Теория Большого взрыва простыми словами: как началась Вселенная и откуда мы это знаем
Теория Большого взрыва говорит, что Вселенная расширилась из чрезвычайно горячего и плотного состояния около 13,8 млрд лет назад и с тех пор расширяется и остывает. Это был не взрыв в пустоте: растянулось само пространство и увлекло за собой вещество и энергию. Теорию подтверждают три независимых наблюдения: галактики удаляются тем быстрее, чем они дальше, реликтовое излучение с температурой 2,7 кельвина и измеренное соотношение водорода и гелия.
Кто спрашивает, как началась Вселенная, обычно ждёт одного события с одной причиной. Теория скромнее и лучше проверена: она описывает, что делала Вселенная начиная с очень раннего горячего состояния. Здесь за пять минут разделено то, что измерено, и то, что пока остаётся открытым.
Главные идеи
- Вселенной около 13,8 млрд лет, и её пространство расширяется и остывает с чрезвычайно горячего и плотного начала.
- Большой взрыв был не взрывом в пространстве и не имеет центра: каждая галактика видит, что остальные удаляются, потому что пространство между ними растягивается.
- Теорию подтверждают три наблюдения: красное смещение галактик (1920-е годы), реликтовое излучение (обнаружено в 1964 году) и доли водорода и гелия.
- Теория не говорит, что было до этого и почему началось расширение, а тёмная материя и тёмная энергия, около 95 % содержимого, пока не объяснены.
Что на самом деле говорит теория Большого взрыва
Теория описывает историю Вселенной от горячего плотного раннего состояния около 13,8 млрд лет назад до наших дней. Главная мысль в том, что расширяется само пространство. Галактики не разлетаются по пустой комнате: растут расстояния между ними, как изюминки в тесте, которое поднимается в печи. Каждая изюминка видит, что остальные удаляются, и ни одна из них не центр.
В начале Вселенная была горячей плотной смесью частиц и света. По мере расширения она остывала. В первые минуты протоны и нейтроны слились в ядра водорода, гелия и следы лития. Примерно через 380 000 лет температура упала до 3000 кельвинов, образовались атомы, и свет смог свободно идти сквозь пространство.
Название придумал соперник. Фред Хойл, предпочитавший Вселенную Стационарного состояния, которая в целом не меняется, произнёс слова «Большой взрыв» в радиопередаче Би-би-си в 1949 году. Учёные поступили так, как поступают с конкурирующими идеями: стали искать наблюдения, в которых две теории расходятся.
Первое доказательство: галактики удаляются, и чем дальше, тем быстрее
В 1927 году бельгийский физик Жорж Леметр показал, что уравнения Эйнштейна допускают расширяющуюся Вселенную. В 1929 году Эдвин Хаббл измерил красное смещение галактик, то есть растяжение их света к красному краю, и показал: чем дальше галактика, тем быстрее она удаляется. Это тот же эффект, из-за которого сирена звучит ниже, когда машина уезжает, только здесь световые волны растягивает само пространство.
Зависимость называют законом Хаббла: v = H₀ × d. Спутник «Планк» измерил нынешнюю скорость расширения H₀ ≈ 67,4 км/с на мегапарсек, а измерения по ближним звёздам дают около 73. Это расхождение, «напряжение Хаббла», — настоящая нерешённая задача. При H₀ = 70 галактика на расстоянии 100 мегапарсек (около 326 млн световых лет) удаляется со скоростью около 7000 км/с.
Прокрутите фильм назад, и галактики сойдутся. Быстрая оценка 1 / H₀ даёт около 14 млрд лет, что близко к 13,8 млрд лет подробных моделей. Совпадение лишь приблизительное, ведь скорость расширения не была постоянной.
Второе и третье доказательства: самый древний свет и первые элементы
Примерно первые 380 000 лет Вселенная была непрозрачной, как туман: свет постоянно сталкивался со свободными электронами. Когда образовались атомы, свет вырвался на свободу и с тех пор идёт к нам. Растянутый расширением, он приходит теперь микроволнами со всех сторон, и его температура 2,725 кельвина. Это реликтовое излучение, или космический микроволновый фон; в каждом кубическом сантиметре пространства около 400 его фотонов.
Такое свечение предсказали в конце 1940-х годов Гамов, Альфер и Герман. Арно Пензиас и Роберт Вильсон обнаружили его случайно в 1964 году радиоантенной в Нью-Джерси и разделили Нобелевскую премию по физике 1978 года. Вселенной Стационарного состояния такое свечение не нужно, поэтому открытие склонило чашу весов. Позже спутники (COBE, WMAP, «Планк») нашли крошечные перепады температуры порядка одной стотысячной, семена, из которых выросли галактики.
Третья опора — ядерная физика. В первые минуты горячая Вселенная могла создать только самые лёгкие ядра, поэтому по массе в ней должно быть примерно три четверти водорода и одна четверть гелия. Самые древние газовые облака, которые мы можем измерить, показывают именно такую смесь.
Чего теория Большого взрыва не объясняет
Теория не говорит, что было до этого и было ли что-то, и почему началось расширение. В самые первые мгновения плотность была такой, что известная физика перестаёт работать, поэтому любые слова о «до» остаются догадкой, а не измерением.
Космологи добавляют короткую фазу стремительного роста сразу после начала, инфляцию, чтобы объяснить, почему Вселенная такая гладкая и откуда взялись крошечные зародыши галактик. Она хорошо согласуется с данными, но напрямую не подтверждена.
Стандартной модели нужны и два ингредиента, которые никто не опознал. По результатам «Планка», обычное вещество составляет лишь около 5 % содержимого Вселенной, тёмная материя около 27 %, тёмная энергия около 68 %. Заголовки о том, что телескоп «Джеймс Уэбб» сломал Большой взрыв, неверно читают открытие: Уэбб видит яркие галактики менее чем через 400 млн лет после начала, и это уточняет, как формировались галактики, а не то, расширялось ли пространство из горячего раннего состояния.
Как это показывает VJOURNAL SMART BOOK
Глава «Начало всего» открывает первый том VJOURNAL SMART BOOK «История» — «От Большого взрыва до Рима». Слева лежит полный текст, а справа рисунок показывает то, о чём сказано: точку света, которая начинает расти, галактики, разлетающиеся тем быстрее, чем они дальше, первый свет, остывающий в пятнистое свечение, вспыхивающие первые звёзды, а затем семью Солнца и Луну.
В главе шесть анимированных моментов. Их можно смотреть по порядку, двигать шкалу времени или коснуться абзаца, чтобы повторить его момент. Есть краткая версия простыми словами, строка с фактами, тест из трёх вопросов с объяснениями и список источников. Где учёные спорят, текст так и говорит.
Простыми словами
Нарисуйте точки на воздушном шаре и надуйте его. Каждая точка отдаляется от всех остальных, дальние быстрее, и ни одна точка не центр. Точки — это галактики, а резина — пространство, которое и растягивается.
Попробуйте сами
Нарисуйте на воздушном шаре пять точек, нитью измерьте три расстояния между парами точек, надуйте шар чуть сильнее и снова измерьте те же три пары.
Ожидаемый результат
Все расстояния выросли, причём пары, которые были дальше, выросли сильнее. Такую же закономерность Хаббл нашёл у галактик: скорость удаления растёт с расстоянием.
Проверьте себя: Галактика удаляется со скоростью 14 000 км/с. На каком расстоянии она находится, если H₀ = 70 км/с на мегапарсек?
14 000 ÷ 70 = 200 мегапарсек, это примерно 650 млн световых лет.
Вопросы и ответы
Большой взрыв был взрывом?
Нет. Так назвали расширение пространства из горячего плотного состояния, а не взрыв внутри уже существующего пространства. Вещество не разлеталось из точки: пространство росло везде сразу.
Где произошёл Большой взрыв?
Везде. У Вселенной нет центра и нет края, в который галактики расширялись бы. Любой наблюдатель видит, что остальные галактики удаляются, как каждая изюминка в поднимающемся тесте.
Откуда известно, что Вселенной 13,8 млрд лет?
Рисунок реликтового излучения, подогнанный под стандартную модель, даёт 13,8 млрд лет: 13,82 в данных «Планка» 2013 года и 13,787 плюс-минус 0,020 в результатах 2018 года. Скорость расширения даёт грубо похожее значение.
Что было до Большого взрыва?
Никто не знает. Теория описывает Вселенную с очень раннего горячего состояния, а первые мгновения лежат за пределами проверенной физики. Относитесь с недоверием к любому уверенному ответу.
Большой взрыв — это всего лишь теория?
В науке теория — это проверенное объяснение, а не догадка. Эта теория сделала предсказания, которые сбылись, — микроволновое свечение и смесь водорода и гелия, — а её соперница, Вселенная Стационарного состояния, их не выдержала.
«Джеймс Уэбб» опровергает Большой взрыв?
Нет. Ранние галактики Уэбба ставят под вопрос детали того, как быстро формировались галактики. Доказательства того, что пространство расширяется из горячего плотного состояния около 13,8 млрд лет назад, они не меняют.
Запомните три доказательства: удаляющиеся галактики, послесвечение 2,7 кельвина и смесь водорода и гелия три к одному. Затем откройте главу, посмотрите шесть её моментов и пройдите тест.
Источники и дальнейшее чтение
- ESA: Planck and the cosmic microwave background ↗Источники проверены:
- NASA Science: The Big Bang ↗Источники проверены:
- ESA: Planck reveals an almost perfect Universe (age, composition, Hubble constant) ↗Источники проверены:
- Nobel Prize in Physics 1978: Arno Penzias, facts ↗Источники проверены:
- Planck Collaboration: Planck 2018 results. VI. Cosmological parameters ↗Источники проверены: