Если вы спросите ученого, с чего, по его мнению, началась Вселенная, в большинстве случаев вы получите ответ: Большой Взрыв. Наша Вселенная, полная звезд, галактик и космических структур, разделенных гигантскими просторами пустого космоса, не всегда была такой и такой не родилась. Вселенная стала такой, расширившись и остыв из горячего, плотного, однородного состояния, в котором не было никаких галактик, звезд и даже атомов. Все существующее в нынешней форме не существовало 13,8 миллиарда лет назад, но узнали мы об этом лишь в последние 100 лет. Казалось бы, уже давно, но многие люди не знают о теории Большого Взрыва простейших вещей — и мы здесь, чтобы исправить это досадное недоразумение.
Эйнштейн поначалу полностью отрицал возможность этой теории
Общая теория относительности Эйнштейна была революционной теорией гравитации, предложенной в 1915 году на замену теории Ньютона. Она предсказала орбитальное движение Меркурия с точностью, с которой не смогла теория Ньютона, предсказала искривление звездного света массой, которое было подтверждено в 1919 году, и предсказала существование гравитационных волн, что было подтверждено пару месяцев назад. Также она предсказала, что Вселенная, полная статичной или не меняющейся со временем материи, была бы нестабильна. Когда бельгийский священник и ученый Жорж Леметр в 1927 году предположил, что ткань пространства-времени Вселенной может быть очень большой и расширяющейся, вырастающей из небольшого, более плотного и однородного состояния в прошлом, Эйнштейн отправил ему ответное письмо: «Ваши расчеты верны, но ваша физика отвратительна!».
Открытие Хабблом расширяющейся Вселенной сделало эту идею серьезной
Хотя многие ученые полагали, что спиралевидные туманности в небе были далекими галактиками, еще задолго до Эйнштейна, именно работа Эдвина Хаббла в 1920-х показала, что это не только правда, но и что чем дальше галактика, тем быстрее она от нас удаляется. Этот факт — закон Хаббла — описывающий расширение Вселенной, привел к очень простой интерпретации, в соответствии с идеей Большого Взрыва: если Вселенная расширяется сегодня, значит в прошлом она была меньше и плотнее!
Эта идея витала в воздухе с 1922 года, но оспаривалась десятилетиями
Советский физик Александр Фридман пришел к этой теории в 1922 году, но был раскритикован Эйнштейном. Работа Леметра от 1927 года также была отвергнута Эйнштейном, и даже после работы Хаббла в 1929 году идея того, что Вселенная была меньше, плотнее и более однородна в прошлом, не принималась всерьез. Но Леметр добавил к этой идее, что красное смещение галактик можно объяснить именно расширением пространства и что должен был быть изначальный «момент создания», который десятилетиями был известен как «первобытный атом» или «космическое яйцо».
Теория получила признание в 1940-х годах после ряда успешных предсказаний
Георгий Гамов, американский ученый, очарованный идеями Леметра, осознал, что если Вселенная расширяется, то длина волны света в ней увеличивается со временем, следовательно — Вселенная остывает. Если сегодня она остывает, в прошлом она должна была быть горячее. Экстраполируя назад, он осознал, что однажды был период времени, когда было слишком горячо для того, чтобы нейтральные атомы могли сформироваться. Следовательно, по мере остывания и расширения Вселенной, она должна была образовать легкие элементы и нейтральные атомы в первый раз, что оставило бы отпечаток в форме космического фона холодного излучения температурой в несколько градусов выше абсолютного нуля.
Название «Большой Взрыв» придумал самый горячий противник теории, Фред Хойл
Теория с рядом других предсказаний — теория стационарной Вселенной — на самом деле была ведущей теорией в 1940-х, 1950-х и 1960-х годах, поскольку утверждала, что большая часть атомов появилась из звезд, а не из этого горячего плотного состояния, подтвержденного ядерной физикой. Выступая на BBC, Хойл придумал «Большой Взрыв» в радиоинтервью 1949 года, сказав: «Одна из идей была такова, что Вселенная начала жить некоторое время назад после одного гигантского взрыва, а нынешнее расширение — наследие этого жестокого взрыва. Эта идея большого взрыва показалась мне неудовлетворительной еще до того, как пристальное ее изучение показало, что она приводит к серьезным сложностям».
Послесвечение Большого Взрыва открыли в 1964 году, благодаря… птичьему помету
В 1964 году ученые Арно Пензиас и Боб Уилсон, работая в Holmdel Horn Antenna в Лаборатории Белла, открыли равномерный радиосигнал, приходящий с неба сразу отовсюду. Не понимая, что это было послесвечение Большого Взрыва, они решили, что проблема в антенне, и попытались откалибровать ее, убрав этот «шум». Когда же это не сработало, они пошли к антенне и обнаружили гнезда голубей, устроившихся там. Они очистили антенну, выгнали голубей, но сигнал остался. Вслед за осознанием, что это был предсказанный Гамовым фон, подтверждающий модель Большого Взрыва, пришло и укрепление этой научной теории в качестве объясняющей начало нашей Вселенной. Таким образом, Пензиас и Уилсон стали единственными нобелевскими лауреатами, которые убирали птичий помет в процессе своих «нобелевских» исследований.
Подтверждение Большого Взрыва дает нам исчерпывающую историю образования звезд, галактик и планет во Вселенной
Если Вселенная началась с горячего, плотного, расширяющегося и однородного состояния, тогда ей пришлось не только охлаждать и формировать атомные ядра и нейтральные атомы, но и провести определенное время, стягивая объекты с помощью гравитации в структуры. Первые звезды образовались спустя 50-100 миллионов лет; первые галактики — спустя 150-200 миллионов лет; галактикам вроде Млечного Пути могли потребоваться миллиарды лет, а первые твердые планеты сформировались лишь после того, как множество поколений звезд отжило свое, сожгло топливо и погибло во взрывах сверхновых. Возможно, нет ничего случайного в том, что мы наблюдаем Вселенную сейчас, спустя 13,8 миллиарда лет после Большого Взрыва; возможно, именно сейчас настало время для жизни появиться.
Флуктуации в космическом микроволновом фоне говорят, что Вселенная была практически идеально однородной в начале Большого Взрыва
Средняя температура космического микроволнового фона сегодня — всего 2,725 К, но флуктуации в нем, показанные выше, достигают всего 100 микрокельвинов. Тот факт, что послесвечение Большого Взрыва имеет легкие шероховатости заданной величины, подсказывает: Вселенная была практически однородной в те ранние времена, и из этих флуктуаций выросли все структуры — звезды, галактики и прочее — которые мы видим во Вселенной сегодня.
Большой Взрыв сам по себе может и не означать самое начало
Нам хотелось бы экстраполировать это плотное, горячее, расширяющееся состояние до самого начала, до самой сингулярности, как это сделал Леметр 89 лет назад. Но есть ряд наблюдений — включая те самые флуктуации — который говорит нам, что до всего этого было другое состояние, когда вся энергия Вселенной была присуща самому пространству, и что пространство расширялось в экспоненциальном порядке. Этот период известен как космическая инфляция, и мы до сих пор изучаем ее подробности. Наука пытается дотянуться до самого начала времен, но пока что конца этим началам не видно.
То, как началась Вселенная, не говорит нам, как она закончится
Большой Взрыв говорит нам, что была гонка между гравитацией, пытающейся сжать расширяющуюся Вселенную, и первоначальным расширением. Но Большой Взрыв сам по себе не говорит нам, какой будет конечная судьба Вселенной — за это уже будет отвечать то, из чего эта Вселенная состоит. Из существования темной энергии, открытой всего 18 лет назад, мы узнали, что расширение не только побеждает, но и что самые далекие галактики будут все быстрее от нас удаляться. На текущий момент наиболее возможной судьбой Вселенной станет ее холодная смерть.
