Тепловая история или сценарий образования крупномасштабной структуры вселенной

Обновлено: 02.02.2023

Проблема зарождения и существования Вселенной во все времена занимала
человечество. Небо, которое было доступно для его обозрения, очень его
интересовало. Недаром астрономия считается одной из самых древних наук. Для
изучения вселенной в целом, в астрономии появилась новая наука-космология.
По определению А.Л. Зельманова (1913-1987) космология — это совокупность
накопленных теоретических положений о строении вещества и структуре
Вселенной, как цельного объекта, так и отдельные научные знания охваченного
астрономическими наблюдениями мира как части Вселенной.

Оглавление

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ 3
1. СТАНОВЛЕНИЕ КОСМОЛОГИИ 5
1.1. Древняя космология 5
1.2. Начало научной космологии 7
2. КОСМОЛОГИЧЕСКИЕ ПАРАДОКСЫ 10
2.1. Фотометрический парадокс 10
2.2. Гравитационный парадокс 11
2.3. Термодинамический парадокс 11
2.4. Неевклидовы геометрии 14
3. ТЕОРИИ ХХ В. О ПРОИСХОЖДЕНИИ ВСЕЛЕННОЙ 16
3.1. Саморазвивающаяся вселенная А.А. Фридмана 16
3.2. Открытие красного смещения Э. Хаббла 17
3.3. Концепция «Большого взрыва» 17
3.4. Модель «Горячей вселенной» 17
3.5. Модель «Холодной вселенной» 18
3.6. Открытие реликтового излучения 19
4. СОВРЕМЕННАЯ НАУКА О ПРОИСХОЖДЕНИИ ВСЕЛЕННОЙ 20
4.1. Тепловая история или сценарий образования крупномасштабной структуры Вселенной 20
4.2. Теория о раздувающейся Вселенной 22
4.3. Обоснование отсутствия начальной сингулярности в развитии Вселенной 23
4.4. Теория о пульсирующей Вселенной 24
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 26
Список использованной литературы 27

Файлы: 1 файл

Реферат.doc

поверхность любого шара безгранична, хотя и конечна. То есть безграничность и

бесконечность — разные понятия.

3. ТЕОРИИ ХХ В. О ПРОИСХОЖДЕНИИ ВСЕЛЕННОЙ

Наиболее общепринятой в космологии является модель однородной изотропной

нестационарной горячей расширяющейся Вселенной, построенная на основе общей

теории относительности и релятивистской теории тяготения, созданной Альбертом

Эйнштейном в 1916 году. В основе этой модели лежат два предположения: 1)

свойства Вселенной одинаковы во всех ее точках (однородность) и направления

(изотропность); 2) наилучшим известным описанием гравитационного поля

являются уравнения Эйнштейна. Из этого следует так называемая кривизна

пространства и связь, кривизны с плотностью массы. Космологию, основанную на

этих постулатах называют релятивистской. Важным пунктом данной модели

является ее нестационарность, это означает, что Вселенная не может находиться

в статическом, неизменном состоянии.

3.1. Саморазвивающаяся вселенная А.А. Фридмана

Новый этап в развитии релятивистской космологии был связан с исследованиями

идею саморазвивающейся Вселенной. Работа А.А. Фридмана в корне изменила

основоположения прежнего научного мировоззрения. По его утверждению

космологические начальные условия образования Вселенной были сингулярными.

Разъясняя характер эволюции Вселенной, расширяющейся начиная с сингулярного

состояния, Фридман особо выделял два случая:

а) радиус кривизны Вселенной с течением времени постоянно возрастает, начиная

с нулевого значения;

б) радиус кривизны меняется периодически: Вселенная сжимается в точку (в

ничто, сингулярное состояние), затем снова из точки, доводит свой радиус до

некоторого значения, далее опять, уменьшая радиус своей кривизны, обращается

3.2. Открытие красного смещения Э. Хаббла

На этот вывод не было обращено внимания вплоть до открытия американским

Красное смещение — это понижение частот электромагнитного излучения: в

видимой части спектра линии смещаются к его красному концу. Обнаруженный

ранее эффект Доплера гласил, что при удалении от нас какого-либо источника

колебаний, воспринимаемая вами частота колебаний уменьшается, а длина волны

линии спектра сдвигаются в сторону более длинных красных волн.

Так вот, для всех далеких источников света красное смещение было

зафиксировано, причем, чем дальше находился источник, тем в большей степени.

Красное смещение оказалось пропорционально расстоянию до источника, что и

подтверждает гипотезу об удалении их, т. е. о расширении Метагалактики —

видимой части Вселенной.

3.3. Концепция «Большого взрыва»

Составной частью модели расширяющейся Вселенной является представление о

Большом Взрыве, происшедшем где-то примерно 12 — 18 млрд. лет назад.

звезды и галактики. Конечно, со стороны современного астрофизического знания

данная концепция представляет лишь исторический интерес, но сама идея

первоначального взрывоопасного движения космической материи и ее последующего

эволюционного развития неотъемлемой частью вошла в современную научную

3.4. Модель «Горячей вселенной»

Принципиально новый этап в развитии современной эволюционной космологии

связан с именем американского физика Г.А.Гамова (1904-1968), благодаря

которому в науку вошло понятие горячей Вселенной. Согласно предложенной им

сильно сжатых нейтронов, плотность которых достигала чудовищной величины —

один кубический сантиметр первичного вещества весил миллиард тонн. В

своеобразный космологический котел с температурой порядка трех миллиардов

градусов, где и произошел естественный синтез химических элементов. Осколки

первичного яйца — отдельные нейтроны затем распались на электроны и протоны,

которые, в свою очередь, соединившись с нераспавшимися нейтронами, образовали

ядра будущих атомов. Все это произошло в первые 30 минут после «Большого

Горячая модель представляла собой конкретную астрофизическую гипотезу,

указывающую пути опытной проверки своих следствий. Гамов предсказал

существование в настоящее время остатков теплового излучения первичной

горячей плазмы, а его сотрудник Герман еще в 1948 г. довольно точно рассчитал

величину температуры этого остаточного излучения уже современной Вселенной.

Однако Гамову и его сотрудникам не удалось дать удовлетворительное объяснение

естественному образованию и распространенности тяжелых химических элементов

во Вселенной, что явилось причиной скептического отношения к его теории со

стороны специалистов. Как оказалось, предложенный механизм ядерного синтеза

не мог обеспечить возникновение наблюдаемого ныне количества этих элементов.

3.5. Модель «Холодной вселенной»

Я.Б. Зельдович выдвинул альтернативную холодную модель, согласно которой

первоначальная плазма состояла из смеси холодных (с температурой ниже

абсолютного нуля) вырожденных частиц — протонов, электронов и нейтрино. Три

года спустя астрофизики И.Д. Новиков и А.Г. Дорошкевич произвели

сравнительный анализ двух противоположных моделей космологических начальных

условий — горячей и холодной и указали путь опытной проверки и выбора одной

из них. Было предложено с помощью изучения спектра излучений звезд и

космических радиоисточников попытаться обнаружить остатки первичного

излучения. Открытие остатков первичного излучения подтверждало бы

правильность горячей модели, а если таковые не существуют, то это будет

свидетельствовать в пользу холодной модели.

3.6. Открытие реликтового излучения

В конце 60-х годов группа американских ученых во главе с Р. Дикке приступила

к попыткам обнаружить реликтовое излучение. Но их опередили Л. Пепзиас и Р.

Вильсон, получившие в 1978 г. Нобелевскую премию за открытие микроволнового

фона (это официальное название реликтового излучения) на волне 7,35 см.

Примечательно, что будущие лауреаты Нобелевском премии не искали реликтовое

излучение, а в основном занимались отладкой радиоантенны, для работы по

программе спутниковой связи. С июля 1964 г. по апрель 1965 г они при

различных положениях антенны регистрировали космическое излучение, природа

которого первоначально была им не ясна. Этим излучением и оказалось

Таким образом, в результате астрономических наблюдений последнего времени

удалось однозначно решить принципиальный вопрос о характере физических

условий, господствовавших на ранних стадиях космической эволюции: наиболее

что подтвердились все теоретические утверждения и выводы космологической

концепции Гамова. Из двух исходных гипотез теории — о нейтронном составе

«выдержала «только «последняя, указывающая на количественное преобладание

излучения над веществом у истоков ныне наблюдаемого космологического

1. СОВРЕМЕННАЯ НАУКА О ПРОИСХОЖДЕНИИ ВСЕЛЕННОЙ

история или сценарий образования крупномасштабной структуры Вселенной

На нынешней стадии развития физической космологии на передний план

выдвинулась задача создания тепловой истории Вселенной, в особенности

сценария образования крупномасштабной структуры Вселенной. Последние

теоретические изыскания физиков велись в направлении следующей

фундаментальной идеи: в основе всех известных типов физических взаимодействий

лежит одно универсальное взаимодействие; электромагнитное, слабое, сильное и

гравитационное взаимодействия являются различными гранями единого

взаимодействия, расщепляющегося по мере понижения уровня энергии

соответствующих физических процессов. Иначе говоря, при очень высоких

температурах (превышающих определенные критические значения) различные типы

физических взаимодействий начинают объединяться, а на пределе все четыре типа

Речь идет о так называемом фазовом переходе (превращении), т.е. качественном превращении вещества, сопровождающимся резкой сменой одного его состояния другим. Советские ученые-физики Д.А. Киржниц и А.Д. Линде первыми обратили внимание на то, что в начальной фазе становления Вселенной, когда космическая материя находилась в сверхгорячем, но уже остывающем состоянии, могли происходить аналогичные физические процессы (фазовые переходы).

Дальнейшее изучение космологических следствий фазовых переходов с нарушенной симметрией привело к новым теоретическим открытиям и обобщениям. Среди них обнаружение ранее неизвестной эпохи в саморазвитии Вселенной. Оказалось, что в ходе космологического фазового перехода она могла достичь состояния чрезвычайно быстрого расширения, при котором ее размеры увеличились во много раз, а плотность вещества оставалась практически неизменной. Исходным же состоянием, давшим начало раздувающейся Вселенной, считается гравитационный вакуум. Резкие изменения, сопутствующие процессу космологического расширения пространства характеризуются фантастическими цифрами. Так предполагается, что вся наблюдаемая Вселенная возникла из единственного вакуумного пузыря размером меньше 10 в минус 33 степени. Вакуумный пузырь, из которого образовалась наша Вселенная, обладал массой, равной всего-навсего одной стотысячной доле грамма.

Теория о раздувающейся Вселенной

В настоящее время еще нет всесторонне проверенной и признанной всеми теории происхождения крупномасштабной структуры Вселенной, хотя ученые значительно продвинулись в понимании естественных путей ее формирования и эволюции. С 1981 года началась разработка физической теории раздувающейся (инфляционной) Вселенной. К настоящему времени физиками предложено несколько вариантов данной теории.

Обоснование отсутствия начальной сингулярности в развитии Вселенной

Не менее интересен, а в глобальной перспективе более важен другой результат новейших теоретических изысканий – принципиальная возможность избегания начальной сингулярности в ее физическом смысле. Речь идет о совершенно новом физическом взгляде на проблему происхождения Вселенной.

Оказалось, что вопреки некоторым недавним теоретическим прогнозам (о том, что начальную сингулярность не удастся избежать и при квантовом обобщении общей теории относительности) существуют определенные микрофизические факторы, которые могут препятствовать беспредельному сжатию вещества под действием сил тяготения.

Еще в конце тридцатых годов было теоретически обнаружено, что звезды с массой, превышающей массу Солнца более чем в три раза, на последнем этапе своей эволюции неудержимо сжимаются до сингуляторного состояния. Последнее в отличие от сингулярности космологического типа, именуемой фридмановской, называется шварцшильдовским (по имени немецкого астронома, впервые рассмотревшего астрофизические следствия энштейновской теории тяготения). Но с чисто физической точки зрения оба типа сингулярности идентичны. Формально они отличаются тем, что первая сингулярность является начальным состоянием эволюции вещества, тогда как вторая — конечным.

Теория о пульсирующей Вселенной

Академик М.А. Марков выдвинул интересный вариант пульсирующей Вселенной. В логической рамке этой космологической модели старые теоретические трудности, если не решаются окончательно, то, по крайней мере, освещаются под новым перспективным углом зрения. Модель основана на гипотезе, согласно которой при резком уменьшении расстояния константы всех физических взаимодействий стремятся к нулю. Данное предположение — следствие другого допущения, согласно которому константа гравитационного взаимодействия зависит от степени плотности вещества.

Согласно теории Маркова, всякий раз, когда Вселенная из фридмановской стадии (конечное сжатие) переходит в стадию деситтеровскую (начальное расширение), ее физико-геометрические характеристики оказываются одними и теми же. Марков считает, что этого условия вполне достаточно для преодоления классического затруднения на пути физической реализации вечно осциллирующей Вселенной.

Что же ожидает нашу Вселенную в будущем, если она будет неограниченно расширяться? О процессе продолжающегося расширения нашей Вселенной свидетельствуют почти все данные наблюдений. По мере расширения пространства материя, становится все более разреженной, галактики и их скопления все более удаляются друг от друга, а температура фонового излучения приближается к абсолютному нулю. Со временем все звезды завершат свой жизненный цикл и превратятся либо в белых карликов, остывающих до состояния холодных черных карликов, либо в нейтронные звезды или черные дыры. Эра светящегося вещества закончится, и темные массы вещества, элементарные частицы и холодное излучение будут бессмысленно разлетаться в непрерывно разряжающейся пустоте.

Впрочем, черные дыры не останутся без работы. Имея на то достаточно времени, черные дыры поглотят огромное количество вещества вселенной.

Если теория Хокинга верна, то черные дыры будут продолжать испускать излучение, но черным дырам (с массой равной массе Солнца) потребуется очень длительное время, прежде чем это заметно изменит что-то.

Фоновое излучение остынет гораздо раньше, чем черные дыры начнут излучать больше, чем они будут поглощать из этого фонового излучения. Такой момент настанет тогда, когда возраст Вселенной станет примерно в десять миллионов раз больше предполагаемого на сегодня Должно пройти около 10 66 лет, прежде чем черные дыры солнечной массы начнут взрываться, выбрасывая потоки частиц и излучения.

Дж. Берроу из Оксфордского университета и Ф. Типлер из Калифорнийского университета в своих работах нарисовали картину отдаленного будущего неограниченно расширяющейся Вселенной. Даже внутри старой нейтронной звезды сохраняется еще достаточно энергии. Чтобы время от времени сообщать частицам, находящимся вблизи ее поверхности, скорость, превышающую скорость убегания. Предполагается, что в результате этого через достаточно продолжительное время все вещество нейтронной звезды должно испариться. Распадутся и черные дыры, вызвав рождение (в равных пропорциях) частиц и античастиц. По мнению Берроу и Типлера, если запас энергии во Вселенной достаточен только для того, чтобы обеспечить ее неограниченное расширение, то эффект электрического притяжения в электронно-позитронных парах перевесит и гравитационное притяжение и общее расширение Вселенной как целого. За определенное конечное время все электроны проаннигилируют со всеми позитронами. В конечном итоге последней стадии существующей материи окажутся не разлетающиеся холодные темные тела и черные дыры, а безбрежное море разреженного излучения, остывающего до конечной, повсюду одинаковой, температуры.

В литературе по космологии высказывается мнение, что различные космологические модели Вселенной, выдвинутые на основе решения уравнений общей теории относительности, могут характеризовать не просто одну нашу Вселенную, но разные состояния Вселенной в разные периоды ее существования в прошлом и будущем, аналогично потенциально возможным мирам в концепции Лейбница. Все, что не запрещено законами природы, где-нибудь и когда-нибудь может быть реализовано.

Свидетельство и скидка на обучение каждому участнику

Зарегистрироваться 15–17 марта 2022 г.

Описание презентации по отдельным слайдам:

Проблема происхождения вселенной в современной космологии

Космология – наука о Вселенной как едином связном целом. Современная космология — это астрофизическая теория структуры и динамики изменения Метагалактики, включающая в себя и определенное понимание свойств всей Вселенной.

СОВРЕМЕННАЯ НАУКА О ПРОИСХОЖДЕНИИ ВСЕЛЕННОЙ Тепловая история или сценарий образования крупномасштабной структуры Вселенной Последние теоретические изыскания физиков велись в направлении следующей фундаментальной идеи: в основе всех известных типов физических взаимодействий лежит одно универсальное взаимодействие; электромагнитное, слабое, сильное и гравитационное взаимодействия являются различными гранями единого взаимодействия, расщепляющегося по мере понижения уровня энергии соответствующих физических процессов.

Судя по данным астрономии физическая величина космологической постоянной, фигурирующей в эйнштейновских уравнениях тяготения, очень мала, возможно близка к нулю. Но даже будучи столь ничтожной, она может вызвать очень большие космологические последствия.

А.Д. Линде Д.А. Киржниц Советские ученые-физики Д.А. Киржниц и А.Д. Линде первыми обратили внимание на то, что в начальной фазе становления Вселенной, когда космическая материя находилась в сверхгорячем, но уже остывающем состоянии, могли происходить аналогичные физические процессы (фазовые переходы).

отсутствие начальной сингулярности в развитии Вселенной Оказалось, что вопреки некоторым теоретическим прогнозам о том, что начальную сингулярность не удастся избежать и при квантовом обобщении общей теории относительности существуют определенные микрофизические факторы, которые могут препятствовать беспредельному сжатию вещества под действием сил тяготения. Космологическая сингулярность — состояние Вселенной в начальный момент Большого взрыва, характеризующееся бесконечной плотностью и температурой вещества. * Сингулярность – материя, свернутая в точку, с бесконечно высокой плотностью, давлением, температурой.

В конце тридцатых годов было теоретически обнаружено, что звезды с массой, превышающей массу Солнца более чем в три раза, на последнем этапе своей эволюции неудержимо сжимаются до сингуляторного состояния. Последнее в отличие от сингулярности космологического типа, именуемой фридмановской, называется шварцшильдовским (по имени немецкого астронома, впервые рассмотревшего астрофизические следствия энштейновской теории тяготения). Но с чисто физической точки зрения оба типа сингулярности идентичны. Формально они отличаются тем, что первая сингулярность является начальным состоянием эволюции вещества, тогда как вторая — конечным.

Теория о пульсирующей Вселенной Модель основана на гипотезе согласно которой при резком уменьшении расстояния константы всех физических взаимодействий стремятся к нулю. Данное предположение — следствие другого допущения, согласно которому константа гравитационного взаимодействия зависит от степени плотности вещества.

Согласно теории Маркова, всякий раз, когда Вселенная из фридмановской стадии (конечное сжатие) переходит в стадию деситтеровскую (начальное расширение), ее физико-геометрические характеристики оказываются одними и теми же. Марков считает, что этого условия вполне достаточно для преодоления классического затруднения на пути физической реализации вечно осциллирующей Вселенной.

Черные дыры — Область пространства-времени, гравитационное притяжение которой настолько велико, что покинуть её не могут даже объекты, движущиеся со скоростью света, в том числе кванты самого света.

Даже внутри старой нейтронной звезды сохраняется еще достаточно энергии. Чтобы время от времени сообщать частицам, находящимся вблизи ее поверхности, скорость, превышающую скорость убегания. Предполагается, что в результате этого через достаточно продолжительное время все вещество нейтронной звезды должно испариться. Распадутся и черные дыры, вызвав рождение (в равных пропорциях) частиц и античастиц. В конечном итоге последней стадии существующей материи окажутся не разлетающиеся холодные темные тела и черные дыры, а безбрежное море разреженного излучения, остывающего до конечной, повсюду одинаковой, температуры.

Спасибо за внимание

Краткое описание документа:

Космология – наука о Вселенной как едином связном целом.

Современная космология — это астрофизическая теория структуры и динамики изменения Метагалактики, включающая в себя и определенное понимание свойств всей Вселенной.

Космология основывается на астрономических наблюдениях Галактики и других звездных систем, общей теории относительности, физике микропроцессов и высоких плотностей энергии, релятивистской термодинамике и ряде других новейших физических теорий.

Крупномасштабная структура Вселенной – космологический термин, обозначающий структуру распределения вещества во Вселенной на наибольших видимых масштабах.

Некоторые основные составляющие элементы Вселенной

Примером простейшей структуры в космическом пространстве является система планета-спутник. Кроме двух ближайших к Солнцу планет (Меркурий и Венера), все остальные имеют своего спутника, и в большинстве случаев даже не одного. Если Землю сопровождает лишь Луна, то вокруг Юпитера вращается целых 67 спутников, хотя некоторые из них довольно малы. Однако вместе со своими спутниками планеты Солнечной системы вращаются вокруг Солнца, образуя так называемую планетную систему.

В результате наблюдений, астрономами было выявлено, что большинство других звезд также входят в состав планетных систем. Вместе с тем сами светила тоже зачастую образовывают системы и скопления, которые назвали звездными. Согласно имеющимся данным, преобладающая часть звезд составляют парные звездные системы, или с кратным количеством светил. В этом плане наше Солнце считается нетипичным, так как оно не имеет пары

Если же рассматривать околосолнечное пространство в более увеличенных масштабах, то становится очевидно, что все звездные скопления вместе со своим планетными системами образуют звездный остров, так называемую галактику Млечный Путь.

История изучения структуры Вселенной

Разнообразные галактики, открытые в рамках проекта SINGS. Смотреть в полном размере.

Впервые об идее крупномасштабной структуры Вселенной задумался выдающийся астроном Уильям Гершель. Именно ему принадлежат такие открытия как обнаружение планеты Уран и двух ее спутников, двух спутников Сатурна, открытие инфракрасного излучения и идея о движении Солнечной системы сквозь космическое пространство. Самостоятельно сконструировав телескоп и проведя наблюдения, он выполнил объемные подсчеты светил различной яркости в определенных областях небосвода и пришел к выводу, что в космическом пространстве существует большое множество звездных островов.

Позже, в начале ХХ-го века американский космолог Эдвин Хаббл смог доказать принадлежность некоторых туманностей к структурам, отличным от Млечного Пути. То есть было достоверно известно, что за пределами нашей галактики также существуют различные звездные скопления. Исследования в этом направлении вскоре значительно расширили наше понимание Вселенной. Оказалось, что помимо Млечного Пути в космическом пространстве существуют десятки тысяч иных галактик. В попытке составить какую-нибудь упрощенную карту видимой Вселенной ученые наткнулись на тот примечательный факт, что галактики в пространстве распределены неравномерно и составляют собою иные структуры немыслимых размеров.

Скопление галактик в созвездии Гидра

Крупномасштабная структура Вселенной

Со временем ученые обнаружили, что галактики-одиночки – достаточно редкое явление во Вселенной. Подавляющая же часть галактик образуют крупномасштабные скопления, которые могут быть различных форм и включать в себя две галактики или кратное число, вплоть до нескольких тысяч. Помимо огромных звездных островов эти массивные звездные структуры включают еще и скопления газа, разогретого до высоких температур. Несмотря на очень низкую плотность (в тысячи раз меньше, нежели в солнечной атмосфере), масса этого газа может значительно превышать суммарную массу всех звезд в некоторых совокупностях галактик.

Полученные результаты наблюдений и расчетов навели ученых на мысль о том, что скопления галактик также могут образовывать иные более крупные структуры. Вслед за этим стали два интригующих вопроса: если сама по себе галактика, сложная структура, является частью некой более масштабной конструкции, то может ли эта конструкция быть составной чего-нибудь еще большего? И, в конце концов, есть ли предел такой иерархичной структурности, когда каждая система входит в состав другой?

Галактические стены напоминают сплетения нейронов в коре головного мозга человека

Положение Земли во Вселенной

Несколько отходя от темы, укажем положение нашей планеты в столь сложной структуре:

1. Планетарная система: Солнечная
2. Местное межзвёздное облако
3. Галактический рукав Ориона
4. Галактика: Млечный Путь
5. Скопление галактик: Местная группа
6. Сверхскопление галактик: Местное сверхскопление (Девы)
7. Сверхскопление галактик: Ланиакея
8. Стена: Комплекс сверхскоплений Рыб-Кита

Материалы по теме

Анализ сформированной учеными трехмерной модели распределения галактик говорит о том, что ячеистая структура наблюдается на расстоянии в более чем миллиард световых лет в любом направлении. Данная информация позволяет полагать, что в масштабе в несколько сотен миллионов световых лет любой фрагмент Вселенной будет иметь почти одинаковое количество вещества. А это доказывает, что в указанных масштабах Вселенная однородна.

Причины возникновения крупномасштабной структуры Вселенной

Крест Эйнштейна — гравитационно-линзированный квазар

Опираясь на почти однородное реликтовое излучение, ученые убеждены в том, что и вещество во Вселенной должно распределяться равномерно. Но особенность гравитации в том, что она склонна стягивать любые физические частицы в плотные структуры, тем самым нарушая однородность. Таким образом, спустя какое-то время после Большого Взрыва незначительные неоднородности в распределении вещества в пространстве стали все более стягиваться в некоторые структуры. Их возрастающая гравитация (в силу возрастания массы на объем) постепенно замедляла расширение, пока не остановила его вовсе. Мало того, в некоторых частях расширение обернулось в сжатие, что и стало причиной образования галактик и галактических скоплений.

Подобная модель проверялась при помощи компьютерных расчетов. Учитывая совсем незначительные флуктуации (колебания, отклонения) в однородности реликтового излучения, компьютер просчитал, что такие же мелкие флуктуации в распределении вещества после Большого Взрыва при помощи гравитации вполне могли породить скопления галактик и ячеистую крупномасштабную структуру Вселенной.

Читайте также:

  

• Обучение на помощника воспитателя детского сада дистанционно с получением диплома

  

• Методы и модели трудовой мотивации кратко

  

• Метод недописанного тезиса для начальной школы

  

• Консультация психолога для воспитателей в детском саду на тему развитие эмоционального словаря

  

• Мертон социальная теория и социальная структура кратко

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.

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

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:

1. 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.
2. Неизвестно, является ли Вселенная глобально пространственно плоской, то есть применимы ли законы Евклидовой геометрии на самых больших масштабах.
3. Также неизвестно, является ли Вселенная односвязной или многосвязной. Согласно стандартной модели расширения, Вселенная не имеет пространственных границ, но может быть пространственно конечна.
4. 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

Источники

https://ru.wikipedia.org/wiki/Вселенная

https://spacegid.com/kak-poyavilas-vselennaya.html

https://cemicvet.mediasole.ru/chto_bylo_do_poyavleniya_vselennoy

https://v-kosmose.com/kosmos/

https://zaochnik-com.ru/blog/teorii-proisxozhdeniya-i-modeli-vselennoj/

http://www.furfur.me/furfur/culture/culture/168729-vselennaya

https://fb.ru/article/266573/kak-obrazovalas-vselennaya-teorii-obrazovaniya-vselennoy

Попытки человека ответить на вопросы, связанные с образованием Вселенной всегда сталкивались с уже открытыми законами физики, многие из которых просто опровергались смелыми догадками. Если галактика имеет начальную точку своего бытия, значит, одновременно с ней возникли пространство и время, которые принято считать бесконечными. Пока даже квантовая физика не может объяснить, каким образом в одной из микроскопических частиц неживой материи появляется состояние нестабильности, разрастающееся до Большого взрыва, порождающего новый мир.

Определение Вселенной

Пока точно неизвестны причины возникновения, истинные размеры и движущие механизмы космического пространства, частью которого является Земля, точного и неизменного определения Вселенной не может быть. Поэтому объяснения глобального масштаба на эту тему рождаются не только в пределах астрономической науки, но также в философии и математике. Над загадками галактики бьются представители точных и абстрактных наук. Одни вносят в определение Вселенной видимое космическое пространство с солнцами, планетами, газами и туманностями. Другие считают космос живым организмом, состоящим из энергии, времени и материи. Современный уровень астрономических знаний позволяет ученым сойтись на мнении о возрасте галактики Млечный Путь, который оценивается в 13 800 000 000 лет.

Теории происхождения Вселенной

Долгое время астрономы считали, что Вселенная представляет собой огромное стационарное пространство, которое не имеет ни начала, ни конца. Однако открытие реликтового излучения, которое является остаточной радиацией от предполагаемого Большого взрыва, кардинально изменило данное мнение. Сейчас уже очевидно, что галактика постоянно расширяется, а звезды в ней живут в течение разного времени, становясь белыми карликами или красными гигантами. Однако единого мнения о самом процессе возникновения Вселенной пока не существует, а в астрономии имеется несколько альтернативных гипотез по этому поводу.

Креационизм

Сторонники данной теории отдают первенство в создании всего сущего некоему высшему акту творения. Отвергая первооснову материальных законов физики, представители разных направлений креационизма настаивают на волевом импульсе, положившем начало жизни Вселенной. Одни из них основывают свои убеждения на изучении Ветхого Завета и других религиозных источников. Другие признают существование неведомого разумного начала, которому подчиняются все движущие силы в космическом пространстве. Некоторые верят в некую загадочную цивилизацию, наделенную высшей способностью управлять вселенскими законами.

Теория Большого взрыва

Общепринятым представлением о возникновении галактики в астрономии является теория Большого взрыва. Ее объясняют возникновением начальной сингулярности космической материи, с ее последующим резким расширением. Сам термин ввел в астрономию ученый Фред Хойл, выступая с лекцией в 1949 году. Однако он не являлся приверженцем теории одного главного взрыва, давшего жизнь Вселенной. По его мнению, единственный мощный начальный толчок к рождению галактики опровергает ее бесконечность.

Модель расширяющейся Вселенной

Результатом великих открытий А. Эйнштейна стало изменение фундаментальных представлений об устройстве галактики. В основу модели нестационарной и постоянно расширяющейся горячей Вселенной легла теория относительности. Основываясь на ней, советский физик М. Фридман сделал вывод о том, что изотропная и одновременно однородная космическая субстанция является одинаковой во всей своей протяженности. Уравнение Эйнштейна о состоянии гравитационного поля указывает на зависимость плотности галактической массы от кривизны пространства. Данные предположения определяют раздел космогонической теории, названный релятивистским.

Теория эволюции крупномасштабных структур

Только к началу 20-го века астрономам стало известно о скоплении звезд в определенные группы небесных тел, множество которых образует более крупные галактические объединения. Но столь крупные образования не являются пределом в космическом масштабе. Дальнейшее изучение Вселенной привело к обнаружению скоплений из галактик, а также супер скоплений. Сверхскопление представляет собой самый объемный вид, из всех известных объединений разных галактик, в одну цепочку или стену. Из наиболее крупных формирований такого рода известны стены Слоуна и Геркулеса, а также великая цепочка, открытая Маркаряном.

Теория струн

Струнное направление в теории возникновения Вселенной основывается на существовании своеобразных энергетических нитей. Они обладают способностью сжатия, растяжения и постоянной вибрации. В этом мире крошечных частиц перестают действовать законы физики, так как он существует на субатомном уровне. В таком состоянии пространство наполнено хаотичной и неровной тканью, характеризуемой искривлением времени. Все переплетается между собой и обычные понятия перестают работать, из-за эффекта размазанности частиц по великому количестве областей времени-пространства. Субатомные частицы периодически теряют свой статус, принимая волновую природу, названную принципом механического дуализма квантовой физики.

Хаотичная теория инфляции – теория Андрея Линде

Астрофизик из Университета в Стэнфорде, по имени Андрей Линде, изложил свои сомнения в одноразовом взрыве, приведшем к возникновению огромного космического образования. Его теория сводится к тому, что под Большим взрывом, скорее всего, следует понимать беспорядочную инфляцию, происходившую на протяжении достаточно длительного времени. Толчок к процессу внезапного расширения галактики может дать скопление достаточного количества потенциальной энергии в одной точке Космоса. Хаотическая теория возникновения Вселенных была разработана в 80-е годы 20-го века, когда изучение реликтового излучения показало включения разной интенсивности.

Теория Ли Смолина

Ученый не опровергает факт существования Большого взрыва, но оставляет ему место промежуточного события в рождении Вселенной. По его мнению, момент наибольшего расширения появляется не в начале, а на этапе перехода с одной фазы состояния космического объекта на другую. Ли Смолин считает, что сначала материя галактики существовала на уровне сингулярности, аналогичной черной дыре, из которой она впоследствии и возникла.

Эволюция Вселенной

Основываясь на основных принципах теории Большого взрыва, можно прийти к выводу о прямой зависимости эволюционного процесса Вселенной от изменения плотности вещества. Она может расширяться неограниченное количество времени, если плотность материи не превышает критических показателей. В случае превышения критического числа, теоретически начинается обратный процесс сжатия космической материи. Его конечной стадией становится возвращение к исходному состоянию сингулярности, близкому к плотности черных дыр.

Что было до Вселенной?

После принятия официальной наукой Большого взрыва за точку рождения галактики, закономерно появился вопрос о том, что было до него. Пока однозначного ответа у ученых нет, потому что их имеется большое количество. Знаменитый английский теоретик физики и астрономии Стивен Хокинг поддержал предположение о происхождении Вселенной из неопределенного Ничего. Подобно еще целому ряду математиков, он пришел к такому выводу, опираясь на точные безошибочные расчеты. Вопрос остается только в том, что представляет собой это великое Ничто, порождающее галактики.

Ученые пытаются объяснить, чем заменяются привычные людям формы существования материи, элементарных частиц, если из них со временем могут возникать маленькие или великие взрывы. Возможно, что в этом первичном состоянии отсутствуют не только молекулы и атомы, но даже пространство и время. Для получения искусственного Ничто проводятся опыты в специальной камере, из которой удалено малейшее присутствие каких-либо веществ, а температура понижена до показателей открытого космоса. Результат подтвердил математические расчеты, так как изменения, происходящие в камере, можно было наблюдать и изучать.

Теория мультивселенной

В современной космогонической теории принято считать, что Вселенных в космическом пространстве существует бессчетное множество. Они беспорядочно, по мнению людей, возникают и прекращают свой путь. Многочисленные Большие взрывы постоянно происходят где-то за пределами нашей галактики Млечный Путь. Сначала космическая субстанция раскаляется до температур непостижимой величины, когда даже атомы веществ не могут сформироваться. В этом состоянии нейтроны и протоны двигаются с бешеными скоростями, не успевая создавать атомные ядра. Такой накал продолжается в течение нескольких долей секунды, после чего пространство переходит в стадию экспоненциального расширения. В процессе остывания пролетающие электроны сталкиваются с протонами и создают ядра атомов, а затем из них получаются звезды. В недрах первых звездных образований происходит ядерная реакция. В результате, из пылающего горнила рождается все новое количество атомов, дающих основу всем видам материи.

Теория белых и черных дыр

Реально существующие в Космосе черные дыры поглощают материю, как бы принимая отслужившие элементы солнц и планет в своеобразную переработку. Они затягивают в себя все, что больше не может сопротивляться их притяжению, включая даже звездный свет. После открытия черных дыр, часть ученых в теории предположила, что должны существовать также их антиподы – белые дыры, которые ничего не принимают в себя. Учение о противоположностях черных дыр существует пока только в математических расчетах, но в астрономии часто происходили реальные открытия, подтверждающие предварительные гипотезы.

В теории относительности ее основатель А. Эйнштейн приводит уравнения, которые являются серьезным аргументом в пользу присутствия «кротовых нор» или туннелей во временном пространстве. Известный астрофизик Шварцшильд, фамилия которого переводится как «червоточина», приводит пример расчетов о связи двух Вселенных через белую и черную дыры. Другие физики предполагают, что черные дыры существуют для поглощения, а белые – для вылета космической энергии с противоположной стороны.

Большой скачок

Гипотеза, заменяющая Большой взрыв отскоком вполне допускается квантовой физикой, хотя и вступает в противоречия с главными положениями теории относительности. Явления, характерные для космических масштабов, где взаимодействуют огромные величины масс и энергий, вполне подходят под описания Эйнштейна. Однако на атомном и элементарном уровнях гравитация предельно мала, что дает простор теории квантовой механики. В таком русле исследования можно предположить, что при недостаточном количестве энергии у частиц, они не могут преодолеть барьер сингулярности без скачка чтобы перейти к этапу создания нового мира.

Теория циклической Вселенной

Модель циклического рождения галактики не опровергает положение о Большом взрыве, но вносит в него свои коррективы. Теоретически утверждается, то таких взрывов было несколько, и они находились в определенной последовательности. Предположительно, после резкого расширения Вселенной она приходила в состояние сильного сжатия, чтобы снова произвести хлопок. Между двумя этими состояниями могло возникать состояние Большого отскока. Ученые также полагают, что в конце своего существования галактика может прийти к замороженному состоянию или «тепловой смерти».

Проблемы современных моделей и теорий

Все астрономические доводы в пользу происхождения Вселенной от состояния сингулярности до Большого взрыва не складывается в логически замкнутый круг. Наука заходит в тупик, когда надо объяснить, что было до рождения галактики в физическом понимании. Пока исследователям реально доступен только отрезок существования Вселенной, а откуда она берется и куда исчезает, пока остается открытым вопросом, окруженным множеством гипотез.