🗊Презентация Эволюция Вселенной и самоорганизация

Эволюция вселенной и самоорганизация

Вопросы к зачёту 34. Космологические постулаты 35. Гипотеза большого взрыва. Сингулярность. 36. «Красное» смещение и эффект Доплера. 37. Реликтовое излучение.

“Вселенная” Понятие “Вселенная” означает Космос,  доступный человеческому наблюдению. Космология рассматривает наиболее общие свойства всей области пространства, охваченной наблюдением. Мы называем ее Метагалактикой. Наши знания о Метагалактике ограничиваются горизонтом наблюдений. Этот горизонт определяется тем, что скорость света не мгновенна. Следовательно, мы можем наблюдать только те области Вселенной, от которых свет успел дойти до нас к настоящему времени. При этом мы видим объекты не в их нынешнем состоянии, а в том, в котором они были в момент испускания света.

Несколько предпосылок изучения Вселенной: считается, что формулируемые физикой законы функционирования мира действуют во всей Вселенной считается, что наблюдения астрономов также распространяются на всю Вселенную считается, что истинны те выводы, которые не противоречат существованию человека (антропный принцип) Выводы космологии называются моделями происхождения и развития Вселенной.

Космологическая модель А. Эйнштейна — A.A. Фридмана

Когда Эйнштейн работал над своей общей теорией относительности, Вселенная представлялась ученым не такой, как сейчас. Еще не были открыты Метагалактика и ее расширение, поэтому Эйнштейн опирался на представления о стационарной Вселенной, которая равномерно наполнена Галактиками, находящимися на неизменных расстояниях.

космологические постулаты Единственным человеком, который в 1922 году верил в правильность выводов ОТО применительно к космологическим проблемам, был молодой советский физик А. А. Фридман. Он заметил, что из теории относительности вытекает нестационарность искривления пространства. Модель Фридмана опирается на представления об изотропном, однородном и нестационарном состоянии Вселенной.

космологические постулаты Изотропность указывает на то, что во Вселенной не существует каких-либо выделенных точек направлений, то есть ее свойства не зависят от направления; Однородность Вселенной характеризует распределение вещества в ней. Эту равномерность распределения вещества можно обосновать, подсчитывая число галактик до данной видимой звездной величины. Согласно наблюдениям, плотность вещества в видимой нами части пространства в среднем одинакова; Нестационарность означает, что Вселенная не может находиться в статичном, неизменном состоянии, а должна либо расширяться, либо сжиматься.

космологические постулаты В современной космологии три этих утверждения называются космологическими постулатами. Совокупность этих постулатов является основополагающим космологическим принципом. Космологический принцип непосредственно вытекает из постулатов общей теории относительности.

А. Фридман утверждал, что искривленное пространство не должно быть стационарным, оно должно или расширяться, или сжиматься. И Эйнштейн вынужден был публично согласиться с выводами Фридмана.

Теория расширяющейся Вселенной была подтверждена экспериментально В 1929 году при проведении наблюдений на крупнейшем в то время телескопе, Эрвин Хабл установил, что свет, идущий к Земле из далеких галактик, смещается в сторону длинноволновой части спектра. Это явление, получившее название «Эффект красного смещения» имеет в своей основе принцип, открытый известным физиком К. Доплером. Эффект Доплера говорит о том, что в спектре источника излучения, приближающегося к наблюдателю линии спектра смещены в коротковолновую (фиолетовую) сторону, а в спектре источника, удаляющегося от наблюдателя спектральные линии смещены в красную (длинноволновую) сторону.

Доплеровские радары

Закон Хаббла Эффект красного смещения свидетельствует об удалении галактик от наблюдателя. За исключением знаменитой Туманности Андромеды и нескольких, ближайших к нам звездных систем, все остальные галактики удаляются о нас. Они удаляются от нас тем быстрее, чем дальше расположены. Иначе говоря, величина красного смещения оказалась пропорциональной расстоянию до источника излучения – такова строгая формулировка открытого закона Хаббла. V = Hr , где V – скорость удаления галактик, r – расстояние между ними. (Н, км/сек на 1 мегапарсек расстояния) Величина этой постоянной до сих пор окончательно не установлена. Различные ученые определяют ее в интервале 80 ± 17 км/ сек на каждый мегапарсек расстояния.

Из Η можно определить возраст Вселенной (t ~ 1/Н), который оценивается в 10—20 миллиардов лет. По данным радиоактивного распада некоторых веществ возраст Земли определяется в 5 миллиардов лет.

Если все галактики удаляются от нас, то возникает вопрос: не занимаем ли мы особого положения во Вселенной? Простой физический опыт показывает, что это не так. Предположим, что мы надуваем воздушный шарик, на поверхности которого равномерно нанесены пятнышки. По мере того как шарик будет раздуваться, наблюдателю, находящемуся на одном из пятнышек, будет казаться, что все другие пятнышки удаляются от него. Если все галактики удаляются от нас, то возникает вопрос: не занимаем ли мы особого положения во Вселенной? Простой физический опыт показывает, что это не так. Предположим, что мы надуваем воздушный шарик, на поверхности которого равномерно нанесены пятнышки. По мере того как шарик будет раздуваться, наблюдателю, находящемуся на одном из пятнышек, будет казаться, что все другие пятнышки удаляются от него.

Модель Большого Взрыва (Big Bang) В основе этой теории лежит предположение, что физическая Вселенная образовалась в результате гигантского взрыва примерно 15—20 миллиардов лет назад, когда все вещество и энергия современной Вселенной были сконцентрированы в одном сгустке с плотностью свыше 1025г/см3 и температурой свыше 1016 К. Такое представление соответствует модели горячей Вселенной. Модель Большого Взрыва (БВ) была предложена в 1948 г. нашим соотечественником Г. А. Гамовым.

Мы наблюдаем галактики сейчас такими, какими они были примерно 10—14 млрд лет назад. Таким образом, расширение Вселенной оказывается естественным следствием теории Большого Взрыва. Заметим здесь, что открытие расширяющейся Вселенной и принятие научным сообществом этого факта можно считать огромным мировоззренческим прорывом в интеллектуальном мире. Мы наблюдаем галактики сейчас такими, какими они были примерно 10—14 млрд лет назад. Таким образом, расширение Вселенной оказывается естественным следствием теории Большого Взрыва. Заметим здесь, что открытие расширяющейся Вселенной и принятие научным сообществом этого факта можно считать огромным мировоззренческим прорывом в интеллектуальном мире.

Реликтовое излучение Наиболее важным подтверждением теории БВ является обнаружение реликтового излучения (РИ), как раз и связанного, по-видимому, с существованием первоначального сверхплотного сгустка вещества и излучения. Название «реликтовое излучение» ввел отечественный астрофизик И. С. Шкловский (1916—1985).

Так как расширение продолжается ~14 — 20 • 1010 лет, то согласно теории огромная начальная температура уменьшилась к настоящему времени до средней температуры Вселенной — порядка 3 К. Максимум в распределении длин волн, соответствующий излучению источника с такой температурой в 3 К, должен приходиться на длину волны 0,1 см. Это означает, что если теория БВ верна, то должны экспериментально наблюдаться два эффекта: спектр излучения Вселенной должен соответствовать равновесному излучению при 3 К, и это излучение должно приходить с равной интенсивностью с любого направления в пространстве, т.е. быть изотропным. Так как расширение продолжается ~14 — 20 • 1010 лет, то согласно теории огромная начальная температура уменьшилась к настоящему времени до средней температуры Вселенной — порядка 3 К. Максимум в распределении длин волн, соответствующий излучению источника с такой температурой в 3 К, должен приходиться на длину волны 0,1 см. Это означает, что если теория БВ верна, то должны экспериментально наблюдаться два эффекта: спектр излучения Вселенной должен соответствовать равновесному излучению при 3 К, и это излучение должно приходить с равной интенсивностью с любого направления в пространстве, т.е. быть изотропным.

Реликтовое излучение  А. Пензиас и Р. Уилсон обнаружили, что независимо от направления антенны в принимаемом сигнале присутствовала существенная по величине энергия, соответствующая микроволновому участку спектра и температуре около 3,5 К. Все выглядело так, как если бы вся Вселенная была пронизана этим микроволновым фоном. Тем не менее значение их наблюдений стало общепризнанным и они в 1968 г. получили Нобелевскую премию. Это было самое крупное наблюдательное открытие в космологии со времени обнаружения Хабблом в 1929 г. явления разбегания галактик.

Космомикрофизика С помощью физики элементарных частиц можно объяснить поведение Вселенной на ранних стадиях развития после БВ (0,01 с)

Сингулярность Сингулярность — состояние Вселенной в начальный момент Большого взрыва, характеризующееся бесконечной плотностью и температурой веществ

Модель раздувающейся Вселенной От 10-43 с до 10-32 с.

Фрактальная Вселенная В 2008 году международная группа (Италия и Россия) астрономов проанализировала данные, полученные Слоановской программой цифрового обзора неба. И оказалось, что однородности распределения вещества во Вселенной нет. Если эти наблюдения найдут надежное подтверждение, это приведет к пересмотру едва ли не всех космологических моделей. Учёные пришли к выводу, что материя во Вселенной распределена в виде фрактала