Большой взрыв - это идея, что Вселенная однажды внезапно возникла, а не является бесконечной. До середины двадцатого века, большинство учёных считали, что Вселенная бесконечна и не имеет возраста. Но потом теория относительности Эйнштейна дала нам большее знаний для понимания гравитации, а Эдвин Хаббл обнаружил, что галактики отдаляются друг от друга в соответствии с предшествовавшими предсказаниями.
В 1964 году было случайно обнаружено реликтовое излучение, след ранней Вселенной, что, совместно с другими наблюдаемыми доказательствами, сделало Большой взрыв принятой теорией в науке. С тех пор, более продвинутые технологии, например, телескоп «Хаббл», показали нам довольно точную картину Большого взрыва и структуры космоса.
Недавние наблюдения даже показывают, что расширение Вселенной ускоряется. Но как работает Большой взрыв? И как ЧТО-ТО может появиться из НИЧЕГО? Давайте разберёмся в том, что нам известно.
Пока что забудем про самое начало. Во-первых, Большой взрыв не был взрывом. Это просто всё пространство, растягивающееся везде сразу. Изначально Вселенная была
очень-очень-очень маленькой и быстро расширилась до размеров футбольного мяча.
Вселенная не расширяется «во что-то»; пространство расширяется в само себя, потому что у неё нет границ; по определению, нет ничего «снаружи» Вселенной. Но это только предположение, и мы, скорее всего, далеки от истины.
Теория Большого взрыва утверждает, что Вселенная возникла как горячая и бесконечно плотная точка. Всего несколько миллиметров шириной. По предположениям ученых, это было похоже на крошечную чёрную дыру. Примерно 13,7 миллиарда лет назад эта крошечная сингулярность начала стремительно расширяться.
И именно из этого расширения была создана вся материя, энергия, пространство и время. То, что произошло дальше, было двумя главными этапами эволюции Вселенной. Они называются эрами излучения и материи и определяются ключевыми событиями, которые помогли сформировать Вселенную. Сначала наступила эра радиации, названная так из-за доминирования радиации сразу после Большого Взрыва.
Эта эра состоит из меньших стадий, которые называют эпохами. Они длились в течение первых десятков тысяч лет существования Вселенной. Самая ранняя - это эпоха планка. В это время не существовало никакой материи, только энергия и прародитель четырех сверх сил Вселенной. В конце этой стадии произошло ключевое событие, в котором гравитация отделилась от сверх силы.
Затем наступила эпоха Великого объединения, названная в честь трех оставшихся объединенных сил Вселенной. С начала этой эпохи происходит ослабление квантовых эффектов, и начинают действовать законы теории относительности. В конце эпохи Великого объединения происходит отделение сильных ядерных сил от остальных сверх сил, и в создающихся условиях она приводит к новому этапу – Инфляционному расширению Вселенной.
В это время Вселенная начала стремительно расширяться. Почти мгновенно она выросла от размера атома до размера грейпфрута. В это время её температура была обжигающе горячей и бурлила электронами, кварками и другими частицами.
Затем наступила электрослабая эпоха, когда последние две силы, электромагнитная и слабые ядерные силы, наконец разделились. На следующем этапе, в кварковую эпоху, присутствовали все компоненты Вселенной, однако Вселенная все еще была слишком горячей и плотной для образования субатомных частиц.
Затем, в адронную эпоху, Вселенная достаточно остыла, чтобы кварки связались и образовали протоны и нейтроны. В лептонном и ядерном эпосе, двух последних стадиях радиационной эры, протоны и нейтроны претерпели значительные изменения. Они сливались и создавали ядра. И при этом они образовали первый химический элемент во Вселенной - гелий. Новая способность Вселенной формировать элементы, строительные блоки материи, поставила эру материи в очередь.
Как и следует из названия, эра материи определяется присутствием и преобладанием материи во Вселенной. Она включает в себя три эпохи, которые охватывают миллиарды лет. Первой была атомная эпоха.
На этой стадии температура Вселенной достаточно остыла, чтобы электроны впервые смогли прикрепиться к ядрам. Этот процесс, называемый рекомбинацией, помог создать второй элемент Вселенной - водород. Водород, наряду с атомами гелия, усеял вселенную атомными облаками. Внутри облаков небольшие очаги газа, возможно, обладали достаточной гравитацией, чтобы заставить атомы собираться друг с другом.
Эти скопления атомов, образовавшиеся в Галактическую эпоху, стали проростками галактик. Внутри этих галактик начали формироваться звезды. И при этом они поставили в очередь последний и текущий этап развития Вселенной - звездную эпоху.
Образование звезд вызвало огромный эффект пульсации и помогло сформировать Вселенную, какой мы ее знаем сейчас. Тепло внутри звезд вызвало превращение гелия и водорода почти во все остальные элементы во Вселенной. В свою очередь, эти элементы стали строительными блоками для планет, лун, жизни - всего, что мы видим сегодня. Такая экосистема всего сущего была возможна только благодаря многочисленным стадиям развития Вселенной.
Но давайте вернемся в ту часть, о которой мы ничего не сказали? Что произошло в самом начале, до Большого Взрыва?
Люди до сих пор понятия не имеют, что происходило до сингулярности, которая сформировала нашу Вселенную. Проблема заключается в том, что физика, которую мы используем для понимания ранней Вселенной, не может завести нас достаточно глубоко. По мере того, как мы пытаемся проникнуть все глубже и глубже в первые моменты жизни нашего космоса, математику становится все труднее решать, вплоть до того момента, когда она просто ... ломается. Там наши инструменты перестают работать. Законы природы становятся бессмысленными; даже время какое-то расплывчатое.
Главным признаком того, что нам еще предстоит дорабатывать математическую модель, является наличие сингулярности, или точки бесконечной плотности, в момент Большого Взрыва. Это говорит нам о том, что нам нужна новая физика для решения этой проблемы — наш нынешний инструментарий просто недостаточно хорош.
Поэтому, чтобы понять, что там произошло, нам нужна теория, объединяющая относительность Эйнштейна и квантовую механику, — над этим прямо сейчас работают множество учёных.
Но много вопросов остаётся без ответа. Были ли другие вселенные до нашей? Или наша Вселенная первая и единственная? Что привело к Большому взрыву, или он произошёл сам по себе, согласно законам, которые мы ещё не понимаем? Мы не знаем и, возможно, никогда не узнаем. Но мы знаем, что Вселенная началась именно там и родила частицы, галактики, звёзды, Землю и вас. Мы сами сделаны из мёртвых звёзд; мы не отделены от Вселенной — мы часть её. Можно даже сказать, что мы — способ Вселенной изучать себя. Так давайте же изучать, пока вопросов совсем не останется.