Как мы любим, вот так вот, не о чем не думая просто смотреть на темное небо, бесконечно-усеянное звездами и мечтать. А задумывались ли вы когда нибудь что-же это там над нами, что это за мир, как он устроен, всегда ли существовал или нет, откуда образовались звезды, планеты, почему именно так, а не по-другому, эти вопросы можно перечислять до бесконечности. Человек на протяжении всего своего существования пытался и пытается ответить на эти вопросы и наверное пройдет сотни, а быть может и тысячи лет, и все равно не сможет дать полного ответа на них.
Тысячелетиями наблюдая за звездами человек понял, что от вечера к вечеру они всегда остаются одними и теми же и не меняют взаимного расположения. Но тем не менее, так было не всегда, например 40 тыс. лет назад звезды имели не такой вид, как сейчас. Большая Медведица была похожа на Большую Колотушку, не было привычной фигуры подпоясанного Ориона. Это все объясняется тем, что ничего не стоит на месте, а находится в постоянном движении. Луна вращается вокруг , Земля в свою очередь проходит круговой цикл вокруг , Солнце, а вместе с ней и вся , вращаются вокруг центра Галактики, та, в свою очередь, движется вокруг центра Вселенной. Кто знает, быть может наша Вселенная тоже двигается относительно другой только с большими размерами.
Как образовалась Вселенная
В 1922 году российский ученый, астроном Александр Александрович Фридман выдвинул общую теорию происхождения нашей Вселенной , которая впоследствии была подтверждена американским астрономом Эдвином Хабблом. Эта теория получила общепринятое название, как теория "Большого взрыва " . На момент возникновения Вселенной , а это примерно 12-15 млрд лет назад, ее размеры были настолько малы, насколько это вообще возможно, формально можно предположить, что Вселенная была стянута в одну точку и имела при этом бесконечно огромную плотность равной 10 90 кг/см³. Это значит, что 1 кубический сантиметр вещества из которой состояла Вселенная в момент взрыва, весил 10 в 90 степени килограммов. Приблизительно через 10 −35 с. после наступления так называемой Планковской эпохи (когда вещество было сжато до максимально возможного предела и имела при этом температуру приблизительно 10 32 K) произошел взрыв, в следствии чего начался процесс мгновенного экспоненциального расширения Вселенной, которое происходит и в настоящий момент. В результате взрыва, из постепенно расширявшегося во все стороны супергорячего облака субатомных частиц, постепенно образовались атомы, вещества, планеты, звезды, галактики и наконец жизнь.
Большой взрыв - это высвобождение во все стороны колоссального количества энергии с постепенным падением температуры, а так как Вселенная расширяется постоянно, то она соответственно непрерывно охлаждается. Сам процесс расширения Вселенной в космологии и астрономии получил распространенное название как "Космическая инфляция". Вскоре после падения температуры до определенных значений, в космосе появились первые элементарные частицы, такие как протоны и нейтроны. Когда температура космоса понизилась до нескольких тысяч градусов бывшие элементарные частицы стали электронами и начали объединятся с протонами и ядрами гелия. Именно на этой стадии во Вселенной началось образование атомов, преимущественно водорода и гелия.
С каждой секундой наша Вселенная увеличивается в объеме, это подтверждается общей теорией Расширения Вселенной. Причем увеличивается (расширяется) только так как оно не связано силой Всемирного тяготения. К примеру наша не может расширятся из-за сил гравитации, которыми обладают любые тела, имеющие массу. Так как Солнце тяжелее любой планеты в нашей системе, то за счет сил гравитации, оно поддерживает их на определенном расстоянии, которое может изменится только при изменении массы самого . Если бы не существовало сил гравитации, то наша планета, как и любая другая, с каждой минутой отдалялась бы от все дальше и дальше. И естественно никакая жизнь не могла бы зародится ни в каком месте Вселенной. Т. е гравитация, как бы связывает все тела в единую систему, в единый объект и поэтому расширение может происходить только там, где нет небесных тел - в пространстве между галактиками. Сам процесс Расширения Вселенной правильней будет назвать "разбегание" галактик. Как известно расстояние между галактиками очень велико и может достигать до нескольких миллионов, а то и сотней миллионов световых лет (один световой год - это расстояние, которое пройдет луч света за один земной год (365 дней), численно он равен 9 460 800 000 000 километров, или 9,46 триллионов километров, или 9,46 тысяч миллиардов километров). А если учесть факт Расширения Вселенной, то эта цифра постоянно растет.
Расчётная структура Вселенной по данным Millennium simulation. Отмеченное белой
линией расстояние составляет около 141 млн световых лет. Жёлтым обозначена
материя, фиолетовым — наблюдаемая лишь косвенно тёмная материя.
Каждая жёлтая точка представляет собой одну галактику.
Что же будет дальше с нашей Вселенной , она так и будет всегда увеличиваться? В начале 20-х годов было установлено, что дальнейшая судьба Вселенной зависит только от средней плотности, заполняющего его вещества. Если эта плотность равна или ниже некоторой критической плотности , то расширение будет продолжаться вечно. Если же плотность окажется выше критической, то наступит обратная фаза - сжатие. Вселенная сожмется до точки и затем опять произойдет Большой Взрыв и процесс развития наступит заново. Не исключено, что этот цикл (расширение-сжатие) когда то - уже происходил с нашей Вселенной и произойдет в будущем. Чему же равна эта таинственная критическая плотность мира? Ее значение определяется только современным значением постоянной Хаббла и составляет ничтожную величину - около 10 -29 г/см³ или 10 -5 атомных единиц массы в каждом кубическом сантиметре. При такой плотности 1 грамм вещества содержится в кубе со стороной около 40 тысяч километров.
Человечество всегда удивлялось и восхищалось размерами нашего мира, нашей Вселенной, но такая ли она на самом деле, какой ее представлял человек или во много раз больше. А может Вселенная бесконечная, а если нет, то где все же ее граница? Хотя объемы космоса и колоссальны, все же они имеют определнные пределы. По наблюдениям Эдвина Хабла был установлен приблизительный размер Вселенной, названный в честь него - хабловским радиусом, составляющий около 13 млрд световых лет (12,3*10 22 километров). На самом современном космическом корабле, чтобы преодолеть такое расстояние человеку понадобитя примерно 354 триллионов лет или 354 тысячи миллиардов лет.
До сих пор остается не решенным важнейший вопрос: что существовало до начала расширения Вселенной? Такая же Вселенная, как и наша, только не расширяющаяся, а сжимающаяся? Или совсем незнакомый нам мир с абсолютно иными свойствами пространства и времени. Возможно это был мир, который подчинялся совсем другим, неизвестным нам законам природы. Эти вопросы настолько сложны, что выходят за грани человеческого понимания.
В вопросе о происхождении Вселенной до сих пор нет никакой ясности, несмотря на огромные знания, накопленные человечеством. Самая распространенная на сегодняшний день версия – это так называемая теория Большого взрыва.
Все вышло из крохотной точки?
70 лет назад американский астроном Эдвин Хаббл обнаружил, что галактики располагаются в красной части цветового спектра. Это, согласно «эффекту Доплера», означало, что они удаляются друг от друга. Причем свет от более далеких галактик «краснee» света от более близких, что говорило о меньшей скорости далеких. Картина разлета огромных масс вещества поразительно напоминала картину взрыва. Тогда и была предложена теория Большого взрыва.
Согласно расчетам, это произошло примерно 13,7 миллиарда лет назад. К моменту взрыва Вселенная представляла собой «точку» размером 10-33 сантиметра. Протяженность же нынешней Вселенной оценивается астрономами в 156 миллиардов световых лет (для сравнения: «точка» во столько раз меньше протона – ядра атома водорода, во сколько раз сам протон меньше Луны).
Вещество в «точке» было чрезвычайно горячим, а значит, при взрыве появилось очень много квантов света. Конечно, со временем все остывает, а кванты разлетаются по возникающему пространству, но отзвуки Большого взрыва должны были сохраниться до наших дней.
Первое подтверждение факта взрыва пришло в 1964 году, когда американские радиоастрономы Р. Уилсон и А. Пензиас обнаружили реликтовое электромагнитное излучение с температурой около 3° по шкале Кельвина (–270° С). Это открытие, неожиданное для ученых, было расценено в пользу Большого взрыва.
Итак, из постепенно расширявшегося во все стороны сверхгорячего облака субатомных частиц начали постепенно образовываться атомы, вещества, планеты, звезды, галактики, и наконец появилась жизнь. Вселенная расширяется до сих пор, и неизвестно, как долго будет это продолжаться. Возможно, когда-нибудь она достигнет своего предела.
Доказать ничего нельзя
Есть и другая теория происхождения Вселенной. Согласно ей, все мироздание, жизнь и человек есть результат разумного творческого акта, осуществленного неким Творцом и Вседержителем, природа которого непостижима человеческим разумом. Материалисты склонны эту теорию осмеивать, но так как в нее в той или иной форме верит половина человечества, мы не имеем права обойти ее молчанием.
Объясняя происхождение Вселенной и человека с механистических позиций, трактуя Вселенную как продукт материи, чье развитие подчиняется объективным законам природы, сторонники рационализма, как правило, отрицают нефизические факторы. Особенно, когда речь идет о существовании некоего Всемирного, или Космического Разума, поскольку это «ненаучно». Научным же следует считать то, что можно описать с помощью формул. Но проблема как раз и состоит в том, что ни один из сценариев возникновения Вселенной, предлагаемых сторонниками теории Большого взрыва, нельзя описать математически или физически.
Первоначальное состояние Вселенной – «точка» бесконечно малых размеров с бесконечно большой плотностью и бесконечно высокой температурой – выходит за пределы математическойлогики и не поддается формальному описанию. Так что об этом ничего определенного сказать нельзя, и расчеты тут подводят. Поэтому данное состояние Вселенной получило в среде ученых название «феномена».
«Феномен» – главная загадка
Теория Большого взрыва позволила ответить на многие вопросы, стоявшие перед космологией, но, к сожалению, а может, и к счастью, она же поставила и ряд новых. В частности: что было до Большого взрыва? Что привело к начальному нагреву Вселенной до невообразимой температуры более 1032 градусов К? Почему Вселенная на удивление однородна, в то время как при любом взрыве вещество разлетается в разные стороны крайне неравномерно?
Но главная загадка – это, конечно, «феномен». Неизвестно, откуда он появился, как образовался. В научно-популярных изданиях тема «феномена» обычно опускается вообще, а в специализированных научных публикациях о нем пишут как о вещи недопустимой с научной точки зрения. Стивен Хокинг, всемирно известный ученый, профессор Кембриджского университета, и Дж. Ф. Р. Эллис, профессор математики университета в Кейптауне, в своей книге «Длинная шкала структуры пространства-времени» так прямо и говорят: «Достигнутые нами результаты подтверждают концепцию, что Вселенная возникла конечное число лет назад. Однако отправной пункт теории возникновения Вселенной в результате Большого взрыва – так называемый "феномен” – находится за гранью известных законов физики».
При этом надо учитывать, что проблема «феномена» – это только часть гораздо большей проблемы, проблемы самого источника начального состояния Вселенной. Иными словами: если первоначально Вселенная была сжата в точку, то что привело ее в это состояние?
Вселенная «пульсирует»?
Эдвин Хаббл обнаружил, что галактики располагаются в красной части цветового спектра
В попытках обойти проблему «феномена» некоторые ученые предлагают другие гипотезы. Одна из них – теория «пульсирующей Вселенной». Согласно ей, Вселенная бесконечно раз за разом то сжимается в точку, то расширяется до каких-то границ. Такая Вселенная не имеет ни начала, ни конца, существуют только циклы расширения-сжатия. При этом авторы гипотезы утверждают, что Вселенная существовала всегда, тем самым вроде бы снимая вопрос о «начале мира».
Но дело в том, что никто до сих пор не предоставил удовлетворительного объяснения механизма пульсации. Почему она происходит? Какими причинами вызвана? Нобелевский лауреат, физик Стивен Вайнберг в своей книге «Первые три минуты» указывает, что при каждой очередной пульсации во Вселенной неизбежно должна возрастать величина соотношения количества фотонов к количеству нуклеонов, что ведет к угасанию новых пульсаций. Вайнберг делает вывод, что, таким образом, количество циклов пульсации Вселенной конечно, а значит, в какой-то момент они должны прекратиться. Следовательно, «пульсирующая Вселенная» имеет конец, а стало быть, имеет и начало.
Еще одна теория возникновения Вселенной – это теория «белых дыр», или квазаров, которые «выплевывают» из себя целые галактики.
Любопытна также теория «пространственно-временных туннелей», или «космических каналов». Мысль о них впервые была высказана в 1962 году американским физиком-теоретиком Джоном Уилером в книге «Геометродинамика», в которой исследователь сформулировал возможность надпространственных, необыкновенно быстрых межгалактических путешествий. Некоторые версии концепции «космических каналов» рассматривают возможность перемещения с их помощью в прошлое и будущее, а также в другие вселенные и измерения.
Непостижимый замысел Творца
Джон Уиллер сформулировал возможность быстрых межгалактических путешествий
Одновременно в научных публикациях все чаще можно натолкнуться на косвенное или прямое признание существования надприродных сил, неподвластных науке. Возрастает число ученых, в том числе крупных математиков и физиков-теоретиков, которые склонны допустить существование некоего Демиурга, или Высшего Разума.
Известный советский ученый, доктор наук, физик и математик О.В. Тупицын математически доказал, что Вселенная, а вместе с ней и человек, сотворены Разумом неизмеримо более могущественным, чем человеческий. «Неоспоримо, что жизнь, в том числе разумная, – это всегда строго упорядоченный процесс, – пишет О. В. Тупицын. – В основе жизни лежит порядок, система законов, по которым движется материя. Смерть – это, напротив, беспорядок, хаос и, как следствие, разрушение материи. Без воздействия извне, причем воздействия разумного и целенаправленного, никакой порядок невозможен – тут же начинается процесс разрушения, означающий смерть. Без понимания этого, а значит, без признания идеи Творца науке никогда не суждено открыть первопричину Вселенной, возникшей из праматерии в результате строго упорядоченных процессов или, как называет их физика, фундаментальных законов. Фундаментальных – значит, основных и неизменных, без которых существование мира было бы вообще невозможным».
Согласно научным воззрениям, при первоначальной «точке» не должно было быть ни пространства, ни времени. Они появились только в самый момент Большого взрыва. До него имелась только крохотная «точка», расположенная, строго говоря, неизвестно где. В этой «точке», неизвестно что собой представлявшей, уже был заложен весь наш мир со всеми его фундаментальными законами и константами, будущими звездами и планетами, жизнью и человеком.
Возможно, «точка» находилась в руках Творца где-то в другом, параллельном мире. И этот Творец привел в действие механизм создания новой Вселенной. Возможно, для Творца вообще не существует пространства и времени. Он способен обозревать одновременно все события от начала и до конца мира. Он знает все, что было и что будет в нашей Вселенной, которую создал с непостижимой для нас целью.
Но современному человеку, особенно воспитанному на атеизме, очень трудно включить Творца в систему своего мировоззрения. Вот и приходится верить в «пульсацию», «космические каналы» и «белые дыры».
Что мы знаем о мироздании, каков космос? Вселенная – это трудно постижимый человеческим разумом безграничный мир, который кажется нереальным и нематериальным. На самом деле нас окружает материя, безграничная в пространстве и во времени, способная принимать различные формы. Чтобы попытаться понять истинные масштабы космического пространства, как устроена Вселенная, строение мироздания и процессы эволюции, нам потребуется переступить порог собственного мироощущения, взглянуть на окружающий нас мир под другим ракурсом, изнутри.
Образование Вселенной: первые шаги
Космос, который мы наблюдаем в телескопы, является только частью звездной Вселенной, так называемой Мегагалактикой. Параметры космологического горизонта Хаббла колоссальные – 15-20 млрд. световых лет. Эти данные приблизительны, так как в процессе эволюции Вселенная постоянно расширяется. Расширение Вселенной происходит путем распространения химических элементов и реликтового излучения. Структура Вселенной постоянно меняется. В пространстве возникают скопления галактик, объекты и тела Вселенной — это миллиарды звезд, формирующие элементы ближнего космоса — звездные системы с планетами и со спутниками.
А где начало? Как появилась Вселенная? Предположительно возраст Вселенной составляет 20 млрд. лет. Возможно, источником космической материи стало горячее и плотное протовещество, скопление которого в определенный момент взорвалось. Образовавшиеся в результате взрыва мельчайшие частицы разлетелись во все стороны, и продолжают удаляться от эпицентра в наше время. Теория Большого взрыва, которая сейчас доминирует в научных кругах, наиболее точно подходит под описания процесса образования Вселенной. Возникшее в результате космического катаклизма вещество представляло собой разнородную массу, состоящую из мельчайших неустойчивых частиц, которые сталкиваясь и разлетаясь, стали взаимодействовать друг с другом.
Большой взрыв – теория возникновения Вселенной, объясняющая ее образование. Согласно этой теории изначально существовало некоторое количество вещества, которое в результате определенных процессов взорвалось с колоссальной силой, разбросав в окружающее пространство массу матери.
Спустя некоторое время, по космическим меркам — мгновение, по земному летоисчислению — миллионы лет, наступил этап материализации пространства. Из чего состоит Вселенная? Рассеянное вещество стало концентрироваться в сгустки, большие и малые, на месте которых впоследствии стали возникать первые элементы Вселенной, огромные газовые массивы — ясли будущих звезд. В большинстве случаев процесс формирования материальных объектов во Вселенной объясняется законами физики и термодинамики, однако существует ряд моментов, которые пока не поддаются объяснению. К примеру, почему в одной части пространства расширяющееся вещество концентрируется больше, тогда как в другой части мироздания материя сильно разрежена. Ответы на эти вопросы можно будет получить только тогда, когда станет понятен механизм образования космических объектов, больших и малых.
Сейчас же процесс образования Вселенной объясняется действием законов Вселенной. Гравитационная нестабильность и энергия в разных участках запустили процессы формирования протозвезд, которые в свою очередь под воздействием центробежных сил и гравитации образовали галактики. Другими словами, в то время как материя продолжала и продолжает расширяться, под воздействием сил тяготения начались процессы сжатия. Частицы газовых облаков стали концентрироваться вокруг мнимого центра, образуя в итоге новое уплотнение. Строительным материалом в этой гигантской стройке является молекулярный водород и гелий.
Химические элементы Вселенной — первичный строительный материал, из которого шло впоследствии формирование объектов Вселенной
Дальше начинает действовать закон термодинамики, приводятся в действие процессы распада и ионизации. Молекулы водорода и гелия распадаются на атомы, из которых под действием сил гравитации формируется ядро протозвезды. Эти процессы являются законами Вселенной и приняли форму цепной реакции, происходят во всех далеких уголках Вселенной, заполнив мироздание миллиардами, сотнями миллиардов звезд.
Эволюция Вселенной: основные моменты
На сегодняшний день в научных кругах бытует гипотеза о цикличности состояний, из которых соткана история Вселенной. Возникнув в результате взрыва протовещества скопления газа, стали яслями для звезд, которые в свою очередь сформировали многочисленные галактики. Однако достигнув определенной фазы, материя во Вселенной начинает стремиться к своему изначальному, концентрированному состоянию, т.е. за взрывом и последующим расширением вещества в пространстве следует сжатие и возврат к сверхплотному состоянию, к исходной точке. Впоследствии все повторяется, за рождением следует финал и так на протяжении многих миллиардов лет, до бесконечности.
Начало и конец мироздания в соответствии с цикличностью эволюции Вселенной
Однако опустив тему образования Вселенной, которая остается открытым вопросом, следует перейти к строению мироздания. Еще в 30-е годы XX века стало ясно, что космическое пространство поделено на районы – галактики, которые являются огромными образованиями, каждое со своим звездным населением. При этом галактики не являются статическими объектами. Скорость разлета галактик от мнимого центра Вселенной постоянно меняется, о чем свидетельствует сближение одних и удаление других друг от друга.
Все перечисленные процессы с точки зрения продолжительности земной жизни длятся очень медленно. С точки зрения науки и этих гипотез — все эволюционные процессы происходят стремительно. Условно эволюцию Вселенной можно разделить на четыре этапа – эры:
- адронная эра;
- лептонная эра;
- фотонная эра;
- звездная эра.
Космическая шкала времени и эволюции Вселенной, в соответствии с которой можно объяснить появление космических объектов
На первом этапе все вещество было сконцентрировано в одной большой ядерной капле, состоящей из частиц и античастиц, объединенных в группы – адроны (протоны и нейтроны). Соотношение частиц и античастиц составляет примерно 1:1,1. Далее наступает процесс аннигиляции частиц и античастиц. Оставшиеся протоны и нейтроны являются тем строительным материалом, из которого формируется Вселенная. Продолжительность адронной эры ничтожна, всего 0,0001 секунды — период взрывной реакции.
Далее, спустя 100 секунд, начинается процесс синтеза элементов. При температуре миллиард градусов в процессе ядерного синтеза образуются молекулы водорода и гелия. Все это время вещество продолжает расширяться в пространстве.
С этого момента начинается длительный, от 300 тыс. до 700 тыс. лет, этап рекомбинации ядер и электронов, формирующих атомы водорода и гелия. При этом наблюдается снижение температуры вещества, падает интенсивность излучения. Вселенная становится прозрачной. Образовавшийся в колоссальных количествах водород и гелий под действием сил гравитации превращает первичную Вселенную в гигантскую строительную площадку. Через миллионы лет начинается звездная эра – представляющая собой процесс образования протозвезд и первых протогалактик.
Такое деление эволюции на этапы вписывается в модель горячей Вселенной, которая объясняет многие процессы. Истинные причины Большого взрыва, механизм расширения материи остаются необъяснимыми.
Строение и структура Вселенной
С образования водородного газа начинается звездная эра эволюции Вселенной. Водород под действием гравитации скапливается в огромные скопления, сгустки. Масса и плотность таких скоплений колоссальны, в сотни тысяч раз превышают массу самой сформировавшейся галактики. Неравномерное распределение водорода, наблюдавшееся на начальной стадии формирования мироздания, объясняет различия в размерах образовавшихся галактик. Там, где должно было существовать максимальное скопление водородного газа, образовались мегагалактики. Где концентрация водорода была незначительной, появились галактики меньших размеров, подобные нашему звездному дому — Млечному Пути.
Версия, в соответствии с которой Вселенная представляет собой точку начала-конца, вокруг которой вращаются галактики на разных этапах развития
С этого момента Вселенная получает первые образования с четкими границами и физическими параметрами. Это уже не туманности, скопления звездного газа и космической пыли (продукты взрыва), протоскопления звездной материи. Это звездные страны, площадь которых огромна с точки зрения человеческого разума. Вселенная становится полна интересных космических феноменов.
С точки зрения научных обоснований и современной модели Вселенной, сначала формировались галактики в результате действия гравитационных сил. Происходило превращение материи в колоссальный вселенский водоворот. Центростремительные процессы обеспечили последующую фрагментацию газовых облаков в скопления, которые стали местом рождения первых звезд. Протогалактики с быстрым периодом вращения превратились со временем в спиральные галактики. Там, где вращение было медленным, и в основном наблюдался процесс сжатия вещества, образовались неправильные галактик, чаще эллиптические. На этом фоне во Вселенной происходили более грандиозные процессы — формирование сверхскоплений галактик, которые тесно соприкасаются своими краями друг с другом.
Сверхскопления — это многочисленные группы галактик и скоплений галактик в составе крупномасштабной структуры Вселенной. В пределах 1 млрд св. лет находится около 100 сверхскоплений
С этого момента стало ясно, что Вселенная представляет собой огромную карту, где континентами являются скопления галактик, а странами — мегагалактики и галактики, образовавшиеся миллиарды лет назад. Каждое из образований состоит из скопления звезд, туманностей, скоплений межзвездного газа и пыли. Однако все это население составляет лишь 1% от общего объема вселенских образований. Основную массу и объем галактик занимает темная материя, природу которой выяснить не представляется возможным.
Разнообразие Вселенной: классы галактик
Стараниями американского ученого астрофизика Эдвина Хаббла мы теперь имеем границы Вселенной и четкую классификацию галактик, населяющих ее. В основу классификации легли особенности структуры этих гигантских образований. Почему галактики имеют разную форму? Ответ на этот и многие другие вопросы дает классификация Хаббла, в соответствии с которой Вселенная состоит из галактик следующих классов:
- спиральные;
- эллиптические;
- иррегулярные галактики.
К первым относятся наиболее распространенные образования, которыми заполнено мироздание. Характерными чертами спиральных галактик является наличие четко выраженной спирали, которая вращается вокруг яркого ядра либо стремится к галактической перемычке. Спиральные галактики с ядром обозначаются символами S, тогда как у объектов с центральной перемычкой обозначение уже SB. К этому классу относится и наша галактика Млечный Путь , в центре которой ядро разделено светящейся перемычкой.
Типичная спиральная галактика. В центре отчетливо видны ядро с перемычкой от концов которой исходят спиральные рукава.
Подобные образования разбросаны по Вселенной. Ближайшая к нам спиральная галактика Андромеда — гигант, который стремительно сближается с Млечным Путем. Наибольшей из известных нам представительниц этого класса является гигантская галактика NGC 6872. Диаметр галактического диска этого монстра составляет примерно 522 тысячи световых лет. Находится этот объект на расстоянии от нашей галактики в 212 млн. световых лет.
Следующим, распространенным классом галактических образований являются эллиптические галактики. Их обозначение в соответствии с классификацией Хаббла буква Е (elliptical). По форме эти образования эллипсоиды. Несмотря на то, что подобных объектов во Вселенной достаточно много, эллиптические галактики не отличатся выразительностью. Состоят они в основном из гладких эллипсов, которые наполнены звездными скоплениями. В отличие от галактических спиралей, эллипсы не содержат скоплений межзвездного газа и космической пыли, которые являются основными оптическими эффектами визуализации подобных объектов.
Типичный представитель этого класса, известный на сегодняшний день — эллиптическая кольцевая туманность в созвездии Лиры. Этот объект расположен от Земли на расстоянии 2100 световых лет.
Вид эллиптической галактики Центавр А в телескоп CFHT
Последний класс галактических объектов, которыми населена Вселенная — иррегулярные или неправильные галактики. Обозначение по классификации Хаббла – латинский символ I. Основная черта – это неправильная форма. Другими словами у подобных объектов нет четких симметричных форм и характерного рисунка. По своей форме такая галактика напоминает картину вселенского хаоса, где звездные скопления чередуются с облаками газа и космической пыли. В масштабах Вселенной иррегулярные галактики — явление частое.
В свою очередь неправильные галактики делятся на два подтипа:
- иррегулярные галактики I подтипа имеют сложную неправильной формы структуру, высокую плотную поверхность, отличающуюся яркостью. Нередко такая хаотическая форма неправильных галактик является следствием разрушившихся спиралей. Типичный пример подобной галактики — Большое и Малое Магелланово Облако;
- иррегулярные, неправильные галактики II подтипа имеют низкую поверхность, хаотическую форму и не отличаются высокой яркостью. Вследствие снижения яркости, подобные образования трудно обнаружить на просторах Вселенной.
Большое Магелланово Облако является самой ближайшей к нам неправильной галактикой. Оба образования в свою очередь являются спутниками Млечного Пути и могут быть в скором времени(через 1-2 млрд. лет) поглощены более крупным объектом.
Неправильная галактика Большое Магелланово облако — спутник нашей галактики Млечный Путь
Несмотря на то, что Эдвин Хаббл достаточно точно расставил галактики по классам, данная классификация не является идеальной. Больше результатов мы могли бы достичь, включи в процесс познания Вселенной теорию относительности Эйнштейна. Вселенная представлена богатством разнообразных форм и структур, каждая из которых имеет свои характерные свойства и особенности. Недавно астрономы сумели обнаружить новые галактические образования, которые по описанию являются промежуточными объектами, между спиральными и эллиптическими галактиками.
Млечный Путь — самая известная нам часть Вселенной
Две спиральные ветви, симметрично расположенные вокруг центра, составляют основное тело галактики. Спирали в свою очередь состоят из рукавов, которые плавно перетекают друг в друга. На стыке рукавов Стрельца и Лебедя расположилось наше Солнце, находящееся от центра галактики Млечный Путь на расстоянии 2,62·10¹⁷км. Спирали и рукава спиральных галактик – это скопления звезд, плотность которых увеличивается по мере приближения к галактическому центру. Остальную массу и объем галактических спиралей составляет темная материя, и только малая часть приходится на межзвездный газ и космическую пыль.
Положение Солнца в рукавах Млечного Пути, место нашей галактики во Вселенной
Толщина спиралей составляет примерно 2 тыс. световых лет. Весь это слоеный пирог находится в постоянном движении, вращаясь с огромной скоростью 200-300 км/с. Чем ближе к центру галактики, тем выше скорость вращения. Солнцу и нашей Солнечной системе потребуется 250 млн. лет, чтобы совершить полный оборот вокруг центра Млечного Пути.
Наша галактика состоит из триллиона звезд, больших и малых, сверхтяжелых и средней величины. Самое плотное скопление звезд Млечного Пути — рукав Стрельца. Именно в этой области наблюдается максимальная яркость нашей галактики. Противоположная часть галактического круга наоборот, менее яркая и плохо различима при визуальном наблюдении.
Центральная часть Млечного Пути представлена ядром, размеры которого предположительно составляют 1000-2000 парсек. В этой самой яркой области галактики сосредоточено максимальное количество звезд, которые имеют различные классы, свои пути развития и эволюции. В основном это старые сверхтяжелые звезды, находящиеся на финальной стадии Главной последовательности. Подтверждением наличия стареющего центра галактики Млечный Путь является наличие в этой области большого числа нейтронных звезд и черные дыры. Действительно – центр спирального диска любой спиральной галактики — сверхмассивная черная дыра, которая словно гигантский пылесос всасывает в себя небесные объекты и реальную материю.
Сверхмассивная черная дыра, находящаяся в центральной части Млечного Пути – место гибели всех галактических объектов
Что касается звездных скоплений, то ученым сегодня удалось классифицировать два вида скоплений: шарообразные и рассеянные. Помимо звездных скоплений спирали и рукава Млечного Пути, как и любой другой спиральной галактики, состоят из рассеянной материи и темной энергии. Являясь последствием Большого взрыва, материя пребывает в сильно разреженном состоянии, которое представлено разреженным межзвездным газом и частицами пыли. Видимая часть материи представляет собой туманности, которые в свою очередь делятся на два типа: планетарные и диффузные туманности. Видимая часть спектра туманностей объясняется преломлением света звезд, которые излучают свет внутри спирали по всем направлениями.
В этом космическом супе и существует наша Солнечная система. Нет, мы не единственные в этом огромном мире. Как и у Солнца , многие звезды имеют свои планетарные системы. Весь вопрос в том, как обнаружить далекие планеты, если расстояния даже в пределах нашей галактики превышают продолжительность существования любой разумной цивилизации. Время во Вселенной измеряется другими критериями. Планеты со своими спутниками, самые мелкие объекты во Вселенной. Количество подобных объектов не поддается исчислению. Каждая из тех звезд, которые находятся в видимом диапазоне, могут иметь собственные звездные системы. В наших силах увидеть только самые ближайшие к нам существующие планеты. Что происходит по соседству, какие миры существуют в других рукавах Млечного Пути и какие планеты существуют в других галактиках, остается загадкой.
Kepler-16 b - экзопланета у двойной звезды Kepler-16 в созвездии Лебедь
Заключение
Имея только поверхностное представление о том, как появилась и как эволюционирует Вселенная, человек сделал лишь маленький шаг на пути постижения и осмысливания масштабов мироздания. Грандиозные размеры и масштабы, с которыми ученым приходится сегодня иметь дело, говорят о том, что человеческая цивилизация — лишь мгновение в этом пучке материи, пространства и времени.
Модель Вселенной в соответствии с понятием присутствия материи в пространстве с учетом времени
Изучение Вселенной идет от Коперника и до наших дней. Сначала ученые отталкивались от гелиоцентрической модели. На деле оказалось, что космос не имеет реального центра и все вращение, движение и перемещение происходит по законам Вселенной. Несмотря на то, что существует научное объяснение происходящим процессам, вселенские объекты распределены на классы, виды и типы, ни одно тело в космосе не похоже на другое. Размеры небесных тел примерны, так же как и их масса. Расположение галактик, звезд и планет условно. Все дело в том, что во Вселенной нет системы координат. Наблюдая за космосом, мы делаем проекцию на весь видимый горизонт, считая нашу Землю нулевой точкой отсчета. На самом деле мы только микроскопическая частичка, затерявшаяся в бесконечных просторах Вселенной.
Вселенная – это субстанция, в которой все объекты существуют в тесной привязке к пространству и времени
Аналогично привязки к размерам, следует рассматривать время во Вселенной, как главную составляющую. Зарождение и возраст космических объектов позволяет составить картину рождения мира, выделить этапы эволюции мироздания. Система, с которой мы имеем дело, тесно связана временными рамками. Все процессы, протекающие в космосе, имеют циклы — начало, формирование, трансформацию и финал, сопровождающийся гибелью материального объекта и перехода материи в другое состояние.
Как она в кажущееся на первый взгляд бесконечное пространство превратилась? И чем она спустя многие миллионы и миллиарды лет станет? Эти вопросы терзали (и продолжают терзать) умы философов и ученых, кажется, еще с начала времен, породив при этом множество интересных и порой даже безумных теорий
Сегодня большинство астрономов и космологов пришли к общему согласию относительно того, что вселенная, которую мы знаем, появилась в результате гигантского взрыва, породившего не только основную часть материи, но явившегося источником основных физических законов, согласно которым существует тот космос, который нас окружает. Все это называется теорией большого взрыва.
Основы теории большого взрыва относительно просты. Таким образом, если кратко, согласно ей вся существовавшая и существующая сейчас во вселенной материя появилась в одно и то же время - около 13, 8 миллиарда лет назад. В тот момент времени вся материя существовала в виде очень компактного абстрактного шара (или точки) с бесконечной плотностью и температурой. Это состояние носило название сингулярности. Неожиданно сингулярность начала расширяться и породила ту вселенную, которую мы знаем.
Стоит отметить, что теория большого взрывая является лишь одной из многих предложенных гипотез возникновения вселенной (например, есть еще теория стационарной вселенной), однако она получила самое широкое признание и популярность. Она не только объясняет источник всей известной материи, законов физики и большую структуру вселенной, она также описывает причины расширения вселенной и многие другие аспекты и феномены.
Хронология событий в теории большого взрыва.
Основываясь на знаниях о нынешнем состоянии вселенной, ученые предполагают, что все должно было начаться с единственной точки с бесконечной плотностью и конечным временем, которые начали расширяться. После первоначального расширения, как гласит теория, вселенная прошла фазу охлаждения, которая позволила появиться субатомным частицам и позже простым атомам. Гигантские облака этих древних элементов позже, благодаря гравитации, начали образовывать звезды и галактики.
Все это, по догадкам ученых, началось около 13, 8 миллиарда лет назад, и поэтому эта отправная точка считается возрастом вселенной. Путем исследования различных теоретических принципов, проведения экспериментов с привлечением ускорителей частиц и высокоэнергетических состояний, а также путем проведения астрономических исследований дальних уголков вселенной ученые вывели и предложили хронологию событий, которые начались с большого взрыва и привели вселенную в конечном итоге к тому состоянию космической эволюции, которое имеет место быть сейчас.
Ученые считают, что самые ранние периоды зарождения вселенной - продлившиеся от 10-43 до 10-11 секунды после большого взрыва, - по прежнему являются предметом споров и обсуждений. Внимание! Только в том случае, если учесть, что те законы физики, которые нам сейчас известны, не могли существовать в это время, то очень сложно понять, каким же образом регулировались процессы в этой ранней вселенной. Кроме того, экспериментов с использованием тех возможных видов энергий, которые могли присутствовать в то время, до сих пор не проводилось. Как бы там ни было, многие теории о возникновении вселенной в конечном итоге согласны с тем, что в какой-то период времени имелась отправная точка, с которой все началось.
Эпоха сингулярности.
Также известная как планковская эпоха (или планковская эра) принимается за самый ранний из известных периодов эволюции вселенной. В это время вся материя содержалась в единственной точке бесконечной плотности и температуры. Во время этого периода, как считают ученые, квантовые эффекты гравитационного взаимодействия доминировали над физическим, и ни одна из физических сил не была равна по силе гравитации.
Планковская эра предположительно длилась от 0 до 10-43 секунды и названа она так потому, что измерить ее продолжительность можно только планковским временем. Ввиду экстремальных температур и бесконечной плотности материи состояние вселенной в этот период времени было крайне нестабильным. После этого произошли периоды расширения и охлаждения, которые привели к возникновению фундаментальных сил физики.
Приблизительно в период с 10-43 до 10-36 секунды во вселенной происходил процесс столкновения состояний переходных температур. Считается, что именно в этот момент фундаментальные силы, которые управляют нынешней вселенной, начали отделяться друг от друга. Первым шагом этого отделения явилось появление гравитационных сил, сильных и слабых ядерных взаимодействий и электромагнетизма.
В период примерно с 10-36 до 10-32 секунды после большого взрыва температура вселенной стала достаточно низкой (1028 к), что привело к разделению электромагнитных сил (сильное взаимодействие) и слабого ядерного взаимодействия (слабого взаимодействия.
Эпоха инфляции.
С появлением первых фундаментальных сил во вселенной началась эпоха инфляции, которая продлилась с 10-32 секунды по планковскому времени до неизвестной точки во времени. Большинство космологических моделей предполагают, что вселенная в этот период была равномерно заполнена энергией высокой плотности, а невероятно высокие температура и давление привели к ее быстрому расширению и охлаждению.
Это началось на 10-37 секунде, когда за фазой перехода, вызвавшей отделение сил, последовало расширение вселенной в геометрической прогрессии. В этот же период времени вселенная находилась в состоянии бариогенезиса, когда температура была настолько высокой, что беспорядочное движение частиц в пространстве происходило с околосветовой скоростью.
В это время образуются и сразу же сталкиваясь разрушаются пары из частиц - античастиц, что, как считается, привело к доминированию материи над антиматерией в современной вселенной. После прекращения инфляции вселенная состояла из кварк - глюоновой плазмы и других элементарных частиц. С этого момента вселенная стала остывать, начала образовываться и соединяться материя.
Эпоха охлаждения.
Со снижением плотности и температуры внутри вселенной начало происходить и снижение энергии в каждой частице. Это переходное состояние длилось до тех пор, пока фундаментальные силы и элементарные частицы не пришли к своей нынешней форме. Так как энергия частиц опустилась до значений, которые можно сегодня достичь в рамках экспериментов, действительное возможное наличие этого временного периода вызывает у ученых куда меньше споров.
Например, ученые считают, что на 10-11 секунде после большого взрыва энергия частиц значительно уменьшилась. Примерно на 10-6 секунде кварки и глюоны начали образовывать барионы - протоны и нейтроны. Кварки стали преобладать над антикварками, что в свою очередь привело к преобладанию барионов над антибарионами.
Так как температура была уже недостаточно высокой для создания новых протонно - антипротонных пар (или нейтронно - антинейтронных пар), последовало массовое разрушение этих частиц, что привело к остатку только 1/1010 количества изначальных протонов и нейтронов и полному исчезновению их античастиц. Аналогичный процесс произошел спустя около 1 секунды после большого взрыва. Только "Жертвами" на этот раз стали электроны и позитроны. После массового уничтожения оставшиеся протоны, нейтроны и электроны прекратили свое беспорядочное движение, а энергетическая плотность вселенной была заполнена фотонами и в меньшей степени нейтрино.
В течение первых минут расширения вселенной начался период нуклеосинтеза (синтез химических элементов. Благодаря падению температуры до 1 миллиарда кельвинов и снижения плотности энергии примерно до значений, эквивалентных плотности воздуха, нейтроны и протоны начали смешиваться и образовывать первый стабильный изотоп водорода (дейтерий), а также атомы гелия. Тем не менее большинство протонов во вселенной остались в качестве несвязных ядер атомов водорода.
Спустя около 379 000 лет электроны объединились с этими ядрами водорода и образовали атомы (опять же преимущественно водорода), в то время как радиация отделилась от материи и продолжила практически беспрепятственно расширяться через пространство. Эту радиацию принято называть реликтовым излучением, и она является самым древнейшим источником света во вселенной.
С расширением реликтовое излучение постепенно теряло свою плотность и энергию и в настоящий момент его температура составляет 2, 7260 0, 0013 к (- 270, 424 C), а энергетическая плотность 0, 25 эВ (или 4, 005x10-14 Дж/м? ; 400-500 Фотонов/см. Реликтовое излучение простирается во всех направлениях и на расстояние около 13, 8 миллиарда световых лет, однако оценка его фактического распространения говорит примерно о 46 миллиардах световых годах от центра вселенной.
Эпоха структуры (иерархическая эпоха).
В последующие несколько миллиардов лет более плотные регионы почти равномерно распределенной во вселенной материи начали притягиваться друг к другу. В результате этого они стали еще плотнее, начали образовывать облака газа, звезды, галактики и другие астрономические структуры, за которыми мы можем наблюдать в настоящее время. Этот период название иерархической эпохи носит. В это время та вселенная, которую мы видим сейчас, начала приобретать свою форму. Материя начала объединяться в структуры различных размеров - звезды, планеты, галактики, галактические скопления, а также галактические сверхскопления, разделенные межгалактическими перемычками, содержащими всего лишь несколько галактик.
Детали этого процесса могут быть описаны согласно представлению о количестве и типе материи, распределенной во вселенной, которая представлена в виде холодной, теплой, горячей темной материи и барионного вещества. Однако современной стандартной космологической моделью большого взрыва является модель лямбда - CDM, согласно которой частицы темной материи двигаются медленнее скорости света. Выбрана она была потому, что решает все противоречия, которые появлялись в других космологических моделях.
Согласно этой модели на холодную темную материю приходится около 23 процентов всей материи/энергии во вселенной. Доля барионного вещества составляет около 4, 6 процента. Лямбда - CDM ссылается на так называемую космологическую постоянную: теорию, предложенную Альбертом Эйнштейном, которая характеризует свойства вакуума и показывает соотношение баланса между массой и энергией как постоянную статичную величину. В этом случае она связана с темной энергией, которая служит в качестве акселератора расширения вселенной и поддерживает гигантские космологические структуры в значительной степени однородными.
Долгосрочные прогнозы относительно будущего вселенной.
Гипотезы относительно того, что эволюция вселенной обладает отправной точкой, естественным способом подводят ученых к вопросам о возможной конечной точке этого процесса. Только в том случае, если вселенная начала свою историю из маленькой точки с бесконечной плотностью, которая вдруг начала расширяться, не означает ли это, что расширяться она тоже будет бесконечно или же однажды у нее закончится экспансивная сила и начнется обратный процесс сжатия, конечным итогом которого станет все та же бесконечно плотная точка?
Ответы на эти вопросы были основной целью космологов с самого начала споров о том, какая же космологическая модель вселенной является верной. С принятием теории большого взрыва, но по большей части благодаря наблюдению за темной энергией в 1990-х годах, ученые пришли к согласию в отношении двух наиболее вероятных сценариев эволюции вселенной.
Согласно первому, получившему название "Большое Сжатие", вселенная достигнет своего максимального размера и начнет разрушаться. Такой вариант развития событий будет возможен, если только плотность массы вселенной станет больше, чем сама критическая плотность. Другими словами, если плотность материи достигнет определенного значения или станет выше этого значения (1-3x10-26 кг материи на м), вселенная начнет сжиматься.
Альтернативой служит другой сценарий, который гласит, что если плотность во вселенной будет равна или ниже значения критической плотности, то ее расширение замедлится, однако никогда не остановится полностью. Согласно этой гипотезе, получившей название "Тепловая Смерть Вселенной", расширение продолжится до тех пор, пока звездообразования не перестанут потреблять межзвездный газ внутри каждой из окружающих галактик. То есть полностью прекратится передача энергии и материи от одного объекта к другому. Все существующие звезды в этом случае выгорят и превратятся в белых карликов, нейтронные звезды и черные дыры.
Постепенно черные дыры будут сталкиваться с другими черными дырами, что привет к образованию все более и более крупных. Средняя температура вселенной приблизится к абсолютному нулю. Черные дыры в итоге "Испарятся", выпустив свое последнее излучение хокинга. В конце концов термодинамическая энтропия во вселенной максимальной станет. Тепловая смерть наступит.
Современные наблюдения, которые учитывают наличие темной энергии и ее влияние на расширение космоса, натолкнули ученых на вывод, согласно которому со временем все больше и больше пространства вселенной будет проходить за пределами нашего горизонта событий и станет невидимым для нас. Конечный и логичный результат этого ученым пока не известен, однако "Тепловая Смерть" вполне может оказаться конечной точкой подобных событий.
Есть и другие гипотезы относительно распределения темной энергии, а точнее, ее возможных видов (например фантомной энергии. Согласно им галактические скопления, звезды, планеты, атомы, ядра атомов и материя сама по себе будут разорваны на части в результате ее бесконечного расширения. Такой сценарий эволюции носит название "Большого Разрыва". Причиной гибели вселенной согласно этому сценарию является само расширение.
История теории большого взрыва.
Самое раннее упоминание большого взрыва относится к началу 20-го века и связано с наблюдениями за космосом. В 1912 году американский астроном весто слайфер провел серию наблюдений за спиральными галактиками (которые изначально представлялись туманностями) и измерил их доплеровское красное смещение. Почти во всех случаях наблюдения показали, что спиральные галактики отдаляются от нашего млечного пути.
В 1922 году выдающийся российский математик и космолог Александр Фридман вывел из уравнений Эйнштейна для общей теории относительности так называемые уравнения Фридмана. Несмотря продвижения Эйнштейном теории в пользу наличия космологической постоянной, работа Фридмана показала, что вселенная скорее находится в состоянии расширения.
В 1924 году измерения Эдвина хаббла дистанции до ближайшей спиральной туманности показали, что эти системы на самом деле являются действительно другими галактиками. В то же время хаббл приступил к разработке ряда показателей для вычета расстояния, используя 2, 5-метровый телескоп хукера в обсерватории маунт Вилсон. К 1929 году хаббл обнаружил взаимосвязь между расстоянием и скоростью удаления галактик, что впоследствии стало законом хаббла.
В 1927 году бельгийский математик, физик и католический священник Жорж леметр независимо пришел к тем же результатам, какие показывали уравнения Фридмана, и первым сформулировал зависимость между расстоянием и скоростью галактик, предложив первую оценку коэффициента этой зависимости. Леметр считал, что в какой-то период времени в прошлом вся масса вселенной была сосредоточена в одной точке (атоме.
Эти открытия и предположения вызывали много споров между физиками в 20-х и 30-х годах, большинство из которых считало, что вселенная находится в стационарном состоянии. Согласно устоявшейся в то время модели, новая материя создается наряду с бесконечным расширением вселенной, равномерно и равнозначно по плотности распределяясь на всей ее протяженности. Среди ученых, поддерживающих ее, идея большого взрыва казалась больше теологической, нежели научной. В адрес леметра звучала критика о предвзятости на основе религиозных предубеждений.
Следует отметить, что в то же время существовали и другие теории. Например, модель вселенной Милна и циклическая модель. Обе основывались на постулатах общей теории относительности Эйнштейна и впоследствии получили поддержку самого ученого. Согласно этим моделям вселенная существует в бесконечном потоке повторяющихся циклов расширений и коллапсов.
1. Эпоха сингулярности (планковская). Ее принято считать первичной, в качестве раннего эволюционного периода Вселенной. Материя была сосредоточена в одной точке, имеющей свою температуру и бесконечную плотность. Ученые утверждают, что эта эпоха характерна для доминирования квантовых эффектов, принадлежащих гравитационному взаимодействию над физическими, причем ни одна физическая сила из всех существовавших в те далекие времена по своей силе не была идентична гравитации, то есть не была ей равна. Время продолжительности планковской эры сосредотачивается в интервале от 0 до 10-43 секунды. Она получила такое название по причине того, что полноценно измерить ее протяженность смогло лишь планковское время. Этот временной интервал считается очень нестабильным, что в свою очередь тесным образом связано с экстремальной температурой и безграничной плотностью материи. Следом за эпохой сингулярности произошел период расширения, а вместе с ним и охлаждения, приведшие к формированию основных физических сил.
Как зарождалась Вселенная. Холодное рождение
Что было до Вселенной. Модель «Спящей» Вселенной
«Возможно, до Большого взрыва Вселенная представляла собой некое очень компактное, медленно эволюционирующее статичное пространство», - теоретизируют такие физики, как Курт Хинтербихлер, Остин Джойс и Джастин Хури.
Эта «предвзрывная» Вселенная должна была обладать метастабильным состоянием, то есть быть стабильной до того момента, пока не появится еще более стабильное состояние. По аналогии представьте обрыв, на краю которого в состоянии вибрации находится валун. Любое касание до валуна приведет к тому, что он сорвется в пропасть или - что ближе к нашему случаю – произойдет Большой взрыв. Согласно некоторым теориям «предвзрывная» Вселенная могла существовать в ином виде, например, в форме сплюснутого и очень плотного пространства. В итоге этот метастабильный период подошел к концу: она резко расширилась и приобрела форму и состояние того, что мы видим сейчас.
«В модели «спящей» Вселенной, однако, тоже имеются свои проблемы», - говорит Кэрролл.
«Она тоже предполагает наличие у нашей Вселенной появления низкого уровня энтропии и при этом не объясняет, почему это так».
Однако Хинтербихлер, физик-теоретик из Университета Кейс Вестерн Резерв, не считает появление низкого уровня энтропии проблемой.
«Мы просто ищем объяснение динамики, происходившей до Большого взрыва, которая объясняет, почему мы видим то, что мы видим сейчас. Пока это лишь единственное, что нам остается», - говорит Хинтербихлер.
Кэрролл, тем не менее, считает, что есть еще одна теория «предвзрывной» Вселенной, которая способна объяснить низкий уровень энтропии, имеющийся в нашей Вселенной.
Как появилась Вселенная из ничего. Как работает Вселенная
Поговорим о том, как на самом деле устроена физика, по нашим понятиям. Со времён Ньютона парадигма фундаментальной физики не менялась; в неё входит три части. Первое – «пространство состояний»: по сути, список всех возможных конфигураций, в которых может находиться Вселенная. Второе - определённое состояние, представляющее Вселенную в какой-то момент времени, обычно в текущий. Третье – некое правило, по которому Вселенная развивается во времени. Дайте мне Вселенную на сегодня, и законы физики скажут, что станет с ней в будущем. Такой способ мышления не менее верен для квантовой механики или ОТО или квантовой теории поля, чем для ньютоновой механики или максвелловской электродинамики.
Квантовая механика, в частности - особенная, но очень многосторонняя реализация этой схемы. (Квантовая теория поля – просто определённый пример квантовой механики, а не новый способ мышления). Состояния – это «волновые функции», а набор всех возможных волновых функций определённой системы называется “ гильбертовым пространством “. Его преимущество в том, что оно сильно ограничивает набор возможностей (потому что это векторное пространство: замечание для экспертов). Как только вы сообщите мне его размер (количество измерений), вы полностью определите ваше Гильбертово пространство. Это кардинально отличается от классической механики, в которой пространство состояний может стать чрезвычайно сложным. А ещё есть машинка – “ гамильтониан ” – указывающая, как именно развиваться из одного состояния в другое с течением времени. Повторюсь, что разновидностей гамильтонианов бывает не много; достаточно записать определённый список величин (собственных значений энергии – уточнение для вас, надоедливые эксперты).
Как появилась жизнь на Земле. Жизнь на Земле
Жизнь, использующая химию, отличную от нашей, может возникнуть на Земле более одного раза. Возможно. И если мы найдем доказательства наличия такого процесса, это означает, что существует большая вероятность, что жизнь будет возникать во многих местах Вселенной независимо друг от друга, также как возникла жизнь на Земле. Но с другой стороны, представьте, что мы почувствуем, если в конце концов обнаружим жизнь на другой планете, возможно, вращающейся вокруг далекой звезды, и окажется, что она имеет идентичную химию и, возможно, даже идентичную нашей структуру ДНК.
Шансы на то, что жизнь на Земле возникла абсолютно самопроизвольно и случайно кажутся очень небольшими. Шансы возникновения точно такой же жизни в другом месте невероятно малы, и практически равны нулю. Но на эти вопросы есть возможные ответы, которые английские астрономы Фред Хойл и Чандра Викрамасингхе изложили в своей необычной книге, написанной в 1979 году - « Life cloud» .
Учитывая крайне маловероятный шанс, что жизнь на Земле появилась сама по себе, авторы предлагают другое объяснение. Оно заключается в том, что появление жизни произошло где-то в космосе, а затем распространилась по всей Вселенной посредством панспермии. Микроскопическая жизнь, застрявшая в мусоре, возникшем в результате космических столкновений, может путешествовать, находясь в неактивном состоянии в течение очень долгого времени. После чего, когда она прибудет в пункт назначения, где снова начнет развиваться. Таким образом, вся жизнь во Вселенной, в том числе и жизнь на Земле, на самом деле является одной и той же жизнью.
Видео Как появилась Вселенная
Как появилась Вселенная из ничего. Холодное рождение
Однако пути к подобному объединению можно обдумать на качественном уровне, и здесь появляются весьма интересные перспективы. Одну из них рассмотрел известный космолог, профессор Аризонского университета Лоуренс Краусс в своей недавно изданной книге «A Universe From Nothing» («Вселенная из ничего»). Его гипотеза выглядит фантастической, но отнюдь не противоречит установленным законам физики.
Считается, что наша Вселенная возникла из очень горячего начального состояния с температурой порядка 1032 кельвинов. Однако возможно представить и холодное рождение вселенных из чистого вакуума - точнее, из его квантовых флуктуаций. Хорошо известно, что такие флуктуации порождают великое множество виртуальных частиц, буквально возникших из небытия и впоследствии бесследно исчезнувших. Согласно Крауссу, вакуумные флуктуации в принципе способны давать начало столь же эфемерным протовселенным, которые при определенных условиях переходят из виртуального состояния в реальное.
Вопрос о том, как появилась Вселенная, всегда волновал людей. Это и не удивительно, ведь каждому хочется знать свои истоки. Над этим вопросом уже несколько тысячелетий бьются ученые, священники и писатели. Этот вопрос будоражит умы не только специалистов, но и каждого простого человека. Однако сразу стоит сказать, что стопроцентного ответа на вопрос о том, как появилась Вселенная, нет. Есть только теория, которую поддерживает большинство ученых.
- Вот ее мы и разберем.
Поскольку все, что окружает человека, имеет свое начало, то не удивляет тот факт, что с древних времен человек пытался найти начало Вселенной. У человека эпохи Средневековья ответ на этот вопрос был достаточно прост – Вселенную создал Бог. Однако с развитием науки ученые начали подвергать сомнению не только вопрос о Боге, но и вообще о том, что Вселенная имеет начало.
В 1929 году благодаря американскому астроному Хабблу ученые вернулись к вопросу о корнях Вселенной. Дело в том, что Хаббл доказал, что галактики, из которых состоит Вселенная, постоянно двигаются. Кроме движения они еще и могут увеличиваться, а значит, увеличивается и Вселенная. А если она растет, выходит так, что был когда-то этап старта этого роста. А это означает, что у Вселенной есть начало.
Чуть позже уже британский астроном Хойл выдвинул сенсационную гипотезу: Вселенная возникла в момент Большого Взрыва. Его теория так и вошла в историю под таким названием. Суть идеи Хойла проста и сложна одновременно. Он считал, что когда-то существовал этап, который называют состоянием космической сингулярности, то есть время стояло на отметке нуль, а плотность и температура равнялись бесконечности. И в один момент случился взрыв, в результате которого нарушилась сингулярность, а следовательно плотность и температура изменились, начался рост материи, а значит время начало свой отчет. Позже сам Хойл назвал свою теорию малоубедительной, однако это не помешало ей стать самой популярной гипотезой происхождения Вселенной.
Когда случилось то, что Хойл назвал Большим Взрывом? Ученые проводили множество расчетов, в результате большинство сошлось на цифре 13,5 миллиардов лет. Именно тогда из ничего начала появляться Всего за долю секунды Вселенная приобрела размер меньше атома, и процесс разрастания был запущен. Ключевую роль сыграла гравитация. Самое интересное, что если бы она была чуть сильнее, то ничего бы не возникло, максимум черная дыра. А если бы гравитация была немного слабее, то ничего бы не возникло вообще.
Через несколько секунд после Взрыва температура во Вселенной немного уменьшилась, что дало толчок созданию вещества и антивещества. В результате начали появляться атомы. Так Вселенная перестала быть однотонной. Где-то атомов было больше, где-то меньше. В одних частях было горячее, в других температура была ниже. Атомы начали сталкиваться друг с другом, образовывая соединения, затем новые вещества, а позже тела. Часть объектов обладала большой внутренней энергией. Это были звезды. Они начали собирать вокруг себя (благодаря силе притяжения) другие тела, которые мы называем планетами. Так возникли системы, одной из которых является наша Солнечная.
Большой взрыв. Проблемы модели и их разрешение
- Проблема крупномасштабности и изотропности Вселенной может быть разрешена благодаря тому, что на стадии инфляции расширение происходило необычайно высокими темпами. Из этого следует, что всё пространство наблюдаемой Вселенной – результат одной причинно-связанной области эпохи, предшествующей инфляционной.
- Разрешение проблемы плоской Вселенной. Это возможно потому, что на стадии инфляции происходит увеличение радиуса кривизны пространства. Эта величина такова, что позволяет современным параметрам плотности иметь значение, близкое к критическому.
- Инфляционное расширение ведёт к возникновению колебаний плотности с определённой амплитудой и формой спектра. Это даёт возможность развития этих колебаний (флуктуаций) в нынешнюю структуру Вселенной, сохраняя крупномасштабную однородность и изотропность. Это разрешение проблемы крупномасштабной структуры Вселенной.
Основным недостатком инфляционной модели можно считать её зависимость от теорий, которые ещё не доказаны и разработаны не до конца.
Например, модель базируется на теории единого поля, которая пока является просто гипотезой. Её невозможно проверить экспериментально в лабораторных условиях. Ещё один недостаток модели – непонятность, откуда взялась перегретая и расширяющаяся материя. Здесь рассматриваются три возможности:
- Стандартная теория Большого взрыва предполагает начало инфляции на самой ранней стадии эволюции Вселенной. Но тогда не разрешается проблема сингулярности.
- Вторая возможность – возникновение Вселенной из хаоса. Разные участки её имели различную температуру, поэтому в одних местах происходило сжатие, а в других – расширение. Инфляция должна была возникнуть в области Вселенной, которая была перегрета и расширялась. Но не ясно, откуда взялся первичный хаос.
- Третий вариант – квантово-механический путь, посредством которого возник сгусток перегретой и расширяющейся материи. Фактически, Вселенная возникла из ничего.
Научные методы в изучении Вселенной привели к формованию четких и основанных на фактах концепций ее возникновения, однако не все с ними согласились.
Две мировые войны не только принесли горе и смерть, но и способствовали резкому развитию технологий и научного знания, что, в свою очередь, позволило ученым глубже заглянуть в ящик Пандоры в поисках ответа на интересующие их вопросы. За этим последовал настоящий бум теорий, предположений и мнений о возникновении Вселенной, но придут ли они когда-нибудь к общему знаменателю?
Современные научные теории
На сегодняшний день за основу в изучении Вселенной большинством научного сообщества берется теория Большого взрыва (и нет, это мы не про сериал), но она далеко не совершенна.
Начало современным теориям о возникновении и формировании Вселенной положил один из крупнейших ученых XX в. - . В рамках общеизвестной теории относительности он работал над так называемыми уравнениями. Объединенные в одну систему, они представляли собой описание фундаментального космического явления - гравитации. Однако в модели Вселенной, которую создал Эйнштейн, была допущена ошибка. Он ввел в уравнение космологическую постоянную, представленную в виде греческой буквы лямбда (Λ). Здесь в первоначальные представления великого ученого о Вселенной закралась ошибка: он предполагал стационарность Вселенной. В дальнейшем Эйнштейн изменил свою точку зрения, но лямбда так и осталась в уравнении как необязательная величина, напоминая о том, что даже крупнейшие умы человечества зависимы от развития технологий.
Альберт Эйнштейн. janeb13 / pixabay.com (CC0 1.0)
Черепаха и стоящие на ней слоны ушли в прошлое - наука шагала вперед семимильными шагами. Как утверждал русский ученый Вернадский в начале XX в., есть один элемент, который никогда не учитывают при исследовании вселенной, - ноосфера. Она, в представлении ученого, представляет собой разум человечества в его совокупности. Научная жизнь на протяжении истории своего существования стирала границы, сливаясь в один организм: теории, взгляды и мнения ученых со всего мира публиковались на страницах международных журналов. В одном из них в 1922 г. была опубликована работа советского математика Александра Фридмана , в которой он заложил основы для теорий о нестационарных моделях Вселенной. Ученый отверг идею конечности космического пространства и столкнулся с критикой со стороны Эйнштейна, однако ценность научного знания возобладала, и концепция Фридмана была взята за истинную на данном этапе. Впоследствии она была подтверждена обнаружением красного смещения (понижение частот излучения, вызванное удалением его источников) Эдвином Хабблом .
Сотню лет спустя работы обоих ученых легли в основу современной космологической модели ΛCDM, где лямбда является переменной для открытой не так давно темной материи.
Lambda-Cold Dark Matter, Accelerated Expansion of the Universe, Big Bang-Inflation (timeline of the universe) Дизайн: Alex Mittelmann, Coldcreation / wikimedia.org (CC BY-SA 3.0)
Следующим шагом в формировании теории Большого взрыва стало развитие науки после Второй мировой войны. Советский ученый Георгий Антонович Гамов , вынужденный эмигрировать в США в связи с непониманием его позиции на родине и конфликтом с ученым сообществом Академии наук (был исключен в 1938 г.), предложил теорию горячей вселенной. По его мнению, зарождение Вселенной началось с «горячего» состояния, подтверждением которого должно было стать на тот момент теоретическое микроволновое (реликтовое) излучение - тепловые отголоски Большого взрыва, все еще доносящиеся до нас. Теория Гамова родилась в 1946 г., представлена в 1948-м, но подтверждение нашла только к 1965 г. Неудивительно, что она столкнулась с критикой, однако именно ее отсутствие могло привести к худшему для ученого раскладу - забвению. Для научных концепций жизненно необходимым может являться не только признание, но разгоревшиеся на их фоне споры. Стоит отметить, что Гамов активно занимался популяризацией науки и писал свои работы доступным языком, стараясь привлечь внимание людей к бескрайней темной Вселенной.
Теории стационарной Вселенной
В ответ на возникшую теорию раздались громогласные возгласы с трибун британского астронома Фреда Хойла, который наряду со своими коллегами придерживался теории стационарной Вселенной . Согласно ее основам, не существует единой точки образования или «взрыва», а расширение Вселенной происходит в результате образования материи между галактиками. Наука тоже умеет шутить: презентуя свою концепцию в 1949 г., Хойл, пытаясь придумать презрительное название для теории своих оппонентов, фактически создал столь запоминающееся словосочетание - «Большой взрыв».
Как уже было сказано выше, в 1965 г. теория обрела вторую составляющую доказательства своей приемлемости (первой было красное смещение) после того, как было подтверждено существование реликтового излучения.
Казалось бы, что теперь теория Большого взрыва должна была стать доминирующей среди научного сообщества, однако всё обернулось иначе.
RIA Novosti archive, image #25981 / Vladimir Fedorenko / (CC BY 3.0)Теория холодной Вселенной
Предложенная советскими учеными Андреем Сахаровым и Яковов Зельдовичем теория холодной Вселенной, не смогла противостоять «горячей теории», но не все законы, лежащие в ее основе, потеряли свое значение. В теории Большого взрыва имеются лакуны, например относительно состояния Вселенной в начальный момент взрыва (космологическая сингулярность), которые может заполнить и ее «холодный собрат».
Попытки заполнить остальные лакуны и разобрать по частям каждый элемент реальности привели к появлению теории струн . Ее основная идея заключается в том, что мельчайшая фундаментальная частица, кварк, состоит из энергетических структур, вибрирующих, словно струна. Несмотря на то что теория струн основана на теории Большого взрыва, она породила немало новых взглядов на реальность. Ведь не был дан ответ на самый важный вопрос: как так получилось, что в нашей Вселенной зародилась жизнь?
Например, некоторые ученые считают, что наш мир не единственный, а один из множества частей мультивселенной . Данная теория предполагает, что мы видим лишь одну часть реальности, тогда как остальные элементы многомерного пространства скрыты от зорких глаз ученых. Также, согласно гипотезе мультивселенной, каждая вселенная обладает своим набором констант, физических величин и характеристик, сочетание которых вполне могло привести к возникновению жизни в одной из них - нашей.
Теории создают новые теории
Бесконечное почкование ученой мысли не остановить. Возникновение жизни, основанное на гипотезах мультивселенной и теории струн, наводит на мысль о том, что кто-то до мельчайшей детали подгадал необходимые условия, так сказать, произвел «тонкую настройку Вселенной» .
Помимо теории мультивселенной, на основе «настройки» зародились два специфичных взгляда о возникновении Вселенной.
Первый из них возвращает нас в далекое прошлое. По утверждению ряда ученых, которые не пользуются особой популярностью в научном сообществе, Вселенная была создана разумным творцом: Богом, Дьяволом, Буддой или просто программистом-Васей, не так важно. Этот взгляд получил название «разумный замысел» и отметку «псевдонаучный».
