Эволюция Вселенной

Содержание

Эволюция представлений о Вселенной

Мы рассмотрели, как изменялись представления об элементарных частицах, из которых построен окружающий мир и увидели, что существует определенная иерархия в построении материи из фундаментальных частиц, размер которых меньше 10–15 см.

Находясь на планете Земля, вплоть до XV века человек считал, что Земля является центром окружающего мира — центром Вселенной. Звезды, Солнце, Луна и планеты считались прикрепленными к хрустальным сферам, вращающимся вокруг Земли.

Птолемеем была построена сложная математическая модель, которая предсказывала точное положение планет на небе.

Гелиоцентрическая система мира, согласно которой центральное положение отводилось Солнцу, а Земля, так же как и другие планеты, вращалась вокруг Солнца, была создана благодаря трудам Н. Коперника (1473–1543 гг.) и Джордано Бруно (1548–1600 гг.)

Н. Коперник(1473–1573)

Благодаря Н. Копернику стало известно, что не Земля, а Солнце занимает центральное положение в системе планет. В основе представлений Н Коперника лежит движение Земли и других известных ему планет вокруг Солнца.

Сложные траектории планет связаны с тем, что наблюдатель следит за движением планет с движущейся вокруг Солнца Земли. Гелиоцентрическая позиция Н. Коперника сводилась к тому, что Солнце является центром всей Вселенной.

Дж. Бруно(1548–1600)

В отличие от Н. Коперника Дж. Бруно описывал Вселенную, которая состоит из множества солнц, вокруг которых обращаются планеты. В своем труде «О бесконечности Вселенной и мирах» (1584 г.) он описал Вселенную, состоящую из множества солнц и планет, на которых может быть жизнь.

Иоганн Кеплер(1571–1630)

Гелиоцентрическая система значительно укрепила свои позиции в результате открытия трех знаменитых законов движения планет И. Кеплера.

Законы Кеплера (1609–1611 гг.)

Движение планет происходит по эллипсам в одном из фокусов которых находится Солнце.
Линия, соединяющая планету и Солнце, «заметает» равные площади за равные интервалы времени.
Период обращения планеты Т и её расстояние от Солнца R связаны соотношением R3/T2 = const, постоянная const имеет одно и то же значение для всех планет.

Объяснение движения планет вокруг Солнца было дано И.

Ньютоном, показавшим, что сила, с которой Солнце притягивает планеты, есть следствие общего закона взаимодействия между двумя массивными телами.

Два материальных тела притягивают друг друга с силой F, прямо пропорциональной их массам m1 и m2 и обратно пропорциональной расстоянию r между ними.G = 6.6743(7)·10–8 г–1∙см2∙с–2 = 6.6743(7)·10–11 Н∙м2∙кг–2, G = 6.707·10–39 ћс(GeV/c2)-2

Исаак Ньютон(1643–1727)

Согласно закону всемирного тяготения Ньютона гравитационные силы притяжения действуют мгновенно между телами, разделенными пустым пространством. Ньютона интересовало, как происходит передача взаимодействия между телами. Несмотря на многочисленные размышления, Ньютону не удалось найти ответ на этот вопрос.

И.

Ньютон: «Предполагать, что тело может действовать на другое на любом расстоянии в пустом пространстве, без посредства чего-либо, передавая действие и силу, – это, по-моему, такой абсурд, который немыслим ни для кого, умеющего достаточно разбираться в философских предметах».

Для решения проблемы передачи взаимодействия на расстоянии была придумана гипотетическая всепроникающая среда − эфир.

И.

Ньютон: «Теперь следовало бы кое-что добавить о некотором тончайшем эфире, проникающем все сплошные тела и в них содержащемся, коего силою и действиями частицы тел при весьма малых расстояниях взаимно притягиваются, а при соприкосновении сцепляются, наэлектризованные тела действуют на большие расстояния, как отталкивая, так и притягивая близкие малые тела, свет испускается, отражается, преломляется, уклоняется и нагревает тела, возбуждается всякое чувствование, заставляющее члены животных двигаться по желанию, передаваясь именно колебаниям этого эфира от внешних органов чувств мозгу, от мозга мускулам. Но это не может быть изложено вкратце, к тому же нет и достаточного запаса опытов, коими законы действия этого эфира были бы точно определены и показаны».

Одним из величайших достижений XX века явилось развитие представлений о том, как возникла Вселенная, в которой мы живём, какие основные составляющие Вселенной.
В начале XX века существовало два взгляда на происхождение Вселенной.

Вселенная стационарна – научное мнение.
Вселенная имеет начало и конец – богословие.

Одно из выдающихся открытий человека состоит в понимании того, что мир, в котором он живет, существовал не всегда. Изучение физических законов окружающего мира, фундаментальных составляющих материи, глобальных космологических структур радикально изменило представление человека о Вселенной и его месте в ней.

Рис. 21. Эволюция Вселенной

Дж. Ф. Смут: «Согласно теории горячей Вселенной, в начале расширения наша Вселенная находилась в состоянии почти идеального термодинамического равновесия и имела чрезвычайно высокую температуру. С тех пор она продолжает расширяться и остывает.

Когда температура во Вселенной упала до 3000 К, в реликтовом излучении перестало хватать достаточно энергичных фотонов для поддержания атомов водорода и гелия в ионизованном состоянии. Таким образом, первичная плазма, состоящая из заряженных ядер, электронов и фотонов превратилась в нейтральные атомы и фоновое реликтовое излучение.

Тогда фотоны реликтового излучения стали свободно распространяться в пространстве, уменьшая свою энергию из-за продолжающегося расширения Вселенной, а барионное вещество (в основном водород и атомы гелия) под действием гравитационного притяжения стало собираться в звезды и формировать галактики и более протяженные структуры.

Для того чтобы такие структуры смогли образоваться, в распределении первичного вещества и энергии должны были иметься начальные возмущения. Первичные флуктуации плотности вещества, из которых впоследствии сформировались крупномасштабные структуры во Вселенной».

Космическая шкала времени

Время от настоящего момента, млрд. лет Событие

13.7	Большой Взрыв
13	Образование Галактик
10	Сжатие нашей протогалактики
10	Образование первых звёзд
5	Образование Солнечной системы, планет
4	Образование земных пород
3	Зарождение микроорганизмов
2	Формирование атмосферы Земли
1	Зарождение жизни
0.60	Ранние окаменелости
0.45	Рыбы
0.15	Динозавры
0.05	Первые млекопитающие
2 млн. лет	Человек

Таблица 10

Характеристики Вселенной в настоящее время

Возраст t0	13.7±0.3 млрд лет
Радиус наблюдаемой части Вселенной (горизонт видимости) R0 = сt0	1028 см
Полное количество вещества и энергии	1056 г
Средняя плотность вещества и энергии	10-29 г/см3
Полное барионное число (число нуклонов)	1078
Доля антивещества	< 10-4
Параметр Хаббла H	71±4 км/с·Мпк
Температура реликтового (фонового) излучения	2.73 K
Плотность реликтовых фотонов	410 см-3
Энергетическая плотность реликтовых фотонов	0.26 эВ/см3 = 4.6·10-34 г/см3
Отношение числа барионов к числу реликтовых фотонов nб/nγ	(6.1±0.2)·10-10
Распространённость атомов (ядер): водород гелийостальные ядра	по числу91% 8.9%

Источник: http://nuclphys.sinp.msu.ru/m_un/mun15.htm

Эволюция Вселенной: от начала до наших времен

Современная наука рассматривает историю нашего мира с точки зрения известной теории относительности в общем виде авторства Альберта Эйнштейна.

Именно на понятиях, созданных великим ученым, основано представление о модели и эволюции Вселенной, которым активно пользуются современные исследователи для того, чтобы лучше понять самих себя и то, что нас окружает. Давайте также в этом разберемся подробнее.

Начало начал

Зарождалось все ныне существующее из одной нулевой точки, где была сконцентрирована огромная энергия, показатели которой, такие как, к примеру, температура, давление и плотность, были невероятно высоки.

Это состояние, имевшее место около 13 миллиардов лет тому назад, называется «сингулярностью».

Но вот в некоторый момент – время Планка — происходит Большой Взрыв, а затем появляется небольшая Вселенная, чьи размеры исчисляются всего в паре микрон.

Физические характеристики только что начавшего свое существование мира были малопригодны для возникновения жизни.

Основные виды взаимодействия – гравитационное, электромагнитное, слабое и сильное – являлись частью одной силы из-за высокой температуры, вследствие чего ни одна из уже тогда потенциально существовавших, но не материализовавшихся частиц не имела массы как таковой. Все на тот момент симметричное пространство было заполнено абсолютно идеальным газом, созданным из все еще тогда виртуальных частиц.

Впоследствии симметрия нарушается, а гравитация отделяется от других сил взаимодействия. Примерно тогда первые частицы – бозоны – обретают массу, но затем почти сразу распадаются на кварки, нейтрино, электроны, мюоны и т.п.. Появляется ядерное взаимодействие. Вселенная по размеру достигает отметки 10 сантиметров.

Развитие

Электроны и позитроны, как частицы и античастицы, а также бозоны и некоторые другие частицы, как, например, нейтралино, при столкновении друг с другом вызывают процесс аннигиляции, во время которого образуются фотоны. Их количество уже тогда значительно превышает число всех существующих на тот момент кварков. Примерно в то же время все частицы достигают между собой равновесия.

Эволюция Вселенной: краткий обзор

Вселенная продолжает остывать. Ее температура доходит почти до отметки 10*15К, а размеры становятся действительно внушительными — до миллиарда километров. Происходит еще одно нарушение симметрии, и, как следствие, все четыре вида взаимодействия становятся отдельными силами. Термодинамическое равновесие бозонов нарушилось, а те частицы, что раньше не имели своей массы, обрели ее.

Вселенная продолжает расширяться, а ее температура и уровень энергии – падать. Появляются стабильные барионы (нейтроны, протоны), что формируются из кварков и образуют барионную материю, то есть ту, из которой состоим мы и почти все, что нас окружает.

Продолжается образование фотонов за счет аннигиляции. На данный момент эти частицы достаточно сильно остыли (до 2.7К) и являются частью микроволнового фона в космосе – реликтового излучения, что было обнаружено учеными относительно недавно – в 1964 году.

На этом примерно и заканчивается первая секунда существования Вселенной.

Что такое реликтовое излучение?

Диапазон его частот – от 500 МГц до 500 Ггц. Длина наибольшей волны – 60 сантиметров, а наименьшей – 0,6 миллиметров. Имея такие параметры, реликтовое излучение – оно же микроволновый внегалактический фон – несет в себе огромное количество информации о том, как проходила эволюция Вселенной до того, как начали образовываться галактики и квазары, а также многие другие объекты.

Как показало изучение изотропии, источником излучения не является ни некие точки, ни центр галактик, ни какое-либо место в Солнечной Системе, из чего был сделан вывод, что оно имеет внегалактическое происхождение. Этот факт, к слову, подтвердил гипотезу «горячей Вселенной», что позволяет развивать теорию об эволюции, как она и была принята, далее.

После первой секунды

Плотность частиц значительно снижается, и, как следствие, частота взаимодействий с нейтрино снижается, а термодинамическое равновесие последней с другими становится невозможным. По причинам, выходящим из данного факта, нейтринное реликтовое излучение так и не было обнаружено.

Позитроны и электроны перестают постоянно образовываться. Вселенная становится полностью электрически нейтральной.

Спустя сто секунд после Взрыва начинают появляться первые химические элементы с легкими ядрами (водород, литий, гелий, дейтерий) благодаря слиянию нейтронов и протонов. Лишние частицы распадаются. Так проходит первичный нуклеосинтез.

300 000 лет спустя

Температура падает до 10 000 К. Размеры Вселенной превышают отметку в десятки миллионов световых лет в диаметре. У ядер появляются электронные оболочки, благодаря чему возникают первые легкие атомы, подобные гелию и водороду.

Примерно в это же время начинает свою историю такое явление, как реликтовое излучение. Пространство наконец-то стало видимым, не прозрачным, как это было вначале. Гравитация начинает стягивать материю.

Все это и многое другое способствует появлению первых звезд, а затем и галактик.

Что дальше?

Будущее Вселенной

Есть несколько основных сценариев, по которым будет происходить дальнейшая эволюция Вселенной. Естественно, процесс расширения будет происходить и дальше, поэтому если он будет достаточно равномерен, то энергия рано или поздно будет исчерпана, что, согласно предсказаниям ученых, приведет к тепловой смерти.

Другой вариант – Большой Разрыв, то есть распад всего, что уже было создано в результате Большого Взрыва. Это произойдет при ускорении расширения Вселенной.
Также есть сценарий, предполагающий так называемое Большое Сжатие, которое произойдет, если расширение замедлится, а затем и вовсе сойдет на нет.

Как именно все произойдет, не знает никто. Есть лишь некоторые догадки, гипотезы и теории, а известным остается только одно: время определенно покажет, как дальше будет развиваться наша Вселенная.

by HyperComments

Источник: https://SpaceGid.com/evolyutsiya-vselennoy-ot-nachala.html

Эволюция Вселенной