Постулат полной однородности и изотропности Вселенной

Применение ОТО ко Вселенной в целом, которое было осуществлено русским математиком А. Фридманом и академиком П. Ламетром, привело к выводу, что приблизительно 15 млрд. лет тому назад произошел Большой взрыв, который дал начало веществу Вселенной, времени и пространству. Это основа нестационарной модели Вселенной. Модель Большого взрыва и ли горячей расширяющейся Вселенной начал создавать в конце 40- ых ХХ в. Д. Гамов.

Этапы:

Сингулярность – состояние материи с бесконечно большими физическими параметрами. Пространственно-временная «пена» с бесконечно большой плотностью и температурой.

Планковский момент:t=10^-43 сек. В этот момент рождаются «черные мини дыры», происходит рождение частиц и взаимодействия едины.

Адронная эра: началась с момента времени t=10^-23 сек. Выделяет от силы великого объединения сильное взаимодействие. Из кварков и глюонов образуются адроны. ТВО подсказывает некоторую асимметрию вещества. (10⁹+1)/ 10⁹

Лептонная эра: t≈1 сек. от Большого взрыва. Происходит взаимодействие образования нейтронов (протоны + электроны). В итоге происходит выделение электрослабого взаимодействия и «замораживание» нейтронов и протонов.

Радиационная эра: t≈1 мин. происходит ядерный синтез. Протоны и нейтроны объединяются в ядра гелия. Огромную роль играют протоны.

Термолизация излучения t=1 нед. Электромагнитные вещества отделяются от вещества и происходит самостоятельное расширение.

Эра вещества t=10 тыс. лет и до настоящего времени. При возрасте 1-2 млрд. лет образуются галактики; 3 млрд. лет галактики образуют скопления; 3-4 млрд. лет сжатие протогалактики; 4,1 млрд. лет образуются первые звезды; 5 млрд. лет происходит рождение квазаров и массовое образование звезд нового поколения; 10 млрд. лет образование межзвездного облака с образованием Солнечной системы; 15,3 млрд. лет сжатие протосолнечной туманности с образованием Солнца; 15,4 млрд. лет образование тканей затвердевших пород, образующих их за счет гравитационного коллапса.

Рассмотрим экспериментальные факты, подтверждающие модель горячей расширенной Вселенной.

1. Красное смещение оптических спектров атомов звезд, подтверждающее разбегание галактик (эффект Хаббла). Эффект Доплера – если удаляется объект, то длина волны увеличивается, смещаясь в красную сторону. Если источник приближается, то длина волны уменьшается и смещается в фиолетовую сторону. Чем дальше объекты друг от друга, тем с большей скоростью они разбегаются. Н=15 км/сек*10^-6(световых лет).

2. Реликтовое (ископаемое) изучение.

Это первичное излучение, которое когда-то отделялось от вещества.

Λ_м Т=b (b=2,9*10^-3 К*м) Т=2,9К; λ_М = b/Т= (2,9*10^-3 м)/2,9=10^-3 м=1 мм

3. Содержание гелия (25%) во Вселенной. Соотношение гелия и водорода, что соответствует теоретическим предсказаниям.

Температура и давление реликтового космического электромагнитного излучения объясняется теорией: соотношение фотонов к числу нуклонов составляет 2/10⁹ на 1 электрон.

4. Возраст Вселенной совпадает с наблюдением возраста наиболее старых из космических объектов и Земли. Возраст Земли = 4млрд. лет.

Проблемы в рамках современной космологии:

Проблема первичной сингулярности.

1 ТэВ=10¹² эВ (разгон атомов свинца). Эту проблему пытаются решать в рамках создания теоретического вакуума.

Замкнутость Вселенной – расширение сменяет сжатие. Т~10³³ лет – начинается распад протонов, появляется лептонный газ.

Скрытая масса (до 90% от массы Вселенной). Видимая скорость разбегания галактик на много меньше, чем это следует из видимого наличия вещества во Вселенной. Поэтому говорят о скрытой массе, которую можно связать с нейтрино (۷) (частица, полученная с помощью распада n→р+ê+۷_e , Т_n~1 3мин). Нейтрино вносит свой вклад в величину скрытой массы. Так же вносят свой вклад и фотино, гравитино, вино (частицы из теории суперобъединения), и «черные дыры» (планетарные размеры). Такая модель горячей расширенной Вселенной переплетается с креационной моделью. Вселенная создана Творцом в определенный момент времени.

Научные креационисты пытаются подогнать эволюцию под Библию, где все события произошли~10тыс.лет тому назад. Наряду с этой моделью существуют альтернативные модели: стационарная («Вселенная вечна, она никогда не появлялась»). Эффект Хаббла объясняется старением фотонов в процессе прохождения их через вакуум. Эти модели противопоставляются друг другу.

Как образовалась Вселенная, если она не вечна.

 

По современным представлениям, наблюдаемая нами Вселенная возникла около 15-20 млрд. лет назад. Момент рождения Вселенной — это эпоха рождения пространства времени. Общепризнанной в настоящее время является Стандартная космологическая модель (СКМ), Применение общей ТО к Вселенной в целом, которую осуществил в 20-х годах 20 вв. Фридман и одновременно с ним П. Ламетр. Они пришли к выводу, что 10-15 млрд. лет назад произошел так называемый Большой Взрыв (Big Bang), который дал начало веществу, пространству и времени Вселенной. Что было первоначально? Говорят о первичной сингулярности – состоянии, в котором физические законы не выполнялись. Произошел взрыв физического вакуума. Вселенная образовалась из пространственно-временной пены с бесконечно большой температурой и плотностью. Первоначальный «огненный» сгусток – «Илем» взорвался, и начал расширяться. С момента Большого Взрыва Вселенная непрерывно расширяется, температура давление и плотность вещества понижается.

В основе современных представлений об эволюции Вселенной лежит модель горячей Вселенной, основы которой были заложены в трудах американского физика Дж. Гамова в конце 40-х гг ХХ века. В соответствии с этой моделью Вселенная на ранних стадиях расширения характеризуется не только высокой плотностью вещества, но и высокой температурой. При энергиях, характерных для ранней Вселенной, все четыре фундаментальных взаимодействия были слиты воедино.

Постулируется изменение температуры по закону

где t – время жизни Вселенной.

Это означает, что понижалась средняя кинетическая энергия частиц kT. В соответствии с соотношением h= kT понижалась энергия фотонов. Чтобы фотон превратился в частицу и античастицу с массой m₀ и энергией покоя m₀c² или большей.

События за большим взрывом шли поэтапно:

1. сингулярность.

1. планковский момент: t:10^-43сек – рождение частиц происходит, все взаимодействия едины.
2. 3. Через 10^-23 с Вселенная вступила в эпоху адронов (или сильновзаимодействующих частиц). Эпоху сильных взаимодействий. Адронная эра длилась до t=1 мксек=10^-6 с Температура была достаточно высока, чтобы образовались пары адронов: мезоны, протоны, нейтроны и т.п., а также античастицы. На заре этой эпохи температура была слишком высока, и тяжелые частицы не могли существовать. Они присутствовали в виде своих составляющих — кварках и антикварках. После того как температура достаточно упала (примерно через 10^-6), кварки быстро собрались в “мешки” (кварк-адронный переход). Вселенная состояла в основном из адронов: нейтронов, протонов, мезонов и некоторых более тяжелых частиц, фотонов и небольшого количества черных дыр. На каждую частицу приходилась античастица. При взаимодействиях они аннигилировали, превращаясь в фотоны. Фотоны же могли образовывать пары частиц. Такие пары рождались и аннигилировали, примерно с одинаковой скоростью, Вселенная пребывала в равновесном состоянии. По мере расширения Вселенной температура падала и число аннигиляций превысили число рождений. В результате почти все тяжелые частицы исчезли. Остались только избыточные барионы — по одному на один на миллиард пар — адрон - антиадрон (барионная асимметрия).

 

 

(одна частица лишняя)

Когда температура упала настолько, что пары адронов уже не могли рождаться и энергии хватало лишь для образования лептонов, Вселенная вступила в эпоху лептонов.

4. Лептонная эра t1с – от единого великого выделяется электрослабое, идут процессы образования нейтронов (протоны+электроны)

Через сотую долю секунды после Большого Взрыва, когда температура упала до ста миллиардов градусов, Вселенная ступила в эпоху лептонов. В ее составе наряду с барионами фотоны и лептоны (в основном электроны, позитроны, нейтрино, антинейтрино). Наблюдалось тепловое равновесие, при котором электрон-позитронные пары рождались и аннигилировали с одинаковой скоростью. Происходил также распад нейтронов на протоны и электроны, и обратный процесс рождения нейтронов. Когда температура упала до 30 млрд. градусов, электронам не хватало энергии для образования нейтронов, поэтому они распадались в больших количествах. Произошло разделение и освобождение нейтрино, которые образуются в реакциях с участием протонов и нейтронов. В настоящее время они должны существовать как реликтовые нейтрино с температурой около 2 К.

Е_покоя=m₀c²; КТ=2 m₀c² – возможны процессы, протекающие туда и обратно

Если КТ < порога рождения частиц, то они «замораживаются».

По мере остывания Вселенной, происходит кристаллизация частиц

5. радиационная эра

Через несколько секунд после Большого Взрыва, когда температура составила около 10 млрд. градусов, Вселенная вступила в эпоху излучения. В начале было много лептонов, но при понижении температуры до 3 млрд градусов (порогового для рождения пар лептонов) они исчезли, испустив множество фотонов. В эпоху излучения образовалось первое ядро (протон+нейтрон). Примерно через три минуты после начала отсчета времени при температуре около миллиарда градусов сталкивающиеся протон и нейтрон соединялись с образованием ядра дейтерия. При соударениях двух ядер дейтерия образовывались ядра гелия, так что примерно за 200 минут около 25 % вещества превратилось в гелий.

t1мин Т=10⁹ К – происходит ядерный синтез гелия; образуются химические элементы

6. термолизация при температуре 3 000 К в результате электронов и протонов образовались атомы водорода и излучение (фотоны оторвались от вещества)

t 1неделя: фотоны отделяются от вещества, и начинают самостоятельно расширяться и остывать. В настоящее время это реликтовое фоновое космическое излучение с температурой около 3 К.

7. Эра вещества t=10 000 лет вещество начинает доминировать – процессы, протекающие в нем, играют большую роль для Вселенной. Эта эра продолжает и сейчас

8. t=30 000 лет. Отделение излучения от вещества, т.е. Вселенная стала прозрачной.

9. t=1-2млрд. лет. Начало образование галактики

10. t=3млрд. лет. Галактики образуют скопления

11. t=4млрд. лет. Сжатие нашей протогалактики

12. t=4,1млрд. лет. Образуются первые звезды

13. t=5 млрд. лет. Рождение квазаров, массовое образование звезд, более молодых

14. t=10 млрд. лет. Продолжение образования звезд.

15. t=15,2 млрд. лет. Образование межзвездного облака, давшего начало Солнечной системе

16. t=15,3 млрд. лет. Сжатие протосолнечной.туманности с образованием Солнца

17. t=15,4 млрд. лет. Образование планет, затвердевание пород, образующих их за счет гравитационной коллапсов (из расчета, возраст Вселенной = 20 млрд. лет (до большого взрыва)

Вглядываясь в глубины космоса, заглядываем в прошлое. Например, галактику на расстоянии 3 млрд. световых лет наблюдаем отстоящей по времени на 3 млрд. лет. Дальше все более тусклые галактики, и за определенной границей можно наблюдать только так называемые радиогалактики, которые во многих случаях находятся в состоянии взрыва. За этой границей расположены мощные источники радиоизлучения с чрезвычайно плотными ядрами. Долее можно наблюдать только квазары.

Экспериментальные факты подтверждающие модель горячей расширяющейся вселенной:

1. красное смещение оптических спектров атомов звезд, подтверждающие разбегание галактик.

Эффект Доплера-Физо: если удаляется звезда, то линии в оптическом спектре атомов звездного вещества, например, водорода, смещаются к красному цвету, если приближаются к фиолетовому.

Установлено, что изменение в расстоянии между объектами происходит по определенному закону.

 

 

 

 

Закон Хаббла: скорость разбегающихся галактик пропорциональна расстоянию между ними h – постоянная Хаббла.

Практически все наблюдаемые объекты удаляются, т.е. можно сказать, что Вселенная продолжает расширяться. Но этот факт может быть трактован по-другому.

2. Наличие реликтового (ископаемого) электромагнитного излучения с температурой, соответствующей максимуму в спектре непрерывного планковского теплового излучения.

_плТ=b, b=2,9·10^-3 К·м,

м

Считается, что это и есть то первичное излучение, которое когда-то отделилось от вещества.

3. возраст Вселенной совпадает с наблюдениями возраста наиболее старых объектов и Земли (t (возраст) Земли 4 млрд. лет)

4. Содержание гелия (25 %) от содержания водорода во Вселенной.

5. Температура и давление реликтового космического электромагнитного излучения объясняется теорией: соотношения фотонов к числу нуклонов составляет

 

 

 

но это не значит, что эти факты нельзя трактовать по-другому:

1. эффект Доплера считают линейным, а он может быть квадратичным (академик Троицкий)

Если эффект квадратичный, то Вселенная будет намного моложе.

Теория «черных дыр» разработана С. Хокингом

Вопросы в рамках этой теории: 1. проблема начальной сингулярности

2. замкнутость Вселенной – расширение сменяет сжатие

=_крит.

При возрасте Вселенной 10³³ лет начнется распад протонов — останется только лептонный газ.

Скорость разбегания галактик много меньше, чем это следует из видимого наличия вещества, поэтому говорят о скрытой массе («темной»), которую можно связывать с нейтрино, с планетарными реликтовыми черными дырами, имеющими массу близкую к планетной. С учетом скрытой массы Вселенная имеет плотность близкую к критической, равной 0,5 10^-30 г/см³, т.е. является замкнутой.

Если Вселенная открытая, то расширение будет продолжаться вечно. В начале события будут аналогичны тем, которые происходят в замкнутой Вселенной. Звезды постепенно постареют, превратившись в красных гигантов, либо взорвутся, либо медленно сколлапсируют и умрут. Не выброшенные из галактик звезды в результате столкновений будут притягиваться к центру, который превратится в гигантскую черную дыру. Примерно через 10¹⁸ лет большинство галактик будет состоять из массивных черных дыр, окруженных белыми карликами, нейтронными звездами, черными дырами, планетами и различными частицами. Из теории великого объединения следует, что протоны распадаются примерно за 10³¹ лет на электроны, позитроны, нейтрино и фотоны. И Вселенная превратится в смесь из них и черных дыр. По мере остывания Вселенной черные дыры начнут испаряться, электроны и позитроны аннигилируют и во Вселенной не будет ничего, кроме излучения.

Вершиной развития космоса является разумная жизнь необходимые для ее возникновения физические и химические условия явились результатам исключительно большого числа весьма удачных совпадений. Даже самые малые изменения фундаментальных физических констант ведут к такому изменению теоретических мыслимых свойств Вселенной, что возникновение в ней жизни становится вообще невозможным. Этот факт послужил основой антропного принципа.

 

3. Проблема множественности миров (Вселенных).

Проблема космогенезиса

Космология – наука о Вселенной в целом, ее строении, происхождении и эволюции

Космологические представления Аристотеля: шарообразная неоднородная Вселенная

Геоцентрическая система мира Птолемея

Гелиоцентрическая система мира Коперника

Ньютоновская космология: безграничная, бесконечная, однородная и неизменная Вселенная

Общая теория относительности как теоретическая основа современной научной космологии

Общая теория относительности (ОТО): распространение принципа относительности на неинерциальные системы отсчета

Принцип эквивалентности: ускоренное движение неотличимо никакими измерениями от покоя в гравитационном поле

Взаимосвязь материи и пространства-времени: материальные тела изменяют геометрию пространства-времени, которая определяет характер движения материальных тел

Соответствие ОТО и классической механики: их предсказания совпадают в слабых гравитационных полях Эмпирические доказательства ОТО:

- отклонение световых лучей вблизи Солнца

- замедление времени в гравитационном поле

- смещение перигелиев планетных орбит

Вселенная Эйнштейна: однородна, изотропна и равномерно заполнена материей, преимущественно в форме вещества

Космологическая модель Фридмана: Вселенная нестационарна

Наблюдаемая однородность Вселенной в очень больших масштабах

Наблюдательное подтверждение нестационарности Вселенной: красное смещение в спектрах галактик, возникающее благодаря эффекту Доплера при их удалении от наблюдателя (разбегание галактик)

Закон Хаббла: скорость разбегания галактик пропорциональна расстоянию до них

Постоянная Хаббла

Возраст Вселенной — понятие (время, прошедшее с момента начала расширения) и современные оценки (12–15 млрд. лет)

Понятие о космологической сингулярности

Три фридмановских модели эволюции Вселенной, критерий выбора между ними: средняя плотность материи во Вселенной

Современная оценка средней плотности материи во Вселенной–с высокой точностью равна критическому значению Вклад основных видов материи в её среднюю плотность во Вселенной:

- обычное вещество (в основном, звёзды в галактиках) — менее 5%

- «тёмное вещество» (взаимодействует с обычным веществом только гравитационно, распределено в пространстве неоднородно), «тёмная энергия» (строго однородна, создаёт всемирное отталкивание) — более 70%