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
Теории эволюции Вселенной.
Реферат: Эволюция Вселенной
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Красноярский Государственный Университет
Экономический факультет
Реферат по теме:
Эволюция Вселенной
Выполнил студент
Вяткин Александр сергеевич
Группа 26
Проверил:
Вахрушева о.н
Большая соснова 2017.
Содержание:
Теории эволюции Вселенной. 4
Начало Вселенной. 4
Эволюция Вселенной. 6
1) Адронная эра. 6
2) Лептонная эра. 7
3) Фотонная эра или эра излучения. 8
4) Звездная эра. 9
Модели будущего вселенной. 9
Список использованной литературы: 13
Введение.
Исследованием Вселенной стал заниматься еще самый древний Человек. Небо было
доступно для его обозрения – оно было для него интересным. Недаром астрономия
– самая древняя из наук о природе – и, по сути, почти самая древняя наука
Не потерял интереса к изучению проблем космоса и Современный Человек. Но он
смотрит уже немного глубже: ему не просто интересно что есть Вселенная сейчас
– он жаждет знаний о том:
что было когда Вселенная рождалась?
рождалась ли она Вообще или она глобально стационарна?
как давно это было и как происходило?
Для поиска ответа на все эти Непростые ответы была отведена специальная ниша
в астрономии – космология.
Космология[1] —это
физическое учение[2] о Вселенной как в
целом, включающее в себя теорию всего охваченного астрономическими наблюдениями
мира как части Вселенной.
Космология попыталась дать ответы[3] на эти
вопросы. Была создана теория Большого Взрыва, а так же теории, описывающие
первые мгновения рождения Вселенной, ее появление и структуризаци..
Всё это позволяет нам понять сущность физических процессов, показывает
источники, создающие современные законы физики, даёт возможность прогнозировать
дальнейшую судьбу Вселенной.
Поэтому космология, как и любая другая наука живет и бурно развивается,
принося все новые и новые фундаментальные знания об окружающем нас мире. Хотя
и не так стремительно, как например, компьютерные технологии, и в большей
мере за счет «альтернативных» теорий, но все-таки развивается.
Данная работа посвящена эволюции Вселенной: в ней рассматриваются первый
мгновения жизни Вселенной, её дальнейшая эволюция и модели будушего развития
Процесс эволюции Вселенной происходит очень медленно. Ведь Вселенная во много
раз старше астрономии и вообще человеческой культуры. Зарождение и эволюция
жизни на земле является лишь ничтожным звеном в эволюции Вселенной. И всё же
исследования проведенные в нашем веке, приоткрыли занавес, закрывающий от
нас далекое прошлое.
Современные астрономические наблюдения свидетельствуют о том, что началом
Вселенной, приблизительно десять миллиардов лет назад, был гигантский
огненный шар, раскаленный и плотный. Его состав весьма прост. Этот огненный
шар был на столько раскален, что состоял лишь из свободных элементарных
частиц, которые стремительно двигались, сталкиваясь друг с другом.
На протяжении десяти миллиардов лет после “большого взрыва” простейшее
бесформенное вещество постепенно превращалось в атомы, молекулы, кристаллы,
породы, планеты. Рождались звезды, системы, состоящие из огромного количества
элементарных частиц с весьма простой организацией. На некоторых планетах
могли возникнуть формы жизни.
Теории эволюции Вселенной.
Существует несколько теории эволюции. Теория пульсирующей Вселенной
утверждает, что наш мир произошел в результате гигантского взрыва. Но
расширение Вселенной не будет продолжаться вечно, т.к. его остановит
По этой теории наша Вселенная расширяется на протяжении 18 млрд. лет со
времени взрыва. В будущем расширение полностью замедлится, и произойдет
остановка. А затем Вселенная начнёт сжиматься до тех пор, пока вещество опять
не сожмется и произойдет новый взрыв.
Теория стационарного взрыва: согласно ей Вселенная не имеет ни начала, ни
конца. Она все время пребывает в одном и том же состоянии. Постоянно идет
образование нового водоворота, чтобы возместить вещество удаляющимися
галактиками. Вот по этой причине Вселенная всегда одинакова, но если
Вселенная, начало которой положил взрыв, будет расширяться до бесконечности,
то она постепенно охладится и совсем угаснет.
Но пока ни одна из этих теорий не доказана, т.к. на данный момент не
существует ни каких точных доказательств хотя бы одной из них.
Однако стоит отметить и еще одну теорию (принцип).
Антропный (человеческий) принцип первым сформулировал в 1960 году Иглис Г.И.
, но он является как бы неофициальным его автором. А официальным автором был
ученый по фамилии Картер.
Антропный принцип утверждает, что Вселенная такая, какая она есть потому, что
есть наблюдатель или же он должен появиться на определенном этапе развития. В
доказательство создатели этой теории приводят очень интересные факты. Это
критичность фундаментальных констант и совпадение больших чисел. Получается,
что они полностью взаимосвязаны и их малейшее изменение приведет к полному
хаосу. То, что такое явное совпадение и даже можно сказать закономерность
существует, дает этой, безусловно интересной теории шансы на жизнь.
Начало Вселенной.
Процесс эволюции Вселенной происходит очень медленно. Ведь Вселенная во много
раз старше астрономии и вообще человеческой культуры. Зарождение и эволюция
жизни на земле является лишь ничтожным звеном в эволюции Вселенной. И всё же
исследования, проведенные в нашем веке, приоткрыли занавес, закрывающий от
нас далекое прошлое.
Современные астрономические наблюдения свидетельствуют о том, что началом
Вселенной, приблизительно десять миллиардов лет назад, был гигантский
огненный шар, раскаленный и плотный. Его состав весьма прост. Этот огненный
шар был настолько раскален, что состоял лишь из свободных элементарных
частиц, которые стремительно двигались, сталкиваясь друг с другом.
Момент с которого Вселенная начала расширятся, принято считать ее началом.
Тогда началась первая и полная драматизма эра в истории вселенной, ее
называют “большим взрывом” или английским термином Big Bang.
Под расширением Вселенной подразумевается такой процесс, когда то же самое
количество элементарных частиц и фотонов занимают постоянно возрастающий
объём. Средняя плотность Вселенной в результате расширения постепенно
понижается. Из этого следует, что в прошлом Плотность Вселенной была больше,
чем в настоящее время. Можно предположить, что в глубокой древности (примерно
десять миллиардов лет назад) плотность Вселенной была очень большой. Кроме
того высокой должна была быть и температура, настолько высокой, что плотность
излучения превышала плотность вещества. Иначе говоря энергия всех фотонов
содержащихся в 1 куб. см была больше суммы общей энергии частиц, содержащихся
в 1 куб. см. На самом раннем этапе, в первые мгновения “большого взрыва” вся
материя была сильно раскаленной и густой смесью частиц, античастиц и
высокоэнергичных гамма-фотонов. Частицы при столкновении с соответствующими
античастицами аннигилировали, но возникающие гамма-фотоны моментально
материализовались в частицы и античастицы.
Подробный анализ показывает, что температура вещества Т понижалась во времени
в соответствии с простым соотношением :
Зависимость температуры Т от времени t дает нам возможность определить, что
например, в момент, когда возраст вселенной исчислялся всего одной
десятитысячной секунды, её температура представляла один биллион
Температура раскаленной плотной материи на начальном этапе Вселенной со временем
понижалась, что и отражается в соотношении. Это значит, что понижалась средняя
кинетическая энергия частиц kT . Согласно соотношению hn=kT понижалась и
энергия фотонов. Это возможно лишь в том случае, если уменьшится их частота n.
Понижение энергии фотонов во времени имело для возникновения частиц и
античастиц путем материализации важные последствия. Для того чтобы фотон
превратился (материализовался) в частицу и античастицу с массой mo и энергией
покоя moc², ему необходимо обладать энергией 2moc 2 или
большей. Эта зависимость выражается так :
Со временем энергия фотонов понижалась, и как только она упала ниже произведения
энергии частицы и античастицы (2moc 2 ), фотоны уже не
способны были обеспечить возникновение частиц и античастиц с массой mo. Так,
например, фотон, обладающий энергией меньшей, чем 2.938 Мэв = 938 Мэв, не
способен материализоваться в протон и антипротон, потому что энергия покоя
протона равна 938 мэв.
В предыдущем соотношении можно заменить энергию фотонов hn кинетической
энергией частиц kT ,
Знак неравенства означает следующее: частицы и соответствующие им античастицы
возникали при материализации в раскаленном веществе до тех пор, пока
температура вещества T не упала ниже значения.
На начальном этапе расширения Вселенной из фотонов рождались частицы и
античастицы. Этот процесс постоянно ослабевал, что привело к вымиранию частиц
и античастиц. Поскольку аннигиляция может происходить при любой температуре,
постоянно осуществляется процесс
частица + античастица Þ 2 гамма-фотона
при условии соприкосновения вещества с антивеществом. Процесс материализации
гамма-фотон Þ частица + античастица
мог протекать лишь при достаточно высокой температуре. Согласно тому, как
материализация в результате понижающейся температуры раскаленного вещества
Эволюция Вселенной.
Эволюцию Вселенной принято разделять на четыре эры: адронную,
лептонную, фотонную и звездную.
Адронная эра.
Длилась примерно от[4] t=10
-6 до t=10 -4 . Плотность порядка 10 17 кг/м 3
при T=10 12 .10 13 .
При очень высоких температурах и плотности в самом начале существования
Вселенной материя состояла из элементарных частиц. Вещество на самом раннем
этапе состояло прежде всего из адронов, и поэтому ранняя эра эволюции
Вселенной называется адронной, несмотря на то, что в то время существовали и
Через миллионную долю секунды с момента рождения Вселенной, температура T упала
на 10 биллионов Кельвинов(10 13 K). Средняя кинетическая энергия
частиц kT и фотонов hn составляла около миллиарда эв (10 3 Мэв), что
соответствует энергии покоя барионов. В первую миллионную долю секунды эволюции
Вселенной происходила материализация всех барионов неограниченно, так же, как и
аннигиляция. Но по прошествии этого времени материализация барионов
прекратилась, так как при температуре ниже 10 13 K фотоны не обладали
уже достаточной энергией для ее осуществления. Процесс аннигиляции барионов и
антибарионов продолжался до тех пор, пока давление излучения не отделило
вещество от антивещества. Нестабильные гипероны (самые тяжелые из барионов) в
процессе самопроизвольного распада превратились в самые легкие из барионов
(протоны и нейтроны). Так во вселенной исчезла самая большая группа барионов —
гипероны. Нейтроны могли дальше распадаться в протоны, которые далее не
распадались, иначе бы нарушился закон сохранения барионного заряда. Распад
гиперонов происходил на этапе с 10 -6 до 10 -4 секунды.
К моменту, когда возраст Вселенной достиг одной десятитысячной секунды (10
-4 с.), температура ее понизилась до 10 12 K, а энергия частиц и
фотонов представляла лишь 100 Мэв. Ее не хватало уже для возникновения самых
легких адронов — пионов. Пионы, существовавшие ранее, распадались, а новые не
могли возникнуть. Это означает, что к тому моменту, когда возраст Вселенной
достиг 10 -4 с., в ней исчезли все мезоны. На этом и кончается
адронная эра, потому что пионы являются не только самыми легкими мезонами, но и
легчайшими адронами. Никогда после этого сильное взаимодействие (ядерная сила)
не проявлялась во Вселенной в такой мере, как в адронную эру, длившуюся всего
лишь одну десятитысячную долю секунды.
Лептонная эра.
Длилась примерно от[5] t=10
-4 до t=10 1 . К концу эры плотность порядка 10 7 кг/м
Когда энергия частиц и фотонов понизилась в пределах от 100 Мэв до 1 Мэв в
веществе было много лептонов. Температура была достаточно высокой, чтобы
обеспечить интенсивное возникновение электронов, позитронов и нейтрино.
Барионы (протоны и нейтроны), пережившие адронную эру, стали по сравнению с
лептонами и фотонами встречаться гораздо реже.
Лептонная эра начинается с распада последних адронов — пионов — в мюоны и
мюонное нейтрино, а кончается через несколько секунд при температуре 10 10
K, когда энергия фотонов уменьшилась до 1 Мэв и материализация электронов и
позитронов прекратилась. Во время этого этапа начинается независимое
существование электронного и мюонного нейтрино, которые мы называем
“реликтовыми”. Всё пространство Вселенной наполнилось огромным количеством
реликтовых электронных и мюонных нейтрино. Возникает нейтринное море.
Источник