Большой взрыв

Большо́й взрыв — общепринятая космологическая модель, описывающая раннее развитие Вселенной^[1], а именно — начало расширения Вселенной, перед которым Вселенная находилась в сингулярном состоянии.

Обычно сейчас сочетают теорию Большого взрыва и модель горячей Вселенной, но эти концепции независимы. Исторически существовало также представление о холодной начальной Вселенной вблизи Большого взрыва. Сочетание теории Большого взрыва с теорией горячей Вселенной, подкрепляемое существованием реликтового излучения, и рассматривается далее.

По современным представлениям, возраст наблюдаемой Вселенной составляет 13,799 ± 0,021 млрд лет^[2] из некоторого начального сингулярного состояния и с тех пор непрерывно расширяется и охлаждается. Согласно известным ограничениям по применимости современных физических теорий, наиболее ранним моментом, допускающим описание, считается момент Планковской эпохи с температурой примерно 10³² К (Планковская температура) и плотностью около 10⁹³ г/см³ (Планковская плотность). Ранняя Вселенная представляла собой высокооднородную и изотропную среду с необычайно высокой плотностью энергии, температурой и давлением. В результате расширения и охлаждения во Вселенной произошли фазовые переходы, аналогичные конденсации жидкости из газа, но применительно к элементарным частицам.

В период времени от нуля до 10⁻⁴⁰ секунд после Большого взрыва происходили процессы рождения Вселенной из сингулярности. Считается, что при этом температура и плотность вещества Вселенной были близки к планковским значениям. Законченная физическая теория этого этапа отсутствует^[3]. По окончании этого этапа гравитационное взаимодействие отделилось от прочих, и наступила Эпоха Великого объединения.

Приблизительно через 10⁻⁴² секунд после момента Большого взрыва фазовый переход вызвал экспоненциальное расширение Вселенной. Данный период получил название Космической инфляции и завершился через 10⁻³⁶ секунд после момента Большого взрыва^[3].

После окончания этого периода строительный материал Вселенной представлял собой кварк-глюонную плазму. По прошествии некоторого времени температура упала до значений, при которых стал возможен следующий фазовый переход, называемый бариогенезисом. На этом этапе кварки и глюоны объединились в барионы, такие как протоны и нейтроны^[3]. При этом одновременно происходило асимметричное образование как материи, которая превалировала, так и антиматерии, которые взаимно аннигилировали, превращаясь в электромагнитное излучение.

Дальнейшее падение температуры привело к следующему

После эры рекомбинации материя стала прозрачной для излучения, которое, свободно распространяясь в пространстве, дошло до нас в виде реликтового излучения.

На всех стадиях Большого взрыва выполняется так называемый космологический принцип — Вселенная в любой данный момент времени выглядит одинаково для наблюдателя в любой точке пространства. В частности, в любой данный момент во всех точках пространства плотность материи в среднем одинакова. Большой взрыв не похож на взрыв динамитной шашки в пустом пространстве, когда вещество начинает расширяться из небольшого объёма в окружающую пустоту, образуя сферическое газовое облако с чётким фронтом расширения, за пределами которого — вакуум. Это популярное представление ошибочно^[4]. Большой взрыв происходил во всех точках пространства одновременно и синхронно, нельзя указать на какую-либо точку как на центр взрыва, в пространстве нет крупномасштабных градиентов давления и плотности и нет никаких границ или фронтов, отделяющих расширяющееся вещество от пустоты^[4]. Большой взрыв является расширением самого пространства вместе с содержащейся в нём материей, которая в среднем в каждой данной точке покоится.

Экстраполяция наблюдаемого расширения Вселенной назад во времени приводит, при использовании общей теории относительности и некоторых других альтернативных теорий гравитации, к бесконечной плотности и температуре в конечный момент времени в прошлом. Кривизна пространства-времени достигает неопределённо большого значения. Это состояние называется космологической сингулярностью (часто космологическую сингулярность образно называют «рождением» Вселенной). Невозможность избежать сингулярности в космологических моделях общей теории относительности была доказана, в числе прочих теорем о сингулярностях, Р. Пенроузом и С. Хокингом в конце 1960-х годов.

Теория Большого взрыва не даёт никакой возможности говорить о чём-либо, что предшествовало этому моменту (потому что наша математическая модель пространства-времени в момент Большого взрыва теряет применимость, при этом теория вовсе не отрицает возможность существования чего-либо до Большого взрыва). Это сигнализирует о недостаточности описания Вселенной классической общей теорией относительности.

Насколько близко к сингулярности можно экстраполировать известную физику, является предметом научных дебатов, но практически общепринято, что допланковскую эпоху рассматривать известными методами нельзя. Проблема существования сингулярности в данной теории является одним из стимулов построения квантовой и других альтернативных теорий гравитации, которые стараются разрешить эту проблему.

Существует несколько гипотез о возникновении видимой части Вселенной^[5]:

• по мнению некоторых учёных (в числе которых
  Майкл Мартин), Вселенная могла возникнуть из ничего («области», где отсутствует материя, пространство и время) посредством «квантовых флуктуаций»^{[6][7][8][9][10][11]}
  ;
• теория А. Линде о том, что Вселенная бесконечна и заполнена очень плотной энергией, а наша видимая часть возникла расширением (инфляцией) небольшой части в «пузырёк» (как возникают пузырьки в плотном сыре)^[12];
• теория Ли Смолина о том, что вселенные возникают от взрыва «сингулярности» внутри чёрных дыр^[13];
• экпиротический сценарий — теория Нейла Турока о рождении вселенных в результате столкновения «бран» (многомерных мембран в теории струн)^[14].

Согласно теории Большого взрыва, дальнейшая эволюция зависит от экспериментально измеримого параметра — средней плотности вещества в современной Вселенной. Если плотность не превосходит некоторого (известного из теории) критического значения, Вселенная будет расширяться вечно, если же плотность больше критической, то процесс расширения когда-нибудь остановится и начнётся обратная фаза сжатия, возвращающая к исходному сингулярному состоянию. Современные (2015 год) наблюдательные данные показывают, что средняя плотность в пределах экспериментальной погрешности (доли процента) равна критической^[15].

Есть ряд вопросов, на которые теория Большого взрыва ответить пока не может, однако основные её положения обоснованы надёжными экспериментальными данными, а современный уровень теоретической физики позволяет вполне достоверно описать эволюцию такой системы во времени, за исключением самого начального этапа — порядка сотой доли секунды от «начала мира». Для теории важно, что эта неопределённость на начальном этапе фактически оказывается несущественной, поскольку образующееся после прохождения данного этапа состояние Вселенной и его последующую эволюцию можно описать вполне достоверно.

• 1916 — вышла в свет работа физика Альберта Эйнштейна «Основы общей теории относительности», в которой он завершил создание релятивистской теории гравитации^[16]
  .
• В. де Ситтер выдвинул космологическую модель Вселенной (модель де Ситтера
  ) в работе «Об эйнштейновской теории гравитации и её астрономических следствиях».
• решение Фридмана»). Если экстраполировать эту ситуацию в прошлое, то придётся заключить, что в самом начале вся материя Вселенной была сосредоточена в компактной области, из которой и начала свой разлёт. Поскольку во Вселенной очень часто происходят процессы взрывного характера
  , то у Фридмана возникло предположение, что и в самом начале её развития также лежит взрывной процесс — Большой взрыв.
• 1923 — немецкий математик Г. Вейль отметил, что если в модель де Ситтера, которая соответствовала пустой Вселенной, поместить вещество, она должна расширяться. О нестатичности Вселенной де Ситтера говорилось и в книге А. Эддингтона
  , опубликованной в том же году.
• 1924 — К. Вирц обнаружил слабую корреляцию между угловыми диаметрами и скоростями удаления галактик и предположил, что она может быть связана с космологической моделью де Ситтера, согласно которой скорость удаления отдалённых объектов должна возрастать с их расстоянием^[18]
  .
• теоретика Жоржа Леметра
  , опубликованной в этом же году.
• США
  в 1926 году на его докладе.
• Хьюмасона о лучевой скорости NGC 7619 и Хаббла, называвшаяся «Связь между расстоянием и лучевой скоростью внегалактических туманностей». Сопоставление этих расстояний с лучевыми скоростями показало чёткую линейную зависимость скорости от расстояния, по праву называющуюся теперь законом Хаббла
  .
• 1950 году
  в одной научно-популярной статье (Physics Today, № 8, стр. 76) Гамов объявил, что скорее всего температура космического излучения составляет примерно 3 К.
• СВЧ-излучение с температурой около 3 K^[19]
  .
• советский астрофизик И. С. Шкловский
  .
• Космический телескоп Хаббла и др.), полученная информация подтвердила космологическую модель ΛCDM и инфляционную теорию. С высокой точностью был установлен возраст Вселенной и распределение по массам различных видов материи (барионная материя — 4 %, тёмная материя — 23 %, тёмная энергия — 73 %)^[20]
  .
• 2009 — запущен спутник Планк
  , который в настоящее время измеряет анизотропию реликтового излучения с ещё более высокой точностью.
• 2022 — телескоп Джеймс Уэбб обнаружил непредсказанное количество ярких галактик в ранней Вселенной^[21]
  , что требует пересмотра модели эволюции галактик.

Считается, что Хойл использовал фразу «Большой взрыв», чтобы высмеять саму идею внезапного возникновения Вселенной в ходе некоего катастрофического процесса. Однако ни сторонники гипотезы «горячей Вселенной» (такие, как Леметр и Гамов), ни сам Хойл не считали эту фразу особенно оскорбительной (сам автор термина вновь вернулся к нему лишь в 1965 году). Неверно и представление о готовности ученых, поддерживавших теорию Большого взрыва, принять этот термин. На самом деле длительное время он имел хождение в основном в популярной литературе, а в науке закрепился лишь к 1980-м годам[22].

Кроме теории

В некоторых теориях инфляции (например, вечной инфляции) наша наблюдаемая картина Большого взрыва соответствует положению лишь в наблюдаемой нами части Вселенной (Метагалактике), но не исчерпывает всю Вселенную.

Кроме того, в теории Большого взрыва не рассматривается вопрос о причинах возникновения сингулярности или материи и энергии для её возникновения, обычно просто постулируется её безначальность. Считается, что ответ на вопрос о существовании и происхождении начальной сингулярности даст теория квантовой гравитации.

Есть также некоторое число наблюдательных фактов, плохо согласующихся с

В официальной науке СССР теория Большого взрыва сначала была воспринята с настороженностью. Так, в 1955 году один советский автор писал: «Марксистско-ленинская доктрина о бесконечной Вселенной является фундаментальной аксиомой в основании советской космологии… Отрицание или избегание этого тезиса… неизбежно ведёт к идеализму и фидеизму, то есть, в конечном итоге, к отрицанию космологии и, таким образом, не имеет ничего общего с наукой»^[28][29]. Хотя теория Большого взрыва и была, в конце концов, воспринята советскими учёными и философами, тем не менее до самого распада СССР в философских словарях был закреплён постулат о бесконечности и вечности материи. При этом декларировалось, что теория Большого взрыва справедлива лишь для Метагалактики, а Метагалактика — это ещё не вся Вселенная, «Большой взрыв» — не начало Вселенной, а всего лишь очередной переход несотворимой и неуничтожаемой материи из одного состояния в другое^{[30][неавторитетный источник]}.

В 3-м издании Большой советской энциклопедии сказано:

22 ноября 1951 года Папа Римский Пий XII объявил, что теория Большого взрыва не противоречит католическим представлениям о создании мира^[32][33]. В православии также существует положительное отношение к этой теории^{[34][неавторитетный источник]}. Консервативные протестантские христианские конфессии также приветствовали теорию Большого взрыва как поддерживающую историческую интерпретацию учения о творении^[35]. Некоторые мусульмане стали указывать на то, что в Коране есть упоминания Большого взрыва^[36][37]. Согласно индуистскому учению, у мира нет начала и конца, он развивается циклично^[38][39], однако в «Энциклопедии индуизма» говорится, что теория напоминает, что всё произошло от Брахмана, который «меньше атома, но больше самого громадного»^[40].