Удивительные теории о вселенной. Эволюция Вселенной, её различные модели. Сценарий будущего Солнечной системы. Нужна помощь по изучению какой-либы темы

Будущее Вселенной – один из основных вопросов космологии, ответ на который зависит, в первую очередь, от таких характеристик и свойств Вселенной как ее масса, энергия, средняя плотность, а также скорость расширения.

Что мы знаем о Вселенной?

Для начала следует определить само понятие «Вселенная», которое имеет место быть как в астрономии, так и философии. В области астрономии Вселенной называют Метагалактикой или просто астрономической Вселенной. Однако, с теоретической точки зрения, которая учитывается большинством моделей и сценариев развития Вселенной, она представляет собой колоссальную систему, выходящую за пределы возможного наблюдения.

Одним из важнейших свойств Вселенной, которое было открыто относительно недавно – это практически однородное и изотропное расширение, которое также оказалось ускоренным. В зависимости от продолжительности этого расширения история Вселенной может принять один из двух предполагаемых сценариев.

В первом случае расширение будет продолжаться до бесконечности, вместе с этим средняя плотность вещества во Вселенной будет стремительно падать, приближаясь к нулю. Коротко говоря, вся начнется с распада скоплений галактик, а закончится делением протона на кварки.

Второй сценарий учитывает постулаты общей теории относительности (ОТО), которая гласит о том, что при значительном росте плотности вещества искривляется пространство-время. Если расширение все же начнет замедляться, то вероятнее всего в какой-то момент оно обернется сжатием. Тогда Вселенная начнет сжиматься, а средняя плотность ее вещества – стремительно расти. При таком ходе событий, согласно ОТО, пространство-время будет постепенно искривляться до тех пор, пока Вселенная не замкнется сама на себе, вроде поверхности обычной сферы, но с большим количеством измерений, чем мы привыкли себе представлять.

Космологические эпохи Вселенной

В попытках предсказать дальнейшую судьбу астрономической Вселенной, ученые разделили ее существование на следующие этапы:

Несмотря на то, что вещество Вселенной постепенно аннигилирует, само пространство может эволюционировать по четырем гипотетическим сценариям:

1. Если со временем расширение Вселенной замедлится, а после — обернется в сжатие, то конечным этапом ее жизни станет Большое сжатие. В результате чего все вещество коллапсирует и вернется в изначальное свое состояние – сингулярность.
2. Иной сценарий — средняя плотность вещества Вселенной точно определена и является таковой, что расширение постепенно замедляется.
3. Наиболее вероятная, в силу современных результатов наблюдений, модель. Подразумевает равномерное расширение Вселенной, по инерции.
4. Стремительный рост скорости расширения Вселенной, который приведет наш мир к так называемому .

Из теории Фридмана следует, что возможны различные сценарии эволюции Вселенной: неограниченное расширение, чередование сжатий и расширений и даже тривиальное стационарное состояние. Какой из этих сценариев реализуется - зависит от соотношения между критической и фактической плотностью вещества во Вселенной на каждом этапе эволюции. Для того, чтобы оценить значения этих плотностей, рассмотрим сначала, как астрофизики представляют себе структуру Вселенной.

В настоящее время считается, что материя во Вселенной существует в трех формах: обычное вещество, реликтовое излучение и так называемая «темная» материя. Обычное вещество сосредоточено в основном в звездах, которых только в нашей Галактике насчитывается около ста миллиардов. Размер нашей Галактики составляет 15 килопарсек (1 парсек = 30,8  10 12 км). Предполагается, что во Вселенной существует до миллиарда различных галактик, среднее расстояние между которыми имеет порядок одного мегапарсека. Эти галактики распределены крайне неравномерно, образуя скопления (кластеры). Однако, если рассматривать Вселенную в очень большом масштабе, например, «разбивая» ее на «ячейки» с линейным размером, превышающим 300 мегапарсек, то неравномерность структуры Вселенной уже не будет наблюдаться. Таким образом, в очень больших масштабах Вселенная является однородной и изотропной. Вот для такого равномерного распределения вещества можно рассчитать плотность  в, которая составляет величину  310 -31 г / см 3 .

Эквивалентная реликтовому излучению плотность  р  510 -34 г / см 3 , что много меньше  в и, следовательно, может не приниматься в расчет при подсчете общей плотности материи во Вселенной.

Наблюдая за поведением галактик, ученые предположили, что помимо светящегося, «видимого» вещества самих галактик в пространстве вокруг них существуют, по-видимому, значительные массы вещества, наблюдать которые непосредственно не удается. Эти «скрытые» массы проявляют себя только тяготением, которое сказывается на движении галактик в группах и скоплениях. По этим признакам оценивают и связанную с этой «темной» материей плотность  т, которая, по расчетам, должна быть примерно в ~ 30 раз больше, чем  в. Как будет видно из дальнейшего, именно «темная» материя является, в конечном счете, «ответственной» за тот или иной «сценарий» эволюции Вселенной 1 .

Чтобы убедиться в этом, оценим критическую плотность вещества, начиная с которой «пульсирующий» сценарий эволюции сменяется «монотонным». Такую оценку, хотя и достаточно грубую, можно произвести на основании классической механики, без привлечения общей теории относительности. Из современной астрофизики нам потребуется только закон Хаббла.

Вычислим энергию некоторой галактики, имеющей массу m, которая находится на расстоянии L от «наблюдателя» (рис.10.2). Энергия Е этой галактики складывается из кинетической энергии и потенциальной энергии
, которая связана с гравитационным взаимодействием галактикиm с веществом массы M , находящимся внутри шара радиуса L (можно показать, что вещество, находящееся вне шара, не вносит вклада в потенциальную энергию). Выразив массу M через плотность ,
, и учитывая закон Хаббла, запишем выражение для энергии галактики:

Рис. 10.2 К расчету критической плотности вещества Вселенной

Из этого выражения видно, что в зависимости от значения плотности  энергия Е может быть либо положительной (Е  0), либо отрицательной (Е  0). В первом случае рассматриваемая галактика обладает достаточной кинетической энергией, чтобы преодолеть гравитационное притяжение массы М и удалиться на бесконечность. Это соответствует неограниченному монотонному расширению Вселенной (модель «открытой» Вселенной).

Во втором случае (Е < 0) расширение Вселенной в какой-то момент прекратится и сменится сжатием (модель «замкнутой» Вселенной). Критическое значение плотности соответствует условию Е = 0, поэтому получаем

Подставив в это выражение известные значения Н = 15 ((км/с)/10 6 световых лет) и G = 6,6710 -11 м 3 /кг с 2 , получаем значение критической плотности  к  10 -29 г / см 3 . Таким образом, если бы Вселенная состояла только из обычного “видимого” вещества с плотностью  в  310 -31 г / см 3 , то ее будущее было бы связано с неограниченным расширением. Однако, как было сказано выше, наличие «темной» материи с плотностью  т   в может привести к пульсирующей эволюции Вселенной, когда период расширения сменяется периодом сжатия (коллапсом) (рис.10.3). Правда, в последнее время ученые все больше приходят к мысли, что плотность всей материи во Вселенной, включая и «темную» энергию, в точности равна критической. Почему это так? На этот вопрос ответа пока нет.

Рис. 10.3. Расширение и сжатие Вселенной

10.5 Иерархичность структуры Вселенной

Фундаментальные константы играют важную роль в построении масштабов нашего мира. Они позволяют дать некую иерархическую картину структуры Вселенной. Это можно пояснить графически представлениями изменения размеров тел и расстояний, а также их масс (рис. 10.4 и 10.5). Действительно, наиболее естественными и наглядными квалификационными признаками являются размер объекта и его масса. Выделяют

Микромир с характерными размерами меньше, чем 10 -8 м (частицы, ядра, атомы, молекулы),

Макромир (макромолекулы, кристаллы жидкости, газы, живые организмы, человек, объекты техники, т.е. макротела)

Мегамир (планеты, звезды, галактики).

Понятно, что границы микро- и макромира подвижны, и не существует отдельного микромира и отдельного макромира. Естественно, что макрообъекты и мегаобъекты, построены из микрообъектов и в основе макро- и мегаявлений лежат микроявления. Это наглядно видно на примере построения Вселенной из взаимодействующих элементарных частиц в рамках космомикрофизики. На самом деле мы должны понимать, что речь идет лишь о различных уровнях рассмотрения вещества. Микро-, макро- и мегаразмеры объектов соотносятся друг с другом как макро/микро ~ мега/макро. В классической физике отсутствовал объективный критерий отличия макро- от микрообъекта. Это отличие ввел М. Планк: если для рассматриваемого объекта минимальным воздействием (квант действия) на него можно пренебречь, то это макрообъекты, если нельзя - это микрообъект.

Кварки «являются» составной частью протонов и нейтронов, затем из них образуются ядра атомов. Атомы объединяются в молекулы. Если двигаться дальше по шкале размеров тел, то далее следуют обычные макротела, планеты и их системы, звездные скопления галактик и метагалактик, т.е. можно представить переход от микро-, макро- и мега- как в размерах, так и моделях физических процессов. Фундаментальные мировые константы определяют масштабы иерархической структуры материи нашего мира. Очевидно, что сравнительно небольшое их изменение и должно приводить к формированию качественно иного мира, в котором стало бы невозможным образование ныне существующих микро-, макро- и мегаструктур и в целом высокоорганизованных форм живой материи. Имеющая место «подгонка» мировых констант, т.е. определенные их значения и взаимоотношения между ними, по существу, и обеспечивает структурную устойчивость нашей Вселенной. Поэтому проблема, казалось бы, абстрактных мировых констант имеет глобальное мировоззренческое значение.

Антропный принцип требует также, чтобы средняя плотность вещества Вселенной ρ ср была бы близка к критической ρ кр, так как при ρ ср << ρ кр следует, что время существования нашего мира было бы настолько мало, что за это время жизнь не могла бы возникнуть.

Однако современная наука не дает однозначного ответа, какое из этих отношений между ρ кр и ρ ср справедливо, поскольку часть вещества находится в «невидимом» состоянии. Оценка же дает близкие значения ρ кр ≈ 10 -29 г/см 3 , ρ ср ≈ 10 -30 г/см 3 , откуда следует, что уже в рамках ньютоновской механики следует возможность нестационарной или, как мы уже знаем, пульсирующей Вселенной. Из таких вариантов эволюции Вселенной можно сделать следующие выводы: из термодинамических соображений следует, что Вселенную в целом можно рассматривать как открытую систему, в которой происходят необратимые и неравновесные процессы. Во всяком случае, ρ ср и ρ кр близки по своим значениям, и, следовательно, антропный принцип выполняется. Заметим также, что радиус R не должен быть больше критического R кр = 2Gm/c 2 , поскольку в нашем миропонимании и признании ОТО скорость разбегания Галактик не должна превышать скорость света (ν < с ). Показано, что при ρ кр ≈ ρ ср пространство может считаться псевдоевклидовым и число пространственных измерений опять же сводится к трем. Это вообще не удивительно, так как модель развита в рамках теории Ньютона. Заметим еще один интересный результат, полученный в 20-х годах П. Эренфестом (1880-1933): при четном числе пространственных координат не должно существовать замкнутых орбит планет и невозможна передача информации путем волн, что может служить дополнительным свидетельством в пользу трехмерности пространства и правильности антропного принципа.

Сегодня мы говорим об этой, ну как ее, Вселенной. Так уж получилось, что однажды она откуда-то появилась, и вот все мы здесь. Кто-то читает эту статью, кто-то готовится к экзамену, проклиная все на свете... Самолеты летают, поезда ходят, планеты крутятся, где-то всегда что-то происходит. Людям всегда было интересно знать один сложный ответ на простой вопрос. Как же все начиналось и как это мы докатились до того, что есть? Иными словами - как родилась Вселенная?

Итак, вот они - разные версии и модели 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. В бесконечном универсуме обнаруживается деятельность бесконечно совершенного Разума. Обычное представление обо мне, как об атеисте – большое заблуждение. Если это представление почерпнуто из моих научных работ, могу сказать, что мои научные работы не поняты»

Теория Большого Взрыва

Пожалуй, самая распространенная и наиболее признанная модель происхождения нашей Вселенной. Во всяком случае, о ней слышал практически каждый. Что говорит нам Большой Взрыв? Однажды, лет эдак 14 миллиардов назад, пространства и времени не было, а вся масса вселенной была сосредоточена в крохотной точке с невероятной плотностью – в сингулярности. В один прекрасный момент (если так можно сказать -времени-то не было) сингулярность не выдержала из-за возникшей в ней неоднородности, произошел так называемый Большой Взрыв. И с тех пор Вселенная постоянно расширяется и остывает.

Модель расширяющейся Вселенной

Сейчас доподлинно известно, что Галактики и иные космические объекты удаляются друг от друга, а значит, Вселенная расширяется. В 20-м веке существовало множество альтернативных теорий происхождения Вселенной. Одной из самых популярных была модель стационарной Вселенной, за которую ратовал сам Эйнштейн. Согласно этой модели, Вселенная не расширяется, а находиться в стационарном состоянии благодаря какой-то удерживающей ее силе.

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 струн

Современное изучение эволюции Вселенной невозможно без согласования его с квантовой теорией. Так, например, в рамках теории струн (теория струн основана на гипотезе о том, что все элементарные частицы и их фундаментальные взаимодействия возникают в результате колебаний и взаимодействий ультрамикроскопических квантовых струн ), предполагается модель множественной Вселенной. Конечно, там тоже был Большой Взрыв, но он произошел не просто так и из ничего, а, возможно, в результате столкновения нашей Вселенной с какой-то другой, еще одной Вселенной.

Собственно, кроме Большого Взрыва, породившего нашу Вселенную, во множественной Вселенной происходит множество других Больших Взрывов, порождающих множество других Вселенных, развивающихся по своим, отличным от известных нам законам физики.

Скорее всего мы никогда не узнаем наверняка, как, откуда и почему появилась Вселенная. Тем не менее, размышлять об этом можно очень долго и интересно, а чтобы у Вас было достаточно пищи для размышлений, предлагаем посмотреть увлекательное видео на тему современных теорий происхождения Вселенной.

Проблемы развития Вселенной слишком масштабны. Настолько масштабны, что, по сути, даже не являются проблемами. Предоставим физикам-теоретикам ломать над ними головы и перенесемся из глубин Вселенной на Землю, где нас, возможно, ждет неначатый курсач или диплом. Если это так, мы предлагаем свое решение этого вопроса. Закажите отличную работу у , вздохните спокойно, и будьте в гармонии с собой и Вселенной.

Есть два взгляда на то, как возник материальный мир. Религии приписывают Богу руководящую роль в мироустройстве. В частности, Библия говорит о нескольких днях, за которые Бог создал сначала свет, потом воду, потом твердь, следом живые существа - вплоть до человека. Сейчас Церкви утверждают, что «шесть дней» - термин метафорический, где день не равен суткам, а длится намного дольше. Другой, кардинально противоположный взгляд на происхождение видимого, материального мира - научный. Эволюция Вселенной, согласно исследованиям ученых, началась с Большого Взрыва (его еще обозначают термином Big Bang), который произошел 10-15 миллиардов лет тому назад.

Что было до того, как возникло всё существующее? Современная астрономия полагает, что это была сжавшаяся до минимальных размеров сфера, внутри которой под действием высочайших температур и давления двигались свободные Все материальное, которое сейчас заполняет собой безбрежный космос, было сжато в пределах стремящейся к нулю по величине точке, с которой и началось происхождение и эволюция Вселенной. До сих пор неясно, что послужило причиной Большого Взрыва. Однако сам этот взрыв привел к расширению Вселенной, и этот процесс продолжается и сейчас. Что это значит? Что одно и то же количество материальных частиц со временем занимает все больший объем.

Будет ли расширяться материальный мир вечно, или когда-нибудь его разрастание в объеме замедлится, прекратится вовсе, наподобие того, как мы наблюдаем при взрыве гранаты? Возможно, вслед за этим эволюция Вселенной прекратится, и заменится этапом «сворачивания», сужения к первоначальной точке. Мы пока не готовы ответить на этот вопрос с определенностью. Но картина мира, созданная учеными, уже может описать последовательные фазы в разрастании и преображении материи. Первая эра - адронная - длилась всего одну миллионную часть секунды, но за это время произошел процесс аннигиляции антибарионов и барионов, образовались протоны и нейроны.

Второй и третий этапы эволюции Вселенной - лептонный и фотонный - также длились всего несколько секунд. В конце второй эры образовалось нейтринное море, а эпоха фотонов завершилась отделением вещества от антивещества (что произошло вследствие аннигиляции позитронов и электронов). Вселенная все расширялась, что привело к понижению плотности энергии частиц и фотонов. Фотонная стадия сменилась звездной, которая продолжается и сейчас. Однако формирование звезд, галактик и групп галактик происходило (да и происходит) неравномерно.

Прошли миллионы лет после Большого Взрыва, пока простейшие частицы превратились в атомы - преимущественно водорода и гелия (эти атомы являются основной составляющей Вселенной), атомы соединились в молекулы, которые вошли в соединения и образовали кристаллы, вещества, минеральные породы. На протяжении звездной эры, которой на данном этапе заканчивается эволюция Вселенной, были сформированы галактики, планеты, зародилась жизнь на нашей Земле. Можно ли сказать, что «эпический фейерверк» закончился, и мы стоим на остывающих углях среди рассеивающегося дыма?

Ученые пришли к выводу, что эволюция Вселенной продолжается. Завихрения гигантского скопления водорода сплющивают вещество, преображают эти скопления в водовороты. Так рождаются сферические, эллиптические и сплющенные галактики (в зависимости от скорости вращения колоссального - в сто тысяч световых лет - круговорота). К последнему типу галактик принадлежит и наша - Млечный Путь. Внутри галактик под давлением сгустков водорода формируются звезды. Они также проходят длительные стадии эволюции: от раскаленных добела сверхновых до «красных гигантов», «белых карликов» и Те же процессы происходят и с нашим Солнцем, в то время, как Космос продолжает расширяться.