Прошлое и будущее Вселенной icon

Прошлое и будущее Вселенной



НазваниеПрошлое и будущее Вселенной
Дата конвертации03.08.2012
Размер264,25 Kb.
ТипРеферат
Прошлое и будущее Вселенной


Содержание: Введение 2 Открытие взрывающейся Вселенной 3 Возраст Вселенной 6 Большой Взрыв 8 Будущее Вселенной 15 А был ли Большой Взрыв? 19 Заключение 21 Список литературы 23Введение С того времени, когда Галилей впервые с помощью телескопа исследовалМлечный Путь, мы знаем, что он состоит из звезд, а Солнце представляетсобой лишь одну из сотен миллиардов звезд, образующих Галактику МлечногоПути, а за пределами нашей Галактики лежит необъятная Вселенная. Запоследние годы наука добилась захватывающих результатов. Космология,оперирующая на уровне сверхбольших величин, а физика элементарных частиц –на уровне невероятно малых величин, мощнейшие оптические, инфракрасные,рентгеновские и радиотелескопы – все это позволило создать потрясающуюсовременную картину – Вселенную, невообразимо распростершуюся впространстве и времени, содержащую множество поразительных объектов,движущихся с невероятными скоростями. Естественно встает вопрос: было ли уВселенной начало, и что было таким «началом», каков возраст Вселенной,будет ли конец ее существованию? На эти вопросы я постараюсь ответить всвоей работе. Открытие взрывающейся Вселенной В начале 20-х гг. XX в. Вселенная казалась астрономам постоянной инеизменной, но новы достижения в теории и результаты наблюдений развеялипредставление о статичности вселенной. В 1917 г. Альберт Эйнштейн создалобщую теорию относительности (ОТО). Она описывала природу гравитации, аповедение Вселенной определялось именно гравитацией. На языке уравненийЭйнштейна гравитация представляет собой искривленное пространство (точнее,пространство- время), степень искривленности которого определяетсяколичеством материи во Вселенной. Согласно эйнштейновской теории вселеннойпространство- время – это нечто живущее собственной динамичной жизнью,искривляющаяся, расширяющаяся или сжимающаяся в соответствии со строгоопределенными законами. Эйнштейн, который, как и все его современникиисходил из статичности и неизменности вселенной ужаснулся, когда из егоуравнений стало видно, что пространство- время должно расширятся, – чтоВселенная должна становиться все больше, - и исправил уравнение, добавивновый член, «космологическую постоянную», с целью ликвидировать расширение ивосстановить статичность. Позднее он назвал это своей самой серьезнойнаучной ошибкой.[1] В начале 20-х гг. уравнения Эйнштейна, описывающие природу вселенной,были рассмотрены советским ученым А. Фридманом, который в 1922 г. получилстандартный набор решений. Модели Фридмана, как их называют, дают основныепредпосылки нашего представления о Вселенной: с течением времени Вселеннаядолжна эволюционировать. Была предсказана необходимость существования впрошлом «сингулярного состояния» – вещества огромной плотности, а значит, инеобходимость какой-то причины побудившей сверхплотное вещество начатьрасширятся. Это было теоретическим открытием взрывающейся Вселенной,открытие было сделано без наличия каких-либо идей о самом взрыве, о причиненачала расширения Вселенной. Эйнштейн сначала не соглашался с выводамисоветского математика, но потом полностью их признал. Позднее он сталсклоняться к мысли, что / - член (так обозначают космологическуюпостоянную) не следует вводить в уравнения тяготения, если их решение длявсего мира можно получить и без космологической постоянной.[2] Идеи требовали подтверждения. Именно в это время астрономы создали рядбольших телескопов для исследования Вселенной и обнаружили, на сколькоограничены были их прежние взгляды. Американский астроном Эдвин Хаббл, работавший в обсерватории Маунт-Вильсон в Калифорнии, в1929 г. обнаружил, что многие туманные пятна в небеудается разделить на отдельные звезды, и они есть ни что иное, каксамостоятельные галактики, лежащие далеко за пределами Млечного Пути. ЗатемХаббл сделал еще более грандиозное открытие, он обнаружил, что у далекихгалактик систематически наблюдается красное смещение в спектрах,пропорциональное расстоянию от каждой галактики до Земли. Это красноесмещение представляет собой сдвиг линий видимого спектра в красную областьпо сравнению с ожидаемой картиной. Это явление можно толковать какудлинение световых волн т.к. красный свет соответствует длинноволновомукраю видимого спектра (голубой свет имеет более короткие длины волн,сокращение длин волн вызвало бы голубой сдвиг). Существует приемлемоеединственное объяснение этого явления: длина волны света увеличивается,потому что галактика удаляется от нас. Однако это не означает, что нашагалактика находится в центре Вселенной, а все остальные удаляются от нее.Представьте себе раздувающийся резиновый шарик с нанесенными на неготочками. Каждая точка «видит», как любая другая удаляется со скоростьюпропорциональной расстоянию, разделяющему их, но в действительности ни однаиз точек не движется по поверхности шара. По закону Хаббла Вселенная ведетсебя аналогичным образом, пустое пространство – Эйнштейновское пространство-время расширяется и раздвигает галактики все дальше друг от друга, хотясами они не движутся в пространстве. Умы астрономов были готовы к этому уже в 30-х гг., и в течение трехдесятилетий они надеялись, что у вселенной должно быть начало, с которогопошел процесс расширения. Но лишь в 60-х эта идея стала превращаться внечто более конкретное. До этого Большой Взрыв казался абстракцией, егонельзя было ни увидеть, ни услышать, ни ощутить, у астрономов не былоуверенности, что гипотеза верна. В 1964 г. Арно Пензиас Роберт и Вильсон,работая в американской лаборатории «Белл Телефон Лабораториз», нашли способ«ощутить» Большой Взрыв. При помощи чувствительной радиоантенны и системыусиления ученые изучали слабые радиосигналы, отражавшиеся спутниками «Эхо»,а также легкий радиошум Млечного Пути, и к своему удивлению обнаружилислабый, но равномерный сигнал, приходящий со всех направлений впространстве. Проходили месяцы, а он не менялся, хотя антенна направляласьна различные участки неба, вращаясь вместе с землей вкруг ее оси и вокругсолнца. Шум не мог исходить от какого-либо источника на Земле, антеннуразбирали, монтировали заново, но шум в коротковолновом приемнике неисчезал. В это время Пензиас и Вильсон узнали о расчетах П. Дж. Э. Пиблза,физика из Принстонского университета, из которых следовало, что еслиВселенная возникла при Большом Взрыве, то для предотвращения слияния всехкомпактных частиц в тяжелыеэлементы и для сохранения достаточного количества водорода и гелия дляформирования звезд и галактик во Вселенной необходимо наличие огромнойплотности излучения. По мере расширения Вселенной излучение остывало,продолжая наполнять Вселенную, но в более «разбавленном» виде. Пиблзпредсказал, что сегодня его можно обнаружить как излучение, с температуройна несколько градусов выше абсолютного нуля по шкале Кельвина. РасчетыПиблза объясняли происхождение радиошума, который слышали Пензиас иВильсон. Пространство – наша Вселенная – оказалось заполненным оченьслабыми радиоволнами с энергией, эквивалентной 3 оК (0о по шкале Кельвинасоответствует –273 оС).[3] По обычным стандартам это очень слабый сигнал,но, поскольку им заполнено все пространство, получается огромное кол-воэнергии. Космическое излучение было отдаленным эхом Большого Взрыва,последним следом огненного шара, в котором зародилась Вселенная, ученыеназвали его реликтовым излучением. Доводы в защиту этой теории просты. Вселенная при рождении была оченьгорячей, с высокой концентрацией энергии и материи, расширялосьпространство и излучение, но по мере расширения энергия рассредоточивалась,с уменьшением плотности энергии температура падала. Сейчас температурафонового излучения в точности соответствует расширению, произошедшему смомента Большого Взрыва. Если подсчитать общую плотность энергии, котораясегодня содержится в реликтовом излучении, то она окажется в 30 раз больше,чем плотность энергии в излучении от звезд, радиогалактик и другихисточников вместе взятых. Можно подсчитать число фотонов реликтовогоизлучения, находящихся в каждом кубическом сантиметра Вселенной.Оказывается, что концентрация этих фотонов: N~500 штук в см3.[4] Большой Взрыв оказался нечем более реальным, чем результатыматематических построений. В 1978 г. Пензиас и Вильсон были удостоеныНобелевской премии за свое открытее. Возраст Вселенной Вопрос о возрасте Вселенной является наиболее спорным. Еще в 1929 г.совершенствование методик измерения расстояний до окружающих галактикпозволило получить более точное значение отношения скорости разбегания красстоянию – так называемой постоянной Хаббла. Ее величина оценивается винтервале от 50 до 100 км/с из мегапарсек (31/4 миллиона световых лет).Иными словами, на каждые 75 км измеренной скорости разбегания приходитсяоколо 31/4 миллиона световых лет расстояния между ними и данной галактикой.Постоянная Хаббла показывает, насколько быстро расширяется Вселенная, а этов свою очередь позволяет вычислить, когда произошел Большой Взрыв.Подсчитанный на основе этих соображений возраст Вселенной составляет от 15до 20 млрд. лет. С выводами Хаббла были согласны далеко не все астрономы, вчастности ученый Техасского университета де Вокулер считал, что мы живем нав обычной области Вселенной, а в аномальной, и нужен какой-то болеесовершенный метод определения. В 1979 г. Марк Ааронсон и его коллеги изобсерватории Стюарда решили измерить не видимый свет Галактик, а ихинфракрасное излучение, т.к. оно не задерживается пылью и не надо делатьпоправку на поворот Галактик. В итоге было подтверждено предположение деВакулера о том, что мы, в самом деле, живем в аномальной области Вселенной.Мы находимся на расстоянии примерно 60 млн. световых лет от суперскопленияв Деве и стремимся к нему под действием притяжения с весьма большойскоростью. Значит, для того чтобы получить верное значение постояннойХаббла, нужно из скорости разбегания галактик (с которой они удаляются отнас) вычесть эту скорость. Но некоторые ученые считают, что мы движемся ксозвездию Льва, а не Девы, со скоростью примерно 600 км/с. Какие жеизмерения возраста Вселенной верны, пока не известно. Есть еще методы определения возраста Вселенной, но они позволяют найтилишь возраст нашей Галактики, но т.к. хорошо известно насколько Вселеннаястарше Галактики то эти методы весьма надежны. В одном из методовиспользуются гигантские скопления звезд, так называемые глобулярныескопления, которые окружают нашу Галактику. Ученые Герцшпрунг и Ресселсоздали график зависимости абсолютной яркости от температуры поверхностизвезд и на этом основании сделали вывод, что возраст глобулярных скопленийот 8 до 18 млрд. лет, значит Вселенной должно быть не больше 10 млрд. лет. Есть метод, заключающийся в наблюдении скоростей распада различныхрадиоактивных веществ. Мерой скорости этого процесса служит так называемыйпериод полураспада – время, течение которого распадается половина ядерданного вещества. Измеряя периоды полураспада атомов радиоактивныхэлементов в Солнечной системе, можно определить ее возраст, а на его основе– возраст нашей Галактики, и вновь результаты указывают, что Галактикебольше 10 млрд. лет. Сотрудник Чикагского университета Дэвид Шрамм инекоторые другие ученые применили ряд методов определения возрастаГалактики, а затем обработали результаты для получения наиболее вероятногозначения. Таким образом, они получили оценку 15-16 миллиардов лет. Но и этоубедило отнюдь не всех. Гарри Шипмен из университета Делавэра недавнопровел исследование эволюции белых карликов и определил их число в нашейГалактике; теперь он утверждает, что Млечному Пути не более 11 миллиардовлет. С его выводами согласны Кен Джейнс из Бостонского университета и Пьерде Марк из Йеля. Они внимательно изучили методику определения возрастаглобулярных скоплений на основе графиков зависимости светимость —температура и пришли к выводу, что учет погрешностей в наблюдениях звезд, атакже некоторых теоретических допущений позволяет снизить оценку ихвозраста до 12 миллиардов лет.[5] Сегодня ученые с уверенностью могут утверждать лишь то, что возрастВселенной составляет от 10 до 20 миллиардов лет. Это значит, что около 10-20 миллиардов лет назад произошел колоссальный взрыв, в результате которогопроизошло рождение нашей Вселенной. Большой Взрыв Какой же была Вселенная в момент своего рождения? Этот вопрос имеетсмысл, только если он относится к мгновению, следующему непосредственно заначалом, т.е. к моменту времени, когда применение физических законовстановится уже разумным. Спустя всего одну сотую секунды после начала, космос занимал гораздоменьший объем, тем теперь, и был заполнен сжатым веществом при температурев миллиарды градусов с плотностью в триллионы раз выше, чем плотность воды.В этих условиях не могли существовать ни ядра, ни тем более атомы, которыебыли бы разрушены бурным тепловым движением. Итак, если отправной точкой мыбудем считать десятитысячную долю секунды после самого начала, то изпроделанных вычислений следует, что радиус кривизны Вселенной в этот моментравнялся примерно одной тридцатой части светового года, т.е. 300 миллиардовкилометров, что в 1000 раз превышает размеры Солнечной системы.[6] Хотя этои колоссальная величина, но она ничтожна по сравнению с размерамисовременной Вселенной, таким образом вещество находилось в крайне сжатомсостоянии с плотностью в тысячи миллиардов раз больше, чем плотность воды ипри чрезвычайно высокой температуре порядка одного триллиона градусов. Чемже был заполнен космос в эти мгновения? Напомним, что температура газапредставляет собой не что иное, как меру средней энергии составляющих егочастиц. Если эти частицы попытаться нагреть до триллиона градусов, то онибудут сталкиваться друг с другом с такой силой, что атомы разобьются наядра и электроны; в свою очередь ядра разобьются на нейтроны и протоны, изкоторых они состоят. Более того, энергия разлетающихся частей будет стольвысока, что сможет материализоваться согласно формуле E= mc2 и привести кпоявлению вещества – антивещества (пар мюонов и электрон-позитных пар). Космические соударения сначала происходят в неистовом ритме, который современем затихает; в конце концов, столкновения становятся совсем редкими.Расширяясь, Вселенная охлаждается со скоростью, обратно пропорциональной еерадиусу. В свою очередь радиус Вселенной увеличивается как кореньквадратный из прошедшего времени; так, например, при увеличении времени отодной до четырех секунд радиус Вселенной увеличится в два раза, в то времякак температура уменьшится вдвое. По прошествии одной секунды после началапропадают мюоны, и начинается образование более стабильных ядер (главнымобразом ядер гелия, или a-частиц, состоящих из двух протонов и двухнейтронов). В течение последующих трех минут нуклеосинтез по существузаканчивается. Спустя четверть часа после начала радиус вселенной достигает100 световых лет, а температура равна 300 млн. градусов, что сравнимо стемпературой наблюдаемой при термоядерных взрывах. С этого моментанаблюдается более медленное охлаждение Вселенной наряду с ее расширением, ипройдет еще миллион лет, прежде чем произойдет новый качественный скачек вкартине развития Вселенной. Температура при этом упадет до четырех тысячградусов, и свободные электроны начнут рекомбинировать с ядрами, образуяатомы, которые, наконец, будут способны противостоять уменьшившемуся уровнютепла. Что бы мы увидели, если бы могли окинуть взглядом пространство в тудалекую первоначальную эпоху? Яркость равномерного свечения неба всего вдесять раз меньше, чем у поверхности Солнца (что очень близко к яркостисвечения солнечных пятен, в сою очередь сравнимой с яркостью дуговойлампы). Жара, как в аду, поддерживает вещество в возбужденном состоянии, недавая ему конденсироваться. После образования атомов вещество становитьсяпрозрачным для света, и свет блуждает в течение миллиардов лет по всейВселенной вплоть до наших дней. Почему же мы его не видим? Ответ состоит втом, что его все-таки удалось увидеть, хотя и не в виде света в обычномсмысле, о чем мы уже говорили ранее, речь идет о так называемом реликтовомизлучении. Оно представляет собой самое древнее из имеющихся свидетельствнашей эволюции; оно было испущено, когда прошло менее одной тысячной доливсей жизни Вселенной. Существуют ли причины, кроме простого любопытства, по которой следуетопределять различные численные характеристики «сверхварева» вещества,появившегося вслед за Большим Взрывом? Вот одна из них. Из вычислений следует, что оставшийся «пепел» должен был состоятьпримерно на три четверти из водорода; остальная часть – это гелий и оченьмалые примеси более тяжелых элементов. Не случайно, что такой же начальныйсостав галактического вещества получается и из данных об эволюции звезд.Кроме того, в этом месиве должен был присутствовать тяжелый изотоп водорода– дейтерий, относительно легкий по сравнению с другими ядрами. По всейвидимости, дейтерий не может создаваться в горниле звездных печей, где онбы сразу превращался в гелий или, так или иначе, разрушался. Поэтомувстречающийся в настоящее время дейтерий (даже в стенах домов) должен былсохраниться со времени Большого Взрыва. Если Вселенная действительно былатогда очень плотной (настолько, чтобы быть замкнутой), то, как показываютрасчеты, частные столкновения дейтронов (ядер дейтерия) с другими ядрамичрезвычайно быстро привели бы к их разрушению. Таким образом, обнаружение значительного количества дейтерия в нынешнейВселенной указывало бы на малую плотность вещества в ней, т.е. на то, чтоВселенная открыта. Наблюдения нашей Галактики, судя по всему, подтверждаютсуществование межзвездных облаков, состоящих из дейтерия, что говорит впользу модели открытой Вселенной, по крайней мере, временно, поскольку неисключена возможность, что будет обнаружен способ образования дейтерия взвездах, противоречащий нашим рассуждениям. Когда же появились Галактики? После отрыва излучения от веществаВселенная по-прежнему состояла из довольно однородной смеси частиц иизлучения. В ней уже содержалось вещество, из которого впоследствииобразовались галактики, но пока его распределение оставалось в основномравномерным. Известно, однако, что позже наступил этап неоднородности,иначе сейчас не было бы галактик. Но откуда же взялись флуктуации,приведшие к появлению галактик? Астрономы полагают, что они проявились очень рано, практически сразу жепосле Большого взрыва. Что их вызвало? Точно неизвестно и, может быть,никогда не будет известно наверняка, но они каким-то образом появилисьпрактически в самый первый момент. Возможно, поначалу они были довольновелики, а затем сгладились, а может быть, наоборот, увеличивались стечением времени. Известно, однако, что по окончании эпохи излучения этифлуктуации стали расти. С течением времени они разорвали облака частиц наотдельные части. Эти гигантские клубы вещества расширялись вместе сВселенной, но постепенно стали отставать. Затем под действием взаимногопритяжения частиц начало происходить их уплотнение. Большинство этихобразований поначалу медленно вращалось, и по мере уплотнения скорость ихвращения возрастала. Турбулентность в каждом из фрагментов была весьма значительна, и облакодробилось еще больше, до тех пор, пока не остались области размером созвезду. Они уплотнялись и образовывали так называемые протозвезды (облако вцелом называется протогалактикой). Затем стали загораться звезды игалактики приобрели свой нынешний вид. Эта картина довольно правдоподобна, но все же остается ряд нерешенныхпроблем. Как, например, выглядели ранние формы галактик (их обычно называютпервичными галактиками)? Так как пока ни одна из них не наблюдалась,сравнивать теоретические построения не с чем. Есть и другие трудности. Задумаемся над тем, что мы видим, вглядываясь вглубины космоса. Ясно, что при этом мы заглядываем в прошлое. Почему? Дапотому, что скорость света не бесконечна, а имеет предел; для того чтобыдойти до нас от удаленного объекта, свету требуется некоторое время.Например, галактику, находящуюся от нас на расстоянии 10 миллионов световыхлет, мы видим такой, какой она была 10 миллионов лет назад; галактику нарасстоянии 3 миллиарда световых лет мы наблюдаем отстоящей от нас вовремени на 3 миллиарда лет. Всматриваясь еще дальше, мы видим все болеетусклые галактики, и, наконец, они становятся вовсе не видны - заопределенной границей можно наблюдать только так называемые радиогалактики,которые, похоже, во многих случаях находятся в состоянии взрыва. За этойграницей расположены особенно странные галактики - мощные источникирадиоизлучения с чрезвычайно плотными ядрами. Наконец, на самой окраине Вселенной можно разглядеть только квазары. Ихобнаружили в начале 60-х годов, и с тех пор они остаются для нас загадкой.Они испускают больше энергии, чем целая галактика (а ведь в нее входятсотни миллиардов звезд), при весьма малом размерен - не больше Солнечнойсистемы. По сравнению с количеством излучаемой энергии такой размер простосмехотворен. Как может столь малый объект давать столько энергии? На этутему в последние годы много рассуждали, в основном применительно к чернымдырам, но ответа пока нет. В соответствии с наиболее приемлемой моделью,квазар - это плотный сгусток газа и звезд, находящийся поблизости от чернойдыры. Энергия выделяется, когда газ и звездное вещество поглощаются чернойдырой. Важно помнить, что мы видим все эти объекты такими, какими они былидавным-давно, когда Вселенной было, скажем, всего несколько миллионов летот роду. Поскольку на самой окраине видны только квазары, напрашиваетсявывод, что они есть самая ранняя форма галактик. Ближе к нам находятсярадиогалактики, так, может быть, они произошли от квазаров? Еще ближеобычные галактики, которые, стало быть, произошли от радиогалактик?Получается как бы цепь эволюции: квазары, радиогалактики и обычныегалактики. Хотя такие рассуждения кажутся вполне разумными, большинствоастрономов с ними не соглашается. Одно из возражений - разница в размерахмежду квазарами и галактиками. Следует, однако, упомянуть, что недавновокруг некоторых квазаров обнаружены туманности. Возможно, эти туманностизатем конденсируются в звезды, которые объединяются в галактики. Из-заупомянутой выше и других трудностей большая часть астрономов предпочитаетсчитать, что и на самых дальних рубежах есть первичные галактики, но онислишком слабы и потому не видны. Более того, недавно обнаружены новыесвидетельства, подтверждающие такое предположение, зарегистрированонесколько галактик, находящихся на 2 миллиарда световых лет дальше, чемсамая дальняя из известных галактик. Они настолько слабы, что для полученияих изображения на фотопластинке понадобилась экспозиция 40 ч. Хотя в общих чертах нам ясно, что тогда происходило, но механизмобразования Галактик все же понят не до конца и противоречит аккуратнымподсчетам наблюдаемых масс Галактик и их скоплений. Проникая с помощьютелескопов все дальше в глубь космоса, было обнаружено, что самые далекиеобъекты перемещаются со скоростями, вплотную приближающимися к скоростисвета, и поэтому они перестают бать видимыми. Где-то вдалеке существуетгоризонт, и свет от объектов, находящихся за ним, до нас еще не дошел.Находиться этот горизонт на расстоянии примерно 12 миллиардов световыхлет.[7] На сколько можно судить, космос заполнен множеством галактик(десятками миллиардов), объединенных в гигантские скопления, содержащиесотни и тысячи галактик. Так вот диаметры галактик колеблются от 10 до 100тыс. световых лет, тогда как расстояние от нас до ближайшей гигантскойГалактики – туманности Андромеда – превышает 2 миллиона световых лет.Размеры больших скоплений галактик порядка 10 миллионов световых лет, асверхскоплений 100-300 миллионов световых лет.[8] В последнее время были проведены массовые измерения красных смещений дляболее чем 10 тысяч галактик, используя полученное расстояние до галактик, спомощью компьютеров были построены трехмерные картины распределениягалактик во вселенной. Здесь-то ученые и столкнулись с неожиданнымрезультатом. Если наивно считать, что все структурные уровни материикачественно похожи друг на друга и отличаются только пространственнымиразмерами, то вполне естественно было предположить, что галактикиобъединяются в скопления галактик точно так же, как звезды объединяются вгалактике, однако действительность оказалось совершенно иной. Подавляющаячасть галактик (80-90%) оказалась сконцентрированной в сильно вытянутыенитевидные (филаментарные) структуры толщиной менее 30 миллионов световыхлет и длинной до 300 миллионов световых лет. Соседние нити пересекаютсямежду собой, образуя связанную, трехмерную сетчато-ячеистую структуру. Этуструктуру и называют обычно системой сверхскоплений, условно проводяграницу между отдельными сверхскоплениями там, где нити становятся тоньше иреже. Большие скопления галактик заключают в себе весьма малую долю всехгалактик (менее 10%) и располагаются, как правило, в близи точекпересечения нитевидных структур, остальное пространство почти не содержитгалактик. Были обнаружены гигантские пустоты с размерами в десяткимегапарсек. Первая пустота «войд» была обнаружена в направлении насозвездие Волопаса. Ячеистая структура не собирается в более крупныеобразования, а в среднем равномерно заполняет вселенную. Масштабы ячеекоколо 300 мегапарсек, плотность светящегося вещества, усредненная по объемуячейки, равна 3·10-31 г/см3. Это и есть среднее значение плотности веществанаблюдаемой Вселенной. Контраст плотности вещества убывает с ростомпространственного масштаба структур. Правда, астрономические оценки масс неочень надежны, т.к. помимо светящегося вещества самих галактик впространстве вокруг них существуют, по-видимому, значительные массывещества, наблюдать которые не удается. Скрытые массы проявляют себя толькотяготением, которое сказывается на движении галактик в группах ископлениях, по этим признакам оценивают связанную с ними среднюю плотность,которая, как полагают, может быть в два-три или даже пять-десять раз большеусредненной плотности галактик. То обстоятельство, что число галактик иплотность вещества оказываются одинаковыми в достаточно больших объемах,где бы эти области ни находились, означает что Вселенная, рассматриваемая вбольшом масштабе, является в среднем однородной. Это одно изфундаментальных свойств окружающего нас мира. Будущее Вселенной Современная наука, рассматривая дальнейшую судьбу Вселенной,останавливается на двух вариантах – открытой и замкнутой Вселенной. Еслипредположить, что Вселенная замкнута, в этом случае в течение 40-50миллиардов лет ничего существенного не произойдет. Галактики будут вседальше разбегаться друг от друга, пока в какой-то момент самые дальние изних не остановятся и Вселенная не начнет сжиматься. На смену красномусмещению спектральных линий придет синее. К моменту максимальногорасширения большинство звезд в галактиках погаснет, и останутся в основномнебольшие звезды, белые карлики и нейтронные звезды, а также черные дыры,окруженные роем частиц - в большинстве своем фотонов и нейтронов. Наконец,через примерно 100 миллиардов лет начнут сливаться воедино галактическиескопления; отдельные объекты сначала будут сталкиваться очень редко, но современем Вселенная превратится в однородное «море» скоплений. Затем начнутсливаться отдельные галактики, и, в конце концов, Вселенная будетпредставлять собой однородное распределение звезд и других подобныхобъектов. В течение всего коллапса в результате аккреции и соударений станутобразовываться, и расти черные дыры. Будет повышаться температура фоновогоизлучения; в конце концов, она почти достигнет температуры поверхностиСолнца и начнется процесс испарения звезд. Перемещаясь на фоне ослепительнояркого неба, они подобно кометам будут оставлять за собой состоящий изпаров след. Но вскоре все заполнит рассеянный туман и свет звезд померкнет.Вселенная потеряет прозрачность, как сразу же после Большого взрыва. (В гл.6 мы видели, что/ранняя Вселенная была непрозрачной, пока ее температура неупала примерно до 3000 К; тогда свет стал распространяться без помех.) По мере сжатия Вселенная, естественно, будет проходить те же стадии, что и при создании Вселенной, но в обратном порядке. Температура будет расти, и сокращающиеся интервалы времени начнут играть все большую роль. Наконец галактики тоже испарятся и превратятся в первичный «суп» из ядер, а затем распадутся и ядра. На этом этапе Вселенная станет крохотной и состоящей только из излучения кварков и черных дыр. В последнюю долю секунды коллапс дойдет почти до сингулярности. Что будет дальше - неизвестно, поскольку нет теории, которая годилась бы для описания сверхбольших плотностей, возникающих до появления сингулярности, можно лишь строить предположения. В теории замкнутой Вселенной появилась так называемая идея «отскока» - внезапного прекращения сжатия, нового Большого Взрыва и нового расширения. Одной из причин первоначального введения идеи отскока была возможность обойти неприятную с точки зрения многих астрономов проблему возникновения Вселенной. Если отскок произошел один раз, то он мог случаться неоднократно, может быть, бесчисленное количество раз, поэтому не нужно и беспокоиться о начале времен. К сожалению, при подробной проработке такой идеи оказалось, что, иотскок не решает проблемы. В интервалах между отскоками звезды излучаютзначительное количество энергии, которая затем концентрируется придостижении состояния, близкого к сингулярности. Эта энергия должнапостепенно накапливаться, из-за чего промежуток времени междупоследовательными отскоками будет возрастать. Значит, в прошлом этипромежутки были короче, а когда-то, в пределе, промежутка не было вовсе, т.е. мы приходим к тому, чего старались избежать, - проблеме началаВселенной. Согласно расчетам, от начала нас должно отделять не более 100циклов расширений и сжатий. Многие предпринимали попытки обойти эту проблему. Томми Голд, например,разработал теорию, согласно которой в момент наибольшего расширения времяначинает течь вспять. Излучение устремится обратно к звездам и Вселенная«омолодится». В таком случае она будет равномерно осциллировать междуколлапсом и максимальным расширением. Весьма интересную, но очень спорную теорию предложил Джон Уилер.Воспользовавшись идеей Хо-кинга, согласно которой фундаментальные константы«теряют» свои числовые значения при достаточно высоких плотностях, онпоказал, что цикл осцилляции не обязательно должен удлиняться. Из-запринципа неопределенности значения констант утрачиваются, когда Вселеннаясжимается до почти бесконечной плотности. После возможного отскока и новогорасширения эти константы могут получить совершенно иные значения.Продолжительность циклов в таких обстоятельствах также будет меняться, нослучайным образом; одни циклы станут очень длинными, а другие короткими.10 Согласно противоположной теории, открытая Вселенная будет расширятьсявечно. Первые события будут, конечно, аналогичны тем, которые происходят взамкнутой Вселенной. Звезды постепенно постареют, превратившись с течениемвремени в красных гигантов, либо взорвутся, либо медленно сколлапсируют иумрут. Некоторые из них, прежде чем погаснуть, столкнутся с другимизвездами. Такие столкновения очень редки, и с момента образования нашейГалактики (по крайней мере, в ее внешних областях, где мы обитаем) их былосовсем немного. Однако за триллионы и триллионы триллионов лет такихстолкновений произойдет множество. Часть из них лишь сбросит в пространствопланеты, а в результате других звезды окажутся на совершенно иных орбитах,некоторые даже вне пределов нашей Галактики. Если подождать достаточнодолго, то нам покажется, что внешние области галактик испаряются. Не выброшенные из галактик звезды в результате столкновений, скореевсего, будут притягиваться к центру, который, в конце концов, превратится вчерную гигантскую дыру. Примерно через 10(18) лет большинство галактикбудет состоять из массивных черных дыр, окруженных роем белых карликов,нейтронных звезд, черных дыр, планет и различных частиц. Дальнейшие события вытекают из современной единой теории поля,называемой теорией великого объединения. Из этой теории следует, что протонраспадается примерно за 10(31) лет. Сейчас ведется несколько экспериментовпо обнаружению такого распада, а значит, и по проверке теории, Согласно ей,протоны должны распадаться на электроны, позитроны, нейтрино и фотоны.Отсюда следует, что, в конце концов, все, что состоит во Вселенной изпротонов и нейтронов (а их не содержат только черные дыры), распадется наэти частицы. Вселенная превратится в смесь из них и черных дыр, и будетнаходиться в таком состоянии очень, очень долго. Когда-нибудь испарятсямаленькие черные дыры, а вот с большими возникнут трудности. Фоновоеизлучение к тому времени будет очень холодным, но все же его температураостанется чуть выше, чем у черных дыр. Однако по мере расширения Вселеннойситуация изменится — температура излучения станет ниже, чем на поверхностичерных дыр, и те начнут испаряться, медленно уменьшаясь в размерах; на этопотребуется примерно 10(100) лет. Затем Вселенную заполнят электроны ипозитроны, которые, вращаясь, друг вокруг друга, образуют огромные «атомы».Но постепенно позитроны и электроны, двигаясь по спирали, столкнутся ианнигилируют, в результате чего останутся только фотоны. Во Вселенной небудет ничего, кроме излучения. Мы рассмотрели судьбу как открытой, так и закрытой Вселенной. Что ееждет, пока неизвестно. Если даже Вселенная когда-нибудь сколлапсирует,неизвестно, произойдет ли потом «отскок». Одна из трудностей, на которую наталкивается традиционная теорияБольшого взрыва, - необходимость объяснить, откуда берется колоссальноеколичество энергии, требующееся для рождения частиц. Не так давно вниманиеученых привлекла видоизмененная теория Большого взрыва, которая предлагаетI ответ на этот вопрос. Она носит название теории раздувания, и былапредложена в 1980 году сотрудником Массачусетского технологическогоинститута Аланом Гутом. Основное отличие теории раздувания от традиционнойтеории Большого взрыва заключается в описании периода с 10(-35) до 10(-32)с. По теории Гута примерно через 10(-35) с Вселенная переходит в состояние«псевдовакуума», при котором ее энергия исключительно велика. Из-за этогопроисходит чрезвычайно быстрое расширение, гораздо более быстрое, чем потеории Большого взрыва (оно называется раздуванием). Через 10(-35) с послеобразования Вселенная не содержала ничего кроме черных мини-дыр и«обрывков» пространства, поэтому при резком раздувании образовалась не однавселенная, а множество, причем некоторые, возможно, были вложены друг вдруга. Каждый из участков пены превратился в отдельную вселенную, и мыживем в одной из них. Отсюда следует, что может существовать много другихвселенных, недоступных для нашего наблюдения. Хотя в этой теории удается обойти ряд трудностей традиционной теорииБольшого взрыва, она и сама не свободна от недостатков. Например, труднообъяснить, почему, начавшись, раздувание, в конце концов, прекращается. Отэтого недостатка удалось освободиться в новом варианте теории раздувания,появившемся в 1981 году, но в нем тоже есть свои трудности. А был ли Большой Взрыв? Ученых давно волновал вопрос о существовании модели Вселенной безначала, модели, в которой Вселенная бесконечна стара. Модель такого рода,известную как модель «стабильного состояния» выдвинули в 1948 г. ГерманнБонди, Томас Гоулд и Фред Хоил. Она описывает постоянно расширяющуюсяВселенную, не имеющую ни начала, ни конца, плотность вещества в ней имеетпостоянную величину. Каким же образом система может расширяться и в то жевремя сохранять свою плотность неизменной? В модели «стабильного состояния»это достигается за счет непрерывного поступления нового вещества.Сформулировать процесс образования вещества, не нарушая закона сохранениямассы энергии можно математически. Но эта модель обнаружила серьезныенедочеты после открытия в 1964 г. А. Пензиасом и Р. Вильсономмикроволнового фонового излучения, однако, сегодня сторонники модели«стабильного состояния» считают, что это открытие не представляется стольпротиворечащим данной модели. Открытие излучения расценивалось, как самое убедительное доказательствотого, что Вселенная возникла в результате горячего большого взрыва, этоосновывалось на следующих соображениях: наблюдаемое излучениераспределяется чрезвычайно равномерно без каких-либо «пятен», которыедолжны были возникнуть, если бы излучение поступало из большого числаотдельных источников; спектр этого излучения весьма схож со спектромидеального черного тела, черное тело – это замкнутое пространство собъектами, постоянно испускающими и поглощающими излучение, причем,излучение не покидает это пространство и не поступает в него извне.Согласно теории, в такой системе устанавливается четкое соотношение междусоответствующей интенсивностью излучения и длинной его волны. Оба эти свойства должны быть присуще моделям Вселенной, возникшей врезультате Большого Взрыва, поэтому излучение стали рассматривать какостаточное явление ранней горячей Вселенной. Однако такое истолкованиесталкивается с некоторыми трудностями. Во-первых, наблюдаемый спектр не совпадает в точности со спектромчернотельного излучения. Такие небольшие отклонения от спектра черного теланельзя игнорировать. Они были отмечены Д.П. Вудди и П.Л. Ричардсом в 1980г. и до сих пор остаются нерешенной проблемой в модели Большого Взрыва.Вторая трудность заключается в чрезвычайной равномерности самого фона. Всвязи с этим возникают две проблемы. Во-первых, равномерность фоновогоизлучения в небольших масштабах. Если, как утверждают, излучениепредставляет собой явление ранней горячей фазы, то оно должно нести на себеотпечаток изменений, которым подверглась Вселенной после этой фазы. Однимиз важных изменений было образование галактик, т.е. появились сгусткивещества, и это должно было повлиять на фоновое излучение. Отсутствие такихсгустков, несмотря на неоднократные поиски их, вызывает недоумение усторонников теории Большого Взрыва. Вторая проблема, возникающая в связи с равномерным распределениемизлучения, известна как эффект горизонта. Когда мы проникаем взглядом вглубины Вселенной, мы наблюдаем ее прошлое, т.к. свет идущий от удаленныхобъектов, движется с конечной скоростью. Итак, если возраст Вселенной равен15 миллиардов лет, то мы можем видеть объекты, удаленные от нас на 15миллиардов световых лет. Однако фоновое излучение образовалось, когдавозраст Вселенной едва насчитывал 300 тысяч лет. В то время объекты,удаленные друг от друга более чем на 300 тысяч световых лет, не сообщалисьдруг с другом, поскольку самое быстрое средство общения (световой луч) немогло покрыть это расстояние. С другой стороны, существующая в настоящеевремя равномерность фонового излучения предполагает, что такие удаленныеобъекты характеризовались весьма сходной структурой и поведением. Чем жеобъяснить это сходство при отсутствии физического контакта? Космологи, придерживаются теории Большого Взрыва, выдвигаюттеоретические предположения относительно ранней истории Вселенной, пытаясьпонять эти таинственные свойства микроволнового фонового излучения. Носторонники данной теории полагают, что поиск следует вести, а другомнаправлении и что микроволновый фон, в конечном счете, не имеет реликтовогохарактера. Фоновое излучение заполняет вселенную на всех длинах волн. Какизвестно, все виды излучения за исключение микроволнового возникли недавнои не связаны с горячей стадией Большого Взрыва. В 60-70 г.г. группа ученыхФред Хойл, Чандра Викрамасингхе, В. С. Реддиш и др. утверждали, чтомикроволновое фоновое излучение может представлять собой переработанноеизлучение, поступающее главным образом от звезд. Такая переработка можетосуществляться частицами пыли, если они в небольшом количестве присутствуютв межгалактическом пространстве. Эти ученые считают, что если будет найденоправдоподобное объяснение микроволнового фона, то позиции космологииБольшого Взрыва будут существенно ослаблены.11 Таким образом, это еще одинподход к сценарию Большого Взрыва. Заключение В данной работе я постарался рассмотреть вопросы, связанные свозникновением, дальнейшим существованием и концом Вселенной. Мною былирассмотрены теоретические доказательства и практические открытияастрономов, которые привели к формированию теории Большого Взрыва. Этатеория является самой распространенной в наши дни и предполагает, чтоВселенная начала свое существование примерно 15-20 миллиардов лет назад.Хотя вопрос о возрасте Вселенной является проблематичным, несмотря нанемалое количество методик определения этого возраста. Примерно 15-20миллиардов лет назад Вселенная была малым, горячим и плотным объектом,затем произошел Большой Взрыв сопровождающийся огромным количествомэнергии, и постепенно стали образовываться звезды, планеты и другиеобъекты. Сейчас Вселенная включает в себя 10 миллиардов галактик,объединенных в скопления и сверхскопления. Но так как в теории Большого Взрыва есть ряд спорных моментов, то этовызывает интерес к альтернативным теориям, а именно - к теории «стабильногосостояния», согласно которой у Вселенной не было начала и не будет конца.Теория утверждает, что плотность ее остается неизменной благодаряпостоянному созданию нового вещества. Значит, Вселенная будет расширятьсябесконечно. Но есть еще две теории. Согласно одной из них Вселеннаяпрекратит расширение и стабилизируется, когда достигнет определенныхразмеров. По другой теории Вселенная перестанет расширяться, а затем подвоздействием сил гравитации начнет сжиматься в одну точку. Но, как мне представляется, теория Большого Взрыва на сегодняшнийдень наиболее аргументирована и вызывает больше доверия. Но альтернативныетеории показывают, что главная космологическая проблема еще не решена. Список литературы: 1) Дж. Нарликар Гравитация без формул. – М.: Мир, 1985. – 148 с. 2) Белостоцкий Ю.Г. Единая основа Мироздания. – Спб., 2001. – 304 с. 3) Гуревич Л.Э. Чернин А.Д. Происхождение Галактик и звезд. – М.: Наука, 1987. – 191 с. 4) Новиков И.Д. Как Взорвалась Вселенная. – М.: Наука, 1988. – 175 с. 5) Новиков И.Д. Эволюция Вселенной. – М.: Наука, 1983. – 189 с. 6) Паркер Б. Мечта Эйнштейна, в поисках единой теории Вселенной. – Спб.: Амфора, 2001. – 333 с. 7) Т. Редже Этюды о Вселенной. – М.: Мир, 1985. – 189 с. 8) Хокинг С. Краткая история времени, от большого взрыва до черных дыр. – СПб.: Амфора, 2001. – 268 с. 9) Э. Глиссан Курьер Юнеско. 1984. №10-----------------------[1] См.:Джон Гриббин Большой Взрыв // Курьер Юнеско. 1984. №10. С.5[2] См.:Новиков И.Д. Как взорвалась Вселенная. – М.: Наука, 1988. С.21[3] См.:Джон Гриббин Большой Взрыв // Курьер Юнеско. 1984. №10. С.7[4] См.: Новиков И.Д. Эволюция Вселенной. – М.: Наука, 1983. С.109[5] Паркер Б. Мечта Эйнштейна, в поисках единой теории Вселенной. – Спб.:Амфора, 2001. С.211[6] Т. Редже Этюды о Вселенной. – М.: Мир, 1985. С. 35[7] Т. Редже Этюды о Вселенной. – М.: Мир, 1985. С. 59[8] См.:Зельдович Я.Б. Крупномасштабная структура Вселенной // КурьерЮнеско. 1984. №10. С.2510 Паркер Б. Мечта Эйнштейна, в поисках единой теории Вселенной. – Спб.:Амфора, 2001. С. 203-204.11 См.:Джайанат В. Нарликар А был ли Большой Взрыв? // Курьер Юнеско. 1984.№10. С.15




Нажми чтобы узнать.

Похожие:

Прошлое и будущее Вселенной iconМосковский государственный институт международных отношений мгимо (университет) мид россии Кафедра социологии III конкурс научных проектов студентов и аспирантов ««Исследование глобальных городов на примере г. Москвы: прошлое, настоящее, будущее»
««Исследование глобальных городов на примере г. Москвы: прошлое, настоящее, будущее».»
Прошлое и будущее Вселенной iconНачало Вселенной Вселенная постоянно расширяется. Тот момент с которого Вселенная начала расширятся, принято считать ее началом. Тогда началась первая и полная драматизма эра в истории вселенной, ее называют “большим взрывом
Ведь Вселенная во много раз старше астрономии и вообще человеческой культуры. Зарождение и эволюция жизни на земле является лишь...
Прошлое и будущее Вселенной iconLms. Прошлое, настоее, будущее

Прошлое и будущее Вселенной iconПутешествие в прошлое и будущее. Возможно ли это?

Прошлое и будущее Вселенной iconТема: Начало Великой Отечественной войны
Здравствуйте, ребята. Все вы сегодня проснулись, пришли в школу и сейчас вы сидите в этом классе – это наше настоящее. Все мы верим...
Прошлое и будущее Вселенной iconОт редактора
Архитектурное своеобразие Казани: состоявшееся прошлое, неопределенное настоящее и неизвестное будущее
Прошлое и будущее Вселенной iconДокументы
1. /Эволюция Вселенной. Образование Вселенной. Галактики и структура Вселенной.doc
Прошлое и будущее Вселенной iconБудущее человечества, Земли и Вселенной
Земле и в космосе, а также политологов, экономистов, учёных других специальностей
Прошлое и будущее Вселенной iconРеферат по культурологии тема: Многообразие и многозначность культуры. Сорокин Константин Эдуардович
Охватывает не только прошлое, настоящее, но и простирается в будущее
Прошлое и будущее Вселенной iconDrill pipe corrosion
Коррозия бурильной трубы: прошлое, настоящее и будущее – исследование развития циркуляционной системы с 1940-ых годов
Разместите кнопку на своём сайте:
Документы


База данных защищена авторским правом ©rushkolnik.ru 2000-2015
При копировании материала обязательно указание активной ссылки открытой для индексации.
обратиться к администрации
Документы