Имеются ли Доказательства Большого Взрыва

Астрономия, т.е. наука о Вселенной, получила гигантское развитие за последние 60 лет, которое фактически сравнимо с революцией. Еще совсем недавно ученым казалось, что наша Вселенная стационарна, т.е. в ней не происходят никакие изменения и что сегодня она такая же, какой была сотни лет назад. На самом деле Вселенная находится в состоянии бурного динамического развития и там происходят катастрофы, рождение и гибель новых звезд, столкновения галактик, образование новых звезд, включая нейтронные звезды и черные дыры. Вселенная расширяется и все внутри Вселенной движется и изменяется, расстояния между галактиками увеличиваются и они удаляются от нас и друг от друга с ускорением. Исследование зависимости скорости удаления галактик от расстояния между ними позволило Э. Хабблу определить возраст Вселенной. Чем больше расстояние между двумя галактиками, тем быстрее они удаляются друг от друга (закон Хаббла). Закон Хаббла позволяет определить возраст Вселенной. Оказалось, что наша Вселенная образовалась около 14 миллиардов лет. Внутри Вселенной имеется огромное количество темной, т.е. невидимой материи (а dark matter), которая удерживает галактики вместе и темной энергии (а dark energy) или силы отталкивания, ответственной за разбегание галактик с ускорением. Видимая материя составляет всего 4% и одна из причин, почему ученые построили суперколлайдер, чтобы понять природу невидимых материй, исследовать куда исчезло антивещество из Вселенной, а также проверить предсказания новых физических моделей и, в частности стандартную модель и различные суперсимметрии. Говоря иначе, Вселенная находится в состоянии бурного развития и огромное количество революционных открытий изменили отношение к ней не только ученых, но и широкой общественности.

Я преподавал астрономию много лет в одном из университетов Чикаго. Довольно часто в неформальной обстановке мои родственники, друзья да и просто знакомые просят меня рассказать об особенностях нашей Вселенной и, в частности, о моменте ее возникновения и этапах ее развития. Когда я говорю, что наша Вселенная возникла около 14 миллиардов лет тому назад в результате Большого Взрыва (a Big Bang), мне не забудут задать вопрос, а откуда вы все это знаете, ведь вас тогда не было, и вы не могли увидеть момент ее возникновения. Или как сказали бы в Одессе – вас там не стояло. Цель этой статьи не только рассказать о свидетельствах, подтверждающих Большой Взрыв, но и показать, как мы познаем нашу Вселенную. Наши знания основаны на двух фактах – наблюдениях с помощью телескопов, a light bucket, и применении соответствующих законов физики. Полную информацию о Вселенной мы можем получить, применяя различные телескопы, регистрируя все виды излучений, приходящих к нам из космоса, – от радиоволн до гамма-лучей.

Читайте также Готовы ли Мы к Полётам к Звёздам

Рассмотрим несколько примеров, как астрономы определяют те или иные характеристики Вселенной. Например, чтобы определить массу Солнца мы должны рассмотреть движение Земли вокруг Солнца, измерить ее период обращения (1 год) и расстояние от Земли до Солнца (равное 1 АU или 150 миллионов км). Затем используя гравитационный закон Ньютона – Кеплера, который связывает между собой три величины – массу, период и расстояние, мы определяем массу Солнца. Оказалось, что масса Солнца в 330000 раз больше массы Земли. Аналогично, мы можем определить и массу нашей Галактики, используя период обращения Солнца вокруг центра Галактики (200 миллионов лет) и расстояние до центра Галактики (28 тысяч световых лет). Напомню, что световой год это расстояние, которое свет покрывает за год со скоростью 300000 км/сек. Наше Солнце вращается вокруг центра Галактики со скоростью 220 км/сек. За всю историю своего существования наше Солнце совершило всего 23 оборота вокруг центра Галактики. Оказалось, что масса нашей Галактики в 100 миллиардов раз больше массы Солнца, т.е. наша Галактика состоит из 100 миллиардов звезд подобных нашему Солнцу. Вся Вселенная состоит из 100 миллиардов галактик и полное число звезд таким образом равно 10 в степени 22, которое сравнимо с числом песчинок на всех пляжах Земли. Число галактик во Вселенной было определено с помощью а Hubble Space Telescope. Для этого фотографируется определенный участок неба и определяется количество галактик на снимке. Зная полную площадь поверхности Вселенной, можно определить и полное число галактик.

Чтобы найти свидетельства Большого Взрыва, нам необходимо провести измерения излучений, которые есть в космосе и, применяя законы физики, определить те или иные характеристики Вселенной. Такие измерения были осуществлены впервые двумя американскими физиками А. Пензиас и Р. Вильсон в 1967 г. с помощью 6-метрового радиотелескопа. Они измерили остаточное излучение в космосе (a cosmic background radiation), которое возникло еще в момент Большого Взрыва и которое мы можем измерить сегодня, т.е. спустя почти 14 миллиардов лет. Это было ярким подтверждением, что Большой Взрыв имел место. За это выдающееся открытие Пензиас и Вильсон стали лауреатами Нобелевской премии. Измеряя зависимость интенсивности этого излучения от длины волны, которое представляет собой ассиметричную колоколообразную кривую, ученые измерили длину волны излучения, соответствующую максимуму этой кривой, и нашли, что длина волны излучения в максимуме равна 1.1 мм (микроволновое излучение). Длина волны излучения изменилась (увеличилась) – от длины волны видимого света до длины волны микроволнового излучения вследствие расширения Вселенной. Используя один из законов теплового излучения (закон Вина, который связывает длину волны излучения соответствующую максимуму этой кривой и температуру), мы можем определить температуру космоса. Температура космоса оказалась всего 3 К (Кельвин). Интересно, что дальнейшее расширение Вселенной приведет к смещению максимума этой кривой в сторону больших волн и соответственно низких температур. Если температура космоса уменьшится до 0 К, длина волны возрастет до бесконечности и Вселенная прекратит свое существование. Напомню, что в физике температура измеряется в К или С и они связаны соотношением К = С + 273. Температура в Цельсиях С оказалась – 270 С. Причина такой низкой температуры космоса – расширение Вселенной в течение очень большого времени. В момент же взрыва температура была гигантской и равнялась 10 в 32 степени, а длина волны излучения космоса практически равнялась нулю. Такую температуру невозможно даже себе представить. Температура в центре нашего Солнца, например, равна всего 15 миллионов С, т.е. много меньше температуры во время взрыва. Однако, после взрыва в первые же секунды она уменьшилась до 10 миллиардов С и продолжает уменьшатся сегодня вследствие расширения Вселенной. Интересно, что если температура уменьшится до 0 К, наша Вселенная исчезнет, она как бы растворится в пространстве – плотность и температура станут близкими к нулю. Я даже попытался определить путем теоретических расчетов, когда же это произойдет. Оказалось, что не скоро, т.к. уменьшение температуры сильно замедлилось и приблизится к 0 К не скоро, а после многих миллиардов лет.

Существуют ли, однако, другие доказательства Большого Взрыва? Таких свидетельств несколько. Одно из них связано с количеством водорода и гелия в ранней Вселенной, которое равнялось 75% водорода и 25% гелия. Расчеты, основанные на теории Большого Взрыва, приводят в точности к такому же результату. Говоря иначе, то что мы измеряем и то что мы получаем на основе теоретических расчетов оказываются в прекрасном согласии друг с другом, т.е. наше понимание Вселенной, основанное на теории Большого Взрыва, является правильным. Но откуда во Вселенной берутся другие элементы, ведь фактически там имеется сегодня вся периодическая система элементов Менделеева? Без этих элементов возникновение жизни на Земле было бы просто невозможным. Дело в том, что во Вселенной имеются не только звезды с массой, сравнимой с массой нашего Солнца (a low mass star), но и звезды с массой много больше массы нашего Солнца (a high mass star). Наше Солнце, когда запасы водорода в нем будут исчерпаны, превратится в белого карлика (a White Dwarf) размером с нашу Землю, т.е. Солнце сожмется более чем в 100 раз. Плотность этого объекта так велика, что одна чайная ложка вещества будет весить несколько тонн. Термоядерные реакции внутри Солнца превращают 4 водорода в гелий с выделением огромной энергии. Т.е. количество водорода при этом уменьшается, а гелия увеличивается. Понимание этих реакций внутри Солнца немецким физиком лауреатом Нобелевской премии Г. Бете позволило физикам осуществить эти реакции на Земле при создании водородной бомбы, которое представляет собой маленькое рукотворное Солнце, созданное учеными на Земле. Массивные звезды «умирают» по-другому, т.к. в этих звездах термоядерные реакции в их ядрах протекают при более высоких температурах за счет большего давления внутри звезды и в этих звездах образуется не только Не из Н, но и другие элементы – С, О, Ne, Mg, Si, Fe, Pb, U. Фактически вся таблица Менделеева. Когда звезда проходит стадию a supernova explosion, т.е. взрывается, эти элементы рассеиваются в пространстве и оседают в других звездных системах, включая нашу планету. Наш организм, например, содержит более 70 элементов. Конечный этап такой звезды – образование нейтронной звезды или черной дыры. Интересно, что расширение Вселенной началось с сингулярности, т.е. пространства с гигантским давлением и температурой и ничтожным размером. Если нашу Вселенную развернуть вспять, она сожмется до точки сингулярности. Вселенная имела меньший размер в прошлом и будет иметь больший размер в будущем. Открытие красного смещения (а red shift) свидетельствует о разбегании (удалении) галактик от нас и друг от друга. Другое свидетельство Большого Взрыва – это наличие в космосе пустых пространств (voids) и суперкластеров, т.е. гигантских скоплений галактик, которые были обнаружены.

Читайте также Новая Модель Вселенной

Первая жизнь во Вселенной возникла примерно 4 миллиардов лет тому назад, т.е. через 10 миллиардов лет после Большого Взрыва. Все это время природа как бы подготавливала условия для возникновения жизни. По-видимому, возникновение жизни во Вселенной было каким-то остроумным способом образом запрограммировано, чтобы мы могли понять и изучать, что же произошло с нашей Вселенной. По-видимому, Вселенная без жизни просто не имела бы никакого смысла и не могла бы возникнуть. Удивительно, что мы можем понять историю нашей Вселенной и исследовать то, что в ней произошло, включая этапы ее развития. Чем объяснить, что мы обладаем такой способностью понять – одна из загадок, которую еще предстоит разрешить. Мы можем исследовать фундаментальные законы и постоянные, хотя и не знаем, почему они там. Почему, например, скорость света равна именно 300000 км/сек? Мы этого не знаем, хотя и измерили ее с фантастической точностью.

Согласно теории эволюции Дарвина все живое на Земле произошло от одного и того же корня дерева жизни (a common ancestor). Сама жизнь возникла в цепочке превращений химия—биология—жизнь, от простых одноклеточных организмов до сложных живых структур, венцом которого было возникновение человека. Я заметил, что в обществе имеется не совсем правильное понимание теории Дарвина. Оно состоит в том, что нельзя распространять эту теорию на неживые предметы. Они не подвержены никакой эволюции. Мне говорят, что если вы будете ждать даже миллионы лет, то часы, например, не возникнут путем эволюции. Они и не должны возникнуть, так как идея эволюции распространяется только на живые структуры, которые, и в этом нет никакого сомнения, эволюционируют. Другое возражение против теории Дарвина связано с тем, что Дарвину приписывают происхождение человека от обезьяны. Дарвин никогда не говорил этого. Он говорил другое, что человек мог произойти от любого другого животного в огромной цепочке их превращений. Недавно, ученые отмечали 100-летие этой теории и 150-летие со дня рождения ее создателя. Американский журнал “Scientific American” назвал эту теорию самой выдающейся теорией когда-либо созданной человеком на Земле, с чем я полностью согласен. Если вы читаете современные научные журналы, то будете удивлены тому, как эта теория цитируется в их многочисленных исследованиях. Ни одна другая научная идея не цитируется так часто как теория эволюции Дарвина.

Несмотря на успехи теории Большого Взрыва, мы не можем сегодня ответить на многие вопросы, связанные с происхождением Вселенной. Так, у нас нет ответа на вопрос, что было до Большого Взрыва, мы не знаем, почему исчезло антивещество, т.е. нарушилась симметрия между веществом и антивеществом, хотя нам хорошо известен огромный мир античастиц. Мы не полностью понимаем роль темной материи и темной энергии, у нас нет единой теории, которая бы объяснила все, что мы наблюдаем во Вселенной, с единой точки зрения. Несмотря на это теория Большого Взрыва пользуется сегодня большой популярностью, т. к. она описывает многие особенности нашего мира, дает правильное ее описание и объясняет, как это все было.

Илья Гулькаров