Как рождалась вселенная?

Эра черных дыр.

Единственными объектами во Вселенной остались черные дыры. Но они не вечны и испаряются, излучая с поверхности очень малую энергию в виде фотонов и элементарных частиц. Скорость излучения зависит от кривизны поверхности, т.е от размера и массы черной дыры.

Излучение для черной дыры с массой Солнца крайне мало и со временем ускоряется и заканчивается вспышкой гамма-излучения. Такая черная дыра имеет поверхностную температуру порядка 10-7К и сможет просуществовать 1065 лет. Черная дыра с массой крупной галактики имеет поверхностную температуру порядка 10-18 К и для испарения требуется 1098-10100 лет.

Теологический подход

Если рассматривать одну из древнейших теорий происхождения Вселенной, описанной в Библии, то происхождение мира датируется 5508 годом до рождества Христова.

Теологическая точка зрения о происхождении мира известна давно, но ее сторонниками являются в основном глубоко верующие люди и духовенство.

Эта теория наиболее часто подвергается критике ученых, которые совершенно иначе смотрят на происхождение мира и его структуру.

Если обратиться к толковому словарю, то мы там прочитаем, что Вселенная – это мировоззренческая система, включающая в себя космическую бесконечность и все тела, находящиеся в ней.

Более альтернативным определением понятия «Вселенная» является «сгусток звездных тел и галактик».

Большой взрыв. Проблемы модели и их разрешение

  1. 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.
  2. 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.
  3. 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:

Эра господства излучения.

Эра господства излучения длится около 10000 лет. На начальном этапе во Вселенной практически ничего нет, кроме однородного и очень сильного электромагнитного излучения. Сложное взаимодействие частиц привело к небольшому перевесу обычного вещества над антивеществом.

Антивещество затем почти полностью проаннигилировало с веществом, а остаток вещества стал материалом для всех ныне наблюдаемых объектов Вселенной. В течение первых минут жизни Вселенной в ней произошло образование ядер атомов легких элементов – водорода, дейтерия, гелия и лития. Как только энергия ослабевающего излучения стала меньше энергии материи, окончилась радиационная эра.

Атомы, звезды, сверхновые и планеты

Через несколько сотен тысяч лет условия стабилизировались настолько, что образовались первые атомы; через несколько сотен миллионов лет первые звезды, а затем и первые галактики, начали формироваться гравитационным притяжением. Сверхновые звезды создали много более тяжелых элементов из более легких элементов, а затем взорвали их в космосе, сделав их доступными для планет, которые позже сформировались, что позволило усложнить химию на земле, необходимую для жизни.

Вселенная все еще расширяется сегодня, и ученые могут (а) экстраполировать назад и описать ранние моменты Большого взрыва математически, (б) предсказать результаты своей теории, которые могут быть проверены наблюдением за Вселенной, и (в) показать математически, что альтернативные теории имеют значительные недостатки. Таким образом, было продемонстрировано, что происхождение Большого взрыва почти наверняка.

Как относиться к противоречивым заявлениям ученых?

Учитывая все вышенаписанное, такие громкие заявления некоторых ученых и СМИ как “инопланетяне уже посещали нашу планету” или “пришельцы колонизировали Млечный Путь” звучат довольно спекулятивно. Может даже показаться, что они ничем не лучше заявлений людей, которых якобы похищали пришельцы прямо из кровати и ставили над ними жуткие опыты. Тем не менее, с выводами спешить не стоит.

Недавно в журнале было опубликовано исследование, согласно результатам которого инопланетяне, с большой долей вероятности, уже были на нашей планете. Либо не горят желанием с нами общаться. Как пишет издание Business Insider, исследователи полагают, что если в попытках решить парадокс Ферми не учитывать движение звезд, остается одно из двух: либо представители других цивилизаций не могут покинуть свою планету, либо мы — единственная технологическая цивилизация в галактике Млечный Путь. По этой причине в своей работе исследователи предполагают, что звезды и планеты вращаются вокруг центра нашей галактики с разной скоростью и в разных направлениях. Время от времени звезды и планеты оказываются недалеко друг от друга. По этой причине не исключено, что инопланетяне способны путешествовать в ближайших к ним местах в галактике. Но для подобных путешествий понадобится много времени, так что авторы работы полагают, что если инопланетяне до нас еще не добрались, они могли посещать Землю задолго до нашего с вами на ней появления.

Обложка экранизации романа Карла Сагана “Контакт”. Главные роли исполнили Джоди Фостер и Мэтью Макконахью

Получается, что если 1 из 10 миллиардов видов в нашей галактике является разумным и технологически развитым, то выводы ученых кажутся вполне логичными. Тем не менее мы не можем опровергнуть выводы другого исследования, которым занимались специалисты из Института будущего человечества при Оксфордском университете. Согласно полученным результатам, вероятность того, что мы — единственная разумная жизнь в наблюдаемой Вселенной довольно высока. Даже если допустить, что среднее число цивилизаций в галактике может достигать сотни, вероятность того, что мы одни в галактике составляет 30%. Как сообщил ведущий автор исследования Андреас Сандберг порталу Universal-Sci.com, учитывая условия, необходимые для развития разумной жизни, он и его коллеги пришли к выводу, что существует довольно высокая вероятность того, что в Млечном Пути мы одиноки.

Как бы там ни было, наш мир и наша Вселенная место настолько удивительное, что поразительным является сам факт того, что мы пытаемся ее познать и что у нас… получается. Что же касается жизни за пределами Земли, то вглядываясь в бесконечную космическую пустоту, сложно предположить, что во Вселенной кроме нас нет никого. В конце-концов мы не настолько особенные.

Креационизм

Кто создал Вселенную? Согласно мнению верующих людей, все сущее является результатом замысла и деятельности Творца. Сторонники теории основывают свое мнение на изложениях о сотворении мира, которые отмечены в Ветхом Завете. В конце 19-го века такая позиция подверглась серьезной критике благодаря технической революции и прогрессивному развитию научной сферы знаний, в частности физики, биологии, астрономии. Противниками креационизма стали последователи теории эволюции. Все это вызвало значительные противоречия в обществе, поскольку результаты научных открытий абсолютно противоречат библейской картине сотворения Вселенной.

Несмотря на современный прогресс науки, на планете остается немало сторонников креационизма. Такие люди основывают свои взгляды на следующих положениях:

  • Сведения из Библии являются единственным объективным источником в вопросах естествознания.
  • Вселенная была создана из ничего согласно воле Творца.
  • Все известные на данный момент группы животных изначально существовали на планете и не подвергались изменениям.
  • Человек разумный не является результатом эволюционных процессов.
  • Современные материки и геологический рельеф сформирован в результате Всемирного Потопа.
  • Тот, кто создал Вселенную, первоначально предусмотрел «идеальный порядок» вещей. Последующие негативные процессы являются результатом дисгармонии, которую в мир принесли грешные мысли и поступки.

Эволюция Вселенной

  • Планковский момент – момент окончания квантового хаоса, который выпадает на 10 в -43 секунду. В этот момент параметры Вселенной равнялись планковским величинам, вроде планковской температуры (около 1032 К). В момент планковской эпохи все четыре фундаментальные взаимодействия (слабое, сильное, электромагнитное и гравитационное) являлись объединенными в некое одно взаимодействие. Рассматривать планковский момент как некоторый продолжительный период – не представляется возможным, так как с параметрами меньше планковских современная физика не работает.
  • Стадия инфляции. Следующей стадией истории Вселенной стала инфляционная стадия. В первый момент инфляции от единого суперсимметричного поля (ранее включающего поля фундаментальных взаимодействий) отделилось гравитационное взаимодействие. В этот период вещество обладает отрицательным давлением, что вызывает экспоненциальный рост кинетической энергии Вселенной. Проще говоря, в данный период Вселенная стала очень быстро раздуваться, а ближе к концу энергия физических полей переходит в энергию обычных частиц. В конце данной стадии значительно повышается температура вещества и излучения. Вместе с окончанием стадии инфляции выделяется и сильное взаимодействие. Также в этот момент возникает барионная асимметрия Вселенной.
  • Стадия радиационного доминирования. Следующая стадия развития Вселенной, которая включает несколько этапов. На этой стадии температура Вселенной начинает понижаться, образуются кварки, затем адроны и лептоны. В эпоху нуклеосинтеза происходит образование начальных химических элементов, синтезируется гелий. Однако, излучение все еще преобладает над веществом.
  • Эпоха доминирования вещества. Спустя 10 000 лет энергия вещества постепенно превосходит энергию излучения и происходит их разделения. Вещество начинает доминировать над излучением, возникает реликтовый фон. Также разделение вещества с излучением значительно усилило изначальные неоднородности в распределении вещества, в результате чего начали образовываться галактики и сверхгалактики. Законны Вселенной пришли к тому виду, в котором мы наблюдаем их сегодня.

Вышеописанная картина сложена из нескольких основополагающих теорий и дает общие представление о формировании Вселенной на ранних этапах ее существования.

Энергия пустого пространства

В пустом пространстве, в ничто. Звучит, конечно, глупо, но пустое пространство не такое уж и пустое. Вот так выглядит то, что происходит внутри протона: постоянно что-то бурлит, появляются и исчезают различные частицы:

Мы не «видим» их, потому что они возникают на очень непродолжительное время, но при этом они составляют основную часть массы протона. А раз так, то, возможно, они появляются в открытом пространстве и дают какую-то энергию. Может быть, вакуум тоже что-то весит?

Еще когда я учился в университете, было предположение, что энергия вакуума — это единица со 120 нулями, но этого просто не может быть: будь это так, Вселенная была бы другой и нас бы просто не существовало. Мы ждали какого-то математического чуда, которое бы позволило нам сократить это число; предполагали даже, что энергия пустого пространства равна нулю. А затем решили не полагаться на теоретиков: если у пустого пространства есть энергия, ее можно измерить. Но как?

Гравитация в большинстве случаев притягивает объекты друг к другу, но вакуум создает антитяготение. Чтобы рассчитать его, необходимо понять, расширяется ли наша Вселенная с ускорением или с замедлением. Первые попытки определить это сделал Эдвин Хаббл в 1929 году, но сейчас мы знаем, что его расчеты были неверны из-за того, что, в частности, не учитывали эволюцию галактик и связанные с ней изменения светимости. Так что нам нужны были какие-то другие объекты с известной яркостью.

Это изображение галактики, расположенной в 7 млн световых лет от нас. В левом нижнем углу виден яркий объект — можно предположить, что в кадр случайно попала звезда из нашей Галактики, но нет: это сверхновая, которая светится как сто миллиардов звезд. Потом она тускнеет, но в первый месяц она светится с яркостью, которая нам известна. Сверхновые появляются в Галактике примерно раз в сто лет. Можно выдать каждому студенту по галактике, и пусть постоянно смотрит на нее — за сто лет как раз напишет диссертацию. Но на самом деле галактик очень много: если соединить пальцы в кружок размером с пятирублевую монету и посмотреть через него на небо, в этом кружочке будут сотни галактик. А значит, в небе постоянно взрываются сверхновые, так что мы легко можем использовать их, чтобы рассчитывать расстояния до отдаленных галактик и скорости, с которыми эти расстояния увеличиваются. Эти расчеты были проведены в 1998 году, и результатом стал вот такой график:

Если бы темпы расширения Вселенной были одинаковыми, то в его нижней части была бы просто прямая линия. Астрономы ожидали, что все сверхновые будут либо на этой линии, либо ниже. Но большая часть таких звезд оказалась выше линии — это могло быть только в том случае, если бы темпы расширения Вселенной увеличивались.

А чтобы Вселенная расширялась, нужно как раз столько энергии, сколько нам не хватало, — те самые 70%. Тогда все сходится. В 2011 году Нобелевскую премию по физике получили ученые, обнаружившие, что

Вероятно, это как-то связано с самой природой пространства и времени и причинами возникновения Вселенной. Но теперь понятно, что ее будущее будет определяться не материей и даже не геометрией, а энергией пустого пространства.

Насколько велика Вселенная?

Всякий, кто хоть что-то знает о Вселенной, ответит не задумываясь: «Ужасно велика!» А вот ученые так быстро и определенно ответить не берутся.

Мы привыкли к тому, что у любого объекта есть размер. Иногда его не так легко определить, но он есть. Есть размер у атома, живой клетки, человека, Земли, любой планеты, Солнечной системы. Мы можем заглянуть в справочники и найти все эти цифры. Но, открывая справочник на слове «Вселенная», видим, к удивлению, что ее размер не указан. Это потому, что Вселенная — объект, который не укладывается в обычные житейские представления. Но люди об этом обычно не задумываются. Чаще под влиянием фантастов и околонаучных энтузиастов интереснее поразмышлять об иных мирах и пришельцах из них. А между тем в последние десятилетия ученые наблюдают настоящую революцию в понимании устройства Вселенной. Это гораздо более крупное изменение представлений о строении окружающего нас мира, чем осознание человечеством того, что Земля — это шар.

Еще несколько десятков лет назад Вселенную считали бесконечной. Так думали потому, что нигде не заметно никаких признаков ее границ. Например, в наши дни через телескопы можно рассмотреть объекты, находящиеся на расстоянии 28 млрд световых лет, но границ так и не видно.

Ученые считают, что юная Вселенная была плотным сгустком вещества с высокой температурой и давлением, которое расширялось с момента Большого взрыва до наших дней и продолжает расширяться

Однако эти взгляды пришлось изменить, когда в 1929 году 40-летний американский астроном Эдвин Хаббл открыл, что галактики удаляются друг от друга со скоростью, пропорциональной расстоянию между ними. Из теоретических работ Альберта Эйнштейна и советского физика Александра Фридмана следовало, что Вселенная должна изменяться во времени. Таким образом, открытие Хаббла способствовало перевороту в науке: вместо вечной и неизменной мы получили расширяющуюся, эволюционирующую Вселенную, возникшую миллиарды лет назад.

Новые представления породили новые идеи и исследования. Их результаты привели к модели образования Вселенной в результате Большого взрыва, который произошел, по разным оценкам, от 13 до 17 млрд лет назад. С этого момента начало существовать и отсчитываться время. В результате взрыва образовались частицы, из них — вещество, а из него уже формировались звезды и планеты.

В нынешнем состоянии Вселенная по форме похожа на футбольный мяч, состоящий из 12 пятиугольников, плотно подогнанных друг к другу. Внутри него находятся все известные нам объекты, включая нас самих. Диаметр «мяча» составляет, по разным оценкам, от 60 до 80 млрд световых лет. (Световой год — это расстояние, которое свет проходит за год. Это примерно 10 000 млрд километров.) Считается, что «мяч» еще какое-то время будет расширяться, а потом начнется обратный процесс, так что общий цикл от начала до конца займет около 40 млрд световых лет.

Ученые полагают, что звезды и другие объекты Вселенной продолжают отдаляться друг от друга, двигаясь благодаря силе, которую придал им Большой взрыв

Некоторые модели, с помощью которых описываются процессы возникновения и эволюции Вселенной, предполагают, что вселенные могут возникать при высокоэнергетическом взаимодействии элементарных частиц. В этих моделях макромир и микромир оказываются взаимосвязанными. Из этого следует, что вселенных может быть много.

Конечно, и из-за гигантских отрезков времени, и из-за дистанций это никак не затрагивает нашу жизнь. Но это формирует наши представления об окружающем мире. И восхищает то, что люди на уютной планете Земля за свою короткую по космическим масштабам жизнь и историю своим разумом, страстью и упорством проникают в такие удивительные тайны мироздания. Этим можно гордиться.

Гео-гелиоцентрическая система

У Коперника появилось множество оппонентов. Датский астроном Тихо Браге, не соглашаясь поместить Солнце в центр Вселенной, предложил гео-гелиоцентрическую систему мира (впервые она была описана ещё Гераклидом Понтийским).

Концепция предполагала, что в центре мира находится неподвижная Земля, вокруг которой обращаются Солнце, Луна и звёзды. При этом планеты вращаются вокруг Земли, образуя «Земную систему». Суточное вращение Земли Тихо Браге также отрицал.

Научная революция Просвещения

Географические открытия, морские путешествия, развитие механики и оптики сделали картину мира более сложной и полной. С XVII века началась «телескопическая эпоха»: человеку стало доступно наблюдение за небесными телами на новом уровне и открылся путь к более глубокому изучению космоса. С философской точки зрения мир мыслился как объективно познаваемый и механистичный.

Научные основы исследования Вселенной

К рубежу 19-20 вв. астрономы накопили достаточно наблюдений и открыли основные законы движения небесных тел. Как и во всякой настоящей науке, наступила пора осмысления результатов.

Стало совершенно очевидно: то, что мы видим на небе, не появилось из ничего — а значит, Вселенная имеет свою историю. Как, когда и почему она возникла, какие этапы прошла в своем развитии, как выглядела в прошлом и что было до Большого Взрыва?

Истину о Вселенной люди искали и тогда, когда Солнце и Луна считались богами, и в эпоху Просвещения, когда гениальный философ и исследователь природы Иммануил Кант выдвинул гипотезу происхождения Солнечной системы, во многом основываясь на интуитивных догадках и размышлениях, и в начале 20 в., когда астрономы, вооружившись теорией относительности и квантовой механикой, осуществили прорыв в прошлое нашего мироздания.

Эти поиски продолжаются и в наши дни, когда неизмеримо расширился арсенал средств и инструментов познания, используемых астрономами.

Одним из важнейших принципов современной науки является историзм. Нет, речь здесь не об истории как науке, занимающейся прошлым человеческого общества, письменными источниками и археологическими артефактами. В области естественных наук историзм проявился в первую очередь в биологии и геологии.

Так, геологи установили последовательность смены и длительность геологических эпох в жизни нашей планеты, разработали способы датировки слоев горных пород по содержанию в них радиоактивных элементов и продуктов их распада.

Исследуя живые организмы, биологи уже в середине 19 в. поняли, что любое явление в этой области необходимо рассматривать как результат длительного развития природной среды.

Основополагающий труд выдающегося ученого Чарльза Дарвина (1809-1882 гг.) недаром носит название «Происхождение видов» и посвящен эволюции животных и растений вместе с природной средой и под действием ее изменения.

В 20 в. стало окончательно ясно и то, что человек — результат длительной эволюции органической материи, имеющей свою историю.

Наша планета и ее прошлое доступны исследованию. Другое дело — небесные тела и Вселенная в целом. Гигантские расстояния и огромные промежутки времени, в сравнении с которыми вся история человеческой цивилизации — лишь краткий миг, делают эту задачу невероятно сложной.

И все-таки пытливый ум исследователей сумел обнаружить в ныне существующей Вселенной следы ее прошлого. Эти сведения приходится собирать по крупицам.

Мы не можем наблюдать жизнь отдельной звезды, которая длится миллиарды лет, но видим огромное количество звезд, которые находятся на разных этапах существования — молодых, находящихся на главной последовательности, стареющих и полностью израсходовавших запас энергии.

Это помогает выстроить достоверную «биографию» звезды.

Однако планетная система нам хорошо известна только одна — наша собственная, хотя и другие звезды нередко окружают газопылевые диски, из которых наверняка впоследствии образуются планеты. Наблюдая за тем, что в них происходит, мы как бы возвращаемся в прошлое Солнечной системы.

Главный источник наших сведений о мире небесных тел — свет. Он приходит к нам, преодолевая бездны открытого космоса. И хотя скорость света очень велика, она конечна, а значит, требуется некоторое время, чтобы свет достиг Земли.

Для планет Солнечной системы это время измеряется минутами или даже часами, но для далеких галактик — сотнями миллионов и миллиардами лет. Поэтому мы видим их такими, какими они были в отдаленном прошлом.

В наши дни астрономы окончательно убедились в том, что в любом уголке Вселенной действуют одни и те же физические законы, которые можно описать одними и теми же математическими уравнениями.

Больше того — очень вероятно, что эти же законы действовали и в далеком прошлом, когда Вселенная была гораздо «моложе» и в ней существовали совсем иные условия.

Такая уверенность позволяет ученым создавать модели поведения больших и малых космических объектов, включая и периоды их возникновения. Эти модели опираются на известные физические законы, и нередко новые результаты астрономических наблюдений подтверждают их обоснованность и точность.

Основные теории происхождения Вселенной

Большой взрыв не единственное современное представление о происхождении и эволюции Вселенной. Научный мир знает множество теорий возникновения мира, основными из которых являются:

  • Теория струн. Ее основное утверждение заключается в том, что все существующее состоит из мельчающих энергетических нитей. Такие квантовые струны могут растягиваться, искривляться и располагаться в любых направлениях, что делает космическое пространство многомерным. И каждое
    из этих измерений имеет свою эволюционную стадийность.
  • Теория стационарной Вселенной. По этой версии, в расширяющемся пространстве космоса постоянно возникает новая материя, что делают всю систему стабильной. Идея была популярна в середине 20-го века, но после открытия и изучения реликтового излучения у нее практически не
    осталось сторонников.

Не исключено, что все предположения о возникновении мироздания, признанные сейчас в научном мире, не будут опровергнуты в будущем. И чем дальше и дольше человечество исследует космические просторы, тем больше новых ответов и вопросов оно находит.

Вселенская инфляция

Речь не об обесценивании денег. Понятие инфляция происходит от латинского слова, в переводе означающего «вздутие». И если в экономике оно означает увеличение массы денег, находящихся в обращении, в космологии им обозначают начальную стадию расширения Вселенной.

В этот период температуры достигали невероятно высоких значений — чтобы только записать число градусов, пришлось бы воспользоваться единицей с 28 нулями, стремительно увеличивался объем пространства, а энергия в единице объема оставалась постоянной.

Для инфляционного расширения потребовался ничтожный промежуток времени — настолько ничтожный, что оно стало бы просто невозможным, если бы давление в «новорожденной» среде имело положительное значение.

Однако оно, согласно расчетам специалистов, было отрицательным — такое явление в обычных условиях не может существовать ни в газах, ни в жидкостях.

И представить его себе крайне трудно — при отрицательном давлении обычная гравитация, которую мы в обиходе называем «притяжением», вызывает отталкивание, что приводит к взрывоподобному расширению. Это и есть «инфляция», или «вздутие».

Звездная эра

Примерно через 300 миллионов лет после Большого взрыва условия стали благоприятными для появления первых звезд. Плазменный суп, пронизывающий Вселенную, имел небольшие неравномерности в своей плотности. Поэтому гравитация сделала свое дело, сжимая облака космического газа. По мере того, как они становились все более и более плотными, где-то появилась точка, в которой стал возможным ядерный синтез. Появились самые первые звезды, красные гиганты. Они известны нам как звезды «Населения III». Они полностью состояли из легких элементов. Жили они немного. И заканчивали свое существование сверхновыми, создавая и распространяя более тяжелые элементы по всей Вселенной. Присутствие этих элементов, таких как углерод, азот, кислород, кремний, магний и железо, прокладывало путь к рождению большего количества звезд следующих поколений. По мере того, как все больше и больше рождалось подобных звезд, они начали объединяться в галактики. И примерно через 500 миллионов лет после Большого взрыва Вселенная, наконец, появилась в видимом диапазоне.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Adblock
detector