Дорогие читатели, давайте отправимся в путешествие во времени на более, чем 13 миллиардов лет назад, к самым истокам появления пространства и времени, материи и энергии, из которых состоим мы, звезды, галактики. "Зачем появилась Вселенная и мы?" - это философский вопрос, на который пока трудно дать ответ. Однако, есть и другие интересные вопросы: "Как появилась Вселенная? Как она постепенно возникала и приобретала современную форму?" И вот к ответу на эти вопросы нас уже значительно приблизила наука.
Каждая наша остановка будет отсчитываться от времени Большого Взрыва, начала Вселенной. А "платформой" или "выходом на посадку", с которого мы отправимся, будем считать время и место, где Вы сейчас находитесь.
Точка отправления: здесь и сейчас. Лирическое отступление на 0-4 миллиарда лет
Давайте на прощанье окинем взглядом наше настоящее время, а так же последние 4 миллиарда лет. Мы отправляемся в путешествие с прекрасной планеты Земля, где возникла удивительная и разнообразная жизнь, и мы. Наша точка отправления сама по себе очень интересна, и связана непосредственным образом с развитием Вселенной.
Физика и жизнь
Одна из основ физики - это "принцип наименьшего действия", согласно которому все в природе протекает по самому простому сценарию. Яблоко всегда падает ровно вниз, а тепло само по себе не переходит от холодного к горячему. Из этого принципа, применяемого к различным моделям, появляются многие основные законы. В термодинамике следствием этого принципа является второй закон термодинамики, согласно которому энтропия (мера хаоса, беспорядка) сама по себе не уменьшается. По этой причине что-либо разбитое невозможно полностью восстановить, так как возник "беспорядок" в кристаллической структуре, и мы не можем знать как куда подставить все нужные части и молекулы. Таким образом, в природе в целом все стремится от порядка (в начале Вселенной) к беспорядку.
А вот жизнь - удивительный феномен, так как эволюция живых существ и развитие человечества не попадают под второй закон термодинамики. Жизнь идет от хаоса - к порядку, от примитивного - к сложному. Откуда вообще возникло первое живое существо или бактерия - до конца не ясно. Однако, согласно принципам эволюции, более примитивные существа, для описания которых требовалось меньше информации в ДНК, порождали более сложные существа, для описания которых требовалось больше информации в ДНК, и которые состояли из большего количества органов, и т.д.
Таким образом, появление жизни - это переломный момент, когда основные принципы, руководящие процессами первых мгновений Вселенной, и миллиардами лет ее становления, перестают быть универсальными! Появляется что-то новое, и это само по себе очень интересно. Наконец, мы можем наблюдать за Вселенной, и даже оставить какой-то маленький вклад. Жизнь - это когда Вселенная начинает осознавать саму себя.
Темная энергия
Удивительным образом, "здесь и сейчас" (растяжимое понятие, как Вы уже поняли) мы так же наблюдаем очередной переломный момент. По наблюдению за галактиками в обозримой Вселенной мы видим, что пространство Вселенной расширяется по закону Хаббла, одинаково в каждой точке , нет какого-либо центра. В масштабах нашей планеты, и даже галактики, это не заметно. Эффект проявляет себя на больших расстояниях, в масштабах скоплений галактик. Но недавно мы узнали, что пространство, оказывается, расширяется еще и с ускорением. Быстрее и быстрее. И происходить это ускорение стало не так давно, по космическим меркам. В астрономии этот феномен назвали "темная энергия" из-за того, что для ускорения расширения пространства требуется энергия, но точно не известно, что это за энергия, и откуда она берется. Есть мнение, что это может быть энергия вакуума.
Уже хотя бы из того, что Вселенная расширяется, можно сделать вывод, что когда-то Вселенная была достаточно плотная. А если продолжать уплотнять Вселенную, то получится что-то не только плотное, но и очень горячее... об этом чуть позже.
Первая остановка: первые звезды. 400 миллионов лет после Большого Взрыва
Мы успешно зарядили наш гипер-двигатель и прыгнули назад в прошлое на 13,3 - 13,4 миллиардов лет. За окном - темнота. Во Вселенной еще не возникли звезды, вокруг только газ, который под действием своей тяжести формирует уплотнения в виде прото-галактик и прото-звезд. Запаситесь попкорном, сейчас будет происходить самое интересное.
Ускорим немного ход времени, и заметим, что начинают загораться первые звезды, как Новогодние огни на гирлянде!
И гирлянда ведь тоже уже есть - это космическая сеть-паутина из так называемой "темной материи". На одной из лекций Нобелевского лауреата 2006 года, Джорджа Смута, которую я посетил несколько лет назад, он провел элегантную аналогию: "галактики - это жемчужины на ожерелье темной материи". Что такое темная материя до конца не ясно, но она притягивает к себе сети галактик, образуя космическую паутину, и влияет на движение галактик и звезд. Так как темная материя начала формировать скопления гораздо раньше обычной материи, она заранее подготовила "каркас", на котором держатся галактики и их скопления.
Первые звезды были невероятно массивные и яркие, и горели не долго. После того, как их термоядерное водородное топливо заканчивалось, эти звезды взрывались, разнося сформированные более тяжелые химические элементы по космосу. Из этих более тяжелых элементов: углерод, кальций, кислород, - и состоим мы с Вами. В наших телах содержится вещество звезд, и при этом не одной.
Путешествуя дальше в прошлое без звезд, мы обнаруживаем, что Вселенная становится плотнее и горячее.
Вторая остановка: самый ранний свет, который мы увидим. 375 000 лет после большого взрыва
Да, на предыдущей остановке мы увидели темный космос, в котором еще не было звезд и света. И продолжалось это сотни миллионов лет. Но первый свет, который мы в принципе можем увидеть, появился, когда Вселенная еще не прожила свой первый миллион лет.
Когда мы путешествуем назад в прошлое с предыдущей "остановки", газ во Вселенной, из которого возникнут звезды, становится все плотнее и горячее. Наконец, достигнув нашей остановки "375 000 лет после Большого Взрыва", температура Вселенной достигает 2700 градусов Цельсия, а космос уже больше не наполнен пустотой вакуума. Мы находимся в горячей и относительно плотной плазме. Останавливая гипер-двигатель машины времени, посмотрим, что вокруг. Если бы мы смотрели за окно, снаружи мы бы увидели белый яркий свет, за которым ничего не видно. Однако, мы прибыли на эту остановку не просто так, сейчас кое-что поменяется. Мы наблюдаем, как постепенно свет рассеивается, и Вселенная становится более прозрачной.
Мы только что стали свидетелями "Эпохи разъединения" (Epoch of Decoupling). До этого момента любой свет во Вселенной не мог вырваться из плотных объятий материи. Как только частица света появлялась, она сразу снова поглощалась плотным веществом. Но пространство Вселенной расширялось, и в определенный момент свет смог вырваться и долететь 13,7 миллиардов световых лет до нас.
Это излучение называют "реликтовым". Так как пространство Вселенной расширялось, энергия/температура реликтового излучения опустилась с ≈ 2700 °C, которые соответствуют видимому человеческим глазом свету, до -270 °C (или 2,73 ° от абсолютного нуля), которые соответствуют радио-волнам.
Таким образом, реликтовое излучение - это первое, что мы можем увидеть от Большого Взрыва с помощью электромагнитных волн (радио-волн). Для того, чтобы заглянуть глубже, мы должны найти, к примеру, реликтовые гравитационные волны, им высокая плотность ни по чем, и они смогут дойти к нам из более ранних эпох. Однако, это не простая задача. Тем не менее, с помощью науки и нашей машины времени мы можем отправиться еще дальше в прошлое. Полный вперед!
Путешествуя дальше в прошлое, мы входим в первую микро-секунду после Большого Взрыва. Затем, в первую нано-секунду, и еще ближе. Становится трудно оперировать обычными цифрами, мы не будем их упоминать. Температуры достигают триллионов-триллионов градусов и намного больше, и само понятие "температура" начинает терять смысл. Скоро и сама физическая реальность начнет меняться.
Внимание!! В двух словах о ядерной физике [ВАЖНО!]
Перед тем, как продолжим наш путь, расскажу в двух словах о ядерной физике. Все просто, в природе есть 4 основные силы, или 4 вида взаимодействий:
- Электромагнитное - наш привычный мир, наше тело, предметы, химические реакции, бактерии, прикосновения, электричество, интернет, технологии. Переносчик взаимодействия - фотон (свет).
- Слабое ядерное взаимодействие - превращения атомных ядер.
- Сильное ядерное взаимодействие - превращения составляющих ядер, суб-ядерных частиц.
- Гравитационное - искривление пространства-времени тяжелыми объектами, планетами, звездами.
Интересно, что нашему существованию мы обязаны балансу этих четырех сил. Если бы их взаимодействия были чуть сильнее или чуть слабее, могло бы не быть звезд, материи, стабильных орбит планет, атомов и молекул.
Пока что для описания гравитации и остальных взаимодействий существуют разные подтвержденные экспериментом теории. Теории, пытающиеся "объединить" гравитационные силы с другими, либо опровергаются экспериментом, либо вообще почти невозможно проверить. Но это только пока.
Третья остановка: рождение света, как физического явления
Итак, мы прибыли на новую остановку. Здесь еще намного горячее. Еще на миг в прошлое - и современная физическая система сил и взаимодействий начинает меняться. Не будет больше отдельных электромагнитных и слабых ядерных сил. Они объединятся в одно - электрослабое. Не будет даже света в привычном для нас понимании, он будет по другому взаимодействовать с веществом. На миг позже - и бах! Симметрия слабого и электромагнитного взаимодействия рушится, и появляются первые частицы света - фотоны, или, другими словами, электро-магнитные волны. Можно сказать, что мы только что увидели, как рождается первый свет. И вообще свет, как феномен. Еще 375 000 лет эти лучи будут скованы плотной материей, но потом начнут тянуться к нам, и станут приходить в виде реликтового излучения, упомянутое на предыдущей станции.
В процессе этого нарушения симметрии бозон Хиггса вступает в игру! Он начинает "раздавать" массу переносчикам взаимодействий. Процессы объединения электромагнитного взаимодействия со слабым ядерным взаимодействием были хорошо исследованы на ускорителях элементарных частиц, построенных в 20-х - 21-х веках (см. примеры). А бозон Хиггса был открыт в 2012-2013 годах на Большом Адронном Коллайдере в институте ЦЕРН.
Интересный факт, что поле Хиггса - "скалярное", то есть оно одинаково во всех точках пространства, где начинает существовать. Здесь отличие от других взаимодействий, которые становятся слабее с расстоянием (гравитация или электричество), или сильнее (сильное взаимодействие). Так же термин "скалярное" означает, что у бозона Хиггса, или частицы поля Хиггса, отсутствует характеристика "спин" (момент вращения), обычно связываемая с внутренней структурой. Бозон Хиггса - это первая скалярная частица, существование которой удалось подтвердить экспериментально.
Таким образом, на этой остановке мы посмотрели, как возникла система сил и видов взаимодействий во Вселенной, которая действует и поныне. Появился свет, в привычном для нас понимании. Отправляемся дальше!
Четвертая остановка: загадочная инфляция и "параллельные Вселенные"
Мы прыгнули еще на одно маленькое мгновение назад в прошлое Вселенной, и тут происходит кое-что совсем странное. Нечто начинает расширять пространство Вселенной в триллионы-триллионов-триллионов раз, и затем внезапно прекращает. Этот феномен назвали "инфляция" (от английского: раздувание). В разработку теории инфляции внесли вклад ученые Алан Гут, Алексей Старобинский, Андрей Линде и Вячеслав Муханов.
На существование инфляции указывает множество экспериментальных фактов, в том числе равномерность Вселенной и реликтового излучения во всех направлениях. Это означает, что все неровности и флуктуации, которые должны были существовать в первородной плазме, "размазались" по большему объему, чем видимая нам Вселенная, и мы их просто не видим.
Природа инфляции не изучена, но есть догадки. Считается, что инфляция может быть вызвана существованием скалярного поля (как поле Хиггса). Есть мнение, что инфляция может до сих пор продолжаться в некоторых недоступных нам областях пространства, а в некоторых могла закончится гораздо раньше. В итоге могло возникнуть множество "параллельных Вселенных", которые возникли из общей с нами Вселенной, но разделились в эпоху инфляции, и развиваются по разным физическим законам. Таких "Вселенных", развивающиеся по похожим законам, может быть бесконечно много.
Последняя научная статья, которую за 10 дней перед своей смертью опубликовал совместно с другим ученым известный Стивен Хокинг, называется "Плавный выход из бесконечной инфляции". В данной статье авторы решают проблему бесконечного количества "параллельных" Вселенных, вызванных инфляцией. Хокинг аргументирует, что параллельных Вселенных все-таки должно быть конечное число.
Насмотрелись на параллельные Вселенные? Пронеслись на аттракционе невиданного ускорения? Запускаем наш двигатель, и поехали еще на мгновение ближе к Большому Взрыву.
Пятая остановка: Великое объединение
Вы почти ничего не заметили, а мы уже прибыли на следующую остановку. Уже пару остановок назад даже обычная электроника бы не справилась, чтобы так быстро включить и выключить двигатель. Уже пару остановок назад не один материал не выдержал бы окружающих условий, и перестал бы состоять из обычной материи. Но мы шагнули еще дальше назад во времени, все ближе к нулевой точке, из которой все началось.
Мы стоим на последнем рубеже эпохи так называемого "Великого объединения", когда три вида взаимодействия: электромагнитное, слабое ядерное, и сильное ядерное - были одним целым, одной силой природы. Существует несколько теорий, описывающих эту эпоху, но пока не представляется возможным воспроизвести столь колоссальные энергии в эксперименте, чтобы ее проверить.
Во время окончания эпохи Великого Объединения мы можем наблюдать распад глобальной симметрии триединой силы природы, и это может приводить к "топологическим дефектам", разным типам вакуума в разных областях прото-Вселенной, и интересным артефактам, соединяющим такие области: "космические струны" и "доменные стены". Время их существования, в теории, может быть достаточно большим.
Несмотря на то, что топологические дефекты можно обнаружить в обычной жизни и во вполне "земной" физике, найти следы доживших до наших дней топологических дефектов в космосе пока не удавалось. Считается, что топологические дефекты первородной Вселенной, в частности, космические струны, должны образовывать "петли" и излучать гравитационные волны. Лучшие экспериментальные ограничение на существование гравитационных волн от космических струн были получены с помощью наблюдений за "таймингом" звезд-пульсаров радио-телескопами. Принцип эксперимента: "тайминг" (периодичность радио-импульсов) от пульсаров в нашей галактике настолько точный, что массовое его отклонение для нескольких пульсаров в течение нескольких лет свидетельствовало бы о регистрации гравитационных волн.
Конечная остановка: Планковская Эра, рождение Вселенной и времени
Делая очередной маленький шаг к Большому Взрыву, мы попадаем в очень малоизученное место и время Вселенной: Планковская Эра. Называется она так потому, что здесь проявляют себя сверх-малые пространственные масштабы (Планковские), и сверх-высокие энергии (тоже Планковские). Дальше - уже некуда. Такие единицы измерения пространства и энергий были введены немецким ученым по имени Макс Планк. Мы на конечной. Как сказали бы в метро: "поезд дальше не идет, просьба выйти из вагона".
Объединение всех сил природы и "теория всего"
Первое, что мы можем увидеть, двигаясь обратно во времени - гравитационные силы объединяются с электромагнитными и ядерными, становясь единым целым. Как это произойдет - пока точно не ясно. Гравитация описывается теорией относительности Эйнштейна, и представляет собой взаимодействие вещества и энергии с пространством и временем, геометрического характера. Остальные взаимодействия описываются квантовой теорией. Гравитация заметно проявляет себя в "макро-мире", а квантовая теория - в "микро-мире". Из соображений симметрии, мы понимаем, что должна быть связь между гравитацией и другими силами. Вопрос в том, какого характера эта связь. Есть следующие варианты:
1. Теория струн - это попытка описать гравитацию на основании квантовой теории. В соответствии с теорией струн, каждая частица описывается колебанием струн, причем не только в привычных для нас 3-х пространственных измерениях и 1-м временном. Согласно теории струн, пространственных измерений может быть больше, но мы не воспринимаем, так как они являются компактными, и проявляют себя только на очень малых масштабах. Это аналогично тому, что мы воспринимаем обычную швейную нить, как 1-мерный объект (линия), хотя в реальности нить имеет объем, и потому является 3-мерным объектом.
2. Петлевая квантовая гравитация - это попытка описать квантование гравитации в соответствии с геометрическим подходом к пространству-времени, в соответствии с Теорией Относительности Эйнштейна. Из петлевой квантовой гравитации следует, что само пространство и время состоит из невероятно маленьких петель, которые могут формировать элементарные частицы материи.
3. Теория энтропической гравитации от Эрика Верлинде из университета Нидерландов. Он считает, что гравитация следует из различия в плотности энтропии ("мере хаоса") в пространстве вокруг и между взаимодействующими массивными объектами. "Притяжение" тел возникает из-за роста полной энтропии системы при уменьшении расстояния между ними. А, как помните из второго закона термодинамики, дважды упомянутого ранее, энтропия всегда должна расти. Согласуется ли такой подход с другими силами природы, и что тогда объединяет все силы природы, пока не ясно.
В любом случае, Планковская Эра, в которой мы сейчас находимся, должна содержать ответы на загадки о природе всех фундаментальных физических взаимодействий материи и энергии.
Природа пространства в эпоху Планка
В квантовой теории "микромира" работает принцип неопределенности Гейзенберга. Первое его следствие - есть естественные ограничения на точность измерений в эксперименте. Второе следствие - на короткие промежутки времени в пространстве могут появляться и исчезать пары вещества частица-античастица. При этом если есть внешнее поле (сила), например вблизи атомного ядра, или в сильном электрическом или гравитационном поле, то эта внешняя сила будет производить работу по разделению этих пар частиц до того, как они снова исчезнут. В итоге, пустоты в природе не существует, в вакууме буквально "кипит" жизнь, по своим, квантовым законам. Если квантовая физика и гравитация объединятся, то они должны обладать общими свойствами. Было предложено, что и само пространство-время на малых масштабах образует "квантовую пену", где возникают и исчезают крошечные черные дыры и гравитационные флуктуации.
Рождение Вселенной, рождение времени
Итак, на этой остановке мы достигли предельных плотностей вещества и энергии. Здесь то, что можно назвать начальным состоянием Вселенной. Как мы видим, это состояние было очень симметричным: одна сила природы в кипящем квантовом однородном"бульоне". Одновременно, мы знаем, что красота и элегантность требуют баланса. Вселенная здесь балансирует в очень нестабильном состоянии. Исходя из очень приблизительных соображений, обычные флуктуации квантовой пены или материи могли "толкнуть" Вселенную из этого нестабильного состояния, и, согласно известным и изученным принципам физики, пространство Вселенной начало переходить из состояния с низкой энтропией в состояние с более высокой энтропией, все пройденные нами этапы или остановки с разрушением глобальных симметрий и формированием всего, что нас окружает, за этим последуют.
Это прекрасно, но и закономерно. Вспомните начало нашего пути и второе начало термодинамики: "От порядка к хаосу". Звучит, как направление во времени, не правда ли? ... А может быть это и порождает феномен времени?
Несмотря на данную связь, точная природа времени остается загадкой. Если в своей начальной точке Вселенная "потеряла" баланс и начала двигаться вперед, то сколько она находилась в состоянии с высокой симметрией? Разум подсказывает, что Вселенная находилась в состоянии баланса конечное время, иначе у нее и не было бы смысла из этого состояния выходить. Отсюда напрашивается вопрос, как Вселенная попала в изначальное состояние? Возможно, есть точка, в которой зародилось само время, и начался отсчет?
Если ответ и есть, то он скорее всего лежит уже за границами нашей реальности. Возможно, какое-то событие в другой реальности послужило отправной точкой во времени, из которого возникла наша Вселенная, параллельные ей Вселенные, и все остальное. Возможно, в других реальностях работают пока не понятные нам причинно-следственные связи, и их сущность не вписывается в то, что человек сейчас может объяснить. Хочется верить, что математики и физики будущего смогут задать правильные вопросы и понять, откуда все произошло. Тогда мы и Вселенная сможем окончательно найти и осознать себя.
Спасибо, что прочитали мою статью! Если Вам понравилось - нажимайте "нравится" и подписывайтесь на мой канал! :)
