Въпросът как е започнала Вселената и как ще свърши е тревожил човечеството от хилядолетия. Древните гърци и много други цивилизации са вярвали, че нашата Вселена е вечна. Аристотел е един от първите хора, мислили по различен начин — той предполагал, че Вселената е ограничена в това, което той нарекъл „небесна сфера". За всеобщо изненадване, около 1930 г. е открито, че Вселената не е безкрайно стара, а има крайна възраст. Астрономът Едуард Хъбъл направил поразителното наблюдение, че всички галактики се отдалечават една от друга. Следователно трябва да се приеме, че преди 1000 години те са били по-близо, преди 1 милион години — още по-близо, и така нататък. Накрая, в някакъв момент в миналото, около 13,7 милиарда години назад, цялата материя във Вселената трябва да е била компресирана при изключително голяма плътност и температура.

Големият взрив. Източник на изображение: Counterbalance Foundation

Тъй като разширяването от това начално състояние протича като гигантски взрив, тази теория бързо стала известна като Големия взрив. Първоначално названието „Голям взрив" е използвано иронично и е измислено от противниците на тази теория, защото през 30-те години на XX в. много хора не могли да си представят, че Вселената не е безкрайно стара. Въпреки това, названието „Голям взрив" се използва оттогава, защото е запленявало въображението на учени и непосветени.

В момента теорията за Големия взрив е най-широко приетата теория за произхода на Вселената — но тя далеч не е пълна. Теорията за Големия взрив обяснява как Вселената може да се е развила след своето създаване, но има много повече космологични въпроси. Как се е случил Големият взрив? И ако нашата Вселена се разширява, в какво се разширява? Някои от тези въпроси са вълнуващи нови предизвикателства за астрономите, докато други са просто объркващи. Например, знаем какво се е случило с Вселената от части от секундата след Големия взрив, но не можем напълно да обясним първата частица от секундата, когато са създадени пространство и време. Така че ако попитате какво е имало преди Големия взрив? Нищо, защото пространство и време не са съществували до Големия взрив, така че няма преди Големия взрив и няма място, където нещо да е можело да бъде.

Теорията за Големия взрив твърди, че цялата материя е съществувала от самото начало, но е била на едно място. Преди Големия взрив нямало нито време, нито пространство. Хъбъл открил, че галактиките се отдалечават една от друга, което довело до идеята за разширяващото се пространство. Това означава, че не движението на самите галактики ги отдалечава. Самото пространство движи галактиките една от друга.

В Общата теория на относителността на Алберт Айнщайн той обяснява как всеки обект в пространството е вграден в него и самото пространство се разширява, увеличавайки разстоянието между обектите. Всички точки от материята и пространството са били в една точка преди Големия взрив, което означава, че Големият взрив се е случил навсякъде.

По-лесно е да си представим надуваем балон. Балонът представя пространството (двуизмерно в случая). Върху балона поставяте стотици маркери, представляващи галактики. Ако надуете балона, маркерите изглежда се отдалечават един от друг, но в действителност кожата на балона между всеки маркер се е разтегнала и е отдалечила всички „галактики".

Едуард Хъбъл разбрал, че всички галактики се отдалечават една от друга, наблюдавайки светлина от изключително далечни източници. Установил, че тази светлина се е изместила към червения край на видимия спектър. Това може да се обясни с ефекта на Доплер, според който светлината, излъчена от источник, отдалечаващ се от наблюдателя, се наблюдава с по-ниска честота.

По-ниската честота означава, че наблюдаваната светлина изглежда по-червеникава от излъчената от источника, и този ефект се нарича червено отместване.

Илюстрация на ефекта на Доплер. Източник на изображение: epicphysics.com

Ефектът на Доплер се прилага за всички видове вълни, но е най-лесно да се обясни с помощта на звук. Представете си мотоциклет, движещ се към наблюдател B. Двигателят му излъчва звукови вълни (шум) във всички посоки, но тъй като мотоциклетът се движи напред, той настига звуковите вълни, пуснати по-рано, което означава, че разстоянието между всеки следващ фронт на вълните намалява. Това увеличава честотата на звуковите вълни, което означава, че B чува по-висок шум. Зад мотоциклета ефектът е обратен: разстоянието между фронтовете на вълните се увеличава с отдалечаването на мотоциклета от наблюдателя A, който чува по-нисък шум.

Светлината ще изпита подобен ефект. За светлинно-излъчващи обекти, движещи се към наблюдателя, вълните ще бъдат компресирани, което означава по-висока честота и по-малки дължини на вълните, които изглеждат синкави. За галактики, отдалечаващи се от нас, светлината ще се измести към по-ниски честоти (по-голяма дължина на вълната) и ще изглежда по-червеникава.

Това изображение показва, че светлината на далечните галактики е червена, а не жълта, защото те се отдалечават от нас. Източник: ESA/NASA

Теориите за това как е изглеждала много ранната Вселена са силно спекулативни, тъй като е много трудно да се знаят подробности за неща, случили се преди 13,7 милиарда години.

Знаем, че в началото на Вселената температурата е была толкова висока, че цялата материя е разтворена в елементарни частици като кварки, електрони и фотони. Нямало атомни ядра, атоми, твърди тела, планети или звезди. В този момент само елементарни частици могли да съществуват.

Около един милисекунди след Големия взрив температурата се охладила достатъчно, за да позволи образуването на протони и неутрони чрез обединяването на три елементарни кварка.

Съществуват шест различни вида кварки. Два от тях изграждат почти цялата материя: горния и долния кварк. Три кварка могат да се съединят, образувайки или протон (2 горни + 1 долен) или неутрон (1 горен + 2 долни).

През 1965 г. двама американски учени, Пензиас и Уилсън, изградили нова радиоантена с безпрецедентна чувствителност, за да измерват сателитни сигнали. Случайно открили мистериозно микровълново излъчване, идващо от далечното космическо пространство, но нямали идея за произхода му. По-късно се установило, че това излъчване е създадено по времето на Големия взрив. То се нарича космическо микровълново фоново излъчване и повишава температурата на пространството от нула до 2,7 K. Излъчването е почти напълно еднородно във всички посоки.

Можете дори сами да наблюдавате фоновото излъчване! Всеки, който е виждал аналогов телевизор преди правилното му настройване, знае, че ще показва „статичен шум" на екрана. Около 10% от трептенето, което се вижда, се дължи на фоновото излъчване. Разбира се, това не се случва при цифровите телевизори.

Откъде идва то?

След създаването на първите атомни ядра на водород, хелий и следи от литий, тези леки елементи останали потопени в море от електрони, появили се от още по-ранни моменти в историята на Вселената. Всеки електрон носи отрицателен електрически заряд, докато всеки протон е положително зареден. Тези протони и електрони се привличат поради противоположните си заряди и електроните се опитват да образуват облаци около протоните.

Обаче високата температура незабавно разтваряла облаците и изпращала протони и електрони в произволни пътища. Отнело 300 000 години на Вселената да се разшири и охлади достатъчно, за да достигне температура, при която електронният облак да остане стабилен. Ядра с придружаващи електрони са това, което познаваме днес като атоми.

Пътищата на фотоните (светлинни частици) могат да бъдат променяни от сблъсъци с електрически заряди, но те не взаимодействат с неутрални атоми. Следователно, оригиналните фотони на Големия взрив продължили незасегнати по своите пътища, след като всички електрони бяха включени в атоми, и ние виждаме тези фотони днес като космическото фоново излъчване. По този начин, това излъчване дава моментна снимка на Вселената в „кърмаческа" възраст от 300 000 години.

Фигурата показва подробна картина на цялото небе на младата вселена, създадена от девет години данни от WMAP. Различните цветове в тази картина показват, че Вселената 300 000 години след Големия взрив не е еднаква навсякъде. Разликите в цвета показват температурни флуктуации, съответстващи на зародишите, израснали до галактики. Източник: NASA/WMAP

Има ли доказателства за теорията за Големия взрив? Наистина, тази теория се подкрепя от следните наблюдения:

1. Разширяването на Вселената, при което галактиките се отдалечават една от друга. Това означава, че цялата материя на Вселената трябва да е была компресирана при изключително висока температура и плътност по времето на Големия взрив.
2. Изобилието на леки ядра ²H, ³He, ⁴He и ⁷Li може да се обясни само ако се приеме, че те са образувани в първите минути след Големия взрив.
3. Наблюдението на космическото фоново излъчване, идващо от далечното космическо пространство. Произходът на това излъчване може да се обясни, като се приеме, че то е възникнало малко след Големия взрив.

Около един милиард години след Големия взрив Вселената се е състояла само от водород и хелий в газообразна форма. Нямало нито звезди, нито планети. В крайна сметка, някои облаци от газ започнали да се свиват върху себе си, образувайки протозвезди, които в крайна сметка станали достатъчно горещи, за да се запалят, създавайки първите звезди. От звезди се формирали галактики и планети. Нашето Слънце обаче не се е формирало, докато поколения от звезди не са се появили и изчезнали, 8–9 милиарда години след Големия взрив.

Единично зрънце прах от началото на Слънчевата система. Източник: NASA

Заобикалящите прах и газ бавно се сливали под действието на гравитацията, тъй като по-големите парчета привличали по-малките. С нарастването им теглото им в крайна сметка ги правело сферични и те ставали планети.

Щастливи сме, че нашата Слънчева система се е образувала сравнително късно. Нашата планета е изградена от скала, която не е съществувала в по-ранни времена на Вселената. Тези тежки елементи е трябвало да бъдат произведени от други звезди и след това изпратени обратно в пространството, когато звездите умрели. След това тази материя се е събрала около нашето Слънце и е образувала не само Земята, но и Меркурий, Венера и Марс.

Слънчевата система, съставена от Слънцето и планетите, се е образувала от облак от газ и прах, изглеждащ приблизително така. Източник: NASA

Дори ако може да се измери колко бързо галактиките се отдалечават, не е лесно да се предвиди какво ще се случи в бъдещето на Вселената. Разширяването на Вселената се захранва основно от Големия взрив, но материята в нея може гравитационно да привлича всичко обратно към центъра.

Съществуват редица възможности и всичко зависи от плътността на Вселената:

1. Ако плътността на Вселената е ниска, тогава гравитационното привличане на материята в нея няма да може да преодолее разширяването, така че Вселената ще продължи да се разширява вечно. Колкото по-ниска е плътността, толкова по-бързо може да се разширява. Това е известно като модела на Отворена вселена.
2. Ако плътността на Вселената е висока, тогава Вселената ще се разширява известно време, но ще се забавя, докато достигне максимален размер. След това гравитацията ще привлече всичко обратно, докато Вселената се свие обратно в сингулярността, от която е започнала — това, което наричаме Голямото свиване. Това се нарича Затворена вселена, тъй като има краен размер и може да доведе до нов Голям взрив, пораждащ нова Вселена.
3. Ако плътността е точно на границата между двата модела, което ние наричаме критична плътност, Вселената все още ще продължи да се разширява, но скоростта на разширяването ще се забавя.

Фигурата илюстрира трите модела на разширяването на Вселената. Настоящите наблюдения изглежда подкрепят модела на Отворена вселена.

Земята е на около 4600 милиона години. В началото Земята е была толкова гореща, че всичко е байло разтопено. След 500 милиона години Земята се охладила достатъчно, за да се образуват океани и планетата станала обитаема. Тогава се появили първите примитивни форми на живот в океаните. След това отнело изключително дълго време (около 4000 милиона години) за развитие на живота от първите примитивни форми до растения, след това до животни и накрая до хора.

Хората живеят на Земята само през последните 4 милиона години. И само от по-малко от 100 години човечеството разбира как е структурирана Вселената и как е възникнала в Големия взрив.

Условията на Земята са точно подходящи за живот. Температурата е точно подходяща за течна вода, достатъчно близо до Слънцето, за да използваме неговата енергия, има кислород за дишане и Луна за стабилизиране на климата ни.

Тази илюстрация представя природните явления, създали живота, какъвто го познаваме на Земята. Източник: California Space Institute

Много учени смятат, че има живот извън Земята. С милиарди други звездни системи изглежда абсурдно да се вярва, че Земята е единствената планета, способна да поддържа живот. В нашата Слънчева система най-вероятните места, където може да съществува примитивен живот, са Марс и един от спътниците на Юпитер. На Марс има доказателства, че там е имало вода в миналото, а учените смятат, че под ледената повърхност на Европа се крие гигантски океан.

Към 2011 г. са открити над 500 планети извън Слънчевата система и все повече се намират. На някои от тях може да има точно подходящите условия за живот. Може би има технически цивилизации, много по-напреднали от нас. Обаче някои хора смятат, че ако имаше толкова много извънземни, вече щяхме да сме видели някой от тях. Това се нарича парадоксът на Ферми, защото Енрико Ферми е първият, формулирал тази идея. Едно от най-правдоподобните обяснения е, че огромните разстояния между различните напреднали цивилизации не позволяват контакт. Дори да имаше 1000 напреднали цивилизации, ако всички сме на 1000 светлинни години едни от други, е малко вероятно някой да дойде да посети Земята.

Някои учени смятат, че е невероятно щастливо, че от всички безкрайни възможности за развитие на нашата Вселена се е случило точно това, което е създало точно подходящите условия за нашето съществуване. Например, по времето на Големия взрив е имало само малко превъзходство (едно милиардно) на материя спрямо антиматерия. Ако количествата бяха точно еднакви, цялата материя и антиматерия щяха да се анихилират и да се превърнат в излъчване, водейки до скучна Вселена без нищо твърдо, включително нас самите. Ако превъзходството на материята бе само малко по-голямо или по-малко от действителната стойност, никакъв живот не би бил възможен. Ако беше малко по-голямо, Вселената щеше да се свие поради гравитационното привличане. Просто нямаше да има достатъчно време за развитие на живота. От друга страна, ако превъзходството на материята бе само малко по-малко, разширяването щеше да е толкова бързо, че не биха могли да се образуват никакви свързани структури и Вселената щеше да съдържа само елементарни частици.