Глава 3 Гипотезы о происхождении Вселенной. Реферат гипотезы происхождения вселенной

Глава 3 Гипотезы о происхождении Вселенной

Первоначальная сингулярность (большой взрыв)

Здравый смысл подсказывает, что если Вселенная расширяется, значит, когда-то она должна была быть сжатой. С другой стороны, модели Фридмана дают, что в некий момент времени характерные размеры Вселенной были равны нулю. Значение R = 0 лежит где-то в районе 1020 миллиардов лет назад (время зависит от выбранной топологии). Поскольку R определяет масштаб расстояний между любыми двумя галактиками, то в момент R = 0 все галактики должны были быть собраны в одной точке. Доводя эти рассуждения до крайности, следует считать, что весь теперешний объём пространства был сжат в ничто, а плотность материи была бесконечно большой. Такая точка в общей теории относительности называется сингулярностью. Однако в условиях сингулярности, при бесконечной плотности вещества уравнения общей теории относительности уже не могут адекватно описывать физические процессы. Возможно, даже, в таких условиях теряет силу и пространственно-временное описание.

Если пространство-время при сингулярности не может существовать, то момент времени R = 0 во фридмановских моделях соответствует моменту, когда пространство-время впервые возникает. Поэтому наличие в теории фридмановской сингулярности привело к широко распространённому представлению о том, что начало расширения и представляет собой рождение ("сотворение") Вселенной. На самом деле сингулярность с точки зрения современной науки есть понятие, наиболее близкое к "акту творения". Если сингулярность на самом деле имела место, то мы не в состоянии продолжить ход физических рассуждений на более ранний этап существования Вселенной. Иначе говоря, до начала расширения Вселенной не могло быть ничего, что имело бы физическое отношение (согласно современным представлениям) к наблюдаемой Вселенной.

Если модели Фридмана принимать буквально, то не только пространство-время, но и вся материя во Вселенной должна начать своё существование в момент, соответствующий сингулярности.

Важной чертой такой картины рождения мира является то, что здесь одновременно возникает как материя, так и пространство-время.14

Альтернативы гипотезы первоначальной сингулярности

Согласно одной из гипотез, Вселенная начала расширяться хаотически и беспорядочно, а затем, под действием некоторого механизма диссипации (затухания) возникла определённая упорядоченность. Такое предположение о полном первичном хаосе в противовес полной первичной симметрии привлекательно тем, что здесь не требуется "творить" Вселенную в каком-либо строго определённом состоянии. Если учёным удастся подыскать подходящий механизм затухания, то это позволит согласовать с наблюдаемым теперь видом Вселенной весьма обширный круг начальных условий.

Одна из наиболее распространённых гипотез о механизме диссипации - это гипотеза рождения частиц и античастиц из энергии, которую дают приливные эффекты в гравитационном поле. Частицы и античастицы рождаются искривлённым «пустым» пространством (аналогично случаю пространства, искривлённого чёрной дырой), и пространство реагирует на такое рождение уменьшением кривизны. Чем сильнее искривлено пространство-время, тем интенсивнее происходит рождение частиц и античастиц. В неоднородной Вселенной такие эффекты должны были всё выравнивать, создавая состояние однородности. Возможно, даже, что вся материя во Вселенной возникла именно таким путём, а не из сингулярности. Такой процесс не требует рождения материи без антиматерии, как в первоначальной сингулярности. Трудность этой гипотезы, однако, состоит в том, что пока не удалось найти механизма разделения материи и антиматерии, который не позволял бы большей их части снова аннигилировать.

С одной стороны, существование неоднородностей могло бы нас избавить от сингулярности, но Джордж Эллис и Стивен Хоукинг при помощи математических моделей показали, что при учёте некоторых весьма правдоподобных положений о поведении материи, при больших давлениях нельзя исключить существование хотя бы одной сингулярности, даже если допустить отклонения от однородности.

Поведение анизотропной и неоднородной Вселенной в прошлом вблизи сингулярности могло быть очень сложным, и здесь очень трудно строить какие либо модели. Проще воспользоваться моделями Фридмана, которые предсказывают поведение Вселенной от рождения до гибели (в случае сферической топологии). Хотя отклонения от однородности и не избавляют нашу Вселенную от сингулярности в пространстве-времени, тем не менее, возможно, что большая часть имеющейся на сегодняшний день материи Вселенной не попадала в эту сингулярность. Такого рода взрывы, когда материя, имеющая сверхвысокую, но не бесконечную плотность, появляется по соседству с сингулярностью, были названы "скулёжем". Однако, для выполнения теоремы Хоукина-Эллиса требуется, чтобы энергия и давление оставались положительными. Нет никакой гарантии, что при сверхвысоких плотностях материи эти условия выполняются.15

Есть предположение, что квантовые эффекты, но уже не в материи, а в пространстве-времени (квантовая гравитация), которые становятся очень существенными при высоких значениях кривизны пространства-времени, могли бы предотвратить исчезновение Вселенной в сингулярности, вызывая, например, "отскок" материи при достаточно большой плотности. Однако, ввиду отсутствия удовлетворительной теории квантовой гравитации, рассуждения не дают чётких выводов.

Если принять гипотезу "скулёжа" или квантового "отскока", то это означает, что пространство и время существовали и до этих событий.

В настоящее время большинство учёных принимают первоначальную сингулярность, как физическое выражение "акта творения Вселенной". Отчасти верно сравнение первоначальной сингулярности с сингулярностью внутри чёрной дыры, но материя не коллапсирует в сингулярность, а выбрасывается из неё.

Практически невозможно заглянуть в прошлое дальше, чем на 105 лет, поскольку до этого момента космологическое вещество было не прозрачно для излучения.

studfiles.net

Гипотезы происхождения Вселенной

Задачей современной астрономии является не только объяснение данных астрономических наблюдений, но и изучение эволюции Вселенной(от лат.evolution -- развертывание, развитие). Эти вопросы рассматривает космология – наиболее интенсивно развивающаяся область астрономии.

Изучение эволюции Вселенной основано на следующем:

Универсальные физические законы считаются действующими во всей Вселенной.
Выводы из результатов астрономических наблюдений признаются распространимыми на всю Вселенную.
Истинными признаются только те выводы, которые не противоречат возможности существования самого наблюдателя, т. е. человека (антропный принцип).

При изучении Вселенной невозможно провести эмпирическую проверку результатов исследования, поэтому выводы космологии называют не законами, а моделями происхождения и развития Вселенной.

Модель (от лат.modulus– образец, норма) – это схема определенного фрагмента природной или социальной реальности (оригинала), возможный вариант его объяснения. В процессе развития науки старая модель заменяется новой моделью.

В основе современной космологии лежит эволюционный подход к вопросам возникновения и развития Вселенной, в соответствии с которым разработана модель расширяющейся Вселенной.

Ключевой предпосылкой создания модели эволюционирующей расширяющейся Вселенной послужила общая теория относительности А. Энштейна. Объектом теории относительности выступают физические события. Физические события характеризуют понятия пространства, времени, материи, движения, которые в теории относительности рассматриваются в единстве. Исходя из единства материи, пространства и времени следует, что с исчезновением материи исчезли бы и пространство, и время. Таким образом, до образования Вселенной не было ни пространства, ни времени. Эйнштейн вывел фундаментальные уравнения, связывающие распределение материи с геометрическими свойствами пространства, с ходом времени и на их основе в 1917 г. разработал статистическую модель Вселенной.

Согласно этой модели Вселенная обладает следующими свойствами:

однородностью, т. е. имеет одинаковые свойства во всех точках;
изотропностью, т. е. имеет одинаковые свойства по всем направлениям.

Из теории относительности следует, что искривленное пространство не может быть стационарным: оно должно или расширяться, или сужаться. Таким образом, Вселенная обладает еще одним свойством – нестационарностью. Впервые вывод о нестационарности Вселенной сделал А.А. Фридман, российский физик и математик, в 1922 г.

В 1929 г. американский астроном Эдвин Хабблоткрыл так называемое «красное смещение».

Красное смещение– это понижение частот электромагнитного излучения: в видимой части спектра линии смещаются к его красному концу.

Сущность этого явления заключается в следующем: при удалении от нас какого-либо источника колебаний, воспринимаемая нами частота колебаний уменьшается, а длина волны, соответственно, увеличивается, поэтому при излучении происходит «покраснение», т. е. линии спектра сдвигаются в сторону более длинных красных волн. Э. Хаббл исследовал спектры дальних галактик и установил, что их спектральные линии смещены в сторону красных линий, что означает «разбегание» галактик. Последующие исследования показали: галактики с большой скоростью удаляются не только от наблюдателя, но и друг от друга. При этом скорость «разбегания» галактик, исчисляемая десятками тысяч километров в секунду, прямо пропорциональна расстоянию между ними. Так был установлен факт расширения Вселенной.

На основе результатов проведенных исследований Э. Хаббл сформулировал важный для космологии закон (закон Хаббла):

чем дальше галактики отстоят друг от друга, тем с большей скоростью они удаляются друг от друга.

Это означает, что Вселенная нестационарна: она находится в состоянии постоянного расширения.

Из положения о том, что Вселенная в настоящее время находится в состоянии расширения, ученые, оперируя математическими моделями, пришли к заключению, что когда-то, в далеком прошлом, она должна была находиться в сжатом состоянии. Расчеты показали, что 13–15 млрд. лет назад материя нашей Вселенной была сконцентрирована в необычайно малом объеме, около 10-33см3, и имела огромную плотность -- 1093г/см3при температуре 1027К. Следовательно, начальное состояние Вселенной – так называемая «сингулярная точка» -- характеризуется практически бесконечными плотностью и кривизной пространства, сверхвысокой температурой. Полагают, что наблюдаемая сейчас Вселенная возникла благодаря гигантскому взрыву этой исходной космической материи –Большому ВзрывуВселенной. Представление о Большом Взрыве является составной частью модели расширяющейся Вселенной. Концепция Большого Взрыва, логично объясняя многие моменты эволюции Вселенной, не отвечает на вопрос, из чего же она возникла. Эту задачу решаеттеория инфляции.

Теория инфляции, или теория раздувающейся Вселенной, возникла не в противовес, а в дополнение и развитие концепции Большого Взрыва. Как следует из этой теории, Вселенная возникла изничего. «Ничего» в научной терминологии называетсявакуумом. В соответствии с современными научными представлениями в вакууме отсутствуют физические частицы, поля и волны. Однако в нем имеются виртуальные частицы, которые рождаются за счет энергии вакуума и тут же исчезают. Когда вакуум по какой-то причине в некоторой точке возбудился и вышел из состояния равновесия, то виртуальные частицы стали захватывать энергию без отдачи и превращаться в реальные частицы. Этот период зарождения Вселенной и называют фазой раздувания (или инфляции). В фазе инфляции пространство нашей Вселенной увеличивается от миллиардной доли размера протона до нескольких сантиметров. Такое расширение в 1050раз больше, чем предполагалось в концепции Большого Взрыва. К концу фазы раздувания Вселенной образовалось огромное множество реальных частиц вместе со связанной ими энергией.

При разрушении возбужденного вакуума высвободилась гигантская энергия излучения, а некая суперсила сжала частицы в сверхплотную материю. Из-за необычайно высокой температуры и огромного давления Вселенная продолжала раздувание, но теперь уже с ускорением. В итоге сверхплотная и сверхгорячая материя взорвалась. В момент Большого Взрыва тепловая энергия превращается в механическую и гравитационную энергии масс. Это означает, что Вселенная рождается в соответствии с законом сохранения энергии.

Таким образом, основная идея теории инфляции состоит в том, что Вселенная на ранних стадиях своего возникновения имела неустойчивое вакуумоподобное состояние с большой плотностью энергии. Эта энергия, как и исходная материя, возникла из квантового вакуума, то есть из ничего. Объясняя происхождение Вселенной из возбужденного вакуума, теория инфляции пытается решить одну из основных проблем мироздания – проблему возникновения всего (Вселенной) из ничего (из вакуума).

В середине ХХ в. формулируется концепция горячей Вселенной. Согласно данной концепции, на ранних этапах расширения, вскоре после Большого Взрыва, Вселенная была очень горячей: излучение доминировало над веществом. При расширении температура падала, и с некоторого момента пространство стало для излучения практически прозрачным. Излучение, сохранившееся с начальных моментов эволюции (реликтовое излучение), равномерно заполняет всю Вселенную до сих пор. Вследствие расширения Вселенной температура этого излучения продолжает падать. В настоящее время она составляет 2,7 К. Открытие реликтового излучения в 1965г. явилось наблюдательным обоснованием концепции горячей Вселенной. Было выявлено фундаментальное свойство Вселенной – онагорячая. Таким образом, в соответствии с моделью, разработанной на основе теории относительности,расширяющаяся Вселенная -- однородная, изотропная, нестационарная и горячая.

Убедительными аргументами, подтверждающими обоснованность космологической модели расширяющейся Вселенной, являются установленные факты. К числу таких фактов относятся следующие:

расширение Вселенной в соответствии с законом Хаббла;
однородность светящейся материи на расстояниях порядка 100 мегапарсек;
существование реликтового фона излучения с тепловым спектром, соответствующим температуре 2,7 К.

Возраст Вселенной, согласно современной космологической концепции ее происхождения и развития, исчисляется с начала расширения и оценивается в 13–15 млрд. лет. Современная астрономия интенсивно развивается: открыты новые космические объекты, установлены ранее неизвестные факты. К числу сравнительно недавно открытых космических объектов относятся квазары, нейтронные звезды, черные дыры.

Квазары -- мощные источники космического радиоизлучения, которые, как предполагают, являются самыми яркими и далекими из известных сейчас небесных объектов.

Нейтронные звезды – предполагаемые звезды, состоящие из нейтронов, образующиеся, вероятно, в результате вспышек сверхновых звезд.

Черные дыры (или «застывшие звезды», «гравитационные могилы») – объекты, в которые, как предполагают, превращаются звезды на заключительной стадии своего существования. Пространство черной дыры как бы вырвано из пространства Метагалактики: вещество и излучение проваливаются в нее и не могут выйти обратно.

studfiles.net

Глава 3 Гипотезы о происхождении Вселенной. Реферат гипотезы происхождения вселенной