Доклад "Эволюция Вселенной"

Во Вселенной медленно и непрерывно происходят изменения, которые могут иметь необратимый характер. При расширении Вселенной увеличивается расстояние между галактиками; меняются и сами галактики. Со временем падает интенсивность образования звезд в них, т.к. запасы вещества, из которых образуются звезды ограничены. Так в эллиптических галактиках образование звезд уже прекратилось. В звездах водород превращается в гелий, следовательно, изменяется и химический состав во Вселенной.  Вселенная меняется и не всегда она была такой, какой мы ее наблюдаем, - Вселенная эволюционирует

Объектом изучения астрономии является вся Вселенная как единое целое. При изучении небесных тел, составляющих структуру Вселенной, мы можем проследить их эволюцию, сравнивая с другими небесными телами. При изучении Вселенной мы подобным образом поступить не сможем: Вселенная уникальна. Мы не можем посмотреть на нее со стороны и сравнить с другой Вселенной.  

Космология – раздел астрономии, изучающий строение и развитие (эволюцию) Вселенной в целом (от греч. Космос – мир, Вселенная + логос – учение, слово), используя при этом методы достижения физики, математики и философии.

В компетенцию космологии входит объяснение наблюдаемого распределения галактик в пространстве их движение (разбегание).

На каждом этапе развития человечества были свои представления о строении мира, которые по сути дела можно считать космологическими теориями своего времени.

• Математик Пифагор (VI-V в. до н.э.) первым высказал мысль о шарообразности Земли.
• Платон (V-IV в. до н.э.) считал, что астроном изучает на небе идеальный мир, соответствующий достоинствам богов.
• Геоцентрическая модель мироздания Аристотеля – Птолемея – первая научно обоснованная космологическая модель Вселенной. Спустя 1500 лет ее сменила гелиоцентрическая модель Николая Коперника.
• В Средние века, как и во времена Античности многие ученые полагали, что Вселенная конечна и ограничена сферой неподвижных звезд. Вселенная казалась статичной: звезды застыли на своих местах и только составляющие солнечной системы совершают периодические движения. Таких взглядов придерживались даже Н.Коперник и Т.Браге.

• С развитием физической науки большинство ученых постепенно перешли к материалистическим представлениям о бесконечности  Вселенной. Огромное значение  на определенном этапе имело открытие И.Ньютоном закона всемирного тяготения. Из этого закона следовало, что все вещество во Вселенной стягивается в единую тесную систему. В действительности в бесконечной Вселенной вещество под действием тяготения собирается в некоторых ограниченных объемах – «островах» равномерно заполняющем пространство.

Так конечна или бесконечная Вселенная???  Если Вселенная конечна, то где находятся ее границы? Нельзя ли, добравшись до  границы Вселенной, преодолеть ее и выйти в другую Вселенную? Если Вселенная бесконечна и неограниченна в пространстве, то возникают другие парадоксы…  

Парадоксы безграничной Вселенной разрешила общая теория относительности, созданная Альбертом Эйнштейном в 1915 году. Она же способствовала развитию современных представлений о строении и эволюции Вселенной. В рамках нашего занятия мы не углубляемся в общую теорию относительности. Скажем лишь, что общая теория относительности утверждает, что распределение и движение материи изменяют геометрические свойства пространства и времени и наоборот, распределение и движение материи сами зависят от геометрии пространства-времени. Тяготение, по Эйнштейну, есть результат  изменений, вносимых присутствием материи в свойства пространства-времени.

(Очень рекомендую, но не настаиваю! Это совсем необязательно для всех!

 Стивен Хокинг О Вселенной в двух словах/ С. Хокинг; пер.с англ. А.М. Бродоцкой: под ред. А.М. Красильщикова. – Москва: АСТ, 2019)

По Эйнштейну, безграничная Вселенная может иметь конечные значения радиуса, объема и массы. Он полагал, что конечная Вселенная может быть стационарной, неизменной во времени. По его первоначальным расчетам луч света должен вернуться в исходную точку через 200 миллиардов лет. Российский ученый А.А. Фридман в 1922 году показал, что уравнения общей относительности Эйнштейна имеют нестационарные решения, при этом направление эволюции Вселенной  зависит от средней плотности вещества в ней.  Если средняя плотность меньше некоторого критического значения, то галактики по всем направлениям наблюдения должны казаться убегающими от нас, расширяющаяся Вселенная пространственно бесконечная. Если плотность материи больше критической величины, то гравитационное поле искривляет пространство, и Вселенная оказывается конечной, хотя и безграничной.

Если галактики в настоящей момент разбегаются и Вселенная расширяется, взаимное притяжение постепенно затормозит и остановит галактики, и расширение Вселенной сменится ее сжатием. Таким образом, А.Фридман математически доказал, что Вселенная  должна быть нестационарной. Материя в масштабах однородной и изотропной Вселенной не может находиться в покое: Вселенная должна либо сжиматься, либо расширяться. Как следствие этого средняя плотность вещества падает или возрастает.

Предсказания Фридмана о возможности разбегания галактик получило экспериментальное подтверждение. В 1929 году американский астроном Эдвин Хаббл обнаружил  зависимость красного смещения линий в спектрах галактик от расстояния до них, которая свидетельствовала об удалении галактик друг от друга. Именно такой же вывод вытекал из модели Фридмана, описывающую расширяющую Вселенную. Поэтому можно сказать, что возможность расширения Вселенной была теоретически доказана до его открытия. Модели Фридмана отличаются друг от друга таким параметром, например, как средняя плотность вещества. Они дают различные «сценарии» развития очень далекого будущего: в некоторых моделях расширение Вселенной будет происходить вечно, в некоторых  - смениться сжатием.  

Внимательно рассмотрите рисунок и прочитайте комментарии.

То, что касается прошлого, то выводы всех моделей одинаковы: расширение Вселенной началось с очень большой плотности  вещества, при которой было бы немыслимо существование не только  звезд или галактик, но даже отдельных атомов. 15 млрд лет тому назад все «галактики» находились в одной точке, поэтому их современное разбегание можно рассматривать как результат процесса, называемого Большим взрывом.

Идею Большого взрыва выдвинул в 1946 году русский физик Георгий Антонович Гамов. Согласно гипотезе им выдвинутой, вещество примерно 18 млрд лет тому назад все вещество Вселенной находилось в бесконечно малом объеме с бесконечно большой плотностью и температурой. В какой-то момент времени происходит взрыв, освобождающий всё, что к настоящему времени стало Метагалактикой. При радиусе менее 10-35м температура достигала значения 1033К. При такой высокой температуре  невозможно не только атомов или атомных ядер, но и каких – либо элементарных частиц. За интервал времени от 10-30 до 10-10с образуется плотная смесь из лептонов и антилептонов, кварков и антикварков. Приблизительно через 10-6с начинается соединение кварков, а с начинается соединение кварков, антикварков  - образуются протоны, нейтроны, мезоны, антинейтроны, антипротоны. Количество частиц и античастиц почти одинаково, но все-таки частиц примерно на одну миллиардную долю больше, чем античастиц. В результате аннигиляции протонов с антипротонами, нейтронов с антинейтронами возникает мощное электромагнитное излучение. Плотность излучения примерно в миллиард раз выше плотности вещества. К концу первой секунды температура падает до 1010К, плотность - до 107кг/м3, что уже меньше плотности ядерного вещества, а радиус Вселенной достигает примерно 1015м, что примерно в 100 раз меньше расстояния от Солнца до  ближайших звезд в настоящее время. На 14-й секунде при температуре 3 млрд К происходит аннигиляция электронов с позитронами, во вселенной остаются только электроны – в количестве, равном количеству протонов. В результате понижения температуры и давления превращения  протонов в нейтроны происходят реже, чем превращения нейтронов в протоны. Баланс между числом протонов и нейтронов нарушается. На 4-й минуте на 87 протонов приходится 13 нейтронов. На этой стадии при температуре 900 млн К происходит синтез ядер гелия из протонов и нейтронов. Вещество Вселенной оказывается состоящем из 74% из водорода, 26% из гелия, 1% -другие химические элементы. От 5-й минуте до 1000000 лет происходит дальнейшее расширение Вселенной. Плотность излучения примерно равна плотности вещества в конце этого периода. Температура падает до 3000К. При такой температуре  становится возможным удержание электронов около атомных ядер, и происходит образование атомов водорода и гелия. Дальнейшее расширение Вселенной ведет к ещё большему её охлаждению, из водорода и гелия начинается образование звезд, туманностей, галактик. К настоящему времени радиус Вселенной достиг значения около 1026 м, плотность вещества примерно   6 ∙  10-27 кг/м3, что соответствует среднему содержанию четырех атомов водорода в 1 кубическом метре, температура межгалактического электромагнитного излучения упала до 3К. Теория Большого взрыва объяснила происхождение водорода и гелия, причину разбегания галактик, происхождение радиоизлучения с температурой 3К, но не смогла объяснить происхождение химических элементов за гелием. Оказалось, что все более тяжелые элементы образовались на более поздних этапах развития Вселенной и основной их источник – вспышки сверхновых звезд. Кроме этого Модель Большого взрыва не дает ответа на вопрос о том, что было до момента Большого взрыва. По мнению некоторых астрономов, возраст многих объектов во Вселенной превышает 18 млрд лет, отводимой теорией на все время существования Вселенной.

Огромную информацию несет открытое учеными реликтовое излучение. Это одно из важнейших открытий XX века. Оно было открыто на волне 7,35 см американскими инженерами Арно Пензиасом и Робертом Вильсоном. (Нобелевская премия 1978 года). Реликтовое излучение – подтверждение того, что на ранних этапах расширения Вселенная была горячей. Теория горячей расширяющейся  Вселенной, которая опирается на работы Фридмана и Гамова, стала общепринятой, но  не смогла дать ответ на два важных вопроса: в чем первопричина взаимного удаления галактик и как в дальнейшим будет происходить расширение Вселенной.

Ответы на поставленные и иные вопросы ищет и находит новое поколение ученых. Например, российский физик-теоретик Э.Б. Глинер выдвинул гипотезу, согласно которой начальным состоянием Вселенной был вакуум. Дальнейшие исследования показали, что для гравитационных сил вакуума характерно непривычное всем притяжение, но и отталкивание. Вот в чем первопричина взаимного удаления галактик.

Наблюдения указывают на то, что в галактиках имеется, материя, которая не излучает свет и по массе в несколько раз превышает суммарную массу всех звезд. Это несветящееся вещество не участвует в электромагнитном взаимодействии, слабо проявляется в ядерном и слабом взаимодействиях, и в основном участвующее в гравитационном взаимодействии.

Тёмная материя — форма материи, которая не испускает электромагнитного излучения и напрямую не взаимодействует с ним. По этой причине не доступна для наблюдения. Вывод о существовании тёмной материи сделан на основании многочисленных, согласующихся друг с другом, признаков поведения астрофизических объектов и по создаваемым ими гравитационным эффектам.  Природа этой материи пока не ясна, но она вносит основной вклад в массу галактик. Выяснение природы тёмной материи поможет решить проблему скрытой массы, которая, в частности, заключается в аномально высокой скорости вращения внешних областей Галактик.

Исследования ученых позволяют сделать вывод, что Вселенная расширяется с ускорением. Это ускорение создает неизвестный прежде вид материи, который обладает свойством антигравитации. Этот вид материи получил название темной энергии. (Нобелевская премия по физике 2011 года за ее открытие). Проявление темной энергии было обнаружено на наблюдениях вспышек сверхновых звезд в очень далеких галактиках. Открытие антитяготения, которое оказалось неожиданным для большинства людей, подтвердило предвидение Эйнштейна. Дальнейшее исследования позволили выяснить, что по своей природе темная энергия является практически однородной, в отличие от двух других составляющих Вселенной – «обычной» и темной материи, которые распределены в космическом пространстве неоднородно, образуя звезды, галактики и другие объекты. Можно считать,  что темная энергия – это свойство самого пространства.

Детальный анализ анизотропии реликтового излучения и крупномасштабной структуры Вселенной позволили определить плотность каждого из трех видов материи. Было установлено, что «обычная» материя, изучению которой человечество посвятило всю предшествующую историю, составляет всего лишь несколько процентов массы Вселенной. Примерно 26% составляет темная материя, а 69%, большая часть массы Вселенной, приходится на долю темной энергии. Это новый вид материи, и уникальные  свойства которой еще предстоит изучать!

Развитие современной космологии в очередной раз показало безграничные возможности человеческого разума, способного исследовать сложнейшие процессы, которые происходят во Вселенной на протяжении миллиардов лет.