4. Всесвіт; модель її походження , еволюція

Утворення Всесвіту

Кінцевий або нескінченний Всесвіт, яка у неї геометрія – ці і багато інші питання пов'язані з еволюцією Вселеної, зокрема із спостережуваним розширенням. Якщо швидкість "розльоту" галактик збільшиться на 75 км/с на кожний 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 учених вважають, що у той час густина Всесвіту була така ж, як у атомного ядра: Всесвіт був однією гігантською "ядерною краплею". З якихось причин ця "крапля" прийшла в нестійкий стан і вибухнула. Наслідки цього вибуху ми спостерігаємо зараз як системи галактик.

При даній оцінці часу утворення Всесвіту передбачалося, що спостережувана нами зараз картина розльоту галактик відбувалася з однаковою швидкістю і в скільки завгодно далекому минулому. А саме на такому припущенні і заснована гіпотеза первинного Всесвіту – гігантської "ядерної краплі", що прийшла в стан нестійкості.

В даний час космологи припускають, що Всесвіт не розширявся "від крапки до крапки", а як би пульсує між кінцевими межами густини. Це означає, що у минулому швидкість розльоту галактик була менше ніж зараз, а ще раніше система галактик стискалася, тобто Галактики наближалися один до одного з тим більшою швидкістю, ніж більша відстань їх розділяла. Сучасна космологія розташовує ряд аргументів на користь картини "пульсуючого Всесвіту". Такі аргументи носять чисто математичний характер; найголовніший з них – необхідність обліку реально існуючої неоднорідності Вселеної. Вирішити питання, яка з двох гіпотез справедлива, ми зараз не можемо. Буде потрібно величезна робота, щоб вирішити цю одну з найважливіших проблем космології.

Сучасна космологія виникла на початку ХХ в. після створення релятивістської теорії тяжіння. Перша релятивістська модель, заснована на новій теорії тяжіння і претендуюча на опис всього Всесвіту, була побудована А. Эйнштейном в 1917 р. Проте вона описувала статичний Всесвіт і, як показали астрофізичні нагляди, виявилося невірною.

В 1922-1924 рр. радянським математиком А.А. Фридманом були запропоновані загальні рівняння для опису всього Всесвіту, змінного з часом. Зоряні системи не можуть знаходитися в середньому на незмінних відстанях один від одного. Вони повинні або віддалятися, або зближуватися. Такий результат – неминуче слідство наявності сил тяжіння, які очолюють в космічних масштабах. Висновок Фрідмана означав, що Всесвіт повинен або розширюватися, або стискатися. Звідси слідував перегляд загальних уявлень про Всесвіт. В 1929 р. американський астроном Э. Хаббл (1889-1953) за допомогою астрофізичних наглядів відкрив розширення Всесвіту, підтверджуюче правильність висновків Фрідмана.

Моделі Фрідмана служать основою всього подальшого розвитку космології. Вони описують механічну картину руху величезних мас Всесвіту і її глобальну структуру. Якщо колишні космологічні побудови покликані описувати спостережувану тепер структуру Всесвіту з незмінним в середньому рухом світів в ній, то моделі Фрідмана за своєю суттю були еволюційними, зв'язували сьогоднішній стан Всесвіту з її попередньою історією. З цієї теорії виходить, що у далекому минулому Вселена не була зовсім схожа на спостережувану нами сьогодні. Тоді не було ні окремих небесних тіл, ні їх систем, вся речовина була майже однорідною, дуже щільною, швидко розширялося. Тільки значно пізніше з такої речовини виникли галактики і їх скупчення.

Починаючи з кінцем 40-х років нашого століття, вся більша увага в космології привертає фізика процесів на різних етапах космологічного розширення. У висунутій в цей час Г.А. Гамовим теорії гарячого Всесвіту розглядалися ядерні реакції, що протікали на самому початку розширення Всесвіту в дуже щільній речовині. При цьому передбачалося, що температура речовини була велика і падала з розширенням Всесвіту. Теорія передбачала, що речовина, з якої формувалися перші зірки і галактики, повинна складатися в основному з водню (75%) і гелію (25%), домішка інших хімічних елементів незначна. Інший висновок теорії – в сьогоднішньому Всесвіті повинне існувати слабке електромагнітне випромінювання, що залишилося від епохи великої густини і температури речовини. Таке випромінювання в ході розширення Всесвіту було названо реліктовим випромінюванням.

Тоді ж з'явилися принципово нові наглядові можливості в космології: виникла радіоастрономія, розширилися можливості оптичної астрономії. Зараз Всесвіт аж до відстаней в декілька парсек досліджується різними методами.

На сучасному етапі в розвитку космології інтенсивно досліджується проблема початку космологічного розширення, коли густина матерії і енергії частинок була величезною. Керівними ідеями є нові відкриття у фізиці взаємодії елементарних частинок при дуже великих енергіях. При цьому розглядається глобальна еволюція Всесвіту. Сьогодні еволюція Всесвіту всесторонньо обгрунтовується численними астрофізичними наглядами, які спираються на теоретичний базис всієї фізики.

Класична космологічна модель. Успіхи космології і космогонії 18-19 ст. завершилися створенням класичної полицентрической картини світу, що стала початковим етапом розвитку наукової космології. Всесвіт у цій виставі про мир вважається безкінечною у просторі й часі, тобто. вічної. Основний Закон, управляючий рухом та розвитком небесних тіл, - закон всесвітнього тяжіння. Простір неможливо пов'язані з які у ньому тілами, граючи пасивну роль вмістилища тих тіл. Час теж залежить від матерії, будучи універсальної тривалістю всіх природних явищ і тіл. Кількість зірок, зоряних систем і планет у Всесвіті нескінченно велике. Кожне небесне тіло проходить тривалий життєвий шлях. На зміну загиблим, точніше погаслим, зіркам приходять нові, молоді світила. У такому вигляді класична космологічна модель Всесвіту панувала у науці до кінця XIX в.

Наприкінці 19 століття з'явилась серйозні сумніви щодо класичної моделі, котрі прийняли форму космологічних парадоксів -фотометрического, гравітаційного і термодинамічної.

О 18-й столітті швейцарський астроном Р.Шезо висловив сумніви щодо просторової нескінченності Всесвіту. Якщо припустити, що у нескінченому Всесвіті існує нескінченна безліч зірок і вони розподілені у просторі рівномірно, тоді з кожного напрямку погляд земного спостерігача неодмінно наражався на якусь зірку. Тоді небосхил, всуціль усіяний зірками, мав би нескінченну світність, тобто. таку поверхневу яскравість, що й Сонце з його тлі начебто чорним плямою. Однак це немає, тому дане парадоксальне твердження отримала астрономії назвафотометрического парадоксуШезо-Ольберса.

Наприкінці19в. німецький астроном До.Зеелигер звернув увагу до інший парадокс, також що з поглядів на нескінченності Всесвіту. У нескінченому Всесвіті з рівномірно розподіленими у ній тілами сила тяжіння із боку всіх тіл Всесвіту На цей тіло виявляється нескінченно великий чи невизначеною (результат залежить від способу обчислення). Оскільки це немає,Зеелигер дійшов висновку, що у небесних тіл у Всесвіті обмежена, отже, і сама Всесвітнебесконечна. Це твердження одержало назву гравітаційного парадоксу.

>Термодинамический парадокс було сформульовано й у19в. Він випливає з другого початку термодинаміки- принципу зростання ентропії. Світ сповнений енергії, яка підпорядковується закону збереження енергії. Здається, що із закону неминуче випливає вічний круговорот матерії у Всесвіті. Якщо природі матерія жевріє і виникає з нічого, а лише переходить з однієї форми існування до іншої, то Всесвіт вічна, а матерія досі у постійномукруговорте. Отже, згаслі зірки знову перетворюються на джерело світла, і тепла.

Тому зненацька пролунав вихід із другого початку термодинаміки, відкритого у середині19в.Кельвином іР.Ю.Э.Клаузисом. За всіх перетвореннях різні види енергії зрештою переходить до тепло, яка прагне до стану термодинамічної рівноваги, тобто. розсіюється у просторі. Оскільки такий процес розсіювання тепла необоротний, то рано чи пізно всі зірки погаснуть, все активні процеси у природі припиняться, настане «теплова смерть Всесвіту».

Отже, три космологічних парадоксу змусили учених поставити під сумнів класичної космологічної моделі Всесвіту, спонукали їх до пошукам нових несуперечливих моделей.

4. Релятивістська модель Всесвіту. Нова модель Всесвіту була створена 1917 року А. Ейнштейном. Її основу становила релятивістська теорія тяжіння. Ейнштейн відмовився від постулатів абсолютність та безмежжя простору й часу, проте зберіг принцип стаціонарності, незмінності Всесвіту в часі та її кінцівки у просторі. Властивості Всесвіту, на думку Ейнштейна, визначаються розподілом у ній гравітаційних мас, Всесвіт безмежна, та заодно замкнута у просторі. Відповідно до цієї моделі простір однорідний іизотропно, тобто. за всіма напрямами має однакові властивості; матерія розподілено у ньому рівномірно; час нескінченно, яке протягом впливає на властивості Всесвіту. З своїх розрахунків Ейнштейн дійшов висновку, мирова простір єчетирехмерную сферу.

Обсяг такий Всесвіту може бути виражений, хоча й великим, але кінцевим числом кубометрів. Але кінцева за обсягом Всесвіт до того ж час безмежна, як поверхню будь-якої царини. Всесвіт Ейнштейна містить обмежену кількість зірок і зоряних систем, і тому до неї неприйнятні фотометричний і гравітаційний парадокси. У той самий час привид теплової смерті тяжіє та контроль Всесвіту Ейнштейна. Вічність їй не властива.

Отже, попри новизну і навіть революційність ідей, Ейнштейн своєї космологічної теорії орієнтувався звичну класичну світоглядну установку на статичність світу.

5. Модель розширення Всесвіту. У 1922 р., радянський геофізик і математик А.А. Фрідман виходячи з суворих розрахунків встановив, що Всесвіт ще може бути стаціонарної. Фрідман зробив відкриття, спираючись на сформульований їм космологічний принцип, мурований двома припущеннях: про ізотропність і однорідності Всесвіту.Изотропность Всесвіту тлумачать як відсутність виділених напрямів, однаковість Всесвіту на усіх напрямах.Однородность Всесвіту сприймається як однаковість всіх точок Всесвіту.

Фрідман довів, що рівняння Ейнштейна мають рішення, за якими Всесвіт може розширюватися або стискатися. І йдеться про розширенні самого простору, тобто. про збільшення всіх відстаней світу. Всесвіт Фрідмана нагадувалараздувающийся мильні бульбашки, яка має і радіус, і його площа поверхні безупинно збільшуються.

Спочатку модель розширення Всесвіту носила гіпотетичний характері і вони мали емпіричного підтвердження. Однак у 1929 р. американський астрономЭ.П.Хаббл виявив ефект «червоного усунення» спектральних ліній. Це витлумачили як наслідок ефекту Доплера – зміна частоти коливань чи довжини хвиль через руху джерела хвиль і спостерігача стосовно друг до друга. Червоне усунення пояснили як наслідок видалення галактик друг від друга зі швидкістю, зростаючій з відстанню (приблизно 55 км/с за кожен мільйон парсек).

Через війну своїх спостереженьХаббл обгрунтував уявлення, за яким Всесвіт – це безліч галактик, розділених між собою величезними відстанями.

Фрідман запропонував три моделі Всесвіту.

1. Всесвіт розширюється повільно у тому, щоб у силу гравітаційного тяжіння між різними галактиками розширення Всесвіту сповільнювалося і наприкінці кінців припинялося. Після цього Всесвіт починала стискатися. У цьому моделі простір викривляється, створюючи сферу.

2. Всесвіт розширюється нескінченно, простір викривлене і.

3. простір пласке і нескінченне.

За яким з цих варіантів йде еволюція Всесвіту, залежить від відносини гравітаційної енергії до кінетичної енергії розльоту речовини.

Якщо кінетична енергія розльоту речовини переважає над гравітаційної енергією, котра перешкоджає розлітання, то сила тяжіння не зупинять розбігання галактик, і розширення Всесвіту матиме незворотного характеру. Цього варіанта динамічною моделі Всесвіту називають «відкритої Всесвіту».

Якщо ж переважає гравітаційна взаємодія, то темп розширення згодом сповільниться до зупинки, після чого розпочнеться стиснення речовини до повернення Всесвіту у початковий стан сингулярності. Такий варіант моделі названоосциллирующей, чи «закритою Всесвіту».

Що стосується, коли сили гравітації рівні енергії розльоту речовини, розширення не припиниться, та його швидкість з часом котитися до нуля.