Шпаргалка: Первое мгновение Вселенной

Заранее надо сказать, что всё это сильное упрощение, чтоб составить в голове хоть какую-то картину понимания того, что происходило. И ещё. Начало выглядит слегка скомканным так как трудно начать когда нет начала.


В начале была сингулярность.

Шучу   о сингулярности будет кратко сказано ниже, а сейчас всё по серьёзному.


Шаг 0.

В начале была Планковская эпоха. Это интервал от «начала» до 10⁻⁴³ секунды, то есть крохотная доля секунды.

Здесь сразу требуется отметить, что нет никакого «интервала» и нет никакого «от начала». Дело в том, что наука и познание всего этого движутся в обратном направлении, от нынешнего мира в прошлое. И двигаясь назад наука добралась до момента когда Вселенной было 10⁻⁴³ секунды от роду. Это граница нашего познания Вселенной, всё что находилось за этой границей для нас неведомо. Откуда тогда взялось 10⁻⁴³, а отсюда…


Это формула вычисления планковского времени, кто хочет пусть разбирается сам.


Итак. Что было до «начала» и что было в этом «интервале» не знает никто, считайте это замыслом Творца (не бога, он появился позже). Дело в том, что все наши знания о строении Вселенной — гравитация, квантовая механика, пространство, время, описывают то, что было после планковской эпохи. За этой границей все уравнения общей теории относительности ломаются и перестают работать, как если бы вы досчитались до того, что у вас перестало получаться 4 при умножении 2 на 2. Таким образом получается, что у нас нет ни языка для описания ни инструментов для изучения. Так что ещё раз повторюсь, нет никакого начала и интервала, есть только кассета перемотанная назад до момента 10⁻⁴³ секунды.

Что называют сингулярностью? Сингулярность — это не событие, не явление, не состояние, не точка в пространстве и не временная метка, и вообще ничего. Это просто красивое слово для обозначения той самой границы, на которой уравнения перестают работать. Стивен Хокинг (человек придумавший время) сказал про сингулярность так — «Результаты наших наблюдений подтверждают предположение о том, что Вселенная возникла в определённый момент времени. Однако сам момент начала творения (сингулярность) не подчиняется ни одному из известных законов физики». Отличный мужик, сказал коротко и по делу — мы не знаем что это такое.

Справедливости ради надо отметить, что есть пара теорий о том, что было «до» (теория струн и теория петлевой квантовой гравитации), но ни одна из них не проверена. Шелдон Купер не даст соврать.

Вообще, чтоб было легче смириться с непониманием этого, попробуйте представить себе то, чего нет (неважно, что это, событие, явление и т.д.) при условии, что это не является составным из известных вещей. Не парьтесь, у вас ничего не получится, это и будет то самое «до». Одно лишь утешение — этого не понимает никто.

Всё, что написано ниже — это реконструкция начиная с 10⁻⁴³ секунды (то есть после Планковской эпохи) и позже, когда физика уже более-менее понятна.


Шаг 1. Инфляция — расширение пространства (примерно 10⁻³⁶ — 10⁻³² секунды).

Инфляция — это гипотеза. И эта гипотеза основана на некоторых фактах, которые мы наблюдаем сейчас — Вселенная плоская (это про геометрию пространства, а не про форму. Да-да, Вселенная плоская, но не стоит пытаться это представить, даже параллель с поверхностью воздушного шарика это фикция), однородность Вселенной (вещество и законы физики одинаковы во всей наблюдаемой Вселенной) и реликтовое излучение (см. ниже).

Учёные говорят, что происходило расширение самого пространства. При этом расширение, в нашем понимании, предполагает, что это происходит в чём-то, но этого самого «снаружи» не было. А это уже вообще ни как не сформулировать. Тем не менее расширение происходило и оно происходит и сейчас (но гораздо медленнее чем тогда), это наблюдаемый факт — галактики разбегаются, и не только галактики, а любые скопления чего-то, например, тёмной материи.

Инфляция происходила быстрее скорости света, но это не нарушало теорию относительности, потому что ни кто-то двигался внутри пространства быстрее света, а само пространство растягивалось быстрее скорости света.

Однако вернёмся к началу инфляции. Итак, планковская эпоха закончилась и пространство начало расширятся. То, что происходило внутри инфляции ученые называют кипящим вакуумом. Это как наш теперешний вакуум только в другом состоянии. Если попытаться объяснить себе это, то вот так — вакуум, это не вещество и не материя, это квантовые поля (различные поля, в том числе электромагнитные), а в кипящем вакууме (внутри инфляции) было ещё и поле инфляции — инфлатон (это гипотеза), которого сегодня нет. И эти поля были очень сильно напряжённы, очень энергетические, там было столько энергии, что нет слов для описания количества этой энергии.

Тут стоит дать пояснение термину энергия, что чёрт возьми это такое? Лучше всего это сделать на примере фотона так как и радиация (гамма-излучение от взрыва ядерной бонбы), и свет, и тепло от батарей у вас на кухне, это летящие фотоны. Энергия — это способность что-то делать (двигать, греть, светить). У фотонов энергия связана с частотой (у него нет массы покоя, он вообще не может существовать в покое, только в движении и только со скоростью света). Чем выше частота, тем больше энергии. Это можно представить как мигающую лампочку, чем чаще мигает тем больше энергии несёт. Короче, летит такой себе фотон и мигает с сумасшедшей скоростью, чем чаще мигает, тем сильнее может дать по морде.
У частиц с массой энергия есть даже в покое — это их масса (мы туда не полезем).

Таким образом, инфляция — это расширяющееся нечто, не известно «внутри» чего расширяющееся, и не известно откуда расширяющееся. И внутри этой инфляции кипящий вакуум. Для супер упрощения говорят, что расширяется из точки, но это не правильно, мы не знаем что там было. Это граница нашего понимания (и в научном смысле и в человеческом).


Шаг 2. Рождение материи и антиматерии (примерно 10⁻³² — 10⁻⁶ секунды).

Здесь начинаются теории, которые у нас есть (квантовая теория поля, сильные и электрослабые взаимодействия). Однако следует сделать оговорку. Мы не можем проверить это экспериментально из-за того, что там были экстремальные условия — температура 10²⁷С (это температура равная 10 с двадцатью семью нулями градусов) и плотность, которой нет нигде сегодня. Но тем не менее.

И вот весь этот горячий «бульон» из адовой энергии (кипящий вакуум) начинает превращаться в пары частиц и античастиц.

кварк + антикварк (из кварков сделаны протоны если что)

электрон + позитрон

Почему по парно — а потому, что эти частицы (и античастицы) имеют заряд и барионное число, а значит и рождаться должны и положительно заряженные и отрицательно, а значит частицы и античастицы, электрон и позитрон (так что приставка анти, это не что-то неведомое, это просто определение противоположного электрического заряда).

После рождения эти ребята (частицы и античастицы) тут же притягиваются друг к другу и происходит аннигиляция (см. ниже), типа взаимное уничтожение, но не уничтожение, а превращение обратно в энергию (закон сохранения энергии работает всегда, без исключений, старуха-термодинамика отвечает за базар). Так происходит какое-то время, туда-сюда, туда-сюда до тех пор пока плотность и температура оставалась достаточная.

И тут происходит нечто. На каждые примерно миллиард пар частиц и античастиц остаётся одна лишняя частица материи — кварк (из которых позже получатся протоны или нейтроны). Почему так происходит — ответа на этот вопрос у науки нет. Учёные называют это барионной асимметрией, но никому от этого не легче.

Маленькое уточнение. В обычной среде (в нашей) кварки не могут существовать по отдельности, они обязательно объединяются в адроны (в основном по три кварка — в протоны и нейтроны). Но, в той среде (адские температуры и адское давление) кварки болтаются сами по себе, это называется кварк-глюонной плазмой (глюон — это частица, которая «склеивает» кварки).

Аннигиляция — это не словечко из научной фантастики, это термин описывающий превращение массы элементарной частицы и ее античастицы при столкновении в энергию излучения (чаще всего в фотоны). Кстати аннигиляция происходит и сейчас, это не редкость. Например, из космоса прилетают частицы с огромной энергией, врезаются в атмосферу земли и рождаются пары частиц и античастиц, тут же сталкиваются с материей и аннигилируют.


Шаг 3. Адронизация (Адронная эпоха, примерно 10⁻⁶ — 1 с).

Адский «суп» из кварк-глюонной плазмы постепенно остывает до температуры 10 триллионов градусов. Энергии в пространстве становится слишком мало, чтобы кварки (те самые лишние) могли летать сами по себе, они начинают образовывать более тяжёлые частицы — адроны. Так же этот процесс называют красивым словом — конфайнмент.

Адроны бывают разные, нас интересуют протоны и нейтроны. Наряду с кварками остались и антикварки они тоже связываются, в антипротоны. Протоны начинают сталкиваться с антипротонами, то есть происходит повторная аннигиляция.

Поскольку кварков изначально было чуть-чуть больше чем антикварков, антивещество исчезло полностью, оно всё превратилось в жесткое гамма-излучение (высокоэнергетические фотоны). Сейчас это гамма-излучение «остыло» и мы можем наблюдать его в виде реликтового излучения.

В финале этой секунды Вселенная оказалась забита готовыми «кирпичиками» (протонами и нейтронами) для строительства атомов, а также кучей электронов, которые пока ещё просто болтались без дела, и бесчисленным количеством фотонов. Таким образом Вселенная подготовилась к тому, чтобы начать собирать первые настоящие химические элементы.


Шаг 4. Нуклеосинтез — синтез первых ядер (примерно от 1 секунды до 20 минут).

Температура падает до 1 миллиарда градусов.

Протоны и нейтроны на бешеной скорости врезаются друг в друга. Сначала они соединяются парами — один протон + один нейтрон. Получается тяжелый водород — дейтерий. Просто водород — это один протон в ядре, нейтрона у него нет он ему нафиг не нужен (нейтроны в ядре нужны чтоб нейтрализовать взаимное отталкивание протонов). Затем к ним прилетает еще «кирпичики», и они собираются в ядра гелия — два протона + два нейтрона (второй элемент в таблице Менделеева).

Через 20 минут температура упала настолько, что у частиц просто не хватало энергии (скорости), чтобы преодолеть электрическое отталкивание и слипнуться. Пока это небыли привычные нам элементы так как к ним ещё не «прилипли» электроны. Из-за температуры в миллионы градусов всё вокруг бешено носилось и сталкивалось. Стоило какому-нибудь электрону отыскать ядро водорода (протон) и попытаться сесть на его орбиту, как в ту же микросекунду в них на огромной скорости врезался жесткий фотон и выбивал электрон обратно на свободу. Так что пока это было ионизированной плазмой — густой, непрозрачный электрический «туман», где отдельно летали голые ядра водорода и гелия, и отдельно носился бешеный рой свободных электронов.

Чтобы электроны наконец-то сели на орбиты и создали первые полноценные атомы химических элементов, Вселенной пришлось остывать еще очень и очень долго.


Шаг 5. Рекомбинация (прошло примерно 380 000 лет).

В течений этих 380000 лет Вселенная продолжала расширяться и остывала, пока не остыла до 3000 градусов. «Туман» рассеялся, электроны присоединяются к протонам образуя нейтральные атомы. Излучение (свет, фотоны) перестаёт взаимодействовать с веществом и свободно летит — это и есть реликтовое излучение.

С этого момента Вселенная прозрачна для света. У фотонов (света) больше нет прежней адовой энергии. Они ослабели и больше не могут выбивать электроны с насиженных мест. К одиноким протонам прилипло по одному электрону — получились первые полноценные атомы водорода, к «четвёркам» прилипло по два электрона — получились первые атомы гелия. Во Вселенной возникла настоящая химия.


Шаг 6. Тёмные века и первые звёзды (прошло примерно 100 — 200 млн лет).

За миллионы лет Вселенная остыла и ушла в невидимый диапазон. Абсолютно чёрный, холодный и пустой океан колоссальных размеров, в котором нет вообще ничего, кроме гигантских облаков из водорода и гелия. Ни одной звезды, ни одной галактики, ни одного огонька. Полная тишина и темень на сотни миллионов лет.

И тут на сцену выходит Гравитация во всей своей красе.

Что такое гравитация?

Исаак Ньютон сказал — между любыми двумя массами есть сила притяжения. И нарисовал формулу…



Чем больше масса — тем сильнее притяжение.

Так же он сказал, что не знает как это работает, но он это описал. То есть опять — не знаю как, но работает.

Спустя 200 лет Эйнштейн сказал — гравитация не сила, это искривление пространства-времени (для упрощения считайте что это просто пространство).

Механизм этого всего таков — масса и энергия (масса и энергия это одно и то же) искривляют пространство-время вокруг себя. Искривлённое пространство-время говорит материи (веществу, любому хламу), как двигаться. Материя движется по геодезическим координатам кратчайшим путям в искривлённом пространстве.

Для наглядного объяснения всего этого пиздеца чаще всего используют следующую иллюстрацию — растяните простынь за четыре угла по середине комнаты, а в центр простыни положите что-то тяжёлое, например, ботинок. Теперь возьмите теннисный мячик и катните его по простыне. Мячик неминуемо скатится к ботинку. Вот так работает гравитация — некий объект с массой продавил пространство, и то что находится вокруг с меньшей массой начинается скатываться туда где глубже продавлено. Чем больше масса ботинка тем сильнее продавлена простыня и тем быстрее мячик устремляется к ботинку.

Из чего сделана гравитация? С точки зрения общей теории относительности она вообще ни из чего не сделана, это следствие искривления, типа форма, как яма в земле. Если же объединять ОТО с квантовой механикой, то гравитация должна быть полем, а поле должно иметь кванты (частицы, строительный материал). Эти гипотетические частицы назвали гравитонами. Однако эти самые гравитоны не обнаружены и квантовая теория гравитации не построена. Это одна из главных нерешённых проблем физики. Такие дела.

Откуда взялась гравитация?

Ответ прост- хрен его знает. Если же не упрощать всё вот так, тогда объяснение следующее — она была всегда. С первого момента Большого взрыва. Как только появились масса и энергия — появилась и гравитация. Они неразделимы. А по прошествии планковской эпохи гравитация отделилась и начала работать. Понятно что у рядового читателя возникает куча вопросов — от чего отделилась, с какого водяного? Ответы на эти вопросы и на ряд других можно найти в виде зубодробительной математики, но легче от этого не станет.

Возвращаемся к нашим баранам. Облака из водорода и гелия благодаря гравитации начинают кучковаться всё плотнее и плотнее. Чем плотнее облака тем больше более мелких облаков они притягивают (прикатывают) к себе. Такая фигня происходит везде, по всей Вселенной, миллиарды кучек. Поскольку вещества налипает всё больше и больше, кучки становятся всё плотнее и плотнее. Давление внутри этих кучек растёт и доходит до чудовищных величин.

В результате давления атомы водорода и гелия сдавливаются до того, что ядра водорода начинают объединятся образовывая всё больше гелия. Появляются протозвёзды, это ещё не звёзды в нашем понимании, они не светят и они огромных размеров. Температура внутри миллионы градусов.

Температура продолжает расти от сжатия и когда достигает 10 миллионов градусов эта куча барахла входит в равновесное состояние. Снаружи давит прилипающее вещество, а изнутри энергия распирает всё это хозяйство. Появляются первые полноценные звёзды, которые начинают светить (энергичные фотоны вырываются наружу). Это как взрыв тротиловой шашки в руках Халка. Взрыв (энергия синтеза) распирает, а Халк (гравитация) удерживает это в ладонях, только свет наружу пробивается. Короче, водород превращается в гелий, из-за этого выделяется энергия тепла, это называется термоядерный синтез.

Время жизни таких звёзд от 2 до 10 миллионов лет.

Далее водород в центре кучи потихоньку заканчивается и синтез останавливается, остаётся только гелий. Распирающее давление падает, а гравитация продолжает сжимать. Температура продолжает расти и когда доходит до 100 миллионов градусов включается новая реакция. Пошёл синтез углерода из гелия (промежуточные этапы опустим для упрощения). Гелий заканчивается, давление доходит до адовых величин, пошёл синтез следующих элементов, давление растёт ещё больше, синтезируется железо. Давление доходит до того, что звезда схлопывается сама в себя.

Происходит коллапс и рождается сверхновая звезда. Внешнее вещество падает на железное ядро внутри, отскакивает от него и звезду разносит в клочья — взрыв колоссальной мощности. Яркость такая, что она ярче целой галактики с её миллиардами звёзд (галактик пока ещё нет). От взрыва рождаются элементы после железа — золото, серебро, уран (ядра железа захватывают нейтроны так быстро, что не успевают распасться).

Теперь у нас есть все (или почти все) элементы таблицы Менделеева разлетевшиеся в разные стороны (это те самые газовые облака на фоточках с телескопов, космические «котики» так сказать).

Здесь нужно сказать, что сжимающуюся звезду не всегда разносит в клочья, иногда она превращается либо в нейтронную звезду, либо в чёрную дыру. Но это уже другая история.


Шаг 7. Галактики, планеты, мы (200 млн лет — 13,8 млрд лет).

Из этого газа и пыли, по тому же принципу, формируются галактики, звёзды, планеты. На одной из планет появляется жизнь. Через четыре с половиной миллиарда лет появляется человек, который сейчас смотрит в монитор и задаётся вопросом — а с чего всё началось?