Астрономия за 1 час

С первых мгновений своего существования Вселенная начала остывать и расширяться, этот процесс продолжается до сих пор. Концентрированная энергия постепенно преобразовалась в вещество, которое под действием закона тяготения и других сил сформировало все объекты Вселенной. По приблизительным расчетам астрономов, возраст нашей Вселенной составляет около 13 миллиардов лет.

Наибольшее распространение получила модель Вселенной, где теория Большого взрыва объединена с теорией горячей Вселенной. То есть температура в момент мгновенного расширения была очень высокой. Но существует и другая модель – холодного Большого взрыва. Согласно ее постулатам, расширение происходило при абсолютном нуле температуры.

Несмотря на то что теория Большого взрыва считается общепринятой, в ней имеется множество нерешенных вопросов и проблем. Для ответов на некоторые из них была создана инфляционная модель Вселенной. Она рассматривает очень короткий промежуток времени сразу после Большого взрыва, когда Вселенная расширялась гораздо быстрее, чем впоследствии. Согласно этой теории, на очень ранних стадиях своего существования Вселенная обладала полями, создающими инфляционное расширение.

В результате развития инфляционной модели появились так называемые «теории всего», или единые теории поля, – попытки объединить физику и математику и в нескольких формулах описать все мироздание. В первую очередь, должны быть описаны фундаментальные взаимодействия: гравитационное, электромагнитное, сильное ядерное (удерживающее элементарные частицы внутри атома) и слабое ядерное (проявляющееся в реакциях радиоактивного распада). Кроме того, в рамках «теории всего» необходимо объяснить существование всех элементарных частиц и построить теорию квантовой гравитации, объединяющую общую теорию относительности и квантовую механику.

На звание единой теории есть несколько претендентов, и первый из них – теория струн. Главный объект изучения этой теории находится глубоко внутри атома. Ядро каждого атома состоит из нейтрально заряженных нейтронов и положительно заряженных протонов. Они, в свою очередь, состоят из мельчайших частиц, кварков, имеющих множество разновидностей. Теория струн предполагает, что микроскопические элементарные частицы представляют собой струны, находящиеся в состоянии постоянного колебания. Таким образом, то, что в традиционной физике считается траекторией движения частиц, сторонники теории струн считают траекторией колебания струны.

Математические расчеты показали, что теория струн работает только в том случае, если предположить, что вместо привычных трех или четырех измерений существует десять: девять пространственных и одно временное. «Лишние» измерения существуют лишь на квантовом уровне, в свернутом в микроскопических масштабах виде. Астрономы и математики пытаются применить теорию струн к моменту зарождения Вселенной, и это приводит к неожиданным результатам. Получается, что в момент Большого взрыва Вселенная должна была иметь какой-то минимальный размер (в стандартной модели он был нулевым). Кроме того, большое количество пространственно-временных измерений меняет картину эволюции Вселенной, и это требует объяснений. Более современная модификация теории струн называется теорией суперструн, она имеет пять вариантов, отличающихся видами суперсимметрии, связывающей элементарные частицы.

Альтернативой теории струн и суперструн является теория бран, или М-теория. Брана – это многомерная мембрана, базовая составляющая теории. Согласно данной теории, пространство-время пятимерно, оно состоит из четырех пространственных измерений и одного временного. Область четырехмерного пространства ограничена двумя три-бранами – стенами трехмерных пространств. Одна из таких стен и есть наше привычное мироздание. Между двумя стационарными стенами есть одна блуждающая, в тот момент, когда она столкнулась с нашей стеной, и произошел Большой взрыв.

Среди современных космологических теорий стоит отметить циклические, которые гласят, что Большой взрыв – это не рождение Вселенной из небытия, а одна из стадий ее существования. Вселенная расширяется до определенного предела, потом начинается сжатие, доходит до точки сингулярности, после чего снова следует Большой взрыв.

Часть II. Победа над силой тяготения: человек в космосе

2.1. Мечты о космосе: летательная машина Николая Кибальчича и «ракетные поезда» Константина Циолковского

С тех пор как люди поняли, что звезды и планеты – это не светящиеся точки, перемещающиеся по сферическому небосводу, а огромные космические тела, они стали мечтать о путешествиях за пределы Земли. Поначалу эти идеи относились к области фантастики, но уже в XIX–XX вв. появились разработки, близкие к тем, которые позволили осуществить запуск космических аппаратов.