Основные этапы эволюции вселенной кратко

Обновлено: 02.07.2024

Вселенная — это совокупность галактик, звезд, планет, астероидов, комет, космической пыли, газов и всего, что находится за пределами Земли.

На самом деле люди не знают, что представляет собой Вселенная. Согласно одним теориям, она похожа на шар диаметром 93 млрд световых лет. Согласно другим — на диск того же размера.

Как возникла, теории происхождения

Существует несколько версий о происхождении Вселенной. Основной из них принято считать теорию о Большом взрыве, случившемся 13,7 млрд лет назад. Ученые полагают, что в результате этого взрыва возникли пространство, время и материя.

Остальные версии гласят, что:

современное состояние Вселенной — результат ее постепенного расширения, при этом причины и момент начала расширения не уточняются;
Вселенная существовала всегда — факт взрыва опровергается;
возникновение Вселенной происходит циклически каждый триллион лет.

Строение, основные этапы эволюции

Если вернуться к модели Большого Взрыва, выступающей продуктом физической космологии, то эволюция происходила в несколько этапов:

Планковская эпоха — самый ранний период, основными характеристиками которого считаются исключительно малые размеры пространства, стремящиеся к бесконечности плотность и температура, преобладание гравитации над физическими взаимодействиями.
Эпоха Великого объединения — период отделения гравитации от остальных взаимодействий, возникновение частиц и античастиц, начало их взаимодействия.
Эпоха космической инфляции — быстрое экспоненциальное расширение, скорость которого в несколько раз превысила скорость света.
Электрослабая эпоха — преимущество частиц над античастицами, возможность описать состояние пространства законами физики высоких энергий.
Первичный нуклеосинтез — снижение температуры, преобразование ядер атомов химических элементов.
Первичная рекомбинация — превращение плазмы в прозрачный нейтральный газ.
Темные века — остывание материи, отсутствие света, преимущество водорода и гелия.

Постепенно в нейтральном газе начали формироваться газовые туманности, а затем галактики и звезды. Этот процесс назвали реионизацией.

Начальный этап формирования еще называют сингулярностью. Это состояние, при котором плотность и температура характеризуются бесконечностью.

Основоположником теории Большого взрыва считается Стивен Хокинг — английский астрофизик и космолог.

Современное состояние космического пространства, его строение и структуру ученые представляют так:

Имеется ли что-то за пределами Вселенной и как оно может выглядеть, астрономы пока не знают. Но зато им удалось определить примерный возраст Вселенной.

Доказательства, что Вселенная имеет возраст

Первым доказательством стали результаты изучения особенностей излучения белых карликов.

Белые карлики — это звезды из электронно-ядерной плазмы без источников термоядерной энергии, излучающие свет благодаря своей тепловой энергии. Остывают постепенно, в течение миллиардов лет.

Более старые белые карлики светятся слабо. Более молодые — значительно ярче. Сравнив между собой показатели обеих категорий, ученым удалось выяснить примерный возраст старейших: 12,7 млрд лет.

Второе доказательство — совокупность данных о расширении пространства. Ее составляют:

сведения об изменении расстояния между космическими объектами;
показатели динамики яркости звезд;
состав межпланетного пространства.

Собрав эти данные воедино, ученые получили цифру в 13,8 млрд лет.

Точный возраст не известен. Астрономы разных стран и разных школ по-прежнему спорят о нем, выдвигая различные гипотезы, строя все новые и новые теории.

Есть ли у Вселенной границы, сколько в ней звезд

Сегодня границами считается область, удаленная от нас на 15 миллиардов световых лет — настолько далеко видят самые мощные из существующих телескопов. Но это не значит, что именно там пролегает настоящая граница или то, что она вообще есть.

В той части, что доступна для наблюдения сегодня, астрономы зафиксировали септиллион звезд разного возраста и размера. В пределах нашей галактики Млечный путь их насчитывается примерно 100 миллиардов.

Современная наука рассматривает историю нашего мира с точки зрения известной теории относительности в общем виде авторства Альберта Эйнштейна. Именно на понятиях, созданных великим ученым, основано представление о модели и эволюции Вселенной, которым активно пользуются современные исследователи для того, чтобы лучше понять самих себя и то, что нас окружает. Давайте также в этом разберемся подробнее.

Начало начал

Физические характеристики только что начавшего свое существование мира были малопригодны для возникновения жизни.

Основные виды взаимодействия – гравитационное, электромагнитное, слабое и сильное – являлись частью одной силы из-за высокой температуры, вследствие чего ни одна из уже тогда потенциально существовавших, но не материализовавшихся частиц не имела массы как таковой. Все на тот момент симметричное пространство было заполнено абсолютно идеальным газом, созданным из все еще тогда виртуальных частиц.

Впоследствии симметрия нарушается, а гравитация отделяется от других сил взаимодействия. Примерно тогда первые частицы – бозоны – обретают массу, но затем почти сразу распадаются на кварки, нейтрино, электроны, мюоны и т.п.. Появляется ядерное взаимодействие. Вселенная по размеру достигает отметки 10 сантиметров.

Развитие

Электроны и позитроны, как частицы и античастицы, а также бозоны и некоторые другие частицы, как, например, нейтралино, при столкновении друг с другом вызывают процесс аннигиляции, во время которого образуются фотоны. Их количество уже тогда значительно превышает число всех существующих на тот момент кварков. Примерно в то же время все частицы достигают между собой равновесия.

Эволюция Вселенной: краткий обзор

Вселенная продолжает остывать. Ее температура доходит почти до отметки 10*15К, а размеры становятся действительно внушительными — до миллиарда километров. Происходит еще одно нарушение симметрии, и, как следствие, все четыре вида взаимодействия становятся отдельными силами. Термодинамическое равновесие бозонов нарушилось, а те частицы, что раньше не имели своей массы, обрели ее.

Вселенная продолжает расширяться, а ее температура и уровень энергии – падать. Появляются стабильные барионы (нейтроны, протоны), что формируются из кварков и образуют барионную материю, то есть ту, из которой состоим мы и почти все, что нас окружает. Продолжается образование фотонов за счет аннигиляции. На данный момент эти частицы достаточно сильно остыли (до 2.7К) и являются частью микроволнового фона в космосе – реликтового излучения, что было обнаружено учеными относительно недавно – в 1964 году. На этом примерно и заканчивается первая секунда существования Вселенной.

Что такое реликтовое излучение?

Диапазон его частот – от 500 МГц до 500 Ггц. Длина наибольшей волны – 60 сантиметров, а наименьшей – 0,6 миллиметров. Имея такие параметры, реликтовое излучение – оно же микроволновый внегалактический фон – несет в себе огромное количество информации о том, как проходила эволюция Вселенной до того, как начали образовываться галактики и квазары, а также многие другие объекты.

После первой секунды

Плотность частиц значительно снижается, и, как следствие, частота взаимодействий с нейтрино снижается, а термодинамическое равновесие последней с другими становится невозможным. По причинам, выходящим из данного факта, нейтринное реликтовое излучение так и не было обнаружено.

Позитроны и электроны перестают постоянно образовываться. Вселенная становится полностью электрически нейтральной.

Спустя сто секунд после Взрыва начинают появляться первые химические элементы с легкими ядрами (водород, литий, гелий, дейтерий) благодаря слиянию нейтронов и протонов. Лишние частицы распадаются. Так проходит первичный нуклеосинтез.

300 000 лет спустя

Температура падает до 10 000 К. Размеры Вселенной превышают отметку в десятки миллионов световых лет в диаметре. У ядер появляются электронные оболочки, благодаря чему возникают первые легкие атомы, подобные гелию и водороду. Примерно в это же время начинает свою историю такое явление, как реликтовое излучение. Пространство наконец-то стало видимым, не прозрачным, как это было вначале. Гравитация начинает стягивать материю. Все это и многое другое способствует появлению первых звезд, а затем и галактик.

Что дальше?

Есть несколько основных сценариев, по которым будет происходить дальнейшая эволюция Вселенной. Естественно, процесс расширения будет происходить и дальше, поэтому если он будет достаточно равномерен, то энергия рано или поздно будет исчерпана, что, согласно предсказаниям ученых, приведет к тепловой смерти.+

Другой вариант – Большой Разрыв, то есть распад всего, что уже было создано в результате Большого Взрыва. Это произойдет при ускорении расширения Вселенной.
Также есть сценарий, предполагающий так называемое Большое Сжатие, которое произойдет, если расширение замедлится, а затем и вовсе сойдет на нет.

Как именно все произойдет, не знает никто. Есть лишь некоторые догадки, гипотезы и теории, а известным остается только одно: время определенно покажет, как дальше будет развиваться наша Вселенная.

Вселенная представляется человеку бесконечной, неизменной и вечной. Однако по современным представлениям это не так. Познакомимся с самыми важными фактами о строении Вселенной, кратко проследим ее эволюцию.

Строение Вселенной

Гипотезы о строении и эволюции Вселенной выдвигались еще в античности. Уже когда появилось учение Коперника многим интересующимся данной темой было ясно, что Земля — это лишь песчинка в огромном океане космоса. С развитием астрономии выяснили, что расстояние до максимально удаленных объектов Вселенной составляет приблизительно 45,7 млрд световых лет ($4.3×10^$м). И в таких масштабах Вселенная имеет однородную нитевидную структуру. Вещество во Вселенной распределено в нитевидных сверхскоплениях галактик, области между которыми составляют размеры порядка нескольких миллионов световых лет и не имеют светящегося вещества.

Сверхскопление — это группа скоплений галактик, содержащая от двух до двадцати скоплений. Каждое скопление — это гравитационно-связанная система нескольких галактик, имеющая диаметр порядка десятков миллионов световых лет и массу порядка $10^-10^$ солнечных масс.

Эволюция Вселенной

Изучение Вселенной показывает, что ее размер со временем увеличивается — Вселенная расширяется. Процесс расширения Вселенной начался 14 млрд лет назад из плотного компактного состояния в результате события, называемого Большим взрывом.

Планковская эпоха

Схема эволюции Вселенной такова. В самые ранние моменты жизни (от нуля до $ ^ $с, планковская эпоха) вещество имело плотность порядка $ ^ $ кг на м³ и температуру порядка $ ^ $К. Квантовые эффекты преобладали над остальными, а все фундаментальные взаимодействия существовали в виде одного общего взаимодействия.

Ранние этапы эволюции Вселенной

Эта эпоха началась с отделения гравитации от общего электроядерного взаимодействия. Плотность вещества в эту эпоху упала до уровня $10^$ кг на м³, а температура — до $10^$К. Отделение гравитации привело к нарушению симметрии в молодой Вселенной и заложило основу для неоднородности в ней. Сама Вселенная в этот момент представляла кварк-глюонную плазму.

Ко времени $10^$с температура во Вселенной упала настолько, что свободные кварки и глюоны начали объединяться в адроны, в том числе в протоны и нейтроны — основу вещества будущей Вселенной. Сильное взаимодействие отделилось от электрослабого. Адроны обрели стабильность, причем одновременно существовали как частицы, так и античастицы.

Лишь ко времени $10^$с плазма охлаждается настолько, что частицы и античастицы начинают аннигилировать с образованием большого числа фотонов. Небольшое нарушение симметрии обусловило избыток вещества над антивеществом.

Далее по мере уменьшения плотности и температуры возникает возможность нуклеосинтеза: протоны объединяются в ядра, электроны занимают места в электронных оболочках. Этот процесс начинается примерно через 300 тыс. лет после Большого взрыва.

Рис. 2. Эволюция Вселенной.

Современная эпоха

Нуклеосинтез завершается образованием во Вселенной 75 % водорода, 25 % гелия и следов других элементов. Ко времени 800 млн лет после Большого взрыва начинается эра вещества. Газ, заполняющий Вселенную, начинает образовывать неоднородности и сгустки. Средняя температура в это время во Вселенной опустилась до тысяч кельвинов, что недостаточно для ядерных реакций.

Что мы узнали?

Вселенная образовалась 14 млрд лет назад в результате Большого взрыва. По мере расширения плотность и температура падали, что привело к образованию вещества, облаков газа, а впоследствии и звезд. В самом крупном масштабе Вселенная имеет волокнистую структуру сверхскоплений и областей без излучающего вещества.

В принципе, мы могли бы заглянуть еще чуть дальше — вплоть до возраста 379 тысяч лет после Большого Взрыва. Почему именно такая цифра? Скоро узнаем.

Современные теории позволяют описать всё, что происходило, начиная от одной сотой секунды от Большого взрыва и до сего дня. Все нужные для этого законы являются надежно установленными, поэтому получаемую с их помощью информацию можно считать вполне достоверной. Принципиальные трудности возникают лишь при попытке продвинуться еще ближе к началу мира, то есть внутрь первой сотой доли секунды. Здесь мы выходим за рамки Стандартной модели и попадаем в область гипотетических теорий. И тем не менее научные гипотезы простираются вплоть до 10 -35 с! Ещё ближе к началу мира, возможно, позволит в будущем приблизиться теория суперструн.

Большой взрыв. По каким бы причинам ни возникла Вселенная, она начинает свою жизнь с планковского размера по всем измерениям (порядка 10 -35 м) и планковской температуры (порядка 10 32 К).

В этот начальный момент все 9 или 10 пространственных измерений свернуты в комок. Но уже через планковский квант времени (5x10 -44 с) три пространственных измерения начинают расширяться, а оставшиеся сворачиваются определенным образом (свойства свернутых измерений определяют все фундаментальные константы нашего мира, а значит, и то, какие именно частицы потом в нем родятся).

Разворачивание трех пространственных измерений подстегивается само собой и становится скачкообразным. Этот этап расширения Вселенной, называют инфляционным, оно происходит во много раз быстрее обычного хаббловского расширения. Примерно за 10 -32 секунды Вселенная раздулась в неимоверное число (10 50 ) раз.

Поначалу в горячей Вселенной бурно рождаются как частицы, так и античастицы. На каждый миллиард обычных частиц рождается почти столько же античастиц — но всё же на одну меньше. Затем частицы и античастицы аннигилируют, и вся их энергия превращается в излучение. Во Вселенной остается лишь жалкий клочок обычной материи. Из него-то и будут построены в дальнейшем все звезды и галактики.

К концу первой секунды расширения Вселенная остыла настолько, что кварки начинают группироваться в адроны, включая протоны и нейтроны. И с этого же момента начинается первичный ядерный синтез, который продолжается три минуты. Четверть всех ядер, сформировавшихся за это время — это гелий, чуточку дейтерия, а остальные три четверти — протоны. Таким и будет состав первых звезд.

Через 3 минуты Вселенная расширилась настолько, что столкновения ядер, в результате которых могли бы образовываться новые ядра, становятся огромной редкостью, и синтез ядер прекращается.

К исходу первых трёх минут Вселенная представляет собой раскаленное до миллиарда градусов море частиц — ядер и лептонов. Высокая температура не позволяет им объединиться в атомы. Это состояние раскаленной плазмы.

Через 379 тысяч лет Вселенная охладилась достаточно (до 3000 градусов), чтобы из ядер и электронов могли образоваться нейтральные атомы. Среда становится прозрачной для света и остается таковой до сих пор. Говорят, что в этот момент излучение отделилось от вещества: с тех пор излучение расширяется и остывает само по себе, а вещество эволюционирует само по себе. Реликтовое тепловое излучение с характерной длиной волны около 4 см — это и есть то самое отделившееся излучение.

После отделения излучения от вещества началась тёмная эпоха — звезд еще не было, и светить было некому. На протяжении сотен миллионов лет вещество стягивалось к местам случайных первоначальных сгустков темной материи.

Через 600 миллионов лет после Большого взрыва стали формироваться галактики. Плотные и холодные облака газа сжимались, разогреваясь изнутри — и вот зажглись первые звезды. В их недрах начался синтез более тяжелых элементов, вплоть до железа. Через пару миллиардов лет Вселенная стала отдаленно напоминать то, что мы видим сегодня.

Массивные звезды первого поколения кончали свои жизни грандиозными взрывами, во время которых возникли элементы тяжелее железа. Потом из этого вещества сформировались звездные системы второго поколения, в том число и наша.

Процесс звёздообразования продолжается и сейчас, хотя темп его постепенно замедляется, поскольку запасы межзвездного вещества расходуются быстрее, чем пополняются.

Но история космологии уже неоднократно демонстрировала нам, что картины, нарисованные совсем недавно, неожиданно оказываются устаревшими.

Реальность бесконечно разнообразнее и интереснее наших сегодняшних представлений о ней. Работы для физиков и космологов — непочатый край!

Читайте также: