Úvod. Struktura vesmíru ve starověku

3Heliocentrický model vesmíru. Kosmologické modely Vesmír

1Kosmologie

2Stacionární model vesmíru

3Nestabilní model vesmíru

4Současný výzkum kosmologické modely vesmíru. Nobelova cena za objev zrychlené expanze vesmíru

5 Tmavá hmota

6 Temná energie

Závěr

Literatura

Úvod

Vesmír jako celek je předmětem speciální astronomické vědy - kosmologie, která má dávnou historii. Jeho počátky sahají do starověku. Kosmologie byla po dlouhou dobu pod významným vlivem náboženského světonázoru, protože nebyla ani tak předmětem poznání, jako otázkou víry.

Od 19. století. kosmologické problémy nejsou otázkou víry, ale předmětem vědeckého poznání. Jsou řešeny pomocí vědeckých konceptů, myšlenek, teorií, jakož i zařízení a nástrojů, které nám umožňují pochopit, jaká je struktura vesmíru a jak vznikl. V XX století. došlo k významnému pokroku ve vědeckém chápání podstaty a vývoje vesmíru jako celku. Pochopení těchto problémů samozřejmě ještě zdaleka není dokončeno a budoucnost nepochybně povede k novým velkým otřesům v aktuálně přijímaných názorech na obraz vesmíru. Je však důležité poznamenat, že zde máme co do činění s vědou, s racionálními znalostmi, a nikoli s vírou a náboženským přesvědčením.

Relevance této práce je na jedné straně dána velkým zájmem o strukturu vesmíru v moderní věda na druhé straně jeho nedostatečný rozvoj a pozornost vesmíru v moderní svět.

Objekt výzkumu: vesmír.

Předmět výzkumu: modely struktury vesmíru.

Účel práce: zvážit moderní kosmologické modely vesmíru.

K dosažení tohoto cíle je nutné vyřešit následující úkoly:

)Analyzujte literaturu o průběhu obecné fyziky a astronomie v souvislosti s výběrem předmětu výzkumu.

)Sledujte historii kosmologického výzkumu.

)Zvažte moderní kosmologické modely.

)Vyzvedněte si ilustrační materiál.

Kurz se skládá z úvodu, tří kapitol, závěru a bibliografie. Kapitola 1 je věnována historii struktury vesmíru, kapitola 2 zkoumá kosmologické modely vesmíru, kapitola 3 otevírá moderní studie kosmologických modelů, v závěru shrnuje odvedenou práci.

Kapitola 1. Struktura vesmíru ve starověku

.1 Pyrocentrický model vesmíru

Cesta k pochopení pozice naší planety a lidstva na ní žijícího ve vesmíru byla velmi obtížná a někdy velmi dramatická. V dávných dobách bylo přirozené věřit, že Země je nehybná, plochá a nachází se ve středu světa. Zdálo se, že celý svět byl stvořen kvůli člověku. Takovým reprezentacím se říká antropocentrismus (z řečtiny. Antropos - osoba). Mnoho myšlenek a myšlenek, které se později odrazily v moderních vědeckých koncepcích přírody, zejména v astronomii, vzniklo v Starověké Řecko, dokonce několik století před naším letopočtem. Je těžké vyjmenovat jména všech myslitelů a jejich důmyslné dohady. Významný matematik Pythagoras (VI. Století př. N. L.) Byl přesvědčen, že „číslo vládne světu“. Předpokládá se, že to byl Pythagoras, kdo poprvé vyjádřil myšlenku, že Země, stejně jako všechna ostatní nebeská tělesa, má sférický tvar a je ve vesmíru bez jakékoli podpory. Pythagorejci navrhli pyrocentrický model vesmíru, ve kterém se hvězdy, Slunce, Měsíc a šest planet točí kolem centrálního ohně (Hestia). Aby bylo získáno posvátné číslo - deset - sfér, byla šestá planeta prohlášena za Anti -Zemi (Antichthon). Slunce i Měsíc podle této teorie zářily odraženým světlem Hestie. Byl to první matematický systém na světě - zbytek starověkých kosmogonistů pracoval spíše s představivostí než s logikou. Vzdálenosti mezi sférami světel v Pythagorejcích odpovídaly hudebním intervalům v měřítku; když se otáčejí, zní „hudba sfér“, pro nás neslyšitelně. Pythagorejci považovali Zemi za sférickou a rotující, a proto dochází ke změně dne a noci. Pythagorejci také poprvé vyvinuli koncept etheru. Toto je nejvyšší, nejčistší a průhledná vrstva vzduchu, sídlo bohů.

1.2 Geocentrický model vesmíru

Další neméně slavný vědec starověku, Demokritos, zakladatel pojmu atomů, který žil 400 let před naším letopočtem, věřil, že Slunce je mnohonásobně větší než Země, že samotný Měsíc nesvítí, ale pouze odráží sluneční světlo, a Mléčnou dráhu tvoří obrovské množství hvězd. Shrňte všechny znalosti, které byly nashromážděny ve IV. Století. před naším letopočtem byl schopen vynikajícímu filozofovi starověkého světa Aristotelovi (384-322 př. n. l. e.).

Rýže. 1. Geocentrický systém světa Aristoteles-Ptolemaios.

Jeho aktivity zahrnovaly všechny přírodní vědy - informace o obloze a Zemi, o pohybových zákonech těles, o zvířatech a rostlinách atd. Hlavní zásluhou Aristotela jako encyklopedického vědce bylo vytvoření jednotného systému vědeckých znalostí. Téměř dvě tisíciletí nebyl jeho názor na mnoho otázek zpochybňován. Podle Aristotela vše těžké směřuje do středu Vesmíru, kde se hromadí a tvoří sférickou hmotu - Zemi. Planety jsou umístěny na speciální koule, které se otáčejí kolem Země. Takový systém světa se nazývá geocentrický (z řeckého názvu Země - Gaia). Nebylo náhodou, že Aristoteles navrhl považovat Zemi za nehybný střed světa. Pokud by se Země pohnula, pak by podle spravedlivého názoru Aristotela došlo ke znatelné pravidelné změně vzájemná dispozice hvězdy na nebeské sféře. Žádný z astronomů ale nic takového nepozoroval. Jedině v počátek XIX v. byl nakonec objeven a změřen posun hvězd (paralaxa) v důsledku pohybu Země kolem Slunce. Mnoho z Aristotelových generalizací vycházelo z závěrů, které v té době nebylo možné ověřit zkušeností. Tvrdil tedy, že k pohybu těla nemůže dojít, pokud na něj síla nepůsobí. Jak víte z kurzu fyziky, tyto myšlenky byly vyvráceny až v 17. století. v době Galilea a Newtona.

1.3 Heliocentrický model vesmíru

Mezi vědci starověku Aristarchus ze Samosu, který žil ve III. Století, vyniká smělostí svých odhadů. před naším letopočtem NS. Jako první určil vzdálenost k Měsíci, vypočítal velikost Slunce, které se podle jeho údajů ukázalo být objemově více než 300krát větší než Země. Pravděpodobně se tato data stala jedním z důvodů pro závěr, že Země se spolu s dalšími planetami pohybuje kolem tohoto největšího těla. V našich dnech se Aristarchovi ze Samosu začalo říkat „Koperník starověkého světa“. Tento vědec představil něco nového do teorie hvězd. Věřil, že jsou nesmírně dále od Země než Slunce. V té době byl tento objev velmi důležitý: z útulného domovského světa se vesmír proměňoval v obrovský obrovský svět. V tomto světě se Země se svými horami a pláněmi, s lesy a poli, s mořem a oceány stala malou zrnkou prachu, ztracenou ve velkolepém prázdném prostoru. Díla tohoto pozoruhodného vědce se k nám bohužel prakticky nedostala a více než jeden a půl tisíce let je lidstvo přesvědčeno, že Země je nehybným středem světa. Do značné míry to usnadnil matematický popis viditelného pohybu svítidel, který pro geocentrický systém světa vyvinul jeden z vynikajících matematiků starověku - Claudius Ptolemaios ve století II. INZERÁT Nejtěžším úkolem se stalo vysvětlení smyčkového pohybu planet.

Ptolemaios ve svém slavném díle „Matematické pojednání o astronomii“ (lépe známý jako „Almagest“) tvrdil, že každá planeta se pohybuje rovnoměrně v epicyklickém kruhu, jehož střed se pohybuje kolem Země v deferentu - velkém kruhu. Dokázal tedy vysvětlit zvláštní povahu pohybu planet, kterými se odlišovaly od Slunce a Měsíce. Ptolemaiový systém podával čistě kinematický popis planetárního pohybu - tehdejší věda nemohla nabídnout nic jiného. Už jste viděli, že použití modelu nebeské sféry při popisu pohybu Slunce, Měsíce a hvězd vám umožňuje provádět mnoho výpočtů užitečných pro praktické účely, i když ve skutečnosti taková sféra neexistuje. Totéž platí pro epicykly a deferenty, na jejichž základě lze s určitým stupněm přesnosti vypočítat polohu planet.

Rýže. 2. Pohyb Země a Marsu.

Postupem času se však požadavky na přesnost těchto výpočtů neustále zvyšovaly, pro každou planetu bylo nutné přidávat další a další epicykly. To všechno komplikovalo Ptolemaiový systém, takže byl pro praktické výpočty zbytečně těžkopádný a nepohodlný. Přesto geocentrický systém zůstal neotřesitelný asi 1000 let. Ostatně po rozkvětu starověká kultura v Evropě začalo dlouhé období, během kterého nebyl učiněn jediný významný objev v astronomii a mnoha dalších vědách. Teprve v renesanci začíná vzestup rozvoje věd, v nichž se astronomie stává jedním z vůdců. V roce 1543 byla vydána kniha vynikajícího polského vědce Mikuláše Koperníka (1473–1543), v níž zdůvodnil novou - heliocentrický - systém světa. Copernicus ukázal, že denní pohyb všech svítidel lze vysvětlit rotací Země kolem osy a smyčkovým pohybem planet - tím, že se všechny, včetně Země, točí kolem Slunce.

Obrázek ukazuje pohyb Země a Marsu v období, kdy se nám zdá, že planeta popisuje smyčku na obloze. Vytvoření heliocentrického systému znamenalo novou etapu ve vývoji nejen astronomie, ale i celé přírodní vědy. Obzvláště důležitou roli sehrála Koperníkova myšlenka, že za viditelným obrazem vyskytujících se jevů, který se nám zdá být pravdivý, je nutné hledat a nalézat podstatu těchto jevů nepřístupných přímému pozorování. Heliocentrický systém světa, podložený, ale neprokázaný Koperníkem, byl potvrzen a vyvinut v dílech takových vynikajících vědců, jako jsou Galileo Galilei a Johannes Kepler.

Galileo (1564-1642), jeden z prvních, kdo ukázal dalekohled na oblohu, interpretoval objevy učiněné v tomto případě jako argumenty ve prospěch Koperníkovy teorie. Když objevil změnu fází Venuše, dospěl k závěru, že takovou jejich sekvenci lze pozorovat pouze v případě její revoluce kolem Slunce.

Rýže. 3. Heliocentrický systém světa.

Čtyři jím objevené satelity planety Jupiter také vyvrátily myšlenku, že Země je jediným centrem na světě, kolem kterého se mohou otáčet jiná tělesa. Galileo nejen viděl hory na Měsíci, ale dokonce změřil jejich výšku. Spolu s několika dalšími vědci také pozoroval sluneční skvrny a všiml si jejich pohybu sluneční kotouč... Na tomto základě dospěl k závěru, že Slunce se otáčí, a proto má takový pohyb, který Koperník připisoval naší planetě. Takže se dospělo k závěru, že Slunce a Měsíc mají určitou podobnost se Zemí. Nakonec, když Galileo pozoroval v Mléčné dráze i mimo ni mnoho slabých hvězd nepřístupných pouhému oku, dospěl k závěru, že vzdálenosti ke hvězdám jsou různé a žádná „sféra pevných hvězd“ neexistuje. Všechny tyto objevy se staly novou fází porozumění postavení Země ve vesmíru.

Kapitola 2. Kosmologické modely vesmíru

.1 Kosmologie

V překladu z řečtiny znamená kosmologie „popis světového řádu“. Tohle je vědní disciplína, navržený tak, aby našel nejobecnější pohybové zákony hmoty a vybudoval chápání vesmíru jako harmonického celku. V ideálním případě by v něm (v kosmologické teorii) nemělo být místo pro náhodu, ale všechny jevy pozorované v Kosmu by se měly jevit jako projevy obecných pohybových zákonů hmoty. Kosmologie je tedy klíčem k pochopení všeho, co se děje v makrokosmu i mikrokosmu.

Kosmologie je obor astronomie a astrofyziky, který studuje původ, rozsáhlou strukturu a vývoj vesmíru. Data pro kosmologii se získávají hlavně z astronomických pozorování. K jejich interpretaci se v současné době používá Einsteinova obecná teorie relativity (1915). Vytvoření této teorie a implementace odpovídajících pozorování umožnily na počátku 20. let 20. století umístit kosmologii do řady exaktních věd, zatímco předtím to byla spíše oblast filozofie. Nyní vznikly dvě kosmologické školy: empiristé se omezují na interpretaci pozorovacích dat, nikoli na extrapolaci svých modelů na neprobádané oblasti; teoretici se pokoušejí vysvětlit pozorovatelný vesmír pomocí některých hypotéz vybraných pro jednoduchost a eleganci. Nyní je široce známý kosmologický model Velkého třesku, podle kterého expanze Vesmíru začala před časem z velmi hustého a horkého stavu; diskutován je také stacionární model Vesmíru, ve kterém existuje věčně a nemá začátek ani konec.

2.2 Stacionární model vesmíru

Start nová teorie vznik vesmíru položila publikace v roce 1916 o díle Alberta Einsteina „Základy obecné teorie relativity“.

Tato práce tvoří základ relativistické teorie gravitace, na které je zase založena moderní kosmologie. Obecná teorie relativity je již aplikována na všechny referenční rámce (a nejen na ty, které se vůči sobě pohybují konstantní rychlostí) a vypadá matematicky mnohem komplikovaněji než speciální (což vysvětluje jedenáctiletou mezeru mezi jejich zveřejněním ). Zahrnuje jako speciální případ speciální teorii relativity (a tedy Newtonovy zákony). Obecná teorie relativity jde navíc mnohem dále než všichni její předchůdci. Zejména poskytuje novou interpretaci gravitace. Obecná relativita činí svět čtyřrozměrným: ke třem prostorovým dimenzím se přidává čas. Všechny čtyři dimenze jsou neoddělitelné, takže už nemluvíme o prostorové vzdálenosti mezi dvěma objekty, jako je tomu v trojrozměrném světě, ale o časoprostorových intervalech mezi událostmi, které spojují jejich vzdálenost od sebe-oba v čas a ve vesmíru .... To znamená, že prostor a čas jsou považovány za čtyřrozměrné časoprostorové kontinuum, nebo jednoduše časoprostor. Již v roce 1917 sám Einstein navrhl model prostoru, který odvozil od svých rovnic pole, nyní známý jako Einsteinův model vesmíru. V jádru to byl stacionární model. Aby nebyl v rozporu se statikou, Einstein upravil svoji teorii zavedením takzvané kosmologické konstanty do rovnic. Představil novou „antigravitační“ sílu, která na rozdíl od ostatních sil nebyla generována žádným zdrojem, ale byla zakotvena v samotné struktuře časoprostoru. Einstein tvrdil, že samotný časoprostor se vždy rozpíná a toto rozpínání přesně vyvažuje přitažlivost všech ostatních látek ve vesmíru, takže se vesmír ve výsledku ukazuje jako statický.

S přihlédnutím ke kosmologické konstantě mají Einsteinovy ​​rovnice tvar:

kde ? - kosmologická konstanta, g ab - metrický tenzor, R ab je Ricciho tenzor, R je skalární zakřivení, T ab je tenzor energie a hybnosti, c je rychlost světla, G je Newtonova gravitační konstanta.

"Vesmír, znázorněný Einsteinovou teorií relativity, je jako nafukovací mýdlová bublina." Není to jeho nitro, ale film. Povrch bubliny je dvourozměrný a bublina vesmíru má čtyři dimenze: tři prostorové a jednu dočasnou, “napsal kdysi významný anglický fyzik James Jeans. Tento moderní vědec (zemřel v roce 1946) jakoby oživil starou myšlenku stoupenců Platóna a Pythagorase, že vše kolem je čistá matematika a bůh, který vytvořil tento matematický vesmír, byl sám velkým matematikem.

Ale Einstein byl také skvělý matematik. Jeho vzorce nám umožňují vypočítat poloměr tohoto vesmíru. Protože jeho zakřivení závisí na hmotnosti těles, která jej tvoří, je nutné znát průměrnou hustotu hmoty. Astronomové roky studovali stejné malé oblasti oblohy a pečlivě vypočítali množství hmoty v nich. Ukázalo se, že hustota je přibližně 10-30 g / cm3. Pokud dosadíme toto číslo do Einsteinových vzorců, pak za prvé získáme kladnou hodnotu zakřivení, to znamená, že náš vesmír je uzavřen! - a za druhé, jeho poloměr se rovná 35 miliardám světelných let. To znamená, že ačkoli je vesmír konečný, je obrovský - paprsek světla, řítící se podél Velkého kosmického kruhu, se za 200 miliard pozemských let vrátí do stejného bodu!

Není to jediný paradox v Einsteinově vesmíru. Je nejen konečný, ale neomezený, je také nestálý. Albert Einstein formuloval svoji teorii ve formě deseti velmi složitých, takzvaných nelineárních diferenciálních rovnic. Ne všichni vědci je však považovali za deset přikázání a připustili pouze jednu jedinou interpretaci. A to není překvapující - koneckonců moderní matematika neví, jak přesně takové rovnice přesně vyřešit, a přibližných řešení může být mnoho.

2.3 Nestacionární model vesmíru

První zásadně nové revoluční kosmologické důsledky obecné teorie relativity odhalil vynikající sovětský matematik a teoretický fyzik Alexander Alexandrovič Fridman (1888-1925).

Hlavní rovnice obecné teorie relativity jsou Einsteinovy ​​„světové rovnice“, které popisují geometrické vlastnosti neboli metriky čtyřrozměrného zakřiveného prostoru - času.

Jejich řešení umožňuje v zásadě stavět matematický model Vesmír. První takový pokus provedl sám Einstein. Vzhledem k tomu, že poloměr zakřivení prostoru je konstantní (tj. Vychází z předpokladu stacionarity vesmíru jako celku, což se zdálo nejrozumnější), dospěl k závěru, že vesmír by měl být prostorově konečný a měl by mít tvar čtyřrozměrného válce. V letech 1922-1924. Friedman kritizoval Einsteinova zjištění. Ukázal bezdůvodnost svého původního postulátu - o statičnosti, neměnnosti v čase Vesmíru. Po analýze světových rovnic dospěl Friedman k závěru, že jejich řešení za žádných okolností nemůže být jednoznačné a nemůže dát odpověď na otázku podoby Vesmíru, jeho konečnosti nebo nekonečnosti.

Vycházeje z opačného postulátu - o možné změně poloměru zakřivení světového prostoru v čase, našel Friedman nestacionární řešení „světových rovnic“. Jako příklad takových řešení postavil tři možné modely vesmíru. Ve dvou z nich se poloměr zakřivení prostoru monotónně zvětšuje a vesmír se rozšiřuje (v jednom modelu - z bodu, ve druhém - počínaje určitým konečným objemem). Třetí model namaloval obraz pulzujícího vesmíru s periodicky se měnícím poloměrem zakřivení.

Friedmannův model je založen na konceptu izotropního, homogenního a nestacionárního stavu vesmíru:

Ø Izotropie naznačuje, že ve vesmíru neexistují žádné rozlišené body směrů, to znamená, že jeho vlastnosti nezávisí na směru.

Ø Rovnoměrnost vesmíru charakterizuje rozložení hmoty v něm. Tuto uniformitu rozložení hmoty lze odůvodnit spočítáním počtu galaxií až do dané zdánlivé velikosti. Podle pozorování je hustota hmoty v části prostoru, kterou vidíme, v průměru stejná.

Ø Nestacionarita znamená, že vesmír nemůže být ve statickém, neměnném stavu, ale musí se buď rozšiřovat, nebo smršťovat

V moderní kosmologii se těmto třem výrokům říká kosmologické postuláty. Souhrn těchto postulátů je základním kosmologickým principem. Kosmologický princip vyplývá přímo z postulátů obecné teorie relativity. A. Friedman na základě jím předložených postulátů vytvořil model struktury vesmíru, ve kterém se všechny galaxie od sebe vzdalují. Tento model vypadá jako rovnoměrně nafukovací gumová koule, jejíž všechny body v prostoru se od sebe vzdalují. Vzdálenost mezi libovolnými dvěma body se zvětšuje, ale žádný z nich nelze nazvat středem expanze. Navíc čím větší je vzdálenost mezi body, tím rychleji se od sebe vzdalují. Sám Friedman zvažoval pouze jeden model struktury Vesmíru, ve kterém se prostor mění podle parabolického zákona. To znamená, že se zpočátku bude pomalu rozpínat a poté bude vlivem gravitačních sil expanze nahrazena kompresí na původní velikost. Jeho následovníci ukázali, že existují nejméně tři modely, pro které jsou splněny všechny tři kosmologické postuláty. Parabolický model A. Friedmana je jednou z možných možností. Nizozemský astronom W. de Sitter našel trochu jiné řešení problému. Prostor vesmíru v jeho modelu je hyperbolický, to znamená, že rozpínání vesmíru nastává se zvyšujícím se zrychlením. Rychlost expanze je tak vysoká, že gravitační vliv nemůže tomuto procesu bránit. Ve skutečnosti předpovídal expanzi vesmíru. Třetí variantu chování vesmíru vypočítal belgický kněz J. Lemaitre. V jeho modelu se vesmír rozšíří do nekonečna, ale rychlost rozpínání se bude neustále snižovat - tato závislost je logaritmické povahy. V tomto případě je rychlost expanze dostatečná, aby se zabránilo zmenšení na nulu. V prvním modelu je prostor zakřivený a uzavřený na sebe. Je to koule, takže její rozměry jsou konečné. Ve druhém modelu je prostor zakřivený odlišně, v podobě hyperbolického paraboloidu (neboli sedla) je prostor nekonečný. Ve třetím modelu s kritickou rychlostí expanze je prostor plochý, a proto také nekonečný.

Zpočátku byly tyto hypotézy vnímány jako incident, včetně A. Einsteina. Již v roce 1926 se však odehrála epochální událost v kosmologii, která potvrdila správnost výpočtů Friedmann - De Sitter - Lemaître. Taková událost, která ovlivnila konstrukci všech stávajících modelů Vesmíru, byla dílem amerického astronoma Edwina P. Hubbla. V roce 1929 při provádění pozorování největším dalekohledem v té době zjistil, že světlo přicházející na Zemi ze vzdálených galaxií bylo posunuto směrem k části spektra s dlouhou vlnovou délkou. Tento jev, který dostal název „Efekt červeného posunu“, je založen na principu, který objevil slavný fyzik K. Doppler. Dopplerovský efekt naznačuje, že ve spektru zdroje záření blížícího se k pozorovateli jsou spektrální čáry posunuty na krátkovlnnou (fialovou) stranu, ve spektru zdroje vzdalujícího se od pozorovatele jsou spektrální čáry posunuty na červená (dlouhovlnná) strana.

Efekt červeného posunu naznačuje, že se galaxie vzdalují od pozorovatele. S výjimkou slavné mlhoviny Andromeda a několika hvězdných soustav, které jsou nám nejbližší, všechny ostatní galaxie od nás ustupují. Navíc se ukázalo, že rychlost expanze galaxií není v různých částech vesmíru stejná. Čím dál jsou od nás, tím rychleji se vzdalují. Jinými slovy, hodnota rudého posuvu se ukázala být úměrné vzdálenosti ke zdroji záření - to je přísná formulace Hubbleova otevřeného zákona. Přirozený vztah mezi vzdáleností mezi galaxiemi a vzdáleností k nim je popsán pomocí Hubblovy konstanty (H, km / s na 1 megaparsek vzdálenost).

V = Hr ,

kde V je vzdálenost mezi galaxiemi, H je Hubblova konstanta a r je vzdálenost mezi nimi.

Hodnota této konstanty ještě nebyla definitivně stanovena. Různí vědci ji definují v rozmezí 80 ± 17 km / s na každý megaparsek vzdálenosti. Fenomén rudého posuvu byl vysvětlen ve fenoménu „recese galaxií“. V tomto ohledu jsou zdůrazněny problémy studia expanze vesmíru a určování jeho věku podle trvání této expanze.

Většina moderních kosmologů chápe tuto expanzi jako rozšíření skutečně celého myslitelného a existujícího Vesmíru ... Předčasná smrt bohužel neumožnila geniálnímu teoretikovi Vesmíru A.A. aktualizovat kosmologický obraz světa. Zkušenosti z historie vývoje znalostí o světě však naznačují, že moderní relativistický kosmologický obraz světa, který je výsledkem extrapolace na všechny myslitelné „celé“ znalosti o omezené části vesmíru, je nevyhnutelný nepřesné. Můžeme si tedy myslet, že spíše odráží vlastnosti omezené části Vesmíru (kterou lze nazvat Metagalaxy), a případně pouze jednu z fází jejího vývoje (což umožňuje relativistická kosmologie a které se může stát jasnější se specifikací průměrné hustoty hmoty v Metagalaxy). V současné době však v tomto bodě zůstává obraz světa nejistý.

Kapitola 3. Moderní studie kosmologických modelů vesmíru

.1 Nobelova cena za objev zrychlené expanze vesmíru

Moderní kosmologie je komplexní, komplexní a rychle se rozvíjející systém přírodních - vědeckých (astronomie, fyzika, chemie atd.) A filozofických znalostí o vesmíru jako celku, založený jak na pozorovacích datech, tak na teoretických závěrech týkajících se části Vesmír pokrytý astronomickými pozorováními ...

Poměrně nedávno byl v oblasti moderní kosmologie učiněn objev, který v budoucnosti může změnit naše představy o původu a vývoji našeho vesmíru. Vědci, kteří významně přispěli k rozvoji tohoto objevu, byli za svou práci oceněni Nobelovou cenou.

Nobelovu cenu získali Američané Saul Perlmutter, Australan Brian Schmidt a Američan Adam Rees za objev zrychlené expanze vesmíru.

V roce 1998 vědci zjistili, že se vesmír rozpíná zrychlujícím tempem. K objevu došlo díky studiu supernov typu Ia. Supernovy jsou hvězdy, které čas od času na obloze jasně zablikají a poté poměrně rychle vyblednou. Díky svým jedinečným vlastnostem se tyto hvězdy používají jako markery k určení toho, jak se kosmologické vzdálenosti v čase mění. Supernova je okamžik v životě obrovské hvězdy, kdy zažije katastrofický výbuch. Supernovy jsou různých typů v závislosti na konkrétních okolnostech předcházejících kataklyzmatu. Během pozorování je typ světlice určen spektrem a tvarem světelné křivky. Supernovy, označované jako Ia, pocházejí z termonukleární exploze bílého trpaslíka, jehož hmotnost překročila prahovou hodnotu ~ 1,4 sluneční hmotnosti, nazývanou Chandrasekharův limit. Dokud je hmotnost bílého trpaslíka menší než prahová hodnota, je síla gravitace hvězdy vyvážena tlakem degenerovaného elektronového plynu. Pokud ale v blízké binární soustavě hmota proudí ze sousední hvězdy na ni, pak se v určitém okamžiku ukáže, že elektronový tlak je nedostatečný a hvězda exploduje a astronomové zaregistrují další výbuch supernovy typu Ia. Protože prahová hmotnost a důvod, proč bílý trpaslík exploduje, jsou vždy stejné, měly by takové supernovy při maximálním jasu mít stejnou a velmi vysokou svítivost a mohou sloužit jako „standardní svíčka“ pro určování mezigalaktických vzdáleností. Pokud shromáždíme údaje o mnoha takových supernovách a porovnáme jejich vzdálenosti s červenými posuny galaxií, ve kterých došlo k výbuchům, pak můžeme určit, jak se v minulosti změnila rychlost rozpínání Vesmíru, a vybrat vhodný kosmologický model.

Studiem supernov vzdálených od Země vědci zjistili, že jsou nejméně o čtvrtinu slabší, než předpovídá teorie - to znamená, že hvězdy jsou příliš daleko. Po vypočítání parametrů expanze vesmíru vědci zjistili, že se tento proces zrychluje.

3.2 Temná hmota

Temná hmota je podobná běžné hmotě v tom smyslu, že je schopná shromažďování do shluků (řekněme velikosti galaxie nebo kupy galaxií) a účastní se gravitačních interakcí stejným způsobem jako běžná hmota. S největší pravděpodobností se skládá z nových částic, které v pozemských podmínkách dosud nebyly objeveny.

Kromě kosmologických dat je pro existenci temné hmoty i měření gravitačního pole v kupách galaxií a v galaxiích. Existuje několik způsobů, jak měřit gravitační pole v kupách galaxií, z nichž jeden je gravitační čočka, znázorněný na obr. 4.

Rýže. 4. Gravitační čočka.

Gravitační pole kupy ohýbá paprsky světla vyzařované galaxií za kupou, to znamená, že gravitační pole funguje jako čočka. Současně se někdy objeví několik obrazů této vzdálené galaxie; na levé polovině obr. 7 jsou modré. Zakřivení světla závisí na rozložení hmoty v kupě, bez ohledu na to, které částice tuto hmotu vytvářejí. Takto obnovené rozložení hmoty je znázorněno v pravé polovině obr. 7 v modré barvě; je vidět, že se velmi liší od distribuce světelné látky. Měřené tímto způsobem jsou hmotnosti kup galaxií v souladu se skutečností, že temná hmota přispívá asi 25% k celkové hustotě energie ve vesmíru. Připomeňme, že stejný počet získáme porovnáním teorie vzniku struktur (galaxií, kup) s pozorováním.

Temná hmota se nachází také v galaxiích. To opět vyplývá z měření gravitačního pole, nyní v galaxiích a jejich okolí. Čím silnější je gravitační pole, tím rychleji se hvězdy a oblaka plynu otáčejí kolem galaxie, takže měření rychlosti otáčení v závislosti na vzdálenosti od středu galaxie umožňují rekonstruovat rozložení hmoty v ní.

Co jsou částice temné hmoty? Je jasné, že tyto částice by se neměly rozpadat na jiné, lehčí částice, jinak by se rozpadaly během existence Vesmíru. Tato skutečnost sama o sobě svědčí o tom, že v přírodě funguje nový, dosud neobjevený zákon o ochraně přírody, který zakazuje rozpad těchto částic. Zde je analogie se zákonem zachování elektrického náboje: elektron je nejlehčí částice s elektrickým nábojem, a proto se nerozpadá na lehčí částice (například neutrina a fotony). Dále částice temné hmoty interagují s naší hmotou extrémně slabě, jinak by byly již detekovány v pozemských experimentech. Poté začíná oblast hypotéz. Nejpravděpodobnější (ale zdaleka ne jedinou!) Hypotézou je, že částice temné hmoty jsou 100–1 000krát těžší než proton a že jejich interakce s běžnou hmotou je intenzitou srovnatelná s interakcí neutrin. V rámci této hypotézy nachází moderní hustota temné hmoty jednoduché vysvětlení: částice temné hmoty se intenzivně rodily a vyhlazovaly ve velmi raném vesmíru při ultra vysokých teplotách (asi 1015 stupňů) a některé z nich přežily do dnešního dne. Se specifikovanými parametry těchto částic je jejich současný počet ve vesmíru přesně to, co je potřeba.

Můžeme v blízké budoucnosti za pozemských podmínek očekávat objev částic temné hmoty? Protože dnes neznáme povahu těchto částic, nelze na tuto otázku zcela jednoznačně odpovědět. Přesto se tento výhled jeví jako velmi optimistický.

Existuje několik způsobů, jak hledat částice temné hmoty. Jeden z nich je spojen s experimenty na budoucích vysokoenergetických urychlovačích - srážkách. Pokud jsou částice temné hmoty skutečně 100–1 000krát těžší než proton, pak se zrodí při srážkách běžných částic zrychlených u kolidérů na vysoké energie (energie dosažené u stávajících kolidérů na to nestačí). Nejbližší vyhlídky jsou zde spojeny s budováním Large Hadron Collider (LHC) ve výstavbě v mezinárodním centru CERN poblíž Ženevy, který bude přijímat srážející se paprsky protonů s energií 7x7 teraelektronvoltů. Je třeba říci, že podle dnes populárních hypotéz jsou částice temné hmoty pouze jedním zástupcem nové rodiny elementárních částic, takže spolu s objevem částic temné hmoty lze doufat v objev celé třídy nové částice a nové interakce na urychlovačích. Kosmologie naznačuje, že svět elementárních částic není zdaleka vyčerpán známými dnešními „cihlami“!

Dalším způsobem je registrace částic temné hmoty, které létají kolem nás. V žádném případě jich není málo: s hmotností rovnou 1000 hmotností protonu by zde a nyní mělo být 1 000 těchto částic v metru krychlovém. Problém je v tom, že extrémně slabě interagují s běžnými částicemi, látka je pro ně průhledná. Přesto se částice temné hmoty příležitostně srazí s atomovými jádry a tyto srážky se snad dají zaregistrovat. Hledání v tomto směru se provádí pomocí řady vysoce citlivých detektorů umístěných hluboko pod zemí, kde je pozadí z kosmických paprsků ostře redukováno.

Nakonec je další způsob spojen s registrací produktů zničení částic temné hmoty mezi sebou. Tyto částice by se měly hromadit ve středu Země a ve středu Slunce (látka je pro ně prakticky průhledná a jsou schopny dopadnout na Zemi nebo na Slunce). Tam se navzájem zničí a vytvoří se další částice, včetně neutrin. Tato neutrina volně procházejí tloušťkou Země nebo Slunce a mohou být registrována speciálními instalacemi - neutrinovými teleskopy. Jeden z těchto neutrinových dalekohledů se nachází v hloubce jezera Bajkal, druhý (AMANDA) - hluboko v ledu na jižním pólu. Existují i ​​jiné přístupy k hledání částic temné hmoty, například hledání produktů jejich zničení v centrální oblasti naší Galaxie. Čas ukáže, která ze všech těchto cest povede k úspěchu jako první, ale v každém případě bude objev těchto nových částic a studium jejich vlastností velkým vědeckým úspěchem. Tyto částice nám řeknou o vlastnostech vesmíru 10–9 s (jedna miliardtina sekundy!) Po Velkém třesku, kdy byla teplota vesmíru 1015 stupňů, a částice temné hmoty intenzivně interagovaly s kosmickým plazmatem.

3.3 Temná energie

Temná energie je mnohem podivnější látka než temná hmota. Za prvé, neshromažďuje se ve shlucích, ale je rovnoměrně „rozlita“ ve vesmíru. V galaxiích a kupách galaxií je toho tolik jako mimo ně. Nejneobvyklejší věcí je, že temná energie v jistém smyslu zažívá antigravitaci. Již jsme řekli, že moderní astronomické metody mohou nejen měřit aktuální rychlost rozpínání Vesmíru, ale také určit, jak se v průběhu času měnil. Astronomická pozorování tedy ukazují, že dnes (a v nedávné minulosti) se vesmír rozpíná se zrychlením: rychlost rozpínání roste s časem. V tomto smyslu můžeme hovořit o antigravitaci: obvyklá gravitační přitažlivost by zpomalila rozptyl galaxií, ale v našem vesmíru se ukazuje, že opak je pravdou.

heliocentrický vesmír kosmologický gravitační

Rýže. 5. Ilustrace temné energie.

Takový obraz, obecně řečeno, neodporuje obecné teorii relativity, ale pro tuto temnou energii musí mít zvláštní vlastnost - podtlak. To jej ostře odlišuje od běžných forem hmoty. Nebylo by přehnané tvrdit, že povaha temné energie je hlavní záhadou základní fyziky 21. století.

Jedním z kandidátů na roli temné energie je vakuum. Energetická hustota vakua se s expanzí Vesmíru nemění, a to znamená podtlak vakua. Dalším kandidátem je nové super slabé pole, které prostupuje celým Vesmírem; používá se pro to výraz „kvintesence“. Existují další kandidáti, ale v každém případě je temná energie něco zcela neobvyklého.

Dalším způsobem, jak vysvětlit zrychlenou expanzi vesmíru, je předpokládat, že se gravitační zákony samy mění v kosmologických vzdálenostech a kosmologických časech. Tato hypotéza není zdaleka neškodná: pokusy o zobecnění obecné teorie relativity v tomto směru čelí vážným obtížím. Zjevně je -li taková generalizace vůbec možná, pak bude spojena s představou existence dalších dimenzí prostoru, navíc se třemi dimenzemi, které vnímáme v každodenní zkušenosti.

Bohužel nyní nejsou v dohledu žádné přímé cesty experimentální výzkum temná energie v pozemských podmínkách. To samozřejmě neznamená, že by se v budoucnosti nemohly objevit nové brilantní nápady v tomto směru, ale dnes jsou spojeny naděje na vyjasnění podstaty temné energie (nebo obecněji na důvody zrychlené expanze vesmíru) výhradně s astronomickými pozorováními a se získáváním nových, přesnějších kosmologických dat. Musíme podrobně zjistit, jak se vesmír v relativně pozdní fázi svého vývoje rozpínal, a to nám, doufejme, umožní rozhodnout se mezi různými hypotézami.

Závěr

V této práci jsem zkoumal kosmologické modely vesmíru. Po analýze literatury o průběhu obecné fyziky a astronomie jsem vystopoval historii kosmologického výzkumu, zhodnotil moderní kosmologické modely vesmíru a vybral ilustrativní materiál pro téma výzkumu. Poté, co jsem prokázal relevanci zvoleného tématu, shrnul jsem odvedenou práci.

Literatura

1.Berry A. Krátký příběh astronomie. Přeložil S. Zaimovsky. - M., L.: GITL, 1946.

.Veselovsky I.N. Aristarchus ze Samosu - Koperník starověkého světa. Historický a astronomický výzkum. - M.: Nauka, 1961. 7. vydání, s. 44.

.Efremov Yu.N., Pavlovskaya E.D. Stanovení epochy pozorování hvězdného katalogu „Almagest“ vlastními pohyby hvězd. - Historický a astronomický výzkum. Moskva: Nauka, 1989, číslo 18.

.I. G. Kolčinskij, A. A. Korsun, M. G. Rodriguez. Astronomové. 2. vydání, Kyjev, 1986.

.Karpenkov S.Kh. Pojem moderní přírodní vědy: Učebnice pro univerzity / M.: Akademicheskiy prospect, 2001.

.Klimishin I.A. Objev vesmíru. - M.: Nauka, 1987.

.Matvievskaya G.P. As-Sufi. - Historický a astronomický výzkum. Moskva: Nauka, 1983, číslo 16, s. 93--138.

.Pannekoek A. Historie astronomie. - M.: Nauka, 1966.

.S. Shapiro, S. Tyukalski. Černé díry, bílí trpaslíci a neutronové hvězdy. Moskva, Mir, 1985

.Samygina S.I. „Koncepty moderní přírodní vědy“ / Rostov n / a: „Phoenix“, 1997.

.Vesmírná fyzika: Malá encyklopedie. M.: Sov. encyklopedie, 1986.

.Hawking S. Stručná historie času: Od velkého třesku po černé díry. M.: Mir, 1990.

.E.V. Kononovich, V.I. Moroz. Obecný kurz astronomie. Moskva, 2002.

.Einstein A. Evoluce fyziky / M.: Stabilní svět, 2001.

Doučování

Potřebujete pomoc s prozkoumáním tématu?

Naši odborníci poradí nebo poskytnou lektorské služby na témata, která vás zajímají.
Odeslat žádost s uvedením tématu právě teď, abyste se dozvěděli o možnosti získání konzultace.

Pojmy „Vesmír“ a „Metagalaxy“ jsou velmi blízké pojmy: charakterizují stejný objekt, ale v různých aspektech. Pojem „vesmír“ označuje celý existující materiální svět; koncept „Metagalaxy“ je stejný svět, ale z hlediska jeho struktury - jako uspořádaného systému galaxií.

V klasické vědě existovala takzvaná teorie stacionárního stavu Vesmíru, podle které byl Vesmír vždy téměř stejný jako nyní. Astronomie byla statická: studovaly se pohyby planet a komet, popisovaly se hvězdy, vytvářely se jejich klasifikace, což bylo samozřejmě velmi důležité. Otázka evoluce vesmíru však nebyla vznesena.

V tomhle testovací práce budou zváženy hlavní kosmologické modely vesmíru.

1.1 Moderní kosmologické modely vesmíru: model A. Einsteina, A.A. Friedman

Moderní kosmologické modely Vesmíru vycházejí z obecné teorie relativity A. Einsteina, podle které je metrika prostoru a času určena rozložením gravitačních hmot ve Vesmíru. Jeho vlastnosti jako celek jsou určeny průměrnou hustotou hmoty a dalšími specifickými fyzikálními faktory.

Einsteinova gravitační rovnice nemá jedno, ale mnoho řešení, což vysvětluje přítomnost mnoha kosmologických modelů vesmíru. První model vyvinul sám A. Einstein v roce 1917. Odmítl postuláty newtonovské kosmologie o absolutnosti a nekonečnosti prostoru a času. V souladu s kosmologickým modelem vesmíru A. Einsteina je světový prostor homogenní a izotropní, hmota je v něm v průměru rovnoměrně rozložena, gravitační přitažlivost hmot je kompenzována univerzálním kosmologickým odpuzováním.

Doba existence Vesmíru je nekonečná, to znamená, že nemá ani začátek, ani konec a prostor je nekonečný, ale samozřejmě.

Vesmír v kosmologickém modelu A. Einsteina je nehybný, časově neomezený a ve vesmíru neomezený.

V roce 1922 ruský matematik a geofyzik A. A Fridman odmítl postulát klasické kosmologie o stacionaritě vesmíru a získal řešení Einsteinovy ​​rovnice popisující vesmír s „rozpínavým“ prostorem.

Udává se poměr průměrné hustoty vesmíru k kritickému

Podle jejich tvůrce jménem Friedman existují tři kosmologické modely. Tyto modely neberou v úvahu energii vakua (kosmologickou konstantu).

I model Friedman ,. Expanze vesmíru bude věčná a rychlosti galaxií nikdy nebudou mít sklon k nule. Prostor v takovém modelu je nekonečný, má negativní zakřivení a je popsán Lobačevského geometrií. Přes každý bod takového prostoru můžete nakreslit nekonečnou množinu přímek rovnoběžných s daným, součet úhlů trojúhelníku je menší než 180 °, poměr obvodu k poloměru je větší než 2π.

II Friedmanův model ,. Expanze vesmíru bude věčná, ale v nekonečnu bude mít její rychlost tendenci k nule. Prostor v takovém modelu je nekonečný, plochý, popsaný geometrií Euclida.

III Friedmanův model ,. Expanze vesmíru bude nahrazena kontrakcí, kolapsem a skončí tím, že se vesmír zmenší do singulárního bodu (Big Crunch). Prostor v takovém modelu je konečný, má kladné zakřivení, má tvar trojrozměrné hypersféry a je popsán sférickou geometrií Riemanna. V takovém prostoru nejsou rovnoběžné přímky, součet úhlů trojúhelníku je více než 180 °, poměr obvodu k poloměru je menší než 2π. Celková celková hmotnost takového vesmíru je nulová.

Podle moderních údajů .

1.2 Alternativní kosmologické modely vesmíru

Kromě standardního modelu velkého třesku v zásadě existují alternativní kosmologické modely:

1. Model, symetrický vůči hmotě a antihmotě, předpokládá stejnou přítomnost těchto dvou typů hmoty ve vesmíru. Ačkoli je zřejmé, že naše Galaxie neobsahuje prakticky žádnou antihmotu, sousední hvězdné systémy by z ní mohly být zcela složeny; v tomto případě by jejich záření bylo přesně stejné jako u normálních galaxií. V dřívějších epochách expanze, kdy byla hmota a antihmota v těsnějším kontaktu, by jejich zničení mělo vytvářet silné paprsky gama. Pozorování to nezjistí, což činí symetrický model nepravděpodobným.

2. Model Cold Big Bang předpokládá, že expanze začala na absolutní nule. Pravda, v tomto případě musí také dojít k jaderné fúzi a zahřátí látky, ale mikrovlnné záření na pozadí již nemůže být přímo spojeno s Velkým třeskem, ale musí být vysvětleno jiným způsobem. Tato teorie je atraktivní, protože hmota v ní podléhá fragmentaci, která je nezbytná k vysvětlení rozsáhlé nehomogenity Vesmíru.

3. Stacionární kosmologický model předpokládá nepřetržité vytváření hmoty. Základní premisa této teorie, známá jako Ideální kosmologický princip, říká, že vesmír vždy byl a zůstane takový, jaký je dnes. Pozorování to vyvracejí.

4. Uvažovány jsou upravené verze Einsteinovy ​​gravitační teorie. Například teorie K. Brunse a R. Dickeho z Princetonu obecně souhlasí s pozorováními ve sluneční soustavě. Brans -Dickeho model, stejně jako radikálnější Hoyleův model, ve kterém se v průběhu času mění některé základní konstanty, mají v naší éře téměř stejné kosmologické parametry jako model Velkého třesku.

5. V roce 1927 spojil belgický opat a vědec J. Lemaitre „rozpínání“ vesmíru s daty astronomických pozorování. Lemaitre představil koncept počátku vesmíru jako singularity (tj. Superhustý stav) a zrození vesmíru jako velký třesk. Na základě upravené Einsteinovy ​​teorie postavil J. Lemaitre v roce 1925 kosmologický model, který kombinuje Velká exploze s prodlouženou klidovou fází, během níž mohly vznikat galaxie. Einstein se začal zajímat o tuto příležitost, aby zdůvodnil svůj oblíbený kosmologický model statického vesmíru, ale když byla objevena expanze vesmíru, veřejně ji opustil.

ΛCDM (čti „Lambda-CDiM“)-zkratka pro Lambda-Cold Dark Matter, moderní standardní kosmologický model, ve kterém je prostorově plochý vesmír naplněn kromě běžné baryonické hmoty také temnou energií (popsanou kosmologickou konstantou Λ v Einsteinovy ​​rovnice) a studená temná hmota (anglicky Cold Dark Matter). Podle tohoto modelu je věk vesmíru miliardy let.

Protože průměrná hustota hmoty ve vesmíru není známa, dnes nevíme, ve kterém z těchto prostorů vesmíru žijeme.

V roce 1929 objevil americký astronom E.P.

Expanze vesmíru je považována za vědecky prokázanou skutečnost. Podle teoretických výpočtů J. Lemaitra byl poloměr vesmíru v původním stavu 10-12 cm, což je velikost blízká poloměru elektronu, a jeho hustota byla 1096 g / cm3. V singulárním stavu byl vesmír mikroobjektem zanedbatelné velikosti. Z původního singulárního stavu se vesmír v důsledku Velkého třesku dále rozpínal.

Retrospektivní výpočty určují stáří vesmíru na 13–20 miliard let. GA Gamov navrhl, že teplota hmoty je vysoká a klesá s expanzí vesmíru. Jeho výpočty ukázaly, že vesmír ve svém vývoji prochází určitými fázemi, během nichž vznik chemické prvky a struktur. V moderní kosmologii je pro přehlednost počáteční fáze vývoje vesmíru rozdělena na „éry“

Při posuzování nesmírnosti měřítka vesmíru vždy vyvstává klasická filozofická otázka: je vesmír konečný nebo nekonečný? Pojem nekonečna používají hlavně matematici a filozofové. Experimentální fyzici, kteří jsou zběhlí v experimentálních metodách a technikách měření, vždy získají konečné hodnoty měřených veličin. Obrovský význam vědy a zvláště moderní fyzika spočívá v tom, že v současné době již bylo získáno mnoho kvantitativních charakteristik objektů nejen makrokosmu a mikrokosmu, ale i megasvěta.

Prostorová měřítka našeho vesmíru a rozměry hlavních hmotných útvarů, včetně mikroobjektů, lze znázornit z následující tabulky, kde jsou rozměry uvedeny v metrech (pro jednoduchost jsou uvedeny pouze řády čísel, tj. Přibližné čísla v rámci jednoho řádu):

Poloměr kosmologického horizontu

nebo Vesmír vidíme 10 26

Průměr naší Galaxie je 10 21

Vzdálenost Země od Slunce 10 11

Průměr Slunce 10 9

Velikost osoby 10 0

Vlnová délka viditelného světla 10 -6 -10 -8

Velikost viru 10-6-10-8

Průměr atomu vodíku 10-10

Průměr atomového jádra 10 -15

Minimální vzdálenost,

dnes k dispozici pro naše měření 10 -18

Z těchto údajů je patrné, že poměr největší a nejmenší velikosti, který je k dnešnímu experimentu k dispozici, je 44 řádů. S rozvojem vědy se tento přístup neustále zvyšoval a bude dále růst, jak se hromadí nové znalosti o světě kolem nás. Koneckonců „náš svět je jen škola, kde se učíme učit“, řekl francouzský humanistický filozof Michel Montaigne (1533-1592).

Strukturalita je vlastní vesmíru na různých úrovních, od konvenčně elementárních částic po obří superkupy galaxií. Moderní struktura vesmíru je výsledkem kosmické evoluce, během níž vznikaly galaxie z protogalaxií, hvězdy z protostarů a planety z protoplanetárního mraku.

1.3 Model výbuchu za tepla

Podle kosmologického modelu Friedmann -Lemaitre vesmír vznikl v době Velkého třesku - asi před 20 miliardami let a jeho expanze pokračuje dodnes, postupně se zpomaluje. V prvním okamžiku exploze měla hmota vesmíru nekonečnou hustotu a teplotu; takový stav se nazývá singularita. Podle obecné relativity gravitace není skutečná síla, ale zakřivení časoprostoru: čím větší je hustota hmoty, tím silnější je zakřivení. V okamžiku počáteční singularity bylo zakřivení také nekonečné. Nekonečné zakřivení časoprostoru můžete vyjádřit jinými slovy tím, že v počátečním okamžiku hmota a prostor explodovaly současně všude ve vesmíru. Jak se zvyšuje objem prostoru rozpínajícího se vesmíru, hustota hmoty v něm klesá.

S. Hawking a R. Penrose dokázali, že v minulosti určitě existoval singulární stav, pokud je obecná teorie relativity použitelná pro popis fyzikálních procesů ve velmi raném vesmíru. Abychom se vyhnuli katastrofické singularitě v minulosti, je nutné výrazně změnit fyziku, například tím, že se předpokládá možnost spontánního kontinuálního vytváření hmoty, jako v teorii stacionárního vesmíru. Astronomická pozorování k tomu ale neposkytují žádný základ. Čím dříve uvažujeme, tím menší byl jejich prostorový rozsah; jak se blíží začátek expanze, horizont pozorovatele se stahuje (obr. 1).

Rýže. 1. Ilustrace modelů velkého třesku

Hned v prvních okamžicích je měřítko tak malé, že už nemáme právo aplikovat obecnou relativitu: k popisu jevů v tak malém měřítku je zapotřebí kvantová mechanika. Ale kvantová teorie gravitace ještě neexistuje, takže nikdo neví, jak se události vyvíjely do okamžiku 10-43 s, nazývaného Planckův čas (na počest otce kvantové teorie). V tu chvíli hustota hmoty dosáhla neuvěřitelné hodnoty 1090 kg / cm 3, což nelze srovnávat nejen s hustotou těles kolem nás (méně než 10 g / cm 3), ale dokonce ani s hustotou atomové jádro (asi 1012 kg / cm 3) - nejvyšší hustota dostupná v laboratoři. Proto je pro moderní fyziku počátkem expanze vesmíru Planckův čas.

Existují tři hlavní typy modelů velkého třesku: standardní otevřený model, standardní uzavřený model a model Lemaitre. Čas je vykreslen horizontálně, zatímco vertikála je vzdálenost mezi jakýmikoli dvěma galaxiemi, které jsou od sebe dostatečně vzdálené (aby se vyloučila jejich interakce). Kruh označuje naši éru. Pokud by se vesmír vždy rozpínal aktuální rychlostí, vyjádřenou Hubbleovou konstantou H, pak by to začalo asi před 20 miliardami let a postupovalo by tak, jak ukazuje diagonální tečkovaná čára. Pokud se expanze zpomalí, jako v otevřeném modelu prostorově neomezeného světa nebo v uzavřeném modelu omezeného světa, pak je věk Vesmíru menší než 1 / H. Nejmenší věk má uzavřený model, jehož expanze se rychle zpomaluje a je nahrazena kompresí. Lemaitreův model popisuje vesmír, který je výrazně starší než 1 / H, protože v jeho historii existuje dlouhé období, kdy téměř nedocházelo k expanzi. Lemaitreův model a otevřený model popisují vesmír, který se bude vždy rozpínat.

Právě za takových podmínek nepředstavitelně vysoké teploty a hustoty došlo ke zrodu Vesmíru. Navíc by to mohl být porod v doslovném smyslu: někteří kosmologové (řekněme Ya.B. Zeldovich v SSSR a L. Parker v USA) věřili, že částice a gama fotony se v té době narodily gravitačním polem. Z hlediska fyziky by tento proces mohl probíhat, pokud by singularita byla anizotropní, tj. gravitační pole bylo nehomogenní. V tomto případě by přílivové gravitační síly mohly „vytáhnout“ skutečné částice z vakua, a vytvořit tak látku Vesmíru. Při studiu procesů, které proběhly bezprostředně po Velkém třesku, chápeme, že naše fyzikální teorie jsou stále velmi nedokonalé. Tepelný vývoj raného Vesmíru závisí na produkci hmotných elementárních částic - hadronů, o kterých jaderná fyzika stále málo ví. Mnoho z těchto částic je nestabilní a má krátkou životnost.

Švýcarský fyzik R. Hagedorn se domnívá, že může existovat velké množství hadronů s rostoucí hmotností, které by se mohly hojně vytvářet při teplotě řádově 10 12 K, když gigantická hustota záření vedla k produkci hadronových párů sestávajících z částice a antičástice. Tento proces by musel omezit nárůst teploty v minulosti. Podle jiného úhlu pohledu je počet typů hmotných elementárních částic omezený, takže teplota a hustota během hadronové éry musely dosáhnout nekonečných hodnot. V zásadě by se to dalo ověřit: pokud byly hadrony tvořící kvarky - stabilní částice, pak z té horké éry měl přežít určitý počet kvarků a antikvarků. Hledání kvarků ale bylo marné; jsou s největší pravděpodobností nestabilní.

Po první milisekundě expanze Vesmíru v něm přestala hrát rozhodující roli silná (jaderná) interakce: teplota klesla natolik, že atomová jádra přestala být ničena. Další fyzikální procesy byly určeny slabou interakcí odpovědnou za produkci lehkých částic - leptonů (tj. Elektronů, pozitronů, mezonů a neutrin) při působení tepelné záření... Když v průběhu expanze teplota záření klesla na asi 10 10 K, leptonové páry se přestaly vyrábět, téměř všechny pozitrony a elektrony byly zničeny; zůstala pouze neutrina a antineutrina, fotony a několik protonů a neutronů, které přežily z předchozí epochy. Tím leptónská éra skončila. Další fáze expanze - fotonová éra - se vyznačuje naprostou převahou tepelného záření. Na každý zbývající proton nebo elektron připadá miliarda fotonů. Zpočátku to byla kvanta gama, ale jak se vesmír rozšiřoval, ztráceli energii a stávali se rentgenovými, ultrafialovými, optickými, infračervenými a nakonec se z nich stala rádiová kvanta, která bereme jako rádiové pozadí (relikvie) emise.

1.4 Nevyřešené problémy kosmologie velkého třesku

Kosmologickému modelu Velkého třesku nyní čelí 4 problémy.

1. Problém singularity: mnozí zpochybňují použitelnost obecné relativity, která dává singularitu v minulosti. Jsou navrženy alternativní kosmologické teorie bez singularity.

2. Se singularitou úzce souvisí problém izotropie Vesmíru. Zdá se zvláštní, že expanze, která začala singulárním stavem, se ukázala být tak izotropní. Není však vyloučeno, že se původně anizotropní expanze působením disipativních sil postupně stala izotropní.

3. Homogenní v největších měřítcích, v menších měřítcích je Vesmír velmi heterogenní (galaxie, kupy galaxií). Je těžké pochopit, jak mohla gravitace sama vytvořit takovou strukturu. Kosmologové proto studují možnosti nehomogenních modelů Velkého třesku.

4. Nakonec se lze zeptat, jaká je budoucnost vesmíru? Chcete -li odpovědět, potřebujete znát průměrnou hustotu hmoty ve vesmíru. Pokud překročí určitou kritickou hodnotu, geometrie časoprostoru se uzavře a v budoucnosti se vesmír určitě zmenší. Uzavřený vesmír nemá žádné hranice, ale jeho objem je konečný. Pokud je hustota pod kritickou hodnotou, pak je vesmír otevřený a bude se navždy rozšiřovat. Otevřený vesmír je nekonečný a na začátku má pouze jednu jedinečnost. Zatím jsou pozorování v lepší shodě s modelem otevřeného vesmíru. Původ struktury velkého rozsahu. Kosmologové mají na tento problém dva opačné úhly pohledu. Nejradikálnější je, že na začátku byl chaos. Expanze raného vesmíru byla extrémně anizotropní a nehomogenní, ale pak disipativní procesy vyhladily anizotropii a přiblížily expanzi k modelu Friedmann-Lemaitre. Osud nehomogenit je velmi kuriózní: pokud byla jejich amplituda velká, pak se nevyhnutelně musely zhroutit do černých děr s hmotností určenou aktuálním horizontem. Jejich formování mohlo začít hned od Planckova času, takže vesmír mohl mít mnoho malých černých děr s hmotností až 10–5 g. S. Hawking však ukázal, že „mini-díry“ by měly, vyzařující, ztratit svoji hmotnost, a před naší epochou mohly přežít pouze černé díry s hmotností více než 10 16 g, což odpovídá hmotnosti malé hory.

Primární chaos by mohl obsahovat poruchy jakéhokoli rozsahu a amplitudy; největší z nich ve formě zvukových vln mohl přežít od éry raného Vesmíru do éry záření, kdy byla hmota ještě dostatečně horká na to, aby vyzařovala, absorbovala a rozptylovala záření. Ale s koncem této éry se ochlazená plazma rekombinovala a přestala interagovat se zářením. Tlak a rychlost zvuku v plynu klesly, což způsobilo, že se zvukové vlny změnily na rázové vlny, stlačily plyn a způsobily jeho kolaps do galaxií a kup. V závislosti na typu počátečních vln výpočty předpovídají velmi odlišný obrázek, který ne vždy odpovídá pozorovanému. Jedna filozofická myšlenka, známá jako antropický princip, je důležitá pro výběr mezi možnými variantami kosmologických modelů: Vesmír měl od samého počátku mít takové vlastnosti, které umožňovaly formování galaxií, hvězd, planet a inteligentního života. Jinak by kosmologii neměl kdo řešit. Alternativní úhel pohledu je, že o původní struktuře vesmíru nelze zjistit nic jiného, ​​než co dávají pozorování. Podle tohoto konzervativního přístupu nelze mladý vesmír považovat za chaotický, protože je nyní velmi izotropní a homogenní. Odchylky od uniformity, které pozorujeme ve formě galaxií, mohly růst pod vlivem gravitace z malých nepravidelností počáteční hustoty. Studie rozsáhlé distribuce galaxií (hlavně od J. Peeblese z Princetonu) však tuto myšlenku zřejmě nepodporují. Další zajímavou možností je, že kupy černých děr zrozené v hadronické éře mohly být počátečními výkyvy pro vznik galaxií. Je vesmír otevřený nebo uzavřený? Nejbližší galaxie se od nás vzdalují rychlostí úměrnou vzdálenosti; ale vzdálenější tuto závislost nedodržují: jejich pohyb naznačuje, že rozpínání Vesmíru se časem zpomaluje. V uzavřeném modelu vesmíru působením gravitace se expanze v určitém okamžiku zastaví a je nahrazena kontrakcí (obr. 2), ale pozorování ukazují, že zpomalení galaxií stále není tak rychlé, aby vůbec někdy došlo k úplnému zastavení.

Vodorovné čáry označují charakteristické momenty evoluce a jimi odříznuté trojúhelníky ukazují oblast vesmíru přístupnou v tu chvíli pozorovateli. Čím více času uplyne od začátku expanze, tím větší bude plocha k dispozici pro pozorování. V současné době k nám světlo přichází z hvězd, kvasarů a kup galaxií vzdálených miliardy světelných let, ale v raných dobách mohl pozorovatel vidět mnohem menší oblast vesmíru. V různých epochách dominovaly různé formy hmoty: ačkoli dominuje hmota atomových jader (nukleonů), předtím, když byl vesmír horký, dominovalo záření (fotony) a ještě dříve - lehké elementární částice (leptony) a těžké (hadrony) ).

Obrázek 2 - Standardní model velkého třesku: čas je vykreslen svisle a vzdálenosti jsou vykresleny vodorovně.

Aby byl vesmír uzavřen, musí průměrná hustota hmoty v něm překročit určitou kritickou hodnotu. Odhady hustoty pro viditelnou a neviditelnou hmotu jsou velmi blízké této hodnotě. Distribuce galaxií ve vesmíru je velmi heterogenní. Naše místní skupina galaxií, která zahrnuje Mléčnou dráhu, mlhovinu Andromeda a několik menších galaxií, leží na okraji rozsáhlého systému galaxií známého jako Supercluster Panny, jehož střed se shoduje s kupou galaxií v Panně. Pokud je průměrná hustota světa vysoká a vesmír je uzavřen, pak by měla být pozorována silná odchylka od izotropní expanze, způsobená přitažlivostí našich a sousedních galaxií do středu Nadkupy. V otevřeném vesmíru je tato odchylka bezvýznamná. Pozorování jsou spíše v souladu s otevřeným modelem. Velkým zájmem kosmologů je obsah v kosmické hmotě těžkého izotopu vodíku - deuteria, který vznikl během jaderné reakce v prvních chvílích po Velkém třesku. Ukázalo se, že obsah deuteria je v té době, a tedy i v naší době, extrémně citlivý na hustotu hmoty. „Test deuteria“ se však neprovádí snadno, protože je nutné prozkoumat primární hmotu, která se ve vnitřcích hvězd nenachází od okamžiku kosmologické syntézy, kde deuterium snadno shoří. Studie extrémně vzdálených galaxií ukázala, že obsah deuteria odpovídá nízké hustotě hmoty, a tedy otevřenému modelu vesmíru.

Závěr

Kosmologické modely vedou k závěru, že osud expandujícího vesmíru závisí pouze na průměrné hustotě látky, která jej naplňuje, a na hodnotě Hubbleovy konstanty. Pokud je průměrná hustota stejná nebo nižší než kritická hustota, expanze vesmíru bude pokračovat navždy. Pokud je hustota vyšší než kritická, expanze se dříve nebo později zastaví a bude nahrazena kompresí.

V tomto případě se vesmír zmenší na velikost, kterou měl mít na začátku, čímž ustoupí fenoménu zvanému Velká komprese.

Uveďme si seznam základních modelů vesmíru: De Sitterův model: model rozpínajícího se vesmíru, navržený v roce 1917, ve kterém není žádná hmota ani záření. Tato nerealistická hypotéza byla nicméně historicky významná, protože jako první předložila myšlenku spíše expandujícího než statického vesmíru; Lemaitre Model: Model vesmíru, který začíná velkým třeskem, po kterém následuje statická fáze, po níž následuje nekonečná expanze. Tento model je pojmenován po J. Lemaitrovi (1894-1966),

Model rozpínajícího se vesmíru bez obecné relativity, navržený v roce 1948 Edwardem Milnem. Je to expandující, izotropní a homogenní vesmír. neobsahující žádnou látku. Má negativní zakřivení a není uzavřený.

Friedmanův model: Model vesmíru, který se může zhroutit dovnitř. V roce 1922 sovětský matematik A.A. Friedman (Alexander Friedmann, 1888-1925) analyzoval rovnice obecné teorie relativity

Friedmannův vesmír může být uzavřen, pokud je hustota hmoty v něm dostatečně velká, aby zastavila expanzi. Tato skutečnost vedla k hledání takzvané chybějící hmoty. Následně byly Friedmanovy závěry potvrzeny v astronomických pozorováních, která objevila ve spektrech galaxií takzvaný červený posun spektrálních čar, což odpovídá vzájemné vzdálenosti těchto hvězdných soustav.

Einstein-de Sitterův model: Nejjednodušší z moderních kosmologických modelů, ve kterých má vesmír nulový tlak, nulové zakřivení (tj. Plochá geometrie) a nekonečný rozsah a jeho expanze není omezena v prostoru a čase. Tento model, navržený v roce 1932, je zvláštním případem (při nulovém zakřivení) obecnějšího Friedmanova vesmíru.

2. Jaká je podstata samoorganizačních procesů v živé a neživé přírodě?

Všechny objekty živé i neživé přírody mohou být zastoupeny ve formě určitých systémů se specifickými rysy a vlastnostmi, které charakterizují jejich úroveň organizace. S přihlédnutím k úrovni organizace lze uvažovat o hierarchii organizačních struktur hmotných objektů živé a neživé povahy. Taková hierarchie struktur začíná elementárními částicemi, které představují počáteční úroveň organizace hmoty, a končí živými organizacemi a komunitami - nejvyššími úrovněmi organizace.

V současné době se v oblasti základní teoretické fyziky vyvíjejí koncepty, podle kterých se objektivně existující svět neomezuje na materiální svět vnímaný našimi smysly nebo fyzickými zařízeními. Autoři těchto konceptů došli k následujícímu závěru: spolu s hmotným světem existuje realita vyššího řádu, která má ve srovnání s realitou hmotného světa zásadně odlišnou povahu.

Studium hmoty a jejích strukturních úrovní je nezbytnou podmínkou pro utváření světonázoru bez ohledu na to, zda se nakonec ukáže jako materialistický nebo idealistický.

Je zcela zřejmé, že role definování pojmu hmoty, jeho chápání jako nevyčerpatelného pro konstrukci vědecký obraz světa, řešení problému reality a poznatelnosti objektů a jevů mikro, makro a mega světů.

Organizací systému rozumíme změnu struktury systému, která zajišťuje konzistentní chování, nebo fungování systému, které je určováno vnějšími podmínkami.

Pokud pod změnou organizace rozumíme změnu způsobu připojení (nebo spojení) subsystémů, které tvoří systém, pak lze fenomén sebeorganizace definovat jako takovou nevyhnutelnou změnu systému a jeho funkcí, ke které dochází mimo jakékoli další vlivy, díky interakci systému s podmínkami existence a přibližuje se k nějakému relativně stabilnímu stavu.

Samoorganizací rozumíme změnu struktury, která zajišťuje konzistenci chování v důsledku přítomnosti vnitřních spojení a spojení s vnější prostředí.

Samoorganizace je přirozeně vědecké vyjádření procesu vlastního pohybu hmoty. Schopnost samoorganizovat se ovládají systémy živé i neživé přírody i umělé systémy. Specifická konfigurace struktury existuje pouze za přísně definovaných podmínek a v určitém okamžiku „pohybu“ složitého systému. Dynamika vývoje systémů vede ke konzistentní změně jejich struktur.

Přirozená změna struktury systému v souladu s historickými změnami ve vztahu k vnějšímu prostředí se nazývá evoluce.
Změna struktury komplexního systému v procesu jeho interakce s životní prostředí- toto je projev vlastností otevřenosti jako zvýšení možností vyjít na nové. Na druhé straně změna struktury komplexního systému poskytuje rozšíření životních podmínek spojených se složitější organizací a zvýšení vitální aktivity, tj. získávání zařízení obecnějšího významu, umožňující navazovat spojení s novými aspekty vnějšího prostředí.

Samoorganizace je charakterizována vznikem interně koordinovaného fungování díky vnitřním spojením a spojením s vnějším prostředím. Navíc koncepce funkce a struktury systému spolu úzce souvisí; systém je organizovaný, tj. mění strukturu kvůli výkonu funkce.

Strukturalita a systémová organizace hmoty patří mezi její nejdůležitější atributy, vyjadřují uspořádanost existence hmoty a ty konkrétní formy, v nichž se projevuje.

Strukturou hmoty se obvykle rozumí její struktura v makrokosmu, tj. existence ve formě molekul, atomů, elementárních částic atd. To je způsobeno skutečností, že člověk je makroskopická bytost a makroskopická měřítka jsou mu známá, proto je pojem struktura obvykle spojován s různými mikroobjekty.

Pokud ale uvažujeme hmotu jako celek, pak koncept struktury hmoty pokryje také makroskopická tělesa, všechny kosmické systémy megosvěta a v jakýchkoli libovolně velkých časoprostorových měřítcích. Z tohoto úhlu pohledu se koncept „struktury“ projevuje tím, že existuje ve formě nekonečné řady integrálních systémů, které jsou navzájem úzce propojeny, a také v uspořádanosti struktury každého systému. Taková struktura je z hlediska kvantity a kvality nekonečná.

Projevy strukturální nekonečnosti hmoty jsou:

- nevyčerpatelnost předmětů a procesů mikrosvěta;

- nekonečno prostoru a času;

- nekonečno změn a vývoj procesů.

Ze všech různých forem objektivní reality zůstává empiricky přístupná pouze konečná oblast hmotného světa, která se nyní rozprostírá na stupnici od 10-15 do 10 28 cm a časem - až 2 × 10 9 let .

Strukturalita a systémová organizace hmoty patří mezi její nejdůležitější atributy. Vyjadřují řádnost existence hmoty a jejích specifických forem, v nichž se projevuje.

Hmotný svět je jeden: máme na mysli všechny jeho části - od neživých předmětů po živé bytosti, od nebeská těla k člověku jako členovi společnosti - jsou nějakým způsobem propojeni.

Systém je ten, který je určitým způsobem vzájemně propojen a podléhá příslušným zákonům.

Systémy jsou objektivně existující a teoretické nebo koncepční, tj. existující pouze v mysli člověka.

Systém je interní nebo externí uspořádaná sada vzájemně propojených a interagujících prvků.

Uspořádanost souboru předpokládá přítomnost pravidelných vztahů mezi prvky systému, což se projevuje formou zákonů strukturální organizace. Všechny přírodní systémy, které vznikají v důsledku interakce těl a přirozeného vlastního vývoje hmoty, mají vnitřní uspořádanost. Externí je charakteristický pro umělé umělé systémy: technické, výrobní, koncepční atd.

Strukturální úrovně hmoty jsou vytvořeny z určité sady předmětů jakékoli třídy a jsou charakterizovány zvláštním typem interakce mezi jejich základními prvky.

Kritériem pro rozlišení různých strukturálních úrovní jsou následující vlastnosti:

- časoprostorová měřítka;

- soubor nejdůležitějších vlastností;

- specifické zákony pohybu;

- stupeň relativní složitosti, který v procesu vzniká historický vývoj hmota v dané oblasti světa;

- další příznaky.

V současnosti známé strukturní úrovně hmoty lze rozlišit na základě výše uvedených kritérií v následujících oblastech.

1. Mikrokosmos. Tyto zahrnují:

- elementární částice a atomová jádra - oblast řádově 10 - 15 cm;

- atomy a molekuly 10 –8 –10 –7 cm.

Mikrokosmos jsou molekuly, atomy, elementární částice -svět extrémně malých, nikoli přímo pozorovatelných mikroobjektů, jejichž prostorová diverzita se počítá od 10 do 8 až 10 až 16 cm a doba života -od nekonečna do 10 - 24 s.

2. Makrokosmos: makroskopická tělesa 10 -6 -10 7 cm.

Makrokosmos je svět stabilních forem a velikostí odpovídajících člověku, stejně jako krystalových komplexů molekul, organismů, společenstev organismů; svět makroobjektů, jejichž rozměr je srovnatelný s měřítkem lidské zkušenosti: prostorové veličiny jsou vyjádřeny v milimetrech, centimetrech a kilometrech a čas - v sekundách, minutách, hodinách, letech.

Megaworld zahrnuje planety, hvězdné komplexy, galaxie, metagalaxie - svět obrovských kosmických měřítek a rychlostí, jejichž vzdálenost se měří ve světelných letech a životnost kosmických objektů - v milionech a miliardách let.

A přestože tyto úrovně mají své vlastní specifické zákony, mikro-, makro- a megaworlds jsou úzce propojeny.

3. Megaworld: vesmírné systémy a neomezené měřítko až 1028 cm.

Různé úrovně hmoty jsou charakterizovány odlišné typy připojení.

Na stupnici 10-13 cm - silné interakce, je celistvost jádra zajištěna jadernými silami.


Celistvost atomů, molekul, makroběl je zajištěna elektromagnetickými silami.


1. V kosmickém měřítku - gravitační síly.
   

   S nárůstem velikosti objektů klesá interakční energie. Pokud vezmeme energii gravitační interakce jako jednotku, pak bude elektromagnetická interakce v atomu 1039krát větší a interakce mezi nukleony - částicemi, které tvoří jádro - bude 1041krát větší. Čím menší jsou materiálové systémy, tím pevněji jsou jejich prvky propojeny.
   

   Rozdělení hmoty na strukturální úrovně je relativní. Na dostupných časoprostorových stupnicích se struktura hmoty projevuje v její systémové organizaci, existenci ve formě mnoha hierarchicky interagujících systémů, od elementárních částic po metagalaxy.
   

   Když mluvíme o strukturalitě - vnitřním rozdrobení hmotného života, lze poznamenat, že bez ohledu na to, jak široký je rozsah světonázoru vědy, úzce souvisí s objevováním stále nových strukturálních útvarů. Například pokud dříve byl pohled na vesmír Galaxií uzavřen, poté rozšířen do systému galaxií, nyní je Metagalaxy studována jako speciální systém se specifickými zákony, interními a externími interakcemi.
   

   V moderní vědě je široce používána metoda strukturální analýzy, která bere v úvahu konzistenci zkoumaných objektů. Strukturálnost je koneckonců vnitřní rozdrobení hmotné existence, způsob existence hmoty. Strukturální úrovně hmoty jsou vytvořeny z určité sady předmětů jakéhokoli druhu a jsou charakterizovány zvláštním způsobem interakce mezi jejich základními prvky, ve vztahu ke třem hlavním sférám objektivní reality tyto úrovně vypadají následovně (tabulka).
   

   Tabulka - Strukturální úrovně hmoty
   

   Anorganická povaha	Příroda	Společnost
   Submicroelemental	Biologická makromolekulární	Individuální
   Mikroelement	Buněčný	Rodina
   Nukleární	Mikroorganický	Kolektivy
   Atomový	Orgány a tkáně	Velké sociální skupiny (třídy, národy)
   Molekulární	Celý organismus	Stát (občanská společnost)
   Makro úroveň	Populace	Systémy států
   Megaúroveň (planety, hvězdné planetární systémy, galaxie)	Biocenóza	Lidstvo jako celek
   Mega-level (metagalaxie)	Biosféra	Noosféra

   Každá ze sfér objektivní reality obsahuje řadu vzájemně souvisejících strukturálních úrovní. Koordinační vztahy jsou v těchto úrovních dominantní a mezi nimi podřízené.
   

   Systematické studium hmotných objektů zahrnuje nejen stanovení metod pro popis vztahů, spojení a struktury sady prvků, ale také identifikaci těch z nich, které tvoří systém, tj. zajistit samostatné fungování a vývoj systému. Systémový přístup hmotným formacím naznačuje možnost více porozumět uvažovanému systému vysoká úroveň... Systém se obvykle vyznačuje hierarchickou strukturou, tj. postupné zařazení systému nižší úrovně do systému vyšší úrovně.
   

   Struktura hmoty na úrovni neživé přírody (anorganické) tedy zahrnuje elementární částice, atomy, molekuly (objekty mikrosvěta, makroobjekty a objekty megosvěta: planety, galaxie, systémy metagalaxií atd.). Metagalaxie je často ztotožňována s celým Vesmírem, ale Vesmír je chápán v nejširším slova smyslu, je identický s celým hmotným světem a pohybující se hmotou, která může zahrnovat mnoho metagalaxií a dalších kosmických systémů.
   

   Divoká zvěř je také strukturovaná. Zdůrazňuje biologickou a sociální úroveň. Biologická úroveň zahrnuje podúrovně:
   

   - makromolekuly ( nukleové kyseliny, DNA, RNA, proteiny);
   

   - buněčná úroveň;
   

   - mikroorganický ( jednobuněčné organismy);
   

   - orgány a tkáně těla jako celku;
   

   - populace;
   

   - biocenotický;
   

   - biosféra.
   

   Hlavními pojmy této úrovně na posledních třech úrovních jsou pojmy biotop, biocenóza, biosféra, které vyžadují vysvětlení.
   

   Biotop je sbírka (společenství) jedinců stejného druhu (například smečka vlků), která se mohou křížit a reprodukovat svůj vlastní druh (populace).
   

   Biocenóza je soubor populací organismů, ve kterých jsou odpadní produkty některých podmínek pro existenci jiných organismů obývajících oblast pevniny nebo vody.
   

   Biosféra je globální systém života, ta část geografického prostředí (spodní část atmosféry, horní část litosféry a hydrosféra), která je stanovištěm živých organismů a poskytuje podmínky nezbytné pro jejich přežití ( teplota, půda atd.), vzniklé v důsledku interakčních biocenóz.
   

   Obecný základ života na biologické úrovni - organický metabolismus (výměna hmoty, energie a informací s okolím) - se projevuje v kterémkoli ze zvýrazněných podúrovní:
   

   - na úrovni organismů znamená metabolismus asimilaci a disimilaci prostřednictvím intracelulárních transformací;
   

   - na úrovni ekosystémů (biocenóza) se skládá z řetězce transformací látky původně asimilované produkujícími organismy zprostředkováním konzumních organismů a destruktivních organismů patřících k různým druhům;
   

   - na úrovni biosféry dochází ke globálnímu oběhu hmoty a energie s přímou účastí faktorů kosmického měřítka.
   

   Na určitá fáze Při vývoji biosféry vznikají speciální populace živých bytostí, které si díky své pracovní schopnosti vytvořily jakousi úroveň - sociální. Ve strukturálním aspektu je sociální realita rozdělena na podúrovně: jednotlivci, rodiny, různé kolektivy (produkce), sociální skupiny atd.
   

   Strukturální úroveň sociální aktivity je mezi sebou v nejednoznačném lineárním vztahu (například úroveň národů a úroveň států). Prolínání různých úrovní ve společnosti dává vzniknout myšlence dominance náhody a chaosu v sociální aktivitě. Pečlivá analýza však odhaluje přítomnost základních struktur v něm - hlavních sfér společenského života, kterými jsou materiálně -produkční, sociální, politická, duchovní sféra, které mají své vlastní zákony a struktury. Všechny jsou v určitém smyslu podřízeny jako součást sociálně-ekonomické formace, jsou hluboce strukturovány a určují genetickou jednotu sociálního vývoje jako celku.
   

   Jakákoli ze tří oblastí hmotné reality je tedy vytvořena z řady konkrétních strukturálních úrovní, které jsou v přísném pořadí jako součást konkrétní oblasti reality.
   

   Přechod z jedné oblasti do druhé je spojen s komplikacemi a nárůstem množiny formovaných faktorů, které zajišťují integritu systémů. V rámci každé ze strukturálních úrovní existují vztahy podřízenosti (molekulární úroveň zahrnuje atomovou a ne naopak). Zákonitosti nových úrovní nelze redukovat na zákonitosti úrovní, na jejichž základě vznikaly, a jsou vedoucími pro danou úroveň organizace hmoty. Strukturální organizace, tj. konzistence je způsob existence hmoty.
   

   Hypotéza multivalentního modelu vesmíru

   Předmluva autora webu:čtenářům webu „Znalosti jsou síla“ jsou nabízeny fragmenty z 29. kapitoly knihy „Vzpomínky“ od Andreje Dmitrievicha Sacharova. Akademik Sacharov hovoří o práci v oblasti kosmologie, kterou vykonal poté, co se začal aktivně věnovat práci v oblasti lidských práv - zejména v exilu v Gorkém. Tento materiál nepochybně zajímá téma „Vesmír“, o kterém pojednává tato kapitola našeho webu. Seznámíme se s hypotézou multivalentního modelu Vesmíru a dalšími problémy kosmologie a fyziky. ... A samozřejmě si připomeňme naši nedávnou tragickou minulost.

   Akademik Andrei Dmitrievich SAKHAROV (1921-1989).

   V Moskvě v 70. letech a v Gorkém jsem pokračoval ve svých pokusech o studium fyziky a kosmologie. Během těchto let jsem nebyl schopen předložit podstatně nové myšlenky a pokračoval jsem v rozvíjení těch směrů, které již byly uvedeny v mých pracích 60. let (a popsány v první části této knihy). To je pravděpodobně spousta většiny vědců poté, co pro ně dosáhnou určité věkové hranice. Neztrácím však naději, že mi snad „zabliká“ něco jiného. Současně musím říci, že pouhé pozorování vědeckého procesu, kterého se sami neúčastníte, ale víte, co je co, dává hlubokou vnitřní radost. V tomto smyslu nejsem „chamtivý“.

   V roce 1974 jsem to udělal a v roce 1975 jsem publikoval článek, ve kterém jsem rozvinul myšlenku nulového Lagrangian gravitačního pole a také metody výpočtu, které jsem použil v předchozích pracích. Současně se ukázalo, že jsem dospěl k metodě, kterou před mnoha lety navrhl Vladimír Alexandrovič Fock a poté Julian Schwinger. Můj závěr a samotný způsob stavby, metody byly ale úplně jiné. Bohužel jsem nemohl poslat svou práci Fockovi - právě tehdy zemřel.

   Následně jsem ve svém článku objevil nějaké chyby. Otázka v něm zůstala až do konce nejasná, zda „indukovaná gravitace“ (moderní termín používaný místo výrazu „nulový Lagrangian“) dává správné znaménko gravitační konstanty v jakékoli z možností, které jsem zvažoval.<...>

   Tři články - jeden publikovaný před mým vyloučením a dva po mém vyhoštění - jsou věnovány kosmologickým problémům. V první práci rozebírám mechanismy vzniku baryonové asymetrie. Určitým zájmem jsou možná obecné úvahy o kinetice reakcí vedoucích k baryonové asymetrii vesmíru. Konkrétně však v této práci uvažuji v rámci svého starého předpokladu o přítomnosti „kombinovaného“ zákona o zachování (součet počtu kvarků a leptonů je zachován). Už v první části vzpomínek jsem napsal, jak jsem k tomuto nápadu přišel a proč to teď považuji za špatné. Celkově mi tato část práce připadá neúspěšná. Mnohem víc se mi líbí ta část práce, o které píšu vícevrstvý model vesmíru ... Mluvíme o předpokladu, že kosmologická expanze vesmíru je nahrazena kontrakcí, poté novou expanzí takovým způsobem, že cykly kontrakce - expanze se opakují nekonečně mnohokrát... Takové kosmologické modely dlouhodobě přitahují pozornost. Říkali jim různí autoři "Pulzující" nebo "Oscilační" modely vesmíru. Termín se mi líbí víc „Vícevrstvý model“ ... Působí expresivněji, více v souladu s emocionálním a filozofickým významem grandiózního obrazu opakovaného opakování životních cyklů.

   Dokud se předpokládala ochrana, multivalentní model se však setkával s nepřekonatelnými obtížemi vyplývajícími z jednoho ze základních přírodních zákonů - druhého zákona termodynamiky.

   Ústraní. V termodynamice se zavádí určitá charakteristika stavu těles, tzv. Můj táta si jednou vzpomněl na starou populárně naučnou knihu s názvem „Královna světa a její stín“. (Bohužel jsem zapomněl, kdo je autorem této knihy.) Královna je samozřejmě energie a stín je entropie. Na rozdíl od energie, pro kterou existuje zákon zachování, pro entropii druhý zákon termodynamiky stanoví zákon růstu (přesněji řečeno, neklesá). Procesy, ve kterých se celková entropie těles nemění, se nazývají (považují) za reverzibilní. Příklad reverzibilního procesu - mechanický pohybžádné tření. Reverzibilní procesy jsou abstrakcí, limitujícím případem nevratných procesů doprovázených zvýšením celkové entropie těles (při tření, výměně tepla atd.). Matematicky je entropie definována jako hodnota, jejíž přírůstek se rovná přítoku tepla děleno absolutní teplotou (navíc je akceptováno - přesněji to vyplývá z obecných zásad - že entropie při absolutní nulové teplotě a entropie vakua jsou rovná nule).

   Numerický příklad pro přehlednost. Tělo s teplotou 200 stupňů vydá při výměně tepla 400 kalorií do druhého těla, které má teplotu 100 stupňů. Entropie prvního těla se snížila o 400/200, tj. o 2 jednotky a entropie druhého těla se zvýšila o 4 jednotky; Celková entropie se zvýšila o 2 jednotky, v souladu s požadavkem druhého principu. Všimněte si, že tento výsledek je důsledkem skutečnosti, že teplo se přenáší z teplejšího tělesa do chladnějšího.

   Zvýšení celkové entropie během nerovnovážných procesů nakonec vede k zahřátí látky. Vraťme se ke kosmologii, k modelům s více listy. Pokud v tomto případě předpokládáme počet fixovaných baryonů, pak se entropie na jeden baryon bude neomezeně zvyšovat. Látka se bude ohřívat neomezeně dlouho s každým cyklem, tj. podmínky ve vesmíru se nebudou opakovat!

   Obtížnost je odstraněna, pokud upustíme od předpokladu zachování baryonového náboje a předpokládáme, v souladu s mojí představou z roku 1966 a jeho následným vývojem mnoha dalšími autory, že baryonový náboj pochází z „entropie“ (tj. Neutrální horká hmota) v raných fázích kosmologické expanze vesmíru. V tomto případě je počet produkovaných baryonů úměrný entropii v každém cyklu expanze - kontrakce, tj. podmínky pro vývoj hmoty, tvorba strukturních forem může být v každém cyklu přibližně stejná.

   Pojem „vícevrstvý model“ jsem poprvé vytvořil v práci z roku 1969. Ve svých nedávných článcích používám stejný termín v trochu jiném smyslu; Z důvodu zamezení zmatku to zde uvádím.

   V prvním z posledních tří článků (1979) je uvažován model, ve kterém se předpokládá, že prostor je v průměru plochý. Rovněž se předpokládá, že Einsteinova kosmologická konstanta není nulová a záporná (i když v absolutní hodnotě je velmi malá). V tomto případě, jak ukazují rovnice Einsteinovy ​​gravitační teorie, je kosmologická expanze nevyhnutelně nahrazena kontrakcí. Každý cyklus navíc co do průměrných charakteristik zcela opakuje ten předchozí. Je nezbytné, aby byl model prostorově plochý. Spolu s plochou geometrií (euklidovská geometrie) jsou následující dvě práce věnovány úvahám o Lobachevského geometrii a geometrii hypersféry (trojrozměrný analog dvojrozměrné sféry). V těchto případech však vyvstává další problém. Zvýšení entropie vede ke zvýšení poloměru vesmíru v odpovídajících momentech každého cyklu. Extrapolací do minulosti zjistíme, že každému danému cyklu mohl předcházet pouze konečný počet cyklů.

   Ve „standardní“ (univalentní) kosmologii existuje problém: co se stalo před okamžikem maximální hustoty? V kosmologiích s mnoha listy (kromě případu prostorově plochého modelu) se tomuto problému nelze vyhnout - otázka se odkládá na okamžik začátku expanze prvního cyklu. Lze zaujmout úhel pohledu, že počátek expanze prvního cyklu, nebo v případě standardního modelu jediného cyklu, je Okamžik stvoření světa, a tedy otázka, co se stalo předtím je nad rámec vědeckého výzkumu. Nicméně možná stejně - nebo, podle mého názoru, více - přístup, který umožňuje neomezené Vědecký výzkum hmotný svět a prostor - čas. Současně zjevně není místo pro akt stvoření, ale hlavní náboženský koncept božského významu Bytí není vědou ovlivněn, leží mimo něj.

   Jsem si vědom dvou alternativních hypotéz souvisejících s diskutovaným problémem. Zdá se mi, že jeden z nich jsem poprvé vyjádřil v roce 1966 a v dalších dílech byl podroben řadě vylepšení. Toto je hypotéza „obrat šipky času“. Úzce to souvisí s takzvaným problémem reverzibility.

   Jak jsem již psal, v přírodě neexistují zcela reverzibilní procesy. Tření, přenos tepla, emise světla, chemické reakce, životní procesy se vyznačují nevratností, nápadným rozdílem mezi minulostí a budoucností. Pokud něco střílíte nevratný proces a poté spustit film v opačném směru, pak na obrazovce uvidíme něco, co se ve skutečnosti nemůže stát (například setrvačník otáčející se setrvačností zvyšuje rychlost otáčení a ložiska jsou chlazena). Kvantitativně je nevratnost vyjádřena monotónním zvýšením entropie. Současně atomy, elektrony, atomová jádra atd., Které jsou součástí všech těles. pohybujte se podle zákonů mechaniky (kvantové, ale zde je to bezvýznamné), které mají úplnou reverzibilitu v čase (v kvantové teorii pole - se současným odrazem CP, viz první část). Asymetrie dvou směrů času (přítomnost „šipky času“, jak se říká) se symetrií pohybových rovnic dlouhodobě přitahuje pozornost tvůrců statistické mechaniky. Diskuse o tomto problému začala v posledních desetiletích minulého století a někdy byla docela bouřlivá. Řešení, které víceméně uspokojilo každého, spočívalo v hypotéze, že asymetrie je dána počátečními podmínkami pohybu a polohou všech atomů a polí „v nekonečně vzdálené minulosti“. Tyto počáteční podmínky musí být „náhodné“ v určitém přesně definovaném smyslu.

   Jak jsem naznačil (v roce 1966 a konkrétněji v roce 1980), v kosmologických teoriích, které mají rozlišovací bod v čase, tyto náhodné počáteční podmínky ne do nekonečně vzdálené minulosti (t -> - ∞), ale do tohoto rozlišovacího bodu (t = 0).

   Pak má automaticky v tomto bodě entropie minimální hodnotu, a když se od ní v čase vzdaluje dopředu nebo dozadu, entropie se zvyšuje. Tomu říkám „otočení šipky času“. Od chvíle, kdy se šipka času obrátí, jsou všechny procesy, včetně informací (včetně životních procesů) obráceny, nevznikají žádné paradoxy. Výše uvedené představy o obrácení šipky času, pokud vím, se ve vědeckém světě nedočkaly uznání. Ale připadají mi zajímavé.

   Otočení šipky času obnovuje symetrii obou směrů času v kosmologickém obrazu světa, vlastní pohybovým rovnicím!

   V letech 1966-1967. Předpokládal jsem, že k odrazu CPT dochází v bodě otáčení šipky času. Tento předpoklad byl jedním z výchozích bodů mé práce na baryonové asymetrii. Zde představím další hypotézu (Kirzhnits, Linde, Gut, Turner a další měli ruku; zde vlastním pouze poznámku, že se šipka času otáčí).

   V moderních teoriích se předpokládá, že vakuum může existovat v různých stavech: stabilní, s vysokou přesností nulové hustoty energie; a nestabilní, s obrovskou hustotou pozitivní energie (efektivní kosmologická konstanta). Tento druhý stav se někdy nazývá „falešné vakuum“.

   Jedním z řešení rovnic obecné relativity pro takové teorie je následující. Vesmír je uzavřený, tj. v každém okamžiku je „hypersféra“ konečného objemu (hypersféra je trojrozměrný analog dvourozměrného povrchu koule; trojrozměrný prostor). Poloměr hypersféry má v určitém časovém okamžiku minimální konečnou hodnotu (označme ji t = 0) a zvětšuje se se vzdáleností od tohoto bodu dopředu i dozadu v čase. Entropie je rovna nule pro falešné vakuum (jako pro jakékoli vakuum obecně) a se vzdáleností od bodu t = 0 dopředu nebo dozadu v čase roste v důsledku rozpadu falešného vakua, přecházejícího do stabilního stavu skutečného vakuum. V bodě t = 0 se tedy šipka času otáčí (ale neexistuje kosmologická CPT symetrie, která vyžaduje nekonečnou kompresi v bodě odrazu). Stejně jako v případě symetrie CPT jsou zde všechny konzervované náboje rovny nule (z triviálního důvodu - při t = 0, vakuový stav). Proto je v tomto případě také nutné předpokládat dynamický vzhled pozorované baryonové asymetrie v důsledku porušení invariance CP.

   Alternativní hypotéza o prehistorii vesmíru je taková, že ve skutečnosti neexistuje jeden vesmír a ani dva (jako - ve smyslu slova - v hypotéze otáčení šipky času), ale soubor radikálně odlišných od sebe navzájem a vznikající z nějakého „primárního“ prostoru (nebo jeho částic, které jej tvoří; toto je možná jen další způsob, jak to vyjádřit). Jiné vesmíry a primární prostor, pokud má smysl o tom mluvit, mohou mít zejména ve srovnání s „naším“ vesmírem jiný počet „makroskopických“ prostorových a časových dimenzí - souřadnic (v našem vesmíru jsou tři prostorové a simultánní dimenze; ​​v jiných Vesmírech se mohou lišit!) Žádám vás, abyste nevěnovali zvláštní pozornost přídavnému jménu „makroskopické“ uzavřenému v uvozovkách. Souvisí to s hypotézou „zhutnění“, podle které je většina měření zhutněna; se ve velmi malém měřítku zavřela sama.

   
   Struktura „Mega-vesmíru“

   Předpokládá se, že neexistuje žádný příčinný vztah mezi různými vesmíry. To je důvodem k jejich interpretaci jako samostatných vesmírů. Říkám této grandiózní struktuře „Mega-vesmír“. Několik autorů diskutovalo o variantách takových hypotéz. Zejména Ya.B. hájí hypotézu vícenásobného zrodu uzavřených (přibližně hypersférických) vesmírů. Zeldovich.

   Myšlenky Mega vesmíru jsou nesmírně zajímavé. Možná, že pravda leží právě v tomto směru. Pro mě v některých těchto konstrukcích však existuje jedna nejasnost poněkud technického charakteru. Je celkem přijatelné předpokládat, že podmínky v různých oblastech vesmíru jsou zcela odlišné. Ale přírodní zákony musí být nutně stejné všude a vždy. Příroda nemůže být jako královna v Carrollově Alence v říši divů, která svévolně změnila pravidla hry kroket. Bytí není hra. Moje pochybnosti se týkají těch hypotéz, které připouštějí přerušení kontinuity časoprostoru. Jsou takové procesy přípustné? Nejsou v místech zlomu porušením přírodních zákonů, a nikoli „podmínek bytí“? Opakuji, nejsem si jistý, zda se jedná o oprávněné obavy; možná opět, jako v otázce zachování počtu fermiónů, postupuji z příliš úzkého úhlu pohledu. Kromě toho jsou hypotézy docela myslitelné tam, kde ke zrození vesmírů dochází bez narušení kontinuity.

   Předpoklad, že zrození mnoha a možná nekonečného množství různých vesmírů probíhá spontánně a že vesmír, který nás obklopuje, je mezi mnoha světy vyčleněn právě podmínkou vzniku života a mysli, se nazýval „antropický princip“ (AP). Zeldovich píše, že první studie AP v kontextu jemu známého expandujícího vesmíru patří Idlisovi (1958). V konceptu vícevrstvého vesmíru může také hrát roli antropický princip, ale pro volbu mezi postupnými cykly nebo jejich regiony. O této možnosti pojednává moje práce „Multivalentní modely vesmíru“. Jednou z obtíží modelů s mnoha listy je, že tvorba „černých děr“ a jejich sloučení ve fázi komprese narušuje symetrii, takže není zcela jasné, zda jsou podmínky dalšího cyklu vhodné pro tvorbu vysoce organizovaných struktur . Na druhou stranu v dostatečně dlouhých cyklech dochází k procesům rozpadu baryonů a odpařování černých děr, což vede k vyhlazení všech nehomogenit hustoty. Předpokládám, že kombinované působení těchto dvou mechanismů - tvorba černých děr a vyrovnávání nerovností - vede k tomu, že dochází k postupné změně hladších a „narušených“ cyklů. Nášmu cyklu údajně předcházel „hladký“ cyklus, během kterého se netvořily černé díry. Pro definitivitu můžeme uvažovat o uzavřeném Vesmíru s „falešným“ vakuem v bodě obratu šipky času. Kosmologickou konstantu v tomto modelu lze považovat za rovnou nule, ke změně expanze kompresí dochází jednoduše díky vzájemné přitažlivosti běžné hmoty. Trvání cyklů se zvyšuje v důsledku růstu entropie v každém cyklu a překračuje jakýkoli daný počet (má sklon k nekonečnu), takže jsou splněny podmínky pro rozpad protonů a odpařování „černých děr“.

   Multivariační modely poskytují odpověď na takzvaný paradox velkých čísel (další možné vysvětlení je v hypotéze Gutha a kol., Což naznačuje dlouhou fázi „nadýmání“, viz kapitola 18).

   
   Planeta na okraji vzdálené kulové hvězdokupy. Umělec © Don Dixon

   Proč celkový počet protonů a fotonů ve vesmíru konečného objemu je tak nesmírně velký, i když samozřejmě? A další forma této otázky, odkazující na „otevřenou“ verzi, - proč je počet částic tak velký v té oblasti Lobachevského nekonečného světa, jejíž objem je řádově A3 (A je poloměr zakřivení) ?

   Odpověď daná vícelistovým modelem je velmi jednoduchá. Předpokládá se, že od okamžiku t = 0 uplynulo mnoho cyklů, během každého cyklu se entropie (tj. Počet fotonů) zvyšovala a v souladu s tím byl v každém cyklu generován rostoucí baryonový přebytek. Poměr počtu baryonů k počtu fotonů v každém cyklu je konstantní, protože je určen dynamikou počátečních fází rozpínání vesmíru v daném cyklu. Celkový počet cyklů od okamžiku t = 0 je právě takový, že je získán pozorovaný počet fotonů a baryonů. Protože ke zvýšení jejich počtu dochází v geometrický průběh, pak pro požadovaný počet cyklů nedostaneme ani tak velkou hodnotu.

   Vedlejším produktem mé práce v roce 1982 je vzorec pro pravděpodobnost gravitační koalescence černých děr (pomocí odhadu v knize Zeldovicha a Novikova).

   Další možnost, nebo spíše sen, který je zajímavý pro představivost, je spojen s vícelistými modely. Možná vysoce organizovaná mysl, vyvíjející se miliardy miliard let během cyklu, najde způsob, jak v kódované podobě předat v dalších cyklech některé z nejcennějších informací, které má, svým dědicům, oddělené od tohoto cyklu v čase období superhustého stavu? .. Analogie - přenos živými bytostmi z generace na generaci genetické informace „komprimované“ a zakódované v chromozomech jádra oplodněné buňky. Tato příležitost je samozřejmě naprosto fantastická a neodvážil jsem se o ní psát vědecké články, ale na stránkách této knihy si dal volnou ruku. Ale i bez ohledu na tento sen mi hypotéza multivalentního modelu vesmíru připadá důležitá ve světovém rozhledu a filozofickém plánu.

   Vážení návštěvníci!

   Vaše práce je deaktivována JavaScript... Zapněte skripty v prohlížeči a uvidíte plnou funkčnost stránek!

   8.2. Rozvoj představ o vesmíru. Modely vesmíru

   Historicky se koncept vesmíru vždy vyvíjel v rámci mentálních modelů vesmíru, počínaje starověkými mýty. V mytologii téměř všech lidí mýty o vesmíru - jeho původ, podstata, struktura, vztahy a možné důvody konec.

   Ve většině starověkých mýtů svět (Vesmír) není věčný, je vytvořen vyššími silami z určitého základního principu (substance), obvykle z vody nebo z chaosu. Čas ve starověkých kosmogonických pojmech je nejčastěji cyklický, tj. události zrození, existence a smrti Vesmíru na sebe navazují v kruhu, jako všechny objekty v přírodě. Vesmír je jeden celek, všechny jeho prvky jsou vzájemně propojeny, hloubka těchto spojení je různá až do možných vzájemných konverzí, události na sebe navazují, navzájem se nahrazují (zima a léto, den a noc). Tento světový řád je proti chaosu. Světový prostor je omezený. Vyšší síly (někdy bohové) jsou buď tvůrci Vesmíru, nebo strážci světového řádu. Struktura vesmíru v mýtech znamená vícevrstevnost: spolu s manifestovaným (středním) světem existují horní a dolní světy, osa vesmíru (často ve formě stromu nebo hory světa), střed světa je místo obdařené zvláštními posvátnými vlastnostmi, existuje spojení mezi jednotlivými vrstvami světa. Existence světa je považována za regresivní - od „zlatého věku“ po úpadek a smrt. Osoba ve starověkých mýtech může být analogií celého Kosmu (celý svět je vytvořen z obřího stvoření podobného obřímu muži), což posiluje spojení mezi člověkem a vesmírem. Ve starověkých modelech člověk nikdy nestojí v centru pozornosti.

   Ve stoletích VI-V. PŘED NAŠÍM LETOPOČTEM. vznikají první přírodně-filozofické modely Vesmíru, nejrozvinutější ve starověkém Řecku. Konečným konceptem těchto modelů je Kosmos jako jeden celek, krásný a zákonný. Otázku, jak svět vznikl, doplňuje otázka, z čeho svět je, jak se mění. Odpovědi již nejsou formulovány obrazně, ale abstraktně, filozoficky. Čas v modelech je nejčastěji také cyklický, ale prostor samozřejmě je. Jako látka oba oddělené prvky (voda, vzduch, oheň - ve škole Milétu a v Hérakleitovi), směsice živlů a jeden nedělitelný nepohyblivý Kosmos (mezi Eleaty), ontologizované číslo (mezi Pythagorejci), nedělitelné strukturní jednotky - atomy zajišťující jednotu světa - v Demokritu. Je to model vesmíru Demokritů, který je ve vesmíru nekonečný. Přírodní filozofové určovali stav kosmických objektů - hvězd a planet, rozdíly mezi nimi, jejich roli a vzájemné uspořádání ve vesmíru. Ve většině modelů hraje pohyb zásadní roli. Kosmos je postaven podle jediného zákona - Loga, a tomuto zákonu je podřízen i člověk - mikrokosmos, zmenšená kopie Kosmu.

   Vývoj Pythagorových pohledů, geometrizující Kosmos a poprvé jasně představující jako sféru otáčející se kolem a obklopenou centrálním ohněm, byl ztělesněn v pozdějších dialozích Platóna. Aristotelův model matematicky zpracovaný Ptolemaiem byl po mnoho staletí považován za logický vrchol názorů starověku na Kosmos. V poněkud zjednodušené podobě tento model podporovaný autoritou církve existoval asi 2 tisíce let. Podle Aristotela Vesmír: o je všeobjímající celek, skládající se ze souhrnu všech vnímaných těl; o je svého druhu;

   o prostorově omezené, omezené na extrémní nebeskou sféru,

   za ním „není ani prázdnota, ani místo“; o věčné, bez začátku a bez konce v čase. Země je zároveň nehybná a nachází se ve středu Vesmíru, pozemské a nebeské (supra-měsíc) jsou svým fyzikálně-chemickým složením a povahou pohybu naprosto opačné.

   V XIU-X> / 1 století, během renesance, se znovu objevily přírodně-filozofické modely vesmíru. Vyznačují se na jedné straně návratem k šíři a filozofickým názorům starověku a na straně druhé přísnou logikou a matematikou zděděnou ze středověku. V důsledku teoretického výzkumu Nikolai Kuzansky, N. Copernicus, J. Bruno navrhují modely vesmíru s nekonečným prostorem, nevratným lineárním časem, heliocentrickou sluneční soustavou a mnoha jemu podobnými světy. G. Galileo, navazující na tuto tradici, zkoumal zákony pohybu - vlastnost setrvačnosti a jako první vědomě používal mentální modely (konstrukce, které se později staly základem teoretické fyziky), matematický jazyk, který považoval za univerzální jazyk Vesmír, kombinace empirických metod a teoretické hypotézy, že zkušenost by měla potvrdit nebo vyvrátit, a nakonec astronomická pozorování dalekohledem, což výrazně rozšířilo možnosti vědy.

   G. Galilei, R. Descartes, I. Kepler položili základy moderních fyzikálních a kosmogonických představ o světě a na jejich základě a na základě zákonů mechaniky objevených Newtonem na konci 17. století. vytvořil první vědecký kosmologický model Vesmíru, který dostal jméno klasického newtonovského. Podle tohoto modelu je vesmír: O statický (stacionární), tj. v průměru nezměněn v průběhu času; O homogenní - všechny její body jsou si rovny; O izotropní - všechny směry jsou stejné; o věčné a prostorově nekonečné a prostor a čas jsou absolutní - nezávisí na sobě ani na pohybujících se masách; O má nenulovou hustotu hmoty; O má strukturu plně srozumitelnou v jazyce stávajícího systému fyzikálních znalostí, což znamená nekonečnou extrapolaci zákonů mechaniky, zákona univerzální gravitace, což jsou základní zákony pro pohyb všech vesmírných těles.

   Ve vesmíru je navíc použitelný princip působení na dálku, tj. okamžité šíření signálu; jednota vesmíru je zajištěna jedinou strukturou - atomovou strukturou hmoty.

   Všechna data získaná v astronomických pozorováních sloužila jako empirický základ tohoto modelu; k jejich zpracování byl použit moderní matematický aparát. Tato konstrukce byla založena na determinismu a materialismu racionalistické filozofie moderní doby. Navzdory odhaleným rozporům (fotometrické a gravitační paradoxy jsou důsledky extrapolace modelu na nekonečno), atraktivita a logická konzistence pohledu na svět a také heuristický potenciál udělaly z newtonovského modelu jediný přijatelný model pro kosmology do 20. století .

   Potřeba revidovat názory na vesmír byla vyvolána četnými objevy provedenými v 19. a 20. století: přítomnost světelného tlaku, dělitelnost atomu, hmotnostní vada, model atomové struktury, nerovinné geometrie Riemanna a Lobachevsky, ale pouze s příchodem teorie relativity, nového kvantově relativistického modelu vesmíru.

   Z rovnic speciální (STR, 1905) a obecné (GR, 1916) teorie relativity od A. Einsteina vyplývá, že prostor a čas jsou propojeny v jediné metrice, závisí na pohybující se hmotě: při rychlostech blízkých rychlosti světla se prostor stlačí, čas se natáhne a v blízkosti kompaktních mocných hmot se časoprostor zakřiví, čímž se model vesmíru geometrizuje. Byly dokonce pokusy reprezentovat celý vesmír jako zakřivený časoprostor, jehož uzly a defekty byly interpretovány jako masy.

   Einstein, řešící rovnice pro Vesmír, získal model, který byl omezený prostorem a nehybný. Aby však zachoval stacionaritu, potřeboval do řešení zavést dodatečný lambda termín, empiricky nepodložený ničím, a svým působením ekvivalentní poli oponujícímu gravitaci na kosmologických vzdálenostech. Nicméně v letech 1922-1924. A.A. Friedman navrhl jiné řešení těchto rovnic, což znamenalo možnost získat tři různé modely vesmíru v závislosti na hustotě hmoty, ale všechny tři modely byly nestacionární (vyvíjející se) - model s expanzí následovanou kontrakcí, oscilační model, a model s nekonečnou expanzí. V té době bylo odmítnutí nehybnosti vesmíru skutečně převratným krokem a vědci jej vnímali s velkými obtížemi, protože se zdálo, že je v rozporu se všemi zavedenými vědeckými a filozofickými názory na přírodu, což nevyhnutelně vede ke kreacionismu.

   První experimentální potvrzení nestacionarity vesmíru bylo získáno v roce 1929 - Hubble objevil rudý posun ve spektrech vzdálených galaxií, což podle Dopplerova jevu naznačovalo rozpínání vesmíru (tuto interpretaci nesdíleli všichni kosmologové na tenkrát). V letech 1932-1933. Belgický teoretik J. Lemegre navrhl model vesmíru s „horkým startem“, takzvaným „velkým třeskem“. Ale zpět ve čtyřicátých a padesátých letech minulého století. byly navrženy alternativní modely (s tvorbou částic z c-pole, z vakua), zachovávající stacionaritu vesmíru.

   V roce 1964 objevili američtí vědci - astrofyzik A. Penzias a radioastronom K. Wilson rovnoměrné izotropní reliktní záření, což jasně naznačuje „horký začátek“ vesmíru. Tento model se stal dominantním a byl uznáván většinou kosmologů. Právě tento bod „začátku“, bod singularity, však vyvolal mnoho problémů a sporů jak o mechanismus „Velkého třesku“, tak proto, že chování systému (vesmíru) v jeho blízkosti nebylo možné v rámci rámec známých vědeckých teorií (nekonečně vysoká teplota a hustota musely být kombinovány s nekonečně malými rozměry). V XX století. bylo předloženo mnoho modelů vesmíru - od těch, které odmítly teorii relativity jako základ, po ty, které změnily nějaký faktor v základním modelu, například „voštinová struktura vesmíru“ nebo strunová teorie. Abychom odstranili rozpory spojené se singularitou, v letech 1980–1982. americký astronom P. Steinhart a sovětský astrofyzik A. Linde navrhli modifikaci modelu expandujícího vesmíru - model s inflační fází (model „bobtnajícího vesmíru“), ve kterém první okamžiky po „Velkém třesku“ dostal nový výklad. Tento model se stále zdokonaloval a později odstranil řadu významných problémů a rozporů v kosmologii. Výzkum se dnes nezastavil: hypotéza předložená skupinou japonských vědců o původu primárních magnetických polí je v dobré shodě s výše popsaným modelem a umožňuje nám doufat v získání nových znalostí o raných fázích existence Vesmír.

   Vesmír je předmětem výzkumu a je příliš složitý na to, aby jej mohl deduktivně studovat; právě metody extrapolace a modelování dávají příležitost pokročit v poznávání. Tyto metody však vyžadují přísné dodržování všech postupů (od formulace problému, výběru parametrů, míry podobnosti mezi modelem a originálem, až po interpretaci získaných výsledků), a dokonce s ideálním splněním všechny požadavky, výsledky výzkumu budou zásadně pravděpodobnostní.

   Matematizace znalostí, která významně zvyšuje heuristické schopnosti mnoha metod, je obecným trendem vědy 20. století. Kosmologie nebyla výjimkou: objevil se jakýsi mentální model - matematické modelování, metoda matematické hypotézy. Jeho podstatou je, že se nejprve vyřeší rovnice a poté se hledá fyzikální interpretace získaných řešení. Tento postup, který není pro minulou vědu typický, má kolosální heuristický potenciál. Právě tato metoda vedla Friedmana k vytvoření modelu expandujícího vesmíru, tímto způsobem byl objeven pozitron a na konci 20. století bylo ve vědě učiněno mnoho dalších důležitých objevů.

   Počítačové modely, včetně modelů pro modelování vesmíru, se zrodily z vývoje počítačové technologie. Na jejich základě byly upřesněny modely Vesmíru s inflační fází; na počátku XXI. století. zpracoval velké množství informací přijatých z vesmírné sondy a vytvořil model vývoje vesmíru s přihlédnutím k „temné hmotě“ a „temné energii“.

   V průběhu času se interpretace mnoha zásadních pojmů změnila.

   Fyzické vakuum již není chápáno jako prázdnota, nikoli jako éter, ale jako komplexní stav s potenciálním (virtuálním) obsahem hmoty a energie. Současně bylo zjištěno, že vesmírná tělesa a pole známá moderní vědě tvoří nevýznamné procento hmotnosti vesmíru a většina hmoty je obsažena v „temné hmotě“ a „temné energii“, které nepřímo odhalují oni sami. Výzkum v posledních letech ukázal, že významná část této energie působí na rozpínání, roztahování a trhání vesmíru, což může vést k pevnému zrychlení expanze. V tomto ohledu vyžaduje scénář možné budoucnosti vesmíru revizi. Kategorie času je jednou z kategorií, o nichž se v kosmologii nejvíce diskutuje. Většina badatelů přikládá objektivní charakter času, ale podle tradice od Augustina a I. Kanta jsou čas a prostor formami našeho rozjímání, tj. jsou interpretovány subjektivně. Čas je považován buď za parametr, který nezávisí na žádných faktorech (podstatný koncept pocházející z Demokrita a je základem klasického newtonovského modelu vesmíru), nebo za parametr spojený s posunem hmoty (relační koncept, který pochází od Aristotela) a stal se základem kvantově relativistického modelu vesmíru). Nejběžnějším je dynamický koncept, který představuje čas jako pohybující se (hovoří o toku času), ale byl předložen i opačný koncept - statický. Čas se v různých modelech jeví buď cyklický, nebo konečný, nebo nekonečný a lineární. Podstata času je nejčastěji spojována s kauzalitou. Diskutovány jsou problémy, jako je podložení výběru přítomného okamžiku času, jeho směrovost, anizotropie, nevratnost, univerzálnost času, tj. Existuje čas pro všechny stavy vesmíru a je vždy jednorozměrný nebo může mít jiný rozměr a za určitých podmínek (například v bodě singularity) dokonce neexistuje? Nejméně rozvinutá je otázka zvláštností času ve složitých systémech: biologických, mentálních, sociálních.

   Při vytváření modelů vesmíru hrají zásadní roli některé konstanty - gravitační konstanta, Planckova konstanta, rychlost světla, průměrná hustota hmoty, počet dimenzí časoprostoru. Při zkoumání těchto konstant někteří kosmologové došli k závěru, že pro jiné hodnoty těchto konstant by vesmír neexistoval složité tvary hmota, nemluvě o životě a ještě více o mysli.

   BIBLIOGRAFICKÝ SEZNAM

   V.V. Evsyukov Mýty o vesmíru. Novosibirsk, 1988.

   Latypov N.N., Beilin V.A., Vereshkov G.M. Vakuum, elementární částice a vesmír. M., 2001.

   Linde A.D. Fyzika částic a inflační kosmologie. M., 1990.

   Nadtochaev A.C. Filozofie a věda v éře starověku. M., 1990.

   Novikov I.D. Evoluce vesmíru. M., 1990.

   Pavlenko A.N. Evropská kosmologie: Základy epistemologického obratu. M., 1997.

   Hawking S. Od velkého třesku po černé díry. M., 1990.

   KOSMOLOGIE- sekce astronomie a astrofyziky, která studuje vznik, rozsáhlou strukturu a vývoj vesmíru. Data pro kosmologii se získávají hlavně z astronomických pozorování. K jejich interpretaci se v současné době používá Einsteinova obecná teorie relativity (1915). Vytvoření této teorie a implementace odpovídajících pozorování umožnily na počátku 20. let 20. století umístit kosmologii do řady exaktních věd, zatímco předtím to byla spíše oblast filozofie. Nyní vznikly dvě kosmologické školy: empiristé se omezují na interpretaci pozorovacích dat, nikoli na extrapolaci svých modelů na neprobádané oblasti; teoretici se pokoušejí vysvětlit pozorovatelný vesmír pomocí některých hypotéz vybraných pro jednoduchost a eleganci. Nyní je široce známý kosmologický model Velkého třesku, podle kterého expanze Vesmíru začala před časem z velmi hustého a horkého stavu; stacionárnímodel vesmíru, ve kterém existuje věčně a nemá začátek ani konec. KOSMOLOGICKÉ ÚDAJE

   Kosmologická data znamenají výsledky experimentůa pozorování týkající se vesmíru jako celku v široké škále prostoru a času. Tyto údaje musí splňovat jakýkoli myslitelný kosmologický model. Existuje 6 hlavních pozorovacích faktů, které by kosmologie měla vysvětlit:

   1. Vesmír je ve velkém měřítku homogenní a izotropní; galaxie a jejich kupy jsou v prostoru rozmístěny rovnoměrně (rovnoměrně) a jejich pohyb je chaotický a nemá jasně definovaný směr (izotropní). Copernicanův princip „přesunutí Země ze středu světa“ zobecnili astronomové na sluneční soustavu a naši Galaxii, což se také ukázalo jako zcela obyčejné. Astronomové tedy, s výjimkou malých nerovností v distribuci galaxií a jejich kup, považují vesmír za stejně homogenní všude, jako je blízko nás.

   2. Vesmír se rozpíná. Galaxie se od sebe vzdalují.

   Objevil to americký astronom E. Hubble v roce 1929. Hubblův zákon říká: čím dál je galaxie, tím rychleji se od nás vzdaluje.To ale neznamená, že jsme ve středu vesmíru: v jakékoli jiné galaxii pozorovatelé vidí totéž. S pomocí nových dalekohledů se astronomové ponořili do vesmíru mnohem dál než Hubble, ale jeho zákon zůstal pravdivý.

   3. Prostor kolem Země je naplněn mikrovlnnou troubou na pozadí

   rádiové emise. Objeven v roce 1965 a stal se spolu s galaxiemi hlavním předmětem kosmologie. Jeho důležitou vlastností je vysoká izotropie (nezávislost na směru), která naznačuje jeho spojení se vzdálenými oblastmi Vesmíru a potvrzuje jejich vysokou homogenitu. Pokud by to bylo záření naší Galaxie, pak by to odráželo jeho strukturu. Experimenty na balónech a satelitech však prokázaly, že toto záření v nejvyšší stupeň je homogenní a má spektrum záření absolutně černého tělesa o teplotě asi 3 K. Očividně se jedná o reliktní záření mladého a horkého vesmíru, který se v důsledku své expanze značně ochladil.

   4. Stáří Země, meteoritů a nejstarších hvězd je málo

   menší než věk vesmíru, počítáno z rychlosti jeho expanze.V souladu s Hubbleovým zákonem se vesmír všude rozpíná stejnou rychlostí, která se nazývá Hubbleova konstanta H... Lze jej použít k odhadu stáří vesmíru jako 1 / H... Moderní měření H vést ke stáří vesmíru cca. 20 miliard let. Studie produktů radioaktivního rozpadu v meteoritech dávají věk přibližně. 10 miliard let staré a nejstarší hvězdy jsou ca. 15 miliard let. Až do roku 1950 byly vzdálenosti do galaxií podceňovány, což vedlo k přeceňování H a malý věk Vesmíru, menší než věk Země. Aby tento rozpor vyřešili, G. Bondy, T. Gold a F. Hoyle v roce 1948 navrhli stacionární kosmologický model, ve kterém je věk Vesmíru nekonečný a jak se rozšiřuje, rodí se nová hmota.

   5. V celém pozorovatelném vesmíru, od blízkých hvězd po nejvzdálenější galaxie, připadá na každých 10 atomů vodíku 1 atom helia. Zdá se neuvěřitelné, že by místní podmínky byly všude tak podobné. Síla modelu Big Bang spočívá v tom, že předpovídá všude stejný poměr mezi héliem a vodíkem.

   6. V oblastech Vesmíru, vzdálených od nás v prostoru a čase, je více aktivních galaxií a kvasarů než v naší blízkosti. To naznačuje vývoj vesmíru a je v rozporu s teorií stacionárního vesmíru.

   KOSMOLOGICKÉ MODELY

   Jakýkoli kosmologický model vesmíru je založen na konkrétní teorii gravitace. Existuje mnoho takových teorií, ale jen několik z nich uspokojuje pozorované jevy. Newtonova gravitační teorie je neuspokojuje ani v rámci sluneční soustavy. S pozorováním nejlépe souhlasí Einsteinova obecná teorie relativity, na jejímž základě ruský meteorolog A. Friedman v roce 1922 a belgický opat a matematik J. Lemaitre v roce 1927 matematicky popsali expanzi vesmíru. Z kosmologického principu, který postuluje prostorovou homogenitu a izotropii světa, získali model Velkého třesku. Jejich závěr byl potvrzen, když Hubble objevil vztah mezi vzdáleností a rychlostí ústupu galaxií. Druhá důležitá předpověď tohoto modelu, kterou vytvořil G. Gamov, se týkala reliktního záření, které je nyní pozorováno jako pozůstatek Velkého třesku. Jiné kosmologické modely nemohou toto izotropní záření pozadí přirozeně vysvětlit.Žhavý velký třesk. Podle kosmologického modelu Friedmann -Lemaitre vesmír vznikl v době Velkého třesku - cca. Před 20 miliardami let a její expanze pokračuje dodnes a postupně zpomaluje. V prvním okamžiku exploze měla hmota vesmíru nekonečnou hustotu a teplotu; takový stav se nazývá singularita.

   Podle obecné relativity gravitace není skutečná síla, ale zakřivení časoprostoru: čím větší je hustota hmoty, tím silnější je zakřivení. V okamžiku počáteční singularity bylo zakřivení také nekonečné. Nekonečné zakřivení časoprostoru můžete vyjádřit jinými slovy tím, že v počátečním okamžiku hmota a prostor explodovaly současně všude ve vesmíru. Jak se zvyšuje objem prostoru rozpínajícího se vesmíru, hustota hmoty v něm klesá. S. Hawking a R. Penrose dokázali, že v minulosti určitě existoval singulární stav, pokud je obecná teorie relativity použitelná pro popis fyzikálních procesů ve velmi raném vesmíru.

   Abychom se vyhnuli katastrofické singularitě v minulosti, je nutné výrazně změnit fyziku, například tím, že se předpokládá možnost spontánního kontinuálního vytváření hmoty, jako v teorii stacionárního vesmíru. Astronomická pozorování k tomu ale neposkytují žádný základ.

   Čím dříve uvažujeme, tím menší byl jejich prostorový rozsah; jak se blíží začátek expanze, horizont pozorovatele se stahuje (obr. 1). Hned v prvních okamžicích je měřítko tak malé, že už nemáme právo aplikovat obecnou relativitu: k popisu jevů v tak malých měřítcích je zapotřebí kvantová mechanika. (cm... KVANTOVÁ MECHANIKA)... Kvantová teorie gravitace však dosud neexistuje, takže nikdo neví, jak se události vyvíjely až do 10. dne

   –43 s povolaným Planckův čas(na počest otce kvantové teorie). V tu chvíli hustota hmoty dosáhla neuvěřitelné hodnoty 10 90 kg / cm 3 , které nelze srovnávat nejen s hustotou těl kolem nás (méně než 10 g / cm 3 ), ale i s hustotou atomového jádra (asi 10 12 kg / cm3 ) - nejvyšší hustota dostupná v laboratoři. Proto je pro moderní fyziku počátkem expanze vesmíru Planckův čas.

   Právě za takových podmínek nepředstavitelně vysoké teploty a hustoty došlo ke zrodu Vesmíru. Navíc by to mohl být porod v doslovném smyslu: někteří kosmologové (řekněme Ya.B. Zeldovich v SSSR a L. Parker v USA) věřili, že částice a gama fotony se v té době narodily gravitačním polem. Z hlediska fyziky by tento proces mohl probíhat, pokud by singularita byla anizotropní, tj. gravitační pole bylo nehomogenní. V tomto případě by přílivové gravitační síly mohly „vytáhnout“ skutečné částice z vakua, a vytvořit tak látku Vesmíru.

   Při studiu procesů, které proběhly bezprostředně po Velkém třesku, chápeme, že naše fyzikální teorie jsou stále velmi nedokonalé. Tepelný vývoj raného Vesmíru závisí na produkci hmotných elementárních částic - hadronů, o kterých jaderná fyzika stále málo ví. Mnoho z těchto částic je nestabilní a má krátkou životnost. Švýcarský fyzik R. Hagedorn se domnívá, že může existovat velké množství hadronů s rostoucí hmotností, které by se mohly hojně tvořit při teplotách řádově 10

   12 K, když obrovská hustota záření vedla k produkci hadronových párů skládajících se z částice a antičástice. Tento proces by musel omezit nárůst teploty v minulosti.

   Podle jiného úhlu pohledu je počet typů hmotných elementárních částic omezený, takže teplota a hustota během hadronové éry musely dosáhnout nekonečných hodnot. V zásadě by se to dalo ověřit: pokud byly hadrony tvořící kvarky - stabilní částice, pak z té horké éry měl přežít určitý počet kvarků a antikvarků. Hledání kvarků ale bylo marné; jsou s největší pravděpodobností nestabilní. Cm . Viz také ELEKTRONICKÉ ČÁSTICE.

   Po první milisekundě expanze Vesmíru v něm přestala hrát rozhodující roli silná (jaderná) interakce: teplota klesla natolik, že atomová jádra přestala být ničena. Další fyzikální procesy byly určeny slabou interakcí odpovědnou za produkci lehkých částic - leptonů (tj. Elektronů, pozitronů, mezonů a neutrin) pod vlivem tepelného záření. Když během expanze teplota záření klesla na přibližně 10

   10 K, leptonové páry se přestaly vyrábět, téměř všechny pozitrony a elektrony se zničily; zůstala pouze neutrina a antineutrina, fotony a několik protonů a neutronů, které přežily z předchozí epochy. Tím leptónská éra skončila.

   Další fáze expanze - fotonová éra - se vyznačuje naprostou převahou tepelného záření. Na každý zbývající proton nebo elektron připadá miliarda fotonů. Zpočátku to byla kvanta gama, ale jak se vesmír rozšiřoval, ztráceli energii a stávali se rentgenovými, ultrafialovými, optickými, infračervenými a nakonec se z nich stala rádiová kvanta, která bereme jako rádiové pozadí (relikvie) emise.

   Nevyřešené problémy kosmologie velkého třesku. Kosmologickému modelu Velkého třesku nyní čelí 4 problémy.

   1. Problém singularity: mnozí zpochybňují použitelnost obecné relativity, která dává singularitu v minulosti. Jsou navrženy alternativní kosmologické teorie bez singularity.

   2. Se singularitou úzce souvisí problém izotropie Vesmíru. Zdá se zvláštní, že expanze, která začala singulárním stavem, se ukázala být tak izotropní. Není však vyloučeno, že se původně anizotropní expanze působením disipativních sil postupně stala izotropní.

   3. Homogenní v největších měřítcích, v menších měřítcích je Vesmír velmi heterogenní (galaxie, kupy galaxií). Je těžké pochopit, jak mohla gravitace sama vytvořit takovou strukturu. Kosmologové proto studují možnosti nehomogenních modelů Velkého třesku.

   4. Nakonec se lze zeptat, jaká je budoucnost vesmíru? Chcete -li odpovědět, potřebujete znát průměrnou hustotu hmoty ve vesmíru. Pokud překročí určitou kritickou hodnotu, geometrie časoprostoru se uzavře a v budoucnosti se vesmír určitě zmenší. Uzavřený vesmír nemá žádné hranice, ale jeho objem je konečný. Pokud je hustota pod kritickou hodnotou, pak je vesmír otevřený a bude se navždy rozšiřovat. Otevřený vesmír je nekonečný a na začátku má pouze jednu jedinečnost. Zatím jsou pozorování v lepší shodě s modelem otevřeného vesmíru.

   Původ struktury velkého rozsahu. Kosmologové mají na tento problém dva opačné úhly pohledu.

   Nejradikálnější je, že na začátku byl chaos. Expanze raného vesmíru byla extrémně anizotropní a nehomogenní, ale pak disipativní procesy vyhladily anizotropii a přiblížily expanzi k modelu Friedmann-Lemaitre. Osud nehomogenit je velmi kuriózní: pokud byla jejich amplituda velká, pak se nevyhnutelně musely zhroutit do černých děr s hmotností určenou aktuálním horizontem. Jejich formování mohlo začít hned od Planckova času, takže ve vesmíru mohlo být mnoho malých černých děr s hmotností až 10

   –5 S. Hawking však ukázal, že „malé díry“ by měly vyzařováním ztrácet svou hmotnost a až do naší epochy pouze černé díry s hmotností větší než 10 16 g, což odpovídá hmotnosti malé hory. Cm . Viz také ČERNÁ OTVOR.

   Primární chaos by mohl obsahovat poruchy jakéhokoli rozsahu a amplitudy; největší z nich ve formě zvukových vln mohl přežít od éry raného Vesmíru do éry záření, kdy byla hmota ještě dostatečně horká na to, aby vyzařovala, absorbovala a rozptylovala záření. Ale s koncem této éry se ochlazená plazma rekombinovala a přestala interagovat se zářením. Tlak a rychlost zvuku v plynu klesly, což způsobilo, že se zvukové vlny změnily na rázové vlny, stlačily plyn a způsobily jeho kolaps do galaxií a kup. V závislosti na typu počátečních vln výpočty předpovídají velmi odlišný obrázek, který ne vždy odpovídá pozorovanému. Jedna filozofická myšlenka, známá jako antropický princip, je důležitá pro výběr mezi možnými variantami kosmologických modelů: Vesmír měl od samého počátku mít takové vlastnosti, které umožňovaly formování galaxií, hvězd, planet a inteligentního života. Jinak by kosmologii neměl kdo řešit.

   Alternativní úhel pohledu je, že o původní struktuře vesmíru nelze zjistit nic jiného, ​​než co dávají pozorování. Podle tohoto konzervativního přístupu nelze mladý vesmír považovat za chaotický, protože je nyní velmi izotropní a homogenní. Odchylky od uniformity, které pozorujeme ve formě galaxií, mohly růst pod vlivem gravitace z malých nepravidelností počáteční hustoty. Studie rozsáhlé distribuce galaxií (hlavně od J. Peeblese z Princetonu) však tuto myšlenku zřejmě nepodporují. Další zajímavou možností je, že kupy černých děr zrozené v hadronické éře mohly být počátečními výkyvy pro vznik galaxií.

   Je vesmír otevřený nebo uzavřený? Nejbližší galaxie se od nás vzdalují rychlostí úměrnou vzdálenosti; ale vzdálenější tuto závislost nedodržují: jejich pohyb naznačuje, že rozpínání Vesmíru se časem zpomaluje. V uzavřeném modelu vesmíru působením gravitace se expanze v určitém okamžiku zastaví a je nahrazena kontrakcí (obr. 2), ale pozorování ukazují, že zpomalení galaxií stále není tak rychlé, aby vůbec někdy došlo k úplnému zastavení.

   Aby byl vesmír uzavřen, musí průměrná hustota hmoty v něm překročit určitou kritickou hodnotu. Odhady hustoty pro viditelnou a neviditelnou hmotu jsou velmi blízké této hodnotě.

   Distribuce galaxií ve vesmíru je velmi heterogenní. Naše místní skupina galaxií, která zahrnuje Mléčnou dráhu, mlhovinu Andromeda a několik menších galaxií, leží na okraji rozsáhlého systému galaxií známého jako Supercluster Panny, jehož střed se shoduje s kupou galaxií v Panně. Pokud je průměrná hustota světa vysoká a vesmír je uzavřen, pak by měla být pozorována silná odchylka od izotropní expanze, způsobená přitažlivostí našich a sousedních galaxií do středu Nadkupy. V otevřeném vesmíru je tato odchylka bezvýznamná. Pozorování jsou spíše v souladu s otevřeným modelem.

   Kosmologové mají velký zájem o obsah těžkého izotopu vodíku, deuteria, v kosmické hmotě, který se vytvořil v průběhu jaderných reakcí v prvních okamžicích po Velkém třesku. Ukázalo se, že obsah deuteria je v té době, a tedy i v naší době, extrémně citlivý na hustotu hmoty. „Test deuteria“ se však neprovádí snadno, protože je nutné prozkoumat primární hmotu, která se ve vnitřcích hvězd nenachází od okamžiku kosmologické syntézy, kde deuterium snadno shoří. Studie extrémně vzdálených galaxií ukázala, že obsah deuteria odpovídá nízké hustotě hmoty, a tedy otevřenému modelu vesmíru.

   Alternativní kosmologické modely. Obecně lze říci, že na samém počátku své existence mohl být vesmír velmi chaotický a heterogenní; stopy toho můžeme dnes pozorovat ve velkém rozložení hmoty. Období chaosu však nemohlo trvat dlouho. Vysoká homogenita záření kosmického pozadí naznačuje, že vesmír byl velmi homogenní ve věku 1 milionu let. A výpočty kosmologické jaderné fúze naznačují, že pokud by po 1 s po začátku expanze docházelo k velkým odchylkám od standardního modelu, pak by složení Vesmíru bylo úplně jiné než ve skutečnosti. Co se však stalo během první vteřiny, je stále diskutabilní. Kromě standardního modelu velkého třesku v zásadě existují alternativní kosmologické modely:

   1. Model, symetrický vůči hmotě a antihmotě, předpokládá stejnou přítomnost těchto dvou typů hmoty ve vesmíru. Ačkoli je zřejmé, že naše Galaxie neobsahuje prakticky žádnou antihmotu, sousední hvězdné systémy by z ní mohly být zcela složeny; v tomto případě by jejich záření bylo přesně stejné jako u normálních galaxií. V dřívějších epochách expanze, kdy byla hmota a antihmota v těsnějším kontaktu, by jejich zničení mělo vytvářet silné paprsky gama. Pozorování to nezjistí, což činí symetrický model nepravděpodobným.

   2. Model Cold Big Bang předpokládá, že expanze začala na absolutní nule. Pravda, v tomto případě musí také dojít k jaderné fúzi a zahřátí látky, ale mikrovlnné záření na pozadí již nemůže být přímo spojeno s Velkým třeskem, ale musí být vysvětleno jiným způsobem. Tato teorie je atraktivní, protože hmota v ní podléhá fragmentaci, která je nezbytná k vysvětlení rozsáhlé nehomogenity Vesmíru.

   3. Stacionární kosmologický model předpokládá nepřetržité vytváření hmoty. Základní premisa této teorie, známá jako Ideální kosmologický princip, říká, že vesmír vždy byl a zůstane takový, jaký je dnes. Pozorování to vyvracejí.

   4. Uvažovány jsou upravené verze Einsteinovy ​​gravitační teorie. Například teorie K. Brunse a R. Dickeho z Princetonu obecně souhlasí s pozorováními ve sluneční soustavě. Brans -Dickeho model, stejně jako radikálnější Hoyleův model, ve kterém se v průběhu času mění některé základní konstanty, mají v naší éře téměř stejné kosmologické parametry jako model Velkého třesku.

   5. Na základě upravené Einsteinovy ​​teorie postavil J. Lemaitre v roce 1925 kosmologický model, který kombinuje Velký třesk s dlouhou fází klidného stavu, během kterého mohly vznikat galaxie. Einstein se začal zajímat o tuto příležitost, aby zdůvodnil svůj oblíbený kosmologický model statického vesmíru, ale když byla objevena expanze vesmíru, veřejně ji opustil.