Теория большого взрыва¶

Теория большого взрыва — космологическая модель, описывающая происхождение и эволюцию Вселенной как процесс расширения горячего сверхплотного состояния, начавшегося около 13,8 млрд лет назад. Согласно модели, Вселенная изначально была сосредоточена в состоянии чрезвычайно высокой температуры и плотности, после чего начала расширяться, остывая и постепенно формируя наблюдаемые структуры — галактики, звёзды, планеты. Термин «Большой взрыв» ввёл в оборот британский астроном Фред Хойл в 1949 году в радиопередаче Би-би-си, первоначально с иронической целью — противопоставить свою статическую модель Вселенной.

¶История развития

¶Ранние предпосылки

В 1915 году Альберт Эйнштейн опубликовал общую теорию относительности (ОТО), согласно которой гравитация описывается искривлением пространства-времени под действием массы и энергии. Решения уравнений Эйнштейна показывали, что Вселенная не может быть статичной — она либо расширяется, либо сжимается. Сам Эйнштейн ввёл в уравнения «космологическую постоянную», чтобы сохранить модель неподвижной Вселенной, позже назвав это ошибкой.

В 1922 году российский математик и физик Александр Фридман на основе уравнений Эйнштейна нашёл решения, описывающие динамическую Вселенную — расширяющуюся или сжимающуюся. Эти решения стали теоретической основой будущей модели большого взрыва. В 1927 году бельгийский священник и физик Жорж Леметр независимо вывел аналогичные результаты и предположил, что расширение Вселенной можно экстраполировать назад во времени к состоянию «первоатома» — сверхплотной точки, из которой началось развитие пространства-времени.

¶Наблюдательное подтверждение

В 1929 году американский астроном Эдвин Хаббл, изучая спектры далёких галактик, обнаружил красное смещение — длины волн излучения галактик увеличиваются пропорционально расстоянию до них. Это явление, известное как закон Хаббла, стало прямым свидетельством расширения Вселенной. Открытие подтвердило предсказания Фридмана и Леметра и превратило гипотезу о расширяющейся Вселенной в наблюдательный факт.

¶Развитие модели в XX веке

В 1948 году Джордж Гамов, Рафаэль Альфред и Робер Херман предсказали существование реликтового излучения — слабого электромагнитного фона, оставшегося от ранней горячей Вселенной. В 1965 году Арно Пензиас и Роберт Уилсон случайно обнаружили этот фон, используя радиотелескоп в Нью-Джерси. Измеренная температура излучения составила около 2,7 К. Открытие стало одним из ключевых доказательств теории большого взрыва, за что Пензиас и Уилсон получили Нобелевскую премию по физике в 1978 году.

¶Основные положения

Современная модель большого взрыва опирается на следующие наблюдательные факты:

• Расширение Вселенной. Галактики удаляются друг от друга, причём более удалённые — быстрее (закон Хаббла).
• Реликтовое излучение. Космическое микроволновое фон (КМФ) с температурой около 2,725 К заполняет всё пространство и имеет почти идеально чёрнотельный спектр.
• Примордиальные нуклиды. Лёгкие элементы — водород, гелий, литий — образовались в первые минуты после начала расширения в процессе первичного нуклеосинтеза в пропорциях, предсказываемых моделью.
• Развитие крупномасштабной структуры. Распределение галактик и их скоплений согласуется с компьютерными симуляциями эволюции материи из начальных флуктуаций плотности.

¶Этапы эволюции Вселенной

¶Модель Лямбда-CDM

Современный стандарт космологии (модель Лямбда-CDM) включает в себя две компоненты, не входившие в первоначальную версию теории. Тёмная энергия, обозначаемая буквой Λ (лямбда), составляет около 68 % плотности энергии Вселенной и вызывает ускорение расширения, открытое в 1998 году двумя независимыми группами астрономов при наблюдении сверхновых типа Ia. Тёмная материя, составляющая около 27 %, не излучает и не поглощает свет, но обнаруживается по гравитационному влиянию на галактики и реликтовое излучение. На обычную барионную материю — всё видимое вещество — приходится лишь около 5 %.

¶Открытые вопросы

Несмотря на широкое признание, теория большого взрыва оставляет ряд нерешённых проблем. Сингулярность в момент t = 0, где плотность и температура становятся бесконечными, указывает на предел применимости общей теории относительности и необходимость квантовой теории гравитации. Природа тёмной энергии и тёмной материи остаётся неизвестной. Проблема доминирования фотонов над антифотонами (барионная асимметрия Вселенной) также не имеет удовлетворительного объяснения.

¶Критика

На протяжении истории теория большого взрыва сталкивалась с альтернативными моделями — статической Вселенной Эйнштейна, циклической моделью, стeady-state теорией Хойла, Бонди и Голда. Появление реликтового излучения и точные измерения КМФ спутниками COBE, WMAP и «Планк» практически исключили эти гипотезы, однако отдельные исследователи предлагают модификации, например модель «тёмного взрыва» или варианты с попеременным сжатием и расширением.

Источники:

• Эйнштейн А. К релятивистской теории поля // Annalen der Physik, 1916.
• Фридман А. А. Кривизна пространства // ЖЭТФ, 1922.
• Хаббл Э. А relation between distance and radial velocity among extra-galactic nebulae // PNAS, 1929.
• Пензиас А., Уилсон Р. A Measurement of Excess Antenna Temperature at 4080 Mc/s // ApJ, 1965.
• Смут Дж., Матер Р., Беннетт К. и др. First Year COBE DMR Microwave Background Results // ApJ, 1992.
• Риис А. Г. и др. Observational Evidence from Supernovae for an Accelerating Universe and a Cosmological Constant // AJ, 1998.
• Planck Collaboration. Planck 2018 results. VI. Cosmological parameters // A&A, 2020.