо, деякі з цих утворень можуть і досі «ховатися» в ореолі Чумацького шляху. Ця таємниця також досі не відкрита. З такими казусами доводиться зустрічатися щоразу, відповідаючи питанням: «То що таке Всесвіт?» Для дослідження перших днів після її виникнення надзвичайно важливим є пошук найбільш ранніх зірок і галактик. Природно, що найбільш давніми напевно є об'єкти, які розташовуються на самому краю світлового горизонту. Проблема лише в тому, що до тих місць можуть дістатись лише найпотужніші та найскладніші телескопи.

Величезні сподівання дослідники покладають на космічний телескоп Джеймса Вебба. Цей інструмент покликаний дати вченим найцінніші відомості про перше покоління галактик, які сформувалися одразу після Великого вибуху. Зображень цих об'єктів у прийнятній якості практично немає, тому великі відкриття все ще попереду.

Дивне «світило»

Усі галактики поширюють світло. Якісь освіти світять сильно, якісь відрізняються помірним «освітленням». Але існує найяскравіша галактика у всесвіті, інтенсивність світіння якої не схожа ні на що інше. Її ім'я – WISE J224607.57-052635.0. Розташовується ця «лампочка» на відстані цілих 12,5 мільярдів світлових років від Сонячної системи, а світить вона, як 300 трильйонів Сонців разом. Зауважимо, що подібних утворень сьогодні існує близько 20, причому не слід забувати про поняття «світлового горизонту».

Простіше кажучи, зі свого місця ми бачимо лише ті об'єкти, освіта яких сталася близько 13 мільярдів років тому. Далекі області недоступні погляду наших телескопів просто тому, що світло звідти не встигло банально дійти. Так що в тих краях, напевно, існує щось аналогічне. Ось яка найяскравіша галактика у Всесвіті (точніше, у її видимій частині).