Начало и конец Вселенной

Содержание

1. Введение                                                                                                    стр. 2

2. Ранняя Вселенная                                                                                    стр.2 

3. Назад к Большому взрыву                                                                     стр.3

4. Абсолютная сингулярность                                                                   стр.9                                                           

5. Раздувание                                                                                                 стр.11                             

5.1. Эпоха адронов                                                                                        стр.11

5.2. Эпоха лептонов                                                                                      стр.12

5.3. Эпоха излучения                                                                                    стр.13

5.4. Фоновое космическое излучение                                                        стр.13

5.5. Эпоха галактик                                                                                      стр.16

6. Дальнейшая судьба Вселенной                                                              стр.18

7. Скрытая масса                                                                                          стр.19

8. Судьба замкнутой Вселенной                                                                 стр.25

9. Отскок                                                                                                         стр.26

10. Судьба открытой Вселенной                                                                стр.26

11. Заключение                                                                                              стр.28

12. Список литературы                                                                                стр.31

1. Введение.

Красота и величие темного ночного неба всегда волнуют нас. Каждое светящееся пятнышко на нем - образ звезды, ее свет, который давно, может быть за­долго до нашего рождения, оторвался от светила. Че­ловеку трудно представить себе необъятные просторы Вселенной, протекающие в ней сложные и мощные процессы приводят нас в трепет. Свет от некоторых видимых объектов шел к Земле миллионы лет, а ведь расстояние от нас до Луны тот же луч света преодоле­вает меньше чем за две секунды.

Наша Земля - всего лишь песчинка, затерявшаяся в бескрайнем пространстве, одна из девяти планет, об­ращающихся вокруг неприметной желтой звезды, на­зываемой Солнцем…

РњРЅРѕРіРёРµ люди, всматриваясь РІ небо Рё смотря РЅР° звёзды, думают, что хотя РёС… жизнь Рё имеет СЃРІРѕР№ конец, РЅРѕ эти РІСЃРµ далекие звезды Р±СѓРґСѓС‚ всегда – Вселенная бесконечна. РќРѕ это РЅРµ так. Р’СЃРµ РІ этом РјРёСЂРµ изменяется Рё Вселенная РЅРµ исключение. РќРѕ было ли Сѓ Вселенной начало Рё будет ли конец? Если было начало, то для Вселенной было ''началом''? Р’ этой работе   РјРЅРµ хотелось Р±С‹ рассмотреть современные теории возникновение Рё развитие Вселенной.

Мы начнем с теории возникновение Вселенной.

2. Ранняя Вселенная.

РњС‹ живем РІ расширяющейся Вселенной, которая, согласно теории Большого взрыва,   возникла примерно 18 миллиардов лет назад РІ результате взрыва не­вообразимой силы. Р’ первые мгновения после взрыва РЅРµ было РЅРё звезд, РЅРё пла­нет, РЅРё галактик – ничего РєСЂРѕРјРµ частиц, излучения Рё черных дыр. Короче РіРѕРІРѕСЂСЏ, Вселенная находилась РІ состоянии полнейшего хаоса СЃРѕ столь высокой энер­гией, что частицы, обладавшие гигантскими скоростями, сталкивались практи­чески непрерывно. Это был, РїРѕ сути, колоссальный ускоритель частиц, намного мощнее тех, которые построены РІ наши РґРЅРё.

Теперь ученые строят все более и более мощные установки, чтобы разоб­раться, как взаимодействуют высокоэнергичные частицы. Но крупные уско­рители очень доро­гостоящи, а на их строительство уходят годы. Поэтому не­которые особенно нетер­пеливые ученые обратились к ранней Вселенной. Ее в шутку называют “ускорителем для бедных”, хотя это и не самое удачное название. Если бы нам пришлось строить ускоритель на такие, характерные для ранней Вселенной энергии, он протянулся бы до ближайших звезд.

Раз уж строительство такой установки нам не по плечу, то, взяв за образец раннюю Вселенную или, по крайней мере, ее модель, можно попытаться понять, что происходит при столь больших энергиях.

Но чем вызван интерес к явлениям, происходящим при таких энергиях? Прежде всего, тем, что они помогают понять природу фундаментальных частиц, а также фу­ндамен­тальных взаимодействий. Установление связи между ними существенно для уяснения взаимозависимости космических явлений, а согласно современным теориям понимание связи между фундаментальными взаимодействиями может пролить свет на процессы в ранней Вселенной. Возникает, например, вопрос: почему фундаментальных взаимо­действий четыре, а не одно, что казалось бы более естественным? Такой же вопрос можно задать и о фундаментальных частицах.

Конечно, одна фундаментальная сила и одна фундаментальная частица значительно упростили бы описание Вселенной. Как мы увидим, возможно, она именно так и устроена. Согласно появившимся недавно теориям, при энергиях, характерных для ранней Вселенной, все четыре фундаментальных взаимодействия были слиты воедино. По мере расширения и остывания Вселенной, видимо, происходило разделение сил; как при понижении температуры замерзает вода, так, возможно, из единой силы могло “вымерзти” тяготение, оставив остальные три. Вскоре “вымерзло” слабое взаимо­действие, и, наконец, разделились сильное и электромагнитное. Если такая идея верна и при высоких энергиях действительно происходит объединение, исследование ранней Вселенной представляет исключительный интерес.

К середине 60-х годов большинство астрономов приняло концепцию происхождения Вселенной в результате Большого взрыва, предполагавшую, что в начале своего су­ществования Вселенная имела бесконечно малые размеры. Многим трудно согласиться с мыслью о том, что вся масса Вселенной когда-то содержалась в ядре, меньше чем атом. Однако есть нечто еще труднее воспринимаемое в этой идее первичного ядра. Нам кажется, что оно существовало в некотором бесконечном пространстве, где и взорвалось, однако астрономы утверждают, что это не так. Вокруг этого ядра не было пространства: ядро и было Вселенной. Взорвавшись, оно создало пространство, врем и материю. Позднее мы внимательнее рассмотрим этот взрыв и увидим, как из него развилась Вселенная, но прежде вернемся назад во времени к этому взрыву.

3. Назад к Большому взрыву.

Чтобы вернуться к самому началу, нужно знать возраст Вселенной. А это очень сложный и спорный вопрос. Долгие годы считалось, что возраст Вселен­ной составляет примерно 18 миллиардов лет. Эта циф­ра приводилась в большинстве учебников, статей и популярных книг по космологии и принималась большинством ученых, так как основы­валась на рабо­те Хаббла, которую долгие годы развивали Аллен Сэндейдж из Хейльской обсерватории и Густав Там-ман из Базеля.

Не все, однако, были согласны с таким результатом. Жерар де Вокулер из Техасского университета работал над этой проблемой, используя сходную методику, и постоянно получал результат около 10 миллиардов лет. Сидни ван ден Берг из канадской обсерватории в Виктории также получил близкое значение. Но почему-то эти результаты остались без внимания. В 1979 году еще три астронома объявили о том, что с помощью других методов получили результаты, близкие по значению  полученным Вокулером.

Ученые, наконец, обратили внимание на эти результаты, и кое-кто задумался, - не надо ли по-новому взглянуть на проблему возраста Вселенной. Боль­шинство продолжало придерживаться прежнего ре­зультата - 18 миллиардов лет, но по мере того, как поя­влялись новые данные, свидетельствовавшие в поль­зу 10 миллиардов лет, начинал раз­гораться спор. Да­вайте немного задержимся на этом и разберемся в сути этого спора. Мы уже ви­де­­­­­­­­­­ли, что Хаббл, соотнеся расстояние до галактик с их красным смещением, предсказал рас­ширение Вселенной. На его диаграмме особо важным представляется угол наклона прямой, проходящей че­рез точки; значение H называется постоянной Хаббла. Важность этой по­стоянной определяется ее связью с возрастом Вселенной. Она дает нам представление о скорости расширения, и если мы повернем расшире­ние или, что-то же самое, время вспять (пре­дположив, что оно течет в обратную сторону), то Вселенная сожмется. Тогда возраст Вселенной будет определяться тем временем, которое потребуется всему веществу, чтобы сжаться до размеров точки. Если бы Вселенная расширялась равномерно, то ее возраст был бы обрат­ным величине H (1/ H). Однако существует явное сви­детельство в пользу того, что это не соответствует действительности: похоже, что расширение замедля­ется. Значит, чтобы уз­нать реальный возраст Вселен­ной, нам следует помнить об этом и соответственно знать, как быстро расширение замедляется.

С помощью своей лестницы, которая помогла ему вычислить расстояние до далёких звезд, Хаббл получил в 1929 году значение Н, которое соответствовало пора­зительно малому возрасту - 2 миллиарда лет. Пора­зительным его можно считать потому, что результаты геологических исследований дают гораздо большее значение, и эти данные весьма надежны. Замеша­тельство длилось недолго: Вальтер Бааде из обсерва­тории Маунт-Вилсон вскоре нашел ошибку в методике, с помощью которой Хаббл определял расстояние. Он пользовался зависимостью период - светимость для цефеид (чем больше период цефеид, тем больше абсолютная светимость) для определения расстояния до ближайших галактик, но звезды переменной свети­мости в этих галактиках не были обычными цефе­идами и, следовательно, указанной зависимости не подчинялись. С поправками возраст Вселенной удва­ивался. Через несколько лет Сэндейдж заметил, что Хаббл принял скопления звезд за отдельные звезды в более отдаленных галактиках. С этими исправлени­ями возраст еще раз удвоился.

Так возраст Вселенной был определен в 10 милли­ардов лет. Однако Сэндейджа и Таммана это не удов­летворило. Они тщательно проанализировали работу Хаббла, расширив ее рамки. В их распоряжении были новейшая техника и методика калибровки, не говоря уже о 200-дюймовом телескопе-рефлекторе Паломарской обсерватории. В результате их исследований воз­раст Вселенной еще раз удвоился и составил около 18 миллиардов лет, так что некоторое время никто не смел и подумать о новых вычислениях.

Пока Сэндейдж и Тамман проверяли и корректи­ровали работы Хаббла, в Техасском университете усердно трудился де Вокулер. Подобно Сэндейджу, он пользовался космической лестницей, идя по сту­пенькам вглубь ко все более слабым галактикам. Од­нако что-то его беспокоило. Через несколько лет он внимательно изучил окружающую нас группу галак­тик, называемую местным скоплением, и обнаружил, что она является частью гораздо большей группы - скопления скоплений. Доминирующим в группе было гигантское скопление, называемое Девой (располо­женное в направлении созвездия Девы). Де Вокулер пришел к выводу, что это колоссальное скопление воздействует на нашу галактику, поэтому он и полу­чил гораздо меньшее число, чем Сэндейдж и Тамман, которые не учли этого обстоятельства.

Однако никто РЅРµ обращал РЅР° идеи РґРµ Вокулера РЅРё малейшего внимания. Наверное, легче было считать, что РјС‹ живем РІ обычной области Вселенной, Р° РґРµ Во­кулер уверял, что это аномальная область. Для разре­шения противоречия требовался какой-то совершен­но новый метод. Такой метод (который, однако, РЅРµ позволил найти окончательное решение) появился РІ 1979 РіРѕРґСѓ - Марк Ааронсон РёР· обсерватории Стю­арда, Джон Хачра РёР· Гарварда Рё Джереми Моулд РёР· национальной обсерватории Китт-РџРёРє объявили Рѕ том, что полученное РёРјРё значение Рќ лежит между значе­ниями, предложенными РґРµ Вокулером Рё Сэндейджем. Однако большинство РёС… измерений, как Рё измерения Сэндейджа, проводились РІ направлении скопления Девы. Де Вокулер предложил провести РёС… РІ каком- либо РґСЂСѓРіРѕРј участке неба, подальше РѕС‚ Девы. Р