Строение вселенной и её эволюция

Легенда

Как получить гражданство Германии?

1.3. Фотонная эра или эра излучения

На смену лептонной эры пришла эра излучения, как
только температура Вселенной понизилась
до 1010K , а энергия гамма 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.

 Для того чтобы можно было 
сравнивать роль частиц и фотонов во
Вселенной, была введена величина плотности
энергии. Это количество энергии в 1 см3,
точнее, среднее количество (исходя из
предпосылки, что вещество во Вселенной
распределено равномерно). Если сложить
вместе энергию hν всех фотонов, присутствующих
в 1 см3, то мы получим плотность энергии
излучения Er. Сумма энергии покоя всех
частиц в 1 см3 является средней энергией
вещества Em во Вселенной.

 Вследствие расширения Вселенной 
понижалась плотность энергии 
фотонов и частиц. С увеличением 
расстояния во Вселенной в два раза, объём
увеличился в восемь раз. Иными словами,
плотность частиц и фотонов понизилась
в восемь раз. Но фотоны в процессе расширения
ведут себя иначе, чем частицы. В то время
как энергия покоя во время расширения
Вселенной не меняется, энергия фотонов
при расширении уменьшается. Фотоны понижают
свою частоту колебания, словно «устают»
со временем. Вследствие этого плотность
энергии фотонов (Er) падает быстрее, чем
плотность энергии частиц (Em). Преобладание
во Вселенной фотонной составной над составной
частиц (имеется в виду плотность энергии)
на протяжении эры излучения уменьшалось
до тех пор, пока не исчезло полностью.
К этому моменту обе составные пришли
в равновесие, то есть (Er=Em). Кончается эра
излучения и вместе с этим период «Большого
взрыва». Так выглядела Вселенная в возрасте
примерно 300 000 лет. Расстояния в тот период
были в тысячу раз короче, чем в настоящее
время.

Строение Вселенной

Во все времена люди предпочитали считать Вселенную вечной и неизменной. Эта точка зрения господствовала вплоть до 20-х годов нашего века. В то время считалось, что она ограничена размерами нашей Галактики. Пути могут рождаться и умирать, Галактика все равно остается все той же, как неизменным остается лес, в котором поколение за поколением сменяются деревья.

Настоящий переворот в науке о Вселенной произвели в 1922 — 1924 годах работы ленинградского математика и физика А. Фридмана. Опираясь на только что созданную тогда А. Эйнштейном общую теорию относительности, он математически доказал, что мир — это не нечто застывшее и неизменное. Как единое целое он живет своей динамической жизнью, изменяется во времени, расширяясь или сжимаясь по строго определённым законам.

Структура Вселенной довольно сложна и имеет несколько уровней организации, которые мы можем классифицировать в соответствии с масштабом объектов:

• Астрономические тела во Вселенной обычно группируются в системы. Звезды нередко образуют пары или входят в состав скоплений, которые содержат десятки, а то и сотни светил. В этом отношении наше Солнце довольно нетипично, так как оно не имеет «двойника»;
• Следующей ступенью организации являются галактики. Они могут быть спиральными, эллиптическими, линзовидными, неправильными. Ученые пока не до конца понимают, почему галактики обладают разной формой. На этом уровне мы обнаруживаем такие чудеса Вселенной, как черные дыры, темную материю, межзвездный газ, двойные звезды. Кроме звезд, в их состав входит пыль, газ, электромагнитное излучение. В известной Вселенной обнаружено несколько сотен миллиардов галактик.
• Несколько галактик образуют Местную группу. В нашу, кроме Млечного пути, входит Туманность Треугольника, Туманность Андромеды и еще 31 система. Скопления галактик – самые крупные из известных устойчивых структур Вселенной, их удерживает воедино гравитационная сила и еще какой-то фактор. Ученые подсчитали, что одного лишь притяжения явно недостаточно для поддержания стабильности этих объектов. Научного обоснования данного феномена пока не существует;
• Следующим уровнем структуры Вселенной являются сверхскопления галактик, каждая из которых содержит десятки, а то и сотни галактик и скоплений. Однако тяготение их уже не удерживает, поэтому они следуют за расширяющейся Вселенной;
• Последним уровнем организации мироздания являются ячейки или пузыри, стенки которых формируют сверхскопления галактик. Между ними находятся пустотные области, именуемые войдами. Эти структуры Вселенной имеют масштабы около 100 Мпк. На этом ярусе наиболее заметны процессы расширения Вселенной, также с ним связано реликтовое излучение – отголосок Большого взрыва.

Каждый из вселенских объектов — это уникальное формирование с таинственной структурой.

Сегодня мы гораздо лучше понимаем устройство Вселенной, но каждое полученное знание лишь рождает новые вопросы. Исследование атомных частиц в коллайдере, наблюдение за жизнью в дикой природе, высадку межпланетного зонда на астероиде также можно назвать изучением Вселенной, ибо данные объекты входят в ее состав. Человек тоже часть нашей прекрасной звездной Вселенной. Изучая Солнечную систему или далекие галактики, мы больше узнаем о самих себе.

Возникновение галактик

Маленькая Вселенная стала колоссальной, и все стало однородным. Но как же быть с галактиками? Оказалось, что в ходе экспоненциального расширения Вселенной маленькие квантовые флуктуации, существующие всегда, даже в пустом пространстве, из-за квантово-механического принципа неопределенности, растягивались до колоссальных размеров и превращались в галактики. Согласно инфляционной теории, галактики — это результат усиления квантовых флуктуаций, т. е. усиленный и замерзший квантовый шум.

Впервые на эту поразительную возможность указали сотрудники ФИАН Вячеслав Федорович Муханов и Геннадий Васильевич Чибисов в работе, основанной на модели, предложенной в 1979 г. Старобинским. Вскоре после этого, аналогичный механизм был обнаружен в новом инфляционном сценарии и в теории хаотической инфляции.

Аэролодка Нерпа 644Б Классик

Первобытная эра

Первобытная эпоха Вселенной началась спустя секунду после Большого взрыва. Во время первого, очень маленького отрезка времени, пространства-времени и законов физики, как полагают исследователи, еще не существовало. Этот странный, непостижимый интервал называется планковской эпохой, считается, что она длилась 1044 секунды

Важно принимать во внимание и то, что многие предположения о планковской эпохе, основаны на гибриде общей теории относительности и квантовых теорий, называемой теорией квантовой гравитации

На изображении все пять эпох Вселенной обозначены разными цветами

В первую секунду после Большого взрыва началась инфляция – невероятно быстрое расширение Вселенной. Через несколько минут плазма начала остывать, и субатомные частицы начали образовываться и склеиваться. Через 20 минут после Большого Взрыва – в сверхгорячей, термоядерной Вселенной – начали формироваться атомы. Охлаждение шло быстрыми темпами, пока во вселенной не осталось 75% водорода и 25% гелия, что похоже на то, что происходит сегодня на Солнце. Примерно через 380 000 лет после Большого Взрыва Вселенная остыла настолько, что начали формироваться первые устойчивые атомы и появилось космическое фоновое микроволновое излучение, которое астрономы называют реликтовым излучением.

Похожее

• Эксперимент BICEP2 подтверждает важнейшее предсказание теории космической инфляции

  Специализированный телескоп BICEP2, работающий на Южном полюсе и измеряющий поляризацию космического микроволнового излучения, обнаружил реликтовые B-моды поляризации. Их наличие указывает на то, что по ранней Вселенной гуляли сильные гравитационные волны. Они, в свою очередь, могли возникнуть только на стадии инфляции — сверхбыстрого раздувания Вселенной, когда ей было примерно 10^–32 секунды от роду.

• Парадоксы Большого взрыва

  Даже астрономы не всегда правильно понимают расширение Вселенной. Раздувающийся воздушный шар – старая, но хорошая аналогия расширения Вселенной. Галактики, расположенные на поверхности шара, неподвижны, но поскольку Вселенная расширяется, расстояние между ними возрастает, а размеры самих галактик не увеличиваются.

• О начале Вселенной для начинающих
  Как зародилась вселенная и как она расширяется? Том Уитни, физик ЦЕРН, покажет, как космологи и физики, занимающиеся элементарными частицами, ищут ответы на эти вопросы, пытаясь воспроизвести температуру, энергию и события первых секунд после Большого взрыва.

• Что было до большого взрыва? / What Happened Before the Big Bang?
  BBC

  Откуда появилась наша Вселенная? Как это все началось? На протяжении почти ста лет, мы думали, что Большой взрыв был около 14 миллиардов лет назад. Но теперь некоторые ученые считают, что было на самом деле не «начало», наша Вселенная, возможно, была уничтожена «до». Этот фильм унесёт Вас в неизвестность, чтобы изучить головокружительный мир космоса и многочисленных вселенных, и Вы узнаете, что было до Большого взрыва.

• Теория инфляционной Вселенной, или теория Мультивселенной (Мультиверса)
  Линде А. Д.

  Андрей Дмитриевич Линде рассказывает о теории инфляционной Вселенной или теории Мультивселенной (Мультиверса). Термин «Multi-verse», заменяющий слово «Universe», означает, что вместо одной Вселенной — много вселенных сразу в одной.

• Наша Вселенная — лишь один из этапов в череде вселенных
  Наша Вселенная — лишь один из этапов в череде вселенных, регулярно порождаемых Большими взрывами. Этот результат работы ученых, о котором стало известно на днях, хотя и нуждается в серьезной проверке, демонстрирует, что в науке не закончилась эпоха фундаментальных открытий.

• Что было до Большого взрыва?
  Мозговой штурм
  Сегодня мы решили говорить о самой начальной точке, с которой ученые-космологи начинают историю нашей Вселенной. Многие думают, что такой начальной точкой может считаться Большой взрыв — начало расширения вселенной, которое продолжается до настоящего времени. Однако, простая логика подсказывает, что Большой взрыв тоже должен из-за чего-то произойти. А это значит, что какие-то процессы в нашей Вселенной шли и до него. Получается, что историю Вселенной можно начинать вести с какой-то еще более ранней точки. Мы пригласили в студию ученых, которые размышляют над началом всех начал.

• Мир многих миров. Физики в поисках иных вселенных
  Александр Виленкин

  Физик, профессор Университета Тафтса (США) Алекс Виленкин знакомит читателя с последними научными достижениями в сфере космологии и излагает собственную теорию, доказывающую возможность — и, более того, вероятность — существования бесчисленных параллельных вселенных. Выводы из его гипотезы ошеломляют: за границами нашего мира раскинулось множество других миров, похожих на наш или принципиально иных, населенных невообразимыми созданиями или существами, неотличимыми от людей.

• Параллельные вселенные
  Макс Тегмарк
  Статья этой статье Макса Тегмарка выдвигается гипотеза о строении предполагаемой сверхвселенной, теоретически включающей в себя четыре уровня. Однако уже в ближайшее десятилетие у ученых может появиться реальная возможность получить новые данные о свойствах космического простраства и, соответственно, подтвердить или опровергнуть данную гипотезу.

• Одна Вселенная или множество?
  Александр Виленкин

  Как выглядит Вселенная на очень больших расстояниях, в областях, недоступных наблюдению? И есть ли предел тому, как далеко мы можем заглянуть? Наш космический горизонт определяется расстоянием до самых далеких объектов, свет которых успел прийти к нам за 14 миллиардов лет с момента Большого взрыва. Из-за ускоренного расширения Вселенной эти объекты сейчас удалены уже на 40 миллиардов световых лет. От более далеких объектов свет к нам еще не дошел. Так что же находится там, за горизонтом?

Далее >>>

Характеристики транзистора МП41

Модификации

Фазовый оптимум

Твердые кристаллические тела имеют хорошо развитую упорядоченность, структуру и стабильность. Но способность к реакциям низкая благодаря незначительной подвижности элементов кристаллической решетки. Соединения в газообразном состоянии могут быстро реагировать с другими веществами и отличаются лабильностью. Но они характеризуются хаотичностью на макроуровне и неспособностью образовывать сколько-нибудь упорядоченные структуры. Только жидкость имеет оптимальное сочетание устойчивости и лабильности, которое необходимо для дальнейшей самоорганизации химических элементов и молекул в более сложные системы.

Отсюда следует, что для химической эволюции планета должна иметь достаточное гравитационное поле, которое могло содержать гидросферу. Для этого у нее должна быть определенная масса и орбита, приближенная к круговой. Если масса планеты великовата, то происходят интенсивные ядерные реакции, а температура сохраняется на высоком уровне, что препятствует образованию устойчивых сложных химических систем. Малая масса связана с небольшой силой тяжести и невозможностью удержания даже атмосферы. Кроме того, круговая орбита обеспечивает оптимум радиации от центрального светила и определенную равномерность протекания реакций в химических системах. Таким требованиям отвечает очень мало планет в нашей Галактике.

Наличие воды на Земле — это невероятное космическое везение. Сам комплекс из двух атомов водорода и одного атома кислорода вызвал появление уникальной химической системы, существенные особенности которой нельзя свести к простой сумме характеристик двух газов, входящих в ее состав. Уникальность проявляется в том, что вода как система приобретает такие принципиально новые свойства:

1. это универсальный растворитель, способный превращать кислоты, щелочи и соли в ионы с повышенной реакционной способностью;
2. удельная теплоемкость воды выше, чем во многих других веществ, благодаря чему океаны могут поглощать и отдавать огромное количество тепла, выравнивая климат на планете;
3. поверхностное натяжение воды больше, чем у любого другого вещества (кроме ртути), что способствует перемещению водных растворов различных химических веществ по капиллярам растительных сосудов;
4. молекулы воды определенным образом упорядочиваются вокруг макромолекул, облегчая их функционирования и тому подобное.

Все вышеизложенное позволяет признать, что первичная Земля была уникальной в том отношении, что условия на ней (достаточно разнообразен газовый состав атмосферы, извержения вулканов, интенсивные процессы выветривания и размывания и т.д.) способствовали формированию постоянных контактов трех фаз (твердой, жидкой и газовой), что существенно активизировало химические процессы. Такое чрезвычайно уместное объединение в единую систему трех различных фаз, сохранялось в течение многих миллионов лет, и получило название сферы равновесия.

ФИЗИКА

Основные элементы строения

Крупномасштабная структура Вселенной поможет определить состав и строение мироздания. В огромных вселенских просторах можно увидеть волокна и пустоты, которые образуют сверхскопления, галактики и звезды. Начальный этап структурирования мироздания начинается с образования водородного газа. Под воздействием гравитационных сил, он преобразовывается в плотные, тяжелые сгустки. Их масса в тысячи раз превышает массу любой из галактик. В тех участках, где было наибольшее скопление водородного газа сформировались мегагалактики. На участках с меньшим количеством газа образовались меньшие звездные дома, наподобие нашего Млечного пути.

Протогалактики,
которые вращались слишком быстро, со временем преобразовались в спиральные
звездные дома. А на тех участках, где наблюдалось медленное вращение,
происходило сжатие водородного газа и сформировались неправильные,
эллиптические галактики.

В этот же
период, звездные дома образовывали сверхскопления, края которых соприкасались.
В каждом из таких формирований находились звезды, туманности, космическая пыль.
Но основным объектом является черная материя.

Конструкция ЗИЛа

Задачи ВОЗ

Полезная информация

Проблемы космологии

Рассматривая теорию Большого взрыва, исследователи сталкивались с проблемами, ранее воспринимавшимися как метафизические. Однако вопросы неизменно возникали и требовали ответов.

Что было тогда, когда ничего не было? Если Вселенная родилась из сингулярности, значит, когда-то ее не существовало. В «Теоретической физике» Ландау и Лифшица сказано, что решение уравнений Эйнштейна нельзя продолжить в область отрицательного времени, и потому в рамках общей теории относительности вопрос «Что было до рождения Вселенной?» не имеет смысла. Однако вопрос этот продолжает волновать всех нас.

Пересекаются ли параллельные линии? В школе нам говорили, что нет. Однако когда речь заходит о космологии, ответ не столь однозначен. Например, в замкнутой Вселенной, похожей на поверхность сферы, линии, которые были параллельными на экваторе, пересекаются на северном и южном полюсах. Так прав ли Евклид? Почему Вселенная кажется плоской? Была ли она такой с самого начала? Чтобы ответить на эти вопросы, необходимо установить, что представляла собой Вселенная на самом раннем этапе развития.

Почему Вселенная однородна? На самом деле это не совсем так. Существуют галактики, звезды и иные неоднородности. Если посмотреть на ту часть Вселенной, которая находится в пределах видимости современных телескопов, и проанализировать среднюю плотность распределения вещества в космических масштабах, окажется, что она одинакова во всех направлениях с точностью до 10–5. Почему же Вселенная однородна? Почему в разных частях Вселенной действуют одни и те же законы физики? Почему Вселенная такая большая? Откуда взялась энергия нужная для ее возникновения?

Сомнения возникали всегда, и чем больше ученые узнавали о строении и истории существования нашего мира, тем больше вопросов оставалось без ответов. Однако люди старались о них не думать, воспринимая большую однородную Вселенную и непересекающиеся параллельные линии как данность, не подлежащую обсуждению. Последней каплей, заставившей физиков пересмотреть отношение к теории ранней Вселенной, явилась проблема реликтовых монополей.

Существование магнитных монополей было предложено в 1931 г. английским физиком-теоретиком Полем Дираком. Если такие частицы действительно существует, то их магнитный заряд должен быть кратен некоторой заданной величине, которая, в свою очередь, определяется фундаментальной величиной электрического заряда. Почти на полвека эта тема была практически забыта, но в 1975 г. было сделано сенсационное заявление о том, что магнитный монополь обнаружен в космических лучах. Информация не подтвердилась, но сообщение вновь пробудило интерес к проблеме и способствовало разработке новой концепции.

Согласно новому классу теорий элементарных частиц, возникшему в 70-е гг., монополи могли появиться в ранней Вселенной в результате фазовых переходов предсказанных Киржницем и Линде. Масса каждого монополя в миллион миллиардов раз больше массы протона. В 1978–1979 гг. Зельдович, Хлопов и Прескилл обнаружили, что таких монополей рождалось довольно много, так что сейчас на каждый протон приходилось бы по монополю, а значит, Вселенная была бы очень тяжелой и должна была быстро сколлапсировать под своим собственным весом. Тот факт, что мы до сих пор существуем, опровергает такую возможность.

Аналоги и модификации

Судьба Вселенной

Поскольку Вселенная расширяется уже миллиарды лет, законен вопрос: как долго это будет продолжаться и чем закончится? Силы гравитационного притяжения, действующие между отдельными частями Вселенной, стремятся затормозить разбегание этих частей. К чему торможение приведет, зависит от суммарной массы Вселенной. Если она достаточно велика, силы тяготения постепенно остановят расширение, и оно сменится сжатием. В результате Вселенная в конце концов опять «схлопнется» в точку, из которой когда-то начала расширяться. Если же масса меньше некоторой критической величины, то расширение будет продолжаться вечно. Обычно принято говорить не о массе, а о плотности, которая связана с массой простым соотношением: плотность есть масса, деленная на объем.

Значение концентрации частиц, усредненное по всему объему Вселенной, десятки и сотни раз измеряли, тщательно подсчитывая разными методами количество звезд и газопылевых облаков. Результаты таких измерений несколько различаются, но вывод неизменен: значение плотности Вселенной едва дотягивает до нескольких процентов от критической.

Поэтому вплоть до 70-х гг. прошлого века общепринятым был прогноз о вечном расширении нашего мира, которое неизбежно должно привести к постепенному остыванию всего вещества. Все процессы во Вселенной прекратятся, и разные ее части будут иметь одинаковую температуру. Такой финал назвали тепловой смертью.