Доказательства теории большого взрыва. Имеются ли доказательства большого взрыва. А был ли большой взрыв

Астрономия, т.е. наука о Вселенной, получила гигантское развитие за последние 60 лет, которое фактически сравнимо с революцией. Еще совсем недавно ученым казалось, что наша Вселенная стационарна, т.е. в ней не происходят никакие изменения и что сегодня она такая же, какой была сотни лет назад. На самом деле Вселенная находится в состоянии бурного динамического развития и там происходят катастрофы, рождение и гибель новых звезд, столкновения галактик, образование новых звезд, включая нейтронные звезды и черные дыры. Вселенная расширяется и все внутри Вселенной движется и изменяется, расстояния между галактиками увеличиваются и они удаляются от нас и друг от друга с ускорением. Исследование зависимости скорости удаления галактик от расстояния между ними позволило Э. Хабблу определить возраст Вселенной. Чем больше расстояние между двумя галактиками, тем быстрее они удаляются друг от друга (закон Хаббла). Закон Хаббла позволяет определить возраст Вселенной. Оказалось, что наша Вселенная образовалась около 14 миллиардов лет. Внутри Вселенной имеется огромное количество темной, т.е. невидимой материи (а dark matter), которая удерживает галактики вместе и темной энергии (а dark energy) или силы отталкивания, ответственной за разбегание галактик с ускорением. Видимая материя составляет всего 4% и одна из причин, почему ученые построили суперколлайдер, чтобы понять природу невидимых материй, исследовать куда исчезло антивещество из Вселенной, а также проверить предсказания новых физических моделей и, в частности стандартную модель и различные суперсимметрии. Говоря иначе, Вселенная находится в состоянии бурного развития и огромное количество революционных открытий изменили отношение к ней не только ученых, но и широкой общественности.

Я преподавал астрономию много лет в одном из университетов Чикаго. Довольно часто в неформальной обстановке мои родственники, друзья да и просто знакомые просят меня рассказать об особенностях нашей Вселенной и, в частности, о моменте ее возникновения и этапах ее развития. Когда я говорю, что наша Вселенная возникла около 14 миллиардов лет тому назад в результате Большого Взрыва (a Big Bang), мне не забудут задать вопрос, а откуда вы все это знаете, ведь вас тогда не было, и вы не могли увидеть момент ее возникновения. Или как сказали бы в Одессе – вас там не стояло. Цель этой статьи не только рассказать о свидетельствах, подтверждающих Большой Взрыв, но и показать, как мы познаем нашу Вселенную. Наши знания основаны на двух фактах – наблюдениях с помощью телескопов, a light bucket, и применении соответствующих законов физики. Полную информацию о Вселенной мы можем получить, применяя различные телескопы, регистрируя все виды излучений, приходящих к нам из космоса, – от радиоволн до гамма-лучей.

Рассмотрим несколько примеров, как астрономы определяют те или иные характеристики Вселенной. Например, чтобы определить массу Солнца мы должны рассмотреть движение Земли вокруг Солнца, измерить ее период обращения (1 год) и расстояние от Земли до Солнца (равное 1 АU или 150 миллионов км). Затем используя гравитационный закон Ньютона – Кеплера, который связывает между собой три величины – массу, период и расстояние, мы определяем массу Солнца. Оказалось, что масса Солнца в 330000 раз больше массы Земли. Аналогично, мы можем определить и массу нашей Галактики, используя период обращения Солнца вокруг центра Галактики (200 миллионов лет) и расстояние до центра Галактики (28 тысяч световых лет). Напомню, что световой год это расстояние, которое свет покрывает за год со скоростью 300000 км/сек. Наше Солнце вращается вокруг центра Галактики со скоростью 220 км/сек. За всю историю своего существования наше Солнце совершило всего 23 оборота вокруг центра Галактики. Оказалось, что масса нашей Галактики в 100 миллиардов раз больше массы Солнца, т.е. наша Галактика состоит из 100 миллиардов звезд подобных нашему Солнцу. Вся Вселенная состоит из 100 миллиардов галактик и полное число звезд таким образом равно 10 в степени 22, которое сравнимо с числом песчинок на всех пляжах Земли. Число галактик во Вселенной было определено с помощью а Hubble Space Telescope. Для этого фотографируется определенный участок неба и определяется количество галактик на снимке. Зная полную площадь поверхности Вселенной, можно определить и полное число галактик.

Чтобы найти свидетельства Большого Взрыва, нам необходимо провести измерения излучений, которые есть в космосе и, применяя законы физики, определить те или иные характеристики Вселенной. Такие измерения были осуществлены впервые двумя американскими физиками А. Пензиас и Р. Вильсон в 1967 г. с помощью 6-метрового радиотелескопа. Они измерили остаточное излучение в космосе (a cosmic background radiation), которое возникло еще в момент Большого Взрыва и которое мы можем измерить сегодня, т.е. спустя почти 14 миллиардов лет. Это было ярким подтверждением, что Большой Взрыв имел место. За это выдающееся открытие Пензиас и Вильсон стали лауреатами Нобелевской премии. Измеряя зависимость интенсивности этого излучения от длины волны, которое представляет собой ассиметричную колоколообразную кривую, ученые измерили длину волны излучения, соответствующую максимуму этой кривой, и нашли, что длина волны излучения в максимуме равна 1.1 мм (микроволновое излучение). Длина волны излучения изменилась (увеличилась) – от длины волны видимого света до длины волны микроволнового излучения вследствие расширения Вселенной. Используя один из законов теплового излучения (закон Вина, который связывает длину волны излучения соответствующую максимуму этой кривой и температуру), мы можем определить температуру космоса. Температура космоса оказалась всего 3 К (Кельвин). Интересно, что дальнейшее расширение Вселенной приведет к смещению максимума этой кривой в сторону больших волн и соответственно низких температур. Если температура космоса уменьшится до 0 К, длина волны возрастет до бесконечности и Вселенная прекратит свое существование. Напомню, что в физике температура измеряется в К или С и они связаны соотношением К = С + 273. Температура в Цельсиях С оказалась – 270 С. Причина такой низкой температуры космоса – расширение Вселенной в течение очень большого времени. В момент же взрыва температура была гигантской и равнялась 10 в 32 степени, а длина волны излучения космоса практически равнялась нулю. Такую температуру невозможно даже себе представить. Температура в центре нашего Солнца, например, равна всего 15 миллионов С, т.е. много меньше температуры во время взрыва. Однако, после взрыва в первые же секунды она уменьшилась до 10 миллиардов С и продолжает уменьшатся сегодня вследствие расширения Вселенной. Интересно, что если температура уменьшится до 0 К, наша Вселенная исчезнет, она как бы растворится в пространстве – плотность и температура станут близкими к нулю. Я даже попытался определить путем теоретических расчетов, когда же это произойдет. Оказалось, что не скоро, т.к. уменьшение температуры сильно замедлилось и приблизится к 0 К не скоро, а после многих миллиардов лет.

Существуют ли, однако, другие доказательства Большого Взрыва? Таких свидетельств несколько. Одно из них связано с количеством водорода и гелия в ранней Вселенной, которое равнялось 75% водорода и 25% гелия. Расчеты, основанные на теории Большого Взрыва, приводят в точности к такому же результату. Говоря иначе, то что мы измеряем и то что мы получаем на основе теоретических расчетов оказываются в прекрасном согласии друг с другом, т.е. наше понимание Вселенной, основанное на теории Большого Взрыва, является правильным. Но откуда во Вселенной берутся другие элементы, ведь фактически там имеется сегодня вся периодическая система элементов Менделеева? Без этих элементов возникновение жизни на Земле было бы просто невозможным. Дело в том, что во Вселенной имеются не только звезды с массой, сравнимой с массой нашего Солнца (a low mass star), но и звезды с массой много больше массы нашего Солнца (a high mass star). Наше Солнце, когда запасы водорода в нем будут исчерпаны, превратится в белого карлика (a White Dwarf) размером с нашу Землю, т.е. Солнце сожмется более чем в 100 раз. Плотность этого объекта так велика, что одна чайная ложка вещества будет весить несколько тонн. Термоядерные реакции внутри Солнца превращают 4 водорода в гелий с выделением огромной энергии. Т.е. количество водорода при этом уменьшается, а гелия увеличивается. Понимание этих реакций внутри Солнца немецким физиком лауреатом Нобелевской премии Г. Бете позволило физикам осуществить эти реакции на Земле при создании водородной бомбы, которое представляет собой маленькое рукотворное Солнце, созданное учеными на Земле. Массивные звезды «умирают» по-другому, т.к. в этих звездах термоядерные реакции в их ядрах протекают при более высоких температурах за счет большего давления внутри звезды и в этих звездах образуется не только Не из Н, но и другие элементы – С, О, Ne, Mg, Si, Fe, Pb, U. Фактически вся таблица Менделеева. Когда звезда проходит стадию a supernova explosion, т.е. взрывается, эти элементы рассеиваются в пространстве и оседают в других звездных системах, включая нашу планету. Наш организм, например, содержит более 70 элементов. Конечный этап такой звезды – образование нейтронной звезды или черной дыры. Интересно, что расширение Вселенной началось с сингулярности, т.е. пространства с гигантским давлением и температурой и ничтожным размером. Если нашу Вселенную развернуть вспять, она сожмется до точки сингулярности. Вселенная имела меньший размер в прошлом и будет иметь больший размер в будущем. Открытие красного смещения (а red shift) свидетельствует о разбегании (удалении) галактик от нас и друг от друга. Другое свидетельство Большого Взрыва – это наличие в космосе пустых пространств (voids) и суперкластеров, т.е. гигантских скоплений галактик, которые были обнаружены.

Большой взрыв подтверждается множеством фактов:

Из общей теории относительности Эйнштейна следует, что вселенная не может быть статичной; она должна или расширяться, или сжиматься.

Чем дальше галактика, тем быстрее она удаляется от нас (закон Хаббла). Это указывает на расширение вселенной. Расширение вселенной означает, что в отдалённом прошлом вселенная была небольшой и компактной.

Модель Большого взрыва предсказывает, что космическое микроволновое реликтовое излучение должно проявляться во всех направлениях, имея спектр абсолютно чёрного тела и температуру около 3°К. Мы наблюдаем точный спектр абсолютно чёрного тела с температурой 2,73°К.

Реликтовое излучение равномерно до 0,00001. Небольшая неравномерность должна существовать для объяснения неравномерности распределения материи в сегодняшней вселенной. Такая неравномерность наблюдается и в предсказанном размере.

По теории Большого взрыва предсказывается наблюдаемое количество изначального водорода, дейтерия, гелия и лития. Никаким другим моделям этого не удаётся.

По теории Большого взрыва предсказывается, что вселенная с течением времени меняется. Из-за конечности скорости света наблюдение на дальних расстояниях позволяет нам взглянуть в прошлое. Среди прочих изменений мы видим, что, когда вселенная была моложе, квазары были более обычным явлением, а звёзды были более голубыми.

Существует, по крайней мере, 3 способа определить возраст Вселенной.Я опишу ниже:
*Возраст химических элементов.
*Возраст старейших шаровых скоплений.
*Возраст старейших звезд белых карликов.
*Возраст Вселенной также может быть оценен исходя из космологических моделей,основанных на значении Постоянной Хаббла,а также плотностей материи и темной энергии.Этот возраст, основанный на модели, составляет в настоящее время 13.7 ± 0.2 миллиардов лет.

Экспериментальные измерения согласуются с возрастом на основе модели, что способствует укреплению нашего доверия модели Большого взрыва.

К настоящему моменту с помощью спутника COBE составлена карта фонового излучения с его волнообразными структурами и флуктуациями амплитуды на протяжении нескольких миллиардов световых лет от Земли. Все эти волны являются сильно увеличенными изображениями тех мельчайших структур, с которых начинался Большой Взрыв. Размер этих структур был даже меньше размера субатомных частиц.
Этими же проблемами занимается и новый спутник MAP (Microwave Anisotropy Probe), который был отправлен в космос в пошлом году. Его задача - собирать информацию о микроволновом излучении, оставшемся от Большого Взрыва.

Свет, идущий к Земле от дальних звезд и галактик (вне зависимости от их расположения относительно Солнечной системы), имеет характерный красный сдвиг (Barrow, 1994). Такой сдвиг обусловлен доплеровским эффектом - увеличением длины световых волн при быстром удалении источника света от наблюдателя. Интересно, что этот эффект отмечается во всех направлениях, а значит, все дальние объекты движутся от Солнечной системы. Однако так происходит отнюдь не потому, что Земля - центр Вселенной. Скорее, ситуацию можно описать при помощи сравнения с воздушным шариком, раскрашенным «в горошек». По мере надувания шарика расстояние между горошинами увеличивается. Вселенная расширяется, и это происходит уже долгое время. Космологи считают, что Вселенная образовалась в течение одной минуты 10-20 миллиардов лет назад. Она «вылетела во все стороны» из одной точки, где материя находилась в состоянии невообразимой концентрации. Это событие называют Большим Взрывом.

Решающим доказательством в пользу теории Большого Взрыва стало существование фоновой космической радиации, так называемого реликтового излучения. Эта радиация - остаточный признак энергии, выделившейся в начале взрыва. Реликтовое излучение было предсказано в 1948 году и экспериментально зафиксировано в 1965-м. Оно является микроволновым излучением, которое можно определить в любой точке космоса, и создает фон для всех прочих радиоволн. Излучение имеет температуру 2,7 градуса по Кельвину (Taubes, 1997). Вездесущность этой остаточной энергии подтверждает не только факт возникновения (а не вечного существования) Вселенной, но и то, что ее рождение было взрывоподобно.

Если мы предположим, что Большой Взрыв произошел 13500 миллионов лет назад (что подтверждается несколькими фактами), то первые галактики возникли из гигантских газовых скоплений около 12500 миллионов лет назад (Calder, 1983). Звезды этих галактик были микроскопическими скоплениями сильно сжатого газа. Сильное гравитационное давление в их ядрах инициировало реакции термоядерного синтеза, превращающие водород в гелий с побочным излучением энергии (Davies, 1994). По мере старения звезд атомная масса элементов внутри них возрастала. Фактически, все элементы тяжелее водорода являются продуктами существования звезд. В раскаленной топке звездного ядра образовывались все более и более тяжелые элементы. Именно таким путем появились железо и элементы с меньшей атомной массой. Когда ранние звезды израсходовали свое «топливо», то более не могли противостоять силам гравитации. Звезды сжались, а затем взорвались сверхновыми. Во время взрыва сверхновых появились элементы с атомной массой больше, чем у железа. Неоднородный внутризвездный газ, оставшийся после ранних звезд, стал строительным материалом, из которого могли сформироваться новые солнечные системы. Скопления этого газа и пыли частично формировались в результате взаимного притяжения частиц. Если масса газового облака достигала определенного критического предела, гравитационное давление запускало процесс ядерного синтеза и из остатков старой звезды рождалась новая.

Доказательства модели Большого взрыва исходят из множества наблюдаемых данных, которые соответствуют модели Большого взрыва. Ни одно из этих доказательств Большого взрыва, как научной теории не является определяющим. Многие из этих фактов соответствуют как Большому взрыву, так и некоторым другим космологическим моделям, но взятые все вместе эти наблюдения показывают что модель Большого взыва является на сегодня наилучшей моделью Вселенной. Эти наблюдения включают:

Черноту ночного неба - Парадокс Олбера.
Закон Хаббла - Закон линейной зависимости расстояние от величины красного смещения. Этим данный на сегодня очень точны.
Гомогенность - четкие данные, показывающие что наше расположение во Вселенной не уникально.
Изотропия пространства - очень четкие данные, показывающие, что небо выглядит одинаковым образом во всех направлениях с точностью в 1 часть на 100,000.
Замедление времени на кривых яркости сверхновых звезд.
Наблюдения приведенные выше соответствуют как Большому взрыву так и стационарной модели, но многие наблюдения поддерживают Большой взрыв лучше, чем Стационарную модель:
Зависимость числа источников радиоизлучения и квазаров от яркости. Она показывает, что Вселенная эволюционировала.
Существование чернотельного реликтового излучения. Это показывает что Вселенная развилась из плотного, изотермического состояния.
Изменение Tреликт. с изменением величины красного смещения. Это является прямым наблюдением эволюции Вселенной.
Содержания Дейтерия, 3He, 4He, и 7Li. Содержание всех этих легких изотопов хорошо соответствует предсказываемым реакциям происходящим в первые три минуты.
Наконец, анизотропия угловой интенсивности реликтового излучения составляющая одну часть на миллион соответствует модели Большого взрыва с доминирующей темной матеией, которая прошла через инфляционную стадию.

Точные измерения, проведенные с помощью спутника "COBE", подтвердили, что реликтовое излучение заполняет Вселенную и имеет температуру 2,7 градусов Кельвина.Это излучение регистрируется со всех направлений и достаточно однородно. Согласно теории, Вселенная расширяется и, следовательно, в прошлом она должна была быть более плотной. А следовательно и температура излучения в то время должна быть выше. Теперь это беспорный факт.

Хронология:

* Планковское время: 10-43 секунды. Через этот промеж. времени гравитацию можно рассматривать как классический фон на котором развиваются частицы и поля, подчиняясь при этом законам квантовой механики. Область размером около 10-33 см в поперечнике гомогенна и изотропна, Температура T=1032K.
* Инфляция. В хаотичной инфляционной модели Линде (Linde) инфляция начинается в момент Планковского времени, хотя она может начаться, когда температура упадет до той границы, при которой внезапно разрушится симметрия Великой теории объединения (GUT). Это происходит при температурах от 1027 до 1028K через 10-35 секунд после Большого взрыва.
* Инфляция заканчивается. Время равно 10-33 секунды, температура по-прежнему 1027 - 1028K поскольку плотность энергии вакуума, которая разгоняет инфляцию, преобразуется в тепло. В конце инфляции скорость расширения так велика, что видимый возраст Вселенной составляет лишь 10-35 секунды. Благодаря инфляции, гомогенная область от Планковского момента времени имеет поперечник не менее 100 см, т.е. возросла более чем в 1035 раз с момента Планковского времени. Однако, квантовые флуктуации в ходе инфляции создают участки негомогенности с низкой амплитудой и случайным распределением, имеющим одинаковую энергию во всех диапазонах.
* Бариогенезис: небольшое различие в скоростях реакций для материи и антиматерии приводит к смеси, в которой содержится около 100,000,001 протонов на каждые 100,000,000 антипротонов (и 100,000,000 фотонов).
* Вселенная растет и охлаждается до момента 0.0001 секунды после Большого взрыва и температуры около T=1013 K. Антипротоны аннигилируют с протонами, в результате чего остается только материя, но с очень большим количеством фотонов на каждый выживший протон и нейтрон.
* Вселенная растет и охлаждается до момента в 1 секунду после Большого взрыва, температура T=1010 K. Вымораживаются слабые взаимодействия при отношении протон/нейтрон около 6. Гомогенный участок достигает к этому моменту размера 1019.5 см.
* Вселенная растет и охлаждается до момента 100 секунд после Большого взрыва. Температура 1 миллиард градусов, 109 K. Аннигилируют электроны и позитроны, образуя еще более фотонов, тогда как протоны и нейтроны соединяются, образуя ядра дейтерия (тяжелого водорода). Большая часть ядер дейтерия объединяется с образованием ядер гелия. В конечном итоге имеется по массе около 3/4 водорода, 1/4 гелия; отношение дейтерий/протон равно 30 частей на миллион. На каждый протон или нейтрон присутствует около 2 миллиардов фотонов.
* Через месяц после БВ ослабевают процессы, которые преобразуют поле излучения к спектру излучения абсолютно черного тела, теперь они отстают от расширения Вселенной, поэтому спектр реликтового излучения сохраняет информацию, относящуюся к этому времени.
* Плотность материи сравнивается с плотность излучения через 56,000 лет после БВ. Температура 9000 K. Негомогенности темной материи могут начать сжиматься.
* Объединяются протоны и электроны, образуя нейтральный водород. Вселенная становится прозрачной. Температура T=3000 K, время 380,000 лет после БВ. Обычная материя теперь может падать на облака темной материи. Реликтовое излучение с этого времени свободно путешествует до настоящего времени, поэтому анизотропия реликтового излучения дает картину Вселенной в то время.
* Через 100-200 миллионов лет после БВ образуются первые звезды, и своим излучением вновь ионизируют Вселенную.
* Взрываются первые сверхновые, наполняя Вселенную углеродом, азотом, кислородом, кремнием, магнием, железом, и так далее, вплоть до Урана.
* Как собранные вместе облака темной материи, звезды и газ образуются Галактики.
* Образуются скопления галактик.
* 4.6 милиарда лет назад образуется Солнце и Солнечная система.
* Сегодня: Время 13.7 миллиардов лет после Большого взрыва, температура T=2.725 K. Гомогенный участок сегодня составляет не менее 1029 см в поперечнике, что больше, чем наблюдаемая часть Вселенной.

Большой Взрыв был! Вот что, например, написал по этому поводу академик Я.Б. Зельдович в 1983 г.: «Теория «Большого Взрыва» в настоящий момент не имеет сколько-нибудь заметных недостатков. Можно даже сказать, что она столь же надежно установлена и верна, сколь верно то, что Земля вращается вокруг Солнца. Обе теории занимали центральное место в картине мироздания своего времени, и обе имели много противников, утверждавших, что новые идеи, заложенные в них, абсурдны и противоречат здравому смыслу. Но подобные выступления не в состоянии препятствовать успеху новых теорий».

Данные радиоастрономии свидетельствуют о том, что в прошлом далекие внегалактические радиоисточники излучали больше, чем сейчас. Следовательно, эти радиоисточники эволюционируют. Когда мы сейчас наблюдаем мощный радиоисточник, мы не должны забывать о том, что перед нами его далёкое прошлое (ведь сегодня радиотелескопы принимают волны, которые были излучены миллиарды лет назад). Тот факт, что радиогалактики и квазары эволюционируют, причем время их эволюции соизмеримо со временем существования Метагалактики, принято так же рассматривать в пользу теории Большого Взрыва.

Важное подтверждение «горячей Вселенной» следует из сравнения наблюдаемой распространенности химических элементов с тем соотношением между количеством гелия и водорода (около 1/4 гелия и примерно 3/4 водорода), которое возникло во время первичного термоядерного синтеза.

Изобилие легких элементов
Ранняя Вселенная была очень горячей. Даже если протоны и нейтроны при столкновении объединялись и формировали более тяжелые ядра, время их существования было ничтожным, потому что уже при следующем столкновении с еще одной тяжелой и быстрой частицей ядро снова распадалось на элементарные компоненты. Выходит, что с момента Большого взрыва должно было пройти около трех минут, прежде чем Вселенная остыла настолько, чтобы энергия соударений несколько смягчилась и элементарные частицы начали образовывать устойчивые ядра. В истории ранней Вселенной это ознаменовало открытие окна возможностей для образования ядер легких элементов. Все ядра, образовывавшиеся в первые три минуты, неизбежно распадались; в дальнейшем начали появляться устойчивые ядра.

Однако это первичное образование ядер (так называемый нуклеосинтез) на ранней стадии расширения Вселенной продолжался очень недолго. Вскоре после первых трех минут частицы разлетелись так далеко друг от друга, что столкновения между ними стали крайне редкими, и это ознаменовало закрытие окна синтеза ядер. В этот краткий период первичного нуклеосинтеза в результате соударений протонов и нейтронов образовались дейтерий (тяжелый изотоп водорода с одним протоном и одним нейтроном в ядре), гелий-3 (два протона и нейтрон), гелий-4 (два протона и два нейтрона) и, в незначительном количестве, литий-7 (три протона и четыре нейтрона). Все более тяжелые элементы образуются позже — при формировании звезд (см. Эволюция звезд).

Теория Большого взрыва позволяет определить температуру ранней Вселенной и частоту соударений частиц в ней. Как следствие, мы можем рассчитать соотношение числа различных ядер легких элементов на первичной стадии развития Вселенной. Сравнив эти прогнозы с реально наблюдаемым соотношением легких элементов (с поправкой на их образование в звездах), мы обнаруживаем впечатляющее соответствие между теорией и наблюдениями. По моему мнению, это лучшее подтверждение гипотезы Большого взрыва.

Помимо двух приведенных выше доказательств (микроволновой фон и соотношение легких элементов) недавние работы (см. Инфляционная стадия расширения Вселенной) показали, что сплав космологии Большого взрыва и современной теории элементарных частиц разрешает многие кардинальные вопросы устройства Вселенной. Конечно, проблемы остаются: мы не можем объяснить саму первопричину возникновения Вселенной; не ясно нам и то, действовали ли в момент ее зарождения нынешние физические законы. Но убедительных аргументов в пользу теории Большого взрыва на сегодняшний день накоплено более чем достаточно.

Терри Пратчетт описал традиционный взгляд на создание Вселенной примерно так: «В начале было ничего, которое взорвалось». Современная точка зрения космологии подразумевает, что расширяющаяся Вселенная возникла в результате Большого Взрыва, и она хорошо поддерживается доказательствами в виде реликтового излучения и смещением далекого света в направлении красной части спектра: Вселенная расширяется постоянно.

И все же далеко не всех удалось в этом убедить. В течение многих лет предлагались самые разные альтернативы и различные мнения. Некоторые интересные предположения остаются, увы, непроверяемыми с применением наших современных технологий. Другие представляют собой полеты фантазии, восставшей против непостижимости Вселенной, которая, кажется, бросает вызов человеческим представлениям о здравом смысле.

Теория стационарной Вселенной

Согласно недавно восстановленной рукописи Альберта Эйнштейна, великий ученый отдал дань уважения британскому астрофизику Фреду Хойлу за теорию о том, что пространство может расширяться в течение неопределенного времени, сохраняя равномерную плотность, если постоянно будет появляться новая материя в процессе спонтанной генерации. В течение многих десятилетий многие считали идеи Хойла ерундой, но недавно обнаруженный документ показывает, что Эйнштейн как минимум серьезно рассматривал его теорию.

Теорию стационарной Вселенной была предложена в 1948 году Германом Бонди, Томасом Голдом и Фредом Хойлом. Она вышла из идеального космологического принципа, который гласит, что вселенная выглядит по существу одинаково в каждой точке в любое время (в макроскопическом смысле). С философской точки зрения он привлекателен, поскольку тогда у вселенной нет начала и конца. Теория была популярна в 50-60-х годах. Столкнувшись с указаниями на то, что Вселенная расширялась, ее сторонники предположили, что во вселенной постоянно рождается новая материя, в постоянном, но умеренном темпе — несколько атомов на кубический километр в год.

Наблюдения квазаров в далеких (и старых, с нашей точки зрения) галактиках, которых в наших звездных окрестностях не существует, охладили энтузиазм теоретиков, и ее окончательно развенчали, когда ученые обнаружили космическое фоновое излучение. Тем не менее, хотя теория Хойла не принесла ему лавров, он провел серию исследований, которые показали, как во вселенной появились атомы тяжелее гелия. (Они появились в процессе жизненного цикла первых звезд при высоких температурах и давлении). По иронии судьбы, он также был одним из создателей термина «большой взрыв».

Утомленный свет

Эдвин Хаббл заметил, что длины волн света далеких галактик смещаются в направлении красной части спектра, если сравнивать со светом, излученным звездными телами поблизости, что говорит об утрате фотонами энергии. «Красное смещение» объясняется в контексте расширения после Большого Взрыва как функция эффекта Доплера. Сторонники моделей стационарной вселенной вместо этого предположили, что фотоны света теряют энергию постепенно по мере движения через космос, переходя к длинным волнам, менее энергетическим в красном конце спектра. Эту теорию впервые предложил Фриц Цвикки в 1929 году.

С утомленным светом связывают целый ряд проблем. Во-первых, нет никакого способа изменить энергию фотона без изменения его импульса, что должно приводить к эффекту размытия, который мы не наблюдаем. Во-вторых, он не объясняет наблюдаемые паттерны излучения света сверхновых, которые прекрасно соотносятся с моделью расширяющейся вселенной и специальной относительности. Наконец, большинство моделей утомленного света базируются на нерасширяющейся вселенной, но это приводит к спектру фонового излучения, который не соответствует нашим наблюдениям. В численном выражении, если бы гипотеза утомленного света была корректной, вся наблюдаемая радиация космического фона должна была бы приходить из источников, которые ближе к нам, чем галактика Андромеды (ближайшая к нам галактика), а все, что за ней, было бы для нас невидимо.

Вечная инфляция

Большинство современных моделей ранней Вселенной постулируют короткий период экспоненциального роста (известный как инфляция), вызванный энергией вакуума, в процессе которого соседствующие частицы оказались быстро разделенными огромными областями пространства. После этой инфляции, энергия вакуума распалась на горячий плазменный бульон, в котором образовались атомы, молекулы и так далее. В теории вечной инфляции этот процесс инфляции никогда не заканчивался. Вместо этого пузыри пространства прекратили бы раздуваться и вступили бы в низкоэнергетическое состояние, чтобы после расшириться в инфляционном пространстве. Такие пузыри были бы подобны пузырям пара в кипящей кастрюле с водой, только в этот раз кастрюля постоянно увеличивалась бы.

По этой теории наша Вселенная — один из пузырьков множественной вселенной, характеризующейся постоянной инфляцией. Один из аспектов этой теории, который можно было бы проверить, это допущение, что две вселенные, которые будут достаточно близко, чтобы встретиться, вызовут нарушения в пространстве-времени каждой вселенной. Лучшей поддержкой такой теории будет обнаружение доказательства такого нарушения на фоне реликтового излучения.

Первую инфляционную модель предложил советский ученый Алексей Старобинский, но на западе известной она стала благодаря физику Алану Гуту, который предположил, что ранняя вселенная могла переохладиться и позволить экспоненциальному росту начаться еще до Большого Взрыва. Андрей Линде взял эти теории и разработал на их основе теорию «вечного хаотического расширения», согласно которой вместо необходимости Большого Взрыва, при необходимой потенциальной энергии, расширение может начаться в любой точки скалярного пространства и происходить постоянно во всей мультивселеннной.

Вот что говорит Линде: «Вместо вселенной с одним законом физики, вечная хаотическая инфляция предполагает самовоспроизводяющуюся и вечно существующую мультивселенную, в которой все возможно».

Мираж четырехмерной черной дыры

Стандартная модель Большого Взрыва утверждает, что Вселенная взорвалась из бесконечно плотной сингулярности, но это не облегчает задачу объяснения ее почти однородной температуры, учитывая относительно короткое время (по меркам космоса), которое прошло со времен этого жестокого события. Некоторые считают, что это могла бы объяснить неизвестная форма энергии, которая привела к тому, что вселенная расширилась быстрее скорости света. Группа физиков из Института теоретической физики Периметра предположила, что вселенная может быть по сути трехмерным миражом, созданным на горизонте событий четырехмерной звезды, коллапсирующей в черную дыру.

Ниайеш Афшорди и его коллеги изучали предложение 2000 года, сделанное командой Университета Людвига Максимилиана в Мюнхене, на тему того, что наша Вселенная может быть лишь одной мембраной, существующей в «объемной вселенной» с четырьмя измерениями. Они решили, что если эта объемная вселенная также содержит четырехмерные звезды, они могут вести себя подобно своим трехмерным коллегам в нашей вселенной — взрываясь в сверхновые и коллапсируя в черные дыры.

Трехмерные черные дыры окружены сферической поверхностью — горизонтом событий. В то время как поверхность горизонта событий трехмерной черной дыры двумерна, форма горизонта событий четырехмерной черной дыры должна быть трехмерной — гиперсферой. Когда команда Афшорди смоделировала смерть четырехмерной звезды, она обнаружила, что извергаемый материал образовал трехмерную брану (мембрану) вокруг горизонта событий и медленно расширился. Команда предположила, что наша Вселенная может быть миражом, сформированным из обломков внешних слоев четырехмерной коллапсирующей звезды.

Поскольку четырехмерная объемная вселенная может быть намного старше, или даже бесконечно старой, это объясняет однородную температуру, наблюдаемую в нашей Вселенной, хотя некоторые из последних данных свидетельствуют о том, что могут быть отклонения, вследствие которых традиционная модель подходит лучше.

Зеркальная Вселенная

Одна из запутанных проблем физики такова, что почти все принятые модели, включая гравитацию, электродинамику и относительность, работают одинаково хорошо в описании Вселенной, независимо от того, идет время вперед или назад. В реальном же мире мы знаем, что время движется лишь в одном направлении, и стандартное объяснение этому в том, что наше восприятие времени есть лишь продукт энтропии, в процессе которой порядок растворяется в беспорядке. Проблема этой теории в том, что из нее вытекает, что наша Вселенная начала с высокоупорядоченного состояния и низкой энтропии. Многие ученые несогласны с понятием низкоэнтропийной ранней вселенной, фиксирующей направление времени.

Джулиан Барбур из Оксфордского университета, Тим Козловски из Университета Нью-Брансвик и Флавио Меркати из Института теоретической физики Периметра разработали теорию, согласно которой гравитация привела к тому, что время стало течь вперед. Они изучили компьютерное моделирование частиц в 1000 точек, взаимодействующих между собой под влиянием ньютоновой гравитации. Выяснилось, что независимо от их размера или размера, частицы в конечном итоге образуют состояние низкой сложности с минимальным размером и максимальной плотностью. Затем эта система частиц расширяется в обоих направлениях, создавая две симметричных и противоположных «стрелы времени», а с ней и более упорядоченные и сложные структуры по обе стороны.

Это позволяет предположить, что Большой Взрыв привел к созданию не одной, а двух вселенных, в каждой из которых время течет в противоположную от другой сторону. По мнению Барбура:

«Эта ситуация с двумя будущими будет демонстрировать единое хаотичное прошлое в обоих направлениях, означая, что будет по сути две вселенных, по каждую сторону центрального состояния. Если они будут достаточно сложными, обе стороны будут поддерживать наблюдателей, которые смогут воспринимать течение времени в обратном направлении. Любые разумные существа определят свою стрелу времени как удаление от центрального состояния. Они будут думать, что мы сейчас живем в их далеком прошлом».

Конформная циклическая космология

Сэр Роджер Пенроуз, физик Оксфордского университета, считает, что Большой Взрыв не был началом Вселенной, а лишь переходом по мере того, как она проходит через циклы расширения и сжатия. Пенроуз предположил, что геометрия пространства изменяется со временем и становится все более запутанной, как описывает математическое понятие тензора кривизны Вейля, который начинается с нуля и увеличивается со временем. Он считает, что черные дыры действуют, уменьшая энтропию Вселенной, и когда последняя достигает конца расширения, черные дыры поглощают материю и энергию и, в конце концов, друг друга. По мере распада материи в черных дырах, она исчезает в процессе излучения Хокинга, пространство становится однородным и наполненным бесполезной энергией.

Это приводит к понятию конформной инвариантности, симметрии геометрий с разными масштабами, но одной формы. Когда Вселенная уже не сможет соответствовать изначальным условиям, Пенроуз считает, что конформное преобразование приведет геометрию пространства к сглаживанию, и деградировавшие частицы вернутся к состоянию нулевой энтропии. Вселенная коллапсирует сама в себя, готовая разразиться новым Большим Взрывом. Отсюда следует, что Вселенная характеризуется повторяющимся процессом расширения и сжатия, который Пенроуз поделил на периоды под названием «эоны».

Панроуз и его партнер, Ваагн (Ваге) Гурзадян из Ереванского физического института в Армении, собрали спутниковые данные NASA о реликтовом излучении и заявили, что нашли 12 четких концентрических колец в этих данных, которые, по их мнению, могут быть доказательством гравитационных волн, вызванных столкновением сверхмассивных черных дыр в конце предыдущего эона. Пока это главное доказательство теории конформной циклической космологии.

Холодный Большой Взрыв и сжимающаяся Вселенная

Стандартная модель Большого Взрыва говорит, что после того, как вся материя взорвалась из сингулярности, она раздулась в горячую и плотную Вселенную и начала медленно остывать в течение миллиардов лет. Но эта сингулярность создает ряд проблем, когда ее пытаются впихнуть в общую теорию относительности и квантовую механику, поэтому космолог Криштоф Веттерих из Университета Гейдельберга предположил, что Вселенная могла начаться с холодного и огромного пустого пространства, которое становится активным лишь потому, что сжимается, а не расширяется в соответствии со стандартной моделью.

В этой модели, красное смещение, наблюдаемое астрономами, может быть вызвано увеличением массы вселенной по мере сжатия. Свет, излученный атомами, определяется массой частиц, больше энергии проявляется по мере движения света в голубую часть спектра и меньше — в красную.

Главная проблема теории Веттериха в том, что ее невозможно подтвердить измерениями, поскольку мы сравниваем лишь соотношения различных масс, а не самих масс. Один физик пожаловался, что эта модель сродни утверждению, что не Вселенная расширяется, а линейка, которой мы ее измеряем, сжимается. Веттерих говорил, что не считает свою теорию заменой Большому Взрыву; он лишь отмечал, что она соотносится со всеми известными наблюдениями Вселенной и может быть более «естественным» объяснением.

Круги Картера

Джим Картер — ученый-любитель, разработавший личную теорию о вселенной, основанную на вечной иерархии «цирклонов», гипотетических круглых механических объектов. Он считает, что всю историю Вселенной можно объяснить как поколения цирклонов, развивающихся в процессе воспроизводства и деления. К такому выводу ученый пришел после наблюдения идеального кольца пузырьков, выходящих из его дыхательного аппарата, когда он занимался подводных плаванием в 1970-х годах, и отточил свою теорию экспериментами с участием контролируемых колец дыма, мусорных баков и резиновых листов. Картер считал их физическим воплощением процесса под названием цирклонная синхронность.

Он говорил, что цирклонная синхронность являет собой лучшее объяснение создания Вселенной, нежели теория Большого Взрыва. Его теория живой вселенной постулирует, что хотя бы один атом водорода существовал всегда. В начале один атом антиводорода плавал в трехмерной пустоте. У этой частицы была такая же масса, как и у всей вселенной, и состояла она из положительно заряженного протона и отрицательно заряженного антипротона. Вселенная пребывала в завершенной идеальной дуальности, но отрицательный антипротон гравитационно расширялся чуть быстрее, чем положительный протон, что приводило к потере им относительной массы. Они расширялись по направлению друг к другу, пока отрицательная частица не поглотила положительную, и они не сформировали антинейтрон.

Антинейтрон тоже был несбалансирован по массе, но в конечном итоге вернулся в равновесие, что привело к расщеплению его на два новых нейтрона из частицы и античастицы. Этот процесс вызвал экспоненциальный рост числа нейтронов, некоторые из которых уже не расщеплялись, а аннигилировали в фотоны, которые легли в основу космических лучей. В конечном итоге вселенная стала массой стабильных нейтронов, которые существовали определенное время перед распадом, и позволили электронам впервые объединиться с протонами, образовав первые атомы водорода и наполнив вселенную электронами и протонами, активно взаимодействующими с образованием новых элементов.

Немного безумия не повредит. Большинство физиков считает идеи Картера бредом неуравновешенного, который даже не подлежит эмпирическому обследованию. Эксперименты Картера с кольцами дыма использовались в качестве доказательства ныне дискредитированной теории эфира 13 лет назад.

Плазменная Вселенная

Если в стандартной космологии гравитация остается главной управляющей силой, в плазменной космологии (в теории электрической вселенной) большая ставка делается на электромагнетизм. Одним из первых сторонников этой теории был русский психиатр Иммануил Великовский, который написал в 1946 году работу под названием «Космос без гравитации», в которой заявил, что гравитация — это электромагнитный феномен, вытекающий из взаимодействия между зарядами атомов, свободными зарядами и магнитных полей солнца и планет. В дальнейшем эти теории прорабатывал уже в 70-х годах Ральф Юргенс, утверждавший, что звезды работают на электрических, а не на термоядерных процессах.

Существует много итераций теории, но ряд элементов остается одним. Теории плазменной вселенной утверждают, что Солнце и звезды электрически питаются дрейфовыми токами, что некоторые особенности планетарной поверхности вызываются «сверхмолниями» и что хвосты комет, марсианские пыльные дьяволы и образование галактик — все это электрические процессы. По этим теориям, глубокий космос заполнен гигантскими нитями электронов и ионов, которые скручиваются вследствие действия электромагнитных сил в космосе и создают физическую материю вроде галактик. Плазменные космологи допускают, что Вселенная бесконечна в размере и возрасте.

Одной из самых влиятельных книг на эту тему стала «Большого Взрыва никогда не было», написанная Эриком Лернером в 1991 году. Он утверждал, что теория Большого Взрыва неправильно предсказывает плотность легких элементов вроде дейтерия, лития-7 и гелия-4, что пустоты между галактиками слишком велики, чтобы их можно было объяснить временными рамками теории Большого Взрыва, и что яркость поверхности далеких галактик наблюдается как постоянная, тогда как в расширяющейся вселенной эта яркость должна уменьшаться с расстоянием вследствие красного смещения. Он также утверждал, что теория Большого Взрыва требует слишком много гипотетических вещей (инфляция, темная материя, темная энергия) и нарушает закон сохранения энергии, поскольку Вселенная якобы родилась из ничего.

Напротив, говорит он, теория плазмы правильно предсказывает изобилие легких элементов, макроскопическую структуру Вселенной и поглощение радиоволн, являющихся причиной космического микроволнового фона. Многие космологи утверждают, что лернеровская критика космологии Большого Взрыва базируется на понятиях, которые считались неправильными на момент написания его книги, и на его объяснениях, что наблюдения космологов Большого Взрыва приносят больше проблем, чем могут решить.

Бинду-випшот

Пока мы не затрагивали религиозные или мифологические истории сотворения вселенной, но сделаем исключение для индуистской истории создания, поскольку ее можно с легкостью увязать с научными теориями. Карл Саган однажды сказал, что это «единственная религия, в которой временные рамки отвечают современной научной космологии. Ее циклы переходят от наших обычных дня и ночи до дня и ночи Брахмы, длиной в 8,64 миллиарда лет. Дольше, чем существовала Земля или Солнце, почти половина времени с момента Большого Взрыва».

Ближайшая к традиционной идее Большого Взрыва вселенной обнаруживается в индуистской концепции бинду-випшот (буквально «точка-взрыв» на санскрите). Ведические гимны древней Индии гласили, что бинду-випшот произвел звуковые волны слога «ом», который означает Брахмана, Абсолютную Реальность или Бога. Слово «Брахман» имеет санскритский корень brh, означающий «большой рост», что можно связать с Большим Взрывом, согласно писанию Шабда Брахман. Первый звук «ом» интерпретируется как вибрация Большого Взрыва, обнаруженная астрономами в форме реликтового излучения.

Упанишады объясняют Большой Взрыв как одно (Брахман), желающее стать многим, чего он и достиг за счет большого взрыва как усилия воли. Создание часто изображается как лила, или «божественная игра», в том смысле, что вселенная создавалась как часть игры, и запуск в виде большого взрыва тоже был ее частью. Но разве игра будет интересной, если в ней будет всеведущий игрок, знающий, как она будет проходить?

По материалам listverse.com

• Перевод

Как характерная черта, основанная на наблюдении космической инфляции, может провозгласить научную революцию века (18 марта 2014 года)

Несмотря на название, Теория большого взрыва – это вообще не теория взрыва. Это теория последствий взрыва.
- Алан Гут

Когда вы представляете себе начало Вселенной, вы, наверно, думаете о горячем, плотном состоянии, наполненном материей и излучением, которое невероятно быстро расширяется и охлаждается (и, кстати, так всё и было). Но чего нельзя сделать – так это экстраполировать назад до произвольно горячего и плотного состояния. Вы можете думать, что без проблем пройдёте назад по времени, до «сингулярности» с бесконечными температурой и плотностью, когда вся энергия Вселенной была сжата в единую точку – но это не соответствует действительности.

Одна из замечательных особенностей Вселенной состоит в том, что излучение, зародившееся в то время, всё ещё существует. Оно претерпевало отражения от заряженных частиц во времена Вселенной, бывшей юной, горячей и ионизированной (а это продлилось в течение 380 000 лет). Когда Вселенная стала электрически нейтральной (когда материя впервые сформировала нейтральные атомы), оставшееся от Большого взрыва излучение устремилось по прямой, не прерываемое этой нейтральной материей.

По мере расширения Вселенной - из-за того, что энергия излучения определяется длиной волны – эти длина волны растягивалась вместе с расширением пространства, а энергия с тех пор весьма сильно упала. Но это очень помогает нам, поскольку даёт материал для наблюдений.

И если бы мы могли увидеть и измерить эти волны, они дали бы нам окошко для заглядывания в раннюю Вселенную! И вот, в 1960-х, Арно Пензиас и Роберт Уилсон обнаружили это остаточное свечение от Большого взрыва – излучение, равномерно идущее во всех направлениях, всего лишь на несколько градусов выше абсолютного нуля – и в нём учёные сразу узнали микроволновое космическое фоновое излучение, которое так долго искали!

Спустя 50 лет мы добились невероятного прогресса. Мы смогли не только измерить энергетический спектр этого излучения, но и измерить присущие ему крошечные флуктуации температуры, а так же их масштабы, их взаимосвязь между собой и как это все относится к эволюции Вселенной.

В частности, мы узнали, как выглядела Вселенная в возрасте 380 000 лет, из чего она сделана, и как взаимодействующая материя повлияла на излучение на его пути к нашим глазам длиною в 13,8 миллиардов лет.

Но есть ещё кое-что, что может дать нам информацию об этих вещах: мы можем изучать не только энергию и температуру света, но и его поляризацию. Дайте-ка я поясню.

По сути, свет – это электромагнитная волна. Значит, он состоит из колеблющихся электрических и магнитных полей, перпендикулярных друг другу, у него есть особая длина волны (определяемая энергией), и он распространяется со скоростью света.

Пролетая мимо заряженных частиц, отражаясь от поверхности, взаимодействуя с другими электромагнитными явлениями, электрические и магнитные поля реагируют с окружающей их средой.

Изначально полученный свет должен быть неполяризованным, но огромное количество вещей приводит к его поляризации самыми разными способами. Иначе говоря, свет, который обычно имеет случайно ориентированные электрические и магнитные поля, может испытать взаимодействия, в результате которых у них появится предпочтительная ориентация. И вот она уже сможет рассказать нам очень много познавательных вещей про то, с кем свет взаимодействовал за свою историю.

Эффект поляризации фонового микроволнового излучения впервые открыли в прошлом десятилетии при помощи спутника WMAP, а от обсерватории «Планк» в будущем ожидают ещё лучших результатов (но этот тип исследований, надо отметить, очень сложен в реализации). Поляризация, благодаря которой свет выглядит «радиальным», называется Е-модой поляризации (для электрических полей), а та, из-за которой свет «закручен», называется B-модой поляризации (для магнитных полей).

Большинство наблюдаемых эффектов произошло из-за миллиардов световых лет материи, которую прошёл насквозь свет; мы называем это «передним планом». Ему пришлось пройти весь путь во всех направлениях со времён эры излучения, чтобы дойти сегодня до наших глаз.

Но крохотная, малюсенькая часть поляризации должна была дойти до нас с более ранних времён. Видите ли, до Большого взрыва – до того, как Вселенную вообще можно было бы описать, как горячую, плотную, и наполненную материей и излучением – Вселенная просто экспоненциально расширялась; это был период космической инфляции. В это время во Вселенной господствовала энергия, присущая самому пустому пространству – энергия в количестве гораздо большем, чем присутствует в ней сегодня.

В это время квантовые флуктуации – присущие самому пространству – растягивались по Вселенной, и обеспечивали изначальные флуктуации плотности, которые породили сегодняшнюю Вселенную.

Но только в регионах, где закончилась инфляция, и где эта энергия, присущая пространству, преобразовывается в материю и излучение, и случается Большой взрыв.

И в этих регионах – где закончилась инфляция – у нас получается Вселенная, гораздо большая, чем наблюдаемый её участок. Это и есть идея мультивселенной, и именно поэтому мы считаем, что, скорее всего, живём в ней.

А что насчёт самой этой инфляции? Можем ли мы что-нибудь узнать о ней?

Вы можете решить, что квантовые флуктуации – и посеянные ими флуктуации плотности – это всё, что у нас есть. И до недавнего времени я бы вам так и сказал. Но в теории инфляция порождает и гравитационные волны, которые мы до сих пор не могли обнаружить. LISA, космическая антенна лазерного интерферометра (проект, отодвинутый в лучшем случае в 2030-е), был нашей лучшей надеждой на прямое обнаружение волн.

Но и без LISA гравитационные волны можно обнаружить непрямым методом. Хотя гравитационные волны и свет передвигаются с одинаковой скоростью, свет замедляется при проходе через среду. Это происходит даже в такой разреженной среде, как межгалактическое и межзвёздное пространство! А поскольку гравитационные волны не замедляются – на них влияет только кривизна пространства-времени – они обгоняют свет и сами приводят к поляризации!

Вообще, именно деформации пространства-времени на определённых масштабах растягивают волны света определённым образом, когда они путешествуют от Большого взрыва и до наших глаз.

Конкретно, характерные признаки гравитационных волн должны проявиться, как B-мода поляризации, и они должны оставить специфический рисунок на больших масштабах.

Хотя в обсерватории «Планк» должны это увидеть и подтвердить, его опередила команда, работающая на Южном полюсе: BICEP2!

На масштабах порядка 1,5 градусов B-мода поляризации весьма очевидна, и её уже объявляли открытой, правда со значимостью 2,7σ (примечание: на данных масштабах значимость составляет 5,2σ, но им надо убедить всех, что этот уровень обнаружения не появился благодаря комбинации переднего плана и систематики). 2,7σ означает, что существует 2% шанс того, что это обнаружение ложное, и исчезнет с получением большего количества данных. Но в мире науки это довольно большая вероятность, поэтому пока не стоит считать это открытие свершившимся фактом.

Если открытие выдержит проверку, это будет весьма серьёзным событием. Именно это нам надо измерить, и не только для того, чтобы узнать, была ли инфляция (скорее всего, она была), но чтобы узнать, какая из моделей инфляции описывает Вселенную?

«Планк», выпустив первые результаты в прошлом году, не обнаружил вообще ничего.

Существует несколько общих типов инфляции, которые могли произойти: в частности, если значение r в указанных графиках окажется равным нулю, это будет в пользу модели «малых полей», а если он окажется чем-то огромным (например, 0,2, судя по этим результатам), это будет доказательством модели «больших полей».

Однозначный ли это результат? Нет. Нам нужна гораздо лучшая статистика, чтобы объявить это открытием – мы не можем принять эти результаты и объявить: «да, это изначальные гравитационные волны, оставшиеся со времени до инфляции», так как нам нужны доказательства получше. 2,7σ – это неплохо, но в жестоком мире физики нам нужен подтверждённый результат в 5σ. Мусорная корзина истории физики полна «открытий» с 3σ, которые исчезли с поступлением новых данных.

Мы знаем, что инфляция была; истоки структуры во Вселенной – её сегодняшний внешний вид, её вид 13,8 миллиардов лет назад, и в любом месте в промежутке – уже рассказал нам об этом. Но есть возможность, и первые намёки, что гравитационные волны также могли остаться. И если выяснится, что мы действительно их увидели, мы должны будем получить подтверждение этому в следующие несколько лет. Но если наблюдение перейдёт в разряд незначительных по мере сбора данных, это не будет означать, что модель инфляции неправильная – только, что не она производит самые сильные B-моды.

Это пока ещё не «открытие», но намёк, что мы могли наткнуться на что-то удивительное: первый намёк на то, как родилась наша Вселенная. Если он окажется верным, это будет открытие столетия. Но если новые данные опровергнут его – что вполне может произойти – это не значит, что модель инфляции неправильная; это значит, что гравитационные волны от инфляции меньше, чем предсказывали самые оптимистичные модели.

Но будет оно реальным или нет, мы всё равно узнаем ещё немного о том, как появилась вся наша Вселенная.

Обновление: в комментариях к оригинальной статье читатели сообщали, что в работе упоминается значимость больше, чем 5σ. В частности, они смотрят на определённый участок угловой шкалы, где они и в самом деле видят сигнал со значимостью в 5.2σ.

Может ли фокусировка быть за это в ответе? Это единственный компонент, который можно вычеркнуть – если я, конечно, правильно понял работу – со значимостью всего лишь в 2.7σ.

Смотрите сами.

Значимость результата не выше, чем у самого вероятного из источников неопределённости, и если даже r и может быть равен нулю, очень важно исключить эту возможность. В работе её, возможно, исключили, но мне не показалось, что это было сделано чётко и ясно. Тем не менее, мне очень интересно, как это всё будет развиваться! Если они исключат фокусировку так же, как и синхротронную эмиссию, ограничение в 5σ будет выполнено, и это уже будет означать Нобелевку!

17 марта 2014 года учёные из Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики объявили о обнаружении B-моды на уровне r = 0,2. Однако, более поздний анализ (опубликован 19 сентября 2014), проведённый другой группой исследователей с использованием данных обсерватории «Планк», показал, что результат BICEP2 можно полностью отнести на счёт галактической пыли.

А БЫЛ ЛИ БОЛЬШОЙ ВЗРЫВ?

В наше время существуют две основных «научных» теории возникновения нашей Вселенной. Согласно Теории стабильного состояния, материя/энергия, пространство и время существовали всегда. Но тут же возникает логичный вопрос - почему сейчас никому не удается создать материю и энергию? Это утверждает Первый Закон Термодинамики, ни одного исключения из которого не удалось обнаружить. Напротив, все стремится к распаду и разрушению, энергия иссякает, становясь все менее способной к совершению работы (это называют Вторым Законом Термодинамики). Бесконечно старая Вселенная должна быть полностью лишена полезной энергии и каких-либо изменений - достигнуть состояния, называемого тепловой смертью.

Самая популярная теория происхождения Вселенной, поддерживаемая большинством теоретиков - Теория Большого Взрыва. Подобно библейскому повествованию о Сотворении она утверждает, что Вселенная возникла внезапно, но это было случайное событие, случившееся миллиарды лет назад. Оценка возраста Вселенной последнее время колебалась в пределах 8-20 миллиардов лет; в настоящее время речь ведется о 12 миллиардах лет.

Теорию Большого Взрыва предложили в 20-х годах нашего века ученые Фридман и Леметр, в сороковых годах ее дополнил и переработал Гамов. Согласно этой теории, когда-то давным-давно наша Вселенная представляла собой бесконечно малый сгусток, сверхплотный и раскаленный до немыслимых температур. Это нестабильное образование внезапно взорвалось, пространство быстро расширилось, а температура разлетающихся частиц, обладающих высокой энергией, начала снижаться. Примерно после первого миллиона лет атомы двух самых легких элементов, водорода и гелия, стали стабильными. Под действием сил притяжения начали концентрироваться облака материи. В результате сформировались галактики, звезды и другие небесные тела. Звезды старели, взрывались сверхновые, после чего появлялись более тяжелые элементы. Они формировали звезды более позднего поколения, такие, как наше Солнце. В качестве доказательств того, что в свое время произошел Большой Взрыв, говорят о красном смещении света от объектов, расположенных на больших расстояниях, и микроволновом фоновом излучении.

Красное смещение

Наблюдаемый спектр элементов, находящихся от нас на очень большом расстоянии, в общем таков же, как и на Земле, но спектральные линии сдвинуты в низкочастотную область - к большей длине волны. Это явление называют красным смещением. Его пытаются объяснить тем, что Земля и объект разлетаются с большой скоростью в разные стороны. Следуя этой теории, если проследить этот процесс в прошлое, все должно было начаться из одной точки - Большого Взрыва.

Вполне возможно, что красное смещение в спектре дальних галактик происходит из-за того, что они удаляются от нас. Библия говорит о том, что Господь распростер небеса. Действие этого движения противоположно действию сил притяжения, что стабилизирует всю систему. Однако если небеса были созданы с этой «встроенной» кинетической энергией только несколько тысяч лет тому назад, то при попытке заглянуть в более древнее время мы можем прийти к ложным заключениям. Положение, сложившееся в обозримой Вселенной к нашему времени может дать нам некоторое понимание того, что происходило в прошлом, но утверждать что-либо с полной уверенностью мы не можем.

Еще одно возможное объяснение красного смещения - гравитационное притяжение света, исходящего от галактики или звезды. Крайним случаем этого эффекта может быть черная дыра, в которой свет вовсе не может преодолеть гравитационное притяжение (В соответствии с теорией, черные дыры возникли в результате гравитационного свертывания (коллапса) старых, истощенных звезд-гигантов. Из-за особенностей строения и функционирования черных дыр обнаружить их чрезвычайно трудно. К нынешнему дню мы не можем с уверенностью утверждать, обнаружена ли хоть одна из них).

Советские ученые предположили, что красное смещение может происходить из-за снижения со временем скорости света. (Troitskii , Astrophysics and Space Science , 139, (1987) 389). Такой эффект способен породить и фоновое излучение.

Фоновое излучение

Теоретики предположили, что «эхо» первичного Большого Взрыва тоже претерпело красное смещение, и искать его теперь нужно в микроволновом диапазоне спектра. В 1965 году Пенциас и Уилсон (Penzias, Wilson ) обнаружили микроволновое фоновое излучение с температурой всего 3° выше абсолютного нуля. Может ли это быть доказательством большого взрыва?

Фоновое излучение приблизительно в 3°К совершенно одинаково во всех направлениях, т.е. изотропно. Вселенная состоит из огромных пустых пространств и гигантских скоплений галактик. Если излучение свидетельствует о прошлом Вселенной, то оно не должно быть изотропным. Именно из-за этого несоответствия НАСА послала специальный спутник (COBE) с целью более точного измерения фонового излучения. И опять-таки оказалось, что излучение совершенно одинаково во всех направлениях. Однако с помощью многократного компьютерного усиления сигнала астрономы получили наконец долгожданную анизотропию. Разница температур составляла миллионные доли градуса. 1 мая 1992 года в журнале Science была напечатана статья, в которой сказано, что разница температур «находится намного ниже уровня шумов измерительных приборов».

Нечто из ничего

Астроном Дэвид Дарлинг (Darling ) в статье в New Scientist (14 сентября 1996 г., с. 49) предостерегает: «Не позволяйте толкователям космологии одурачить вас. У них тоже нет ответов на вопросы - хотя они хорошенько поработали над тем, чтобы убедить всех, и себя в том числе, в том, что им все ясно... На самом же деле объяснение того, как и откуда все началось - до сих пор серьезная проблема. Не помогает даже обращение к квантовой механике. Либо не существовало ничего, с чего все могло бы начаться - ни квантового вакуума, ни прегеометрической пыли, ни времени, в котором могло происходить что-либо, ни каких бы то ни было физических законов, в соответствии с которыми ничто могло превратиться в нечто. Либо же существовало нечто, и в этом случае оно требует объяснения».

Первый Закон, о котором мы уже говорили, гласит: нельзя получить что-либо из ничего.

Порядок из взрыва? Согласно Второму Закону термодинамики порядок, наблюдаемый в нашей Солнечной системе, не может быть следствием взрыва. Взрыв не ведет к порядку. Для того, чтобы получить некий порядок, необходимо введение не только энергии, но и информации.

Скрытая холодная темная материя

Огромная проблема теории большого взрыва в том, как предполагаемое изначальное излучение высокой энергии, якобы разлетаясь в разные стороны, могло объединиться в такие структуры как звезды, галактики и скопления галактик. Такая теория предполагает наличие дополнительных источников массы, обеспечивающих соответствующие значения силы притяжения. Эта материя, обнаружить которую так и не удалось, была названа Холодной Темной Материей (CDM - Cold Dark Matter). Подсчитали, что для образования галактик необходимо, чтобы такая материя составляла 95-99% Вселенной. Эта материя сродни новому наряду короля из сказки Андерсена - все говорят о нем, но никто его не видел. Какие только источники CDM ни изобретались! М. Хокинс (Hawkins ) в книге Hunting down the Universe (1997) предположил, что 99% всей массы Вселенной составляют мини-черные дыры, каждая размером с двуспальную кровать. Но если эти таинственные черные дырочки образовались в результате свертывания звезд, как предполагает теория, они вряд ли бы могли быть причиной образования звезд - звезды образуются только из звезд. Еще один претендент на потерянный источник притяжения - «извивающиеся полосы волокнистого вещества, простирающиеся в космосе на миллионы километров, а также сверхтяжелые сгустки энергии, имеющие форму кренделя» (New Scientist , 27 сентября 1997 г., с. 30). Имеют ли красные карлики какое-то отношение к искомой гравитации? Нет, отвечают специалисты по космологии, их слишком мало, и их плотность не настолько высока. К августу 1997 года были зарегистрированы только шесть коричневых карликов, вернее, только о шести можно говорить с уверенностью. 30 апреля 1992 года журнал Nature написал: «Вне области космологии, для которой они и были изобретены, ни темная материя, ни расширение вселенной не имеют заслуживающей доверия поддержки».

Утерянная антиматерия

Если материя возникла благодаря излучению высокой энергии, порожденному большим взрывом, то одновременно с ней должно было образоваться такое же количество антиматерии. Но не образовалось. Если бы это произошло, материя и антиматерия аннигилировали бы друг друга.

Рождение и смерть звезд

В Библии сказано, что Создатель завершил Свою работу в шесть дней. По теории же большого взрыва звезды рождаются и умирают попеременно. Считается, что звезды формируются при сгущении пылевых облаков. Поскольку утверждается, что процесс этот занимает миллионы лет, никто не видел, как родилась хотя бы одна звезда. Астрономы могут показать на любую туманность и заявить, что это и есть протозвезда. Но так ли это? Со временем звезда сгорает и начинает сжиматься собственной гравитацией. В результате происходит взрыв сверхновой. Подобное зрелище можно было наблюдать в 1987 году, причем в течении нескольких месяцев. 4 июля 1054 года, согласно китайским летописям, такое же явление наблюдали в том районе неба, где сейчас находится Крабовидная туманность. Смерть и разрушение постигнет все существующее, об этом говорит Второй закон термодинамики. Звезды подразделяются на три основных категории: главная последовательность (как наше Солнце), красные гиганты и белые карлики. Считается, что звезда за миллионы лет своей жизни должна пройти все три этих стадии. Диаграммы, отражающие яркость звезд в зависимости от их температуры, ясно показывают существование трех типов звезд.

Звезда Сириус - самая яркая из видимых нами звезд и пятая из ближайших к Земле. Вокруг нее вращается тусклая белая звезда-карлик. Но судя по записям хроник, всего полторы тысячи лет тому назад эта звезда-спутник была красным гигантом. Смерть и разрушение звезд, очевидно, процесс не такой уж и медленный.

Размер и возраст Вселенной

Расстояния в космосе оцениваются по постоянной Хаббла, соотносящей расстояние и скорость удаления. То есть, чтобы узнать расстояние, мы используем то же самое расстояние! Говоря о неопределенности значения этой константы, редактор журнала Nature (27 июля 1995 г., с. 291), отметил: «Досадно, что пока сохраняются расхождения, специалисты по космологии не будут знать, как же относиться к таким вопросам, как, например, был ли большой взрыв на самом деле».

Магнитные поля, обнаруженные у Ганимеда, Марса и других планет, не поддаются объяснению, если исчислять их возраст миллионами лет. Несмотря на то, что вопрос о времени накоплении пыли на Луне был кардинально пересмотрен, до сих пор не решена проблема - почему все-таки на Луне так мало пыли? Не решен вопрос и о нестабильности колец Сатурна.

Антропный принцип

Ядро атома любого химического элемента состоит из протонов и нейтронов. По величине протоны чуть больше нейтронов. Если бы протон весил на 0,2% больше, он был бы нестабилен и распался бы на нейтрон, позитрон и нейтрино. В ядре атомов водорода - один протон, так что если бы протон был нестабилен, не существовали бы ни звезды, ни вода, ни органические молекулы. Стабильность протона не является предметом естественного отбора, значит, он должен быть именно таким с самого начала.

Притягивающая сила гравитации обратно пропорциональна квадрату расстояния R между массами, точнее - R-2.00000. Если бы это соотношение не было таким сверхточным, Вселенная не была бы единым целым.

Земля находится от Солнца на расстоянии, оптимальном для существования на нашей планете жизни. Скорость вращения Земли; ее океаны и атмосфера; Луна; массивный Юпитер, отклоняющий кометы, угрожающие нашей планете (как комета Шумейкера-Леви) своим притяжением - все это служит поддержанию жизни на Земле.

Похоже, что и Вселенная, и Солнечная система, и Земля - все это было создано специально для человека. Наука признает этот факт и называет его антропным принципом.

То, что Создателя нельзя обнаружить и измерить с помощью научных инструментов, отнюдь не значит, что Его нет. Но это толкает ученых на поиски альтернативных объяснений. Один астроном предположил, что наша Вселенная была создана невесть откуда взявшимися разумными существами! А другой считает, что наша Вселенная - одна из миллиардов вселенных, единственная, имеющая все условия для существования жизни...

Разумная Вселенная

Сэр Фред Хойл (Hoyle ), известный астроном, как-то написал: «Картина Вселенной, образования галактик и звезд, по крайней мере как она предстает в астрономии, удивительно нечетка, как пейзаж, видимый в тумане... Очевидно, что в изучении космологии упущен один компонент - тот, что предполагает разумный замысел».

Так был ли большой взрыв? Красное смещение и фоновое излучение не могут служить убедительными доказательствами этому. Законы термодинамики, гравитации и теория информации, тем не менее, дают достаточно однозначный ответ. Никакого взрыва не было.

Д-р Дэвид Роузвер

Dr.David Rosevear. Was there a Big Bang?

Creation Science Movement (UK), Pamphlet 317. Перевод с английского Елена Буклерская.