Концепция большого взрыва

Открытие расширения Вселенной поставило перед наукой вопрос о возникновении Вселенной, одним из возможных вариантом решения которого явилась концепция Большого Взрыва.

Концепция Большого Взрыва - распространенное в настоящее время представление о происхождении Вселенной, согласно которому Вселенная возникла в результате Большого Взрыва, который с позиций общей теории относительности трактуется как точка пространства-времени с бесконечной кривизной. Концепция Большого Взрыва подтверждена математическим доказательством существования точки Большого Взрыва, проведенным известными физиками-теоретиками нашего времени Д. Пенроузом и С. Хокингом в 1970 г. на основе гравитационных уравнений общей теории относительности.

Все варианты модели Фридмана расширения Вселенной имеют то общее, что в какой-то момент времени в прошлом расстояние между соседними галактиками должно было равняться нулю, т.е. независимо от его природы, расширение должно было начаться в некоторый момент времени, когда плотность вещества была бесконечно большой. Эта особая точка в математике называется сингулярностью и интерпретируется как Большой Взрыв. Существование этой точки составляет содержание теоремы о сингулярности, доказанной Пенроузом и Хокингом. Из их доказательства следует также, что общая теория относительности представляет собой неполную теорию, в ней нет ответа на вопрос, как возникла Вселенная, потому что в точке Большого Взрыва нарушаются все физические теории, в том числе и общая теория относительности.

Ответ на этот вопрос должна дать квантовая теория гравитации, учитывающая мелкомасштабные эффекты на ранней стадии развития Вселенной. В настоящее время последовательной теории квантовой гравитации пока еще нет.

На качественном уровне концепцию Большого Взрыва можно пояснить следующим образом. Около 20 млрд. лет тому назад все галактики, судя по всему, были сосредоточены в одной точке, из которой началось стремительное расширение Вселенной до современных размеров. Но где же находится эта точка? Ответ: нигде и в то же время повсюду; указать ее местоположение невозможно, это противоречило бы основному принципу космологии. Еще одно сравне­ние, возможно, поможет понять это утверждение. Согласно общей теории относительности, присутствие вещества в пространстве приводит к его искривлению. При наличии достаточного количества вещества можно построить модель искривленного пространства. Передвигаясь по земле в одном направлении, мы, в конце концов, пройдя 40000 км, должны вернуться в исходную точку. В искривленной Вселенной случится то же самое, но спустя 40 млрд. световых лет.

Итак, Вселенная напоминает надувной шарик, на котором нарисованы галактики и, как на глобусе, нанесены параллели и меридианы для определения положения точек; но в случае Вселенной для определения положения галактик необходимо использовать не два, а три измерения. Расширение Вселенной напоминает процесс надувания этого шарика: взаимное расположение различных объектов на его поверхности не меняется, на шарике нет выделенных точек. Чтобы оценить полное количество вещества во Вселенной, нужно просто подсчитать все галактики вокруг нас. Поступая таким образом, мы получим вещества меньше, чем необходимо, чтобы, согласно Эйнштейну, замкнуть "воздушный шарик" Вселенной. Существуют модели открытой Вселенной, математическая трактовка которых столь же проста и которые объясняют нехватку вещества. С другой стороны, может оказаться, что во Вселенной имеется не только вещество в виде галактик, но и невидимое вещество в количестве, необходимом, чтобы Вселенная была замкнута; полемика по этому поводу до сих пор не затихает.

Спустя миллиард лет после Большого Взрыва началось образование галактик. К этому моменту вещество уже успело охладиться и стали появляться стабильные флуктуации плотности среди облаков газа, равномерно заполнявших космос. Локальное увеличение плотности вещества оказывается стабильным, если плотность достаточно велика, так как в этом случае создается локальное гравитационное поле, способствующее сохранению вещества в сжатом виде. Продолжая сжиматься и теряя при этом энергию на излучение, уплотнившееся вещество в результате своей эволюции превращалось в современные галактики. Хотя в общих чертах ясно, что тогда происходило, но механизм образования галактик все же понят не до конца и противоречит аккуратным подсчетам наблюдаемых масс галактик и их скоплений.