Современные представления о мегамире

Происхождение и общие представления о Вселенной

Небо как объект познания привлекало человека с древнейших времен, поэтому астрономию можно считать первой наукой о природе.

Астрономия (от греч. astron – звезда и nomos – закон) - наука о движении, строении и развитии небесных тел и их систем, вплоть до Вселенной в целом.

Космология – раздел астрономии, в котором изучаются Вселенная как единое целое и космические системы как ее части.

Вселенная — весь материальный мир, безграничный в пространстве, развивающийся во времени, окружающий нас и познаваемый нами. Ту часть Вселенной, которая доступна для наблюдения называют Метагалактикой. Границы Метагалактики все время расширяются

Космос (от греч. kosmos — вселенная, мир) — синоним астрономического определения Вселенной. Выделяют ближний космос — межпланетную и околоземную среду, исследуемую при помощи космических летательных аппаратов, а также дальний космос — мир звезд и галактик.

Происхождение Вселенной

Современные космологи оценивают возраст Вселенной в интервале 12-20 млрд. лет. В 40-е годы ХХ века для объяснения происхождения Вселенной физиком Г.Гамовым была предложена гипотеза Большого взрыва (по англ. — Big Bang). Гипотезу Большого взрыва называют также моделью горячей Вселенной или стандартной моделью. Согласно этой гипотезе, Вселенная возникла в результате взрыва из первоначального состояния сингулярности. Материя была сконцентрирована в необычайно малой точке (сингулярной точке) с радиусом 10^{-12 см, и имела огромную плотность 1093} г/см³ при температуре 10³²К. В этом состоянии Вселенная представляла собой микрообъект, по размерам близкий к электрону.

Для моделирования первых мгновений существования Вселенной, прояснения причин Большого Взрыва и объяснения сингулярности физиком А.Гутом была предложена инфляционная гипотеза. Первоначальное состояние Вселенной – физический вакуум. Это особая форма материи, характеризующаяся высокой активностью. Вакуум «кипит», в нем постоянно рождаются и уничтожаются виртуальные частицы. В процессе порождения и отталкивания виртуальных частиц возникает огромная сила космического отталкивания, которая приводит к раздуванию «пузырей» - зародышей вселенных. Раздувание, или быстрое расширение, было названо инфляцией. На фазе инфляции (10^-43 – 10^-34 с) формируются пространственно-временные характеристики Вселенной. Наша Вселенная характеризуется собственными значениями фундаментальных физических констант (см. приложение).

Во время фазы инфляции Вселенная «раздулась» до размера намного большего, чем размер наблюдаемой сейчас Метагалактики. При этом неустойчивый вакуум распадается, а энергия, которая выделилась при его распаде, была использована на мгновенный нагрев Вселенной.

Силы космического отталкивания уменьшались, и во Вселенной начинают действовать силы гравитационного притяжения. Однако, поскольку первоначальный импульс расширения был очень сильным, Вселенная продолжает расширятся и сейчас, однако значительно медленнее.

Эволюция Вселенной происходила поэтапно. Этапы эволюции называют эрами.

Адронная эра: длительность 10^-7 с, температура Вселенной 10³² К. Вселенная представляет собой разогретую плазму, материя существует в виде элементарных частиц, между которыми существует сильное взаимодействие.

Лептонная эра: длительность 10 с, температура Вселенной 10¹⁵ К. Образуются лептоны (электроны, позитроны и др.)

Эра излучения: длительность 1 млн. лет, температура во Вселенной 10³ К. Вещество ионизировано, во Вселенной преобладает излучение. Возникают ядра атомов водорода и гелия.

Эра вещества: длится и сейчас. Вселенная остывает, становится нейтральной. В ней образуется первичное вещество, состоящее из водорода (75%) и гелия (25%), возникают протозвезды, протогалактики. Все другие химические элементы образовались при дальнейшей эволюции Вселенной главным образом в недрах звезд. Ионизирующее излучение перестает взаимодействовать с веществом и начинает свободно перемещаться во Вселенной. Эти фотоны, остывшие до 3 К, мы наблюдаем сейчас в виде реликтового излучения.

Реликтовое излучение – слабое радиоизлучение, которое сохранилось с начальных этапов существования Вселенной и равномерно её заполняет. Экспериментально существование этого излучения было подтверждено в 1965 году. Наряду с космологическим «красным смещением», реликтовое излучение рассматривается как одно из главных подтверждений теории Большого взрыва. «Красное смещение» означает понижение частот электромагнитного излучения при удалении источника света от наблюдателя. Космологическое красное смещение связано с расширением пространства.