Модель большого взрыва и расширяющейся Вселенной (стр. 1 из 11). Модель большого взрыва

5. Модель Большого взрыва.

Представление о развитии Вселенной закономерно привело постановке проблемы начала эволюции (рождения) Вселенной и ее конца (смерти). В настоящее время существует несколько космологических моделей, объясняющих отдельные аспекты возникновения материи во Вселенной, но они не объясняют причин и процесса рождения самой Вселенной. Из всей совокупности современных космологических теорий только теория Большого взрыва Г. Гамова смогла к настоящему времени удовлетворительно объяснить почти все факты, связанные с этой проблемой. Основные черты модели Большого взрыва сохранились до сих пор, хотя и были позже дополнены теорией инфляции, или теорией раздувающейся Вселенной, разработанной американскими учеными А. Гутом и П. Стейнхардтом и дополненной советским физиком А.Д. Линде.

В 1948 г. выдающийся американский физик русского происхождения Г. Гамов выдвинул предположение, что физическая Вселенная образовалась в результате гигантского взрыва, происшедшего примерно 15 млрд. лет тому назад. Тогда все вещество и вся энергия Вселенной были сконцентрированы в одном крохотном сверхплотном сгустке. Если верить математическим расчетам, то в начале расширения радиус Вселенной был и вовсе равен нулю, а ее плотность равна бесконечности. Это начальное состояние называется сингулярностью — точечный объем с бесконечной плотностью. Известные законы физики в сингулярности не работают. В этом состоянии теряют смысл понятия пространства и времени, поэтому бессмысленно спрашивать, где находилась эта точка. Также современная наука ничего не может сказать о причинах появления такого состояния.

Тем не менее, согласно принципу неопределенности Гейзенберга вещество невозможно стянуть в одну точку, поэтому считается, что Вселенная в начальном состоянии имела определенную плотность и размеры. По некоторым подсчетам, если все вещество наблюдаемой Вселенной, которое оценивается примерно в 1061 г, сжать до плотности 1094 г/см3, то оно займет объем около 10-33 см3. Ни в какой электронный микроскоп разглядеть ее было бы невозможно. Долгое время ничего нельзя было сказать о причинах Большого взрыва и переходе Вселенной к расширению. Но сегодня появились некоторые гипотезы, пытающиеся объяснить эти процессы. Они лежат в основе инфляционной модели развития Вселенной.

6. Модель расширяющейся Вселенной.

Модель Вселенной Эйнштейна стала первой космологической моделью, базирующейся на выводах общей теории относительности. Это связано с тем, что именно тяготение определяет взаимодействие масс на больших расстояниях. Поэтому теоретическим ядром современной космологии выступает теория тяготения — общая теория относительности.

В 1922 г., советский физик и математик А. Фридман на основе строгих расчетов показал, что Вселенная Эйнштейна не может быть стационарной, неизменной. При этом Фридман опирался на сформулированный им космологический принцип, который строится на двух предположениях: об изотропности и однородности Вселенной. Изотропность Вселенной понимается как отсутствие выделенных направлений, одинаковость Вселенной по всем направлениям. Однородность Вселенной понимается как одинаковость всех точек Вселенной: мы можем проводить наблюдения в любой из них и везде увидим изотропную Вселенную.

Фридман на основе космологического принципа доказал, что уравнения Эйнштейна имеют и другие, нестационарные решения, согласно которым Вселенная может либо расширяться, либо сжиматься. При этом речь шла о расширении самого пространства, т.е. об увеличении всех расстояний мира. Вселенная Фридмана напоминала раздувающийся мыльный пузырь, у которого и радиус, и площадь поверхности непрерывно увеличиваются.

Первоначально модель расширяющейся Вселенной носила гипотетический характер и не имела эмпирического подтверждения. Однако в 1929 г. американский астроном Э. Хаббл обнаружил эффект «красного смещения» спектральных линий (смещение линий к красному концу спектра). Это было истолковано как следствие эффекта Доплера — изменение частоты колебаний или длины волн из-за движения источника волн и наблюдателя по отношению друг к другу. «Красное смещение» было объяснено как следствие удаления галактик друг от друга со скоростью, возрастающей с расстоянием. Согласно последним измерениям увеличение скорости расширения составляет примерно 55 км/с на каждый миллион парсек.

В результате своих наблюдений Хаббл обосновал представление, что Вселенная — это мир галактик, что наша Галактика — не единственная в ней, что существует множество галактик, разделенных между собой огромными расстояниями. Вместе с тем Хаббл пришел к выводу, что межгалактические расстояния не остаются постоянными, а увеличиваются.

studfiles.net

Модель горячего большого взрыва

Чтобы объяснить, о чем шла речь в моем докладе, я должен сначала изложить общепринятую историю Вселенной в соответствии с тем, что известно под названием «модель горячего Большого Взрыва». Она предполагает, что Вселенная в период от нынешнего времени до Большого Взрыва описывается моделью Фридмана. В таких моделях расширение Вселенной сопровождается снижением температуры материи и интенсивности излучения. Поскольку температура — это всего лишь мера средней энергии частиц, охлаждение Вселенной оказывает основополагающее влияние на содержащуюся в ней материю. При очень высоких температурах частицы движутся с такой значительной скоростью, что избегают взаимного притяжения, обусловленного ядерными или электромагнитными силами. Однако следует ожидать, что при охлаждении частицы, которые притягиваются друг к другу, начнут «слипаться».

В момент Большого Взрыва Вселенная имела нулевые размеры, а значит, была бесконечно горячей. Но по мере расширения температура ее излучения должна была уменьшаться. Через одну секунду после Большого Взрыва она упала до десяти миллиардов градусов. Это примерно в тысячу раз больше температуры в центре Солнца и соответствует температуре, возникающей при взрыве водородной бомбы. В это время Вселенная состояла в основном из фотонов, электронов, нейтрино и соответствующих им античастиц, а также некоторого числа протонов и нейтронов.

По ходу расширения и остывания Вселенной скорость образования электронов и электронных пар при столкновениях частиц должна была стать ниже той скорости, с которой они разрушаются при аннигиляции. Так что большая часть электронов и антиэлектронов должна была аннигилировать, порождая все больше фотонов и оставляя совсем мало электронов.

Примерно через сто секунд после Большого Взрыва температура должна была упасть до одного миллиарда градусов,

что соответствует температуре внутри самых горячих звезд. При такой температуре протоны и нейтроны уже не обладают достаточной энергией, для того чтобы избежать взаимного притяжения, обусловленного сильным ядерным взаимодействием. Они начинают объединяться, формируя ядра атомов дейтерия (тяжелого водорода), состоящие из одного протона и одного нейтрона. Присоединяя другие протоны и нейтроны, ядра дейтерия становятся ядрами гелия, содержащими два протона и два нейтрона. Образуется и небольшое количество ядер более тяжелых элементов, лития и бериллия.

Можно подсчитать, что, согласно модели горячего Большого Взрыва, примерно четверть протонов и нейтронов должна превратиться в ядра гелия, а также в небольшое количество тяжелого водорода и других элементов. Оставшиеся нейтроны распадаются на протоны, представляющие собой ядра атомов обычного водорода. Эти предсказания прекрасно согласуются с наблюдениями.

Модель горячего Большого Взрыва также предсказывает, что мы должны иметь возможность наблюдать излучение, сохранившееся с ранних, «горячих», этапов развития Вселенной. Однако из-за постоянного расширения Вселенной температура этого начального излучения должна была понизиться до величины, лишь на несколько градусов превышающей абсолютный нуль. Этим объясняется существование микроволнового фонового излучения, обнаруженного Пензиасом и Уилсоном в 1965 г. Поэтому мы почти уверены, что располагаем верной картиной случившегося, по крайней мере на протяжении от нынешнего времени до момента через секунду после Большого Взрыва. Всего лишь через несколько часов после Большого Взрыва формирование ядер гелия и других элементов должно было прекратиться. А затем на протяжении миллиона лет или около того Вселенная должна была лишь продолжать расширяться без каких-либо особенных

событий. И вот, когда температура упала до нескольких тысяч градусов, электроны и ядра перестали обладать энергией, необходимой для противодействия электромагнитному притяжению между ними. Они начали объединяться в атомы.

Вселенная же в целом продолжала расширяться и остывать. Однако в областях с плотностью немного выше средней расширение замедлялось повышенным гравитационным притяжением. Это должно было в конце концов остановить расширение в некоторых областях и вызвать там сжатие. По мере сжатия гравитационная тяга материи за пределами этих областей могла привести к тому, что они начали медленно вращаться. Чем меньше становилась сжимающаяся область, тем быстрее она вращалась (так фигуристы увеличивают частоту своего вращения, прижимая руки к телу). Наконец, когда область сделалась достаточно малой, частота вращения стала достаточной, чтобы уравновесить гравитационное притяжение. Таким образом возникли вращающиеся дисковидные галактики.

С течением времени газ в галактиках распался на облака, которые сжимаются под воздействием собственного притяжения. При сжатии газа он нагревается до температур, запускающих ядерные реакции. Водород превращается в гелий, и выделяющееся тепло повышает давление, чем останавливает дальнейшее сжатие облаков. В таком состоянии они могут оставаться долгое время, как звезды, подобные нашему Солнцу, сжигая водород, который превращается в гелий, и излучая энергию в виде тепла и света.

Чем массивнее звезды, тем горячее они должны быть, чтобы сопротивляться своему мощному гравитационному притяжению. А это настолько сильно ускоряет термоядерные реакции, что такие звезды сжигают весь свой водород за сравнительно короткое время — примерно за сто миллионов лет. Затем они слегка сжимаются и, разогреваясь дальше, начинают преобразовывать гелий в более тяжелые химические элементы, такие как углерод и кислород. Это, однако, высвобождает не намного больше энергии, так что наступает кризис, который я описал в лекции о черных дырах.

Что происходит дальше, не совсем ясно, но представляется вероятным, что центральные области звезды должны сжаться до сверхплотного состояния, характерного для нейтронных звезд или черных дыр. Внешнюю оболочку может разметать так называемая вспышка сверхновой — чудовищный взрыв, сияние которого превосходит яркость всех остальных звезд в галактике. Некоторые из более тяжелых элементов, образовавшихся в конце жизненного цикла звезды, будут выброшены назад в галактический газ. Они станут сырьем для следующего поколения звезд.

Наше Солнце содержит примерно 2% таких более тяжелых элементов, так как это звезда второго или третьего поколения. Оно сформировалось около пяти миллиардов лет назад из облака вращающегося газа, которое содержало остатки более ранних сверхновых. Большая часть газа в этом облаке пошла на образование Солнца или была выброшена вовне. Однако небольшое количество более тяжелых элементов объединилось в небесные тела — планеты, подобные Земле, — которые обращаются теперь вокруг Солнца.

 

Открытые вопросы

Картина Вселенной, в начале своего развития очень горячей и остывавшей по мере расширения, хорошо согласуется с данными наблюдений, которые мы имеем сегодня. Тем не менее она оставляет без ответа ряд важных вопросов. Во-первых, почему новорожденная Вселенная была такой горячей? Во-вторых, почему Вселенная столь однородна

в больших масштабах, почему она выглядит одинаково из всех точек пространства и во всех направлениях?

В-третьих, почему в самом начале скорость расширения Вселенной была столь близка к критической, что едва позволяла избежать немедленного обратного сжатия? Если бы через секунду после Большого Взрыва эта скорость была меньше всего на миллиардную часть от миллиардной доли, Вселенная тут же пережила бы коллапс, не достигнув наблюдаемых ныне размеров. С другой стороны, будь скорость расширения в ту секунду на столь же ничтожную долю больше требуемой, Вселенная расширилась бы настолько, что сейчас была бы практически пустой.

В-четвертых, несмотря на однородность Вселенной в больших масштабах, она содержит локальные скопления материи в виде звезд и галактик. Предполагается, что они возникли за счет небольших различий плотности вещества в разных областях Вселенной на ранних стадиях ее развития. Но из-за чего возникли эти различия плотности?

Общая теория относительности сама по себе не может объяснить эти особенности и ответить на эти вопросы. А всё потому, что она предсказывает: Вселенная началась с бесконечной плотности, с сингулярности Большого Взрыва. В сингулярности, в этой особой точке, общая теория относительности и все известные нам физические законы не действуют. Нельзя предсказать, что выйдет из сингулярности. Как я уже объяснял, это означает, что мы вправе исключить из теории все события, которые происходили до Большого Взрыва, потому что они не возымеют влияния на то, что доступно нашему наблюдению. Пространство-время имеет границу — начало в момент Большого Взрыва. Почему Вселенная должна была начаться с Большого Взрыва именно тем образом, который привел ее к состоянию, наблюдаемому нами сегодня? Почему она столь однородна и расширяется именно с критической скоростью, позволяющей избежать коллапса? Нам стало бы легче, если бы мы смогли показать, что небольшой набор различных начальных конфигураций Вселенной мог привести ее к современному состоянию.

Если дело обстоит именно так, Вселенная, которая развилась из некоторых случайных начальных условий, должна содержать ряд областей, сходных с теми, что мы наблюдаем. Кроме того, могли существовать совершенно иные области. Однако они, вероятно, не подходят для формирования галактик и звезд. Это весьма существенное обстоятельство для развития разумной жизни, по крайней мере такой, какая известна нам. Так что в этих областях не может быть существ, способных увидеть, что они, эти области, иные.

Говоря о космологии, следует учитывать принцип отбора, состоящий в том, что мы населяем область Вселенной, пригодную для развития разумной жизни. Это весьма простое и очевидное соображение иногда называют антропным принципом. С другой стороны, представьте, что начальное состояние Вселенной должно быть выбрано с большой тщательностью, чтобы привести к тому, что мы видим вокруг себя. Тогда во Вселенной вряд ли сыскалось бы место, где могла возникнуть жизнь.

В описанной выше модели горячего Большого Взрыва на ранних стадиях развития Вселенной не имеется периода времени, достаточного для передачи тепла от одной области к другой. Это означает, что различные области Вселенной должны были иметь абсолютно одинаковую начальную температуру, чтобы это согласовалось с тем фактом, что температура фонового микроволнового излучения одинакова во всех направлениях, куда бы мы ни посмотрели. Кроме того, начальная скорость расширения должна была выбираться с большой точностью, чтобы Вселенная не схлопнулась к настоящему моменту. Следовательно, начальное состояние

Вселенной в самом деле должно быть выбрано крайне тщательно, если модель горячего Большого Взрыва справедлива на отрезке от нынешнего момента и вплоть до самого начала времени. Почему Вселенная зародилась именно так, очень трудно объяснить чем-либо иным, кроме воли Бога, который намеревался сотворить существ, подобных нам.

 

Инфляционная модель

Для того чтобы избежать описанных трудностей, связанных с самыми ранними стадиями в модели горячего Большого Взрыва, Алан Гут из Массачусетского технологического института предложил новую модель[1]. В модели Гута множество различных начальных конфигураций могут эволюционировать в некое подобие нынешней Вселенной. Гут предположил, что новорожденная Вселенная могла пережить период очень быстрого, экспоненциального, расширения. Такое расширение называют инфляционным — по аналогии со стремительным ростом цен, в большей или меньшей степени происходящим в каждой стране. Мировой рекорд инфляции цен, вероятно, был поставлен в Германии после Первой мировой войны, когда цена буханки хлеба за несколько месяцев подскочила от одной марки до нескольких миллионов. Инфляция, которая, как мы думаем, могла происходить в масштабе Вселенной, была гораздо значительней: размеры Вселенной за ничтожную долю секунды выросли в миллион миллионов миллионов миллионов миллионов раз. Гут допустил, что Вселенная после Большого Взрыва была очень горячей. Правомерно ожидать, что при крайне высоких температурах сильные и слабые ядерные силы должны объединиться с электромагнитной силой в некую единую силу. Расширяясь, Вселенная остывала, и энергия частиц уменьшалась. Рано или поздно должно было произойти то, что называют фазовым переходом, и симметрия сил была нарушена. Сильное ядерное взаимодействие отделилось от слабого и электромагнитного. Типичным примером фазового перехода может служить превращение воды в лед при охлаждении. Жидкая вода симметрична, обладает одинаковыми свойствами во всех точках и во всех направлениях. Однако образующиеся при замерзании кристаллы льда характеризуются выделенной направленностью и заметной пространственной упорядоченностью. Это нарушает симметрию воды.

При известном старании воду можно переохладить — добиться того, чтобы ее температура опустилась ниже точки замерзания (0°С), но лед не образовался. Гут предположил, что нечто подобное происходило со Вселенной: температура стала ниже критического значения, но симметрия физических взаимодействий не была нарушена. Если произошло нечто подобное, Вселенная должна была прийти в нестабильное состояние, энергия которого выше, чем у состояния с нарушенной симметрией. Можно показать, что эта особая избыточная энергия обладала антигравитационным эффектом. Она должна была действовать как космологическая постоянная.

Эйнштейн ввел космологическую постоянную в общую теорию относительности, когда пытался построить стационарную модель Вселенной. Однако в рассматриваемом нами случае Вселенная уже расширяется. Отталкивающий эффект космологической постоянной заставил бы Вселенную расширяться с постоянно возрастающей скоростью. Даже в тех областях, где содержание частиц выше среднего, гравитационное притяжение материи уступает отталкиванию, обусловленному эффективной космологической постоянной. Так что и такие области будут расширяться в ускоренном, инфляционном, режиме.

По мере расширения Вселенной расстояние между частицами увеличивается. А значит, мы можем получить Вселенную, где едва ли найдется хоть одна частица. Она все еще будет оставаться в переохлажденном состоянии, при котором сохраняется симметрия между взаимодействиями. Любые неоднородности будут попросту сглажены расширением, как разглаживаются складки на туго надутом воздушном шарике. Таким образом, современное гладкое и однородное состояние Вселенной могло возникнуть из множества различных неоднородных начальных состояний. Скорость расширения также стремится к критической, позволяющей избежать коллапса.

Более того, инфляционная модель позволяет объяснить, почему во Вселенной так много материи. В наблюдаемой нами области Вселенной насчитывается около 1080 элементарных частиц. Откуда они могли появиться? Ответ таков: согласно квантовой теории, частицы могут возникать из энергии в виде пар частица/античастица. Но откуда берется необходимая для этого энергия? Объяснение состоит в том, что полная энергия Вселенной в точности равна нулю.

Вещество во Вселенной возникло из положительной энергии. Однако материя притягивает самое себя под действием гравитации. Два куска материи, которые находятся близко друг к другу, обладают меньшей энергией, чем те, которые разделены большим расстоянием. Это происходит потому, что для их разделения необходимо затратить энергию. Вы должны преодолеть действующие между ними гравитационные силы. Так что в каком-то смысле можно утверждать, что гравитационное поле обладает отрицательной энергией. При рассмотрении Вселенной в целом можно показать, что

отрицательная гравитационная энергия погашает всю положительную энергию материи. А следовательно, полная энергия Вселенной равна нулю.

Итак, удвоение нуля дает нуль. Поэтому Вселенная может удвоить количество положительной энергии материи и удвоить количество отрицательной гравитационной энергии, не нарушив закона сохранения энергии. Этого не случается при обычном расширении Вселенной, когда плотность энергии вещества уменьшается с увеличением Вселенной. Но это происходит при инфляционном расширении, потому что плотность энергии в переохлажденном состоянии остается постоянной, в то время как Вселенная расширяется. Когда Вселенная удваивается в размерах, позитивная энергия материи и отрицательная гравитационная энергия удваиваются тоже, так что полная энергия остается равной нулю. Во время инфляционной фазы размеры Вселенной увеличиваются очень сильно. И общее количество энергии, из которой могут образовываться частицы, становится очень велико. Гут заметил по этому поводу: «Говорят, бесплатных завтраков не бывает. Но Вселенная — самый большой бесплатный завтрак».

 

Конец инфляции

В настоящее время расширение Вселенной уже не носит инфляционного характера. Так что должен существовать некий механизм, исключающий очень большую эффективную космологическую константу. Это заменило бы скорость расширения с возрастающей на замедленную гравитацией, какую мы наблюдаем сейчас. Можно ожидать, что по мере расширения и остывания Вселенной рано или поздно симметрия физических взаимодействий будет нарушена, подобно

тому как переохлажденная вода в конце концов всегда замерзает. Избыточная энергия состояния с ненарушенной симметрией высвободится, вновь нагрев Вселенную. Затем расширение и остывание Вселенной продолжатся в полном соответствии с моделью горячего Большого Взрыва. Однако теперь у нас будет объяснение того, почему скорость расширения в точности равна критической и почему разные области пространства имеют одинаковую температуру.

В первоначальной модели Гута предполагалось, что фазовый переход к нарушенной симметрии происходит внезапно, как возникновение кристаллов льда в переохлажденной воде. Идея состояла в том, что «пузырьки» новой фазы (с нарушенной симметрией) зарождаются в недрах старого фазового состояния, подобно тому как пузырьки пара возникают в закипающей воде. Предполагалось, что «пузырьки» расширяются и постепенно сливаются друг с другом до тех пор, пока все пространство не окажется захвачено новой фазой. Но вот незадача (на это указывал я и ряд других ученых): Вселенная расширялась настолько быстро, что образующиеся пузырьки просто не успевали слиться друг с другом, а разбегались в пространстве. Вселенная должна была остаться в крайне неоднородном состоянии, при котором в некоторых ее областях сохранялась бы симметрия между различными силами. Такая модель Вселенной не согласуется с тем, что мы наблюдаем.

В октябре 1981 г. я отправился в Москву на конференцию по квантовой гравитации. А после нее провел семинар по инфляционной модели в Астрономическом институте им. Штернберга. В семинаре участвовал молодой советский исследователь Андрей Линде. Он сказал, что сложности, связанной с тем, что пузырьки не сливаются, можно избежать, если предположить, что пузырьки были очень большими.

В этом случае наша область Вселенной может заключаться внутри одного пузырька. Для того чтобы это работало, переход от симметрии к ее нарушению должен происходить очень медленно и внутри пузырька, что вполне возможно в соответствии с великими объединенными теориями.

Идея Линде о медленном нарушении симметрии была очень хороша, но я указал, что его пузырьки могут превосходить размер Вселенной в то время. Я продемонстрировал, что симметрия одновременно нарушалась бы повсеместно, а не только внутри пузырьков. Это привело бы к однородной Вселенной, какую мы наблюдаем. Модель медленного нарушения симметрии была удачной попыткой объяснить современное состояние Вселенной. Однако я и некоторые коллеги отметили, что предсказываемые ею колебания микроволнового фонового излучения намного превышают наблюдаемые. Кроме того, более поздние работы заронили сомнение в том, происходили ли правильные фазовые переходы на ранних стадиях развития Вселенной. Более удачной оказалась хаотическая инфляционная модель, предложенная Линде в 1983 г. Она не зависела от фазовых переходов и давала правильные значения вариаций микроволнового фона. В соответствии с ней современное состояние Вселенной могло возникнуть из очень большого числа различных исходных конфигураций. При всем том не могло быть такого, чтобы каждая из них приводила к появлению Вселенной, которую мы наблюдаем. Таким образом, даже инфляционная модель не объясняет нам, почему начальные условия были такими, какие могут привести к формированию наблюдаемой Вселенной. Должны ли мы вернуться для объяснения к антропному принципу? Не было ли все это просто счастливой случайностью? Решение согласиться с этим выглядело бы шагом отчаяния, отказом от всех наших надежд понять порядок, лежащий в основе Вселенной.

 

Квантовая гравитация

Для предсказания того, как должна была зародиться Вселенная, нужно установить законы природы, которые действовали в начале времени. Если справедлива классическая общая теория относительности, то из теоремы сингулярности следует, что начало времени должно было представлять собой точку, где плотность материи и кривизна пространства были бесконечны. Все известные нам законы природы там должны нарушаться. Можно предположить, что там действовали особые законы, не нарушаемые в сингулярностях, но было бы крайне трудно даже сформулировать физические законы для таких своенравных точек, и наблюдения не подсказали бы нам, какими могут быть эти законы. Однако теоремы о сингулярности показывают, что при столь значительном усилении гравитационного поля особую важность приобретают эффекты квантовой гравитации. Классическая теория больше не может служить хорошим описанием Вселенной. Поэтому, обсуждая самые ранние этапы развития Вселенной, надо использовать квантовую теорию гравитации. Как мы покажем далее, квантовая механика допускает повсеместное соблюдение обычных физических законов — включая начало времени. Нет нужды постулировать новые законы для сингулярностей, потому что квантовая теория не нуждается в сингулярностях.

Мы пока не имеем полной и последовательной теории, объединяющей квантовую механику и гравитацию. Но мы совершенно уверены в некоторых особенностях, которыми должна обладать объединенная теория. Прежде всего, должно быть учтено предложение Фейнмана о формулировании квантовой теории на основе сумм по траекториям (историям частиц). При таком подходе частица, перемещающаяся из точки А в точку В, имеет не одну историю, как в классической теории. Вместо этого

предполагается, что она следует каждым из возможных путей в пространстве-времени. Каждой такой истории соответствует пара чисел, одно из которых характеризует размеры волны, а второе — ее положение в цикле, то есть фазу.

Вероятность того, что частица, скажем, минует некоторые особые точки, определяется путем сложения волн, связанных с каждой возможной историей, которая проходит через эту точку. Однако практические попытки выполнить это сложение обычно наталкиваются на серьезные технические трудности. Единственный способ обойти их — последовать такому своеобразному предписанию: нужно складывать волны для историй частиц, которые происходят не в реальном времени, привычном для нас, а в мнимом.

Выражение «мнимое время» словно бы взято из научной фантастики, но на самом деле это точно определенное математическое понятие. Чтобы избежать технических трудностей при фейнмановском суммировании по историям, следует использовать мнимое время. Это оказывает интересное влияние на пространство-время: различие между пространством и временем совершенно стирается. Пространство-время, в котором событиям соответствуют мнимые значения временных координат, признается евклидовым, потому что метрика определенно-положительна.

В евклидовом пространстве-времени нет разницы между направлением времени и направлениями в пространстве. С другой стороны, в реальном пространстве-времени, где события характеризуются реальными значениями временных координат, разницу установить легко. Направление времени лежит внутри светового конуса, а пространственные направления — вне его. Можно посчитать, что использование мнимого времени просто-напросто математический прием, уловка, помогающая вычислить результаты для реального пространства-времени. Однако может статься, что этим дело

не ограничивается. Возможно, что евклидово пространство-время — фундаментальное понятие, а наши представления о реальном пространстве-времени не более чем плод воображения.

Когда мы применяем для Вселенной фейнмановский метод суммирования по историям, аналогом истории частицы выступает уже все искривленное пространство-время, которое представляет историю всей Вселенной. По техническим причинам, о которых говорилось выше, это искривленное пространство-время должно восприниматься как евклидово. Иначе говоря, время является мнимым и неотличимо от направлений в пространстве. Для того чтобы вычислить вероятность обнаружения реального пространства-времени с заданными характеристиками, нужно сложить волны, связанные с теми траекториями в мнимом времени, которые обладают требуемыми характеристиками. Проделав вычисления, можно получить вероятностную историю Вселенной в реальном времени.

 

lektsia.com

Модель большого взрыва и расширяющейся вселенной 2

МОДЕЛЬ БОЛЬШОГО ВЗРЫВА И РАСШИРЯЮЩЕЙСЯ ВСЕЛЕННОЙ

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ. 2

1. Гипотеза Большого Взрыва.3

2. Модель расширяющейся Вселенной.6

ЗАКЛЮЧЕНИЕ. 10

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ.. 12

Наблюдаемая нами Вселенная, по данным современной науки, возникла в результате Большого взрыва около 15-20 млрд. лет назад. Представление о Большом Взрыве является составной частью модели расширяющейся Вселенной.

Все вещество Вселенной в начальном состоянии находилось в сингулярной точке: бесконечная плотность массы, бесконечная кривизна пространства и взрывное, замедляющееся со временем расширение при высокой температуре, при которой могла существовать только смесь элементарных частиц. Затем последовал взрыв.

«Вначале был взрыв. Не такой взрыв, который знаком нам на Земле и который начинается из определенного центра и затем распространяется, захватывая все больше и больше пространства, а взрыв, который произошел одновременно везде, заполнив с самого начала все пространство, причем каждая частица материи устремилась прочь от любой другой частицы», – писал в своей работе С. Вейнберг[1] .

Что же было после Большого взрыва? Образовался сгусток плазмы – состояния, в котором находятся элементарные частицы – нечто среднее между твердым и жидким состоянием, который и начал расширяться все больше и больше под действием взрывной волны. Через 0,01 сек. после начала Большого Взрыва во Вселенной появилась смесь легких ядер. Так появились не только материя и многие химические элементы, но и пространство и время.

Но теория Большого взрыва не может разрешить три фундаментальные проблемы: что было до начального момента, какова природа сингулярности и каким образом формировались галактики.

1. Гипотеза Большого Взрыва.

Большой Взрыв – начало расширения Вселенной, перед которым Вселенная находилась в сингулярном состоянии.

Примерно 15 миллиардов лет назад, в гигантском взрыве началась Вселенная – горячий Большой взрыв! Её последующая эволюция от одной сотой секунды до сегодняшнего дня может быть надежно описана моделью Большого взрыва. Эта модель включает расширение Вселенной, возникновение легких элементов и реликтовое излучение от первоначального ядра, а также общие контуры понимания формирования галактик и других крупномасштабных структур. Фактически, модель Большого взрыва в настоящее время является настолько хорошо подтвержденной, что её называют стандартной космологией.

Согласно космологической модели Фридмана – Леметра, Вселенная возникла в момент Большого взрыва – около 20 млрд. лет назад, и ее расширение продолжается до сих пор, постепенно замедляясь. В первое мгновение взрыва материя Вселенной имела бесконечную плотность и температуру – такое состояние называют сингулярностью[2] .

Согласно общей теории относительности, гравитация не является реальной силой, а есть искривление пространства-времени: чем больше плотность материи, тем сильнее искривление. В момент начальной сингулярности искривление тоже было бесконечным. Можно выразить бесконечную кривизну пространства-времени другими словами, сказав, что в начальный момент материя и пространство одновременно взорвались везде во Вселенной.

По мере увеличения объема пространства расширяющейся Вселенной плотность материи в ней падает. С.Хокинг и Р.Пенроуз доказали, что в прошлом непременно было сингулярное состояние, если общая теория относительности применима для описания физических процессов в очень ранней Вселенной[3] .

Чтобы избежать катастрофической сингулярности в прошлом, требуется существенно изменить физику, например, предположив возможность самопроизвольного непрерывного рождения материи, как в теории стационарной Вселенной. Но астрономические наблюдения не дают для этого никаких оснований.

Изучая процессы, происходившие сразу после Большого взрыва, мы понимаем, что наши физические теории еще весьма несовершенны. Тепловая эволюция ранней Вселенной зависит от рождения массивных элементарных частиц – адронов, о которых ядерная физика знает еще мало. Многие из этих частиц нестабильны и короткоживущи.

Физик Р.Хагедорн считает, что может существовать великое множество адронов возрастающих масс, которые в изобилии могли формироваться при температуре порядка 1012 К, когда гигантская плотность излучения приводила к рождению адронных пар, состоящих из частицы и античастицы. Этот процесс должен был бы ограничить рост температуры в прошлом[4] .

Согласно другой точке зрения, количество типов массивных элементарных частиц ограничено, поэтому температура и плотность в период адронной эры должны были достигать бесконечных значений. В принципе это можно было бы проверить: если бы составляющие адронов – кварки – были стабильными частицами, то некоторое количество кварков и антикварков должно было сохраниться от той горячей эпохи. Но поиск кварков оказался тщетным; скорее всего, они нестабильны.

После первой миллисекунды расширения Вселенной сильное (ядерное) взаимодействие перестало играть в ней определяющую роль: температура снизилась настолько, что атомные ядра перестали разрушаться. Дальнейшие физические процессы определялись слабым взаимодействием, ответственным за рождение легких частиц – лептонов (т.е. электронов, позитронов, мезонов и нейтрино) под действием теплового излучения. Когда в ходе расширения температура излучения понизилась примерно до 1010 К, лептонные пары перестали рождаться, почти все позитроны и электроны аннигилировали; остались лишь нейтрино и антинейтрино, фотоны и немного сохранившихся с предшествующей эпохи протонов и нейтронов. Так завершилась лептонная эра.

Следующая фаза расширения – фотонная эра – характеризуется абсолютным преобладанием теплового излучения. На каждый сохранившийся протон или электрон приходится по миллиарду фотонов. Вначале это были гамма-кванты, но по мере расширения Вселенной они теряли энергию и становились рентгеновскими, ультрафиолетовыми, оптическими, инфракрасными и, наконец, сейчас стали радиоквантами, которые мы принимаем как чернотельное фоновое (реликтовое) радиоизлучение.

Первое подтверждение факта взрыва пришло в 1964 году, когда американские радиоастрономы Р. Вильсон и А. Пензиас обнаружили реликтовое электромагнитное излучение с температурой около 3° по шкале Кельвина (–270°С). Именно это открытие, неожиданное для ученых, убедило их в том, что Большой взрыв действительно имел место и поначалу Вселенная была очень горячей[5] . Теория Большого взрыва позволила объяснить множество проблем, стоявших перед космологией. Но, к сожалению, а может, и к счастью, она же поставила и ряд новых вопросов.

Все это указывало на то, что теория Большого взрыва неполна. Долгое время казалось, что продвинуться далее уже невозможно. Только четверть века назад благодаря работам российских физиков Э. Глинера и А. Старобинского, а также американца А. Гуса было описано новое явление – сверх-быстрое инфляционное расширение Вселенной.

Вопрос о происхождении Вселенной со всеми ее известными и пока неведомыми свойствами испокон веков волнует человека. Но только в XX веке, после обнаружения космологического расширения, вопрос об эволюции Вселенной стал понемногу проясняться.

Последние научные данные позволили сделать вывод, что наша Вселенная родилась 15 миллиардов лет назад в результате Большого взрыва. Но что именно взорвалось в тот момент и что, собственно, существовало до Большого взрыва, по-прежнему оставалось загадкой. Созданная в конце XX века инфляционная теория появления нашего мира позволила существенно продвинуться в разрешении этих вопросов, и общая картина первых мгновений Вселенной сегодня уже неплохо прорисована, хотя многие проблемы еще ждут своего часа.

2. Модель расширяющейся Вселенной.

Вселенная началась около 15 миллиардов лет назад в яростном взрыве; в ранней сверхплотной фазе каждая частица бросилась прочь от каждой другой частицы. Тот факт, что галактики удаляются от нас во всех направлениях, является следствием этого начального взрыва, и он является первым обнаруженным Хабблом наблюдательным открытием.

Сегодня существуют прекрасные доказательства закона Хаббла, который утверждает, что скорость удаления v галактики пропорциональна расстоянию от нас до неё d , то есть, v = Hd, где H есть постоянная Хаббла. Мысленное продолжение траекторий галактик назад во времени показывает, что они сходятся в состояние с высокой плотностью – первоначальное ядро[6] .

Коперниковский или космологический принцип утверждает, что Вселенная одинакова во всех направлениях и в любой точке пространства. Это приводит к заключеию, что наше положение во Вселенной – по отношению к очень большим масштабам – ни в коей мере не является особенным.

Для такого утверждения существуют значительные наблюдательные основания, включая измеренные распределения галактик и слабых радиоисточников, хотя наилучшим доказательством является практически совершенная однородность реликтового космического микроволнового фонового излучения. Это означает, что любой наблюдатель, находящийся где-угодно во Вселенной будет наслаждаться во многом такими же видами, что и мы, включая наблюдение, что галактики удаляются от него.

Наиболее общепринятой в космологии является модель однородной изотропной нестационарной горячей расширяющейся Вселенной, построенная на основе общей теории относительности и релятивистской теории тяготения, созданной Альбертом Эйнштейном в 1916 году. В основе этой модели лежат два предположения[7] :

mirznanii.com

Модель Большого Взрыва

Модель Большого Взрыва расширяющейся Вселенной

Планеты, звёзды, галактики поражают нас удивительным разнообразием своих свойств, сложностью строения. А как устроена вся Вселенная в целом ?

Её главное свойство - однородность. Она предстаёт перед нами всюду одинаковой - «сплошной». Указывая из соображений максимальной простоты устройства на общую однородность мира, замечательный мыслитель Паскаль (1623-1662) говорил, что мир - это круг, центр которого везде, а окружность нигде. Так с помощью наглядного геометрического образа он утверждал однородность мира.

У Вселенной есть и ещё одно важнейшее свойство. Она находится в движении, расширяется. Расстояние между скоплениями и сверхскоплениями постоянно возрастает. Они как бы разбегаются друг от друга. А сеть ячеистой структуры растягивается.

Во все времена люди предпочитали считать Вселенную вечной и неизменной. Эта точка зрения господствовала вплоть до 20-х годов нашего века. В то время считалось, что она ограничена размерами нашей Галактики. Настоящий переворот в науке о Вселенной произвели в 1922 - 1924 годах работы ленинградского математика и физика А. Фридмана. Опираясь на только что созданную тогда А. Эйнштейном общую теорию относительности, он математически доказал, что мир - это не нечто застывшее и неизменное. Как единое целое он живет своей динамической жизнью, изменяется во времени, расширяясь или сжимаясь по строго определённым законам.

Фридман открыл подвижность звёздной Вселенной. Это было теоретическое предсказание, а выбор между расширением и сжатием нужно сделать на основании астрономических наблюдений. Такие наблюдения в 1928 - 1929 годах удалось проделать Хабблу, известному уже нам исследователю галактик.

Он обнаружил, что далёкие галактики и целые их коллективы движутся, удаляясь от нас во все стороны. Но так и должно выглядеть, в соответствии с предсказаниями Фридмана, общее расширение Вселенной.

Конечно, это не означает, что галактики разбегаются именно от нас. В действительности общее расширение Вселенной происходит так, что все они удаляются друг от друга, и из любого места картина этого разбегания выглядит так, как мы видим её с нашей планеты.

Предполагаемый возраст Вселенной во много раз превышает те временные отрезки, которыми мы оперируем, описывая историю человечества или даже историю нашей планеты. Зарождение и эволюция жизни на земле является лишь ничтожным звеном в эволюции Вселенной, а с точки зрения человека, процесс эволюции Вселенной происходит очень медленно.

Согласно общепринятой сегодня эволюционной теории Вселенной, началом ее был гигантский, раскаленный и плотный огненный шар. Это было около десяти миллиардов лет назад. Предполагаемый состав этого первичного яйца был весьма прост: огненный шар был настолько раскален, что, вероятнее всего, состоял лишь из свободных элементарных частиц, которые стремительно двигались, сталкиваясь друг с другом, хотя, скорее всего, это были не те элементарные частицы, которые современные ученые привыкли наблюдать сегодня.

Какое-то время шар находился в покое, а затем произошел Большой Взрыв, и на протяжении десяти миллиардов лет после  этого события, грандиозной вселенской катастрофы, простейшее бесформенное вещество постепенно превращалось в атомы, молекулы, кристаллы, породы, планеты. Рождались звезды, системы, состоящие из огромного количества элементарных частиц с весьма простой организацией, и, вероятно, на некоторых планетах могли возникнуть формы жизни, подобные земным или же радикально отличающиеся от них.

Итак, произошел Взрыв, по-английски Big Bang,и с этой секунды началось расширение Вселенной, продолжающееся до сих пор, а момент, с которого Вселенная начала расширятся, принято считать ее началом, хотя, возможно, Мировое Яйцо, огненный шар, бесконечно долго пребывал в стабильном состоянии. Под расширением Вселенной подразумевается такой процесс, когда одно и то же количество элементарных частиц и фотонов занимают постоянно возрастающий объём, а, следовательно, средняя плотность Вселенной в результате расширения постепенно понижается. Из этого следует, что в прошлом плотность Вселенной была больше, чем в настоящее время. Можно предположить, что в начале времен (примерно десять миллиардов лет назад) плотность Вселенной была очень большой, ведь в относительно небольшом объеме содержалось все существующее сегодня вещество. Кроме того, высокой должна была быть и температура, настолько высокой, что плотность излучения превышала плотность вещества. Иначе говоря, энергия всех фотонов, содержащихся в 1 куб. см, была больше суммы общей энергии частиц, содержащихся в 1 куб. см.

На самом раннем этапе, в первые мгновения “большого взрыва”, вся материя была фантастически раскаленной густой смесью частиц, античастиц и высокоэнергичных гамма-фотонов. Частицы при столкновении с соответствующими античастицами аннигилировали, но  возникающие гамма-фотоны моментально материализовались в частицы и античастицы, а энергия превращалась в вещество.

   Подробный анализ показывает, что температура вещества Т понижалась во времени в соответствии с простым соотношением :

T =     1010/ Ö t  K .

Зависимость температуры Т от времени t дает нам возможность определить, что например, в момент, когда возраст вселенной исчислялся всего одной десятитысячной секунды,  её температура представляла  один  биллион  Кельвинов.

   Температура раскаленной плотной материи на начальном этапе Вселенной со временем понижалась, что и отражается в соотношении. Это значит, что понижалась средняя кинетическая энергия частиц kT . Согласно соотношению hn=kT понижалась и энергия фотонов. Это возможно лишь в том случае, если уменьшится их частота  n.

Понижение энергии фотонов во времени имело для возникновения частиц и античастиц путем материализации важные последствия. Для того, чтобы фотон превратился (материализовался) в частицу и античастицу с массой mo и энергией покоя moc2,  ему необходимо обладать энергией 2moc2 или большей. Эта  зависимость выражается  так :

                                        hn >=2moc2

Со временем энергия фотонов понижалась, и как только она упала ниже произведения энергии частицы и античастицы (2moc2), фотоны уже не способны были обеспечить возникновение частиц и античастиц с массой mo. Так, например, фотон, обладающий энергией меньшей, чем 2.938 Мэв = 938 Мэв, не способен материализоваться в протон и антипротон, потому что энергия покоя протона равна 938 мэв.

   В предыдущем соотношении можно заменить энергию фотонов hn кинетической энергией частиц kT ,

kT >= 2 moc2

то есть

T >= 2 moc2/k

Знак неравенства означает следующее: частицы и соответствующие им античастицы возникали при материализации в раскаленном веществе до тех пор, пока температура вещества T не упала ниже значения 

2 moc2/kНа начальном этапе расширения Вселенной из фотонов рождались частицы и античастицы. Этот процесс постоянно ослабевал, что привело к вымиранию частиц и античастиц. Поскольку аннигиляция может происходить при любой температуре, постоянно осуществляется процесс

частица + античастица  Þ 2 гамма-фотона

 при условии соприкосновения вещества с антивеществом. Процесс материализации

гамма-фотон Þ частица + античастица

мог протекать лишь при достаточно высокой температуре. Согласно тому, как материализация в результате понижающейся  температуры раскаленного вещества приостановилась. Эволюцию Вселенной принято разделять на четыре эры : адронную, лептонную, фотонную и звездную.

Адронная эра.  

При очень высоких температурах и плотности в самом начале существования Вселенной материя состояла из элементарных частиц. Вещество на самом раннем этапе состояло прежде всего из адронов, и поэтому ранняя эра эволюции Вселенной называется адронной, несмотря на то, что в то время существовали и лептоны.

   Через миллионную долю секунды с момента рождения Вселенной, температура T упала на 10 биллионов Кельвинов(1013K). Средняя кинетическая энергия частиц kT и фотонов hn составляла около миллиарда эв (103 Мэв), что соответствует энергии покоя барионов. В первую миллионную долю секунды эволюции Вселенной происходила материализация всех барионов неограниченно, так же, как и аннигиляция. Но по прошествии этого времени материализация барионов прекратилась, так как при температуре ниже 1013 K фотоны не обладали уже достаточной энергией для ее осуществления. Процесс аннигиляции барионов и антибарионов продолжался до тех пор, пока давление излучения не отделило вещество от антивещества. Нестабильные гипероны (самые тяжелые из барионов) в процессе самопроизвольного распада превратились в самые легкие из барионов (протоны и нейтроны). Так во вселенной исчезла самая большая группа барионов - гипероны. Нейтроны могли дальше распадаться в протоны, которые далее не распадались, иначе бы нарушился закон сохранения барионного заряда. Распад гиперонов происходил на этапе с 10-6до 10-4секунды.

   К моменту, когда возраст Вселенной достиг одной десятитысячной секунды (10-4 с.), температура ее понизилась до 1012 K, а энергия частиц и фотонов представляла лишь 100 Мэв. Ее не хватало уже для возникновения самых легких адронов - пионов. Пионы, существовавшие ранее, распадались, а новые не могли возникнуть. Это означает, что к тому моменту, когда возраст Вселенной достиг 10-4 с., в ней исчезли все мезоны. На этом адронная эра заканчивается, потому что пионы являются не только самыми легкими мезонами, но и легчайшими адронами. Никогда после этого сильное взаимодействие (ядерная сила) не проявлялась во Вселенной в такой мере, как в адронную эру, длившуюся всего лишь одну десятитысячную долю секунды.

Лептонная эра.

Когда энергия частиц и фотонов понизилась в пределах от 100 Мэв до 1 Мэв в веществе было много лептонов. Температура была достаточно высокой, чтобы обеспечить интенсивное возникновение электронов, позитронов и нейтрино. Барионы (протоны и нейтроны), пережившие адронную эру, стали по сравнению с лептонами и фотонами встречаться гораздо реже.

Лептонная эра начинается с распада последних адронов - пионов - в мюоны и мюонное нейтрино, а кончается через несколько секунд при температуре 1010 K, когда энергия  фотонов уменьшилась до 1 Мэв и материализация электронов и позитронов прекратилась. Во время этого этапа начинается независимое существование электронного и мюонного нейтрино, которые мы называем  “реликтовыми”. Всё пространство Вселенной наполнилось огромным количеством реликтовых электронных и мюонных нейтрино. Возникает нейтринное море.Фотонная эра или эра излучения.

На смену лептонной эры пришла эра излучения, как только температура Вселенной понизилась до 1010 K , а энергия гамма фотонов достигла 1 Мэв, произошла только аннигиляция электронов и позитронов. Новые электронно-позитронные пары не могли возникать вследствие материализации, потому, что фотоны не обладали достаточной энергией. Но аннигиляция электронов и позитронов продолжалась дальше, пока давление излучения полностью не отделило вещество от антивещества. Со времени адронной и лептонной эры Вселенная была заполнена фотонами. К концу лептонной эры фотонов было в два миллиарда раз больше, чем протонов и электронов. Важнейшей составной Вселенной после лептонной эры становятся фотоны, причем не только по количеству, но и по  энергии.

   Для того чтобы можно было сравнивать роль частиц и фотонов во Вселенной, была  введена величина плотности энергии. Это количество энергии в 1 куб.см, точнее, среднее количество (исходя из предпосылки, что вещество во Вселенной распределено равномерно). Если сложить вместе энергию hn всех фотонов, присутствующих в 1 куб.см, то мы получим плотность энергии излучения Er . Сумма энергии покоя всех частиц в 1 куб.см является средней энергией вещества Em во Вселенной.

Вследствие расширения Вселенной понижалась плотность энергии фотонов и частиц. С увеличением расстояния во Вселенной в два раза, объём увеличился в восемь раз.  Иными словами, плотность частиц и фотонов понизилась в восемь раз. Но фотоны в процессе расширения ведут себя иначе, чем частицы. В то время как энергия покоя во время расширения Вселенной не меняется, энергия фотонов при расширении уменьшается. Фотоны понижают свою частоту колебания, словно “устают” со временем. Вследствие этого плотность энергии фотонов (Er) падает быстрее, чем плотность энергии частиц (Em). Преобладание во вселенной фотонной составной над составной частиц (имеется в виду плотность энергии) на протяжении эры излучения уменьшалось до тех пор, пока не исчезло полностью. К этому моменту обе составные пришли в равновесие (то есть Er=Em). Кончается эра излучения и вместе с этим период “большого взрыва”. Так выглядела Вселенная в возрасте примерно 300 000 лет. Расстояния в тот период были в тысячу раз короче, чем в настоящее время.“Большой взрыв” продолжался сравнительно недолго, всего лишь одну тридцатитысячную  нынешнего возраста Вселенной. Несмотря на краткость срока, это всё же была самая грандиозная эра Вселенной. Никогда после этого эволюция Вселенной не была столь стремительна, как в самом её начале, во время “большого взрыва”. Все события во Вселенной в тот период касались свободных элементарных частиц, их превращений, рождения, распада, аннигиляции. Не следует забывать, что в столь короткое время (всего лишь несколько секунд) из богатого разнообразия видов элементарных частиц исчезли почти все: одни путем аннигиляции (превращение в гамма-фотоны), иные путем распада на самые легкие барионы (протоны) и на самые легкие заряженные лептоны (электроны).

   После “большого  взрыва” наступила продолжительная эра вещества, эпоха преобладания частиц, так называемая "звездная эра".Она продолжается со времени завершения “большого взрыва” (приблизительно 300 000 лет) до наших дней. По сравнению с периодом “большим взрыва” её развитие представляется как будто слишком замедленным. Это происходит по причине низкой плотности и температуры.

Вселенная вступила в звездную эру в форме водородного газа с огромным количеством  световых и ультрафиолетовых фотонов. Водородный газ расширялся в различных частях Вселенной с разной скоростью. Неодинаковой была также и его плотность. Он образовывал огромные сгустки, во много миллионов световых лет. Масса таких космических водородных сгустков была в сотни тысяч, а то и в миллионы раз больше, чем масса нашей теперешней Галактики. Расширение газа внутри сгустков шло медленнее, чем расширение разреженного водорода между самими сгущениями. Позднее из отдельных участков с помощью собственного притяжения образовались сверхгалактики и скопления галактик. Итак, крупнейшие структурные единицы Вселенной - сверхгалактики - являются результатом неравномерного распределения водорода, которое происходило на ранних этапах истории Вселенной. Правда, стоит отметить, что эти сверхгалактики обладают на редкость упорядоченным ячеистым строением. Колоссальные водородные сгущения - зародыши сверхгалактик и скоплений галактик - медленно вращались. Внутри их образовывались вихри, похожие на водовороты. Их диаметр достигал примерно ста тысяч световых лет. Мы называем эти системы протогалактиками, т.е. зародышами галактик. Несмотря на свои невероятные размеры, вихри протогалактик были всего лишь ничтожной частью сверхгалактик и по размеру не превышали одну тысячную сверхгалактики. Сила гравитации образовывала из этих вихрей системы звезд, которые мы называем галактиками. Некоторые из галактик до сих пор напоминают гигантское завихрение.

   Астрономические исследования показывают, что скорость вращения завихрения предопределяет форму галактики, родившейся из этого вихря. Из медленно вращающихся вихрей возникли эллиптические галактики, в то время как из быстро вращающихся родились сплющенные спиральные галактики.

В результате силы тяготения очень медленно вращающийся вихрь сжимался в шар или несколько сплюнутый эллипсоид. Размеры такого правильного гигантского водородного облака были от нескольких десятков до нескольких сотен тысяч световых лет. Нетрудно определить, какие из водородных атомов вошли в состав рождающейся эллиптической, точнее говоря эллипсоидальной галактики, а какие остались в космическом пространстве вне нее. Если энергия связи сил гравитации атома на периферии превышала его кинетическую энергию, атом становился составной частью галактики. Это условие называется критерием Джинса. С его помощью можно определить, в какой степени зависела масса и величина протогалактики от плотности и температуры водородного газа.

   Протогалактика, которая вообще не вращалась, становилась родоначальницей шаровой галактики. Сплющенные эллиптические галактики рождались из медленно вращающихся протогалактик. Из-за недостаточной центробежной силы преобладала сила гравитационная. Протогалактика сжималась и плотность водорода в ней возрастала. Как только плотность достигала определенного уровня, начали выделятся и сжимается сгустки водорода. Рождались протозвезды, которые позже эволюционировали в звезды. Рождение всех звезд в шаровой или слегка приплюснутой галактике происходило почти одновременно. Этот процесс продолжался относительно недолго, примерно сто миллионов лет. Это значит, что в эллиптических галактиках все звезды приблизительно одинакового возраста, т.е. очень старые. В эллиптических галактиках весь водород был исчерпан сразу же в самом начале, примерно в первую сотую существования галактики. На протяжении последующих 99 сотых этого периода звезды уже не могли возникать. Таким образом, в эллиптических галактиках количество межзвездного вещества ничтожно.

   Спиральные галактики, в том числе и наша, состоят из очень старой сферической составляющей ( в этом они похожи на эллиптические галактики) и из более молодой плоской составляющей, находящейся в спиральных рукавах. Между этими составляющими существует несколько переходных компонентов разного уровня сплюснутости, разного возраста и скорости вращения. Строение спиральных галактик, таким образом, сложнее и разнообразнее, чем строение эллиптических. Спиральные галактики кроме этого вращаются значительно быстрее, чем галактики эллиптические. Не следует забывать, что они образовались из быстро вращающихся вихрей сверхгалактики. Поэтому в создании спиральных галактик участвовали и гравитационная и центробежная силы.

   Если бы из нашей галактики через сто миллионов лет после ее возникновения (это время формирования сферической составляющей) улетучился весь межзвездный водород, новые звезды не смогли бы рождаться, и наша галактика стала бы эллиптической.

   Но межзвездный газ в те далекие времена не улетучился, и, таким образом гравитация и вращение могли продолжать строительство нашей и других спиральных галактик. На каждый атом межзвездного газа действовали две силы - гравитация, притягивающая его к центру галактики и центробежная сила, выталкивающая его по направлению от оси вращения. В конечном итоге газ сжимался по направлению к галактической плоскости. В настоящее время межзвездный газ сконцентрирован  к галактической плоскости в весьма тонкий слой. Он сосредоточен прежде всего в спиральных рукавах и представляет собой плоскую или промежуточную составляющую, названную звездным населением второго типа.

   На каждом этапе сплющивания межзвездного газа во все более утончающийся диск рождались звезды. Поэтому в нашей галактике можно найти, как старые, возникшие примерно десять миллиардов лет назад, так и звезды родившиеся недавно в спиральных рукавах, в так называемых ассоциациях и рассеянных скоплениях. Можно сказать, что чем более сплющена система, в которой родились звезды, тем они моложе. Список литературы

1.     Кесарев В.В. "Эволюция вещества во вселенной"- М.: Атомиздат, 1976.

2.     Климишин И.А. "Астрономия наших дней" - М.: Наука,1976.

www.coolreferat.com

10.3 Модель Большого Взрыва

С точки зрения теории Вселенная родилась в сингулярном состоянии с бесконечно большими плотностями и температурой в некоторый момент времени – Большой Взрыв. В процессе последующего расширения ее температура падала до современного уровня. Многие выводы теории горячей Вселенной не подтвердились опытами. Часть проблем удалось решить в теории «раздувающейся» Вселенной, согласно которой Вселенная в начальной стадии находилась в вакуумоподобном состоянии с большей плотностью энергии. Эту стадию называют стадией раздувания или инфляции. Стадия инфляции длилась примерно 10-35 секунды при температурах свыше 1028 Кельвина. Физический вакуум – наилучшее энергетическое состояние всех полей. В нем нет вещества и излучения, но имеются возникающие и уничтожающиеся виртуальные частицы. «Ложный вакуум» – возбужденное состояние вакуума с силами гравитационного отталкивания. Именно эти силы повинны в расширении Вселенной с громадной скоростью. Такое расширение и было вызвано инфляцией. В конце периода инфляции плотность энергии поля стала переходить в плотность массы частиц и античастиц, движущихся с ультрарелятивистскими скоростями. Несмотря на незавершенность, инфляционная модель объясняет однородность и изотропность Вселенной, а также образование Галактик и их скоплений из малых первичных возмущений плотности. На этом этапе не могли родиться гравитоны. Существовало лишь одно взаимодействие – супергравитация. Следующий этап рождения Вселенной называется эрой Великого объединения. Температура упала до 1027 Кельвина. Во Вселенной образовалось большое число массивных частиц X – и Y бозонов, осуществляющих единое сильное и электрослабое взаимодействие. С участием бозонов кварки могли превращаться в лептоны, а лептоны – обратно в кварки. Количество частиц и античастиц было одинаково. По мере снижения температуры бозоны и их античастицы стали распадаться. При распаде образовался избыток частиц по сравнению с античастицами. По мере дальнейшего остывания Вселенной античастицы аннигилировали с частицами. В результате этого процесса большая часть вещества превратилось в излучение, которое в конечном итоге остыв, превратилось в фоновое излучение.

Через 10-12 секунды после Большого Взрыва температура была больше 1015 Кельвина. Произошло отделение слабого взаимодействия от магнитного. Промежуточные векторные бозоны, кварки и лептоны приобрели массу, а фотон остался безмассовым. В результате появились известные ныне частицы – электрон, нейтрино, фотоны. Следующий фазовый переход произошел спустя 10-3 с, когда температура спустилась до 1013 градусов. Кварки начали объединяться в адроны (протоны, нейтроны и другие, сильно взаимодействующие частицы).

Через 0,2 с при температуре 2·1010 К электронные нейтрино перестают взаимодействовать с частицами. Вселенная для них стала прозрачной, образовавшиеся к тому времени нейтрино сохраняются вечно. Подобно реликтовым фотоном они постепенно теряют свою энергию – охлаждаются.

В конце первой секунды при температуре 2·1010 К все пространство заполнено хаотически движущимися частицами – протонами и нейтронами вместе с электронами, нейтрино и фотонами. Для образования сложных ядер температура еще слишком высока. Через минуту температура упала примерно в 100 раз. Протоны и нейтроны стали объединяться в основном в ядра гелия. Через несколько минут температура упала ниже уровня, при котором возможны ядерные реакции. Образовавшаяся плазма состояла на 10% из ядер гелия и на 90% из ядер водорода. Последние образовали впоследствии водород – основное топливо звезд, включая Солнце. Без водорода нет воды и нет жизни.

Лишь по истечении сотен тысяч лет стали появляться первые атомы водорода и гелия среди водородно-гелиевой плазмы. Процесс рекомбинации протонов и электронов с образованием водорода и гелия начался с температуры около 4000 К. Равновесие с излучением нарушилось. Излучение обособилось, его температура снижалась и в настоящее время составляет около 3 К. Реликтовое фоновое излучение было предсказано в 1952 г. Гамовым, а в 1965 г. оно было обнаружено в опытах Пензисса и Уилсона.[10, 12]

Первоначально сплошная однородная плазма должна была распадаться на отдельные сгустки, так как материя не могла быть распределена с постоянной плотностью. В дальнейшем из сгустков образовались скопления галактик. Под действием сил гравитации в отдельных местах сжатие преобладало над расширением и из скоплений возникли протогалактики, а внутри них – протозвезды. Образование звезд и протозвезд – диффузной межзвездной среды – продолжается и в настоящее время. Вокруг звезд происходило формирование планетных систем. В результате эволюции Вселенной возникли все существующие формы материи, включая, живые и разумные существа. Как оказалось, универсальные физические константы имеют значения, обеспечивающие возникновение жизни на нашей планете. Расчеты показывают, что даже незначительные отклонения известных постоянных препятствовали бы появлению тяжелых металлов, галактик и живых существ. Разумеется, речь идет о водно - углеродной форме жизни. Этот факт, носящий название антропного принципа, породил множество вопросов философского характера. Согласно одной формулировке «Вселенная должна быть такой, чтобы на определенном этапе эволюции ее параметры допускали существование наблюдателей». Не исключено, что существует некоторый тип универсальных связей, определяющих целостный характер нашего мира как системного фрагмента бесконечно разнообразной природы.

В основе концепции Большого Взрыва лежит предположение о том, что началу эволюции Вселенной (t = 0) соответствовало состояние с бесконечной плотностью  =  (сингулярное состояние Вселенной). С этого момента Вселенная расширяется, а ее средняя плотность  уменьшается со временем по закону

(10.1)

где G - гравитационная постоянная.

Вторым постулатом теории Большого Взрыва является признание решающей роли светового излучения на процессы, происходившие в начале расширения. Плотность энергии  такого излучения, с одной стороны, связана с температурой Т известной формулой Стефана-Больцмана

, (10.2)

где  = 7,6 10-16 Дж/м3град4 -постоянная Стефана-Больцмана, а с другой стороны, с плотностью массы 

(10.3)

где с - скорость света.

Подставив (10.3) в (10.1), с учетом численных значений G и  получаем

(10.4)

где время выражается в секундах, а температура - в кельвинах.

График зависимости Т(t) показан на рисунке 10.1, где отмечены наиболее важные события, о которых говорится ниже.

Рис. 10.1.

При очень высоких температурах (Т > 1013 К, t < 10-6 с) Вселенная была абсолютно непохожа на то, что мы видим сегодня. В той Вселенной не было ни галактик, ни звезд, ни атомов... Как в «кипящем котле» в ней непрерывно рождались и исчезали кварки, лептоны и кванты фундаментальных взаимодействий, в первую очередь, фотоны (). При столкновении двух фотонов могла, например, родиться пара электрон (е-) - позитрон (е+), которая практически сразу аннигилировала (самоуничтожалась), вновь рождая кванты света,

.

Аннигиляция электрон-позитронной пары могла привести к рождению и других пар частица-античастица, например, нейтрино () и антинейтрино ()

Аналогичные обратимые реакции шли и с участием адронов, в частности, нуклонов (протонов, нейтронов и их античастиц).

Следует, однако, иметь в виду, что рождение пары частица-античастица при столкновении фотонов возможно только при условии, что энергия фотонов W превышает энергию покоя рождающихся частиц. Средняя энергия фотонов в состоянии термодинамического равновесия определяется температурой

где k - постоянная Больцмана.

Поэтому обратимый характер процессов с участием фотонов имел место только при температурах, превышавших вполне определенное значение для каждого типа элементарных частиц

Например, для нуклонов m0c2 ~ 1010 эВ, значит Тнукл ~ 1013 К. Так что при Т > Тнукл могло происходить и происходило непрерывное возникновение пар нуклон-антинуклон и их почти мгновенная аннигиляция с рождением фотонов. Но как только температура Т стала меньше, чем Тнукл, нуклоны и антинуклоны за весьма короткое время исчезли, превратившись в свет (см. рис. 10.1). И если бы это имело место для всех нуклонов и антинуклонов, то Вселенная осталась бы без стабильных адронов, а значит не было бы и того вещества, из которого впоследствии образовались галактики, звезды и другие космические объекты. Но оказывается, что в среднем на каждый миллиард пар нуклон-антинуклон приходилась одна «лишняя» частица. Именно из этих “лишних” нуклонов и построено вещество нашей Вселенной.

Аналогичный процесс аннигиляции электронов и позитронов произошел позже, при t ~ 1 с, когда температура Вселенной упала до ~ 1010 К и энергии фотонов стало не хватать для рождения электрон-позитронных пар. В результате во Вселенной осталось относительно небольшое число электронов - ровно столько, чтобы скомпенсировать положительный электрический заряд «лишних» протонов.

Оставшиеся после глобального самоуничтожения протоны и нейтроны некоторое время обратимо переходили друг в друга в соответствии с реакционными формулами

И здесь решающую роль сыграло небольшое отличие масс покоя протонов и нейтронов, которое, в конце концов, привело к тому, что концентрации нейтронов и протонов оказались различными. Теория утверждает, что к исходу пятой минуты на каждые сто протонов приходилось примерно 15 нейтронов. Именно в это время температура Вселенной упала до ~ 1010 К, и создались условия для образования стабильных ядер, прежде всего ядер водорода (Н) и гелия (Не). Если пренебречь ядрами других элементов (а они тогда действительно почти не возникали), то с учетом приведенного выше соотношения протонов и нейтронов, во Вселенной должно было образоваться ~ 70% ядер водорода и ~ 30% ядер гелия. Именно такое соотношение этих элементов и наблюдается в межгалактической среде и в звездах первого поколения, подтверждая тем самым концепцию Большого Взрыва.

После образования ядер Н и Не в течение длительного времени (порядка миллиона лет) во Вселенной почти ничего заслуживающего внимания не происходило. Было еще достаточно горячо, чтобы ядра могли удерживать электроны, так как фотоны тут же их отрывали. Поэтому состояние Вселенной в этот период называют фотонной плазмой.

Так продолжалось до тех пор, пока температура не упала до ~ 4000 К, а это случилось через ~ 1013 с или почти через миллион лет после Большого Взрыва (см. рис. 10.1). При такой температуре ядра водорода и гелия начинают интенсивно захватывать электроны и превращаться в стабильные нейтральные атомы (энергии фотонов уже недостаточно, чтобы эти атомы разбивать). Астрофизики называют этот процесс рекомбинацией.

Только с этого момента вещество Вселенной становится прозрачным для излучения и пригодным для образования сгустков, из которых потом получились галактики. Излучение же, называемое реликтовым, с тех пор ведет независимое существование, путешествуя по Вселенной по всем направлениям. Сейчас к нам на Землю приходят кванты этого излучения, которые пролетели практически прямолинейно огромное расстояние, равное произведению скорости света с на время tр, которое прошло с момента рекомбинации: L = сtр.Но ведь в результате расширения Вселенной мы фактически “убегаем” от этих квантов реликтового излучения со скоростьюгдевремя, которое прошло с момента Большого Взрыва. А это значит, что длины волн у принимаемого нами реликтового излучения из-за эффекта Доплера должны быть во много (~t0/tр) раз больше, чем у того, которое было в момент рекомбинации при Т ~ 4000 К. Расчеты показывают, что реликтовое излучение, регистрируемое на Земле, должно быть таким, как если бы оно было испущено телом, нагретым до температуры Т ~ 3 К. Именно такими свойствами и обладало излучение, которое зафиксировали в 1965 году А. Пензиас и Р. Вильсон. Это фоновое излучение и сейчас существует во Вселенной, но теперь уже в виде радиоволн, микроволнового и инфракрасного излучения. Температуру реликтового излучения составляет согласно современным данным 2,74 К. В последние годы экспериментально обнаружена анизотропия (неравномерность) реликтового излучения, которую связывают с неоднородностями распределения материи и наличием слабых возмущений.

studfiles.net

6.3 Стандартная модель вселенной. Модель Большого взрыва

Стандартная модель опирается на наблюдаемые факты разбегания галактик, которые установлены еще Хабблом. И сегодня ни у кого нет сомнения в том, что вселенная расширяется.

В плоской и открытой фридмановской модели без учета темной энергии расширение продолжается бесконечно, но замедляется. При этом размер горизонта (области доступной наблюдению) увеличивается быстрее, чем масштабный фактор вселенной. По мере расширения вселенная становится более холодной. Однако число видимых галактик (внутри горизонта) возрастает. Вблизи горизонта появляются новые, ранее не наблюдавшиеся объекты – квазары.

Для того чтобы сказать о том, что «все течет и изменяется», нужно иметь представление о Начале. Такое представление о Начале в понимании возникновения материи, вещества, пространства и времени в Стандартной модели упирается в событие, которое физиками принимается за сингулярность – состояние сверхплотного вещества перед Большим взрывом. Не все в этой модели может быть объяснено. Например, по экспериментальным данным время жизни протона составляет не менее 1030 лет. Это гораздо больше, чем время существования вселенной, в которой возникла частица протона. Физики молчаливо предполагают, что вещество, состоящее из протонов и нейтронов, в настоящее время уже не может образоваться, но было когда-то рождено во вселенной из так называемого сингулярного состояния, которое является само проблемой, так как свойства этого состояния не известны и не могут быть описаны в рамках ОТО.

Не совсем ясно, почему вещество в наблюдаемой вселенной преобладает над антивеществом, и почему возникла асимметрия во вселенной? Почему геометрия пространства вселенной близка к евклидовому? Почему нельзя противопоставить хаос и порядок как крайние состояния материи? Есть ли абсолютный порядок и возможен ли абсолютный хаос? Из чего возникла сингулярность: из хаоса или упорядоченного состояния? В каком направлении развивается Мир, к Порядку или Хаосу? Почему современная крупномасштабная вселенная выглядит изотропной?

Однако еще большие трудности возникают в альтернативных моделях Большому взрыву и на сегодня можно утверждать, что эта модель вместе с инфляционным Началом наилучшим образом объясняет многие процессы, которые наблюдаются в глубинах вселенной. Наилучшим образом – кроме самого Начала…

Попытки найти подходы к описанию структуры вселенной чаще всего приводят естественников к так называемой теории подобия. Она пытается связать единство микромира и макромира, предполагает нахождение таких элементарных структур, на основе трансляции которых можно описать любые периодические свойства эволюции материи, пространства, времени.

Теория подобия дает возможность, выделив коэффициент подобия, предсказать любое состояния периодичной изменчивости, если закон изменчивости существует. Например, в ряде чисел 1,2,3,…n, мы получаем арифметическую прогрессию, в которой 1 является слагаемым в направлении возрастания числового ряда. Или в ряде чисел 1,2, 4,8, ….n мы имеем дело с геометрической прогрессией, в которой любой последующий член вычислен путем умножения на 2.

Может ли существовать коэффициенты подобия при анализе структур вселенной? Если есть, то они должны объяснить, на основе каких законов можно описать микромир и макромир, которые, а priori, образуют завершенное единство материи, пространства, времени. Например, если все вещество в Метагалактике можно разбить на элементарные части от кванта и элементарных частиц, до атомов, молекул, космической пыли, микрометеоритов, макрометеоритов, комет, спутников планет, планет, звезд и т.д., то, найдя закон подобия, по величине его коэффициента мы можем описать структуру и свойства любой иерархической системы. И вселенной в целом.

Такие попытки делались и неоднократно. Например, Б.П. Иванов попытался выявить соотношения организационных форм материи и на их основе построил структуру Мира. Анализ построенной им модели позволил решить ряд физических проблем и уточнить некоторые расчетные параметры движения, энергий, масс и т.д.

Но дело в том, что если коэффициент подобия Б.П.Ивановым при спин-орбитальном взаимодействии электрона в атоме водорода оказался кратным 128 с предельной дискретностью 1287, то на основе этого он выделяет более тонкие подуровни организации взаимодействий через коэффициент подобия 1283=221.

С.Федосин по отношению масс между самыми тяжелыми и самыми легкими атомами и между самыми массивными и самыми малыми звездами выводит другой коэффициент подобия 280. Это значит, что каждому химическому элементу как совокупности атомов определенного сорта можно поставить в соответствие звезды определенной массы. При этом размерам электронов будут соответствовать планеты с массой близкой, например, к Урану.

Как видим, в любой теории подобия можно найти коэффициент подобия, на основе которого можно описать любую структурную единицу Метагалактики, поскольку и первый, и второй авторы убеждены каждый в справедливости своей модели описания картины мироздания. Но Природа не хочет мириться ни с какими постоянными и моделями (последние всегда требуют подгонки под наблюдаемые явления), она более «изворотлива» в явлениях на основе бесчисленного количества превращений, которые не могут быть вложены ни в одну модель, какой бы она не казалась привлекательной.

Сегодня под «Стандартной моделью» вселенной понимается модель, отвечающая концепции Большого взрыва из состояния сингулярности, прошедшая стадию инфляции (раздува).

Основные параметры принимаемые «Стандартной моделью» современной вселенной:

плотность вещества в ней оценивается около 5,475358∙10-30 г/см3;

плотность вещества в галактиках в среднем около 10-29 г/см3;

плотность вещества в Солнечной системе около 10-27 г/см3;

основная масса излучающего вещества равна 2,307957…∙1053kg мала по

отношению к общей массы вселенной, равной 1,58136631∙1056kg;

темное вещество невыясненной природы на 25% представляет собой так

называемую холодную энергию, и на 70 % – темное вещество;

современная оценка средней температуры вселенной на основе открытия

реликтового космического фонового излучения составляет около 2,73 К;

реликтовое фоновое космическое излучение слабо анизотропно и поляризовано;

возраст расширяющейся вселенной оценивается в 13,7 млрд. лет.

Модель горячей вселенной (модель Большого взрыва) была предложена еще Дж. Гамовым в 1948 г. Он выдвинул концепцию «горячей» вселенной, в которой рассматриваются ядерные реакции, протекавшие когда-то в плотном веществе. Температура должна была быть высокой и затем падала по мере расширения вселенной. Он практически предсказал, что первоначальным веществом, из которого образовались позже галактики и звезды, состояло на 75% из водорода и 25% гелия. В последствие это нашло свое подтверждение в эксперименте по открытию реликтового фонового излучения почти через 15 лет. Он также предсказал наличие во вселенной слабого электромагнитного излучения, названное реликтовым, оставшимся от начальных этапов расширения. Позже модель Гамова была уточнена и оформилась в современную научную теорию, которая основана на современных достижениях астрономии, астрофизики, космохимии.

Универсальная (догалактическая) стадия модели Большого взрыва

Основное положение теории Большого Взрыва заключается в том, что около 13,7 млрд. лет назад она возникла из бесконечно малой области размером 10-33 см3, при плотности вещества в ней 1093 г/см3 с бесконечно большой температурой около 1032К. Это состояние называется сингулярностью.

В настоящее время хорошее подтверждение получила единая теория поля. Возможность объединения всех видов взаимодействий связана с температурой вещества. Согласно современным данным, объединение трех взаимодействий («великое объединение») наступает при температуре 1028К, а т.н. «величайшее объединение» или «суперобъединение» наступает в условиях объединения всех четырех взаимодействий при температуре 1032К. Последнее условие может быть достигнуто как раз в самой начальной фазе существования вещества во вселенной до момента расширения, то есть, в состоянии сингулярности.

Расширяясь, вселенная остывала, и в это время происходили фазовые переходы первичного состояния вещества, приводившие к отделению разных видов взаимодействий и к появлению массы покоя у некоторых частиц, которые в первоначальной горячей вселенной, двигаясь со световыми скоростями, имели нулевую массу покоя. Такая перестройка должна была сильно изменять темп расширения вселенной в сторону ее увеличения. Кварки и лептоны обрели массу, и Большой взрыв свершился.

По мере расширения вселенной кварки, объединяясь, породили протоны и нейтроны, а ядерный синтез привел к формированию ядер водорода и гелия в соотношениях близких к 70:30.

Один из вариантов эволюции ранней вселенной базируется на двух основных предположениях, занимающих прочное место в теории гравитации и физике элементарных частиц.

Во-первых, это подтверждение общей теории относительности в области сильных гравитационных полей.

Во-вторых, это существование единого поля при высоких энергиях (температурах), объединяющего все виды взаимодействий. Так называемое условие суперобъединения.

Теорией Большого взрыва предсказывается образование ядер, относительное содержание нескольких химических элементов, а также существование и точную температуру микроволнового фонового излучения, пронизывающего вселенную и оставшегося от ранних стадий расширения.

Мы можем представить себе начальные стадии Большого взрыва как действительно гигантский взрыв. Механизм взрыва будет характеризоваться ростом объема, снижением плотности вещества, падением температуры. Кинетическая (положительная) энергия возрастает за счет падения потенциальной (отрицательной) энергии. Однако только стадией Большого Взрыва нельзя было объяснить сам факт начального события, которое породило событие, приведшее к Большому взрыву.

Благодаря работам российских физиков Э. Глинера, А. Старобинского, американца А. Гута было описано новое явление – сверхбыстрое инфляционное расширение вселенной. Описание этого явления основывается на общей теории относительности и квантовой теории поля. Сегодня считается общепринятым, что именно инфляционный период предшествовал Большому взрыву.

Первая стадия. Инфляционная.

Выход из сингулярности. Время от события Х →0. Стадия предшествовала Большому взрыву. Для того чтобы объяснить механизм Начала, физикам пришлось предположить существование гипотетического поля, которые было названо «инфлатонным» от слова инфляция. Это поле заполняло все пространство.

Прибегая к аналогии, физики попытались объяснить инфляцию, связанную с подобием образования снежного кома, набирающего при своем движении скорость вниз по склону горы. В качестве «инфлатонного» поля в этой аналогии выступает засыпанный снегом склон со всеми неровностями, на поверхности которого вкраплен разнородный материал, представленный веточками, обломками камней, кусков фирна и т.д. Случайно на вершине произошел сдвиг, породивший небольшой комок липкого снега и тот полетел вниз по склону, увеличиваясь в размерах, так как на него налипают снежные частицы со всеми вкраплениями, неравномерно или равномерно разбросанные до этого. Чем больше размер снежного кома, тем быстрее он будет скатываться к подошве склона. Превратившись в огромный ком, он падает в пропасть с еще большим ускорением. Достигнув дна, ком разлетится от удара на мелкие кусочки, и часть кинетической энергии отдаст на нагрев окружающей среды.

Таким образом, физики переносят аналогию на «инфлатонное» поле. Благодаря случайным колебаниям оно могло принимать разные значения в произвольных пространственных областях и в разные моменты времени. Ничего существенного не происходило, пока случайно не возникла однородная конфигурация этого поля размером 10-33 см.

Что же касается современных данных о начальных моментах вселенной, то она в первые мгновения жизни должна была иметь размер 10-27 см. На таких масштабах уже справедливы законы физики (С.Зарубин, 2000). В этом смысле дальнейшее поведение системы можно предсказать. Оказывается, сразу после этого пространственная область, занятая флуктуацией (колебание связанное со случайным отклонением наблюдаемых физических величин от их средних значений), начинает очень быстро увеличиваться в размерах, а инфлатонное поле стремится занять положение, в котором его энергия минимальна. Такое расширение продолжается всего 10-35 с, но его достаточно, чтобы диаметр вселенной возрос, как минимум, в 1027 раз (!) и к окончанию инфляционного периода вселенная приобрела размер примерно 1 см. Инфляция заканчивается, когда инфлатонное поле достигает минимума энергии. Накопившаяся кинетическая энергия переходит в энергию рождающихся и разлетающихся частиц. Происходит нагрев вселенной. Этот момент называется Большим взрывом.

Область, занятая инфлатонным полем, разрасталась гораздо больше скорости света, что в принципе не противоречит теории относительности А.Эйнштейна. Быстрее света не могут двигаться лишь материальные объекты, а в той области, где рождалась вселенная (?)…в данном случае двигалась воображаемая нематериальная граница

Сразу после окончания инфляции гипотетический наблюдатель изнутри, увидел бы вселенную, заполненную энергией в виде материальных частиц и фотонов. Расстояние между частицами быстро увеличивается из-за всеобщего расширения. Гравитационное взаимодействие между частицами уменьшает их скорость, поэтому расширение вселенной после завершения инфляционно периода замедляется.

Можно избежать проблемы инфляции и инфлатонного поля, не нарушая фундаментальность скорости света если признать, что сингулярность представляет собой сверхплотное вещество, из которого образовалась вселенная по модели Большого взрыва. В таком случае искривлённость пространства сингулярностью (рис. 6.3) будет изначально соответствующей пространству будущей вселенной, поскольку в сингулярность втиснута вся масса излучающего вещества вселенной 2,307957…∙1053kg. То есть сингулярность, создающая пространство своего развития, создаёт условия существования события (стало быть, и времени). Появление же самой сингулярности необходимо отнести к свойству бесконечного преобразования материи с образованием сингулярности – выходом из неё – исчезновение в новой сингулярности… отсюда, пространство, созданное сингулярностью не может быть превзойдено расширяющейся вселенной. Наблюдаемое ускоренное расширение вселенной может представлять собой процесс гравитационного влияния соседних вселенных, образовавшихся в другое время в другом пространстве, не прибегая к таинственной темной материи и тёмной энергии. А свидетельством неоднократных событий перехода вселенных из сингулярности и исчезновения в ней служит бесконечно большой период полураспада протона, равный 1·1030 лет.

Множество вселенных может возникать из «брызг» невзорвавшихся сингулярностей по аналогии с тем, как при взрыве взрывчатки не успевает сгорать и взрываться исходное вещество, по остаткам которых взрывотехники определяют состав взорвавшегося вещества. Только выход из сингулярности должен происходить несколько позже. Они по аналогии создают своё (движущееся и расширяющееся пространство, взаимодействующее с исходным и т.д.).

Рис. 6.3. Пространство, формирующееся сингулярностью, не может быть превзойдено расширяющейся вселенной при выходе из неё. Свойства пространства, создаваемой сингулярностью определяют свойства и закономерности движения материи в образовавшейся вселенной. Малый объем сингулярности должен формировать огромную угловую пространства. В результате пространство изначально должно быть близко к евклидовому, однородному, изотропному. Поскольку взрыв порождает турбулентный характер истекающего вещества, то при выходе его из сингулярности движение вещества также должно отвечать турбулентности.

Дальнейший сценарий развития вселенной не противоречит модели Большого взрыва. По мере расширения вселенной меняется состав материи. Появляются кварки. Они объединяются в протоны и нейтроны, и вселенная оказывается заполненной элементарными частицами: протонами, нейтронами, электронами, нейтрино и фотонами и их антиподами – античастицами. Вселенная развивается по симметричному сценарию. Рождающиеся частицы и античастицы аннигилируют, выделяя дополнительное количество энергии. Вещество, таким образом, не может образоваться.

Наступает адронная эра. Она связана с образованием пар протонов-антипротонов из нейтронов, а также положительно и отрицательно заряженных мезонов. С увеличивающимся расширением вселенной понижается температура. Реакция аннигиляции прекращается. Формируется электромагнитное излучение, которое вначале было очень плотным, но по мере расширения вселенной оно теряло свою плотность, оставаясь близко к изотропному и слабо поляризованному. Сегодня мы наблюдаем это излучение в виде реликтового фонового космического излучения, как отголоска событий прекращения развития вселенной по сценарию симметрии. Дальнейшая эволюция вселенной привела к образованию её асимметрии. И эта асимметрия с тех пор проявлена на всех уровнях организации материи в ней.

Аннигиляция протон-антипротонных пар высвобождала колоссальное количество энергии и затем стимулировала образование лептонов. Случайно или нет, но во вселенной с момента появления Х-бозона (частицы Хиггса) начинает доминировать вещество над антивеществом. Обнаружение частицы Хиггса на Большом адроном коллайдере позволит усилить позиции «Стандартной модели», предсказавшей её наличие. Если эта частица не будет обнаружена, потребуется создание другой модели и теории вселенной.

Полагают, что одной из первых реакций, приводящих к образованию тяжелых ядер, является реакция слияния протонов и нейтронов:

p + n → α + γ

Как показали расчеты, эта реакция идет при температуре 1010К, что соответствует соотношению нейтронов и протонов во вселенной равному 0,2 и времени, примерно, 3 с – 1 минута. В таких условиях дейтерий (D) образуется в достаточном количестве для производства ядер с массой 3 в реакциях:

D + n → 3H + γ,

D + p → 3He + γ.

Или:

D + D →

D + D → 3He + n.

Гелий же может образоваться в результате реакций уже на третьей минуте жизни вселенной:

3H + p → 4He + γ,

3He + n → 4He + γ.

Таким образом, на третьей минуте после начала расширения наступил захват нейтронов протонами с образованием ядер дейтерия, трития, гелия.

Так как не существует стабильной массы 5, то 4He является последним ядром в начальном этапе нуклеосинтеза.

Так наступила лептонная эра. После ряда сложных взаимодействий частиц с античастицами, рождения электронных пар и аннигиляций наступило время, когда протонов и нейтронов осталось, примерно, поровну. Но при дальнейшем понижении температуры нейтроны начали медленно распадаться, превращаясь в протоны, электроны и антинейтрино.

Таким образом, содержание гелия на третьей минуте достигло современного значения 28 – 30 % от общей массы вещества. Соотношение водорода и гелия в современной вселенной сегодня хорошо измерено и соотносится как 70:30.

Первая стадия первичного ядерного синтеза непосредственно предшествует эпохе рекомбинации, когда температура среды упала настолько, что свободные электроны и новорожденные ядра начинают объединяться в нейтральные атомы. Взаимодействие вещества и излучения вначале ослабевает, а затем полностью прекращается. Наступает эра отделения вещества от излучения.

Итак, при температуре порядка 1013 К, когда котел вселенной представлял собой кипящее месиво равных количеств частиц и античастиц (электронов и позитронов, нейтронов и антинейтронов, протонов и антипротонов), существовал некий баланс между количеством реликтовых фотонов. Однако если бы число тяжелых частиц и античастиц (барионов) было в точности одинаково для каждого сорта, то в ходе расширения вселенной они бы все аннигилировали, превратившись в реликтовые фотоны и нейтрино, и во вселенной, кроме реликтового излучения и нейтрино, вообще бы ничего не осталось. Оказалось, что на каждый миллиард частиц и античастиц приходилась одна тяжелая частица, которая и породила потом весь вещественный (асимметричный ) мир окружающей нас вселенной.

Таким образом, в ранней истории вселенной в момент действия теории Великого объединения нарушается барионный заряд. В этих случаях появляются сверхтяжелые хиггсовы и калибровочные частицы (Х-бозоны), которые и послужили основой формирования вещества во вселенной. Они зарождались в интервале 10-34 – 10-30 сек после начала расширения.

То есть важнейшим обстоятельством ранней истории расширения вселенной являлся факт асимметрии между тяжелыми частицами и античастицами . При температуре 1013К темп всех процессов взаимодействия с Х-бозонами и их античастицами оказывается медленнее, чем темп расширения вселенной. Эти частицы не успевают аннигилировать и их концентрация оказывается «замороженной». После медленной аннигиляции последних наблюдается асимметрия в образовании большего количества частиц, чем античастиц… И, в конце концов, вещество начинает накапливаться… и доминировать во вселенной.

Наблюдаемое сегодня разнообразие элементарных частиц и легких элементов хорошо согласуется со Стандартной моделью. Это означает, что известные нам физические законы одинаковы во всей наблюдаемой части вселенной.

Как бы мы не смотрели на разные теории о симметричности или несимметричности вселенной (существует или не существует в ее бескрайних просторах антивещество, способное создать антимиры), мы имеем основание предполагать асимметричный характер ее строения и вещества в ней. Предсказания стандартной космологической модели относительно содержания легких элементов (водорода, дейтерия, гелия и лития) в современной вселенной хорошо согласуются с наблюдаемыми фактами.

Сценарий раздувающейся вселенной создавался на основе новейших достижений физики высоких энергий. Существуют его разные варианты, но основная идея остается неизменной, и в настоящее время этой теории придерживается большинство космологов.

Напомним, что еще в двадцатые годы теорию расширяющейся вселенной на основе общей теории относительности создал отечественный теоретик А.А.Фридман. Затем возникла теория горячей вселенной, согласно которой в некий начальный момент времени t → 0 наш мир был создан из вещества в состоянии огромной плотности и высочайшей температуры. Эта теория получила блестящее подтверждение после открытия в 1964 году американскими астрономами А.Пензиасом и Р.Уильсоном реликтового электромагнитного излучения, проникающего к нам из самых разных направлений видимой области небосвода.

При массе внутри оболочки М, радиус которой R, плотность вещества d, скорость u, H – постоянная Хаббла, G – ньютоновская гравитационная постоянная, к – постоянная кривизны (+1, –1 или 0), получим:

v2/2 + GM/R = - k/2

или, принимая зависимость Хаббла u= НR, обретем:

h3/2 + 4π/3Gd = - k/2R2

Это и есть уравнение Фридмана, описывающее модель Большого взрыва.

Однако в объеме расширяющегося пространства будет соблюдаться некий баланс энергии расширения оболочки и гравитационной потенциальной энергии оболочки.

Уравнение Фридмана связывает кинетическую энергию расширения с гравитационной потенциальной энергией произвольного сферического распределения вещества во вселенной. Сумма этих двух видов энергии должна быть неизменной во времени.

Рост кинетической энергии в расширяющейся оболочке может происходить только за счет гравитационной (по аналогии с летящим вверх камнем или падающим на землю: при достижении такого положения, когда камень зависнет в верхней точке, кинетическая энергия равна нулю, а потенциальная – максимальна).

Из этого уравнения, при k = 0, кинетическая энергия Н2/2 уравновешивается гравитационной (потенциальной) энергией –4p/3Gd, следовательно вселенная в этом положении не расширяется. При k = 1, вселенная расширяется, а при k = –1, вселенная испытывает сжатие.

Однако хронология ранних этапов развития вселенной может быть намечена лишь приблизительно. О сингулярном этапе существования вселенной мы почти ничего не знаем. Можем только догадываться, что это время – предыстория Большого взрыва, который произошел по каким-то причинам, когда сингулярность была нарушена и развитие вселенной пошло по рассматриваемому сценарию.

Примерно 13,7 миллиардов лет тому назад вселенная совершенно была не похожа на современную ни по физическому состоянию, ни по составу. Пространство было заполнено плазмой, состоящей из различных элементарных частиц и фотонов. При этом на определенном этапе развития излучение резко преобладало.

Ссылки

www.avkokin.ru

Модель большого взрыва и расширяющейся Вселенной

Сочинский Государственный Университет Туризма и Курортного Дела

Реферат:

На тему: Модель большого взрыва и расширяющейся Вселенной

Выполнил Голиков А.С.

Студент 2 курса

Группы 20 ГМУ

СОЧИ 2002 г.

введение.

Одной из основных концепций современного естествознания является учение о Вселенной как едином целом и обо всей охваченной астрономическими наблюдениями области Вселенной (Метагалактике) как части целого - космология. Выводы космологии основываются и на законах физики, и на данных наблюдательной астрономии. Как любая наука, космология в своей структуре кроме эмпирического и теоретического уровней имеет также уровень философских предпосылок, философских оснований. Так, в основании современной космологии лежит предположение о том, что законы природы, установленные на основе изучения весьма ограниченной части Вселенной, чаще всего на основе опытов на планете Земля, могут быть экстраполированы на значительно большие области, в конечном счете - на всю Вселенную. Это предположение об устойчивости законов природы в пространстве и времени относится к уровню философских оснований современной космологии.

Цель моего реферата состоит в том, чтоб разобраться, что же все-таки представляет с себя вселенная. В моем реферате поставлены такие задачи:

1. Изучить, как произошел тот темп развития вселенной, начиная с момента «большого взрыва»?

2. Рассмотреть взгляды различных ученых, философов, политологов о том, как расширяется вселенная?

3. Исследовать, почему Вселенная начала расширятся со скоростью, столь близкой к критической, которая разделяет модели с повторным сжатием и модели с вечным расширением, так что даже сейчас, через десять тысяч миллионов лет, Вселенная продолжает расширяться со скоростью, примерно равной критической?

Модель эволюционной истории Вселенной, согласно которой она возникла в бесконечно плотном состоянии и с тех пор расширяется. Это событие произошло от 13 до 20 миллиардов лет назад и известно как "Большой Взрыв". Теория Большого Взрыва теперь общепринята, так как она объясняет оба наиболее значительных факта космологии: расширяющуюся Вселенную и существование космического фонового излучения. Можно воспользоваться известными законами физики и просчитать в обратном направлении все состояния, в которых находилась Вселенная, начиная с 10-43 секунд после Большого Взрыва. В течение первого миллиона лет вещество и энергия во Вселенной сформировали непрозрачную плазму, иногда называемую первичным огненным шаром. К концу этого периода расширение Вселенной заставило температуру опуститься ниже 3000 K, так что протоны и электроны смогли объединяться, образуя атомы водорода. На этой стадии Вселенная стала прозрачной для излучения. Плотность вещества теперь стала выше плотности излучения, хотя раньше ситуация была обратной, что и определяло скорость расширения Вселенной. Фоновое микроволновое излучение - все, что осталось от сильно охлажденного излучения ранней Вселенной. Первые галактики начали формироваться из первичных облаков водорода и гелия только через один или два миллиарда лет. Термин "Большой Взрыв" может применяться к любой модели расширяющейся Вселенной, которая в прошлом была горячей и плотной.

1.1. Гипотетическое представление о Вселенной

Как-то один известный ученый ( Бертран Рассел) читал публичную лекцию об астрономии. Он рассказывал, как Земля вращается вокруг Солнца, а Солнце, в свою очередь, вращается вокруг центра огромного скопления звезд, которое называют нашей Галактикой. Когда лекция подошла к концу, из последних рядов зала поднялась маленькая пожилая леди и сказала: "Все, что вы нам говорили, - чепуха. На самом деле наш мир - это плоская тарелка, которая стоит па спине гигантской черепахи". Снисходительно улыбнувшись, ученый спросил: "А на чем держится черепаха?" - "Вы очень умны, молодой человек, - ответила пожилая леди. - Черепаха - на другой черепахе, та - тоже на черепахе, и так все ниже и ниже". Такое представление о Вселенной как о бесконечной башне из черепах большинству из нас покажется смешным, но почему мы думаем, что сами знаем лучше? Что нам известно о Вселенной, и как мы это узнали? Откуда взялась Вселенная, и что с ней станется? Было ли у Вселенной начало, а если было, то что происходило до начала? Какова сущность времени? Кончится ли оно когда-нибудь? Достижения физики последних лет, которыми мы частично обязаны фантастической новой технике, позволяют наконец получить ответы хотя бы на отдельные из таких давно поставленных вопросов. Пройдет время, и эти ответы, может быть, станут столь же очевидными, как-то, что Земля вращается вокруг Солнца, а может быть, столь же нелепыми, как башня из черепах. Только время (чем бы оно ни было) решит это. Еще в 340 г. до н. э. греческий философ Аристотель в своей книге "О небе" привел два веских довода в пользу того, что Земля не плоская тарелка, а круглый шар. Во-первых, Аристотель догадался, что лунные затмения происходят тогда, когда Земля оказывается между Луной и Солнцем. Земля всегда отбрасывает на Луну круглую тень, а это может быть лишь в том случае, если Земля имеет форму шара. Будь Земля плоским диском, ее тень имела бы форму вытянутого эллипса, если только затмение не происходит всегда именно в тот момент, когда Солнце находится точно на оси диска. Во-вторых, по опыту своих путешествий греки знали, что в южных районах Полярная звезда на небе располагается ниже, чем в северных. (Поскольку Полярная звезда находится над Северным полюсом, она будет прямо над головой наблюдателя, стоящего на Северном полюсе, а человеку на экваторе покажется, что она на линии горизонта). Зная разницу в кажущемся положении Полярной звезды в Египте и Греции, Аристотель сумел даже вычислить, что длина экватора равна 400 000 стадиев. Что такое стадий, точно неизвестно, но он близок к 200 метрам, и, стало быть, оценка Аристотеля примерно в 2 раза больше значения, принятого сейчас. У греков был еще и третий довод в пользу шарообразной формы Земли: если Земля не круглая, то почему же мы сначала видим паруса корабля, поднимающиеся над горизонтом, и только потом сам корабль? Аристотель думал, что Земля неподвижна, а Солнце, Луна, планеты и звезды вращаются вокруг нее по круговым орбитам. Он так полагал, ибо в соответствии со своими мистическими воззрениями Землю считал центром Вселенной, а круговое движение - самым совершенным. Птолемей во II веке развил идею Аристотеля в полную космологическую модель. Земля стоит в центре, окруженная восемью сферами, несущими на себе Луну, Солнце и пять известных тогда планет: Меркурий, Венеру, Марс, Юпитер и Сатурн (рис. 1.1). Сами планеты, считал Птолемей, движутся по меньшим кругам, скрепленным с соответствующими сферами. Это объясняло тот весьма сложный путь, который, как мы видим, совершают планеты. На самой последней сфере располагаются неподвижные звезды, которые, оставаясь в одном и том же положении друг относительно друга, движутся по небу все вместе как единое целое. Что лежит за последней сферой, не объяснялось, но во всяком случае это уже не было частью той Вселенной, которую наблюдает человечество.

Модель Птолемея позволяла неплохо предсказывать положение небесных тел на небосводе, но для точного предсказания ему пришлось принять, что траектория Луны в одних местах подходит к Земле в 2 раза ближе, чем в других! Это означает, что в одном положении Луна должна казаться в 2 раза большей, чем в другом! Птолемей знал об этом недостатке, но тем не менее его теория была признана, хотя и не везде. Христианская Церковь приняла Птолемееву модель Вселенной как не противоречащую Библии, ибо эта модель была очень хороша тем, что оставляла за пределами сферы неподвижных звезд много места для ада и рая. Однако в 1514 г. польский священник Николай Коперник предложил еще более простую модель. (Вначале, опасаясь, наверное, того, что Церковь объявит его еретиком, Коперник пропагандировал свою модель анонимно). Его идея состояла в том, что Солнце стоит неподвижно в центре, а Земля и другие планеты обращаются вокруг него по круговым орбитам. Прошло почти столетие, прежде чем идею Коперника восприняли серьезно. Два астронома - немец Иоганн Кеплер и итальянец Галилео Галилей - публично выступили в поддержку теории Коперника, несмотря на то что предсказанные Коперником орбиты не совсем совпадали с наблюдаемыми. Теории Аристотеля- Птолемея пришел конец в 1609 г., когда Галилей начал наблюдать ночное тения, согласно которому всякое тело во Вселенной притягивается к любому другому телу с тем большей силой, чем больше массы этих тел и чем меньше расстояние между ними. Это та самая сила, которая заставляет тела падать на землю. (Рассказ о том, что Ньютона вдохновило яблоко, упавшее ему на голову, почти наверняка недостоверен. Сам Ньютон сказал об этом лишь то, что мысль о тяготении пришла, когда он сидел в "созерцательном настроении", и "поводом было падение яблока"). Далее Ньютон показал, что, согласно его закону, Луна под действием гравитационных сил движется по эллиптической орбите вокруг Земли, а Земля и планеты вращаются по эллиптическим орбитам вокруг Солнца. Модель Коперника помогла избавиться от Птолемеевых небесных сфер, а заодно и от представления о том, что Вселенная имеет какую-то естественную границу. Поскольку "неподвижные звезды" не изменяют своего положения на небе, если не считать их кругового движения, связанного с вращением Земли вокруг своей оси, естественно было предположить, что неподвижные звезды - это объекты, подобные нашему Солнцу, только гораздо более удаленные. Ньютон понимал, что по его теории тяготения звезды должны притягиваться друг к другу и поэтому, казалось бы, не могут оставаться совсем неподвижными. Не должны ли они упасть друг на друга, сблизившись в какой-то точке? В 1691 г. в письме Ричарду Бентли, еще одному выдающемуся мыслителю того времени, Ньютон говорил, что так действительно должно было бы произойти, если бы у нас было лишь конечное число звезд в конечной области пространства. Но, рассуждал Ньютон, если число звезд бесконечно и они более или менее равномерно распределены по бесконечному пространству, то этого никогда не произойдет, так как нет центральной точки, куда им нужно было бы падать. Эти рассуждения - пример того, как легко попасть впросак, ведя разговоры о бесконечности. В бесконечной Вселенной любую точку можно считать центром, так как по обе стороны от нее число звезд бесконечно. Лишь гораздо позже поняли, что более правильный подход - взять конечную систему, в которой все звезды падают друг на друга, стремясь к центру, и посмотреть, какие будут изменения, если добавлять еще и еще звезд, распределенных приблизительно равномерно вне рассматриваемой области. По закону Ньютона дополнительные звезды в среднем никак не повлияют на первоначальные, т. е. звезды будут с той же скоростью падать в центр выделенной области. Сколько бы звезд мы ни добавили, они всегда будут стремиться к центру. В наше время известно, что бесконечная статическая модель Вселенной невозможна, если гравитационные силы всегда остаются силами взаимного притяжения. Интересно, каким было общее состояние научной мысли до начала XX в.: никому и в голову не пришло, что Вселенная может расширяться или сжиматься. Все считали, что Вселенная либо существовала всегда в неизменном состоянии, либо была сотворена в какой-то момент времени в прошлом примерно такой, какова она сейчас. Отчасти это, может быть, объясняется склонностью людей верить в вечные истины, а также особой притягательностью той мысли, что, пусть сами они состарятся и умрут, Вселенная останется вечной и неизменной. Даже тем ученым, которые поняли, что ньютоновская теория тяготения делает невозможной статическую Вселенную, не приходила в голову гипотеза расширяющейся Вселенной. Они попытались модифицировать теорию, сделав гравитационную силу отталкивающей на очень больших расстояниях. Это практически не меняло предсказываемого движения планет, но зато позволяло бесконечному распределению звезд оставаться в равновесии, так как притяжение близких звезд компенсировалось отталкиванием от далеких. Но сейчас мы считаем, что такое равновесие оказалось бы неустойчивым. В самом деле, если в какой-то области звезды чуть-чуть сблизятся, то силы притяжения между ними возрастут и станут больше сил отталкивания, так что звезды будут и дальше сближаться. Если же расстояние между звездами чуть-чуть увеличится, то перевесят силы отталкивания и расстояние будет нарастать. Еще одно возражение против модели бесконечной статической Вселенной обычно приписывается немецкому философу Генриху Олберсу, который в 1823 г. опубликовал работу, посвященную этой модели. На самом деле многие современники Ньютона занимались той же задачей, и статья Олберса была даже не первой среди работ, в которых высказывались серьезные возражения. Ее лишь первой стали широко цитировать. Возражение таково: в бесконечной статической Вселенной любой луч зрения должен упираться в какую-нибудь звезду. Но тогда небо даже ночью должно ярко светиться, как Солнце. Контраргумент Олберса состоял в том, что свет, идущий к нам от далеких звезд, должен ослабляться из-за поглощения в находящемся на его пути веществе. Но в таком случае само это вещество должно нагреться и ярко светиться, как звезды. Единственная возможность избежать вывода о ярко, как Солнце, светящемся ночном небе - предположить, что звезды сияли не всегда, а загорелись в какой-то определенный момент времени в прошлом. Тогда поглощающее вещество, возможно, еще не успело разогреться или же свет далеких звезд еще не дошел до нас. Но возникает вопрос: почему зажглись звезды? Конечно, проблема возникновения Вселенной занимала умы людей уже очень давно. Согласно ряду ранних космогонии и иудейско-христианско-мусульманским мифам, наша Вселенная возникла в какой-то определенный и не очень отдаленный момент времени в прошлом. Одним из оснований таких верований была потребность найти "первопричину" существования Вселенной. Любое событие во Вселенной объясняют, указывая его причину, т. е. другое событие, произошедшее раньше; подобное объяснение существования самой Вселенной возможно лишь в том случае, если у нее было начало. Другое основание выдвинул Блаженный Августин (православная Церковь считает Августина блаженным, а Католическая - святым. - прим. ред.). в книге "Град Божий". Он указал на то, что цивилизация прогрессирует, а мы помним, кто совершил то или иное деяние и кто что изобрел. Поэтому человечество, а значит, вероятно, и Вселенная, вряд ли очень долго существуют. Блаженный Августин считал приемлемой дату сотворения Вселенной, соответствующую книге "Бытия": приблизительно 5000 год до нашей эры. (Интересно, что эта дата не так уж далека от конца последнего ледникового периода - 10 000 лет до н. э., который археологи считают началом цивилизации). Аристотелю же и большинству других греческих философов не нравилась идея сотворения Вселенной, так как она связывалась с божественным вмешательством. Поэтому они считали, что люди и окружающий их мир существовали и будут существовать вечно. Довод относительно прогресса цивилизации ученые древности рассматривали и решили, что в мире периодически происходили потопы и другие катаклизмы, которые все время возвращали человечество к исходной точке цивилизации. Вопросы о том, возникла ли Вселенная в какой-то начальный момент времени и ограничена ли она в пространстве, позднее весьма пристально рассматривал философ Иммануил Кант в своем монументальном (и очень темном) труде "Критика чистого разума", который был издан в 1781 г. Он назвал эти вопросы антиномиями (т. е. противоречиями) чистого разума, так как видел, что в равной мере нельзя ни доказать, ни опровергнуть ни тезис о необходимости начала Вселенной, ни антитезис о ее вечном существовании. Тезис Кант аргументировал тем, что если бы у Вселенной не было начала, то всякому событию предшествовал бы бесконечный период времени, а это Кант считал абсурдом. В поддержку антитезиса Кант говорил, что если бы Вселенная имела начало, то ему предшествовал бы бесконечный период времени, а тогда спрашивается, почему Вселенная вдруг возникла в тот, а не другой момент времени? На самом деле аргументы Канта фактически одинаковы и для тезиса, и для антитезиса. Он исходит из молчаливого предположения, что время бесконечно в прошлом независимо от того, существовала или не существовала вечно Вселенная. Как мы увидим ниже, до возникновения Вселенной понятие времени лишено смысла. Когда большинство людей верило в статическую и неизменную Вселенную, вопрос о том, имела она начало или нет, относился, в сущности, к области метафизики и теологии. Все наблюдаемые явления можно было объяснить как с помощью теории, в которой Вселенная существует вечно, так и с помощью теории, согласно которой Вселенную сотворили в какой-то определенный момент времени таким образом, чтобы все выглядело, как если бы она существовала вечно. Но в 1929 г. Эдвин Хаббл сделал эпохальное открытие: оказалось, что в какой бы части неба ни вести наблюдения, все далекие галактики быстро удаляются от нас. Иными словами, Вселенная расширяется. Это означает, что в более ранние времена все объекты были ближе друг к другу, чем сейчас. Значит, было, по-видимому, время, около десяти или двадцати тысяч миллионов лет назад, когда они все находились в одном месте, так что плотность Вселенной была бесконечно большой. Сделанное Хабблом открытие перевело вопрос о том, как возникла Вселенная, в область компетенции науки. Наблюдения Хаббла говорили о том, что было время - так называемый большой взрыв, когда Вселенная была бесконечно малой и бесконечно плотной. При таких условиях все законы науки теряют смысл и не позволяют предсказывать будущее. Если в еще более ранние времена и происходили какие-либо события, они все равно никак не смогли бы повлиять на то, что происходит сейчас. Из-за отсутствия же наблюдаемых следствий ими можно просто пренебречь. Большой взрыв можно считать началом отсчета времени в том смысле, что более ранние времена были бы просто не определены. Подчеркнем, что такое начало отсчета времени очень сильно отличается от всего того, что предлагалось до Хаббла. Начало времени в неизменяющейся Вселенной есть нечто, что должно определяться чем-то, существующим вне Вселенной; для начала Вселенной нет физической необходимости. Сотворение Богом Вселенной можно в своем представлении относить к любому моменту времени в прошлом. Если же Вселенная расширяется, то могут существовать физические причины для того, чтобы она имела начало. Можно по-прежнему представлять себе, что именно Бог создал Вселенную - в момент большого взрыва или даже позднее (но так, как если бы произошел большой взрыв). Однако было бы абсурдно утверждать, что Вселенная возникла раньше большого взрыва. Представление о расширяющейся Вселенной не исключает создателя, но налагает ограничения на возможную дату его трудов!

mirznanii.com

---

• 
  Фото земля в будущем
• 
  Письма эйнштейна
• 
  Улыбка обезьяны
• 
  Самые большие заводы мира
• 
  Электромагнит своими руками от батарейки
• 
  Будет ли видно солнечное затмение в россии
• 
  Корабль в космосе
• 
  Айфон 5 как выглядит фото
• 
  Что в центре галактики млечный путь
• 
  Тема космоса
• 
  Клонирование фото