Происхождение и развитие Вселенной Стандартная космологическая модель эволюции

Происхождение и развитие Вселенной Стандартная космологическая модель эволюции Вселенной. Теория Большого взрыва и теория инфляции. Рождение и эволюция звезд и планетных систем. Систематика звездных объектов.

«Земли еще не было, И небосвода, Бездна сияла, трава не росла» «Младшая Эдда» сборник скандинавских мифов «К северу от «ничего» находились Царства инея и огня, Нифхлейм и Муспельсхейм. Теплый воздух из Муспельсхейма повстречался с инеем и растопил его, и из капель вырос великан Имир. Чем питался Имир? Оказывается там еще дававшая молоко корова Аудумла. А чем питалась она? По-видимому, лизала соляные камни. И так далее, и тому подобное» . Первые три минуты. Стивен Вайнберг Москва ЭКСМО, 2011 Стандартная космологическая модель эволюции Вселенной. Теория Большого взрыва и теория инфляции.

С самого рождения современной науки (16 -18 в) физики уделяют большое внимание проблеме происхождения вселенной. Однако буквально до последнего времени в физике не имелось достаточных наблюдений и теоретических оснований для построения модели ранней Вселенной. Лишь в последнее десятилетие ситуация поменялась. Теория ранней Вселенной получила название «Стандартная модель» Стандартная космологическая модель эволюции Вселенной. Теория Большого взрыва и теория инфляции.

Принятая на сегодня Стандартная Космологическая Модель строения и эволюции Вселенной основана на общей теории относительности А. Эйнштейна. Сначала был взрыв. Через сотую долю секунды температура во Вселенной была около ста миллиардов градусов Цельсия. Это на много больше, чем в центре самой горячей звезды. При такой температуре не могут существовать ни один из привычных нам ингредиентов материи: разрушаются даже ядра атомов, не говоря уже о самих атомах и молекулах. Разлетающееся в этом взрыве вещество состояло из различных сортов элементарных частиц Стандартная космологическая модель эволюции Вселенной. Теория Большого взрыва и теория инфляции.

Электрон (от др. -греч. ἤλεκτρον — янтарь) — стабильная, отрицательно заряженная элементарная частица, одна из основных структурных единиц вещества. Является фермионом (то есть имеет полуцелый спин). Относится к лептонам (единственная стабильная частица среди заряженных лептонов). Из электронов состоят электронные оболочки атомов, где их число и положение определяет почти все химические свойства веществ. Движение свободных электронов обусловливает такие явления, как электрический ток в проводниках. Позитрон (от англ. positive — положительный) — античастица электрона. Позитроны встречаются в ускорителях высоких энергий, в радиоактивном распаде и в космических явлениях (космические лучи, взрывы сверхновых звезд и т. д. ) Стандартная космологическая модель эволюции Вселенной. Теория Большого взрыва и теория инфляции.

Нейтрино — нейтральная фундаментальная частица с полуцелым спином, участвующая только в слабом и гравитационном взаимодействиях, и относящаяся к классу лептонов. Нейтрино малой энергии чрезвычайно слабо взаимодействуют с веществом. Каждую секунду через площадку на Земле в 1 см² проходит около 6× 1010 нейтрино, испущенных Солнцем. Однако никакого воздействия, например, на тело человека они не оказывают. Стандартная космологическая модель эволюции Вселенной. Теория Большого взрыва и теория инфляции.

Фотон (от др. -греч. φῶς, род. пад. φωτός, «свет» ) — элементарная частица, квант электромагнитного излучения (в узком смысле — света). Это безмассовая частица, способная существовать только двигаясь со скоростью света. Электрический заряд фотона также равен нулю. Фотон может находиться только в двух спиновых состояниях с проекцией спина на направление движения (спиральностью) ± 1. Этому свойству в классической электродинамике соответствует круговая правая и левая поляризация электромагнитной волны. Фотону как квантовой частице свойственен корпускулярно-волновой дуализм, он проявляет одновременно свойства частицы и волны. Стандартная космологическая модель эволюции Вселенной. Теория Большого взрыва и теория инфляции.

Электроны, позитроны, нейтрино, фотоны постоянно рождались из вакуума и снова аннигилировали. Их число определялось равновесными процессами рождения и аннигиляции. Плотность вселенского «супа» , который варился при температуре сто миллиардов градусов 4 x 10 9) плотнее воды. Миллиард электронов, позитронов, нейтрино и фотонов –один протон и нейтрон. Электроны Позитроны Нейтрино Фотоны Протоны Нейтроны Стандартная космологическая модель эволюции Вселенной. Теория Большого взрыва и теория инфляции

Плотность воды имеет максимальное значение при 4 °C и уменьшается как с повышением, так и с понижением температуры относительно этого числа. Плотность пресной воды составляет 1000 кг/м³. Стандартная космологическая модель эволюции Вселенной. Теория Большого взрыва и теория инфляции

На каждой протон и нейтрон приходилось по миллиарду электронов (реликтовое излучение) По мере того как развивался взрыв, температура падала. Десятая доля секунды - тридцать миллиардов градусов Цельсия 1 секунда - десять тысяч миллионов 14 секунд – три миллиарда градусов Стандартная космологическая модель эволюции Вселенной

Первичный бульон охладился настолько, что электроны и позитроны стали быстрее аннигилировать, чем рождаться из фотонов и нейтронов. Благодаря высвобождаемой в процессе аннигиляции вещества энергии темп охлаждения Вселенной несколько замедлился, но температура все равно продолжала падать и к концу первых трех минут достигла отметки в один миллиард градусов. Стандартная космологическая модель эволюции Вселенной. Теория Большого взрыва и теория инфляции

Стало достаточно «холодно» для того, что бы протоны и нейтроны начали образовывать сложные ядра. Тяжелый водород Гелий Плотность «супа» оставалась довольно высокой (чуть меньше воды), поэтому легкие ядра, быстро находя друга, Превращались в самые стабильные легкие ядра - ядра гелия Стандартная космологическая модель эволюции Вселенной

Три минуты Вселенную заполняли в основном: Свет Нейтрино Антинейтрино Ядра( 73% водорода, 27% гелия) и электроны, оставшиеся после эпохи электрон-позитронной аннигиляции. Стандартная космологическая модель эволюции Вселенной

Все это вещество продолжало разлетаться, постепенно охлаждаясь и становясь менее плотным. Спустя долгие сотни тысяч лет его температура снизилась настолько, что ядра, соединившись с электронами, образовали атомы водорода и гелия. Этот газ, в сою очередь, под влиянием силы тяжести разбился на сгустки. А те собрались вместе и образовали галактики и звезды нашей Вселенной. Однако эти звезды в начале своего жизненного пути состояли именно из тех ингредиентов, которые были приготовлены в первые три минуты. Стандартная космологическая модель эволюции Вселенной

Первые звезды состояли практически только из водорода и гелия в виде горячей плазмы с температурой в центральной части, достаточной для протекания термоядерных реакций, в результате которых образовывались более тяжелые элементы - вплоть до железа. Химические элементы тяжелее железа рождались в результате взрыва сверхновых звезд. Чем больше масса звезды, тем меньше она живет. По мере «выгорания» термоядерного топлива в достаточно массивной звезде (более десяти солнечных масс) силы гравитационного притяжения приводят к схлопыванию звезды - гравитационному коллапсу, когда внешняя часть звезды с огромной скоростью начинает сжиматься в направлении к центру. В результате такого взрыва образуются новые, более компактные объекты в виде нейтронных звезд и выделяется колоссальная энергия, большую часть которой уносят нейтрино. В космическое пространство, как дым после взрыва бомбы, с огромной скоростью разлетается газообразное облако остатков прежней звезды, привнося в космос новые химические элементы. Именно отсюда более поздние звездные образования, включая наше Солнце, как и планеты Солнечной системы, получают полный набор элементов таблицы Менделеева. Стандартная космологическая модель эволюции Вселенной

1981 г. Алан Гут из Массачусетского технологического института и Андрей Линде предложили теорию «инфляционной вселенной» , Теория инфляции

, которая за прошедшее с той поры время привлекла к себе громадный интерес космологов. Согласно этой теории, Большой взрыв начался с фазы сверхскоростного расширения, гораздо более быстрой, чем считалось ранее. (Концепция инфляционной вселенной решает многие застарелые проблемы космологии — объясняет, к примеру, почему Вселенная настолько однородна. Куда, в какую бы точку ночного неба мы ни посмотрели, везде видим совершенно одинаковую однородную Вселенную, хотя после Большого взрыва прошло недостаточно времени, чтобы отдаленные ее части успели побывать в контакте. Ответ на эту загадку, согласно инфляционной теории, заключается в том, что вся видимая Вселенная образовалась из крохотного и относительно однородного «кусочка» пространства-времени. ) Пытаясь объяснить начальный толчок, Гут предположил, что в начале времен существовали крохотные пузырьки пространства-времени, один из которых чрезвычайно сильно раздулся и превратился в сегодняшнюю Вселенную. Теория инфляционной Вселенной одним махом ответила на множество космологических вопросов. Более того, она согласуется со всеми новыми данными, полученными со спутников СОВЕ и WMAP. Это, бесспорно, ведущий кандидат на роль теории Большого взрыва. Но теория инфляционной Вселенной поднимает и множество «неудобных» вопросов. Почему этот пузырек начал раздуваться? Почему сверхскоростное расширение прекратилось — а именно это, вообще говоря, стало причиной возникновения современной Вселенной? Если инфляционные процессы начались однажды, не могут ли они возникнуть снова? Как ни странно, хотя инфляционный сценарий представляет собой ведущую космологическую теорию, о причинах начала и прекращения инфляции почти ничего не известно. Стандартная космологическая модель эволюции Вселенной. Теория Большого взрыва и теория инфляции.

калибровочные бозоны — частицы, посредством обмена которыми осуществляются взаимодействия: ◦ фотон — частица, переносящая электромагнитное взаимодействие; ◦ восемь глюонов — частиц, переносящих сильное взаимодействие; ◦ три промежуточных векторных бозона W+, W− и Z 0, переносящие слабое взаимодействие; И вот как раз тут на сцену выходит Бозон Хиггса, который призван очень ясно и четко заткнуть эту зияющую дыру в Станартной модели, показав глубинную суть и природу гравитации. Стандартная модель испытывает проблемы гравитации!!! Бозон Хиггса простыми словами пытались объяснить давно. В 1993 году министр науки Великобритании Вильям Волдгрэйв объявил конкурс на самое простое объяснение бозона Хиггса. Самой распространенной версией стала версия с вечеринкой. Чтобы понять, что такое бозон Хиггса, следует представить большую комнату, в которой проходит вечеринка. В определенный момент в комнату входит человек (например, рокзвезда), с которым все хотят пообщаться. Когда человек перемещается, за ним идет несколько гостей вечеринки – может показаться, что за ним идут скопления людей. При этом скорость движения рок-звезды ниже, чем у других гостей. Гости вечеринки сами могут объединяться в группки – если в толпе начнут обсуждать сплетню, то люди начнут передавать слух другу, образуя небольшие уплотнения. Со стороны может показаться, что люди, обсуждающие сплетню, похожи на кучки гостей, облепивших рок-звезду, но без самой знаменитости. В этом объяснении все люди в комнате – это поле Хиггса, рок-звезда – частица, движущаяся в поле, а кучки людей, обсуждающих сплетню – это возмущение поля. Стандартная космологическая модель эволюции Вселенной

Почему бозон Хиггса называют частицей бога? Такое название предложил нобелевский лауреат Леона Ледермана. Он выпустил книгу с заголовком, начинающегося со словосочетания «god particle» (частица бога). Впрочем, сам ученый предлагал несколько другое название – «goddamn particle» (проклятая частица) – но его отвергли. Частица бога – это бозон Хиггса Стандартная космологическая модель эволюции Вселенной

В научной литературе активно обсуждается по крайней мере три типа параллельных вселенных: а) гиперпространство, или высшие измерения; б) мультивселенная; в) квантовые параллельные вселенные ПАРАЛЕЛЬНЫЕ ВСЕЛЕННЫЕ

Самой долгой историей научных дискуссий из всех типов параллельных вселенных может похвастаться параллельная вселенная высших измерений. А что, если наша Вселенная, вместе с другими вселенными, существует в некой единой Мультивселенной? Представьте себе множество парящих в воздухе мыльных пузырей, или мембран. Каждый мыльный пузырь олицетворяет собой целую вселенную, плавающую в одиннадцатимерном гиперпространстве большего размера. Пузыри способны объединяться друг с другом или разделяться на несколько пузырей, они способны даже возникать и исчезать. Не исключено, что мы все живем на оболочке одного такого пузыря-вселенной. Есть мнение, что через 50 лет «существование этих "параллельных вселенных" будет вызывать не больше сомнений, чем существование иных галактик, которые тогда называли "островными вселенными", вызывало сомнений 100 лет назад» . ПАРАЛЕЛЬНЫЕ ВСЕЛЕННЫЕ

Теория суперструн утверждает что электрон и другие субатомные частицы представляют собой не что иное, как различные колебания струны, работающей примерно как крошечная резиновая лента. Если дернуть за натянутую резинку, она будет вибрировать на разные лады — при этом каждая нота соответствует конкретной субатомной частице. Таким образом, теория суперструн объясняет существование сотен субатомных частиц, обнаруженных учеными при помощи ускорителей. Более того, теория Эйнштейна тоже укладывается в эту теорию как проявление одного из самых низкочастотных колебаний ПАРАЛЕЛЬНЫЕ ВСЕЛЕННЫЕ

Теорию струн даже превозносили как пресловутую «теорию всего» , ускользавшую от Эйнштейна последние 30 лет его жизни. Эйнштейну нужна была единая понятная теория, которая объединила бы в себе все законы физики и позволила ему «узнать, о чем думает Бог» . Если теория струн верно объединила гравитацию и квантовую теорию, то она, возможно, представляет собой величайшее достижение науки за последние 2000 лет — с того самого момента, когда греки впервые задались вопросом: что есть вещество? Но у теории суперструн есть одна очень странная особенность: эти самые струны могут колебаться только в пространстве-времени определенной размерности — а именно в десятимерном. Если попытаться сформулировать теорию струн для другого числа измерений, ничего не выйдет; математический аппарат просто развалится. ПАРАЛЕЛЬНЫЕ ВСЕЛЕННЫЕ

В обычных условиях связь между вселенными невозможна. Атомы нашего тела подобны мухам на липкой бумаге. Мы можем свободно передвигаться в трех измерениях нашей вселенной-мембраны, но не способны «выпрыгнуть» из нее в гиперпространство, потому что приклеены к нашей Вселенной. Но гравитация, которая представляет собой искажение пространства-времени, может свободно плавать в пространстве между вселенными. Существует теория, утверждающая, что скрытая масса, или темная материя, — некое невидимое вещество, окружающее нашу Галактику, — возможно, представляет собой обычное вещество в параллельной вселенной. ПАРАЛЕЛЬНЫЕ ВСЕЛЕННЫЕ

В пользу теории Мультивселенной говорит по крайней мере один факт. Если проанализировать основные физические константы, можно без труда обнаружить, что они очень точно «настроены» на то, чтобы в этих условиях могла существовать жизнь. Стоит увеличить ядерные силы — и звезды будут выгорать слишком быстро, чтобы жизнь успела возникнуть и развиться. Стоит их уменьшить — и звезды не будут вспыхивать вообще; естественно, жизнь в этом случае тоже не сможет существовать. Если увеличить силу тяготения, наша Вселенная быстро умрет в Большом сжатии; если ее немного уменьшить, она быстро расширится и замерзнет. Вообще, для того, чтобы в нашей Вселенной возникли подходящие для жизни условия, необходимы были десятки «случайностей» , имеющих отношение к мировым константам. Очевидно, наша Вселенная по многим параметрам находится в «зоне жизни» ; очень многое в ней «точно подобрано» для того, чтобы жизнь могла зародиться и существовать. . Это так называемый антропный принцип, В слабом варианте этот принцип просто утверждает, что параметры нашей Вселенной точно настроены именно для жизни (и в первую очередь потому, что мы существуем и можем сделать такой вывод). АНТРОПНЫЙ ПРИНЦИП

В дополнение к высшим измерениям и Мультивселенной существует еще один тип параллельной вселенной — тот самый, что доставлял головную боль Эйнштейну и что продолжает мучить физиков и сегодня. Это квантовая вселенная, которую предсказывает обычная квантовая механика. Парадоксы квантовой физики представляются чрезвычайно трудноразрешимыми, и нобелевский лауреат Роберт Фейнман любил говорить, что ни кто на самом деле не понимает квантовой теории. ПАРАЛЕЛЬНЫЕ ВСЕЛЕННЫЕ

Еще один взгляд на парадокс кошки — идея «множественности миров» . Физик Алан Гут из Массачусетского технологического института говорит: «Существует вселенная, где Элвис до сих пор жив, а Альберт Гор стал президентом» . Нобелевский лауреат Фрэнк Вильчек говорит: «Нас мучает сознание того, что бесчисленное количество наших почти точных копий живет своей параллельной жизнью и что каждое мгновение возникает еще больше наших дублей, чтобы разделить с нами множество вариантов нашего будущего» . В настоящее время среди физиков набирает популярность концепция так называемой декогерентности. Эта теория утверждает, что все параллельные вселенные возможны, но наша волновая функция потеряла когерентность с ними (т. е. уже не колеблется в унисон с другими вселенными) и потому не может с ними взаимодействовать. Это означает, что вы в собственной гостиной сосуществуете с волновыми функциями динозавров, инопланетных пришельцев, пиратов, единорогов и каждый из обитателей свято верит в то, что именно его вселенная является «настоящей» ; но все эти сосуществующие вселенные больше не «настроены в тон» друг с другом. ПАРАЛЕЛЬНЫЕ ВСЕЛЕННЫЕ

Звезды – гигантские раскаленные самосветящиеся небесные тела Планеты – холодные небесные тела, которые обращаются вокруг звезды Спутники (планет) – холодные небесные тела, которые обращаются вокруг планет Звезды вместе с их планетными системами и межзвездной средой образуют галактики Галактики образуют метагалактику Звезды состоят из атомов тех же химических элементов, что и все тела на Земле. В составе звезд преобладают водород (около 50 % по массе) и гелий (около 40 %) Звезды светят вследствие того, что в их недрах происходит термоядерная реакция: водород превращается в гелий с Выделением огромного количества энергии Звезды и их систематика

ЗВЕЗДА Звезда — небесное тело, в котором идут, шли или будут идти термоядерные реакции. Но чаще всего звездой называют небесное тело, в котором идут в данный момент термоядерные реакции. Солнце — типичная звезда спектрального класса G. Звёзды представляют собой массивные светящиеся газовые (плазменные) шары. Образуются из газово-пылевой среды (главным образом из водорода и гелия) в результате гравитационного сжатия. Температура вещества в недрах звёзд измеряется миллионами кельвинов, а на их поверхности — тысячами кельвинов. Энергия подавляющего большинства звёзд выделяется в результате термоядерных реакций превращения водорода в гелий, происходящих при высоких температурах во внутренних областях. Звёзды часто называют главными телами Вселенной, поскольку в них заключена основная масса светящегося вещества в природе. Звезды и их систематика

Наблюдаемые на небе звезды характеризуются различным блеском, интенсивность которого определяется звездной величиной. Самые яркие назвали звездами первой величины Самые слабые из видимых невооруженным глазом относят к звездам шестой величины. Звезды первой величины ярче звезд шестой величины в 100 раз. Различают несколько видов звезд: это гиганты и карлики, одиночные, двойные и кратные, переменные и новые, нейтронные звезды. Новые звезды – звезды, излучение которых внезапно увеличивается в тысячи раз, а затем медленно уменьшается. Это некоторые красные карлики Звезды и их систематика

Ближайшей к Земле звездой (не считая Солнца) является Проксима Центавра. Она расположена в 4, 2 св. лет от нашей Солнечной системы (4, 2 св. лет = 39 Пм = 39 триллионов км = 3, 9× 1013 км). Невооружённым взглядом (при хорошей остроте зрения) на небе видно около 6000 звёзд, по 3000 в каждом полушарии. Все видимые с Земли звёзды (включая видимые в самые мощные телескопы) находятся в местной группе галактик. Звезды и их систематика

Солнечная система — планетная система, включающая в себя центральную звезду — Солнце — и все естественные космические объекты, вращающиеся вокруг неё. В Солнце сосредоточена подавляющая часть всей массы системы (около 99, 866 %), Юпитер и Сатурн составляют около 90 % оставшейся части. Расстояние от Земли до Солнца 8, 3 световой минуты или 149, 6 млн км. Систематика звездных объектов.

МЛЕЧНЫЙ ПУТЬ Помимо Луны, планет и звезд существует еще два небесных тела, значение которых в космологии трудно переоценить. Полоса света, опоясывающая небесную сферу огромным кольцом, с древних времен носит название Млечный путь. В 1750 г. английский астроном-любитель Томас Райт опубликовал книгу: «Оригинальная теория, или Новая гипотеза об устройстве Вселенной» . В ней он предположил, что звезды образуют плоскую круглую плиту –своего рода «точильный круг» конечной толщины, простирающийся далеко по всем направлениям. Внутри него лежит и Солнечная система. Поэтому, естественно, когда мы смотрим с Земли вдоль круга, то видим больше света, чем по всем другим направлениям. Млечный путь состоит из плоского звездного диска диаметром 80 тысяч световых лет и толщиной 6000 тысяч световых лет. Кроме того, существует сферическое гало из звезд диаметром почти 100 тысяч световых лет. Солнечная система находится в 30 тысяч световых лет от центра и немного «севернее» главной плоскости диска. Последний вращается –скорости в нем достигаюся 250 км/с – и обладает гиганскими спиральными рукавами. Систематика звездных объектов.

В созвездии Андромеды есть туманное пятнышко. Первое письменное упоминание об этом факте «Книга неподвижных звезд» - каталог, составленный персидским астрономом Абдарахманом Ас-Суфи в 964 г. до н. э. Галактики

С появлением телескопов таких объектов стали находить все больше и больше. В XVII-XVIII вв. астрономы воспринимали их в качестве помех, препятствующих поиску, как тогда казалось, по-настоящему интересных объектов-комет. В 1781 г. Шарль Мессье опубликовал знаменитый каталог «Туманности и звездные скопления» со списком объектов, на которые не следует смотреть, когда охотишься за кометами. Галактики

Еще во времена Мессье было понятно, что все эти протяженные объекты имеют разную природу: Одни - скопления звезд (например, Плеяды-М 45) Другие - неправильной формы облака светящегося газа, часто окрашенные в различные цвета и обволакивающие одну или несколько звезд (Туманность Ориона-М 42. ) Около трети объектов из каталога Месье представляли собой белесые туманности правильной эллиптической формы, среди которых выделялась Туманность Андромеды (М 31) К концу XIX столетия в некоторых из них астрономы нашли спиральные рукава. В 1923 г. Эдвин Хабл впервые разрешил Туманность Андромеды на отдельные звезды. (два с лищним миллионов световых лет) Андромеда и тысяча подобных ее туманностейэто галактики, которыми в изобилии усыпаны просторы вселенной Галактики

Комета (от др. -греч. κομήτης, komḗtēs — волосатый, косматый) — небольшое небесное тело, имеющее туманный вид, обращающееся вокруг Солнца обычно по вытянутым орбитам. При приближении к Солнцу комета образует кому и иногда хвост из газа и пыли. Как правило, кометы состоят из ядра и окружающей его светлой туманной оболочки (комы), состоящей из газов и пыли. У ярких комет с приближением к Солнцу образуется «хвост» — слабая светящаяся полоса, которая в результате светового давления и действия солнечного ветра чаще всего направлена в противоположную от нашего светила сторону. Систематика звездных объектов.