- Страница 0 - название энциклопедической статьи.
- Страницы 1, ... - доп. материал, указывать в "Ссылки".
- Страница: инфо , 0 , 1 , 2 , 3 , 4 , 5 , 6 , 7 , 8 , 9 , 10 , 11 , 12 , 13 , 14 , 15 , 16 , 17 , 18 , 19 , 20 , 21 , 22 , 23 , 24 , 25
Введение[]
| Космология |
 |
| Изучаемые объекты и процессы |
| Наблюдаемые процессы |
| Теоретические изыскания |
| Родственные темы |
Согласно теории Большого взрыва, Вселенная в момент образования была в чрезвычайно плотном и горячем состоянии, называемом космологической сингулярностью.
Большо́й взрыв (от англ. Big Bang) — гипотетическое начало расширения Вселенной, перед которым Вселенная находилась в сингулярном состоянии.
Современные представления теории Большого взрыва[]
По современным представлениям, наблюдаемая нами сейчас Вселенная возникла 13,73 ± 0,12 млрд. лет назад[1] из некоторого начального «сингулярного» состояния и с тех пор непрерывно расширяется и охлаждается. Согласно известным ограничениям по применимости современных физических теорий, наиболее ранним моментом, допускающим описание, считается момент Планковской эпохи с температурой примерно 1032 K (Планковская температура) и плотностью около 1093 г/см³ (Планковская плотность). Ранняя Вселенная представляла собой высокооднородную и изотропную среду с необычайно высокой плотностью энергии, температурой и давлением. В результате расширения и охлаждения во Вселенной произошли фазовые переходы, аналогичные конденсации жидкости из газа, но применительно к элементарным частицам.
Приблизительно через 10−35 секунд после наступления Планковской эпохи (Планковское время — 10−43 секунд после Большого взрыва, в это время гравитационное взаимодействие отделилось от остальных фундаментальных взаимодействий) фазовый переход вызвал экспоненциальное расширение Вселенной. Данный период получил название Космической инфляции. После окончания этого периода строительный материал Вселенной представлял собой кварк-глюонную плазму. По прошествии времени температура упала до значений, при которых стал возможен следующий фазовый переход, называемый бариогенезисом. На этом этапе кварки и глюоны объединились в барионы, такие как протоны и нейтроны. При этом одновременно происходило асимметричное образование как материи, которая превалировала, так и антиматерии, которые взаимно аннигилировали, превращаясь в излучение.
Дальнейшее падение температуры привело к следующему фазовому переходу — образованию физических сил и элементарных частиц в их современной форме. После чего наступила эпоха нуклеосинтеза, при которой протоны, объединяясь с нейтронами, образовали ядра дейтерия, гелия-4 и ещё нескольких лёгких изотопов. После дальнейшего падения температуры и расширения Вселенной наступил следующий переходный момент, при котором гравитация стала доминирующей силой. Через 380 тысяч лет после Большого взрыва температура снизилась настолько, что стало возможным существование атомов водорода (до этого процессы ионизации и рекомбинации протонов с электронами находились в равновесии).
После эры рекомбинации материя стала прозрачной для излучения, которое, свободно распространяясь в пространстве, дошло до нас в виде реликтового излучения.
Начальное состояние Вселенной[]
Экстраполяция наблюдаемого расширения Вселенной назад во времени приводит при использовании общей теории относительности и некоторых других альтернативных теорий гравитации к бесконечной плотности и температуре в конечный момент времени в прошлом. Более того, теория не даёт никакой возможности говорить о чём-либо, что предшествовало этому моменту (лишь потому, что Большой взрыв радикально изменил законы Вселенной: при этом теория вовсе не отрицает возможность существования чего-либо до Большого взрыва), а размеры Вселенной тогда равнялись нулю — она была сжата в точку. Это состояние называется космологической сингулярностью и сигнализирует о недостаточности описания Вселенной классической общей теорией относительности. Насколько близко к сингулярности можно экстраполировать известную физику, является предметом научных дебатов, но практически общепринято, что допланковскую эпоху рассматривать известными методами нельзя. Многие учёные полушутя-полусерьёзно называют космологическую сингулярность «рождением» (или «сотворением») Вселенной. Невозможность избежать сингулярности в космологических моделях общей теории относительности была доказана в числе прочих теорем о сингулярностях Р. Пенроузом и С. Хокингом в конце 1960-х годов. Её существование является одним из стимулов построения альтернативных теорий гравитации.
Дальнейшая эволюция Вселенной[]
Согласно теории Большого взрыва, дальнейшая эволюция зависит от экспериментально измеримого параметра — средней плотности вещества в современной Вселенной. Если плотность не превосходит некоторого (известного из теории) критического значения, Вселенная будет расширяться вечно, если же плотность больше критической, то процесс расширения когда-нибудь остановится и начнётся обратная фаза сжатия, возвращающая к исходному сингулярному состоянию. Современные экспериментальные данные относительно величины средней плотности ещё недостаточно надёжны, чтобы сделать однозначный выбор между двумя вариантами будущего Вселенной.
Есть ряд вопросов, на которые теория Большого взрыва ответить пока не может, однако основные её положения обоснованы надёжными экспериментальными данными, а современный уровень теоретической физики позволяет вполне достоверно описать эволюцию такой системы во времени, за исключением самого начального этапа — порядка сотой доли секунды от «начала мира». Для теории важно, что эта неопределённость на начальном этапе фактически оказывается несущественной, поскольку образующееся после прохождения данного этапа состояние Вселенной и его последующую эволюцию можно описать вполне достоверно.
История открытия Большого взрыва[]
- 1916 — вышла в свет работа физика Альберта Эйнштейна «Основы общей теории относительности», которой он завершил создание релятивистской теории гравитации.
- 1917 — Эйнштейн на основе своих уравнений поля развил представление о пространстве с постоянной во времени и пространстве кривизной (модель Вселенной Эйнштейна, знаменующая зарождение космологии), ввёл космологическую постоянную Λ. (Впоследствии Эйнштейн назвал введение космологической постоянной одной из самых больших своих ошибок; уже в наше время выяснилось, что Λ-член играет важнейшую роль в эволюции Вселенной). В. де Ситтер выдвинул космологическую модель Вселенной (модель де Ситтера) в работе «Об эйнштейновской теории гравитации и её астрономических следствиях».
- 1922 — советский математик и геофизик Ал. Ал. Фридман нашёл нестационарные решения гравитационного уравнения Эйнштейна и предсказал расширение Вселенной (нестационарная космологическая модель, известная как решение Фридмана). Если экстраполировать эту ситуацию в прошлое, то придётся заключить, что в самом начале вся материя Вселенной была сосредоточена в компактной области, из которой и начала свой разлёт. Поскольку во Вселенной очень часто происходят процессы взрывного характера, то у Фридмана возникло предположение, что и в самом начале её развития также лежит взрывной процесс — Большой взрыв.
- 1923 — немецкий математик Г. Вейль отметил, что если в модель де Ситтера, которая соответствовала пустой Вселенной, поместить вещество, она должна расширяться. О нестатичности Вселенной де Ситтера говорилось и в книге А. Эддингтона, опубликованной в том же году.
- 1924 — К. Вирц обнаружил слабую корреляцию между угловыми диаметрами и скоростями удаления галактик и предположил, что она может быть связана с космологической моделью де Ситтера, согласно которой скорость удаления отдалённых объектов должна возрастать с их расстоянием.
- 1925 — К. Э. Лундмарк и затем Штремберг, повторившие работу Вирца, не получили убедительных результатов, а Штремберг даже заявил, что «не существует зависимости лучевых скоростей от расстояния от Солнца». Однако было лишь ясно, что ни диаметр, ни блеск галактик не могут считаться надёжными критериями их расстояния. О расширении непустой Вселенной говорилось и в первой космологической работе бельгийского теоретика Жоржа Леметра, опубликованной в этом же году.
- 1927 — опубликована статья Леметра «Однородная Вселенная постоянной массы и возрастающего радиуса, объясняющая радиальные скорости внегалактических туманностей». Коэффициент пропорциональности между скоростью и расстоянием, полученный Леметром, был близок к найденному Э. Хабблом в 1929. Леметр был первым, кто чётко заявил, что объекты, населяющие расширяющуюся Вселенную, распределение и скорости движения которых и должны быть предметом космологии — это не звёзды, а гигантские звёздные системы, галактики. Леметр опирался на результаты Хаббла, с которыми он познакомился, будучи в США в 1926 г. на его докладе.
- 1929 — 17 января в Труды Национальной академии наук США поступили статьи Хьюмасона о лучевой скорости NGC 7619 и Хаббла, называвшаяся «Связь между расстоянием и лучевой скоростью внегалактических туманностей». Сопоставление этих расстояний с лучевыми скоростями показало чёткую линейную зависимость скорости от расстояния, по праву называющуюся теперь законом Хаббла.
- 1948 — выходит работа Г. А. Гамова о «горячей вселенной», построенная на теории расширяющейся вселенной Фридмана. По Фридману, вначале был взрыв. Он произошёл одновременно и повсюду во Вселенной, заполнив пространство очень плотным веществом, из которого через миллиарды лет образовались наблюдаемые тела Вселенной — Солнце, звёзды, галактики и планеты, в том числе Земля и всё что на ней. Гамов добавил к этому, что первичное вещество мира было не только очень плотным, но и очень горячим. Идея Гамова состояла в том, что в горячем и плотном веществе ранней Вселенной происходили ядерные реакции, и в этом ядерном котле за несколько минут были синтезированы лёгкие химические элементы. Самым эффектным результатом этой теории стало предсказание космического фона излучения. Электромагнитное излучение должно было, по законам термодинамики, существовать вместе с горячим веществом в «горячую» эпоху ранней Вселенной. Оно не исчезает при общем расширении мира и сохраняется — только сильно охлаждённым — и до сих пор. Гамов и его сотрудники смогли ориентировочно оценить, какова должна быть сегодняшняя температура этого остаточного излучения. У них получалось, что это очень низкая температура, близкая к абсолютному нулю. С учётом возможных неопределённостей, неизбежных при весьма ненадёжных астрономических данных об общих параметрах Вселенной как целого и скудных сведениях о ядерных константах, предсказанная температура должна лежать в пределах от 1 до 10 К. В 1950 году в одной научно-популярной статье (Physics Today, № 8, стр. 76) Гамов объявил, что скорее всего температура космического излучения составляет примерно 3 К.
- 1955 — Советский радиоастроном Тигран Шмаонов экспериментально обнаружил шумовое СВЧ излучение с температурой около 3K.[2]
- 1964 — американские радиоастрономы А. Пензиас и Р. Вилсон открыли космический фон излучения и измерили его температуру: и она оказалась равной именно 3 К. Это было самое крупное открытие в космологии со времён открытия Хабблом в 1929 году общего расширения Вселенной. Теория Гамова была полностью подтверждена. В настоящее время это излучение носит название реликтового; термин ввёл советский астрофизик И. С. Шкловский.
- 2003 — спутник WMAP с высокой степенью точности измеряет анизотропию реликтового излучения. Вместе с данными предшествующих измерений (COBE, Космический телескоп Хаббла и др.), полученная информация подтвердила космологическую модель ΛCDM и инфляционную теорию. С высокой точностью был установлен возраст Вселенной и распределение по массам различных видов материи (барионная материя — 4 %, тёмная материя — 23 %, тёмная энергия — 73 %).
- 2009 — запущен спутник Планк, который в настоящее время измеряет анизотропию реликтового излучения с ещё более высокой точностью.
История термина[]
Первоначально теория Большого взрыва называлась «динамической эволюционирующей моделью». Впервые термин «Большой взрыв» применил Фред Хойл в своей лекции в 1949 (сам Хойл придерживался гипотезы «непрерывного рождения» материи при расширении Вселенной). Он сказал:
«Эта теория основана на предположении, что Вселенная возникла в процессе одного-единственного мощного взрыва и потому существует лишь конечное время… Эта идея Большого взрыва кажется мне совершенно неудовлетворительной».
На русский язык Big Bang можно было бы перевести как «Большой хлопок», что, вероятно, точнее соответствует уничижительному смыслу, который хотел вложить в него Хойл. После того, как его лекции были опубликованы, термин стал широко употребляться.
Гипотеза А.Ю. Глушко о причине, вызвавшей Большой взрыв.[]
 |
В этой статье могут содержаться сведения, утверждения и гипотезы, выходящие за пределы стандартных теоретических моделей, принятых в господствующей научной тенденции. |
Когда-то вся материя, из которой теперь состоит наша Вселенная, была сосредоточена в одной точке или небольшой области микроскопических размеров. Не только материя, но и само пространство было сжато в точку, а время практически не шло. В какой-то момент произошёл Большой взрыв, в результате которого образовалось время, пространство начало расширяться, а материя в виде космической пыли разлетелась во всех направлениях. Впоследствии из этой пыли сформировались планеты, звёзды и чёрные дыры. Однако до сих пор учёные не знают, что вызвало Большой взрыв.
До момента Большого взрыва материя находилась в сжатом, сингулярном состоянии, то есть обладала бесконечно большой плотностью. Поэтому логично предположить, что точка, в которой была сосредоточена вся материя, являлась огромной чёрной дырой, так как чёрные дыры также представляют собой вещество, сжатое в точку или небольшую область. Назовём её гипер чёрной дырой. Для всего, что находится внутри любой чёрной дыры, время практически не идёт, и не только вещество, но и само пространство сжато в точку.
Причиной Большого взрыва стало столкновение двух гипер чёрных дыр, одна из которых состояла из материи, а другая – из антиматерии. Из-за высокой плотности вещества в чёрных дырах произошёл практически одновременный контакт огромного количества частиц и античастиц. В результате аннигиляции выделилось колоссальное количество энергии, которая стала энергией Большого взрыва.
Так случилось, что гипер чёрная дыра, состоящая из материи, содержала большее количество вещества, чем гипер чёрная дыра из антиматерии. Поэтому после аннигиляции часть материи уцелела. Из этих остатков материи теперь состоит наша Вселенная.
Если бы количество вещества в гипер чёрной дыре из антиматерии оказалось больше, чем в чёрной дыре из материи, тогда наша Вселенная состояла бы из антиматерии.
Механизм взрыва двух гипер чёрных дыр был следующим: В момент, предшествовавший столкновению, гипер чёрные дыры сблизились на такое расстояние, что их горизонты событий пересеклись между собой, но материя и антиматерия ещё не столкнулись. На короткий промежуток времени образовалась одна огромная гипер чёрная дыра с массой Mм+Мам и гравитационным радиусом rg = 2G(Mм+Мам)/c 2, где Мм и Мам– массы гипер чёрных дыр из материи и антиматерии соответственно. В следующий момент произошло столкновение. Из-за высокой плотности вещества огромное количество частиц и античастиц столкнулось практически одновременно. Внутри гипер чёрной дыры произошёл Большой взрыв. Антиматерия, которой было меньше, была полностью уничтожена, а часть материи уцелела. Энергия взрыва раскалила остатки сверхплотной материи до огромных температур, раздробив её и разбросав в пределах сферы, ограниченной горизонтом событий. В то же время в процессе аннигиляции резко уменьшилась масса гипер чёрной дыры, а следовательно её гравитационный радиус тоже уменьшился и стал равен rg = 2G(Mм–Мам)/c 2. Столь быстрое уменьшение гравитационного радиуса привело к тому, что значительная часть остатков материи оказалась за пределами горизонта событий. Это ещё больше уменьшило массу и гравитационный радиус чёрной дыры. В момент, когда вещество пересекало горизонт событий, для него образовывались время и пространство. Пространство, до этого момента сжатое в точку внутри чёрной дыры, начало стремительно расширяться, увлекая за собой раскалённую материю. Так начался процесс расширения нашей Вселенной.
Процесс превращения вещества в энергию является обратимым. В соответствии с формулой Эйнштейна Е=mс 2 не только масса может переходить в энергию, но и энергия может при определённых условиях переходить в массу. При этом обязательно образуется пара частиц – частица и её античастица. Поэтому логично предположить, что если где-то есть некоторое количество вещества, то в другом месте должно быть такое же количество антивещества. Если есть Вселенная, состоящая из материи, то где-то должна существовать Вселенная из антиматерии. Значит, в космосе могут быть не одна и не две, а сотни и тысячи Вселенных, каждая из которых образовалась в результате своего Большого взрыва.
Космос можно сравнить с озером, в которое падают дождевые капли. Когда капля падает на поверхность воды, от неё начинают расходиться круги. Момент падения капли в озеро – это момент Большого взрыва, а расходящиеся круги – разлетающиеся галактики. Круги от падения соседних капель могут пересекаться между собой. Точно так же разлетающиеся галактики и другие объекты могут перелетать из одной Вселенной в другую. В отличие от волн, расходящихся от падения дождевых капель в озеро, разлетающиеся галактики взаимодействуют между собой посредством гравитации. Чем ближе пограничные галактики соседних Вселенных приближаются друг к другу, тем сильнее сила притяжения, действующая между ними. 5,5 млрд. лет назад наша Вселенная начала расширяться со всё увеличивающимся ускорением. Значит, к этому времени она расширилась настолько, что гравитация соседних Вселенных начала оказывать заметное влияние на скорость разлёта галактик. Гравитация соседних Вселенных – это и есть природа тёмной энергии.
В каждой Вселенной могут образовываться чёрные дыры. Чёрные дыры постоянно поглощают вещество и сливаются между собой, наращивая при этом свою массу. Так с течением времени образуются гипер чёрные дыры. Вероятность образования гипер чёрной дыры наиболее велика на границе между Вселенными, состоящими из одного вида вещества, так как летящие навстречу друг другу объекты будут сталкиваться и объединяться между собой.
Возможно, астрономам уже удалось обнаружить одну из гипер чёрных дыр. В 2008 году учёные зафиксировали группу по крайней мере из 1400 скоплений, движущихся не хаотично, а упорядоченно. Эта группа получила название «тёмный поток». Упорядоченное движение такого большого количества скоплений может быть вызвано только силой притяжения очень тяжёлого объекта. Таким объектом может быть формирующаяся гипер чёрная дыра.
Гипер чёрные дыры настолько тяжёлые, что притягиваются даже на очень большом расстоянии. Когда гипер чёрные дыры из материи и антиматерии сталкиваются, происходит Большой взрыв и образование новой Вселенной. В зависимости от того, какая из гипер чёрных дыр содержит большее количество вещества, образуется Вселенная либо из материи, либо из антиматерии. Во вновь образовавшейся Вселенной в ходе её эволюции образуются чёрные дыры, которые затем становятся частью новой гипер чёрной дыры. Таким образом, процесс образования и гибели Вселенных является циклическим и идёт в космосе постоянно.
Если соседние Вселенные состоят из разного вида вещества, образование гипер чёрной дыры на границе между ними невозможно. Объекты из этих Вселенных будут сталкиваться между собой и аннигилировать, вызывая мощные всплески гамма-излучения, так как при аннигиляции материи и антиматерии энергия всегда выделяется в виде гамма-квантов. Мощность гамма-всплеска будет зависеть от массы более лёгкого из сталкивающихся объектов. Если объект из антиматерии попадёт в сверхмассивную чёрную дыру, находящуюся в центре галактики, гравитационный радиус этой чёрной дыры уменьшится, и она выбросит из себя часть вещества. Такое явление называют взрывом галактики. Если же столкнутся две летящие навстречу друг другу галактики, произойдёт мини-модель Большого взрыва. Находящиеся в их центрах чёрные дыры столкнутся и взорвутся, и во всех направлениях полетит либо материя, либо антиматерия, в зависимости от того, какая из чёрных дыр содержала большее количество вещества.
Гамма-всплески и Большие взрывы – это процессы превращения материи в энергию. Но энергия также может превращаться в материю и антиматерию. В космосе постоянно идут оба эти процесса. Если материи и антиматерии становится слишком много, возрастает вероятность гамма-всплесков и Больших взрывов. Если становится слишком много энергии – верх берут процессы превращения энергии в материю и антиматерию. Таким образом постоянно поддерживается баланс между веществом и энергией в космосе.
--Андрей Глушко 15:02, июля 10, 2010 (UTC)
Критика теории Большого взрыва[]
Некоторые противники теории Большого взрыва считают, что Вселенная стационарна, то есть не эволюционирует, и не имеет ни начала, ни конца во времени. Сторонники такой точки зрения отвергают расширение Вселенной, а красное смещение объясняют гипотезой о «старении» света. Однако, как выяснилось, эта гипотеза противоречит наблюдениям, например, наблюдаемой зависимости продолжительности вспышек сверхновых от расстояния до них.
Существует также точка зрения о том, что законы Большого Взрыва действуют лишь в наблюдаемой нами части Вселенной (Метагалактике).
Кроме того, ТБВ не дает удовлетворительного ответа на вопрос о причинах возникновения сингулярности, или материи/энергии для её возникновения, обычно просто постулируя её безначальность.
Страница: 0
Примечания[]
См. также[]
- Инфляционная модель Вселенной
- Экпиротический сценарий
- Большой разрыв
- Теория большого взрыва (телесериал)
Ссылки[]
- Вселенная: Большой взрыв
- Популярная статья в журнале «Вокруг света»
- Книга «Космология: Большой взрыв», ISBN 5-85099-150-6
- Статья из энциклопедии «Физика космоса» (1986 год)
- В.П.Майков. Расширенная версия классической термодинамики — физика дискретного пространства-времени. М.: МГУИЭ, 1997-160c.ISBN 5-230-11127-5 http://maikov.chat.ru/russian/evt/book/bookr.htm
- Статья в журнале «В МИРЕ НАУКИ», № 7, июль 2005
Литература[]
- Страница 0 - краткая статья
- Страница 1 - энциклопедическая статья
- Разное - на страницах: 2 , 3 , 4 , 5
- Прошу вносить вашу информацию в «Большой взрыв 1», чтобы сохранить ее