Как расширялась вселенная (часть 1)
Вместо эпиграфа цитата из википедии – «Большой взрыв следует представлять как расширение самого пространства вместе с содержащейся в нём материей, которая в среднем в каждой данной точке покоится».
ЧАСТЬ 1
Краткое изложение общепринятой современным научным сообществом космологической модели возникновения вселенной.
В начале была сингулярность. И сингулярность была безразмерной точкой, сосредоточившей в себе всю материю и пространство вселенной. Однажды эта сингулярность решила освободиться от пространства и материи, заключённых в ней. Этому событию британский астроном Ф. Хойл придумал громкое название — Большой взрыв. Кстати, Хойл был принципиальным противником нестационарной вселенной. В его интерпретации метафора «Большой взрыв» должна была акцентировать внимание передовой научной общественности на абсолютно ненаучном предположении о некоем единичном акте творения вселенной. Однако, неисповедимы пути господни. Общая теория относительности благодаря работам Фридмана, Леметра, Хаббла, Гамова и ряда других учёных была успешно адаптирована в астрофизику. С тех пор термин Большой взрыв стал абсолютно рабочим, можно сказать ключевым, понятием в космологической модели расширяющейся вселенной.
Сразу после Большого взрыва на интервале от 0 до 10^-41 секунды известные нам законы физики ещё не действовали. Всё пространство было заполнено первичной плазмой – бесконечно плотной и бесконечно горячей материей. Примерно с 10^-41 по 10^-36 секунды произошло катастрофическое расширение пространства вселенной и охлаждение материи (предположительно до одного миллиарда градусов). Благодаря чему смогли проявиться четыре фундаментальные силы природы – гравитация, сильное и слабое взаимодействие и электромагнетизм.
За время от 10^-35 до 10^-32 вселенная расширилась настолько, что фундаментальные силы окончательно разделились и стали способны оказывать своё привычное влияние на материю. Под действием проявившихся фундаментальных сил из первичной кварк-глюоновой плазмы сформировались первые элементарные частицы – протоны, нейтроны и их античастицы (антипротоны и антинейтроны), которые тут же массово аннигилировали. Схожая судьба постигла и электроны с позитронами, они так же взаимно уничтожились сразу после рождения. В результате аннигиляции первичной материи во вселенной появилось колоссальное количество энергии, выделенной в виде электромагнитного излучения. Из-за этого молодая вселенная опять сильно нагрелась. Все описанные выше события уложились примерно в 3 минуты. На этом история нашей вселенной могла бы и закончиться, не оставив после себя ничего кроме яркой вспышки электромагнитного излучения.
Но в силу не понятной пока асимметрии первичной плазмы, проявившейся в преобладании кварков над антикварками, сразу после БВ материя доминировала над антиматерией. Поэтому после аннигиляции частиц и античастиц осталась избыточная материя в виде протонов, нейтронов и электронов, которые наполнили собой новорожденную вселенную. Предполагается, что к этому моменту вселенная остыла до 1 миллиарда градусов, что позволило свободным протонам и нейтронам заняться их любимым делом – нуклеосинтезом. В результате этого появились первые ядра дейтерия (протон + нейтрон) и гелия (протон + нейтрон + протон). Дальнейшие события разворачивались уже не так стремительно. В течение первых сотен тысяч лет, предположительно от 300 000 до 400 000 лет после БВ, электроны под действием электромагнитного притяжения смогли объединиться с нуклонами дейтерия, гелия и свободными протонами. Так образовались атомы первых химических элементов – водорода и гелия. Благодаря чему вселенная стала прозрачна для электромагнитного излучения и процесс её остывания пошёл веселее. В следующие несколько сотен миллионов лет сформированная материя под действием гравитации начала уплотняться и структурироваться в знакомые нам галактики, звёзды и планетарные системы. Начиная с момента Большого взрыва и до настоящего времени, вселенная расширяется. Расширение вселенной описывается законом Хаббла (астронома, а не телескопа), который связывает расстояния между галактиками со скоростью их разбегания неким коэффициентом, называемым постоянной Хаббла. Постоянная Хаббла составляет примерно 70 км/с на 1 мегапарсек. Она (постоянная Хаббла) всё время уточняется в ходе новых астрономических измерений, но сам факт расширения вселенной не вызывает никаких сомнений. Он подтверждён многочисленными и методологически отличными друг от друга измерениями. При этом законы термодинамики позволяют связывать расширение вселенной с её температурой в рамках одного адиабатического процесса. Т.е. расширение и остывание вселенной это взаимосвязанные процессы.
Дальнейшая судьба нашей вселенной в рамках нестационарной модели может развиваться по двум противоположным сценариям.
Нас ждёт Большой разрыв , если расширение вселенной будет продолжаться вечно. В этом случае, галактики, звёзды, планеты и в конечном итоге, даже атомы распадутся. Материя как физический объект прекратит своё существование, а известные нам физические законы перестанут работать. В противном случае, если расширение прекратится, наша вселенная начнёт сжиматься и рано или поздно опять коллапсирует в сингулярность. Для такого развития событий придумано зеркальное название — Большое сжатие . Оба сценария фатальны для нашей вселенной, но второй представляется более оптимистичным. Так как он допускает, что сингулярность, хотя бы гипотетически, может когда-нибудь совершить новый акт самопожертвования в виде Большого взрыва и всё описанное выше повторится.
PS Сможет ли наша вселенная избежать такой печальной участи станет ясно из продолжения, которое будет опубликовано во второй и третьей частях статьи.
Во второй части общепризнанная космологическая модель расширяющейся вселенной подвергается критике.
Третья часть посвящена описанию новой космологической модели вселенной.
Источник
В первые микросекунды после Большого взрыва Вселенная была жидкой
Около 14 млрд лет назад наша Вселенная стала расширяться, создавая попутно частицы, атомы, звезды, галактики и жизнь в том виде, в котором мы ее знаем. Группа физиков из Дании при помощи Большого адронного коллайдера узнала чуть больше о том, как все начиналось и что происходило с особым видом плазмы — первой материей во Вселенной — во время первой микросекунды Большого взрыва.
«Сначала плазма, состоящая из кварков и глюонов, выделилась благодаря расширению Вселенной. Затем части кварка преобразовались в так называемые адроны. Адрон с тремя кварками образовал протон, часть атомного ядра. Эти ядра — строительные блоки, формирующие Землю, нас самих и Вселенную, которая нас окружает», — рассказал Ю Чжоу, профессор Университета Копенгагена.
Кварк-глюонная плазма (КГП) присутствовала во Вселенной в первую 0,000001 секунды Большого взрыва, а потом исчезла в результате расширения пространства. Однако при помощи Большого адронного коллайдера ученые смогли восстановить самую первую материю во Вселенной и проследить, что же с ней произошло, пишет Phys.org.
Вдобавок к коллайдеру ученые разработали алгоритм, способный анализировать коллективное расширение большего количества частиц одновременно, чем было возможно когда-либо прежде. Их результаты показали, что КГП была раньше жидкой и отличалась от другой материи постоянным изменением формы.
Долгое время исследователи считали, что плазма была формой газа, но анализ ученых показал, что КГП обладала гладкой, мягкой текстурой, как вода. Со временем плазма изменила форму, что не похоже на любую другую форму материи, известную науке.
Не все ученые придерживаются широко известной теории Большого взрыва. Так, публицист и сторонник плазменной космологии Эрик Лернер придерживается альтернативной теории зарождения Вселенной, которую он называет Галактическим происхождением легких элементов. На конференции астрономов США в 2020 он прочитал доклад на эту тему.
Источник
Что будет, если Вселенная начнет сжиматься?
Общепринятой теорией начала Вселенной является Большой взрыв. Это событие считается точкой отсчета. Большой взрыв повлек за собой зарождение Вселенной и стал началом ее расширения, которое продолжается до сих пор. Но также существует теория Большого сжатия, по которой Вселенная в определенный момент начнет сжиматься. К чему это приведет, что будет происходить при сжатии и при каких условиях возможен такой сценарий?
Условия при которых Вселенная может начать сжиматься
Расширение или сжатие вселенной зависит от силы гравитации между галактиками и от плотности материи. Если плотность будет ниже критической, то Вселенная продолжит расширяться. Но, если плотность будет выше критической, то силы гравитации остановят расширение Вселенной и она начнет сжиматься.
В каком состоянии Вселенная находится сейчас?
Понять в каком состоянии сейчас находится Вселенная нам помогает постоянная Хаббла. С ее помощью мы знаем с какой скоростью от нас удаляются галактики. На данный момент известно, что галактики на расстоянии 10 мегапарсек (3.26*10^7 световых лет) от Земли отдаляется от нас со скоростью 700 км/сек. А вот галактика в 100 мегапарсек (3.26*10^8 световых лет) становятся дальше от земли со скоростью 7,000 км/сек. Из этого мы делаем вывод, что чем дальше от нас объект, тем быстрее он отдаляется.
13.8 миллиардов лет назад Большой взрыв запустил расширение Вселенной, которое продолжается до сих пор. По логике вещей со временем ускорение должно замедляться. Но исследования показали обратные результаты. Вселенная продолжает ускоряться и делает это все быстрее и быстрее. Узнать точную причину, почему так происходит пока не удалось.
Что будет происходить при сжатии ?
Сжатие приведет к разрушению всего во Вселенной. Между собой начнут сталкиваться галактики, звезды, планеты и частицы. При этом Вселенная будет становится все горячее, температура поднимется до точки на которой будет происходить распад атомов. Начнут образовываться черные дыры, сначала небольших размеров, после они будут соединяться друг с другом. В итоге этот процесс приведет к появлению одной большой черной дыры, а она в свою очередь сожмется в сингулярность — первоначальное состояние Вселенной.
При таком раскладе существует теория, что Вселенная является цикличной. То есть после Большого сжатия вполне возможно снова последует Большой взрыв или другими словами Большой отскок. Но пока исследования в этой области малы и подобный сценарий допустим только на уровне гипотезы. В частности более подробно будет известно о Большом сжатии после исследования темной энергии, о которой мы пока знаем не много, но которая как раз и ответственна за расширение Вселенной.
Но даже если Вселенная не начнет сжиматься, а продолжит расширение это не приведет ни к чему хорошему. В сценарии постоянного расширения в далеком будущем Вселенная станет пустой, холодной, однородной и изотропной на всех масштабах.
Делитесь этой статьей в своих социальных сетях, а также не забывайте поставить палец вверх, подписаться на наш канал и оставить комментарий, если вам понравилась данная публикация!
Источник
Почему Вселенная расширяется?
В момент Большого Взрыва Вселенная находилась в бесконечно малой точке. После Взрыва она начала постоянно расширяться, и делает это до сих пор. Почему?
Ну, тут действует принцип от обратного, или простейший логический довод: если бы она не расширялась, то вся Вселенная так бы и осталась в одной точке. Но это не так — значит, Вселенная расширяется.
Можно дать и более аргументированный ответ: расширение Вселенной происходит из-за тёмной энергии — загадочного вещества, о котором мы пока что мало что знаем. Чем больше тёмной энергии скапливается в одном месте — тем быстрее происходит расширение в этом месте.
Куда вообще расширяется Вселенная?
Это, скорее, риторический вопрос. Легко представить расширение Вселенной через модель пирожка с изюмом — сами изюминки отдаляются друг от друга, пока пирожок печётся в духовке
Каких-то чётких границ у Вселенной нет — есть лишь ткань пространства-времени, а за её пределами ничего нет — ни атомов, ни энергии, даже нет времени. Как дать определение тому, чего не существует? Мы не сможем даже выйти за пределы Вселенной — там отсутствуют даже физические законы.
Расширение Вселенной — это «растягивание» пространственно-временной ткани, поэтому все галактики удаляются друг от друга.
Ускоряется ли её расширение или замедляется?
Ответ тут дать уже сложнее. Существует так называемый закон Хаббла, описывающий расширение Вселенной. В нём присутствует некий коэффициент, позволяющий связать расстояние до объекта с его удалением от Земли — постоянная Хаббла. Так вот, во всех точках пространства эта постоянная одинакова, но с течением времени она изменяется — и каждую секунду она становится всё меньше и меньше.
И это логично — в первые секунды Большого Взрыва Вселенная расширялась в десятки тысяч раз быстрее, чем сейчас — это мы можем узнать из реликтового излучения, оставшегося в эти первые секунды.
Из-за того, что объекты всё больше отдаляются друг от друга, расширение Вселенной замедляется. Но оно не будет замедляться вечно, Вселенная никогда не остановится увеличиваться в размерах. Одна из самых распространённых теорий по этому поводу — модель Леметра, согласно которой Вселенная сначала замедлит своё расширение, а потом ускорит:
Могут ли объекты отдаляться друг от друга быстрее скорости света?
Если одна галактика будет двигаться со скоростью света от нашей, Млечного Пути, которая тоже движется с той же скоростью, то будет ли она двигаться вдвое быстрее скорости света?
Формально да, и теория относительности не будет нарушена, ведь о перемещении в пространстве речи не идёт. Само пространство расширяется! Это можно сравнить с варп-двигателем — гипотетической моделью двигателя, который спереди сужает пространство, а сзади расширяет, таким образом путешествуя быстрее света.
Получается, мы никогда не увидим другой галактики, если скорость расширения превысит скорость света.
Сфера Хаббла
Сфера Хаббла — это так называемая область вокруг нас, которую мы в состоянии наблюдать. Дальше неё объекты удаляются от нас быстрее скорости света — и мы никогда их не увидим
🙁
И хотя с расширением Вселенной эта сфера также растёт, объекты начинают удаляться от неё всё дальше и дальше. Когда-нибудь свет от других галактик перестанет приходить к нам, и будущие разумные формы жизни будут принимать за всю Вселенную лишь наш Млечный Путь. Грустно всё это.
Понравилась статья? ставьте палец вверх и подписывайтесь на мой канал — там ещё множество научных тем: космос, химия, физика, технологии,изобретения и многое другое!
Источник
Модель Циклической Вселенной бросает вызов Большому взрыву
Теория Большого взрыва является на данный момент общепринятой космологической моделью, описывающей рождение Вселенной. Она гласит о том, что около 13,7 млрд лет назад Вселенная находилась в сингулярном состоянии, а затем по неведомым причинам что-то пошло не так, и произошёл тот самый взрыв – Вселенная начала расширяться, и это расширение продолжается и по сей день, и, в связи со своим расширением, она постепенно остывает. Сингулярность – экстремальное состояние физического вакуума, порождённого квантовой флуктуацией. В этот момент в точке сингулярности не было ничего – ни времени, ни пространства, а все фундаментальные физические взаимодействия были слиты воедино, да и известные нам законы физики не работали. После Большого взрыва фундаментальные взаимодействия разделились и стали самостоятельными – сначала – гравитация, затем сильное взаимодействие, потом слабое и уже после — электромагнитное. Когда сила тяготения обрела независимость, началось течение времени. Но сейчас не об этом. Теория Большого взрыва многое объясняет и не противоречит экспериментальным данным, хотя и является неидеальной. Всё же с этой гипотезой не все согласны, и многие учёные склоняются к другой версии – модели Циклической Вселенной.
Теорию Циклической Вселенной разработали физики-теоретики из Принстонского университета Пол Стейнхардт и Нил Тьюрок в 2001 году. Строится эта теория, в свою очередь, на М-Теории – самой «продвинутой» версии теории струн. Она утверждает, что физический мир имеет 11 измерений. Напомню, что мы знаем только 4 – три пространственных (длина, ширина, высота) и ещё одно – время. В М-Теории описывается, что в пространстве есть 10 пространственных измерений, и одно временное. Сразу же возникает вопрос: это как?
Начнём с самого начала. Нулевое измерение — это точка, у которой нет размеров. Двигаться некуда, никаких координат для обозначения местонахождения в таком измерении не нужно.
Теперь поставим рядом с первой точкой вторую и проведём через них линию. Получилось первое измерение. У одномерного объекта есть только один размер — длина. Движение в рамках одномерного пространства очень ограничено, ведь возникшее на пути препятствие не обойдёшь. Двигаться можно только «туда-сюда». Чтобы определить местонахождение на этом отрезке, понадобится всего лишь одна координата.
Следующий наш шаг — поставить рядом с только что нарисованным отрезком точку. Чтобы уместить оба эти объекта, нам потребуется уже двумерное пространство, обладающее длиной и шириной – скажем, лист бумаги, то есть, площадью, однако без глубины, то есть, без объёма. Расположение любой точки на этом поле определяется двумя координатами.
Третье измерение возникает, когда мы добавляем к этой системе третью ось координат. Нам, жителям трёхмерной Вселенной, очень легко это представить.
Живём мы в четырёхмерном измерении. По крайней мере, мы к этому привыкли, ведь, договариваясь о встрече с другом, вы укажете и место встречи, и время.
Современные теории гласят, что гравитация искривляет пространство-время. Искривляет, но куда и во что? Точно ни в одно из знакомых нам измерений. До какой степени искривляют пространство-время чёрные дыры? Есть ли предел? А что, если все эти и другие загадки современной науки объясняются тем, что геометрия пространства совсем не такая, какой мы привыкли её воспринимать?
В нашем пространстве в привычном для нас понимании находятся другие пространства – браны. Наша Вселенная – одна из таких бран, в которой есть три пространственных измерения. Её заполняет множество частиц – электроны, кварки, фотоны, которые на самом деле выглядят не как «шарики», а как разомкнутые вибрирующие струны только лишь с одним пространственным измерением – длиной. Концы каждой струны закреплены внутри трёхмерной браны так, что покинуть её струна не может (подобно струнам, натянутым на гриф гитары). Помимо таких «пленных» струн есть и замкнутые струны, похожие на кольца. Они ни к чему не прикрепляются, они свободные и могут путешествовать за пределы бран – к ним относятся гравитоны – кванты поля тяготения, переносчики гравитационного взаимодействия.
Если вы поняли вышеописанное, то теперь можно попробовать разобраться в том, как Циклическая модель Вселенной объясняет её прошлое и будущее. Учёные считают, что во Вселенной существует некая невидимая тёмная энергия, которая заставляет нашу Вселенную расширяться, и ещё эта сила расталкивает друг от друга всю материю, например, галактики «разбегаются», с каждым годом всё дальше и дальше разлетаясь в разные стороны. Размер самой Вселенной из-за влияния тёмной энергии всё время увеличивается. Плотность материи постоянно падает, гравитационное искривление пространства ослабевает, а его геометрия становится всё более плоской. Когда тёмная энергия станет полностью доминантной и «растолкает» всё настолько, что победит гравитацию, материя больше не сможет объединяться, звёзды и галактики перестанут формироваться, и весь мир погрузится во тьму. Но произойдёт это ещё не скоро – не раньше, чем через 30 млрд лет, по подсчётам учёных, поэтому мы пока можем жить и радоваться!
В концепции Циклической модели Вселенной на основе теории бран предполагается, что параллельно нашей трёхмерной бране может существовать другая трёхмерная брана, и между ними действует сила гравитационного притяжения. Энергия гравитационного взаимодействия между бранами порождает явление тёмной энергии в каждой из бран, заставляя их бесконечно расширяться. Гравитационное притяжение заставляет браны притягиваться друг к другу, в результате чего они сталкиваются и отскакивают друг от друга. Однако сила притяжения замедляет скорость их удаления и заставляет их снова приближаться друг к другу и сталкиваться, что приводит к бесконечным повторениям цикла притяжений, столкновений и отскоков. Каждое столкновение приводит к порождению в каждой бране сверхплотной и горячей материи — именно в таком состоянии, в каком она была в момент Большого Взрыва. В ходе дальнейшего расширения браны эта материя остывает и проходит через весь этап известной нам космологической эволюции с образованием галактик, звёзд, планет и, возможно, жизни. И весь этот цикл повторяется снова и снова, и так, возможно, до бесконечности.
Повторение циклов происходит не за счёт смены расширения и сжатия пространства самой браны (Вселенной), а за счёт расширения и сжатия пространства между бранами в дополнительном измерении. Само же пространство браны всегда только расширяется. При этом, хотя полная энтропия внутри каждой браны всё время возрастает, вследствие бесконечного расширения бран её плотность уменьшается и к началу каждого следующего цикла достигает почти нулевого значения, то есть происходит полный возврат к начальному состоянию. Это обеспечивает механизм «сброса» энтропии в каждом цикле. Такая модель не противоречит теории Мультивселенной, в которой разные вселенные разнесены во времени. Здесь же работает и закон сохранения энергии. До нашей Вселенной, до начала того самого состояния, когда всё началось с нуля, или, как мы говорим, от Большого взрыва, тоже существовала Вселенная.
Теория Циклической Вселенной интересна и необычна, и самый главный вопрос: если она действительно верна, то с чего же вообще начались все эти бесконечные циклы.
Источник