MiniNauka # 30: Большой взрыв, или рост Вселенной

1. Протяни свой разум
2. Жорж Лема Тре
3. Своеобразная особенность
4. При чистке антенны от помета голубя
5. Инфляция быстрее, чем свет
6. Где вся антивещество ?!
7. Что было до Большого взрыва?

В природе человека задавать вопросы о природе вещей, которые нас окружают. Мы хотим знать, что, как и почему, мы хотим знать причину, ход и последствия явлений, происходящих в нашем мире. Начиная от самых простых до совершенно фантастических. Один из таких вопросов о создании нашей Вселенной. Что заставило все это существовать вокруг нас? Можем ли мы проследить процесс этого формирования? И если да, то как? Ответы не просты, в большинстве случаев они не точны, но это все, что наш уровень знаний в настоящее время предлагает нам.

В начале я хотел бы позволить себе немного приватизации. Вы читаете тридцатый эпизод этого научно-популярного сериала - с января, в котором практически каждые выходные я стараюсь представить некоторые интересные факты об окружающем нас мире. Из-за своих собственных интересов они в основном касаются космоса и физики, хотя часть из них также включает широко понимаемые технологии. Я не описываю очень сложные вещи (потому что я сам не специалист, и я не собираюсь создавать себя), в то время как те, о которых я пишу, обычно требуют момента обдумывания проблемы.

И это одна из моих главных целей, которые я поставил, когда начал писать. Я очень рад, когда вы задаете вопросы в комментариях, я не могу ответить сразу. Я также надеюсь, что, по крайней мере, некоторые из вас подтолкнули меня к поиску знаний по данной теме. Потому что, как вы знаете, в современном мире, в море ложной и непроверенной информации, способность находить достоверные факты действительно ценна. И ты не можешь этому научиться, когда ничего не ищешь. Также это - спасибо за то, что. И не продлевать - я приглашаю вас в следующий эпизод.

Спектр электромагнитной волны / графика от Википедия

Протяни свой разум

Давайте начнем с простого упражнения мысли. Представьте себе кусок спиральной пружины некоторой длины - пружина будет отображать электромагнитную волну, которая движется от начальной точки к конечной точке . Теперь немного растяните пружину - расстояние между двумя точками увеличилось, хотя пружина остается неизменной все время . Если бы пружина действительно была электромагнитной волной, произошло бы красное смещение - другими словами, длина волны увеличилась бы (расстояние между двумя точками в одной фазе, например, двумя вершинами), и это уменьшило бы ее частоту. Для простоты посмотрите на вышеприведенный рисунок, он должен облегчить понимание вопроса растяжения электромагнитных волн.

Теперь давайте предположим, что галактики расположены на обоих концах весны - с удалением наблюдаемое излучение смещается в красный цвет. Это эффект Доплера ; так же, как мы можем видеть, когда мы приближаемся к машине скорой помощи по сигналу, а затем, когда она уходит. Частота звука изменяется динамически, и это зависит не только от расстояния каретки относительно нас, но и от скорости его движения. Оказалось, что такое явление наблюдается, когда мы смотрим на галактики - это наглядно доказывает, что они удаляются от нас и тем самым расширяют Вселенную . Это явление относится ко всем волнам.

Наиболее важным, однако, является вывод из этого наблюдения. Поскольку галактики удаляются, это означает, что они когда-то были ближе друг к другу . Возвращаясь к началу оси времени, мы получаем состояние, в котором материя всей вселенной сфокусирована в одной точке бесконечно малого размера; такое творение было названо особенностью. По сути, это не вся материя, а вся Вселенная, потому что галактики движутся не силой какого-то странного импульса, а "растягивают" пространство-время. Я вернусь к этому явлению.

Жорж Лема Тре

Вся история началась с Жоржа Лемэтра, бельгийского священнослужителя и католического священника . По иронии судьбы, теория о создании Вселенной была инициирована священником, верно? Я сделаю все предположения на этом этапе - Церковь открыто принимает эту теорию. Но вернемся к науке - Лемэтр сделал наблюдения и на их основе сделал логический вывод, а Эдвин Хаббл доказал такое положение вещей. Он провел конкретные измерения и показал, что почти все галактики, которые находятся за пределами Местной группы, удаляются как от нас, так и друг от друга.

Измерения установили один из основных законов космологии, закон Хаббла . Постоянная Хаббла, используемая в формуле простым способом, определяет скорость расширения Вселенной; в качестве детерминанта берется число километров, на которое увеличивается один мегапарсек в секунду . Здесь приходит мысль об этом бисквите о Хане Соло, которая отправилась в Кессель-Ран за 12 парсеков (то есть он прошел расстояние на другое расстояние, хотя на самом деле это было что-то еще), но картина почти логична для боли. Это не означает, однако, что постоянная Хаббла легко оценить.

Лемэтр определял скорость расширения Вселенной в 625 километров в секунду для каждого парсек. Эдвин Хаббл уменьшил это значение до 500, и более или менее с нового тысячелетия это значение составило 70 плюс минус несколько километров. Самые последние (в этом году) результаты, основанные на данных с зонда Планка, говорят, что постоянная Хаббла составляет 67,66 ± 0,42 километра в секунду на каждый парсек, в то время как наблюдения, сделанные телескопом Хаббла, показывают, что значение равно 73, 52 ± 1,62. Я допускаю, что термин «константа» здесь вводит в заблуждение, потому что его значение варьируется в зависимости от наблюдения, но здесь это обобщение. Наиболее важным является тот факт, что все измерения имеют один, всегда один и тот же вывод ; Вселенная расширяется, в каком направлении мы бы не смотрели.

Своеобразная особенность

Гипотеза Вселенной, начавшая свое существование с бесконечно малой точки, принесла с собой несколько последствий. Одной из них была необходимость наблюдать что-то вроде единственного излучения, которое равномерно заполнило бы всю Вселенную. Чтобы прийти к такому выводу, необходимо проследить первые моменты всего, и я отмечаю, что моменты здесь включают в себя такие короткие периоды, что их практически невозможно представить. В этот момент я решил не переписывать научные источники, чтобы спасти вас от всех цифр, возведенных в великие державы. Однако я должен упомянуть некоторые вещи.

Первое - понятие начальных особенностей очень расплывчато. Вы должны знать, что в настоящее время мы описываем мир двумя основными теориями - теорией относительности для макромасштабного мира и квантовой механикой для микромасштабного мира . Другими словами, движение крупных объектов (таких как планеты, галактики) описывается уравнениями теории относительности Эйнштейна, а последствия и поведение частиц предсказываются с помощью квантовой физики. В особенности, это разделение не происходит, и, прямо скажем, с нынешним знанием, мы понятия не имеем, как все это началось . Наблюдения и логика предполагают, что в нулевой момент времени особенность была бесконечно мала и бесконечно горячей.

Однако, поскольку сейчас Вселенная определенно не бесконечно горячая, эта температура должна была куда-то уходить. И вот наступает инфляция, момент, когда эта особенность увеличилась в 10-50 раз. Адам из Kwantowo.pl он использовал здесь идеальное сравнение - как будто протон за долю секунды вырос до размеров туманности Ориона . Конечно, это был не конец - вселенная расширялась и расширялась, и этот процесс продолжается и по сей день. По пути были такие стадии, как появление первых атомов, аннигиляция вещества с антивеществом (что, по-видимому, выиграло дело, но об этом ниже), и, наконец, появление взаимодействий, как мы их знаем.

При чистке антенны от помета голубя

В 1987 году Арно Пензиас и Роберт Уилсон получили Нобелевскую премию за обнаружение вышеупомянутой однородной радиации . Поскольку то, что было предсказано теоретическими моделями, было обнаружено, с этого момента мир начал положительно смотреть на теорию, инициированную Лемэтром. Бельгийскому священнослужителю повезло, что дело его жизни было принято, когда он был еще жив, потому что сначала к нему относились с потворством, как с каким-то безобидным дураком. Возвращаясь - два астронома обнаружили нечто, что мы сейчас называем микроволновым фоновым излучением (или реликтовым излучением), в то время как самое интересное в истории это то, что открытия были сделаны буквально случайно.

В то время были проведены испытания так называемого проекта «Эхо» , то есть первого экспериментального испытания системы спутниковой связи. Этот проект состоял в использовании воздушных шаров для отражения отправленных сигналов. Вы можете прочитать больше о себе для получения более подробной информации, но для нашей истории важно, чтобы Пензиас и Уилсон пытались в своей лаборатории получать радиоволны, отраженные от такого воздушного шара. Из-за очень низкой энергии волны было необходимо устранить все помехи; на их антенну не повлияло ни радио, ни даже собственное тепло приемника. Несмотря на это, антенна все время получала странный, очень слабый сигнал, и в то же время она была постоянной во всех направлениях . Пензиас и Уилсон даже зашли так далеко, что очистили скопившийся в воздухе помет голубей, а также «прогнали» находящиеся поблизости голубиные косяки. Как вы уже догадались, это вообще ничего не изменило.

Таким образом, два ученых пришли к выводу, что полученный сигнал должен прийти извне нашей галактики. Затем они связались с Робертом Х. Дике , который в то же время разрабатывал теоретические основы существования этого вездесущего излучения. После многих анализов они пришли к выводу, что статический шум, записанный в воздухе, был именно этим. Микроволновое фоновое излучение стало одним из главных доказательств правильности теории большого взрыва, и, что интересно, у большинства из нас, вероятно, была возможность посмотреть ее на нашем собственном телевизоре . Эти черно-белые муравьи, которых мы видели, когда пытались что-то извлечь из незанятого фрагмента звука, - это всего лишь остатки Большого взрыва. Излучение настолько слабое, что оно не мешает устройствам, но достаточно сильное, чтобы принимать их на частотах, на которых мы не передаем свои собственные сигналы.

В конце темы о микроволновом фоновом излучении я подбрасываю фотографию, сделанную зондом WMAP, присланным только для измерения температуры реликтового излучения. На основании полученных данных был подготовлен этот график. Не подразумевайте высокого цветового контраста - различия между самыми холодными и самыми теплыми частями меньше, чем сотые доли градуса . Если бы вы применили минимально менее детализированный масштаб, вся область была бы заполнена равномерным цветом.

Карта температуры реликтового излучения / фото с Википедия

Инфляция быстрее, чем свет

Одной из неясностей, связанных с Большим взрывом, является уровень начальной инфляции. Сначала я упомянул, что площадь размера протона за долю секунды увеличилась до размеров туманности Ориона; это очевидно вытекает из того факта, что скорость расширения пространства была больше, чем скорость света. И все же ничто не может быть быстрее света, верно? Правда, если говорить о уже существующем пространстве; полное определение говорит о том, что ничто, движущееся в пространстве, не может двигаться быстрее, чем свет. Только в момент инфляции пространство не двигалось в пространстве; пространство было растянуто.

Чтобы лучше всего проиллюстрировать это явление, представьте воздушный шар . На его поверхности, рядом друг с другом, отметьте две точки, а затем надуйте воздушный шар. Результат? Точки отодвинулись друг от друга, хотя мы не меняли их положение на воздушном шаре. В этой системе воздушный шар - это наше пространство, и приток отображает расширение вселенной и, следовательно, также начальную инфляцию. Стены воздушного шара являются границей пространства, и правило относительно скорости света действует только в пространстве. Точки, отмеченные на воздушном шаре, могут удаляться друг от друга со скоростью, превышающей скорость света.

Где вся антивещество ?!

Теория Большого взрыва предполагает, что такое же количество вещества и антивещества возникло из оригинальной особенности . Как мы знаем, контакт частицы с ее античастицей заставляет их немедленно аннигилировать, в течение которых высвобождаются огромные количества энергии. Однако, поскольку первоначально частиц было ровно столько же, сколько античастиц, почему во Вселенной что-то есть? Математика показывает, что совершенная симметрия должна приводить к полному уничтожению обоих проявлений материи, но этого явно не произошло.

Ответ на этот вопрос ... сложный. На самом деле ученые до сих пор не знают, почему это произошло . Либо наше предположение неверно, либо мы упускаем какую-то важную часть головоломки. В настоящее время считается, что хищником превосходства материи над антивеществом может быть нестабильность последнего. Другими словами, некоторые частицы антивещества могли разрушиться до столкновения с частицами материи, в результате чего во Вселенной появилось тонкое преимущество последней. Снова цитирую Адама из Kwantowo.pl: теперь предполагается, что избыток вещества над антивеществом составлял одну часть вещества на миллиард частиц антивещества . И если эти расчеты верны (потому что числа не взяты из космоса), то мы можем вздохнуть с облегчением, потому что было очень мало, что вся Вселенная станет полностью обездоленным местом любой материи.

Упрощенная хронология событий после Большого взрыва / фото из Википедия

Что было до Большого взрыва?

Ничего. Просто. Момент Большого взрыва был моментом, когда было создано не только пространство, но и время; так как время было создано, то нет момента до его создания. У нас нет абсолютно никаких научных оснований для расследования причин или того, что было до этого . С помощью науки такие понятия, как циклическая вселенная (сначала взрывается, затем расширяется, затем внезапно падает в себя) или мультивселенная (первоначальная особенность проистекает из курьезов, присутствующих, например, в черной дыре), но они являются лишь догадками, которые могут быть упомянуты как часть любопытства, но которые не имеют какой-либо устойчивой основы. Хотя не все из них - есть предположение, что Вселенная, возможно, возникла в результате квантовых колебаний, но это история для отдельной истории.

Самое крутое в Большом взрыве - это наше последовательное стремление к пониманию. Исследователи в эпоху Лемэтра были тесно связаны с моделью стационарной Вселенной ; тот, который не растет и не уменьшается, он просто есть. Это было проще Путаница, возникшая в мире с бельгийским священником, навсегда изменила наше восприятие места, в котором мы живем, но в то же время показала, что даже теории, считающиеся совершенно оторванными от реальности, могут оказаться верными . Потому что в этот момент Большой Взрыв почти уверен, даже несмотря на то, что мы понимаем очень мало его аспектов.

И кто знает, может быть, такая же ситуация возникнет в случае этих странных теорий, которые возникают сегодня. Может быть, теория струн, которая требует двадцати измерений, чтобы быть правильной в математике, действительно верна, но мы все еще ждем кого-то, кто сможет найти способ экспериментально доказать свою правду? И этим вопросом я закончу этот эпизод без ответа. До следующего!

источник: квант , universetoday , astronomycast , вики , вики

_
#MiniNauka это цикл, в котором я пытаюсь перевести свои научные (или, скорее, научно-популярные) интересы в контент, который популяризирует знания о мире и происходящих в нем явлениях. Я перемещаюсь в области физики, космоса и технологий будущего, часто обращаясь к другим смежным областям, сохраняя при этом доступную форму и относительно простой язык.