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
Модель горячей Вселенной
В первые моменты температура Вселенной была столь высока, что в ней могли существовать лишь самые легкие элементарные частицы: фотоны, нейтрино и т.д. Быстрое расширение горячего сжатого “газа” вело к его охлаждению. Уже на первых секундах расширения стало возможным образование электронов и протонов, существующих в виде горячей плазмы и сильно взаимодействующих друг с другом и излучением, на долю которого приходилась основная доля энергии во Вселенной. Таким образом, на ранней стадии, длящейся около 1 млн. лет во Вселенной преобладали электромагнитные и ядерные взаимодействия.
Спустя указанный срок температура упала до величины, допускающей рекомбинацию электронов с протонами в нейтральные атомы водорода. С этого момента взаимодействие излучения с веществом практически прекратилось, доминирующая роль перешла к гравитации.
Возникшее на стадии горячей Вселенной и постепенной остывающее в результате ее расширения излучение дошло до нас в виде реликтового фона.
Сам факт возможности моделирования процессов, происходящих в первые секунды и минуты существования Вселенной, следует рассматривать как огромное достижение современного естествознания – оно приближает нас к самому акту «сотворения мира». Хотя представления о первых секундах жизни Вселенной во многом основаны на гипотезах и гипотетических экстраполяциях, но физические условия, существовавшие в то время, когда возраст Вселенной составлял 10-4 с, когда температура достигала 1012К, а вся наблюдаемая Вселенная была «сжата» до размеров Солнечной системы, сегодня можно экспериментально воспроизводить на современных ускорителях элементарных частиц.
Раннюю Вселенную можно на языке физики представить как гигантскую лабораторию природы, в которой энергия, высвободившаяся в результате Большого Взрыва, пробудила физические процессы, не воспроизводимые в земных условиях.
Холодная Вселенная
На последующей стадии, так называемой “холодной” Вселенной, на фоне продолжающегося расширения и остывания вещества стали возникать гравитационные неустойчивости: за счет флуктуаций плотности водородного газа стали возникать зоны его уплотнения, притягивающие к себе газ из соседних областей и еще больше усиливающие собственное гравитационное поле.
Самоорганизация вещества во Вселенной (сложная неравновесная система, описываемая нелинейными уравнениями гравитации) в конечном итоге привела к возникновению крупномас-штабной квазиупорядоченной межгалактической ячеистой структуры, а ее дальнейшая фраг- ментация дала начало будущим галактикам и звездам. Анализ деталей этого процесса возможен на основании весьма сложных уравнений гидрогазодинамики — теории нестационарного движе- ния вещества, до сих пор удовлетворительно не разработанной. Достаточно ясно, что в резуль- тате гравитационного сжатия выделяющаяся энергия в конечном итоге приводила к вторичному разогреву «водородного топлива» до температур, достаточных для начала термоядерных реак- ций водородного цикла.
Ученые выдвигают гипотезы не только далекого прошлого Вселенной, но и прогнозируют ее далекое будущее. «Закрытые» модели предполагают, что в будущем расширение Вселенной сменится ее сжатием. Исходя из общей массы Вселенной (1052 т), предполагают, что примерно через 30 млрд. лет она начнет сжиматься и через 50 млрд. лет вновь вернется в сингулярное со- стояние. Полный цикл расширения и сжатия Вселенной составляет примерно 100 млрд. лет.
В «открытых» космологических моделях Вселенной предполагается, что уже через 10 14 лет многие звезды остынут, примерно через 10 19 лет большая часть остывших звезд покинут свои галактики в виде «черных карликов», центральные области галактик превратятся в «черные дыры». Дальнейшая эволюция будущей Вселенной выглядит не вполне ясной, но прогнозируется «тепловая смерть» Вселенной с конечным состоянием из сверхдлинных квантов и электронно- позитронной плазмы.
Источник
Модель горячей Вселенной
Из Википедии — свободной энциклопедии
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 [1] , возникшего в момент рекомбинации ионов (в основном, водорода и гелия) и электронов в нейтральные атомы. Это убедительно доказали показания прибора FIRAS [2] .
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 [ источник не указан 4222 дня ] 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 [3] .
Источник
Как была создана Вселенная. Часть 2: современность.
Игнат Вершинин 
4 мая 2017 
0
Подписывайтесь на наш телеграм-канал. Мы публикуем там свежие новости и лучшие фотографии.
С первой частью статьи вы можете ознакомиться здесь!
Научные методы в изучении Вселенной привели к формованию четких и основанных на фактах концепций ее возникновения, однако не все с ними согласились.
Две мировые войны не только принесли горе и смерть, но и способствовали резкому развитию технологий и научного знания, что, в свою очередь, позволило ученым глубже заглянуть в ящик Пандоры в поисках ответа на интересующие их вопросы. За этим последовал настоящий бум теорий, предположений и мнений о возникновении Вселенной, но придут ли они когда-нибудь к общему знаменателю?
Современные научные теории
На сегодняшний день за основу в изучении Вселенной большинством научного сообщества берется теория Большого взрыва (и нет, это мы не про сериал), но она далеко не совершенна.
Начало современным теориям о возникновении и формировании Вселенной положил один из крупнейших ученых XX в. — Альберт Эйнштейн. В рамках общеизвестной теории относительности он работал над так называемыми уравнениями. Объединенные в одну систему, они представляли собой описание фундаментального космического явления — гравитации. Однако в модели Вселенной, которую создал Эйнштейн, была допущена ошибка. Он ввел в уравнение космологическую постоянную, представленную в виде греческой буквы лямбда (Λ). Здесь в первоначальные представления великого ученого о Вселенной закралась ошибка: он предполагал стационарность Вселенной. В дальнейшем Эйнштейн изменил свою точку зрения, но лямбда так и осталась в уравнении как необязательная величина, напоминая о том, что даже крупнейшие умы человечества зависимы от развития технологий.
Альберт Эйнштейн. janeb13 / pixabay.com (CC0 1.0)
Черепаха и стоящие на ней слоны ушли в прошлое — наука шагала вперед семимильными шагами. Как утверждал русский ученый Вернадский в начале XX в., есть один элемент, который никогда не учитывают при исследовании вселенной, — ноосфера. Она, в представлении ученого, представляет собой разум человечества в его совокупности. Научная жизнь на протяжении истории своего существования стирала границы, сливаясь в один организм: теории, взгляды и мнения ученых со всего мира публиковались на страницах международных журналов. В одном из них в 1922 г. была опубликована работа советского математика Александра Фридмана, в которой он заложил основы для теорий о нестационарных моделях Вселенной. Ученый отверг идею конечности космического пространства и столкнулся с критикой со стороны Эйнштейна, однако ценность научного знания возобладала, и концепция Фридмана была взята за истинную на данном этапе. Впоследствии она была подтверждена обнаружением красного смещения (понижение частот излучения, вызванное удалением его источников) Эдвином Хабблом.
Сотню лет спустя работы обоих ученых легли в основу современной космологической модели ΛCDM, где лямбда является переменной для открытой не так давно темной материи.
Lambda-Cold Dark Matter, Accelerated Expansion of the Universe, Big Bang-Inflation (timeline of the universe) Дизайн: Alex Mittelmann, Coldcreation / wikimedia.org (CC BY-SA 3.0)
Следующим шагом в формировании теории Большого взрыва стало развитие науки после Второй мировой войны. Советский ученый Георгий Антонович Гамов, вынужденный эмигрировать в США в связи с непониманием его позиции на родине и конфликтом с ученым сообществом Академии наук (был исключен в 1938 г.), предложил теорию горячей вселенной. По его мнению, зарождение Вселенной началось с «горячего» состояния, подтверждением которого должно было стать на тот момент теоретическое микроволновое (реликтовое) излучение — тепловые отголоски Большого взрыва, все еще доносящиеся до нас. Теория Гамова родилась в 1946 г., представлена в 1948-м, но подтверждение нашла только к 1965 г. Неудивительно, что она столкнулась с критикой, однако именно ее отсутствие могло привести к худшему для ученого раскладу — забвению. Для научных концепций жизненно необходимым может являться не только признание, но разгоревшиеся на их фоне споры. Стоит отметить, что Гамов активно занимался популяризацией науки и писал свои работы доступным языком, стараясь привлечь внимание людей к бескрайней темной Вселенной.
Теории стационарной Вселенной
В ответ на возникшую теорию раздались громогласные возгласы с трибун британского астронома Фреда Хойла, который наряду со своими коллегами придерживался теории стационарной Вселенной. Согласно ее основам, не существует единой точки образования или «взрыва», а расширение Вселенной происходит в результате образования материи между галактиками. Наука тоже умеет шутить: презентуя свою концепцию в 1949 г., Хойл, пытаясь придумать презрительное название для теории своих оппонентов, фактически создал столь запоминающееся словосочетание — «Большой взрыв».
Как уже было сказано выше, в 1965 г. теория обрела вторую составляющую доказательства своей приемлемости (первой было красное смещение) после того, как было подтверждено существование реликтового излучения.
Казалось бы, что теперь теория Большого взрыва должна была стать доминирующей среди научного сообщества, однако всё обернулось иначе.
Теория холодной Вселенной
Предложенная советскими учеными Андреем Сахаровым и Яковов Зельдовичем теория холодной Вселенной, не смогла противостоять «горячей теории», но не все законы, лежащие в ее основе, потеряли свое значение. В теории Большого взрыва имеются лакуны, например относительно состояния Вселенной в начальный момент взрыва (космологическая сингулярность), которые может заполнить и ее «холодный собрат».
Попытки заполнить остальные лакуны и разобрать по частям каждый элемент реальности привели к появлению теории струн. Ее основная идея заключается в том, что мельчайшая фундаментальная частица, кварк, состоит из энергетических структур, вибрирующих, словно струна. Несмотря на то что теория струн основана на теории Большого взрыва, она породила немало новых взглядов на реальность. Ведь не был дан ответ на самый важный вопрос: как так получилось, что в нашей Вселенной зародилась жизнь?
Например, некоторые ученые считают, что наш мир не единственный, а один из множества частей мультивселенной. Данная теория предполагает, что мы видим лишь одну часть реальности, тогда как остальные элементы многомерного пространства скрыты от зорких глаз ученых. Также, согласно гипотезе мультивселенной, каждая вселенная обладает своим набором констант, физических величин и характеристик, сочетание которых вполне могло привести к возникновению жизни в одной из них — нашей.
Теории создают новые теории
Бесконечное почкование ученой мысли не остановить. Возникновение жизни, основанное на гипотезах мультивселенной и теории струн, наводит на мысль о том, что кто-то до мельчайшей детали подгадал необходимые условия, так сказать, произвел «тонкую настройку Вселенной».
Помимо теории мультивселенной, на основе «настройки» зародились два специфичных взгляда о возникновении Вселенной.
Первый из них возвращает нас в далекое прошлое. По утверждению ряда ученых, которые не пользуются особой популярностью в научном сообществе, Вселенная была создана разумным творцом: Богом, Дьяволом, Буддой или просто программистом-Васей, не так важно. Этот взгляд получил название «разумный замысел» и отметку «псевдонаучный».
Марк Тегмарк. Источник: Wikimedia.org
Вторая гипотеза разработана относительно молодым (48 лет) ученым Максом Тегмарком. Получив ученую степень доктора философии, он посвятил свою жизнь космологии и вывел теорию математической вселенной. Согласно ей вся реальность является математической структурой. Взгляд довольно специфичный, но оспорить его так же сложно, как доказать, что Бога нет. Тегмарк включил свою гипотезу в Теорию всего, которую также нельзя ни доказать, ни опровергнуть на современном этапе развития научного знания. Попытка объединить все законы в один-единственный натолкнулась на острую «бритву Оккама» (принцип не делать из мухи слона, когда для этого нет необходимости). Пока сложно сказать, кто выйдет победителем из этой философской баталии.
Помимо теологов, которые адаптируются к научно-техническому прогрессу и выводят новые теории креационизма (создание всего сущего Богом/Творцом), и философов, пытающихся вернуть «царице всех наук» ее былые лавры, в разработке концепций создания Вселенной участвуют и представители массовой культуры: сценаристы, писатели, режиссеры. За примером далеко идти не нужно — знаменитый фильм-антиутопия «Матрица» братьев (трансгендерных сестер) Вачовски. Однако теория о том, что весь наш мир является компьютерной программой, активно обсуждается крупнейшими деятелями науки.
Нил Деграсс Тайсон, великолепный астрофизик и популяризатор науки, провел дебаты под названием «Является ли Вселенная компьютерной симуляцией?», куда были приглашены космологи, физики-теоретики и философы. Целью встречи было обсуждение аргументов «за» и «против» гипотезы симуляции Ника Бострома, которую тот представил в 2003 г. На данный момент гипотеза до сих пор не обзавелась прочной доказательственной базой.
Как считает наш эксперт, подобное разнообразие теорий вполне соответствует своему времени.
Экспертное мнение
Антон Иванович Первушин, член союза ученых Санкт-Петербурга, Федерации космонавтики России, Ассоциации футурологов, специалист по истории науки и космонавтике
«Лично я придерживаюсь стандартной теории, основанной на Большом взрыве и множественности миров, то есть М-теории. Она была создана с целью объединения фундаментальных законов, но, как и любая другая теория, не является исчерпывающей. Даже буква “М” в названии имеет несколько разных трактовок.
Существующее многообразие концепций стало возможным в связи с недостаточным развитием технологий, приборов, что не позволяет с точностью определить реальное положение вещей. Однако с их развитием менее научные теории, например креационизм, уйдут в прошлое.
Ни одна теория на данный момент не способна объединить все физические законы, условия, параметры. Несмотря на существование Теории всего, она является больше философской, чем научной. Поэтому, как мне кажется, вопрос об универсальном теоретическом объяснении возникновения Вселенной и ее функционирования не может быть решен».
Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.
Источник