Наука выделяет четыре основных пути, на которых Вселенная может встретить свою судьбу:
1. Большое Замерзание.
2. Большой Хруст.
3. Большое Изменение.
4. Большой Разрыв.
Первый намек на возможный конец Вселенной приходит к нам из термодинамики, науке о тепле. Термодинамика — это такой проповедник физики с дикими глазами, который держит картонный транспарант с простым предупреждением: «Тепловая смерть грядет».
Несмотря на свое название, тепловая смерть Вселенной не представляется огненным адом. Напротив, это смерть всех уровней тепла. Звучит не очень страшно, но тепловая смерть — это хуже, чем запечься до корочки. Это потому, что почти все в повседневной жизни требует определенных разниц температур, прямо или косвенно. Когда Вселенная достигнет тепловой смерти, везде будет одна температура. Это означает, что ничего интересного больше никогда не произойдет. Все звезды умрут, вся материя распадется, все превратится в редкий бульон из частиц и излучения. Даже энергия этого бульона будет уменьшаться с течением времени в результате расширения Вселенной, оставляя все с температурой едва ли выше абсолютного нуля.
В этом процессе Большого Замерзания Вселенная станет равномерно холодной, мертвой и пустой.
После разработки теории термодинамики в начале 1800-х годов, тепловая смерть выглядит как единственным возможным путем конца Вселенной. Но через 100 лет общая теория относительности Эйнштейна провозгласила, что у Вселенной может быть куда более интересная судьба.
Общая теория относительности говорит, что материя и энергия искривляют пространство и время. Это отношение между пространством-временем и материей-энергии — между сценой и актерами на ней — распространяется на всю Вселенную. Все, что есть во Вселенной, по мнению Эйнштейна, определяет конечную судьбу самой Вселенной.
Теория предсказывает, что Вселенная в целом должна либо расширяться, либо сжиматься. Она не может оставаться в прежнем размере. Эйнштейн понял это в 1917 году и так не хотел это признавать, что отказался от собственной теории.
Тогда в 1929 году американский астроном Эдвин Хаббл обнаружил неопровержимые доказательства того, что Вселенная расширяется. Эйнштейн изменил свое мнение, назвав свою предыдущую настойчивость относительно статической Вселенной «величайшей ошибкой» своей карьеры.
Если Вселенная расширяется, когда-то она должна была быть меньше, чем сейчас. Понимание этого привело к появлению теории Большого Взрыва: идеи о том, что Вселенная началась с невероятно малой точки и быстро расширилась. Мы можем увидеть это по «послесвечению» Большого Взрыва — в качестве космического микроволнового фона — постоянного потока радиоволн, идущих со всех направлений в небе.
Получается, судьба Вселенной зависит от очень простого вопроса: будет ли Вселенная расширяться дальше и как быстро?
Для Вселенной, содержащей обычную «начинку» — материю и свет, — ответ на вопрос зависит от количества этой начинки. Больше начинки — значит, больше гравитации, которая стягивает все назад и замедляет расширение. Пока количество начинки не превосходит критический порог, Вселенная будет расширяться вечно и в конечном итоге умрет тепловой смертью.
Но если начинки будет слишком много, расширение Вселенной замедлится и остановится. Тогда Вселенная начнет сжиматься. Сокращающаяся Вселенная будет становиться все меньше и меньше, плотнее и горячее, пока все не закончится в красочном компактном аду, противоположном Большому Взрыву и известном как Большое Сжатие.
На протяжении большей части 20 века астрофизики не были уверены, какой из этих сценариев возымеет действие. Большое Замерзание или Большое Сжатие? Лед или огонь? Они пытались провести космическую перепись, подсчитав количество начинки в нашей Вселенной. Оказалось, что мы до странного близко находимся к критическому порогу, и наша судьба остается под вопросом.
В конце 20 века все изменилось. В 1998 году две соперничающих группы астрофизиков сделали невероятное заявление: расширение вселенной ускоряется.
Обычная материя и энергия не могли бы повлиять на Вселенную таким образом. Это стало первым свидетельством существования нового фундаментального вида энергии, «темной энергии», поведение которой совершенно загадочно для нас.
Темная энергия расталкивает Вселенную в стороны. Мы пока не понимаем, что это такое, но порядка 70% энергии Вселенной приходится на темную энергию, и это число растет день ото дня. Существование темной энергии означает, что количество начинки во Вселенной не определяет ее конечную судьбу. Космосом управляет темная энергия, она ускоряет расширение Вселенной. Следовательно, сценарий Большого Сжатия маловероятен.
Но это не означает, что и Большое Замерзание неизбежно. Есть и другие возможные исходы.
Один из них произошел не в процессе изучения космоса, а из мира субатомных частиц. Это, пожалуй, наиболее странная из возможных судеб Вселенной: что-то фантастическое и при этом вероятное.
В классическом научно-фантастическом романе Курта Воннегута «Колыбель для кошки», «лед-девять» представляет собой новую форму водяного льда с интересными свойствами: он образуется при температуре 46 градусов, а не 0. Если кристалл льда-девять уронить в стакан с водой, вода вокруг кристалла примет его форму, так как его энергия ниже, чем у жидкой воды. Новые кристаллы льда-девять будут проделывать то же самое с водой вокруг себя, и в мгновение ока цепная реакция превратит всю воду в стакане — или в океанах Земли — в твердый лед-девять.
То же самое может случиться в реальной жизни с нормальным льдом и нормальной водой. Если вы наберете в очень чистый стакан очень чистой воды и охладите ее ниже нуля градусов, вода станет переохлажденной: она будет оставаться жидкой ниже естественной точки замерзания. В воде нет никаких примесей, а в стакане нет неровностей, чтобы начал образовываться лед. Но если вы уроните кристалл льда в воду, вода быстро замерзнет, как лед-девять.
Лед-девять и переохлажденная вода могут показаться мало связанными с судьбой Вселенной. Но что-то похожее происходит с самим пространством. Квантовая физика гласит, что даже в абсолютном вакууме присутствует небольшое количество энергии. Но тогда должен существовать другой тип вакуума, содержащий меньше энергии. Если это так, тогда вся Вселенная похожа на стакан с переохлажденной водой. И будет оставаться таковой, пока не покажется «пузырь» вакуума с низкой энергией.
К счастью, мы не знаем таких пузырей. К несчастью, квантовая физика утверждает, что если низкоэнергетический вакуум возможен, пузырь с таким вакуумом неизбежно появится где-то во Вселенной. Когда это произойдет, то подобно истории со льдом-девять новый вакуум «преобразует» старый вакуум вокруг себя. Пузырь будет расти со скоростью света, и мы никогда не увидим его приближения. Внутри пузыря все будет совершенно другим и явно не гостеприимным. Свойства фундаментальных частиц вроде электронов и кварков могут быть совершенно другими, переписывающими правила химии и, возможно, препятствующими образованию атомов. Люди, планеты и даже сами звезды могут быть уничтожены в процессе этого Большого Изменения. В работе 1980 года физики Сидни Коулман и Франк де Люччия назвали его «глобальной экологической катастрофой».
После Большого Изменения и темная энергия будет вести себя по-другому. Вместо того чтобы подталкивать расширение Вселенной, темная энергия может внезапно свернуть Вселенную саму в себя, заставив ее коллапсировать в Большом Сжатии.
Есть и четвертая возможность, и опять темная энергия занимает центральное место. Эта идея очень спорная и невероятная, но не стоит сбрасывать ее со счетов. Темная энергия может быть намного мощнее, чем мы думаем, и сама по себе привести Вселенную к концу без всяких Больших Изменений, Замерзаний и Сжатий.
У темной энергии есть своеобразное свойство. Когда Вселенная расширяется, ее плотность остается постоянной. Это означает, что со временем она разрастается, чтобы идти в ногу с увеличением объема Вселенной. Это необычно, хотя и не нарушает законы физики.
Тем не менее все может быть намного страннее. Что, если плотность темной энергии увеличивается по мере расширения Вселенной? Точнее, что, если количество темной энергии во Вселенной увеличивается быстрее, чем расширяется сама Вселенная?
Эту идею выдвинул Роберт Колдуэлл из Дартмутского колледжа в Ганновере, Нью-Гемпшир. Он назвал это «фантомной темной энергией». И она приводит нас к невероятно странной судьбе Вселенной.
Если фантомная темная энергия существует, тогда нас ждет темная сторона силы, выражаясь языком «Звездных войн». Сейчас плотность темной энергии чрезвычайно низка, намного ниже плотности материи на Земле или даже плотности галактики Млечный Путь, которая намного менее плотная, чем Земля. Однако с течением времени плотность фантомной темной энергии может нарастать и разрывать Вселенную на части. В работе 2003 года Колдуэлл и его коллеги представили сценарий под названием «космический конец света». Как только фантомная темная энергия становится более плотной, чем конкретный объект, этот объект разрывается в клочья.
Сначала фантомная темная энергия разорвет Млечный Путь, отправив его звезды в полет. Затем разорвется Солнечная система, поскольку притяжение темной энергии станет мощнее, чем притяжение Солнца относительно Земли. Наконец, за несколько минут Земля просто взорвется. Сами атомы начнут распадаться, и уже через секунду Вселенная будет разорвана. Колдуэлл называет это Большим Разрывом. Большой Разрыв, по признанию самого Колдуэлла, «весьма диковинный» сценарий.
Фантомная темная энергия бросает вызов фундаментальным идеям Вселенной, вроде допущения о том, что материя и энергия не могут двигаться быстрее скорости света. Это хорошие аргументы против Большого Разрыва. Наблюдения за расширением Вселенной, а также эксперименты с физикой частиц показывают, что в качестве конца света более вероятно Большое Замерзание, за которым последует Большое Изменение, а затем и Большое Сжатие.
Но это довольно мрачный портрет будущего — века холодной пустоты, которые ждут вакуумного распада и финального взрыва, переходящего в небытие. Есть ли какой-нибудь другой вариант? Или мы обречены?
Очевидно, конкретно у нас нет причин переживать о конце Вселенной. Все эти события произойдут через триллионы лет в будущем, за исключением разве что Большого Изменения, так что пока все идет по плану. Также нет причин беспокоиться за человечество. Если не случится иное, генетический разрыв изменит наших потомков до неузнаваемости задолго до этого. Однако смогут ли разумные существа любого вида, люди или нет, выжить в принципе?
Физик Фримен Дайсон из Института перспективных исследований в Принстоне, Нью-Джерси, рассмотрел этот вопрос в классической работе 1979 года. В то время он пришел к выводу, что жизнь сможет изменить себя, чтобы пережить Большое Замерзание, которое, как считал физик, будет менее проблемным, чем ад Большого Сжатия. Но в наши дни он менее оптимистичен, благодаря открытию темной энергии.
«Если Вселенная ускоряется, это плохие новости, — говорит Дайсон. Ускоренное расширение означает, что мы в конечном итоге потеряем контакт со всем, кроме горстки галактик, что резко ограничит количество доступной нам энергии. — В долгосрочной перспективе такая ситуация будет весьма печальной».
Однако положение вещей может измениться. «Мы на самом деле не знаем, будет ли расширение продолжаться и почему оно ускоряется, — говорит Дайсон. — Оптимистичный взгляд на вещи состоит в том, что ускорение будет замедляться по мере расширения Вселенной. Если это произойдет, будущее будет более благоприятным».
Но что, если расширение не будет замедляться или станет известно, что грядет Большое Изменение? Некоторые физики предлагают решение, безумное в принципе. Чтобы избежать конца Вселенной, мы должны построить собственную Вселенную в лаборатории и удрать в нее.
Один из физиков, работавших над этой идее, это небезызвестный Алан Гут из Массачусетского технологического института в Кембридже; он известен своими работами на тему юной Вселенной.
«Не могу сказать, что законы физики допускают возможность такого, — говорит Гут. — Если это возможно, потребуются технологии, выходящие за пределы всего, что мы можем представить. Это потребует гигантского количества энергии, которую еще нужно будет добыть и удержать».
Первый шаг, по мнению Гута, заключается в создании невероятной плотной формы материи — такой плотной, что она будет на грани коллапса в черную дыру. Если сделать это правильно, а затем быстро убрать материю за пределами этого сгустка, можно получить регион пространства, который начнет быстро расширяться.
По сути, вы провоцируете скачок создания совершенно новой Вселенной. По мере расширения области пространства, граница будет сокращаться, создавая пузырь искривленного пространства внутри чего-то большего. Фанатам «Доктора Кто» это может показаться знакомым, и по словам Гута, TARDIS это довольно точная аналогия того, о чем идет речь. В конце концов, «снаружи» сожмется до нуля, и новорожденная Вселенная начнет собственное существование, независимое от судьбы предыдущей Вселенной. Очевидно, как эта схема сработает на самом деле, совершенно непонятно. Мы даже не знаем, возможно это или нет.
Впрочем, у Гута есть другой источник надежды на лучшую судьбу для нашего мира — проблеск надежды. Гут первым предположил, что в самой юности Вселенная расширилась чрезвычайно быстро за долю секунды, эта идея известна как «инфляция». Многие космологи считают, что инфляция является самым точным описанием расширения юной Вселенной, и Гут предлагает создать новую Вселенную, опираясь именно на этот процесс быстрого расширения.
Инфляция имеет интригующие последствия для конечной судьбы Вселенной. Согласно этой теории, наша Вселенная — это малая часть мультивселенной, множества карманных вселенных, которые плавают вокруг.
«В таком случае, даже если мы убедимся, что наша отдельная Вселенная умрет в процессе замерзания, мультивселенная будет жить вечно, и новая жизнь будет рождаться в каждой отдельной карманной Вселенной, — говорит Гут. — Мультивселенная воистину бесконечная, а в бесконечном будущем отдельные Вселенные могут жить и умирать сколько им вздумается».
В общем, ничего хорошего нас не ждет.
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Сценарии будущего Вселенной
Бумдущее Вселемнной -- вопрос, рассматриваемый в рамках физической космологии. Различными научными теориями предсказано множество возможных вариантов будущего, среди которых есть мнения как об уничтожении, так и о бесконечной жизни Вселенной.
После того как теория о создании Вселенной посредством Большого взрыва и её последующем быстром расширении была принята большинством учёных, будущее Вселенной стало вопросом космологии, рассматриваемым с разных точек зрения в зависимости от физических свойств Вселенной: её массы и энергии, средней плотности и скорости расширения.
Сценарии дальнейшей эволюции
вселенная разрыв сжатие эволюция
Вселенная и в наши дни продолжает свою эволюцию, так как эволюционируют её части. Время этой эволюции для каждого типа объектов разнится более, чем на порядок. И когда жизнь объектов одного типа заканчивается, то у других всё только начинается. Это позволяет разбить эволюцию Вселенной на эпохи. Однако конечный вид эволюционной цепи зависит от скорости и ускорения расширения: при равномерной или почти равномерной скорости расширения будут пройдены все этапы эволюции и будут исчерпаны все запасы энергии. Этот вариант развития называется тепловой смертью.
Если скорость будет всё нарастать, то, начиная с определённого момента, сила, расширяющая Вселенную, сначала превысит гравитационные силы, удерживающие галактики в скоплениях. За ними распадутся галактики и звёздные скопления. И, наконец, последними распадутся наиболее тесно связанные звёздные системы. Спустя некоторое время, электромагнитные силы не смогут удерживать от распада планеты и более мелкие объекты. Мир вновь будет существовать в виде отдельных атомов. На следующем этапе распадутся и отдельные атомы. Что последует за этим, точно сказать невозможно: на этом этапе перестаёт работать современная физика.
Вышеописанный сценарий -- это сценарий Большого разрыва.
Существует и противоположный сценарий -- Большое сжатие. Если расширение Вселенной замедляется, то в будущем оно прекратится и начнётся сжатие. Эволюция и облик Вселенной будут определяться космологическими эпохами до того момента, пока её радиус не станет в пять раз меньше современного. Тогда все скопления во Вселенной образуют единое мегаскопление, однако галактики не потеряют свою индивидуальность: в них всё также будет происходить рождение звёзд, будут вспыхивать сверхновые и, возможно, будет развиваться биологическая жизнь. Всему этому придёт конец, когда Вселенная ужмётся ещё в 20 раз и станет в 100 раз меньше, чем сейчас; в тот момент Вселенная будет представлять собой одну огромную галактику.
Температура реликтового фона достигнет 274 К и на планетах земного типа начнёт таять лёд. Дальнейшее сжатие приведёт к тому, что излучение реликтового фона затмит даже центральное светило планетной системы, выжигая на планетах последние ростки жизни. А вскоре после этого испарятся или будут разорваны на куски сами звёзды и планеты. Состояние Вселенной будет похоже на то, что было в первые моменты её зарождения. Дальнейшие события будут напоминать те, что происходили в начале, но промотанные в обратном порядке: атомы распадаются на атомные ядра и электроны, начинает доминировать излучение, потом начинают распадаться атомные ядра на протоны и нейтроны, затем распадаются и сами протоны и нейтроны на отдельные кварки, происходит великое объединение. В этот момент, как и в момент Большого взрыва, перестают работать известные нам законы физики и дальнейшую судьбу Вселенной предсказать невозможно.
Космологические эпохи
Эпоха звёзд (6<з<14)
Нынешняя эпоха, эпоха активного рождения звёзд, закончится ровно в тот момент, когда галактики исчерпают все запасы межзвёздного газа; в это же время закончат свой путь и маломассивные звёзды -- красные карлики, -- полностью исчерпав свои источники горения.
Гораздо раньше потухнет Солнце. Но сначала оно превратится в красного гиганта, поглотив Меркурий и, вероятно, Венеру. Земля же, если не разделит их судьбу, раскалится настолько, что может быть похожа на нынешнюю планету COROT-7b и представлять собой сгусток лавы на дневной стороне.
Эпоха распада (15<з<39)
Если в предыдущей стадии основные объекты Вселенной -- звёзды, подобные нашему Солнцу, то в эпоху распада -- белые и коричневые карлики, и совсем немного нейтронных звёзд и чёрных дыр. Обычных звёзд нет вообще, они все дошли до конечного этапа своей эволюции: белые карлики, нейтронные звёзды, чёрные дыры.
Если в прошлой стадии горение водорода было самым распространённым процессом, то в эту эпоху его место в коричневых карликах, да и идет оно гораздо медленнее. Ныне главенствуют процессы аннигиляции тёмной материи и распад протонов.
Галактики также сильно отличаются от нынешних: все звёзды уже неоднократно сталкивались друг с другом. Да и размер галактик значительно больше: все галактики, входящие в состав локального скопления, слились в одну.
Эпоха чёрных дыр (40<з<100)
На этом этапе фактически всё вещество представляет собой море элементарных частиц. И лишь в некоторых уголках Вселенной продолжают жить нейтронные звёзды. На первый план выходят чёрные дыры.
За предыдущие декады они аккрецировали на себя вещество. В эту эпоху они только излучают. Основных механизмов тут два: столкновение двух чёрных дыр и последующее слияние высвобождает значительную гравитационную энергию, образуются гравитационные волны. Вторым механизмом является излучение Грибова-Хокинга: благодаря своей квантовой природе, некоторым фотонам удаётся пробираться за горизонт событий. Вместе с фотоном чёрная дыра теряет и массу, а потеря массы ведет к ещё большему потоку фотонов. В какой-то момент гравитация больше не может удерживать фотоны света под горизонтом событий, и чёрная дыра взрывается, выкидывая последние остатки фотонов.
Однако возможен и другой сценарий. Чёрные дыры могут образовывать свои скопления и сверхскопления, и точно также они будут сливаться. В итоге образуется гигантская чёрная дыра, которая будет жить фактически вечно. Возможно, под действием гравитации она разогреется до Планковской температуры и достигнет Планковской плотности и станет причиной очередного Большого взрыва, дав начало новой Вселенной.
Эпоха вечной тьмы (з>101)
Это время уже без каких-либо источников энергии. Сохранились только остаточные продукты всех процессов, происходящих в прошлых декадах: фотоны с огромной длиной волны, нейтрино, электроны, позитроны и кварки. Температура стремительно приближается к абсолютному нулю. Время от времени позитроны и электроны образуют неустойчивые атомы позитрония, долгосрочная судьба их -- полная аннигиляция.
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Происхождение Вселенной - гипотезы и модели; космологические теории Большого взрыва и горячей Вселенной. Образование Солнечной системы. Биологическая, экологическая, социально-экономическая и культурно-историческая эволюции; возникновение жизни на Земле.
контрольная работа , добавлен 24.09.2011
Сущность понятия "Вселенная". Изучение истории развития крупномасштабной структуры Вселенной. Модель расширяющейся Вселенной. Теория большого взрыва (модель горячей Вселенной). Причина расширения в рамках ОТО. Теория эволюции крупномасштабных структур.
контрольная работа , добавлен 20.03.2011
История эволюции вселенной и первые мгновения ее жизни. Теория "Большого взрыва", анализ попыток создания математической модели Вселенной. Что такое звезды, галактики и млечный путь. Строение солнечной системы, характеристика ее планет и их спутников.
реферат , добавлен 09.11.2010
История развития представлений о Вселенной. Космологические модели происхождения Вселенной. Гелиоцентрическая система Николая Коперника. Рождение современной космологии. Модели Большого взрыва и "горячей Вселенной". Принцип неопределенности Гейзенберга.
реферат , добавлен 23.12.2014
Главное звено в эволюции Вселенной - жизнь, разум. Самоорганизация пространства-времени в процессе эволюции Вселенной. Случайность в научной картине Вселенной. Философско-мирровоззренческие проблемы космологической эволюции.
реферат , добавлен 24.04.2007
Модель Большого Взрыва как модель эволюционной истории Вселенной, согласно которой она возникла в бесконечно плотном состоянии и с тех пор расширяется, ее преимущества и недостатки. Расширяющаяся Вселенная, теории рождения и гибели, их сторонники.
курсовая работа , добавлен 27.11.2010
Характеристика наиболее известных моделей Вселенной: модель де-Ситтера, Леметра, Милна, Фридмана, Эйнштейна-де Ситтера. Космологическая модель Канта. Теория Большого взрыва. Календарь Вселенной: основные эры в развитии Вселенной и их характеристика.
презентация , добавлен 17.11.2011
Предположение об однородности и изотропии свойств Вселенной на протяжении всех этапов ее эволюции. Вопрос о происхождении химических элементов. Большие проблемы Большого взрыва. Попытки решения проблемы сингулярности. Квантовая физика и реальность.
реферат , добавлен 11.01.2013
Изучение пироцентрической, геоцентрической и гелиоцентрической моделей Вселенной. Современные исследования космологических моделей. Нобелевская премия за открытие ускоренного расширения Вселенной. Измерения гравитационного поля в скоплениях галактик.
курсовая работа , добавлен 03.06.2014
Происхождение и эволюция Вселенной, ее дальнейшие перспективы. Креативная роль физического вакуума. Парадоксы стационарной Вселенной. Основные положения теории относительности Эйнштейна. Этапы эволюции горячей Вселенной, неоднозначность данного сценария.
Есть два взгляда на то, как возник материальный мир. Религии приписывают Богу руководящую роль в мироустройстве. В частности, Библия говорит о нескольких днях, за которые Бог создал сначала свет, потом воду, потом твердь, следом живые существа - вплоть до человека. Сейчас Церкви утверждают, что «шесть дней» - термин метафорический, где день не равен суткам, а длится намного дольше. Другой, кардинально противоположный взгляд на происхождение видимого, материального мира - научный. Эволюция Вселенной, согласно исследованиям ученых, началась с Большого Взрыва (его еще обозначают термином Big Bang), который произошел 10-15 миллиардов лет тому назад.
Что было до того, как возникло всё существующее? Современная астрономия полагает, что это была сжавшаяся до минимальных размеров сфера, внутри которой под действием высочайших температур и давления двигались свободные Все материальное, которое сейчас заполняет собой безбрежный космос, было сжато в пределах стремящейся к нулю по величине точке, с которой и началось происхождение и эволюция Вселенной. До сих пор неясно, что послужило причиной Большого Взрыва. Однако сам этот взрыв привел к расширению Вселенной, и этот процесс продолжается и сейчас. Что это значит? Что одно и то же количество материальных частиц со временем занимает все больший объем.
Будет ли расширяться материальный мир вечно, или когда-нибудь его разрастание в объеме замедлится, прекратится вовсе, наподобие того, как мы наблюдаем при взрыве гранаты? Возможно, вслед за этим эволюция Вселенной прекратится, и заменится этапом «сворачивания», сужения к первоначальной точке. Мы пока не готовы ответить на этот вопрос с определенностью. Но картина мира, созданная учеными, уже может описать последовательные фазы в разрастании и преображении материи. Первая эра - адронная - длилась всего одну миллионную часть секунды, но за это время произошел процесс аннигиляции антибарионов и барионов, образовались протоны и нейроны.
Второй и третий этапы эволюции Вселенной - лептонный и фотонный - также длились всего несколько секунд. В конце второй эры образовалось нейтринное море, а эпоха фотонов завершилась отделением вещества от антивещества (что произошло вследствие аннигиляции позитронов и электронов). Вселенная все расширялась, что привело к понижению плотности энергии частиц и фотонов. Фотонная стадия сменилась звездной, которая продолжается и сейчас. Однако формирование звезд, галактик и групп галактик происходило (да и происходит) неравномерно.
Прошли миллионы лет после Большого Взрыва, пока простейшие частицы превратились в атомы - преимущественно водорода и гелия (эти атомы являются основной составляющей Вселенной), атомы соединились в молекулы, которые вошли в соединения и образовали кристаллы, вещества, минеральные породы. На протяжении звездной эры, которой на данном этапе заканчивается эволюция Вселенной, были сформированы галактики, планеты, зародилась жизнь на нашей Земле. Можно ли сказать, что «эпический фейерверк» закончился, и мы стоим на остывающих углях среди рассеивающегося дыма?
Ученые пришли к выводу, что эволюция Вселенной продолжается. Завихрения гигантского скопления водорода сплющивают вещество, преображают эти скопления в водовороты. Так рождаются сферические, эллиптические и сплющенные галактики (в зависимости от скорости вращения колоссального - в сто тысяч световых лет - круговорота). К последнему типу галактик принадлежит и наша - Млечный Путь. Внутри галактик под давлением сгустков водорода формируются звезды. Они также проходят длительные стадии эволюции: от раскаленных добела сверхновых до «красных гигантов», «белых карликов» и Те же процессы происходят и с нашим Солнцем, в то время, как Космос продолжает расширяться.
Федеральное агентство по образованию
ГОУ ВПО «УГТУ-УПИ имени первого Президента России Б.Н. Ельцина»
Институт образовательных информационных технологий
Факультет дистанционного образования
Реферат
на тему: Эволюция Вселенной, её различные модели
по дисциплине: Концепции современного естествознания
Екатеринбург
Введение
Что есть Вселенная, Земля, Луна, Солнце, звезды? Где начало и где конец Вселенной, как долго она существует, из чего состоит и где границы ее познания? Изучение Вселенной, даже только известной нам её части, является грандиозной задачей. Чтобы получить те сведения, которыми располагают современные ученые, понадобились труды множества поколений.
Проблема возникновения Вселенной занимала людей еще до появления современной науки. В основе интереса лежит - желание дойти до первопричины всего сущего. В библии, например, указана даже точная дата сотворения мира - 5 тысяч лет до нашей эры. Историческое обоснование этой даты может быть в том, что она примерно соответствует последнему ледниковому периоду - 10 тысяч лет до нашей эры. В 5 веке нашей эры автор «Христианской науки» Блаженный Августин указывал, что до возникновения Вселенной понятие времени лишено смысла, что удивительным образом совпадает с представлениями современной науки. Августин писал, что Бог создал и Вселенную, и время, поэтому до рождения Вселенной времени не было. Почему же тогда Вселенная возникла в какой - то определенный момент времени? Древние греки: Платон, Аристотель считали, что мир неизменен и существует вечно, но лишь иногда в нем случаются катастрофы, которые отбрасывают человечество назад.
Целью данной работы является анализ различных моделей существования и эволюции Вселенной, в том числе и сценариев развития Солнечной системы, чьей составной частью является наша планета Земля.
Глава 1. Состав Вселенной и её размеры
Видимая часть Вселенной состоит из сотен миллиардов галактик, и в каждой галактике десятки миллиардов звезд. На каждого обитателя Земли приходится по миллиарду звезд, что значительно расширяет возможности маленького принца Экзюпери, который скромно довольствовался всего одной планетой. Звезды во Вселенной объединены в гигантские Звездные системы, называемые галактиками. Но это лишь видимая часть Вселенной.
Звездная система, в составе которой как рядовая звезда находится наше Солнце, называется Млечный путь. Число звезд в Галактике порядка 1012 (триллиона). Млечный путь, светлая серебристая полоса звезд, опоясывает всё небо, составляя основную часть нашей Галактики. Солнечная система не находится в центре Галактики. В центре Галактики расположено ядро диаметром 1000-2000 пк - гигантское уплотненное скопление звезд. В состав ядра входит много красных гигантов и короткопериодических цефеид (крупные скопления звезд).
Звезды верхней части главной последовательности, а особенно сверхгиганты и классические цефеиды, составляют более молодое население. Оно располагается дальше от центра и образует сравнительно тонкий слой или диск. Среди звезд этого диска находится пылевая материя и облака газа. Субкарлики и гиганты образуют вокруг ядра и диска Галактики сферическую систему.
Науке известна природа лишь 5 % вещества, из которого состоит Вселенная. Эти 5 % (4 %обычная материя - планеты, туманности и т.п., 1 % звезды и галактики) мы видим вокруг и сами из него сделаны. Остальное - великая тайна, а именно 70 % тёмная энергия (недавно открытая форма антигравитации), а 25 % тёмная материя (невидимые частицы с неизвестными свойствами) и5 % видимое вещество (см. рис 1).
Масса нашей Галактики оценивается сейчас разными способами, она равна приблизительно 2*1011 масс Солнца (масса Солнца равна 2*1030 кг), причем 1/1000 ее заключена в межзвездном газе и пыли. Масса галактики в Андромеде почти такова же, а масса галактики в Треугольнике оценивается в 20 раз меньше. Поперечник нашей галактики составляет 100000 световых лет. Путем кропотливой работы московский астроном В.В. Кукарин в 1944 г. нашел указания на спиральную структуру Галактики, причем оказалось, что мы живем в пространстве между двумя спиральными ветвями, бедном звездами. В некоторых местах на небе в телескоп, а кое-где даже невооруженным глазом можно различить тесные группы звезд, связанные взаимным тяготением, или звездные скопления.
Глава 2. Модели эволюции Вселенной
Вселенная - это всё существующее. От мельчайших пылинок и атомов до огромных скоплений вещества звездных миров и звездных систем. Поэтому не будет ошибкой сказать, что любая наука, так или иначе, изучает Вселенную, точнее, тем или иные её стороны. Химия изучает мир молекул, физика - мир атомов и элементарных частиц, биология - явления живой природы. Но существует научная дисциплина, объектом исследования которой служит сама Вселенная. Это особая отрасль астрономии, так называемая космология. Космология - учение о Вселенной в целом.
С развитием кибернетики в различных областях научных исследованиях приобрели большую популярность методики моделирования. Построение различных моделей относится к одному из важных путей познания объективно существующего мира. Объекты, явления и процессы, происходящие во Вселенной, очень сложны. Моделирование позволяет выделить наиболее существенные, характерные черты этих процессов.
С развитием науки, все полнее раскрывающей физические процессы, происходящие в окружающем нас мире, большинство ученых постепенно перешло к материалистическим представлениям о бесконечности Вселенной. Здесь огромное значение имело открытие И. Ньютоном (1643 - 1727) закона всемирного тяготения, опубликованного в 1687 г.
Одним из важных следствий этого закона явилось утверждение, что в конечной Вселенной все ее вещество за ограниченный промежуток времени должно стянуться в единую тесную систему, тогда как в бесконечной Вселенной вещество под действием тяготения собирается в некоторых ограниченных объемах (по тогдашним представлениям - в звездах), равномерно заполняющих Вселенную.
Большое значение для развития современных представлений о строении и развитии Вселенной имеет общая теория относительности, созданная А. Эйнштейном (1879 - 1955). Она обобщает теорию тяготения Ньютона на большие массы и скорости движения, сравнимые со скоростью света. Действительно, в галактиках сосредоточена колоссальная масса вещества, а скорости далеких галактик и квазаров сравнимы со скоростью света.
Одним из значительных следствий общей теории относительности является вывод о непрерывном движении вещества во Вселенной - нестационарности Вселенной. Этот вывод был получен в 20-х годах нашего столетия советским математиком А.А. Фридманом (1888 - 1925). Он показал, что в зависимости от средней плотности вещество Вселенная должна либо расширяться, либо сжиматься. В будущем расширение Вселенной сменится сжатием, а при средней плотности равной или меньшей критической расширение не прекратится. Два последних варианта активно рассматривались астрофизиками, причем в 80 - годы в них было включено невообразимо быстрое расширение Вселенной (инфляция), происшедшее в первые мгновения Большого взрыва.
Теория Александра Фридмана, в отличие от Эйнштейна, считавшего Вселенную стабильной и неизменной, наиболее полно описывает модель её возникновения и развития. Взгляды Фридмана заложили основу для дальнейшего изучения процессов, происходящих во Вселенной.
Принципиально новый этап в развитии современной эволюционной космологии связан с именем американского физика Г.А. Гамова (1904-1968), благодаря которому в науку вошло понятие горячей Вселенной. Согласно предложенной им модели «начала» эволюционирующей Вселенной «первоатом» Леметра состоял из сильно сжатых нейтронов, плотность которых достигала чудовищной величины - один кубический сантиметр первичного вещества весил миллиард тонн. В результате взрыва этого «первоатома» по мнению Г.А. Гамова образовался всоеобраэный космологический котел с температурой порядка трей миллиардов градусов, где и произошел естественный синтез химических элементов. Осколки первичного яйца - отдельные нейтроны затем распались на электроны и протоны, которые, в свою очередь, соединившись с нераспавшимися нейтронами, образовали ядра будущих атомов. Все это произошло в первые 30 минут после «Большого Взрыва».
Горячая модель представляла собой конкретную астрофизическую гипотезу, указывающую пути опытной проверки своих следствий. Гамов предсказал существование в настоящее время остатков теплового излучения первичной горячей плазмы, а его сотрудники Дльфер и Герман еще в 1948 г. довольно точно рассчитали величину температуры этого остаточного излучения уже современной Вселенной. Однако Гамову и его сотрудникам не удалось дать удовлетворительное объяснение естественному образованию и распространённости тяжелых химических элементов во Вселенной, что явилось причиной скептического отношения к его теории со стороны специалистов. Как оказалось, предложенный механизм ядерного синтеза не мог обеспечить возникновение наблюдаемого ныне количества этих элементов.
Ученые стали искать иные физические модели «начала». В 1961 году академик Я.Б. Зельдович выдвинул альтернативную холодную модель, согласно которой первоначальная плазма состояла из смеси холодных (с температурой ниже абсолютного нуля) вырожденных частиц - протонов, электронов и нейтрино. Три года спустя астрофизики И.Д. Новиков и А.Г. Дорошкевич произвели сравнительный анализ двух противоположных моделей космологических начальных условий - горячей и холодной и указали путь опытной проверки и выбора одной из них. Было предложено с помощью изучения спектра излучений звезд и космических радиоисточников попытаться обнаружить остатки первичного излучения. Открытие остатков первичного излучения подтверждало бы правильность горячей модели, а если таковые не существуют, то это будет свидетельствовать в пользу холодной модели.
В конце 60-х годов группа американских ученых во главе с Р. Дикке приступила к попыткам обнаружить реликтовое излучение. Но их опередили Л. Пепзиас и Р. Вильсон, получившие в 1978 г. Нобелевскую премию за открытие микроволнового фона (это официальное название реликтового излучения) на волне 7,35 см.
Примечательно, что будущие лауреаты Нобелевском премии не искали реликтовое излучение, а в основном занимались отладкой радиоантенны, для работы по программе спутниковой связи. С июля 1964 г. по апрель 1965 г они при различных положениях антенны регистрировали космическое излучение, природа которого первоначально была им не ясна. Этим излучением и оказалось реликтовое излучение.
Таким образом, в результате астрономических наблюдений последнего времени удалось однозначно решить принципиальный вопрос о характере физических условий, господствовавших на ранних стадиях космической эволюции: наиболее адекватной оказалась горячая модель «начала». Сказанное, однако, не означает, что подтвердились все теоретические утверждения и выводы космологической концепции Гамова. Из двух исходных гипотез теории - о нейтронном составе «космического яйца» и горячем состоянии молодой Вселенной - проверку временем «выдержала «только «последняя, указывающая на количественное преобладание излучения над веществом у истоков ныне наблюдаемого космологического расширения.
«Морозильный» сценарий разработали американские физики Фред Адамс и Грегори Лафлин еще до открытия ускоренного расширения Вселенной - в 1997 году (модель строится на базе стандартной модели). Согласно их модели, история нашей Вселенной насчитывает четыре эры:
Звездная эра (началась через сотни миллионов лет после Большого взрыва, во Вселенной стали возникать первые звезды и началась интенсивная генерация энергии за счет ядерного синтеза в звездных недрах. Эти процессы продолжаются и сейчас. Ученые вычислили, когда Вселенной исполнится 1014 лет в космическом пространстве не останется свободного водорода, и звезды закончат свое существование).
Эра вырождения охватывает промежуток 1015 - 1037 лет, от сверкающих светил остались нейтронные звезды и белые карлики, копятся черные дыры, которые усиленно растут, произойдет распад ядерного вещества, протоны будут распадаться на позитроны, фотоны, нейтрино и в итоге обычное вещество в составе планет и белых карликов начнет превращаться в излучение.
Эра черных дыр приходится на промежуток времени 1038 - 10100. В это время исчезнут все протоны и нейтроны (барионы) и единственными макрообъектами во Вселенной останутся черные дыры и они вскоре испарятся в излучение и исчезнут во взрывах.
Темная эра наступит когда возраст мироздания превысит 10100 лет. Из материи останутся лишь кванты электромагнитного излучения почти 0 температуры и стабильные лептоны (нейтрино, электроны и позитроны).
Модель «раздувающейся Вселенной» была предложена в 2003 году Р. Калдвеллом, М. Камионковски и Вейнбергом. Расширение Вселенной не дает объяснений в моделях «горячей Вселенной». Возрастающее увеличение темной энергии (вакуум) приведет к вселенскому антиколлапсу. Скорость расширения пространства возрастет до такой степени, что разорвет галактики, т.е. здесь решающее значение приобрела антигравитация, удаление всех пунктов одновременно. Распадутся планетные системы, планеты теряют связь с Солнцем. Разрушаются звезды и планеты. Химические соединения распадаются на атомы, но и атомы теряют стабильность, ядра не могут удерживать электроны. Но все это в далеком будущем.
Существует модель, согласно которой финал гибели Вселенной может произойти и завтра. Впервые он был предложен московским физиком М.Б. Волошиным, И.Ю. Кобзаревым и Л.Б. Окунем в 1975 году. В данной теории учитывается особенность вакуума. В нем отсутствуют реальные частицы, однако постоянно рождаются и исчезают их виртуальные аналоги. В любой момент может произойти туннелирование вакуума из одного состояния в другое, и останется в итоге пространство - время и материя с совершенно иными свойствами (или ничего).
Энергия вакуума учитывается в теории инфляционного расширения новорожденной Вселенной.
Инфляционная модель Вселенной - гипотеза <#"justify">Сценарий №4 Гигантское Солнце
В конце своего развития огромное красное Солнце поглотит Землю, которая превратиться в выжженную пустыню.
Когда-то Солнце выглядело совсем иначе, чем сегодня. Спустя миллиарды лет оно вновь изменит свой облик. Однако эти изменения незаметны в масштабах человеческого времени. Тем не менее, у Солнца есть свой собственный жизненный цикл - образование из облака межзвездного вещества, затем период более или менее спокойного существования, а потом неминуемая смерть.
Через пять миллиардов лет Солнце израсходует весь водород, перейдет на гелий и станет больше сегодняшнего на 75 процентов.
Пройдут еще несколько миллиардов лет, и новое Солнце поглотит Меркурий и Венеру - планеты, ближе всего расположенные к центру Солнечной системы. А Земля, плавающая в раскаленной атмосфере Солнца, сойдет со своей орбиты и в конце концов по спирали погрузится в горнило огромной звезды. Возможно, что Марсу повезет, и примерно на миллиард лет там установится климат, пригодный для зарождения жизни или для ее восстановления, если верно, что она там уже существовала несколько миллиардов лет назад.
Сценарий №5 Конец всей солнечной системы
Обледеневшие планеты Солнечной системы будут летать во мраке вокруг белого карлика-Солнца.
Ужасное расширение, которое произойдет с Солнцем в стадии красного гиганта, опустит занавес на сцене земной жизни. Но это не станет последним актом его существования. В таком состоянии Солнце будет находиться еще миллиард лет. Оно станет питаться гелием, а затем начнет сжигать другие - все более тяжелые - элементы, расположенные на большей глубине, в ядре светила, пожирая слой за слоем, уменьшаясь, как луковица. Когда очередь дойдет до железа, процесс термоядерного синтеза с выделением энергии остановиться. Впрочем, превращение элементов в недрах звезды будет продолжаться, и довольно активно, но теперь уже оно будет происходить с поглощением энергии.
Во время этих последовательных термоядерных реакций будут возникать периоды нестабильности Солнца, во время которых его светимость будет меняться, придавая ему вид переменной звезды типа пульсирующих звезд - цефеид. В финальном периоде смена фаз будет ускоряться, каждая последующая будет короче предыдущей. И все же, в отличие от звезд с большей массой, Солнце не закончит жизнь мгновенно, то есть путем взрыва. Самые верхние слои «отшелушатся» в космос, образовав там планетарную туманность.
В центре солнечной планетарной туманности останется холодное ядро из водорода, гелия, углерода, кислорода и других - более тяжелых - элементов. Его объем будет, сравним с объемом Земли, а плотность в миллионы раз превысит плотность воды (иными словами, масса кубического сантиметра такого вещества будет измеряться тоннами!)
Остывая миллиарды лет, оно охладится до температуры 4000 Кельвинов, и в его веществе начнется процесс кристаллизации.
Вокруг маленького белого Солнца будут вращаться реликты уцелевших планет, скорее всего, это будут Марс, Юпитер и Сатурн, холодные кольца которого испаряться во время фазы красного гиганта. И наступит вечная ночь, во время которой будет так же темно, как сегодня на Земле в полнолуние, а Солнце будет выглядеть ненамного ярче других звезд.
Сценарий №6 Конец млечного пути в черной дыре
Черная дыра, находящаяся в центре Галактики поглотит в свою воронку все звезды Млечного Пути.
Если наблюдать за Млечным Путем и другими далекими галактиками, сразу броситься в глаза очевидная разница: в нашей звездной системе царит относительное спокойствие, тогда как многие другие галактики живут в непрерывной активности.
Выбросы газов, области высокой интенсивности формирования звезд, мощные потоки радиоволн, рентгеновских и гамма лучей, высвобождение огромного количества энергии - все это придает галактикам вид близких звезд, тогда как на самом деле они находятся от нас на расстоянии миллиардов световых лет.
Одна из гипотез объясняет неистовую активность этих звездных систем находящимися в их центрах гигантскими черными дырами, масса которых составляет десятки миллионов солнечных масс.
Существование подобного космического мега пылесоса, который невозможно увидеть непосредственно, подтверждают наблюдаемые астрономами вихревые явления и высочайшие перепады температур, возникающие в ходе всасывания вещества в черную дыру и сопровождающиеся выбросами энергии и газа.
Астрофизики, наблюдая центр нашей Вселенной в различных диапазонах радиоволн, инфракрасного и рентгеновского излучения, а также гамма лучей и собрав массу данных, предложили, что в центре Млечного Пути существует черная дыра.
Ученые предположили, что в центре Млечного Пути существует повышенная концентрация вещества, масса которой превышает солнечную примерно в два миллиона раз, но количество света, доходящего оттуда до нас, непропорционально мало. Кстати, именно по этой причине некоторые ученые сомневаются, что в центре Млечного Пути действительно расположилась огромная черная дыра. Но, с другой стороны, столь громоздкие образования, ведущие себя относительно спокойно, найдены не только в нашей, но и в других внешне нормальных галактиках, например, в туманности Андромеды и ее спутнике M32, недавно изученных с помощью космического телескопа «Хаббл».
Возможно, черная дыра образовалась в результате столкновения с другими галактиками в те далекие времена, когда Вселенная имела еще маленькие размеры. Но что произойдет при встрече ее с другими галактиками, если она когда-нибудь пробудиться от сна? Ответ неутешителен: черная дыра втянет в себя всю нашу Галактику.
В этом случае Млечный Путь ожидает незавидная судьба - сначала он превратиться в водоворот звезд и газа, а затем - в мизерную по размеру область с бесконечно большой плотностью.
Заключение
Вселенная эволюционирует, бурные процессы происходили в прошлом, происходят сейчас, и будут происходить в будущем. Мир становится все сложнее, усложняются и появляются новые теории. И наука не стоит на месте, появляются новые взгляды, гипотезы, учения, поскольку «природа не раскрывает свои тайны раз и навсегда» (Л.А. Сенека).
Если нашей Вселенной грозит смерть, то, может быть появится возможность в будущем перелететь до другой Вселенной. Из общей теории относительности следует возможность существования пространственно-временных тоннелей и перехода в другие Вселенные.
Мы знаем строение Вселенной в огромном объеме пространства, для пересечения которого свету требуются миллиарды лет. Но пытливая мысль человека стремится проникнуть дальше. Что лежит за границами наблюдаемой области мира? Бесконечна ли Вселенная по объему? И её расширение - почему оно началось и будет ли оно всегда продолжаться в будущем? А каково происхождение «скрытой» массы? И наконец, как зародилась разумная жизнь во Вселенной? Есть ли она ещё где-нибудь кроме нашей планеты? Окончательные и полные ответы на эти вопросы пока отсутствуют. Вселенная неисчерпаема. Неутомима и жажда знания, заставляющая людей задавать всё новые и новые вопросы о мире и настойчиво искать ответы на них.
Список использованной литературы
1.Воронцов - Вельяминов Б.А. Очерки о Вселенной. М.,1980. - 672 с.
2.Ксанфомалити Л. Темная Вселенная // Наука и жизнь 2005№5. 58-69 с.
.Левин А. Судьбы мироздания // Популярная механика 2006 №9 40-46 с.
.Левитан Е.П. Эволюционирующая Вселенная. М.: Просвещение., 1993г. 159 с.
.Перель Ю.Г. Развитие представлений о Вселенной М.,1958. 352 с.
.Сурдин В.Г. Дарвин и эволюция Вселенной //Экология и жизнь 2009 №3 4-10 с.
.Шкловский П.С. Вселенная, жизнь, разум М.: Наука 1987. - 320с.
9.
.
.
Репетиторство
Нужна помощь по изучению какой-либы темы?
Наши специалисты проконсультируют или окажут репетиторские услуги по интересующей вас тематике.
Отправь заявку
с указанием темы прямо сейчас, чтобы узнать о возможности получения консультации.
