Що таке Великий вибух?

Після феєрверка можна показати місце вибуху: звідти розлетілися іскри. Назва «Великий вибух» ніби обіцяє таку саму історію для галактик. Але де тоді шукати її центр?

Модель гарячого Великого вибуху описує, як Всесвіт розширювався й охолоджувався з раннього гарячого, густого стану. Це не вибух речовини в готовому порожньому просторі й не доведення абсолютного початку всього. Ці два розрізнення потрібні, щоб зрозуміти, що саме підтверджують спостереження. PDG: основи моделі та її докази, §22.1.

Що зміниться, якщо прокрутити історію назад?

У великомасштабній картині відстані між областями, які рухаються разом із загальним розширенням, зростають. Прокручуючи модель назад, ми отримуємо менші відстані й більшу середню густину. Це не означає, що Земля, атоми або кожна галактика сьогодні розтягуються тим самим чином: зв’язані системи потребують окремого опису.

Раніше змінювалося й випромінювання. Коли Всесвіт розширюється, довжини хвиль вільного космічного світла збільшуються, а енергія кожного фотона зменшується. Для теплового випромінювання це означає нижчу температуру. У зворотному напрямку ми приходимо до гарячішого середовища, у якому звичні атоми ще не могли довго залишатися нейтральними. PDG: червоне зміщення, рівняння 22.5; охолодження, §22.3.1.

Не уявляй готові зорі, які тісно склали в коробку. У ранню гарячу фазу ще не було сучасного населення галактик. Із розширенням змінювалися умови для самих частинок, ядер, атомів і, набагато пізніше, зір.

Більший об’єм — менша температура випромінювання

Порівняймо два умовні стани одного об’єму, що бере участь у розширенні. У другому всі три його лінійні розміри удвічі більші. Для вільного теплового випромінювання без додаткового нагрівання температура зменшується вдвічі. Візьмемо довільні 6000 і 3000 K: це приклад співвідношення, а не дві точно датовані космічні події.

Умовний об’єм охолоджується при розширенні

Раніше

Лінійний розмір: 1
Об’єм: 1
Температура фотонів: 6000 K
Густина енергії фотонів: 1

Пізніше

Лінійний розмір: 2
Об’єм: 8
Температура фотонів: 3000 K
Густина енергії фотонів: 1/16

Ілюстративний фотонний газ: розширення без додаткового нагрівання. Ребра другого куба удвічі довші; його об’єм у 8 разів більший. Куби позначають обраний супутній об’єм, а не стінки чи весь Всесвіт. 6000 і 3000 K — довільний приклад, не датовані спостереження. Густину енергії нормовано на перший стан.

Чому густина енергії випромінювання зменшилася аж у 16 разів? Фотони розподілилися у восьмикратно більшому об’ємі, а енергія кожного ще й зменшилася вдвічі. Це два різні ефекти. Для звичайної нерелятивістської речовини густина маси за збереження частинок спадає інакше — лише як обернений об’єм.

Відгалуження · З формуламиНеобов’язково · можна пропустити

Звідки беруться множники 2, 8 і 16?

Масштабний фактор $a$ описує зміну великомасштабних відстаней. Він безрозмірний; важливе співвідношення двох його значень. Для фотонного газу, який розширюється адіабатично без додавання тепла, $T\propto a^{-1}$ , а об’єм $V\propto a^3$ . Тому при $a_2/a_1=2$

\begin{aligned} T_2&=T_1/2,\\ V_2&=8V_1. \end{aligned}

Густина енергії фотонів $u_\gamma$ пропорційна $T^4$ , отже

$\frac{u_{\gamma,2}}{u_{\gamma,1}}=\frac{1}{2^4}=\frac{1}{16}.$

Температури тут у кельвінах. Ділити навпіл число градусів Цельсія не можна: нуль цієї шкали обраний інакше. Цей простий закон для фотонів не слід без поправок переносити через усі ранні перетворення частинок, які могли передавати енергію випромінюванню. PDG: рівняння 22.40–22.41 та нагрівання при анігіляції, §22.3.3.

Ми відновлюємо історію за різними слідами

Самого розширення недостатньо, щоб встановити гаряче минуле. Потрібно перевірити, чи узгоджуються інші спостереження з тією самою історією.

Реліктове випромінювання заповнює небо й має майже тепловий спектр із температурою близько 2,7 K сьогодні. У гарячому ранньому Всесвіті фотони багаторазово взаємодіяли з речовиною; згодом середовище стало значно прозорішим, а розширення змістило світло в мікрохвильовий діапазон. Це не світло сучасних зір, яке просто стало слабшим. NASA: давнє світло й охолодження.

Поширеність легких ядер дає іншу перевірку. Ядерні реакції в гарячому середовищі передбачають кількості, зокрема, дейтерію та гелію-4, які порівнюють з астрономічними вимірюваннями. Це не твердження, що всі хімічні елементи виникли одразу. Для літію залишається відома розбіжність між стандартним прогнозом і певними спостереженнями. Cooke: нуклеосинтез, розділи 1 і 3.4.

Сильний аргумент — узгодженість різних слідів, а не один кадр «моменту вибуху». Телескопи, що бачать далекі галактики, спостерігають уже пізніші об’єкти. Вони не зняли абсолютний початок часу. NASA: що спостерігають Webb і місії реліктового випромінювання.

Гаряча історія і питання про початок — різні твердження

У простих класичних моделях повернення до дедалі ранішого часу приводить до сингулярності: опис стає нескінченним або перестає продовжуватися. Це сигнал межі моделі, а не виміряна нескінченно гаряча крапка. Для надзвичайно ранніх умов потрібен опис, який враховує квантові властивості гравітації. Einstein Online: два значення Великого вибуху.

Інфляція — гіпотеза про дуже раннє прискорене розширення, яка пояснює низку рис Всесвіту. Вона не тотожна самому підтвердженому гарячому минулому, а її фізичний механізм не встановлено. Не слід малювати один безперервний «відеозапис», де всі ранні етапи відомі однаково добре.

Звідси не випливає ані впевнене «до цього нічого не було», ані впевнене «до цього був інший Всесвіт». Гарячий Великий вибух дає перевірювану історію розширення, охолодження й утворення речовини в знайомих нам формах. Питання, чому така історія почалася і чи існувало щось раніше, лишається відкритим.

Якби назва статті була «Велике охолодження після гарячого стану», вона гірше запам’ятовувалася б, але менше нагадувала феєрверк. Для розуміння доказів корисніше простежити як світло розповідає про минуле, ніж шукати на небі місце вибуху.