Теория Большого взрыва представляет лучшие попытки космологов реконструировать историю Вселенной за 14 миллиардов лет, основанную на клочке существования, видимом сегодня.
Разные люди используют термин «большой взрыв» по-разному. В целом, это иллюстрирует дугу наблюдаемой вселенной, поскольку она истончается и охлаждается из изначально плотного, горячего состояния. Это описание сводится к идее о расширении космоса, широком принципе, аналогичном выживанию наиболее приспособленных в биологии, которое мало кто посчитал бы спорным.
Более конкретно, Большой взрыв может также относиться к рождению самой наблюдаемой вселенной - в тот момент, когда что-то изменилось, положив начало событиям, которые привели к сегодняшнему дню. Космологи десятилетиями спорили о деталях этой доли секунды, и дискуссия продолжается сегодня.
Классическая теория Большого взрыва
На протяжении большей части человеческой истории наблюдатели неба считали его вечным и неизменным. Эдвин Хаббл нанес эту историю экспериментальным ударом в 1920-х годах, когда его наблюдения показали, что галактики за пределами Млечного пути существуют, и что их свет кажется растянутым - признак того, что они устремляются с Земли.
Жорж Леметр, современный бельгийский физик, интерпретировал данные Хаббла и других как свидетельство расширяющейся вселенной, что допускается недавно опубликованными полевыми уравнениями общей теории относительности Эйнштейна. Оглядываясь назад, Лемэтр сделал вывод, что сегодняшние разделяющие галактики должны были начаться вместе в том, что он назвал «первичным атомом».
Первое публичное использование современного термина для идеи Лемэтра фактически произошло от критика - английского астронома Фреда Хойла. 28 марта 1949 года Хойл придумал эту фразу во время защиты своей предпочитаемой теории вечной вселенной, которая создала материю, чтобы нейтрализовать разбавление расширения. Хойл сказал, что идея о том, что «вся материя вселенной была создана одним большим взрывом в определенное время в далеком прошлом», была иррациональной. В более поздних интервью Хойл отрицал, что намеренно изобрел клеветническое имя, но прозвище застряло, к большому разочарованию некоторых.
«Большой взрыв - действительно плохой термин», - сказал Пол Стейнхардт, космолог из Принстона. «Большая растяжка захватила бы правильную идею». По словам Стейнхардта, ментальный образ взрыва вызывает все виды путаницы. Это подразумевает центральную точку, расширяющуюся границу и сцену, где легкая шрапнель летит быстрее, чем более тяжелые куски. Но расширяющаяся вселенная выглядит совсем не так, сказал он. Там нет ни центра, ни края, и большие и маленькие галактики все скользят одинаково (хотя более отдаленные галактики удаляются быстрее под космологически недавним влиянием темной энергии).
Независимо от названия теория Большого взрыва нашла широкое признание благодаря своей беспрецедентной способности объяснить то, что мы видим. Например, баланс света с частицами, такими как протоны и нейтроны, в течение первых 3 минут позволяет ранним элементам формироваться со скоростью, предсказывающей текущее количество гелия и других легких атомов.
«Было небольшое окно во времени, когда могли образоваться ядра», - сказал Гленнис Фаррар, космолог из Нью-Йоркского университета. «После этого вселенная продолжала расширяться, и они не могли найти друг друга, а раньше было слишком жарко».
Облачная плазма заполнила Вселенную в течение следующих 378 000 лет, пока дальнейшее охлаждение не позволило электронам и протонам образовать нейтральные атомы водорода, и туман рассеялся. Свет, излучаемый во время этого процесса, который с тех пор распространился в микроволны, является самым ранним из известных объектов, которые исследователи могут изучать напрямую. Многие исследователи, известные как космическое микроволновое фоновое (CMB) излучение, считают это самым убедительным доказательством Большого взрыва.
Взрывное обновление
Но когда космологи отодвинулись дальше в первые мгновения вселенной, история раскрылась. Уравнения общей теории относительности предполагали начальную частичку неограниченной теплоты и плотности - особенность. Помимо небольшого физического смысла, единственное начало не соответствовало гладкому, плоскому CMB. Колебания грозной температуры и плотности в пятнышке привели бы к небу с различными свойствами, но температура CMB меняется лишь на долю градуса. Кривизна пространства-времени также выглядит довольно плоской, что подразумевает изначально почти идеальный баланс вещества и кривизны, что большинство космологов считают невероятным.
Алан Гут предложил новую картину первой доли секунды в 1980-х годах, предполагая, что самые ранние моменты вселенной росли экспоненциально быстрее, чем сегодня. В какой-то момент этот процесс остановился, и нажатие на тормоза привело к образованию плотного и горячего (но не бесконечно) беспорядка частиц, который заменяет сингулярность. «По-моему, я думаю об этом как о Большом взрыве, когда вселенная стала горячей», - сказал Фаррар.
Теория инфляции, как ее называют, теперь имеет множество конкурирующих моделей. Хотя никто не знал много о том, что заставило вселенную расширяться так быстро, теория стала популярной из-за ее способности объяснять кажущееся невероятным отсутствие признаков CMB: инфляция сохранила незначительные колебания (которые превратились в сегодняшние скопления галактик), в то же время сглаживая основные. «Это очень милая история», - сказал Стейнхардт, который помог разработать теорию. «Это тот, который мы говорим нашим детям».
Помимо инфляции
Недавнее исследование ввело две морщины в космический нарратив теории инфляции. Работа Штайнхардта и других предполагает, что инфляция остановилась бы в некоторых регионах (таких как наша наблюдаемая вселенная), но продолжилась бы в других, производя множество отдельных территорий с «каждым мыслимым набором космологических свойств», как выразился Штайнхардт. Многие физики считают эту «мультивселенную» картину неприятной, потому что она делает бесконечное число непроверенных предсказаний.
На фронте эксперимента космологи ожидают, что инфляция должна была создать гравитационные волны, охватывающие галактику в CMB, так же, как она вызывала небольшие изменения температуры и плотности. Текущие эксперименты должны быть достаточно чувствительными, чтобы их найти, но изначальные колебания пространства-времени не проявились (несмотря на одну ложную тревогу в 2014 году).
Многие исследователи ожидают более точных измерений CMB, которые могут убить или проверить многие модели инфляции, которые все еще существуют. Другие физики, однако, не рассматривают гладкость космоса как проблему вообще - это началось с униформы и не нуждается в объяснении.
В то время как экспериментаторы стремятся к новым уровням точности, некоторые теоретики отвернулись от инфляции, чтобы искать другие способы раздавить плоскость вселенной. Штейнхардт, например, работает над моделью «большого отскока», которая еще больше отодвигает стартовые часы к более раннему периоду сжатия, который сглаживал пространство-время и закладывал основу для взрывного расширения. Он надеется, что в скором времени новые сигнатуры, в дополнение к таким проблемам, как отсутствие первичных гравитационных волн, предоставят космологам новую историю создания. "Есть ли другие наблюдаемые особенности, которые нужно искать?" Стейнхардт сказал: «Спроси меня снова через несколько лет, и я надеюсь получить ответ».
дополнительный Ресурсы:
