Великий вибух

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.
Перейти до: навігація, пошук
Великий Вибух та поступове розширення простору
Запит «Теорія Великого вибуху» перенаправляє сюди; див. також Теорія великого вибуху (телесеріал).

Вели́кий ви́бух (англ. Big Bang Theory) — фізико-космологічна теорія, згідно з якою Всесвіт виник із надзвичайно щільного та гарячого стану приблизно 13,7 мільярдів років тому. Вона ґрунтується на екстраполяції в минуле факту розбігання небесних тіл за законом Габбла та на моделі Всесвіту, запропонованій Олександром Фрідманом.

Зазвичай зараз автоматично поєднують теорію Великого вибуху і модель гарячого Всесвіту, але ці концепції незалежні і історично існувало також уявлення про холодний початок Всесвіту поблизу Великого вибуху. Саме поєднання теорії Великого вибуху з теорією гарячого Всесвіту, що підкріплюється існуванням реліктового випромінювання, і розглядається далі.

Теоретичні положення й імплікації[ред.ред. код]

Екстраполяція астрономічних спостережень у минуле вказує на те, що Всесвіт розширився з початкового стану, в якому вся матерія та енергія мали величезну температуру та густину. Фізики не мають єдиного погляду на те, що саме передувало початковому станові. Однією з можливих гіпотез є гравітаційна сингулярність.

Термін «великий вибух» у вузькому сенсі вживається для позначення моменту в часі, коли почалося розширення відомого нам Всесвіту, — за підрахунками це сталося близько 13,7 мільярдів років тому. У ширшому сенсі «великим вибухом» називають космологічну парадигму, що пояснює як розширення Всесвіту, так і склад та утворення первісної матерії за допомогою нуклеосинтезу.

Одним з наслідків «великого вибуху» є те, що умови сьогоднішнього Всесвіту відрізняються від умов у минулому і майбутньому. На підставі цієї моделі, 1948 року Джордж Гамов якісно спрогнозував існування космічної мікрохвильової фонової радіації, яку невдовзі (у шістдесятих роках XX-го сторіччя) було виявлено і яка стала підтвердженням теорії «Великого вибуху» на противагу теорії стаціонарного всесвіту.

Пояснюючи чимало результатів астрономічних спостережень, теорія «великого вибуху» не дає відповіді на всі питання, пов'язані з еволюцією Всесвіту: вона незавершена — і, безумовно, буде розвиватися надалі.

Склад Всесвіту згідно з моделлю Лямбда-CDM

Історія[ред.ред. код]

Теорію зародження і еволюції Всесвіту, яку сьогодні називають «теорією великого вибуху», запропонував 1931 року бельгійський абат і астроном Жорж Леметр[1]. Знаючи про розбігання галактик, про що свідчили спостереження Едвіна Хаббла, та незалежно отримавши рівняння Фрідмана, Леметр припустив, що розбігання галактик можна екстраполювати в минуле, звівши все до єдиної точки, яку абат називав «первинним атомом».

Назву «великий вибух» теорії дав у виступі на радіо її противник Фред Гойл: «big bang» означає англійською мовою радше «великий бах» — саме так Гойл зневажливо охарактеризував гіпотезу Леметра. Однак вислів набув усталеності та втратив початкове негативне забарвлення.

Hubble Ultra Deep Field являє зображення галактик з ери, коли Всесвіт був молодшим, щільнішим та гарячішим згідно з теорією Великого вибуху.

Вихідні положення[ред.ред. код]

Теорія Великого вибуху виходить із гіпотези однаковості законів фізики в усьому Всесвіті, а також із космологічного принципу, за яким Всесвіт однорідний та ізотропний. Припущення однорідності Всесвіту може викликати подив, оскільки речовина в ньому зосереджена в зірках, де її густина дуже велика в порівняні з міжзоряним простором, однак космологія розглядає Всесвіт в такому масштабі, в якому можна знехтувати окремими неоднорідностями, і вважати, що матерія розподілена доволі однорідно.

Великий вибух не є вибухом у звичайному розумінні слова. Він не відбувся в якійсь певній точці простору: впродовж усієї еволюції від моменту народження Всесвіт залишався згідно з теорією однорідним і безмежним, водночас розширюючись у всіх напрямках.

Розвиток подій[ред.ред. код]

Панорамне зображення неба в інфрачервоному діапазоні показує розподіл галактик за межами Чумацького Шляху. Галактики позначено кольором відповідно до їх червоного зсуву.

Сучасні уявлення про сценарій подій після «великого вибуху» полягають у наступному.

Про початковий стан Всесвіту в момент Великого вибуху не можна сказати нічого. Вочевидь Всесвіт займав надзвичайно малий об'єм, в якому не діяли ніякі, або відомі нам фізичні закони: вони не діють за критичним порогом, який відомий як Комптонівська довжина хвилі об'єкта. Тому події, що ініціювали вибух залишаються невідомими. За10−43 с Всесвіт подолав свою Комптонівську довжину хвилі, після чого почали діяти звичайні закони фізики. Через надзвичайне стиснення температура була надзвичайно великою ~10 000 трлн трлн градусів. Приблизно після 10−43 с (час Планка) після зародження починається Планківська епоха: у цей час гравітація відокремилася від інших полів. Проміжок часу між 10−43 та 10−36 c називають епохою великого об'єднання. Наприкінці цієї епохи в стані Всесвіту стався фазовий перехід, що призвів до наступної інфляційної епохи — часу надзвичайно швидкого експоненціального розширення. Це було зумовлено появою чотирьох сил, що діють в сучасному Всесвіті — тяжіння, електромагнітної, а також слабкої та сильної взаємодії на субатомному рівні. в жорстких умовах Великого вибуху ці сили були однією надсилою. Гравітація одразу виділилась, але всі три інших залишалися пов'язані доки всесвіту не виповнилось 10−35 с. Після цього всі сили почали діяти самостійно.

Після інфляції (приблизно 10−34 с), упродовж якої Всесвіт розширився принаймні в 1026 разів, він складався із кварк-глюонної плазми. Десь у проміжку часу до 10−31 с відбувся процес, який називають баріогенезисом — порушення симетрії, внаслідок якого у світі навколо нас більше частинок, ніж античастинок. Інфляція закінчила свою дію коли всесвіту було 10−12 с. Він був дуже однорідним, а розширення призвело до падіння температури практично до −273 °C.

Подальше розширення до часів порядку 10−11 с спричинило перехід матерії до стану, про який можна говорити впевненіше, оскільки він вивчається фізикою високих енергій. У час приблизно 10−6 c в охолодженій під час розширення кварк-глюонній плазмі почали утворюватися баріони — протони та нейтрони. Енергії цих частинок уже не вистачало для народження пар, тому почалася масова анігіляція — уціліла тільки одна частинка на 1010, античастинки зникли зовсім.

Менш ніж за 1 секунду Великий вибух та інфляція утворили всю речовину Всесвіту 1050 т. В наслідок розпаду X-бозонів утворювалися електрони та нейтрино. через 1 секунду після вибуху температура у всесвіті сягала 10 млрд °C і кварки злилися в протони та нейтрони. В наступні 3 хвилини почали утворюватися хімічні елементи. Після падіння температури до 1 млрд °C створилися умови для існування стабільних ядер. протони та нейтрони стикаючись утворювали ядра гелію та легкого металу літію й важких ізотопів водню. Поки протони та нейтрони не порозліталися далеко, Всесвіт нагадував ядро величезної зірки, в якій відбувався синтез елементів.

Через кілька хвилин після вибуху розпочався первинний нуклеосинтез з утворенням важчих багатонуклонних ядер. Нейтральні атоми стали утворюватися приблизно через 400 тис. років. Цей процес супроводжувався утворенням реліктового випромінювання, оскільки в плазмі електромагнітне поле невідривно пов'язане із зарядженими частинками, а під час утворення нейтральних частинок воно відокремлюється. Поступово в однорідному газі нейтральної речовини почали утворюватися газові туманності, а ще пізніше — галактики та окремі зорі.

Майбутнє[ред.ред. код]

Існує кілька різних сценаріїв еволюції Всесвіту в майбутньому залежно від його параметрів, зокрема густини. Проблема передбачення майбутнього ускладнюється тим, що результати спостережень останніх десятиліть не зовсім вкладаються в стандартну модель Великого вибуху. Пояснення цих явищ, зокрема плоскої форми Всесвіту, прискорення його розширення тощо, можна дати, ввівши додаткові параметри в теорію, припустивши, що у Всесвіті крім звичайної матерії частинок та античастинок існує так звана темна матерія, до того ж її навіть більше, ніж звичайної, а також, що існує так звана темна енергія.

До цих модифікацій вважалося, що за достатньої густині речовини у Всесвіті розширення припиниться, і він почне стискатися й розігріватися — процес рушить у зворотному напрямку. При недостатній густині Всесвіт продовжуватиме розширюватися із дедалі меншою швидкістю.

Дані спектрометра FIRAS обсерваторії COBE, що показують чітку кореляцію виміряного спектру реліктового випромінювання з моделлю абсолютно чорного тіла, що передбачається теорією Великого вибуху

Свідчення на користь теорії Великого вибуху[ред.ред. код]

Теорія Великого вибуху спирається на «чотири експериментальні стовпи»:

  1. Розбігання галактик за законом Хаббла, яке вимірюється на основі червоного зсуву спектральних ліній внаслідок ефекту Доплера.
  2. Наявність реліктового випромінювання
  3. Поширеність хімічних елементів у Всесвіті із перевагою легких елементів: гідрогену та гелію.
  4. Великомасштабний розподіл та еволюція галактик, про яку свідчать астрономічні спостереження.

Критика теорії[ред.ред. код]

Крім теорії Розширення Всесвіту була також теорія, що Всесвіт є стаціонарним, тобто не еволюціонує і не має ні початку, ні кінця в часі. Частина прихильників такої точки зору відкидають розширення Всесвіту, а червоне зміщення пояснюють гіпотезою про «старіння» світла. Однак, як з'ясувалося, ця гіпотеза суперечить спостереженнями, наприклад, спостерігається залежність тривалості спалахів наднових від відстані до них[2][3][4]. Інший варіант, що не заперечує розширення Всесвіту, представлений теорією стаціонарного Всесвіту Ф. Хойла. Вона також погано узгоджується зі спостереженнями[4].

У деяких теоріях інфляції (наприклад, вічної інфляції) наша картина Великого вибуху, яку ми здатні спостерігати, відповідає ситуації лише в частині Всесвіту, яку ми можемо спостерігати (Метагалактиці), але не однакова для всього Всесвіту.

Крім того, у теорії Великого вибуху не розглядається питання про причини виникнення сингулярності, або матерії та енергії для її виникнення, зазвичай просто постулюється її безначальність. Вважається, що відповідь на питання про існування і походження початкової сингулярності має дати теорія квантової гравітації.

Є також певне число зафіксованих фактів, які погано узгоджуються з ізотропність і однорідністю спостережуваного Всесвіту: наявність переважного напрямку обертання галактик[5][6], неоднорідності в розподілі галактик на найбільших доступних масштабах, вісь зла.

Теорія і релігія[ред.ред. код]

22 листопада 1951 Папа Римський Пій XII оголосив, що теорія Великого вибуху не суперечить католицьким уявленням про створення світу[7][8]. Консервативні протестантські християнські конфесії також вітали теорію Великого Вибуху, як таку, що підтримує історичну інтерпретацію вчення про творіння[9]. Деякі мусульмани стали вказувати на те, що в Корані

Карта температур реліктового випромінювання, отримана впродовж першого року роботи WMAP.

є згадки Великого вибуху[10][11]. Згідно з індуїстським вченням, у світу немає початку та кінця, він розвивається циклічно[12][13], проте в «Енциклопедії індуїзму» зазначається, що теорія нагадує, що все відбулося волею Брахмана, який «менший від атома, але більший від найбільшого»[14].

Див. також[ред.ред. код]

Посилання в тексті[ред.ред. код]

  1. L' invention du big bang,J.-P. Luminet, Editions du seuil, Paris, 1997.
  2. Wright EL Errors in Tired Light Cosmology.
  3. Overduin J.M., Wesson P.S. The light / dark universe: light from galaxies, dark matter and dark energy. — World Scientific Publishing Co., 2008.
  4. а б P. J. E. Peebles The Standard Cosmological Model in Rencontres de Physique de la Vallee d'Aosta (1998) ed. M. Greco, p. 7
  5. Вчені знайшли слід обертання Всесвіту при народженні
  6. ScienceDirect — Physics Letters B: Detection of a dipole in the handedness of spiral galaxies with redshifts
  7. Ferris, T. (1988). Coming of age in the Milky Way. Morrow. с. 274, 438. ISBN 978-0-688-05889-0. , Citing Berger, A. (1984). The Big bang and Georges Lemaître: proceedings of a symposium in honour of G. Lemaître fifty years after his initiation of big-bang cosmology, Louvainla-Neuve, Belgium, 10-13 October 1983. D. Reidel. с. 387. ISBN 978-90-277-1848-8. 
  8. Pope Pius XII (1951-11-02). «Ai soci della Pontificia Accademia delle Scienze, 22 novembre 1951 - Pio XII, Discorsi» (Italian). Tipografia Poliglotta Vaticana. 
  9. Russell, R.J. (2008). Cosmology: From Alpha to Omega. Fortress Press. ISBN 9780800662738. «Conservative Protestant circles have also welcomed Big Bang cosmology as supporting a historical interpretation of the doctrine of creation.» 
  10. Diane Morgan (2010). Essential Islam: a comprehensive guide to belief and practice. ABC-CLIO. «Although the Quran is not intended to be a textbook on physics, many Muslim commentators search through it for passages that seem to parallel findings made by modern science, in an effort to show the timeless wisdom of the book. Some of these parallels are said to include references to the Big Bang, antimatter, rotating stars, radioactive fusion, tectonic plates, and the ozone layer.» 
  11. Helaine Selin (1997). Encyclopædia of the history of science, technology, and medicine in non-western cultures Press. «Subjects ranging from relativity, quantum mechanics, and the big bang theory to the entire field of embryology and much of modern geology have been discovered in the Qur'an 
  12. Sushil Mittal, G. R. Thursby (2004). The Hindu World. Psychology Press. «In the Vedic cosmogonies, the question of what caused the primordial desire does not arise; like the Big Bang of modern cosmology, the primal impulse is beyond all time and causation, so it makes no sense to ask what preceded it or what caused it. However, in the Hindu cosmology which we find in the Puranas and other non-Vedic Sanskrit texts, time has no absolute beginning; it is infinite and cyclic and so is kama 
  13. John R. Hinnells (2010). The Routledge companion to the study of & Francis. «There are also other cosmological models of the universe besides the Big bang model, including eternal universe theories - views more in keeping with Hindu cosmologies than with traditional theistic concepts of the cosmos.» 
  14. Sunil Sehgal (1999). Encyclopædia of Hinduism: TZ, Volume & Sons. «The theory is known as the 'Big Bang theory' and it reminds us of the Hindu idea that everything came from the Brahman which is "subtler than the atom, greater than the greatest" (Kathopanishad-2-20).»