Что такое критическая масса вселенной

Критическая плотность Вселенной

Критическая плотность Вселенной

Крити́ческая пло́тность вселе́нной — значение массовой плотности материи (энергии) вселенной, от которого зависят глобальные геометрические свойства вселенной в космологических моделях. Значение критической плотности зависит от значения постоянной Хаббла: , где — постоянная Хаббла, — гравитационная постоянная.

При значении постоянной Хаббла , равной [1] 70,1 (км/с)/Мпк (или 2,272·10 -18 c -1 ) критическая плотность равна 9,23·10 -27 кг/м 3 (или 9,23·10 -30 г/см 3 ).

Примечания

См. также

Ссылки

Wikimedia Foundation . 2010 .

Смотреть что такое «Критическая плотность Вселенной» в других словарях:

КРИТИЧЕСКАЯ ПЛОТНОСТЬ ВСЕЛЕННОЙ — значение плотности вещества во Вселенной, определяемое выражением где Н постоянная Хаббла (см. Хаббла закон), G постоянная тяготения Ньютона. В однородных изотропных моделях Вселенной (см. Космологические модели )с равной нулю космологической… … Физическая энциклопедия

КРИТИЧЕСКАЯ ПЛОТНОСТЬ ВСЕЛЕННОЙ — плотн. в ва во Вселенной, определяющая геом. свойства пространства в космологич. моделях, построенных на основе общей теории относительности. Определяется выражением: р = = ЗН2/(8п(пи)С), где Н постоянная Хаббла, С гравитац. постоянная;… … Естествознание. Энциклопедический словарь

Критическая плотность (космология) — Космология Изучаемые объекты и процессы … Википедия

Инфляционная модель Вселенной — Космология Изучаемые объекты и процессы … Википедия

Расширение Вселенной — Космология Изучаемые объекты и процессы … Википедия

Форма Вселенной — Космология Возраст Вселенной Большой взрыв Содвижущееся расстояние Реликтовое излучение Космологическое уравнение состояния Тёмная энергия Скрытая масса Вселенная Фридмана Космологический принцип Космологические модели Формирование … Википедия

Крупномасштабная структура Вселенной — Космология Изучаемые объекты и процессы … Википедия

Возраст Вселенной — Космология Изучаемые объекты и процессы … Википедия

Возраст вселенной — Космология Возраст Вселенной Большой взрыв Содвижущееся расстояние Реликтовое излучение Космологическое уравнение состояния Тёмная энергия Скрытая масса Вселенная Фридмана Космологический принцип Космологические модели Формирование … Википедия

Дата возникновения Вселенной — Космология Возраст Вселенной Большой взрыв Содвижущееся расстояние Реликтовое излучение Космологическое уравнение состояния Тёмная энергия Скрытая масса Вселенная Фридмана Космологический принцип Космологические модели Формирование … Википедия

Источник

КРИТИЧЕСКАЯ МАССА ВСЕЛЕННОЙ

Критическая масса Вселенной – это минимальная плотность материи, которая требуется Вселенной, чтобы остановить расширение. Расширение космоса, начавшееся в результате взрыва при сотворении, тормозится притяжением массивных объектов, его составляющих. Как объяснил Ньютон, массивные тела стремятся притягивать друг друга. Чем больше масса Вселенной, тем больше эффект торможения.

И вот здесь авторы модели пульсирующей Вселенной прибегают к помощи воображения. Они предполагают, что вместо того, чтобы сжаться в сингулярность (бесконечно сжатое пространство — то пограничное состояние, в котором пространство перестает существовать, или берет свое начало), свертывающаяся Вселенная каким-то образом перестает сжиматься и начинает новый цикл расширения. Происходит все это благодаря действию какого-то неизвестного нам маятникового механизма.

Согласно утверждению физика Роберта Дика из Принстона, бесконечное количество таких циклов расширения и сжатия Вселенной сможет «освободить нас от необходимости понимания происхождения материи на любом конечном отрезке времени в прошлом». 1 Понятие акта сотворения становится не относящимся к делу, а наше существование может быть отнесено за счет одного удачного скачка. В конце концов, при условии бесконечного количества космических скачков, рано или поздно возникнут условия, необходимые для превращения частиц и атомов в человеческие существа.

Рис. 1. Модель вечно пульсирующей Вселенной

В модели пульсирующей Вселенной (Рис.1), предложенной такими физиками, как Роберт Дик и Джон Гриббин, во Вселенной происходит бесконечная смена фаз расширения и сжатия. Гравитация тормозит расширение и приводит к последующей фазе сжатия. Предполагается, что какой-то неизвестный физический механизм каким-то образом заставляет Вселенную проскочить фазу сжатия и перейти к расширению. Считается, что характеристики фаз сжатия и расширения во времени существенно не изменяются.

В 1965 году, когда модель пульсирующей Вселенной была впервые представлена как серьезная теория, 2 многие астрономы пустились на поиски того количества массы, которое могло бы остановить и повернуть вспять расширение Вселенной. Однако и результаты наблюдений, и теоретические изыскания свидетельствовали (и продолжают свидетельствовать) о противоположном. 3 Даже принимая во внимание новые открытия, связанные с экзотической матери ей, общей массы все-таки недостает для запуска пульсационного механизма.

ПРОБЛЕМА ПОТЕРИ ЭНЕРГИИ

Но недостаток массы не является единственной сложностью. Если бы даже Вселенная имела достаточное количество массы, чтобы расширение сменилось сжатием, и если бы механизм скачков был обнаружен или теоретически рассчитан, количество скачков или колебаний было бы ограниченным из-за энтропии (рассеивания энергии).

Второй закон термодинамики говорит о том, что энтропия Вселенной увеличивается со временем. Эта энтропия означает уменьшение количества энергии, необходимой для выполнения такой механической работы, как пульсация. Поэтому каждый последующий скачок оставляет все меньше энергии для следующего.

Этот спад энергии от скачка к скачку имел бы два следствия. Первое, он означал бы, что с каждым скачком Вселенная еще более расширяется, перед тем, как начать сжиматься. Представьте себе мяч, привязанный резинкой к палке. Когда резинка еще новая, ее упругость велика, и она с силой возвращает брошенный мяч обратно. Но нагреваясь и растягиваясь, она постепенно теряет эластичность, и мяч отлетает от палки все дальше и дальше. Как это выглядит применительно к космосу, показано на рис. 2.

Рис. 2. Термодинамическое рассеяние пульсирующей Вселенной

Даже если бы Вселенная и могла пульсировать, это не могло бы продолжаться бесконечное время. Законы термодинамики требуют, чтобы максимальный диаметр Вселенной увеличивался от цикла к циклу. Поэтому у такой Вселенной бесконечное будущее, но конечное прошлое. Момент сотворения может быть отодвинут назад максимум на триллион лет.

Обратите внимание на следующее: чем больше время, тем дуги становятся больше и больше. Если заглянуть в прошлое, они становятся все меньше и меньше, вплоть до не очень отдаленного исходного толчка. С точки зрения физики Вселенная не могла испытать больше дюжины пульсации — далеко не бесконечное количество.

СОЖМЕТСЯ ЛИ КОГДА-НИБУДЬ ВСЕЛЕННАЯ?

Обсуждение достоинств модели пульсирующей Вселенной становится отвлеченным спором, если у Вселенной недостает массы, чтобы остановить расширение и спровоцировать последующий коллапс. С каждым годом результаты наблюдений, подтверждающие расширение Вселенной (открытая Вселенная), становятся все более убедительными, в то время как свидетельства сжимающейся Вселенной (закрытая Вселенная), становятся все слабее и теряют силу. Наиболее точные оценки плотности массы Вселенной в настоящее время исчисляются значениями между одной десятой и тремя десятыми критической. 4

Второе следствие энтропии заключается в ее влиянии на энергию скачка. С каждым скачком теряется не только механическая энергия, нужная для сжатия, но также и энергия, нужная для нового скачка. Если бросить резиновый мяч с высоты в три фута на жесткий пол, он подпрыгнет, но не до высоты трех футов. Какая-то часть энергии мяча уйдет при ударе мяча о пол. С каждым ударом все больше механической энергии будет превращаться в тепловую энергию, и в конце концов, мяч прекратит подпрыгивать.

Хорошо накачанный волейбольный мяч может подпрыгнуть раз десять, прежде чем остановится. Менее упругий — например, очень мягкий пенорезиновый мяч, — может подпрыгнуть всего лишь раза два и затем остановиться.

Но Вселенная имеет намного меньший коэффициент упругости, чем пенорезиновый мячик. В 1983 и 1984 годах американские астрофизики Марк Шер, Алан Гут и Сидни Бладмэн продемонстрировали, что если бы даже Вселенная обладала достаточной массой, чтобы остановить свое расширение, любое сжатие (коллапс) закончилось бы абсолютной остановкой, а не новым скачком. 5 С точки зрения механической физики, Вселенная скорее напоминает кусок мокрой глины, чем хорошо накачанный волейбольный мяч (см. таблицу 1). Шер и Гут с полной уверенностью озаглавили свою работу «Пульсирующая Вселенная невозможна».

Если Вселенная пульсирует, это означает, что она ведет себя, как мотор или как система, созданная для выполнения работы. Способность системы или мотора выполнять работу или пульсацию зависит от ее КПД. Вселенная, фактически, стоит на самом последнем месте из всех существующих моторов. Ее КПД настолько мал, что пульсация совершенно невозможна.

Шер, Гут и Бладмэн не были единственными, кто опровергал возможность космической пульсации. Два русских физика, Игорь Новиков и Яков Зельдович, развили собственную систему доказательств, основанную на геометрии сжимающихся структур. 6 Однако ни один из пяти исследователей не рассматривал теоретическую возможность пульсации, которая могла начаться в эру квантовой гравитации, возможно, потому что об этой эре известно еще очень мало (см. рамку «Эра квантовой графитации»). Эта возможность явилась той соломинкой, за которую ухватились многие упрямые умы.

Арнольд Сиккема и Вернер Израэль развили гипотезу о случайных эффектах, которые привели к возникновению черных дыр за те доли секунды, когда вся материя и энергия Вселенной все еще была сконцентрирована в крошечном объеме. 7 Тем не менее, эти ученые честно признали, что пока еще не существует последовательной теории квантовой гравитации. Следует также отметить, что предложенная ими теория пульсации позволяет предполагать лишь очень ограниченное количество скачков. Она не дает возможности отрицать идею начала в недалеком прошлом.

Эта тоненькая соломинка, за которую ухватились Сиккема и Израэль, была недавно сломана русским физиком Андреем Линде. На симпозиуме по структуре Вселенной Линде показал, что Вселенная, обладающая теми характеристиками, которые мы сейчас наблюдаем, не могла возникнуть в результате скачка в эру квантовой гравитации. Почему?

Существует два объяснения:

1. В течение фазы сжатия перед гипотетическим скачком, по крайней мере, одна область во Вселенной будет оказывать сопротивление сжатию до крошечного объема, необходимого для того, чтобы экзотический эффект квантовой гравитации одержал верх. 8

2. Скачок, если бы он имел место, не произвел бы достаточно материи. 9

Позвольте пояснить. Вселенная до гипотетического скачка представляет собой невероятно искривленное пространство с небольшим количеством материи или совсем без нее. Но по мере расширения Вселенной пространство увеличивается, а кривизна пространства падает. Потеря кривизны трансформируется в материю, в результате чего возникает огромная энтропия. И поскольку количество энтропии столь велико, процесс невозможно повернуть вспять. Материя не может вновь превратиться в искривленное пространство. Таким образом, Вселенная, в которой мы живем, не может быть продуктом пульсации, даже если предположить, что в эру квантовой гравитации скачки были возможны.

Дата добавления: 2015-09-10 ; просмотров: 14 | Нарушение авторских прав

Источник