← На головну

Теорія Великого вибуху. Частина 1. Лекція з курсу «Науковий образ світу»

Опубліковано: 2023-12-18

Теорія Великого вибуху. Частина 1. Лекція з курсу "Науковий образ світу".

Шановні слухачі, я вас вітаю, і сьогодні я хочу представити вашу увазі лекцію на тему «Теорія Великого Вибуху». В тій лекції ми поговоримо, що це таке теорія Великого Вибуху, коли цей Великий Вибух стався, чому ми впевнені, що він стався саме тоді, що відбувалося з нашим все свідом після того, як цей вибух вибувся, та що чекає нас всіх в далекому майбутні. Якщо ми спробуємо знайти теорію Великого Вибуху в певній пошуковій системі, наприклад, в Google, і спробуємо подивитися, що він нам видасть, то в першу чергу він нам видасть звичайно відомий американський сітком, який має ту ж саму назву – теорія Великого. Але звичайно, що сьогодні ми не будемо говорити про цей сітком, а ми будемо говорити про саму теорію, про сам Великий Вибух, який колись порадив наш всесвіт, та, згідно з сучасними уявленнями, це єдина загальноприйнята в науці теорія походження нашого всесвіту. Якщо давати визначення, то ми можемо сказати, що теорія Великого Вибуху або англійської мови Big Bang Theory – це певна фізико-космологічна теорія або модель, згідно з якою всесвіт народився із надзвичайно щільного та гарячого стану приблизно за різними отінками 13,7-13,8 мільярдів років тому. Чи є ця теорія зараз єдиною? Ну, мабуть, так. Звичайно, можемо сказати, що в цій теорії є багато недоліків. Звичайно, що ми можемо сказати, що ми багато що не знаємо про народження нашого світу. Є багато ще темних плям, які нам ще треба відкрити, але, в принципі, ця теорія є єдиною загальноприйнятою теорією зародження нашого всесвіту. Якщо ми кажемо про те, що люди думали, як народився наш світ, починаючи з часів античності, то, звичайно, було дуже багато різних думок в рамках міхологічного і релігійного світогляду. Ну, наприклад, думка, що спочатку був певний хаос, і в цьому безмежному хаосі зародилися певні боги, які потім створили світ, створили землю, створили людину. Або що було певне велике яйце, з якого народився наш світ. Або християнська думка про те, що наш світ був створеним богом за шість днів, і, відповідно, в останній день творіння бог створив людину, а потім відпочивав. Але, звичайно, що всі ті думки про створення нашого світу, а людство завжди тікавилося, звідки наш світ взявся. Це, вважаючи, одна з найбільших загадок, яка цікавила людей з того, спочатку утворення взагалі людської культури, коли люди почали замислюватися на тим, що їх оточує. Бо люди бачили, що все народжується і вмирає. То зрозуміло, що і наш світ теж повинен був колись народитися. Але як це відбулось? Звичайно, що це все міфологічні і релігійні уявки. А що взагалі думає наука? Які взагалі були наукові думки, наукові теорії про походження нашого Всесвіту? Мабуть, були якісь ще думки, крім теорії Великого Вибуху. Але насправді, ні. Насправді, якщо ми подивимося в історію розвитку наукової думки, до середини 20-го сторіччя, коли з'явилася фактично теорія Великого Вибуху, ідея народження світу, ідея про те, що наш світ, наш Всесвіт, колись народився, вважалася виключно релігійною думкою. Вважалася, з точки зору науки, яка тоді існувала, що наш світ повинен бути нескінченним, що не може таке бути, що наш Всесвіт колись народився. Як це так? Це якийсь акт створення. Не було нічого, а потім ми всі з'явилися, бо такого не може бути. Тому наука такими питаннями, в принципі, не займалася. І наука не цікавилася тим, як зародився наш світ, да й фактів, які могли б пояснити людям, як це відбулося тоді, не існувало. Але у першій половині 20-го сторіччя, десь починаючи з 20-х років, у 30-й, 40-й роки, поступово накопичувалися певні факти, і потім все змінилося. І зараз ми абсолютно впевнені, що наш світ колись мав початок. І цей початок, згідно з загально прийнятою теорією, називається саме теорією великого вибуху. Це перша і єдина визнана на цей час наукова теорія виникнення нашого света. Але виникає питання, а чому взагалі люди впевнені, що цей вибух колись відбувся? Чому, звідки наука знає, які взагалі були підстави у науки, вважати, що наш світ зародився з певного вибуху? Ну, здавалося б, ну, чому так, наш світ такий великий, ну, теорії не виникають з нічого. Кожна фізична теорія має певні передумови. Спочатку потрібні певні факти, спочатку потрібні певні моделі, і на основі цих моделей, на основі цих фактів народжується певна теорія. Так само теорія великого вибуху, вона народилася далеко не на порожньому місці. Якщо ми кажемо про те, які факти спричинили до того, що люди прийшли до думки про цей вибух, то це, по-перше, модель Всесвіто Олександра Фрідмана, яка була відкрита у 20-х роках. І це закон Хаббла, який був відкритий тоді ж. Що це таке? Що таке модель світу Фрідмана? І що це таке закон Хаббла? Ну, по-перше, слід сказати, що на початку 20-го сторіччя відомим фізиком Альбартом Айнштайном було розвинуто декілька теорій відносності. Спочатку він розробив спеціальну теорію відносності в 1905 році, а через 10 років після цього, в 1915 році, він розробив загальну теорію відносності. Загальна теорія відносності також відома як теорія гравітації. Це теорія, яка фактично показує, що таке гравітація. Яка показує, що гравітація – це процес викривлення цілами, що мають масу, нашу простору-часу, що простір і час залежать від гравітації, що біля, наприклад, масивних об'єктів час стає більш повільним, а коли масивних об'єктів немає, він йде зі своєю звичайною швидкістю, що взагалі процес падіння – це рух по прямій лінії у викривленому просторі тощо. Це була, намагуть, одна з найбільш визначних теорій взагалі в історії людства. І, сформулювавши цю теорію, Ейнштейн побачив, що світ, який він намагався описати своєю загальною теорією відносності, він якесь не такий, який повинен бути. Ейнштейн, з однієї сторони, був досить революційним фізиком, який висловлював революційні ідеї, з іншої сторони, він був фізиком, який виховувався в рамках класичної школи. Тому він не вірив, не міг повірити, що світ мав колись народження. Він вважав, що наш Всесвіт повинен бути стаціонарним, повинен бути незмінним. І коли він написав свої рівняння для загальної теорії відносності, він абсолютно вручнув штучно, не пояснюючи це нічим, додав у рівняння теорії відносності певних доданок, це називається лямдо-доданок, це називається космологічна стала, лише для того, щоб зробити наш Всесвіт стаціонарним і незмінним. Це нічого не випливало. Це випливало лише в певненості Ейнштейна, що Всесвіт повинен бути таким. Але через декілька років після того, як Ейнштейн написав свої рівняння, фізик, якого звали Олександр Фрідман, він проаналізував рівняння Ейнштейна і він показав, що насправді наш Всесвіт, якщо загальна теорія відносності вірна, а вона вірна, всі факти, які ми досліджуємо протягом останнього стріччя, вони демонструють, що загальна теорія відносності є дійсно працюючою теорією в усіх масштабах і це дійсно теорія, яка описує гравітацію, яка описує наш простір і час. Так от, Фрідман показав, що якщо ми будемо аналізувати рівняння загальної теорії відносності, ми не зможемо ніяк отримати стаціонарний світ. Наш Всесвіт не може, ніяк не може, бути незмінним. Причому коли ми кажемо, що наш світ не є незмінним, то це не слід уявляти собі, як щось кудись в нашому світі рухається. Звичайно, зірки кудись рухаються, планети обертаються навколо Солнца, Солнце обертаються навколо центру галактики, наша галактика наближається до галактики Андромеди, всі ті галактики рухаються в межах певних скупчень галактик, але це все не те. Коли ми кажемо про нестатіонарність, не змінність світу, ми кажемо про весь світ, про нібито всі простори в цілому. Тобто сам простір, в якому ми живемо, сам наш Всесвіт повинен змінюватися весь час. Всі відстані в нашому Всесвіті повинні весь час змінюватись. Інакше бути не може. Не може бути таке, щоб наш світ залишався незмінним. І Фрідман, коли він аналізував оці рівняні Айнштейна, він показав, що, в принципі, ці рівняні допускають три можливих розв'язки. По-перше, наш світ може нескінченно розширюватися. Таке можливо. По-друге, наш світ може нескінченно стискатися. Це теж можливо. І по-третє, наш світ може пульсувати. Тобто він спочатку розширюватися, стискатися, розширюватися, стискатися тощо. І це єдині можливі варіанти, які взагалі можуть бути в нашому всесвіті. Айнштейн, який спочатку вважав, що світ повинен бути статіонарним, потім він ознайомився за роботами Фрідмана. Він побачив, як той розв'язав його власній Айнштейн на рівнянні. І він потім казав, то була моя найбільша помилка. Так, я був неправий, світ не може бути статіонарним, я визнаю це. Потім все знов змінилося, але це вже було в кінці 20-го сторіччя. Ця космологічна стала, лямда стала в рівнянні Айнштейна і як людство виявило, вона пов'язана з темною енергією, але про це мова вже не йде, дійсно, світ не може бути статіонарним. І виникає питання, а що ж нашим сеслітом відбувається? Ну добре, три варіанти можливі. Від або розширюється, або стискається, або пульсує. Ми не можемо, базуючись лише на рівняннях, пройти до певного висновку. Нам потрібні певні експериментальні факти. Лише експеримент може показати, який з цих варіантів насправді відповідає нашому Всесвіті, в якому ми живемо. І такі експериментальні факти були знайдені у 1926 році відомим американським вченим Едвіном Хаблом. Він був першого чергу астрономом, він досліджував далекі галактики. І цей самий Едвін Хабл був видатним в тому плані, що він отримав докази того, що наш Всесвіт саме розширюється. І коли створювали перший потужний космічний телескоп, цей телескоп назвали саме на честь Едвіна Хабла. І якщо ми будемо зараз шукати Хабл у гуглі, то ми в першу чергу побачимо цей телескоп і побачимо його фотографії, які він виробляє починаючи з 1990 році, коли він був запущений. Але звичайно, що Хабл це не телескоп, це людина. І коли ми кажемо про дослідження Великого Вибуху, нам слід звертати увагу на фотографії Хабла як телескопу. Едвін Хабл відкрив при дослідженні спектрів далеких галактик, що має місце певний червоний суф спектральних ліній, що він тлумачив як наслідок ефекта Доплера. Фраза виглядає достатньо складно, погоджуюсь. Спектральні лінії, червоний суф, ефект Доплера, далекі галактики. Але насправді це все дуже просто і насправді це все може бути досить просто пояснено дуже простими словами. Що це означає? Як з цього відкриття ми можемо проаналізувати і дійти до висновку, що наш світ дійсно розширюється. Отже, що таке ефект Доплера? Ефект Доплера це ефект, який полягає у тому, що будь-які хвилі змінюються, коли джерело цих хвиль кудись рухаються. Ну наприклад, уявляємо собі, що в нас є зірка. Ну хай це типова зірка типу нашого сонця. Ми знаємо, що типова зірка типу нашого сонця має певний спектр, має певні кольори. Ну умовно скажемо, що вона нехай буде жовта. Ми знаємо, що всі зірки типу нашого сонця, вони мають жовтий кольор. Якщо це сонце буде віддалятися від нас і ми будемо спостерігати за сонцем, то ми будемо бачити, що воно більш червоне. Що воно перетворюється з жовтої зірки на червону зірку. Якщо воно наближатися, ми вже будемо бачити, що воно не жовте, а синє. Відповідно, це і називається червоний і синій сув. Тобто, аналізуючи те, якого кольору певні далекі об'єкти, якщо ми бачимо їх більш червоними, ніж вони повинні бути, то ми кажемо, ці об'єкти від нас віддаляються. Якщо ми бачимо їх більш синіми, ніж вони повинні бути, ми кажемо, ці об'єкти до нас наближаються. Якщо ми бачимо їх в реальності такими, якими вони і є, ми кажемо, ці об'єкти нікуди не рухаються. Відповідно, чим більш червона буде певна зірка, тим швидше вона від нас віддаляється. Чим більш синя ця зірка, тим швидше вона до нас наближається. Все дуже просто. І от саме завдяки ефекту Доплера можна визначити швидкість далеких зірок і галактик. Ми будемо спостерігати за цими галактиками, за тими зірками, і ми дивитися, які кольори відповідають цим об'єктам. Якщо ми будемо бачити червоні кольори, ми кажемо, вони віддаляються. Якщо будемо бачити сині кольори, ми скажемо, вони до нас наближаються. Якщо ми бачимо, що кольори такі ж самі, як і у сонці, ми скажемо, вони нікуди не рухаються і все світ є незмінним. Самоподібні виміри проводив в свій час у 1926 році Едвін Хаббел. І коли він це проаналізував, він спостерігав в результаті своєї роботи, що всі далекі галактики значно більш червоні, ніж потрібно. Він спостерігав той самий червоний сув. Причому, якщо зірка біля нас, цей червоний сув майже відсутніший. Якщо ця галактика не так вже далеко, він є, але слабкий. Якщо вона дуже далеко, цей червоний сув стає все більше і більше. Що це означає? Це означає, що всі галактики віддаляються одна від іншої. І чим далі вони знаходяться, тим більша швидкість цього розпігає. Звичайно, що є певні виключення. Є, наприклад, галактика Андромеди, яка наближається до нашої галактики Чумаський шлях і вважається, що десь через 4-5 мільярдів років галактика Андромеди і Чумаський шлях вони зіштовхнуться, об'єднаються і утворюють якусь мегагалактику. Я не знаю, там, Чумаська Андромеда. Але це виключення, воно не відповідає закону Хабло. Бо закон Хабло саме про далекі галактики. А галактика Андромеди, вона не так вже далеко від нас. Тобто це локальне виключення. Галактика Андромеди, вона має синій сув. Вона більш синя, ніж потрібно. А всі далекі галактики, вони дійсно більш червоні. І що це означає? Якщо галактики розбігаються одна від одної, причому чим далі, тим швидше, то це означає, що наш Всесвіт фактично розширюється. І це означає, що з трьох варіантів Фрідмана, які він запропонував, або Всесвіт весь час розширюється, або Всесвіт весь час стискається, або Всесвіт пульсує, ми повинні зупинитися на першому варіанті. Всесвіт розширюється. І після розширювання, після того, як модель Всесвіту Фрідмана і Законхабла були знайдені і сформулювані, то, відповідно, вже стало зрозуміло, що дійсно наш світ є Всесвітом розширення, і наш світ весь час збільшується в своїх розмірах. Причому це розбігання, це не просто рух певних галактик. Так, звичайно, галактики рухаються, зірки всередині тих галактик рухаються. Але цей рух не пов'язаний з розбіганням саме галактик. Як це можна собі уявити? Що я маю на увазі? Ну от, уявіть собі, що у нас є певна повітряна кулька. І ми цю повітряну кульку будемо поступово надувати. Ми на цій кульці поставимо певні тяточки. Візьмемо олівець і поставимо тут крапку, тут крапку, тут крапку, тут крапку. Коли ми будемо надувати цю кульку, вона стає все більшою і більшою за своїм розміром. І відстані між тими крапками, вони теж будуть ставати все більшими. Але це не означає, що вони будуть кудись рухатися. Ні. Там, де ми олівцем цю крапку поставили, вона завжди буде залишатися. Вона нікуди не рухається. Просто сама кулька стає більша. Просто сам розмір цієї кульки стає більшим. А так як розмір кульки стає більшим, то і відстані між окремими крапками також стають більшими. От аналогом цієї кульки, тільки привимірної, звичайно, є наш світ. А аналогом цих крапок, які ми поставили олівцем, є галактики. Тобто галактики самі по собі нікуди не рухаються. Галактика знаходиться в тому ж самому місті Всесвіту, де вона і була. Немає ніякої сили, яка прибушує цю галактику кудись рухатися з якоюсь швидкістю. Ні. Але просто в нашому Всесвіті стає все більше і більше простору. Тобто простір породжується. Весь час породжується з порожнечій. Новий простір і весь час наш світ сам по собі збільшується. І лише через збільшення самого простору, відповідно, збільшується розмір між галактиками, що ми бачимо, нібито вони кудись розбігаються. І так, як тут, до речі, ми знаємо, наприклад, що найбільша швидкість в нашому світі — це швидкість світла. Ніщо не може грукатися зі швидкістю більша, ніж швидкість світла. Але це мається, на увазі, самий рух. Так, далекі галактики не можуть рукатися швидше, ніж світло. Але простір може породжуватися значно швидше. І це виглядає для нас, ніби далекі галактики віддаляються від нас швидше, ніж швидкість світла. Тому розширення всесвіту — це не рух галактик в прямому сенсі, а це саме породження нового простору. Породження нових порожніх місць між галактиками. І, якщо ви подивимося знов-таки на цю кульку, на якій ми олівцем поставили певні галактики, ми не можемо сказати, що серед цих галактик є якась центральна, головна. Ми не можемо сказати, що оця є центральна, а всі інші віддаляються від неї. Ні. Кожна галактика віддаляється від всіх інших. Тому центром розширення всесвіту можна вважати абсолютно будь-яку місце в нашому всесвіті. Абсолютно будь-яке місце в нашому всесвіті можна вважати його центром. Бо кожне віддаляється від кожного іншого. Ну, звичайно, можемо сказати, а от кульки, оці кульки, яку ми надуваємо, у неї ж є певний центр. Так, але цей центр він знаходиться в іншому вимірі. Тобто кулька, вона двовимірна, а центр він знаходиться в третьому вимірі. Так само наш всесвіт. Наш всесвіт тривимірних, а центр розширення він знаходиться десь в четвертому вимірі. Ну, що таке четвертий вимір? Час. Тобто в часі у всесвіту є центр. Тобто місце, де всесвіт народився. Це час початку. Час початку існування. Великий вибух 13,7 мільярдів років тому. Але центра геометричного у нашому всесвіту немає. Тому ми можемо вважати, можемо взяти будь-яку точку нашого всесвіту. Ну, наприклад, візьмемо Майдан Незалежності, і ми можемо чітко сказати, що саме це місце нашого всесвіту є його центром. А чому ні? Якщо будь-яка точка всесвіту абсолютно рівнозначна з усіма іншими, то ми можемо обрати, як центр всесвіту абсолютно будь-яку точку. То будемо вважати, що весь наш всесвіт, величезний всесвіт, вже майже 14 мільярдів років, розширюється відносно Майдану Незалежності. Чудова думка, яка нічому абсолютно не супричить. Отже, ми вже зрозуміли, що світ розширюється. А тепер слід зрозуміти наступний, дуже простий, логічний крок. Якщо зараз світ стає все більшим і більшим, то що було колись? Колись він був меншим. А що було іще раніше? Він був ще меншим, майже точковим. Ну і врешті-решт він колись повинен бути точковим. Якщо все збільшується, то колись все було дуже малим. І якщо ми знаємо, з якою швидкістю віддаляються від нас галактики, якщо ми знаємо, як далеко вони від нас знаходяться, якщо ми знаємо швидкість і відстань, ми можемо знайти час. Ми можемо знайти, скільки років тому всі галактики були стиснуті в одну крапку. І якщо ми це зробимо, ми відповідно і знайдемо час, коли відбувся Великий Лим. Ця ідея про те, що наш світ колись розпочався з певної точки, вона, як не дивно, належить не вченому. Бо вчені навіть після відкриття Фрідмана, навіть після відкриття Хабла, вони ще не могли повірити, що в світ колись народився. А ця ідея належить католицькому священнику, якого звали Жорж Леметр. На фотографії ви можете побачити того самого Леметра поруч з Ейнштейна. І Жорж Леметр розглядав оцей акт народження як доказ певної релігійної теорії, як доказ того, що наш світ був створений Богом. І оцей первинний момент, первинну точку нашого світу він називав первинним атомом. І він називав це як доказ акту творіння. Це той випадок, коли релігійний діяч був більш просунутий в розумінні фізичної теорії, ніж фізики. Звичайно, що потім фізики проаналізували ці твердження і вони підтвердили, що так все воно і було. Але першим ця думка належить все-таки католицькому священнику. І цей первинний атом, як його називав Жорж Леметр, це була точка сингулярності, з якою народився наш світ. А сам Великий Вибух це певна модель, космологічна модель, що описує перший, самий ранній розвиток нашого Всесвіту. Самий початок його розширення. Перед яким Всесвіт перебував у точковому або сингулярному стані. Тобто, теорія Великого Вибуху це не просто все, що відбувалося з нашим Всесвітом завжди, а це те, що відбувалося в самому-самому-самому початку, коли він тільки народився. І те, що називав Жорж Лемета первинним атомом, ми зараз називаємо космологічною сингулярністю. Космологічна сингулярність це певна точка, це певний стан Всесвіту в самих перших момент Великого Вибуху. І так як наш Всесвіт тоді був стиснутий в точку, то він мав тоді нескінченну щільність і нескінченну температуру. Тобто, це був розігрітий до нескінченної температури нескінченний щільний об'єкт, який мав нульовий розбір. Потім щось відбулось. Що саме ніхто не знає. Ніхто не знає, чому ця сингулярність вибухнула. Хто саме примусив цю сингулярність перетворитися на те, що ми здаємо зараз на наш світ. Але вона це зробила і почалася історія нашого світу. Ідея про сингулярність в тому розумінні, в якому ми це зараз про неї кажемо. Вона належить відомому англійському фізику, якого звали Стівен Покін. Це достатньо видатна особистість. Він був тяжкохворою людиною. Він останні 50 років майже свого життя був прикутий до інвалідного крісла. Він не міг рукатися. Він не міг нічого розмовляти. Він спілкувався з людьми спеціальними приладами. В нього працювало одне око. В нього працював спочатку один палець. Тобто це була важкохвора людина. Але не зважаючи на свою хворобу, до останніх років свого життя він розвивав дуже просунуті космологічні моделі. І більша частина моделей, в тому числі і Великого Вибуку, і інших космологічних моделей нашого світу, вони були в той чи іншій мірі розвинуті і популяризовані стами Стівеном Хокінгом. Про Стівена Хокінга знято досить багато цікавого матеріалу, в тому числі і два художні фільми. Хто не бачив, дуже раджу подивитися фільм «Хокінг», де його грає Бенедікт Камбербетч. Звичайно, це певні художні переосмислення його життя, але дуже цікава особистість, яка доводить, що ми можемо, незважаючи на наші всі фізичні вади, розвивати наші розуміння всесвіту і наш розум, він не прив'язаний до нашого тіла, а наш розум може кудись заглиблюватися в глибини будови нашого світу, навіть якщо тіло певним чином його обмежує. Сами Стівен Хокінг у 1920 році 1967 році опублікував статтю, де він пов'язував появу цієї космологічної сингулярності, обґрунтовував її на основі цієї самої теорії відносності. І Стівен Хокінг стверджував, з чим, в принципі, більша частина вчених сучасних погоджується, що результати наших спостережень підтверджують, що всесвіт виникнув в певний момент часу. Однак сам момент початку сама сингулярність, то з чого все почалося, не підкорюється жодному з відомих законів фізики. Ми не можемо описати сингулярність тими способами, якими ми описуємо звичайно наш світ. І це дивно не тільки тому, що ця сингулярність колись існувала, а потім з нею з'явився світ, а це і дивно тому, що вона нібито знищила все, що було до того, якщо до того щось все далі було. Стівен Хокінг казав, що ніякі наші відомості про те, що відбулося після великого вибуху, не можуть нам дати ніякої інформації про те, що було до нього. Тобто, за його думками, якщо навіть існував якийсь всесвіт до нашого, якщо існувало щось до сингулярності, то ми не можемо і не зможемо ніколи дізнатися про це, тому що сингулярність, що не підкорюється жодному закону фізики, вона нібито знищила весь попередній світ, який тоді може існував, а може і ні, і вона розпочала абсолютно новий світ з абсолютно іншого збору. Тобто, якщо хтось спитає, а що було до великого вибуху, то відповідь сучасної науки це невідомо. Звичайно, що існують певні виклячення, про які я розкажу потім, але, в принципі, загально-науковий консенсус схиляється саме до такої думки і погоджується зі стіваною років. Отже, стало зрозуміло, що наш Всесвіт з'явився приблизно 13,7-13,8 млрд років тому з деякого початкового стану, який ми називаємо космологічна сингулярність, і з тих пір, як він народився, він беззапинно розширюється, охолоджується. І вся історія нашого світу це історія нескінченого розширення нашого світу, яке відбувається і зараз, і він стає все більшим і більшим, і він стає все більшим і більшим ходом. А що відбувалося далі зі Всесвітом після того, як він перейшов з сингулярного вже в звичайний стан, ми поговоримо в другій частині нашої лекції.