Космологічні моделі Всесвіту: етапи становлення сучасної системи, особливості

Космологічна модель Всесвіту — це математичне опис, який намагається пояснити причини її нинішнього існування. А також воно змальовує еволюцію в часі.

Сучасні космологічні моделі Всесвіту грунтуються на загальній теорії відносності. Це те, що в даний час дає найкраще уявлення для великомасштабного пояснення.

Перша науково-обґрунтована космологічна модель Всесвіту

Із своєї загальної теорії відносності, яка є гіпотезою гравітації, Ейнштейн пише рівняння, керуючі космосом, заповненому матерією. Але Альберт думав, що той повинен бути статичним. Таким чином, Ейнштейн ввів термін, званий постійної космологічної моделлю Всесвіту, в свої рівняння, щоб отримати результат.

Згодом, з урахуванням системи Едвіна Хаббла, він повернеться до цієї ідеї і визнає, що космос може ефективно розширюватися. Саме так виглядає Всесвіт в космологічної моделі А. Ейнштейна.

Нові гіпотези

Незабаром після нього голландець де Сіттера, російська розробник космологічної моделі Всесвіту Фрідман і бельгійський Леметр представляють на суд знавців нестатические елементи. Вони необхідно для рішення рівняння теорії відносності Ейнштейна.

Якщо космос де Сіттера відповідає порожній постійною, то згідно космологічної моделі Фрідмана Всесвіт залежить від щільності речовини всередині неї.

Основна гіпотеза

У Землі немає підстав стояти у центрі космосу або в якомусь привілейованому місці.

Це перша теорія класичної космологічної моделі Всесвіту. Відповідно до цієї гіпотези всесвіт розглядається як:

  • Однорідне, тобто володіє одними і тими ж властивостями всюди в космологическом масштабі. Звичайно, у меншому плані бувають різні ситуації, якщо подивитися, наприклад, на Сонячну систему або куди-небудь за межами Галактики.
  • Ізотропний, тобто завжди має однакові властивості в кожному напрямку, де б не дивився чоловік. Тим більше, що космос не сплющений в одному напрямку.
  • Друга необхідна гіпотеза – універсальність законів фізики. Ці правила однакові в будь-якому місці і в кожний час.

    Розглядати зміст Всесвіту як досконалої рідини — це ще одна гіпотеза. Характерні розміри її складових незначні перед відстанями, які їх розділяють.

    Параметри

    Багато просять: «Опишіть космологічну модель Всесвіту». Щоб це зробити у відповідність з попередньою гіпотезою системи Фрідмана-Леметра використовують три параметри, які повністю характеризують еволюцію:

    • Константа Хаббла, яка являє швидкість розширення.
    • Параметр щільності маси, який вимірює співвідношення між ρ досліджуваної Всесвіту і певної щільності, називається критичною ρc, пов’язаної з постійною Хаббла. Поточне значення цього параметра відзначено Ω0.
    • Космологічна постійна, зазначена Λ, являє собою силу, протилежну гравітації.

    Щільність матерії є ключовим параметром для передбачення її еволюції: якщо вона дуже непроникна (Ω0> 1), гравітація зможе перемогти розширення, і космос повернеться в свій первинний стан.

    В іншому випадку збільшення буде тривати вічно. Щоб це перевірити, опишіть космологічну модель Всесвіту згідно теорії.

    Інтуїтивно зрозуміло, що людина може усвідомити еволюцію космосу у відповідності з кількістю речовини всередині.

    Велике число призведе до закритої Всесвіту. Це закінчиться у своєму початковому стані. Невелика кількість речовини призведе до відкритої всесвіту з нескінченним розширенням. Значення Ω0 = 1 призводить до окремого випадку плоского космосу.

    Сенс критичної щільності ρc становить близько 6 х 10-27 кг/м3, тобто два атоми водню на кубічний метр.

    Ця дуже низька цифра пояснює, чому сучасна космологічна модель будови Всесвіту передбачає порожній космос, і це не так погано.

    Закрите або відкрите світобудову?

    Щільність речовини всередині всесвіту визначає її геометрію.

    Для високої непроникності можна отримати замкнутий простір з позитивною кривизною. Але з щільністю нижче критичної вийде відкрита Всесвіт.

    Необхідно відзначити, що закритий тип обов’язково має закінчений розмір, тоді як плоска або відкрита Всесвіт може бути кінцевою або нескінченною.

    У другому випадку сума кутів трикутника менше 180°.

    У замкнутої (наприклад, на поверхні Землі) ця цифра завжди більше 180°.

    Дивіться також:  Попав пальцем в небо: як уникнути незручних ситуацій

    Всі вимірювання досі не дозволили виявити викривлення космосу.

    Космологічні моделі Всесвіту коротко

    Вимірювання копалин випромінювання з допомогою кулі Бумеранга знову підтверджують гіпотезу плоского космосу.

    Гіпотеза про плоскому космосі найкращим чином узгоджується з експериментальними даними.

    Вимірювання, виконані і супутником WMAP Планка, підтверджують цю гіпотезу.

    Отже, Всесвіт була б плоскою. Але цей факт ставить людство перед двома питаннями. Якщо вона плоска, це означає, що щільність речовини дорівнює критичній Ω0=1. Але, найбільша, видима матерія у Всесвіті становить лише 5 % цієї непроникності.

    Так само, як і при народженні Галактик, необхідно знову звернутися до темної матерії.

    Вік Всесвіту

    Вчені можуть показати, що він пропорційний зворотного величиною постійної Хаббла.

    Таким чином, точне визначення цієї константи є критичною проблемою для космології. Недавні вимірювання показують, що зараз космосу від 7 до 20 мільярдів років.

    Але Всесвіт обов’язково повинна бути старше, ніж її самі старі зірки. А вони оцінюються у віці від 13 до 16 млрд років.

    Близько 14 мільярдів років тому Всесвіт почала розширюватися у всіх напрямках від нескінченно малої щільною точки, відомої як особливість. Ця подія відома як Великий вибух.

    Протягом перших декількох секунд після початку швидкої інфляції, яка продовжувалася у наступні сотні тисяч років, з’явилися фундаментальні частинки. Які пізніше склали б матерію, але вона, як знає людство, ще не існувала. У цей період Всесвіт була непрозорою, наповненої надзвичайно гарячою плазмою і потужним випромінюванням.

    Однак у міру розширення її температура і щільність поступово знижувалися. Плазму і випромінювання в кінцевому підсумку замінили водень і гелій, самі прості, легкі і найбільш поширені елементи у Всесвіті. Гравітації знадобилося кілька сотень мільйонів додаткових років, щоб об’єднати ці свободноплавающие атоми в первинний газ, з якого з’явилися перші зірки і галактики.

    Це пояснення про початок часу було отримано з стандартної моделі космологія Великого вибуху, також відомої як система Лямбда — холодна темна матерія.

    Космологічні моделі Всесвіту засновані на прямих спостереженнях. Вони здатні робити прогнози, які можуть бути підтверджені наступними дослідженнями, і покладаються на загальну відносність, тому що ця теорія дає найкраще згоду з спостережуваними великомасштабними поводженнями. Космологічні моделі також засновані на двох фундаментальних припущеннях.

    Земля не знаходиться в центрі Всесвіту і не займає особливого місця, тому космос виглядає однаково у всіх напрямках та з усіх місць у великому масштабі. І одні і ті ж закони фізики, діючі на Землі, застосовуються у всьому космосі незалежно від часу.

    Отже, те, що людство спостерігає сьогодні, може бути використане для пояснення минулого, теперішнього або для допомоги в прогнозуванні майбутніх подій в природі, незалежно від того, наскільки далеко розташоване це явище.

    Неймовірно, чим далі люди вдивляються в небо, тим далі вони дивляться в минуле. Це дозволяє проводити загальний огляд Галактик, коли вони були набагато молодше, щоб можна краще зрозуміти, як вони еволюціонували по відношенню до тих, які ближче і, отже, набагато старше. Звичайно, людство не може бачити одні і ті ж Галактики на різних етапах свого розвитку. Але можуть виникнути хороші гіпотези, групуючи Галактики за категоріями на основі того, що вони спостерігають.

    Вважається, що перші зірки утворилися газових хмар незабаром після початку Всесвіту. Стандартна модель великого вибуху припускає, що можна знайти самі ранні Галактики, заповнені молодими і гарячими тілами, які додадуть цим системам синій відтінок. Модель також передбачає, що перші зірки були більш численними, але менше за розміром, ніж сучасні. І що системи ієрархічно зросли до свого поточного розміру, оскільки маленькі Галактики з часом утворювали великі острівні всесвіти.

    Дивіться також:  Значення словосполучення "володарка морська": що ми про нього знаємо

    Цікаво, що багато з цих прогнозів були підтверджені. Наприклад, ще в 1995 році, коли космічний телескоп Хаббл вперше подивився глибоко в початок часу, він виявив, що молода Всесвіт була заповнена слабкими синіми Галактиками, які були в тридцять — п’ятдесят разів менше Чумацького шляху.

    Стандартна модель великого вибуху також передбачає, що ці злиття все ще тривають. Тому людство повинно знайти докази цієї активності і в сусідніх Галактиках. На жаль, до недавнього часу було мало доказів енергійності злиттів серед зірок біля Чумацького Шляху. Це було проблемою зі стандартною моделлю великого вибуху, тому що передбачало, що розуміння Всесвіту може бути неповним або помилковим.

    Тільки у другій половині XX століття було накопичено досить фізичних доказів, щоб зробити розумні моделі процесу формування космосу. Нинішня стандартна система великого вибуху була розроблена на основі трьох основних експериментальних даних.

    Розширення Всесвіту

    Як і у випадку з більшістю моделей природи, вона зазнала послідовні удосконалення і створила значні труднощі, які підживлюють подальші дослідження.

    Один з цікавих аспектів космологічного моделювання полягає в тому, що він виявляє ряд балансів параметрів, які повинні підтримуватися досить точно для Всесвіту.

    Питання

    Стандартна космологічна модель Всесвіту — великий вибух. І хоча докази, що підтверджують її, величезні, вона не без проблем. Трефил у книзі «Момент творіння» добре показує ці питання:

  • Проблема антиречовини.
  • Складність формування Галактики.
  • Проблема горизонту.
  • Питання площинності.
  • Проблема антиречовини

    Після початку ери частинок. Не існує жодного відомого процесу, який міг би змінити чисте число крупиць Всесвіту. До того часу, коли космос застарів на мілісекунди, баланс між речовиною і антиречовиною був виправлений назавжди.

    Основною частиною стандартної моделі матерії у Всесвіті є ідея парного виробництва. Це демонструє народження електрон-позитронних дублів. Звичайний тип взаємодії між рентгенівськими променями високою життя або гамма-випромінюванням і типовими атомами перетворює велику частину енергії фотона в електрон і його античастицу, позитрон. Маси крупиць слідують співвідношенням Ейнштейна E = mc2. Вироблена безодня має рівну кількість електронів і позитронів. Тому якщо б всі процеси масового виробництва були парними, у Всесвіті було б точно така ж кількість речовини і антиречовини.

    Ясно, що в тому, як природа відноситься до матерії, є деяка асиметрія. Одним з перспективних напрямків дослідження є порушення СР-симетрії при розпаді частинок слабкою взаємодією. Основним експериментальним доказом є розкладання нейтральних каонов. Саме вони показують невелике порушення симетрії СР. При розпаді каонов на електрони людство має чітке розходження між речовиною і антиречовиною, і це може бути одним з ключів до переважанню матерії у Всесвіті.

    Нове відкриття на великому адронному колайдері — різниця в швидкості розпаду D-мезона і його античастки – 0,8 %, що може стати ще одним внеском у вирішення питання антиречовини.

    Проблема формування Галактики

    Випадкових неоднорідностей у розширюється Всесвіту недостатньо для утворення зірок. При наявності швидкого розширення гравітаційне тяжіння занадто повільне, щоб Галактики могли сформуватися з якоїсь розумної моделлю турбулентності, створеної самим розширенням. Питання про те, як могла виникнути великомасштабна структура Всесвіту, був головною невирішеною проблемою в космології. Тому вчені змушені дивитися на період до 1 мілісекунди, щоб пояснити існування галактик.

    Проблема горизонту

    Мікрохвильове фонове випромінювання з протилежних напрямів у небі характеризується тією ж самою температурою в межах 0,01 %. Але області простору, з якого вони були излучаемы, на 500 тис. років було більш світлим часом транзиту. І тому вони не могли бути повідомлені один з одним, щоб встановити видиме теплове рівновагу — вони були за межами горизонту.

    Ця ситуація також називається «проблемою ізотропія», оскільки фонове випромінювання, рухоме зі всіх сторін в космосі, є майже ізотропним. Один із способів виразити питання полягає в тому, щоб сказати, що температура частин простору в протилежних від Землі напрямках майже однакова. Але як вони можуть перебувати в тепловому рівновазі один з одним, якщо вони не можуть спілкуватися? Якщо хто-небудь розглядав граничне час повернення в 14 мільярдів років, отримане з постійною Хаббла 71 км/с на мегапарсек, як це було запропоновано WMAP, то помічав, що ці віддалені частини Всесвіту знаходяться на відстані 28 мільярдів світлових років один від одного. Так, чому у них точно така ж температура?

    Дивіться також:  Що таке тара: і бочка, і богиня

    Для того щоб зрозуміти проблему горизонту, досить бути вдвічі більше віку Всесвіту, але, як вказує Шрамм, якщо подивитися на цю проблему з більш ранніх перспектив, вона стане ще більш серйозною. У той час, коли фотони були фактично іспущен, вони були б в 100 разів більше віку Всесвіту або 100 разів причинно відключені.

    Ця проблема є одним з напрямків, яке призвело до інфляційної гіпотезою, висунутою Аланом Гутом на початку 80-х років минулого сторіччя. Відповідь на питання горизонту з точки зору інфляції полягає в тому, що на самому початку процесу Великого вибуху був період неймовірно швидкої інфляції, який збільшив розмір Всесвіту на 1020 або 1030. Це означає, що спостережуваний космос в даний час всередині цього розширення. Випромінювання, яке можна побачити, є ізотропним, тому що все це простір «надувається» з крихітного обсягу і має практично ідентичні початкові умови. Це спосіб пояснити, чому частині Всесвіту настільки далекі, що вони ніколи не могли спілкуватися один з одним, виглядають однаково.

    Проблема площинності

    Становлення сучасної космологічної моделі Всесвіту дуже широко. Спостереження показують, що кількість речовини в космосі, безсумнівно, більше, ніж одна десята і, звичайно, менше критичного кількості, необхідної для припинення розширення. Тут є гарна аналогія — м’яч, кинутий з землі, сповільнюється. З тією ж швидкістю, що і у маленького астероїда, він ніколи не зупиниться.

    На початку цього теоретичного кидка з системи може здатися, що він був кинутий з правильною швидкістю, щоб рухатися вічно, уповільнюючись до нуля на нескінченній відстані. Але з плином часу це стає все більш очевидним. Якщо б хто-небудь пропустив вікно швидкостей навіть на невелику величину, то після 20 мільярдів років подорожей все одно здавалося, що м’яч кинули з правильною швидкістю.

    Будь-які відхилення від площинності з часом перебільшуються, і на цій стадії Всесвіту крихітні нерівності повинні були значно посилитися. Якщо щільність нинішнього космосу здається дуже близькою до критичної, то вона повинна була бути ще ближче до плоскої в більш ранні епохи. Алан Гут вважає лекцію Роберта Дике одним з факторів впливу, яка поставила його на шлях інфляції. Роберт вказав, що площинність сучасної космологічної моделі Всесвіту вимагає, щоб вона була плоскою до однієї частини в 10-14 разів в секунду після великого вибуху. Кауфманн припускає, що відразу після нього щільність повинна була бути дорівнює критичній, тобто до 50 знаків після коми.

    На початку 1980-х Алан Гут припустив, що після планковского часу, що становить 10-43 секунди, був короткий період надзвичайно швидкого розширення. Ця інфляційна модель була способом вирішення проблеми площинності, так і питання горизонту. Якщо Всесвіт роздулася на 20-30 порядків, то властивості надзвичайно маленького об’єму, який можна було б вважати тісно пов’язаним, поширювалися сьогодні по всій відомої Всесвіту, що вносило внесок у крайню площинність, так і в надзвичайно ізотропне природу.

    Саме так можна описати сучасні космологічні моделі Всесвіту коротко.