Эволюция Вселенной
План:
1. Космологические модели Вселенной.
2.
Строение Вселенной:
2.1 Структура Вселенной.
2.2 Тёмная сторона Вселенной.
3.
Эволюция Вселенной:
3.1 Стандартная модель эволюции Вселенной.
3.2 Альтернативная модель Александра Софьина.
1. Космологические модели Вселенной.
Поскольку гравитационные взаимодействия являются доминирующими на мега-уровне организации материи, космологические модели Вселенной должны строится в соответствии с требованиями Теории Относительности на основе реально наблюдаемых астрофизических явлений:
- Однородность и изотропности космического пространства.
- Конечная интенсивность светового потока, приходящего из космоса.
- Красное смещение в спектрах излучения далеких звезд.
- Существование реликтового излучения (однородного и изотропного фона электромагнитных волн, соответствующего температуре около К).
Конечное количество света, приходящего от звездного неба, заставляет отвергнуть классические представления о бесконечном космическом пространстве, однородно заполненным звездами. Предпринимаемые в рамках классической концепции попытки построения космологических моделей с неоднородным распределением звезд в пространстве находятся в противоречии с астрономическими наблюдениями (неоднородность в концентрации звезд наблюдаются только на "относительно малых" космических масштабах вплоть до межгалактических скоплений).
Эйнштейном была предложена модель Вселенной, в которой локальные искривления пространства-времени гравитирующими массами приводит к глобальному искривлению, делающему Вселенную замкнутой по пространственным координатам. В этой цилиндрической модели Эйнштейна временная координата не искривляется (время равномерно течет от прошлого к будущему). Впоследствии цилиндрическая модель была совершенствована голландским астрофизиком Виллем де Ситтером, предположившим на основании наблюдаемого красного смещения, что время в даленных частях Вселенной течет замедленно (искривление по временной координате) - модель замкнутой гиперсферы.. Обе эти стационарные модели Вселенной имеют два недостатка: необходимость предположить существование дополнительных взаимодействий, препятствующих сжатию Вселенной под действием гравитирующих масс, проблема "утилизации" света, испущенного звездами в предшествующие моменты времени в замкнутое пространство.
На сегодняшний день наиболее популярна предложенная Фридманом модель расширяющейся Вселенной (красное смещение и конечная светимость неба объясняются эффектом Доплера, нет необходимость во введении компенсирующих гравитацию взаимодействий), глобально искривленной из-за наличия гравитирующих масс. Обсуждаются ее две модификации:
- Замкнутая модель предсказывает постепенное замедление расширения вследствие торможения гравитационными силами с последующим переходом к сжатию.
- Открытая модель замедляющееся расширение, происходящее бесконечно долго.
В настоящее время предпочтение отдается открытой модели, поскольку оценки средней плотности вещества во Вселенной, сделанные на основе наблюдаемой концентрации звезд, показывают, что гравитационные силы не способны остановить происходящее с наблюдаемой скоростью разбегание. Оценки могут существенно измениться в пользу закрытой модели при наличии в космосе скрытых масс несветящегося вещества (например за счет ненулевой массы покоя нейтрино).
Уравнения Общей Теории Относительности оказались весьма "гибкими" и допускают наличие большого числа космологических моделей Вселенной и сценариев их временного развития.
2 Строение Вселенной.
2.1 Структура Вселенной.
строномические тела обладают тенденцией группироваться в системы. Звёзды могут образовывать пары, входить в состав звёздных скоплений или ассоциаций.
Крупнейшими объединениями звёзд являются галактики. Но и они редко наблюдаются одиночными. Более 90% ярких галактик входят либо в небольшие группы, содержащие лишь несколько крупных членов (такова, например, Местная группа галактик), либо в скопления, в которых их насчитываются многие тысячи.
В окрестностях нашей Галактики, в пределах полутора мегапарсек от неё,
расположены ещё около 40 галактик, которые образуют Местную группу. Лишь некоторые из них можно считать нормальными галактиками. Это наша Галактика,
туманность Андромеды, туманность Треугольника (все они спиральные), также несколько неправильных галактик. Светимость и размеры большинства остальных звёздных систем значительно меньше. По своей массе они столь же меньше нормальных галактик, как планеты - звёзд. Местная группа стойчива - гравитация прочно держивает её членов.
Галактики и их группы распределены в пространстве не равномерно, образуют скопления, обычно неправильной формы. Есть и скопления правильной, сферической формы, которые состоят из сотен и тысяч отдельных звёздных систем, сильно концентрирующихся к центру. Такие скопления называют регулярными. В них много эллиптических и линзовидных галактик и почти нет спиральных. В центре находится одна или несколько гигантских эллиптических галактик. Часто они обладают сильным радиоизлучением, поэтому регулярные скопления нередко связаны с яркими радиоисточниками. Одно из ближайших к нам регулярных скоплений расположено в созвездии Волосы Вероники. Оно находится на расстоянии 125 Мпк (примерно 400
млн световых лет) от нас. Размеры таких скоплений очень велики - десятки мегапарсек. Даже при тех огромных расстояниях, которые отделяют их от нас, они выглядят очень протяжёнными (скопление в Волосах Вероники, например, занимает на небе область диаметром 12
2.2 Тёмная сторона Вселенной.
Первые сомнения в том, что все видимое нами и есть космический мир, зародились, когда ченые измерили скорость вращения спиральных галактик. По законам Кеплера, их центральная часть должна была вращаться быстрее периферийной. Это не подтвердилось. Очевидно, галактики были окружены массивными, но невидимыми скоплениями материи.
В восьмидесятые годы во Вселенной были обнаружены обширные скопления галактик. Они тоже не вписывались в привычную теорию. Так, в 1989 году на небе Северного полушария была открыта так называемая Великая стена - скопление галактик размерами 500 * 200 * 15 миллионов световых лет. Она напоминала полосу пены, взбитую на небосводе, и содержала тысячи галактик. Подобные структуры могли возникнуть вскоре после Большого Взрыва лишь потому, что в космосе гораздо больше материи, чем можем заметить мы. Иначе бы их не было и по сей день!
По последним расчётам доля невидимой материи составляет 96 процентов! Человек, живущий в стандартной двухкомнатной квартире, легко поймет астрономов, если представит себе, что все в его обители вдруг растворилось в воздухе, и лишь какой-то клочок, к примеру, любимый "обломовский" диван, он еще может разглядеть.
Современные космологи, подобно античным философам, разделяют мир на несколько разных стихий.
Зевс лучезарный, и Аидоней,
и живящая Гера,
Также слезами текущая
в смертных потоках Нестида, где Зевсом он называет огонь, Герой - землю,
Аидонеем - воздух и Нестидою - воду. Так видел мироздание греческий философ Эмпедокл (ок. 490 - 430 годов до новой эры). Эти стихии неизменны, не создаваемы и не разрушаемы, писал он в своем трактате "О природе" (цитируется по книге Диогена Лаэртского "О жизни, чениях и изречениях знаменитых философов"). Они не могут превращаться одна в другую, могут лишь механически смешиваться друг с другом.
То, влекомое Дружеством,
сходится все воедино,
То ненавистной Враждой
вновь гонится врозь друг от друга.
Немецкие ченые Вольфганг Пристер и Джеймс Овердуин даже соотнесли чение Эмпедокла с выводами современных космологов.
* Земля, "живящая Гера" - это барионная материя (около 4 процентов) в самых разных ее проявлениях: от случайных атомов водорода, снующих в космическом пространстве, до сверхплотных нейтронных звезд.
* Воздух, "Аидоней" - это световое излучение (0,005 процента) и "горячая темная материя" (0,3 процента), состоящая в основном или исключительно из нейтрино.
* Вода, или "текущая в смертных потоках Нестида" - это и есть пресловутая темная материя (около 30 процентов), давно занимающая мы ченых. Теперь ее называют "холодной темной материей". Очевидно, она состоит из не открытых пока элементарных частиц. Им же подобраны звучные названия: "аксионы", "нейтралино", WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles, "слабо взаимодействующие тяжелые частицы"). "Как океан объемлет шар земной", так видимый мир кругом объят темной материей.
* Большая же часть космоса "охвачена Огнем". Здесь царит "Зевс лучезарный". Это - мир "темной энергии" (почти 66 процентов), открытой недавно косвенным путем. Общая масса этого вида материи должна быть невероятно велика, но поскольку темная энергия разлита по всему мирозданию, ее плотность, как показывают расчеты, не превышает четырех электрон-вольт на кубический миллиметр. Для сравнения: масса покоя одного электрона равна 511 тысяч электрон-вольт.
Еще в 1917 году, описывая Вселенную, Альберт Эйнштейн ввел в формулу "космологическую константу" - своего рода "антигравитацию". Она равновешивала действие гравитационных сил, но ее существование далось доказать лишь в 1998 году.Космологическая константа и получила теперь наименование "темной энергии". Это определение дал ей в 1998 году Майкл Тернер, астрофизик из Чикагского ниверситета. Вселенная в основном наполнена ей. Планеты, звезды, галактики - это редкие корабли и случайные пловцы, затерянные посреди моря "темной энергии". Поправляя Эмпедокла, скажем: в мире царит Зевс сумеречный.
Открыли эту самую великую и неприметную стихию сразу двумя путями: наблюдая за отдаленными вспышками сверхновых звезд и исследуя космическое фоновое излучение.
Светимость сверхновых звезд определенного типа всегда одинакова. Лишь по мере даления от них видимая яркость их ослабевает. Однако далекие сверхновые звезды светят слабее, чем требует теория. Эти наблюдения позволили сделать вывод, что Вселенная расширяется все быстрее, хотя у критиков остались возражения.[2]<
В ту отдаленную эпоху Вселенная расширялась медленнее, чем теперь. Силы гравитации сдерживали бег видимой материи. "Судя по поведению сверхновых, наша Вселенная напоминает обычного автомобилиста: она то тормозит, видев впереди красный свет, то залихватски мчится, заметив зеленый", - поясняет Рисс. Роль светофора поочередно выполняли гравитация и антигравитация. Около девяти миллиардов лет назад последняя - то бишь темная энергия - победила. С тех пор Вселенная расширяется все быстрее. Впрочем, это исследование не позволило точно определить содержание темной энергии во Вселенной, хотя и стало ясно, что она преобладает над остальными формами материи.
Параллельно этой работе шли исследования фонового космического излучения. Телескопы "Бумеранг" и "Максима", установленные на аэростатах доказали, что Вселенная имеет плоскую форму. Телескоп DASI ("Degree Angular Scale Interferometer"), размещенный в Антарктиде сотрудниками Чикагского ниверситета и Калифорнийского технологического института, не только подтвердил плоскую форму Вселенной, но и позволил в 2001 году оценить содержание в ней темной энергии.[3]<
Итак, две трети мироздания состоят сейчас из темной энергии. Вселенная словно охвачена огнем. Он медленно разгорался, но теперь пылает вовсю. В его темном пламени крупицами пепла разлетаются звезды и галактики. Они летят все дальше, все дальше, отодвигая границы космоса.
3 Эволюция Вселенной
3.1 Стандартная модель эволюции Вселенной.
Вселенная постоянно расширяется. Тот момент, с которого Вселенная начала расширятся, принято считать ее началом. Тогда началась первая и полная драматизма эра в истории вселенной, ее называют большим взрывом.
Под расширением Вселенной подразумевается такой процесс, когда то же самое количество элементарных частиц и фотонов занимают постоянно возрастающий объём. Средняя плотность Вселенной в результате расширения постепенно понижается. Из этого следует, что в прошлом Плотность Вселенной была больше, чем в настоящее время. Можно предположить, что в глубокой древности (примерно десять миллиардов лет назад) плотность Вселенной была очень большой. Кроме того высокой должна была быть и температура, настолько высокой, что плотность излучения превышала плотность вещества. Иначе говоря, энергия всех фотонов содержащихся в 1 куб. см была больше суммы общей энергии частиц, содержащихся в 1 куб. см. На самом раннем этапе, в первые мгновения большого взрыва вся материя была сильно раскаленной и густой смесью частиц, античастиц и высокоэнергичных γ-фотонов. Частицы при столкновении с соответствующими античастицами аннигилировали, но возникающие γ-фотоны моментально материализовались в частицы и античастицы.
На начальном этапе расширения Вселенной из фотонов рождались частицы и античастицы. Этот процесс постоянно ослабевал, что привело к вымиранию частиц и античастиц. Согласно тому, как материализация в результате понижающейся температуры раскаленного вещества приостановилась. Эволюцию Вселенной принято разделять на четыре эры: адронную, лептонную, фотонную и звездную.
) Адронная эра. При очень высоких температурах и плотности в самом начале существования Вселенной материя состояла из элементарных частиц. Вещество на самом раннем этапе состояло, прежде всего, из адронов, и поэтому ранняя эра эволюции Вселенной называется адронной, несмотря на то, что в то время существовали и лептоны.
К моменту, когда возраст Вселенной достиг одной десятитысячной секунды (10-4с.), температура ее понизилась до 1012K, энергия частиц и фотонов представляла лишь 100 Мэв. Ее не хватало же для возникновения самых легких адронов - пионов. Пионы, существовавшие ранее, распадались, новые не могли возникнуть. Это означает, что к тому моменту, когда возраст Вселенной достиг 10-4с., в ней исчезли все мезоны. На этом и кончается адронная эра, потому что пионы являются не только самыми легкими мезонами, но и легчайшими адронами. Никогда после этого сильное взаимодействие (ядерная сила) не проявлялась во Вселенной в такой мере, как в адронную эру, длившуюся всего лишь одну десятитысячную долю секунды.
б) Лептонная эра. Когда энергия частиц и фотонов понизилась в пределах от 100 Мэв до 1 Мэв в, веществе было много лептонов. Температура была достаточно высокой, чтобы обеспечить интенсивное возникновение электронов, позитронов и нейтрино. Барионы (протоны и нейтроны), пережившие адронную эру, стали по сравнению с лептонами и фотонами встречаться гораздо реже.
Лептонная эра начинается с распада последних адронов - пионов - в мюоны и мюонное нейтрино, кончается через несколько секунд при температуре 1010K, когда энергия фотонов меньшилась до 1 Мэв и материализация электронов и позитронов прекратилась. Во время этого этапа начинается независимое существование электронного и мюонного нейтрино, которые мы называем реликтовыми. Всё пространство Вселенной наполнилось огромным количеством реликтовых электронных и мюонных нейтрино. Возникает нейтринное море.
в) Фотонная эра или эра излучения. Вселенной понизилась до 1010K, энергия γ-фотонов достигла 1 Мэв, произошла только аннигиляция электронов и позитронов. Новые электронно-позитронные пары не могли возникать вследствие материализации, потому, что фотоны не обладали достаточной энергией. Но аннигиляция электронов и позитронов продолжалась дальше, пока давление излучения полностью не отделило вещество от антивещества. Со времени адронной и лептонной эры Вселенная была заполнена фотонами. К концу лептонной эры фотонов было в два миллиарда раз больше, чем протонов и электронов. Важнейшей составной Вселенной после лептонной эры становятся фотоны, причем не только по количеству, но и по энергии.
После большого взрыва наступила продолжительная эра вещества, эпоха преобладания частиц. Мы называем её звездной эрой. Она продолжается со времени завершения большого взрыва (приблизительно 300 лет) до наших дней. По сравнению с периодом большим взрыва её развитие представляется как будто слишком медленным. Это происходит по причине низкой плотности и температуры. Таким образом, эволюцию Вселенной можно сравнить с фейерверком, который окончился. Остались горящие искры, пепел и дым. Мы стоим на остывшем пепле, вглядываемся в стареющие звезды и вспоминаем красоту и блеск Вселенной. Взрыв суперновой или гигантский взрыв галактики - ничтожные явления в сравнении с большим взрывом.
3.2 Альтернативная модель Александра Софьина.
Эта гипотеза была опубликована им в 2002 году.
Представим себе, что наше трехмерное пространство движется внутри четырехмерного пространства, четвертой осью которого является то, что мы воспринимаем как время (ось t), дополнительную к обычным x, y и z, которые образуют наше трехмерное пространство. Четырехмерное пространство пронизано нитями, закрученными в спирали различной степени закрученности. Эти нити замкнуты в кольца, имеют разные завихрения и являются изогнутыми в разных направлениях, не имеют самопересечений и не могут многократно пересекать пространство в локальной окрестности. Все замкнутые нити собраны как бы в клубок, четырехмерный шар, полностью заполненный этими кольцами. Все кольца проходят через верхний и нижний полюса этого четырехмерного шара как меридианы на глобусе. Где-то их плотность больше, где-то меньше, за счет этого в трехмерном пространстве есть разреженные области и области с большей плотностью материи. Наше пространство, двигаясь по оси времени t, пронизывается этими одномерными нитями в четырехмерном пространстве. Проекцией четырехмерного шара на трехмерное пространство будет трехмерный шар. Каждое вхождение этой нити в трехмерное пространство является материальной точкой трехмерного пространства с координатой x,y,z. По мере продвижения трехмерного пространства вдоль этих нитей, точки пересечения нитей с пространством перемещаются в трехмерном пространстве по координатам x,y,z. При этом скорость перемещения точки тем больше, чем меньше ее гол относительно трехмерного пространства. Нити вращаются вокруг своей оси с частотой, которая в физике называется спином. Этот спин передается материальной точке в месте пересечения нити и пространства. Нить может иметь правостороннее и левостороннее вращение (вектор спина). Однонаправленные нити притягиваются, разнонаправленные - отталкиваются. Нити взаимодействуют друг с другом в четырехмерном пространстве, и отражение этого взаимодействия мы и наблюдаем как развитие нашей вселенной, как круги на воде от брошенного камня. Или, другими словами, один миг нашего пространства, это срез четырехмерного шара трехмерным пространством. Следует так же предположить, что трехмерное пространство (эфир, физический вакуум) обладает свойством пругости, и способен распространять внутри себя волны, исходящие от нитей. Эти волны, в свою очередь влияют на другие нити, заставляя их колебаться, как леска от дочки колеблется на волнах пруда. Чем меньше гол нити к пространству, тем более сильное возмущение пространства она вызывает, как бы прогибая его.
Эту картину можно наглядно показать, если трехмерное пространство представить двухмерной плоскостью, параллельной плоскости x,y и перпендикулярной оси z, которую будем считать осью времени.
Если мы будем двигать плоскость S вдоль оси Z, то точки пересечения Pa и Pb прямых A и B с плоскостью S будут перемещаться, при чем точка Pa будет перемещаться быстрее, чем точка Pb, так как гол прямой A к плоскости S меньше, чем гол прямой B. Для полноты картины остается только представить, что линии A и B являются фрагментами замкнутых кривых и закручены в спирали. Плоскость S лучше всего представить себе сделанной из эластичного, как тонкая резина, материала.
На этом простом представлении и строится вся его картина мира. Частот вращения нитей вокруг своей оси будет спином элементарных частиц. Закрученная в спираль нить, проходя через пространство, порождает вращение материальной точки (не путать со спином), колебательные и волновые движения различной частоты в зависимости от степени закрутки нити. Комбинации нитей различной полярности (вектор спина), различной частоты и вектора закрутки спирали и различного гла наклона к трехмерному пространству порождают все многообразие элементарных частиц.
Каждая нить пересекает пространство, по крайней мере, дважды, так как она замкнута, при чем вектор спина получается противоположным в точках пересечения. Из этого можно сделать вывод, что у каждой элементарной частицы должна быть её античастица.
Интересно с точки зрения данной гипотезы посмотреть на эволюцию вселенной:
A, B, C, D, E - моменты времени продвижения трехмерного пространства (изображено горизонтальной линией) вдоль четырехмерного шара нитей.
A - трехмерное пространство еще не пересеклось с шаром, вселенная еще не существует;
B - трехмерное пространство пересеклось с шаром, большой взрыв, вселенная начинает развиваться из точки;
C - трехмерное пространство расширяется, при чем, чем дальше, тем медленнее. Чем ближе к точке зарождения, тем процессы идут быстрее в виду малых глов нитей к пространству ;
D - трехмерное пространство сжимается;
E - коллапс, вселенная сжимается в точку.
Можно предположить, что после коллапса начнется следующий этап развития, то есть верхний полюс четырехмерного шара смыкается с нижним полюсом другого четырехмерного шара, и, следовательно, мы имеем дело с последовательностью четырехмерных шаров, как бусинки в бусах. Эта модель соответствует древнеиндийским представлениям о цикличности существования вселенных. (Символ бесконечности - восьмерка). Возможно, что таких последовательностей шаров существует множество.
Электромагнитные взаимодействия, скорее всего, происходят между нитями в четырехмерном пространстве и определяются их формой и полярностью.
Сам четырехмерный клубок не является чем-то застывшим, но может изменять свою структуру, но только под воздействием из четырехмерного пространства, которое можно назвать пространством мысли или информационным полем. Человеческая мысль может в каких-то пределах выходить в это четвертое измерение и менять пространственную четырехмерную форму, тем самым, влияя на будущее, так как процесс мышления происходит именно в четырехмерном пространстве. Так же, выходя в четвертое измерение, возможно просматривание этих нитей и соответственно предсказание будущего, хотя только приблизительно, так как структуры нитей могут изменяться, чем дальше от точки настоящего времени, тем сильнее. При чем, как это ни парадоксально, прошлое так же может быть изменено, как часть структуры того же четырехмерного клубка, находящаяся ниже точки настоящего времени. Следовательно, если представить себе, что за нашим пространством движется другое трехмерное пространство, то оно будет проживать же несколько другую жизнь, чем наша. Чем дальше в прошлое мы будем заглядывать, тем менее оно будет соответствовать тому прошлому, которое проживал наш мир. То есть, существует два способа движения по этим нитям. Первый - движение трехмерного пространства вдоль них, что мы воспринимаем как развитие вселенной. Второй - путешествие сознания вдоль этих нитей (вперед и назад), что мы воспринимаем как пророчества и видение прошлого. При чем, чем дальше по оси времени от нашего пространства, тем больше будет разница. Можно представить себе, что таких миров движется вдоль четырехмерного шара множество. И тогда мы приходим к идее параллельных миров (эта идея активно развивается Ричардом Бахом).
Тонкий, или астральный мир - это мир, состоящий из материальных точек, возникших от пересечения малоэнергетичных нитей с трехмерным пространством. Эти точки, в силу своей малой энергетичности, почти не взаимодействуют с более плотными материальными точками и, следовательно, тонкий мир существует внутри физического, и не видим физическим зрением. Существует тонкий мир в том же трехмерном пространстве, что и физический. При этом, возможно существование разных вложенных миров, с различной степенью плотности, являющихся прозрачными друг для друга.
В заключение можно отметить, что предложенная модель мира вызывает в памяти древний символ креста, в котором горизонтальная перекладина символизирует пространство или непроявленную материю, вертикальная - силу, вызывающую к проявлению
Литература:
1.
№ 6 2002 год Тёмная сторона Вселенной
№ 1 2 год Вселенная расширяется всё быстрее
2.
3. домен сайта скрыт/univers_/un01.htm
Астрономия XXI века.
4. домен сайта скрыт/book/id=1214
Строение и эволюция Вселенной
5.
[1]< домен сайта скрыт/univers_/un01.htm
[2]< Знание- сила №6 2002
[3]< Знание - сила №1 2