Големият взрив V2.0

via Backreaction
LabReporter

Черни дупки и Вселена в светлината на Теорията на относителността

С новите познания, които имаме от разглеждането на Специалната и Общата теория на относителността сега можем да се върнем на въпросите за Вселената.

Черните дупки

Немският астроном Шварцшилд придал математическа точност на изкривяването, извършил изчисления и предсказал, че ако отношението между масата и радиуса на сферично тяло е над критична стойност, тогава изкривяването на пространството е толкова голямо, че нищо, което се приближи прекалено много, не може да го напусне. Това е черна дупка, а границата е наречена хоризонт на събитията. Ако човек се доближи на 10 cm от хоризонта на събитията и остане там 1 година, времето ще тече толкова бавно, че когато се той върне на Земята тук ще са минали около 10 000 години.

Вселената

Ако Теорията на относителността се приложи за цялата Вселена ще получим, че тя не е статична, а се променя. Айнщайн въвел космологична константа, с която преработил уравненията и "направил" Вселената неизменна. Хъбъл доказал, че фактически Вселената се разширява, което значи, че ОТО е била вярна преди корекцията. Ако галактиките наистина се раздалечават една от друга, то можем да върнем мислено времето назад и да стигнем до извода, че всичко е започнало от една точка. Но идеята не е, че тази точка е избухнала и се разширява в пространството, а че самото пространство (и време) не са съществували преди Големия взрив и след взрива то започва да се разгръща като океан заедно с всичката материя и енергия вътре в него.

Тестове на теорията на Големия взрив

Разширението

Големият взрив е модел, който произтича по естествен начин от Общата теория на относителността, приложена към хомогенна вселена. През 1917 година обаче идеята за разширяваща се вселена била абсурдна. Затова Айнщайн измислил терминът космологична константа, с която теоретично направил вселената статична. През 1929 година Едуин Хъбъл обявил, че според неговите наблюдения на галактики отвъд нашия Млечен път, те систематично се отдалечават със скорост, пропорционална на квадрата на разстоянието им до нас. Колкото по-далеч е галактиката, толкова по-бързо се отдалечава. В крайна сметка вселената се разширява — точно както в началото предсказвала Общата теория на относителността. Хъбъл установил, че светлината от коя да е галактика се отмества към червения край на светлинния спектър толкова повече, колкото по-далеч е тя от нас.

Ако вселената действително се разширява еднакво във всички посоки, то ние бихме наблюдавали точно гореописаното поведение на галактиките. Освен това никоя галактика няма да е привилегирована и да заема централно място. Откритието на Хъбъл отговаря на хомогенна разширяваща се вселена.

Нуклеосинтез в ранната вселена

Терминът нуклеосинтез означава образуване на по-тежки химични елементи — атомни ядра с много протони и неутрони — от по-леки елементи. Теорията на Големия взрив предсказва, че ранната вселена е била много горещо място. Секунда след него температурата била 10 милиарда градуса и всичко било изпълнено от неутрони, протони, електрони, позитрони, фотони и неутрино. С охлаждането неутроните или се разпадали на протони и електрони, или се комбинирали с протоните и образували деутерий (изотоп на водорода). През първите три минути повечето деутерий се свързал в хелий. Има и следи от литий от това време.

Предсказаното изобилие от деутерий, хелий и литий зависи от плътността на обикновената материя в ранната вселена, както се вижда на графиката. Според резултатие количеството хелий зависи много слабо от изобилието на обикновена материя (над определена граница). Очакванията на учените са, че 24% от материята във вселената е хелий, образуван при Големия взрив. Това съответства много добре на наблюденията.

Общоприетият в момента модел може да се тества още. За да отговарят предсказаните количества други леки елементи на наблюденията трябва плътността на обикновената материя да е 4% от критичната плътност. (защо?) Сателитът WMAP би трябвало да успее директно да измери плътността на обикновената материя и да сравни получените резултати с очакваните от теорията на нуклеосинтеза при Големия взрив. Това ще бъде важен и неоспорим тест на модела. Ако резултатие съвпадат, те ще потвърдят теорията на Големия взрив. Ако не съвпадат, тогава:

1) данните са грешни,
2) не разбираме достатъчно процесите на нуклеосинтез в ранната вселена,
3) погрешно разбираме механизмите, които причиняват флуктуации в микровълновото фоново лъчение, или
4) има фундаментален проблем в теорията на Големия взрив.

Нуклеосинтез в звездите

По-тежките от литий елементи се синтезират в звездите. През късните етапи на звездната еволюция масивните звезди изгарят хелий и образуват въглерод, кислород, силиций, сяра и желязо. По-тежките от желязо елементи се получават по два начина:

• във външните слоеве на свръхгигантски звезди и
• при експлозиите на свръхнови.

Микровълново фоново лъчение

Равномерното разпределение на това много слабо, но доловимо лъчение по целия небосклон е още един много силен аргумент в защита на Големия взрив.

Големият взрив

Теорията за Големия взрив ни обяснява как Вселената се е образувала и как тя еволюира. В основата си това е теория, създадена да даде отговор на два факта, които със сигурност знаем – Вселената постепенно се разширява и охлажда. През 20-те години на миналия век Едуин Хъбъл открил, че галактиките, далеч от Млечния път, се отдалечават от нас. Всъщност, колкото по-далеч са от нас, толкова по-бързо се отдръпват. И така той заключил, че цялата Вселена сигурно се разширява. Ако проследим нещата назад излиза, че в някакъв етап от миналото тя е била съсредоточена в една точка.

Освен това знаем, че Вселената сега е по-студена отколкото е била в миналото. През 60-те години на миналия век Арно Пенсиас и Робърт Уилсън засякли сиянието, останало от Големия взрив, известно като космическо микровълново фоново лъчение. Това показва, че някога Вселената е била много горещо и негостоприемно място. Тези две открития довели астрономите до заключението, че Вселената води началото си от безкрайно компактна огнена топка.

Големият взрив обяснява как тази огнена топка се е разширила и от нея са произлезли всички звезди и планети около нас. Заради името си много хора го смятат за някаква мощна експлозия, която е станала в определено място в пространството, но това е погрешно, защото Вселената не се е появила от една централна точка. По време на Големия взрив самото пространство е било създадено, а после разтегнато.

(превод от ВВС)