Возможные сценарии развития вселенной

Возможные сценарии эволюции Вселенной. 

Будущее Вселенной – один из основных вопросов космологии, ответ на который зависит, в первую очередь, от таких характеристик и свойств Вселенной как ее масса, энергия, средняя плотность, а также скорость расширения.

Что мы знаем о Вселенной?

Для начала следует определить само понятие «Вселенная», которое имеет место быть как в астрономии, так и философии. В области астрономии наблюдаемую область Вселенной называют Метагалактикой или просто астрономической Вселенной. Однако, с теоретической точки зрения, которая учитывается большинством моделей и сценариев развития Вселенной, она представляет собой колоссальную систему, выходящую за пределы возможного наблюдения.

Одним из важнейших свойств Вселенной, которое было открыто относительно недавно – это практически однородное и изотропное расширение, которое также оказалось ускоренным. В зависимости от продолжительности этого расширения история Вселенной может принять один из двух предполагаемых сценариев.

В первом случае расширение будет продолжаться до бесконечности, вместе с этим средняя плотность вещества во Вселенной будет стремительно падать, приближаясь к нулю. Коротко говоря, вся начнется с распада скоплений галактик, а закончится делением протона на кварки.

Второй сценарий учитывает постулаты общей теории относительности (ОТО), которая гласит о том, что при значительном росте плотности вещества искривляется пространство-время. Если расширение все же начнет замедляться, то вероятнее всего в какой-то момент оно обернется сжатием. Тогда Вселенная начнет сжиматься, а средняя плотность ее вещества – стремительно расти. При таком ходе событий, согласно ОТО, пространство-время будет постепенно искривляться до тех пор, пока Вселенная не замкнется сама на себе, вроде поверхности обычной сферы, но с большим количеством измерений, чем мы привыкли себе представлять.

Космологические эпохи Вселенной

В попытках предсказать дальнейшую судьбу астрономической Вселенной, ученые разделили ее существование на следующие этапы:

1. Эпоха звезд (10⁶ – 10¹⁴ лет Вселенной). Эпоха, в которую мы живем, и которая отличается активным формированием и рождением звезд. Эпоха звезд будет длиться до того момента, пока не будут исчерпаны все запасы межзвездного газа. К тому времени красные карлики, небольшие и относительно холодные звезды (2000 – 3000 К), окончательно потухнут, переработав все внутреннее топливо. Солнце же, примерно через 5 млрд. лет (около 19 х 10⁹ лет Вселенной) обернется красным гигантом, сбросив с себя верхние слои, которые вероятно поглотят Меркурий и Венеру. Если Землю не постигнет та же участь, то наша планета станет раскаленной и покроется лавой. Спустя еще 2 млрд. лет Солнце оставит после себя лишь белого карлика, а Млечный Путь начнет сливаться с галактикой Андромеда, в результате чего образуется новая единая галактика.
2. Эпоха распада (10¹⁵ – 10³⁹ лет). Временной отрезок жизни Вселенной, к началу которого топливо большинства звезд будет переработано, и они перейдут к последнему этапу своей эволюции, существованию в виде белых карликов, нейтронных звезд или черных дыр, в зависимости от изначальных характеристик тела. Термоядерные реакции будут иметь место лишь в недрах коричневых карликов, которых в космическом пространстве останется незначительное количество. Постепенно галактики одного и того же скопления сольются воедино.

   

   Конец эпохи распада в представлении художника. Пространство без звезд выглядит пугающе.

3. Эпоха черных дыр (10⁴⁰ – 10¹⁰⁰ лет). До начала этой эпохи подавляющая часть космических тел распадется на элементарные частицы, которые и станут основными представителями вещества во Вселенной. Из числа массивных объектов останется лишь малое число нейтронных звезд, а также черные дыры. Если все предыдущие эпохи они накапливали на своей поверхности вещество, то теперь останется лишь процесс излучения накопленного вещества в виде различных элементарных частиц, по большей части – фотонов (излучение Грибова-Хокинга). В результате длительного излучения частиц черная дыра постепенно теряет массу. По этой причине в некоторый момент сил гравитации становится недостаточно, чтобы удержать черную дыру как единое тело, и она взрывается, высвобождая колоссальную энергию в виде испускаемых частиц. Другим типом излучения черной дыры являются гравитационные волны, которые формируются как результат столкновения двух массивных объектов. В результате взаимного притяжения черных дыр образуются их скопления и сверхскопления. Примечательно, что по этой причине может образоваться одна гигантская черная дыра, которая либо будет существовать до конца жизни Вселенной, либо ее температура и плотность достигнут Планковского предела и она вспыхнет новым Большим Взрывом, дав начало новой Вселенной.
4. Эпоха вечной тьмы ( > 10¹⁰¹ лет). Всевозможные источники энергии уже исчерпали себя и в космическом пространстве остались лишь их остаточные продукты, вроде длинноволнового излучения фотонов, нейтрино, кварков, а также позитронов и электронов. Последние изредка и на короткое время (до 143 нс) будут образовывать систему в виде экзотического атома – позитрония. Однако, в конце концов все элементарные частицы настигнет полная аннигиляция. При этом температура Вселенной упадет до максимально близкого значения к абсолютному нулю.

Будущее Вселенной

Несмотря на то, что вещество Вселенной постепенно аннигилирует, само пространство может эволюционировать по четырем гипотетическим сценариям:

1. Если со временем расширение Вселенной замедлится, а после — обернется в сжатие, то конечным этапом ее жизни станет Большое сжатие. В результате чего все вещество коллапсирует и вернется в изначальное свое состояние – сингулярность.
2. Иной сценарий — средняя плотность вещества Вселенной точно определена и является таковой, что расширение постепенно замедляется.
3. Наиболее вероятная, в силу современных результатов наблюдений, модель. Подразумевает равномерное расширение Вселенной, по инерции.
4. Стремительный рост скорости расширения Вселенной, который приведет наш мир к так называемому Большому разрыву.

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.

Источник Hi-news

Из теории Фридмана
следует, что возможны различные сценарии
эволюции Вселенной: неограниченное
расширение, чередование сжатий и
расширений и даже тривиальное стационарное
состояние. Какой из этих сценариев
реализуется — зависит от соотношения
между критической и фактической
плотностью вещества во Вселенной на
каждом этапе эволюции. Для того, чтобы
оценить значения этих плотностей,
рассмотрим сначала, как астрофизики
представляют себе структуру Вселенной.

В настоящее время
считается, что материя во Вселенной
существует в трех формах: обычное
вещество, реликтовое излучение и так
называемая «темная» материя. Обычное
вещество сосредоточено в основном в
звездах, которых только в нашей Галактике
насчитывается около ста миллиардов.
Размер нашей Галактики составляет 15
килопарсек (1 парсек = 30,8  10¹² км).
Предполагается, что во Вселенной
существует до миллиарда различных
галактик, среднее расстояние между
которыми имеет порядок одного мегапарсека.
Эти галактики распределены крайне
неравномерно, образуя скопления
(кластеры). Однако, если рассматривать
Вселенную в очень большом масштабе,
например, «разбивая» ее на «ячейки» с
линейным размером, превышающим 300
мегапарсек, то неравномерность структуры
Вселенной уже не будет наблюдаться.
Таким образом, в очень больших масштабах
Вселенная является однородной и
изотропной. Вот для такого равномерного
распределения вещества можно рассчитать
плотность _в,
которая составляет величину 
310^-31
г / см³.

Эквивалентная
реликтовому излучению плотность _р
  
510^-34
 г / см³,
что много меньше _в
и, следовательно, может не приниматься
в расчет при подсчете общей плотности
материи во Вселенной.

Наблюдая за
поведением галактик, ученые предположили,
что помимо светящегося, «видимого»
вещества самих галактик в пространстве
вокруг них существуют, по-видимому,
значительные массы вещества, наблюдать
которые непосредственно не удается.
Эти «скрытые» массы проявляют себя
только тяготением, которое сказывается
на движении галактик в группах и
скоплениях. По этим признакам оценивают
и связанную с этой «темной» материей
плотность _т,
которая, по расчетам, должна быть примерно
в ~ 30 раз больше, чем _в.
Как будет видно из дальнейшего, именно
«темная» материя является, в конечном
счете, «ответственной» за тот или иной
«сценарий» эволюции Вселенной¹.

Чтобы убедиться
в этом, оценим критическую
плотность
вещества, начиная с которой «пульсирующий»
сценарий эволюции сменяется «монотонным».
Такую оценку, хотя и достаточно грубую,
можно произвести на основании классической
механики, без привлечения общей теории
относительности. Из современной
астрофизики нам потребуется только
закон Хаббла.

Вычислим энергию
некоторой галактики, имеющей массу m,
которая находится на расстоянии L
от «наблюдателя» (рис.10.2). Энергия Е
этой галактики складывается из
кинетической энергии
и потенциальной энергии,
которая связана с гравитационным
взаимодействием галактикиm
с веществом массы M,
находящимся внутри шара радиуса L
(можно показать, что вещество, находящееся
вне шара, не вносит вклада в потенциальную
энергию). Выразив массу M
через плотность ,
,
и учитывая закон Хаббла, запишем выражение
для энергии галактики:

Рис. 10.2 К расчету критической плотности
вещества Вселенной

Из этого выражения видно,
что в зависимости от значения плотности

энергия Е
может быть либо положительной (Е

0), либо отрицательной (Е

0). В первом случае рассматриваемая
галактика обладает достаточной
кинетической энергией, чтобы преодолеть
гравитационное притяжение массы М и
удалиться на бесконечность. Это
соответствует неограниченному монотонному
расширению Вселенной (модель «открытой»
Вселенной).

Во втором случае
(Е
< 0) расширение Вселенной в какой-то
момент прекратится и сменится сжатием
(модель «замкнутой» Вселенной).
Критическое значение плотности
соответствует условию Е
= 0, поэтому получаем

Подставив в это
выражение известные значения Н
= 15 ((км/с)/10⁶
световых
лет) и G
= 6,6710^-11
м³/кг
с² ,
получаем значение критической плотности
_к

10^-29
г / см³.
Таким образом, если бы Вселенная состояла
только из обычного “видимого” вещества
с плотностью _в

310^-31
г / см³,
то ее будущее было бы связано с
неограниченным расширением. Однако,
как было сказано выше, наличие «темной»
материи с плотностью _т

_в
может привести к пульсирующей эволюции
Вселенной, когда период расширения
сменяется периодом сжатия (коллапсом)
(рис.10.3). Правда, в последнее время ученые
все больше приходят к мысли, что плотность
всей материи во Вселенной, включая и
«темную» энергию, в точности равна
критической. Почему это так? На этот
вопрос ответа пока нет.

Рис. 10.3. Расширение и сжатие Вселенной

10.5
Иерархичность структуры Вселенной

Фундаментальные
константы играют важную роль в построении
масштабов нашего мира. Они позволяют
дать некую иерархическую картину
структуры Вселенной. Это можно пояснить
графически представлениями изменения
размеров тел и расстояний, а также их
масс (рис. 10.4 и 10.5). Действительно, наиболее
естественными и наглядными квалификационными
признаками являются размер объекта и
его масса. Выделяют

—
микромир с характерными размерами
меньше, чем 10^-8
м (частицы, ядра, атомы, молекулы),

—
макромир (макромолекулы, кристаллы
жидкости, газы, живые организмы, человек,
объекты техники, т.е. макротела)

—
мегамир (планеты, звезды, галактики).

Понятно,
что границы микро- и макромира подвижны,
и не существует отдельного микромира
и отдельного макромира. Естественно,
что макрообъекты и мегаобъекты, построены
из микрообъектов и в основе макро- и
мегаявлений лежат микроявления. Это
наглядно видно на примере построения
Вселенной из взаимодействующих
элементарных частиц в рамках
космомикрофизики. На самом деле мы
должны понимать, что речь идет лишь о
различных уровнях рассмотрения вещества.
Микро-, макро- и мегаразмеры объектов
соотносятся друг с другом как макро/микро
~ мега/макро. В классической физике
отсутствовал объективный критерий
отличия макро- от микрообъекта. Это
отличие ввел М. Планк: если для
рассматриваемого объекта минимальным
воздействием (квант действия) на него
можно пренебречь, то это макрообъекты,
если нельзя — это микрообъект.

Рис. 10.4 Масштабы Вселенной Рис. 10.5 Масштабы микромира

Кварки
«являются» составной частью протонов
и нейтронов, затем из них образуются
ядра атомов. Атомы объединяются в
молекулы. Если двигаться дальше по шкале
размеров тел, то далее следуют обычные
макротела, планеты и их системы, звездные
скопления галактик и метагалактик, т.е.
можно представить переход от микро-,
макро- и мега- как в размерах, так и
моделях физических процессов.
Фундаментальные мировые константы
определяют масштабы иерархической
структуры материи нашего мира. Очевидно,
что сравнительно небольшое их изменение
и должно приводить к формированию
качественно иного мира, в котором стало
бы невозможным образование ныне
существующих микро-, макро- и мегаструктур
и в целом высокоорганизованных форм
живой материи. Имеющая место «подгонка»
мировых констант, т.е. определенные их
значения и взаимоотношения между ними,
по существу, и обеспечивает структурную
устойчивость нашей Вселенной. Поэтому
проблема, казалось бы, абстрактных
мировых констант имеет глобальное
мировоззренческое значение.

Антропный
принцип требует также, чтобы средняя
плотность вещества Вселенной ρ_ср
была бы близка к критической ρ_кр,
так как при ρ_ср
<< ρ_кр
следует, что время существования нашего
мира было бы настолько мало, что за это
время жизнь не могла бы возникнуть.

Однако
современная наука не дает однозначного
ответа, какое из этих отношений между
ρ_кр
и ρ_ср
справедливо, поскольку часть вещества
находится в «невидимом» состоянии.
Оценка же дает близкие значения ρ_кр
≈ 10^-29
г/см³,
ρ_ср
≈ 10^-30
г/см³,
откуда следует, что уже в рамках
ньютоновской механики следует возможность
нестационарной или, как мы уже знаем,
пульсирующей Вселенной. Из таких
вариантов эволюции Вселенной можно
сделать следующие выводы: из
термодинамических соображений следует,
что Вселенную в целом можно рассматривать
как открытую систему, в которой происходят
необратимые и неравновесные процессы.
Во всяком случае, ρ_ср
и ρ_кр
близки по своим значениям, и, следовательно,
антропный принцип выполняется. Заметим
также, что радиус R
не
должен быть больше критического R_кр
= 2Gm/c²,
поскольку в нашем миропонимании и
признании ОТО скорость разбегания
Галактик не должна превышать скорость
света (ν
<
с).
Показано, что при ρ_кр
≈ ρ_ср
пространство может считаться
псевдоевклидовым и число пространственных
измерений опять же сводится к трем. Это
вообще не удивительно, так как модель
развита в рамках теории Ньютона. Заметим
еще один интересный результат, полученный
в 20-х годах П.
Эренфестом (1880—1933): при
четном числе пространственных координат
не должно существовать замкнутых орбит
планет и невозможна передача информации
путем волн, что может служить дополнительным
свидетельством в пользу трехмерности
пространства и правильности антропного
принципа.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]

• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #

9План урока:

Современная космология

Вселенная Фридмана

«Красное смещение» и закон Хаббла

Что такое теория Большого Взрыва

Что называют реликтовым излучением

Будущее Вселенной

Современная космология

Космологией называется раздел астрономии, который занимается изучением происхождения и развития Вселенной в целом. С научной точки зрения, Вселенная является системой, обладающей особыми свойствами.

Еще в древности человечество задавалось вопросами о происхождении Вселенной. Но тогда весь процесс мироздания объяснялся деятельностью богов. Со временем, когда влияние церкви на человека уменьшилось, ученые постарались объяснить эволюцию Вселенной с помощью физических и химических законов. Существенный прорыв в изучении космического пространства произошел после изобретения телескопа. Тогда астрономы узнали, что численность звезд на небе исчисляется многочисленными миллионами. В середине XIX века с помощью прибора определили расстояние до ближайших звезд.

Немного позже создали шкалу измерений расстояний до более отдаленных космических объектов. В ее основу легли наблюдения за особым типом переменных звезд – цефеид и измерения красного смещения спектров астрономических тел. Благодаря анализу спектральных смещений было установлено, что Вселенная расширяется, то есть промежутки между скоплениями галактик постоянно увеличиваются.

Активное развитие современная космология получила в ХХ веке. В это время Эйнштейн выдвигает несколько теорий относительно Вселенной, которые в дальнейшем он смог доказать на примере уравнения гравитационного поля. Все исследования ученого, так или иначе, были связаны с общей теорией относительности. Эйнштейн рассматривал Вселенную как однородное, стационарное и изотропное пространство. Другими словами она имела определенные границы и положительную кривизну. На этом развитие основ современной космологии не закончилось. 

Александр Фридман в 1922 г выдвинул мнение, что расширение Вселенной происходит из начальной сингулярности.

Предположение Фридмана было подтверждено после открытия Эдвином Хабблом космологического красного смещения. Это привело к возникновению теории Большого Взрыва, актуальность которой сохраняется и сегодня. Все вышеперечисленные открытия и представления составляют основу современной космологии.

Кроме этого современной научной космологии удалось установить приблизительный возраст Вселенной. По мнению специалистов, он составляет 13,8 миллиардов лет.

Вселенная Фридмана

Фридман допускал, что Вселенная имеет совершенно одинаковый вид во всех направлениях и данное условие характерно для всех ее точек. Исходя из этого и учитывая общую теорию относительности, ученый дал понять, что не стоит ожидать от Вселенной стационарности.

Если посмотреть на небосвод, можно увидеть светящуюся полосу – нашу Галактику Млечный путь. Сфокусировав свой взгляд на более отдаленных галактических системах, видно, что в разных частях космического пространства их число будет примерно одинаковым. Исходя из этого, можно говорить об относительной однородности Вселенной.

Модель Вселенной Фридмана была одной из самых удачных. Кроме того, она соответствовала наблюдениям Хаббла. Однако в западных странах о ней услышали только в 1935 г, после того, как подобные модели были разработаны Говардом Робертсоном и Артуром Уокером. Несмотря на то, что Вселенная Фридмана имела только одну модель, на ее основе можно построить еще три других:

• расширение Вселенной по Фридману настолько медленное, что силы притяжения между галактическими пространствами еще сильнее замедляют его, а со временем вообще останавливают. После этого галактики устремляются навстречу друг к другу, то есть запускается процесс сжатия космического пространства.Расширяющая Вселенная Фридмана достигает определенного максимума, а потом начинает снова возвращаться в начальную точку;
• вторая космологическая модель Вселенной Фридмана гласит, что расширение космического пространства происходит с незначительной скоростью. Ее хватает лишь для того, чтобы не начался обратный процесс сжатия. В данном предположении расширение начинается с начальной точки, но при этом оно всегда растет. Скорость процесса замедляется, но никогда не останавливается;
• расширение космического пространства происходит с огромной скоростью. Она настолько велика, что гравитационные силы никогда не смогут остановить данный процесс, разве что только слегка замедлить его. Разделение галактик начинается также с определенного нулевого расстояния.

Источник

Анализируя все вышесказанное, можно сделать вывод: модель Фридмана рассказывает, что Вселенная не бесконечна в космическом пространстве, но само пространство безгранично. В результате сильных гравитационных сил, пространство искривляется и замыкается, то есть напоминает чем-то сферическую форму Земного шара. Если человек путешествует по поверхности планеты в одном и том же направлении, он никогда не встретит препятствие, которое не смог бы преодолеть, кроме того, он никогда не упадет «с края Земли». Рано или поздно он просто вернется в точку, с которой начинал свое путешествие. Примерно такое же пространство изображено в модели нестационарной Вселенной Фридмана.

«Красное смещение» и закон Хаббла

Одним из самых важных научных открытий Хаббла является природа синего и красного гравитационного смещения. С их помощью ученым удается распознать, приближается или удаляется от нас то или иное космическое тело.

Источник

В 1929 г Эдвин Хаббл с помощью 100-дюймового телескопа проводил измерение спектральных свойств галактических систем Гершеля и отметил интересный факт. С одной стороны галактики имели много общего с Млечным путем, вот только спектры их самых ярких звезд имели существенные отличия от спектров звезд из нашей Галактики. Все они были сдвинуты в более длинноволновую сторону спектра, то есть в красную. Данное явление Хаббл назвал эффект красного смещения. Ученый заметил, что в пределах одного галактического пространства, красное смещение звезд было более менее одинаковым, а вот с другими галактиками оно имело существенные отличия.

Он выделил закономерность:

Проще говоря: чем дальше расположена наблюдаемая галактика, тем эффект красного смещения будет больше. Так был сформирован закон Хаббла, который изображается формулой:

Постоянная Хаббла представляет собой коэффициент, который входит в состав закона Хаббла. С его помощью связали расстояние до определенной галактической системы или квазара со скоростью их удаления. Измеряется в км/с на мегапарсек (Мпк).Со временем значение постоянной Хаббла регулярно меняется, смысл слова «постоянная» заключается в том, что в определенный момент времени величина Н во всех точках Вселенной будет одинаковой. Изменения связаны с использованием разных методик расчета и с изобретением более новых исследовательских аппаратов. В данный момент значение постоянной 70,1 (км/с)/Мпк.

Согласно закону Хаббла ученым удалось вычислить теоретический возраст Вселенной. Для этого они оценивали величину красного смещения для самых отдаленных объектов Вселенной, зная, что в самом начале все было сжато в единую точку. Самое интересное, что хаббловский возраст Вселенной практически равен тому возрасту, который был рассчитан по космологической модели Фридмана – 13,8 млрд. лет.

Эффект красного смещения во Вселенной объясняется ее постоянным расширением. Представьте ситуацию, если человек неподвижно стоит в определенном месте, то постепенно звук, пролетающего над ним самолета, будет ослабевать и менять тон, в зависимости от увеличения расстояния.

Примерно такой же эффект происходит и с красным смещением, но его масштабы куда больше. Чем дальше находится заезда от наблюдателя, тем заметней будет изменение частоты света, исходящего от нее. Во время наблюдения красное смещение представляет собой сдвиг спектральных линий в звездном излучении в красную область спектра.

В космологии еще есть понятие синего смещения, которое представляет собой полную противоположность красному. Если происходит сдвиг спектральных линий в сторону синей области, то это означает, что галактика приближается к нам с определенной скоростью.

Источник

Что такое Большой Взрыв

На сегодняшний день происхождение Вселенной является одной из главнейших загадок человечества. Ученые постоянно пытаются найти и выяснить, что же находится за пределами нашего мира. Развитие технологического процесса позволило найти ответы на многие вопросы, но о том, как зародилась Вселенная практически ничего не известно. За время развития космологии было выдвинуто множество теорий. Одни из них были сразу же опровергнуты, в то время как другие имели какую-то правдивость и логичность.

Одной из теорий, имеющих право на существование и продолжения, считается теория Большого Взрыва.  Данный термин появился в 1949 г благодаря Ф. Хойлу. Считалось, что до Большого Взрыва все, что сейчас существует во Вселенной, находилось совершенно в другом состоянии – было сконцентрировано в одной точке.После Взрыва следовало несколько стадий развития, в ходе которых пространство заполнялось различными частичками, элементами, объектами и структурами.

Источник

Как же эволюционировала Вселенная  в теории Большого Взрыва:

• Эпоха сингулярности – считается, что до того, как Вселенная стала такой, какой ее знает человечество, вещество в ней имело практически бесконечные величины плотности и температуры, но при этом само оно стремилось к нулю. Это сложнейший вопрос современной космологии, так как выяснить, что же было до момента Большого Взрыва практически невозможно. В теории у одного вещества не может одновременно быть бесконечная плотность и бесконечная температура. Именно поэтому, сингулярность Вселенной не соответствует физическим законам. Некоторые ученые предполагали, что сингулярности вообще никогда не было. Другие отмечали, что Вселенная образовалась из абсолютного вакуума, то есть из «ничего» за счет колебаний системы. Бытовало также мнение, что благодаря Большому взрыву возникла «Метагалактика», которая представляла собой своеобразный пузырь в веществе более высокой плотности.
• Планковая эпоха – после того как произошла масштабная космическая катастрофа, первичное вещество начало расширяться и охлаждаться. Причем, чтобы сформировались различные структуры в пространстве, одновременный взрыв должен был быть во всех местах. В период от 0 до 10^-43 секунды параметры температуры, плотности и энергии вещества соответствовали постоянным Планка (6,626 070 15⋅10⁻³⁴ Дж/с). Произошло зарождение частиц, что стало началом эволюции Вселенной.
• Эпоха великого объединения длилась в период с 10^-43 до 10^-35 секунды. За это время начинают образоваться гравитационные силы, которые в дальнейшем способствовали формированию звезд и планет. Первичная материя уже не однородно плотная, но говорить о каких-либо физико-химических параметрах еще слишком рано.
• Эпоха инфляции – ее период с 10^-35 до 10^-32 секунды после Большого Взрыва. Для нее характерно ускоренное расширение Вселенной. Это привело к перераспределению первичного вещества.
• Электрослабая эпоха – заняла промежуток с 10^-32 до 10^-12 секунды. Зарождаются элементарные частицы – хиггсовский бозон, Z-, W-частички. Довселенское вещество в своем первоначальном виде перестает существовать.
• Кварковая эпоха – с 10^-12 до 10^-6 секунды. Вещество во Вселенной начинает представлять собой совокупность безмассовых и бесструктурных фундаментальных частичек. В этой эпохе четыре фундаментальных взаимодействия (гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое) уже существуют по отдельности.
• Андронная эпоха – из элементарных частичек формируются андроны – это частицы, у которых есть сильное ядерное взаимодействие. С них сформировались нуклоны, которые в свою очередь образуют атомные ядра, нейтроны и протоны. Данная эпоха длилась не более 100 секунд после Взрыва.
• Лептонная эпоха – ее протяженность 3 минуты. За время данного этапа эволюции Вселенной сформировались лептоны и их подвид – нейтрино, которые также играют одну из важнейших ролей в последующем мироздании.
• Протонная эпоха — длилась 300 тыс. лет. За это время вещество перераспределяется. Оно занимает доминирующую позицию над излучением, что приводит к уменьшению скорости расширения Вселенной. В конце периода происходит передвижение тепловых фотонов.
• Темные века – продолжительность 500 млн. лет. По всему пространству Вселенной распространяется водородно-гелиевая масса и реликтовое тепловое излучение. Еще нет ни одного знакомого человечеству космического объекта.
• Реионизация – эпоха длилась 300 млн. лет. В результате гравитационных сил водород и гелий начинают сжиматься, зарождаются процессы термоядерного синтеза. Образовались самые первые звезды. Они начали формировать скопления – галактики. В центральной части таких галактических пространств возникали квазары – мощнейшие источники излучения и гравитации.
• Эра вещества – это один из самых интересных этапов в процессе эволюции Вселенной. Звезды начинают вокруг себя формировать протопланетные диски, что привело к образованию планетных систем. В этот период возникает и наша Солнечная система со всеми планетами.

Что называют реликтовым излучением

В космологии под реликтовым излучением понимают – космическое микроволновое фоновое излучение. Данное понятие ввел русский астрофизик И.С. Шкловский. Простым языком, реликтовое излучение – это слабое свечение, которое заполняет все пространство Вселенной, попадая при этом на Земной шар и другие объекты космоса. Это то, что осталось от процесса «строительства Вселенной», с того момента, как она начала только зарождаться. Излучение течет в пространстве, в течение последних 13,5 млрд. лет, напоминая чем-то тепло от камина, огонь в котором уже давно погас.

По сути, реликтовое излучение – это электромагнитные волны, которые растеклись по космическому пространству. Ученые предполагают, что оно образовалось примерно 380 тыс. лет после Большого Взрыва. Есть мнение, что реликтовое излучение способно объяснить образование первых звезд и галактик.

Увидеть излучение невооруженным глазом человек не может. Для его изучения используют специальные радиотелескопы. На сегодняшний день известно, что температура реликтового излучения на 2,725 градусов выше абсолютного нуля, следовательно, оно очень холодное. Несмотря на то, что плотность энергии реликтового излучения всего 0,25 эВ/см³, оно заполняет все космическое пространство. Его главное свойство однородность, что позволяет ученым интерпретировать его как остаточное явление после Большого Взрыва. Если бы человеческие органы могли воспринимать микроволны, то небо для нас сияло равномерным приятным светом.

В современной космологии открытие реликтового излучения имеет важное значение. Благодаря свету, распространение которого происходит с конечной скоростью, исследователи могут наблюдать за самыми далекими космическими телами и структурами, то есть заглядывать в прошлое Вселенной. Многие звезды, которые видны человеку невооруженным глазом, находятся на расстоянии 10-100  световых лет. Именно столько времени необходимо свету, чтобы добраться до Земного шара. То есть, наблюдая за звездным небом, человек видит его таким, каким оно было как раз 10-100 световых лет назад. Астрономы активно изучают ближайшую к нам галактику – Андромеду, но при этом в настоящем времени они видят ее такой, какой она была 2,5 млрд. лет назад. Благодаря физическим свойствам реликтового излучения человечество способно шагнуть в далекое прошлое и «увидеть», какой именно была Вселенная после Большого Взрыва.

Будущее Вселенной

Вопрос о том, что ждет Вселенную в будущем, является одним из самых популярных среди ученых-космологов. Одно из важнейших свойств Вселенной – это ее ускоренное расширение. Исходя из этого, в дальнейшем развитии космического пространства может быть два сценария:

• расширение Вселенной будет продолжаться бесконечно, что приведет к снижению средней плотности вещества, которая рано или поздно приблизится к нулю. Простыми словами, в начале начнут распадаться галактические скопления, а в конце протоны поделятся на кварки;
• рано или поздно расширение Вселенной замедлится и запустится обратный процесс – сжатие. В результате произойдет коллапс и все космическое вещество вернется в свое первоначальное состояние – сингулярность.

Есть еще одно предположение, что в результате стремительного роста скорости расширения Вселенной, произойдет Большой разрыв – данный процесс подразумевает разрыв абсолютно всех существующих космических структур и даже мельчайших атомов.

Исследование Вселенной – процесс интересный и увлекательный. Ежедневно ученые пытаются объяснить новые явления и процессы, строят математические и космические модели структур и объектов, ищут ответы на самые таинственные загадки. Все эти знания позволяют узнать прошлое мироздания и предсказать его возможное будущее.

Будущее Вселенной – один из основных вопросов космологии, ответ на который зависит, в первую очередь, от таких характеристик и свойств Вселенной как ее масса, энергия, средняя плотность, а также скорость расширения.

Что мы знаем о Вселенной?

Для начала следует определить само понятие «Вселенная», которое имеет место быть как в астрономии, так и философии. В области астрономии наблюдаемую область Вселенной называют Метагалактикой или просто астрономической Вселенной. Однако, с теоретической точки зрения, которая учитывается большинством моделей и сценариев развития Вселенной, она представляет собой колоссальную систему, выходящую за пределы возможного наблюдения.

Одним из важнейших свойств Вселенной, которое было открыто относительно недавно – это практически однородное и изотропное расширение, которое также оказалось ускоренным. В зависимости от продолжительности этого расширения история Вселенной может принять один из двух предполагаемых сценариев.

Возможные сценарии развития нашего мира

В первом случае расширение будет продолжаться до бесконечности, вместе с этим средняя плотность вещества во Вселенной будет стремительно падать, приближаясь к нулю. Коротко говоря, вся начнется с распада скоплений галактик, а закончится делением протона на кварки.

Трансформации пространства

Второй сценарий учитывает постулаты общей теории относительности (ОТО), которая гласит о том, что при значительном росте плотности вещества искривляется пространство-время. Если расширение все же начнет замедляться, то вероятнее всего в какой-то момент оно обернется сжатием. Тогда Вселенная начнет сжиматься, а средняя плотность ее вещества – стремительно расти. При таком ходе событий, согласно ОТО, пространство-время будет постепенно искривляться до тех пор, пока Вселенная не замкнется сама на себе, вроде поверхности обычной сферы, но с большим количеством измерений, чем мы привыкли себе представлять.

Космологические эпохи Вселенной

В попытках предсказать дальнейшую судьбу астрономической Вселенной, ученые разделили ее существование на следующие этапы:

1. Эпоха звезд (106 – 1014 лет Вселенной). Эпоха, в которую мы живем, и которая отличается активным формированием и рождением звезд. Эпоха звезд будет длиться до того момента, пока не будут исчерпаны все запасы межзвездного газа. К тому времени красные карлики, небольшие и относительно холодные звезды (2000 – 3000 К), окончательно потухнут, переработав все внутреннее топливо. Солнце же, примерно через 5 млрд. лет (около 19 х 109 лет Вселенной) обернется красным гигантом, сбросив с себя верхние слои, которые вероятно поглотят Меркурий и Венеру. Если Землю не постигнет та же участь, то наша планета станет раскаленной и покроется лавой. Спустя еще 2 млрд. лет Солнце оставит после себя лишь белого карлика, а Млечный Путь начнет сливаться с галактикой Андромеда, в результате чего образуется новая единая галактика.
2. Эпоха распада (1015 – 1039 лет). Временной отрезок жизни Вселенной, к началу которого топливо большинства звезд будет переработано, и они перейдут к последнему этапу своей эволюции, существованию в виде белых карликов, нейтронных звезд или черных дыр, в зависимости от изначальных характеристик тела. Термоядерные реакции будут иметь место лишь в недрах коричневых карликов, которых в космическом пространстве останется незначительное количество. Постепенно галактики одного и того же скопления сольются воедино.

   Конец эпохи распада в представлении художника. Пространство без звезд выглядит пугающе.

3. Эпоха черных дыр (1040 – 10100 лет). До начала этой эпохи подавляющая часть космических тел распадется на элементарные частицы, которые и станут основными представителями вещества во Вселенной. Из числа массивных объектов останется лишь малое число нейтронных звезд, а также черные дыры. Если все предыдущие эпохи они накапливали на своей поверхности вещество, то теперь останется лишь процесс излучения накопленного вещества в виде различных элементарных частиц, по большей части – фотонов (излучение Грибова-Хокинга). В результате длительного излучения частиц черная дыра постепенно теряет массу. По этой причине в некоторый момент сил гравитации становится недостаточно, чтобы удержать черную дыру как единое тело, и она взрывается, высвобождая колоссальную энергию в виде испускаемых частиц. Другим типом излучения черной дыры являются гравитационные волны, которые формируются как результат столкновения двух массивных объектов. В результате взаимного притяжения черных дыр образуются их скопления и сверхскопления. Примечательно, что по этой причине может образоваться одна гигантская черная дыра, которая либо будет существовать до конца жизни Вселенной, либо ее температура и плотность достигнут Планковского предела и она вспыхнет новым Большим Взрывом, дав начало новой Вселенной.
4. Эпоха вечной тьмы ( > 10101 лет). Всевозможные источники энергии уже исчерпали себя и в космическом пространстве остались лишь их остаточные продукты, вроде длинноволнового излучения фотонов, нейтрино, кварков, а также позитронов и электронов. Последние изредка и на короткое время (до 143 нс) будут образовывать систему в виде экзотического атома – позитрония. Однако, в конце концов все элементарные частицы настигнет полная аннигиляция. При этом температура Вселенной упадет до максимально близкого значения к абсолютному нулю.

Для того, чтобы получить позитроний сегодня, ученым нужна массивная сложная аппаратура. Но в конце он будет единственным, что может существовать.

Будущее Вселенной

Несмотря на то, что вещество Вселенной постепенно аннигилирует, само пространство может эволюционировать по четырем гипотетическим сценариям:

1. Если со временем расширение Вселенной замедлится, а после — обернется в сжатие, то конечным этапом ее жизни станет Большое сжатие. В результате чего все вещество коллапсирует и вернется в изначальное свое состояние – сингулярность.
2. Иной сценарий — средняя плотность вещества Вселенной точно определена и является таковой, что расширение постепенно замедляется.
3. Наиболее вероятная, в силу современных результатов наблюдений, модель. Подразумевает равномерное расширение Вселенной, по инерции.
4. Стремительный рост скорости расширения Вселенной, который приведет наш мир к так называемому Большому разрыву.

Источник

Именно начиная с Большого Взрыва мы получаем возможность описать нашу Вселенную как полную материи и излучения и подключить известные законы физики, объясняющие современную форму космоса. Но Вселенная продолжает расширяться. Появляются новые звезды, космос эволюционирует. Каким будет его конец? Давайте спросим у науки.

Какой конец у Вселенной

Долгое время ученые, изучавшие структуру и эволюцию Вселенной, рассматривали три возможности, основанные на простой физики общей теории относительности и контексте расширения Вселенной. С одной стороны, гравитация активно собирает все вместе; это притягивающая сила, управляемая материей и энергией во всех их формах, присутствующих во Вселенной. С другой стороны, есть начальная скорость расширения, которое разделяет все на части.

Большой Взрыв стал выстрелом, после которого началась грандиознейшая гонка всех времен: между гравитацией и расширением вселенной. Кто в итоге победит? Ответ на этот вопрос определит судьбу нашего мира.

Мы думали, что у Вселенной такие варианты:

• Вселенная схлопнется в процессе Большого Сжатия. Расширение начнется быстро и большое количество материи и излучения разорвется на части. Если материи и энергии будет более чем достаточно, Вселенная расширится до определенного максимального размера, расширение обратит сжатие и Вселенная снова схлопнется.
• Вселенная будет расширяться вечно и приведет к Большому Замерзанию. Все начнется так же, как и выше, но в этот раз количества вещества и энергии будет недостаточно, чтобы противостоять расширению. Вселенная будет расширяться вечно, поскольку скорость расширения будет продолжать падать, но никогда не достигнет нуля.
• Расширение Вселенной асимптотически стремится к нулю. Представьте себе пограничную ситуацию между двумя приведенными выше примерами. Одним протоном больше — и мы схлопываемся; одним меньше — расширяемся бесконечно. В этом критическом случае Вселенная расширяется вечно, но с наименьшей возможной скоростью.

Чтобы узнать, какой вариант правильный, нам нужно было просто измерить, с какой скорость расширяется Вселенная и как скорость расширения менялась со временем. Остальное дело физики.

Это была одна из величайших задач современной астрофизики. Измерьте скорость, с которой расширялась Вселенная, и узнаете, как меняется ткань пространства сегодня. Измерьте, как изменилась скорость расширения со временем, и узнаете, как ткань пространства менялась в прошлом.

Объедините две эти части информации и то, как изменилась скорость расширения и какой она была, позволит вам определить, из чего состоит Вселенная и в каких пропорциях.

Насколько нам известно, основываясь на этих измерениях, мы определили, что Вселенная состоит на 0,01% из излучения, 0,1% — нейтрино, 4,9% — обычная материя, 27% — темная материя, 68% — темная энергия. Этот квест, который для некоторых начался еще в 1920-х годах получил неожиданный ответ в конце 1990-х.

Вам будет интересно: Может ли темная материя быть старше Большого взрыва?

Итак, если темная энергия доминирует в расширении Вселенной, что это значит для нашей судьбы? Все зависит от того, как — или если — темная энергия будет развиваться со временем. Вот пять вариантов.

Темная энергия — это космологическая постоянная, преобладающая в расширении. Это опция по умолчанию, учитывающая наши лучшие данные. В то время как материя становится менее плотной по мере расширения Вселенной, разбавляется по мере расширения объема, темная энергия представляет собой ненулевое количество энергии, присущее ткани самого пространства. По мере расширения Вселенной плотность темной энергии остается постоянной, что приводит к тому, что расширение всегда сохраняет положительное значение.

Это приводит к экспоненциально расширяющейся Вселенной и в конечном итоге растолкает все, что не является частью нашей локальной группы. Уже 97% видимой Вселенной становится недоступным в таких условиях.

Темная энергия динамична и становится мощнее со временем. Темная энергия, по всей видимости, является новой формой энергии, которая присуща самому пространству, из чего следует, что она имеет постоянную плотность энергии. Но она также может меняться со временем. Один из возможных способов изменения заключается в том, что она постепенно усиливается, что приведет к ускорению скорости расширения Вселенной.

Удаленные объекты не только будут удаляться от нас, но и делать это все быстрее и быстрее. Хуже того, объекты, которые сейчас связаны гравитационно — вроде скоплений галактик, отдельных галактик, солнечных систем и даже атомов — однажды развяжутся вследствие укрепления темной энергии. В последние моменты существования Вселенной субатомные частицы и сама ткань пространства-времени разорвутся на части. Эта судьба — Большой Разрыв — наш второй вариант.

Темная энергия динамична и ослабевает со временем. Как еще может измениться темная энергия? Вместо того, чтобы укрепляться, она может ослабнуть. Конечно, скорость расширения согласуется с постоянным количеством энергии, принадлежащей самому пространству, но эта плотность энергии также может снижаться.

Если она ослабеет до нуля, все придет к одной из выше описанных возможностей: Большому Замерзанию. Вселенная будет расширяться, но без достаточного количества материи и других форм энергии, которые помогут ей заново схлопнуться.

Если распад станет отрицательным, это может привести к другой возможности: Большому Сжатию. Вселенная заполнится энергией, присущей пространству, которая внезапно поменяет знаки и приведет пространство к сжатию. Такой вариант тоже возможен.

Темная энергия перейдет в другую форму энергии, омолаживающую Вселенную. Если темная энергия не распадается, а остается постоянной или даже усиливается, возникает еще одна возможность. Эта энергия, присущая ткани пространства, может не всегда оставаться в такой форме. Вместо этого она может превращаться в материю и излучение, подобные тому, что были, когда закончилась космическая инфляция и начался Большой Взрыв.

Если темная энергия останется постоянной до этой точки, она создаст очень, очень холодную и рассеянную версию раскаленного Большого Взрыва, в которой сами себя смогут создавать только нейтрино и фотоны. Но если сила темной энергии будет возрастать, это может привести к состоянию, подобному инфляции, за которым последует новый, действительно раскаленный Большой Взрыв. Это самый простой способ омолодить Вселенную с заданными параметрами.

Темная энергия связана с нулевой энергией квантового вакуума и будет распадаться, разрушая нашу Вселенную. Это самая разрушительная возможность из всех. Что, если темная энергия не является истинной величиной пустого пространства в конфигурациях с самой низкой энергией, а является результатом симметрий на ранних этапах Вселенной, когда они оказались в конфигурации с ложным минимумом?

Если это так, должен быть способ создать квантовый туннель в состояние с более низкой энергией, изменив законы физики и уничтожив все связанные состояния (то есть частицы) квантовых полей сегодня. Если квантовый вакуум нестабилен в этом смысле, то, где бы этот распад ни произошел, результатом будет разрушение всего во Вселенной посредством пузыря, распространяющегося на скорости света. Если такой сигнал достигнет нас, нам тоже придет конец.

Хотя мы не знаем, какая из этих возможностей будет верной для нашей Вселенной, данные просто неистово голосуют в пользу первого варианта: темная энергия действительно является постоянной величиной. Прямо сейчас, наши наблюдения того, как развивалась Вселенная — особенно благодаря космическому микроволновому фоновому излучению и крупномасштабной структуре Вселенной — накладывают жесткие ограничения на то, как много места для маневра остается у темной энергии, чтобы измениться.

И пока у нас не будет новой правды о Вселенной, мы будем придерживаться этой. А если вы не согласны, приглашаем поделиться в нашем чате в Телеграме.

Бу́дущее Вселе́нной — 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 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 перестает 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 274К и на планетах земного типа начнёт таять лёд. Дальнейшее сжатие приведёт к тому, что излучение реликтового фона затмит даже центральное светило планетарной 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[]

Введем понятие космологической декады (η) как десятичный показатель степени возраста Вселенной в годах:

лет

Эпоха звёзд (6<η<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 будет представлять собой сплошной сгусток лавы.

Эпоха распада (15<η<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<η<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 высвобождают значительную гравитационную энергию, образуются гравитационные волны. Вторым механизмом является Излучение 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 (η>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 и позитроны. Температура стремительно приближается к абсолютному нулю. Время от времени позитроны и электроны образуют неустойчивые атомы позитрония, долгосрочная судьба их — полная аннигиляция.