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
Космическое пространство
Космическое пространство — это пространство, которое существует за пределами Земли и между небесными телами. Космическое пространство не совсем пусто — это жесткий вакуум, содержащий низкую плотность частиц, преимущественно плазму водорода и гелия, а также электромагнитное излучение, магнитные поля, нейтрино, пыль и космические лучи. Базовая температура космического пространства, установленная фоновым излучением от Большого взрыва, составляет 2,7 кельвина (-270,45 °C; −454,81 °F). Плазма между галактиками составляет около половины барионной (обычной) материи Вселенной; она имеет плотность менее одного атома водорода на кубический метр и температуру в миллионы кельвинов. Местные концентрации вещества сконцентрировались в звезды и галактики. Исследования показывают, что 90 % массы в большинстве галактик находится в неизвестной форме, называемой темной материей, которая взаимодействует с другим веществом посредством гравитационных, но не электромагнитных сил. Наблюдения показывают, что большая часть массы-энергии в наблюдаемой Вселенной — это темная энергия, тип энергии вакуума, который плохо изучен. Межгалактическое пространство занимает большую часть объема Вселенной, но даже галактики и звездные системы почти полностью состоят из пустого пространства.
Космическое пространство не начинается на определенной высоте над поверхностью Земли. Линия Кармана, находящаяся на высоте 100 км (62 мили) над уровнем моря, традиционно используется как начало космического пространства в космических договорах и для ведения аэрокосмической документации. Рамки международного космического права были установлены Договором о космосе, который вступил в силу 10 октября 1967 года. Этот договор исключает любые притязания на национальный суверенитет и разрешает всем государствам свободно исследовать космическое пространство. Несмотря на разработку резолюций ООН по использованию космического пространства в мирных целях, противоспутниковое оружие было испытано на околоземной орбите.
Люди начали физическое освоение космоса в 20 веке с появлением полетов на воздушных шарах на большой высоте. За этим последовали пилотируемые полеты на ракетах, а затем и на околоземную орбиту, впервые достигнутую Юрием Гагариным из Советского Союза в 1961 году. Из-за высокой стоимости полета в космос полет человека в космос был ограничен низкой околоземной орбитой и Луной. С другой стороны, беспилотные космические корабли достигли всех известных планет Солнечной системы.
Космическое пространство представляет собой сложную среду для исследования человеком из-за опасности вакуума и радиации. Микрогравитация также оказывает негативное влияние на физиологию человека, вызывая как атрофию мышц, так и потерю костной массы. Помимо этих проблем со здоровьем и окружающей средой, очень высока экономическая стоимость вывода объектов, в том числе людей, в космос.
Содержание
[править] Формирование и состояние
Размер всей вселенной неизвестен и может быть бесконечным. Согласно теории Большого взрыва, очень ранняя Вселенная была чрезвычайно горячим и плотным состоянием около 13,8 миллиарда лет назад, которое быстро расширялось. [1] Приблизительно 380 000 лет спустя Вселенная остыла достаточно, чтобы позволить протонам и электронам объединиться и образовать водород — так называемая эпоха рекомбинации. Когда это произошло, материя и энергия разъединились, позволив фотонам свободно перемещаться через постоянно расширяющееся пространство. Материя, оставшаяся после первоначального расширения, с тех пор подверглась гравитационному коллапсу с образованием звезд, галактик и других астрономических объектов, оставив после себя глубокий вакуум, который образует то, что сейчас называется космическим пространством. Поскольку свет имеет конечную скорость, эта теория также ограничивает размер непосредственно наблюдаемой Вселенной.
Современная форма Вселенной была определена на основе измерений космического микроволнового фона с помощью таких спутников, как зонд Уилкинсона для микроволновой анизотропии. Эти наблюдения показывают, что пространственная геометрия наблюдаемой Вселенной является «плоской», а это означает, что фотоны, идущие по параллельным путям в одной точке, остаются параллельными, когда они проходят через пространство до предела наблюдаемой Вселенной, за исключением локальной гравитации. Плоская Вселенная в сочетании с измеренной плотностью массы Вселенной и ускоряющимся расширением Вселенной указывает на то, что в космосе имеется ненулевая энергия вакуума, которая называется темной энергией.
По оценкам, средняя плотность энергии современной Вселенной составляет 5,9 протонов на кубический метр, включая темную энергию, темную материю и барионную материю (обычное вещество, состоящее из атомов). На атомы приходится только 4,6 % общей плотности энергии, или плотность одного протона на четыре кубических метра. Плотность Вселенной явно неоднородна; она варьируется от относительно высокой плотности в галактиках, включая очень высокую плотность в структурах внутри галактик, таких как планеты, звезды и черные дыры, до условий в огромных пустотах, которые имеют гораздо более низкую плотность, по крайней мере, с точки зрения видимого вещества. В отличие от материи и темной материи, темная энергия, похоже, не сконцентрирована в галактиках: хотя темная энергия может составлять большую часть массы-энергии во Вселенной, влияние темной энергии на 5 порядков меньше, чем влияние гравитации материи и темной материи в пределах Млечного Пути.
[править] Регионы
Космос — это частичный вакуум: его различные области определяются различными атмосферами и «ветрами», которые доминируют в них, и простираются до точки, в которой эти ветры уступают место другим. Геопространство простирается от атмосферы Земли до внешних границ магнитного поля Земли, после чего уступает место солнечному ветру межпланетного пространства. Межпланетное пространство простирается до гелиопаузы, после чего солнечный ветер уступает место ветрам межзвездной среды. Затем межзвездное пространство продолжается до краев галактики, где исчезает в межгалактической пустоте.
[править] Геокосмическое пространство
Геокосмическое пространство — это область космического пространства около Земли, включая верхнюю атмосферу и магнитосферу. Радиационные пояса Ван Аллена лежат внутри геопространства. Внешняя граница геопространства — это магнитопауза, которая образует границу между магнитосферой Земли и солнечным ветром. Внутренняя граница — ионосфера. Изменчивые космические погодные условия в геопространстве зависят от поведения Солнца и солнечного ветра; тема геокосмического пространства неразрывно связана с гелиофизикой — изучением Солнца и его влияния на планеты Солнечной системы.
[править] Межпланетное пространство
Межпланетное пространство определяется солнечным ветром, непрерывным потоком заряженных частиц, исходящих от Солнца, который создает очень тонкую атмосферу (гелиосферу) на миллиарды километров в космос. Этот ветер имеет плотность частиц 5-10 протонов/см³ и движется со скоростью 350—400 км/с (780 000—890 000 миль в час). Межпланетное пространство простирается до гелиопаузы, где влияние галактического окружения начинает преобладать над магнитным полем и потоком частиц от Солнца. Расстояние и сила гелиопаузы варьируются в зависимости от уровня активности солнечного ветра. Гелиопауза, в свою очередь, отклоняет галактические космические лучи с низкой энергией, причем этот эффект модуляции достигает максимума во время солнечного максимума.
[править] Межзвездное пространство
Межзвездное пространство — это физическое пространство внутри галактики, за пределами влияния каждой звезды на окружающую плазму. Содержимое межзвездного пространства называется межзвездной средой. Примерно 70 % массы межзвездной среды состоит из неподеленных атомов водорода; большая часть остатка состоит из атомов гелия. Он обогащен следами более тяжелых атомов, образованных в результате звездного нуклеосинтеза. Эти атомы выбрасываются в межзвездную среду звездными ветрами или когда эволюционирующие звезды начинают сбрасывать свои внешние оболочки, например, во время образования планетарной туманности. Катаклизмический взрыв сверхновой звезды генерирует расширяющуюся ударную волну, состоящую из выброшенных материалов, которые еще больше обогащают среду. Плотность вещества в межзвездной среде может значительно варьироваться: в среднем составляет около 106 частиц на м³, но в холодных молекулярных облаках может содержаться 108—1012 частиц на м³.
[править] Межгалактическое пространство
Межгалактическое пространство — это физическое пространство между галактиками. Исследования крупномасштабного распределения галактик показывают, что Вселенная имеет структуру, напоминающую пену, с группами и скоплениями галактик, расположенными вдоль волокон, которые занимают примерно десятую часть всего пространства. Остальная часть образует огромные пустоты, которые в основном пусты от галактик. Обычно пустота охватывает расстояние (10-40) h −1 Мпк, где h — постоянная Хаббла в единицах 100 км/с Мпк −1 , или безразмерная постоянная Хаббла.
Источник