Модель холодной вселенной кратко
Обновлено: 02.07.2024
ГОРЯ́ЧЕЙ ВСЕЛЕ́ННОЙ ТЕО́РИЯ, теория физич. процессов в расширяющейся Вселенной, согласно которой в прошлом Вселенная имела значительно бо́льшую, чем сейчас, плотность вещества и очень высокую темп-ру. Первоначально Г. В. т. была предложена Г. Гамовым (1948) для объяснения распространённости в природе различных химических элементов и их изотопов.
В 1950-х гг. T. Хаяси (Япония), Э. Ферми и А. Туркевич (США) показали, что попытки объяснить существующую распространённость всех элементов их синтезом в самом начале расширения Вселенной были несостоятельными. Если строго следовать Г. В. т., то в результате ядерных реакций в начале расширения образуются только водород и гелий, примесь др. лёгких элементов незначительна, а тяжёлые элементы практически совсем не образуются. Однако с открытием, что время расширения Вселенной превышает 10 млрд. лет, стало возможным объяснить распространённость тяжёлых элементов их нуклеосинтезом в звёздах.
В начале расширения Вселенной при большой темп-ре в термодинамич. равновесии с веществом должно было находиться электромагнитное излучение. В ходе расширения вещество и излучение остывают, и к настоящему времени во Вселенной должно существовать низкотемпературное излучение (его называют микроволновым фоновым излучением или реликтовым излучением), для которого вещество сегодняшней Вселенной практически прозрачно. Существование во Вселенной такого излучения, имеющего темп-ру всего неск. кельвинов, было предсказано Г. Гамовым (1956).
В 1964 рос. астрофизики А. Г. Дорошкевич и И. Д. Новиков впервые рассчитали широкий спектр плотности электромагнитного излучения от всех источников в эволюционирующей Вселенной (включая радиогалактики и звёзды) и показали, что в области сантиметровых и миллиметровых волн интенсивность реликтового излучения с темп-рой ок. 1 К и выше будет на много порядков превосходить излучение отд. источников и оно может быть обнаружено. Реликтовое излучение (РИ) было открыто А. Пензиасом и P. Вильсоном в 1964–65 на длине волны 7,3 см. Обнаружение РИ стало решающим тестом, подтвердившим справедливость гипотезы о высокой изначальной темп-ре Вселенной. Тщательные последующие наблюдения показали, что РИ действительно является равновесным, как предсказывает теория, и имеет темп-ру 2,73 К.
В начале расширения Вселенной при очень большой темп-ре происходят ядерные реакции, приводящие к образованию гелия. За первые 5 минут образовалось примерно 25% гелия (по массе), 75% вещества осталось в виде водорода. Примесь др. элементов пренебрежимо мала. Вещество с таким составом позже образует небесные тела, в частности звёзды первого поколения (см. Эволюция звёзд). После первых 5 минут все ядерные реакции во Вселенной прекращаются. Вещество продолжает расширяться и остывать.
Спустя примерно 300 тыс. лет вещество (плазма) остывает до темп-ры ок. 4000 К, электроны объединяются с протонами и плазма превращается в нейтральный газ (процесс рекомбинации). Этот газ прозрачен для реликтовых фотонов, давление РИ не влияет на состояние газа. Наблюдая РИ сегодня, мы видим эту эпоху. По очень малым вариациям интенсивности РИ в зависимости от направления можно судить о малых вариациях плотности материи в ту эпоху и исследовать процессы, происходившие в то время. С момента рекомбинации под действием гравитационных сил в веществе начинается рост отд. уплотнений (см. Гравитационная неустойчивость), из которых затем образуются небесные тела – формируется структура Вселенной (см. Космология, Крупномасштабная структура Вселенной).
Наблюдения показывают, что в совр. Вселенной помимо обычного вещества имеется гораздо большее количество т. н. тёмной энергии (ок. 73% всей массы) и тёмной материи (ок. 23%). Природа этих составляющих пока неизвестна.
Важные, пока ещё не совсем ясные процессы протекали вблизи сингулярного состояния материи в самом начале расширения (при плотностях, близких к т. н. планковской плотности, порядка 1094 г/см3). Здесь при очень больших энергиях частиц объединялись, по-видимому, все виды физич. взаимодействий, квантовые процессы были существенны в масштабах всей Вселенной.
Теория горячей Вселенной
Теория горячей Вселенной.
Исторически первой еще в 1930-е годы была рассмотрена модель холодной Вселенной. Предполагалось, что все вещество существовало в виде холодных нейтронов. Однако, как выяснилось позднее, в такой Вселенной в результате цепочки ядерных реакций (с образованием протона, дейтерия и т. д.) все вещество, в конце концов, превратилось бы в гелий. Это противоречит наблюдениям, поскольку подавляющая часть вещества Вселенной состоит из водорода. Другой вариант теории холодной Вселенной был предложен Я. Б. Зельдовичем в начале 60-х годов. Он предполагал, что первоначально холодное вещество Вселенной состояло из смеси протонов, электронов и нейтрино. При расширении Вселенной такая смесь должна была превратиться в чисто водородную плазму. Что касается гелия и других химических элементов, то, согласно этой гипотезе, они синтезировались много позднее, после того, как образовались звезды. В отношении всех элементов, кроме гелия, это справедливо. Но обилие гелия (30 % от всего вещества Вселенной по массе) невозможно объяснить ядерными реакциями в звездах.
Теория горячей Вселенной — физическая теория эволюции Вселенной, в основе которой лежит предположение о том, что до того, как в природе появились звезды, галактики и другие астрономические объекты, вещество представляло собой быстро расширяющуюся и первоначально очень горячую среду.
Один из выводов, который вытекал из теории Гамова, состоял в том, что в настоящее время во Вселенной, помимо излучения звезд (и других источников), должно существовать электромагнитное излучение, образовавшееся в ту далекую эпоху, когда никаких звезд еще не было, а Вселенная представляла собой однородную горячую плазму. Согласно модели горячей Вселенной, плазма и электромагнитное излучение на ранних стадиях расширения Вселенной обладали высокой плотностью и температурой. В ходе космологического расширения Вселенной эта температура падала. При достижении температуры около 4000 К произошла рекомбинация протонов и электронов, после чего равновесие образовавшегося вещества (водорода и гелия) с излучением нарушилось — кванты излучения уже не обладали необходимой для ионизации вещества энергией и проходили через него как через прозрачную среду. Температура обособившегося излучения продолжала снижаться и к нашей эпохе составила около 3К. Таким образом, это излучение, названное реликтовым, сохранилось до наших дней как реликт от эпохи рекомбинации и образования нейтральных атомов водорода и гелия. Оно осталось как эхо бурного рождения Вселенной.
В настоящее время теория горячей Вселенной считается общепризнанной,
История развития представлений о Большом взрыве
История термина
После того, как его лекции были опубликованы, термин стал широко употребляться.
Три года спустя астрофизики И.Д. Новиков и А.Г. Дорошкевич произвели сравнительный анализ двух противоположных моделей космологических начальных условий — горячей и холодной и указали путь опытной проверки и выбора одной из них. Было предложено с помощью изучения спектра излучений звезд и космических радиоисточников попытаться обнаружить остатки первичного излучения. Открытие остатков первичного излучения подтверждало бы правильность горячей модели, а если таковые не существуют, то это будет свидетельствовать в пользу холодной модели.
В конце 60-х годов группа американских ученых во главе с Робертом Дикке приступила к попыткам обнаружить реликтовое излучение. Но их опередили Л. Пепзиас и Р. Вильсон, получившие в 1978 г. Нобелевскую премию за открытие микроволнового фона (это официальное название реликтового излучения) на волне 7,35 см.
Примечательно, что будущие лауреаты Нобелевском премии не искали реликтовое излучение, а в основном занимались отладкой радиоантенны, для работы по программе спутниковой связи. С июля 1964 г. по апрель 1965 г они при различных положениях антенны регистрировали космическое излучение, природа которого первоначально была им не ясна. Этим излучением и оказалось реликтовое излучение.
С первой частью статьи вы можете ознакомиться здесь!
Научные методы в изучении Вселенной привели к формованию четких и основанных на фактах концепций ее возникновения, однако не все с ними согласились.
Две мировые войны не только принесли горе и смерть, но и способствовали резкому развитию технологий и научного знания, что, в свою очередь, позволило ученым глубже заглянуть в ящик Пандоры в поисках ответа на интересующие их вопросы. За этим последовал настоящий бум теорий, предположений и мнений о возникновении Вселенной, но придут ли они когда-нибудь к общему знаменателю?
Современные научные теории
На сегодняшний день за основу в изучении Вселенной большинством научного сообщества берется теория Большого взрыва (и нет, это мы не про сериал), но она далеко не совершенна.
Начало современным теориям о возникновении и формировании Вселенной положил один из крупнейших ученых XX в. — Альберт Эйнштейн. В рамках общеизвестной теории относительности он работал над так называемыми уравнениями. Объединенные в одну систему, они представляли собой описание фундаментального космического явления — гравитации. Однако в модели Вселенной, которую создал Эйнштейн, была допущена ошибка. Он ввел в уравнение космологическую постоянную, представленную в виде греческой буквы лямбда (Λ). Здесь в первоначальные представления великого ученого о Вселенной закралась ошибка: он предполагал стационарность Вселенной. В дальнейшем Эйнштейн изменил свою точку зрения, но лямбда так и осталась в уравнении как необязательная величина, напоминая о том, что даже крупнейшие умы человечества зависимы от развития технологий.
Черепаха и стоящие на ней слоны ушли в прошлое — наука шагала вперед семимильными шагами. Как утверждал русский ученый Вернадский в начале XX в., есть один элемент, который никогда не учитывают при исследовании вселенной, — ноосфера. Она, в представлении ученого, представляет собой разум человечества в его совокупности. Научная жизнь на протяжении истории своего существования стирала границы, сливаясь в один организм: теории, взгляды и мнения ученых со всего мира публиковались на страницах международных журналов. В одном из них в 1922 г. была опубликована работа советского математика Александра Фридмана, в которой он заложил основы для теорий о нестационарных моделях Вселенной. Ученый отверг идею конечности космического пространства и столкнулся с критикой со стороны Эйнштейна, однако ценность научного знания возобладала, и концепция Фридмана была взята за истинную на данном этапе. Впоследствии она была подтверждена обнаружением красного смещения (понижение частот излучения, вызванное удалением его источников) Эдвином Хабблом.
Сотню лет спустя работы обоих ученых легли в основу современной космологической модели ΛCDM, где лямбда является переменной для открытой не так давно темной материи.
Теории стационарной Вселенной
Как уже было сказано выше, в 1965 г. теория обрела вторую составляющую доказательства своей приемлемости (первой было красное смещение) после того, как было подтверждено существование реликтового излучения.
Казалось бы, что теперь теория Большого взрыва должна была стать доминирующей среди научного сообщества, однако всё обернулось иначе.
Теория холодной Вселенной
Попытки заполнить остальные лакуны и разобрать по частям каждый элемент реальности привели к появлению теории струн. Ее основная идея заключается в том, что мельчайшая фундаментальная частица, кварк, состоит из энергетических структур, вибрирующих, словно струна. Несмотря на то что теория струн основана на теории Большого взрыва, она породила немало новых взглядов на реальность. Ведь не был дан ответ на самый важный вопрос: как так получилось, что в нашей Вселенной зародилась жизнь?
Например, некоторые ученые считают, что наш мир не единственный, а один из множества частей мультивселенной. Данная теория предполагает, что мы видим лишь одну часть реальности, тогда как остальные элементы многомерного пространства скрыты от зорких глаз ученых. Также, согласно гипотезе мультивселенной, каждая вселенная обладает своим набором констант, физических величин и характеристик, сочетание которых вполне могло привести к возникновению жизни в одной из них — нашей.
Теории создают новые теории
Как считает наш эксперт, подобное разнообразие теорий вполне соответствует своему времени.
Экспертное мнение
Антон Иванович Первушин, член союза ученых Санкт-Петербурга, Федерации космонавтики России, Ассоциации футурологов, специалист по истории науки и космонавтике
«Лично я придерживаюсь стандартной теории, основанной на Большом взрыве и множественности миров, то есть М-теории. Она была создана с целью объединения фундаментальных законов, но, как и любая другая теория, не является исчерпывающей. Даже буква “М” в названии имеет несколько разных трактовок.
Существующее многообразие концепций стало возможным в связи с недостаточным развитием технологий, приборов, что не позволяет с точностью определить реальное положение вещей. Однако с их развитием менее научные теории, например креационизм, уйдут в прошлое.
Холодная начальная Вселенная — гипотеза о том, что первичное вещество Вселенной на начальной стадии её эволюции состояло из холодных нейтронов и имело нулевую энтропию ( S = 0 ) и нулевой лептонный заряд ( L = 0 ).
Гипотеза возникла в 1930-е годы при отсутствии конкретной теории сверхплотного состояния, позволяющей определить ядерные реакции при таких условиях. Позже выяснилось, что такой вариант начального состава вещества приводит к противоречию с наблюдениями. Дело в том, что в ходе расширения Вселенной нейтроны будут претерпевать бета-распад на протоны, электроны и антинейтрино. Образующийся протон будет соединяться с нейтроном, образуя дейтрон. Реакции усложнения атомных ядер будут продолжаться до тех пор, пока не образуется альфа-частица — ядро атома гелия. Вследствие этого всё вещество превратится в гелий. Этот вывод резко противоречит наблюдениям. Известно, что звёзды и межзвёздный газ состоят в основном из водорода, а не из гелия. Таким образом, наблюдения отвергают холодную нейтронную гипотезу первичного вещества.
В 1947 году Г. А. Гамовым была создана модель горячей Вселенной, которая на ранних этапах была заполнена большим количеством фотонов и, таким образом, имела высокую энтропию. В рамках этой модели удалось построить успешную модель первичного нуклеосинтеза, позволяющую теоретически получить среднюю распространённость химических элементов во Вселенной, согласующуюся с наблюдениями. Эта модель также предсказывала существование реликтового излучения с температурой в несколько кельвинов, которое было экспериментально открыто в 1965 году. Данное открытие окончательно убедило космологов в верности горячей модели.
Документ из архива "Современная научная космология", который расположен в категории " ". Всё это находится в предмете "философия" из раздела "", которые можно найти в файловом архиве Студент. Не смотря на прямую связь этого архива с Студент, его также можно найти и в других разделах. Архив можно найти в разделе "рефераты, доклады и презентации", в предмете "философия" в общих файлах.
Онлайн просмотр документа "156445"
Текст 3 страницы из документа "156445"
Так вот, для всех далеких источников света красное смещение было зафиксировано, причем, чем дальше находился источник, тем в большей степени. Красное смещение оказалось пропорционально расстоянию до источника, что и подтверждает гипотезу об удалении их, т. е. о расширении Метагалактики — видимой части Вселенной.
3.3. Концепция "Большого взрыва"
Составной частью модели расширяющейся Вселенной является представление о Большом Взрыве, происшедшем где-то примерно 12 - 18 млрд. лет назад.
3.4. Модель "Горячей вселенной"
Горячая модель представляла собой конкретную астрофизическую гипотезу, указывающую пути опытной проверки своих следствий. Гамов предсказал существование в настоящее время остатков теплового излучения первичной горячей плазмы, а его сотрудник Герман еще в 1948 г. довольно точно рассчитал величину температуры этого остаточного излучения уже современной Вселенной. Однако Гамову и его сотрудникам не удалось дать удовлетворительное объяснение естественному образованию и распространенности тяжелых химических элементов во Вселенной, что явилось причиной скептического отношения к его теории со стороны специалистов. Как оказалось, предложенный механизм ядерного синтеза не мог обеспечить возникновение наблюдаемого ныне количества этих элементов.
3.5. Модель "Холодной вселенной"
3.6. Открытие реликтового излучения
В конце 60-х годов группа американских ученых во главе с Р. Дикке приступила к попыткам обнаружить реликтовое излучение. Но их опередили Л. Пепзиас и Р. Вильсон, получившие в 1978 г. Нобелевскую премию за открытие микроволнового фона (это официальное название реликтового излучения) на волне 7,35 см.
Примечательно, что будущие лауреаты Нобелевском премии не искали реликтовое излучение, а в основном занимались отладкой радиоантенны, для работы по программе спутниковой связи. С июля 1964 г. по апрель 1965 г они при различных положениях антенны регистрировали космическое излучение, природа которого первоначально была им не ясна. Этим излучением и оказалось реликтовое излучение.
СОВРЕМЕННАЯ НАУКА О ПРОИСХОЖДЕНИИ ВСЕЛЕННОЙ
4.1. Тепловая история или сценарий образования крупномасштабной структуры Вселенной
Дальнейшее изучение космологических следствий фазовых переходов с нарушенной симметрией привело к новым теоретическим открытиям и обобщениям. Среди них обнаружение ранее неизвестной эпохи в саморазвитии Вселенной. Оказалось, что в ходе космологического фазового перехода она могла достичь состояния чрезвычайно быстрого расширения, при котором ее размеры увеличились во много раз, а плотность вещества оставалась практически неизменной. Исходным же состоянием, давшим начало раздувающейся Вселенной, считается гравитационный вакуум. Резкие изменения, сопутствующие процессу космологического расширения пространства характеризуются фантастическими цифрами. Так предполагается, что вся наблюдаемая Вселенная возникла из единственного вакуумного пузыря размером меньше 10 в минус 33 степени. Вакуумный пузырь, из которого образовалась наша Вселенная, обладал массой, равной всего-навсего одной стотысячной доле грамма.
4.2. Теория о раздувающейся Вселенной
4.3. Обоснование отсутствия начальной сингулярности в развитии Вселенной
Не менее интересен, а в глобальной перспективе более важен другой результат новейших теоретических изысканий – принципиальная возможность избегания начальной сингулярности в ее физическом смысле. Речь идет о совершенно новом физическом взгляде на проблему происхождения Вселенной.
Оказалось, что вопреки некоторым недавним теоретическим прогнозам (о том, что начальную сингулярность не удастся избежать и при квантовом обобщении общей теории относительности) существуют определенные микрофизические факторы, которые могут препятствовать беспредельному сжатию вещества под действием сил тяготения.
Еще в конце тридцатых годов было теоретически обнаружено, что звезды с массой, превышающей массу Солнца более чем в три раза, на последнем этапе своей эволюции неудержимо сжимаются до сингуляторного состояния. Последнее в отличие от сингулярности космологического типа, именуемой фридмановской, называется шварцшильдовским (по имени немецкого астронома, впервые рассмотревшего астрофизические следствия энштейновской теории тяготения). Но с чисто физической точки зрения оба типа сингулярности идентичны. Формально они отличаются тем, что первая сингулярность является начальным состоянием эволюции вещества, тогда как вторая - конечным.
4.4. Теория о пульсирующей Вселенной
Академик М.А. Марков выдвинул интересный вариант пульсирующей Вселенной. В логической рамке этой космологической модели старые теоретические трудности, если не решаются окончательно, то, по крайней мере, освещаются под новым перспективным углом зрения. Модель основана на гипотезе согласно которой при резком уменьшении расстояния константы всех физических взаимодействий стремятся к нулю. Данное предположение - следствие другого допущения, согласно которому константа гравитационного взаимодействия зависит от степени плотности вещества.
Согласно теории Маркова, всякий раз, когда Вселенная из фридмановской стадии (конечное сжатие) переходит в стадию деситтеровскую (начальное расширение), ее физико-геометрические характеристики оказываются одними и теми же. Марков считает, что этого условия вполне достаточно для преодоления классического затруднения на пути физической реализации вечно осциллирующей Вселенной.
Что же ожидает нашу Вселенную в будущем, если она будет неограниченно расширяться? О процессе продолжающегося расширения нашей Вселенной свидетельствуют почти все данные наблюдений. По мере расширения пространства материя, становится все более разреженной, галактики и их скопления все более удаляются друг от друга, а температура фонового излучения приближается к абсолютному нулю. Со временем все звезды завершат свой жизненный цикл и превратятся либо в белых карликов, остывающих до состояния холодных черных карликов, либо в нейтронные звезды или черные дыры. Эра светящегося вещества закончится, и темные массы вещества, элементарные частицы и холодное излучение будут бессмысленно разлетаться в непрерывно разряжающейся пустоте.
Впрочем, черные дыры не останутся без работы. Имея на то достаточно времени, черные дыры поглотят огромное количество вещества вселенной.
Читайте также: