Теории и модели происхождения вселенной от ученых

Введение

Что такое 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 той ее части, которую мы знаем, — непростая задача. Чтобы получить информацию, имеющуюся в распоряжении современных ученых, потребовался труд многих поколений.

Проблема происхождения Вселенной занимала людей еще до появления современной науки. Интерес основан на желании найти первопричину всего сущего. В Библии, например, указана даже точная дата создания мира — 5 тысяч лет до нашей эры. Историческим обоснованием этой даты может быть то, что она примерно соответствует последнему ледниковому периоду — 10 тысячам лет до нашей эры. В V веке нашей эры автор «Христианской науки» блаженный Августин указывал, что до появления Вселенной понятие времени бессмысленно, что удивительным образом совпадает с представлениями современной науки. Августин писал, что Бог создал и вселенную, и время, поэтому до рождения вселенной не было времени. Почему же тогда Вселенная возникла в определенный момент времени? Древние греки: Платон, Аристотель считали, что мир неизменен и существует вечно, но лишь иногда в нем происходят катастрофы, отбрасывающие человечество назад.

История вопроса

Тут такое дело. До первой половины ХХ века ученые считали, что Вселенная существовала всегда. Да, что-то все время менялось. Зарождались и умирали звезды и галактики, вместо них появлялись какие-то новые подобные им объекты, но, в целом, в масштабах Вселенной, ничего не изменялось. Хотя, некоторые факты говорили, что здесь что-то не так. Например, согласно теории всемирного тяготения Ньютона, под действием гравитации, все материальные объекты Вселенной – звезды, межзвездный газ и прочая «мелочь» типа планет, должны были притягиваться друг к другу. И если бы Вселенная существовала вечно, то все, находящееся в ней, уже давно бы стянулось в одну точку. И была бы не Вселенная, а такая вселенская «черная дыра». Эти космические монстры давно были предсказаны, а тут, недавно, и фотография одной из них появилась.

Так вот, нет. Ни в какую «черную дыру» бесконечно существующая Вселенная, почему-то не превратилась.

Вот, смотрите, закон всемирного тяготения. Кружатся планеты вокруг Солнца и не падают на него. Да, и это происходит в точности с законами ньютоновской физики. Но если и вся Вселенная устроена так, как наша Солнечная система, то у нее должно быть какое-то «вселенское солнце», какой-то центр притяжения, вокруг которого все и вертится. Но ничего такого обнаружено не было.

Именно эти противоречия сподвигли Эйнштейна на создание Общей Теории Относительности (ОТО), которая должна была «поправить» Ньютоновскую теорию гравитации и объяснить устройство бесконечно существующей Вселенной.

Ничего не получилось. Конечно, ОТО подтвердила себя в массе наблюдений. И не только. Достаточно сказать, что без учета предсказанных ею эффектов не могли бы работать современные системы GPRS. Но вот с объяснением вечно существующей Вселенной — не получилось.

2Мультиверс

Представлению о множественности миров гораздо больше лет, чем вы, скорее всего, думаете — и мы сейчас не имеем в виду индуистскую концепцию перерождения. Еще в XII веке мусульманский философ Фахруддин ар-Рази предположил, что за пределами нашего мира существует пустота, заполненная другими вселенными — а в начале XXI века такая точка зрения является крайне популярной частью персонализированной метафизики. Кстати говоря, личностные квазирелигиозные воззрения, сочетающие в себе христианскую мораль, представления о карме и параллельных мирах раньше любил описывать Дуглас Коупленд — в «Поколении X» для этого даже вводится специальный термин, «селф-изм». Что касается мультиверса, то он стал общим местом в научной фантастике и комиксах как таковых: именно так компания DC, скажем, объясняет одновременное существование полудюжины версий Бэтмена. С другой стороны, в данном случае интерпретация понятия довольно далеко ушла от его современной дефиниции: там, где в нынешней квантовой механике продолжается активная дискуссия о правомерности «многомировой» гипотезы, делающей реальными абсолютно все исходы и события (в том случае если они принципиально возможны), в научной фантастике (от «Эффекта бабочки» Брэдбери до трилогии «Назад в будущее») части мультиверса почти всегда так или иначе влияют друг на друга.

Теория большого взрыва

Во время Большого взрыва образовались материя, пространство и время.

Теория Большого взрыва является наиболее признанной и научно доказанной теорией на сегодняшний день. Она возникла благодаря новому пониманию физики , которое стало возможным благодаря исследованиям Альберта Эйнштейна (1879-1955) и нескольких более поздних астрофизиков, таких как Стивен Хокинг (1942-2018), Джордж Эллис (1939-) и Роджер Пенроуз (1931-)

Эти ученые, в свою очередь, были наследниками таких важных астрономов, как Эдвин Хаббл (1889-1953) и Жорж Ламаитр (1894-1966). Так что это был результат стечения многих блестящих умов 20-го века

Его название ‘Большой взрыв’ указывает на то, что Вселенная возникла в результате события, называемого сингулярностью, сравнимого с гигантским взрывом, в котором материя, пространство время образовались вместе

Однако это не взрыв в уже существующем пространстве, подобно сверхновой, а насильственное расширение всего, что содержалось в одной бесконечно малой и плотной точке, настолько, что ее законы не подчинялись никаким известным физикам

Это означает, что космологическая модель Большого взрыва может объяснить происхождение Вселенной около 13,8 млрд. лет назад , то есть то количество времени, в течение которого она расширялась. Однако эта теория не в состоянии объяснить, как работала Вселенная до того, как это произошло, или как произошел такой взрыв

Наука уверена в том, что в настоящее время Вселенная расширяется, то есть удаляется от себя во всех направлениях, и это расширение является следствием Большого взрыва

Кроме того, благодаря ей ранняя Вселенная (температура которой составляла около 100 миллиардов градусов Цельсия) могла достаточно охладиться, чтобы позволить возникновение субатомной материи. Эта материя, в свою очередь, была организована в плотные облака простых атомов водорода (H) и гелия (He), то есть основного материала, из которого состоят звезды

Таким образом, гравитация стягивала материю в туманности , а затем в звезды, в которых можно было сплавить атомные ядра в новые, более тяжелые элементы и таким образом породить горные породы, минералы и в конечном итоге планеты

Согласно этим расчетам, наша Солнечная система возникла около 4,6 миллиарда лет назад, когда наша главная звезда, Солнце , родилась в результате распада гигантского облака молекулярных газов. Как именно это произошло, еще предстоит выяснить, но предполагается, что из того же солнечного материала образовались скопления тяжелых материалов, которые впоследствии дали начало различным планетам и некоторым из их спутников

Другие материалы по теме: Теория большого взрыва

Большой взрыв и эволюция Вселенной

После большого взрыва материя представляла из себя раскаленную смесь частиц, античастиц и гамма-фотонов. Постоянно происходили процессы аннигиляции: частицы и античастицы сталкивались и взаимоуничтожались. Гамма-фотоны, в свою очередь, материализовались в частицы и античастицы.

Стоит понимать, что расширение Вселенной подразумевает под собой процесс, при котором количество частиц, фотонов и античастиц остается неизменным, а пространство продолжает наращивать объем.

Выделяют 4 вехи эволюции нашей Вселенной:

адронная
лептонная

фотонная
звездная

Конденсат Бозе-Эйнштейна — пятое состояние материи!

Нейтрино — частица-призрак и хранитель тайн Вселенной

Кварк-глюонная плазма простыми словами

Что такое бозон Хиггса простыми словами: описание и пример, история и значение открытия

Адронная эра

Один из самых ранних этапов эволюции Вселенной: на нем существовали адроны и лептоны.

В первую миллионную часть секунды после большого взрыва постоянно происходили процессы овеществления и последующей аннигиляции барионов и антибарионов.

И если материализация их прекратилась, то взаимоуничтожение продолжалось, пока давление излучения не разделило вещество и антивещество. Гипероны были нестабильны, они исчезли, самопроизвольно распавшись на самые легкие виды барионов: протоны и нейтроны.

По прошествии одной десятитысячной части секунды, энергии Вселенной не было достаточно для формирования любых адронов. Как легко догадаться, адронная эра на этом была завершена.

Лептонная эра

Возникали электроны, позитроны, нейтрино. Протоны и нейтроны перешли в новую эру, но стали попадаться гораздо реже, особенно если противопоставлять их лептонам и фотонам. Начало лептонной эре было положено при распаде последних адронов на мюоны и мюонное нейтрино. Конец же лептонной эры пришел через несколько секунд и был ознаменован уменьшением энергии фотонов. Овеществление электронов и позитронов завершилось.

Фотонная эра

Количество фотонов значительно превышало число частиц примерно в два миллиарда раз. Тем не менее число фотонов постепенно снижалось: объяснить это можно через величину плотности энергии. Вселенная продолжала расширяться, плотность энергии снижалась как у частиц, так и у фотонов. Фотоны же, в отличие от частиц, теряли свою собственную энергию, «затухали». Ближе к концу этой эры частицы и фотоны пришли в равновесие между собой.

Звездная эра

В процессе эволюции Вселенная стала такой, какой мы ее знаем: Вселенной в звездной эре, эре преобладания частиц. Температуры не такие высокие, плотность гораздо ниже, все происходит значительно медленнее.

Именно в эту эру возникли атомы водорода. В начале этого периода эволюции водородный газ расширялся с разной скоростью, образовывая гигантские сгустки. Позже из некоторых участков возникли сверхгалактики и скопления галактик. Эти протогалактики вращались, в них появлялись вихри, а гравитация формировала из этих вихрей системы звезд.

Эти системы — уже знакомые нам современные галактики.

Черные дыры во Вселенной

Существование черных дыр подтверждено относительно недавно (сентябрь 2015 г.), однако до того времени существовал уже немалый теоретический материал по природе ЧД, а также множество объектов-кандидатов на роль черной дыры. Прежде всего следует учесть размеры ЧД, так как от них зависит и сама природа явления:

Черная дыра звездной массы. Такие объекты образуются в результате коллапса звезды. Как уже упоминалось ранее, минимальная масса тела, способного образовать такую черную дыру составляет 2.5 – 3 солнечных масс.
Черные дыры средней массы. Условный промежуточный тип черных дыр, которые увеличились за счет поглощения близлежащих объектов, вроде скопления газа, соседней звезды (в системах двух звезд) и других космических тел.
Сверхмассивная черная дыра. Компактные объекты с 105—1010 масс Солнца. Отличительными свойствами таких ЧД является парадоксально невысокая плотность, а также слабые приливные силы, о которых говорилось ранее. Именно такая сверхмассивная черная дыра в центре нашей галактики Млечного пути (Стрелец А*, Sgr A*), а также большинстве других галактик.

Кандидаты в ЧД

Кандидат в ЧД A0620-00 (V616 Единорога) — двойная звезда в созвездии Единорога на расстоянии 3000 св. лет от Солнца.

Ближайшая черная дыра, а вернее кандидат на роль ЧД – объект A0620-00 (V616 Единорога), который расположен на расстоянии 3000 световых лет от Солнца (в нашей галактике). Он состоит из двух компонент: звезды главной последовательности с массой в половину солнечной массы, а также невидимого тела малых размеров, масса которого составляет 3 – 5 масс Солнца. Если данный объект окажется небольшой черной дырой звездной массы, то по праву стане ближайшей ЧД.

Рентгеновский снимок Лебедь X-1

Следом за этим объектом второй ближайшей черной дырой является объект Лебедь X-1 (Cyg X-1), который был первым кандидатом на роль ЧД. Расстояние до него примерно 6070 световых лет. Достаточно хорошо изучен: имеет массу в 14.8 масс Солнца и радиус горизонта событий около 26 км.

По некоторым источником еще одним ближайшим кандидатом на роль ЧД может быть тело в звездной системе V4641 Sagittarii (V4641 Sgr), которая по оценкам 1999-го года располагалась на расстоянии 1600 световых лет. Однако, последующие исследования увеличили это расстояние как минимум в 15 раз.

Методы обнаружения

Рассмотрим методы, которые астрономы используют для обнаружения черной дыры:

ЧД возможно зарегистрировать в том случае, когда она притягивает окружающую ее материю, будь то звездное вещество соседней звезды или газовое облако, через которое движется черная дыра. Компьютерное моделирование показывает падение звезды в черную дыру В таком случае видимое вещество начнет стягиваться к массивному объекту, образую вокруг него аккреционный диск. То есть диск быстровращающейся разогретой материи. В некоторых случаях вращающаяся вокруг ЧД материя может плотно перекрывать черную дыру, тем самым визуально образуя огромную светящуюся сферу.
Метод гравитационного возмущения позволяет определить наличие ЧД по ее гравитационному влиянию на окружающие тела. К примеру, если траектория движения планеты вокруг некоторой звезды не согласуется с теоретическими подсчетами орбиты этой планеты, а имеет некоторое искажение, можно предположить о наличии массивного объекта вблизи планеты, который влияет на ее траекторию. Данный частный случай упрощен, так как подобные ситуации позволяют обнаружить менее массивные объекты, вроде других планет. Черные дыры же могут искажать траекторию огромных облаков газа.
Возвращаясь к изменению траектории электромагнитного излучения вблизи черной дыры, следует отметить одно из явлений, которое также позволяет обнаружить ЧД – гравитационное линзирование. Свет, проходящий около границ черной дыры, несколько изменяет свою траекторию, создавая таким образом размытую или искаженную картинку, а иногда даже продублированное изображение космических тел. Таким образом, черная дыра, расположенная на фоне какого-либо скопления, вроде галактики или туманности, дает аномальное изображение этого скопления, что привлекает астрономов и дает повод начать поиски ЧД в этой области небосвода.

Помимо упомянутых выше методов, ученые часто связывают такие объекты как черные дыры и квазары. Квазары – некие скопления космических тел и газа, которые являются одними из самых ярких астрономических объектов во Вселенной. Так как они обладают высокой интенсивностью свечения при относительно малых размерах, есть основания предполагать, что центром этих объектов есть сверхмассивная черная дыра, притягивающая к себе окружающую материю. В силу столь мощного гравитационного притяжения притягиваемая материя настолько разогрета, что интенсивно излучает. Обнаружение подобных объектов обычно сопоставляется с обнаружением черной дыры. Иногда квазары могут излучать в две стороны струи разогретой плазмы – релятивистские струи. Причины возникновения таких струй (джет) не до конца ясны, однако вероятно они вызваны взаимодействием магнитных полей ЧД и аккреционного диска, и не излучаются непосредственной черной дырой.

Джет в галактике M87 бьющий из центра ЧД

Подводя итоги вышесказанного, можно представить себе, как выглядит черная дыра в космосе вблизи: это сферический черный объект, вокруг которого вращается сильно разогретая материя, образуя светящийся аккреционный диск.

Вселенная конечна, и это доказал Джеймс Ашер ещё в 17-ом веке

Конечно, если посмотреть шире, вопрос о том: что было вначале, волновал людей задолго до того, как была создана сама теория Большого Взрыва. В общем-то это логично – раз есть начало и конец у всего в мироздании, значит и само мироздание… Ну да, по всей видимости имеет конец, а стало быть и начало.

Ирландский епископ Джеймс Ашер первым придумал как вычислить возраст Вселенной.

Согласно церковным теориям происхождения мира, Вселенная было сотворена божественным путем в относительно недавнем прошлом. В частности, Епископ Джеймс Ашер в семнадцатом веке точно установил дату создания Вселенной, путем весьма точных математических расчетов (к слову), то есть – исключительно по-науке. По этим расчетам, Вселенная появилась в 4004 году до н.э., а пришел этот почтенный человек к такой дате следующим образом – просуммировал возраст всех людей из Ветхого Завета, где как известно, дана хронология появления первых людей.

Этот случай с епископом, вообще очень показателен – ведь согласитесь, к святому отцу не может быть никаких претензий. Его просили предъявить доказательства – и он их предъявил, а математика – наука точная, соврать она не даст. А вышло вон оно как. И, снова к слову – интересно, что дата рассчитанная Ашером, приблизительно соответствует окончанию последнего ледникового периода, после которого начала зарождаться современная нам цивилизация. А что было до неё – то нам, конечно не ведомо.

Жизнь распространяется во Вселенной как эпидемия

Когда речь идет о Вселенной, всегда возникает один вопрос: есть ли разумная жизнь, отличная от нашей? Или мы просто одни здесь во Вселенной? Ученые тоже задаются этими вопросами, и в настоящее время они изучают, как появилась жизнь, в том числе и наша.

Согласно исследованию Гарвардско-Смитсоновского центра астрофизики, наиболее логичным ответом является то, что жизнь распространяется от звезды к звезде, как эпидемия. Понятие о том, что жизнь распространяется от планеты к планете и от звезды к звезде, называется панспермией. Конечно, если вы видели Прометея, эта концепция является основной сюжета.

Если жизнь перешла от звезды к звезде, это означает, что Млечный Путь может быть наполнен жизнью. Если их теория верна, то возможно, что на других планетах в Млечном Пути также может быть жизнь.

Еще одна интересная вещь, которую они нашли в своих расчетах, заключается в том, что жизнь может распространяться микроскопическими организмами, которые прибыли на астероиде. Или ее могли распространить умные существа или существо.

Кроме того, в последнее время ученые сходятся во мнении, что жизнь на других планетах должна развиваться по тем же принципам, что и на Земле. Это говорит о том, что инопланетяне могут быть очень похожими на жителей нашей планеты.

Первые звезды

Судя по всему, первыми родились звезды-гиганты, которые стали прародителями других звезд, в том числе и нашего Солнца.

В недрах первых звезд под воздействием колоссальной температуры на уровне атомных ядер происходили сложные реакции. Так, из трех ядер гелия образовался углерод, из двух атомов углерода — магний, из магния — неон и так далее, пока из кремния не получилось железо. Этот процесс преобразования химических элементов продолжается в раскаленных ядрах звезд и сейчас, называется он «термоядерный синтез». Так что появление планет, и в частности нашей с вами Земли, стало возможным именно благодаря звездам.

Параллельно с процессом зарождения звезд формировались и их скопления, которые объединялись в галактики.

Материалы по теме

Гравитационные волны

Одним из интереснейших явлений в астрофизике является столкновение черных дыр, которое также позволяет обнаруживать такие массивные астрономические тела. Подобные процессы интересуют не только астрофизиков, так как их следствием становятся плохо изученные физиками явления. Ярчайшим примером является упомянутое ранее событие под названием GW150914, когда две черные дыры приблизились настолько, что в результате взаимного гравитационного притяжения слились в одну. Важным следствием этого столкновение стало возникновение гравитационных волн.

Согласно определению гравитационных волн – это такие изменения гравитационного поля, которые распространяются волнообразным образом от массивных движущихся объектов. Когда два таких объекта сближаются – они начинают вращаться вокруг общего центра тяжести. По мере их сближения, их вращение вокруг собственной оси возрастает. Подобные переменные колебания гравитационного поля в некоторый момент могут образовать одну мощную гравитационную волну, которая способна распространиться в космосе на миллионы световых лет. Так на расстоянии 1,3 млрд световых лет произошло столкновение двух черных дыр, образовавшее мощную гравитационную волну, которая дошла до Земли 14 сентября 2015 года и была зафиксирована детекторами LIGO и VIRGO.

Из чего состоит ЧД?

Еще один вопрос волнует, как ученых, так и тех, кто просто увлекается астрофизикой — из чего состоит черная дыра? На этот вопрос нет однозначного ответа, так как за горизонт событий, окружающий любую черную дыру, заглянуть не представляется возможным. Кроме того, как уже говорилось ранее, теоретические модели черной дыры предусматривают всего 3 ее составных: эргосфера, горизонт событий и сингулярность. Логично предположить, что в эргосфере имеются лишь те объекты, которые были притянуты черной дырой, и которые теперь вращаются вокруг нее – разного рода космические тела и космический газ. Горизонт событий – лишь тонкая неявная граница, попав за которую, те же космические тела безвозвратно притягиваются в сторону последней основной составляющей ЧД – сингулярности. Природа сингулярности сегодня не изучена и о ее составе говорить еще рано.

Согласно некоторым предположениям черная дыра может состоять из нейтронов. Если следовать сценарию возникновения ЧД в следствие сжатия звезды до нейтронной звезды с последующим ее сжатием, то, вероятно, основная часть черной дыры состоит из нейтронов, из которых состоит и сама нейтронная звезда. Простыми словами: при коллапсе звезды ее атомы сжимаются таким образом, что электроны соединяются с протонами, тем самым образуя нейтроны. Подобная реакция действительно имеет место в природе, при этом с образованием нейтрона происходит излучение нейтрино. Однако, это лишь предположения.

Каково происхождение Вселенной?

Происхождение Вселенной , то есть происхождение всех вещей, существующих во всех известных местах, является одним из самых древних и фундаментальных вопросов, когда-либо стоявших перед человечеством. Хотя сегодня мы обладаем технологическими инструментами, способными дать новую информацию и раскрыть тайны, это все еще тема, которая бросает вызов человеческим знаниям и которой занимается космология

В древние времена ответ на эту загадку был оставлен оракулам и религиям. Они по-своему интерпретировали наблюдаемую реальность и предлагали мистические, магические или божественные объяснения, в которых одно или несколько божеств несли ответственность за создание мира и, следовательно, всего сущего

Хорошо известно множество различных космологических мифов человечества, согласно которым мир покоится на четырех слонах, стоящих на гигантской черепахе, или был создан гигантом из первобытного хаоса, или просто был таинственным творением Бога

Однако наука и эмпирические методы исследования позволили нам начать узнавать больше об окружающей нас Вселенной и установить некоторые ее фундаментальные законы, из которых, в свою очередь, можно сделать выводы о происхождении всего сущего. Таким образом, длительное изучение космоса, материи энергии , позволило установить определенные гипотезы и сформулировать теории , которые дают им вероятный ответ

Это, конечно, не означает, что тайна происхождения Вселенной сегодня поддается идеальному объяснению, но это означает, что мы смогли придумать наилучшее и наиболее полное научное объяснение, основанное на доказательствах и знаниях, которые мы накопили на сегодняшний день. Это объяснение называется Теория большого взрыва (или Большой взрыв)

Белые дыры

Все мы знаем о наличии черных дыр в космосе. Обычно об их существовании можно только догадываться, основываясь на возмущении гравитационных полей и отклонении света.

Но ученые уже говорят о возможности обнаружения так называемых белых дыр. В конце концов, если материя поглощается черной дырой, она должна высвободиться где-нибудь во Вселенной. Где-то убывает, а где-то прибывает, верно?

И теоретически места, где вещество выделяется, а не поглощается, действительно существуют. Хотя они еще не обнаружены, сторонники этой теории надеются однажды обнаружить белые дыры в космосе.

Вообще говоря, возможное присутствие белых дыр, если они когда-либо будут обнаружены, нарушает несколько установленных законов современной физики. И если в конце концов будет обнаружена белая дыра, нам придется пересмотреть основы современной науки и сделать это очень внимательно, чтобы объяснить их существование.