Устройство вселенной

  Макромир.

  Со становления  классической механики начинается научный  этап изучения природы. Формирование научных взглядов на строение материи относится к XVI в., когда Г.Галилеем была заложена основа первой в истории науки физической картины мира - механической. Он не просто обосновал гелиоцентрическую систему Н. Коперника и открыл закон инерции, а разработал методологию нового способа описания природы – научно-теоретического. Суть его заключалась в том, что выделялись только некоторые физические и геометрические характеристики, которые становились предметом научного исследования. И. Ньютон, опираясь на труды Галилея, разработал строгую научную теорию механики, описывающую и движение небесных тел, и движение земных объектов одними и теми же законами. Природа рассматривалась как сложная механическая система. В рамках механической картины мира, разработанной И. Ньютоном и его последователями, сложилась дискретная (корпускулярная) модель реальности. Материя рассматривалась как вещественная субстанция, состоящая из отдельных частиц - атомов или корпускул. Атомы абсолютно прочны, неделимы, непроницаемы, характеризуются наличием массы и веса. Время представлялось как величина, не зависящая ни от пространства, ни от материи. Движение рассматривалось как перемещение в пространстве по непрерывным траекториям в соответствии с законами механики. Итогом ньютоновской картины мира явился образ Вселенной как гигантского и полностью детерминированного механизма, где события и процессы являют собой цепь взаимозависимых причин и следствий.

  Вслед за ньютоновской механикой были созданы гидродинамика, теория упругости, механическая теория тепла, молекулярно-кинетическая теория и целый ряд других, в русле которых физика достигла огромных успехов. Однако были две области - оптических и электромагнитных явлений, которые не могли быть полностью объяснены в рамках механистической картины мира.

  Эксперименты  английского естествоиспытателя М. Фарадея и теоретические работы английского физика Дж. К. Максвелла окончательно разрушили представления ньютоновской физики о дискретном веществе как единственном виде материи и положили начало электромагнитной картине мира.

  Мегамир.

  Мегамир или космос, современная наука рассматривает как взаимодействующую и развивающуюся систему всех небесных тел.

  Все существующие галактики входят в систему самого высокого порядка - Метагалактику. Размеры Метагалактики очень велики: радиус космологического горизонта составляет 15- 20 млрд. световых лет. Понятия «Вселенная» и «Метагалактика» - очень близкие понятия: они характеризуют один и тот же объект, но в разных аспектах. Понятие «Вселенная» обозначает весь существующий материальный мир; понятие «Метагалактика» - тот же мир, но с точки зрения его структуры - как упорядоченную систему галактик.

  Современные космологические модели Вселенной  основываются на общей теории относительности А. Эйнштейна, согласно которой время существования Вселенной бесконечно, т.е. не имеет ни начала, ни конца, а пространство безгранично, но конечно.

  Галактика - гигантская система, состоящая из скоплений звезд и туманностей, образующих в пространстве достаточно сложную конфигурацию.

  По форме  галактики условно распределяются на три типа: эллиптические, спиральные, неправильные.

  Звезды. На современном этапе эволюции Вселенной  вещество в ней находится преимущественно  в звездном состоянии. 97% вещества в  нашей Галактике сосредоточено в звездах, представляющих собой гигантские плазменные образования различной величины, температуры, с разной характеристикой движения. У многих других галактик, если не у большинства, «звездная субстанция» составляет более чем 99,9% их массы. Возраст звезд меняется в достаточно большом диапазоне значений: от 15 млрд. лет, соответствующих возрасту Вселенной, до сотен тысяч - самых молодых. Есть звезды, которые образуются в настоящее время и находятся в протозвездной стадии, т.е. они еще не стали настоящими звездами. На завершающем этапе эволюции звезды превращаются в инертные («мертвые») звезды. Звезды не существуют изолированно, а образуют системы.

  Солнечная система представляет собой группу небесных тел, весьма различных по размерам и физическому строению. В эту  группу входят: Солнце, девять больших планет, десятки спутников планет, тысячи малых планет (астероидов), сотни комет и бесчисленное множество метеоритных тел, движущихся как роями, так и в виде отдельных частиц. Все эти тела объединены в одну систему благодаря силе притяжения центрального тела - Солнца. Солнечная система является упорядоченной системой, имеющей свои закономерности строения. Единый характер Солнечной системы проявляется в том, что все планеты вращаются вокруг Солнца в одном и том же направлении и почти в одной и той же плоскости. Солнце, планеты, спутники планет вращаются вокруг своих осей в том же направлении, в котором они совершают движение по своим траекториям. Закономерно и строение Солнечной системы: каждая следующая планета удалена от Солнца примерно в два раза дальше, чем предыдущая.

  Модели  устройства вселенной

  Модель  Леметра

  Модель  вселенной, которая начинается с  Большого взрыва, сменяющегося затем  статической фазой и последующим  бесконечным расширением. Модель названа  по имени Дж. Леметра (1894-1966), который в 1927 г. опубликовал работу по расширению Вселенной. Он первым предложил рассматривать процесс расширения Вселенной от состояния "первичного атома", в то время как Эйнштейн всё ещё был сторонником теории статической Вселенной

  Модель  Большого Взрыва

  Гамов и  его аспирант Ральф Алфер построили новую, более реалистичную версию этой модели. Вселенная Леметра родилась из взрыва гипотетического «первичного атома», который явно выходил за рамки представлений физиков о природе микромира. Процентный состав распределения химических элементов во Вселенной на основе леметровской модели (впервые эту работу в 1942 году проделал Чандрасекар) явно противоречил реальности.

  В основе этой теории лежит предположение, что  физическая Вселенная образовалась в результате гигантского взрыва примерно 15-20 миллиардов лет назад, когда все вещество и энергия современной Вселенной были сконцентрированы в одном сгустке с плотностью свыше 10²⁵ г/см^З и температурой свыше 10¹⁶ К. Модель Большого Взрыва была предложена в 1948г. нашим соотечественником Г.А. Гамовым.

  Огромное  радиационное давление внутри сгустка  привело к необычайно быстрому его расширению - Большому Взрыву. Составные части этого сгустка теперь образуют далекие галактики, очень быстро удаляющиеся от нас. Мы наблюдаем их сейчас такими, какими они были примерно 10-14 млрд. лет назад. Таким образом, расширение Вселенной оказывается естественным следствием теории Большого Взрыва.

  Очень важными  в становлении структурной организации  Вселенной явились первые три минуты ее существования, когда температура снижалась до 10⁹ К. В этот момент происходил процесс первичного нуклеосинтеза - образование ядер водорода и гелия с небольшой добавкой ядер дейтерия и лития. В результате сформировалась очень плотная плазма, состоявшая из ядер водорода, гелия (с добавкой ядер дейтерия и лития), электронов и фотонов. Положительно заряженные частицы (ядра водорода, гелия и др.) и отрицательно заряженные (электрон) обменивались между собой фотонами, которые в очень плотной плазме не могли пролететь достаточно далеко, не будучи поглощенными или отклоненными заряженными частицами. Пробег фотона от одного акта рассеяния до другого был крайне незначительным; т.е. имело место состояние термодинамического равновесия первичной плазмы и первичного излучения. В этот период Вселенная представляла собой горячий быстро расширяющийся (а значит, постепенно охлаждающийся) непрозрачный «огненный шар».

  По мере охлаждения этого огненного шара до температуры около 4000 К (когда возраст Вселенной был около 400 тыс. лет, а размер в 1OOO раз меньше современного) электроны замедлились до скорости, которая позволила ядрам водорода и гелия захватывать их и образовать электрически нейтральные атомы. Этот процесс называется рекомбинацией протонов и нейтронов. Плазма из ионизированной превратилась в смесь нейтральных атомов водорода и гелия. При этом исчезли препятствия для свободного движения фотонов, которые перестали взаимодействовать с веществом и получили возможность свободного передвижения во Вселенной. Когда возраст Вселенной был 1 млн. лет, излучение отделилось от плазмы. Вселенная стала полностью прозрачной для излучения.

  Из теории Гамова следовало, что все фотоны, которые освободились после рекомбинации протонов и нейтронов, никуда не исчезли и сохранились до наших дней. Но по мере расширения Вселенной их температура снижалась обратно пропорционально размерам Вселенной. К настоящему времени она должна составлять около 3 К. Эти фотоны должны равномерно заполнять все пространство и создавать особый космический фон электромагнитного излучения. Их число оказывается достаточно высоким: примерно 400-500 фотонов в 1 куб. см. Поскольку это излучение не генерируется космическими телами современной Вселенной, а сохранилось от ранних этапов ее эволюции, оно получило название «реликтового излучения».

  Реликтовое  излучение

  Наиболее  важным подтверждением теории Большого Взрыва является обнаружение реликтового излучения, как раз и связанного с существованием первоначального сверхплотного сгустка вещества и излучения. Название «реликтовое излучение» ввел отечественный астрофизик И.С. Шкловский (1916-1983). Первоначально оно обладало огромной энергией, но расширение и охлаждение сгустка привели к тому, что излучение также «остыло» и энергия квантов уменьшилась, т.е. возросла длина их волны. Это фоновое излучение и сейчас существует во Вселенной, но теперь уже в виде радиоволн, микроволнового и инфракрасного излучения. В последние годы экспериментально обнаружена анизотропия (неравномерность) реликтового излучения, которую связывают с неоднородностями распределения материи и наличием слабых возмущений.

  Сразу после  рождения Вселенная продолжала расти  и охлаждаться. Электромагнитное излучение после Большого Взрыва тоже изменяется - увеличивалась средняя длина волны излучения, и температура реликтового излучения уменьшалась. Таким образом, в расширяющемся пространстве температура излучения должна уменьшаться, что и подтверждает крайне низкая температура современного реликтового излучения.

  По мере расширения изменяется и состав материи, наполняющей наш мир. Кварки объединяются в протоны и нейтроны, появляются также и античастицы. Однако природа «позаботилась» о том, чтобы частиц было немного больше, чем античастиц. Именно благодаря этой небольшой разнице и существует наш мир. А реликтовое излучение - это как раз последствие аннигиляции частиц и античастиц. В настоящее время считается, что сразу после Большого Взрыва началось сверхбыстрое инфляционное расширение, которое можно определить по флуктуации температуры открытых областей расширения.

  Инфляция  физического вакуума

  Базовым понятием инфляционной космологии является заимствованное в квантовой теории поля понятие физического вакуума. Согласно инфляционной теории, Вселенная возникает из физического вакуума высочайшей плотности за счет фазового перехода первого рода.

  Физический  вакуум - форма материи, существующая наряду с веществом и полем. Она  представляет собой не возбужденное состояние квантовых полей разных типов, которому соответствует минимальная  энергия поля. В вакууме существуют реальные частицы, но в силу принципа неопределенности он характеризуется активностью, возникновением и уничтожением виртуальных частиц и способностью находиться в одном из многих состояний с сильно различающимися энергиями и отрицательными давлениями. Возбужденное состояние физического вакуума называют «ложным вакуумом», который способен создать гигантскую силу космического отталкивания.

  Эта сила и вызвала безудержное и стремительное  раздува «пузырей пространства» (зародышей одной или нескольких вселенных), в которых потенциально сконцентрированы колоссальные запасы энергии. Подобное раздувание Вселенной осуществлялось по экспоненте. За первые 10^-34 С. диаметр Вселенной увеличился по меньшей мере в 10¹⁰⁰ раз. Скорость раздувания значительно превосходила световую, но это не противоречит закону теории относительности, так как раздувание не связано с установлением причинно-следственных связей в веществе. Данный тип раздувания был назван инфляцией. За этот мельчайший отрезок времени размер Вселенной увеличился больше, чем за все последующие 13,7 млрд. лет. В период квантовой космологии, т. е. с 10^-43 с. по 10^-34 С. произошло, по-видимому, и формирование пространственно-временных характеристик нашей Вселенной.

  Модели  струнной космологии, дополняя инфляционную космологию, показывают, что до начала расширения все пространственные измерения были совершенно равноправны, симметричны и плотно свернуты в многомерный (9 или более измерений) узел планковских размеров (l0-33 см). Но затем симметрия нарушается, три пространственных измерения отделяются от остальных и начинают расширяться по сценарию инфляционной космологии. Остальные же измерения остаются свернутыми.

  Почему  именно три измерения начали расширяться? Теория объясняет это закономерностями струн, их способностью наматываться или не наматываться вокруг циклического, свернутого измерения, а также наличием струн и антиструн. Намотанные в измерение струны сдерживают его расширение. Если встречаются струна и антиструна, то они аннигилируют и образуют не намотанную струну, которая перестает сдерживать измерение, и оно как пружина, может расширяться. При этом вероятность столкновения струн и антиструн в одномерном, двумерном и трехмерном пространствах достаточно велика, но она становится крайне незначительной при четырех и более измерениях. Анализ показывает, что сначала столкновения струн и антиструн происходили вокруг всех свернутых измерений, но когда аннигиляция ослабила сдерживающую силу сначала одного, затем второго и третьего измерения и они начали все больше расширяться, вероятность раскрытия других измерений резко уменьшилась. Струны пытались обмотать расширяющиеся измерения, но по мере расширения для этого требовалось все больше и больше энергии. Чем больше расширение, тем меньше препятствий для дальнейшего расширения. Так, расширение трех пространственных измерений, подстегивая само себя, приобретало инфляционный характер.