На чем основывается модель расширяющейся вселенной

Модель расширяющейся Вселенной

Современная космологическая наука представляет в качестве наиболее вероятной версии разработку модели расширяющейся Вселенной. Полностью название модели звучит как «однородная изотропная нестационарная горячая расширяющаяся Вселенная». 

Построение данной модели напрямую связано с общей теорией относительности, разработанной физиком-теоретиком Альбертом Эйнштейном.

В основу модели легли два предположения:

1. Предположение о кривизне пространства и ее связи с плотностью массы (энергии), вытекающее из уравнений Эйнштейна, описывающих гравитационное поле.
2. Предположение об изотропности и однородности Вселенной, сформулированное советским физиком Александром Александровичем Фридманом в качестве принципа космологии в 1922 году. Согласно ему Вселенная обладает одинаковыми свойствами во всех направлениях и во всех точках.

Нестационарность Вселенной считается самым важным принципом ее модели. Основан он на двух постулатах теории относительности:

• на принципе относительности;
• на постоянстве скорости света, подтвержденном экспериментальным путем.

Приняв за основу космологический принцип однородности и изотропности Вселенной, Фридман сделал вывод, что помимо уже известных решений уравнения Эйнштейна имеют и другие, нестационарные решения. 

Это значит, что Вселенная может как сжиматься, так и расширяться. Ее можно представить в виде мыльного шара, радиус и площадь которого при надувании увеличиваются. Речь идет о расширении всего пространства, приводящему к увеличению всех расстояний нашего мира.

Фридманом было предложено 3 варианта развития дальнейших событий в мировом пространстве:

1. Первый вариант предполагает медленное расширение Вселенной. В результате гравитационного притяжения между галактиками оно должно замедлиться, и в конце концов прекратиться совсем. После этого Вселенная начнет сжиматься, и за счет искривления пространства, она замкнется сама на себя в виде сферы.
2. Второй вариант предусматривает бесконечное расширение Вселенной. Искривленное пространство при этом имеет форму седла и является бесконечным.
3. Третий вариант рассматривает Вселенную как плоское и бесконечное пространство. 

Какой из вариантов является действующим моделью эволюции Вселенной, зависит от соотношения гравитационной энергии и кинетической энергии разлета вещества.

В том случае, если гравитационная энергия, препятствующая разлету, окажется меньше, чем кинетическая энергия разлетающегося вещества, силы притяжения будет недостаточно, чтобы препятствовать разбеганию галактик, и процесс расширения Вселенной будет необратимым. Такую модель называют открытой Вселенной.

Если гравитационное притяжение сильнее кинетической энергии, то скорость расширения постепенно замедлится, и начнется обратный процесс — сжатие вещества, до тех пор, пока Вселенная не возвратится в начальное сингулярное состояние. Такая модель носит название закрытой, или осциллирующей, Вселенной.

В промежуточном случае, когда силы гравитации и энергия разлетающегося вещества окажутся равны, расширение будет продолжаться, но скорость его со временем будет уменьшаться и стремиться к нулевой. В результате —ориентировочно через десятки миллиардов лет существования Вселенной — наступит ее квазистационарное состояние. Теоретически Вселенная может начать пульсировать.

К сожалению, на момент своего открытия вывод А. Фридмана не был оценен научным сообществом. Из-за невозможности экспериментального подтверждения его модель расширяющейся Вселенной считалась чисто теоретической.

Идея о расширении Вселенной была поднята вновь в 1929 году, когда американский астроном Эдвин Хаббл вывел эффект «красного смещения», возникший в результате эффекта Доплера. Этот эффект наблюдается при движении источника излучения относительно наблюдателя. При этом изменяется длина волн или частота колебаний.

В данном случае эффект «красного смещения» свидетельствовал об удалении галактик друг от друга со скоростью, возрастающей с расстоянием. По последним научным данным скорость расширения Вселенной увеличивается на каждый миллион парсек приблизительно на 55 км/с.

Проводя наблюдения за далекими источниками света, ученые выяснили, что красное смещение пропорционально расстоянию до светового объекта. Это подтверждало справедливость гипотезы Фридмана о том, что видимая часть Вселенной расширяется.

Выявленная пропорциональная зависимость красного смещения галактик и расстояния между ними получила название Закона Хаббла, хотя то же самое открытие было сделано на 2 года раньше бельгийским ученым Жоржем Леметром.

Таким образом, красное смещение помогло подтвердить теорию о нестационарности Вселенной, которая в течение нескольких миллиардов лет измеряется миллиардами парсеков.

Дальнейшие исследования Хаббла привели к выводу о том, что наша галактика является лишь одной из множества галактик, из которых состоит Вселенная. Все они находятся друг от друга на огромном расстоянии, которое постоянно увеличивается. Так из гипотезы благодаря исследованиям возникла концепция расширяющейся Вселенной.

Согласно ей Вселенная эволюционировала от начального сингулярного состояния, характеризующегося сверхвысокой температурой, бесконечной кривизной и плотностью пространства, до расширяющегося.

Фридман объяснял подобный характер Вселенной следующими постулатами:

• радиус кривизны Вселенной изначально равен нулю, но со временем он увеличивается, притом непрерывно;
• изменение радиуса кривизны имеет определенный период — Вселенная периодически возвращается в сингулярное состояние (точку), а затем вновь увеличивает радиус кривизны, и это повторяется бесконечно.

Итак, Хабблом было доказано:

• пространство Вселенной непрерывно расширяется;
• галактики разбегаются друг от друга;
• скорость движения галактик непрерывно растет;
• все расстояния во Вселенной увеличиваются.

Была выведена постоянная Хаббла H, с помощью которой можно связать скорость удаления внегалактического объекта с расстоянием до него. Эта постоянная является одинаковой величиной в каждый момент времени для всех точек Вселенной, но сам коэффициент со временем меняется.

Например, в 2013 году значение постоянной Хаббла H оценивалось в 67,80 ± 0,77 (км/с)/Мпк. Более поздние оценки неоднозначны, но в основном дают значения более 70 (км/с)/Мпк.

Постоянная Хаббла позволила определить время, в течение которого происходит процесс расширения Вселенной: от 10 до 19 млрд лет. Наиболее вероятным возрастом существования нашей Вселенной принято считать 15 млрд лет.

Как и любую научную концепцию, теорию Фридмана можно применять лишь в определенных границах, так как она не учитывает квантовые эффекты. Например, ее нельзя использовать в области слишком малых пространственно-временных масштабов

Описание гипотезы Большого Взрыва

Раз Вселенная непрерывно расширяется, значит, когда-то она должна была возникнуть. Как произошло ее первоначальное появление?

Гипотеза Большого Взрыва является составной частью вышеописанной модели расширяющейся Вселенной. Ученые считают, что это событие произошло примерно 13,5 — 14 млрд лет назад. Автор гипотезы — физик Георгий Антонович Гамов, бывший учеником А. А. Фридмана, а название «Большой Взрыв» придумал английский астроном Фред Хойл.

Согласно гипотезе, вначале всего существования был взрыв. Он отличался от привычного нам взрыва на Земле, начинающегося из определенного центра и постепенно распространяющегося в разные стороны, захватывающего окружающее пространство.

Взрыв, о котором идет речь, произошел сразу во всем пространстве, одновременно в каждой его точке. При этом каждая материальная частица начала стремительно удаляется от всех остальных частиц.

Начальное состояние Вселенной называют точкой сингулярности (термин произошел от английского слова «single», в переводе означающим «единственный»). Оно характеризуется:

• бесконечной плотностью массы;
• пространством, имеющим вид точки;
• взрывным расширением.

Одним из следствий гипотезы было предсказание существования реликтового излучения. Это следствие подтвердилось в 1965 году, когда было открыто реликтовое излучение фотонов и нейтрино, которые образовались во время ранней стадии расширения Вселенной.

Вопрос, который волнует всех: из чего образовалась Вселенная? 

Современная наука предполагает, что существующий мир мог возникнуть из вакуума. Вакуум не является абсолютной пустотой. Скорее, это своеобразная форма материи, из которой при определенных условиях способны зародиться ее другие формы.

С точки зрения ученых, Вселенная могла самопроизвольно зародиться из вакуума при спонтанном возникновении энергетического потенциала в отсутствии частиц. То есть возникло поле как вид физической материи.

При этом поле не имело постоянной напряженности, а испытывало флуктуации.

При флуктуации образуются виртуальные частицы, способные участвовать во взаимодействии с другими частицами. Сталкиваясь с себе подобными, они превращаются в реальные.

Что происходило во время Большого Взрыва, в начальный период существования Вселенной?

В космологической науке самой популярной является гипотеза, рассматривающая постепенную эволюцию физической материи. При этом предполагается первоначальное существование единой суперсилы, из которой впоследствии образовались все существующие физические силы.

Ученые говорят о следующих этапах Большого Взрыва:

• инфляционном;
• суперструнном;
• этапе великого объединения;
• электрослабом;
• кварковом;
• этапе нуклеосинтеза.

1. На инфляционном этапе происходило расширение (раздувание) трех измерений пространства. Когда оно закончилось, энергия расширения была преобразована в элементарные частицы и излучение, вызвавшее увеличение температуры Вселенной.
2. Второй этап характеризовался появлением первых материальных объектов, получивших название суперструн, так как они обладали длиной и свойством колебаться. Теоретически эти колебания могут образовывать различные частицы и физические поля.
3. На третьем этапе, по мере снижения температуры во Вселенной, начали происходить определенные физические процессы. В частности, единая суперсила разбилась поначалу на силу гравитации и силу великого объединения. В этом периоде пространственные измерения (длина, высота, ширина) продолжали расширяться. Струны же начали сжиматься из-за понижения температуры и превратились в точечные объекты (элементарные частицы и античастицы). На тот момент все элементарные частицы были одинаковыми и взаимодействовали друг с другом благодаря силе великого объединения.
4. Электрослабый этап был охарактеризован расщеплением силы великого объединения на две части: сильную и электрослабую. Из-за этого элементарные частицы не смогли больше взаимодействовать друг с другом и разделились на лептоны и кварки. При это они приобрели способность взаимодействовать с излучением и не отличались от него.
5. Кварковый этап начался с расщеплением электрослабых сил на электромагнитные и слабые. Поскольку электрослабая сила в начале этапа сдала свои позиции сильной силе, то под воздействием последней кварки объединились в нейтроны и протоны.
6. При достижении Вселенной возраста 10 000 с и при температуре 1 млрд градусов начался этап нуклеосинтеза, во время которого началось образование ядер атомов гелия и водорода. Весь процесс занял около трех минут. Последующие 300 000 лет расширение Вселенной продолжалось при постепенном понижении температуры до 3000 градусов. Этот период характеризуется образованием атомов из электронов (протонов и нейтронов) и ядер атомов. Так началась эра вещества, а период, названный Большим Взрывом, закончился.

Проблемы теории расширяющейся Вселенной

Теория расширяющейся Вселенной, несмотря на огромную популярность, имеет ряд проблем:

1. Существует мнение, что если бы Вселенная начала расширяться в результате Большого Взрыва, то это могло бы вызвать возникновение сильного неоднородного распределения вещества. Однако этого не наблюдается.
2. Гипотеза Большого Взрыва принимает расширение Вселенной как факт, не объясняя его.
3. Если предположить, что вначале Вселенная была симметричной, с одинаковым количеством материи и антиматерии, то должен был существовать специальный механизм, который привел к преобладанию частиц над античастицами, а материи — над антиматерией (барионной асимметрии). Этот механизм, бариогенезис, вызвал бы возможность распада протона. А этого не наблюдается.
4. В теориях, посвященных этапу Великого объединения, предполагалось возникновение магнитных монополей в большом количестве. Но они до сих пор не обнаружены.
5. Современными учеными подвергается сомнению и вывод Хаббла, что все соседние галактики удаляются от Земли (а значит, Вселенная расширяется), на том лишь основании, что у них наблюдается красное спектральное смещение. Ученые считают, что красное смещение нельзя однозначно объяснять лишь эффектом Допплера. Это может происходить и по причине того, что гравитационные потенциал звезд превышает гравитационный потенциал Земли, и именно это приводит к отличию излучаемой элементами частоты. На основании этого современные ученые делают вывод, что красное смещение вызвано изменением частоты колебаний, когда элементы находятся в области с большим, чем на Земле, гравитационным потенциалом, а вовсе не из-за удаления от нее звезд и галактик.

Современные теории о дальнейшей эволюции Вселенной

Взяв за фундамент модель расширяющейся Вселенной, ученые вывели ряд теорий о ее дальнейшей эволюции. 

Согласно им, пространство продолжает расширяться, приводя к увеличению разреженности материи, удалению галактик и их скоплений друг от друга, приближению температуры фонового излучения к абсолютному нулю. 

Все звезды когда-то должны будут завершить свой жизненный цикл и превратиться в один из трех вариантов: 

• в белых карликов, которые со временем остынут, став холодными черными карликами;
• в нейтронные звезды;
• в черные дыры.

Придет к концу эра светящегося вещества. Останутся холодное излучение, элементарные частицы, темные массы вещества, которые будут разлетаться все дальше друг от друга в продолжающей разрежаться пустоте.

Огромное количество вещества Вселенной будет поглощено черными дырами. По теории Хокинга, со стороны черных дыр будет продолжать исходить излучение. Но должно будет пройти очень много времени, прежде чем что-то заметно изменится. Проблема в том, что черные дыры поначалу будут поглощать энергию фонового излучения в гораздо больших размерах, чем производить собственную. Поэтому фоновое излучение остынет намного быстрее.

По прогнозам ученых это может случится, когда возраст Вселенной будет больше нынешнего в десятки миллионов раз. Только после этого черные дыры, имеющие массу, равную массе Солнца, начнут взрываться и выбрасывать потоки частиц и излучения.

Английский физик Джон Барроу и американский физик Фрэнк Типлер изложили свою теорию будущей картины расширяющейся Вселенной в совместной работе на эту тему. Они предполагали, что старая нейтронная звезда содержит в своих недрах достаточно энергии, чтобы передавать ее частицам, находящимся вблизи ее поверхности. В результате этого процесса вещество, из которого состоит нейтронная звезда, должно полностью испариться со временем.

По их теории, черные дыры, распадаясь, вызовут рождение частиц и античастиц в равной пропорции.

Типлер и Барроу  считали, что если запаса энергии во Вселенной ровно столько, чтобы хватило для ее неограниченного расширения, и не более, то электрическое притяжение в парах, создаваемых электроном и позитроном, должно перевесить как гравитационное притяжение, так и общее расширение Вселенной.

В этом случае все электроны и позитроны за определенный промежуток времени пройдут процесс аннигиляции друг с другом. В итога, по мнению двух ученых, последняя стадия существующей материи будет представлена не черными дырами и холодными темными телами, а повсеместным разреженным излучением, остывающим до одинаковой конечной температуры.

Немецкий физик Герман фон Гельмгольц еще в 1854 году высказал мысль о неизбежности смерти Вселенной в результате выравнивания температуры ее вещества. Согласно второму началу термодинамики происходит передача тепла к холодным телам от более теплых. Со временем разница их температур будет ничтожной, что приведет к невозможности дальнейшего совершения работы.

К тем же выводам нас приводят современное представление о Вселенной, которая непрерывно и безгранично расширяется, и концепция о квантовом излучении черных дыр.

Ученые не пришли к единому мнению о том, как закончится противоборство между гравитационным притяжением вещества Вселенной и ее расширением.

1. Если притяжение окажется сильнее сил разбегания, то наступит процесс Большого Сжатия, и Вселенная придет к начальному состоянию сингулярности, которое с одинаковой вероятностью может стать как началом нового цикла расширения, так и концом существования Вселенной.
2. Если же победят силы разбегания, то расширение Вселенной будет неограниченно долгим. Но силы притяжения все еще будут иметь большое значение для определения конечного состояния вещества. Возможны 2 варианта:

• темные холодные массы продолжат рассеиваться и дальше;
• вещество превратится в безграничное однородное излучение.

В очень отдаленном будущем наша эпоха звездной активности может оказаться кратчайшим мгновением в ее бесконечном существовании.

На настоящий момент, благодаря собранным данным, перевешивает теория о вечном расширении Вселенной. Хотя все еще есть надежда на то, что Вселенная окажется пульсирующей, и со временем вещество и излучение вновь смогут возродиться в ней.