Одним из основных вопросов, которые не выходят из сознания человека, всегда был и является вопрос: «как появилась Вселенная?». Конечно же, однозначного ответа на данный вопрос нет, и вряд ли будет получен в скором времени, однако наука работает в этом направлении и формирует некую теоретическую модель зарождения нашей Вселенной. Прежде всего следует рассмотреть основные свойства Вселенной, которые должна описываться в рамках космологической модели:

• Модель должна учитывать наблюдаемые расстояния между объектами, а также скорость и направление их движения. Подобные расчеты основываются на законе Хаббла: cz = H 0 D , где z – красное смещение объекта, D – расстояния до этого объекта, c – скорость света.
• Возраст Вселенной в модели должен превышать возраст самых старых в мире объектов.
• Модель должна учитывать первоначальное обилие элементов.
• Модель должна учитывать наблюдаемую .
• Модель должна учитывать наблюдаемый реликтовый фон.

Рассмотрим кратко общепризнанную теорию возникновения и ранней эволюции Вселенной, которая поддерживается большинством ученых. Сегодня под теорией Большого взрыва подразумевают комбинацию модели горячей Вселенной с Большим взрывом. И хотя данные концепции сперва существовали независимо друг от друга, в результате их объединение удалось объяснить первоначальный химический состав Вселенной, а также наличие реликтового излучения.

Согласно данной теории, Вселенная возникла около 13,77 млрд лет назад из некоторого плотного разогретого объекта — , плохо поддающееся описанию в рамках современной физики. Проблема космологической сингулярности, помимо всего прочего, в том, что при ее описании большинство физических величин, вроде плотности и температуры, стремятся к бесконечности. При этом, известно, что при бесконечной плотности (мера хаоса) должна устремляться к нулю, что никак не совмещается с бесконечной температурой.

• • Первые 10 -43 секунды после Большого Взрыва называют этапом квантового хаоса. Природа мироздания на этом этапе существования не поддается описанию в рамках известной нам физики. Происходит распад непрерывного единого пространства-времени на кванты.

• Планковский момент – момент окончания квантового хаоса, который выпадает на 10 -43 секунду. В этот момент параметры Вселенной равнялись , вроде планковской температуры (около 10 32 К). В момент планковской эпохи все четыре фундаментальные взаимодействия (слабое, сильное, электромагнитное и гравитационное) являлись объединенными в некое одно взаимодействие. Рассматривать планковский момент как некоторый продолжительный период – не представляется возможным, так как с параметрами меньше планковских современная физика не работает.
• Стадия . Следующей стадией истории Вселенной стала инфляционная стадия. В первый момент инфляции от единого суперсимметричного поля (ранее включающего поля фундаментальных взаимодействий) отделилось гравитационное взаимодействие. В этот период вещество обладает отрицательным давлением, что вызывает экспоненциальный рост кинетической энергии Вселенной. Проще говоря, в данный период Вселенная стала очень быстро раздуваться, а ближе концу энергия физических полей переходит в энергию обычных частиц. В конце данной стадии значительно повышается температура вещества и излучения. Вместе с окончанием стадии инфляции выделяется и сильное взаимодействие. Также в этот момент возникает .
• Стадия радиационного доминирования. Следующая стадия развития Вселенной, которая включает несколько этапов. На этой стадии температура Вселенной начинает понижаться, образуются кварки, затем адроны и лептоны. В эпоху нуклеосинтеза происходит образование начальных химических элементов, синтезируется гелий. Однако, излучение все еще преобладает над веществом.
• Эпоха доминирования вещества. Спустя 10 000 лет энергия вещества постепенно превосходит энергию излучения и происходит их разделения. Вещество начинает доминировать над излучением, возникает реликтовый фон. Также разделение вещества с излучением значительно усилило изначальные неоднородности в распределении вещества, в результате чего начали образовываться галактики и сверхгалактики. Законны Вселенной пришли к тому виду, в котором мы наблюдаем их сегодня.

Вышеописанная картина сложена из нескольких основополагающих теорий и дает общие представление о формировании Вселенной на ранних этапах ее существования.

Откуда появилась Вселенная?

Если Вселенная возникла из космологической сингулярности, то откуда взялась сама сингулярность? На данный вопрос дать точный ответ, пока, невозможно. Рассмотрим некоторые космологические модели, затрагивающие «рождение Вселенной».

Циклические модели

Данные модели строятся на утверждении, что Вселенная существовала всегда и со временем лишь меняется ее состояние, переходя от расширения к сжатию – и обратно.

• Модель Стейнхардта-Турока. Данная модель строится на теории струн (М-теории), так как использует такой объект как «брана». Согласно этой модели видимая Вселенная располагается внутри 3-бране, которая периодически, раз в несколько триллионов лет, сталкивается с другой 3-браной, что вызывает подобие Большого Взрыва. Далее наша 3-брана начинает отдаляться от другой и расширяться. В какой-то момент доля темной энергии получает первенство и скорость расширения 3-браны растет. Колоссальное расширение рассеивает вещество и излучение настолько, что мир становится почти однородным и пустым. В конце концов происходит повторное столкновение 3-бран, в результате чего наша возвращается к начальной фазе своего цикла, вновь зарождая нашу «Вселенную».

• Теория Лориса Баума и Пола Фрэмптона также гласит о цикличности Вселенной. Согласно их теории последняя после Большого Взрыва будет расширяться за счет темной энергии до тех пор, пока не приблизится к моменту «распада» самого пространства-времени – Большой Разрыв. Как известно, в «замкнутой системе энтропия не убывает» (второе начало термодинамики). Из этого утверждения следует, что Вселенная не может вернуться к исходному состоянию, так как во время такого процесса энтропия должна убывать. Однако эта проблема решается рамках данной теории. Согласно теории Баума и Фрэмптона за миг до Большого Разрыва Вселенная распадается на множество «лоскутов», каждый из которых обладает довольно малым значением энтропии. Испытывая ряд фазовых переходов, данные «лоскуты» бывшей Вселенной порождают материю и развиваются аналогично первоначальной Вселенной. Эти новые миры не взаимодействуют друг с другом, так как разлетаются со скоростью больше скорости света. Таким образом, ученые избежали и космологической сингулярности, с которой начинается рождение Вселенной согласно большинству космологических теорий. То есть в момент конца своего цикла Вселенная распадается на множество других невзаимодействующих миров, которые станут новыми вселенными.
• Конформная циклическая космология – циклическая модель Роджера Пенроуза и Ваагна Гурзадяна. Согласно данной модели Вселенная способна перейти в новый цикл, не нарушая второе начало термодинамики. Данная теория опирается на предположение, что черные дыры уничтожают поглощенную информацию, что неким образом «законно» понижает энтропию Вселенной. Тогда каждый такой цикл существования Вселенной начинается с подобия Большого Взрыва и заканчивается сингулярностью.

Другие модели возникновения Вселенной

Среди других гипотез, объясняющих появление видимой Вселенной наиболее популярны две следующие:

• Хаотическая теория инфляции — теория Андрея Линде. Согласно данной теории существует некоторое скалярное поле, которое неоднородно во всем своем объеме. То есть в различных областях вселенной скалярное поле имеет разное значение. Тогда в областях, где поле слабое – ничего не происходит, в то время как области с сильных полем начинают расширяться (инфляция) за счет его энергии, образуя при этом новые вселенные. Такой сценарий подразумевает существование множества миров, возникших неодновременно и имеющих свой набор элементарных частиц, а, следовательно, и законов природы.
• Теория Ли Смолина – предполагает, что Большой Взрыв не является началом существования Вселенной, а – лишь фазовым переходом между двумя ее состояниями. Так как до Большого Взрыва Вселенная существовала в форме космологической сингулярности, близкой по своей природе к сингулярности черной дыры, Смолин предполагает, что Вселенная могла возникнуть из черной дыры.

Итоги

Несмотря на то, что циклические и другие модели отвечают на ряд вопросов, ответы на которые не может дать теория Большого Взрыва, в том числе проблема космологической сингулярности. Все же в комплекте с инфляционной теорией Большой Взрыв более цельно объясняет возникновение Вселенной, а также сходится с множеством наблюдений.

Сегодня исследователи продолжают интенсивно изучать возможные сценарии зарождения Вселенной, однако, дать неопровержимый ответ на вопрос «Как появилась Вселенная?» — вряд ли удастся в ближайшем будущем. На это есть две причины: прямое доказательство космологических теорий практически невозможно, лишь косвенное; даже теоретически нет возможности получить точную информацию о мире до момента Большого Взрыва. По этим двум причинам ученым остается лишь выдвигать гипотезы и строить космологические модели, которые максимально верно будут описывать природу наблюдаемой нами Вселенной.

Ученые впервые получили серьезное доказательство того, что рядом с нашим миром находятся еще несколько

Тайны небесной карты

К сенсационным выводам подтолкнули данные, полученные с помощью космического телескопа Планка (European Space Agency"s Planck satellite). Ученые создали самую точную карту микроволнового фона - так называемого реликтового излучения, сохранившегося с момента зарождения Вселенной. И увидели более, чем странные следы.

Считается, что это самое реликтовое излучение, которыми наполнено пространство, является отголоском Большого Взрыва - когда 13,8 миллиардов лет назад нечто невообразимо крошечное и невероятно плотное вдруг "взорвалось", расширилось и превратилось в окружающий нас мир. То есть, в нашу Вселенную.

Понять как произошел "акт творения" не получится при всем желании. Лишь с помощью весьма отдаленной аналогии можно представить будто бы что-то громыхнуло-полыхнуло и унеслось. Но остались то ли "эхо", то ли "отсвет", то ли некие ошметки. Они-то и образовали мозаику, которая представлена на карте, где светлые ("горячие") участки соответствуют более мощному электромагнитному излучению. И наоборот.

"Горячие" и "холодные" пятна микроволнового фона должны бы чередоваться равномерно. Но карта свидетельствует: упорядоченного распределения нет. С южной части небосвода идет гораздо более мощное реликтовое излучение, чем с северной. И что совсем удивительно: мозаика изобилует темными провалами - некими дырами и протяженными прорехами, появление которых невозможно объяснить с позиций современной физики.

Соседи дают о себе знать

Еще в 2005 году физик-теоретик Лаура Мерсини-Хоутон (Laura Mersini-Houghton) из Университета Северной Каролины (University of North Carolina at Chapel Hill) и ее коллега Ричард Холман (Richard Holman), профессор Университета Карнеги-Меллон (professor at Carnegie Mellon University) предсказали существование аномалий микроволнового фона. И предположили, что возникли они из-за того, что на нашу Вселенную оказывают влияние другие Вселенные, расположенные рядом. Аналогичным образом на потолке вашей квартиры возникают пятна от "протекших" соседей, которые дали о себе знать такими вот наглядными аномалиями "штукатурного фона".

На прежней - менее четкой - карте, составленной по данным зонда НАСА WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe), летавшего с 2001 года, ничего совсем уж из ряда вон выходящего видно не было. Одни намеки. А теперь - картина ясная. И сенсационная. По мнению ученых, наблюдаемые аномалии означают как раз то, что наша Вселенная не одинока. Других - бесчисленное множество.

Лаура и Ричард тоже не одиноки в своих воззрениях. К примеру, Стефан Финей (Stephen Feeney) из лондонского университетского колледжа (University College London) увидел на картине микроволнового фона, как минимум, четыре аномально "холодных" круглых пятна, которые он назвал "синяками". И теперь доказывает, что эти "синяки" возникли от непосредственных ударов соседних Вселенных по нашей.

По его мнению, Стефанна, Вселенные возникают и пропадают словно пузыри пара в кипящей жидкости. А возникнув, сталкиваются. И отскакивают друг от друга, оставляя следы.

Куда их несет?

Несколько лет назад группа специалистов НАСА под руководством астрофизика Александра Кашлинского обнаружили странное поведение примерно у 800 отдаленных галактических скоплений. Оказалось, что все они летят в одном направлении - в определенную часть космоса - со скоростью в 1000 километров в секунду. Это вселенское перемещение было названо "Темным потоком".

Недавно выяснилось, что "Темный поток" охватывает аж 1400 галактических скоплений. И несет их в район, расположенный где-то у границ нашей Вселенной. С чего бы это? Либо там - за пределами, недоступными наблюдениям, - расположена некая невероятно огромная масса, которая и притягивает материю. Что маловероятно. Либо галактики засасывает в другую Вселенную.

Из мира в мир перелетая

Можно ли попасть из нашей Вселенной в какую-нибудь другую? Или соседи отделены некой непреодолимой преградой?

Преграда преодолима, - считают профессор Тибо Дамур (Thibault Damour) из французского Института передовых научных исследований (Institut des Hautes E"tudes Scientifiques - IHE"S) и его коллега доктор физико-математических наук Сергей Солодухин из московского Физического института РАН имени Лебедева (ФИАН), который сейчас трудится в германском Бременском международном университете (International University Bremen). По мнению ученых, существуют ходы, ведущие в иные миры. Со стороны они - эти ходы - выглядят в точности как "черные дыры". Но на самом деле им не являются.

Тоннели, которые соединяют отдаленные части нашей Вселенной, одни астрофизики называют "червоточинами" (wormholes), другие - "кротовыми норами". Суть в том, что, нырнув в такую нору, можно чуть ли не мгновенно вынырнуть где-нибудь в другой галактике, удаленной на миллионы, а то на миллиарды световых лет. По крайней мере теоретически подобное путешествие возможно в пределах нашей Вселенной. А если верить Дамуру и Солодухину, то вынырнуть можно еще дальше - вообще в другой Вселенной. Не закрыта вроде бы и обратная дорога.

Ученые посредством расчетов представили, как должны выглядеть "кротовые норы", ведущие именно в соседние Вселенные. И оказалось, что подобные объекты ничем особенно не отличаются от уже известных "черных дыр". И ведут они себя так же - поглощают материю, деформируют ткань пространства-времени.

Единственная существенная разница: сквозь "нору" можно пробраться. И остаться целым. А "черная дыра" разорвет своим чудовищным гравитационным полем приближающийся к ней корабль на атомы.

К сожалению, Тибо и Солодухин не знают, как с большого расстояния безошибочно отличить "черную дыру" от "кротовой норы". Мол, это выяснится только в процессе погружения в объект.

От "черных дыр", правда, исходит излучение - так называемое излучение Хокинга. А "кротовые норы" ничего не испускают. Но излучение столь мало, что уловить его невероятно трудно на фоне других источников.

Не понятно пока, и сколько времени займет скачок в другую Вселенную. Может быть, доли секунды, а может быть миллиарды лет.

И самое удивительное: по мнению ученых "кротовые норы" можно создать искусственно - на Большом адронном коллайдере (БАК), сталкивая частицы на энергии, многократно превосходящей ныне достигнутый уровень. То есть, будут образовываться не "черные дыры", которыми пугали еще до начала экспериментов по моделированию Большого взрыва, а открываться "кротовые норы". Насколько страшно конкретно такое развитие событий, физики пока не объяснили. Но сама перспектива - создать вход в другую Вселенную - выглядит заманчиво.

КСТАТИ

Мы живем внутри футбольного мяча

Еще недавно ученые предлагали множество вариантов формы нашего мира: от банального шара-пузыря, до тора-бублика, параболоида. Или даже … чашки с ручкой. Ну, не видно с Земли, как выглядит Вселенная со стороны. Однако теперь, приглядевшись к картине распределения реликтового излучения, астрофизики сделали вывод: Вселенная похожа на футбольный мяч, "сшитый" из пятиугольников - додекаэдров, по научному.

- "Мяч",конечно, огромный, - говорит Дуглас Скотт из Университета Британской Колумбии (Канада), - но не настолько, чтобы считать его бесконечным.

Ученые снова ссылаются на странный порядок распределения "холодных" и "горячих" участков. И полагают, что "узор" такого масштаба мог возникнуть лишь в ограниченной по размерам Вселенной. Из вычислений следует: от края до края всего-то 70 миллиардов световых лет.

А что там за краем? Об этом предпочитают не думать. Объясняют: пространство словно бы замкнуто само на себя. И тот "мяч", в котором мы живем, будто бы "зеркальный" изнутри. И если послать с Земли луч в любую сторону, то он обязательно когда-нибудь вернется обратно. А некоторые лучи якобы уже вернулись, отразившись от "зеркального края". И не по одному разу. Мол, от этого астрономы видят некоторые (одни и те же) галактики в разных частях небосвода. Да еще и с разных сторон.

> Структура Вселенной

Изучите схему структуры Вселенной : масштабы пространства, карта Вселенной, сверхскопления, скопления, группы галактик, галактики, звезды, Великая Стена Слоуна.

Мы живем в бесконечном пространстве, поэтому всегда интересно узнать, как выглядят структура и масштабы Вселенной. Глобальная вселенская структура представляет собою пустоты и волокна, которые можно разбить на , скопления, галактические группы, а уже в конце и сами . Если снова уменьшать масштабы, то рассмотрим и (Солнце – одна из них).

Если вы осознаете, как выглядит эта иерархия, то можете лучше понять, какую роль играет каждый названый элемент в структуре Вселенной. К примеру, если мы проникнем еще дальше, то заметим, что молекулы делятся на атомы, а те на электроны, протоны и нейтроны. Последние два также трансформируются в кварки.

Но это маленькие элементы. А что делать с гигантскими? Что собою представляют сверхскопления, пустоты и волокна? Будем двигаться от маленького к большому. Внизу можете посмотреть, как выглядит карта Вселенной в масштабе (здесь хорошо просматриваются нити, волокна и пустоты пространства).

Существуют одиночные галактики, но большинство предпочитают располагаться группами. Обычно это 50 галактик, занимающих в диаметре 6 миллионов световых лет. Группа Млечного Пути насчитывает более 40 галактик.

Скопления – это области с 50-1000 галактиками, достигающих размеров в 2-10 мегапарсек (диаметр). Интересно отметить, что их скорости невероятно велики, а значит, должны преодолевать гравитацию. Но они все же держатся вместе.

Обсуждения темной материи появляется на этапе рассмотрения именно галактических скоплений. Полагают, что она создает ту силу, которая не позволяет галактикам разойтись в разные стороны.

Иногда группы также объединяются, чтобы сформировать сверхскопление. Это одни из крупнейших структур Вселенной. Наибольший представитель – Великая Стена Слоуна, растянувшаяся на 500 миллионов световых лет в длину, 200 миллионов световых лет в ширину и 15 миллионов световых лет в толщину.

Современные приборы все еще недостаточно мощные, чтобы увеличивать изображения. Сейчас мы можем рассмотреть два компонента. Нитевидные структуры – состоят из изолированных галактик, групп, скоплений и сверхскоплений. А также пустоты – гигантские пустые пузыри. Посмотрите интересные видео, чтобы узнать больше информации о структуре Вселенной и свойствах ее элементов.

Иерархическое формирование галактик во Вселенной

Астрофизик Ольга Сильченко о свойствах темной материи, веществе в ранней Вселенной и реликтовом фоне:

Материя и антиматерия во Вселенной

изик Валерий Рубаков о ранней Вселенной, стабильности вещества и барионном заряде:

Вселенная! Курс выживания [Среди черных дыр. временных парадоксов, квантовой неопределенности] Голдберг Дэйв

II. Как выглядит край Вселенной?

Разговор о Тентакулюсе VII наталкивает нас на важные размышления. Если бы у нас были такие мощные телескопы, что в них можно было бы разглядеть родную планету доктора Калачика, мы бы увидели не то, что там происходит сегодня, а то, что было примерно миллиард лет назад. А если бы мы поглядели на другую, еще более отдаленную галактику, то заглянули бы в еще более отдаленное прошлое. Именно так ученые и изучают ранние стадии развития Вселенной – они смотрят, что происходит в очень далеких галактиках.

Однако за самыми дальними галактиками существует предел, за который мы заглянуть не в силах. На Земле мы называем этот предел горизонтом, но точно такой же горизонт существует и у Вселенной в целом. Заглянуть за горизонт мы не можем, так как свет распространяется с постоянной скоростью. А поскольку Вселенная существует относительно недавно, всего каких-то 13,7 миллиарда лет, все, что расположено дальше, чем 13,7 миллиарда световых лет, еще некоторое время не будет доступно нашему глазу.

А откуда, собственно, взялась эта дата «начала Вселенной»? Начнем с конца. Если все галактики во Вселенной удаляются друг от друга, значит, когда-то в прошлом был момент, когда они (или по крайней мере атомы, которые их составляют) сидели друг у друга на голове. Это «событие» мы называем Большим взрывом, который стал причиной крупных заблуждений, всяческой путаницы и написания следующей главы.

Оценить, когда произошел Большой взрыв, мы сумеем, если вспомним, что скорость – это отношение расстояния ко времени. Предположив (ошибочно, как выясняется, но пока что такая погрешность нас устраивает), будто скорость удаления галактики, где расположен Тентакулюс, с начала времен постоянна, мы можем вычислить скорость Вселенной при помощи простых магоматематических выкладок. Только подумайте: чем дальше от нас галактика находится сегодня, тем старше наша Вселенная, поскольку все разбегается друг от друга в известном нам темпе. Подставим в это простенькое линейное уравнение переменные, справедливые для нашей Вселенной, и прикинем, что возраст Вселенной – около 13,8 миллиарда лет: смотрите, результат почти такой же, как если бы вы проделали все вычисления точно и с нужными поправками.

Если бы у нас был достаточно мощный телескоп, смогли бы мы своими глазами увидеть зарождение Вселенной? Почти, но не совсем. Нынешний рекордсмен по дальности, объект по прозвищу A 1689-zD1, находится от нас на таком расстоянии, что его изображение, видное в космический телескоп «Хаббл», относится к тому времени, когда Вселенная насчитывала всего 700 миллионов лет от роду (около 5?% ее нынешнего возраста), когда ее размер составлял меньше / 8 нынешнего.

Хуже того, A 1689-zD1 удаляется от нас со скоростью, примерно в 8 раз превышающей скорость света. (Мы подождем, а вы перелистайте книжку назад, на главу 1, где мы четко и недвусмысленно заявили, что это невозможно.) Загадка мгновенно разрешится, если мы вспомним, что это Вселенная расширяется, а не галактика движется. Галактика стоит на месте.

Вам все еще кажется, что мы жульничаем? Вовсе нет. Специальная теория относительности не говорит, что предметы не могут удаляться друг от друга со скоростью больше скорости света. А говорит она следующее: если я отправлю в небо Бэт-сигнал, Бэтмен не сумеет перегнать его на Бэтплане, как бы ни пыжился. В более общем смысле это означает, что никакая информация (например, частица или сигнал) не может двигаться быстрее света. Это абсолютная правда, даже если Вселенная очень быстро расширяется. Мы не в состоянии использовать расширение Вселенной, чтобы обогнать луч света.

На самом деле мы способны заглянуть в прошлое даже дальше, чем A 1689-zD1, но для этого нам нужны радиоприемники. Мы можем заглянуть в то время, когда Вселенной было всего-навсего 380 тысяч лет от роду и она состояла всего лишь из бурлящей смеси водорода, гелия и крайне высокоэнергичного излучения.

Дальше все в тумане – буквально. Поскольку Вселенная на ранних стадиях своего развития была туго набита материей, это все равно что пытаться заглянуть за соседкины шторы. Что за ними, не видно, но мы знаем, как выглядит Вселенная сейчас и как она выглядела в каждый момент времени с ранних стадий до сегодняшнего дня, поэтому можем догадаться, что находится за этой космической шторой. Так и подмывает за нее заглянуть, правда?

Так вот, хотя заглянуть за горизонт мы не в силах, зато видим достаточно много, чтобы удовлетворять собственное и чужое любопытство за государственный счет. Самое прекрасное – чем дольше мы ждем, тем старше становится Вселенная и тем дальше отодвигается горизонт. Иначе говоря, существуют далекие уголки Вселенной, чей свет доходит до нас только сейчас.

А что же находится за горизонтом? Этого никто не знает, но мы вправе делать обоснованные догадки. Помните, что Коперник и его последователи ясно показали нам: «Когда куда-нибудь идешь, то все равно куда-нибудь придешь», поэтому можно предположить, что за горизонтом Вселенная выглядит примерно так же, как и здесь. Конечно, там будут другие галактики, но их окажется примерно столько же, что и вокруг нас, и выглядеть они будут примерно так же, как и наши соседки. Но это не обязательно правда. Мы выдвигаем такое предположение, поскольку у нас нет причин думать иначе.