X Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум — 2018
СОВРЕМЕННЫЕ КОСМОЛОГИЧЕСКИЕ КОНЦЕПЦИИ
Одна из удивительнейших и интереснейших загадок современного естествознания – это происхождение и эволюция Вселенной. Процессы, происходящие в ближайшем и отдаленном космосе, оказывают прямое воздействие на эволюцию всего живого на Земле. Термоядерный синтез элементов, происходящий на Солнце и в далеких звёздах, даёт в руки человечеству надежду овладеть им в целях не только выживания в будущем, но и познания Вселенной. Однако для того, чтобы оценить степень воздействия Вселенной на всё живое на Земле, надо иметь представление о процессах, которые происходят в глубинах самой Вселенной…
Вселенная обычно определяется как Природа, Космос, действительный окружающий Мир, Мироздание, а также совокупность всего, что физически существует. Это совокупность пространства и времени, всех форм материи, физических законов и констант, которые управляют состояниями, движениями материи, пространством-временем.
Астрономически наблюдаемая Вселенная – Метагалактика. По данным НАСА, полученным с помощью WMAP, возраст Вселенной от момента Большого взрыва был оценён в 13,77±0,059 млрд лет (данные 2009 года) [WMAP (англ. Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) – космический аппарат НАСА, предназначенный для изучения реликтового излучения, образовавшегося в результате Большого взрыва. Запущен 30 июня 2001 года].
Однако есть и ещё одна точка зрения, которая связана с тем, что Вселенная никогда не возникала, а существовала вечно, изменяясь лишь в своих формах и проявлениях движений и состояний в ней. Представления о форме и размерах Вселенной в современной науке также являются дискуссионными. Предполагается, что протяжённость вселенной составляет не менее 93 млрд световых лет, при наблюдаемой части всего в 12,7 млрд световых лет. Это означает, что наблюдаемая нами Вселенная (Метагалактика) лишь часть Супермира, включающего множество вселенных.
Дальнейшее усложнение вещества во Вселенной
Хотя появление крупномасштабных структур во Вселенной привело к образованию множества разновидностей галактик и звезд, среди которых есть совершенно уникальные объекты, все же с точки зрения дальнейшей эволюции Вселенной особое значение имело появление звезд – красных гигантов. Именно в этих звёздах в ходе процессов звездного нуклеосинтеза появилось большинство элементов таблицы Менделеева. Это открыло возможность для новых усложнений вещества. В первую очередь, появилась возможность образования планет и появления на некоторых из них жизни и, возможно, разума. Поэтому образование планет стало следующим этапом в эволюции Вселенной.
Крупномасштабная Вселенная представляет собой расширяющееся пространство, заполненное губкообразной клочковатой структурой. Стенки этой губчатой структуры представляют собой скопления миллиардов галактик. Расстояния между ними составляют около миллиона световых лет.
Каждая галактика состоит из сотен миллиардов звёзд, которые обращаются вокруг центрального ядра. Размеры галактик достигают сотен тысяч световых лет.
Звёзды состоят в основном из водорода, который является самым распространённым химическим элементом во вселенной. Считается, что большинство звёзд являются кратными и представляют собой центры планетарных систем из нескольких планет. Расстояния между такими системами составляют десятки и сотни астрономических единиц.
Открытым является вопрос о форме Вселенной. Если Вселенная пространственно плоская, то для её крупномасштабной структуры справедлива Евклидова геометрия. Большинство космологов полагают, что наблюдаемая Вселенная близка к пространственно плоской, с локальными складками (волнами пространства), где массивные объекты искажают пространство-время. Это подтверждается данными WMAP, рассматривающими «акустические осцилляции» в температурных отклонениях реликтового (фонового космического) излучения.
Также остается неизвестным, является ли Вселенная множественно-соединённой. Согласно стандартной модели Большого взрыва, Вселенная не имеет пространственных границ, но может быть пространственно ограничена. Это может быть понято на примере двумерной аналогии: поверхность сферы не имеет границ, но имеет ограниченную площадь, причём кривизна сферы постоянна в третьем измерении. Если вселенная действительно пространственно ограничена, то, двигаясь по прямой линии в любом направлении, можно попасть в отправную точку начала движения.
Согласно другим представлениям наша Вселенная представляет лишь часть от огромного множества других Вселенных, совокупность которых называется Мультивселенной (Метавселенной) – или Супермиром.
На сегодня наиболее логически непротиворечивой является модель многокомпонентной вселенной. То есть вселенная состоит из бесконечного количества Начал по типу Большого взрыва, из множества вселенных, которые независимо возникают в разные моменты времени, и пены сверхплотного скалярного поля между ними. Поэтому Вселенная (в представлении Супермира – множества вселенных) бесконечна и в пространстве и во времени. Даже допускается, что в разных вселенных могут существовать разные законы, разные элементарные частицы.
У каждой вселенной на каком-то огромном расстоянии от них должны существовать стенки, которые состоят из сверхплотного вакуума. Как они будут взаимодействовать с другими пузырями, другими вселенными – этот вопрос, которым занимается современная астрофизика.
Единственная экспериментальная возможность исследовать другие компоненты «большой Вселенной» – «кротовые норы», которые изначально заведомо были, но неизвестно, существуют ли сейчас.
Космологические концепции базируются на следующих предпосылках:
формулируемые физикой фундаментальные законы мироустройства считаются действующими во всей вселенной;
истинными признаются только те выводы, которые не противоречат возможности существования наблюдателя, то есть человека (антропный космологический принцип).
Что касается Вселенной, то современная космология утверждает, Метагалактика характеризуется двумя основными свойствами: однородностью (её свойства одинаковы во всех ее точках) и изотропностью (свойства одинаковы во всех направлениях).
Описанием гравитационного поля Вселенной являются уравнения А. Эйнштейна. Нестационарность Вселенной определяется двумя постулатами:
принципом относительности, гласящим, что во всех инерциальных системах все законы сохраняются вне зависимости от того, с какими скоростями равномерно и прямолинейно движутся эти системы относительно друг друга;
экспериментально подтвержденным постоянством скорости света теории относительности.
Из принятия теории относительности вытекает следствие: искривлённое пространство не может быть стационарным, оно должно расширяться или сжиматься. Следствием этого является красное смещение (понижение частот электромагнитного излучения: в видимой части спектра линии смещаются к его красному концу).
Структура Метагалактики
Крупномасштабную структуру Вселенной составляет множество галактик, которые представляют собой гигантские образования, содержащие звёзды, туманности и другие объекты.
Крупномасштабная Вселенная представляет собой структуру распределения материи на самых больших наблюдаемых масштабах напоминающую соты (ячейки). В них по Я. Зельдовичу находятся скопления галактик, которые удалены друг от друга на расстоянии 100–300 Мпк (мегапарсек). Таким образом, основной объём материи во Вселенной сосредоточен в ячейках пространства, представляющий собой пустоту – вакуум.
Уже в начале XX века было известно, что звёзды группируются в звёздные скопления, которые, в свою очередь, образуют галактики. Позже были найдены скопления галактик и сверхскопления галактик. В 1990-е было установлено, что в масштабах порядка 300 мегапарсек Вселенная выглядит однородной. Однако нарушение симметрии ведет к образованию космических неоднородностей называемых текстурами. Текстуры могут служить зародышами агрегатов вещества, превращающегося в ходе эволюции в галактики и их скопления, а менее плотные области получили название войды (пустоты). Это дало основание сделать вывод о том, что во Вселенной, наряду со светящимся веществом, должно находиться тёмное вещество.
Наблюдениями устанавливается, что каждая галактика окружена гало из темного вещества, масса которого в 10 раз больше массы видимых областей. Природа темного вещества остается неизвестной. В качестве претендентов на роль темного вещества предлагаются чёрные дыры, звёзды малой массы, остывшие звезды (коричневые карлики), нейтрино и гипотетические частицы.
Проблема существования и поиска внеземных цивилизаций
Эволюция Вселенной привела к образованию планет, на некоторых из них могут появиться жизнь и разум. Для этого нужны разнообразные химические элементы, которые могут объединяться в молекулы разных уровней сложности. Причины, заставляющие атомы объединяться в молекулы, известны науке достаточно хорошо.
В основе этих процессов лежат химические силы, за которыми скрывается одна из фундаментальных сил природы – электромагнитное взаимодействие. Процессы соединения атомов в молекулы широко распространены во Вселенной. В межзвёздной среде, где концентрация вещества ничтожно мала, тем не менее, обнаруживаются молекулы водорода. Там же встречаются мельчайшие пылинки, в их основе – кристаллики льда или углерода с примесью гидратов разных соединений. Молекулярный водород вместе с гелием образуют газопылевые облака. Но самое интересное, с чем столкнулись наблюдатели, – это неожиданно большое присутствие в космосе разнообразных органических молекул, вплоть до таких сложных, как молекулы аминокислот. В межзвездных облаках насчитали более 50 видов органических молекул. Ещё удивительнее, что органические молекулы находят во внешних оболочках некоторых не очень горячих звёзд и в сложных соединениях, температура которых незначительно отличается от температуры абсолютного нуля. Таким образом, синтез молекул, в том числе органических, распространённое и вполне обыденное явление в космосе.
В связи с этим возникает вопрос, способно ли усложнение вещества достигнуть самых высоких уровней вне планет, в межзвездной среде или в оболочках не очень горячих звезд. Иначе говоря, возможна ли там жизнь? Существует ли жизнь на других планетах? Данная тема неоднократно обыгрывалась в научно-фантастических произведениях, однако современная наука не позволяет дать ни положительного, ни отрицательного ответа на этот вопрос. Пока мы знаем только один вариант жизни в Космосе – на Земле, хотя вопрос о том, одиноки ли мы во Вселенной, волнует не только учёных, но и обычных людей.
Не случайно тема контакта с иным разумом – один из излюбленных сюжетов научно-фантастических романов. Кроме того, постоянно появляются люди, утверждающие, что они видели НЛО, контактировали с инопланетянами и т.д.
Представления о том, что Вселенная обитаема, были широко распространены в древности. Так, античные философы Анаксагор, Демокрит, Лукреций Кар считали, что, поскольку Космос образован из одной субстанции (например, из атомов) и подчиняется единому закону – Логосу, то в разных частях Космоса, как и на Земле, должна возникать жизнь. Позже аналогичные аргументы использовал Д. Бруно, выдвигая свою идею о множественности миров. Но до XX в. вопрос о возможности жизни на других планетах звучал настолько фантастично, что серьёзными учёными практически не обсуждался. Лишь в XX в. о распространённости жизни и разума во Вселенной заговорили всерьёз, и это были не умозрительные рассуждения, а подкреплённые точными расчётами выводы.
Среди тех, кто сыграл выдающуюся роль в утверждении новых взглядов на эту проблему, были К.Э. Циолковский, В.И. Вернадский, П. Тейяр де Шарден и другие крупнейшие учёные и философы.
Информационные пластинки с записью звуковых и видеосигналов были также установлены на межпланетных станциях «Пионер-10», «Вояджер-1» и «Вояджер-2», запущенных в 1970-х г. Сейчас эти станции уже покинули пределы Солнечной системы и летят в межзвездной среде. Правда, им потребуется не менее 80 тысяч лет, чтобы достичь ближайшей звезды. Поэтому шансы на то, что послания будут кем-то получены и прочитаны, ничтожны. Но надежда на это живет. Поэтому разрабатываются самые разные сценарии контактов. А население земного шара, благодаря многочисленным книгам и фильмам, готово признать факт существования иных форм жизни, встретиться с иным разумом. Насколько оправданы наши надежды – покажет будущее.
Список использованных источников
1. Большой взрыв // Википедия [Интернет-ресурс]. Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%91%D0%BE%D0%BB%D1%8C%D1%88%D0%BE%D0%B9_%D0%B2%D0%B7%D1%80%D1%8B%D0%B2.
2. Вселенная // Википедия [Интернет-ресурс]. Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%92%D1%81%D0%B5%D0%BB%D0%B5%D0%BD%D0%BD%D0%B0%D1%8F.
3. Одиноки ли мы во Вселенной? [Электронный ресурс, 28 августа 2016]. Режим доступа: http://shtorm777.ru/odinoki-li-my-vo-vselennoj.html.
4. Парадокс Ферми: одиноки ли мы во Вселенной? [Электронный ресурс, 7 февраля 2016]. Режим доступа: https://fishki.net/1841590-paradoks-fermi-odinoki-li-my-vo-vselennoj.html (https://hi-news.ru/space/paradoks-fermi-odinoki-li-my-vo-vselennoj.html).
5. Френкель, Е.Н. Концепции современного естествознания : физические, химические и биологические концепции : учеб. пособие / Е.Н. Френкель. – Ростов н/Д : Феникс, 2014. – 246 с.
Источник
Космология — Расширяющаяся Вселенная
Космология — это изучение вселенной. Прослеживая в то время, было несколько школ мысли о происхождении вселенной. Многие ученые верили в устойчивую государственную теорию . Согласно этой теории, вселенная всегда была одинаковой, у нее не было начала.
В то время как была группа людей, которые верили в теорию Большого взрыва . Эта теория предсказывает начало вселенной. Были свидетельства горячей оставленной радиации от Большого взрыва, который снова поддерживает модель. Теория Большого взрыва предсказывает обилие легких элементов во вселенной. Таким образом, следуя знаменитой модели Большого взрыва, мы можем утверждать, что у Вселенной было начало. Мы живем в расширяющейся вселенной.
Hubble Redshift
В начале 1900-х годов самым большим телескопом в то время был современный телескоп Mt Wilson , 100-дюймовый телескоп. Хаббл был одним из выдающихся ученых, которые работали с этим телескопом. Он обнаружил, что за пределами Млечного Пути были галактики. Внегалактической астрономии всего 100 лет. Гора Уилсон была самым большим телескопом до тех пор, пока не была построена обсерватория Палмера, которая имела 200-дюймовый телескоп.
Хаббл был не единственным, кто наблюдал галактики за пределами Млечного Пути, Хьюмасон помог ему. Они начали измерять спектры близлежащих галактик. Затем они наблюдали, что галактический спектр находился в видимом диапазоне длин волн с непрерывным излучением. На континууме были линии эмиссии и поглощения. По этим линиям мы можем оценить, удаляется ли галактика от нас или к нам.
Когда мы получаем спектр, мы предполагаем, что самая сильная линия исходит от H-α . Из литературы самая сильная линия должна иметь место при 6563 Å , но если эта линия происходит где-то около 7000 Å , мы можем легко сказать, что она имеет красное смещение.
Из специальной теории относительности,
1 + z = s q r t f r a c 1 + f r a c v c 1 − f r a c v c
где Z — красное смещение, безразмерное число, а v — скорость спада.
f r a c l a m b d a o b s l a m b d a r e s t = 1 + z
Хаббл и Хьюмасон перечислили в своей газете 22 Галактики . Почти все эти галактики демонстрировали красное смещение. Они построили график зависимости скорости (км / с) от расстояния (Мпк). Они наблюдали линейную тенденцию, и Хаббл выдвинул свой знаменитый закон следующим образом.
Это отношение расстояния Хаббла с красным смещением . Индекс r указывает на расширение в радиальном направлении. В то время как v r — это скорость падения, H o — это параметр Хаббла, d — это расстояние от нас до галактики. Они пришли к выводу, что далекие галактики удаляются от нас быстрее, если скорость расширения Вселенной одинакова.
Расширение
Все уходит от нас. Галактики не являются стационарными, всегда есть некоторая гармоника расширения. Единицами параметра Хаббла являются км с -1 Мпк -1 . Если выходить на расстояние — 1 Мпк, галактики будут двигаться со скоростью 200 км / сек. Параметр Хаббла дает нам скорость расширения. Согласно Хабблу и Хьюмасону, значение H o составляет 200 км / сек / Мпк.
Данные показали, что все галактики удаляются от нас. Таким образом, очевидно, что мы находимся в центре вселенной. Но Хаббл не совершил эту ошибку, по его мнению, в какой бы галактике мы ни жили, мы обнаружим, что все другие галактики удаляются от нас. Таким образом, вывод состоит в том, что пространство между галактиками расширяется, и нет центра вселенной.
Расширение происходит везде. Однако есть некоторые силы, которые противостоят экспансии. Химические связи, гравитационная сила и другие силы притяжения удерживают объекты вместе. Раньше все объекты были близко друг к другу. Рассматривая Большой Взрыв как импульсивную силу, эти объекты настроены удаляться друг от друга.
Шкала времени
В локальных масштабах кинематика регулируется гравитацией. В первоначальном законе Хаббла было несколько галактик, которые показывали синий сдвиг. Это можно приписать объединенному гравитационному потенциалу галактик. Гравитация отделила вещи от закона Хаббла. Галактика Андромеды приближается к нам. Гравитация пытается замедлить ход событий. Изначально расширение замедлялось, теперь оно ускоряется.
Из-за этого произошел космический рывок . Было сделано несколько оценок параметра Хаббла. Он развивался в течение 90 лет с 500 км / сек / Мпк до 69 км / сек / Мпк. Несоответствие в значении было из-за недооценки расстояния. Цефеидные звезды использовались в качестве калибраторов расстояний, однако существуют различные типы цефеидных звезд, и этот факт не учитывался при оценке параметра Хаббла.
Время Хаббла
Константа Хаббла дает нам реалистичную оценку возраста вселенной. H o даст возраст Вселенной, если галактики движутся с одинаковой скоростью. Обратное значение H o дает нам время Хаббла.
t H = f r a c 1 H o
Замена текущей стоимости H o , t H = 14 миллиардов лет. Скорость расширения была постоянной в начале Вселенной. Даже если это не так, H o дает полезное ограничение на возраст вселенной. Предполагая постоянную скорость расширения, когда мы строим график между расстоянием и временем, наклон графика определяется скоростью.
В этом случае время Хаббла равно фактическому времени. Однако, если вселенная расширялась быстрее в прошлом и медленнее в настоящем, время Хаббла дает верхний предел возраста вселенной. Если раньше Вселенная медленно расширялась и ускорялась, то время Хаббла даст более низкий предел возраста вселенной.
t H = t a g e — если скорость расширения постоянна.
t H > t a g e — если вселенная расширялась быстрее в прошлом и медленнее в настоящем.
t H t a g e — если вселенная расширялась медленнее в прошлом и быстрее в настоящем.
t H = t a g e — если скорость расширения постоянна.
t H > t a g e — если вселенная расширялась быстрее в прошлом и медленнее в настоящем.
t H t a g e — если вселенная расширялась медленнее в прошлом и быстрее в настоящем.
Рассмотрим группу из 10 галактик, которые находятся на 200 Мпк от другой группы галактик. Галактики внутри скопления никогда не приходят к выводу, что вселенная расширяется, потому что кинематика в локальной группе управляется гравитацией.
Космология — это изучение прошлого, настоящего и будущего нашей Вселенной.
Нашей вселенной 14 миллиардов лет.
Вселенная постоянно расширяется.
Параметр Хаббла является мерой возраста вселенной.
Текущее значение H o составляет 69 км / сек / Мпк.
Источник