За вратами загадочнной Вселенной. Том 1

Другими словами, на этапе квантового хаоса Вселенная, можно сказать, находилась в состоянии квантового коктейля. Это означает, что в ней одновременно существовали различные состояния материи и энергии. Например, электроны могли находиться в двух состояниях одновременно, а фотоны – иметь нулевую или бесконечно большую энергию. Природа мироздания на этом этапе существования не поддается описанию в рамках известной нам физики. Тем не менее, произошел распад непрерывного единого пространства-времени на кванты[11 - Квант- неделимая часть какой-либо величины в физике.]. Их хаотическое поведение привело к дальнейшему развитию Вселенной, поэтому этап квантового хаоса является одним из наиболее интересных и загадочных периодов в её эволюции.

После него на 10^-45 секунде наступила планковская эпоха, то есть момент окончания квантового хаоса, но она остаётся непонятной из-за отсутствия способа объединить квантовую механику и гравитацию.

Планковская длина и планковское время

Причиной этого является расширение Вселенной, по мере которого ее температура и плотность начали снижаться – и квантовые эффекты стали менее заметными.

Окончание квантового хаоса ознаменовало переход Вселенной от однородного и изотропного состояния к неоднородному и анизотропному, что привело к образованию различий в плотности вещества, а в конечном итоге – к образованию галактик и других структур.

Точное время окончания квантового хаоса является предметом дискуссий среди ученых. Некоторые исследователи считают, что оно произошло в момент, когда температура Вселенной упала ниже 10^15 градусов Кельвина, а другие, что это произошло позже – при температуре 10^12 градусов Кельвина.

Независимо от того, когда именно завершилось окончание квантового хаоса, оно явилось важным событием в истории Вселенной, поскольку ознаменовало переход к ее нынешнему состоянию, которое мы наблюдаем сегодня. Исследователи продолжают изучать этот период рождения космического мироздания, чтобы лучше понять его природу и последствия.

Следующей стадией истории Вселенной стала инфляционная стадия – очень короткий, но интенсивный период её резкого расширения, который произошел в самом начале вскоре после Большого Взрыва.

Инфляционная стадия Вселенной

Инфляция[12 - Быстрый рост масштабов, при котором скорость роста пропорциональна значению самого масштаба.] была вызвана существованием гипотетической субстанции, называемой инфляционным полем, обладавшим отрицательным давлением, которое привело к ускоренному расширению Вселенной. В первый момент инфляции от единого суперсимметричного поля, ранее включавшего поля фундаментальных взаимодействий, отделилось гравитационное взаимодействие.

Словом, в течение крохотной доли времени (менее, чем за одну миллиардную долю доли секунды), Вселенная, предположительно, экспоненциально[13 - То есть быстро, безудержно.] расширилась. Проще говоря, стала очень быстро раздуваться, а ближе к концу энергия физических полей перешла в энергию обычных частиц, что значительно повысило температуру вещества и излучения.

Инфляция имела ряд важных последствий для эволюции Вселенной. Она привела к тому, что Вселенная стала однородной и изотропной на больших масштабах, а также к образованию различий в плотности вещества.

Это предположение о периоде инфляции, хотя и не имеет прямых наблюдений, является ключевой частью современных космологических теорий и помогает объяснить некоторые загадки ранней Вселенной.

После того, как состояние инфляции закончилось и энергия пространства преобразовалась в материю, антиматерию и излучение, началась стадия радиационного доминирования, когда температура Вселенной начала понижаться и сформировались фермионы[14 - Частицы с полуцелым спином (например, электрон, протон, нейтрон, нейтрино).]. Они разделились на кварки – бесструктурные элементарные частицы и фундаментальные составляющие материи, сильно взаимодействующие между собой, а также лептоны, которые свободно существуют в пространстве независимо от своих собратьев. Затем кварки объединились в составные частицы, называемые адронами, наиболее стабильными из которых являются протоны и нейтроны, компоненты атомных ядер.

Стадия радиационного доминирования, когда температура Вселенной начала понижаться и сформировались фермионы

Горячий первичный бульон расширился и остыл, образовав легкую асимметрию между материей, которой было чуть больше, и антиматерией, которой было чуть меньше. Словом, начали образовываться начальные химические элементы и синтезироваться гелий. Однако, излучение все еще преобладало над веществом.

Спустя 10 000 лет энергия вещества постепенно превосходит энергию излучения и происходит их разделение. Вещество начинает доминировать над излучением, и возникает реликтовый фон – остаточное тепло, оставшееся с первых лет сразу после Большого взрыва, которое все еще можно найти в пустых просторах космоса и которое свидетельствует в поддержку этой теории.

Также разделение вещества с излучением значительно усилило изначальные неоднородности в распределении вещества, в результате чего стали образовываться ядра, а потом и нейтральные атомы, которые собирались в гравитационных сверхплотных регионах и образовали первые звезды спустя десятки миллионов лет.

Первые звезды спустя десятки миллионов лет после рождения Вселенной

На крупных масштабах звездные скопления, галактики и другие структуры сливались вместе и образовали крупномасштабные структуры, которые мы наблюдаем сегодня. На малых масштабах поколения переработанного, выжженного звездного материала дали жизнь новым поколениям звезд. Эти последние поколения содержали 1—2% тяжелых элементов, некоторые из которых образовали твердые планеты. Часть этих планет, богатых фундаментальными ингредиентами жизни, сформировалась в потенциально обитаемых зонах своих звезд. Законы Вселенной пришли к тому виду, в котором мы наблюдаем их сегодня.

Вышеописанная картина сложена из нескольких основополагающих теорий и дает общие представление о формировании Вселенной на ранних этапах ее существования.

Приведу имеющиеся доказательства теории Большого взрыва:

• Наблюдения за далекими галактиками показывают, что они удаляются друг от друга с ускорением. Это можно объяснить только тем, что Вселенная расширяется.

• В 1964 году американские астрономы Арно Пензиас и Роберт Вильсон обнаружили в космосе электромагнитное излучение, которое имеет температуру около 2,7 Кельвина, и интерпретируется как реликтовое излучение, оставшееся от Большого взрыва.

• Исследования показывают, что водород и гелий составляют около 99% вещества Вселенной. Это согласуется с предсказаниями теории Большого взрыва, согласно которой Вселенная должна была образоваться из вещества, состоящего в основном из водорода и гелия.

Тайна Большого Взрыва связана с природой темной энергии и темной материи. Эти загадочные компоненты составляют большую часть Вселенной, но мы знаем о них крайне мало. Темная энергия ускоряет расширение Вселенной, в то время как темная материя влияет на гравитационное взаимодействие галактик.

Сам момент Большого Взрыва, когда плотность и температура были бесконечными, представляет собой точку t=0 во времени. Эта «бесконечность» – загадка, вызывающая споры и непонимание, ибо теории физики не могут адекватно описать состояние до того момента.

Как считают ученые, скорее всего, Большой взрыв случился в полной тишине. Затем, в период начального расширения Вселенной, звуковых волн тоже не было. В отличие от Земли, в космическом вакууме нет воздуха, поэтому звуковые волны не могут распространяться. Наверное, этим и объясняется то, то в космосе всегда какая-то странно-странная тишина. И только потом, когда скорость расширения снизилась и началось образование звезд, появились различия в плотности, которые и определили характеристики первого звука. По мнению астрономов, он напоминал шипение, которое постепенно усиливалось, а затем переросло в рокот.

Хотя есть и другая точка зрения. Якобы, из-за быстрого расширения Вселенной возникли акустические волны, которые называются «звуком Вселенной». Они стали основой для формирования структуры галактик.

На сегодняшний день теория Большого взрыва является наиболее популярной космологической моделью. Она объясняет многие наблюдаемые свойства Вселенной и хорошо согласуется с экспериментальными данными. Однако некоторые вопросы, связанные с теорией Большого взрыва, остаются нерешенными:

• Что было до Большого взрыва?

• Какая сила вызвала Большой взрыв?

• Почему Вселенная содержит такое количество атомов водорода и гелия?

Существуют еще и альтернативные теории происхождения Вселенной:

1. Теория циклической модели, утверждающая, что Вселенная существовала всегда и со временем лишь менялось ее состояние: она будет расширяться за счет темной энергии до тех пор, пока не приблизится к моменту «распада» самого пространства-времени, именуемого как Большой Разрыв. Прямо сейчас существует четыре различных варианта циклической модели Вселенной, одна из которых – конформная циклическая космология.

2. Теория стационарной Вселенной, согласно которой Вселенная существует вечно и не расширяется, то есть остается неизменной в любом месте и в любое время.

3. Теория пульсирующей Вселенной, предполагающая, что Вселенная периодически расширяется и сжимается.

4. Теория вечной инфляции. Понятие было введено космологом Аланом Гутом в 1979 году, чтобы объяснить, почему Вселенная плоская, чего не хватало в первоначальной теории Большого взрыва.

5. Теория плазменной Вселенной. Космология плазмы предполагает, что электромагнитные силы и плазма играют очень важную роль во Вселенной вместо гравитации. Хотя у этого подхода много разных вариантов, основная идея остается той же: каждое астрономическое тело, включая Солнце, звезды и галактики, является результатом какого-либо электрического процесса.

6. Мультивселенная теория, которая предполагает, что наша Вселенная – всего лишь одна из множества параллельных Вселенных, образующих мультивселенную структуру.

7. Теория струн, согласно которой основными элементами Вселенной являются не точечные частицы, а вибрирующие струны, создающие все частицы и силы.

Однако эти альтернативные теории были в основном отвергнуты научным сообществом в пользу Большого взрыва после открытия космического микроволнового фона.

Несмотря на то, что эти и другие модели отвечают на ряд вопросов, ответы на которые не может дать теория Большого Взрыва, в том числе проблема космологической сингулярности, всё же в комплекте с инфляционной теорией Большой Взрыв более цельно объясняет возникновение Вселенной, а также сходится с множеством наблюдений. Вопрос происхождения Вселенной – одно из самых захватывающих исследовательских направлений в науке, поэтому новые эксперименты и наблюдения позволяют уточнять и расширять наши представления об этом.

Что ж, Вселенная – это удивительное и загадочное место, полное необычных и грандиозных структур. Одна из таких структур – огромный пузырь галактик, который был недавно обнаружен астрономами.

Этот пузырь имеет диаметр в 1 миллиард световых лет, что в 10 000 раз больше, чем наш Млечный Путь. Он находится от нас на расстоянии около 820 миллионов световых лет, то есть в ближайшей части Вселенной. Астрономы дали ему имя Ho’oleilana, что на гавайском языке означает «посланные шепоты пробуждения». Это имя взято из гавайского творческого пения Kumulipo, которое описывает происхождение структуры и связано со звездами и луной. Что же такое этот пузырь и как он возник?

Ученые считают, что он может быть ископаемым остатком от Большого взрыва – события, породившего нашу Вселенную, которая в то время была очень горячей, плотной и почти однородной массой материи.

Огромный пузырь галактик

Но в этой материи были небольшие колебания плотности, вызванные гравитацией и излучением, которые создавали звуковые волны, называемые барионными акустическими осцилляциями – БАО.

Это периодические плотности газа и темной материи, которые распространялись по Вселенной в виде сферических оболочек, и оставили следы на космическом микроволновом фоне – реликтовом[15 - Объекты, которые образовывались только в начале эволюции Вселенной.] излучении от Большого взрыва, которое заполняет всю Вселенную.

Но БАО не только повлияли на космический микроволновый фон, но и на распределение галактик в Вселенной, которые образовались в местах, где была большая плотность материи, а значит, и большая гравитация[16 - Универсальное фундаментальное взаимодействие между материальными телами, обладающими массой.]. БАО создавали такие места, формируя сферические оболочки с повышенной плотностью на своих краях, в которых образовывались галактики.