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
Самые удивительные и интересные теории о Вселенной
До сих пор Вселенная является огромным и очень загадочным местом. На протяжении многих веков люди смотрели в космос и пытались объяснить, почему мы здесь и откуда мы пришли. Хотя чтобы получить ответы на любой из этих вопросов, может потребоваться еще не одно столетие. А пока ученые предлагают нам свои теории.
Следует также отметить, что это всего лишь теории. Поэтому, естественно, они могут не совпадать друг с другом и даже противоречить.
Самые интересные теории о Вселенной:
Почему так трудно обнаружить тёмную материю?
В этом пункте мы поговорим о чем-то, что называется темной материей. Вселенная на 22% состоит из Тёмной материи, на 74% из Тёмной энергии. На остальную материю, в которую входят звёзды, планеты, межзвездный газ приходится лишь около 4% Вселенной. Тёмная материя невидима, потому что не взаимодействует со светом, но оказывает влияние на гравитацию, то есть она влияет на движения галактик и галактических кластеров.
Благодаря тому, что тёмная материя обладает лишь гравитационным эффектом, она может практически незаметно проходить через «обычную» материю. По всем этим причинам темная материя еще не обнаружена, но физики уверены, что она существует. И у TopCafe.su в этом нет никакого сомнения.
На фото: Детальная картина Вселенной раннего возраста, а именно космическое фоновое излучение (Реликтовое излучение). На снимке обнаружены колебания температуры, что соответствует местам зарождения галактик.
Вопрос в том, почему так трудно обнаружить темную материю в экспериментах, которые проводятся на Земле? Один из возможных ответов исходит от физики элементарных частиц.
В ходе эксперимента было обнаружено, что темная материя может взаимодействовать с обычной материей, если они обе находятся в условиях, близких к началу создания Вселенной, а именно, в чрезвычайно высокотемпературной плазме. Если их моделирование истинно, это означает, что темную материю можно было наблюдать в первые дни Вселенной.
На фото: Большой адронный коллайдер
Была надежда на то, что создав эти условия в Большом адронном коллайдере, можно будет обнаружить темную материю. Но этого не случилось. Некоторые учёные считают, что нужен более чувствительный детектор, а некоторые утверждают — не стоит искать то, чего нет.
Тёмная материя убила динозавров
Наиболее вероятным виновником гибели динозавров считается астероид или вулканическая активность сибирских вулканов. Однако, не прекращаются обсуждения мел-палеогенового вымирания 66 миллионов лет назад. Несмотря на это, физик Лиза Рэндалл считает, что виной тому была темная материя.
Основа теории возвращает нас к 1980-м годам, когда палеонтологи Дэвид Рауп и Джек Сепкоски обнаружили доказательства того, что каждые 26 миллионов лет после Массового пермского вымирания (которое произошло около 252 миллионов лет назад и 96 процентов жизни было уничтожено), также случались вымирания животных.
После дальнейших исследований, возвращаясь на полтора миллиарда лет назад, похоже, что примерно каждые 30 миллионов лет на Землю обрушивались катаклизмы, которым планета отдавала или уделяла несколько миллионов лет. Чего только стоят мощнейшие извержения вулканов, о которых мы недавно писали.
Тем не менее ученые никогда не были уверены, почему катаклизмы происходили по такому расписанию. Теория Рэндалла заключается в том, что речь идет о темной материи. Считается, что темная материя разбросана по всей Вселенной и используется в качестве лесов, на которых построены галактики, в том числе наш дом — Млечный Путь. По мере того как наша Солнечная система вращается вокруг Млечного Пути, она «плавает», а временами она качается как пробка в воде. И это происходит примерно каждые 30 миллионов лет.
В таких ситуациях наша Солнечная система может столкнуться с диском темной материи. Диск должен был быть на одну десятую толщины видимого диска звезд Млечного Пути и иметь плотность по меньшей мере одной солнечной массы за квадратный световой год.
Обычная материя и темная материя могут проходить друг через друга, но темная материя может влиять на обычную материю через гравитацию. В результате, когда некоторая материя, плывущая в пространстве, вступает в контакт с темной материей, оно может направить некоторые объекты во Вселенной, которые в конечном счете столкнутся с Землей.
Если теория Рэндалла верна, то темная материя может быть ответственной за основные части формирования Вселенной.
Жизнь распространяется во Вселенной как эпидемия
Когда речь идет о Вселенной, всегда возникает один вопрос: есть ли разумная жизнь, отличная от нашей? Или мы просто одни здесь во Вселенной? Ученые тоже задаются этими вопросами, и в настоящее время они изучают, как появилась жизнь, в том числе и наша.
Согласно исследованию Гарвардско-Смитсоновского центра астрофизики, наиболее логичным ответом является то, что жизнь распространяется от звезды к звезде, как эпидемия. Понятие о том, что жизнь распространяется от планеты к планете и от звезды к звезде, называется панспермией. Конечно, если вы видели Прометея, эта концепция является основной сюжета.
Если жизнь перешла от звезды к звезде, это означает, что Млечный Путь может быть наполнен жизнью. Если их теория верна, то возможно, что на других планетах в Млечном Пути также может быть жизнь.
Еще одна интересная вещь, которую они нашли в своих расчетах, заключается в том, что жизнь может распространяться микроскопическими организмами, которые прибыли на астероиде. Или ее могли распространить умные существа или существо.
Кроме того, в последнее время ученые сходятся во мнении, что жизнь на других планетах должна развиваться по тем же принципам, что и на Земле. Это говорит о том, что инопланетяне могут быть очень похожими на жителей нашей планеты.
Почему Вселенная создана из материи?
Материя — это все, что занимает пространство, и имеет вес. Противоположность материи называется антиматерией. Когда материя и антиматерия соприкасаются, они уничтожают друг друга (аннигилируют) с выделением огромного количества энергии, что и произошло в начале создания Вселенной и способствовало ее расширению.
Вначале должно было быть равное количество материи и антиматерии. Однако, если бы было равное количество материи и антиматерии, они бы уничтожили друг друга, и Вселенная перестала существовать. Это заставило физиков поверить, что было немного больше материи, чем антиматерии. Для распространения материи по Вселенной было бы достаточно небольшой частицы материи на каждые 10 миллиардов частиц антиматерии.
Проблема заключалась в том, что, хотя физики знали, что было больше материи, они не знали почему. Это было до 2008 года, тогда исследователи из Чикагского университета наблюдали субатомные частицы, у которых была очень короткая жизнь, называемыми B-мезонами.
Исследователи, получившие Нобелевскую премию по физике за это открытие, обнаружили, что B-мезоны и анти-B-мезоны распадаются иначе друг от друга. Это означает, что возможно, что после уничтожения в начале Вселенной B-мезоны и анти-B-мезоны разлагаются по-разному, оставляя достаточное количество материи для создания всех звезд, планет и даже вас и всего, что вы касаетесь, включая воздух которым вы дышите.
Беспорядок сделал жизнь возможной
Энтропия играет огромную роль во Вселенной. Высокая энтропия означает беспорядок и хаос в системе. Низкая энтропия говорит нам о большей организации, упорядоченности.
Пример для визуализации этого — Лего. Дом Лего имел бы низкую энтропию, а коробка случайных, несвязанных предметов имела бы высокую энтропию.
Интересно, что энтропия может быть причиной того, что жизнь существует. И даже говоря о таких высоко организованных вещах, как головной мозг, это утверждение, хоть и кажется неверным, имеет место быть.
Тем не менее согласно теории помощника профессора Массачусетского технологического института Джереми Ингленд, высшая энтропия может быть ответственна за жизнь во Вселенной.
Ингленд говорит, что в идеальных условиях случайная группа молекул может самоорганизоваться, чтобы эффективно рассеивать больше энергии в неоднородной среде, которой является наша Вселенная.
Однако теория Ингленда должна пройти много испытаний. Если он прав, тогда как предполагают эксперты, что его имя будут помнить так же, как мы помним Чарльза Дарвина.
Вселенная не имеет начала
Преобладающая теория начала нашей Вселенной состоит в том, что более 13,8 миллиарда лет назад, с точки зрения сингулярности, Большой взрыв породил Вселенную и с тех пор она расширяется.
«Большой взрыв» впервые был теоретизирован в 1927 году, и модель основана на теории общей теории относительности Альберта Эйнштейна. Проблема в том, что в теории Эйнштейна есть некоторые пробелы. В основном, что законы физики ломаются до достижения сингулярности.
Другая большая проблема заключается в том, что другая доминирующая теория в физике, квантовая механика, не согласуется с общей теорией относительности. Кроме того, ни теория относительности, ни квантовая механика не учитывают темную материю. Это означает, что хотя Большой взрыв является одной из лучших теорий о том, как появилась Вселенная, но теория может быть неверной. Но topCafe.su нашел интересную альтернативу Большому взрыву!
Альтернативная теория состоит в том, что Вселенная никогда не была в точке сингулярности, и не было большого взрыва. Вместо этого Вселенная бесконечна и не имеет начала или конца. Исследователи пришли к этой теории, применив квантовые поправки к теории общей теории относительности Эйнштейна, используя более старую модель интерпретации квантовой механики, называемой Бохманской механикой.
Их метод проверки теории также поможет объяснить темную материю. Если их теория правильна, что Вселенная бесконечна, это будет означать, что Вселенная имеет карманы сверхтекучей жидкости, заполненные теоретическими частицами, такими как гравитоны и аксиомы. Если сверхтекучесть соответствует распределению темной материи, то возможно, что Вселенная бесконечна.
Источник