Вселенная (космос) — это космическое пространство с заполняющими его газом, пылью и разнообразными небесными телами: звёздами, планетами и их спутниками, астероидами, метеоритами, кометами. В астрономии этим понятием обозначают ту часть материального мира, которая доступна для исследования естественнонаучными методами.
Размер Вселенной неизвестен, но можно измерить размер наблюдаемой её части — примерно 93 миллиарда световых лет в диаметре.
Вселенная — это всё, что существует: вещество, энергия, пространство и время. В её состав входят планеты, звёзды, галактики, чёрные дыры, радиоволны, гравитация и другие объекты.
Учёные считают, что Вселенная появилась примерно 13,8 миллиарда лет назад в результате события, которое называют Большим взрывом. Это не был взрыв в привычном смысле, а стремительное расширение пространства, которое до этого было сверхгорячим и сверхплотным.
Некоторые теории, объясняющие устройство Вселенной:
- Теория струн. Согласно ей, всё существующее состоит из мельчающих энергетических нитей. Такие квантовые струны могут растягиваться, искривляться и располагаться в любых направлениях, что делает космическое пространство многомерным.
- Теория стационарной Вселенной. По этой версии, в расширяющемся пространстве космоса постоянно возникает новая материя, что делает всю систему стабильной.
- Теория большого отскока. Согласно ей, наша Вселенная — лишь одна из серии Вселенных, которые сначала расширяются, а затем снова сжимаются.
- Теория «Большого разрыва». Эта гипотеза предполагает, что расширение Вселенной может привести к катастрофическому разрушению всего, что существует.
Большинство астрофизиков склоняются к тому, что у Вселенной нет края. При этом учёные могут наблюдать только наблюдаемую часть Вселенной, которая ограничена скоростью света. Всё, что дальше, пока физически недоступно для телескопов — свет оттуда ещё не успел дойти до нас.
На сегодняшний день общепринятой научной моделью является теория Большого Взрыва (Big Bang Theory). Вот ее основные положения и ключевые этапы:
- Начальное состояние (Планковская эпоха): Около 13.8 миллиардов лет назад вся наблюдаемая нами Вселенная была сосредоточена в невообразимо малом объеме с колоссальной плотностью, температурой и энергией. Это состояние называется космологической сингулярностью. Законы физики, известные нам (включая Общую Теорию Относительности Эйнштейна), в этой точке "ломаются".
- Инфляция: В первые доли секунды после "начала" Вселенная пережила феноменально быстрое экспоненциальное расширение — космическую инфляцию. За ничтожную долю секунды она увеличилась в размерах во много раз (минимум в 10^26 раз). Эта фаза объясняет, почему Вселенная так однородна и плоска в больших масштабах.
- Рекомбинация и образование частиц: По мере расширения и охлаждения:
Из первичного "бульона" энергии начали образовываться фундаментальные частицы (кварки, глюоны, электроны и т.д.).
Кварки объединились в протоны и нейтроны.
Примерно через 3 минуты начался первичный нуклеосинтез: протоны и нейтроны соединялись, образуя ядра легких элементов — в основном водорода (~75%) и гелия (~25%), с крошечными примесями лития и дейтерия. Это соотношение элементов подтверждается наблюдениями. - Эпоха темных веков: Через ~380 000 лет Вселенная остыла достаточно (~3000 К), чтобы электроны смогли объединиться с ядрами, образовав нейтральные атомы (в основном водорода). Фотоны (частицы света), которые до этого постоянно рассеивались на свободных электронах, наконец смогли свободно распространяться. Это событие называется рекомбинацией.
- Реликтовое излучение: Фотоны, освободившиеся в момент рекомбинации, заполнили Вселенную. Сегодня мы наблюдаем их как космическое микроволновое фоновое излучение (CMB - Cosmic Microwave Background). Это "эхо" Большого Взрыва — самый главный наблюдательный аргумент в пользу теории. CMB невероятно однородно, но содержит крошечные флуктуации температуры (анизотропии), которые стали "семенами" для будущих структур.
- Образование структуры: Под действием гравитации неоднородности плотности, зафиксированные в CMB, начали расти:
Образовывались сгустки газа, притягивая к себе вещество.
Появились первые звезды и галактики (через несколько сотен миллионов лет после БВ).
Звезды синтезировали в своих недрах более тяжелые элементы (углерод, кислород, железо и т.д.), которые затем выбрасывались в космос при их гибели (взрывы сверхновых), формируя звезды следующих поколений и планеты. - Ускоренное расширение: Сейчас Вселенная продолжает расширяться, и, как показали наблюдения за сверхновыми в конце 1990-х, это расширение ускоряется. Причина ускорения — темная энергия, загадочная форма энергии, составляющая около 68% всей энергии-материи Вселенной. Природа темной энергии — одна из главных нерешенных проблем современной космологии.
Важные уточнения:
- Не "взрыв" в пустоте: Большой Взрыв — это не взрыв вещества в уже существующем пространстве. Это быстрое расширение самого пространства-времени вместе с заключенной в нем энергией и материей.
- Что было до Большого Взрыва? Современная физика не может дать ответ на этот вопрос. Понятие "время", каким мы его знаем, возникло вместе с пространством в момент сингулярности (или сразу после нее). Говорить о "до" в рамках известных законов физики пока бессмысленно.
- Альтернативные теории: Существуют другие гипотезы (например, циклические модели, теория струн с мультивселенной), но ни одна из них не имеет столь убедительных наблюдательных подтверждений, как теория Большого Взрыва с инфляцией.
- Неизвестное: Мы не знаем, что вызвало сингулярность и инфляцию, какова точная природа темной материи и темной энергии, как полностью согласовать квантовую механику с гравитацией в тех экстремальных условиях.
Теория Большого Взрыва — это мощная научная модель, основанная на многочисленных независимых наблюдательных данных (расширение Хаббла, реликтовое излучение, распространенность легких элементов, крупномасштабная структура Вселенной). Она объясняет, как Вселенная эволюционировала из невероятно горячего и плотного состояния в ту богатую и разнообразную структуру, которую мы наблюдаем сегодня.