Концепция Большого взрыва (BBT, Big Bang Theory) — строгая космологическая модель, основанная на уравнениях Общей теории относительности и наблюдаемых данных.
Строго исторические данные о ключевых учёных, которые предложили и развивали гипотезу Большого взрыва, с датами, формулами и вкладами.
1. Альберт Эйнштейн (Albert Einstein, 1879–1955)
- 1905 — Специальная теория относительности (СТО).
- 1915 — Общая теория относительности (ОТО), фундамент для космологии.
- Уравнения поля ОТО:
$R_{\mu\nu}-\tfrac{1}{2}g_{\mu\nu}R+\Lambda g_{\mu\nu}=\frac{8\pi G}{c^4}T_{\mu\nu}$
- 1917 — Ввёл космологическую константу (\Lambda), чтобы Вселенная была статической.
- Ошибочно считал, что Вселенная неизменна; позже признал это неверным после открытий Хаббла.
Роль: дал математическую основу, но не предложил концепцию расширяющейся Вселенной.
2. Александр Фридман (Alexander Friedmann, 1888–1925)
- 1922, 1924 — Решил уравнения Эйнштейна для однородной, изотропной Вселенной без предположения о её статичности.
- Получил динамические модели: расширяющаяся или сжимающаяся Вселенная.
$(\dot a/a)^2=\frac{8\pi G}{3}\rho-\frac{kc^2}{a^2}+\frac{\Lambda c^2}{3}$
- Предсказание: если (\rho>0), Вселенная должна эволюционировать во времени.
- Эйнштейн изначально скептически относился к результатам Фридмана.
Роль: математический фундамент концепции Большого взрыва — первый показал возможность расширения.
3. Жорж Леметр (Georges Lemaître, 1894–1966)
- Священник, физик и астроном из Бельгии.
- 1927 — независимо от Фридмана описал расширяющуюся Вселенную и вывел закон, аналогичный закону Хаббла.
- Ввел концепцию «первичного атома» (primeval atom) — ядра, из которого возникла вся Вселенная.
- Фактически предложил гипотезу Большого взрыва.
Основные идеи Леметра:
- Вселенная возникла из очень плотного и горячего состояния.
- Расширение — не разлёт материи в пустоте, а растяжение самого пространства.
4. Эдвин Хаббл (Edwin Hubble, 1889–1953)
- 1929 — Опубликовал наблюдаемый закон:
- $v=H_0d$ где:
- ( $v$ ) — скорость удаления галактики,
- ( $d$ ) — расстояние до галактики,
- ( $H_0$ ) — постоянная Хаббла.
- Открыл:
- Существование галактик за пределами Млечного Пути.
- Красное смещение в их спектрах → свидетельство расширения Вселенной.
Роль: предоставил наблюдаемое доказательство модели Леметра и Фридмана.
5. Джордж Гамов (George Gamow, 1904–1968)
- Советский и американский физик-теоретик.
- 1940-е гг. — вместе с учениками (Ральф Альфер, Роберт Херман) развил модель горячей Вселенной.
- Предсказал существование реликтового микроволнового излучения как остывшего остатка начального жара.
Предсказанная температура (1948): ≈5 K.
Современное измерение: 2.725 K.
6. Ральф Альфер (Ralph Alpher, 1921–2007) и Роберт Херман (Robert Herman, 1914–1997)
- 1948 — Совместно с Гамовым описали процесс первичного нуклеосинтеза.
- Рассчитали соотношения водорода, гелия, дейтерия и других лёгких элементов.
- Предсказали CMB задолго до его открытия.
7. Арно Пензиас и Роберт Вилсон (Arno Penzias, Robert Wilson)
- 1964–1965 — случайно обнаружили космический микроволновый фон с температурой 2.7 K.
- Использовали антенну Bell Labs, изначально для спутниковой связи.
- Это стало прямым доказательством модели горячего Большого взрыва.
Нобелевская премия — 1978 год.
Хронология ключевых открытий
| Год | Учёный/группа | Открытие / вклад |
|---|---|---|
| 1915 | А. Эйнштейн | Общая теория относительности |
| 1922 | А. Фридман | Модели расширяющейся Вселенной |
| 1927 | Ж. Леметр | Идея «первичного атома» |
| 1929 | Э. Хаббл | Закон Хаббла — наблюдательное подтверждение |
| 1948 | Г. Гамов, Р. Альфер, Р. Херман | Предсказание CMB и нуклеосинтеза |
| 1965 | А. Пензиас, Р. Вилсон | Открытие CMB |
Итог
- Фридман — математический фундамент (динамическая Вселенная).
- Леметр — физическая интерпретация и идея первичного атома → фактический «отец» концепции Большого взрыва.
- Хаббл — наблюдательное подтверждение расширения.
- Гамов, Альфер, Херман — теория горячего начала, предсказание реликтового излучения и первичного состава элементов.
- Пензиас и Вилсон — окончательное подтверждение, обнаружение CMB.
Таким образом, современная теория Большого взрыва — результат последовательного вклада теоретиков и наблюдателей с 1915 по 1965 год.
Краткая структурированная версия с ключевыми формулами и физическими параметрами.
1. Исходные принципы
- Однородность и изотропность Вселенной (на больших масштабах).
Математическая основа — метрика Фридмана–Леметра–Робертсона–Уокера (FLRW):
$ds^2=-c^2dt^2 + a^2(t)[dr^2/(1-kr^2)+r^2(d\theta^2+\sin^2\theta d\phi^2)]$ - Уравнение Фридмана — ключ для динамики расширения:$H^2=(\dot a/a)^2=\frac{8\pi G}{3}\rho — \frac{kc^2}{a^2} + \frac{\Lambda c^2}{3}$
- Начальное условие — при ($t\to0$) масштабный фактор ($a(t)\to0$), плотность ($\rho\to\infty$), температура ($T\to\infty$). Это состояние называется
сингулярностью.
2. Этапы эволюции Вселенной
2.1. Планковская эпоха
- Время: ($t<10^{-43}\ \mathrm{s}$).
- Температура: ($T>10^{32}\ \mathrm{K}$).
- Гравитация требует квантового описания (не существует полной теории).
2.2. Великие объединения и инфляция
- ($10^{-43}\ \mathrm{s}<t<10^{-32}\ \mathrm{s}$).
- Энергия ($\sim10^{15}-10^{16}\ \mathrm{GeV}$).
- Возможное объединение сильного, слабого и электромагнитного взаимодействий.
- Инфляционный этап: экспоненциальное расширение $a(t)\propto e^{Ht}$
2.3. Кварк-глюонная плазма
- ($10^{-12}\ \mathrm{s}<t<10^{-6}\ \mathrm{s}$).
- Температура: ($T\sim10^{12}\ \mathrm{K}$).
- Материя — свободные кварки, глюоны, лептоны, фотоны.
- Хадронизация → образование протонов и нейтронов.
2.4. Замерзание слабых взаимодействий
- ($t\sim1\ \mathrm{s}), (T\sim1\ \mathrm{MeV}$).
- Отношение нейтронов к протонам:
$n/p=\exp(-\Delta m/(k_B T))$
2.5. Первичный нуклеосинтез
- ($t\sim180\ \mathrm{s}), (T\sim0.1\ \mathrm{MeV}$).
- Реакции синтеза:
- ($p+n\to D+\gamma$) (дейтерий)
- ($D+D\to ^3He + n$)
- ($D+T\to ^4He+\gamma$)
- Итоговая массовая доля гелия:
$Y_p\approx0.25$
2.6. Эпоха рекомбинации
- ($t\sim3.8\times10^5\ \mathrm{лет}), (T\sim3000\ \mathrm{K}$).
- Электроны соединяются с ядрами → атомы.
- Фотоны отделяются от вещества → реликтовое излучение (CMB) с текущей температурой:
$T_0=2.725\ \mathrm{K}$
2.7. Формирование структур
- После рекомбинации возникают флуктуации плотности, гравитационно коллапсирующие в:
- галактики,
- звёзды,
- скопления галактик.
3. Современные наблюдаемые подтверждения
- Космическое микроволновое фоновое излучение (CMB) — абсолютно чёрное тело, ($T_0=2.725\ \mathrm{K}$).
- Красное смещение галактик (закон Хаббла): $v=H_0 d$
где ($H_0\approx 70\ \mathrm{км/с/Мпк}$). - Первичный состав лёгких элементов:
- ($^{4}He\sim25%$),
- $D ≈ (2\times10^{-5}$) по отношению к водороду,
- ($^3He) и (^7Li$) в согласии с теорией.
- Структура крупномасштабных скоплений — флуктуации соответствуют предсказаниям из инфляционной модели.
4. Хронология и ключевые параметры
| Время (t) | Температура (T) | Ключевое событие |
|---|---|---|
| ($10^{-43}\ \mathrm{s}$) | ($10^{32}\ \mathrm{K}$) | Планковская эпоха |
| ($10^{-32}\ \mathrm{s}$) | ($10^{28}\ \mathrm{K}$) | Инфляция |
| ($10^{-6}\ \mathrm{s}$) | ($10^{13}\ \mathrm{K}$) | Кварки → адроны |
| ($1\ \mathrm{s}$) | ($10^{10}\ \mathrm{K}$) | Замерзание слабых взаимодействий |
| ($180\ \mathrm{s}$) | ($10^9\ \mathrm{K}$) | Нуклеосинтез |
| ($3.8\times10^5\ \mathrm{лет}$) | ($3000\ \mathrm{K}$) | Рекомбинация, CMB |
| ($13.8\times10^9\ \mathrm{лет}$) | ($2.725\ \mathrm{K}$) | Ныне |
5. Итог
Большой взрыв — не «взрыв в пространстве», а расширение самого пространства.
Главные количественные следствия:
- Расширение описывается уравнением Фридмана.
- Состав реликтового излучения и первичных элементов предсказан и совпадает с наблюдениями.
- Эволюция Вселенной от ультрагорячего состояния к современной структуре подтверждается спектром флуктуаций CMB и распределением галактик.
Модель является минимальной и строго математической, поддержанной наблюдательными данными на всех ключевых этапах.