Биг-бэнг — модель начала Вселенной¶

Биг-бэнг (англ. Big Bang, «большой взрыв») — физико-космологическая модель, описывающая ранние стадии развития Вселенной: в определённый момент в прошлом вся материя, энергия, пространство и время были сосредоточены в сверхплотном и сверхгорячем состоянии, после чего началось их расширение. Термин был предложен в 1948 году британским астрономом Фредом Хойлом в радиопередаче на Би-би-си; сам Хойл, сторонник стационарной модели Вселенной, использовал его в ироничном ключе, однако название прижилось. Биг-бэнг — не взрыв в привычном смысле (взрыв чего-то в окружающем пространстве), а расширение самого пространства.

¶Основные положения модели

Согласно модели, от 13,8 млрд лет назад Вселенная была крайне горячей и плотной, а затем начала расширяться и остывать. Модель не описывает «момент нулевой точки» — сингулярность — как физическое состояние, поскольку общая теория относительности (ОТО) на таких масштабах перестаёт быть применимой. Для описания первых мгновений требуется квантовая гравитация, которая до сих пор не создана.

Ключевые элементы модели:

• Расширение пространства. Галактики удаляются друг от друга не потому, что движутся в пространстве, а потому, что само пространство расширяется. Это следует из решения уравнений Эйнштейна, найденного Александром Фридманом в 1922 году и Жоржем Леметром в 1927 году.
• Космологическое реликтовое излучение. Реликт — это древнейший свет во Вселенной, излучённый примерно через 380 000 лет после начала расширения, когда Вселенная остыла настолько, что стала прозрачной для фотонов. Его открыл в 1965 году Арно Пензиас и Роберт Уилсон (Нобелевская премия по физике, 1978).
• Нуклеосинтез. В первые минуты после начала расширения образовались лёгкие ядра — водорода, гелия, следовые количества лития. Соотношение изотопов в космосе хорошо согласуется с расчётами модели.
• Образование структуры. Из первоначальных неоднородностей, усиленных гравитацией, со временем сформировались звёзды, галактики и их скопления.

¶История

¶Предпосылки

В 1912 году американский астроном Весто Слайфер измерил красные смещения спектров туманностей, показав, что большинство из них удаляется от Земли. В 1922 году Александр Фридман на основе уравнений ОТО показал, что Вселенная не может быть стационарной — она либо расширяется, либо сжимается. В 1927 году бельгийский священник и физик Жорж Леметр предложил модель расширяющейся Вселенной и оценил скорость удаления галактик.

¶Экспериментальное подтверждение

В 1929 году Эдвин Хаббл установил зависимость между расстоянием до галактики и скоростью её удаления (закон Хаббла), подтвердив расширение Вселенной. В 1948 году Джордж Гамов, Ральф Альфер и Роберт Герман предселили существование реликтового излучения, а Хойл, Бонди и Голд разработали альтернативную стационарную модель. В 1965 году Пензиас и Уилсон, измеряя микроволновый фон, случайно обнаружили реликт, что стало главным подтверждением биг-бэнга. В 1990-х годах космические обсерватории «Кобе» и «Планк» детально измерили температурные флуктуации реликта, подтвердив предсказания модели.

¶Современные уточнения

¶Инфляция

В 1981 году Андрей Линде, Алан Гут и Пол Харди предложили модель космологической инфляции — сверхбыстрого экспоненциального расширения Вселенной в первые 10⁻³⁶–10⁻³² секунды. Инфляция объясняет однородность Вселенной на больших масштабах и происхождение первоначальных неоднородностей.

¶Тёмная энергия и ускоренное расширение

В 1998 году группы Сола Перлмуттера, Брайана Шмидта и Адама Рисса, наблюдая далёкие сверхновые типа Ia, обнаружили, что расширение Вселенной не замедляется, а ускоряется. За это открытие им была присуждена Нобелевская премия по физике 2011 года. Ускорение связывают с действием так называемой тёмной энергии, составляющей около 68 % энергии Вселенной. Тёмная материя, составляющая около 27 %, также входит в стандартную ΛCDM-модель.

¶Критика и альтернативы

Модель биг-бэнга остаётся общепринятой в космологии, однако ряд вопросов не решён: природа сингулярности, природа тёмной энергии, механизм инфляции. Предлагались альтернативные модели — циклическая модель (Пенроуз и Гурдиш), модель стационарной Вселенной (Хойл, Бонди, Голд), пульсирующая Вселенная. Ни одна из них не объясняет совокупность наблюдательных данных так полно, как ΛCDM-модель.

¶Интересные факты

• Термин «биг-бэнг» изначально был насмешкой над моделью, но вошёл в научный обиход.
• Вселенная старше, чем Земля примерно в три раза: 13,8 млрд против 4,5 млрд лет.
• Реликтовое излучение имеет температуру 2,725 К — его можно обнаружить обычной телевизионной антенной.

¶Источники

• Эйнштейн А. О специальной и общей теории относительности.
• Фридман А. А. «Кривизна пространства» (1922).
• Хаббл Э. «Расширяющаяся Вселенная» (1937).
• Гамов Дж. «Рождение и смерть Вселенной» (1952).
• Пензиас А., Уилсон Р. Astrophysical Journal, 1965.
• Линде А. «Новые аспекты инфляционной космологии» (1982).
• Перлмуттер С. и др. Astrophysical Journal, 1999.
• Космологические данные миссии «Планк» (ESA, 2018).