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
Происхождение Вселенной и варианты развития ее будущего
Вселенная родилась в результате так называемого Большого взрыва около 13 млрд лет назад и с тех пор продолжается непрерывно расширяться и изменяться.
Почти все астрономы убеждены, что Вселенная образовалась при грандиозном катаклизме — Большом взрыва. За ничтожный промежуток времени, слишком короткий, чтобы можно было его измерить, зародилась Вселенная.
Теория большого взрыва в деле о рождении Вселенной
В результате взрыва гигантская энергия, сосредоточенная в невообразимо малом пространстве, за ничтожную долю секунду распространилась во все стороны. От объема меньше острия иголки иголки Вселенная расширилась до сверхгалактических размеров. С тех пор она продолжает расширяться.
Достигнув возраста примерно 300000 лет, Вселенная, бывшая до этой поры похожа на мутный суп, стала прозрачной. Ее температура упала до 3000 0С. На протяжении примерно миллиарда лет после Большого взрыва тяготение стягивало водород и гелий в облака. В них появились вращающиеся шары из газа — так зародились первые звезды и галактики.
Этапы формирования Вселенной
Условно рождение Вселенной можно разделить на 7 этапов.
Наглядная инфографика развития Вселенной впоследствии большого взрыва.
Этап 1
Неизвестно, что существовало до Большого взрыва. Мы знаем лишь одно: в течении ничтожной доли секунды выделилось достаточное количество энергии, чтобы породить все вещество Вселенной. По мере остывания Вселенной эта энергия порождала субатомные частицы.
Этап 2
Сразу после Большого взрыва Вселенная была невообразимо мала. Затем она внезапно начала расширяться с огромной скоростью во всех направлениях. Вселенная была полна энергии, и ее температура стремительно росла.
Этап 3
Вселенная должна была остыть от температуры около 10 28 0С до примерно 3000 0С, прежде чем смогла образоваться атомы. Атомы — это крошечные частицы вещества, в основном водорода, самого простого и самого распространенного вещества во Вселенной. Остальные атомы были более сложными атомами гелия.
Этап 4
Водород и гелий заполняли Вселенную подобно разреженному темному туману. В более областях этого «тумана» его частицы стягивались тяготением в отдельные облака помельче. (Тяготение – это сила, заставляющая любые тела Вселенной притягиваться друг к другу.) Центральные части этих облаков разогрелись, рождая звезды в ходе образования галактик.
Этап 5
Примерно 4,6 млрд лет назад сформировалась наша звезда — Солнце. Вокруг нее кружилось облако газа и пыли. Этот материал, оставшийся после рождения Солнца, включая углерод и кислород — элементы, выброшенные в пространство после смерти старых звезд. Из сгустков этого материала образовались планеты.
Этап 6
Первые живые клетки появились на Земле 3,5 млрд лет назад. Как возникла жизнь, точно не известно. Возможно, разряды молний обеспечили энергию для начала химических реакций между компонентами морской воды.
Этап 7
За одну десятитысячную времени, прошедшего после Большого взрыва, из человекообразных приматов развились похожие на людей существа. С помощью искусственных спутников ученые пытаются заглянуть в далекое прошлое Вселенной.
Пример рождения звезд галактики в созвездии Ориона
В этом холодном плотном облаке водорода в созвездии Ориона рождаются звезды. Условными цветами обозначены температуры разных частей облака и находящиеся внутри его звезды. Пыль показана желтым цветом. Яркая новорожденная звезда в центре справа — красным цветом.
Вещество остывало, менялось и расширялась, начиная с момента возникновения Вселенной. В течении примерно четверти миллиона оно представляло собой «суп» из атомов водорода и гелия, в котором возникали сгустки, ставшие потом звездами и галактиками.
Свидетельства подтверждающие факт большого взрыва
Свету от галактик требуются миллиарды лет, чтобы дойти до нас, поэтому мы видим только, как выглядели галактики в далеком прошлом. С помощью очень больших телескопов мы можем заглянуть в то время, когда Вселенная и галактики были молоды. Самые далекие объекты, доступные наблюдению, — это галактики, какими они были примерно 10 млрд лет назад.
Галактики разбегаются, а это значит, что все вещество некогда было сосредоточено в одном месте. Дополнительные свидетельства Большого взрыва были получены в 1965 г., когда ученые обнаружили оставшееся от него тепловое излучение, которое приходит к нам со всех сторон космического пространства.
В 1992 г. спутник COBE обнаружил неоднородности теплового излучения, вызванные остыванием Вселенной после Большого взрыва. И все же астрономы считают, что они до сих пор не нашли большую часть того вещества, из которого состоит Вселенная. Они назвали его темным (или скрытным) веществом, и, возможно, оно составляет около 90% массы Вселенной. Когда его найдут, мы сможем заполнить некоторые пробелы в биографии Вселенной.
Будущее вселенной
Астрономы, изучающие происхождение Вселенной, называются космологами. Их интересует не только прошлое, но и будущее Вселенной. Некоторые из них считают, что Вселенная будет продолжать расширяться, становясь все больше и холоднее, В конце концов все звезды погаснут, и Вселенная станет холодной и темной.
Мы знаем, что разбегающиеся галактики притягиваются друг к другу, а это замедляет расширение Вселенной. Некоторые космологи считают, что за триллионы лет силы тяготения полностью остановить разбегание галактик, и они, наконец, замрут на месте.
Затем тяготение вновь начнет стягивать галактики. Вселенная будет сжиматься, пока не соберется в одну точку. При возрастании плотности вещества она станет нагреваться. В конце концов Вселенная свернется в результате взрывоподобного коллапса, названным Большим сжатием. Но вслед за этим может произойти новый Большой взрыв и рождение новой Вселенной, внешний вид и строение которой могут в значительной степени другими. Возможно, существование Вселенной и представляет собой бесконечную череду взрывов и сжатий.
Документальный фильм — Рождение Вселенной
Точно не установлено, когда образовалась Вселенная, но считается, что это произошло 13 млрд лет назад. В завершении предлагаем к просмотру документальный фильм «Рождение Вселенной» от телекомпании National Geographic.
Это вещество нашей Вселенной, время и пространство возникли при Большом взрыве.Вещество вначале существовало в сиде субатомных частиц, затем в виде атомов и простейших химических соединений. Все сложные вещества, известные нам сегодня, включая те, что составляют нашу родную планету, наши дома и наши тела, возникли из этих первокирпичиков.
Источник