Как и когда началась Вселенная? Никакой другой научный вопрос не является более фундаментальным и не провоцирует такие оживленные дебаты среди исследователей. В конце концов, никого не было рядом, когда родилась Вселенная, так кто может сказать, что на самом деле произошло? Лучшее, что могут сделать ученые, - это разработать самую надежную теорию, подкрепленную наблюдениями за Вселенной. Беда в том, что до сих пор никто не придумал абсолютно неоспоримого объяснения того, как возник космос, как возникло все.
Большой взрыв.
С начала 1900-х годов в дискуссии доминировало одно объяснение возникновения Вселенной - теория «Большого взрыва». Сторонники «Большого взрыва» утверждают, что между 13 и 15 миллиардами лет назад вся материя и энергия в обозримом космосе были втиснуты в крошечную, компактную, сверхплотную точку. Фактически, в соответствии с теорией, материя и энергия тогда были одним и тем же, и невозможно было отличить одно от другого.
Приверженцы «Большого взрыва» утверждают, что эта маленькая, но невероятно плотная точка первобытной материи / энергии взорвалась. Через несколько секунд огненный шар выбросил вещество / энергию со скоростью близкой к предельной скорости - к скорости света. В более позднее время, может быть, через несколько секунд, может быть, спустя годы - энергия и материя начали разделяться и становиться отдельными фундаментальными составляющими мира. Все различные элементы во вселенной сегодня развились из того, что высвободилось из той сверхплотной точки.
Теоретики Большого взрыва утверждают, что все галактики, звезды и планеты все еще сохраняют "взрывное" расширение и с момента творения все с большой скоростью удаляются друг от друга. Это предположение пришло из необычного открытия о наших соседних галактиках. В 1929 году астроном Эдвин Хаббл, работавший в обсерватории Маунт-Уилсон в Калифорнии, объявил, что все наблюдаемые им галактики удаляются от нас и друг от друга со скоростью до нескольких тысяч километров в секунду.
Красное смещение.
Чтобы отследить скорости этих галактик, Хаббл воспользовался эффектом Доплера. Это явление проявляет себя, когда источник волн, таких как свет или звук, движется относительно наблюдателя или слушателя. Если источник звука или света движется к вам, вы воспринимаете волны как увеличивающиеся по частоте: звук становится более высоким по высоте, тогда как свет смещается к синему концу видимого спектра. Если источник удаляется от вас, волны падают по частоте: звук становится более низким по высоте, а свет имеет тенденцию смещаться к красному концу видимого спектра. Вы, возможно, замечали эффект Доплера, когда слушали сирену скорой помощи: звук повышается по высоте при приближении транспортного средства и падает по высоте, когда автомашина уезжает от вас.
Чтобы исследовать свет от галактик, Хаббл использовал спектроскоп, устройство, которое анализирует различные частоты, присутствующие в свете. Он обнаружил, что свет от галактик далеко в космосе был смещен вниз к красному концу видимого спектра. Не важно какая галактика и где находилась, это не имело значения - все были красными. Хаббл объяснил этот сдвиг тем, что галактики движутся, удаляясь от Земли. Хаббл предположил гипотезу, что чем больше излучение от галактики уходит в красное смещение, тем больше скорость удаления этой галактики.
Некоторые галактики показывали лишь небольшое красное смещение. Но свет от других ложился далеко за пределы красного спектра, переходя в инфракрасный, даже в микроволновый диапазон. Более слабые, более отдаленные галактики, казалось, имели наибольшие красные сдвиги, что означало, что они удалялись на порядки быстрее.
Расширяющаяся Вселенная.
Итак, если все галактики удаляются от Земли, означает ли это наблюдение, что Земля в месте с солнечной системой является центром Вселенной? Эпицентр Большого взрыва? На первый взгляд, казалось бы, это именно так. Но астрофизики используют уместную аналогию, чтобы объяснить, почему эта гипотеза не правдоподобна. Представьте себе вселенную как пирог с изюмом, находящийся в духовке. Когда пирог выпекается и поднимается, он расширяется равномерно во все стороны. Изюм внутри начинает расползаться друг от друга. Если бы вы могли выбрать один изюм, из которого можно было бы посмотреть на другие, вы бы заметили, что все они удаляются от вашего особого изюма. Не имеет значения, какой изюм вы выбрали, потому что все изюмины становятся все дальше друг от друга, по мере того как пирог расширяется. Более того, самый дальний изюм будет удаляться быстрее всего, потому что между вашим изюмом и этими далекими будет большее расстояние.
Так обстоит дело со вселенной, говорят теоретики «Большого взрыва». По их мнению, следствием «Большого взрыва» Вселенная является ее расширение. Пространство само расширяется так же, как пирог расширяется между изюмом, по той же аналогии. Независимо от того, смотрите ли вы с Земли или с экзопланеты, находящейся в миллиардах километрах от вас, все другие галактики удаляются от вас по мере расширения пространства. Галактики, удаленные от вас, движутся быстрее от вас, потому что между вами и этими галактиками расширяется пространство. Вот как теоретики «Большого взрыва» объясняют, почему свет от более далеких галактик смещается дальше к красному концу спектра. Фактически, большинство астрофизиков теперь используют это правило, известное как закон Хаббла, для измерения расстояния от космического объекта до Земли - чем сильнее излучение смещается в область красного цвета спектра, тем дальше находится объект.
В 1965 году два ученых сделали удивительное и случайное открытие, которое укрепило теорию «Большого взрыв»а. Арно Пензиас и его коллега Роберт Уилсон из Bell Telephone Laboratories обнаружили слабое микроволновое излучение, которое исходит из всех точек неба. Они и другие физики предположили, что они видят остаточное излучение от «Большого взрыва». Большой Взрыв повлиял на всю вселенную в одно и то же время, это излучение должно пронизывать всю вселенную и может быть обнаружено независимо от того, в каком направлении вы смотрите. Такое излучение называется космическим фоновым излучением или реликтовым излучением. Его длина волны и однородность хорошо согласуются с математическими расчетами других астрономов и хорошо вписывается в теорию «Большого взрыва».
Не всем нравится расширяющиеся вселенная?
Однако, модель Большого взрыва не всеми принята в научных кругах. Одна проблема теории состоит в том, что она предсказывает однородную вселенную. То есть распределение вещества в больших масштабах должно быть примерно одинаковым, куда бы вы ни посмотрели. Ни одно место во вселенной не должно быть чрезмерно наполнено материей или пятен без материи.
Но в 2001 году астрономы объявили об открытии группы галактик и квазаров, которые занимают более 125 миллионов-миллионов кубических световых лет пространства и в настоящее время является самой большой структурой во вселенной. Вместо равномерного распределения материи во вселенной, есть невообразимо гигантские пустые пространства, а рядом плотно упакованные структуры материи.
Сторонники «Большого взрыва» утверждают, что их теория не ошибочна. Они утверждают, что гравитация от огромных не обнаруженных объектов в космосе (холодные газовые и пылевые облака, темной материи, которую мы не можем увидеть с помощью телескопов) притягивает материю в огромные сгустки. Другие астрономы, все еще не желающие верить в невидимые объекты просто для решения необъяснимой проблемы, продолжают подвергать сомнению фундаментальные аспекты теории Экспоненциального расширения вселенной.
Несмотря на эти пробелы, большинство астрономов по-прежнему считают Большой Взрыв лучшей теорией, объясняющий возникновение, эволюцию вселенной. Это лучшая теория, что на данный момент мы имеем. Однако, как и в случае любой научной гипотезой, для ее достоверности необходимы дополнительные наблюдения и эксперименты. Развитие технологией, прогресс в создании более чувствительных телескопов для детальных наблюдений, эксперименты в адронном коллайдере должны добавить больше огня для дебатов в ближайшие десятилетия.
