Большо́й взрыв — физическая теория, описывающая, как Вселенная расширялась из начального состояния высокой плотности и температуры. Различные космологические модели, основанные на концепции Большого взрыва, объясняют широкий спектр явлений, включая обилие легких элементов, космическое микроволновое фоновое излучение и крупномасштабную структуру Вселенной. Однородность Вселенной, известная как проблемы горизонта и плоскостности, объясняется космической инфляцией: фазой ускоренного расширения на самых ранних стадиях. Широкий спектр эмпирических данных убедительно свидетельствует в пользу события Большого взрыва, которое в настоящее время по сути является общепринятым: «В то же время, когда наблюдения определенно склонили чашу весов в пользу релятивистской теории Большого взрыва, …». Подробные измерения скорости расширения Вселенной позволяют предположить, что сингулярность Большого взрыва произошла примерно 13,787±0,02 миллиарда лет назад, что считается возрастом Вселенной.

Экстраполируя это космическое расширение назад во времени с использованием известных законов физики, модели описывают необычайно горячую и плотную первичную Вселенную. В физике отсутствует общепринятая теория, способная моделировать самые ранние условия Большого взрыва. По мере расширения Вселенная остывала в достаточной степени, что позволяло образовываться субатомным частицам, а позднее и атомам. Эти первичные элементы — в основном водород, а также некоторое количество гелия и лития — затем объединились под действием силы гравитации с помощью темной материи, образовав ранние звезды и галактики. Измерения красного смещения сверхновых указывают на то, что расширение Вселенной ускоряется, и это наблюдение приписывается концепции, называемой темной энергией.

Концепция расширяющейся Вселенной была научно обоснована физиком Александром Фридманом в 1922 году с помощью математического вывода уравнений Фридмана. Самое раннее эмпирическое наблюдение расширяющейся Вселенной известно как закон Хаббла, опубликованный в работе физика Эдвина Хаббла в 1929 году. В нем было установлено, что галактики удаляются от Земли со скоростью, которая увеличивается пропорционально расстоянию. Независимо от работ Фридмана и наблюдений Хаббла физик Жорж Леметр в 1931 году предположил, что Вселенная возникла из «первичного атома», введя современное представление о Большом взрыве. В 1964 году было обнаружено космическое микроволновое фоновое излучение, которое убедило многих космологов в том, что конкурирующая стационарная модель космической эволюции была фальсифицирована, поскольку модели Большого взрыва предсказывают однородное фоновое излучение, вызванное высокими температурами и плотностями в далеком прошлом.

Остаются аспекты наблюдаемой Вселенной, которые пока не находят адекватного объяснения в рамках моделей Большого взрыва. К ним относятся неравное содержание материи и антиматерии, известное как барионная асимметрия, подробная природа темной материи, окружающей галактики, и происхождение темной энергии.

Современные представления теории Большого взрыва и теории горячей Вселенной По современным представлениям, возраст наблюдаемой Вселенной составляет 13,799 ± 0,021 млрд лет. Она образовалась из некоторого начального сингулярного состояния и с тех пор непрерывно расширяется и охлаждается. Согласно известным ограничениям по применимости современных физических теорий, наиболее ранним моментом, допускающим описание, считается момент Планковской эпохи с температурой примерно (Планковская температура) и плотностью около (1097 кг/м³, Планковская плотность). Ранняя Вселенная представляла собой высокооднородную и изотропную среду с необычайно высокой плотностью энергии, температурой и давлением. В результате расширения и охлаждения во Вселенной произошли фазовые переходы, аналогичные конденсации жидкости из газа, но применительно к элементарным частицам.

В период времени от нуля до 10−40 секунд после Большого взрыва происходили процессы рождения Вселенной из сингулярности. Считается, что при этом температура и плотность вещества Вселенной были близки к планковским значениям. Законченная физическая теория этого этапа отсутствует. По окончании этого этапа гравитационное взаимодействие отделилось от прочих, и наступила Эпоха Великого объединения.

Приблизительно через 10−42 секунд после момента Большого взрыва фазовый переход вызвал экспоненциальное расширение Вселенной. Данный период получил название Космической инфляции и завершился через 10−36 секунд после момента Большого взрыва.

После окончания этого периода строительный материал Вселенной представлял собой кварк-глюонную плазму. По прошествии некоторого времени температура упала до значений, при которых стал возможен следующий фазовый переход, называемый бариогенезисом. На этом этапе кварки и глюоны объединились в барионы, такие как протоны и нейтроны. При этом одновременно происходило асимметричное образование как материи, которая превалировала, так и антиматерии, которые взаимно аннигилировали, превращаясь в электромагнитное излучение.

Дальнейшее падение температуры привело к следующему фазовому переходу — образованию физических сил и элементарных частиц в их современной форме. После чего наступила эпоха нуклеосинтеза, при которой протоны, объединяясь с нейтронами, образовали ядра дейтерия, гелия-4 и ещё нескольких лёгких изотопов. После дальнейшего падения температуры и расширения Вселенной наступил следующий переходный момент, при котором гравитация стала доминирующей силой. Через после Большого взрыва температура снизилась настолько, что стало возможным существование атомов водорода (до этого процессы ионизации и рекомбинации протонов с электронами находились в равновесии).

После эры рекомбинации материя стала прозрачной для излучения, которое, свободно распространяясь в пространстве, дошло до нас в виде реликтового излучения.

На всех стадиях Большого взрыва выполняется так называемый космологический принцип — Вселенная в любой данный момент времени выглядит одинаково для наблюдателя в любой точке пространства. В частности, в любой данный момент во всех точках пространства плотность материи в среднем одинакова. Большой взрыв не похож на взрыв динамитной шашки в пустом пространстве, когда вещество начинает расширяться из небольшого объёма в окружающую пустоту, образуя сферическое газовое облако с чётким фронтом расширения, за пределами которого — вакуум. Это популярное представление ошибочно. Большой взрыв происходил во всех точках пространства одновременно и синхронно, нельзя указать на какую-либо точку как на центр взрыва, в пространстве нет крупномасштабных градиентов давления и плотности и нет никаких границ или фронтов, отделяющих расширяющееся вещество от пустоты. Большой взрыв является расширением самого пространства вместе с содержащейся в нём материей, которая в среднем в каждой данной точке покоится.

Проблема начальной сингулярности Экстраполяция наблюдаемого расширения Вселенной назад во времени приводит, при использовании общей теории относительности и некоторых других альтернативных теорий гравитации, к бесконечной плотности и температуре в конечный момент времени в прошлом. Кривизна пространства-времени достигает неопределённо большого значения. Это состояние называется космологической сингулярностью (часто космологическую сингулярность образно называют «рождением» Вселенной). Невозможность избежать сингулярности в космологических моделях общей теории относительности была доказана, в числе прочих теорем о сингулярностях, Р. Пенроузом и С. Хокингом в конце 1960-х годов.

Теория Большого взрыва не даёт никакой возможности говорить о чём-либо, что предшествовало этому моменту (потому что наша математическая модель пространства-времени в момент Большого взрыва теряет применимость, при этом теория вовсе не отрицает возможность существования чего-либо до Большого взрыва). Это сигнализирует о недостаточности описания Вселенной классической общей теорией относительности.

Насколько близко к сингулярности можно экстраполировать известную физику, является предметом научных дебатов, но практически общепринято, что допланковскую эпоху рассматривать известными методами нельзя. Проблема существования сингулярности в данной теории является одним из стимулов построения квантовой и других альтернативных теорий гравитации, которые стараются разрешить эту проблему.

Существует несколько гипотез о возникновении видимой части Вселенной:

по мнению некоторых учёных (в числе которых Стивен Хокинг, Лоуренс Краусс и Майкл Мартин), Вселенная могла возникнуть из ничего («области», где отсутствует материя, пространство и время) посредством «квантовых флуктуаций» Мартин приводит следующие примеры источников: Edward P. Tryon, «Is the Universe a Vacuum Fluctuation?» Nature, 246, December 14, 1973, pp. 396—397; Edward P. Tryon, "What Made the World? New Scientist, 8, March 1984, pp. 14-16; Alexander Vilenkin, "Creation of Universes from Nothing, " Physics Letters, 117B, 1982, pp. 25-28; Alexander Vilenkin, "Birth of Inflationary Universes, " Physical Review, 27, 1983, pp. 2848—2855; L. P. Grishchuck and Y. B. Zledovich, "Complete Cosmological Theories, " The Quantum Structure of Space and Time, ed. M. J. Duff and C. J. Isham (Cambridge: Cambridge University Press, 1982), pp. 409—422; Quentin Smith, "The Uncaused Beginning of the Universe, " Philosophy of Science, 55, 1988, pp. 39-57.Стивен Хокинг «Что было до Большого взрыва?» https://www.youtube.com/watch?v=veTlvfH0LMk Лоуренс Краусс «Вселенная из ничего» http://scorcher.ru/art/theory/Strakh_fiziki/lourens_krauss_prev.php ; теория А. Линде о том, что Вселенная бесконечна и заполнена очень плотной энергией, а наша видимая часть возникла расширением (инфляцией) небольшой части в «пузырёк» (как возникают пузырьки в плотном сыре); теория Ли Смолина о том, что вселенные возникают от взрыва «сингулярности» внутри чёрных дыр; экпиротический сценарий — теория о рождении вселенных в результате столкновения «бран» (многомерных мембран в теории струн).

Дальнейшая эволюция Вселенной

Согласно теории Большого взрыва, дальнейшая эволюция зависит от экспериментально измеримого параметра — средней плотности вещества в современной Вселенной. Если плотность не превосходит некоторого (известного из теории) критического значения, Вселенная будет расширяться вечно, если же плотность больше критической, то процесс расширения когда-нибудь остановится и начнётся обратная фаза сжатия, возвращающая к исходному сингулярному состоянию. Современные (2015 год) наблюдательные данные показывают, что средняя плотность в пределах экспериментальной погрешности (доли процента) равна критической.

Есть ряд вопросов, на которые теория Большого взрыва ответить пока не может, однако основные её положения обоснованы надёжными экспериментальными данными, а современный уровень теоретической физики позволяет вполне достоверно описать эволюцию такой системы во времени, за исключением самого начального этапа — порядка сотой доли секунды от «начала мира». Для теории важно, что эта неопределённость на начальном этапе фактически оказывается несущественной, поскольку образующееся после прохождения данного этапа состояние Вселенной и его последующую эволюцию можно описать вполне достоверно.

История развития представлений о Большом взрыве 1799 — опубликована работа философа Фридриха Шеллинга «Первый набросок системы натурфилософии», согласно которой Солнечная система возникла в результате взрыва и «экспансии» материи. 1916 — вышла в свет работа физика Альберта Эйнштейна «Основы общей теории относительности», в которой он завершил создание релятивистской теории гравитации.