Как появилась Вселенная? Путешествие во времени от Большого взрыва до наших дней

Каждую ясную ночь, глядя на бескрайнее звездное небо, люди задавали себе один и тот же вопрос: как все это началось? Откуда взялись эти миллиарды звезд, наша Земля, и мы сами? Сегодня у науки есть самый убедительный и проработанный ответ на этот вопрос — Теория Большого взрыва.

Не пугайтесь названия. Несмотря на слово «взрыв», не стоит представлять себе обычную бомбу, которая разлетается на куски в пустом пространстве. В случае с рождением Вселенной все было гораздо грандиознее и загадочнее.

Что же случилось на самом деле?

Представьте себе, что вы сжимаете целый океан в одну-единственную точку, меньше песчинки. А теперь представьте, что вы сжимаете в такую точку все, что существует: все звезды, все галактики, весь свет, все вещество и даже само пространство и время.

Именно такое состояние — сингулярность, и было началом. Точка бесконечно малого размера, но бесконечно большой плотности и температуры. Привычные нам законы физики там перестают работать. Это и есть «ноль» на часах истории нашей Вселенной.

Примерно 13,8 миллиарда лет назад с этим крошечным «зародышем» что-то произошло. Он начал невероятно быстро расширяться. Это был не взрыв вещества в пустоте, а взрыв самого пространства. Пустота начала стремительно заполняться невероятно горячей и плотной энергией.

Первые мгновения: космический «суп»

Первые секунды жизни Вселенной были самыми безумными. Чтобы понять, насколько там было горячо, представьте, что все, из чего мы состоим, было перемешано в однородный кипящий бульон из чистой энергии.

• Планковская эпоха (от нуля до 10⁻⁴³ секунды). Это первый миг, о котором у ученых пока больше вопросов, чем ответов. Четыре фундаментальные силы природы (гравитация, электромагнетизм, сильное и слабое ядерные взаимодействия) были едины. Время и пространство были сжаты в квантовую пену.
• Инфляционная эпоха. Дальше случилось самое интересное. Вселенная пережила период, который космологи называют инфляцией — невероятно быстрое «раздувание» самого пространства. Этот этап длился ничтожную долю секунды (примерно с 10⁻⁴³ до 10⁻³⁶ секунды после начала), но его последствия грандиозны.  Чтобы представить себе этот масштаб, нужно включить воображение на полную мощность. Инфляция увеличила линейные размеры Вселенной как минимум в 10²⁶ раз (это десяток миллионов миллиардов миллиардов раз). Проще говоря, за это мгновение крошечный квантовый «пузырек» размером с нанометр (10⁻⁹ м), меньше половины ширины молекулы ДНК, раздулся до объекта, простирающегося более чем на 10 световых лет. Это расстояние, которое свет преодолевает за целое десятилетие, и оно во много раз превышает размеры всей нашей Солнечной системы.
  Именно это чудовищное, экспоненциальное расширение заложило основу для крупномасштабной структуры космоса, «разгладив» все первичные неоднородности и создав из крошечных квантовых флуктуаций те области сжатия, из которых впоследствии, через миллиарды лет, сформировались галактики и их скопления.
• Остывание и рождение материи. Когда температура немного упала, энергия начала превращаться в первые частицы. Согласно знаменитой формуле Эйнштейна E=mc², энергия стала «застывать» в материю. Так появились кварки, электроны и другие фундаментальные «кирпичики». Сначала они сталкивались и аннигилировали, превращаясь обратно в излучение, но Вселенная продолжала расширяться и остывать.

Первые 380 000 лет: великая тьма

Следующие сотни тысяч лет Вселенная представляла собой непроглядный, плотный и горячий туман. Она была настолько плотной, что частицы света (фотоны) не могли пролететь и метра, постоянно сталкиваясь с заряженными частицами (протонами и электронами). Космос был похож на густой кипящий суп.

Но гравитация продолжала свою работу, а расширение — охлаждение. И вот, спустя 380 000 лет после Большого взрыва, температура упала настолько, что протоны смогли захватить электроны, образовав первые нейтральные атомы, в основном водород и немного гелия.

Это событие называют рекомбинацией. И оно изменило все! Свет наконец-то смог беспрепятственно путешествовать по космосу. Та самая «вспышка», которая высвободилась в этот момент, дошла до нас в виде реликтового излучения, слабого «эха» Большого взрыва, которое ученые ловят со всех сторон.

Темные века и зажжение звезд

Наступила эпоха так называемых Темных веков. Вселенная была заполнена огромными облаками водорода и гелия, в которых не было ни одной звезды. Было темно, холодно и очень скучно. Миллионы лет эти газовые облака под действием гравитации сжимались, становясь все плотнее и горячее.

Наконец, в каком-то из облаков давление и температура в центре стали настолько высокими, что запустилась термоядерная реакция. Водород начал превращаться в гелий, выделяя колоссальную энергию. Зажглась первая звезда. Ее свет ознаменовал конец Темных веков и начало эпохи, которая длится до сих пор.

От звезд до человека

Первые звезды были гигантами. Они жили недолго и взрывались как сверхновые, разбрасывая по космосу новые химические элементы, которые синтезировались в их недрах: углерод, кислород, железо. Из этих «звездных осколков» формировались новые звезды и планетные системы.

Наше Солнце — звезда уже третьего поколения, родившаяся около 4,6 миллиарда лет назад. Оно образовалось из газопылевого облака, в котором уже были все тяжелые элементы, необходимые для строительства планет. Из остатков этого же облака сформировалась Земля и другие планеты.

Главный секрет

Теория Большого взрыва блестяще объясняет, как расширялась и остывала Вселенная, как появились атомы, а из атомов — звезды и галактики. Она предсказала существование реликтового излучения, которое было позже обнаружено.

Но главный секрет остается: что же было «до» сингулярности? Был ли это момент творения из ничего? Или наша Вселенная — лишь одна из многих в бесконечном ряду Мульти-веленных? Ученые продолжают искать ответы, строя гигантские ускорители частиц и запуская в космос телескопы, чтобы заглянуть все дальше в прошлое.

Каждый атом в нашем теле, каждая частица света от Солнца — это прямой результат процессов, начавшихся 13,8 миллиарда лет назад. Мы не просто наблюдаем историю Вселенной. Мы — часть этой истории.