Теория Большого взрыва: кратко и простыми словами

О теории Большого взрыва (ТБВ) слышали даже те люди, кто не увлекается астрономией и астрофизикой. Это одна из самых авторитетных теорий происхождения Вселенной, у которой немало последователей по всему миру. Однако энциклопедии, справочники и научные отчеты содержат слишком сложное для непосвященного читателя объяснение данной теории. Редакция LinDeal решила это исправить — представить простую и доступную трактовку ТБВ, полностью основанную на доводах ученых.

Что такое теория Большого взрыва простыми словами?

Теория большого взрыва (The Big Bang Theory) — это попытка объяснить, как Вселенная из плотного крошечного состояния превратилась в то, что мы можем наблюдать сегодня.

Теория Большого взрыва — самая авторитетная теория возникновения Вселенной. Ее считают лучшим объяснением образования космоса и всей известной нам материи. По сути это космологическая модель, описывающая ранние стадии развития Вселенной. В ее основе простая, но далеко не самая очевидная мысль — у Вселенной есть начало.

Вначале была бесконечно плотная и горячая точка — сингулярность. Однажды она «взорвалась» — растянулась в бесконечность с фантастической скоростью. Это и был Большой взрыв. Его последствия наблюдаются все прошедшие 13,8 млрд лет. По мере охлаждения пространства процесс расширения Вселенной замедляется, однако не прекращается до сих пор.

Справка! Сегодня ученые уже могут рассчитать, что происходило на 0,0000000000000000000000000000000000000000001 секунде Большого взрыва. То есть, на 1 x 10-43 секунде начала Вселенной.

Суть теории Большого взрыва: кратко и доступно

Говорить о том, что было до Большого взрыва, в рамках ТБВ некорректно. Ведь тогда не существовало ни материи, ни времени, ни других известных нам категорий. Поэтому таких понятий «до», «во время», «после» не было в принципе. ТБВ — это именно описание событий, происходивших со Вселенной после Большого взрыва, на ранних этапах развития космоса.

Чтобы ТБВ стала более понятной, представим Большой взрыв в хронологии:

• Как все было в начале? Примерно 13,8 млрд лет назад Вселенная была сконцентрирована в бесконечно малой сингулярности — однородной точке бесконечного тепла и плотности. Ее размеры составляли 1x 10-33 см (0,000000000000000000000000000000001 см). Тогда материя и энергия все еще были единым целым.
• Большой взрыв (период космической инфляции). Внезапно начался процесс взрывного расширения, раздувшего Вселенную с невообразимой скоростью, превышающей световую. Согласно теории Алана Гута, взрыв продолжался всего лишь всего 10-32 секунды.
• Этап бариогенеза (после Большого взрыва). У ученых пока нет объяснений, почему космическая Инфляция внезапно завершилась, но известно, что случилось после этого. После 1 x 10-35 секунды материя и энергия разъединились. Благодаря потокам материи и излучения начала формироваться барионная материя, заполняющая собой Вселенную. Процесс длился при огромной температуре — 5,5 млрд градусов по Цельсию.
• Этап космологии частиц. После 1 x 10-11 секунды единая сила распалась на четыре (гравитация, электромагнетизм, сильная и слабая ядерная сила). Остались выжившие частицы материи и фотоны, но не было света из-за большой плотности.
• «Ранний суп». Этот явление невозможно увидеть физически, так как самой возможности удерживать видимый свет еще не существовало — свободные электроны рассеивали фотоны. Сам свет зародился только спустя 380 000 лет после БВ. Данное реликтовое излучение получило название «послесвечения» Большого взрыва. Ученые также называют его СМВ (космический микроволновый фон).
• Стандартная космология. После 0,01 секунды Вселенная продолжала расширяться и охлаждаться, а субатомные частицы, образовавшиеся во время бариогенеза, начали связываться друг с другом. В результате Космос наполнился простейшими фундаментальными частицами, известными нам как протоны, нейтроны и электроны.

Разберем все сказанное теперь более подробно.

Что случилось во время Большого взрыва?

При Большом взрыве никто не пострадал и ничего не было разрушено. Большой взрыв — начало нашей Вселенной. Краткий миг, когда произошло стремительное расширение пространства — концепция, которая вытекает из уравнений общей теории относительности Эйнштейна.

Вселенная, сжатая до крохотной точки, начала расширяться так быстро, что перегнала саму скорость света. Это и был период «космической инфляции» — быстрого расширения масштабов Вселенной, когда скорость роста пропорциональна значению самого масштаба. То есть, этот важный период занимал лишь доли секунд.

А взрыв ли это был: начало Вселенной

Большой взрыв — это не взрыв в классическом представлении. Не выброс осколков и фрагментов материи из эпицентра в уже существующее пространство. Большой взрыв — это именно расширение пространства, когда фрагменты удаляются от центральной точки с примерно одинаковой скоростью.

Как это объяснить простыми словами? Все расстояния в нашей Вселенной расширяются со схожими скоростями. То есть даже две рандомные галактики будут удалятся друг от друга с одинаковой скоростью. 

Где же произошел Большой взрыв? Зная его природу, мы понимаем, что этот вопрос некорректный. У этого «взрыва» нет эпицентра, так как и у Вселенной нет центра. Невозможно обозначить центр на поверхности сферы. Поэтому самый верный ответ: Большой взрыв был везде и сразу. В каждой из возможных точек космоса одновременно.

Справка! Сингулярность — условная точка, в которой сконцентрировано все. Именно она была началом нашей Вселенной согласно ТБВ.

Что происходило после Большого взрыва?

Период космической инфляции завершился так же внезапно и загадочно, как и начался. Найти его предпосылки и причины — большая задача перед учеными будущего. Но современные исследователи уже знают, что произошло после.

Вселенная вступила в стадию «разогрева», когда потоки материи и излучения начали заполнять космос веществом. Это электроны, протоны, нейтроны, соединенные в атомы. Простыми словами, «строительный материал» для звезд, планет и и целых галактик.

Все дальнейшие процессы были обусловлены двумя основными причинами — Вселенная начала остывать и становится менее плотной. Чем ниже температура, тем медленнее передвигаются элементарные частицы. А чем медленнее они движутся, тем им проще соединиться друг с другом в более сложную материю.

Именно поэтому хаотичные кварки смогли объединиться в лептоны, адроны — в нейтроны и протоны в частности. Затем эти соединения сформировали ядра атомов.

Что касается периода формирования первых атомов, у него есть свое название — первичный нуклеосинтез. Известно, что он продолжался в течение 20 минут после Большого взрыва. Тогда во всей Вселенной держалась температура такого уровня, который сегодня наблюдается только в центрах звезд.

Расчеты помогли узнать, что во время первичного нуклеосинтеза сформировались ядра двух самых распространенных космических элементов — водорода и гелия, в пропорции 3:1. Удивительно, но такое соотношения Н2 и Не наблюдается и до сих пор. 

После первичного нуклеосинтеза процесс формирования новых ядер атомов практически завершился. Космос при этом был настолько горячим, что вещество могло находиться только в состоянии плазмы. То есть, электроны двигались отдельно от ядер. Именно из-за хаотично летающих электронов космос был непрозрачным для света.

Как это объяснить простыми словами? Фотоны (свет) сталкивались с электронами, что мешало двигаться по прямой. Они словно попадали в зеркальный лабиринт. Для наблюдателя это тоже самое, что смотреть сквозь лампу дневного света на солнце. Фотоны состоят из плазмы, а значит, тоже не прозрачны.

Но Вселенная продолжала остывать. Понадобилось 300 тысяч лет, чтобы электроны присоединились к ядрам сформированных атомов. Это период, когда космос стал прозрачным — рекомбинация. Вся Вселенная наполнилась фотонами. Они не встречали препятствия в виде свободных электронов, а значит, могли передвигаться по прямой, на все мыслимые стороны и расстояния.

Фотоны, которые мы наблюдаем сегодня — это и есть тот свет, «освобожденный» в период рекомбинации. Он получил название реликтового излучения. Это микроволновый космический фон, который человечество уже способно фиксировать посредством современных мощных телескопов.

Справка! Следствием Большого взрыва стало Образование четырех главных сил Вселенной — гравитации, электромагнетизма, сильной и слабой ядерной силы. Когда-то они были единым целым, но расширение космоса разделило их.

Сколько лет нашей Вселенной?

Изучая реликтовое излучение, можно вычислить, когда случился Большой взрыв — то есть, когда зародилась наша Вселенная. Чем совершеннее становятся приборы и технологии, чем больше человечество знает о космосе, тем больше увеличивается его возраст. Так, ранее считалось, что Вселенной 13,7 млрд лет. Но новые карты реликтового излучения с беспрецедентной детализацией показали, что возраст Вселенной — не менее 13,82 млрд лет.

Исследования затрудняются тем, что новые открытия порождают новые загадки. Ученые пришли к выводу, что только 5 % Вселенной состоит из известной нам материи. Это планеты, звезды и галактики. Все остальное — «темная энергия» и «темная материя», недоступная для фиксации земными приборами. 

Расширение продолжается: что происходит сейчас?

Хоть Большой взрыв случился 13,82 млрд лет назад, его последствия ощутимы до сих пор. Доказано, что Вселенная продолжает расширяться — и расширяется с ускорением. Это значит, что однажды настанет момент, когда галактики настолько друг от друга отдалятся, что для наблюдателя будет казаться, что его галактика одна-единственная, а других не существует вовсе. Разрыв станет настолько огромным, что даже свет не сможет преодолеть его.

Но это лишь одна из теорий. Есть исследователи, которые предполагают, что Большой взрыв — это лишь одна из критических точек в бесконечной истории Вселенной. Простыми словами, космос проходит через бесконечное количество фаз инфляции (расширения) и дефляции (сжатия). И мы лишь существуем в один из таких периодов.

Кто придумал ТБВ (Теорию Большого взрыва)?

Теории Большого взрыва суждено было появиться в начале ХХ века. Тогда астрономы установили, что галактики удаляются друг от друга на примерно равные расстояния. А значит, и вся Вселенная не статична — она непрерывно расширяется. Из этого следует вполне логичный вывод — если расширение ускоряется, значит, есть момент, с которого оно началось. Он и получил название Большого взрыва.

Переломным моментом для ТБВ стало обнаружение реликтового излучения. Это важное подтверждение Теории Большого взрыва. Реликтовое излучение однородно, оно будет одинаковым в любой стороне от наблюдателя. Значит, Вселенная не движется в одном направлении. Где бы мы не находились, она будет одинаковой на все направления.

Интересно, что сам термин The Big Bang Theory был придуман в довольно издевательском контексте. Его автором стал астрофизик Фред Хойл, критиковавший все гипотезы о расширяющейся Вселенной. Однако емкое название вошло в обиход и закрепилось.

Одним из настоящих отцов теории Большого взрыва считают астронома Эдвина Хаббла. К 1920-м годам ученым уже было известно, что звезды отдаляются от Земли. Но Хаббл первым пришел к заключению, что скорость отдаления звезд пропорциональна их расстоянию от Земли.

Чем дальше находилась звезда, тем быстрее она отдалялась. Тогда Эдвин Хаббл высказал следующее революционное предположение: все это происходит, потому что пространство между всеми небесными телами в космосе увеличивается. Вселенная расширяется. А значит, когда-то она находилась в сверхмалом и сверхплотном состоянии.

Справка! ТБВ позволяет оценить возраст Вселенной, проследить ее эволюцию, обрести представление о форме космоса и построить предположения о вселенском расширении и его конце.

Как исследуют Большой взрыв сегодня: космический телескоп James Webb

Как можно исследовать зарождение Вселенной, которое случилось 13,82 млрд лет назад? Только через «машину времени» — телескоп. Благодаря этому изобретению мы можем увидеть, какими были галактики за миллиарды лет до нашего появления. Благодаря свету, фотонам, которые все это время двигались к нам с самой огромной скоростью во Вселенной.

Первой такой «машиной времени» стал Hubble. Его преемник — James Webb. Это космический телескоп такой мощности, что он может найти галактики, которые образовались 13,6 млрд лет назад!

Как это возможно? JWST — не оптический, а инфракрасный телескоп. При расширении Вселенной испускаемые ею волны растягиваются. Свет, излучаемый в видимом диапазоне длин волн, на самом деле достигает наблюдателя с Земли в инфракрасном диапазоне. Теоретически James Webb может показать человечеству раннюю Вселенную, такой какой она была на самом деле, а не просто моделью на базе расчетов.

Команда LinDeal еще раз напомнит, что ТБВ — ведущее объяснение возникновения нашей Вселенной. Но это только теория, ведь у человечества пока нет наглядных свидетельств Большого взрыва. Все, что мы о нем знаем, это результат сложных вычислений, основанных на математических формулах и моделях. Однако сегодня ученые могут изучать последствия расширения Вселенной через исследования космического микроволнового фона. Не исключено, что в будущем появятся технологии, которые позволят в буквальном смысле заглянуть в первое мгновение Большого взрыва.