Возраст Вселенной
Для того, чтобы пройти этот путь, Вселенной понадобилось немало времени. Смотреть в полном размере.
Возраст Вселенной по современным оценкам составляет 13,7 ± 0,2 млрд лет. Этим понятием называют временной отрезок от момента начала расширения Вселенной и до сегодняшнего дня. Определить данное значение можно большим множеством способов, которые мы рассмотрим далее.
Первые предположения
Представляя Землю центром мира, ученые древности заранее ставили себя в тупик
Вопросом о возрасте мироздания философы задавались еще в античность. Греки и вавилоняне утверждали о вечности мира, индуисты же в 150-м году до н.э. определили точную цифру — 1 млрд. 972 млн. 949 тыс. 091 год, и среди своих современников оказались ближе всех к истине. В XVII веке английский теолог Джон Лайтфут глубоко проанализировав библейские тексты, заявил, что сотворение мира выпало на 3929 год до н.э.
Однако, известные ученые того времени, а именно немецкий астроном Иоганн Кеплер и английский физик Исаак Ньютон, опираясь не только на Библию, но и на астрономические наблюдения, все же недалеко ушли от теологов и представили 3993 и 3988 годы до н.э.
Определение возраста Земли
Принцип радиоизотопного датирования по углероду. Так определяют возраст ископаемых останков живых существ на Земле.
С середины XVIII века люди начали направленно изучать возраст Земли. Согласно известным физическим моделям ученый из Франции Жорж-Луи Леклерк де Бюффон оценил время, которое потребовалось бы для понижения температуры Земли с момента ее образования до той, которую имеет она сегодня (от 75 до 168 тыс. лет). Как утверждает физическая модель Земли, изначально она представлялась раскаленным шаром. В 1895-м году инженер из Ирландии — Джон Перри пересчитал эту цифру и получил 2–3 млрд лет. В 1896-м году Антуан Беккерель открыл радиоактивность, а спустя 9 лет британский физик Эрнест Резерфорд предложил метод оценки возраста земных пород при помощи радиоактивного распада.
Идея заключалась в том, чтобы определить, какая часть радиоактивного изотопа успела распасться, используя известные периоды полураспада, вычислить возраст образца. Основы радиоизотопного датирования разработал американский радиохимик Бертрам Болтвуд. При помощи данного метода в 1920-х годах было выявлено, что возраст некоторых минералов около 2-х миллиардов лет! Очевидно, возраст Земли не может превышать возраст самого мироздания, поэтому это открытие подвигло ученых найти действенный метод подсчета возраста Вселенной.
Сегодня считается, что с момента зарождения Земли как планеты прошло 4,54 ± 0,05 млрд лет.
Тепло белых карликов
Как нам известно, белые карлики, конечный этап жизни большинства звезд, очень долго остывают. Определив основные характеристики такой звезды, можно рассчитать ее изначальную температуру, а также скорость, с которой она остывает. На основе этих данных уже относительно просто высчитывается возраст рассматриваемого белого карлика. Совершивший множество значительных открытий, телескоп «Хаббл» в 2002-м и 2007-м годах обнаружил самых холодных белых карликов. Возраст этих светил оказался 11,5-12 млрд лет. Если прибавить к этим значениям от полумиллиарда до миллиарда лет (возраст звезд, образовавших этих белых карликов), то получится минимальное значение возраста Вселенной.
Белый карлик в представлении художника
Максимальный возможный возраст определяется отсутствием менее разогретых белых карликов и составляет 15 млрд лет. Так как если бы мироздание было старше, то ученым удалось бы обнаружить хотя бы несколько настолько древних объектов.
Старые звездные скопления
Млечный Путь насчитывает более 160-ти так называемых шарообразных звездных скоплений, число звезд в которых может колебаться от тысяч до миллионов. При этом все эти светила, связаны гравитационной силой, и вероятнее всего образовались из одного газового облака. Отсюда следует, что большая часть звезд таких скоплений зародилась практически в одно время. В силу своего строения и размеров каждая звезда пошла своим эволюционным путем, а некоторые уже находятся на стадии того же белого карлика. Высчитывая возраст каждой астрономической единицы рассматриваемого скопления, можно с большой точностью определить возраст самого шарообразного скопления.
При помощи того же телескопа «Хаббл» астрономы смогли проанализировать возраст 41 шарообразного звездного скопления Млечного Пути. В результате было выявлено, что все скопления нашей галактики не младше 10 млрд лет, а наиболее старое (M4) имеет возраст 12,7 ± 0,7 миллиардов лет. Поэтому, учитывая некоторое время до формирования звезд, нижней границей возраста Вселенной стало число 13 млрд лет.
Старейшее звездное скопление Млечного пути — Мессье 4 (M4)
Хаббловское время
Но вопросом о возрасте мироздания занимался не только телескоп, названый в честь ученого, но и сам ученый, американский астроном Эдвин Хаббл. Ему удалось вывести свою известную формулу v = H*D, где v – скорость расширения Вселенной, D – расстояние от наблюдаемой галактики до наблюдателя, а H – постоянная Хаббла, которая обратно пропорциональна времени. О существовании постоянной Хаббла, как величины, определяющей зависимость между расстоянием до объекта и скоростью его удаления, впервые предположил священник астроном из Бельгии — Жорж Леметр. Согласно его идее, мир произошел из одного, условно говоря, атома, а после — стал расширяться. Позже, эта теория шутливо была названа «Большим Взрывом», но в дальнейшем этот термин прочно закрепился в космологии.
Э.П. Хаббл со снимком галактики Андромеда в руках
Спустя некоторое время, в 1929 году Э. Хаббл получил более точное значение упомянутой постоянной. Очевидно, что возраст мироздания напрямую зависит от постоянной Хаббла. Изначально, используя имеющуюся модель Вселенной, ученые рассчитали, что величину, обратно пропорциональную постоянной Хаббла нужно умножить на 2/3. Однако в таком случае искомая величина составляет около 1,2 млрд лет, число, близкое к тому, что предложили индуисты еще в 150-м году до н.э. Впрочем, к концу XX-го века уже были получены астрономические данные, которые говорили о возрасте 13-15 млрд лет.
Как выяснилось, причиной неправильной оценки стали неверные представления о расширении Вселенной. Только в 1999-м году две группы астрономов смогли доказать, что последние 5-6 млрд лет расширение космического пространства ускоряется, а не замедляется, как считалось ранее. По современным подсчетам этим методом ученые вывели значение 13,798 ± 0,037 лет.
Микроволновое излучение
Карта распределения реликтового излучения. Смотреть в полном размере.
30 июня 2001 года NASA запустила в космос аппарат под названием Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WNAP), задача которого изучать реликтовое излучение. При помощи результатов его наблюдений была построена новая карта (с разрешением в 35 раз больше, нежели предыдущая) распределения реликтового, микроволнового излучения. Анализируя эту карту, помимо насыщенной полосы в центре, излучаемой Млечным Путем, можно заметить распределение реликтового излучения за его пределами. Явно видимые неоднородности формируют пятнистую структуру, причем неравномерную. Подробное изучение этой структуры дает возможность точно оценить время, которое понадобилось для ее образования, вследствие Большого Взрыва. Оно составляет 13,7 ± 0,2 млрд лет.
При помощи описанных выше методов, ученые смогли достаточно точно определить возраст Вселенной, что несет первостепенное значение для космологии, а также для понимая нашего мироздания в целом.
‘ alt=»yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7 — Возраст Вселенной» title=»Возраст Вселенной»>
Похожие статьи
Понравилась запись? Расскажи о ней друзьям!
Источник
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