Рождение Вселенной¶

Рождение Вселенной — космологическая модель, описывающая начало и раннюю эволюцию Вселенной, включая возникновение пространства, времени, материи и энергии. Согласно современной научной концепции, известной как теория Большого взрыва, Вселенная возникла около 13,8 млрд лет назад из сверхплотного и сверхгорячего состояния и с тех пор непрерывно расширяется. Эта модель является общепринятой в современной космологии и опирается на совокупность астрономических наблюдений, экспериментальных данных и математического описания.

¶История вопроса

Идея о том, что Вселенная имеет начало и развивается во времени, не всегда была очевидной. В античности и в средние века преобладало представление о неизменной и вечной Вселенной. Переломным стал XX век.

В 1915 году Альберт Эйнштейн опубликовал общую теорию относительности (ОТО), согласно которой гравитация — это искривление пространства-времени под действием массы и энергии. Решение уравнений Эйнштейна, полученное Александром Фридманом в 1922 году, показало, что Вселенная не может быть статичной: она либо расширяется, либо сжимается. Сам Эйнштейн, не доверяя этому результату, ввёл в уравнения так называемую космологическую постоянную, стремясь сохранить модель стационарной Вселенной.

В 1927 году бельгийский физик и католический священник Жорж Леметр на основе решений Эйнштейна предложил модель расширяющейся Вселенной и высказал предположение, что в прошлом она была сосредоточена в сверхплотном «первоатоме». В 1929 году американский астроном Эдвин Хаббл экспериментально подтвердил расширение Вселенной, обнаружив, что галактики удаляются от нас, причём скорость их удаления пропорциональна расстоянию (закон Хаббла). Это открытие стало ключевым доказательством того, что Вселенная расширяется, а значит, в прошлом она была меньше и плотнее.

Термин «Большой взрыв» (Big Bang) был введён в 1949 году британским астрономом Фредом Хойлом во время радиопередачи на Би-би-си. Хойл, будуче сторонником стационарной модели Вселенной, использовал этот термин иронически, однако название прижилось.

¶Основные этапы

Современная модель описывает раннюю Вселенную как последовательность этапов, каждый из которых имеет физическое обоснование.

¶Планковская эпоха

Первые 10⁻⁴³ секунды после начала — так называемая планковская эпоха. В этот период плотность и температура достигали планковских значений (около 10⁹³ г/см³ и 10³² K), при которых законы известной физики, включая общую теорию относительности и квантовую механику, перестают быть применимы. Описать это состояние современная физика не может: требуется теория квантовой гравитации.

¶Инфляция

Спустя порядка 10⁻³⁶ секунды произошла инфляция — кратковременное, но колоссальное экспоненциальное расширение Вселенной за счёт энергии особого квантового поля. За доли секунды размеры Вселенной увеличились в 10²⁶ раз. Инфляция объясняет, почему Вселенная на больших масштабах однородна и плоска, а также происхождение первичных квантовых флуктуаций, из которых впоследствии сформировались галактики и их скопления. Автором этой гипотезы является американский физик Алан Гут, предложивший её в 1980 году.

¶Кварк-глюонная плазма и первичный нуклеосинтез

После инфляции Вселенная описывалась как раскащённая плазма из кварков и глюонов. При остывании до температуры около 10¹² K кварки объединились в протоны и нейтроны. Через 3 минуты после начала, когда температура упала до примерно 10⁹ K, начался первичный нуклеосинтез — образование лёгких ядер: дейтерия, гелия-3, гелия-4 и лития-7. Расчётное соотношение водорода и гелия (около 75% и 25% по массе) хорошо согласуется с наблюдениями.

¶Рекомбинация и реликтовое излучение

Около 380 000 лет после начала Вселенная остыла до температуры около 3000 K, электроны и протоны объединились в нейтральные атомы — произошла рекомбинация. Фотоны, прежде рассеивавшиеся на свободных электронах, стали свободно распространяться в пространстве. Эти фотоны мы наблюдаем сегодня как реликтовое (космическое фоновое) излучение, открытое в 1965 году Арно Пензиасом и Робертом Уилсоном. Его температура составляет 2,725 K, а спектр идеально соответствует закону абсолютно чёрного тела. Это излучение является одним из главных доказательств модели Большого взрыва.

¶Доказательства

Помимо реликтового излучения, модель Большого взрыва подтверждается рядом независимых наблюдений:

• Расширение Вселенной — закон Хаббла, подтверждаемый измерениями красных смещений галакций.
• Примордиальные лёгкие элементы — наблюдаемые соотношения водорода, гелия и лития совпадают с расчётами первичного нуклеосинтеза.
• Структура реликтового излучения — спектральные флуктуации, измеренные космическими обсерваториями WMAP (2001–2010) и Planck (2009–2013), подтверждают модель и позволяют уточнить параметры Вселенной: её возраст, состав и геометрию.

¶Открытые вопросы

Несмотря на успехи, модель не лишена пробелов. Неизвестно, что происходило в планковскую эпоху и какова природа инфляционного поля. Существует проблема первичной сингулярности — математической точки бесконечной плотности, которую физика не может описать. Отдельной загадкой остаётся природа тёмной материи и тёмной энергии, на которые приходится около 95% массово-энергетического содержимого Вселенной.

¶Источники

• Ландау Л. Д., Лившиц Е. М. Курс общей физики. Том 2. Механика.
• Пиаже Ж. Ребёнок и Вселенная.
• Хокинг С. Краткая история времени.
• Доран П. «Космология: от Большого взрыва до тёмной энергии».
• Материалы миссий WMAP и Planck (NASA, ESA).