Вселенная

Космос с древних времен представлял собой загадку для человека и вызывал у него интерес. По звездам люди учились ориентироваться в море, определять время года. Неизвестные явления природы, например, солнечные и лунные затмения, падение метеоритов пугали людей, считаясь предзнаменованием трагических событий.

Поскольку размеры Вселенной, время ее существования, масса вещества не могут быть выражены числовыми значениями, ученые ввели понятие бесконечности космоса. В соответствии с теорией, конечная Вселенная должна либо расширяться, либо сжиматься, т.е. пульсировать. Парадокс заключается в том, что понятие расширения или сжатия Вселенной в случае ее бесконечности не имеют смысла. Возникновение Вселенной в момент Большого Взрыва из объема

в одну ядерную сверхплотную каплю, опровергается ее бесконечностью.

Модели Вселенной. В настоящее время смыкаются актуальные проблемы ядерной физики, физики элементарных частиц и астрофизики в рамках теории образования Вселенной.

Физики пытаются объединить различные виды взаимодействия частиц в рамках одной модели. Это позволит объяснить в рамках единой теории, макроскопические процессы астрофизики и процессы, происходящие в микромире, которые относятся к физике частиц.

Физики предложили целый ряд возможных моделей Вселенной. Первые из них основывались на общей теории относительности Эйнштейна. Согласно этой теории в зависимости от общей массы Вселенной она либо расширяется непрерывно из одной точки, либо пульсирует. Другие модели полагают, что существует множество Вселенных параллельных миров.

Одна из наиболее распространенных моделей Вселенной является теория Большого Взрыва. Считается, что Вселенная начала расширяться 13.75 млрд лет назад после Большого Взрыва. Первоначально согласно теории Большого Взрыва все вещество было сосредоточено в одной сверхплотной капле. Расстояние между соседними галактиками в этот момент должно было равняться нулю. Вселенная, расширяясь, стала превращаться сначала в смесь кварков и квантов различных полей. Из них с участием хиггсовских146частиц стали формироваться отдельные частицы, имеющие конкретную массу. Затем частицы стали объединяться в ядра и атомы, образуя окружающее нас вещество.

 

 

46 Питер Уэйр Хиггс (Peter Ware Higgs, род. 29 мая 1929 г.) – британский физик-теоретик, член Королевского Общества Эдинбурга, член Лондонского королевского общества, в настоящее время профессор в отставке Эдинбургского университета. Лауреат Нобелевской премии по физике совместно с Франсуа Энглером за предсказание бозона Хиггса (2013).

 

К модели Большого Взрыва приводит путь объединения взаимодействий в рамках одной модели. Первоначально физикам удалось построить модель, связывающую электромагнитные и слабые взаимодействия. А в 1974 г. Г. Джорджи и Ш. Глешоу предложена модель Великого объединения электромагнитного, слабого и сильного взаимодействий. Эта модель получила название Стандартной Модели.

Физикам удалось описать наиболее вероятную картину развития Вселенной и составляющих ее объектов (частиц, межзвездного газа, звезд). Но количество непонятных проблем не уменьшилось. Стали возникать все новые задачи. Вселенная состоит из множества звездных скоплений – Галактик.

По другому сценарию, вселенные могут «распускаться бутонами» других вселенных, создавая тем самым Мультивселенную – гипотетическое множество всех возможных реально существующих параллельных вселенных, включая ту, в которой находимся мы».

Как показали исследования последнего десятилетия, Вселенная расширяется с ускорением. Это описывается красным смещением далеких объектов (рис. 5.2). Его смысл заключается в эффекте Доплера. Частота света от космического объекта, уменьшается, если объект удаляется, и увеличивается, если он приближается к нам.

 

Рис. 5.2. Красное смещение удаляющихся от нас объектов

 

К тому же общая масса вещества во Вселенной оказывается во много раз больше, чем считалось ранее. Для объяснения этого и других фактов ввели понятия темной энергии и темной материи.

Темная материя и темная энергия. Предполагается, что вещество во Вселенной составляет несколько процентов, небольшую часть массы составляют все нейтрино, а значительная часть массы Вселенной сосредоточена в темной материи и энергии. Для расширения Вселенной с ускорением нужна какая-то дополнительная энергия, например, в результате действия либо антигравитации, либо еще чего-нибудь. Так что в физике сохраняются очень интересные загадки.

Темная материя – гипотетическая форма материи, которая не испускает электромагнитного излучения и не взаимодействует с ним. В нашей и других галактиках содержится большое количество темной материи, которую мы не можем наблюдать непосредственно, но о существовании которой мы знаем благодаря ее гравитационному воздействию на орбиты звезд в галактиках, на траекторию движения самих галактик.

Наблюдая дисперсию скоростей галактик в скоплениях, Ф. Цвикки совместно с С. Смитом обнаружили, что получаемая из теоремы вириала масса гораздо больше, чем суммарная масса галактик. В связи с этим было выдвинуто предположение, что внутри скоплений галактик, как и в самой галактике, есть некая скрытая масса, проявляющая себя только гравитационным образом.

Количество темной материи во Вселенной значительно превышает количество обычного вещества. Наша Вселенная, по оценкам астрофизиков, состоит из: 74% темной энергии, 22% темной материи, 3.6% межгалактического газа и лишь 0.4% общей массы Вселенной составляет планеты и звезды. Недавно команда астрофизиков Чилийского исследовательского института под руководством К. Мони Бидина провела исследование передвижения более чем 400 звезд на удалении до 13 тыс. световых лет от Солнца. Вычислив массу вещества звезд, пыли и газа в околосолнечной области, астрономы не нашли темную материю! Результаты исследований проти-

 

 

воречат принятым моделям, тайна темной материи стала еще загадочнее.

Структура Вселенной. В состав Вселенной входят галактики, звездные скопления, межзвездный газ, звезды, планетные системы, кометы, астероиды.

Гала́ктика представляет гигантскую, систему из звезд и звездных скоплений, межзвездного газа и пыли. Эта звездная система связана гравитационным взаимодействием таким образом, что все ее объекты движутся относительно общего центра масс. Невооруженным глазом можно увидеть только три Галактики. Среди них в северном полушарии видна только туманность Андромеды (рис. 5.3).

 

Рис. 5.3. Галактика Андромеды

Мы видим на небе длинную клочковатую полосу звезд, напоминающую сгустки молока. Ее называют Млечным Путем или просто нашей Галактикой. Она является большой спиральной галактикой с перемычкой, диаметром ~30 килопарсек (или 100 000 световых лет) и толщиной 1000 световых лет. Солнце с Солнечной системой находятся внутри галактического диска, наполненного пылью, поглощающей свет. Из-за поглощения света Млечный Путь как галактика изучен

не до конца. В нашей Галактике содержится около 3 · 1011звезд, а ее общая масса составляет около 3 · 1012масс Солнца. В любой Галактике звезды «живут»: рождаются, взрослеют, умирают, взрываются.

Квазары (рис. 5.4) – это мощное и далекое активное ядро галактики. Они являются одними из самых ярких объектов во Вселенной – мощность их излучения иногда в десятки и сотни раз превышает суммарную мощность всех звезд таких галактик, как наша. Предполагается, что в центре такого ядра располагается массивная черная дыра. Таких объектов по данным астрономов около 200 000.

 

Рис. 5.4. Квазары – ядра далеких галактик