ЯК НАУКОВЦІ ПРО ЦЕ ДІЗНАЛИСЯ?

Хоча всі називають народження Всесвіту Великим Вибухом (англ. BIG BANG), та це не було вибухом у звичному сенсі. Це, радше, було раптове розширення величезного масштабу. Та що було причиною цього?

Одне з припущень полягає в тому, що наш Всесвіт утворився з попереднього, який зазнав колапсу (стиснувся до мінімуму). Такі процеси відбуваються десь і донині: є всесвіти, що розширюються й стискаються. Наш Всесвіт — лише один із багатьох.

Інші пояснюють Великий Вибух так званим «помилковим вакуумом», або «вакуумною енергією», — певною властивістю, або чимось, що змогло порушити стабільність небуття. До цього часу не відкинуто ідею щодо божественної участі в народженні Всесвіту. 22 листопада 1951 року Папа Римський Пій XII оголосив, що теорія Великого Вибуху не суперечить католицьким уявленням про створення світу.

Теорія Великого Вибуху — це не про сам вибух, а про те, що сталося після нього. Перші етапи розвитку Всесвіту ще називають ерами, хоча це нам може видатися дивним, оскільки ми частіше вживаємо термін «ера» для якогось великого інтервалу часу. Ери Великого Вибуху — це час від часток секунди до мільярдів років (див. таблицю 1.1).

Таблиця 1.1

Ера Всесвіту		Вік Всесвіту		Фази еволюції		Температура, К		Густина, кг/м3
Речовини		1,5 · 10¹⁰ років		Сучасна епоха		2,7		10^-27
		1,2 · 10¹⁰ років		Виникнення життя на Землі
		10¹⁰ років		Формування Сонячної системи
		6 · 10⁹ років		Утворення перших зір
		5 · 10⁹ років		Утворення нашої Галактики				10^-26
		10⁹ років		Квазари
		3 · 10⁸ років		Поява хмар водню та гелію
		10⁸ років		Утворюються атоми Гідрогену та Гелію				10^-13
		3 · 10⁵ років		Формування речовини. Всесвіт стає нейтральним і темним		3		10^-10
Випромінювання		300 с		Кінець ери випромінювання		10
		10 с		Утворюються ядра дейтерію та гелію		10⁴		10¹⁶
Лептонна		10^-4 с		Електрони й позитрони в стані теплової рівноваги з випромінюванням		10¹⁰
	10^-7 с		Розділення електромагнітної та слабкої взаємодії		10¹⁵
Адронна	10^-10 с		Утворення нейтронів і протонів		10²⁷
	10^-32 с		Відділення сильної взаємодії
	10^-43 с		Відділення сил гравітації		10³²		10⁹⁵
Сингулярність	0		Усі чотири фундаментальні сили об’єднано в єдину. Розміри Всесвіту наближуються до нуля

Ідея Великого Вибуху, що пояснює розвиток Всесвіту, виникла лише в ХХ ст., після низки відкриттів, зроблених фізиками. До того часу науковці вважали, що Всесвіт існував вічно, і що він є незмінним і стабільним, еволюціонують у ньому лише космічні об’єкти (зорі, планети, галактики).

За найбільш карколомні ідеї фізики ХХ ст. маємо дякувати Альбертові Ейнштейну (1879—1955). Цей учений не працював у лабораторіях, не робив дослідів на складному обладнанні. Адже був теоретиком. Його лабораторією була власна уява. Він уявно моделював ситуацію, робив припущення, прогнозував й обґрунтовував результати уявного експерименту. (Про бібліографічні факти життя видатного фізика, його доробок можете підготувати повідомлення. Ще можна історично реконструювати той час: з’ясувати, хто ще працював одночасно з ним, які наукові суперечки точилися між науковцями того часу.)

Тож 1916 р. 37-річний Альберт Ейнштейн оприлюднив власну загальну теорію відносності, у якій увів поняття простір-час, математично описав, як усе у Всесвіті рухається під впливом гравітації. Та все ж у теорії трапилася одна з найцікавіших помилок в історії науки. На той час загальноприйнятою була версія щодо «стаціонарного Всесвіту», що не зазнає розвитку, а просто існує. І, щоб урівноважити силу тяжіння, яка прагне стягнути всю масу Всесвіту воєдино, Ейнштейн увів до рівняння тяжіння відповідну безрозмірну сталу.

(1879—1955) А. Ейнштейн 1916 р. Загальна теорія відносності

(1888—1925) О. Фрідман 1922 р. Всесвіт має або розширюватися, або стискатися

(1889—1953) Е. П. Габбл 1926 р. Факт розбігання галактик (1929 р. Закон розбігання галактик)

(1894—1966) Ж. Леметр 1927 р. Теорія розширення Всесвіту

(1904—1968) Гамов Джордж (Георгій Антонович) 1940 р. Передбачення існування реліктового випромінювання

Роберт Вілсон та Арно Пензіас 1964 р. Відкриття космічного мікрохвильового фонового (реліктового) випромінювання

Алан Ґут 1979 р. Ідея космічної інфляції

У 1922 р. російський фізик Олександр Фрідман математично довів, що рівняння тяжіння, запропоноване Альбертом Ейнштейном, має цікавий варіант розв’язку, у якому стала дорівнює нулю. У цьому разі розвиток Всесвіту стає залежним від початкового значення густини речовини, а Всесвіт, заповнений масою, на яку діє сила тяжіння, не може бути статичним. Він має або розширюватися, або стискатися.

Однак математичні обрахунки ще треба було перевірити на практиці, виконавши астрономічні спостереження. І ці спостереження не забарилися. У 1926 р. Едвін Габбл виявив факт розбігання галактик.

Ще раз прочитайте речення: «У 1926 р. Едвін Габбл виявив факт розбігання галактик». Отакої: просто подивився на небо й побачив, як «розбігаються галактики». Щоб виявити таке явище, потрібно володіти достатнім арсеналом наукових знань, уміти користуватися експериментальними даними й бути фахівцем своєї справи. Саме Едвін Габбл досліджував галактики: він вимірював відстані до них, класифікував їх (ми далі розглянемо, у який спосіб це робиться). А факт віддалення галактик вдалося зафіксувати на підставі ефекту, описано австрійським фізиком й астрономом Крістіаном Доплером у 1842 р. Якщо джерело звуку наближається до спостерігача, то довжина хвилі буде сприйматися спостерігачем меншою, ніж є насправді (звук буде здаватися вищим, і-і-і-і), і навпаки — при віддаленні джерела звуку спостерігач сприйматиме довжину хвилі більшою (звук буде здаватися нижчим, приглушеним, е-е-е-е-). Таке ж явище спостерігається і для електромагнітних хвиль — світла, що є основним джерелом інформації про далекі космічні об’єкти. Випромінювання небесних тіл фіксують у вигляді спектра, що являє собою картину з кольорових ліній. Якщо об’єкт рухається відносно спостерігача, то спектральні лінії відповідно зсуваються. При наближенні зсув відбувається в синю (короткохвильову) частину спектра, а при відділенні — у червону (довгохвильову). Зсув ліній у червоний бік (зумовлений віддаленням об’єкта) називається «червоним зсувом»

Спостереження Едвіна Габбла спонукали Жоржа Леметра в 1927 р. якраз і запропонувати теорію розширення Всесвіту. До речі, назву «великий вибух» теорії дав у виступі на радіо її противник Фред Гойл: «big bang» означає англійською мовою радше «великий бах» — саме так Гойл зневажливо схарактеризував гіпотезу Леметра. Однак вислів набув усталеності та втратив початкове негативне забарвлення.

У 1929 р. Едвін Габбл уже математично вивів закон, за яким розбігаються галактики.

У 1948 р. одесит, а згодом американський фізик-теоретик й астрофізик Джорж (Георгій) Гамов припустив, що утворені під час періоду анігіляції фотони існують й донині, утворюючи космічний фон. Часто його називають реліктовим випромінюванням, оскільки воно справді є реліктом ранньої епохи розвитку Всесвіту.

Коли в 1965 р. американські радіоастрономи Арно Пензіас і Роберт Вілсон зареєстрували реліктове випромінювання, це стало одним з доказів на користь теорії Великого Вибуху.

У 1979 р. американський вчений Алан Ґут удосконалив теорію Великого Вибуху, увівши поняття інфляції для пояснення стрімкого розширення Всесвіту на самому початку.

Математичні розрахунки, дослідження у прискорювачах елементарних частинок, що проводяться сьогодні, підтверджують загальну теорію відносності Ейнштейна та теорію Великого Вибуху.

ПОДУМАЙТЕ Й ВІДПОВІДАЙТЕ

1. Наведіть гіпотези утворення Всесвіту.

2. Що на вашу думку означає вислів «Ми — зоряний пил»?

3. Ключем до пізнання минулого Всесвіту є, передусім, вивчення його сучасного стану. Обґрунтуйте це твердження.

4. У чому полягає суть ефекту Доплера?

ПРАКТИЧНА ЧАСТИНА

ПРАКТИЧНІ РОБОТИ

Моделювання розширення Всесвіту.

Всесвіт розширюється, але відносно чого? Чи є центр, відносно якого відбувається розширення? Чи може бути так, що від Землі розбігаються зорі й галактики? І від далекої Проксима Центавра теж розбігаються?

Давайте перевіримо.

Покажіть, що швидкість, з якою збільшується відстань між двома точками, які лежать у межах невеликої сферичної ділянки, пропорційна початковій відстані між ними.