Кто ответит на вопрос доходчиво и доказательно, спасибо заранее. Вопрос: как образовалась Вселенная ? Большой взрыв не выдерживает критики.

+8
Лучший ответ

На самом деле немного правильнее говорить о Большом расширении, нежели о Большом взрыве. Однако такой термин издавна закрепился и может иногда вводить в заблуждение. Т.к. динамика взрыва сильно отличается от динамики расширения пространства-времени.

Сперва я расскажу об общей теории относительности, подарившей физике математический аппарат с отличной предсказательной силой, поскольку именно она даёт возможность описать эволюцию нашей вселенной. И её экспериментальных подтверждениях. Затем перейду к экспериментальному обнаружению ускоренного расширения нашей вселенной и закончу современными теоретическими концепциями описания эволюции вселенной. Правомерность этих идей обуславливается правильностью самой теории относительности а так же точностью астрономических наблюдательных данных.

Начнём со специальной и общей теорий относительности, о которых я писал здесь https://yandex.ru/znatoki/question/science/chto_takoe_sto_i_oto_i_v_chem_raznitsa_2338fdd1/#53f25c9c-f4d1-48fe-bbce-e54e6a73eff0

(советую прочесть для более детального понимания того, что будет написано дальше)

Общая теория относительности является геометрической теорией, описывающей гравитацию путём развития идей специальной теории относительности.

Доказательствами правильности её выводов являются:

1) естественное в рамках этой теории описание смещения перигелия Меркурия, обнаруженное в 1859 году Урбеном Леверье, не описываемое в рамках теории тяготения Ньютона. Десятки лет исследования показали, что в рамках теории Тяготения Ньютона эта проблема не решается с учётом наблюдательных данных.

2) В 1919 году Артур Эддингтон зарегистрировал, что как и предсказывает ОТО, Солнце отклоняет лучи света от прямолинейной траектории. То есть свет так же учавствует в гравитационном взаимодействии, что противоречит теории тяготения Ньютона ввиду безмассовости электромагнитных волн.

3) Недавнее обнаружение гравитационных волн коллаборациями Virgo и Ligo

4) Всевозможные эксперименты на орбите по измерению красного смещения волн, испускаемых в гравитационных полях

5) Регистрация эффекта замедления времени в грав. поле Земли. Сегодня для достижения достаточной точности системы GPS эти поправки необходимо учитывать при определении положения обхекта.

и т д и т п...

О чём говорит общая теория относительности? Она утверждает, говоря простыми словами, что материя определяет, как в его окрестности "искривлено" пространство-время, и как должна себя вести материя в поле искривления пространства-времени. То есть в рамках этой теории есть уравнение (Оно зовётся уравнением Эйнштейна), которое определяет как связана динамика геометрии пространства-времени с динамикой находящегося в нём вещества. (В одной части уравнения записан метрический тензор и величины, определяющие кривизну, в другой - тензор энергии-импульса материи, определяющий материю, находящуюся в пространстве. Т.к. уравнение диффенциальное, то оно говорит именно о динамике)

Нужно подчеркнуть, что ОТО не просто описывает всемирное тяготение геометрическими методами, она описывает именно поведение геометрии пространства-времени в зависимости от помещённой в это пространство-время материи.

Идём дальше. В выше упомянутом уравнении Эйнштейна фигурирует некая константа, значение которой не определяется из самой теории и может быть равным нулю. Но к ней мы вернёмся несколько позже.

А сперва поговорим о Цефеидах. Их ещё называют эталонными свечами в связи с тем, что период изменения их свечения жёстко связан со светимостью этих звёзд. Первоначально эта зависимость была установлена американским астрономом Генриеттой Ливитт. Она обратила внимание на то, что эти звёзды оказывались тем ярче, чем продолжительнее был период изменения их блеска. К 1913 году датский астроном Эйнар Герцшпрунг понял, что этот феномен можно использовать для определения расстояния до цефеид. Измерив период изменения блеска такой звезды, можно определить её светимость, а зная светимость и классическую теорию поля можно рассчитать расстояние до неё.

В 1917 - 1922 годах астроном Весто Слайфер обнаружил, что скорость почти всех зарегистрированных на тот момент внегалактических туманностей направлена прочь от Солнца, а уже к 1929 году астрономы Жорж Леметр и Эдвин Хаббл, используя беспрецендентное на тот момент разрешение телескопа в обсерватории Маунт Вилсон, смогли разглядеть отдельные звёзды, принадлежащие внегалактическим туманностям, среди которых оказались и цефеиды. Используя зависимость между их периодом изменения блеска и светимостью они смогли определить расстояния до этих туманностей. Однако это ещё не всё. Используя известный эффект доплеровского смещения частоты электромагнитной волны (аналог эфекта смещения частоты звуковой волны в низкочастотную область при удалении источника и в высокочастотную при приближении), они смогли установить, что скорость удаления внегалактических туманностей растёт с ростом расстояния до них (доплеровское смещение тем больше, чем выше скорость источника).

Итак, астрономические наблюдения показали, что галактики от нас разбегаются. И разбегаются они от нас с ускорением. Скорость их удаления подчиняется закону Хаблла (v = Hr), который говорит о линейности роста скорости с расстоянием.

Если "экстраполировать" эти наблюдения в прошлое - мы попадём в момент, когда вселенная была сжата до очень маленьких размеров. При этом возникает трудность с причинностью - современные наблюдательные данные показывают, что вселенная изотропна (одинакова по всем направлениям) и однородна на самых крупных масштабах (окончательную точку в этом вопросе поставил Las Campanas Redshift Survey) и мы не можем на космологических масштабах выделить в ней различающихся друг от друга участков. (Пока может быть проблему с причинностью плохо видно, поэтому я вернусь к этому моменту немного ниже)

Двигаясь в прошлое - вселенная будет сжиматься. В конце концов, когда мы достигнем планковских размеров вселенной - внутри нашего "видимого" пространства окажется некий участок новорождённой вселенной с некоторыми заданными первоначально параметрами - назовём его гранулой.

Я упоминал в самом начале о загадочной константе, стоящей в уравнении Эйнштейна и обещал вернуться к ней позднее. Так вот, время пришло: Наличие этой константы, называемой космологической постоянной, приводит к теоретическому предсказанию ускоренного расширения вселенной. Однако, как я уже упоминал - определить значение этой константы в рамках самой теории относительности не представляется возможным. Её можно "померить" только опираясь на наблюдательные данные. К ней я буду ещё буду возвращаться в дальнейшем.

Если переписать уравнение Эйнштейна через переменную, определяющую масштаб вселенной (масштабный фактор), зависящую от времени, мы получим уравнения Фридмана - описывающие эволюцию вселенной.

Если мысленно двигаться назад во времени, то по мере сжатия вселенной она становится всё горячее. Даже о многих первоначальных минутах существования вселенной имеются достоверные данные - В эти первые минуты создавались ядра наиболее лёгких элементов - водорода, дейтерия, гелия и лития. Они возникают при ядерных превращениях в реакциях синтеза и их относительное количество очень чувствительно к скорости остывания вселенной , определяемой темпом расширения. Все эти ядерные реакции хорошо изучены на сегодняшний день и это даёт основание для измерения температуры новорождённой вселенной. (Изначально теория большого взрыва была предложена именно в качестве модели объяснения возникновения этих элементов)

Общая теория относительности описывает несколько эпох в эволюции вселенной. Эпоха, при которой живём мы зовётся эпохой Квинтессенции. При которой доминирующий вклад в эволюцию вносит та самая космологическая постоянная. Но обо всём по порядку:

Итак, по мере сжатия вселенной (при мысленном движении в прошлое), она становится горячее. Не так давно вселенная находилась на стадии доминирования нерелятивистской материи (низкоэнергетичной материи) (MD-стадия). В более далёком прошлом, когда вселенная была ещё меньше, вещество было более высокоэнергетичным (RD-стадия). Об этом говорят наблюдательные данные. Высокоэнергетичность вещества и температура вселенной - это по своей сути синонимы. Низкоэнергетичное вещество и релятивистское вещество подчиняются различным уравнениям состояния. (Уравнение состояния для идеального газа проходится ещё в школе на уроках физики. Вот у вещества разбросанного по пространству тоже есть уравнения состояния)

Уравнения Фридмана, упомянутые выше, принимают в качестве аргументов плотности вещества. А плотности вещества определяются уравнениями состояния. Поначалу будем считать, что в начале времён доминировала релятивистская материя (RD-стадия) (На самом деле позднее мы выясним что RD стадия была не первой), то есть доминирующим уравнением состояния в те времена было не то, которое описывает материю во вселенной сейчас или на MD-стадии, а уравнение состояния для релятивистской материи, разбросанной по просотранству. Оно легко выводится в рамках обычной термодинамики.

Тот факт, что в разные моменты времени доминировали различные состояния вещества объясняется тем, что само вещество находилось в разных состояниях в эти разные эпохи - сперва оно было "горячее", а затем постепенно остывало.

Поскольку уравнение состояния было другим, то и, согласно уравнениям Фридмана, расширение вселенной подчинялось немного другому закону. Подстановка уравнений состояния для нынешней эпохи и для RD и MD стадий в уравнения Фридмана говорит о том, что раньше вселенная расширялась несколько медленнее.

Вернёмся к участку новорождённой вселенной с некоторыми заданными первоначально параметрами в первые моменты времени, который мы назвали гранулой. Мы так назвали участок новорождённой вселенной, каждая точка которой в первый момент времени была причинно-связанной с другими точками этой гранулы.

Именно в этом месте возникает проблема с причинностью, упомянутая раньше: Скорость расширения самой вселенной на RD и MD стадиях медленнее скорости увеличения горизонта вселенной, поэтому в видимую область вселенной при расширении успевали попадать другие гранулы со своими первоначально установленными параметрами, причинно не связанные с нашей. Однако если взглянуть на небо, как уже было упомянуто ранее, мы увидим, что в самых крупных масштабах ни один участок вселенной не отличен от любого другого. Как же так? Ведь за время расширения вселенной, в область видимости по теоретическим расчётам успело попасть 10^87 причинно-несвязанных областей! У всех этих участков просто не хватало времени (ввиду ограниченности скорости распространения информации во вселенной) на первых этапах зарождения вселенной на то чтобы успеть обменяться информацией друг с другом и стать одинаковыми (перемешаться). Вот она - проблема с причинностью. Чтобы мы сегодня могли наблюдать изотропную картину мира, эти 10^87 гранул должны были успеть перемешаться, что противоречит специальной теории относительности. Может быть все гранулы в первый момент существования вселенной были идентичны друг другу? Это очень сомнительно, поскольку для этого нет никаких причин. Уж больно тонкая настройка получается. Нужно было как-то разрешать это противоречие.

Спустя много лет - после появления квантовой теории поля (частью которой является квантовая электродинамика - самая точно экспериментально проверенная наука на сегодняшний день) и переосмысления физики микромира, люди поняли, что у любых полей есть состояния с минимальной энергией. Эти состояния называются вакуумами. Вакуум окружает нашу вселенную. Поле Хиггса повсюду находится в своём наименее возбуждённом - вакуумном состоянии, другие вакуумные поля точно так же.

Ранее, до появления квантовой механики и квантовой теории поля тензором энергии-импульса описывали только макрообъекты - планеты и т п. Так например посчитали прецессию орбиты меркурия, предсказали гравитационное линзирование и т п.

Но квантовая теория поля подарила нам возможность описывать тензором энергии импульса так же и квантовые поля. И оказалось так, что если подставить в уравнение Эйнштейна тензор энергии импульса поля в наинизшем состоянии (вакуума), которое так же называют полем инфляции, то мы увидим невероятные эффекты - во первых мы получим решения, описывающие экспоненциально быстрое расширение вселенной. (Ни при нашей эпохе, ни на стадии доминирования релятивистского вещества такого быстрого расширения не было). Во вторых - при расширении плотность энергии распределённой в расширяющейся вселенной остаётся постоянной! Чуть позже я напишу к чему это приводит.

На самых первых этапах существования вселенной не было ни атомов, никакой другой материи. Поскольку боровский радиус, радиус электрона и любых других частиц на много порядков больше планковских масштабов. А вот вакуумное состояние поля инфляции вполне могло быть. То есть вакуум был. Это вауумное состояние поля инфляции, распределённого в пространстве-времени согласно уравнению Эйнштейна привело к экспоненциально-быстрому расширению самого пространства-времени - это ещё одна стадия в эволюции нашей вселенной. Её называют эпохой инфляции. Поскольку вселенная расширялась так быстро - мы решаем проблему с причинностью, о которой я написал выше - При достаточной длительности инфляционной стадии весь охваченный наблюдениями объём Вселенной оказывается результатом расширения единственной причинно-связанной области доинфляционной эпохи.

То есть в эпоху инфляции наша гранула раздулась так сильно, что стала на десятки порядков больше видимой вселенной. И отставание расширения вселенной от расширения горизонта на RD и MD стадиях приводило лишь к тому, что мы начинали видеть всё более далёкие области нашей собственной гранулы.

Далее - Если записать уравнение этого поля инфляции, мы увидим, что в нём присутствует компонента, отвечающая за диссипацию энергии. Такая же, как например в уравнении описывающем колебании при учёте трения. Трение при колебаниях маятника приводит к постепенному превращению энергии колебаний в тепловую энергию нити маятника за счёт трения. В случае с полем инфляции эта компонента возникает из-за того, что состояние такого поля имеет положительную энергию и отрицательное давление (оно как бы распирает вселенную). Такое состояние неустойчиво - отсюда диссипация энергии.

Более детальное изучение динамики развития событий при расширении вселенной показывает, что энергия поля инфляции переходит в энергию электромагнитного поля - начинают рождаться фотоны ("Да будет свет, сказал господь" (c)), которые затем, согласно принципам квантовой электродинамики, начинают повсюду рождать частицы за счёт энергии поля инфляции. Вспомним, что при расширении вселенной плотность энергии поля инфляции оставалась постоянной - а значит суммарная энергия вселенной росла. Затем эта энергия перешла в энергию фотонов и рождающейся материи.

Таким образом идея инфляции очень элегантно решает столько вопросов, возникающих в различных местах. Как будто являясь недостающей деталью в сложной мозайке.

Современная же эпоха - эпоха квинтессенции - это время, когда материя остыла так сильно, что ничтожно малая загадочная космологическая константа, которая на всех предыдущих этапах была пренебрежимо мала, стала доминировать в нашей вселенной. (Если большие величины в течение 14 миллиардов лет уменьшаются, а некая ничтожно малая константа остаётся константой,то рано или поздно эта константа окажется больше тех уменьшающихся величин)

Сегодня всё больше людей задумываются о переходе от описания современного расширения при помощи загадочной космологической константы к его описанию при помощи тензора энергии-импульса некоего нового скалярного поля в вакуумном состоянии. Поскольку эти подходы эквивалентны, но второй вариант более понятен нам. Эта самая космологическая постоянная или новое, пока не обнаруженное скалярное поле являются источниками той самой загадочной тёмной энергии.

Нужно добавить, что модель инфляции не единственная теория, описывающая эволюцию вселенной в первые моменты её жизни. Однако, она наиболее правдоподобная и общепризнанная.

+11
Обновлено 4 месяца назад
Ещё 1 ответ

Есть несколько версий возникновения вселенной, в том числе теория Большого взрыва. Ни одна из них, на сколько мне известно, не подтверждена.

+4
Обновлено 4 месяца назад