Сучасні космологічні моделі всесвіту (1)
Сучасна космологія .......................................................... 4
Стандартна модель Всесвіту ................................................. 6
Модель Великого вибуху і розширюється Всесвіту ................... 8
Інфляційна концепція ....................................................... 10
Список використаної літератури ........................................... 13
Сучасна космологія - це складна, комплексна і швидко розвивається система природно - наукових та філософських знань про Всесвіт в цілому, заснована як на спостережних даних, так і на теоретичних висновках, що відносяться до охопленої астрономічними спостереженнями частини всесвіту.
Зв'язок між космологією і фізикою полягає в тому, що Всесвіт в цілому підпорядковується тим же природним законам, які керують поведінкою її окремих складових частин. При цьому визначальну роль в космологічних процесах відіграє гравітація.
Сучасні космологічні моделі Всесвіту грунтуються на загальній теорії відносності А. Ейнштейна, згідно з якою метрика простору і часу визначається розподілом гравітаційних мас у Всесвіті. Її властивості як цілого обумовлені середньою щільністю матерії та іншими конкретно-фізичними факторами.
Класична ньютонівська космологія передбачала статичність, просторової стійкості речовини у Всесвіті, розподіл якої вважалося рівномірним. Вона була представлена теорією ієрархічної Всесвіту Шарлье, в основу якої була покладена теорія механіки і модифікована теорія гравітації Ньютона. Основними постулатами класичної ньютонівської космології є:
• Всесвіт - це всесуществующая. Космологія пізнає світ таким, як він існує сам по собі, безвідносно до умов пізнання.
• Простір і час Всесвіту абсолютні, вони не залежать від матеріальних об'єктів і процесів
• Простір і час метрично нескінченні.
• Простір і час однорідні і ізотропні.
• Всесвіт стаціонарне, що не зазнає еволюції. Змінюватися можуть конкретні космічні системи, але не світ в цілому.
Ньютоновская космологічна картина світу продовжувала залишатися панівною аж до початку 20-го століття. 1
Виникнення сучасної космології пов'язане з розвитком в XX столітті релятивістської теорія тяжіння або Загальної теорії відносності Альберта Ейнштейна, фізики елементарних частинок, а також позагалактичної астрономією.
На першому етапі розвитку релятивістської космології головна увага приділялася геометрії Всесвіту (кривизна простору-часу і можлива замкнутість простору). У цій моделі просторовий обсяг Всесвіту з рівномірно розподіленими в ньому галактиками кінцевий; але кордонів у цього простору немає. Воно не поширено нескінченно на всі боки, а замикається саме на себе.
Початок другого етапу можна було б датувати роботами А.А. Фрідмана, в яких було показано, що викривлене простір не може бути стаціонарним, що воно повинно розширюватися або стискатися. На перший план тепер виступили проблеми механіки Всесвіту і її «віку» (тривалості розширення).
Третій етап починається моделями «гарячої» Всесвіту в другій половині 40-х років. Основна увага тепер переноситься на фізику Всесвіту - стан речовини і фізичні процеси, що йдуть на різних стадіях розширення Всесвіту, включаючи найбільш ранні стадії, коли стан було дуже незвичайним. Поряд з законом тяжіння в космології набувають більшого значення закони термодинаміки, дані ядерної фізики і фізики елементарних частинок. 2
Стандартна модель Всесвіту
Стандартною моделлю сьогодні прийнято називати теорію, найкращим чином відображає наші уявлення про вихідний матеріал, з якого спочатку побудована Всесвіт. Стандартна модель, в узагальненому вигляді, являє собою теорію будови Всесвіту, в якій матерія складається з кварків і лептонів, а сильні, електромагнітні і слабкі взаємодії між ними описуються теоріями великого об'єднання.
Стандартна модель складається з наступних положень:
Все речовина складається з 12 фундаментальних частинок-ферміонів: 6 лептонів (електрон, мюон, тау-лептон, і три сорти нейтрино) і 6 кварків.
Кварки беруть участь в сильних, слабких і електромагнітних взаємодіях; заряджені лептони (електрон, мюон, тау-лептон) - в слабких і електромагнітних; нейтрино - тільки в слабких взаємодіях.
Всі три типи взаємодій виникають як наслідок постулату, що наш світ симетричний щодо трьох типів калібрувальних перетворень.
На відміну від електромагнітного і сильного, слабка взаємодія може змішувати ферміони з різних поколінь, що призводить до нестабільності всіх частинок, за винятком найлегших. 3
Екстраполяція спостережуваного розширення Всесвіту назад в часі приводить при використанні загальної теорії відносності і деяких інших альтернативних теорій гравітації до нескінченної щільності і температурі в кінцевий момент часу в минулому. Більш того, теорія не дає ніякої можливості говорити про що-небудь, що передувало цьому моменту, а розміри Всесвіту тоді дорівнювали нулю - вона була стиснута в точку. Цей стан називається космологічна сингулярність і сигналізує про недостатність опису Всесвіту класичної загальною теорією відносності. Наскільки близько до сингулярності можна екстраполювати відому фізику, є предметом наукових дебатів, але практично загальноприйнято, що допланковскую епоху розглядати відомими методами не можна.
Модель Великого вибуху і розширюється Всесвіту
Найбільш загальноприйнятою в космології є модель однорідної нестаціонарної гарячої розширюється Всесвіту, побудована на основі загальної теорії відносності і релятивістської теорії тяжіння, створеної А. Ейнштейном в 1916 р В основі цієї моделі лежать два припущення: властивості Всесвіту однакові у всіх її точках (однорідність) і напрямках (изотропность). З цього випливає так звана кривизна простору і зв'язок кривизни з щільністю маси (енергії). Космологія, заснована на цих постулатах, - релятивістська.
Важливим пунктом даної моделі є її нестаціонарність. Це визначається двома постулатами теорії відносності:
1. Принципом, який свідчить, що у всіх інерційних системах всі закони зберігаються незалежно від того, з якими швидкостями рівномірно і прямолінійно рухаються ці системи один щодо одного;
2. Експериментально підтвердженим сталістю швидкості світла.
З теорії відносності випливало, що викривлене простір не може бути стаціонарним: воно повинно або розширюватися, або стискатися. Першим це помітив Харківський фізик і математик А.А. Фрідман в 1922 р Емпіричним підтвердженням цього висновку стало відкриття американським астрономом Е. Хабблом в 1929 р так званого кран зміщення.
«Червоний зсув» - це зниження частот електромагнітного випромінювання: у видимій частині спектру лінії зміщуються до його червоного кінця. Згідно виявленому раніше ефекту Доплера, при видаленні від нас будь - якого джерела коливань сприймається нами частота коливань зменшується, а довжина хвилі відповідно збільшується. При випромінюванні відбувається «почервоніння», тобто лінії спектра зсуваються в бік більш довгих червоних хвиль.
Відкриття «червоного зсуву» дозволило зробити висновок про розбігання галактик і розширення Всесвіту.
Якщо Всесвіт розширюється, значить, вона виникла в певний момент часу. Все існуюче в світі речовина утворилося за частки секунди в нескінченно малому обсязі і тут же початок розлітатися на всі боки з непредставімо високою швидкістю. В ході цього розширення Всесвіту її речовина, початково що володіє високою температурою, стало остигати. У міру охолодження найдрібніші елементарні частинки об'єдналися в протони і нейтрони, які в свою чергу, утворили атоми газів водню і гелію. На їх частку і зараз припадає основна маса Всесвіту. 4
Інфляційна концепція проникає в більш ранні етапи часу зародження Всесвіту, тобто з часу вакуумно-подібного стану в собі. Основна ідея цієї концепції полягає в тому, що на самих ранніх стадіях виникнення, Всесвіт мав нестійке, вакуумно-подібний стан з великою щільністю енергії. Вважається, що ця енергія, як і вихідна матерія, виникла з квантового вакууму, тобто як би з нічого.
Якщо говорити про фізичну вакуумі, то в цьому вакуумі відсутні фіксуються частки, поля і хвилі, але з іншого боку це не є млявою порожнечею. Під фізичним вакуумом в сучасній фізиці розуміють повністю позбавлене речовини простір. Квантова теорія поля стверджує, що, в згоді з принципом невизначеності, в фізичному вакуумі постійно народжуються і зникають віртуальні частинки: відбуваються так звані нульові коливання полів. У деяких конкретних теоріях поля вакуум може володіти нетривіальними топологічними властивостями, але не тільки, а також в теорії можуть існувати кілька різних вакуумів, що розрізняються щільністю енергії, і т. Д. Проте, в ньому є віртуальні частинки, які народжуються, мають швидкоплинне буття і зникають. Виходячи з цього, що вакуум наповнений цими віртуальними частинками, взаємодіючими між собою, вводять поняття енергетичних рівнів вакууму. Відповідно до цього, енергія наявна в вакуумі, розташована на різних рівнях і саме завдяки цим рівням і відбуваються процеси взаємодії частинок. У інфляційної теорії мова йде не просто про фізичному вакуумі, вона передбачає наявність порушеної або помилкового вакууму. Вважається, що зароджується Всесвіт на самих ранніх етапах якраз і була збудженої квантовою системою. Незважаючи на те, що такий стан вакууму є нестійким і прагне до розпаду, в ньому закладені гігантські можливості для процесів відштовхування. Саме ці процеси відповідальні за розширення Всесвіту. Згідно інфляційної теорії розширення Всесвіту в 10 50 раз, більше ніж треба в концепції великого вибуху. Відповідно до цієї теорії йде гігантське розширення з утворенням гігантської енергії і при цьому відбувається зниження температури в просторі. Енергія, яка була виділена в результаті розпаду помилкового вакууму, пішла на миттєвий нагрів Всесвіту. Вважається, що температура нагрівання досягала близько 10 27 К. 5
У висновку хочеться сказати, що в сучасній космології існує безліч різних теорій і припущень, які мають право на існування. Кожна з них може бути як експериментально доведено, так і спростована, тому дотримуватися якогось одного думки нерозумно і слід вивчити всі точки зору. Сучасність розвивається і до цього дня і можливо буде висунуто ще багато концепцій і моделей зародження Всесвіту, але поки людство дотримується тих, що існують в даний час.
Список використаної літератури: