blog.rudnyi.ru/ru
Свежие записи
Рекомендую
Ссылки
Наука в 20-ом веке: Вселенная
Краткий конспект лекций 14 — 16 курса Стивена Голдмана Наука в 20-ом веке: Социально-интеллектуальный обзор.
Представление о Вселенной в 20-ом веке претерпело кардинальные изменения.
Начало двадцатого века. Вселенная существовала вечно. Вселенная состоит из одной галактики Млечный путь.
Конец двадцатого века. Вселенная образовалась в результате Большого взрыва 13.7 миллиардов лет назад. Существует много галактик, которые вращаются. Существуют кластеры галактик. Мы наблюдаем только небольшую часть всей Вселенной.
Время после Большого взрыва — состояние Вселенной
10^–43 cекунды: суперструны или петли квантовой гравитации в исходной состоянии.
10^–36 cекунды: спонтанное нарушение симметрии, разделение на гравитацию и поле Хиггса.
10^–35 cекунды: начало инфляции, удвоение размера сто раз подряд.
10^–20 cекунды: образование первых фотонов.
10^–10 cекунды: образование первых кварков и лептонов.
10^–4 cекунды: образование протонов и нейтронов.
100 секунд: образование первых элементов, водород, гелий, немного лития.
400 тыс. лет: разделение фотонов и материи.
900 тыс. лет: образование первых звезд, первый свет.
История идей
В начале двадцатого века в США астрономические наблюдения проводились на деньги богатых семей, которые хотели увековечить свои имена. Вот чему обязано появление теории Большого взрыва.
1900. George Ellery Hale получил пожертование на построение 60-дюймового телескопа в южной Калифорнии. Harlow Shapley — директор обсерватории.
Henrietta Leavitt работала с Shapley. Использование пульсирующих звезд (Цефеиды) для калибровки расстояний.
1920. Публичные дебаты, где Shapley отстаивал точку зрения, что Вселенная состоит только из одной галактики, а тумманности являются скоплением газов.
1919. 100-дюймовый телескоп. Директор обсерватории — Хаббл.
1924. Хаббл показал, что тумманность Андромеды является галактикой. Более того многие другие туманности также являются галактиками.
Середина двадцатых годов. Хаббл вернулся к наблюдениям 1914 года Vesto
Slipher, которые в свое время были проигнорированы. Смещение спектров. Согласно эффекту Допплера это говорит о том, что галактики удаляются.
1929. Хаббл заявил, что Вселенная расширяется и что Вселенная произошла 2.5 миллиарда лет назад.
Начало сороковых годов. Георгий Гамов — создание теории Большого взрыва. Важные статьи в 1946 и 1948 году. Проблемы с объяснением происхождения тяжелых элементов.
То же время. Fred Hoyle, Hermann Bondi, Thomas Gold. Теория стационарной вселенной. Вселенная вечна.
1949. 200-дюймовый телескоп в Калифорнии. Alan Sandage унаследовал теорию Хаббла и оценил возраст Вселенной в 18-20 миллиардов лет. Спор с молодым поколением астрономов, которые говорили, что техника Хаббла для изменения галактических расстояний неправильна.
Пятидесятые годы. Hoyle, William Fowler, Geoffrey, Margaret Burbridge разработали теорию происхождения тяжелых элементов в рамках теории стационарной вселенной. Теория Большого взрыва находится в интеллектуальной коме, поскольку большинство ученых выбирают теория стационарной вселенной в том числе из теологических соображений.
1958. Открытие квазаров. Противоречия с теорией стационарной вселенной.
Микроволновое фоновое излучение. 1949. Предсказание Гамова: 5 К. Начало шестидесятых. Robert Dicke, Jim Peebles, Dave Wilkinson: 10 К.
Arno Penzias, Robert Wilson. Экспериментальное открытие микроволнового фонового излучения (3 К). Теория стационарной вселенной похоронена.
Теория Гамова предсказывала, что фоновое микроволновое изучение должно быть гомогенным. Однако в этом случае не должно образовывать галактики. Для объяснения образования галактик фоновое микроволновое излучение должно быть негомогенно.
Негомогенность в 10^-5 K в дальнейшем была обнаружена.
Использование квантовой механики для Большого взрыва. Коррекция теории Гамова.
1980. Alan Guth. Инфляционная теория Большого взрыва. Мы наблюдаем только часть всей вселенной.
Темная материя для объяснения стабильности галактик при вращении. Темная энергия для объяснения ускорения расширения вселенной.
Инструменты
Оптические телескоп. 200-дюймовый телескоп — граница возможности телескопа из одной линзы. Современной решение: управляемый компьютерами оптический телескоп, состоящий из нескольких линз. Адаптивная оптика.
Радиотелескоп
1935. Случайное открытие инженерами AT&T радиосигналов из космоса.
После второй мировой войны бум радиотелескопов. Открытие молекул в космическом пространстве.
Использование принципа интерферометрии в радиотелескопе.
Рентгеновский телескоп. Подтверждение существования черных дыр.
Инфракрасный телескоп
Нейтринная астрономия
Детекторы гравитационных волн
Источник
20 век — эпоха космических открытий
Сначала неизбежно идут: мысль, фантазия,
сказка. За ними шествует научный расчет.
И уже в конце концов исполнение венчает
мысль.
Загадочный мир звезд и планет с давних времен притягивал к себе внимание людей. Но ближе и доступнее он стал только с проникновением человека в космос. 20 век можно смело назвать Эпохой Великих космический открытий, ведь именно этому веку принадлежат золотые страницы истории покорения космического пространства.
Начало освоению космоса было положено 4 октября 1957 года. В этот памятный день был выведен на орбиту первый в истории человечества искусственный спутник Земли, запущенный в СССР, полет которого позволил уточнить форму и строение газовой оболочки Земли.
2 января 1959 года стартовала советская автоматическая станция «Луна-1». Это был первый аппарат, который преодолел силы земного притяжения и вырвался на просторы космоса. Не прошло и года, как Советский Союз запустил другую автоматическую станцию, достигшую поверхности Луны.
Следующим значимым событием было 12 апреля 1961 года. В этот исторический день ушел в космос корабль «Восток» с первым в истории человечества летчиком-космонавтом на борту Юрием Алексеевичем Гагариным. Облетев земной шар, он через 1 час 48 минут благополучно приземлился в заданном районе Советского Союза. Это стало сенсацией, нонсенсом. До этого момента многие сомневались, что человек сможет полететь в космос и остаться в живых. Однако полет Юрия Гагарина изменил взгляды скептиков, настроив их на иной лад. Люди, наконец, поняли, что далекое, неизведанное, загадочное космическое пространство может быть покорено и изучено.
В 1963 году другая наша соотечественница, Валентина Терешкова, стала первой женщиной, отправившейся в космос. Своим полетом она убедительно доказала равные возможности женщины в таком трудном и сложном деле, каким является освоение космического пространства.
А спустя два года, в 1965, советский космонавт Алексей Леонов первым в мире совершил выход в открытый космос. И если в списке великих деяний человечества по освоению космического пространства под первым номером стоит полет Юрия Гагарина, то под вторым – именно это событие.
Однако не только СССР принадлежали открытия в области космоса. Еще одной космической сверхдержавой были Соединенные Штаты Америки. Две страны находились в вечном противостоянии, соперничестве за право быть первым. Но, безусловно, СССР всегда был на шаг впереди, долгое время не отдавая лавры первенства Штатам. Тем не менее, это не помешало американским астронавтам Нилу Армстронгу и Эдвину Олдрину в 1969 году первыми высадиться на Луну.
Космические открытия XX века позволили нам хоть ненамного приоткрыть завесу неизвестности и таинственности. Однако до сих пор космос является для нас практически неизведанной областью. Мы не знаем, какие еще тайны он скрывает. Каждый год проводятся новые исследования. И кто знает, чего мы можем достичь, изучая космос? Полет человека на другую планету? Контакт с пришельцами и обнаружение новой расы? Этого никто не может нам сказать, но, несомненно, наука будет двигаться вперед для достижения новых вершин, и когда-нибудь космос раскроется перед нами, перестав быть таким чуждым и пугающим.
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