Эволюция Вселенной

Размещено на http://www.allbest.ru/

Человек с давних пор интересовался устройством Вселенной. Звёзды притягивали к себе наших предков, заставляли смотреть на них с удивлением и трепетом. Физика добилась больших успехов в изучении макроскопических и микроскопических свойств природы, однако понимание и объяснение свойств Вселенной в целом происходило не так уверенно. Извечные вопросы, которые всегда волновали человечество, во многом не разрешены и до сих пор.

Как возникли звёзды, планеты, вся Вселенная? Как развивалась эта Вселенная в прошлом, куда движется в настоящем и что ждёт её в будущем? На некоторые вопросы мы можем ответить уже сейчас, другие ждут своего ответа. Но каждый шаг вперёд ставит также и новые вопросы, раздвигая области неведомого. Сколько вещества во Вселенной? Существуют ли во Вселенной другие виды материи? Неизвестна природа странных объектов, излучающих фантастическое количество энергии из дальнего Космоса. И так далее…

Тем не менее к настоящему времени сложились определённые научные представления о происхождении и эволюции Вселенной.

Основные концепции космологии

Вселенная -- самая крупная материальная система. Её происхождение интересует людей ещё с древних времён. Вначале Вселенная была «безвидна и пуста» (Быт., 1,2), -- так сказано в Библии. Вначале был вакуум -- уточняют современные физики. Каковы же истоки происхождения Вселенной? Как она развивается? Какова её структура? На эти и другие вопросы пытались ответить учёные разных времён. Однако даже крупнейшие достижения естествознания XX века не дают полностью исчерпывающх ответов. В этой связи нельзя не вспомнить слова известного поэта М. Волошина: «Мы, возводя соборы космогоний, Не внешний в них отображаем мир, А только грани нашего незнания».

Тем не менее, принято считать, что основные положения современной космологии -- науки о строении и эволюции Вселенной -- начали формироваться после создания в 1917 году А. Эйнштейном первой релятивистской модели, основанной на теории гравитации и претендовавшей на описание всей Вселенной. Эта модель характеризовала стационарное состояние Вселенной и, как показали астрофизические наблюдения, оказалась неверной.

Важный шаг в решении космологических проблем сделал в 1922 году профессор Петроградского университета А.А. Фридман (1888--1925 гг.). В результате решения космологических уравнений он пришёл к выводу: Вселенная не может находиться в стационарном состоянии -- она должна расширяться или сужаться.

Следующий шаг был сделан в 1924 году, когда в обсерватории Маунт Вилсон в Калифорнии американский астроном Э. Хаббл (1889--1953 гг.) измерил расстояние до ближайших галактик (в то время называемых туманностями) и открыл тем самым мир галактик.

В 1929 году в той же обсерватории Э. Хаббл по красному смещению линий в спектре излучения галактик экспериментально подтвердил теоретический вывод А. А. Фридмана о расширении Вселенной и установил эмпирический закон -- закон Хаббла: скорость удаления галактики V прямо пропорциональна расстоянию r до неё, т.е. V=Hr, Где H -- постоянная Хаббла.

С течением времени постоянная Хаббла постепенно уменьшается -- разбегание галактик замедляется. Но такое уменьшение за наблюдаемый промежуток времени ничтожно мало. Обратной величиной постоянной Хаббла определяется время жизни (возраст) Вселенной.

Из результатов наблюдения следует, что скорость разбегания галактик увеличивается примерно на 75км/с на каждый миллион парсек. При данной скорости экстраполяция к прошлому приводит к выводу: возраст Вселенной составляет примерно 15 миллиардов лет, а это означает, что вся Вселенная 15 миллиардов лет назад была сосредоточена в очень маленькой области.

Предполагается, что в то время плотность вещества Вселенной была сравнима с плотностью атомного ядра, и вся Вселенная представляла собой огромную ядерную каплю. По какой-то причине ядерная капля оказалась в неустойчивом состоянии и взорвалась. Это предположение лежит в основе концепции большого взрыва.

В концепции большого взрыва предполагается, что расширение Вселенной происходило с одинаковой скоростью, начиная с момента взрыва ядерной капли. В настоящее время обсуждается и другая гипотеза - гипотеза пульсирующей Вселенной: Вселенная не всегда расширялась, а пульсирует между конечными пределами плотности. Из неё следует, что в некотором прошлом скорость удаления галактик была меньше, чем сейчас, и были периоды, когда Вселенная сжималась, т.е. галактики приближались друг к другу и с тем большей скоростью, чем большее расстояние их разделяло.

По мере развития естествознания и особенно ядерной физики выдвигаются различные гипотезы о физических процессах на разных этапах космологического расширения. Одна из них предложена в конце 40-х годов XX века Г. А. Гамовым (1904-1968), физиком-теоретиком, эмигрировавшим из Советского Союза в США, и называется моделью горячей Вселенной. В ней рассмотрены ядерные процессы, протекавшие в начальный момент расширения Вселенной в очень плотном веществе с чрезвычайно высокой температурой. По мере расширения Вселенной плотное вещество охлаждалось.

Из этой модели следует два вывода:

вещество, из которого зарождались первые звёзды, состояло в основном из водорода (75%) и гелия (25%);

в сегодняшней Вселенной должно наблюдаться слабое электромагнитное излучение, сохранившее память о начальном этапе развития Вселенной, и поэтому называется реликтовым.

Проблема происхождения и эволюции Вселенной

Согласно теоретическим расчётам Ж. Леметра (1894--1966), радиус Вселенной в первоначальном состоянии был близок радиусу электрона. В сингулярном состоянии Вселенная представляла собой микрообъект ничтожно малых размеров.

Г.А. Гамов предположил, что температура вещества после Большого Взрыва была велика и падала с расширением Вселенной. Его расчёты показали, что Вселенная в ходе эволюции проходит определённые этапы, в ходе которых происходит образование химических элементов и структур.

В современной космологии начальную стадию эволюции Вселенной делят на эры:

Эра адронов (тяжёлых частиц, вступающих в сильные взаимодействия). Продолжительность эры 0,0001 с. В конце эры происходит аннигиляция частиц и античастиц, но остаётся некоторое количество протонов, гиперонов, мезонов.

Эра лептонов (лёгких частиц, вступающих в электромагнитное взаимодействие). Продолжительность эры 10 с. Основную роль играют лёгкие частицы, принимающие участие в реакциях между протонами и нейтронами.

Фотонная эра. Продолжительность 1 млн. лет. Основная доля массы -- энергии Вселенной -- приходится на фотоны. Главную роль играет излучение, которое в конце эры отделяется от вещества.

Звёздная эра наступает через 1 млн. лет после зарождения Вселенной. В звёздную эру начинается процесс образования протозвёзд и протогалактик.

Модель Большого Взрыва

Итак, одна из современных теорий -- теория Большого Взрыва (Big Bang) смогла к настоящему времени объяснить почти все факты, связанные с космологией.

В основе этой теории лежит предположение, что физическая Вселенная образовалась в результате гигантского взрыва примерно 15--20 млн. лет назад, когда всё вещество и энергия современной Вселенной были сконцентрированы в одном сгустке. Модель Большого Взрыва (БВ) была предложена в 1948 году Г.А. Гамовым.

Возвращаясь к сгустку перед БВ, нужно отметить, что достоверно неизвестно, как этот сгусток образовался. Из чего? И откуда взялось такое гигантское количество изначальной энергии? Тем не менее, огромное радиационное давление внутри этого сгустка привело к необычайно быстрому его расширению -- Большому Взрыву. Составные части этого сгустка теперь образуют далёкие галактики, очень быстро удаляющиеся от нас. Мы наблюдаем их такими, какими они были примерно 10--14 миллиардов лет назад.

Г.А. Гамов также предположил, что все элементы Вселенной образовались в результате ядерных реакций в первые моменты после БВ. Дальнейшие уточнения этой теории показали, что ядерные реакции действительно имели место, но привели только к образованию гелия. Спектр гелия наблюдали в солнечном излучении задолго до того, как он был обнаружен на Земле, отсюда и название этого элемента происходит от греческого Гелиос -- Солнце.

Современные методы анализа излучения звёзд и галактик показали, что почти все они состоят из водорода (~60%) и гелия (~20%). Лишь малая часть водорода и гелия содержится в звёздах, где температура исключительно велика, атомы полностью ионизированы и составляют высокотемпературную плазму. В межзвёздном пространстве водород и гелий находятся в атомарном состоянии. Теория БВ полностью согласуется с наблюдаемой распространённостью гелия во Вселенной.

Рассмотрим вариант образования сгустка первовещества. Предполагается, что эти межзвёздные атомы водорода и гелия служат сырьём для образования новых звёзд. Заметим, что распределение газа в межзвёздном пространстве неоднородно. Имеются выраженные флуктуации. Эти флуктуации плотности объясняются хаотическим движением атомов в пространстве.

Случайно плотность вещества в определённой области может существенно превысить среднюю. При этом предполагается, что если количество превысит в какой-либо области критическое значение порядка 1000 солнечных масс, то в этой области возникают достаточно сильные гравитационные поля, способные противостоять разлёту газового облака и стремящиеся сжать его до возможно меньших размеров. Тогда возникает гипотеза: образование из межзвёздной пыли сгустка, гигантское уплотнение и… взрыв!

Реликтовое излучение

Наиболее важным подтверждением теории БВ является обнаружение реликтового излучения (РИ) связанного, по-видимому, с существованием первоначального сверхплотного сгустка вещества и излучения.

Название «реликтовое излучение» ввёл отечественный астрофизик И.С. Шкловский (1916--1985 гг.). Первоначально оно обладало огромной энергией, но расширение и охлаждение сгустка привели к тому, что излучение также «остыло» и энергия квантов уменьшилась, т.е. возросла длина их волны. Это фоновое излучение существует и сейчас во Вселенной, но теперь уже в виде радиоволн, микроволнового и инфракрасного излучения.

Температуру реликтового излучения рассчитал Г.А. Гамов. Она составляет около 3 К (согласно современным данным -- 2,74 К). В последние годы экспериментально обнаружена анизотропия (неравномерность) реликтового излучения, которую связывают с неоднородностями распределения материи и наличием слабых возмущений.

Открытие реликтового излучения произошло в известном смысле случайно. Его сделали американские радиоастрономы А. Пензиас и Р. Вильсон, которые ничего не слышали о предсказании теории Г.А. Гамова. А. Пензиас Р. Уилсон использовали для изучения радиационных характеристик космического пространства рожковую антенну, первоначально сконструированную для системы связи через американский спутник «Эхо». Эта специальная антенна принимала радиосигналы только из небольшого участка неба, на который она направлена.

Они обнаружили, что независимо от направления антенны в принимаемом сигнале присутствовала существенная по величине энергия, соответствующая микроволновому участку спектра и температуре около 3,5 К. Всё выглядело так, как если бы вся Вселенная была пронизана этим микроволновым фоном. Тем не менее, значение их наблюдений стало общепризнанным и они в 1968 году получили Нобелевскую премию. Таким образом, были получены некоторые экспериментальные доказательства справедливости теории БВ.

Сценарий развития Вселенной после Большого Взрыва

Рассмотрим один из многих возможных сценариев развития событий по модели БВ и горячей Вселенной. Сразу после БВ Вселенная представляла собой сингулярность -- область с очень высокой плотностью энергии из элементарных квантов электромагнитного излучения огромных энергий со взаимными превращениями.

Приблизительно через 1 с Вселенная стала расширяться с уменьшением плотности и температуры. При громадных плотностях и температурах вещество состояло только из элементарных частиц -- протонов и нейтронов. Частицы движутся так быстро, что при столкновениях образуются парами новые частицы (частица -- античастица). Чем выше температура Вселенной, тем более тяжёлые частицы могут рождаться при столкновениях.

Предполагается, что качественный состав элементарных частиц, образовавших новую Вселенную, менялся при её расширении. Сначала все фундаментальные взаимодействия в Природе были объединены и имели одинаковую интенсивность. Затем возникли тяжёлые фундаментальные частицы -- кварки и антикварки. По мере уменьшения температуры и роста времени за счёт аннигиляции число пар этих тяжёлых частиц уменьшилось, затем они быстро исчезали.

Далее наступает время лёгких частиц (лептонов). Вселенная как бы « омолодилась» и практически состояла из лептонов и излучения (квантов). Затем от ~1 до 10 с Вселенная, продолжая расширяться, потеряла и эти частицы, которые при аннигиляции превратились в фотоны. Этим фотонам не хватало энергии, чтобы образовать электрон-позитронную пару, поэтому излучение преобладало над веществом (эпоха излучения).

Через приблизительно 100 с после БВ температура Вселенной упала ещё, и скорости оставшихся протонов уменьшились настолько, что за счёт ядерных сил притяжения они начали соединяться в ядра лёгких элементов, в основном гелия, затем лития и бериллия. По прошествии нескольких часов после БВ образование этих ядер закончилось. Этот период эволюции называется временем нуклеосинтеза.

Далее в течении миллионов лет Вселенная продолжала расширяться и охлаждаться. При этом энергии фотонов были значительно больше сил связи электронов и ядер, и поэтому атомы не могли образоваться. Затем при дальнейшем уменьшении температуры энергия электромагнитного притяжения ядра и электрона стала больше энергии фотонов, и тогда начали образовываться атомы. Фотоны перестали взаимодействовать с веществом, как говорят космологи, -- Вселенная стала прозрачной.

С момента БВ до наших дней реликтовое излучение заполняет нашу Вселенную. Таким образом, РИ несёт информацию о молодой Вселенной, когда ей исполнился «всего» 1 миллион лет.

В рамках модели расширяющейся Вселенной можно построить схему физической истории Вселенной.

В начальный период времени прозрачная Вселенная была однородным «бульоном» из элементарных частиц, ядер, атомов и фотонов. Затем флуктуационно возникают области, где плотность материи несколько выше. Это приводит к увеличению гравитации в этих областях, а значит, к отставанию этих областей от общего темпа расширения Вселенной. Атомы и частицы в этих областях за счёт уменьшения объёма испытывали большое число столкновений, газ разогревался, возникали термоядерные реакции. Давление внутри области возрастало, область переставала сжиматься.

Сценарий БВ в целом оправдывает доверие научного мира, за исключением первых мгновений эволюции Вселенной, но не может объяснить конкретную причину БВ -- причину первотолчка, не даёт ответа, почему мощность взрыва была именно такой, какой была, -- не больше и не меньше. Теория не может также объяснить причину крупномасштабной однородности Вселенной, но одновременно в меньших масштабах допускает наличие в прошлом отклонений от однородности, которые и привели впоследствии к возникновению галактик. При этом предполагается, что расширение происходит с большой степенью однородности и изотропности, а удалённые друг от друга неоднородности причинно между собой не связаны.

Модель раздувающейся Вселенной

Частично эти вопросы снимает ещё одна современная модель -- сценарий раздувающейся Вселенной (РВ). Раздувание идёт экспоненциально, со скоростью, значительно большей скорости света. Объяснение этому парадоксальному выводу таково, что это был ещё не наш мир со стандартным набором мировых констант, а сингулярность с квантовой гравитацией.

Эта модель хаотического раздувания носит также название «инфляционной Вселенной». Суть её в том, что внутри быстро расширяющейся, перегретой Вселенной небольшой участок пространства охлаждается и начинает расширяться сильнее, подобно тому, как переохлаждённая вода стремительно замерзает, расширяясь при этом. Эта фаза быстрого расширения позволяет устранить некоторые проблемы, присущие стандартным теориям БВ.

Поскольку раздувающаяся, расширяющаяся Вселенная является принципиально открытой системой, то о возрастании в ней энтропии говорить не имеет смысла и тем самым снимается проблема тепловой смерти Вселенной. Эта модель связана с понятием вакуума. Согласно этим идеям Вселенная начала свою жизнь из состояния вакуума, лишённого вещества и излучения.

По современным представлениям вакуум -- особый тип физической реальности, особое «ничто», скрытое бытие, потенциально содержащее всевозможные виртуальные частицы, и при сообщении энергии этому вакууму из него можно извлечь любые реальные частицы и объекты, в том числе не только нашу Вселенную, но и другие Вселенные. В вакууме происходит нарушение симметрии и поэтому виртуальные частицы, которые там могут быть и вылетать из него, тоже асимметричны. В синергетическом понимании, эти виртуальные элементарные частицы являются продуктами самоорганизации физического вакуума.

Считается, что в вакууме, вместе с увеличением плотности энергии, возникают натяжения подобно тем, что возникают в твёрдом теле при деформации. Эти натяжения адекватны отрицательному давлению, которое и может служить первотолчком, приведшим к раздуванию.

В одной из моделей вакуума предполагается, что вакуум -- это как бы перегретая жидкость и является резервуаром энергии, которая и может реализоваться затем в резком и за короткое время расширении, раздувании Вселенной. Это и есть так называемая инфляционная модель образования нашей Вселенной. В этой модели предполагается и подтверждается данными наблюдательной астрономии последних лет, что Вселенная родилась 15--18 миллиардов лет назад из вакуума путём спонтанного (самопроизвольного) нарушения его симметрии.

Получается, что Вселенная как бы самозародилась. Конечно, это выглядит несколько парадоксально: чем не Божественное сотворение Мира?

Вот, что по этому поводу говорил Я. Б. Зельдович: «Понятие классической космологической сингулярности должно быть существенным образом заменено квантово-гравитационным процессом, описывающим рождение нашего мира. Предполагается, что в начальном состоянии не было ничего, кроме вакуумных колебаний всех физических полей, включая гравитационное. Поскольку понятия пространства и времени являются существенно классическими, то в начальном состоянии не было реальных частиц, реального метрического пространства и времени. Считаем, что в результате квантовой флуктуации и образовалась трёхмерная геометрия... Кроме того, на этой стадии из вакуумных флуктуаций негравитационных полей рождаются флуктуации плотности вещества, которые значительно позже, в близкую нам эпоху, приводят к образованию скоплений галактик, нашей Галактики, звёзд и в конечном итоге планет и самой жизни».

Заключение

На основе рассмотренных гипотез, я считаю, что более вероятным является сценарий зарождения и развития Вселенной по модели «пульсирующей» или раздувающейся Вселенной (инфляционная модель). Т.к. она, во-первых, более близка мне по мировоззренческому критерию, а во-вторых, представляется более логически завершённой.

Интересным является факт совпадения модели «пульсирующей» Вселенной с описанной в индийской мифологии, согласно которой Вселенная существует циклично. Она зарождается из «Ничто», в котором даже нет пространства. Сначала появляется маленькая точка. Постепенно она увеличивается, как бы разворачивается изнутри наружу. Само пространство с начинающимися в нём процессами творения космоса разворачивается, расширяясь с этой точкой. Вселенная расширяется до определённых размеров, а затем начинается обратный процесс инволюции до исходного состояния. Любопытно, что время эволюции--инволюции Вселенной равняется времени, когда проявленной (материальной) Вселенной не существует.

Ну а в современной модели также предполагается момент инволюции, когда критическая масса расширяющейся Вселенной увеличится настолько, что сила притяжения этой массы вызовет обратное движение к центру, откуда начиналось движение.

космология вселенная большой взрыв

Размещено на Allbest.ru