Читать книгу Спасите человечество - Ху Цзяци - Страница 9

Сегодня все знают, что Солнце – это просто обычная звезда в галактике, а Земля – это планета Солнца.

До 1920-х годов видение астрономов было ограничено галактикой, для них галактика и была Вселенной. Американский астроном Эдвин Хаббл первый обнаружил, что есть и другие галактики за пределами Млечного Пути. В 1925 году он открыл с помощью астрономических наблюдений соседние галактики (например, галактику Андромеды). Это первая внегалактическая система, обнаруженная людьми. В более поздних наблюдениях Хаббл обнаружил, что за пределами галактики находится гораздо больше, чем одна или две другие галактики. После обнаружения первых внегалактических систем и десяти лет напряженной работы область астрономических наблюдений расширилась до диапазона в 500 миллионов световых лет, и это при том, что скорость света равна 300 000 километрам в секунду.

После наблюдения многочисленных внегалактических систем астрономы обнаружили, что почти все они отдаляются от нас. Причем чем дальше они находятся от нас, тем быстрее и отклоняются.

Почему эти галактики отдаляются от нас? Откуда движется наша Вселенная и куда она идет? Многие ученые проводили разнообразные исследования по этому вопросу. В 1927 году бельгийский астроном Жорж Лемет предположил, что если повернуть время на много лет назад, то все вещество Вселенной будет сконцентрировано в одной точке, в «космическом яйце». Космическое яйцо внезапно взорвется, а взрывчатое вещество образует более позднюю звезду.

Сегодня теория космического образования Большого взрыва признана большинством ученых. Сама теория постоянно совершенствуется.

Вселенная образовалась 13,799 ± 0,021 миллиарда лет назад. Конечно, это только приблизительное число, и ученые по-разному определяют это значение, но погрешность невелика.

Этот временной промежуток можно доказать по крайней мере тремя способами. Первый способ основан на наблюдении за скоростью движения галактики. Второй способ состоит в том, чтобы изучить самые старые звезды во Вселенной и установить их возраст. Третий способ – проверить возраст самого старого атома по закону атомного распада в соответствии с его характеристиками.

Обычное описание зарождения Вселенной сводится к следующему: Вселенная начиналась с примитивного атома (с диаметром всего 10^–33 см), который намного меньше обычного атома. Его температура и плотность очень высокие. Удельная температура составляет 10³² К, а плотность – 10⁹³ грамм на кубический сантиметр. Этот примитивный атом внезапно взорвался 13,799 ± 0,021 миллиарда лет назад. Взорвавшееся пространство – это и есть Вселенная, которую мы видим сегодня. А фрагменты его взрыва – это галактики, звезды и различные вещества в современной Вселенной.

Фактически приведенное выше описание является по меньшей мере неточным. Наша космология сегодня основана на общей теории относительности и квантовой механике. Согласно современной научной теории, наше представление о формировании Вселенной всегда может быть обращено назад через 10^–43секунды после взрыва. Это время называется планковским временем. Относительно и то, что мы обычно принимаем за состояние этого момента как отправную точку Вселенной. До этого взрыва Вселенная должна была иметь свое «нулевое время» и свою особую точку. Невозможно описать Вселенную до времени Планка согласно существующей теории Вселенной.

Сложно по-настоящему понять описание Вселенной. Сначала необходимо, чтобы мы отказались от наших наблюдений за окружающими нас вещами и использовали совершенно другой способ, чтобы во всем разобраться.

С геометрической позиции особая точка является 0-мерной, линия – 1D, грань – 2D, а стерео – 3D. Мы изучали все это в средней школе и можем представить форму точек, линий, граней и стерео. Тем не менее время и пространство 4D (не путать с четырехмерным пространством-временем теории относительности) мы можем воспринимать, но не представляем, как оно выглядит. Конечно, найдется множество людей, которые не согласны с этим утверждением. Они скажут, что время не всегда идет. Разве Вселенная не пространство, которое мы видим? Причина, по которой у людей возникают такие вопросы, заключается в том, что они ограничены собственным опытом и знаниями.

Согласно существующей теории Вселенной, до Большого взрыва не было ничего. Но когда произошел Большой взрыв около 13,8 миллиарда лет назад, время и пространство уже были. Время идет до сих пор, пространство расширяется по сей день.

Кто-то обязательно скажет, что до Большого взрыва жизни и материи могло и не быть, но как быть со временем, оно уж точно должно было существовать? Ответ – нет. Время появилось в момент Большого взрыва. Он образовал космическую галактику и материю. Но было же хотя бы пустое пространство перед Большим взрывом? Ответ также отрицательный. В то же время у Большого взрыва было пространство. Возможно, кого-то спросит, что находится за пределами Вселенной? Какова граница между ее краями? Ответ заключается в том, что у Вселенной есть только определенный размер, но нет границ. Некоторые ученые считают, что за пределами нашей Вселенной существуют и другие Вселенные, но поскольку пространство и время являются четырехмерными, мы не можем видеть их.

Наблюдая за галактикой с помощью телескопов, мы обнаруживаем, что чем дальше от нас галактики, тем быстрее они отдаляются от нас. Это не означает, что мы являемся центром Вселенной. Фактически, если посмотреть на космическое пространство на любой планете в любой галактике, ситуация будет такой же, как у нас на Земле.

Взрыв, произошедший 13,8 миллиарда лет назад, считается точкой отсчета Вселенной. В начале Большого взрыва четыре природные силы (электромагнитная, взаимодействия, притяжения, слабое взаимодействие), которые мы знаем сегодня, объединились. По мере того как Вселенная охлаждалась и расширялась, эти четыре силы начинались разделяться. В то же время появляется асимметрия между веществом и антивеществом (материя была немного больше, чем антивещество). Это крайнее хаотическое состояние Вселенной: в таком хаотическом пространстве вещество и антивещество встречаются и аннигилируют в фотоны и производят энергию. Эта аннигиляция имеет аннигиляцию нейтронов и антинейтронов, протонов и антипротонов, электронов и антиэлектронов, а также нейтрино и антинейтрино. Сегодня поток света во всей Вселенной – это прежде всего продукт Большого взрыва. Небольшое количество материала, оставшееся после этой аннигиляции, – наша космическая галактика.

По истечении трех минут после Большого взрыва температура Вселенной упала до 1 миллиарда К. В это время протоны и нейтроны были объединены в ядро. Этот процесс длился около часа. Когда космическая температура упала до 100 миллионов К, ядерный синтез закончился. Рассчитано в соответствии с теорией, что среди продуктов, синтезируемых зародышеобразованием, водород составлял около 3/4, а цезий – около 1/4. Общая доля лития, стронция и бора составляла менее одной части на миллион. Сегодняшние астрономические наблюдения первоначально подтвердили это теоретическое соотношение.

Вселенная в это время была полна фотонов, но не прозрачна. Поскольку во Вселенной большое количество свободных электронов, они блокировали прохождение фотонов. Примерно через 300 000 лет температура Вселенной упала до 3000 К и движение электронов было не столь интенсивным. Таким образом, ядро водорода захватывает электрон в свой атом, также ядро водорода захватывает и электрон, ядро гелия захватывает два электрона, ядро лития, бериллия и бора также захватывают соответствующие электроны в атомы. Без блокировки электронов освобожденный фотон сделал Вселенную ярким светом, и она закончила свой хаотический период и стала прозрачной. В то же время Вселенная перешла из периода, в котором господствовала радиация, в период, в котором доминировала материя.

В 1960-х годах два инженера из лаборатории Белла Арно Аллан Пензиас и Роберт Вудро Уилсон во время настройки радиотелескопа обнаружили очень холодный свет, который распространялся на все космическое небо. Он окутывал каждую звезду, каждую галактику и заполнял каждый уголок Вселенной. Температура этого света была равна 3 К. Однако его нельзя было разглядеть с помощью оптического телескопа, только с помощью радиотелескопа. Мы знаем, что 0 K – абсолютный ноль, который равен теоретической минимальной температуре –273 °C. Температура 3 K – это остаточное, теоретически рассчитанное тепло Большого взрыва. Холодный свет, который заполняет всю Вселенную, – это исходный свет, оставленный после начала Большого взрыва. Это остаток фотона, оставшегося после образования Вселенной. С тех пор как прошло 13,8 миллиарда лет, Вселенная значительно расширилась, и оригинальные фотоны рассеялись по ее необъятному пространству. Однако они настолько редко встречаются, что имеют всего несколько сотен фотонов на кубический сантиметр, что эквивалентно температуре 3 К. Они распространены по всей Вселенной. Их называют микроволновым фоновым излучением или температурой фонового излучения. Случайное открытие этих двух инженеров стало самым убедительным доказательством теории Большого взрыва. Благодаря этому достижению Пензиас и Уилсон в 1978 году получили Нобелевскую премию по физике.

По мере того как Вселенная продолжала расширяться, атомы начинали сближаться под действием силы тяжести, образуя огромное облако. Через 200 миллионов лет после Большого взрыва атомы были достаточно сжаты, тогда и стали появляться звезды. В это время общая температура Вселенной, то есть температура фонового излучения, упала до 30 К. В этот же период начали формироваться галактики. Сегодня, через 13,8 миллиарда лет после Большого взрыва, Вселенная все еще расширяется.