Основные свойства вселенной кратко

Свойства Вселенной

Из предыдущих глав читатель уже знает некоторые важнейшие свойства окружающего нас макромира, надежно установленные наукой. Приведем здесь еще раз некоторые из этих бесспорных фактов, необходимых для нашего обсуждения. Прежде всего мы помним, что расширение Вселенной начиналось со сверхплотного состояния и вещество тогда было чрезвычайно горячим. От этой эпохи осталось остывшее реликтовое излучение.

Далее, надежно установлено, что в масштабах миллиардов световых лет нет заметных неоднородностей в распределении плотности вещества в пространстве, нет сверхсверхскоплений галактик. Это значит, что в таких больших мащтабах нет отдельных структурных единиц Вселенной. Этот факт особенно надежно установлен по наблюдению реликтового излучения; если бы существовали неоднородности с размерами порядка миллиарда световых лет или более, то с разных направлений на небе реликтовое электромагнитное излучение приходило бы к нам с разной интенсивностью. Дело в том, что повышенная плотность ведет к повышенному полю тяготения. Фотоны реликтового излучения, выходя из этого поля тяготения, тратят дополнительную энергию, то есть “краснеют”, и значит, излучение с этих направлений имеет чуть меньшую интенсивность. А такого различия интенсивности реликтового излучения не наблюдается, и, следовательно, иерархическая лестница структуры Вселенной не простирается в бесконечность. То есть в очень больших масштабах, начиная с участков размером примерно в сотни миллионов световых лет, Вселенная однородна.

Напомним еще, что наблюдения выявили характерные особенности крупнейших структурных единиц Вселенной — сверхскопления галактик. Оказалось, что в таких образованиях галактики и их скопления сосредоточены в тонких слоях, образующих стенки ячеек, внутренность которых практически пуста. Можно сказать, что распределение галактик во Вселенной напоминает пчелиные соты. В ребрах “сот” плотность галактик особенно велика.

Итак, некоторые важные факты строения и эволюции Вселенной установлены надежно: это расширение Вселенной, ее первоначальное горячее состояние и нынешняя ячеистая структура.

НЕРЕШЁННЫЕ ПРОБЛЕМЫ

Среди этих проблем непременно придется назвать механизмы возникновения структуры Вселенной.

‘Как, когда и почему возникла нынешняя структура Вселенной? Почему крупнейшие структурные единицы

Вселенной — крупные скопления галактик и сверхскопления — имеют именно такие, а не другие масштабы и форму? Последние пятнадцать лет астрофизики-теоретики в содружестве с наблюдателями пытались ответить на эти вопросы, но до последнего времени нельзя было сказать, что главный этапы процесса образования галактик и их скоплении выяснены.

Дело в том, что нечто очень важное оставалось неизвестным. Подозрение о том, что в наших знаниях о Вселенной есть какой-то существенный пробел, зародилось сравнительно давно, еще тогда, когда в астрофизике возникла так называемая проблема скрытой массы, о которой мы говорили в одной из предыдущих глав.

Напомним, что эта проблема была четко сформулирована в начале 70-х годов и состоит она в следующем. Движение галактик в их скоплениях происходит таким образом, что приходится предполагать наличие в пространстве между галактиками какой-то невидимой массы. Она своим тяготением влияет на движущиеся объекты, но больше никак себя не проявляет. Такая же невидимая масса окружает, вероятно, и большие галактики, о чем можно судить по движению карликовых галактик и других объектов вокруг них. Эта невидимая масса и получила название труднонаблюдаемой, или скрытой, массы, и о природе ее практически ничего не было известно. Наблюдения показывали, что скрытой массы в областях скопления галактик, должно быть раз в 20 больше, чем видимой массы, сосредоточенной в самих галактиках. Если масса всех галактик в типичном их скоплении составляет около 3 • 1013 масс Солнца, то масса невидимой материи оказывается около 1015 масс Солнца. Некоторые специалисты считали, правда, что наблюдения, в которых проявляется тяготение скрытой массы, недостаточно надежны, и споры вокруг этого вопроса то утихали, то разгорались вновь вплоть до самого последнего времени.

Источник

Основные характеристики Вселенной

1.Вселенная расширяется с положительным ускорением. Все галактики удаляются от нашей Галактики и друг от друга со скоростью пропорциональной расстоянию до них. Экспериментально это проявляется в виде смещения спектральных линий звезд далеких галактик к красному концу спектра. Закон Хаббла: . Скорость удаления галактик определяют по Доплер-эффекту — смещению линий в спектрах далеких галактик. Относительное смещение длины волны линий в спектре , здесь -лабораторная длина волны линии спектра, -длина волны смещенной линии в спектре дижущейся галактики. При небольших смещениях , удаление (Мпк). Значение постоянной Хаббла: Н₀= 50÷100 км/сек Мпк.

Радиус Вселенной 4 10 28 см. Кривизна пространства равна нулю.

2.Плотность вещества во Вселенной близка к критической плотности 4,7 10 -30 г/см 3 .

3.Общее вещество во Вселенной состоит из видимого (светящегося) вещества, темной материи и темной энергии.

Видимое вещество во Вселенной состоит из водорода 80 –70 % и гелия 20 – 30%. Видимое вещество, состоящее из барионов, составляет только 5 % от космологической плотности Вселенной.

Темной материи — 23%. Она представляет собой холодную небарионную среду с космологической плотностью большей плотности барионов. Эта темная материя взаимодействует со светящимся веществом гравитационным образом. Экспериментально темная материя проявляется:

В превосходстве динамической (вириальной) массы галактики МV 2 R/G (где V— скорость вращения галактики, G — гравитационная постоянная, R -расстояние) над массой видимого вещества галактики, полученного из соотношения масса-светимость.

Обнаружении горячего газа в скоплении галактик с температурой 3-10 10 7 К, и концентрацией 10 – 3 cм – 3 .

В эффекте гравитационного линзирования (отклонения света) далеких галактик и квазизвездных источников.

Возможно, темная материя, окружающая Галактику есть результат поляризации вакуума «гравитационным зарядом» Галактики.

Темной энергии вакуума — 70%, не принимающей участия в гравитационном скучивании вещества; она представляет собой среду с отрицательным давлением и создает антигравитацию.

4.Во Вселенной не обнаружено заметного количества антивещества (барионная ассиметрия Вселенной).

5.Вселенная заполнена микроволновым электромагнитным излучением с длиной волны 7,35 см, которое имеет незвездное происхождение. Температура реликтового излучения Т=2,725 о К.

6.Вселенная обладает крупномасштабной трехмерной ячеисто-сетчатой структурой в виде «пены».

Источник

Краткое описание Вселенной

Краткое руководство по физике и тайнам нашей Вселенной для тех, у кого мало времени.

Понимание физики хорошо по многим причинам. Физика не только информирует нас о нашем доме в Солнечной системе и о Великой Вселенной, но и является основой для того, что все мы используем: технологии. Это то, что стимулировало как промышленную, так и информационную революции, создав современное общество, каким мы его знаем. Технологии позволяют получить доступ к интернету, смотреть ваши любимые шоу, и иметь важную информацию о вашем здоровье, когда вы находитесь в больнице. В будущем технологии позволят нам сделать так много, что большая часть того, что сегодня звучит как научная фантастика, — перемещение объектов силой мысли, не касаясь их, невидимость, вечная молодость, — станет реальностью. Наши потомки в будущем покажутся богами по сравнению с тем, чего мы сами можем достичь сегодня. И всё это, из-за экспоненциального роста технологий, который может произойти в течение ближайших 100 лет.

Здесь краткий фундамент для физики и что она может рассказать нам о нашей Вселенной.

Краткая история физики

Во Вселенной существует четыре основные силы взаимодействия, называемых фундаментальными. В порядке от самого сильного к самому слабому фундаментальному взаимодействию они располагаются так: сильное ядерное, электромагнитное, слабое ядерное и сила тяжести (гравитация).

Гравитация

В возрасте 23 лет Исаак Ньютон уже свободно владел базовыми методами дифференциального и интегрального исчислений. Он также изобрел телескоп-рефлектор, который использовал для наблюдения за кометой. И он дал нам понятие гравитации. Это был первый шаг к разгадке тайн нашей необъятной и загадочной Вселенной.

Напомним, что законы Ньютона заключаются в следующем:

1. Движущийся объект будет оставаться в движении, а объект в состоянии покоя будет оставаться в состоянии покоя, до тех по, пока на них не действует внешняя сила.

2. Сила = масса * ускорение.

3. Для каждого действия существует равное и противоположное противодействие.

Эти первые законы физики породили промышленную революцию и, таким образом, наступила современная эпоха. Тем не менее, было несколько других важных игроков.

Электромагнитное взаимодействие

Электрическая революция произошла в значительной степени благодаря человеку, который никогда не имел даже формального образования. Майкл Фарадей продемонстрировал свойства электричества во время своих публичных лекций. Он входил в стальные клетки и электрифицировал их, показывая, что сталь создает барьер для электричества, и что, пока вы сами не коснетесь барьера, вы будете в безопасности от электрических токов. Его закон заключается в том, что напряжение электричества может быть создано из магнитной среды. Движущийся провод в магнитном поле создает электрический ток, толкая электроны.

Если движущийся магнит создает электрическое поле, то верно и обратное. Движущееся электрическое поле приведет к магнитному полю. Они одно и то же. Единая объединяющая сила.

Джеймс Максвелл во время Гражданской войны в США рассчитал скорость волны, которая колебалась между магнитным и электрическим полями. Это волна, в которой магнитные поля создавали электрические, которые в свою очередь создавали магнитные поля, и так бесконечно. Скорость этой волны оказалась равна скорости света. На самом деле, это и был свет сам по себе!

Сильные и слабые ядерные взаимодействия

Оба этих взаимодействия (силы) работают на атомарном уровне, хотя и по совершенно противоположным причинам. Сильные взаимодействия являются одними из самых сильных во всей Вселенной и именно они связывают составляющие частицы ядер — протоны и нейтроны. Слабое взаимодействие имеет дело с радиоактивным распадом субатомных частиц. Это то, посредством чего произвоится ядерный синтез, благодаря которому «горит» Солнце и другие звезды. Когда элемент распадается из-за воздействия слабого взаимодействия, он превращается в совершенно другой элемент. Атомы углерода с 6-ю протонами и 8-ю нейтронами, распадаются на атомы азота, с 7-ю протонами и 7-ю нейтронами. В этом случае слабое взаимодействие воздействовало на нейтрон и превращало его в протон.

Самая известная Формула Эйнштейна

Вес не постоянен. Чем быстрее вы двигаетесь, тем тяжелее вы становитесь. Масса — это энергия. Это идея самой известной формулы Эйнштейна: E = mc², или энергия = масса*(скорость света в квадрате).

Эта формула, наряду с нашими знаниями о слабом ядерном взаимодействии, помогла нам понять, что происходит внутри Солнца.

Нам посчастливилось, что наше солнце находится в такой момент своей жизни, когда оно невероятно стабильно ( желтый карлик), последовательно превращая водород в гелий. Однако через миллиард лет этого уже не будет. Солнце в этот момент станет достаточно горячим, чтобы вскипятить наши океаны, и через несколько миллиардов лет после этого оно превратится в красного гиганта, настолько огромного, что поглотит нас полностью. Существует шанс, хотя и небольшой, что Земля избежит солнечной жары и выживет за пределами красного карлика Солнца. Но если она выживет, то в конечном итоге выйдет на орбиту около пояса астероидов, который будет вращаться вокруг белого карлика Солнца.

Излишне говорить, что шансы, что человечество просуществует достаточно долго, чтобы увидеть прекрасную смерть нашей звезды, невероятно малы.

Теория струн

Это теория, которая пытается соединить теорию относительности Эйнштейна с квантовой механикой. То есть, она пытается быть объяснением от самых маленьких частиц в нашей Вселенной вплоть до больших тел, планет и звезд. Она работает, предполагая, что частицы являются струнами и что вибрация этих струн по-другому преобразует их в другую частицу. Таким образом, Теория струн объединила бы все четыре силы, о которых мы говорили выше.

В то время как уравнения Эйнштейна не работают в центре черной дыры и во время до Большого взрыва, Теория струн предполагает, что мы не только одна Вселенная, но одна Вселенная, которая является частью Мультивселенной. И если это правда, то в будущем мы сможем создать червоточины для других вселенных. Даже создание машин времени станет возможно, хотя это и потребуют огромного количества энергии.

Тайна темной энергии и темной материи

В то время как книги по физике сегодня расскажут вам, что большая часть Вселенной состоит из атомов, это неправда. Большая часть Вселенной состоит из Темной энергии и Темной материи. Темная энергия составляет 68% Вселенной, а Темная материя — 27%, а так называемая «нормальная материя» — атомы и всё, что мы видим вокруг нас — менее 5%.

Мы знаем, что темная энергия и темная материя существуют, потому что мы наблюдаем, как они влияют на нашу Вселенную. Темная материя, например, не взаимодействует ни с какой другой основной силой во Вселенной, кроме гравитации. Она имеет в шесть раз большую силу гравитации, чем обычная материя, и без нее галактики не существовали бы, поскольку гравитации обычной материи недостаточно, чтобы держать звезды вместе в галактических кластерах. Мы знаем, что темная материя существует, потому что свет будет изгибаться вокруг неё.

Темная энергия заставляет Вселенную расширяться гораздо быстрее, чем мы ожидали. На самом деле считалось, что гравитация в конечном итоге замедлит и остановит расширение Вселенной. То, что мы знаем о темной энергии, — это только то, что она существует там, где есть пустое пространство, и что она продолжает становиться сильнее с течением времени.

Нобелевская премия ждет каждого, кто сможет рассказать нам, что такое темная материя и темная энергия, или даже почему мы вообще существуем. Нет, действительно! Ничего из этого не должно существовать. Мы здесь только потому, что существует дисбаланс материи и антиматерии. Что вызвало этот дисбаланс? Никто не знает.

Источник