Основные положения модели горячей вселенной

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»

Расширяющаяся Вселенная

Впервые космологическую модель Вселенной в рамках общей теории относительности рассмотрел советский математик А. Фридман. Он показал, что Вселенная, однородно заполненная веществом, должна быть нестационарной, и исходя из этого объяснил наблюдаемую картину разбегания галактик. Он показал, что в зависимости от средней плотности вещества Вселенная должна либо расширяться, либо сжиматься.

При расширении Вселенной скорость разбегания галактик должна быть пропорциональна расстоянию до них — вывод, который подтвердил Хаббл открытием красного смещения в спектрах галактик.

Критическое значение плотности вещества, от которой зависит характер его движения:

где G — гравитационная постоянная, а Н — постоянная Хаббла. Помня, что 1 пк = 3,08 • 1013 км и поэтому 1 Мпк = = 3,08 • 1019 км, найдем Н = 2,4 • 10-18 с-1. Тогда критическая плотность вещества:

Если средняя плотность Вселенной больше критической (ρ > ρкр)9 то в будущем расширение Вселенной сменится сжатием, а при средней плотности, равной или меньшей критической (ρ ≤ ρкр), расширение не прекратится.

Средняя плотность вещества, сосредоточенная в виде звезд в галактиках, равна приблизительно 2 • 10-30 кг/см3, что почти в 5 раз меньше критической.

Но делать выводы о бесконечном расширении Вселенной пока преждевременно, так как некоторые астрономы высказывают предположение о существовании в галактиках вещества, которое пока еще не обнаружено. Эта «скрытая масса» может изменить оценку принятой сейчас средней плотности вещества во Вселенной. Поэтому точного ответа на вопрос о будущем Вселенной в настоящее время не имеется.

Радиус Вселенной легко оценить с помощью закона Хаббла. Так как максимальная скорость не может превышать скорости света, то максимальное расстояние R, до которого мы можем наблюдать небесные тела, соответствует скорости разбегания галактик ν = с = 3 • 105 км/с, откуда

или R = 1,24 • 1026 м.

Возраст Вселенной

Если наблюдения пока не позволяют нам с определенностью сказать о характере будущего расширения Вселенной, то оценить, когда в прошлом это расширение началось, можно с помощью закона Хаббла. Действительно, если наблюдаемая нами галактика удаляется со скоростью ν и сейчас после «начала» расширения находится на расстоянии r от Земли, то свое удаление она начала в момент

Эти рассуждения применимы для любой галактики. Таким образом, около 13 млрд лет назад все вещество метагалактики было сосредоточено в небольшом объеме и плотность вещества была настолько высокой, что ни галактик, ни звезд не существовало. Пока не ясны ни физические процессы, протекавшие до этого сверхплотного состояния вещества, ни причины, вызвавшие расширение Вселенной. Ясно одно, что со временем расширение привело к значительному уменьшению плотности вещества и на определенном этапе расширения стали формироваться галактики и звезды.

Некоторые видят в наблюдаемом разбегании галактик аналогию с разлетом вещества во время взрыва, поэтому описанная теория расширения Вселенной получила название теории Большого взрыва, а время (13 млрд лет), прошедшее с начала этого взрыва, называют возрастом Вселенной.

Модель «горячей Вселенной»

В 1968 г. было обнаружено излучение, которое не связано ни с одним известным источником радиоизлучения. Оно идет со всех сторон и похоже на излучение абсолютно черного тела. Это микроволновое излучение имеет максимум на длине волны λmax = 1 мм, что, согласно закону смещения Вина, соответствует температуре излучения 2,7 К. В прошлом, на ранних этапах эволюции Вселенной, плотность и температура этого излучения были существенно выше.

Таким образом, в прошлом не только плотность, но и температура вещества были очень высокими. Так, например, когда возраст Вселенной был всего несколько секунд, температура вещества и излучения была десятки и сотни миллионов кельвинов.

Конечно, ни о каких галактиках и звездах в этот период говорить не приходится. Они образовались значительно позднее, когда температура и плотность вещества стали ниже. Так как наблюдаемое микроволновое излучение с температурой 2,7 К связано с горячим веществом на ранних этапах эволюции Вселенной, то излучение получило название реликтового (оставшегося от прошлых эпох), а модель расширяющейся Вселенной называют моделью «горячей Вселенной»

Источник

Модель горячей Вселенной

Эволюция Вселенной

В основе современных представлений об эволюции Вселенной лежит модель горячей Вселенной, или «Большого Взрыва», основы которой были заложены в трудах американского физика русского происхож­дения Дж. Гамова и его сотрудников в конце 40-х гг. XX в. В соответ­ствии с этой концепцией Вселенная на ранних стадиях расширения характеризовалась не только высокой плотностью вещества, но и его высокой температурой.

Ключ к пониманию ранних этапов эволюции Вселенной — в ги­гантском количестве теплоты, выделившейся при Большом Взрыве. В простейшем варианте теории горячей Вселенной предполагается, что Вселенная возникла спонтанно в результате взрыва из состояния с очень большой плотностью и энергией (состояние сингулярности). По мере расширения Вселенной температура падала (сначала бы­стро, а затем все медленнее) от очень большой до довольно низкой, обеспечивавшей возникновение условий, благоприятных для образо­вания звезд и галактик. На протяжении около 1 млн лет температура превышала несколько тысяч градусов, что препятствовало образова­нию атомов, и, следовательно, космическое вещество имело вид ра­зогретой плазмы, состоящей из ионизированных водорода и гелия. Лишь когда температура Вселенной понизилась приблизительно до температуры поверхности Солнца, возникли первые атомы. Таким образом, атомы — это реликты эпохи, наступившей через 1 млн лет после Большого Взрыва.

Модель горячей Вселенной получила экспериментальное под­тверждение после открытия в 1965 г. реликтового излучения — мик­роволнового фонового излучения с температурой около 3 К. Косвен­ным подтверждением этой модели служит также наблюдаемое оби­лие гелия, превышающее повсеместно 22% по массе, а также обнару­женное в межзвездном газе неожиданно высокое содержание дейтерия, происхождение которого можно объяснить лишь ядерны­ми реакциями синтеза легких элементов в горячей Вселенной. Зная современную температуру реликтового излучения, можно провести экстраполяцию в прошлое, используя хорошо известные и проверен­ные законы механики, термодинамики, статистической, атомной и ядерной физики, физики элементарных частиц и др.*

* Фундаментальным открытием самых последних лет, конца XX в., является обнаружение пространственной анизотропии реликтового излучения, фона Все­ленной. Это расширяет возможности релятивистской космологии, делает несуще­ственным влияние различных мешающих познанию начальных этапов Вселенной факторов — рассеяние электромагнитных волн на свободных электронах, на холод­ном молекулярном газе, поглощение пылью и др.

Возможность установить процессы, происходившие в первые се­кунды и минуты существования Вселенной, безусловно, следует рас­сматривать как блестящее достижение современного естествознания. Моделирование первой секунды существования Вселенной при­ближает нас к главной загадке природы — самому акту «сотворения мира»! Первые секунды Вселенной — это время таинственных со­стояний вещества и неведомых сил природы. Конечно, здесь следует быть осторожным. Наши представления об этом отрезке времени основаны во многом на гипотезах и гипотетических экстраполяциях, теоретическом моделировании, во многом спорных и умозри­тельных.

Экстремальные условия первых секунд жизни Вселенной сегодня можно изучать экспериментально. На современных ускорителях эле­ментарных частиц удается воспроизводить физические условия, су­ществовавшие в то время, когда возраст Вселенной составлял 10 -4 с, когда температура достигала 10 12 К, а вся наблюдаемая сегодня Все­ленная была «сжата» до размеров Солнечной системы. За этими границами возможна только теоретическая экстраполяция известных нам физических законов. В целом она не вызывает сомнений вплоть до того момента, когда начинают проявляться квантовые свойства гравитации.

Вблизи сингулярности решения релятивистских уравнений не­применимы, поскольку там должны проявляться квантовые свойства гравитации, а свойства вещества в этом состоянии неизвестны. Существующие теории вещества и тяготения применимы к состояниям материи, плотность и температура которой меньше планковских: ρ = 10 93 г/см 3 ; Т ≈ 10 32 К. Планковской плотности и температуре соот­ветствует возраст Вселенной τ ≈ 10 -43 с и расстояние r ≈ 10 -33 см. В планковскую эпоху физические условия были таковы, что для их описания требуется еще несозданная квантовая теория тяготения, и поэтому для описания самых ранних моментов рождения Вселенной пользуются гипотетическими, умозрительными моделями.

11.7.2. Большой Взрыв: инфляционная модель

Первая и важнейшая проблема связана с причинами Большого Взры­ва, сложившимися в первые мгновения Вселенной. Они моделируют­ся так называемой гипотезой инфляционной Вселенной. В основе этой гипотезы — представление о существовании компенсирующей гравитационное притяжение силы космического отталкивания неве­роятной величины, которая смогла разорвать некое начальное состо­яние материи и вызвать ее расширение, продолжающееся по сей день. В этой модели начальное состояние Вселенной является ваку­умным.

Физический вакуум — это наинизшее энергетическое состояние всех полей, форма материи, лишенная вещества и излучения, но характеризующаяся активностью, возникновением и уничтожением виртуальных частиц (постоянно «кипит», но не выкипает) и способ­ностью находиться в одном из многих состояний с сильно различаю­щимися энергиями и давлениями, причем эти давления — отрица­тельные. Возбужденное состояние такого вакуума называют «ложным вакуумом», который способен создать гигантскую силу космичес­кого отталкивания. Эта сила и вызвала безудержное и стремительное раздувание «пузырей пространства» (зародышей одной или несколь­ких вселенных, каждая из которых характеризуется, допустим, свои­ми фундаментальными постоянными*), в которых концентрировались колоссальные запасы энергии. Подобное раздувание Вселенной осуществлялось по экспоненте (за каждые 10 -32 с диаметр Вселенной увеличивался в 10 50 раз). Скорость раздувания значительно превосхо­дила световую, но это не противоречит закону теории относитель­ности, так как раздувание не связано с установлением причинно-след­ственных связей в веществе. Данный тип раздувания был назван инфляцией. Такое быстрое расширение означает, что все части Все­ленной разлетаются, как при взрыве. А это и есть Большой Взрыв. В период квантовой космологии, т. е. с 10 -43 с по 10 -34 с произошло, по-видимому, и формирование пространственно-временных харак­теристик нашей Вселенной.

* О концепции множественности вселенных см.: Розенталь И.Л. Вселенная и частицы. М., 1990.

Но фаза инфляции не может быть длительной. Отрицательный (ложный) вакуум неустойчив и стремится к распаду. Когда распад завершается, отталкивание исчезает, следовательно, исчезает и инфляция. Вселенная переходит во власть обычного гравитационного притяжения. «Часы» Вселенной в этот момент показывали всего 10 -34 с. Но благодаря полученному первоначальному импульсу, приобре­тенному в процессе инфляции, расширение Вселенной продолжает­ся, но неуклонно замедляется. Постепенное замедление расширения Вселенной — это единственный след, который сохранился до настоя­щего времени от начальных моментов Большого Взрыва.

В конце фазы инфляции Вселенная была пустой и холодной. Но по окончании фазы огромные запасы энергии, сосредоточенные в исходном физическом вакууме; высвободились в виде излучения, ко­торое мгновенно нагрело Вселенную до температуры примерно 10 27 К и энергии 10 14 ГэВ. С этого момента начинается эволюция горячей Вселенной. Благодаря энергии возникли вещество и антивещество, затем Вселенная стала остывать и испытывать последова­тельные фазовые переходы, в которых постепенно стали «кристал­лизоваться» все ее элементы, наблюдаемые сегодня.

Инфляционная модель Большого Взрыва объясняет крупномас­штабную однородность и изотропность Вселенной, образование структур галактик и их скоплений из первичных малых возмущений плотности, особенности изменения радиуса пространственной кри­визны (современное значение его близко к единице, как и в момент Большого Взрыва).

Несмотря на то что инфляционная модель разработана пока только частично, тем не менее она позволяет успешно объяснить ряд фундаментальных космологических закономерностей. Большой Взрыв перестал быть загадкой, лежащей за пределами естество­знания.

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Источник