Чи є Докази Великого Вибуху

Астрономія, тобто наука про Всесвіт, отримала гігантське розвиток за останні 60 років, яке фактично можна порівняти з революцією. Ще зовсім недавно вченим здавалося, що наша Всесвіт стаціонарне, тобто в ній не відбуваються ніякі зміни і що сьогодні вона така ж, якою була сотні років тому. Насправді Всесвіт знаходиться в стані бурхливого динамічного розвитку і там відбуваються катастрофи, народження і загибель нових зірок, зіткнення галактик, утворення нових зірок, включаючи нейтронні зірки і чорні діри. Всесвіт розширюється і все всередині Всесвіту рухається і змінюється, відстані між галактиками збільшуються і вони віддаляються від нас і один від одного з прискоренням. Дослідження залежності швидкості видалення галактик від відстані між ними дозволило Е. Хабблу визначити вік Всесвіту. Чим більше відстань між двома галактиками, тим швидше вони віддаляються один від одного (закон Хаббла). Закон Хаббла дозволяє визначити вік Всесвіту. Виявилося, що наш Всесвіт утворився близько 14 мільярдів років. Усередині Всесвіту є величезна кількість темної, тобто невидимої матерії (а dark matter), яка утримує галактики разом і темної енергії (а dark energy) або сили відштовхування, відповідальної за розбігання галактик з прискоренням. Видима матерія складає всього 4% і одна з причин, чому вчені побудували суперколлайдер, щоб зрозуміти природу невидимих ​​матерій, досліджувати куди зникло антиречовину з Всесвіту, а також перевірити передбачення нових фізичних моделей і, зокрема стандартну модель і різні суперсиметрії. Інакше кажучи, Всесвіт знаходиться в стані бурхливого розвитку і величезна кількість революційних відкриттів змінили ставлення до неї не тільки вчених, але і широкої громадськості.

Я викладав астрономію багато років в одному з університетів Чикаго. Досить часто в неформальній обстановці мої родичі, друзі та й просто знайомі просять мене розповісти про особливості нашого Всесвіту і, зокрема, про момент її виникнення та етапи її розвитку. Коли я говорю, що наша Всесвіт виник близько 14 мільярдів років тому в результаті Великого Вибуху (a Big Bang), мені не забудуть поставити запитання, а звідки ви все це знаєте, адже вас тоді не було, і ви не могли побачити момент її виникнення. Або як сказали б в Одесі - вас там не стояв. Мета цієї статті не тільки розповісти про свідчення, які підтверджують Великий Вибух, але і показати, як ми пізнаємо наш Всесвіт. Наші знання засновані на двох фактах - спостереженнях за допомогою телескопів, a light bucket, і застосуванні відповідних законів фізики. Повну інформацію про Всесвіт ми можемо отримати, застосовуючи різні телескопи, реєструючи всі види випромінювань, що приходять до нас з космосу, - від радіохвиль до гамма-променів.

Читайте також Чи готові Ми до політ до зірок

Розглянемо кілька прикладів, як астрономи визначають ті чи інші характеристики Всесвіту. Наприклад, щоб визначити масу Сонця ми повинні розглянути рух Землі навколо Сонця, виміряти її період обертання (1 рік) і відстань від Землі до Сонця (рівне 1 АU або 150 мільйонів км). Потім використовуючи гравітаційний закон Ньютона - Кеплера, який пов'язує між собою три величини - масу, період і відстань, ми визначаємо масу Сонця. Виявилося, що маса Сонця в 330000 раз більша за масу Землі. Аналогічно, ми можемо визначити і масу нашої Галактики, використовуючи період обертання Сонця навколо центру Галактики (200 мільйонів років) і відстань до центру Галактики (28 тисяч світлових років). Нагадаю, що світловий рік це відстань, яку світло покриває за рік зі швидкістю 300000 км / сек. Наше Сонце обертається навколо центру Галактики зі швидкістю 220 км / сек. За всю історію свого існування наше Сонце зробило всього 23 оберти навколо центру Галактики. Виявилося, що маса нашої Галактики в 100 мільярдів разів більше маси Сонця, тобто наша Галактика складається з 100 мільярдів зірок подібних до нашого Сонця. Вся Всесвіт складається з 100 мільярдів галактик і повне число зірок таким чином дорівнює 10 в ступені 22, яке можна порівняти з кількістю піщинок на всіх пляжах Землі. Число галактик у Всесвіті було визначено за допомогою а Hubble Space Telescope. Для цього фотографується певну ділянку неба і визначається кількість галактик на знімку. Знаючи повну площу поверхні Всесвіту, можна визначити і повне число галактик.

Щоб знайти свідоцтва Великого Вибуху, нам необхідно провести вимірювання випромінювань, які є в космосі і, застосовуючи закони фізики, визначити ті чи інші характеристики Всесвіту. Такі вимірювання були здійснені вперше двома американськими фізиками А. Пензиас і Р. Вільсон в 1967 р за допомогою 6-метрового радіотелескопу. Вони виміряли залишкове випромінювання в космосі (a cosmic background radiation), яке виникло ще в момент Великого Вибуху і яке ми можемо виміряти сьогодні, тобто через майже 14 мільярдів років. Це було яскравим підтвердженням, що Великий Вибух мав місце. За це видатне відкриття Пензиас і Вільсон стали лауреатами Нобелівської премії. Вимірюючи залежність інтенсивності цього випромінювання від довжини хвилі, яке представляє собою асиметричну колоколообразную криву, вчені виміряли довжину хвилі випромінювання, відповідну максимуму цієї кривої, і знайшли, що довжина хвилі випромінювання в максимумі дорівнює 1.1 мм (мікрохвильове випромінювання). Довжина хвилі випромінювання змінилася (збільшилася) - від довжини хвилі видимого світла до довжини хвилі мікрохвильового випромінювання внаслідок розширення Всесвіту. Використовуючи один із законів теплового випромінювання (закон Вина, який пов'язує довжину хвилі випромінювання відповідну максимуму цієї кривої і температуру), ми можемо визначити температуру космосу. Температура космосу виявилася всього 3 К (Кельвін). Цікаво, що подальше розширення Всесвіту призведе до зміщення максимуму цієї кривої в сторону великих хвиль і відповідно низьких температур. Якщо температура космосу зменшиться до 0 К, довжина хвилі зросте до нескінченності і Всесвіт припинить своє існування. Нагадаю, що у фізиці температура вимірюється в До або С і вони пов'язані співвідношенням К = С + 273. Температура в Цельсіях З виявилася - 270 С. Причина такої низької температури космосу - розширення Всесвіту протягом дуже великого часу. У момент же вибуху температура була гігантської і дорівнювала 10 в 32 ступені, а довжина хвилі випромінювання космосу практично дорівнювала нулю. Таку температуру неможливо навіть собі уявити. Температура в центрі нашого Сонця, наприклад, дорівнює всього 15 мільйонів С, тобто багато менше температури під час вибуху. Однак, після вибуху в перші ж секунди вона зменшилася до 10 мільярдів С і продовжує зменшаться сьогодні внаслідок розширення Всесвіту. Цікаво, що якщо температура зменшиться до 0 К, наш Всесвіт зникне, вона як би розчиниться в просторі - щільність і температура стануть близькими до нуля. Я навіть спробував визначити шляхом теоретичних розрахунків, коли ж це станеться. Виявилося, що не скоро, тому що зменшення температури сильно сповільнилося і наблизиться до 0 К не скоро, а після багатьох мільярдів років.

Чи існують, проте, інші докази Великого Вибуху? Таких свідчень кілька. Одне з них пов'язано з кількістю водню і гелію в ранньому Всесвіті, яке дорівнювало 75% водню і 25% гелію. Розрахунки, засновані на теорії Великого Вибуху, призводять в точності до такого ж результату. Інакше кажучи, те що ми вимірюємо і то що ми отримуємо на основі теоретичних розрахунків виявляються в прекрасному згоді один з одним, тобто наше розуміння Всесвіту, засноване на теорії Великого Вибуху, є правильним. Але звідки у Всесвіті беруться інші елементи, адже фактично там тепер доводить свою ефективність вся періодична система елементів Менделєєва? Без цих елементів виникнення життя на Землі було б просто неможливим. Справа в тому, що у Всесвіті є не тільки зірки з масою, порівнянної з масою нашого Сонця (a low mass star), але і зірки з масою багато більше маси нашого Сонця (a high mass star). Наше Сонце, коли запаси водню в ньому будуть вичерпані, перетвориться на білого карлика (a White Dwarf) розміром з нашу Землю, тобто Сонце стиснеться більше ніж в 100 разів. Щільність цього об'єкта так велика, що одна чайна ложка речовини важитиме кілька тонн. Термоядерні реакції всередині Сонця перетворюють 4 водню в гелій з виділенням величезної енергії. Тобто кількість водню при цьому зменшується, а гелію збільшується. Розуміння цих реакцій всередині Сонця німецьким фізиком лауреатом Нобелівської премії Г. Бете дозволило фізикам здійснити ці реакції на Землі при створенні водневої бомби, яке представляє собою маленьке рукотворне Сонце, створене вченими на Землі. Масивні зірки «вмирають» по-іншому, тому що в цих зірках термоядерні реакції в їх ядрах протікають при більш високих температурах за рахунок більшого тиску всередині зірки і в цих зірках утворюється не тільки не з Н, а й інші елементи - С, О, Ne, Mg, Si, Fe, Pb, U . Фактично вся таблиця Менделєєва. Коли зірка проходить стадію a supernova explosion, тобто вибухає, ці елементи розсіюються в просторі і осідають в інших зоряних системах, включаючи нашу планету. Наш організм, наприклад, містить більше 70 елементів. Кінцевий етап такої зірки - освіту нейтронної зірки або чорної діри. Цікаво, що розширення Всесвіту почалося з сингулярності, тобто простору з гігантським тиском і температурою і нікчемним розміром. Якщо наш Всесвіт розгорнути назад, вона стиснеться до точки сингулярності. Всесвіт мав менший розмір в минулому і буде мати більший розмір в майбутньому. Відкриття червоного зсуву (а red shift) свідчить про розбігання (видаленні) галактик від нас і один від одного. Інше свідчення Великого Вибуху - це наявність в космосі порожніх просторів (voids) і суперкластери, тобто гігантських скупчень галактик, які були виявлені.

Читайте також Нова модель всесвіту

Перша життя у Всесвіті виникла приблизно 4 мільярдів років тому, тобто через 10 мільярдів років після Великого Вибуху. Весь цей час природа як би готувала умови для виникнення життя. Мабуть, виникнення життя у Всесвіті було якимось дотепним способом чином запрограмовано, щоб ми могли зрозуміти і вивчати, що ж сталося з нашим Всесвітом. Мабуть, Всесвіт без життя просто не мала б ніякого сенсу і не могла б виникнути. Дивно, що ми можемо зрозуміти історію нашого Всесвіту і досліджувати те, що в ній сталося, включаючи етапи її розвитку. Чим пояснити, що ми володіємо такою здатністю зрозуміти - одна із загадок, яку ще треба буде розв'язати. Ми можемо досліджувати фундаментальні закони і постійні, хоча і не знаємо, чому вони там. Чому, наприклад, швидкість світла дорівнює саме 300000 км / сек? Ми цього не знаємо, хоча і виміряли її з фантастичною точністю.

Відповідно до теорії еволюції Дарвіна все живе на Землі походить від одного і того ж кореня дерева життя (a common ancestor). Саме життя виникла в ланцюжку перетворень хімія-біологія-життя, від простих одноклітинних організмів до складних живих структур, вінцем якого було виникнення людини. Я помітив, що в суспільстві є не зовсім правильне розуміння теорії Дарвіна. Воно полягає в тому, що не можна поширювати цю теорію на неживі предмети. Вони не схильні до ніякої еволюції. Мені кажуть, що якщо ви будете чекати навіть мільйони років, то годинник, наприклад, чи не виникнуть шляхом еволюції. Вони і не повинні виникнути, так як ідея еволюції поширюється тільки на живі структури, які, і в цьому немає ніякого сумніву, еволюціонують. Інше заперечення проти теорії Дарвіна пов'язано з тим, що Дарвіну приписують походження людини від мавпи. Дарвін ніколи не говорив цього. Він говорив інше, що людина могла статися від будь-якого іншого тваринного у величезній ланцюжку їх перетворень. Нещодавно, вчені відзначали 100-річчя цієї теорії і 150-річчя з дня народження її творця. Американський журнал "Scientific American" назвав цю теорію найвидатнішою теорією коли-небудь створеної людиною на Землі, з чим я повністю згоден. Якщо ви читаєте сучасні наукові журнали, то будете здивовані тому, як ця теорія цитується в їх численних дослідженнях. Жодна інша наукова ідея не цитується так часто як теорія еволюції Дарвіна.

Незважаючи на успіхи теорії Великого Вибуху, ми не можемо сьогодні відповісти на багато питань, пов'язаних з походженням Всесвіту. Так, у нас немає відповіді на питання, що було до Великого Вибуху, ми не знаємо, чому зникло антиречовину, тобто порушилася симетрія між речовиною і антиречовиною, хоча нам добре відомий величезний світ античастинок. Ми не повністю розуміємо роль темної матерії і темної енергії, у нас немає єдиної теорії, яка б пояснила все, що ми спостерігаємо у Всесвіті, з єдиної точки зору. Незважаючи на це теорія Великого Вибуху користується сьогодні великою популярністю, т. К. Вона описує багато особливостей нашого світу, дає правильне її опис і пояснює, як це все було.

Ілля Гулькаров