Эволюция вселенной это астрономия

§ 16. Эволюция вселенной

Изучив этот параграф, мы узнаем:

Большом Взрыве, с которого началось расширение Вселенной;
могут ли существовать параллельные миры;
возможных сценариях эволюции Вселенной в будущем.

Большой Взрыв и возраст Вселенной

Астрономические исследования, которые проводились в XX в., помогли астрономам понять суть разбегания галактик, которое свидетельствует о том, что сама Вселенная не остается постоянной во времени — она меняет свои параметры. Если расстояние между галактиками сейчас увеличивается, то раньше они находились ближе друг к другу. При помощи постоянной Хаббла можно подсчитать, когда все галактики до начала расширения могли находиться в одной точке. Моментом начала расширения Вселенной стал Большой Взрыв, который связан с возрастом Т Вселенной: Т = 1/Н.

По современным данным, постоянная Хаббла H

70 км/(с.Мпк), то есть Большой Взрыв мог произойти примерно 15 млрд лет назад. Если учесть, что возраст нашей Галактики не может быть больше возраста самых старых шаровых звездных скоплений, которые существуют уже более 13 млрд лет, то эту цифру можно считать нижней границей возраста нашей Вселенной.

На первый взгляд кажется, что для построения теории эволюции Вселенной большое значение имеет определение места Большого Взрыва. Если бы Большой Взрыв был процессом, напоминающим взрыв бомбы, то можно было бы определить место этого события. В действительности расширение Вселенной включает не только разлет самих галактик относительно космического пространства, но и изменение параметров самой Вселенной. Иными словами, галактики не летят относительно остальной Вселенной, потому что сама Вселенная тоже расширяется. Таким образом, конкретного места, где произошел Большой Взрыв, во Вселенной не существует, равно как нет центра, от которого удаляются галактики.

Главные эры в истории Вселенной

Вселенная в начале существования имела столь маленькие размеры, что тогда не было ни галактик, ни звезд и даже еще не существовали элементарные частицы. Плотность и температура новорожденной Вселенной достигали таких фантастических значений, что ученые не могут определить, в каком состоянии при этом находилась материя. Этот начальный момент рождения Вселенной называют сингулярностью (от лат.— единственный). Затем плотность и температура Вселенной начали снижаться и стали образовываться элементарные частицы, атомы и галактики.

Сингулярность — начальный момент зарождения Вселенной, когда плотность и температура материи достигали чрезвычайно больших значений

Всю историю нашей Вселенной можно разделить на четыре эры — адронная, лептонная, излучения и вещества (см. таблицу).

Для любознательных

С философской точки зрения между элементарными частицами и электромагнитными волнами нет существенной разницы, ибо все сущее в природе есть материя. Но с физической точки зрения принципиальная разница между этими видами материи состоит в том, что скорость элементарных частиц (электронов, протонов, нейтронов), из которых образованы звезды, планеты и, наконец, мы с вами, никогда не сможет достигнуть скорости света, в то время как кванты электромагнитных волн никогда не смогут иметь скорость, меньшую чем скорость света.

Реликтовое фоновое излучение

Те кванты электромагнитного излучения, которые оторвались от элементарных частиц в эру излучения, доходят до нас со всех сторон и отвечают электромагнитному излучению черного тела с температурой 2,7 К (рис. 16.1). В начале существования кванты имели большую энергию, поэтому излучение происходило в высокочастотной части спектра электромагнитных волн в гамма-диапазоне. Со временем гамма-кванты теряли энергию, поэтому длина электромагнитных волн увеличивалась, и через 105 лет после Большого Взрыва максимум излучения приходился уже на видимую часть спектра — тогда молодая Вселенная действительно выглядела ярким огненным шаром и была похожа на взрыв ядерной бомбы.

Рис. 16.1. Чем дальше от Земли находится космический объект, тем более молодым мы его видим, потому что свет от него достигает поверхности Земли через миллиарды лет. На границе видимой части Вселенной с расстояния 10 млрд св. лет поступает излучение, которое образовалось во времена Большого Взрыва. На расстоянии 5 млрд св. лет мы видим квазары, из которых позже сформируются галактики

Через 10 млн лет максимум излучения уже находился в инфракрасной части спектра, а через 14 млрд лет средняя температура Вселенной уменьшилась до 2,7 К, поэтому сейчас максимум излучения находится в радиодиапазоне на волне длиной 1 мм. Такое излучение поступает на Землю отовсюду, его интенсивность и частота не зависят от направления, и это свидетельствует о том, что средняя температура Вселенной повсеместно одинакова. Интересно, что еще 60 лет назад уроженец города Одессы Г. Гамов (США) предсказал существование горячей ранней Вселенной, но зарегистрировали эти реликтовые электромагнитные волны только в 1965 г.

Будущее Вселенной

Гравитационное взаимодействие вещества в будущем может уменьшить скорость расширения Вселенной. Оказывается, если средняя плотность Вселенной имеет критическое значение кг/м 3 , а постоянная Хаббла Н 70 км/(c.Мпк), расширение может происходить вечно. Расчеты показывают, что будущая судьба нашей Вселенной зависит от значения настоящей средней плотности относительно критической плотности. Могут быть три сценария будущего развития событий:

Рассмотрим эти модели возможной эволюции нашего мира:

1. Если средняя плотность Вселенной , то галактики будут разлетаться вечно, и в будущем температура фонового излучения постепенно будет снижаться, приближаясь к абсолютному нулю, а максимум излучения со временем будет смещаться в сантиметровый и метровый диапазоны электромагнитных волн (рис. 16.2).

Рис. 16.2. В открытой Вселенной справедлива неэвклидова геометрия, когда сумма углов в треугольнике меньше 180°

Такую Вселенную называют открытой, она не имеет границ в пространстве и может существовать вечно, постепенно превращаясь в ничто.

2. Если в космосе окажется значительная скрытая масса и средняя плотность будет , тогда расширение Вселенной через некоторое время прекратится. Такую Вселенную называют закрытой — она не имеет предела в пространстве, но имеет начало и конец во времени (рис. 16.3).

Рис. 16.3. Для закрытой Вселенной справедлива неэвклидова геометрия, когда сумма углов в треугольнике больше 180°

Через несколько миллиардов лет разбегание галактик может остановиться, а затем начнется сжатие Вселенной, потому что гравитационная сила заставит галактики сближаться. Сближение галактик приведет к трагическим последствиям для живых организмов, поскольку энергия фонового излучения и температура Вселенной будут расти (рис. 16.4).

Рис. 16.4. Эволюция закрытой Вселенной. Такой мир увеличивается до определенных максимальных размеров, после чего галактики начнут сближаться. Начало и конец такой Вселенной имеют бесконечно большую температуру и плотность

Небо загорится сначала красным цветом, а потом станет синим. Температура возрастет настолько, что все живые существа погибнут, потом исчезнут звезды, планеты, элементарные частицы и Вселенная вновь превратится в вещество с чрезвычайно высокой плотностью.

3. Существует также вероятность того, что средняя плотность Вселенной равна критической плотности ρ=ρ₀. В этом случае безграничная и бесконечная Вселенная имеет нулевую кривизну, и для нее справедлива геометрия Эвклида (рис. 16.5).

Рис. 16.5. В геометрии Эвклида параллельные прямые не пересекаются, а сумма углов в треугольнике равна 180°

Галактики будут разлетаться вечно, температура Вселенной будет вечно приближаться к абсолютному нулю. Этот сценарий эволюции интересен еще и тем, что при нем общая энергия Вселенной остается равной нулю: Ек + Еп = 0. То есть если считать потенциальную энергию притяжения отрицательной, а кинетическую энергию движения — положительной, то Вселенная могла возникнуть из ничего в физическом вакууме как удивительное возмущение, поэтому со временем она тоже может превратиться в ничто.

Для любознательных

Современные наблюдения подтверждают существование во Вселенной скрытой массы (так называемой темной материи), которая сосредоточена в телах, излучающих незначительную энергию в виде электромагнитных волн — черные дыры, пульсары, нейтринное излучение, гравитационные волны и т. д. Астрономы, занимающиеся проблемами космологии, предложили гипотезу о существовании нового класса элементарных частиц, которым дали такое условное название — Слабо Взаимодействующие Массивные Частицы (СВМЧ). Если гипотезы о скрытой Массе подтвердятся, то средняя плотность Вселенной может быть больше критической и будущая эволюция Вселенной будет происходить по сценарию, который изложен в п. 2 (рис. 16.3, 16.4). Такая Вселенная напоминает сказочную птицу Феникс, которая периодически сгорает, а затем вновь возрождается из пепла. Последние исследования движения звезд в галактиках подтверждают гипотезу о существовании класса элементарных частиц со скрытой массой, получивших название темная материя. Кроме того выявлено, что в межгалактическом пространстве существуют сильные поля неизвестной природы, которые астрономы назвали темная энергия. Новейшие гипотезы предполагают, что в наше время с помощью телескопов мы наблюдаем только 5% материи Вселенной, а 95% приходится на загадочные поля темной энергии и темной материи, которая не излучает электромагнитные волны.

Выводы

Эволюция Вселенной началась с Большого Взрыва чрезвычайно плотной материи 13—20 млрд лет назад, когда произошло загадочное расширение космического пространства. Об этом свидетельствует разбегание галактик, которое продолжается до сих пор, и содержание гелия (25%) и водорода (75%) в веществе. Чрезвычайно высокую температуру молодой Вселенной подтверждает реликтовое электромагнитное излучение. Будущее Вселенной зависит от средней плотности вещества, которое взаимодействует по закону всемирного тяготения. Возможно, что Вселенная является открытой и бесконечной, и ее расширение будет продолжаться вечно. Но если средняя плотность вещества во Вселенной больше, чем некоторая критическая величина, то такая Вселенная может периодически расширяться, а потом сжиматься.

Тесты

Что означает в астрономии термин «Большой Взрыв»?
Когда произошел Большой Взрыв?
Когда образовалась Солнечная система?
В каком месте космоса произошел Большой Взрыв?
Чему равна средняя температура Вселенной?
С какого события началось расширение Вселенной?
О чем свидетельствует реликтовое излучение Вселенной?
Галактика находится на расстоянии 100 млн ПК. Вычислите, сколько лет летит свет от нее до Земли.

Диспуты на предложенные темы

Какая судьба закрытой Вселенной?
Что ждет в будущем открытую Вселенную?
С какой скоростью удаляется от нас галактика, находящаяся на расстоянии 109 св. лет от Земли?

Задания для наблюдений

Можно ли с помощью школьного телескопа увидеть, что галактики от нас удаляются?

Ключевые понятия и термины:

Большой Взрыв, открытая Вселенная, закрытая Вселенная, параллельные миры, пульсирующая Вселенная, реликтовое фоновое излучение, сингулярность.

Источник

Как образовалась Вселенная

Что же такое Вселенная? Если емко, то это сумма всего существующего. Это все время, пространство, материя и энергия, образовавшиеся и расширяющиеся вот уже 13.8 миллиардов лет. Никто не может точно сказать, насколько обширны просторы нашего мира и пока нет точных предсказаний финала.

Определение Вселенной

Само слово «Вселенная» происходит от латинского «universum». Впервые его использовал Цицерон, а уже после него оно стало общепринятым у римских авторов. Понятие обозначало мир и космос. На тот момент люди в этих словах видели Землю, все известные живые существа, Луну, Солнце, планеты (Меркурий, Венера, Марс, Юпитер и Сатурн) и звезды.

Иногда вместо «Вселенная» используют «космос», которое с греческого переводится как «мир». Кроме того, среди терминов фигурировали «природа» и «все».

В современном понятии вмещают все, что существует во Вселенной – наша система, Млечный Путь и прочие структуры. Также сюда входят все виды энергии, пространство-время и физические законы.

Одним из основных вопросов, которые не выходят из сознания человека, всегда был и является вопрос: «как появилась Вселенная?». Конечно же, однозначного ответа на данный вопрос нет, и вряд ли будет получен в скором времени, однако наука работает в этом направлении и формирует некую теоретическую модель зарождения нашей Вселенной.

Теории происхождения Вселенной

Креационизм: все создал Господь Бог

Среди всех теорий о происхождении Вселенной эта появилась самой первой. Очень хорошая и удобная версия, которая, пожалуй, будет иметь актуальность всегда. Кстати, многие ученые физики, несмотря на то что наука и религия часто представляются понятиями противоположными, верили в Бога.

Например, Альберт Эйнштейн говорил:

«Каждый серьезный естествоиспытатель должен быть каким-то образом человеком религиозным. Иначе он не способен себе представить, что те невероятно тонкие взаимозависимости, которые он наблюдает, выдуманы не им.»

Теория Большого Взрыва (модель горячей Вселенной)

Пожалуй, самая распространенная и наиболее признанная модель происхождения нашей Вселенной. Отвечает на вопрос — каким образом образовались химические элементы и почему распространённость их именно такая, какая сейчас наблюдается.

Согласно этой теории, около 14 миллиардов назад, пространства и времени не было, а вся масса вселенной была сосредоточена в крохотной точке с невероятной плотностью – в сингулярности. Однажды из-за возникшей в ней неоднородности, произошел так называемый Большой Взрыв. И с тех пор Вселенная постоянно расширяется и остывает.

Теория Большого взрыв

Первые 10 -43 секунды после Большого Взрыва называют этапом квантового хаоса. Природа мироздания на этом этапе существования не поддается описанию в рамках известной нам физики. Происходит распад непрерывного единого пространства-времени на кванты.

Спустя 10 000 лет энергия вещества постепенно превосходит энергию излучения и происходит их разделения. Вещество начинает доминировать над излучением, возникает реликтовый фон.

Теория Большого Взрыва тверже встала на ноги после открытия космологического красного смещения и реликтового излучения. Два этих явления — самые весомые доводы в пользу правильности теории.

Также разделение вещества с излучением значительно усилило изначальные неоднородности в распределении вещества, в результате чего начали образовываться галактики и сверхгалактики. Законны Вселенной пришли к тому виду, в котором мы наблюдаем их сегодня.

Модель расширяющейся Вселенной

Сейчас доподлинно известно, что Галактики и иные космические объекты удаляются друг от друга, а значит, Вселенная расширяется.

Модель расширяющейся Вселенной описывает сам факт расширения. В общем случае не рассматривается, когда и почему Вселенная начала расширяться. В основе большинства моделей лежит общая теория относительности и её геометрический взгляд на природу гравитации.

Красное смещение – это наблюдаемое для далеких источников понижение частот излучения, которое объясняется отдалением источников (галактик, квазаров) друг от друга. Данный факт свидетельствует о том, что Вселенная расширяется.

Реликтовое излучение – это как бы отголоски большого взрыва. Ранее Вселенная представляла собой горячую плазму, которая постепенно остывала. Еще с тех далеких времен во Вселенной остались так называемые блуждающие фотоны, которые образуют фоновое космическое излучение. Ранее при более высоких температурах Вселенной данное излучение было гораздо мощнее. Сейчас же его спектр соответствует спектру излучения абсолютно твердого тела с температурой всего 2,7 Кельвин.

Теория эволюции крупномасштабных структур

Как показывают данные по реликтовому фону, в момент отделения излучения от вещества Вселенная была фактически однородна, флуктуации вещества были крайне малыми, и это представляет собой значительную проблему.

Вторая проблема — ячеистая структура сверхскоплений галактик и одновременно сфероподобная — у скоплений меньших размеров. Любая теория, пытающаяся объяснить происхождение крупномасштабной структуры Вселенной, в обязательном порядке должна решить эти две проблемы.

Современная теория формирования крупномасштабной структуры, как впрочем и отдельных галактик, носит названия «иерархическая теория».

Суть — вначале галактики были небольшие по размеру (примерно как Магеллановы облака ), но со временем они сливаются, образуя всё большие галактики.

В последнее время верность теории поставлена под вопрос.

Теория струн

Эта гипотеза в некоторой степени опровергает Большой взрыв в качестве начального момента возникновения элементов открытого космоса.

Согласно теории струн, Вселенная существовала всегда. Гипотеза описывает взаимодействие и структуру материи, где существует определенный набор частиц, которые делятся на кварки, бозоны и лептоны. Говоря простым языком, эти элементы являются основой мироздания, поскольку их размер настолько мал, что деление на другие составляющие стало невозможным.

Отличительной чертой теории о том, как образовалась Вселенная, становится утверждение о вышеупомянутых частицах, которые представляют собой ультрамикроскопические струны, которые постоянно колеблются. Поодиночке они не имеют материальной формы, являясь энергией, которая в совокупности создает все физические элементы космоса.

Примером в данной ситуации послужит огонь: глядя на него, он кажется материей, однако он неосязаем.

Хаотическая теория инфляции — теория Андрея Линде

Согласно данной теории существует некоторое скалярное поле, которое неоднородно во всем своем объеме. То есть в различных областях вселенной скалярное поле имеет разное значение. Тогда в областях, где поле слабое – ничего не происходит, в то время как области с сильных полем начинают расширяться (инфляция) за счет его энергии, образуя при этом новые вселенные.

Такой сценарий подразумевает существование множества миров, возникших неодновременно и имеющих свой набор элементарных частиц, а, следовательно, и законов природы.

Теория Ли Смолина

Эта теория достаточно известна и предполагает, что Большой Взрыв не является началом существования Вселенной, а – лишь фазовым переходом между двумя ее состояниями. Так как до Большого Взрыва Вселенная существовала в форме космологической сингулярности, близкой по своей природе к сингулярности черной дыры, Смолин предполагает, что Вселенная могла возникнуть из черной дыры.

Эволюция Вселенной

Как происходил процесс развития и эволюции Вселенной? В течение следующих миллиардов лет гравитация заставила более плотные области притягиваться. В этом процессе формировались газовые облака, звезды, галактические структуры и прочие небесные объекты.

Этот период именуют Структурной Эпохой, так как именно в этот временной отрезок зарождалась современная Вселенная. Видимое вещество распределялось на различные формирования (звезды в галактики, а те в скопления и сверхскопления).

Что было до появления Вселенной

Сложно представить время за 13,7 миллиардов лет до сегодняшнего дня, когда вся Вселенная представляла собой сингулярность. Согласно теории Большого взрыва, один из главных претендентов на роль объяснения того, откуда появилась Вселенная и вся материя в космосе — все было сжато в точку, меньшую, чем субатомная частица. Но если это еще можно принять, задумайтесь вот о чем: что же было до того, как случился Большой взрыв?

Этот вопрос современной космологии уходит корнями еще в четвертое столетие нашей эры. 1600 лет назад теолог Августин Блаженный как и один из лучших физиков 20 века Альберт Эйнштейн пытались понять природу до сотворения Вселенной. Они пришли к выводу , что просто не было никакого «до».

В настоящее время человеком выдвигаются различные теории.

Теория Мультивселенной

Что если наша Вселенная является потомком другой, старшей Вселенной? Некоторые астрофизики полагают, что пролить свет на эту историю поможет реликтовое излучение, оставшееся от большого взрыва.

Согласно этой теории, в первые мгновения своего существования Вселенная начала чрезвычайно быстро расширяться. Также теория объясняет температуру и плотность флуктуаций реликтового излучения и подсказывает, что эти флуктуации должны быть одинаковыми.

Но, как выяснилось, нет. Последние исследования дали понять, что Вселенная на самом деле однобока, и в некоторых областях флуктуаций больше, чем в других. Некоторые космологи считают, что это наблюдение подтверждает, что у нашей Вселенной была «мать»(!)

В теории хаотической инфляции эта идея приобретает размах: бесконечный прогресс инфляционных пузырьков порождает обилие вселенных, и каждая из них порождает еще больше инфляционных пузырьков в огромном количестве Мультивселенных.

Теория белых и черных дыр

Тем не менее, существуют модели, которыми пытаются объяснить образование сингулярности до большого взрыва. Если вы думаете о черных дырах как о гигантских мусоросборниках, они являются главными кандидатами первоначального сжатия, поэтому наша расширяющаяся Вселенная вполне может быть белой дырой — выходным отверстием черной дыры, и каждая черная дыра в нашей Вселенной может вмещать в себя отдельную вселенную.

Большой скачок

Другие ученые считают, что в основе формирования сингулярности лежит цикл под названием «большой скачок», в результате которого расширяющаяся вселенная в итоге коллапсирует сама в себя, порождая другую сингулярность, которая, опять же, порождает другой большой взрыв.

Этот процесс будет вечным, и все сингулярности и все схлопывания не будут представлять собой ничего другого, кроме как переход в другую фазу существования Вселенной.

Теория циклической Вселенной

Последнее объяснение, которое мы рассмотрим, использует идею циклической Вселенной, порожденной теорией струн. Она предполагает, что новая материя и потоки энергии появляются каждые триллионы лет, когда две мембраны или браны, лежащие за пределами наших измерений, сталкиваются между собой.

Что было до Большого взрыва? Вопрос остается открытым. Может быть, ничего. Может, другая Вселенная или другая версия нашей. Может, океан Вселенных, в каждой из которых — свой набор законов и констант, диктующих природу физической реальности.

Проблемы современных моделей рождения и эволюции Вселенной

Многие теории, касающиеся Вселенной в последнее время сталкиваются с проблемами, как теоретического, так и, что более важно, наблюдательного характера:

Вопрос о форме Вселенной является важным открытым вопросом космологии. Говоря математическим языком, перед нами стоит проблема поиска трёхмерного пространственного сечения Вселенной, то есть такой фигуры, которая наилучшим образом представляет пространственный аспект Вселенной.
Неизвестно, является ли Вселенная глобально пространственно плоской, то есть применимы ли законы Евклидовой геометрии на самых больших масштабах.
Также неизвестно, является ли Вселенная односвязной или многосвязной. Согласно стандартной модели расширения, Вселенная не имеет пространственных границ, но может быть пространственно конечна.
Существуют предположения, что Вселенная изначально родилась вращающейся. Классическим представлением о зарождении является идея об изотропности Большого взрыва, то есть о распространении энергии одинаково во все стороны. Однако появилась и получила некоторое подтверждение конкурирующая гипотеза о наличии изначального момента вращения Вселенной.

Видео

Источник