Происхождение Вселенной: 7 различных теорий
Как появилась Вселенная, которую мы знаем? И как мы объясним ее происхождение? Несомненно, все остальные свидетельства и данные, собранные за эти годы космологами, указывают на то, что все это могло начаться с «большого взрыва». Но что, если есть еще?
В 1927 году бельгийский астроном Жорж Леметр стал первым, кто предложил теорию расширяющейся Вселенной (позже подтвержденную Эдвином Хабблом). Он предположил, что расширяющаяся Вселенная может быть прослежена до особой точки, которую он назвал «первичным атомом», назад во времени. Это заложило основу современной теории Большого Взрыва.
Что такое теория большого взрыва?
Теория Большого взрыва — это объяснение, основанное в основном на математических моделях, того, как и когда возникла Вселенная.
Космологическая модель Вселенной, описанная в теории Большого взрыва, объясняет, как она первоначально расширилась из состояния бесконечной плотности и температуры, известного как изначальная (или гравитационная) сингулярность. За этим расширением последовала космическая инфляция и резкое падение температуры. Во время этой фазы Вселенная раздувалась с гораздо большей скоростью, чем скорость света (в 10 26 раз).
Впоследствии Вселенная была разогрета до такой степени, что элементарные частицы (кварки, лептоны и так далее) до постепенного понижения температуры (и плотности) привели к образованию первых протонов и нейтронов.
Через несколько минут после расширения протоны и нейтроны объединяются, образуя первичные ядра водорода и гелия-4. Предполагаемый радиус наблюдаемой Вселенной в течение этой фазы составлял 300 световых лет. Первые звезды и галактики появились примерно через 400 миллионов лет после этого события.
Важнейшим элементом модели Большого Взрыва является космическое сверхвысокочастотное фоновое излучение (Реликтовое излучение), представляющий собой электромагнитное излучение, оставшееся со времен зарождения Вселенной. Реликтовое излучение остается самым убедительным доказательством большого взрыва.
Хотя теория остается широко признанной во всем научном спектре, несколько альтернативных объяснений — таких, как стационарная Вселенная и вечная инфляция, приобрели привлекательность с годами.
7. Теория вечной инфляции
Понятие инфляции было введено космологом Аланом Гутом в 1979 году, чтобы объяснить, почему Вселенная плоская, чего не хватало в первоначальной теории Большого взрыва.
Хотя идея Гута об инфляции объясняет плоскую Вселенную, она создала сценарий, который не позволяет Вселенной избежать этой инфляции. Если бы это было так, не произошло бы повторного нагрева Вселенной, равно как и образования звезд и галактик.
Эта конкретная проблема была решена Андреасом Альбрехтом и Полем Штайнхардтом в их «новой инфляции». Они утверждали, что быстрое расширение Вселенной произошло всего за несколько секунд, прежде чем прекратиться. Он продемонстрировал, как Вселенная может быстро раздуваться и при этом нагреваться.
Концепция «вечной инфляции», или теория хаотической инфляции, была введена Андреем Линде, профессором Стэнфордского университета. Он был основан на предыдущих работах Штейнхардта и Александра Виленкина.
Теория утверждает, что инфляционная фаза Вселенной продолжается вечно; это не конец для Вселенной в целом. Другими словами, космическая инфляция продолжается в одних частях Вселенной и прекращается в других. Это приводит к сценарию мультивселенной, в котором пространство разбивается на пузыри. Это как вселенная внутри вселенной.
В мультивселенной в разных вселенных могут действовать разные законы природы, физики. Итак, вместо единого расширяющегося космоса наша Вселенная могла бы быть инфляционной мультивселенной с множеством маленьких вселенных с различными свойствами.
Однако Пол Стейнхардт считает, что его теория «новой инфляции» ни к чему не приводит и не предсказывает, и утверждает, что понятие мультивселенной является «фатальным недостатком» и неестественным.
6. Конформная циклическая модель
Роджер Пенроуз, 6 ноября 2005 года
Модель конформной циклической космологии (англ. conformal cyclic cosmology или CCC) предполагает, что Вселенная проходит через повторяющиеся циклы большого взрыва и последующих расширений. Общая идея состоит в том, что «большой взрыв» был не началом Вселенной, а скорее переходной фазой. Его разработал физик-теоретик и математик Роджер Пенроуз.
В качестве основы для своей модели Пенроуз использовал множественные метрические последовательности FLRW (Фридмана – Лемэтра – Робертсона – Уокера). Он утверждал, что конформная граница одной последовательности FLRW может быть присоединена к границе другой.
Метрика FLRW — это наиболее близкое приближение к природе Вселенной и часть модели Лямбда-CDM. Каждая последовательность начинается с большого взрыва, за которым следует инфляция и последующее расширение.
Циклическая или осциллирующая модель, в которой Вселенная повторяется снова и снова в неопределенном цикле, впервые оказалась в центре внимания в 1930-х годах, когда Альберт Эйнштейн исследовал идею «вечной» Вселенной. Он считал, что по достижении определенной точки Вселенная начинает коллапсировать и заканчивается Большим хрустом перед тем, как пройти через Большой отскок.
Прямо сейчас существует четыре различных варианта циклической модели Вселенной, одна из которых — конформная циклическая космология.
5. Мираж четырехмерной черной дыры
Исследование, проведенное группой исследователей в 2013 году, предположило, что наша Вселенная могла возникнуть из обломков, выброшенных из коллапсировавшей четырехмерной звезды или черной дыры.
По мнению космологов, участвовавших в исследовании, одно из ограничений теории Большого взрыва — объяснение температурного равновесия, обнаруженного во Вселенной.
Хотя большинство ученых согласны с тем, что инфляционная теория дает адекватное объяснение того, как маленький участок с однородной температурой быстро расширится и превратится во Вселенную, которую мы наблюдаем сегодня, группа сочла это неправдоподобным в силу хаотичной природы Большого взрыва.
Для решения этой проблемы команда предложила модель космоса, в которой наша трехмерная Вселенная является мембраной и плавает внутри четырехмерной «объемной вселенной». Они утверждали, что если в четырехмерной «объемной вселенной» есть четырехмерные звезды, то, скорее всего, они обрушатся в четырехмерные черные дыры. Эти четырехмерные черные дыры будут иметь трехмерный горизонт событий (точно так же, как трехмерные имеют двухмерный горизонт событий), который они назвали «гиперсферой».
Когда команда смоделировала коллапс 4-D звезды, они обнаружили, что выброшенные обломки умирающей звезды, скорее всего, образуют 3-D мембрану вокруг этого 3-мерного горизонта событий. Наша Вселенная могла бы быть одной из таких мембран.
Модель «четырехмерной черной дыры» космоса действительно объясняет, почему температура во Вселенной почти равномерна. Она также может дать ценную информацию о том, что именно спровоцировало космическую инфляцию через несколько секунд после ее возникновения. Однако недавнее наблюдение, проведенное спутником Planck ЕКА, выявило небольшие вариации температуры космического микроволнового фона (CMB). Эти спутниковые показания отличаются от предложенной модели примерно на четыре процента.
4. Теория плазменной Вселенной
На наше нынешнее понимание Вселенной в основном влияет гравитация, в частности Общая теория относительности Эйнштейна, с помощью которой космологи объясняют природу Вселенной. По совпадению, как и большинство других вещей, ученые на протяжении многих лет рассматривали альтернативу гравитации.
Космология плазмы (или теория плазменной Вселенной) предполагает, что электромагнитные силы и плазма играют очень важную роль во Вселенной вместо гравитации. Хотя у этого подхода много разных вариантов, основная идея остается той же; каждое астрономическое тело, включая Солнце, звезды и галактики, является результатом какого-либо электрического процесса.
Первая выдающаяся теория плазменной Вселенной была предложена лауреатом Нобелевской премии Ханнесом Альвеном в конце 1960-х годов. Позже к нему присоединился шведский физик-теоретик Оскар Клейн для разработки модели Альфвена – Клейна.
Модель построена на предположении, что Вселенная поддерживает равные количества материи и антивещества (это не так, согласно современной физике элементарных частиц). Границы этих двух областей отмечены космическими электромагнитными полями. Таким образом, взаимодействие между ними приведет к образованию плазмы, которую Альфвен назвал «амбиплазмой».
Согласно теории, такая плазма должна образовывать большие участки вещества и антивещества по всей Вселенной. Кроме того, было высказано предположение, что наше текущее местоположение в космосе должно быть в той части, где материи гораздо больше, чем антивещества, — таким образом решается проблема асимметрии материи и антивещества.
3. Теория медленного замораживания
Десятилетия математического моделирования и исследований привели космологов к обоснованному выводу, что наша Вселенная возникла из одной точки с бесконечной плотностью и температурой, называемой сингулярностью. Последующее расширение Космоса позволило ему остыть, что привело к образованию галактик, звезд и других астрономических объектов.
Однако, как мы знаем, стандартная модель Большого взрыва не осталась незамеченной, и одна из таких сложных теорий была предложена Кристофом Веттерихом, профессором Гейдельбергского университета в Германии.
Веттерих утверждал, что Вселенная, которую мы знаем сегодня, на самом деле могла начаться как холодная и разреженная, пробудившаяся от долгого замораживания. Со временем фундаментальные частицы в ранней Вселенной стали тяжелее, а гравитационная постоянная уменьшилась.
Кроме того, он объяснил, что если массы частиц увеличиваются, излучение из ранней Вселенной может заставить пространство казаться более горячим и удаляться друг от друга, даже если это не так.
Основная идея космической модели Медленного Замораживания Веттериха состоит в том, что у Вселенной нет ни начала, ни будущего. Вместо горячего Большого взрыва теория защищает холодную и медленно эволюционирующую Вселенную. Согласно Веттериху, теория объясняет флуктуации плотности в ранней Вселенной (первичные флуктуации) и то, почему в нашем нынешнем космосе преобладает темная энергия.
2. Индуистская космология
Религия и наука были лучшими врагами, по крайней мере со времен Коперника и Галилея. Возможно, нет места науке, когда мы говорим о религии и наоборот. Однако есть одна религия, космологические верования которой хорошо согласуются с современной моделью Вселенной.
Теории творения в индуистской мифологии широко рассматриваются как одна из самых древних и значимых из всех других религиозных аналогий. На протяжении многих лет выдающиеся физики и космологи, включая Карла Сагана и Нильса Бора, восхищались индуистскими космологическими верованиями за их близкое сходство с временными линиями в стандартной космологической модели Вселенной.
Согласно индуистской мифологии, Вселенная следует бесконечной циклической модели. Это означает, что на смену нашей нынешней Вселенной придет бесконечное количество вселенных. Каждая повторение Вселенной делится на две фазы — «калпа» (или день Брахмы) и «пралая» (ночь Брахмы), и каждая из них длится 4,32 миллиарда лет. Согласно индуистской мифологии, возраст Вселенной (8,64 миллиарда лет) превышает расчетный возраст Солнечной системы.
1. Стационарная Вселенная
Стационарная модель утверждает, что наблюдаемая Вселенная остается неизменной в любом месте и в любое время. Во Вселенной, которая вечно расширяется, материя непрерывно создается, чтобы заполнить пространство.
Согласно модели, галактики и другие крупные астрономические тела рядом с нами должны казаться похожими на те, что находятся далеко. Однако Большой взрыв говорит нам, что далекие галактики должны выглядеть моложе, чем находящиеся в непосредственной близости (при наблюдении с Земли), поскольку свету требуется гораздо больше времени, чтобы добраться до нас.
Идея стационарного состояния была впервые предложена в 1948 году космологами Германом Бонди, Фредом Хойлом и Томасом Голдом. Она исходила из совершенного космологического принципа, который сам по себе утверждает, что Вселенная, где бы ты ни смотрел, одинакова, и она всегда будет одинаковой.
Теория стационарных состояний получила широкую популярность в начале и середине XX века. Однако к 1960-м годам она была в основном отвергнута научным сообществом в пользу Большого взрыва после открытия космического микроволнового фона.
Источник
Строение Вселенной. Теории. Интересные факты
Вселенная (лат. universum) — весь мир который нас окружает, бесконечный во времени и пространстве и бесконечно различный по формам вечно движущейся материи. В современной астрономии наблюдаемая нами Вселенная называется Метагалактикой. Ее основными объектами являются звезды. Звездные скопления образуют галактики. Название нашей галактики — Млечный путь — содержит сотни миллиардов звезд, а в нашей Вселенной насчитывается сотни миллиардов галактик.
Галактики
Что такое галактика? – Основная структурная единица во Вселенной, галактика содержит — 150 — 200 миллиардов звезд; звездные системы разного вида, которые состоят из звезд, газовых и пылевых туманностей и межзвездного рассеянного вещества.
Есть одиночные галактики, но обычно они предпочитают располагаться группами. Как правило это 50 галактик, которые занимают в диаметре 6 миллионов световых лет. Группа Млечного Пути насчитывает больше 40 галактик.
Скопления – это область с 50-1000 галактиками, которые могут достигать размеров в 2-10 мегапарсек (диаметр). Интересно заметить, что их скорости невероятно большие, а значит, должны преодолевать гравитацию. Однако они все же держатся вместе.
Обсуждения темной материи появляется на этапе рассмотрения именно галактических скоплений.
Порой группы объединяются, тем самым формируя сверхскопление. Это одни из крупнейших вселенских структур. Наибольший представитель – Великая Стена Слоуна, которая растянулась на 500 миллионов световых лет в длину, 200 миллионов световых лет в ширину и 15 миллионов световых лет в толщину.
Черные дыры
Что такое Черные дыры? – Космические объекты, существование которых предсказано теорией тяготения Эйнштейна (общая теория относительности), как результат эволюционных изменений в крупных массивных звездах на последних стадиях их жизни, завершающихся неограниченным гравитационным сжатием (гравитационный коллапс).
По мнению американского физик Никодима Поплавского, они ведут в другие вселенные. Эйнштейн считал, что упавшее в черную дыру вещество сжимается в сингулярность. Согласно уравнениям ученого, с другой стороны черной дыры находится белая дыра — объект, из которого материя и свет только исторгаются. В паре они образуют кротовую нору, и все, что попадает туда с одной стороны и выходя с другой, образует новый мир. В начале 90-х годов XX века, физик Ли Смолин предложил похожую и в чем-то более странную гипотезу: он также верил во вселенные с той стороны черной дыры, но полагал, что они подчиняются закону наподобие естественного отбора: воспроизводятся и мутируют в ходе эволюции.
Поплавский со своей теорией может прояснить некоторые «темные» места в современной физике: к примеру, откуда могла взяться космологическая сингулярность до Большого взрыва и гамма-всплески на краю нашей Вселенной, или почему Вселенная не сферическая, а, как видно, плоская. Даже скептикам не кажется, что теория Поплавского менее правдоподобна, чем догадка Эйнштейна насчет сингулярности.
Размерность Вселенной
Проблема размерности Вселенной интенсивно рассматривается уже больше 100 лет. Ряд явлений и уникальных экспериментов показывает, что видимый физический мир, может быть, является только подпространством Гиперпространства и образует в нем сложное «геометрическое образование». О том, что наша Вселенная – многомерный объект, писалось в «Тайной Доктрине» и Е. Блаватской.
Еще ученые в Древней Греции для описания физических процессов нашего мира, в частности движения небесных тел, использовали понятия взаимовложенных концентрических сфер. На базе их представлений Аристотель создал теорию так называемых гомоцентрических сфер и дал ей «физическое» обоснование. По его теории, небесные тела считаются жестко прикрепленными к комбинации скрепленных между собой жестких сфер с общим центром, при этом движение от каждой внешней сферы передается внутренним. В последствии эта теория не нашла распространения и была отброшена (удивительно, но эта теория полностью совпадает с предложенным процессом!).
Плотность материального вещества в космическом пространстве в окрестностях Солнца составляет 0,88·10-22 кг/м3. Это больше чем в тысячу миллиардов миллиардов раз меньше плотности воды. Что же может удерживать в таком практически пустом пространстве структуры звезд и галактик на четко обозначенных траекториях?
Распределение материи во Вселенной
В 1970-е годы группа советских и американских ученых под началом академика Зельдовича предприняла попытку построить объемную модель распределения материи во Вселенной. Для этой цели в компьютер были введены данные расстояний до многих тысяч галактик. Результат получился ошеломляющим – галактики, объединенные в метагалактики, располагались в пространстве как бы на гранях некой ячеистой структуры с шагом порядка 100 млн. световых лет. Внутри этих ячеек наблюдалась относительная пустота. Говоря по другому, пространственно-временной континуум оказался структурированным! Это сильно ослабило авторитет теории Большого Взрыва и сторонников фридмановской модели Вселенной.
Вероятно, кроме нашей метагалактики существует еще множество метагалактик, совокупность которых образует систему огромных размеров – так называемую терагалактику («террас» означает «чудовище»); множество терагалактик образует систему еще более колоссальных размеров и т. д.
Еще гипотезы
1908 год – ученый Шарлье (Франция) выдвинул гипотезу, по которой Вселенная представляет из себя последовательность систем все больших размеров. Звезды образуют звездные скопления, объединяющиеся в галактики. В свою очередь галактики образуют скопления галактик, составляющих метагалактику. И таким образом размеры этих огромных звездных систем должны нарастать до бесконечности. Это так называемая дискретная самоподобная космологическая парадигма, подчеркивающая иерархическую организацию систем природы от наименьших наблюдаемых элементарных частиц до наибольших видимых кластеров галактик.
Гипотезы Шарлье в то время не имела особой популярности. Это объясняется тем, что одновременно появилась общая теория относительности, которая поразила умы своей необычной идеей о конечной, но неограниченной Вселенной. Но результаты наблюдений пока не дали убедительных доказательств в пользу выводов теории относительности и конечности Вселенной. Гипотеза бесконечной Вселенной кажется в большей степени правдоподобной. В такой ситуации модель Шарлье приобретает особый интерес.
Действительно, предложенный в монографии подход о пространстве, состоящем из взаимовложенных друг в друга сфер, совпадает как с гипотезой Шарлье, так и с дискретной самоподобной космологической парадигмой. Причем, как отмечает профессор Г. Альвен, гипотеза Шарлье объясняет парадокс Ольберса, по которой, если галактики равномерно распределены во Вселенной, то общая интенсивность их излучения будет необычайно велика, чего на самом деле не наблюдается. Кроме этого, гипотеза Шарлье позволяет избежать еще одной неприятности, связанной с тем, что при однородном распределении вещества во Вселенной необычно нарастает сила тяготения, обусловленная удаленными областями пространства.
Потому, по мнению автора монографии, Вселенную необходимо рассматривать, в соответствии с гипотезой Шарлье как последовательность концентрических сфер все больших размеров. К тому же «вопрос о том, что представляет из себя Вселенная без указания размерности пространства, из которого производится наблюдение, лишен смысла».
Недавно этому появилось научное подтверждение.
Новые гипотезы строения Вселенной
Английский физик Роджер Пенроуз из Оксфорда и его коллега Ваган Гурзадян из Ереванского физического института после тщательного изучения т.н. реликтового излучения – микроволнового фона, который остался после Большого взрыва и сохраняющий информацию о зарождении Вселенной и ее развитии, обнаружили во Вселенной странные неоднородности в виде концентрических кругов.
По мнению ученых, Вселенные возникают чередой – одна за другой. И конец предыдущей становится началом последующей.
«В будущем наша Вселенная возвратиться в то состояние, в котором она была в момент Большого взрыва, – говорит Пенроуз, – станет однородной. И из бесконечно большой снова превратится в бесконечно малую». Кстати, аналогичного мнения придерживаются и астрофизики Пол Стейнхардт из Принстона и Нейл Турок из Кембриджа.
В наше время появляется много новых теорий и гипотез о строении Вселенной, в частности, ученые приходят к выводу, что «наша Вселенная существует внутри Вселенной с бОльшим числом измерений пространства».
Все эти примеры убедительно показывают, что эволюция любой системы от микро- до мега размеров осуществляется развертыванием первичноцелостной монады на составляющие ее координаты материи. Указанное развертывание происходит путем последовательного усложнения системы с троичным переходом от более простой системы к более сложной с образованием трех взаимовложенных миров. Причем каждая следующая ось имеет свое пространство, в котором находится предшествующая ось со своим собственным пространством. К примеру, трехмерный объект, движущийся в пространстве оси у, в то же время совершает движение в пространстве собственной оси развития х.
Таким образом, теория связанных пространств лежит в основе строения человека, Земли и Вселенной. При этом выстраивается иерархическая структура всего пространства, состоящего из вложенных друг в друга иерархических сфер системы пространства. Отсюда становится понятной иерархическая система структур Вселенной.
Значит, в Природе существует подобие форм и свойств структур независимо от их пространственного масштаба, а Вселенная определяется как многомерная система в виде иерархии структур.
Имеет ли Вселенная границы
Отсюда также следует ответ на вопрос, есть ли у Вселенной границы. При рассмотрении развития Вселенной согласно предлагаемой теории связанных пространств ответ будет однозначный – у Вселенной, как и всего в нашем мире, есть границы. Только эти границы до такой степени велики, что человек не в состоянии охватить их своим умом. Это совпадает с мнением А. Эйнштейна: по его мнению, Вселенная представляет из себя замкнутую оболочку гиперсферы. Современная наука считает Вселенную многомерной, в которой наша «местная» трехмерная Вселенная является только одним из ее слоев, что также совпадает с теорией связанных пространств.
Эта теория дает возможность также объяснить парадокс, возникший с движением двух космических аппаратов «Пионер-10» и «Пионер-11», которые первые в истории человечества вышли за пределы Солнечной системы. По непонятной причине произошло их торможение, хотя казалось бы, они движутся в безвоздушном пространстве и торможения быть не должно. Исходя из предложенной в монографии гипотезы, выйдя за пределы Солнечной системы космические аппараты оказались в другом пространстве, в котором вектор развития направлен перпендикулярно, потому новое пространство имеет абсолютно другие характеристики по сравнению с предыдущим.
Новая научная парадигма уже возникает на основе тех знаний, которые накоплены человечеством. Многомерное строение Вселенной постепенно становится понятным и объяснимым фактором. Это дает основание утверждать, что найдены общие закономерности в иерархии систем.
Интересные факты о Вселенной
• Самым отдаленные звезды, которые нам видны, выглядят так-же, как выглядели 14 000 000 000 лет назад. Свет от этих звезд доходит до нас сквозь пространства через многие миллиарды лет, причем имеет скорость 300 000 км/сек.
• Таинственные Черные дыры – одни из самых любопытных и малоизученных объектов Вселенной. Они обладают до такой степени громадным притяжением, что выйти за пределы Черный дыры ничто не может, даже свет.
• Во Вселенной имеется гигантский пузырь, в составе которого имеется только газ. Появился он, по вселенским меркам, не так давно, только через два миллиарда лет после Большого Взрыва. Длинной пузырь – 200 миллионов космических лет, а расстояние от Земли до него – 12 миллиардов космических лет.
• Квазары – невероятно яркие объекты (намного ярче Солнца).
• В Солнечной Системе существует тело, похожее на Землю. Это спутник Сатурна, Титан. На его поверхности есть реки, вулканы, моря, а атмосфера имеет высокую плотность. Расстояние от Сатурна до его спутника приблизительно равно расстоянию от Земли до Солнца, соотношение массы тел примерно такое же. Однако разумной жизни на Титане, скорей всего не будет из-за водоемов – состоящих из метана и пропана.
• Невесомость в космосе, плохо влияет на здоровье человека. Одним из самых значительных изменений в организме человека в невесомости являются потеря кальция костями, перемещение жидкостей вверх и ухудшение работы кишечника.
Источник