Большой взрыв - Big Bang

Хронология метрическое расширение пространства, где пространство, включая гипотетические ненаблюдаемые части Вселенной, каждый раз представлено круглыми сечениями. Слева резкое расширение происходит в инфляционная эпоха; а в центре расширение ускоряет (замысел художника; без масштаба).

Часть серии по
Физическая космология
Большой взрыв  · Вселенная Возраст вселенной Хронология Вселенной
Ранняя вселенная Эпоха Планка Эпоха великого объединения Электрослабая эпоха Кварковая эпоха Адронная эпоха Лептонная эпоха Фотонная эпоха Нуклеосинтез Большого взрыва Инфляция Темные времена Звездоносная эра Фоны Космический фоновый радиационный фон (CBR) Фон гравитационных волн (ФГВ) Космический микроволновый фон (CMB)  · Космический нейтринный фон (CNB) Космический инфракрасный фон (ИНБ)
Расширение· Будущее Закон Хаббла  · Красное смещение Расширение Вселенной Ускоряющееся расширение Вселенной Сопутствующие и правильные расстояния Метрика FLRW  · Уравнения Фридмана Неоднородная космология Будущее расширяющейся Вселенной Конечная судьба вселенной Тепловая смерть вселенной Большой разрыв Большой хруст Большой отскок
Составные части· Структура Составные части Лямбда-CDM модель Барионная материя Экзотическая материя Энергия Отрицательная энергия Нулевая энергия Энергия вакуума Радиация Фоновое излучение Темная энергия Квинтэссенция Фантомная энергия Темная материя Холодная темная материя Теплая темная материя Смешанная темная материя Горячая темная материя Светлая темная материя Самовзаимодействующая темная материя Скалярное поле темная материя Темное излучение Темная жидкость Зеркальное дело Структура Форма вселенной Реионизация  · Формирование структуры Формирование галактики Крупномасштабная конструкция Большая группа квазаров Нить галактики Сверхскопление Скопление галактик Группа галактик Местная группа Галактика Ореол темной материи Звездное скопление Солнечная система Планетная система Пустота
Эксперименты Бумеранг Исследователь космического фона (COBE) Обзор темной энергии Евклид Проект Illustris Обсерватория Веры К. Рубин Космическая обсерватория Планка Слоан цифровой обзор неба (SDSS) Обзор красного смещения галактики 2dF ("2dF") ВселеннаяМашина Микроволновая анизотропия Уилкинсона Зонд (WMAP)
Ученые Ааронсон Альфвен Альфер Бхарадвадж Коперник де Ситтер Дике Эддингтон Элерс Эйнштейн Эллис Фридман Галилео Гамов Гут Хаббл Лемэтр Linde Mather Ньютон Penzias Вбивать в голову Шмидт Шварцшильд Гладкий Старобинский Steinhardt Suntzeff Сюняев Толман Уилсон Зельдович
История темы Открытие космического микроволн фоновое излучение История теории большого взрыва Религиозные интерпретации теория большого взрыва Хронология космологических теорий
Категория  Астрономический портал

В Большой взрыв теория это космологическая модель из наблюдаемая вселенная от самые ранние известные периоды через его последующую крупномасштабную эволюцию.^[1][2][3] Модель описывает, как Вселенная расширилась из начального состояния чрезвычайно высокого плотность и высокий температура,^[4] и предлагает исчерпывающее объяснение широкого спектра наблюдаемых явлений, включая обилие световые элементы, то космический микроволновый фон (CMB) радиация, и крупномасштабная структура.

Важно отметить, что теория совместима с Закон Хаббла-Леметра - наблюдение, что чем дальше галактики являются, тем быстрее они удаляются от Земли. Экстраполируя это космическое расширение назад во времени, используя известные законы физики, теория описывает состояние с высокой плотностью, которому предшествует необычность в котором пространство и время теряют смысл.^[5] Нет никаких свидетельств каких-либо явлений до сингулярности. Подробные измерения скорости расширения Вселенной показывают, что Большой взрыв составляет около 13,8миллиард лет назад, что считается возраст вселенной.^[6]

После первоначального расширения Вселенная остыла достаточно, чтобы позволить сформироваться субатомные частицы, и позже атомы. Гигантские облака этих первобытных элементов - в основном водород, с некоторыми гелий и литий - позже объединились сила тяжести, формируя рано звезды и галактики, потомки которых видны сегодня. Помимо этих первобытных строительных материалов, астрономы наблюдают гравитационные эффекты неизвестного темная материя окружающие галактики. Большинство из гравитационный потенциал во Вселенной, кажется, находится в такой форме, и теория Большого взрыва и различные наблюдения показывают, что этот гравитационный потенциал не состоит из барионная материя, например, нормальные атомы. Измерения красных смещений сверхновые указать, что расширение Вселенной ускоряется, наблюдение, приписываемое темная энергия существование.^[7]

Жорж Лемэтр впервые отметил в 1927 г., что расширение вселенная можно было проследить во времени до единственной точки, которую он назвал «первобытным атомом». В течение нескольких десятилетий научное сообщество было разделено на сторонников Большого взрыва и конкурентов. стационарная модель, но широкий спектр эмпирических свидетельств убедительно свидетельствует в пользу Большого взрыва, который теперь общепризнан.^[8]

Эдвин Хаббл подтверждено анализом галактических красные смещения в 1929 году галактики действительно расходятся; это важное наблюдательное свидетельство расширяющейся Вселенной. В 1964 году было обнаружено реликтовое излучение, что стало решающим доказательством в пользу модели горячего Большого взрыва.^[9] поскольку эта теория предсказывала однородное фоновое излучение по всей Вселенной.

Особенности модели

Теория Большого взрыва предлагает исчерпывающее объяснение широкого круга наблюдаемых явлений, включая распространенность световые элементы, то CMB, крупномасштабная структура, и Закон Хаббла.^[10] Теория зависит от двух основных предположений: универсальности физических законов и космологический принцип. Универсальность физических законов - один из основополагающих принципов теория относительности. Космологический принцип утверждает, что в больших масштабах вселенная является однородный и изотропный.^[11]

Эти идеи изначально были приняты как постулаты, но позже были предприняты попытки проверить каждую из них. Например, первое предположение было проверено наблюдениями, показывающими, что наибольшее возможное отклонение постоянная тонкой структуры на большей части Вселенной возраст порядка 10⁻⁵.^[12] Также, общая теория относительности прошел строгий тесты в масштабе Солнечная система и двойные звезды.^{[примечания 1]}

Крупномасштабная Вселенная кажется изотропной, если смотреть с Земли. Если он действительно изотропен, космологический принцип может быть выведен из более простого Принцип Коперника, в котором говорится, что нет предпочтительного (или особого) наблюдателя или точки обзора. С этой целью космологический принцип был подтвержден на уровне 10⁻⁵ посредством наблюдений за температурой реликтового излучения. В масштабе горизонта реликтового излучения Вселенная была однородной с верхней границей в порядке Неоднородность 10%, по состоянию на 1995 г.^[13]

Расширение пространства

Расширение Вселенной было выведено из астрономических наблюдений начала двадцатого века и является важным элементом теории Большого взрыва. Математически общая теория относительности описывает пространство-время по метрика, который определяет расстояния, разделяющие близлежащие точки. Точки, которыми могут быть галактики, звезды или другие объекты, указываются с помощью символа карта координат или «сетка», которая проложена по всему пространству-времени. Космологический принцип подразумевает, что метрика должна быть однородной и изотропной на больших масштабах, что однозначно выделяет Метрика Фридмана – Лемэтра – Робертсона – Уокера (FLRW). Этот показатель содержит масштаб, который описывает, как размер Вселенной изменяется со временем. Это дает возможность удобного выбора система координат быть сделано, называется сопутствующие координаты. В этой системе координат сетка расширяется вместе со Вселенной, и объекты, которые движутся только из-за расширение вселенной остаются в фиксированных точках сетки. Пока их координировать расстояние (сопутствующее расстояние ) остается постоянным, физический расстояние между двумя такими движущимися вместе точками увеличивается пропорционально масштабному коэффициенту Вселенной.^[14]

Большой взрыв - это не взрыв иметь значение движется наружу, чтобы заполнить пустую вселенную. Вместо этого само пространство расширяется со временем повсюду и увеличивает физические расстояния между сопутствующими точками. Другими словами, Большой взрыв - это не взрыв в космосе, а скорее расширение пространства.^[4] Поскольку метрика FLRW предполагает равномерное распределение массы и энергии, она применима к нашей Вселенной только в больших масштабах - локальные концентрации вещества, такие как наша галактика, не обязательно расширяются с той же скоростью, что и вся Вселенная.^[15]

Горизонты

Важной особенностью пространства-времени Большого взрыва является наличие горизонты частиц. Поскольку Вселенная имеет конечный возраст, и свет путешествует с конечной скоростью, в прошлом могут быть события, свет которых еще не успел до нас добраться. Это накладывает ограничение или прошлый горизонт на самых удаленных объектах, которые можно наблюдать. И наоборот, поскольку пространство расширяется, а более далекие объекты удаляются все быстрее, свет, излучаемый нами сегодня, может никогда не «догнать» очень далекие объекты. Это определяет будущий горизонт, который ограничивает события в будущем, на которые мы сможем повлиять. Наличие горизонта любого типа зависит от деталей модели FLRW, описывающей нашу Вселенную.^[16]

Наше понимание Вселенной с самых ранних времен предполагает, что существует прошлый горизонт, хотя на практике наш взгляд также ограничен непрозрачностью Вселенной в ранние времена. Таким образом, наш взгляд не может распространяться дальше назад во времени, хотя горизонт отступает в пространстве. Если расширение Вселенной продолжит ускоряться, есть и будущий горизонт.^[16]

График

Графическая временная шкала доступна по адресу Графическая шкала Большого взрыва

Согласно теории Большого взрыва, Вселенная вначале была очень горячей и очень маленькой, а с тех пор она расширяется и остывает.

Сингулярность

Экстраполяция расширения Вселенной назад во времени с использованием общей теории относительности дает бесконечный плотность и температура в конечное время в прошлом.^[17] Это нерегулярное поведение, известное как гравитационная сингулярность, указывает на то, что общая теория относительности не является адекватным описанием законов физики в этом режиме. Модели, основанные только на общей теории относительности, не могут экстраполировать в сторону сингулярности - за пределы так называемого Эпоха Планка.^[5]

Эту изначальную особенность иногда называют «Большим взрывом».^[18] но этот термин может также относиться к более общей ранней горячей, плотной фазе^{[19][примечания 2]} Вселенной. В любом случае «Большой взрыв» как событие также в просторечии упоминается как «рождение» нашей Вселенной, поскольку он представляет собой момент в истории, когда можно проверить, что Вселенная вступила в режим где законы физики, как мы их понимаем (в частности, общая теория относительности и Стандартная модель из физика элементарных частиц ) работай. На основании измерений расширения с использованием Сверхновые типа Ia и измерения температурных флуктуаций космического микроволнового фона, времени, прошедшего после этого события, известного как "возраст вселенной "- 13,799 ± 0,021 миллиарда лет.^[20] Согласие независимых измерений этого возраста подтверждает Лямбда-CDM (ΛCDM) модель, подробно описывающая характеристики Вселенной.^{[нужна цитата ]}

Несмотря на то, что в это время они были чрезвычайно плотными - гораздо более плотными, чем обычно требуется для формирования черная дыра - Вселенная не коллапсировала повторно в сингулярность. Это можно объяснить, если учесть, что обычно используемые расчеты и пределы для гравитационный коллапс обычно основаны на объектах относительно постоянного размера, таких как звезды, и не применяются к быстро расширяющемуся пространству, например, Большому взрыву. Точно так же, поскольку ранняя Вселенная не сразу схлопнулась в множество черных дыр, материя в то время должна была быть очень равномерно распределена с незначительным градиент плотности.^[21]

Инфляция и бариогенез

Самые ранние фазы Большого взрыва являются предметом множества спекуляций, поскольку астрономические данные о них недоступны. В наиболее распространенных моделях Вселенная была заполнена однородно и изотропно с очень высокой плотность энергии и огромные температуры и давление, и очень быстро расширялся и остывал. Период от 0 до 10⁻⁴³ секунд в расширение, Эпоха Планка, была фаза, в которой четыре фундаментальные силы - в электромагнитная сила, то сильная ядерная сила, то слабая ядерная сила, а сила гравитации, были объединены как одно целое.^[22] На этом этапе Вселенная была всего около 10⁻³⁵ метров шириной и, следовательно, имел температуру примерно 10³² градусов Цельсия.^[23] На смену эпохе Планка пришла эпоха эпоха великого объединения начиная с 10⁻⁴³ секунд, когда гравитация отделилась от других сил, когда температура Вселенной упала.^[22] На этой стадии Вселенная была чистой энергией, слишком горячей для создания каких-либо частиц.

Примерно в 10⁻³⁷ секунд в расширение, фаза перехода вызвал космическая инфляция, во время которого Вселенная росла экспоненциально, не ограниченный инвариантность скорости света, а температура упала в 100000 раз. Микроскопический квантовые флуктуации это произошло из-за Принцип неопределенности Гейзенберга были усилены в семена, которые позже сформируют крупномасштабную структуру Вселенной.^[24] За один раз около 10⁻³⁶ секунд, Электрослабая эпоха начинается, когда сильное ядерное взаимодействие отделяется от других сил, при этом остаются едиными только электромагнитное взаимодействие и слабое ядерное взаимодействие.^[25]

Инфляция остановилась на отметке 10⁻³³ до 10⁻³² секунд, при этом объем Вселенной увеличился как минимум в 10 раз.⁷⁸. Повторный нагрев происходил до тех пор, пока Вселенная не достигла температуры, необходимой для производство из кварк-глюонная плазма как и все остальные элементарные частицы.^[26][27] Температура была настолько высока, что случайные движения частиц составляли релятивистский скорости, и пары частица-античастица всех видов постоянно создавались и разрушались в столкновениях.^[4] В какой-то момент неизвестная реакция назвала бариогенез нарушил сохранение барионное число, что приводит к очень небольшому превышению кварки и лептоны над антикварками и антилептонами - порядка 30 миллионов. Это привело к преобладанию материи над антивеществом в современной Вселенной.^[28]

Охлаждение

Панорамный вид на всю ближний инфракрасный небо показывает распределение галактик за пределами Млечный Путь. Галактики имеют цветовую кодировку красное смещение.

Вселенная продолжала уменьшаться в плотности и температуре, следовательно, типичная энергия каждой частицы уменьшалась. Нарушение симметрии фазовые переходы ставят фундаментальные силы физики и параметров элементарных частиц в их нынешнюю форму, при этом электромагнитная сила и слабая ядерная сила разделяются примерно на 10⁻¹² секунд.^[25][29] Примерно через 10⁻¹¹ секунд, картина становится менее умозрительной, поскольку энергии частиц падают до значений, которые могут быть достигнуты за ускорители частиц. Примерно в 10⁻⁶ секунды, кварки и глюоны объединены, чтобы сформировать барионы Такие как протоны и нейтроны. Небольшой избыток кварков над антикварками привел к небольшому избытку барионов над антибарионами. Температура теперь уже не была достаточно высокой для создания новых пар протон-антипротон (аналогично нейтронам-антинейтронам), поэтому сразу же последовала массовая аннигиляция, оставив только одну из 10¹⁰ исходных протонов и нейтронов, и ни один из их античастицы. Аналогичный процесс произошел примерно за 1 секунду для электронов и позитронов. После этих аннигиляций оставшиеся протоны, нейтроны и электроны больше не двигались релятивистски, и в плотности энергии Вселенной преобладала фотоны (с незначительным участием нейтрино ).

Через несколько минут после расширения, когда температура была около миллиарда кельвин и плотность материи во Вселенной была сопоставима с текущей плотностью атмосферы Земли, нейтроны в сочетании с протонами образовывали Вселенную. дейтерий и гелий ядра в процессе, называемом Нуклеосинтез Большого взрыва (BBN).^[30] Большинство протонов остались несоединенными в виде ядер водорода.^[31]

Когда Вселенная остыла, энергия отдыха плотность материи стала гравитационно доминировать над плотностью фотона радиация. Примерно через 379000 лет электроны и ядра объединились в атомы (по большей части водород ), которые были способны испускать излучение. Это реликтовое излучение, распространяющееся в космосе практически беспрепятственно, известно как космический микроволновый фон.^[31]

Формирование структуры

Изображение художника WMAP спутниковый сбор данных, чтобы помочь ученым понять Большой взрыв

Абель 2744 скопление галактик – Вид на Пограничные поля Хаббла.^[32]

В течение длительного периода времени немного более плотные области равномерно распределенной материи гравитационно притягивали соседнюю материю и, таким образом, становились еще плотнее, образуя газовые облака, звезды, галактики и другие астрономические структуры, наблюдаемые сегодня.^[4] Детали этого процесса зависят от количества и типа материи во Вселенной. Четыре возможных типа материи известны как холодная темная материя, теплая темная материя, горячая темная материя, и барионная материя. Лучшие доступные измерения, от СВЧ-датчик анизотропии Wilkinson (WMAP), показывают, что данные хорошо соответствуют модели Lambda-CDM, в которой темная материя считается холодной (теплая темная материя исключается ранним реионизация ),^[33] и, по оценкам, составляет около 23% материи / энергии Вселенной, в то время как барионная материя составляет около 4,6%.^[34] В «расширенной модели», включающей горячую темную материю в форме нейтрино,^[35] тогда если "физическая плотность барионов" ${displaystyle Omega _ {ext {b}} h ^ {2}}$ оценивается примерно в 0,023 (это отличается от «барионной плотности» ${displaystyle Omega _ {ext {b}}}$ выражается как доля от общей плотности материи / энергии, что составляет около 0,046), и соответствующая плотность холодной темной материи ${displaystyle Omega _ {ext {c}} h ^ {2}}$ составляет около 0,11, соответствующая плотность нейтрино ${displaystyle Omega _ {ext {v}} h ^ {2}}$ по оценкам составляет менее 0,0062.^[34]

Космическое ускорение

Независимые свидетельства сверхновых типа Ia и реликтового излучения предполагают, что сегодня во Вселенной доминирует таинственная форма энергии, известная как темная энергия, который, по-видимому, пронизывает все пространство. Наблюдения показывают, что 73% общей плотности энергии сегодняшней Вселенной находится в этой форме. Когда Вселенная была очень молодой, она, вероятно, была наполнена темной энергией, но с меньшим пространством и всем, что было ближе друг к другу. сила тяжести преобладал, и он медленно тормозил расширение. Но в конце концов, после нескольких миллиардов лет расширения, растущее изобилие темной энергии привело к тому, что расширение Вселенной стало медленно ускоряться.^[7]

Темная энергия в своей простейшей формулировке принимает форму космологическая постоянная срок в Уравнения поля Эйнштейна общей теории относительности, но ее состав и механизм неизвестны, и, в более общем плане, детали ее уравнения состояния и взаимосвязи со Стандартной моделью физики элементарных частиц продолжают исследоваться как посредством наблюдений, так и теоретически.^[7]

Вся эта космическая эволюция после инфляционная эпоха могут быть строго описаны и смоделированы с помощью модели космологии ΛCDM, которая использует независимые рамки квантовая механика и общая теория относительности. Не существует легко проверяемых моделей, которые описывали бы ситуацию примерно до 10 лет.⁻¹⁵ секунд.^[36] По-видимому, новая единая теория квантовая гравитация необходимо преодолеть этот барьер. Понимание этой самой ранней из эпох в истории Вселенной в настоящее время является одним из величайших нерешенные проблемы физики.

История

Этимология

английский астроном Фред Хойл приписывают создание термина "Большой взрыв" во время выступления в марте 1949 г. BBC Radio транслировать,^[37] говоря: «Эти теории были основаны на гипотезе о том, что вся материя во Вселенной была создана в результате одного большого взрыва в определенное время в далеком прошлом».^[38][39]

Широко известно, что Хойл, сторонник альтернативы "устойчивое состояние "космологическая модель, предназначенная для уничижительного,^[40] но Хойл прямо отрицал это и сказал, что это просто поразительное изображение, призванное подчеркнуть разницу между двумя моделями.^[41][42]

Разработка

Hubble eXtreme Deep Field (XDF)

XDF размер по сравнению с размером Луна (XDF это небольшой прямоугольник слева от Луны и почти под ней) - на этом маленьком изображении находятся несколько тысяч галактик, каждая из которых состоит из миллиардов звезд.

XDF (2012) вид - каждое световое пятнышко - это галактика - возраст некоторых из них составляет 13,2 миллиарда лет.^[43] - Вселенная насчитывает 200 миллиардов галактик.

XDF изображение показывает полностью зрелые галактики на переднем плане - почти зрелые галактики от 5 до 9 миллиардов лет назад - протогалактики, пылающий молодые звезды, за 9 миллиардов лет.

Теория Большого взрыва развивалась на основе наблюдений за структурой Вселенной и теоретических соображений. В 1912 г. Весто Слайфер измерил первый Доплеровский сдвиг из "спиральная туманность "(спиральная туманность - устаревший термин для спиральных галактик), и вскоре обнаружил, что почти все такие туманности удалялись от Земли. Он не осознавал космологические последствия этого факта, и действительно в то время это было весьма противоречивый были ли эти туманности "островными вселенными" за пределами нашей Млечный Путь.^[44][45] Десять лет спустя, Александр Фридманн, а русский космолог и математик, получил Уравнения Фридмана из уравнений поля Эйнштейна, показывая, что Вселенная может расширяться в отличие от статическая вселенная модель отстаивает Альберт Эйнштейн в это время.^[46]

В 1924 г. Американец астроном Эдвин Хаббл Измерение большого расстояния до ближайших спиральных туманностей показало, что эти системы действительно были другими галактиками. Начиная с того же года Хаббл кропотливо разработал серию индикаторов расстояния, предшественника космическая дистанционная лестница, используя 100-дюймовый (2,5 м) Телескоп Хукера в Обсерватория Маунт Вильсон. Это позволило ему оценить расстояния до галактик, красные смещения уже были измерены, в основном Слайфер. В 1929 году Хаббл обнаружил корреляцию между расстоянием и скорость рецессии - теперь известный как закон Хаббла.^[47][48] К тому времени Лемэтр уже показал, что этого следовало ожидать, учитывая космологический принцип.^[7]

Независимо выводя уравнения Фридмана в 1927 г., Жорж Лемэтр, а бельгийский физик и римско-католический священник предположил, что предполагаемое рассеивание туманностей произошло из-за расширения Вселенной.^[49] В 1931 году Лемэтр пошел дальше и предположил, что очевидное расширение Вселенной, если спроецировать назад во времени, означает, что чем дальше в прошлом, тем меньше была Вселенная, пока в какой-то конечный момент в прошлом вся масса Вселенной не уменьшилась. сосредоточены в единой точке, «первобытном атоме», где и когда возникла ткань времени и пространства.^[50]

В 1920-х и 1930-х годах почти каждый крупный космолог предпочитал вечную стационарную Вселенную, а некоторые жаловались, что начало времен, подразумеваемое Большим взрывом, внесло религиозные концепции в физику; это возражение было позже повторено сторонниками теории стационарного состояния.^[51] Это восприятие усиливалось тем фактом, что создатель теории Большого взрыва Лемэтр был римско-католическим священником.^[52] Артур Эддингтон согласился с Аристотель что у вселенной не было начала во времени, а именно., который материя вечна. Начало во времени было ему «противно».^[53][54] Лемэтр, однако, не согласился:

Если мир начался с одного квант, понятия пространства и времени вообще не имели бы никакого значения вначале; они обретут разумный смысл только тогда, когда исходный квант будет разделен на достаточное количество квантов. Если это предположение верно, начало мира произошло незадолго до начала пространства и времени.^[55]

В 1930-е годы были предложены и другие идеи: нестандартные космологии для объяснения наблюдений Хаббла, включая Модель Милна,^[56] то колеблющаяся вселенная (первоначально предложено Фридманом, но защищено Альбертом Эйнштейном и Ричард К. Толмен )^[57] и Фриц Цвикки с усталый свет гипотеза.^[58]

После Вторая Мировая Война возникли две различные возможности. Одним из них была стационарная модель Фреда Хойла, согласно которой новая материя будет создаваться по мере расширения Вселенной. В этой модели Вселенная примерно одинакова в любой момент времени.^[59] Другой была теория Большого взрыва Лемэтра, которую отстаивал и развивал Георгий Гамов, который представил BBN^[60] и чьи соратники, Ральф Альфер и Роберт Герман, предсказал CMB.^[61] По иронии судьбы именно Хойл придумал фразу, которая стала применяться к теории Лемэтра, назвав ее «это большой взрыв идея »во время радиопередачи BBC в марте 1949 года.^{[42][39][примечания 3]} Какое-то время поддержка этих двух теорий разделилась. В конце концов, данные наблюдений, особенно по радио количество источников, начал отдавать предпочтение Большому взрыву, а не устойчивому состоянию.Открытие и подтверждение реликтового излучения в 1964 году сделало Большой взрыв лучшей теорией происхождения и эволюции Вселенной.^[62] Большая часть текущих работ по космологии включает в себя понимание того, как образуются галактики в контексте Большого взрыва, понимание физики Вселенной в более ранние и ранние времена и согласование наблюдений с основной теорией.^{[нужна цитата ]}

В 1968 и 1970 гг. Роджер Пенроуз, Стивен Хокинг, и Джордж Ф. Р. Эллис опубликовали статьи, в которых показали, что математические особенности были неизбежным исходным условием релятивистских моделей Большого взрыва.^[63][64] Затем, с 1970-х по 1990-е годы, космологи работали над характеристикой характеристик Вселенной Большого взрыва и решением нерешенных проблем. В 1981 г. Алан Гут совершил прорыв в теоретической работе по разрешению некоторых нерешенных теоретических проблем теории Большого взрыва с введением эпохи быстрого расширения в ранней Вселенной, которую он назвал «инфляцией».^[65] Между тем, за эти десятилетия два вопроса в наблюдательная космология это вызвало много споров и разногласий по поводу точных значений постоянной Хаббла.^[66] и плотность материи Вселенной (до открытия темной энергии, которая считалась ключевым предсказателем возможного судьба вселенной ).^[67]

В середине 1990-х гг. Наблюдения некоторых шаровые скопления по всей видимости, указывает на то, что им было около 15 миллиардов лет, что противоречивый с большинством современных оценок возраста Вселенной (и действительно с возрастом, измеренным сегодня). Эта проблема была позже решена, когда новое компьютерное моделирование включало эффекты потери массы из-за звездные ветры, указывает на гораздо более молодой возраст шаровых скоплений.^[68] Хотя все еще остаются вопросы относительно того, насколько точно измеряется возраст скоплений, шаровые скопления представляют интерес для космологии как одни из самых старых объектов во Вселенной.^{[нужна цитата ]}

Значительный прогресс в космологии Большого взрыва был достигнут с конца 1990-х годов в результате достижений в телескоп технологии, а также анализ данных со спутников, таких как Исследователь космического фона (COBE),^[69] то Космический телескоп Хаббла и WMAP.^[70] Космологи теперь имеют довольно точные измерения многих параметров модели Большого взрыва и сделали неожиданное открытие, что расширение Вселенной, похоже, ускоряется.^{[нужна цитата ]}

Наблюдательные свидетельства

Самыми ранними и наиболее прямыми наблюдательными доказательствами справедливости теории являются расширение Вселенной согласно закону Хаббла (на что указывают красные смещения галактик), открытие и измерение космического микроволнового фона и относительного содержания легких элементов, производимых Нуклеосинтез Большого взрыва (BBN). Более свежие данные включают наблюдения формирование и эволюция галактик, а распределение крупномасштабные космические структуры,^[72] Их иногда называют «четырьмя столпами» теории Большого взрыва.^[73]

Точные современные модели Большого взрыва обращаются к различным экзотическим физическим явлениям, которые не наблюдались в наземных лабораторных экспериментах и ​​не были включены в Стандартную модель физики элементарных частиц. Из этих функций темная материя в настоящее время является предметом наиболее активных лабораторных исследований.^[74] Остальные проблемы включают проблема ореола куспи^[75] и проблема карликовой галактики^[76] холодной темной материи. Темная энергия также представляет большой интерес для ученых, но неясно, возможно ли прямое обнаружение темной энергии.^[77] Инфляция и бариогенез остаются более спекулятивными особенностями нынешних моделей Большого взрыва. Жизнеспособные количественные объяснения таких явлений все еще находятся в поиске. Это в настоящее время нерешенные проблемы физики.

Закон Хаббла и расширение пространства

Наблюдения далеких галактик и квазары показывают, что эти объекты имеют красное смещение: излучаемый ими свет смещен в сторону более длинных волн. Это можно увидеть, взяв частотный спектр объекта и соответствие спектроскопический образец эмиссионные или абсорбционные линии соответствующие атомам химических элементов, взаимодействующих со светом. Эти красные смещения равномерно изотропные, равномерно распределенные среди наблюдаемых объектов во всех направлениях. Если красное смещение интерпретируется как доплеровское смещение, можно вычислить скорость возврата объекта. Для некоторых галактик можно оценить расстояния по космической лестнице расстояний. Когда скорости разбегания наносятся в зависимости от этих расстояний, наблюдается линейная зависимость, известная как закон Хаббла:^[47]${displaystyle v = H_ {0} D}$куда

• ${displaystyle v}$ - скорость удаления галактики или другого удаленного объекта,
• ${displaystyle D}$ - сопутствующее расстояние до объекта, а
• ${displaystyle H_ {0}}$ является Постоянная Хаббла, измеряется как 70.4+1.3
  −1.4 км /s /Мпк через WMAP.^[34]

У закона Хаббла есть два возможных объяснения. Либо мы находимся в центре взрыва галактик - что недопустимо в предположении принципа Коперника, - либо Вселенная равномерно расширяется повсюду. Это универсальное расширение было предсказано Фридманом в 1922 году на основании общей теории относительности.^[46] и Лемэтр в 1927 г.,^[49] задолго до того, как Хаббл провел свой анализ и наблюдения 1929 года, и он остается краеугольным камнем теории Большого взрыва, разработанной Фридманом, Лемэтром, Робертсоном и Уокером.

Теория требует соотношения ${displaystyle v = HD}$ держать все время, где ${displaystyle D}$ это сопутствующее расстояние, v - скорость разбегания, а ${displaystyle v}$, ${displaystyle H}$, и ${displaystyle D}$ изменяются по мере расширения Вселенной (поэтому мы пишем ${displaystyle H_ {0}}$ для обозначения современной «постоянной Хаббла»). Для расстояний намного меньших, чем размер наблюдаемая вселенная красное смещение Хаббла можно рассматривать как доплеровское смещение, соответствующее скорости рецессии ${displaystyle v}$. Однако красное смещение не является истинным доплеровским смещением, а, скорее, результатом расширения Вселенной между моментом излучения света и моментом его обнаружения.^[78]

То, что пространство подвергается метрическому расширению, подтверждается прямыми наблюдениями космологического принципа и принципа Коперника, которые вместе с законом Хаббла не имеют другого объяснения. Астрономические красные смещения чрезвычайно изотропны и однородный,^[47] подтверждая космологический принцип, согласно которому Вселенная выглядит одинаково во всех направлениях, наряду со многими другими доказательствами. Если бы красные смещения были результатом взрыва из удаленного от нас центра, они не были бы такими похожими в разных направлениях.

Измерения влияния космического микроволнового фонового излучения на динамику далеких астрофизических систем в 2000 году подтвердили принцип Коперника, согласно которому в космологическом масштабе Земля не занимает центральное положение.^[79] Радиация от Большого взрыва была явно теплее в прежние времена по всей Вселенной. Равномерное охлаждение реликтового излучения в течение миллиардов лет объяснимо, только если Вселенная испытывает метрическое расширение и исключает возможность того, что мы находимся вблизи уникального центра взрыва.

Космическое микроволновое фоновое излучение

В космический микроволновый фон спектр, измеренный прибором FIRAS на COBE спутник измеряется наиболее точно черное тело спектр в природе.^[80] В точки данных и планки погрешностей на этом графике скрыты теоретической кривой.

В 1964 г. Арно Пензиас и Роберт Уилсон по счастливой случайности обнаружил космическое фоновое излучение, всенаправленный сигнал в микроволновая печь группа.^[62] Их открытие предоставило существенное подтверждение предсказаний Большого взрыва, сделанных Альфером, Германом и Гамовым примерно в 1950 году. В течение 1970-х годов было обнаружено, что излучение примерно соответствует черное тело спектр по всем направлениям; этот спектр был сдвинут в красную сторону в результате расширения Вселенной, и сегодня он соответствует примерно 2,725 К. Это склонило баланс свидетельств в пользу модели Большого взрыва, и Пензиас и Уилсон были награждены премией 1978 г. Нобелевская премия по физике.

В поверхность последнего рассеяния соответствующее излучению реликтового излучения происходит вскоре после рекомбинация, эпоха, когда нейтральный водород становится стабильным. До этого Вселенная представляла собой горячее плотное море фотонно-барионной плазмы, в котором фотоны быстро распространялись. разбросанный от свободных заряженных частиц. Пик около 372±14 тыс. Лет,^[33] длина свободного пробега фотона становится достаточно большой, чтобы достичь наших дней, и Вселенная становится прозрачной.

Изображение космического микроволнового фонового излучения за 9 лет (2012 г.).^[81][82] Радиация изотропный примерно до одной части из 100000.^[83]

В 1989 г. НАСА запустил COBE, который сделал два важных шага: в 1990 году высокоточные измерения спектра показали, что частотный спектр CMB представляет собой почти идеальное черное тело без отклонений на уровне 1 части из 10.⁴, и измерил остаточную температуру 2,726 К (более поздние измерения немного изменили эту цифру до 2,7255 К); затем в 1992 году дальнейшие измерения COBE обнаружили крошечные флуктуации (анизотропия ) в температуре реликтового излучения по небу на уровне примерно 1/10⁵.^[69] Джон С. Мэзер и Джордж Смут были удостоены Нобелевской премии по физике 2006 г. за лидерство в этих результатах.

В течение следующего десятилетия анизотропия реликтового излучения была дополнительно исследована в большом количестве наземных и баллонных экспериментов. В 2000–2001 гг. Было проведено несколько экспериментов, в первую очередь Бумеранг, нашел форма вселенной быть пространственно почти плоским, измеряя типичный угловой размер (размер на небе) анизотропии.^[84][85][86]

В начале 2003 года были опубликованы первые результаты исследования микроволновой анизотропии Уилкинсона, которые дали наиболее точные в то время значения некоторых космологических параметров. Результаты опровергли несколько конкретных моделей космической инфляции, но в целом согласуются с теорией инфляции.^[70] В Планк космический зонд был запущен в мае 2009 года. Прочие наземные и аэростатные космический микроволновый фон эксперименты продолжаются.

Изобилие первоэлементов

Используя модель Большого взрыва, можно рассчитать концентрацию гелий-4, гелий-3, дейтерий и литий-7 во Вселенной как отношение к количеству обычного водорода.^[30] Относительные содержания зависят от одного параметра - отношения фотонов к барионам. Это значение можно рассчитать независимо от детальной структуры флуктуаций реликтового излучения. Прогнозируемые отношения (по массе, а не по количеству) составляют около 0,25 для ${displaystyle {ce {^ 4He / H}}}$, около 10⁻³ за ${displaystyle {ce {^ 2H / H}}}$, около 10⁻⁴ за ${displaystyle {ce {^ 3He / H}}}$ и около 10⁻⁹ за ${displaystyle {ce {^ 7Li / H}}}$.^[30]

Все измеренные содержания согласуются, по крайней мере, примерно с предсказанными на основе одного значения отношения барионов к фотонам. Согласие отличное для дейтерия, близкое, но формально несовместимое для ${displaystyle {ce {^ 4He}}}$, и вдвое меньше для ${displaystyle {ce {^ 7Li}}}$ (эта аномалия известна как космологическая проблема лития ); в последних двух случаях имеются существенные систематические неопределенности. Тем не менее, общая согласованность с численностью, предсказанной BBN, является убедительным доказательством Большого взрыва, поскольку теория является единственным известным объяснением относительного содержания легких элементов, и практически невозможно «настроить» Большой взрыв, чтобы произвести гораздо больше. или менее 20–30% гелия.^[87] В самом деле, помимо Большого взрыва нет очевидной причины, по которой, например, молодая Вселенная (т.е. звездообразование, как определено путем изучения материи, предположительно свободной от звездный нуклеосинтез продуктов) должен содержать больше гелия, чем дейтерия, или больше дейтерия, чем ${displaystyle {ce {^ 3He}}}$, и в постоянных соотношениях тоже.^{[88]:182–185}

Галактическая эволюция и распространение

Подробные наблюдения за морфология а распределение галактик и квазаров соответствует текущему состоянию теории Большого взрыва. Сочетание наблюдений и теории предполагает, что первые квазары и галактики сформировались примерно через миллиард лет после Большого взрыва, и с тех пор формировались более крупные структуры, такие как скопления галактик и сверхскопления.^[89]

Популяции звезд стареют и развиваются, так что далекие галактики (которые наблюдаются так же, как и в ранней Вселенной) выглядят очень отличными от близких галактик (наблюдаемых в более позднем состоянии). Более того, галактики, сформировавшиеся относительно недавно, заметно отличаются от галактик, образовавшихся на аналогичных расстояниях, но вскоре после Большого взрыва. Эти наблюдения - веские аргументы против стационарной модели. Наблюдения за звездообразованием, распределением галактик и квазаров и более крупными структурами хорошо согласуются с моделированием Большого взрыва формирования структуры во Вселенной и помогают завершить детали теории.^[89][90]

Первичные газовые облака

Фокальная плоскость из Телескоп BICEP2 под микроскопом - используется для поиска поляризации в CMB.^{[91][92][93][94]}

В 2011 году астрономы обнаружили то, что они считают нетронутыми облаками первичного газа, анализируя линии поглощения в спектрах далеких квазаров. До этого открытия наблюдалось, что все другие астрономические объекты содержат тяжелые элементы, образующиеся в звездах. Эти два газовых облака не содержат элементов тяжелее водорода и дейтерия.^[95][96] Поскольку в газовых облаках нет тяжелых элементов, они, вероятно, образовались в первые несколько минут после Большого взрыва во время BBN.

Другие доказательства

Возраст Вселенной, оцененный по расширению Хаббла и реликтовому излучению, теперь хорошо согласуется с другими оценками, основанными на возрасте самых старых звезд, которые измеряются с применением теории звездная эволюция в шаровые скопления и через радиометрическое датирование отдельных Население II звезды.^[97]

Предсказание о том, что в прошлом температура реликтового излучения была выше, было экспериментально подтверждено наблюдениями линий поглощения с очень низкой температурой в газовых облаках на большом красном смещении.^[98] Этот прогноз также подразумевает, что амплитуда Эффект Сюняева – Зельдовича. в скоплениях галактик не зависит напрямую от красного смещения. Наблюдения показали, что это примерно правда, но этот эффект зависит от свойств кластера, которые действительно меняются с космическим временем, что затрудняет точные измерения.^[99][100]

Будущие наблюдения

Будущее гравитационно-волновые обсерватории может быть в состоянии обнаружить первозданный гравитационные волны, реликвии ранней Вселенной, менее чем через секунду после Большого взрыва.^[101][102]

Проблемы и смежные вопросы по физике

Как и в случае с любой теорией, в результате развития теории Большого взрыва возник ряд загадок и проблем. Некоторые из этих загадок и проблем были решены, а другие остаются невыясненными. Предлагаемые решения некоторых проблем модели Большого взрыва открыли новые загадки. Например, проблема горизонта, то проблема магнитного монополя, а проблема плоскостности чаще всего решаются с помощью инфляционной теории, но детали инфляционной Вселенной все еще остаются нерешенными, и многие, включая некоторых основателей теории, говорят, что она опровергнута.^{[103][104][105][106]} Ниже приводится список загадочных аспектов теории Большого взрыва, которые все еще интенсивно исследуются космологами и специалистами. астрофизики.

Барионная асимметрия

Пока не понятно, почему во Вселенной больше материи, чем антивещества.^[28] Обычно предполагается, что когда Вселенная была молодой и очень горячей, она находилась в статистическом равновесии и содержала равное количество барионов и антибарионов. Однако наблюдения показывают, что Вселенная, включая самые далекие ее части, почти полностью состоит из материи. Для объяснения асимметрии была выдвинута гипотеза о процессе, называемом бариогенезом. Для бариогенеза необходимо Сахаровские условия должен быть доволен. Они требуют, чтобы барионное число не сохранялось, чтобы C-симметрия и CP-симметрия нарушаются и что вселенная отходит от термодинамическое равновесие.^[107] Все эти условия встречаются в Стандартной модели, но эффекты недостаточно сильны, чтобы объяснить существующую барионную асимметрию.

Темная энергия

Измерения красного смещения–величина Соотношение для сверхновых типа Ia указывает на то, что расширение Вселенной ускоряется с тех пор, как Вселенная была примерно вдвое старше своего нынешнего возраста. Чтобы объяснить это ускорение, общая теория относительности требует, чтобы большая часть энергии во Вселенной состояла из компонента с большим отрицательным давлением, получившего название «темная энергия».^[7]

Темная энергия, хотя и является умозрительной, решает множество проблем. Измерения космического микроволнового фона показывают, что Вселенная почти пространственно плоская, и, следовательно, согласно общей теории относительности, Вселенная должна иметь почти точно такой же критическая плотность массы / энергии. Но массовую плотность Вселенной можно измерить по ее гравитационной кластеризации, и обнаружено, что она имеет только около 30% критической плотности.^[7] Поскольку теория предполагает, что темная энергия не группируется обычным образом, это лучшее объяснение «недостающей» плотности энергии. Темная энергия также помогает объяснить две геометрические меры общей кривизны Вселенной, в одной из которых используется частота гравитационные линзы, а другой использует характерный узор крупномасштабной структуры как космическую линейку.

Отрицательное давление считается свойством энергия вакуума, но точная природа и существование темной энергии остается одной из великих загадок Большого взрыва. Результаты команды WMAP в 2008 году соответствуют тому, что Вселенная состоит из 73% темной энергии, 23% темной материи, 4,6% обычной материи и менее 1% нейтрино.^[34] Согласно теории, плотность энергии в материи уменьшается с расширением Вселенной, но плотность темной энергии остается постоянной (или почти постоянной) по мере расширения Вселенной. Следовательно, в прошлом материя составляла большую часть полной энергии Вселенной, чем сегодня, но ее частичный вклад будет падать в далекое будущее поскольку темная энергия становится еще более доминирующей.

Компонент темной энергии Вселенной был объяснен теоретиками с использованием множества конкурирующих теорий, включая космологическую постоянную Эйнштейна, но также распространяясь на более экзотические формы квинтэссенция или другие модифицированные гравитационные схемы.^[108] А проблема космологической постоянной, иногда называемая «самой неприятной проблемой в физике», является результатом очевидного несоответствия между измеренной плотностью энергии темной энергии и той, которую наивно предсказывают из Планковские единицы.^[109]

Темная материя

Диаграмма показывает соотношение различных компонентов Вселенной - около 95% составляет темная материя и темная энергия.

В течение 1970-х и 1980-х годов различные наблюдения показали, что во Вселенной недостаточно видимой материи, чтобы объяснить кажущуюся силу гравитационных сил внутри галактик и между ними. Это привело к мысли, что до 90% вещества во Вселенной - это темная материя, которая не излучает свет и не взаимодействует с нормальной барионной материей. Кроме того, предположение, что Вселенная состоит в основном из обычной материи, привело к предсказаниям, которые сильно не соответствовали наблюдениям. В частности, Вселенная сегодня гораздо более комковатая и содержит гораздо меньше дейтерия, чем можно было бы объяснить без темной материи. Хотя темная материя всегда вызывала споры, о ней свидетельствуют различные наблюдения: анизотропия реликтового излучения, дисперсия скоростей скоплений галактик, крупномасштабные распределения структур, исследования гравитационного линзирования и Рентгеновские измерения скоплений галактик.^[110]

Косвенным доказательством существования темной материи является ее гравитационное влияние на другую материю, поскольку в лабораториях не наблюдались частицы темной материи. Было предложено много кандидатов физики элементарных частиц для темной материи, и несколько проектов по их непосредственному обнаружению находятся в стадии реализации.^[111]

Кроме того, существуют нерешенные проблемы, связанные с популярной в настоящее время моделью холодной темной материи, которая включает проблему карликовых галактик.^[76] и проблема ореола острия.^[75] Были предложены альтернативные теории, которые не требуют большого количества необнаруженного вещества, но вместо этого изменяют законы гравитации, установленные Ньютоном и Эйнштейном; однако никакая альтернативная теория не была столь успешной, как предложение о холодной темной материи, в объяснении всех существующих наблюдений.^[112]

Проблема горизонта

Проблема горизонта проистекает из предпосылки, что информация не может перемещаться быстрее света. Во Вселенной конечного возраста это устанавливает предел - горизонт частиц - на разделение любых двух областей пространства, находящихся в причинный контакт.^[113] Наблюдаемая изотропия реликтового излучения является проблематичной в этом отношении: если бы во Вселенной все время до эпохи последнего рассеяния доминировало излучение или материя, горизонт частиц в это время соответствовал бы примерно 2 градусам на небе. Тогда не было бы механизма, который заставлял бы более широкие области иметь одинаковую температуру.^{[88]:191–202}

Разрешение этого очевидного несоответствия предлагается инфляционной теорией, в которой однородное и изотропное скалярное энергетическое поле доминирует во Вселенной в какой-то очень ранний период (до бариогенезиса). Во время инфляции Вселенная подвергается экспоненциальному расширению, и горизонт частиц расширяется намного быстрее, чем предполагалось ранее, так что области, находящиеся в настоящее время на противоположных сторонах наблюдаемой Вселенной, находятся внутри горизонта частиц друг друга. Наблюдаемая изотропия реликтового излучения следует из того факта, что эта большая область находилась в причинном контакте до начала инфляции.^{[24]:180–186}

Принцип неопределенности Гейзенберга предсказывает, что во время инфляционной фазы произойдет квантовые тепловые флуктуации, который можно было бы увеличить до космических масштабов. Эти колебания послужили зародышем всех текущих структур во Вселенной.^[88]:207 Инфляция предсказывает, что изначальные колебания почти масштабный инвариант и Гауссовский, что точно подтверждено измерениями CMB.^{[70]:сек 6}

Если произойдет инфляция, экспоненциальное расширение вытеснит большие области космоса далеко за пределы нашего наблюдаемого горизонта.^{[24]:180–186}

Проблема, связанная с классической проблемой горизонта, возникает потому, что в большинстве стандартных космологических моделей инфляции инфляция прекращается задолго до того, как нарушение электрослабой симметрии происходит, поэтому инфляция не должна предотвращать крупномасштабные нарушения непрерывности электрослабый вакуум поскольку далекие части наблюдаемой Вселенной были разделены причинно, когда электрослабая эпоха закончился.^[114]

Магнитные монополи

Возражение против магнитного монополя было высказано в конце 1970-х годов. Теории Великого Объединения (GUT) предсказано топологические дефекты в космосе, который проявится как магнитные монополи. Эти объекты могли бы эффективно создаваться в горячей ранней Вселенной, что привело бы к плотности намного выше, чем это согласуется с наблюдениями, учитывая, что монополи не были обнаружены. Эта проблема решается космической инфляцией, которая удаляет все точечные дефекты из наблюдаемой Вселенной, точно так же, как она приводит геометрию к плоскости.^[113]

Проблема плоскостности

Общая геометрия вселенной определяется тем, Омега космологический параметр меньше, равно или больше 1. Сверху вниз показаны закрытая вселенная с положительной кривизной, a гиперболическая вселенная с отрицательной кривизной и плоская вселенная с нулевой кривизной.

Проблема плоскостности (также известная как проблема старости) - это проблема наблюдения, связанная с FLRW.^[113] Вселенная может иметь положительное, отрицательное или нулевое пространственное кривизна в зависимости от его общей плотности энергии. Кривизна отрицательна, если ее плотность меньше критической; положительный, если больше; и нуль при критической плотности, и в этом случае пространство называется плоский. Наблюдения показывают, что Вселенная вполне плоская.^[115][116]

Проблема в том, что любое небольшое отклонение от критической плотности со временем увеличивается, и все же сегодня Вселенная остается очень близкой к плоской.^{[примечания 4]} Учитывая, что естественной шкалой времени для отклонения от плоскостности может быть Планковское время, 10⁻⁴³ секунды,^[4] тот факт, что Вселенная не достигла ни тепловая смерть ни Большой хруст спустя миллиарды лет требует объяснения. Например, даже в относительно позднем возрасте, в несколько минут (время нуклеосинтеза), плотность Вселенной должна была быть в пределах одной десятой части.¹⁴ критического значения, иначе он не существовал бы, как сегодня.^[117]

Конечная судьба вселенной

До наблюдений за темной энергией космологи рассматривали два сценария будущего Вселенной. Если бы массовая плотность Вселенной была больше критической плотности, то Вселенная достигла бы максимального размера и затем начала бы коллапсировать. Он снова становился плотнее и горячее, заканчиваясь состоянием, аналогичным тому, в котором он начинался, - Большим хрустом.^[16]

С другой стороны, если бы плотность во Вселенной была равна или ниже критической плотности, расширение замедлилось бы, но никогда не остановится. Звездообразование прекратится с потреблением межзвездного газа в каждой галактике; звезды выгорят, оставив белые карлики, нейтронные звезды, и черные дыры. Столкновения между ними приведут к накоплению массы во все большие и большие черные дыры. Средняя температура Вселенной будет очень постепенно асимптотически приближаться к абсолютный ноль —А Большая заморозка.^[118] Более того, если протоны неустойчивый, то барионная материя исчезнет, ​​оставив только излучение и черные дыры. В конце концов, черные дыры испарятся, испуская Радиация Хокинга. В энтропия Вселенной возрастет до такой степени, что из нее нельзя будет извлечь организованную форму энергии, сценарий, известный как тепловая смерть.^[119]

Современные наблюдения ускоряющегося расширения предполагают, что все больше и больше видимой в настоящее время Вселенной будет выходить за пределы нашей горизонт событий и вне связи с нами. Возможный результат неизвестен. Модель Вселенной ΛCDM содержит темную энергию в виде космологической постоянной.Эта теория предполагает, что только гравитационно связанные системы, такие как галактики, останутся вместе, и они тоже будут подвержены тепловой смерти по мере расширения и охлаждения Вселенной. Другие объяснения темной энергии, называемые фантомная энергия теории, предполагают, что в конечном итоге скопления галактик, звезды, планеты, атомы, ядра и сама материя будут разорваны на части постоянно увеличивающимся расширением в так называемом Большой разрыв.^[120]

Заблуждения

Одно из распространенных заблуждений о модели Большого взрыва состоит в том, что она полностью объясняет происхождение вселенной. Однако модель Большого взрыва не описывает, как возникли энергия, время и пространство, а скорее описывает возникновение нынешней Вселенной из сверхплотного и высокотемпературного начального состояния.^[121] Было бы ошибкой визуализировать Большой взрыв, сравнивая его размер с обычными предметами. Когда описывается размер Вселенной в момент Большого взрыва, он относится к размеру наблюдаемой Вселенной, а не всей Вселенной.^[15]

Закон Хаббла предсказывает, что галактики, находящиеся за пределами расстояния Хаббла, удаляются быстрее скорости света. Однако специальная теория относительности не применима за пределами движения в пространстве. Закон Хаббла описывает скорость, возникающую в результате расширения из пространство, а не через Космос.^[15]

Астрономы часто называют космологическое красное смещение доплеровским смещением, которое может привести к неправильному представлению.^[15] Несмотря на сходство, космологическое красное смещение не идентично классическому доплеровскому красному смещению, потому что большинство элементарных выводов доплеровского красного смещения не учитывают расширение пространства. Точный вывод космологического красного смещения требует использования общей теории относительности, и хотя обработка с использованием более простых аргументов эффекта Доплера дает почти идентичные результаты для близких галактик, интерпретация красного смещения более далеких галактик как из-за простейшего доплеровского красного смещения может вызвать путаницу.^[15]

Космология до Большого взрыва

Большой взрыв объясняет эволюцию Вселенной из-за плотности и температуры, которые намного превосходят возможности человечества воспроизвести, поэтому экстраполяция на самые экстремальные условия и самые ранние времена неизбежно более умозрительна. Лемэтр назвал это начальное состояние "первобытный атом«а Гамов назвал материал»илем ". Как возникло первоначальное состояние Вселенной, все еще остается открытым вопросом, но модель Большого взрыва ограничивает некоторые из ее характеристик. Например, конкретные законы природы скорее всего, возникли случайным образом, но, как показывают модели инфляции, некоторые их комбинации гораздо более вероятны.^[122] Топологически плоская Вселенная предполагает баланс между гравитационно потенциальная энергия и другие формы, не требующие создания дополнительной энергии.^[115][116]

Теория Большого взрыва, построенная на уравнениях классической общей теории относительности, указывает на сингулярность в происхождении космического времени, и такая бесконечная плотность энергии может быть физической невозможностью. Однако физические теории общей теории относительности и квантовой механики в их нынешнем виде неприменимы до эпохи Планка, и исправление этого потребует разработки правильного подхода к квантовой гравитации.^[17] Некоторые методы квантовой гравитации, такие как Уравнение Уиллера – ДеВитта, означают, что само время могло быть возникающая собственность.^[123] Таким образом, физики могут заключить, что время не существовало до Большого взрыва.^[124][125]

Хотя неизвестно, что могло предшествовать горячему плотному состоянию ранней Вселенной или как и почему оно возникло, и даже, являются ли такие вопросы разумными, спекуляции изобилуют как предмет «космогонии».

Вот некоторые предположительные предложения в этом отношении, каждое из которых влечет за собой непроверенные гипотезы:

• Самые простые модели, в которых Большой взрыв был вызван квантовые флуктуации. У этого сценария было очень мало шансов на реализацию, но, с нашей точки зрения, он произошел мгновенно из-за отсутствия времени до Вселенной.^{[126][127][128][129]}
• Модели, включая Безграничное условие Хартла – Хокинга, в котором все пространство-время конечно; Большой взрыв действительно представляет собой предел времени, но без какой-либо сингулярности.^[130] В таком случае Вселенная самодостаточна.^[131]
• Космология браны модели, в которых инфляция происходит из-за движения бран в теория струн; модель до Большого взрыва; то экпиротический модель, в которой Большой взрыв - результат столкновения бран; и циклическая модель, вариант экпиротической модели, в которой столкновения происходят периодически. В последней модели Большому взрыву предшествовало Большое сжатие, и Вселенная циклически переходила от одного процесса к другому.^{[132][133][134][135]}
• Вечная инфляция, в котором универсальная инфляция заканчивается локально здесь и там случайным образом, причем каждая конечная точка приводит к пузырь вселенная, расширяясь от собственного большого взрыва.^[136][137]

Предложения в последних двух категориях рассматривают Большой взрыв как событие гораздо большего и старая вселенная или в мультивселенная.

Религиозные и философские интерпретации

Большой взрыв как описание происхождения Вселенной имеет большое значение для религии и философии.^[138][139] В результате это стало одной из самых оживленных областей дискурса между наука и религия.^[140] Некоторые считают, что Большой взрыв подразумевает творца,^[141][142] и некоторые видят его упоминание в своих священных книгах,^[143] в то время как другие утверждают, что космология Большого взрыва делает понятие творца излишним.^[139][144]

Смотрите также

• Антропный принцип - Философская предпосылка, что все научные наблюдения предполагают существование вселенной, совместимой с появлением разумных организмов, которые производят эти наблюдения.
• Большой отскок - Гипотетическая космологическая модель происхождения известной Вселенной
• Большой хруст - Теоретический сценарий окончательной судьбы вселенной
• Холодный большой взрыв - Обозначение абсолютного нуля температуры в начале Вселенной
• Космический Календарь
• Космогония - Раздел науки или теории о происхождении Вселенной
• Эврика: Поэма в прозе - Длинная научно-популярная работа американского писателя Эдгара Аллана По, предположение о Большом взрыве.
• Будущее расширяющейся Вселенной - Сценарий будущего, предполагающий, что расширение Вселенной будет продолжаться вечно
• Тепловая смерть вселенной - Возможная судьба Вселенной. Также известен как Big Chill и Big Freeze
• Форма вселенной - Локальная и глобальная геометрия Вселенной
• Стационарная модель - Модель эволюции Вселенной, дискредитированная теория, отрицающая Большой взрыв и утверждающая, что Вселенная существовала всегда.

Примечания

Рекомендации

Библиография

дальнейшее чтение

• Альфер, Ральф А.; Герман, Роберт (Август 1988 г.). «Размышления о ранних работах по космологии« Большого взрыва »». Физика сегодня. 41 (8): 24–34. Bibcode:1988ФТ .... 41х..24А. Дои:10.1063/1.881126.
• Барроу, Джон Д. (1994). Происхождение Вселенной. Мастера наук. Лондон: Вайденфельд и Николсон. ISBN  978-0-297-81497-9. LCCN  94006343. OCLC  490957073.
• Дэвис, Пол (1992). Разум Бога: научная основа рационального мира. Нью-Йорк: Саймон и Шустер. ISBN  978-0-671-71069-9. LCCN  91028606. OCLC  59940452.
• Lineweaver, Charles H .; Дэвис, Тамара М. (Март 2005 г.). «Заблуждения о Большом взрыве» (PDF). Scientific American. Vol. 292 нет. 3. С. 36–45. В архиве (PDF) из оригинала на 9 октября 2019 г.. Получено 23 декабря 2019.
• Мазер, Джон С.; Бослоу, Джон (1996). Самый первый свет: истинная внутренняя история научного путешествия назад к заре Вселенной (1-е изд.). Нью-Йорк: Базовые книги. ISBN  978-0-465-01575-7. LCCN  96010781. OCLC  34357391.
• Риордан, Майкл; Зайц, Уильям А. (Май 2006 г.). «Первые несколько микросекунд» (PDF). Scientific American. Vol. 294 нет. 5. С. 34–41. Bibcode:2006SciAm.294e..34R. Дои:10.1038 / scientificamerican0506-34a. В архиве (PDF) из оригинала от 30 ноября 2014 г.
• Вайнберг, Стивен (1993) [Первоначально опубликовано в 1977 году]. Первые три минуты: современный взгляд на происхождение Вселенной (Обновленная ред.). Нью-Йорк: Базовые книги. ISBN  978-0-465-02437-7. LCCN  93232406. OCLC  488469247. 1-е издание доступно по адресу Интернет-архив. Проверено 23 декабря 2019.

внешняя ссылка

Послушайте эту статью

Этот аудиофайл был создан на основе редакции этой статьи от 11.11.2011 и не отражает последующих правок.

(

• Аудио помощь
• Больше устных статей

)

• Модель большого взрыва на Британская энциклопедия
• Однажды во Вселенной – STFC финансируемый проект, объясняющий историю Вселенной простым для понимания языком
• "Космология большого взрыва" – НАСА / WMAP Научная команда
• "Большой взрыв" – НАСА Наука
• "Большой взрыв, большое недоумение" - Модель большого взрыва с анимированной графикой Йоханнеса Кёльмана
• Космология в Керли