Модель Г. Гамова называется моделью «Большого взрыва», но она имеет
и другое название: «А-Б-Г-теория». В этом названии указаны начальные буквы авторов статьи (Альфер, Бете, Гамов), которая была опубликована в 1948 г. и содержала модель «горячей Вселенной», но основная идея этой статьи принадлежала Г. Гамову.
Кратко о сути этой модели:
1. «Исходное начало» Вселенной, по модели Фридмана, было представлено сверхплотным и сверхгорячим состоянием.
2. Это состояние возникло в результате предыдущего сжатия всей материальной, энергетической составляющей Вселенной.
3. Этому состоянию соответствовал чрезвычайно малый объем.
4. Энергия-материя, достигнув некоторого предела плотности и температуры в этом состоянии, взорвалась, произошел Большой взрыв, который Гамов назвал
«Космологическим Большим взрывом».
5. Речь идет о необычном взрыве.
6. Большой взрыв придал определенную скорость движения всем фрагментам исходного физического состояния до Большого
7. Поскольку исходное состояние было сверхгорячим, то расширение должно сохранить остатки этой температуры по всем направлениям расширяющейся Вселенной.
8. Величина этой остаточной температуры должна быть приблизительно одинаковой во всех точках Вселенной.
Это явление было названо реликтовым (древним), фоновым излучением. В
1953 г. Г. Гамов вычислил волновую температуру реликтового излучения. У него
получилось 10 К. Реликтовое излучение — это микроволновое электромагнитное излучение.
В 1964 г. американские специалисты А. Пензиас и Р. Вильсон случайно обнаружили реликтовое излучение. Установив антенны нового радиотелескопа, они не могли избавиться от помех в диапазоне 7,8 см. Эти помехи, шум шли из космоса, одинаковые по величине и по всем направлениям. Измерения этого фона излучения дали температуру меньше 10 К.
Таким образом, гипотеза Г. Гамова о реликтовом, фоновом излучении подтвердилась. В своих работах о температуре фонового
излучения Г. Гамов использовал формулу А. Фридмана, выражающую
зависимость изменения плотности излучения во времени. В параболической (К>
0) модели Вселенной Фридман рассматривал состояние, когда излучение преобладает над веществом в неограниченно расширяющейся Вселенной. Согласно модели Гамова в развитии Вселенной существовало две эпохи: а) преобладание излучения (физического поля) над веществом и б) преобладание вещества над излучением. В начальный период излучение преобладало над веществом, затем было время, когда их отношение было равным, и период, когда вещество стало преобладать над излучением. Гамов определил границу между этими эпохами — 78 млн лет.
В конце ХХ в. измерения микроскопических изменений фонового излучения, которую назвали рябью,позволили ряду исследователей утверждать, что эта рябь представляет изменение плотности вещества и энергии врезультате действия сил гравитации на ранних стадиях развитияВселенной.
Модель «ИнфляционнойВселенной». Термин «инфляция» (лат. «inflation») трактуется как вздутие. Два исследователя А. Гут и П. Сейнхардт предложили эту модель. В этой модели эволюция Вселенной сопровождается гигантским вздутием квантового вакуума: за 10-30 с происходит увеличение размеров Вселенной в 1050 раз. Инфляция является адиабатическим процессом. Он связан с охлаждением и возникновением различия между слабым, электромагнитным и сильным взаимодействием. Аналогия раздувания Вселенной может быть, грубо говоря, представлена как внезапная кристаллизация переохлажденной жидкости. Первоначально инфляционная фаза рассматривалась как «второе рождение» Вселенной после Большого взрыва. В настоящее время инфляционные модели используют понятие инфлатонного поля. Это гипотетическое поле (от слова
«инфляция»), в котором благодаря случайным колебаниям образовалась однородная конфигурация этого поля размером более 10-33 см. Из нее произошло расширение и разогревание Вселенной, в которой мы живем.
Описание событий во Вселенной на основе модели «Инфляционной Вселенной» полностью совпадает с описанием на основе модели Большого взрыва, начиная с 10-30 с расширения. Фаза раздувания означает, что наблюдаемая Вселенная составляет только часть Вселенной. В учебнике Т. Я. Дубнищевой
временного естествознания»1 предлагается следующий ход событий согласно
модели «Инфляционной Вселенной»:
1) t — 10-45 с. К этому моменту после начала расширения Вселенной ее радиус составлял приблизительно 10-50 см. Это событие является необычным с точки зрения современной физики. Предполагается, что ему предшествуют события, порождаемые квантовыми эффектами инфлатонного поля. Это время меньше времени «эры Планка» — 10-43 с. Но это не смущает сторонников этой модели, которые проводят вычисления со временем 10-50 с;
2) t — приблизительно от 10-43 до 10-35 с — эпоха «Великого объединения» или объединения всех сил физического взаимодействия;
3) t — приблизительно от 10-35до 10-5 — быстрая часть инфляционной фазы,
когда диаметр Вселенной увеличился в 1050 раз. Речь идет о возникновении и
образовании электронно-кварковой среды;
4) t — приблизительно от 10-5 до 105 с происходит вначале удержание кварков в адронах, а затем образование ядер будущих атомов, из которых в дальнейшем образуется вещество.
Из этой модели следует, что через одну секунду от начала расширения Вселенной идет процесс возникновения вещества, разъединение его с фотонами электромагнитного взаимодействия и образования протосверхскоплений и протогалактик. Разогревание происходит в результате возникновения частиц и античастиц, взаимодействующих между собой. Этот процесс называется аннигиляцией (лат. nihil — ничто или превращение в ничто). Авторы модели считают, что аннигиляция асимметрична в сторону образования обыкновенных частиц, из которых состоит наша Вселенная. Таким образом, основная идея модели «Инфляционной Вселенной» — исключить из космологии понятие
«Большого взрыва» как особого, необычного, исключительного состояния в эволюции Вселенной. Однако в этой модели появляется не менее необычное состояние. Это состояние конфигурации инфлатонного поля.Возраст Вселенной в этих моделях оценивается в 10—15 млрд лет.
«Инфляционная модель» и модель «Большого взрыва» дают объяснение наблюдаемой неоднородности Вселенной (плотности сгущения вещества). В частности, считается, что при раздувании
1 М.: Маркетинг, 2000. С. 505.
Вселенной возникли космические неоднородности-текстуры как зародыши
агрегатов вещества, которые в дальнейшем разрослись до галактик и их скоплений. Об этом свидетельствует зафиксированное в 1992 г. отклонение температуры реликтового излучения от среднего его значения 2,7 К примерно на
0,00003 К. Обе модели говорят о горячей расширяющейся Вселенной, в среднем однородной и изотропной относительно реликтового излучения. В последнем случае имеется в виду факт практически одинакового значения реликтового излучения во всех частях наблюдаемой Вселенной по всем направлениям от наблюдателя. Основные идеи инфляционных моделей популярно изложены в журнале «Вокруг Света»1 (статья «Мир, рожденный из ничего»).
Существуют альтернативные моделям «Большого взрыва» и «Инфляционной
Вселенной»: модели «Стационарной Вселенной», «Холодной Вселенной» и
Модель «Стационарной Вселенной».Эта модель была разработана в 1948 г. Она основывалась на принципе «космологического постоянства» Вселенной: не только во Вселенной не должно быть ни одного выделенного места, но и во времени не должен быть выделен ни один момент. Авторами этой модели являются Г. Бонди, Т. Голдом и Ф. Хойл, последний — широко известный автор популярных книг по проблемам космологии. В одной из своих работ он писал:
«Каждое облако, галактика, каждая звезда, каждый атом имели начало, но не Вселенная целиком, Вселенная есть нечто большее, чем ее части, хотя этот вывод может показаться неожиданным»2. Данная модель предполагает наличие во Вселенной внутреннего источника, резервуара энергии, который поддерживает плотность ее энергии-материи на «постоянном уровне, препятствующем сжатию Вселенной». Например, Ф. Хойл утверждал, что если бы в одном ведре пространства за каждые 10 млн лет возникал один атом, то плотность энергии, вещества и излучения во Вселенной в целом будет постоянной. Эта модель не объясняет, каким образом возникли атомы химических элементов, вещество и т.
д. Открытие реликтового, фонового излучения сильно подорвало теоретические основания этой модели.
1 2004. №2 (2761). С. 56.
2 Цит. по кн.: Гарднер М. Теория относительности для миллионов. М., 1965. С. 173.
Модель «Холодной Вселенной».Модель была предложена в шестидесятых
годах прошлого века советским астрофизиком Я. Зельдовичем. Сравнение
теоретических значений плотности и температуры излучения по модели
«Большого взрыва» с данными радиоастрономии позволило Я. Зельдовичу высказать гипотезу, согласно которой исходным физическим состоянием Вселенной был холодный протонно-электронный газ с примесью нейтрино: на каждый протон приходится один электрон и одно нейтрино. Обнаружение реликтового излучения, подтверждающего гипотезу об исходном горячем состоянии в эволюции Вселенной, привело Зельдовича к отказу от собственной модели «Холодной Вселенной». Однако идея вычисления соотношений между количеством разного типа частиц и распространенности химических элементов во Вселенной оказалась плодотворной. В частности, было установлено, что плотность энергии-материи во Вселенной совпадает с плотностью реликтового излучения.
Модель «Вселенная в атоме».Эта модель утверждает, что существует на самом деле не одна, а множество Вселенных. Модель «Вселенная в атоме» основывается на понятии замкнутого мира по А. Фридману. Замкнутый мир — область Вселенной, в которой силы притяжения между ее составляющими равны энергии их общей массы. В этом случае внешние размеры подобной Вселенной могут быть микроскопическими. С точки зрения внешнего наблюдателя это будет микроскопический объект, а с точки зрения наблюдателя внутри этой Вселенной все выглядит иначе: свои галактики, звезды и т. п. Эти объекты получили название фридмонов.Академик А. А. Марков высказал гипотезу о том, что фридмонов может быть неограниченное количество и они могут быть полностью незамкнутыми, т. е. у них есть вход в их мир и выход (связь) с другими мирами. Получается множество Вселенных, или, как назвал в одной из своих работ член- корреспондент АН СССР И. С. Шкловский, — Метавселенная.
Идея о множественности Вселенных высказана А. Гутом, одним из авторов инфляционной модели Вселенной. В раздувающейся Вселенной возможно образование «аневризмов» (термин из медицины, означает выпячивание стенок кровеносных сосудов) от материнской Вселенной. Согласно этому автору вполне является возможным создание Вселенной. Для этого нужно сжать 10 кг вещества
до размера меньшего, чем одна квадриллионная часть элементарной частицы.
Источник
Горячая Вселенная Гамова
В 1948 году российский ученый Георгий Гамов предложил модель горячей Вселенной, расширив идею Фридмана о том, что первичное вещество было не только очень плотным, но и очень горячим.
Учитывая, что расширяющаяся Вселенная продолжает охлаждаться, можно экстраполировать ее температуру назад во времени. Это и было сделано. Оказалось, что в момент взрыва Вселенная была бесконечно плотной и горячей, в виде огненного шара.
Данная модель горячей Вселенной как нельзя лучше описывает ее рождение из света.
Надо сказать, что Георгий Гамов, выдающийся русский физик и астрофизик, который сотрудничал с Эйнштейном, Дираком, Ландау, в 1933 году эмигрировал в США, из-за чего был лишен звания академика АН СССР и всех прочих регалий. Даже в научных работах упоминать его имя было запрещено, и ссылаться на его труды было нельзя. После перестройки эти запреты были сняты, и все научные регалии ему были возвращены, но уже посмертно.
Согласно идее Гамова, в горячем и плотном веществе ранней Вселенной происходят ядерные реакции, и в этом ядерном котле за несколько минут синтезируются все химические элементы. Это не совсем так, ибо, как выяснилось позже, в этом ядерном котле создаются только легкие элементы, а элементы тяжелее гелия синтезируются в звездах.
По мнению Гамова, вещество огненного шара представляло собой однородную горячую плазму, состоящую в основном из электронов и протонов, обильно перемешанных космическим излучением. Электроны и протоны, взаимодействуя друг с другом, образовывали нейтральные атомы, которые тут же ионизировались космическим излучением. И вся эта система находилась в равновесии.
Самым эффективным результатом теории Гамова стало предсказание им космического излучения, которое должно было сопровождать горячий Большой взрыв. Оно не могло исчезнуть в процессе расширения пространства и должно сохраняться до сих пор, правда, сильно охлажденным.
Источник
Модель горячей Вселенной
- Моде́ль горя́чей Вселе́нной — космологическая модель, в которой эволюция Вселенной начинается с состояния плотной горячей плазмы, состоящей из элементарных частиц, и протекает при дальнейшем адиабатическом космологическом расширении.
Впервые модель горячей Вселенной была предложена в 1947 году Г. А. Гамовым. Наиболее существенное наблюдательное предсказание, вытекающее из модели горячей Вселенной — наличие реликтового излучения со спектром, очень близким к спектру абсолютно чёрного тела с температурой около 2,7 кельвина, возникшего в момент рекомбинации ионов (в основном, водорода и гелия) и электронов в нейтральные атомы. Это убедительно доказали показания прибора FIRAS.
Возникновение крупномасштабной структуры Вселенной в рамках модели происходит вследствие роста начальных неоднородностей из-за гравитационной неустойчивости. Основной проблемой модели горячей Вселенной в этом аспекте является начальный спектр неоднородностей, который в ней не объясняется, а постулируется, либо берётся из измерений. Естественные же предположения о его форме (пуассоновское распределение) предсказывают возникновение на ранних стадиях масштабных неоднородностей и, соответственно, существенной анизотропии реликтового излучения, что противоречит наблюдаемым данным.
Происхождение элементарных частиц в модели горячей Вселенной с конца 1970-х годов описывают с помощью спонтанного нарушения симметрии. Многие недостатки модели горячей Вселенной были решены в 1980-х годах в результате построения инфляционной модели Вселенной.
Также важно отметить независимость данной теории от наличия или отсутствия Большого взрыва — вне зависимости от существования начальной космологической сингулярности, которую должна описать квантовая теория гравитации, состояние горячей плазмы, описываемое моделью горячей Вселенной и приводящее к современной наблюдаемой космологической картине, не меняется (помимо самых близких к сингулярности моментов). В то же время после открытия и измерения анизотропии реликтового излучения модель горячей Вселенной считается настолько хорошо подтверждённой наблюдениями, что произошло смешение понятий, и часто, когда говорят о Большом взрыве, на самом деле имеют в виду именно её.
До открытия реликтового излучения модель горячей Вселенной была лишь гипотезой и тогда Я. Б. Зельдович пропагандировал модель холодной Вселенной.
Связанные понятия
ΛCDM (читается «Лямбда-СиДиЭм») — сокращение от Lambda-Cold Dark Matter, современная стандартная космологическая модель, в которой пространственно-плоская Вселенная заполнена, помимо обычной барионной материи, тёмной энергией (описываемой космологической постоянной Λ в уравнениях Эйнштейна) и холодной тёмной материей (англ. Cold Dark Matter). Согласно этой модели возраст Вселенной равен 13,75 ± 0,11 миллиардов лет.
В астрономии и космологии темная жидкость является альтернативой теории как темной материи, так и темной энергии и пытается объяснить оба явления в единой структуре.Темная жидкость предполагает, что темная материя и темная энергия не являются отдельными физическими явлениями, как считалось ранее, и не имеют отдельного происхождения, но они тесно связаны друг с другом и могут рассматриваться как две грани одной жидкости. В галактических масштабах темная жидкость ведет себя как темная материя, а в.
Источник