Вибухають Всесвіт

[ виправити ] текст може містити помилки, будь ласка перевіряйте перш ніж використовувати.

скачати

Введення

З того часу, коли Галілей вперше за допомогою телескопа досліджував Чумацький Шлях, ми знаємо, що він складається із зірок, а Сонце являє собою лише одну з сотень мільярдів зірок, що утворюють Галактику Чумацького Шляху, а за межами нашої Галактики лежить неосяжна Всесвіт. За останні роки наука досягла захоплюючих результатів. Космологія, що оперує на рівні надвеликих величин, а фізика елементарних часток - на рівні неймовірно малих величин, найпотужніші оптичні, інфрачервоні, рентгенівські і радіотелескопи - все це дозволило створити приголомшливу сучасну картину - Всесвіт, неймовірно розпросторені у просторі та часі, що містить безліч вражаючих об'єктів, рухаються з неймовірними швидкостями. Природно постає питання: чи було у Всесвіті початок, і що було таким «початком», який вік Всесвіту, чи буде кінець її існування? На ці питання я спробую відповісти у своїй роботі.

Відкриття вибухає Всесвіту

На початку 20-х рр.. XX ст. Всесвіт здавалася астрономам постійною і незмінною, але нові досягнення в теорії та результати спостережень розвіяли уявлення про статичності всесвіту. У 1917 р. Альберт Ейнштейн створив загальну теорію відносності (ЗТВ). Вона описувала природу гравітації, а поведінка Всесвіту визначалося саме гравітацією. Мовою рівнянь Ейнштейна гравітація є викривлене простір (точніше, простір-час), Ступінь викривлення якого визначається кількістю матерії у Всесвіті. Згідно ейнштейнівської теорії всесвіту простір-час - це щось живе власної динамічною життям, викривляються, розширюватися або стискатися у відповідності зі строго певними законами. Ейнштейн, який, як і всі його сучасники виходив з статичності і незмінності всесвіту жахнувся, коли з його рівнянь стало видно, що простір-час має розширяться, - що Всесвіт повинен ставати все більше, - і виправив рівняння, додавши новий член, «космологічну постійну », з метою ліквідувати розширення і відновити статичність. Пізніше він назвав це своєю найсерйознішою наукової помилкою. [1]

На початку 20-х рр.. рівняння Ейнштейна, що описують природу всесвіту, були розглянуті радянським ученим А. Фрідманом, який у 1922 р. отримав стандартний набір рішень. Моделі Фрідмана, як їх називають, дають основні передумови нашого уявлення про Всесвіт: з плином часу Всесвіт повинна еволюціонувати. Була передбачена необхідність існування в минулому «сингулярного стану» - речовини величезної щільності, а значить, і необхідність якоїсь причини спонукала надщільного речовина почати розширяться. Це було теоретичним відкриттям вибухає Всесвіту, відкриття було зроблено без наявності будь-яких ідей про самого вибуху, про причину початку розширення Всесвіту. Ейнштейн спочатку не погоджувався з висновками радянського математика, але потім повністю їх визнав. Пізніше він став схилятися до думки, що / - член (так позначають космологічну постійну) не слід вводити в рівняння тяжіння, якщо їх рішення для всього світу можна отримати і без космологічної сталої. [2]

Ідеї ​​вимагали підтвердження. Саме в цей час астрономи створили ряд великих телескопів для дослідження Всесвіту і виявили, на скільки обмежені були їхні колишні погляди.

Американський астроном Едвін Габбл, який працював в обсерваторії Маунт-Вільсон у Каліфорнії, в1929 р. виявив, що багато туманні плями в небі вдається розділити на окремі зірки, і вони є ні що інше, як самостійні галактики, що лежать далеко за межами Чумацького Шляху. Потім Хаббл зробив ще більш грандіозне відкриття, він виявив, що у далеких галактик систематично спостерігається червоне зміщення у спектрах, пропорційне відстані від кожної галактики до Землі. Це червоне зміщення являє собою зсув ліній видимого спектру в червону область у порівнянні з очікуваною картиною. Це явище можна тлумачити як подовження світлових хвиль тому червоне світло відповідає довгохвильовому краю видимого спектру (блакитне світло має більш короткі довжини хвиль, скорочення довжин хвиль викликало б блакитний зрушення). Існує прийнятне єдине пояснення цього явища: довжина хвилі світла збільшується, тому що галактика віддаляється від нас. Однак це не означає, що наша галактика знаходиться в центрі Всесвіту, а всі інші віддаляються від неї. Уявіть собі що роздувається гумовий кульку з нанесеними на нього точками. Кожна точка «бачить», як будь-яка інша видаляється зі швидкістю пропорційною відстані, що розділяє їх, але насправді ні одна з точок не рухається по поверхні кулі. За законом Хаббла Всесвіт веде себе аналогічним чином, порожній простір - ейнштейнівське простір-час розширюється і розсовує галактики все далі один від одного, хоча самі вони не рухаються у просторі.

Уми астрономів були готові до цього вже в 30-х рр.., І протягом трьох десятиліть вони сподівалися, що у всесвіту має бути початок, з якого пішов процес розширення. Але лише в 60-х ця ідея стала перетворюватися на щось більш конкретне. До цього Великий Вибух здавався абстракцією, його не можна було ні побачити, ні почути, ні відчути, у астрономів не було впевненості, що гіпотеза вірна. У 1964 р. Арно Пензіас Роберт і Вільсон, працюючи в американській лабораторії «Белл Телефон Лабораторіз», знайшли спосіб «відчути» Великий Вибух. За допомогою чутливої ​​радіоантени та системи посилення вчені вивчали слабкі радіосигнали, які відбивалися супутниками «Відлуння», а також легкий радіошумів Чумацького Шляху, і на свій подив виявили слабкий, але рівномірний сигнал, що приходить з усіх напрямків у просторі. Минали місяці, а він не мінявся, хоча антена спрямовувалася на різні ділянки неба, обертаючись разом з землею кругом неї осі і навколо сонця. Шум не міг виходити від будь-якого джерела на Землі, антену розбирали, монтували заново, але шум у короткохвильовому приймачі не зникав. У цей час Пензіас і Вільсон дізналися про розрахунки П. Дж. Е. Поблизу, фізика з Прінстонського університету, з яких випливало, що якщо Всесвіт виник при Великий Вибух, то для запобігання злиття всіх компактних часток у важкі елементи і для збереження достатньої кількості водню і гелію для формування зірок і галактик у Всесвіті необхідна наявність величезної щільності випромінювання. З розширенням Всесвіту випромінювання остигало, продовжуючи наповнювати Всесвіт, але в більш "розбавленому» вигляді. Поблизу передбачив, що сьогодні його можна виявити як випромінювання, з температурою на кілька градусів вище абсолютного нуля за шкалою Кельвіна. Розрахунки Поблизу пояснювали походження радіошумів, який чули Пензіас і Вільсон. Простір - наш Всесвіт - виявилося заповненим дуже слабкими радіохвилями з енергією, еквівалентній 3 ОК (0о за шкалою Кельвіна відповідає -273 оС). [3] За звичайними стандартами це дуже слабкий сигнал, але, оскільки їм заповнено весь простір, виходить величезна к- ть енергії. Космічне випромінювання було віддаленим луною Великого Вибуху, останнім слідом вогненної кулі, в якому зародилася Всесвіт, вчені назвали його реліктовим випромінюванням.

Доводи на захист цієї теорії прості. Всесвіт при народженні була дуже гарячою, з високою концентрацією енергії і матерії, розширювалося простір і випромінювання, але в міру розширення енергія розосереджувалися, зі зменшенням щільності енергії температура падала. Зараз температура фонового випромінювання в точності відповідає розширенню, події з моменту Великого Вибуху. Якщо підрахувати загальну щільність енергії, яка сьогодні міститься в реліктовому випромінюванні, то вона опиниться в 30 разів більше, ніж щільність енергії у випромінюванні від зірок, радіогалактик та інших джерел разом узятих. Можна підрахувати кількість фотонів реліктового випромінювання, що знаходяться в кожному кубічному сантиметра Всесвіту. Виявляється, що концентрація цих фотонів: N ~ 500 штук в см3. [4]

Великий Вибух виявився нічим більш реальним, ніж результати математичних побудов. У 1978 р. Пензіас і Вільсон були удостоєні Нобелівської премії за своє відкритішою.

Вік Всесвіту

Питання про вік Всесвіту є найбільш спірним. Ще в 1929 р. вдосконалення методик вимірювання відстаней до оточуючих галактик дозволило отримати більш точне значення відношення швидкості розбігання до відстані - так званої постійної Хаббла. Її величина оцінюється в інтервалі від 50 до 100 км / с з мегапарсек (31 / 4 мільйона світлових років). Іншими словами, на кожні 75 км виміряної швидкості розбігання припадає близько 31 / 4 мільйони світлових років відстані між ними і даної галактикою. Постійна Хаббла показує, наскільки швидко розширюється Всесвіт, а це в свою чергу дозволяє обчислити, коли стався Великий Вибух. Підрахований на основі цих міркувань вік Всесвіту становить від 15 до 20 млрд. років. З висновками Хаббла були згодні далеко не всі астрономи, зокрема вчений Техаського університету де Вокулера вважав, що ми живемо на у звичайній області Всесвіту, а в аномальній, і потрібен якийсь більш досконалий метод визначення. У 1979 р. Марк Ааронсон і його колеги з обсерваторії Стюарда вирішили виміряти не видиме світло Галактик, а їх інфрачервоне випромінювання, тому що воно не затримується пилом і не треба робити поправку на поворот Галактик. У результаті було підтверджено припущення де Вакулера про те, що ми, справді, живемо в аномальній області Всесвіту. Ми знаходимося на відстані приблизно 60 млн. світлових років від суперскопленія в Діві і прагнемо до нього під дією тяжіння з вельми великою швидкістю. Значить, для того щоб отримати правильне значення постійної Хаббла, потрібно з швидкості розбігання галактик (з якою вони віддаляються від нас) відняти цю швидкість. Але деякі вчені вважають, що ми рухаємося до сузір'я Лева, а не Діви, зі швидкістю приблизно 600 км / с. Які ж вимірювання віку Всесвіту вірні, поки не відомо.

Є ще методи визначення віку Всесвіту, але вони дозволяють знайти лише вік нашої Галактики, але оскільки добре відомо наскільки Всесвіт старше Галактики то ці методи дуже надійні. В одному з методів використовуються гігантські скупчення зірок, так звані глобулярні скупчення, які оточують нашу Галактику. Вчені Герцшпрунг і Рессел створили графік залежності абсолютної яскравості від температури поверхні зірок і на підставі цього зробили висновок, що вік глобулярних скупчень від 8 до 18 млрд. років, значить Всесвіту має бути не більше 10 млрд. років.

Є метод, що полягає у спостереженні швидкостей розпаду різних радіоактивних речовин. Мірою швидкості цього процесу служить так званий період напіврозпаду - час, протягом якого розпадається половина ядер даної речовини. Вимірюючи періоди напіврозпаду атомів радіоактивних елементів в Сонячній системі, можна визначити її вік, а на його основі - вік нашої Галактики, і знову результати вказують, що Галактиці більше 10 млрд. років. Співробітник Чиказького університету Девід Шрамм та деякі інші вчені застосували ряд методів визначення віку Галактики, а потім обробили результати для одержання найбільш вірогідного значення. Таким чином, вони отримали оцінку 15-16 мільярдів років. Але і це переконало аж ніяк не всіх. Гаррі Шіпмен з університету Делавера нещодавно провів дослідження еволюції білих карликів і визначив їх кількість в нашій Галактиці; тепер він стверджує, що Чумацького Шляху не більше 11 мільярдів років. З його висновками згодні Кен Джейнс з Бостонського університету і П'єр де Марк з Єля. Вони уважно вивчили методику визначення віку глобулярних скупчень на основі графіків залежності світність - температура і прийшли до висновку, що врахування похибок у спостереженнях зірок, а також деяких теоретичних припущень дозволяє знизити оцінку їхнього віку до 12 мільярдів років. [5]

Сьогодні вчені з впевненістю можуть стверджувати лише те, що вік Всесвіту становить від 10 до 20 мільярдів років. Це означає, що близько 10-20 мільярдів років тому відбувся колосальний вибух, в результаті якого відбулося народження нашого Всесвіту.

Великий Вибух

Якою ж була Всесвіт у момент свого народження? Це питання має сенс, тільки якщо він відноситься до миті, наступного безпосередньо за початком, тобто на момент часу, коли застосування фізичних законів стає вже розумним.

Через всього одну соту секунди після початку, космос займав набагато менший об'єм, тим тепер, і був заповнений стиснутим речовиною при температурі в мільярди градусів з щільністю в трильйони разів вище, ніж щільність води. У цих умовах не могли існувати ні ядра, ні тим більше атоми, які були б зруйновані бурхливим тепловим рухом. Отже, якщо відправною точкою ми будемо вважати десятитисячний частку секунди після самого початку, то з пророблених обчислень випливає, що радіус кривизни Всесвіту в цей момент дорівнював приблизно однієї тридцятий частини світлового року, тобто 300 мільярдів кілометрів, що в 1000 разів перевищує розміри Сонячної системи. [6] Хоча це і колосальна величина, але вона незначна порівняно з розмірами сучасному Всесвіті, таким чином речовина знаходилася у вкрай стислому стані з щільністю в тисячі мільярдів разів більше, ніж щільність води і за надзвичайно високій температурі близько одного трильйона градусів. Чим же був заповнений космос у ці миті? Нагадаємо, що температура газу представляє собою не що інше, як міру середньої енергії складових його часток. Якщо ці частки спробувати нагріти до трильйона градусів, то вони будуть стикатися один з одним з такою силою, що атоми розіб'ються на ядра й електрони; у свою чергу ядра розіб'ються на нейтрони і протони, з яких вони складаються. Більш того, енергія розлітаються частин буде настільки висока, що зможе матеріалізуватися згідно з формулою E = mc2 і привести до появи речовини - антиречовини (пар мюонів і електрон-позітних пар).

Космічні зіткнення спочатку відбуваються в шаленому ритмі, який з часом затихає, врешті-решт, зіткнення стають зовсім рідкими. Зростаючи, Всесвіт охолоджується зі швидкістю, обернено пропорційною її радіусу. У свою чергу радіус Всесвіту збільшується як корінь квадратний з минулого часу; так, наприклад, при збільшенні часу від однієї до чотирьох секунд радіус Всесвіту збільшиться в два рази, в той час як температура зменшиться вдвічі. Після однієї секунди після початку пропадають мюони, і починається утворення більш стабільних ядер (головним чином ядер гелію, або a-частинок, що складаються з двох протонів і двох нейтронів). Протягом наступних трьох хвилин нуклеосинтез по суті закінчується. Через чверть години після початку радіус всесвіту досягає 100 світлових років, а температура дорівнює 300 млн. градусів, що порівнянно з температурою спостерігається при термоядерних вибухах. З цього моменту спостерігається більш повільне охолодження Всесвіту поряд з її розширенням, і пройде ще мільйон років, перш ніж відбудеться новий якісний стрибок у картині розвитку Всесвіту. Температура при цьому впаде до чотирьох тисяч градусів, і вільні електрони почнуть рекомбінувати з ядрами, утворюючи атоми, які, нарешті, будуть здатні протистояти зменшити рівні тепла.

Що б ми побачили б, якби могли окинути поглядом простір в ту далеку первісну епоху? Яскравість рівномірного світіння неба всього в десять разів менше, ніж біля поверхні Сонця (що дуже близько до яскравості світіння сонячних плям, в сою чергу порівнянної з яскравістю дугової лампи). Спека, як у пеклі, підтримує речовина в збудженому стані, не даючи йому конденсуватися. Після утворення атомів речовина ставати прозорим для світла, і світло блукає протягом мільярдів років по всій Всесвіті аж до наших днів. Чому ж ми його не бачимо? Відповідь полягає в тому, що його все-таки вдалося побачити, хоча і не у вигляді світла в звичайному сенсі, про що ми вже говорили раніше, мова йде про так званому реліктовому випромінюванні. Воно являє собою найдавніше з наявних свідчень нашої еволюції; воно було испущен, коли минуло менше однієї тисячної частки всього життя Всесвіту.

Чи існують причини, крім простої цікавості, через яку слід визначати різні чисельні характеристики «сверхварева» речовини, що з'явився слідом за Великим Вибухом? Ось одна з них.

З обчислень випливає, що залишився «попіл» повинен був складатися приблизно на три чверті з водню; інша частина - це гелій і дуже малі домішки більш важких елементів. Не випадково, що такий же початковий склад галактичного речовини виходить і з даних про еволюцію зірок. Крім того, в цьому місиві повинен був бути присутнім важкий ізотоп водню - дейтерій, відносно легкий в порівнянні з іншими ядрами. По всій видимості, дейтерій не може створюватися в горнилі зоряних печей, де він би відразу перетворювався на гелій або, так чи інакше, руйнувався. Тому зустрічається в даний час дейтерій (навіть у стінах будинків) повинен був зберегтися з часу Великого Вибуху. Якщо Всесвіт дійсно була тоді дуже щільною (настільки, щоб бути замкнутої), то, як показують розрахунки, приватні зіткнення дейтронів (ядер дейтерію) з іншими ядрами надзвичайно швидко привели б до їх руйнування.

Таким чином, виявлення значної кількості дейтерію в нинішній Всесвіту вказувало б на малу щільність речовини в ній, тобто на те, що Всесвіт відкрита. Спостереження нашої Галактики, судячи з усього, підтверджують існування міжзоряних хмар, що складаються з дейтерію, що говорить на користь моделі відкритої Всесвіту, принаймні, тимчасово, оскільки не виключена можливість, що буде виявлено спосіб утворення дейтерію в зірках, що суперечить нашим міркуванням.

Коли ж з'явилися Галактики? Після відриву випромінювання від речовини Всесвіт як і раніше складалася з досить однорідної суміші частинок і випромінювання. У ній вже містилося речовина, з якого згодом утворилися галактики, але поки його розподіл залишалося в основному рівномірним. Відомо, однак, що пізніше настав етап неоднорідності, інакше зараз не було б галактик. Але звідки ж узялися флуктуації, що призвели до появи галактик?

Астрономи вважають, що вони виявилися дуже рано, практично відразу ж після Великого вибуху. Що їх викликало? Точно невідомо і, можливо, ніколи не буде відомо напевно, але вони якимось чином з'явилися практично в самий перший момент. Можливо, спочатку вони були досить великі, а потім згладилися, а може бути, навпаки, збільшувалися з плином часу. Відомо, однак, що після закінчення епохи випромінювання ці флуктуації стали рости. З плином часу вони розірвали хмари частинок на окремі частини. Ці гігантські клуби речовини розширювалися разом з Всесвіту, але поступово почали відставати. Потім під впливом взаємного тяжіння частинок почало відбуватися їх ущільнення. Більшість цих утворень спочатку повільно оберталося, і в міру ущільнення швидкість їх обертання зростала.

Турбулентність у кожному з фрагментів була досить значна, і хмара дробилося ще більше, до тих пір, поки не залишилися області розміром зі зірку. Вони ущільнювалися і утворювали так звані протозірки (хмара в цілому називається протогалактікі). Потім спалахнули зорі й галактики придбали свій нинішній вигляд.

Ця картина досить правдоподібна, але все ж таки залишається ряд невирішених проблем. Як, наприклад, виглядали ранні форми галактик (їх зазвичай називають первинними галактиками)? Оскільки поки жодна з них не спостерігалася, порівнювати теоретичні побудови не з чим.

Є й інші труднощі. Замислимося над тим, що ми бачимо, вдивляючись в глибини космосу. Ясно, що при цьому ми заглядаємо в минуле. Чому? Та тому, що швидкість світла не нескінченна, а має межу; для того щоб дійти до нас від віддаленого об'єкта, світла потрібно деякий час. Наприклад, галактику, що знаходиться від нас на відстані 10 мільйонів світлових років, ми бачимо такий, якою вона була 10 мільйонів років тому; галактику на відстані 3 мільярдів світлових років ми спостерігаємо віддаленої від нас у часі на 3 мільярди років. Вдивляючись ще далі, ми бачимо все більше тьмяні галактики, і, нарешті, вони стають зовсім не видно - за певною кордоном можна спостерігати тільки так звані радіогалактики, які, схоже, у багатьох випадках знаходяться в стані вибуху. За цією межею розташовані особливо дивні галактики - потужні джерела радіовипромінювання з надзвичайно щільними ядрами.

Нарешті, на самій околиці Всесвіту можна розгледіти тільки квазари. Їх виявили на початку 60-х років, і з тих пір вони залишаються для нас загадкою. Вони випускають більше енергії, ніж ціла галактика (але ж в неї входять сотні мільярдів зірок), при дуже малому розмірі - не більше Сонячної системи. У порівнянні з кількістю випромінюваної енергії такий розмір просто сміхотворний. Як може такий малий об'єкт давати стільки енергії? На цю тему в останні роки багато міркували, в основному стосовно до чорних дірок, але відповіді поки немає. Відповідно до найбільш прийнятною моделлю, квазар - це щільний згусток газу і зірок, що знаходиться поблизу від чорної діри. Енергія виділяється, коли газ і зоряне речовина поглинаються чорною дірою. Важливо пам'ятати, що ми бачимо всі ці об'єкти такими, якими вони були давним-давно, коли Всесвіту було, скажімо, лише кілька мільйонів років від роду. Оскільки на самій околиці видно тільки квазари, напрошується висновок, що вони є одна з перших форм галактик. Ближче до нас знаходяться радіогалактики, так, може бути, вони походять від квазарів? Ще ближче звичайні галактики, які, отже, походять від радіогалактик? Виходить як би ланцюг еволюції: квазари, радіогалактики і звичайні галактики. Хоча такі міркування здаються цілком розумними, більшість астрономів з ними не погоджується. Одне із заперечень - різниця в розмірах між квазарами і галактиками. Слід, однак, згадати, що нещодавно навколо деяких квазарів виявлені туманності. Можливо, ці туманності потім конденсуються в зірки, які об'єднуються в галактики. Через згаданої вище та інших труднощів велика частина астрономів воліє вважати, що й на самому ранньому етапі є первинні галактики, але вони дуже слабкі і тому не видно. Більше того, нещодавно виявлені нові свідчення, що підтверджують таке припущення, зареєстровано кілька галактик, що знаходяться на 2 мільярди світлових років далі, ніж сама далека з відомих галактик. Вони настільки слабкі, що для отримання їх зображення на фотопластинці знадобилася експозиція 40 год

Хоча в загальних рисах нам ясно, що тоді відбувалося, але механізм утворення Галактик все ж зрозумілий не до кінця і суперечить акуратним підрахунками спостережуваних мас Галактик і їхніх скупчень. Проникаючи з допомогою телескопів все далі в глиб космосу, було виявлено, що найбільш віддалені об'єкти переміщаються зі швидкостями, впритул наближаються до швидкості світла, і тому вони перестають бать видимими. Десь далеко існує горизонт, і світло від об'єктів, що знаходяться за ним, до нас ще не дійшов. Перебувати цей горизонт на відстані приблизно 12 мільярдів світлових років. [7] На скільки можна судити, космос заповнений безліччю галактик (десятками мільярдів), об'єднаних у гігантські скупчення, містять сотні і тисячі галактик. Так ось діаметри галактик коливаються від 10 до 100 тис. світлових років, тоді як відстань від нас до найближчої гігантської Галактики - туманності Андромеда - перевищує 2 мільйони світлових років. Розміри великих скупчень галактик близько 10 мільйонів світлових років, а сверхскоплений 100-300 мільйонів світлових років. [8]

Останнім часом були проведені масові вимірювання червоних зміщень для більш ніж 10 тисяч галактик, використовуючи отримане відстань до галактик, за допомогою комп'ютерів були побудовані тривимірні картини розподілу галактик у Всесвіті. Тут-то вчені і зіткнулися з несподіваним результатом. Якщо наївно вважати, що всі структурні рівні матерії якісно схожі один на одного і відрізняються тільки просторовими розмірами, то цілком природно було припустити, що галактики об'єднуються у скупчення галактик точно так само, як зірки об'єднуються в галактиці, проте дійсність виявилося зовсім інший. Переважна частина галактик (80-90%) виявилася сконцентрованої в сильно витягнуті ниткоподібні (філаментарние) структури товщиною менше 30 мільйонів світлових років і довгою до 300 мільйонів світлових років. Сусідні нитки перетинаються між собою, утворюючи пов'язану, тривимірну сітчасто-пористу структуру. Цю структуру і називають зазвичай системою сверхскоплений, умовно проводячи межу між окремими надскупченнями там, де нитки стають тонше і рідше. Великі скупчення галактик містять в собі дуже малу частку всіх галактик (менше 10%) і розташовуються, як правило, в близи точок перетину ниткоподібних структур, решта простору майже не містить галактик. Були виявлені гігантські порожнечі з розмірами в десятки мегапарсек. Перша порожнеча «ввійдемо» була виявлена ​​в напрямку на сузір'я Волопаса. Комірчаста структура не збирається в крупніші утворення, а в середньому рівномірно заповнює Всесвіт. Масштаби осередків близько 300 мегапарсек, щільність світиться речовини, усереднена за об'ємом осередку, дорівнює 3.10 -31 г/см3. Це і є середнє значення щільності речовини спостережуваного Всесвіту. Контраст щільності речовини зменшується зі зростанням просторового масштабу структур. Правда, астрономічні оцінки мас не дуже надійні, тому що крім світного речовини самих галактик у просторі навколо них існують, мабуть, значні маси речовини, спостерігати які не вдається. Приховані маси виявляють себе тільки тяжінням, яке позначається на русі галактик в групах і скупченнях, за цими ознаками оцінюють пов'язану з ними середню щільність, яка, як вважають, може бути в два-три або навіть п'ять-десять разів більше усередненої густини галактик. Та обставина, що кількість галактик і щільність речовини виявляються однаковими в досить великих обсягах, де б ці області не знаходилися, означає що Всесвіт, розглянута у великому масштабі, є в середньому однорідною. Це одне з фундаментальних властивостей навколишнього світу.

Майбутнє Всесвіту

Сучасна наука, розглядаючи подальшу долю Всесвіту, зупиняється на двох варіантах - відкритою й замкнутої Всесвіту. Якщо припустити, що Всесвіт замкнута, в цьому випадку протягом 40-50 мільярдів років нічого суттєвого не відбудеться. Галактики будуть все далі розбігатися один від одного, поки в якийсь момент найдальші з них не зупиняться і Всесвіт не почне стискатися. На зміну червоного зсуву спектральних ліній прийде синє. До моменту максимального розширення більшість зірок в галактиках згасне, і залишаться в основному невеликі зірки, білі карлики і нейтронні зірки, а також чорні діри, оточені роєм часток - в більшості своїй фотонів і нейтронів. Нарешті, через приблизно 100 мільярдів років почнуть зливатися воєдино галактичні скупчення; окремі об'єкти спочатку будуть стикатися дуже рідко, але з часом Всесвіт перетвориться в однорідне «море» скупчень. Потім почнуть зливатися окремі галактики, і, врешті-решт, Всесвіт буде представляти собою однорідний розподіл зірок та інших подібних об'єктів.

Протягом всього колапсу в результаті акреції і зіткнень стануть утворюватися, і рости чорні діри. Буде підвищуватися температура фонового випромінювання; в кінці кінців, вона майже досягне температури поверхні Сонця і почнеться процес випаровування зірок. Переміщаючись на тлі сліпучо яскравого неба, вони подібно кометам будуть залишати за собою складається з пари слід. Але незабаром все заповнить розсіяний туман і світло зірок померкне. Всесвіт втратить прозорість, як відразу ж після Великого вибуху. (У гол. 6 ми бачили, що / початковий Всесвіт була непрозорою, поки її температура не впала приблизно до 3000 К; тоді світло став поширюватися без перешкод.)

У міру стиснення Всесвіт, природно, буде проходити ті самі стадії, як і при створенні Всесвіту, але в зворотному порядку. Температура буде рости, і скорочуються інтервали часу почнуть грати все більшу роль. Нарешті галактики теж випаруються і перетворяться на первинний «суп» з ядер, а потім розпадуться і ядра. На цьому етапі Всесвіт стане крихітної і складається тільки з випромінювання кварків і чорних дір. У останню частку секунди колапс дійде майже до сингулярності. Що буде далі - невідомо, оскільки немає теорії, яка годилася б для опису надвеликих густин, що виникають до появи сингулярності, можна лише будувати припущення.

У теорії замкнутої Всесвіту з'явилася так звана ідея «відскоку» - раптового припинення стиснення, нового Великого Вибуху і нового розширення. Однією з причин початкового запровадження ідеї відскоку була можливість обійти неприємну з точки зору багатьох астрономів проблему виникнення Всесвіту. Якщо відскік стався один раз, то він міг стати неодноразово, може бути, незліченну кількість разів, тому не потрібно і турбуватися про початок часів.

На жаль, при докладної опрацювання такої ідеї виявилося, що, і відскок не вирішує проблеми. В інтервалах між відскоками зірки випромінюють значну кількість енергії, яка потім концентрується при досягненні стану, близького до сингулярності. Ця енергія повинна поступово накопичуватися, через що проміжок часу між послідовними відскоками буде зростати. Значить, у минулому ці проміжки були коротші, а колись, в межі, проміжку не було зовсім, тобто ми приходимо до того, чого прагнули уникнути, - проблемі початку Всесвіту. Згідно з розрахунками, від початку нас повинно відокремлювати не більше 100 циклів розширень і стиснень.

Багато робили спроби обійти цю проблему. Томмі Голд, наприклад, розробив теорію, згідно з якою в момент найбільшого розширення час починає текти назад. Випромінювання кинеться назад до зірок і Всесвіт «омолодиться». У такому випадку вона буде рівномірно осцілліровать між колапсом і максимальним розширенням.

Дуже цікаву, але дуже спірну теорію запропонував Джон Уілер. Скориставшись ідеєю Хо-Кінг, згідно з якою фундаментальні константи «гублять» свої числові значення при досить високій щільності, він показав, що цикл осциляції не обов'язково повинен збільшуватися. Через принципу невизначеності значення констант втрачаються, коли Всесвіт стискається до майже нескінченної щільності. Після можливого відскоку і нового розширення ці константи можуть отримати зовсім інші значення. Тривалість циклів в таких обставин також буде змінюватися, але випадковим чином, одні цикли стануть дуже довгими, а інші короткімі.1 0

Згідно протилежної теорії, відкрита Всесвіт буде розширюватися вічно. Перші події будуть, звичайно, аналогічні тим, які відбуваються в замкнутій Всесвіту. Зірки поступово постаріють, перетворившись з плином часу в червоних гігантів, або вибухнуть, або повільно сколапсує і помруть. Деякі з них, перш ніж згаснути, зіткнуться з іншими зірками. Такі зіткнення дуже рідкісні, і з моменту утворення нашої Галактики (принаймні, в її зовнішніх областях, де ми мешкаємо) їх було зовсім небагато. Однак за трильйони і трильйони трильйонів років таких зіткнень відбудеться безліч. Частина з них лише скине в простір планети, а в результаті інших зірки опиняться на зовсім інших орбітах, деякі навіть поза межами нашої Галактики. Якщо почекати досить довго, то нам здасться, що зовнішні області галактик випаровуються.

Чи не викинуті з галактик зірки в результаті зіткнень, швидше за все, будуть притягатися до центру, який, врешті-решт, перетвориться на чорну діру гігантську. Приблизно через 10 (18) років більшість галактик буде складатися з масивних чорних дір, оточених роєм білих карликів, нейтронних зірок, чорних дір, планет і різних частинок.

Подальші події випливають із сучасної єдиної теорії поля, званої теорією великого об'єднання. Із цієї теорії випливає, що протон розпадається приблизно за 10 (31) років. Зараз ведеться кілька експериментів з виявлення такого розпаду, а значить, і з перевірки теорії, Відповідно до неї, протони повинні розпадатися на електрони, позитрони, нейтрино і фотони. Звідси випливає, що, врешті-решт, все, що складається у Всесвіті з протонів і нейтронів (а їх не містять тільки чорні діри), розпадеться на ці частки. Всесвіт перетвориться на суміш з них і чорних дірок, і буде перебувати в такому стані дуже, дуже довго. Коли-небудь випаруються маленькі чорні діри, а ось з великими виникнуть труднощі. Фонове випромінювання до того часу буде дуже холодним, але все ж його температура залишиться трохи вище, ніж у чорних дір. Однак у міру розширення Всесвіту ситуація зміниться - температура випромінювання стане нижче, ніж на поверхні чорних дір, і ті почнуть випаровуватися, повільно зменшуючись в розмірах; на це потрібно приблизно 10 (100) років. Потім Всесвіт заповнять електрони й позитрони, які, обертаючись, один навколо одного, утворюють величезні «атоми». Але поступово позитрони та електрони, рухаючись по спіралі, зіткнуться і анігілюють, в результаті чого залишаться тільки фотони. У Всесвіті не буде нічого, крім випромінювання.

Ми розглянули долю як відкритої, так і закритої Всесвіту. Що її чекає, поки невідомо. Якщо навіть Всесвіт коли-небудь сколапсує, невідомо, чи відбудеться потім «відскік».

Одна з труднощів, на яку натрапляє традиційна теорія Великого вибуху, - необхідність пояснити, звідки береться колосальне кількість енергії, що вимагається для народження частинок. Не так давно увагу вчених залучила видозмінена теорія Великого вибуху, яка пропонує I відповідь на це питання. Вона носить назву теорії роздування, і була запропонована в 1980 році співробітником Массачусетського технологічного інституту Аланом Гутом. Основна відмінність теорії роздування від традиційної теорії Великого вибуху полягає в описі періоду з 10 (-35) до 10 (-32) с. За теорією Гута приблизно через 10 (-35) з Всесвіт переходить у стан «псевдовакуума», при якому її енергія виключно велика. Через це відбувається надзвичайно швидке розширення, набагато більш швидке, ніж з теорії Великого вибуху (воно називається роздмухуванням). Через 10 (-35) з після утворення Всесвіт не містила нічого крім чорних міні-дір і «обривків» простору, тому при різкому роздуванні утворилася не одна всесвіт, а безліч, причому деякі, можливо, були вкладені одна в одну. Кожен з ділянок піни перетворився в окрему світ, то ми живемо в одній з них. Звідси випливає, що може існувати багато інших всесвітів, недоступних для нашого спостереження.

Хоча в цій теорії вдається обійти ряд труднощів традиційної теорії Великого вибуху, вона й сама не вільна від недоліків. Наприклад, важко пояснити, чому, розпочавшись, роздування, врешті-решт, припиняється. Від цього недоліку вдалося звільнитися в новому варіанті теорії роздування, що з'явилося в 1981 році, але в ньому теж є свої труднощі.

А чи був Великий Вибух?

Вчених давно турбувало питання про існування моделі Всесвіту без початку, моделі, в якій Всесвіт нескінченний стара. Модель такого роду, відому як модель «стабільного стану» висунули в 1948 р. Германн Бонді, Томас Гоулд і Фред Хоіл. Вона описує постійно розширюється Всесвіт, не має ні початку, ні кінця, щільність речовини в ній має постійну величину. Яким же чином система може розширюватися і в той же час зберігати свою щільність незмінною? У моделі «стабільного стану» це досягається за рахунок безперервного надходження нової речовини. Сформулювати процес утворення речовини, не порушуючи закону збереження маси енергії можна математично. Але ця модель виявила серйозні недоліки після відкриття в 1964 р. А. Пензиасом і Р. Вільсоном мікрохвильового фонового випромінювання, однак, сьогодні прихильники моделі «стабільного стану» вважають, що це відкриття не представляється настільки суперечить даної моделі.

Відкриття випромінювання розцінював як найпереконливіший доказ того, що Всесвіт виник в результаті гарячого великого вибуху, це грунтувалося на наступних міркуваннях: спостережуване випромінювання розподіляється надзвичайно рівномірно без будь-яких «плям», які повинні були виникнути, якщо б випромінювання надходило з великого числа окремих джерел; спектр цього випромінювання дуже схожий зі спектром ідеального чорного тіла, чорне тіло - це замкнутий простір з об'єктами, постійно випускають і поглинаючими випромінювання, причому, випромінювання не залишає це простір і не надходить до нього ззовні. Відповідно до теорії, в такій системі встановлюється чітке співвідношення між відповідною інтенсивністю випромінювання і довгою його хвилі.

Обидва ці властивості повинні бути властиво моделям Всесвіту, що виникла в результаті Великого Вибуху, тому випромінювання стали розглядати як залишкове явище ранньої гарячого Всесвіту. Однак таке тлумачення стикається з деякими труднощами.

По-перше, спостережуваний спектр не збігається в точності зі спектром чорнотільного випромінювання. Такі невеликі відхилення від спектру чорного тіла не можна ігнорувати. Вони були відзначені Д.П. Вудді і П.Л. Річардсом в 1980 р. і до цих пір залишаються невирішеною проблемою в моделі Великого Вибуху. Друга складність полягає в надзвичайній рівномірності самого фону. У зв'язку з цим виникають дві проблеми. По-перше, рівномірність фонового випромінювання в невеликих масштабах. Якщо, як стверджують, випромінювання представляє собою явище ранньої гарячої фази, то вона повинна нести на собі відбиток змін, яких зазнала Всесвіту після цієї фази. Одним з важливих змін було утворення галактик, тобто з'явилися згустки речовини, і це повинно було вплинути на фонове випромінювання. Відсутність таких згустків, незважаючи на неодноразові пошуки їх, викликає здивування у прихильників теорії Великого Вибуху.

Друга проблема, що виникає у зв'язку з рівномірним розподілом випромінювання, відома як ефект горизонту. Коли ми проникаємо поглядом у глибини Всесвіту, ми спостерігаємо її минуле, тому що світло йде від віддалених об'єктів, рухається з кінцевою швидкістю. Отже, якщо вік Всесвіту дорівнює 15 мільярдів років, то ми можемо бачити об'єкти, віддалені від нас на 15 мільярдів світлових років. Однак фонове випромінювання утворилося, коли вік Всесвіту ледь налічував 300 тисяч років. У той час об'єкти, віддалені один від одного більш ніж на 300 тисяч світлових років, не повідомлялися один з одним, оскільки саме швидке засіб спілкування (світловий промінь) не могло покрити цю відстань. З іншого боку, існуюча в даний час рівномірність фонового випромінювання припускає, що такі віддалені об'єкти характеризувалися дуже схожою структурою і поведінкою. Чим же пояснити це подібність при відсутності фізичного контакту?

Космологи, дотримуються теорії Великого Вибуху, висувають теоретичні припущення щодо ранньої історії Всесвіту, намагаючись зрозуміти ці таємничі властивості мікрохвильового фонового випромінювання. Але прихильники даної теорії вважають, що пошук слід вести, а іншому напрямку і що мікрохвильовий фон, в кінцевому рахунку, не має реліктового характеру. Фонове випромінювання заповнює всесвіт на всіх довжинах хвиль. Як відомо, всі види випромінювання за виключення мікрохвильового виникли недавно і не пов'язані з гарячою стадією Великого Вибуху. У 60-70 р.р. група вчених Фред Хойл, Чандра Вікрамасінгхе, В. С. Реддіш та ін стверджували, що мікрохвильове фонове випромінювання може представляти собою перероблене випромінювання, що надходить головним чином від зірок. Така переробка може здійснюватися частинками пилу, якщо вони в невеликій кількості присутні в міжгалактичному просторі. Ці вчені вважають, що якщо буде знайдено правдоподібне пояснення мікрохвильового фону, то позиції космології Великого Вибуху будуть істотно ослаблени.1 1 Таким чином, це ще один підхід до сценарію Великого Вибуху.

Висновок

У даній роботі я постарався розглянути питання, пов'язані з виникненням, подальшим існуванням і кінцем Всесвіту. Мною були розглянуті теоретичні докази і практичні відкриття астрономів, які призвели до формування теорії Великого Вибуху. Ця теорія є найпоширенішою в наші дні і передбачає, Всесвіт що почала своє існування приблизно 15-20 мільярдів років тому. Хоча питання про вік Всесвіту є проблематичним, незважаючи на чималу кількість методик визначення цього віку. Приблизно 15-20 мільярдів років тому Всесвіт був малим, гарячим і щільним об'єктом, а потім стався Великий Вибух супроводжується величезною кількістю енергії, і поступово стали утворюватися зірки, планети та інші об'єкти. Зараз Всесвіт включає в себе 10 мільярдів галактик, об'єднаних в скупчення і сверхскопленія.

Але так як в теорії Великого Вибуху є ряд спірних моментів, то це викликає інтерес до альтернативних теорій, а саме - до теорії «стабільного стану», згідно з якою у Всесвіті не було початку і не буде кінця. Теорія стверджує, що щільність її залишається незмінною завдяки постійному створенню нової речовини. Значить, Всесвіт буде розширюватися безкінечно. Але є ще дві теорії. Згідно з однією з них Всесвіт припинить розширення і стабілізується, коли досягне певних розмірів. За іншою теорії Всесвіт перестане розширюватися, а потім під впливом сил гравітації почне стискатися в одну точку.

Але, як мені представляється, теорія Великого Вибуху на сьогоднішній день найбільш аргументована і викликає більше довіри. Але альтернативні теорії показують, що головна космологічна проблема ще не вирішена.

Список літератури

Дж. Нарлікар Гравітація без формул. - М.: Світ, 1985. - 148 с.

Білостоцький Ю.Г. Єдина основа Всесвіту. - Спб., 2001. - 304 с.

Гуревич Л.Е. Чернін А.Д. Походження Галактик і зірок. - М.: Наука, 1987. - 191 с.

Новіков І.Д. Як Вибухнула Всесвіт. - М.: Наука, 1988. - 175 с.

Новіков І.Д. Еволюція Всесвіту. - М.: Наука, 1983. - 189 с.

Паркер Б. Мрія Ейнштейна, в пошуках єдиної теорії Всесвіту. - Спб.: Амфора, 2001. - 333 с.

Т. Реджо Етюди про Всесвіт. - М.: Світ, 1985. - 189 с.

Хокінг С. Коротка історія часу, від великого вибуху до чорних дір. - СПб.: Амфора, 2001. - 268 с.

Е. Гліссан Кур'єр Юнеско. 1984. № 10

[1] Див: Джон Гриббин Великий Вибух / / Кур'єр Юнеско. 1984. № 10. С.5

[2] Див: Новіков І.Д. Як вибухнула Всесвіт. - М.: Наука, 1988. С.21

[3] Див: Джон Гриббин Великий Вибух / / Кур'єр Юнеско. 1984. № 10. С.7

[4] Див: Новіков І.Д. Еволюція Всесвіту. - М.: Наука, 1983. С.109

[5] Паркер Б. Мрія Ейнштейна, в пошуках єдиної теорії Всесвіту. - Спб.: Амфора, 2001. С.211

[6] Т. Реджо Етюди про Всесвіт. - М.: Світ, 1985. С. 35

[7] Т. Реджо Етюди про Всесвіт. - М.: Світ, 1985. С. 59

[8] Див: Зельдович Я.Б. Великомасштабна структура Всесвіту / / Кур'єр Юнеско. 1984. № 10. С.25

10 Паркер Б. Мрія Ейнштейна, в пошуках єдиної теорії Всесвіту. - Спб.: Амфора, 2001. С. 203-204.

11 Див: Джайанат В. Нарлікар А чи був Великий Вибух? / / Кур'єр Юнеско. 1984. № 10. С.15


Додати в блог або на сайт

Цей текст може містити помилки.

Виробництво і технології | Реферат
81.9кб. | скачати


Схожі роботи:
Всесвіт
Розум і Всесвіт
Час і Всесвіт
Багатовимірна Всесвіт
Самоорганізаційна Всесвіт
Вічна Всесвіт
Етюди про Всесвіт
Як людина пізнає Всесвіт
Всесвіт життя розум
© Усі права захищені
написати до нас