трусики женские украина

На головну

 Еволюція Всесвіту - Авіація і космонавтика

Введення

Здавна людська думка намагається вирішити проблему походження нашого світу, виникнення і подальшої долі всесвіту. Це питання належить до вічних питань, і, напевно, ніколи не перестане хвилювати розуми людей. У різні часи пропонувалися і різні вирішення зазначеної проблеми. Згідно одним з них, світ був створений і колись почав своє існування; згідно іншим - світ вічний і не має початку. Відомі й такі точки зору, згідно з якими всесвіт періодично виникає і знищується.

Походження і еволюція Всесвіту

Всесвіт виник приблизно 20 млрд. Років тому з якогось щільного та гарячого протовещества. Сьогодні можна тільки припускати, яким було це прабатьківське речовина Всесвіту, як воно утворилося, яким законам підпорядковувалося, і що за процеси привели його до розширення. Існує точка зору, що з самого початку проторечовини з гігантською швидкістю почало розширюватися. На початковій стадії це щільне речовина розліталася, розбігалось у всіх напрямках і була однорідною вируючу суміш нестійких, постійно розпадаються при зіткненнях частинок. Остигаючи і взаємодіючи протягом мільйонів років, вся ця маса розсіяного в просторі речовини концентрувалася у великі і малі газові утворення, які протягом сотень мільйонів років, зближуючись і зливаючись, перетворювалися на величезні комплекси. У них в свою чергу виникали більш щільні ділянки - там згодом і утворилися зірки і навіть цілі галактики. В результаті гравітаційної нестабільності в різних зонах галактик можуть сформуватися щільні "протозоряні освіти» з масами, близькими до маси Сонця. Розпочатий процес стиснення буде прискорюватися під впливом власного поля тяжіння. Процес цей супроводжує вільне падіння частинок хмари до його центру - відбувається гравітаційне стиснення. У центрі хмари утворюється ущільнення, що складається з молекулярного водню і гелію. Зростання щільності і температури в центрі приводить до розпаду молекул на атоми, іонізації атомів і утворення щільного ядра протозірки. Існує гіпотеза про циклічність стану Всесвіту. Виникнувши колись з надщільного згустку матерії. Всесвіт, можливо, вже в першому циклі породила всередині себе мільярди зоряних систем і планет. Але потім неминуче Всесвіт починає прагнути до того стану, з якого почалася історія циклу, червоний зсув змінюється фіолетовим, радіус Всесвіту поступово зменшується і врешті-решт речовина Всесвіту повертається в первинний надщільного стан, по дорозі до нього безжально знищивши всіляку життя. І так повторюється кожного разу, в кожному циклі протягом вічності! До початку 30-х років склалася думка, що головні складові Всесвіту - галактики, кожна з яких в середньому складається з 100 млрд. Зірок. Сонце разом з планетної системою входить в нашу Галактику, основну масу зірок якої ми спостерігаємо у формі Чумацького Шляху. Окрім зірок і планет. Галактика містить значну кількість розріджених газів і космічного пилу. Кінцевий або нескінченний Всесвіт, яка в неї геометрія - ці та багато інші питання пов'язані з еволюцією Всесвіту, зокрема із спостережуваним розширенням. Якщо, як це вважають в даний час, швидкість "розльоту" галактик збільшиться на 75 км / с на кожен мільйон парсек, то екстраполяція до минулого приводить до дивного результату: приблизно 10-20 млрд. Років тому весь Всесвіт був зосереджений в дуже маленькій області . Багато вчених вважають, що в той час щільність Всесвіту була така ж, як у атомного ядра. Простіше кажучи, Всесвіт тоді представляла собою одну гігантську «ядерну краплю». З якихось причин ця "крапля" прийшла в нестійкий стан і вибухнула. Наслідки цього вибуху ми спостерігаємо зараз як системи галактик. Найсерйозніший удар по непорушності Всесвіту було завдано результатами вимірів швидкостей видалення галактик, отриманими відомим американським вченим Е. Хабблом. Він встановив, що будь-яка галактика віддаляється від нас в середньому зі швидкістю, пропорційною відстані до неї. Це відкриття остаточно зруйнувало існувало з часів Аристотеля уявлення про статичної, непорушною Всесвіту, вже, втім, що похитнулося у зв'язку з відкриттям еволюції зірок. Значить, галактики зовсім не є космічними ліхтарями, підвішеними на однакових відстанях один від одного, і, більше того, раз вони видаляються, то колись у минулому вони повинні були бути ближче до нас. Близько 20 млрд. Років тому всі галактики, судячи з усього, були зосереджені в одній точці, з якої почалося стрімке розширення Всесвіту до сучасних розмірів. Але де ж знаходиться ця точка? Відповідь: ніде і в той же час всюди; вказати її місце розташування неможливо, це суперечило б основному принципу космології. Ще одне порівняння, можливо, допоможе зрозуміти це твердження. Відповідно до загальної теорії відносності, присутність речовини в просторі призводить до його викривлення. За наявності достатньої кількості речовини можна побудувати модель викривленого простору. Пересуваючись по землі в одному напрямку, ми врешті-решт, пройшовши 40000 км, повинні повернутися у вихідну точку. У викривленій Всесвіту буде те ж саме, але через 40 млрд. Світлових років; крім того, «роза вітрів» не обмежується чотирма частинами світу, а включає напрямки також вгору-вниз. Отже, Всесвіт нагадує надувну кульку, на якому намальовані галактики і, як на глобусі, нанесені паралелі і меридіани для визначення положення точок; але у випадку Всесвіту для визначення положення галактик необхідно використовувати не два, а три виміри. Розширення Всесвіту нагадує процес надування цієї кульки: взаємне розташування різних об'єктів на його поверхні не змінюється, на кульці немає виділених точок. Щоб оцінити повну кількість речовини у Всесвіті, потрібно просто підрахувати всі галактики навколо нас. Поступаючи, таким чином, ми отримаємо речовини менше, ніж необхідно, щоб, згідно Ейнштейну, замкнути, «повітряна кулька» Всесвіту. Існують моделі відкритої Всесвіту, математична трактування яких настільки ж проста і які пояснюють нестачу речовини. З іншого боку, може виявитися, що у Всесвіті є не тільки речовина у вигляді галактик, а й невидиме речовина в кількості, необхідній, щоб Всесвіт була замкнута; полеміка з цього приводу досі не затихає.

Креативна роль фізичного вакууму

Промовляючи слово «вакуум», ми зазвичай уявляємо собі надзвичайно розріджену середу, яку або досліджують у спеціальних лабораторіях, або спостерігають в космічному просторі. Однак вакуум це не пустота, а щось зовсім інше: особливе, ненаблюдаемое в повсякденному житті стан матерії, зване фізичним вакуумом.

Звичайних (реальних) часток в порожньому обсязі, звичайно, немає, але квантова теорія передбачає існування безлічі інших частинок, які називаються віртуальними. Такі частинки здатні за певних умов перетворюватися в реальні.

Час життя для частинок з масою me околос. Ця величина дуже мала і каже вони не стільки про «життя», скільки про короткочасне сплеску життя вельми дивних частинок і пов'язаних з ними полів.

Отже, море неспостережуваних часток, готових за певних умов перетворитися на звичайне.

Стан фізичного вакууму можна охарактеризувати найменшим значенням енергії таких квантових полів, як скалярне поле, яке повинно існувати у вакуумі. Цьому полю ставиться у відповідність гіпотетична частинка хиггс (по імені вченого Хіггса, її запропонував), яка є прикладом надважкого бозона, маса якого, можливо, враз більше маси протона. Такі частинки можуть народжуватися при температуреK. Існують проекти величезних прискорювачів, де, спостерігаючи взаємодія частинок, вчені сподіваються підтвердити реальність існування Хіггса.

Один з проектів американські інженери та фізики планують здійснити в кінці століття. Це буде дуже потужний прискорювач на зустрічних пучках, причому для зменшення споживаної енергії в кільцевої установці з довжиною кола 84 км будуть використані надпровідні магніти. Майбутній прискорювач названий надпровідним суперколайдера SSC.

Одне з дивних властивостей фізичного вакууму пов'язано з тим, що він створює негативний тиск і, отже, зможе виявитися джерелом сил відштовхування в природі. Ця властивість грає виключно важливу роль в сценарії «роздувається Всесвіту».

Парадокси стаціонарного Всесвіту

У 1744 р швейцарський астроном Жан Філіп де Шезо відкрив фотометричний парадокс, пов'язаний з передбачуваною нескінченністю всесвіту. Суть його в наступному: якщо в нескінченній всесвіту незліченна безліч зірок, то з будь-якого напрямку погляд земного спостерігача неодмінно натрапляв б на якусь зірку, і тоді небосхил мав би яскравість порівнянну з яскравістю сонця, чого насправді не спостерігається. У 1826 р німецький астроном Генріх Ольберс незалежним шляхом прийшов до тих же висновків. З тих пір фотометричний парадокс носить ім'я парадоксу Шезо-Ольберса. Вчені намагалися різними шляхами усунути зазначений парадокс, припускаючи нерівномірність розташування зірок або поглинання світла газопиловими міжзоряними хмарами, як це намагалися зробити Шезо і Ольберс. Однак, як було пізніше показано, газопилові хмари повинні були нагрітися і самі перєїзлучать поглинені промені, і цей факт не дозволяв уникнути фотометричного парадоксу.

У 1895 р німецький астроном Хуго Зеелігер відкрив гравітаційний парадокс, також пов'язаний з передбачуваною нескінченністю всесвіту. Суть його така: якщо в нескінченній всесвіту незліченна безліч рівномірно розподілених зірок (мас), то сила тяжіння їх, діюча на будь-яке тіло, стає або нескінченно великою або невизначеною (залежно від способу розрахунку), чого не спостерігається. І в цьому випадку робилися спроби уникнути гравітаційного парадоксу, припускаючи в законі тяжіння іншу формулу для гравітаційної сили, або, вважаючи, що щільність мас у всесвіті близька до нуля. Але точні спостереження за рухом планет сонячної системи спростували ці припущення. Парадокс залишався в силі.

У 1865 р німецький фізик Рудольф Клаузіус на базі відкритого ним другого початку термодинаміки виявив термодинамічний парадокс, пов'язаний з передбачуваною вічністю всесвіту. Суть його полягає в тому, що за нескінченний час виселення повинна була досягти стану теплового рівноваги з максимумом ентропії, коли світлова енергія зірок перейде в теплоту. Це еквівалентно «теплової смерті» Всесвіту, коли всі зірки згаснуть, і ніякі процеси в світі вже не можуть відбуватися. Термодинамічний парадокс намагався спростувати Людвіг Больцман, припускаючи, що Земля і весь видимий космос - це малоймовірна флуктуація від звичайного стану решті нескінченної і вічної всесвіту, яка перебуває в тепловій смерті. Усередині цієї флуктуації можливі спостережувані нами активні процеси.

У всесвіті, обмеженої в просторі і має початок в часі, створеної або нестаціонарної розширюється, усуваються всі три космологічних парадоксу.

Основні положення теорії відносності Ейнштейна

Приватна теорія відносності - це основа фізичного вчення про простір, час і рух. У її рамках простір і час вдається об'єднати. Приватна теорія відносності дозволяє в узагальненому вигляді і вельми простими засобами уявити фізичне вчення про рух як прояв геометрії простору-часу. Приватна теорія відносності вивчає властивості простору-часу, «справедливі з тією точністю, з якою можна нехтувати дією тяжіння», тобто спеціальна теорія розглядає інерціальні системи отсчета.Інерціальной називається система відліку, в якій справедливий закон інерції: матеріальна точка, коли на неї не діють ніякі сили (або діють сили взаємно врівноважені), знаходиться в стані спокою або рівномірного прямолінійного руху. Будь-яка система відліку, що рухається по відношенню до неї поступально, рівномірно і прямолінійно, є також інерціальна.

В основі теорії відносності лежать два положення: принцип відносності, що означає рівноправність усіх інерційних систем відліку («всі системи відліку однакові і немає якоїсь однієї, що має перевагу перед іншими»), і закон поширення світла сталість швидкості світла у вакуумі, її незалежність від швидкості руху джерела світла.

Ці два постулати визначають формули переходу від однієї системи відліку до іншої - це перетворення Лоренца (перетворення описують зв'язок між координатами і часом конкретної події в двох різних інерційних системах відліку):

,

де з-параметр перетворення, що має сенс граничної швидкості руху і, відповідно, рівний швидкості світла у вакуумі.

Характерно, що при таких переходах змінюються не тільки просторові координати, а й моменти часу (відносність часу). З перетворень Лоренца виходять основні ефекти спеціальної теорії відносності:

~ Існування граничної швидкості передачі будь-яких взаємодій - максимальної швидкості, до якої можна прискорити тіло, що збігається зі швидкістю світла у вакуумі;

~ Відносність одночасності (події, одночасні в одній інерційній системі відліку, в загальному випадку не одночасні в інший);

~ Уповільнення перебігу часу в швидко рухається тілі і скорочення поздовжніх - у напрямку руху - розмірів тіл («Час у системі координат, що рухається зі швидкостями, близькими до швидкості світла, щодо спостерігача розтягується, а просторова протяжність (довжина) об'єктів уздовж осі напрямку руху - навпаки, стискується »).

Всі ці закономірності теорії відносності надійно підтверджені на досвіді.

Нестаціонарна Всесвіт Фрідмана

Перші принципово нові революційні космологічні слідства загальної теорії відносності розкрив видатний радянський математик і фізик-теоретик Олександр Олександрович Фрідман (1888-1925). Основними рівняннями загальної теорії відносності є «світові рівняння» Ейнштейна, що описують геометричні властивості, або метрику, чотиривимірного викривленого простору - часу. Рішення їх дозволяє в принципі побудувати математичну модель Всесвіту. Першу таку спробу зробив сам Ейнштейн. Вважаючи радіус кривизни простору постійним (тобто виходячи з припущення про стаціонарності Всесвіту в цілому, що уявлялося найбільш розумним), він дійшов висновку, що Всесвіт має бути просторово кінцевої і мати форму чотиривимірного циліндра. У 1922-1924 рр. Фрідман виступив з критикою висновків Ейнштейна. Він показав необгрунтованість його вихідного постулату - про стаціонарності, незмінності в часі Всесвіту. Проаналізувавши світові рівняння, Фрідман дійшов висновку, що їх рішення ні за яких умов не може бути однозначним і не може дати відповіді на питання про форму Всесвіту, її кінцівки або нескінченності. Виходячи з протилежного постулату - про можливу зміну радіуса кривизни світового простору в часі, Фрідман знайшов нестаціонарні рішення «світових рівнянь». Як приклад таких рішень він побудував три можливі моделі Всесвіту. У двох з них радіус кривизни простору монотонно зростає, і Всесвіт розширюється (в одній моделі - з точки, в іншій - починаючи з деякого кінцевого обсягу). Третя модель малювала картину пульсуючого Всесвіту з періодично мінливих радіусом кривизни. Зустрівши спочатку рішення Фрідмана з великою недовірою, Ейнштейн потім переконався в його правоті і погодився з критикою молодого фізика. Дві перші моделі Всесвіту Фрідмана вже незабаром знайшли дивно точне підтвердження в безпосередніх спостереженнях рухів далеких галактик - в так званому ефекті «червоного зсуву» в їх спектрах. Він свідчить про взаємне видаленні всіх досить далеких один від одного галактик і їх скупчень. Якщо звернути картину в часі, то це призводить до висновку про існування «початку» виявленого загального розширення простору Всесвіту! Такі висновки і були зроблені вже в кінці 20-х років бельгійським астрономом абатом Ж. Леметром (про розширення Всесвіту з точки, з «атома-батька») і А. Еддінгтоном (який припустив, що розширення почалося від стану щільного згустку кінцевих розмірів). Все це ламало звичні, тисячоліттями складалися уявлення, насамперед про «вічності» Всесвіту, оскільки вона ототожнювалася зі «всієї існуючої матерією».

У ході суперечок, з одного боку, поступово уточнювалися і ускладнювалися самі фундаментальні поняття, які фігурують в космології: кінцівку і обмеженість, нескінченність і безмежність, нарешті, неоднозначність таких понять, як «весь Всесвіт», «Всесвіт в цілому», неправомірність ототожнення таких понять , як «Всесвіт» і «Метагалактика». З іншого боку, спостереження підтвердили факт розширення всієї спостерігається області Всесвіту. Більшість сучасних космологів розуміють це розширення, як розширення дійсно всій мислимій та існуючої Всесвіту ... На жаль, рання смерть не дозволила геніальному теоретику Всесвіту А.А. Фрідману, ідеї якого понад півстоліття направляють думку космологов, самому взяти участь у подальшому революційному розвитку процесу оновлення космологічної картини світу. Досвід історії розвитку знань про світ підказує, однак, що і сучасна релятивістська космологічна картина світу, будучи результатом екстраполяції на все мислиме «ціле» знань про обмеженої частини Всесвіту, неминуче неточна. Тому можна думати, що вона швидше відображає властивості обмеженої частини Всесвіту (яку і можна назвати Метагалактикою), причому, можливо, лише один з етапів її розвитку (що допускає релятивістська космологія і що може прояснитися з уточненням середньої щільності матерії в Метагалактиці). В даний час, однак, у цьому пункті картина світу залишається невизначеною.

Закон Хаббла

Закон Хаббла (закон загального розбігання галактик) - емпіричний закон, зв'язуючий червоний зсув галактик і відстань до них лінійним чином:

c z = D H0,

де z - червоний зсув галактики, D - відстань до неї, H0- коефіцієнт пропорційності, званий постійна Хаббла. При малому значенні z

c z = Vr,

де Vr- швидкість галактики вздовж променя зору спостерігача, і закон приймає класичний вигляд:

.

За допомогою цього закону можна розрахувати так званий Хаббловском вік Всесвіту (у припущенні, що «розбігання» галактик дійсне):

;

цей вік з точністю до множника 2 відповідає віку Всесвіту, що розраховується за стандартною космологічної моделі Фрідмана.

Закон Хаббла встановлений експериментально Е. Хабблом в 1929 для галактик за допомогою 100 »телескопа, який дозволяє найближчі галактики на зірки. Серед них були цефеїди, використовуючи залежність «період-світність» яких, Хаббл виміряв відстань до них, а також червоний зсув. Отриманий Хабблом коефіцієнт пропорційності становив близько 500 км / с на мегапарсек. Сучасне значення становить 74,2 ± 3,6 км / с на мегапарсек. Настільки істотну різницю забезпечують два фактори: відсутність поправки нуль-пункту залежності «період-світність» на поглинання (яке тоді ще не було відкрито) і істотний внесок власних швидкостей в загальну швидкість для місцевої групи галактик.

«Гаряча» Всесвіт Гамова

На підставі перших спостережень переважання червоних зсувів в спектрах далеких галактик, ще до встановлення лінійного закону «червоного зсуву» (закон Хаббла, 1929) бельгійський астроном Ж. Леметр, незалежно від А.А. Фрідмана, висунув в 1927 р свою знамениту ідею виникнення Всесвіту з одного «атома-батька» та її розширення. У такій формі гіпотеза була дуже зручною для релігійного тлумачення природи і зустріла, тому різко критичне ставлення з боку філософів-матеріалістів. У 30-ті роки концепція Леметра була розвинена Еддінгтоном (що стояли на позиціях Ейнштейна) як модель розширення Всесвіту з первісного щільного згустку звичайного речовини. Тоді ж Мілн, спираючись на власну «кінематичну теорію відносності», дав свою інтерпретацію розбігання галактик як результату вибуху надщільного згустку якоїсь особливої ??«первинної» матерії, з якої «на ходу» формувалися потім зірки, галактики, планети. Але формування більш конкретною фізично розробленої еволюційної космолого-космогонічної моделі Всесвіту, що отримала назву теорії «Big Bang» (Великого Вибуху), пов'язано в першу чергу з ім'ям одного з найбільших учених сучасності, американського фізика російського походження Джорджа (Георгія Антоновича) Гамова (1904 -1968). Він був фахівцем з атомної та ядерної фізики, але вніс фундаментальний внесок і в астрофізику і, крім того, в генетику. Одним з перших він використовував успіхи ядерної фізики, включаючи свої власні результати, для вирішення проблеми джерел внутрішньозірковим енергії і для розвитку теорії еволюції зірок. Дж. Гамов побудував першу ядерну теорію еволюції зірок. У 1939 р він запропонував нейтринну теорію наднових зірок. Спільно з М. Шенбергом в 1940-1941 рр. він розкрив істотні сторони ядерного механізму вибухів наднових, вказавши на велику роль в цьому процесі нейтрино. У 1942 р Гамов побудував детальну теорію еволюції найбільш великих зірок - червоних гігантів. Але для формування сучасної астрономічної картини світу найбільш значним його внеском стала висунута їм в 1946 р і розвинена згодом разом зі своїми учнями теорія Великого Вибуху. Відповідно до цієї теорії, конкретизувати на матеріалі ядерної фізики ідеї розширення Всесвіту Фрідмана - Леметра, вся сучасна спостережувана нами Всесвіт являє собою результат катастрофічного вибуху матерії, яка перебувала до того в жахливо стислому понад-сверхплотном стані, недоступному поки для розуміння і опису в рамках сучасної фізики. Започаткували при цьому «вибуху» розширення материн, вірніше, жахливо швидкий спочатку розліт її у формі нероздільної суміші - високотемпературного випромінювання і речовини - елементарних частинок, що володіли релятивістськими швидкостями, спостерігається і в наші дні у вигляді ефекту Хаббловском лінійно-ізотропного «розширення Всесвіту» або «червоного зсуву».

Спільно зі своїми учнями і співробітниками - фізиками Р. Альфером і Р. Германом, Дж. Гамов в 1948 р розвинув теорію утворення в ранньому Всесвіті хімічних елементів важче водню в результаті ядерного синтезу (теорія нейтронного захвату), що походив, вже в початковий період розширення і остигання гарячого «початкового» речовини, за яке вони брали спочатку нейтрони. Передбачалося, що їх розпад (на протони й електрони) і подальші комбінації отримує частину забезпечили формування сучасного хімічного складу Всесвіту, в якому головне місце займає водень (70-80%), але подальші спостереження змусили астрофізиків допустити, що частина гелію утворилася вже на ранній , дозвездной стадії розширення Всесвіту, а доступне розумінню початкове речовина Всесвіту складалося з рівного числа нейтронів і протонів. Велика різноманітність водню в спостережуваному Всесвіті змушує припустити, що в початковій фазі її розширення вона була заповнена головним чином високотемпературним випромінюванням (фотонами), хоча вже містила і деяке число частинок і античастинок. Після їх взаємної анігіляції залишився якийсь надлишок (наявний спочатку) частинок - важких (баріонів: нейтронів і протонів) і легких (лептонів: електронів і нейтрино). Це вихідне співвідношення між числом фотонів, нейтрино, барпонов і електронів зберігається і в сучасному Всесвіті. По спостережуваному великій кількості легких елементів (Н і Не) воно було оцінено Альфером і Германом як 109: 10: 1: 1. З спостерігається щільності в Космосі ядерних, важких частинок Гамов, Альфер і Герман передбачили в 1948 р, що в сучасному Всесвіті це остигле первинне випромінювання повинне спостерігатися як теплове, відповідне температурі близько 5 К, тобто з максимумом в сантиметровому діапазоні радіохвиль. У 50-ті роки ряд обставин завадив групі Гамова продовжити ці дослідження, а головне - здійснити перевірку теорії спостереженням - пошуками залишкового випромінювання. Розвитку теорії перешкоджали і брак спостережних відомостей про поширеність різних хімічних елементів у Всесвіті, і - головне - загальне скептичне ставлення «серйозних» астрофізиків і багатьох фізиків тих років до можливості самої постановки, а тим більше рішення настільки фантастичною проблеми, як початок історії всього Всесвіту в цілому! Перевірити ж пророкування про збереженому первинному тепловому радіовипромінювання з сучасною температурою близько 5К фахівцям радіофізики уявлялося неможливим: всі були впевнені, що такий слабкий сигнал не можна виділити, принаймні, з наявної апаратурою, із загального радіошуму - радіовипромінювання зірок, галактик, міжзоряного середовища. Півтора десятка років концепція Великого Вибуху залишалася курйозом, грою розуму небагатьох фізиків і космологов. Проблема холодного чи гарячого початкового стану сучасної Всесвіту викликала вже гострі дискусії, і сама ставала «гарячим», дискусійним елементом в астрономічній картині світу. В результаті американський радіофізик Дикке навіть почав підготовку до спостережної перевірці концепції Великого Вибуху ... Тому, коли в 1964 р американські радіоінженери, не чув про теорію Гамова, А. Пензиас і Р. Вілсон при випробуванні рупорної антени для спостереження американського супутника «Ехо» відкрили випадково існування мікрохвильового (на хвилі 7,35 см) космічного радіошуму, не залежного від напрямку антени, це відкриття відразу ж потрапило в центр уваги американських астрофізиків - космологов Дикке, Піблс та ін. Останні відразу зрозуміли, що мова йде про предсказанном групою Гамова первинному залишковому радіовипромінюванні і що теорія гарячого Всесвіту отримала найважливіше наглядове підтвердження. Це найбільше в астрономії XX в. відкриття, по суті, колективне і в значній мірі стало результатом дозрілої для його сприйняття наукової атмосфери, або картини світу, зробило достовірним фактом, щонайменше, те, що у нашому Всесвіті (Метагалактики) була її рання історія, тобто що вона дійсно еволюціонірует.Етапи еволюції гарячого Всесвіту, неоднозначність сценарію. Антропний принцип

Космологія - розділ астрофізики, що вивчає будову і еволюцію Всесвіту в цілому. Сучасна космологія виникла на початку XX століття. Дані астрофізичних спостережень показують, що найбільшими структурними одиницями Всесвіту є великі скупчення і надскупчення галактик. Їх розміри сягають десятків мільйонів парсек. У ще більших масштабах (сотні мегапарсек) речовина у Всесвіті розподілено однорідно.

Ейнштейн побудував на основі своєї теорії космологічну модель статичного Всесвіту. Вихідною гіпотезою було припущення про те, що Всесвіт однорідний і ізотропний.

У 1922 р А.А. Фрідман довів, що статичний світ Ейнштейна всього лише окремий випадок рішення рівнянь ЗТВ. У загальному ж випадку ці рівняння призводять не до статичним моделям, а до моделей, що залежать від часу. Однорідна і ізотропна Всесвіт повинен еволюціонувати, тобто безперервно змінюватися з часом.

В кінці 20-х рр. Е. Хаббл встановив, що галактики віддаляються один від одного. Це означає, що Всесвіт розширюється.

Чи буде розширення Всесвіту необмежено тривати в майбутньому? Розширення гальмується силами тяжіння. Тяжіння визначається середньою щільністю речовини у Всесвіті. Критичне значення щільності, при якому розширення в майбутньому зміниться стисканням, одно. Середня щільність за даними спостережень нижче критичної разів у десять. Отже, Всесвіт повинен розширюватися весь час.

Однак у Всесвіті, можливо, є багато невидимої речовини, і середня щільність може бути близька критичною.

Оскільки спостереження показують, що галактики віддаляються один від одного, значить, в минулому вони були розташовані тісніше, а ще раніше не могло бути окремих галактик і взагалі окремих небесних тіл. Речовина було розподілено майже рівномірно, а щільність його була дуже великою. Всесвіт початку расшірятьсямлрд. років тому. При цьому центру розширення не було. Всі точки у Всесвіті рівноправні. Що було до початку розширення Всесвіту, поки до кінця не з'ясовано, так як при дуже великій щільності матерії вступають в дію ще не відомі нам закони природи.

В даний час більшість дослідників вважають, що на початку розширення Всесвіту матерія була дуже плотнойі дуже горячей- теорія гарячого Всесвіту. Відповідно до цієї теорії Всесвіт нагадувала гігантський прискорювач «елементарних» частинок. Початком роботи цього прискорювача частинок був Великий Вибух, наслідком якого є спостережуваний в даний момент розліт галактик і їх скупчень. На відміну від звичайного вибуху астрономічний вибух стався відразу в усьому існуючому тоді просторі. Поки мало що відомо про те, що відбувалося в першу секунду після початку розширення і ще менше про те, що було до початку розширення. Загальна схема подальшої еволюції Всесвіту представляється наступним чином: ера адронів тривала приблизно отАтомов не було, але існували нуклони (протони і нейтрони), мюони, електрони і нейтрино різних типів (електронні, мюонні, тау-нейтрино), а також античастинки і електромагнітне випромінювання ( фотони), яке знаходилося в термодинамічній рівновазі з речовиною. Число частинок і античастинок речовини в одиниці об'єму було дорівнює числу знаходяться там же фотонів.

Головною подією адронной ери був процес анігіляції нуклонів і антінуклонов (адронів). Нуклонів було дещо більше, ніж антінуклонов, тому частина речовини залишилася в якості будівельного матеріалу для ядер майбутніх атомів.

Ера лептонів тривала приблизно отТемпература зменшилася доK, а щільність стала равнойЛептони аннигилировали: мюон-антимюонів, електрон-позитрон з утворенням нейтрино. В результаті, якісно змінився склад плазми і придбали самостійність нейтрино, які з цього моменту перестали брати участь у взаємодіях. Після анігіляції важких частинок їх енергія перейшла до більш легким частинкам і витрачалася на нагрів випромінювання, а після анігіляції легких частинок звільнилася енергія стала витрачатися в основному на підвищення температури випромінювання. Наприкінці лептони ери відбулося утворення ядер гелію шляхом злиття протонів і нейтронів, яких стало близько 25%, інша плазма (75%) складалася з ядер водню.

Ера радіації тривала від t = 10 с до приблизно 300 000 років. До кінця цієї ери щільність стала равнойа температура зменшилася до 3000K. Одне з найважливіших подій - відрив випромінювання від речовини: приєднання електронів до протонів стало переважати над відривом електронів від протонів. В результаті середу стала прозорою для випромінювання.

Ера речовини триває досі. Після відриву випромінювання від речовини наш Всесвіт досить спокійно розширювалася, а головні події, що відбувалися в ній, були пов'язані з народженням галактик, зірок і планет.

Вік Сонячної системи близько 4,6 млрд. Років. Вік найстаріших зірок близький віку нашої та інших галактик - 10-15 млрд. Років. У минулому далекі позагалактичні радиоисточники випромінювали більше, ніж зараз. Поширеність хімічних елементів близька до співвідношення, яке виникло в часи первинного термоядерного синтезу, але головним підтвердженням теорії «гарячого Всесвіту» вважається відкриття реліктового випромінювання. Після «відриву» випромінювання від речовини і подальшого розширення Всесвіту температура випромінювання падала, але його характер (спектр) зберігся до наших днів, нагадуючи про далекій молодості Метагалактики. Ось тому астрофізик І.С. Шкловський запропонував назвати це випромінювання реліктовим. А. Пензиас і Р. Вільсон отримали в 1978 році Нобелівську премію за відкриття цього випромінювання (1965).

Не всі вчені згодні з ідеєю Великого Вибуху. До їх числа відносяться такі відомі астрофізики, як Х. Альвен (Швеція), Д. Нарлікар (Індія) та ін. З часів Коперника люди стали розуміти, що наша планета і її мешканці не займають будь-якого привілейованого становища в Сонячній системі, Галактиці і Метагалактиці. Однак ми мешкаємо в найбільш зручною для цього області Сонячної системи і Галактики, а фундаментальні властивості Всесвіту дивно «підстроєні» під той жорсткий набір вимог, без якого не могли б виникнути ні галактики, ні зірки, ні планети, ні життя і розум у Всесвіті.

Ми живемо в еволюціонує Всесвіту. Поява життя і розуму в нашого Всесвіту стало можливим на певному етапі її еволюції. Якби еволюція космічний матерії відбувалася дещо інакше, то не було б ні спостережуваної структури Всесвіту, ні нас як спостерігачів.

По суті, у сучасній космології з'явився новий погляд на Всесвіт, новий принцип. Відповідно до відомого раніше космологическому принципом, Всесвіт виглядає майже однаково з будь-якої точки простору (ідеальний принцип вимагає, щоб Всесвіт виглядала зовсім однаково і в будь-який момент часу). Тепер же до цього принципу додається новий - його називають антропним принципом. Сформулювати його можна різним способом, наприклад: це принцип відбору тільки тих початкових умов (з усіх наявних на ранній стадії Всесвіту), які сумісні з існуванням розумного життя.

Антропний принцип не їсти новий фундаментальний фізичний закон. Принцип взагалі не еквівалентний закону, а являє собою один з рівнів філософського підстави науки.

Реліктове випромінювання Всесвіту

Реліктове випромінювання-космічне електромагнітне випромінювання з високим ступенем ізотропності і зі спектром, характерним для абсолютно чорного тіла з температурою ? 2,725K. Реліктове випромінювання було передбачене Г. Гамовим, Р. Альфером і Р. Германом в 1948 році на основі створеної ними першої теорії Великого вибуху. Альфер і Герман змогли встановити, що температура реліктового випромінювання повинна складати 5K, а Гамов дав пророцтво в 3K. Хоча деякі оцінки температури простору існували і до цього, вони володіли кількома недоліками. По-перше, це були вимірювання лише ефективної температури простору, що не передбачалося, що спектр випромінювання підкоряється закону Планка. По-друге, вони були залежні від нашого особливого розташування на краю Галактики і не припускали, що випромінювання изотропно. Більше того, вони б дали зовсім інші результати, якби Земля знаходилася де-небудь в іншому місці Всесвіту. Ні сам Г. Гамов, ні з його послідовники не ставили питання про експериментальне виявлення реліктового випромінювання. За мабуть, вони вважали, що це випромінювання не може бути виявлено, так як воно «тоне» в потоках енергії, принесених на землю випромінюванням зірок і космічних променів.

Можливість виявлення реліктового випромінювання на тлі випромінювання галактик і зірок в області сантиметрових радіохвиль була обгрунтована розрахунками А.Г. Дорошкевича і І.Д. Новикова, виконаними за пропозицією Я.Б. Зельдовича в 1964 р, тобто за рік до відкриття А. Пепзіаса і Р. Вілсона.

У 1965 році Арно Пензиас і Роберт Вудроу Вільсон побудували радіометр Дикке, який вони мали намір використовувати не для пошуку реліктового випромінювання, а для експериментів у галузі радіоастрономії і супутникових комунікацій. При калібруванні приладу з'ясувалося, що антена має надлишкову температуру в 3,5 K, яку вони не могли пояснити. Невеликий шумовий фон не змінювався ні від напрямку, ні від часу роботи. Спочатку вирішили, що це шум, властивий апаратурі. Радіотелескоп демонтували, ще і ще раз випробували його «начинку». Самолюбство інженерів було зачеплено, і тому перевірка йшла до останньої деталі, до останньої пайки. Усунули всі. Зібрали знову - шум відновився. Після довгих роздумів теоретики прийшли до висновку, що це випромінювання могло бути нічим іншим, як постійним фоном космічного радіовипромінювання, що заповнює Всесвіт рівним потоком. Отримавши дзвінок з Холдмдейла, Дикке дотепно зауважив: «Ми зірвали куш, хлопці». Зустріч між групами з Прінстона і Холмдейла визначила, що така температура антени була викликана реліктовим випромінюванням. Астрофізики розрахували, що шум відповідає температурі, рівної приблизно 3 градусам Кельвіна, і «прослуховується на різних частотах. У 1978 році Пензиас і Вілсон отримали Нобелівську премію за їх відкриття. Можна собі уявити, як зраділи прихильники «гарячої» моделі, коли прийшло це повідомлення. Це відкриття не тільки зміцнило позиції «гарячої» моделі. Реліктове випромінювання дозволило зі сходинки часу квазарів (8-10 мільярдів років) опуститися на сходинку, відповідну 300 тисячам років від самого «початку». Одночасно підтверджувалася думка, що колись Всесвіт мала щільність в мільярд разів вищу, ніж зараз. Відомо, що нагріте речовина завжди випромінює фотони. Згідно загальним законам термодинаміки, в цьому проявляється прагнення до рівноважного стану, при якому досягається насичення: народження нових фотонів компенсується зворотним процесом, поглинанням фотонів речовиною, так що повне число фотонів в середовищі не змінюється. Цей «фотонний газ» рівномірно заповнює весь Всесвіт. Температура газу фотонів близька до абсолютного нуля - близько 3 кельвінів, але енергія, що міститься в ньому, більше світлової енергії, випущеної усіма зірками за час їхнього життя. На кожний кубічний сантиметр простору Всесвіту припадає приблизно п'ятсот квантів випромінювання, а повне число фотонів в межах видимого Всесвіту в кілька мільярдів разів більше повного числа частинок речовини, тобто атомів, ядер, електронів, з яких складаються планети, зірки і галактики. Це загальне фонове випромінювання Всесвіту називають з легкої руки І.С. Шкловського, реліктовим, тобто залишковим, що представляє собою залишок, релікт щільного та гарячого початкового стану Всесвіту. Припустивши, що речовина ранньому Всесвіті було гарячим, Г. Гамов передбачив, що фотони, які перебували тоді в термодинамічній рівновазі з речовиною, повинні зберегтися в сучасну епоху. Ці фотони і вдалося безпосередньо знайти в 1965 р Випробувавши загальне розширення і пов'язане з ним охолодження, газ фотонів утворює зараз фонове випромінювання Всесвіту, що приходить до нас рівномірно з усіх боків. Квант реліктового випромінювання не має маси спокою, як всякий квант електромагнітного випромінювання, але володіє енергією, а отже, по знаменитій формулі Ейнштейна Е = Мс?, і масою, відповідної цієї енергії. Для більшості реліктових квантів ця маса дуже мала: набагато менше маси атома водню - найпоширенішого елемента зірок і галактик. Тому, незважаючи на значне переважання за кількістю часток, реліктове випромінювання поступається зірок і галактик за вкладом в загальну масу Всесвіту. У сучасну епоху щільність випромінювання становить 3-10-34г / см3, що приблизно в тисячу разів менше усередненої щільності речовини галактик. Але так було не завжди - у далекому минулому Всесвіту фотони давали головний внесок в її щільність. Справа в тому, що в ході космологічного розширення щільність випромінювання падає швидше щільності речовини. У цьому процесі убуває не тільки концентрація фотонів (в тому ж темпі, що і концентрація часток), але зменшується і середня енергія одного фотона, так як при розширенні падає температура газу фотонів. В ході подальшого розширення Всесвіту температура плазми і випромінювання падала. Взаємодія часток з фотонами вже не встигало за характерний час розширення помітно впливати на спектр випромінювання. Однак навіть при повній відсутності взаємодії випромінювання з речовиною в ході розширення Всесвіту чернотельний спектр випромінювання залишається чернотельним, зменшується лише температура випромінювання. Поки температура перевищувала 4000 K, первинне речовина була повністю ионизованного, пробіг фотонів від одного акта розсіювання до ін. Був багато менше горизонту Всесвіту. При T ? 4000K сталася рекомбінація протонів і електронів, плазма перетворилася на суміш нейтральних атомів водню і гелію, Всесвіт стала повністю прозорою для випромінювання. В ході її подальшого розширення температура випромінювання продовжувала падати, але чернотельний характер випромінювання зберігся як релікт, як «пам'ять» про ранній період еволюції світу. Це випромінювання виявили спочатку на хвилі 7,35 см, а потім і на ін. Хвилях (від 0,6 мм до 50 см).

Ні зірки і радіогалактики, ні гарячий міжгалактичний газ, ні переизлучение видимого світла міжзоряним пилом не можуть дати випромінювання, що наближається за властивостями до мікрохвильового фонового випромінювання: сумарна енергія цього випромінювання занадто велика, і спектр його не схожий ні на спектр зірок, ні на спектр радіоджерел . Цим, а також майже повною відсутністю флуктуації інтенсивності по небесній сфері (дрібномасштабних кутових флуктуації) доводиться космологічне, реліктове походження мікрохвильового фонового випромінювання.

Фонове випромінювання изотропно лише в системі координат, пов'язаної з «розбігаються» галактиками, в т. Н. супутньої системі відліку (ця система розширюється разом з Всесвіту). У будь-який інший системі координат інтенсивність випромінювання залежить від напрямку. Цей факт відкриває можливість вимірювання швидкості руху Сонця щодо системи координат, пов'язаної з мікрохвильовим фоновим випромінюванням. Дійсно, в силу Доплера, ефекту фотони, що поширюються назустріч рухається спостерігачеві, мають більш високу енергію, ніж наздоганяльні його, незважаючи на те, що в системі, пов'язаної з м. Ф. і., їх енергії рівні. Тому і температура випромінювання для такого спостерігача виявляється залежною від напрямку. Дипольна анізотропія реліктового випромінювання, пов'язана з рухом Сонячної системи відносно поля цього випромінювання, до теперішнього часу твердо встановлена: у напрямку на сузір'я Лева температура реліктового випромінювання на 3,5 мК перевищує середню, а в протилежному напрямку (сузір'я Водолія) на стільки ж нижче середньої . Отже, Сонце (разом із Землею) рухається щодо м. Ф. і. зі швидкістю близько 400 км / с у напрямку до сузір'я Лева. Точність спостережень настільки висока, що експериментатори фіксують швидкість руху Землі навколо Сонця, складову 30 км / с. Облік швидкості руху Сонця навколо центру Галактики дозволяє визначити швидкість руху Галактики щодо фонового випромінювання Вона становить ?600 км / с. Спектрофотометр далекого інфрачервоного випромінювання (FIRAS) встановлений на супутнику NASA Cosmic Background Explorer (COBE) виконав точні вимірювання спектра реліктового випромінювання. Ці виміри стали найбільш точними на сьогоднішній день вимірами спектра абсолютно чорного тіла. Найбільш докладну карту реліктового випромінювання вдалося побудувати в результаті роботи американського космічного апарату WMAP.

Спектр наповнює Всесвіт реліктового випромінювання відповідає спектру випромінювання абсолютно чорного тіла з температурою 2,725 K. Його максимум припадає на частоту 160,4 ГГц, що відповідає довжині хвилі 1,9 мм. Воно изотропно з точністю до 0,001% - середньоквадратичне відхилення температури становить приблизно 18 мкК. Це значення не враховує дипольні анизотропию (різниця між найбільш холодної та гарячої областю становить 6.706 мк), викликану доплеровским зміщенням частоти випромінювання через нашу власної швидкості щодо системи координат, пов'язаної з реліктовим випромінюванням. Дипольна анізотропія відповідає руху Сонячної системи у напрямку до сузір'я Діви зі швидкістю ? 370 км / с.

Інфляція

Крім питання про походження Всесвіту, сучасні космологи стикаються з низкою інших проблем. Щоб стандартна теорія великого вибуху могла передбачити то розподіл матерії, яке ми спостерігаємо, її початковий стан має характеризуватися дуже високим ступенем організованості. Фізик А. Гут з Массачусетського технологічного інституту запропонував свою версію теорії великого вибуху, яка пояснює спонтанне виникнення цієї організації, усуваючи необхідність штучно вводити точні параметри в рівняння, що описують початковий стан Всесвіту. Його модель була названа «інфляційного Всесвіту». Суть її в тому, що всередині швидко розширюється, пере Гретою Всесвіту невелику ділянку простору охолоджується і починає розширюватися сильніше, подібно до того, як переохолоджена вода стрімко замерзає, розширюючись при цьому. Ця фаза швидкого розширення дозволяє усунути деякі проблеми, властиві стандартним теоріям великого вибуху. Однак модель Гута теж не позбавлена ??недоліків. Щоб рівняння Гута правильно описували інфляційну Всесвіт, йому довелося дуже точно задавати вихідні параметри для своїх рівнянь. Таким чином, він зіткнувся з тією ж проблемою, що і творці інших теорій. Він сподівався позбутися необхідності задавати точні параметри умов великого вибуху, але для цього йому довелося вводити власну параметризацію, що залишилася непоясненної. Гут і його співавтор П. Штайнгарт визнають, що в їх моделі «розрахунки призводять до прийнятним прогнозам тільки в тому випадку, якщо задані вихідні параметри рівнянь варіюють у дуже вузькому діапазоні. Більшість теоретиків (включаючи і нас самих) вважають подібні вихідні умови малоймовірними ». Далі автори говорять про свої надії на те, що коли-небудь будуть розроблені нові математичні теорії, які дозволять їм зробити свою модель більш правдоподібною. Ця залежність від ще не відкритих теорій - інший недолік моделі Гута. Теорія єдиного поля, на якій грунтується модель інфляційного Всесвіту, повністю гипотетична і «погано піддається експериментальній перевірці, оскільки велику частину її прогнозів неможливо кількісно перевірити в лабораторних умовах». Інший недолік теорії Гута - це те, що в ній нічого не говориться про походження перегрітої і розширюється матерії. Гут перевірив сумісність своєї інфляційної теорії з трьома гіпотезами походження Всесвіту. Спочатку він розглянув стандартну теорію великого вибуху. У цьому випадку, на думку Гута, інфляційний епізод повинен був відбутися на одній з ранніх стадій еволюції Всесвіту. Однак ця модель ставить перед нами нерозв'язну проблему сингулярності. Друга гіпотеза постулює, що Всесвіт виник з хаосу. Деякі її ділянки були гарячими, інші - холодними, одні розширювалися, а інші стискалися. У цьому випадку інфляція повинна була початися в перегрітій і розширюється області Всесвіту. Правда, Гут визнає, що ця модель не може пояснити походження первинного хаосу. Третя можливість, якою Гут віддає перевагу, полягає в тому, що перегрітий розширюється згусток матерії виникає квантово-механічним шляхом з порожнечі. У статті, що з'явилася в журналі «Сайентіфік Амерікен» в 1984 році, Гут і Штайнгарт стверджують: «Інфляція дає нам уявлення про можливий механізм, за допомогою якого Всесвіт міг з'явитися з нескінченно малої ділянки простору. Знаючи це, важко втриматися від спокуси зробити ще один крок і прийти до висновку, що Всесвіт виник буквально з нічого ».

Однак якою б привабливою не була ця ідея для вчених, готових озброїтися на будь-яку згадку про можливість існування вищої свідомості, який створив Всесвіт, при уважному розгляді вона не витримує критики. «Ніщо», про який говорить Гут, - це гіпотетичний квантово-механічний вакуум, що описується ще не розробленою теорією єдиного поля, яка повинна об'єднати рівняння квантової механіки і загальної теорії відносності. Іншими словами, в даний момент цей вакуум неможливо описати навіть теоретично.

Повернемося до початкової проблеми, для вирішення якої Гут створив інфляційну модель: проблеми точної параметризації вихідного стану Всесвіту. Без такої параметризації неможливо отримати спостережуване розподіл матерії у Всесвіті. Як ми переконалися, вирішити цю проблему Гуту не вдалося. Більше того, сумнівною видається сама можливість того, що яка-небудь версія теорії великого вибуху, включаючи версію Гута, може передбачити спостережуване розподіл матерії у Всесвіті. Високоорганізоване початковий стан в моделі Гута, за його ж словами, врешті-решт, перетворюється на «Всесвіт» діаметром 10 сантиметрів, наповнену однорідним надщільним, перегрітим газом. Вона буде розширюватися і охолоджуватися, але немає ніяких підстав припускати, що вона коли-небудь перетвориться на щось більше, ніж однорідне хмара газу. По суті справи, до цього результату приводять всі теорії великого вибуху. Якщо Гуту довелося пускатися на багато хитрощі і робити сумнівні допущення, щоб врешті-решт отримати Всесвіт у вигляді хмари однорідного газу, то можна уявити собі, яким має бути математичний апарат теорії, що приводить до Всесвіту в тому вигляді, в якому ми її знаємо! Хороша наукова теорія дає можливість передбачати багато складні природні явища, виходячи з простої теоретичної схеми. Але в теорії Гута (і будь-який інший версії теорії великого вибуху) все навпаки: в результаті складних математичних викладок ми отримуємо дедалі ширший міхур однорідного газу. Теоретики вдаються до допомоги так званого «антропічний принципу.

За їхньою гіпотезою, квантово-механічний вакуум виробляє всесвіти мільйонами. Але в більшості з них немає умов, необхідних для виникнення життя, тому ніхто не може досліджувати ці світи. У той же час в інших всесвітів, включаючи нашу власну, склалися відповідні умови для появи дослідників, тому немає нічого дивного в тому, що в цих всесвітів панує такий неправдоподібний порядок. Інакше кажучи, прихильники антропічний принципу приймають сам факт існування людини за пояснення впорядкованої структури Всесвіту, яка створила умови для виникнення людини. Однак подібні логічні виверти нічого не пояснюють. Отже, будь-яка модель походження Всесвіту, побудована на основі теорії відносності, не здатна пояснити наше сприйняття часу, і тому всі ці моделі в їх сучасному вигляді недосконалі і неприйнятні.

Майбутнє Всесвіту

Сучасна наука, розглядаючи подальшу долю Всесвіту, зупиняється на двох варіантах - відкритою і замкнутої Всесвіту. Якщо припустити, що Всесвіт замкнута, в цьому випадку протягом 40-50 мільярдів років нічого суттєвого не відбудеться. Галактики будуть все далі розбігатися один від одного, поки в якийсь момент найдальші з них не зупиняться і Всесвіт не почне стискатися. На зміну червоному зсуву спектральних ліній прийде синє. До моменту максимального розширення більшість зірок в галактиках згасне, і залишаться в основному невеликі зірки, збіглі карлики і нейтронні зірки, а також чорні діри, оточені роєм часток - в більшості своїй фотонів і нейтронів. Нарешті, через приблизно 100 мільярдів років почнуть зливатися воєдино галактичні скупчення; окремі об'єкти спочатку будуть стикатися дуже рідко, але з часом Всесвіт перетвориться на однорідне «море» скупчень. Потім почнуть зливатися окремі галактики, і, врешті-решт, Всесвіт буде являти собою однорідний розподіл зірок та інших подібних об'єктів. Протягом усього колапсу в результаті акреції і зіткнень стануть утворюватися, і рости чорні діри. Буде підвищуватися температура фонового випромінювання; зрештою, вона майже досягне температури поверхні Сонця і почнеться процес випаровування зірок. Переміщаючись на тлі сліпучо яскравого неба, вони подібно комет будуть залишати за собою складається з парів слід. Але незабаром все заповнить розсіяний туман і світло зірок померкне. Всесвіт втратить прозорість, як відразу ж після Великого вибуху. (В гл. 6 ми бачили, що / початковий Всесвіт була непрозорою, поки її температура не впала приблизно до 3000К; тоді світло став поширюватися без перешкод.) У міру стиснення Всесвіт, природно, буде проходити ті ж стадії, що і при створенні Всесвіту , але в зворотному порядку. Температура буде рости, і скорочуються інтервали часу почнуть грати все більшу роль. Нарешті галактики теж випаруються і перетворяться на первинний «суп» з ядер, а потім розпадуться і ядра. На цьому етапі Всесвіт стане крихітної і що складається тільки з випромінювання кварків і чорних дір. В останню частку секунди колапс дійде майже до сингулярності. Що буде далі - невідомо, оскільки немає теорії, яка годилася б для опису надвеликих щільності, що виникають до появи сингулярності, можна лише будувати припущення.

У теорії замкнутої Всесвіту з'явилася так звана ідея «відскоку» - раптового припинення стиснення, нового Великого Вибуху і нового розширення. Однією з причин початкового введення ідеї відскоку була можливість обійти неприємну з точки зору багатьох астрономів проблему виникнення Всесвіту. Якщо відскік стався один раз, то він міг траплятися неодноразово, може бути, незліченну кількість разів, тому не потрібно і турбуватися про початок часів. На жаль, при докладної опрацювання такої ідеї виявилося, що, і відскік не вирішує проблеми. В інтервалах між відскоками зірки випромінюють значну кількість енергії, яка потім концентрується при досягненні стану, близького до сингулярності. Ця енергія повинна поступово накопичуватися, через що проміжок часу між послідовними відскоками буде зростати. Значить, в минулому ці проміжки були коротші, а колись, в межі, проміжку не було зовсім, тобто ми приходимо до того, чого прагнули уникнути, - проблемі початку Всесвіту. Згідно з розрахунками, від початку нас має відокремлювати не більше 100 циклів розширень і стиснень.

Багато робили спроби обійти цю проблему. Томмі Голд, наприклад, розробив теорію, згідно з якою в момент найбільшого розширення час починає текти назад. Випромінювання кинеться назад до зірок і Всесвіт «омолодиться». У такому випадку вона буде рівномірно осцілліровать між колапсом і максимальним розширенням. Вельми цікаву, але дуже спірну теорію запропонував Джон Уїллер. Скориставшись ідеєю Хокінга, згідно з якою фундаментальні константи «втрачають» свої числові значення при досить високих щільності, він показав, що цикл осциляції не обов'язково повинен подовжуватися. Через принципу невизначеності значення констант втрачаються, коли Всесвіт стискається до майже нескінченної щільності. Після можливого відскоку і нового розширення ці константи можуть отримати зовсім інші значення. Тривалість циклів в таких обставинах також буде змінюватися, але випадковим чином; одні цикли стануть дуже довгими, а інші короткими. Згідно протилежної теорії, відкрита Всесвіт буде розширюватися вічно. Перші події будуть, звичайно, аналогічні тим, які відбуваються в замкнутій Всесвіту. Зірки поступово постаріють, перетворившись з плином часу в червоних гігантів, або вибухнуть, або повільно сколлапсірует і помруть. Деякі з них, перш ніж згаснути, зіткнуться з іншими зірками. Такі зіткнення дуже рідкісні, і з моменту утворення нашої Галактики (принаймні, в її зовнішніх областях, де ми мешкаємо) їх було зовсім небагато. Однак за трильйони і трильйони трильйонів років таких зіткнень відбудеться безліч. Частина з них лише скине в простір планети, а в результаті інших зірки виявляться на зовсім інших орбітах, деякі навіть поза межами нашої Галактики. Якщо почекати досить довго, то нам здасться, що зовнішні області галактик випаровуються.

Чи не викинуті з галактик зірки в результаті зіткнень, швидше за все, будуть притягатися до центру, який, зрештою, перетвориться на чорну гігантську діру. Приблизно через 10 (18) років більшість галактик буде складатися з масивних чорних дір, оточених роєм білих карликів, нейтронних зірок, чорних дір, планет і різних частинок.

Подальші події випливають із сучасної єдиної теорії поля, званої теорією великого об'єднання. З цієї теорії випливає, що протон розпадається приблизно за 10 (31) років. Зараз ведеться кілька експериментів з виявлення такого розпаду, а значить, і з перевірки теорії, Відповідно до неї, протони повинні розпадатися на електрони, позитрони, нейтрино і фотони. Звідси випливає, що, врешті-решт, все, що складається у Всесвіті з протонів і нейтронів (а їх не містять тільки чорні діри), розпадеться на ці частинки. Всесвіт перетвориться на суміш з них і чорних дір, і буде перебувати в такому стані дуже, дуже довго. Коли-небудь випаруються маленькі чорні діри, а от з великими виникнуть труднощі. Фонове випромінювання на той час буде дуже холодним, але все ж його температура залишиться трохи вище, ніж у чорних дір. Однак у міру розширення Всесвіту ситуація зміниться - температура випромінювання стане нижче, ніж на поверхні чорних дір, і ті почнуть випаровуватися, повільно зменшуючись в розмірах; на це буде потрібно приблизно 10 (100) років. Потім Всесвіт заповнять електрони і позитрони, які, обертаючись, один навколо одного, утворюють величезні «атоми». Але поступово позитрони і електрони, рухаючись по спіралі, зіштовхнуться і анігілюють, в результаті чого залишаться тільки фотони. У Всесвіті не буде нічого, крім випромінювання.

Ми розглянули долю як відкритої, так і закритої Всесвіту. Що її чекає, поки невідомо. Якщо навіть Всесвіт коли-небудь сколлапсірует, невідомо, чи відбудеться потім «відскік». Одна з труднощів, на яку натрапляє традиційна теорія Великого вибуху, - необхідність пояснити, звідки береться колосальна кількість енергії, потрібний для народження частинок. Не так давно увагу вчених привернула видозмінена теорія Великого вибуху, яка пропонує I відповідь на це питання. Вона носить назву теорії роздування, і була запропонована в 1980 році співробітником Массачусетського технологічного інституту Аланом Гутом. Основна відмінність теорії роздування від традиційної теорії Великого вибуху полягає в описі періоду з 10 (-35) до 10 (-32) с. За теорією Гута приблизно через 10 (-35) з Всесвіт переходить в стан «псевдовакуума», при якому її енергія виключно велика. Через це відбувається надзвичайно швидке розширення, набагато більш швидке, ніж з теорії Великого вибуху (він називається роздуванням). Через 10 (-35) с після Всесвіт не містила нічого крім чорних міні-дір і «обривків» простору, тому при різкому роздуванні утворилася не одна всесвіт, а безліч, причому деякі, можливо, були вкладені одна в одну. Кожен з ділянок піни перетворився в окрему всесвіт, і ми живемо в одній з них. Звідси випливає, що може існувати багато інших всесвітів, недоступних для нашого спостереження. Хоча в цій теорії вдається обійти ряд труднощів традиційної теорії Великого вибуху, вона й сама не вільна від недоліків. Наприклад, важко пояснити, чому, розпочавшись, роздування, врешті-решт, припиняється. Від цього недоліку вдалося звільнитися в новому варіанті теорії роздування, який з'явився в 1981 році, але в ньому теж є свої труднощі.

Життя у Всесвіті

Вивчення життя у Всесвіті - одна з найскладніших завдань, з якою коли-небудь зустрічалося людство. Людина ще не побував на інших небесних тілах, не бачив пі одного позаземного живого організму. Всі дані про життя поза Землею, всі без винятку, носять чисто гіпотетичний характер. Тому тільки глибоке дослідження біологічних закономірностей, з одного боку, і космічних явищ, - з іншого, ретельне зіставлення й аналіз різноманітних даних, накопичених різними природничими науками, здатні привести до успіху. В останні роки, у зв'язку з успіхами астрономії, біології, фізики та техніки виникла самостійна наукова дисципліна - «екзобіологія». Її основне завдання - дослідження небесних тіл, в першу чергу планет сонячної системи і метеоритів, з точки зору біології. Крім того, екзобіологія займається проблемами, близькими до космонавтики: вивченням впливу космічних факторів на живі організми. На перший погляд може здатися, що питання про життя у Всесвіті - в 'значній мірі абстрактна проблема. Однак це не так. Дослідження неземних, космічних форм життя допомогло б людині, по-перше, зрозуміти сутність життя, тобто те, що відрізняє всі живі організми від неорганічної природи, по-друге, з'ясувати шляхи виникнення і розвитку життя і, по-третє, визначити місце і роль людини у Всесвіті. Крім того, вивчення особливостей життя у Всесвіті, її пристосовності до незвичайних з пашів земної точки зору умов набагато розширило б наукові уявлення про життєві процеси й допомогло вирішити цілий ряд практичних завдань земної біології, медицини, сільського господарства.

Зараз можна вважати досить твердо встановленим, що на нашій власній планеті життя виникло у віддаленому минулому з неживої, неорганічної матерії при певних зовнішніх умовах. З числа цих умов можна виділити три головних. Перш за все, це присутність води, яка входить до складу живої речовини, живої клітини. По-друге, наявність газової атмосфери, необхідної для газового обміну організму із зовнішнім середовищем. Правда, можна уявити собі і яку-небудь іншу середу, наприклад, рідку (зокрема, водну), в якій може відбуватися газовий обмін. Проте все ж є підстави припускати, що газове середовище створює більш широкі можливості для прогресивного розвитку живих організмів. Третьою умовою є наявність на поверхні даного небесного тіла підходящого діапазону температур. Крім цього, необхідна зовнішня енергія для синтезу молекули живої речовини з вихідних органічних молекул, наприклад, енергія космічних променів або ультрафіолетової радіації або енергія електричних розрядів. Зовнішня енергія потрібна і для подальшої життєдіяльності живих організмів. Зокрема, ми самі отримуємо цю енергію з їжею, яка являє собою не що інше, як своєрідний «концентрат» сонячної енергії. Умови, необхідні для виникнення життя, свого часу склалися па нашій планеті. І оскільки ці умови склалися природним шляхом, в ході еволюції Землі, немає ніяких підстав вважати, що вони не можуть складатися і в процесі розвитку інших небесних тіл.

Радянський учений, академік А.І. Опарін, автор популярної теорії походження життя, вважає, що вона повинна була з'явитися тоді, коли поверхня нашої планети являла собою суцільний океан. Спочатку в результаті з'єднання вуглецю з воднем і азотом виникли найпростіші органічні сполуки. Потім у водах первинного океану молекули цих сполук об'єдналися і укрупнилися, утворюючи складний розчин органічних речовин. Нарешті, на третій стадії з цього середовища виділилися комплекси молекул, які і дали початок первинним живим організмам.

Оскільки хімічну основу життя земного типу складають сполуки вуглецю, цікаво оцінити, наскільки велика поширеність цього елемента та його сполук у Всесвіті. Виявляється, достатньо велика! У всякому разі, ми виявляємо вуглець в газових оболонках інших планет, в атмосферах зірок, в ядрах комет і навіть в хмарах міжзоряного материн. У цьому зв'язку цікаво згадати про одну гіпотезі, висунутої не так давно Оро і підтриманої відомим радянським вченим академіком В.Г Фесеіковим. Фесенков звернув увагу на те, що своєрідними переносниками якщо не самого життя, то, принаймні, її вихідних елементів можуть бути комети. В ядрах цих небесних тіл міститься не тільки вуглець, а й ціан, окис і двоокис вуглецю, кисень, азот, метан та аміак, тобто якраз ті самі елементарні цеглинки, з яких, відповідно до теорії Опаріна, виникають шляхом поступового ускладнення комплекси молекул, з яких в кінцевому підсумку утворюється живу речовину. Цікаві також висновки, до яких прийшов рада-скіп вчений Ковальський. Він вважає, що при ударах кометних ядер об поверхню планет розвиваються високі тиску, які можуть призводити до синтезу таких хімічних сполук, які служать сходинкою до утворення живої речовини. У пресі з'явився також ряд повідомлень про те, що вуглеводні знаходили і в метеоритах. Дійсно, вуглеводні типу гірського воску були виявлені в метеоритах ще понад сто років тому. Але останнім часом дослідження подібного роду проводилися особливо інтенсивно. Вченим вдалося виділити з метеоритів складні органічні речовини, вельми близькі до тих, які ми знаходимо в живих організмах. Однак, на думку ряду великих учених, у тому числі академіка Опаріна, це зовсім ще не означає, що ці речовини якимось чином пов'язані з явищами життя. Досліди показують, що вони могли утворитися в метеоритах і чисто хімічним шляхом. Є також повідомлення про те, що в деяких Тінах метеоритів виявлено структурні утворення, так звані «організовані елементи»; деякі дослідники вважають їх залишками живих організмів. Але при оцінці цих даних необхідно враховувати одну важливу обставину. Справа в тому, що подібні структури, іноді вельми схожі за будовою на живі форми, можуть виникати суто хімічним шляхом, без будь-яких життєвих процесів. У той же час з астрономічної точки зору вельми важко уявити собі можливість виникнення та існування живих організмів на метеоритах. Що ж стосується гіпотези про перенесення життя кометами, то вона добре узгоджується з результатами деяких лабораторних експериментів, в ході яких газоподібна суміш водяної пари ціану та аміаку піддавалася протягом ряду тижнів дії ультрафіолетових променів і тихих електричних розрядів. Після закінчення цього терміну в суміші виникали складові частини білків і нуклеїнових кислот - речовин, що складають хімічну основу життя. В інших дослідах в умовах, також близьких до тих, які є в кометах, спостерігалося утворення трехфосфорного аденозину.

Однією з найцікавіших тем астрономії є можливість існування позаземних цивілізацій. По цій темі постійно тривають дискусії, і єдиної думки не існує. Але більшість сучасних астрономів і філософів вважають, що життя - поширене явище у Всесвіті й існує безліч світів, на яких живуть цивілізації. Рівень розвитку деяких позаземних цивілізацій може бути незмірно вище рівня розвитку земної цивілізації. Саме з такими цивілізаціями землянам особливо цікаво встановити контакт. На розвиток думки про безліч цивілізацій вплинуло кілька аргументів.

По-перше, в Метагалактиці є величезна кількість зірок, схожих на наше Сонце, а отже планетні системи можуть існувати не тільки у Сонця. І більше того дослідження показали, що деякі зірки певних спектральних класів обертаються повільно навколо своєї осі, що може бути викликано наявністю навколо цих зірок планетних систем.

По-друге, при відповідних умовах життя могло виникнути на планетах інших зірок за типом еволюційного розвитку життя на Землі. Молекулярні сполуки, необхідні для початкової стадії еволюції неживої природи, досить поширені у Всесвіті і відкриті навіть у міжзоряному середовищі.

По-третє, можливе існування небілкових форм життя, принципово відмінних від тих, які поширені на Землі. Однак нічого конкретного про них науці не відомо.

Не всі вчені настільки оптимістично ставляться до проблеми позаземних цивілізацій. Прихильники протилежної точки зору вважають, що життя, і особливо розумне життя, - виключно рідкісне, а може бути, і унікальне явище у Всесвіті.

Отже, позаземні цивілізації по колишньому відносяться до числа гіпотетичних об'єктів, пошук яких представляє величезний інтерес. Тривають суперечки про реальність позаземних цивілізацій, але лише подальші спостереження та експерименти дозволять з'ясувати, чи існують де-небудь населені світи або ми самотні, принаймні, в межах нашої Галактики.

Висновок

Всесвіт розвивається і в наш час. У спіральних галактиках народжуються і вмирають зірки. Всесвіт продовжує розширюватися. Ми знаємо будову Всесвіту у величезному обсязі простору, для перетину якого світлу потрібні мільярди років. Але допитлива думка людини прагне проникнути далі. Що лежить за межами спостережуваної області світу? Нескінченна чи Всесвіт за обсягом? І її розширення - чому воно почалося і чи буде воно завжди продовжуватися в майбутньому? А яке походження «прихованої» маси? І нарешті, як зародилося розумне життя у Всесвіті? Чи вона ще де-небудь окрім нашої планети? Остаточні і повні відповіді на ці питання поки відсутні. Всесвіт невичерпна. Невтомна і жага знання, що змушує людей задавати все нові і нові питання про світ і настирливо шукати відповіді на них. Наші дні з повною підставою називають золотим століттям астрофізики - чудові і частіше за все несподівані відкриття в світі зірок слідують зараз одне за іншим. Ми живемо в епоху разючих наукових відкриттів і великих звершень. Найнеймовірніші фантазії несподівано швидко реалізуються. З давніх пір люди мріяли розгадати таємниці Галактик, розкиданих в безмежних просторах Всесвіту. Доводиться тільки дивуватися, як швидко наука висуває різні гіпотези і відразу їх спростовує. Однак астрономія не стоїть на місці: з'являються нові способи спостереження, модернізуються старі. З винаходом радіотелескопів, наприклад, астрономи можуть «зазирнути» на відстані, які ще в 40-x. роках ХХ століття здавалися недоступними. Однак треба собі ясно уявити величезну величину цього шляху і ті колосальні труднощі, з якими ще доведеться зустрітися на шляху до зірок.

Вивчення Всесвіту, навіть тільки відомої нам її частини є грандіозної

завданням. Щоб отримати ті відомості, які мають сучасні вчені, знадобилися праці безлічі поколінь. Всесвіт нескінченний в часі і просторі. Кожна частинка Всесвіту має свій початок і кінець, як у часі, так і в просторі, але вся Всесвіт нескінченний і вічна так, як вона є вічно саморушної матерією.

Всесвіт - це все існуюче. Від найдрібніших пилинок і атомів до величезних скупчень речовини зоряних світів і зоряних систем.

Список використаної літератури

1. Рузавин Г.І. Концепції сучасного природознавства. - М .: Культура і спорт, ЮНИТИ, 1999. -288 с. http://filam.ru/view_manuel.php? id = 97

2. Хорошавина С.Г. Концепції сучасного природознавства. Курс лекцій. - Ростов н / Д: Фенікс, 2005. - 480 с. http://www.alleng.ru/d/natur/nat017.htm

3. Самигін С.І. Концепції сучасного природознавства: Сер. «Підручники і навчальні посібники». - Ростов на Дону: «Фенікс», 1997. - 448 с. http://www.alleng.ru/d/natur/nat009.htm

4. Йорданський М.М. Еволюція життя. Навчальний посібник для студ. вищ. пед. навч. закладів. - М .: Академія, 2001. - 432 с. http://www.alleng.ru/d/natur/nat020.htm

5. Фрідман А.А. Світ як простір і час. - М .: Наука, 1965. -110 с. http://ivanik3.narod.ru/linksBooksTO.html

6. Климишин І.А. Відкриття Всесвіту. М .: Наука, Гл. ред. фіз.-мат лит., 1987. - 320 с.

Авіація і космонавтика
Автоматизація та управління
Архітектура
Астрологія
Астрономія
Банківська справа
Безпека життєдіяльності
Біографії
Біологія
Біологія і хімія
Біржова справа
Ботаніка та сільське господарство
Валютні відносини
Ветеринарія
Військова кафедра
Географія
Геодезія
Геологія
Діловодство
Гроші та кредит
Природознавство
Журналістика
Зарубіжна література
Зоологія
Видавнича справа та поліграфія
Інвестиції
Інформатика
Історія
Історія техніки
Комунікації і зв'язок
Косметологія
Короткий зміст творів
Криміналістика
Кримінологія
Криптологія
Кулінарія
Культура і мистецтво
Культурологія
Логіка
Логістика
Маркетинг
Математика
Медицина, здоров'я
Медичні науки
Менеджмент
Металургія
Музика
Наука і техніка
Нарисна геометрія
Фільми онлайн
Педагогіка
Підприємництво
Промисловість, виробництво
Психологія
Психологія, педагогіка
Радіоелектроніка
Реклама
Релігія і міфологія
Риторика
Різне
Сексологія
Соціологія
Статистика
Страхування
Будівельні науки
Будівництво
Схемотехніка
Теорія організації
Теплотехніка
Технологія
Товарознавство
Транспорт
Туризм
Управління
Керуючі науки
Фізика
Фізкультура і спорт
Філософія
Фінансові науки
Фінанси
Фотографія
Хімія
Цифрові пристрої
Екологія
Економіка
Економіко-математичне моделювання
Економічна географія
Економічна теорія
Етика

8ref.com

© 8ref.com - українські реферати


енциклопедія  бефстроганов  рагу  оселедець  солянка