Hipoteza višelisnog modela univerzuma. Model univerzuma. Stacionarni svemir Kosmološki model ranog svemirskog zračenja
Uvod
Dugo vremena ljudska misao pokušava riješiti problem nastanka našeg svijeta, nastanka i buduća sudbina univerzum. Ovo pitanje je jedno od vječna pitanja, i vjerovatno nikada neće prestati da uzbuđuje umove ljudi. IN različita vremena bili su ponuđeni i razna rješenja navedeni problem. Prema jednom od njih, svijet je stvoren i jednom je počeo postojati; prema drugima, svijet je vječan i nema početka. Postoje i poznate tačke gledišta prema kojima svemir periodično nastaje i biva uništen.
Postanak i evolucija Univerzuma
Univerzum je nastao prije otprilike 20 milijardi godina iz neke guste i vruće protomaterije. Danas možemo samo nagađati kakva je bila ova pradjedovska supstanca Univerzuma, kako je nastala, kojim se zakonima pridržavala i koji su procesi doveli do širenja. Postoji stajalište da se od samog početka protomaterija počela širiti gigantskom brzinom. U početnoj fazi, ova gusta tvar se raspršila, raspršila u svim smjerovima i bila je homogena kipuća mješavina nestabilnih čestica koje su se stalno raspadale tijekom sudara. Hlađenjem i interakcijom tokom miliona godina, čitava ova masa materije rasute u svemiru bila je koncentrisana u velike i male gasne formacije, koje su se tokom stotina miliona godina, približavajući se i spajajući, pretvarale u ogromne komplekse. U njima su, zauzvrat, nastala gušća područja - tamo su se naknadno formirale zvijezde, pa čak i cijele galaksije. Kao rezultat gravitacijske nestabilnosti, u različitim zonama formiranih galaksija mogu se formirati guste "protozvezdane formacije" s masama bliskim masi Sunca. Proces kompresije koji je započeo ubrzat će se pod utjecajem vlastitog gravitacionog polja. Ovaj proces prati slobodan pad čestica oblaka prema njegovom centru – dolazi do gravitacione kompresije. U središtu oblaka formira se zbijenost koja se sastoji od molekularnog vodonika i helijuma. Povećanje gustoće i temperature u centru dovodi do raspada molekula na atome, ionizacije atoma i formiranja gustog jezgra protozvezde. Postoji hipoteza o cikličnom stanju Univerzuma. Nakon što je jednom nastao iz super gustog ugruška materije. Univerzum je možda već stvorio milijarde zvezdanih sistema i planeta u sebi već u prvom ciklusu. Ali tada, neizbježno, Univerzum počinje težiti stanju iz kojeg je započela historija ciklusa, crveni pomak ustupa mjesto ljubičastoj, polumjer Univerzuma se postepeno smanjuje, i na kraju se materija Univerzuma vraća u svoje originalno super-gusto stanje, nemilosrdno uništavajući sav život na putu. I to se ponavlja svaki put, u svakom ciklusu za vječnost! Do ranih 1930-ih vjerovalo se da su glavne komponente svemira galaksije, od kojih se svaka u prosjeku sastoji od 100 milijardi zvijezda. Sunce, zajedno sa planetarnim sistemom, ulazi u našu galaksiju, čiji najveći deo zvezda posmatramo u obliku mliječni put. Osim zvezda i planeta. Galaksija sadrži značajnu količinu razrijeđenih plinova i kosmičke prašine. Da li je Univerzum konačan ili beskonačan, kakva je njegova geometrija - ova i mnoga druga pitanja vezana su za evoluciju Univerzuma, posebno za posmatrano širenje. Ako će se, kako se trenutno vjeruje, brzina "širenja" galaksija povećati za 75 km/s za svaki milion parseka, onda ekstrapolacija u prošlost dovodi do nevjerovatnog rezultata: prije otprilike 10-20 milijardi godina cijeli Univerzum je bio koncentrisan na veoma malom prostoru. Mnogi naučnici vjeruju da je u to vrijeme gustina Univerzuma bila ista kao i gustoća svemira atomsko jezgro. Jednostavno rečeno, Univerzum je tada bio jedna ogromna "nuklearna mrlja". Iz nekog razloga, ova "kapljica" je postala nestabilna i eksplodirala. Sada posmatramo posledice ove eksplozije kao sisteme galaksija. Najozbiljniji udarac nepovredivosti Univerzuma zadali su rezultati mjerenja brzina uklanjanja galaksija koje je dobio poznati američki naučnik E. Hubble. Otkrio je da se bilo koja galaksija udaljava od nas u prosjeku brzinom proporcionalnom udaljenosti do nje. Ovo otkriće je konačno uništilo ideju o statičkom, nepokolebljivom Univerzumu koji je postojao još od Aristotelovog vremena, a koji je, međutim, već bio poljuljan u vezi s otkrićem evolucije zvijezda. To znači da galaksije uopće nisu kosmičke svjetiljke obješene na jednake udaljenosti jedna od druge, a štoviše, budući da se udaljavaju, onda su u nekom trenutku u prošlosti morale biti bliže nama. Prije oko 20 milijardi godina, sve su galaksije, očigledno, bile koncentrisane u jednoj tački, iz koje je počelo brzo širenje Univerzuma. moderne veličine. Ali gdje je ova tačka? Odgovor: nigdje iu isto vrijeme svuda; nemoguće je naznačiti njegovu lokaciju; to bi bilo u suprotnosti sa osnovnim principom kosmologije. Još jedno poređenje može pomoći u razumijevanju ove izjave. Prema opšta teorija relativnosti, prisustvo materije u svemiru dovodi do njene zakrivljenosti. Ako postoji dovoljna količina materije, moguće je konstruisati model zakrivljenog prostora. Krećući se zemljom u jednom smjeru, na kraju se moramo vratiti na svoju početnu tačku nakon prelaska 40.000 km. U zakrivljenom Univerzumu ista stvar će se dogoditi, ali nakon 40 milijardi svjetlosnih godina; osim toga, “ruža vjetrova” nije ograničena na četiri dijela svijeta, već uključuje i smjerove gore i dolje. Dakle, Univerzum liči na loptu na naduvavanje na kojoj su nacrtane galaksije i, kao na globusu, označene su paralele i meridijani da bi se odredio položaj tačaka; ali u slučaju Univerzuma, za određivanje položaja galaksija potrebno je koristiti ne dvije, već tri dimenzije. Širenje Univerzuma liči na proces naduvavanja ovog balona: međusobnog dogovora raznih objekata na njegovoj površini se ne mijenja, na lopti nema odabranih tačaka. Da bismo procijenili ukupnu količinu materije u Univerzumu, jednostavno moramo izbrojati sve galaksije oko nas. Radeći to, dobićemo manje supstance nego što je potrebno da bismo, prema Ajnštajnu, zatvorili, “ balon» Univerzum. Postoje modeli otvorenog svemira čija je matematička interpretacija jednako jednostavna i koji objašnjavaju nedostatak materije. S druge strane, može se ispostaviti da Univerzum sadrži ne samo materiju u obliku galaksija, već i nevidljivu materiju u količini potrebnoj da se Univerzum zatvori; Kontroverza po ovom pitanju još uvijek ne jenjava.
Kreativna uloga fizičkog vakuuma
Kada izgovorimo riječ "vakum", obično zamišljamo izuzetno rijetku sredinu, koja se ili proučava u posebnim laboratorijama ili promatra u svemiru. Međutim, vakuum nije praznina, već nešto sasvim drugo: posebno, neprimjetno u sebi Svakodnevni život stanje materije koje se naziva fizički vakuum.
Naravno, nema običnih (pravih) čestica u praznom volumenu, ali kvantna teorija predviđa postojanje mnogih drugih čestica, nazvanih virtuelnim. Takve čestice su sposobne da se pod određenim uslovima pretvore u prave.
Životni vijek za čestice sa masom me je otprilike
With. Ova vrijednost je vrlo mala i ne govore toliko o “životu” koliko o kratkotrajnom naletu života vrlo čudnih čestica i polja povezanih s njima.Dakle, more neuočljivih čestica, spremnih pod određenim uslovima da se pretvore u obične.
Stanje fizičkog vakuuma može se okarakterisati najniža vrijednost energije kvantnih polja kao što je skalarno polje koje mora postojati u vakuumu. Ovo polje je povezano sa hipotetičkom Higsovom česticom (nazvanom po naučniku Higsu koji ju je predložio), koja je primer superteškog bozona čija je masa možda
puta mase protona. Takve čestice se mogu roditi na temperaturi od K. Postoje projekti ogromnih akceleratora, gdje se, posmatrajući interakciju čestica, naučnici nadaju da će potvrditi realnost Higgsovog postojanja.Američki inženjeri i fizičari planiraju da realizuju jedan od projekata krajem veka. Ovo će biti vrlo moćan akcelerator sudarajućeg snopa, a supravodljivi magneti će se koristiti za smanjenje potrošnje energije u prstenastoj instalaciji s opsegom od 84 km. Budući akcelerator naziva se SSC superprovodljivi super sudarač.
Jedan od neverovatna svojstva fizički vakuum nastaje zbog činjenice da stvara negativan pritisak i stoga može biti izvor odbojnih sila u prirodi. Ova nekretnina igra isključivo važnu ulogu u scenariju "naduvavanja univerzuma".
Paradoksi stacionarnog univerzuma
Godine 1744. švicarski astronom Jean Philippe de Chezeau otkrio je fotometrijski paradoks povezan s navodnom beskonačnošću svemira. Njegova suština je sledeća: ako u beskonačnom univerzumu postoji bezbroj zvezda, onda bi u bilo kom pravcu pogled zemaljskog posmatrača zasigurno naišao na neku zvezdu, i tada bi nebo imalo sjaj uporediv sa sjajem sunca, što nije zaista posmatrano. Godine 1826. njemački astronom Heinrich Olbers je nezavisno došao do istih zaključaka. Od tada se fotometrijski paradoks naziva Chezo-Olbersov paradoks. Naučnici su na različite načine pokušavali da eliminišu ovaj paradoks, sugerišući neravnomernu distribuciju zvezda ili apsorpciju svetlosti međuzvezdanim oblacima gasa i prašine, kao što su pokušali da urade Chezo i Olbers. Međutim, kako se kasnije pokazalo, oblaci plina i prašine morali su se zagrijati i sami ponovo emitovati apsorbirane zrake, a ta činjenica nam nije omogućila da izbjegnemo fotometrijski paradoks.
Godine 1895., njemački astronom Hugo Seeliger otkrio je gravitacijski paradoks, također povezan s navodnom beskonačnošću svemira. Njegova je suština sljedeća: ako u beskonačnom svemiru postoji bezbroj ravnomjerno raspoređenih zvijezda (masa), onda njihova gravitacijska sila koja djeluje na bilo koje tijelo postaje ili beskonačno velika ili neodređena (ovisno o metodi proračuna), što se ne opaža. I u ovom slučaju, pokušaji su da se izbjegne gravitacijski paradoks pretpostavkom drugačije formule za gravitacijsku silu u zakonu gravitacije, ili uzimanjem u obzir da je gustina mase u svemiru blizu nule. Ali tačna zapažanja kretanja planeta Sunčevog sistema opovrgla su ove pretpostavke. Paradoks je ostao na snazi.
8.2. Razvoj ideja o Univerzumu. Modeli univerzuma
Istorijski gledano, ideje o Univerzumu su se uvijek razvijale u okviru mentalnih modela Univerzuma, počevši od antičkih mitova. U mitologiji gotovo svakog naroda značajno mjesto zauzimaju mitovi o Univerzumu - njegovom nastanku, suštini, strukturi, odnosima i mogući razlozi kraj .
U većini drevnih mitova, svijet (Univerzum) nije vječan, stvorile su ga više sile iz nekog temeljnog principa (supstancije), obično iz vode ili iz haosa. Vrijeme je u antičkim kosmogonijskim idejama najčešće ciklično, tj. događaji rođenja, postojanja i smrti Univerzuma slijede jedan za drugim u krugu, kao i svi objekti u prirodi. Univerzum je jedinstvena cjelina, svi njegovi elementi su međusobno povezani, dubina ovih veza varira do mogućih međusobnih transformacija, događaji slijede jedan za drugim, smjenjujući jedni druge (zima i ljeto, dan i noć). Ovaj svjetski poredak je suprotstavljen haosu. Prostor svijeta je ograničen. Veća snaga(ponekad bogovi) djeluju ili kao kreatori Univerzuma ili kao čuvari svjetskog poretka. Struktura Univerzuma u mitovima pretpostavlja višeslojnost: uz otkriveni (srednji) svijet, postoje gornji i donji svijet, os Univerzuma (često u obliku Svjetskog drveta ili planine), centar svijet - mjesto obdareno posebnim svetim svojstvima, postoji veza između pojedinih slojeva svijeta. Postojanje svijeta koncipirano je na regresivan način – od “zlatnog doba” do propadanja i smrti. Čovjek u drevnim mitovima može biti analog cijelog Kosmosa (cijeli svijet je stvoren od gigantskog stvorenja sličnog divovskom čovjeku), što jača vezu između čovjeka i Univerzuma. U drevnim modelima, čovjek nikada nije u središtu pozornosti.
U VI-V vijeku. BC. stvoreni su prvi prirodno-filozofski modeli Univerzuma, najrazvijeniji u Ancient Greece. Krajnji koncept u ovim modelima je Kosmos kao jedinstvena cjelina, lijepa i konzistentna sa zakonom. Pitanje kako je svijet nastao upotpunjeno je pitanjem od čega je svijet napravljen i kako se mijenja. Odgovori se više ne formulišu figurativnim, već apstraktnim, filozofskim jezikom. Vrijeme u modelima je najčešće i dalje ciklično po prirodi, ali je prostor konačan. Supstanca djeluje kao pojedinačni elementi (voda, zrak, vatra - u Milezijskoj školi i kod Heraklita), mješavina elemenata i jedinstveni, nedjeljivi, nepomični Kosmos (kod Eleatika), ontologizirani broj (kod Pitagorejaca), nedjeljiv strukturne jedinice - atomi koji osiguravaju jedinstvo svijeta - kod Demokrita. To je Demokritov model univerzuma koji je beskonačan u svemiru. Prirodni filozofi su odredili status kosmičkih objekata - zvijezda i planeta, razlike među njima, njihovu ulogu i relativni položaj u Univerzumu. U većini modela pokret igra značajnu ulogu. Kosmos je izgrađen po jednom zakonu – Logosu, a i čovjek je podložan istom zakonu – mikrokosmosu, smanjenoj kopiji Kosmosa.
Razvoj pitagorejskih pogleda, koji su geometrizovali Kosmos i po prvi put ga jasno predstavili u obliku sfere koja se okreće oko centralne vatre i okružena njome, oličen je u kasnijim Platonovim dijalozima. Vjekovima se Aristotelov model, matematički obradio od strane Ptolemeja, smatrao logičnim vrhuncem antičkih pogleda na Kosmos. U donekle pojednostavljenom obliku, ovaj model, podržan od strane crkvenog autoriteta, trajao je oko 2 hiljade godina. Prema Aristotelu, Univerzum: o je sveobuhvatna cjelina, koja se sastoji od ukupnosti svih opaženih tijela; o jedinstvena;
o prostorno konačan, ograničen na ekstremnu nebesku sferu,
iza toga „nema ni praznine ni prostora“; o vječno, bespočetno i beskrajno u vremenu. Istovremeno, Zemlja je nepomična i nalazi se u centru Univerzuma, zemaljsko i nebesko (supralunarno) su apsolutno suprotne po svom fizičko-hemijskom sastavu i prirodi kretanja.
U 18.-19. veku, tokom renesanse, ponovo su se pojavili prirodni filozofski modeli univerzuma. Karakterizira ih, s jedne strane, povratak širini i filozofskim pogledima antike, as druge stroga logika i matematika naslijeđena iz srednjeg vijeka. Kao rezultat teorijskih istraživanja, Nikolaj Kuzanski, N. Kopernik, G. Bruno predlažu modele Univerzuma sa beskonačnim prostorom, nepovratnim linearnim vremenom, heliocentričnom Solarni sistem i mnogim svetovima se sviđa. G. Galileo je, nastavljajući ovu tradiciju, istraživao zakone kretanja – svojstvo inercije i bio je prvi koji je svjesno koristio mentalne modele (konstrukte koji su kasnije postali osnova teorijske fizike), matematički jezik, koji je smatrao univerzalnim jezikom Univerzum, kombinacija empirijskih metoda i teorijske hipoteze koju iskustvo treba da potvrdi ili opovrgne, i, konačno, astronomska posmatranja pomoću teleskopa, što je značajno proširilo mogućnosti nauke.
G. Galileo, R. Descartes, I. Kepler postavili su temelje modernih fizičkih i kosmogonijskih ideja o svijetu, kako na njihovoj osnovi, tako i na osnovu zakona mehanike koje je Njutn otkrio u krajem XVII V. Formiran je prvi naučni kosmološki model Univerzuma, nazvan klasični Njutnov model. Prema ovom modelu, Univerzum: O je statičan (stacionaran), tj. prosječna konstanta tokom vremena; O je homogeno - sve njegove tačke su jednake; O je izotropno - svi pravci su jednaki; o je vječan i prostorno beskonačan, a prostor i vrijeme su apsolutni - ne zavise jedno od drugog i od pokretnih masa; O ima gustinu materije različitu od nule; O ima strukturu koja je potpuno razumljiva jezikom postojećeg sistema fizičkog znanja, što znači beskonačnu ekstrapolabilnost zakona mehanike, zakona univerzalne gravitacije, koji su osnovni zakoni za kretanje svih kosmičkih tijela.
Osim toga, u Univerzumu je primjenjiv princip dalekometnog djelovanja, tj. trenutno širenje signala; Jedinstvo Univerzuma osigurava jedna struktura - atomska struktura materije.
Empirijska osnova ovog modela bili su svi podaci dobijeni astronomskim opservacijama, a za njihovu obradu korišten je savremeni matematički aparat. Ova konstrukcija bila je zasnovana na determinizmu i materijalizmu racionalističke filozofije Novog doba. Uprkos nastalim kontradiktornostima (fotometrijski i gravitacioni paradoksi - posledice ekstrapolacije modela u beskonačnost), ideološka privlačnost i logička doslednost, kao i heuristički potencijal, učinili su Njutnov model jedinim prihvatljivim za kosmologe do 20. veka.
Potreba za revizijom pogleda na Univerzum bila je potaknuta brojnim otkrićima u 19. i 20. stoljeću: prisustvo svjetlosnog pritiska, djeljivost atoma, defekt mase, model strukture atoma, neplanarni geometrije Rimanna i Lobačevskog, ali tek sa pojavom teorije relativnosti nova kvantna relativistička teorija postala je mogući model Univerzuma.
Iz jednadžbi specijalne (STR, 1905) i opšte (GR, 1916) teorije relativnosti A. Einsteina proizilazi da su prostor i vrijeme međusobno povezani u jednu metriku i zavise od tvari koja se kreće: pri brzinama bliskim brzini svjetlosti, prostor je komprimiran, vrijeme rastegnuto, a blizu kompaktnih moćnih masa prostor-vrijeme je zakrivljeno, čime je model Univerzuma geometrizovan. Bilo je čak i pokušaja da se cijeli Univerzum zamisli kao zakrivljeni prostor-vrijeme, čiji su čvorovi i defekti tumačeni kao mase.
Einstein je, rješavajući jednadžbe za Univerzum, dobio model koji je bio ograničen u prostoru i stacionaran. Ali da bi održao stacionarnost, morao je u rješenje uvesti dodatni lambda termin, koji nije bio ničim empirijski podržan, a bio je po svom djelovanju ekvivalentan polju koje se suprotstavlja gravitaciji na kosmološkim udaljenostima. Međutim, 1922-1924. AA. Friedman je predložio drugačije rješenje ovih jednačina, iz kojih je bilo moguće dobiti tri različita modela Univerzuma u zavisnosti od gustine materije, ali su sva tri modela bila nestacionarna (evoluirajuća) - model sa ekspanzijom praćen kompresijom, oscilirajući model i model sa beskonačnim širenjem. U to vrijeme, odbacivanje stacionarnosti Univerzuma bio je istinski revolucionaran korak i naučnici su ga prihvatili s velikom mukom, jer se činilo da je u suprotnosti sa svim utvrđenim naučnim i filozofski pogledi o prirodi, što neminovno vodi u kreacionizam.
Prva eksperimentalna potvrda nestacionarnosti Univerzuma dobijena je 1929. godine - Hubble je otkrio crveni pomak u spektrima udaljenih galaksija, koji je, prema Doplerovom efektu, ukazivao na širenje Univerzuma (nisu svi kosmolozi tada dijelili ovo tumačenje vrijeme). Godine 1932-1933 Belgijski teoretičar J. Lemaigre predložio je model Univerzuma sa “vrućim početkom”, takozvanim “Velikim praskom”. Ali još u 1940-im i 1950-im. Predloženi su alternativni modeli (sa rađanjem čestica iz c-polja, iz vakuuma), čuvajući stacionarnu prirodu Univerzuma.
Godine 1964. američki naučnici - astrofizičar A. Penzias i radio astronom K. Wilson otkrili su homogeno izotropno reliktno zračenje, što jasno ukazuje na "vrući početak" Univerzuma. Ovaj model je postao dominantan i prihvaćen od strane većine kosmologa. Međutim, upravo ova tačka “početka”, tačka singularnosti, izazvala je mnoge probleme i sporove kako u vezi sa mehanizmom “Velikog praska” tako i zbog toga što se ponašanje sistema (Univerzuma) u njegovoj blizini nije moglo opisati unutar okvir poznatog naučne teorije(beskonačno visoka temperatura i gustina su se morale kombinovati sa beskonačno malim dimenzijama). U 20. veku Predloženi su mnogi modeli Univerzuma - od onih koji su odbacivali teoriju relativnosti kao osnovu, do onih koji su promijenili neki faktor u osnovnom modelu, na primjer, "ćelijsku strukturu Univerzuma" ili teoriju struna. Dakle, da bi se otklonile kontradikcije povezane sa singularnošću, 1980-1982. Američki astronom P. Steinhart i sovjetski astrofizičar A. Linde predložili su modifikaciju modela Univerzuma koji se širi - model sa fazom inflacije (model „naduvavanja svemira“), u kojem su prvi trenuci nakon „Velikog praska“ dobili novo tumačenje. Ovaj model je kasnije nastavio da se usavršava; otklonio je niz značajnih problema i kontradikcija u kosmologiji. Istraživanja ne prestaju danas: hipoteza koju je postavila grupa japanskih naučnika o poreklu primarnih magnetnih polja dobro se slaže sa gore opisanim modelom i omogućava nam da se nadamo da ćemo dobiti nova saznanja o ranim fazama postojanja Univerzum.
Kao predmet proučavanja, Univerzum je previše složen da bi se proučavao deduktivno; metode ekstrapolacije i modeliranja pružaju priliku da se napreduje u njegovom znanju. Međutim, ove metode zahtijevaju striktno pridržavanje svih procedura (od postavljanja problema, odabira parametara, stepena sličnosti između modela i originala, do interpretacije dobijenih rezultata), pa čak i ako su svi zahtjevi idealno ispunjeni, rezultati istraživanja će biti fundamentalno vjerovatnoće prirode.
Matematizacija znanja, koja značajno unapređuje heurističke sposobnosti mnogih metoda, opšti je trend u nauci 20. veka. Kosmologija nije bila izuzetak: nastala je vrsta mentalnog modeliranja - matematičko modeliranje, metoda matematičke hipoteze. Njegova suština je da se prvo rješavaju jednačine, a zatim se traži fizička interpretacija rezultirajućih rješenja. Ovaj postupak, koji nije tipičan za nauku prošlosti, ima ogroman heuristički potencijal. Upravo je ova metoda dovela Friedmana do stvaranja modela svemira koji se širi; na taj način je otkriven pozitron i mnoga važnija otkrića u nauci krajem 20. stoljeća.
Računarski modeli, uključujući i one koji se koriste za modeliranje Univerzuma, rođeni su razvojem kompjuterske tehnologije. Na osnovu njih unapređeni su modeli Univerzuma sa inflatornom fazom; početkom 21. veka. obrađene su velike količine informacija dobijenih od svemirske sonde, a kreiran je model razvoja Univerzuma uzimajući u obzir “ Crna materija" i "tamna energija".
Tokom vremena, tumačenje mnogih fundamentalnih koncepata se promijenilo.
Fizički vakuum se više ne shvata kao praznina, ne kao etar, već kao složeno stanje sa potencijalnim (virtuelnim) sadržajem materije i energije. Otkriveno je da je poznato moderna nauka Kosmička tijela i polja čine mali postotak mase Univerzuma, a većina mase sadržana je u indirektno detektirajućoj “tamnoj materiji” i “tamnoj energiji”. Istraživanja posljednjih godina pokazao da značajan dio te energije djeluje na širenje, rastezanje, kidanje Univerzuma, što može dovesti do fiksnog ubrzanja širenja. U tom smislu, scenario za moguću budućnost Univerzuma zahteva reviziju.Kategorija vremena je jedna od kategorija o kojima se u kosmologiji najviše raspravlja. Većina istraživača vremenu pridaje objektivan karakter, ali prema tradiciji koja dolazi od Augustina i I. Kanta, vrijeme i prostor su oblici naše kontemplacije, tj. tumače se subjektivno. Vrijeme se smatra ili kao parametar neovisan od bilo kojih faktora (supstancijalni koncept koji dolazi od Demokrita i koji leži u osnovi klasičnog Newtonovog modela svemira), ili kao parametar povezan s kretanjem materije (odnosni koncept koji dolazi od Aristotela i postaje osnova kvantno-relativističkog modela Univerzuma). Najčešći je dinamički koncept, koji predstavlja vrijeme kao pokretno (govore o protoku vremena), ali je iznesen i suprotan koncept - statički. Vrijeme se u različitim modelima pojavljuje ili ciklično, ili konačno, ili beskonačno i linearno. Suština vremena najčešće se povezuje sa uzročnosti. Razmatraju se problemi kao što su obrazloženje za identifikaciju sadašnjeg trenutka vremena, njegov pravac, anizotropija, nepovratnost, univerzalnost vremena, tj. Da li vrijeme postoji u svim stanjima Univerzuma i da li je ono uvijek jednodimenzionalno ili može imati drugu dimenziju, pa čak i ne postoji pod određenim uvjetima (na primjer, u singularnoj tački). Najmanje razvijeno pitanje je o posebnostima vremena u složenim sistemima: biološkim, mentalnim, društvenim.
Prilikom kreiranja modela Univerzuma neke konstante igraju značajnu ulogu - gravitaciona konstanta, Plankova konstanta, brzina svjetlosti, prosječna gustina materije, broj dimenzija prostor-vremena. Proučavajući ove konstante, neki kosmolozi su došli do zaključka da s drugim vrijednostima ovih konstanti u Univerzumu ne bi postojali složeni oblici materije, a da ne govorimo o životu, a posebno o inteligenciji.
BIBLIOGRAFSKI LIST
Evsyukov V.V. Mitovi o svemiru. Novosibirsk, 1988.
Latypov N.N., Beilin V.A., Vereshkov G.M. Vakum, elementarne čestice i svemir. M., 2001.
Linde A.D. fizika elementarne čestice i inflatorna kosmologija. M., 1990.
Nadtochaev A.S. Filozofija i nauka u antici. M., 1990.
Novikov I.D. Evolucija univerzuma. M., 1990.
Pavlenko A.N. Evropska kosmologija: temelji epistemološkog zaokreta. M., 1997.
Hawking S. Od velikog praska do crnih rupa. M., 1990.
Modeli stacionarnog univerzuma. Jedinstvenost Univerzuma ne dozvoljava eksperimentalnu provjeru postavljenih hipoteza i njihovo podizanje na nivo teorija, pa se evolucija Univerzuma može razmatrati samo u okviru modela.
Nakon stvaranja klasična mehanika naučna slika svijet se zasnivao na njutnovskim idejama o prostoru, vremenu i gravitaciji i opisivao konstantu u vremenu, tj. stacionarni, beskonačni Univerzum koji je stvorio Kreator.
U 20. veku pojavile su se nove teorijska osnova za stvaranje novih kosmoloških modela.
Prije svega, moramo spomenuti kosmološki postulat, prema kojem oni uspostavljeni u ograničenom dijelu Univerzuma fizički zakoni važe za ceo Univerzum. Osim toga, homogenost i izotropija velike distribucije materije u Univerzumu smatra se aksiomom. U ovom slučaju, evolucijski model mora odgovarati takozvanom antropskom principu, tj. predvidjeti mogućnost da se posmatrač (razumna osoba) pojavi u određenoj fazi evolucije.
Budući da je gravitacija ta koja određuje interakciju masa na velikim udaljenostima, teorijsko jezgro kosmologije dvadesetog vijeka. postala relativistička teorija gravitacije i prostor-vremena – opšta teorija relativnosti. Prema ovoj teoriji, distribucija i kretanje materije je determinisano geometrijska svojstva prostor-vrijeme i istovremeno sami zavise od njih. Gravitaciono polje se manifestuje kao "zakrivljenost" prostor-vremena. U prvom Ajnštajnovom kosmološkom modelu, stvorenom na osnovu opšte teorije relativnosti 1916. godine, Univerzum je takođe stacionaran. Neograničen je, ali zatvoren i ima konačne dimenzije. Prostor se zatvara sam od sebe.
Friedmanovi modeli nestacionarnog univerzuma. Ajnštajnov model stacionarnog univerzuma opovrgnut je u radovima ruskog naučnika A.A. Friedman (1888 - 1925), koji je 1922. pokazao da zakrivljeni prostor ne može biti stacionaran: mora se ili širiti ili skupljati. Moguća su tri različita modela promene poluprečnika zakrivljenosti Univerzuma, u zavisnosti od prosečne gustine materije u njemu, i to u dva od njih se Univerzum širi beskonačno, a u trećem se radijus zakrivljenosti periodično menja (Univerzum pulsira).
Iako je E. Hubbleovo otkriće zakona o zavisnosti brzine uklanjanja galaksija od udaljenosti do njih potvrdilo širenje Univerzuma, trenutno je poređenje eksperimentalno procijenjene gustine materije sa kritičnom vrijednošću ovog parametra, koji određuje prijelaz iz ekspanzije u pulsiranje, ne omogućava nedvosmislen odabir scenarija za dalju evoluciju. Ispostavilo se da su ove dvije vrijednosti bliske, ali eksperimentalni podaci nisu bili dovoljno pouzdani.
Proširenje Univerzuma je trenutno dobro utemeljena i općeprihvaćena činjenica koja nam omogućava da procijenimo starost Univerzuma. Prema najčešćim procjenama, to je 10 18 s (18 milijardi godina). Stoga moderni modeli pretpostavljaju "početak" Univerzuma. Kako je počela njegova evolucija?
Model vrućeg svemira. U srži moderne ideje o početnim fazama evolucije Univerzuma leži model "vrućeg svemira", ili " Veliki prasak“, čiji su temelji postavljeni 40-ih godina XX vijeka. Ruski naučnik koji radi u SAD, G.A. Gamov (1904 – 1968). U najjednostavnijoj verziji ovog modela, čini se da je Univerzum nastao spontano kao rezultat eksplozije iz supergustog i supervrućeg stanja sa beskonačnom zakrivljenošću prostora (stanje singularnosti). “Vrućinu” početnog singularnog stanja karakterizira prevlast elektromagnetnog zračenja u njemu nad materijom. Ovo potvrđuje eksperimentalno otkriće izotropnog elektromagnetnog “reliktnog zračenja” iz 1965. od strane američkih astrofizičara Penziasa (rođen 1933.) i Vilsona (rođen 1936.). Moderne fizičke teorije omogućavaju da se opiše evolucija materije počevši od trenutka t= 10 -43 s. Sami početni trenuci evolucije Univerzuma su još uvijek iza fizičke barijere. Samo počevši od trenutka t= 10 -10 s nakon Velikog praska, naše ideje o stanju materije u ranom svemiru i procesima koji se u njemu odvijaju mogu se eksperimentalno testirati i teorijski opisati.
Kako se svemir širi, gustoća materije u njemu opada i temperatura opada. U ovom slučaju dolazi do procesa kvalitativnih transformacija čestica materije. Na 10 -10 s, materija se sastoji od slobodnih kvarkova, leptona i fotona (vidi odjeljak III). Kako se svemir hladi, formiraju se hadroni, zatim se pojavljuju jezgra lakih elemenata - izotopi vodonika, helijuma, litijuma. Sinteza jezgri helijuma trenutno prestaje t= 3 min. Tek nakon stotina hiljada godina jezgra se kombinuju sa elektronima i nastaju atomi vodonika i helijuma i od tog trenutka supstanca prestaje da deluje elektromagnetno zračenje. „Reliktno“ zračenje je nastalo upravo u tom periodu. Kada je veličina Univerzuma bila oko 100 puta manja nego u sadašnjoj eri, nakupine plina su nastale zbog nehomogenosti plina vodonika i helijuma, koje su se fragmentirale i dovele do pojave zvijezda i galaksija.
Pitanje ekskluzivnosti Univerzuma kao objekta kosmologije ostaje otvoreno. Uz široko rasprostranjeno gledište da je cijeli Univerzum naša Metagalaksija, postoji suprotno mišljenje da se Univerzum može sastojati od mnogih metagalaksija, a ideja jedinstvenosti Univerzuma je istorijski relativna, određena nivoom nauke i prakse.
Godine 1917. A. Einstein je izgradio model univerzuma. U ovom modelu, kosmološka odbojna sila nazvana lambda parametar korištena je za prevazilaženje gravitacijske nestabilnosti Univerzuma. Kasnije će Ajnštajn reći da je to bila njegova najveća greška, suprotno duhu teorije relativnosti koju je stvorio: sila gravitacije u ovoj teoriji se poistovećuje sa zakrivljenošću prostor-vremena. Ajnštajnov univerzum je imao oblik hipercilindra čiji je opseg bio određen ukupnim brojem i sastavom oblika ispoljavanja energije (materija, polje, zračenje, vakuum) u ovom cilindru. Vrijeme je u ovom modelu usmjereno iz beskonačne prošlosti u beskonačnu budućnost. Dakle, ovdje je količina energije i mase Univerzuma (materija, polje, zračenje, vakuum) proporcionalno povezana s njegovom prostornom strukturom: ograničena u svom obliku, ali beskonačnog polumjera i beskonačna u vremenu.
Istraživači koji su počeli da analiziraju ovaj model su primetili
do svoje ekstremne nestabilnosti, nalik novčiću koji stoji na njegovom rubu, čija jedna strana odgovara svemiru koji se širi, a druga zatvorenom: kada se uzmu u obzir neki fizički parametri Univerzuma, prema Einsteinovom modelu, ispada da se vječno širi, kada se uzme u obzir drugi - zatvoren. Na primjer, holandski astronom W. de Sitter, pretpostavivši da je vrijeme zakrivljeno na isti način kao i prostor u Ajnštajnovom modelu, dobio je model svemira u kojem se vrijeme potpuno zaustavlja u vrlo udaljenim objektima.
A. Slobodnodčovjek,fIhIR I matematičar Petrogradskog univerziteta, objavljenoV1922 G. članak« Ozakrivljenostprostor."IN predstavio je rezultate studija opšte teorije relativnosti, koji nisu isključili matematičku mogućnost postojanja tri modela Univerzuma: model Univerzuma u Euklidskom prostoru ( TO = 0); model sa koeficijentom jednakim ( K> 0) i model u prostoru Lobačevskog - Boljai ( TO< 0).
A. Friedman je u svojim proračunima polazio od stava da vrijednost i
Radijus Univerzuma je proporcionalan količini energije, materije i ostalog
oblici njegovog ispoljavanja u Univerzumu kao celini. Matematički zaključci A. Friedmana poricali su potrebu za uvođenjem kosmološke odbojne sile, budući da opća teorija relativnosti ne isključuje mogućnost postojanja modela Univerzuma u kojem proces njegovog širenja odgovara procesu kompresije koji je povezan sa sa povećanjem gustine i pritiska energije-materije koja čini Univerzum (materija, polje, zračenje, vakuum). Zaključci A. Friedmana izazvali su sumnje među mnogim naučnicima i samim A. Einsteinom. Iako je već 1908. godine matematičar G. Minkowski, davši geometrijsko tumačenje specijalne teorije relativnosti, dobio model Univerzuma u kojem je koeficijent zakrivljenosti nula ( TO = 0), tj. model univerzuma u euklidskom prostoru.
N. Lobačevski, osnivač neeuklidske geometrije, izmjerio je uglove trougla između zvijezda udaljenih od Zemlje i otkrio da je zbir uglova trougla 180°, odnosno da je prostor u svemiru euklidski. Posmatrani euklidski prostor svemira jedna je od misterija moderne kosmologije. Trenutno se vjeruje da je gustina materije
u Univerzumu je 0,1-0,2 dijela kritične gustine. Kritična gustina je približno 2·10 -29 g/cm 3 . Kada dostigne kritičnu gustinu, Univerzum će početi da se skuplja.
A. Friedmanov model sa „TO > 0" je svemir koji se širi od originala
njeno stanje u koje se mora ponovo vratiti. U ovom modelu se pojavio koncept starosti Univerzuma: prisustvo prethodnog stanja u odnosu na ono što je uočeno u određenom trenutku.
Uz pretpostavku da je masa čitavog Univerzuma jednaka 5 10 2 1 solarnih masa, A.
Friedman je izračunao da je vidljivi Univerzum u komprimiranom stanju
po modelu" K > 0" prije otprilike 10-12 milijardi godina. Nakon toga je počeo da se širi, ali to širenje neće biti beskonačno i nakon određenog vremena Univerzum će se ponovo skupljati. A. Fridman je odbio da raspravlja o fizici početnog, komprimovanog stanja Univerzuma, pošto zakoni mikrosveta tada nisu bili jasni. Matematičke zaključke A. Friedmana je više puta proveravao i ponovo proveravao ne samo A. Ajnštajn, već i drugi naučnici. Nakon određenog vremena, A. Einstein je, u odgovoru na pismo A. Friedmana, priznao ispravnost ovih odluka i nazvao A. Friedmana „prvim naučnikom koji je krenuo putem konstruisanja relativističkih modela Univerzuma“. Nažalost, A. Friedman je rano umro. U njegovoj osobi, nauka je izgubila talentovanog naučnika.
Kao što je gore navedeno, ni A. Friedman ni A. Einstein nisu znali podatke o činjenici „rasipanja“ galaksija koje je dobio američki astronom V. Slifer (1875-1969) 1912. Do 1925. izmjerio je brzinu kretanja od nekoliko desetina galaksija. Stoga se o kosmološkim idejama A. Friedmana raspravljalo uglavnom u teorijskom smislu. NOveć V 1929
G.američkoastronom E. Hubble (1889-1953) With uz pomoć teleskop sa spektrom instrumenataAlinijska analizaodwing tAna poziveopranouhefekat
"crvenoraseljavanje." Svjetlost koja dolazi iz galaksija koje je promatrao
pomaknut u crveni dio spektra boja vidljive svjetlosti. Ovo je značilo
da se posmatrane galaksije udaljavaju, "rasipajući se" od posmatrača.
efekat crvenog pomaka - poseban slučaj Doplerov efekat. Austrijski naučnik K. Dopler (1803-1853) otkrio ga je 1824. Kada se izvor talasa udalji u odnosu na uređaj koji snima talase, talasna dužina se povećava i postaje kraća kada se približava stacionarnom prijemniku talasa. U slučaju svetlosnih talasa, dugi talasi svetlosti odgovaraju crvenom segmentu svetlosnog spektra (crveno - ljubičasto), kratki - ljubičastom segmentu. Efekat “crvenog pomaka” koristio je E. Hubble za mjerenje udaljenosti do galaksija i brzine njihovog uklanjanja: ako je “crveni pomak” iz galaksije A, Na primjer, bolwe V dva puta, kako od galaksije IN, zatim udaljenost do galaksije A duplo više nego prije galaksije IN.
E. Hubble je otkrio da se sve promatrane galaksije udaljavaju u svim smjerovima nebeske sfere brzinom proporcionalnom udaljenosti do njih: Vr = Hr, Gdje r - udaljenost do posmatrane galaksije, mjereno u parsekima (1 ps je približno jednak 3,1 10 1 6 m), Vr - brzina kretanja posmatrane galaksije, Η - Hubbleova konstanta ili koeficijent proporcionalnosti između brzine galaksije i njene udaljenosti
od posmatrača. Nebeska sfera je koncept koji se koristi za opisivanje objekata na zvjezdanom nebu golim okom. Stari su smatrali da je nebeska sfera stvarnost, na čijoj su unutrašnjoj strani bile fiksirane zvijezde. Izračunavajući vrijednost ove veličine, koja je kasnije postala poznata kao Hubble konstanta, E. Hubble je došao do zaključka da je ona iznosila približno 500 km/(s Mpc). Drugim riječima, komad prostora od milion parseka povećava se za 500 km u jednoj sekundi.
Formula Vr= Hr omogućava nam da razmotrimo kako uklanjanje galaksija tako i obrnutu situaciju, kretanje prema određenom početnom položaju, početak „rasipanja“ galaksija u vremenu. Recipročna vrijednost Hubble konstante ima dimenziju vremena: t(vrijeme) = r/Vr = 1/H. Kada vrijednost N, kao što je gore pomenuto, E. Hubble je dobio vreme za početak „rasipanja“ galaksija da bude jednako 3 milijarde godina, što ga je navelo da sumnja u relativnost tačnosti vrednosti koju je izračunao. Koristeći efekat "crvenog pomaka", E. Hubble je stigao do najudaljenijih galaksija poznatih u to vrijeme: što je galaksija udaljenija, to je njen sjaj zapažen za nas niži. To je omogućilo E. Hubbleu da kaže da je formula Vr = HR izražava uočenu činjenicu širenja Univerzuma, o kojoj se raspravljalo u modelu A. Friedmana. Astronomsko istraživanje E. Hubblea počelo je da se smatra od strane brojnih naučnika kao eksperimentalna potvrda ispravnosti A. Friedmanovog modela nestacionarnog, širećeg Univerzuma.
Već 1930-ih, neki naučnici su izrazili sumnju u ove podatke
E. Hubble. Na primjer, P. Dirac je iznio hipotezu o prirodnom crvenilu svjetlosnih kvanta zbog njihove kvantne prirode i interakcije s elektromagnetnim poljima svemira. Drugi su ukazivali na teorijsku nedosljednost Hablove konstante: zašto bi vrijednost Hubble konstante bila ista u svakom trenutku evolucije svemira? Ova stabilna konstantnost Hubble konstante sugerira da su nam poznati zakoni Univerzuma, koji djeluju u Megagalaksiji, obavezni za cijeli Univerzum u cjelini. Možda, kako kažu kritičari Hablove konstante, postoje neki drugi zakoni s kojima se Hablova konstanta neće pridržavati.
Na primjer, kažu, svjetlost može "pocrvenjeti" zbog utjecaja međuzvjezdanog (ISM) i međugalaktičkog (IGM) medija, koji može produžiti talasnu dužinu svog kretanja do posmatrača. Drugo pitanje koje je izazvalo rasprave u vezi sa istraživanjem E. Hubblea bilo je pitanje pretpostavke mogućnosti kretanja galaksija brzinama većim od brzine svjetlosti. Ako je to moguće, onda bi ove galaksije mogle nestati iz našeg promatranja, budući da se iz opće teorije relativnosti nijedan signal ne može prenositi brže od svjetlosti. Ipak, većina naučnika vjeruje da su zapažanja E. Hubblea utvrdila činjenicu širenja Univerzuma.
Činjenica širenja galaksija ne znači širenje unutar samih galaksija, jer je njihova strukturna sigurnost osigurana djelovanjem unutrašnjih gravitacijskih sila.
Zapažanja E. Hubblea doprinijela su daljoj raspravi o modelima A. Friedmana. belgijskimonahIastronomI.Lemetr(VneRurlajpola prošlo)vekaplaćenoobrati pažnjuAcijaonslepušeokolnost:recesija galaksijeznačiproširenjeprostor,dakle,Vprošlost
biosmanjitivolumenIPlodnosiVedruštvo. Lemaitre je početnu gustinu supstance nazvao proto-atomom gustine 10 9 3 g/cm 3, od kojeg je Bog stvorio svet. Iz ovog modela proizilazi da se koncept gustoće materije može koristiti za određivanje granica primjenjivosti koncepata prostora i vremena. Pri gustoći od 10 9 3 g/cm 3 pojmovi vremena i prostora gube uobičajeno fizičko značenje. Ovaj model je skrenuo pažnju na fizičko stanje sa super gustim i super vrućim fizičkim parametrima. Pored toga, predloženi su modeli pulsirajućiUniverzum: Univerzum se širi i skuplja, ali nikada ne doseže krajnje granice. Modeli pulsirajućeg univerzuma stavljaju veliki naglasak na mjerenje gustine energije i materije u svemiru. Kada se dostigne granica kritične gustine, Univerzum se širi ili skuplja. Kao rezultat toga, pojavio se termin "singulIrnoe"(lat. singularus - odvojeno, jedno) stanje u kojem gustina i temperatura poprimaju beskonačnu vrijednost. Ova linija istraživanja suočila se s problemom “skrivene mase” Univerzuma. Činjenica je da se posmatrana masa Univerzuma ne poklapa sa njegovom masom izračunatom na osnovu teorijskih modela.
Model„Velikieksplozija." Naš sunarodnik G. Gamow (1904-1968)
radio na Petrogradskom univerzitetu i bio upoznat sa kosmološkim idejama
A. Friedman. Godine 1934. poslan je na službeni put u SAD, gdje je ostao do kraja života. Pod uticajem kosmoloških ideja A. Friedmana, G. Gamow se zainteresovao za dva problema:
1) relativno obilje hemijskih elemenata u Univerzumu i 2) njihovo poreklo. Do kraja prve polovine dvadesetog veka. vodila se živa diskusija o ovim problemima: gdje je teško hemijski elementi, ako su vodonik (1 1 H) i helijum (4 H) najčešći hemijski elementi u Univerzumu. G. Gamow je sugerisao da hemijski elementi prate svoju istoriju do samog početka širenja Univerzuma.
ModelG.GamovanApozvaomodel„Velikieksplozija",nOonaIma
Iostaloime:"A-B-D-teorija". Ovaj naslov označava početna slova autora članka (Alpher, Bethe, Gamow), koji je objavljen 1948. godine i sadržavao je model „vrućeg svemira“, ali je glavna ideja ovog članka pripadala G. Gamowu. .
Ukratko o suštini ovog modela:
1. „Izvorni početak“ Univerzuma, prema Friedmanovom modelu, predstavljalo je super-gusto i supervruće stanje.
2. Ovo stanje je nastalo kao rezultat prethodne kompresije cjelokupne materijalne i energetske komponente Univerzuma.
3. Ovo stanje je odgovaralo izuzetno maloj zapremini.
4. Energetska materija je, dostigavši određenu granicu gustine i temperature u ovom stanju, eksplodirala, dogodio se Veliki prasak, koji je Gamow nazvao
"Kosmološki veliki prasak".
5. Govorimo o neobičnoj eksploziji.
6. Veliki prasak je dao određenu brzinu kretanja svim fragmentima prvobitnog fizičkog stanja prije Velikog praska.
7. Pošto je početno stanje bilo supervruće, širenje bi trebalo da sačuva ostatke ove temperature u svim pravcima Univerzuma koji se širi.
8. Vrijednost ove preostale temperature trebala bi biti približno ista u svim tačkama Univerzuma.
Ovaj fenomen je nazvan reliktnim (drevnim), pozadinskim zračenjem.
1953 G. Gamow je izračunao temperaturu talasa kosmičkog mikrotalasnog pozadinskog zračenja. On
ispostavilo se da je 10 K. CMB zračenje je mikrotalasno elektromagnetno zračenje.
Godine 1964. američki stručnjaci A. Penzias i R. Wilson slučajno su otkrili reliktno zračenje. Postavljanjem antena novog radio-teleskopa nisu mogli da se oslobode smetnji u opsegu od 7,8 cm.Ove smetnje i šum dolazili su iz svemira, identične veličine iu svim pravcima. Mjerenja ovog pozadinskog zračenja dala su temperaturu manju od 10 K.
Tako je potvrđena hipoteza G. Gamowa o reliktnom, pozadinskom zračenju. G. Gamow je u svojim radovima o temperaturi pozadinskog zračenja koristio formulu A. Friedmana, koja izražava zavisnost promjena gustine zračenja tokom vremena. U paraboličnom ( K> 0) modeli univerzuma. Friedman je razmatrao stanje u kojem zračenje dominira materijom svemira koji se beskonačno širi.
Prema Gamowovom modelu, postojale su dvije ere u razvoju Univerzuma: a) prevlast zračenja (fizičkog polja) nad materijom;
b) prevlast materije nad zračenjem. U početnom periodu zračenje je prevladavalo nad materijom, zatim je došlo vrijeme kada je njihov odnos bio jednak, te period kada je materija počela da dominira nad zračenjem. Gamow je odredio granicu između ovih era - 78 miliona godina.
Krajem dvadesetog veka. mjerenje mikroskopskih promjena pozadinskog zračenja, što je tzv pockmarkedbYu, naveli su brojne istraživače da tvrde da ovi talasi predstavljaju promjenu gustine supstanceIenergijeGIIV kao rezultat dejstva gravitacionih sila na ranim fazama razvoja Univerzum.
Model „UflyatsiOnnoyUniverzum".
Termin "inflacija" (lat. "inflacija") se tumači kao otok. Dva istraživača A. Guth i P. Seinhardt predložili su ovaj model. U ovom modelu, evolucija Univerzuma je praćena gigantskim oticanjem kvantnog vakuuma: za 10-30 s veličina Univerzuma se povećava za 10 50 puta. Inflacija je adijabatski proces. Povezuje se sa hlađenjem i nastankom razlika između slabih, elektromagnetnih i jakih interakcija. Analogiju za inflaciju Univerzuma može, grubo rečeno, predstavljati iznenadna kristalizacija prehlađene tečnosti. U početku se faza inflacije smatrala „ponovnim rođenjem“ Univerzuma nakon Velikog praska. Trenutno, modeli inflacije koriste koncept InflatonnOthpolja. Ovo je hipotetičko polje (od riječi "inflacija"), u kojem je zahvaljujući nasumičnim fluktuacijama nastala homogena konfiguracija ovog polja veličine veće od 10 -33 cm. Iz nje je došlo do širenja i zagrijavanja Univerzum u kojem živimo.
Opis događaja u Univerzumu zasnovan na modelu „Inflatornog univerzuma“ potpuno se poklapa sa opisom zasnovanim na modelu Velikog praska, počevši od 10 -30 od ekspanzije. Faza inflacije znači da je vidljivi Univerzum samo dio Univerzuma. U udžbeniku T. Ya. Dubnischeve „Koncepti moderne prirodne nauke“ predlaže se sledeći tok događaja prema modelu „Inflatornog univerzuma“:
1) t - 10 - 4 5 s. U ovom trenutku, nakon što je počelo širenje Univerzuma, njegov radijus je bio otprilike 10 -50 cm.Ovaj događaj je neobičan sa stanovišta moderne fizike. Pretpostavlja se da mu prethode događaji generisani kvantnim efektima inflatonskog polja. Ovo vrijeme je manje od vremena "Planckove ere" - 10 - 4 3 s. Ali to ne zbunjuje pristalice ovog modela, koji izvode proračune u vremenu od 10 -50 s;
2) t - otprilike od 10 -43 do 10 -35 s - doba "Velikog ujedinjenja" ili ujedinjenja svih sila fizičke interakcije;
3) t - otprilike od 10 - 3 5 do 10 -5 - brzi dio faze inflacije,
kada se prečnik Univerzuma povećao za 10 5 0 puta. Govorimo o nastanku i formiranju elektron-kvark medija;
4) t- otprilike od 10 -5 do 10 5 s, prvo dolazi do zadržavanja kvarkova u hadronima, a zatim do formiranja jezgara budućih atoma iz kojih se naknadno formira materija.
Iz ovog modela proizilazi da nakon jedne sekunde od početka širenja Univerzuma dolazi do procesa nastanka materije, njenog odvajanja od fotona elektromagnetne interakcije i formiranja protosuperklastera i protogalaksija. Zagrijavanje nastaje kao rezultat pojave čestica i antičestica koje međusobno djeluju. Ovaj proces se naziva anihilacija (lat. nihil - ništa ili transformacija u ništa). Autori modela smatraju da je anihilacija asimetrična prema formiranju običnih čestica koje čine naš Univerzum. Dakle, glavna ideja modela "inflatornog univerzuma" je da isključi koncept
“Veliki prasak” kao posebno, neobično, izuzetno stanje u evoluciji Univerzuma. Međutim, u ovom modelu se pojavljuje jednako neobično stanje. Ovo je država configuracije inflaton field. Starost Univerzuma u ovim modelima procjenjuje se na 10-15 milijardi godina.
“Inflatorni model” i model “Velikog praska” daju objašnjenje za uočenu heterogenost Univerzuma (gustina kondenzacije materije). Konkretno, vjeruje se da su tokom inflacije Univerzuma nastale kosmičke nehomogenosti-teksture kao embrioni agregata materije, koji su kasnije prerasli u galaksije i njihova jata. O tome svjedoči i ono što je zabilježeno 1992. godine. odstupanje temperature kosmičkog mikrotalasnog pozadinskog zračenja od njegove prosječne vrijednosti od 2,7 K je približno 0,00003 K. Oba modela govore o Univerzumu koji se vruće širi, u prosjeku homogenom i izotropnom u odnosu na kosmičko mikrovalno pozadinsko zračenje. U potonjem slučaju mislimo na činjenicu da je kosmičko mikrovalno pozadinsko zračenje gotovo identično u svim dijelovima opservabilnog Univerzuma u svim smjerovima od posmatrača.
Postoje alternative modelima Velikog praska i Inflatornog modela.
Univerzum": modeli "Stacionarnog univerzuma", "hladnog univerzuma" i
"Samokonzistentna kosmologija".
Model"StacionarnoUniverzum." Ovaj model je razvijen 1948. godine. Zasnovan je na principu „kosmološke postojanosti“ Univerzuma: ne samo da ne bi trebalo postojati ni jedno dodijeljeno mjesto u Univerzumu, već se ne smije dodijeliti niti jedan trenutak u vremenu. Autori ovog modela su G. Bondi, T. Gold i F. Hoyle, potonji, poznati autor popularnih knjiga o kosmologiji. U jednom od svojih radova napisao je:
“Svaki oblak, galaksija, svaka zvijezda, svaki atom je imao početak, ali ne i cijeli Univerzum, Univerzum je nešto više od svojih dijelova, iako ovaj zaključak može izgledati neočekivano.” Ovaj model pretpostavlja prisustvo u Univerzumu unutrašnjeg izvora, rezervoara energije koji održava gustinu svoje energetske materije na „konstantnom nivou koji sprečava kompresiju Univerzuma“. Na primjer, F. Hoyle je tvrdio da ako se jedan atom pojavi u jednoj kanti svemira svakih 10 miliona godina, tada bi gustina energije, materije i zračenja u Univerzumu kao cjelini bila konstantna. Ovaj model ne objašnjava kako su nastali atomi hemijskih elemenata, materije itd.
d) Otkriće reliktnog zračenja, pozadinskog zračenja, uvelike je potkoilo teorijske osnove ovog modela.
Model« HladnoUniverzumth». Model je predložen šezdesetih godina
godine prošlog veka od strane sovjetskog astrofizičara Ya. Zeldovicha. Poređenje
teorijske vrijednosti gustine zračenja i temperature prema modelu
„Veliki prasak“ sa podacima radio-astronomije omogućio je Ya. Zeldovichu da iznese hipotezu prema kojoj je početno fizičko stanje Univerzuma bio hladan proton-elektronski gas sa primesom neutrina: za svaki proton postoji jedan elektron i jedan neutrino. Otkriće kosmičkog mikrotalasnog pozadinskog zračenja, koje je potvrdilo hipotezu o početnom vrućem stanju u evoluciji Univerzuma, navelo je Zeldoviča da napusti sopstveni model „hladnog univerzuma“. Međutim, ideja o izračunavanju odnosa između broja različitih vrsta čestica i obilja kemijskih elemenata u svemiru pokazala se plodnom. Konkretno, otkriveno je da se gustoća energije i materije u Univerzumu poklapa sa gustinom kosmičkog mikrotalasnog pozadinskog zračenja.
Model„UniverzumVatom." Ovaj model kaže da u stvari ne postoji jedan, već mnogo Univerzuma. Model “Univerzum u atomu” zasnovan je na konceptu zatvorenog svijeta prema A. Friedmanu. Zatvoreni svijet je područje Univerzuma u kojem su sile privlačenja između njegovih komponenti jednake energiji njihove ukupne mase. U ovom slučaju, vanjske dimenzije takvog Univerzuma mogu biti mikroskopske. Sa tačke gledišta spoljašnjeg posmatrača, to će biti mikroskopski objekat, ali sa tačke gledišta posmatrača unutar ovog Univerzuma, sve izgleda drugačije: njegove galaksije, zvezde, itd. Ovi objekti se nazivaju fReadmonov. Akademik A. A. Markov je pretpostavio da može postojati neograničen broj Fridmona i da mogu biti potpuno otvoreni, odnosno da imaju ulaz u svoj svijet i izlaz (vezu) sa drugim svjetovima. Ispostavilo se da postoji mnogo svemira, ili, kako je to nazvao dopisni član Akademije nauka SSSR-a I. S. Shklovsky u jednom od svojih radova, - Metaverse.
Ideju o višestrukosti Univerzuma iznio je A. Guth, jedan od autora inflatornog modela Univerzuma. U naduvanom Univerzumu moguće je formiranje "aneurizme" (medicinski izraz koji označava izbočenje zidova krvnih sudova) iz matičnog univerzuma. Prema ovom autoru, stvaranje Univerzuma je sasvim moguće. Da biste to učinili, morate komprimirati 10 kg tvari
na veličinu manju od jedne kvadriliontine elementarne čestice.
PITANJA ZA SAMOTEST
1. Model “Big Banga”.
2. Astronomska istraživanja E. Hubblea i njihova uloga u razvoju
moderna kosmologija.
3. Reliktno, pozadinsko zračenje.
4. Model “Inflatornog univerzuma”.
Danas nijedan fizičar ne osporava specijalnu teoriju relativnosti, a samo nekolicina osporava osnovne postavke opšte teorije relativnosti. Istina, opća teorija relativnosti ostavlja mnoge važna pitanja neriješeno. Takođe nema sumnje da su zapažanja i eksperimenti koji podržavaju ovu teoriju malobrojni i nisu uvijek uvjerljivi. Ali čak i da nema dokaza, opšta teorija relativnosti bi i dalje bila izuzetno privlačna zbog velikih pojednostavljenja koje uvodi u fiziku.
Pojednostavljenja? Može izgledati čudno koristiti ovu riječ u odnosu na teoriju koja koristi matematiku toliko naprednu da je neko jednom rekao da je ne može razumjeti više od dvanaest ljudi na cijelom svijetu (uzgred, ovaj broj je bio očigledno potcijenjen čak i u vrijeme kada je ovo mišljenje bilo opšte prihvaćeno).
Matematički aparat teorije relativnosti je zaista složen, ali je ta složenost nadoknađena izuzetnim pojednostavljenjem ukupne slike. Na primjer, svođenje gravitacije i inercije na isti fenomen dovoljno je da opća teorija relativnosti postane najplodonosniji smjer u formiranju pogleda na svijet.
Ajnštajn je ovu ideju izrazio 1921. kada je držao predavanje o relativnosti na Univerzitetu Prinston: “ Sposobnost da se numerička jednakost inercije i gravitacije objasni jedinstvom njihove prirode daje općoj teoriji relativnosti, po mom mišljenju, takve prednosti u odnosu na koncepte klasične mehanike da, u poređenju, sve poteškoće na koje se ovdje susreću treba smatrati malim ...»
Osim toga, teorija relativnosti ima ono što matematičari vole da zovu "elegancija". Ovo je vrsta umjetničkog rada. „Svaki ljubitelj lepote“, rekao je Lorenc, „mora da poželi da se ispostavi da je tačna.
U ovom poglavlju, čvrsto uspostavljeni aspekti teorije relativnosti biće stavljeni po strani, a čitalac će biti uronjen u oblast intenzivne debate, oblast u kojoj su gledišta nešto više od nagađanja koje treba prihvatiti ili odbaciti na osnovu naučni dokazi.
Šta je Univerzum u cjelini? Znamo da je Zemlja treća planeta od Sunca u sistemu od devet planeta i da je Sunce jedna od otprilike sto milijardi zvijezda koje čine našu Galaksiju. Znamo da u području svemira koje se može ispitati najmoćnijim teleskopima, postoje i druge galaksije rasute, čiji se broj također mora mjeriti u milijardama. Da li se ovo nastavlja u nedogled?
Da li je broj galaksija beskonačan? Ili prostor još uvijek ima konačne dimenzije? (Možda bismo trebali reći „naš prostor“, jer ako je naš prostor ograničen, ko će onda reći da ne postoje drugi ograničeni prostori?)
Astronomi naporno rade da odgovore na ova pitanja. Oni konstruišu takozvane modele Univerzuma - imaginarne slike sveta, ako se posmatra kao celina. Početkom devetnaestog veka, mnogi astronomi su pretpostavljali da je svemir neograničen i da sadrži beskonačan broj sunaca. Prostor se smatrao euklidskim. Direktni pljuskovi su išli u beskonačnost u svim smjerovima. Kada bi svemirski brod krenuo u bilo kom pravcu i kretao se pravolinijski, njegovo putovanje bi trajalo večno i nikada ne bi stiglo do granice. Ovaj pogled datira još od starih Grka. Voljeli su reći da ako ratnik baci svoje koplje sve dalje i dalje u svemir, nikada neće moći doći do kraja; Kad bi se zamislio takav kraj, onda bi ratnik mogao stati i baciti koplje još dalje!
Postoji jedan važan prigovor ovom stavu. Njemački astronom Hajnrih Olbers je 1826. primetio da ako je broj sunaca beskonačan i da su ova sunca nasumično raspoređena u svemiru, onda bi ravna linija povučena od Zemlje u bilo kom pravcu na kraju prošla kroz neku zvezdu. To bi značilo da bi cijelo noćno nebo bilo jedna neprekidna površina, koja emituje zasljepljujuću svjetlost zvijezda. Znamo da to nije istina. Mora se izmisliti neko objašnjenje za tamu noćnog neba da bi se objasnilo ono što se danas zove Albersov paradoks. Većina astronoma s kraja devetnaestog i početka dvadesetog stoljeća vjerovala je da je broj sunaca ograničen. Naša galaksija, tvrdili su, sadrži sva sunca koja postoje. Šta je izvan galaksije? Ništa! (Tek sredinom dvadesetih godina ovog veka pojavili su se nepobitni dokazi da postoje milioni galaksija na ogromnim udaljenostima od naše.) Drugi astronomi su pretpostavljali da svetlost udaljenih zvezda mogu da apsorbuju jata međuzvjezdane prašine.
Najgenijalnije objašnjenje dao je švedski matematičar W. K. Charlier. Galaksije su, kako je rekao, grupirane u asocijacije, asocijacije u super-asocijacije, super-asocijacije u super-super-asocijacije, i tako dalje do beskonačnosti. U svakoj fazi ujedinjenja, udaljenosti između grupa rastu brže od veličine grupa. Ako je to tačno, onda što se prava linija dalje nastavlja od naše galaksije, manja je vjerovatnoća da će naići na drugu galaksiju. U isto vrijeme, ova hijerarhija asocijacija je beskonačna, tako da još uvijek možemo reći da Univerzum sadrži beskonačan broj zvijezda. Nema ništa loše u Charlierovom objašnjenju Albersovog paradoksa, osim što postoji sljedeće jednostavnije objašnjenje.
Prvi model Univerzuma, zasnovan na teoriji relativnosti, predložio je sam Ajnštajn u radu objavljenom 1917. Bio je to elegantan i lep model, iako je Ajnštajn kasnije bio primoran da ga napusti. Gore je već objašnjeno da su gravitaciona polja zakrivljenosti prostorno-vremenske strukture nastale prisustvom velikih masa materije. Unutar svake galaksije, dakle, postoji mnogo sličnih zaokreta i krivina prostor-vremena. Šta je sa ogromnim područjima praznog prostora između galaksija? Jedna tačka gledišta je da što je veća udaljenost od galaksija, to postaje ravniji (euklidskiji) prostor. Kada bi Univerzum bio oslobođen sve materije, tada bi prostor bio potpuno ravan; neki, međutim, smatraju da bi u ovom slučaju bilo besmisleno reći da ima bilo kakvu strukturu. U oba slučaja, Univerzum prostor-vremena prostire se neograničeno u svim smjerovima.
Ajnštajn je dao jednu primamljivu kontra-ponudu. Pretpostavimo, rekao je, da je količina materije u univerzumu dovoljno velika da obezbedi ukupnu pozitivnu krivinu. Prostor bi se tada zatvorio u sebe u svim smjerovima. Ovo se ne može u potpunosti razumjeti bez udubljenja u četverodimenzionalnu neeuklidsku geometriju, ali značenje se može shvatiti prilično lako korištenjem dvodimenzionalnog modela. Zamislimo ravnu zemlju zvanu Ploskovija, u kojoj žive dvodimenzionalna stvorenja. Oni svoju zemlju smatraju euklidskom ravninom koja se neograničeno proteže u svim pravcima. Istina, sunca Ploskovije uzrokuju pojavu raznih izbočina na ovoj ravni, ali to su lokalne izbočine koje ne utiču na ukupnu glatkoću. Postoji, međutim, još jedna mogućnost koju astronomi u ovoj zemlji mogu zamisliti. Možda svaka lokalna konveksnost proizvodi blagu zakrivljenost cijele ravnine na način da će ukupno djelovanje svih sunaca dovesti do deformacije ove ravni u nešto slično površini kvrgave sfere. Takva površina bi ipak bila neograničena u smislu da se možete zauvijek kretati u bilo kojem smjeru i nikada ne doći do granice. Ratnik Ploskovije nije mogao naći mjesto iza kojeg ne bi imao gdje baciti svoje ravno koplje. Međutim, površina zemlje bi bila konačna. Putnik koji dovoljno dugo putuje "pravom linijom" na kraju bi se vratio odakle je krenuo.
Matematičari kažu da je takva površina "zatvorena". To, naravno, nije neograničeno. Poput beskonačnog euklidskog prostora, njegovo središte je posvuda, periferija ne postoji. Ovu "zatvorenost", topološko svojstvo takve površine, stanovnici ove zemlje mogu lako provjeriti. Jedan kriterij je već spomenut: kretanje oko sfere u svim smjerovima. Drugi način za provjeru bio bi farbanje ove površine. Kada bi stanovnik ove zemlje, počevši od određenog mjesta, počeo crtati sve veće i veće krugove, na kraju bi se zatvorio unutar mjesta na suprotnoj strani sfere. Međutim, ako je ova sfera velika i stanovnici zauzimaju mali dio nje, neće moći izvoditi takve topološke testove.
Ajnštajn je predložio da je naš prostor trodimenzionalna „površina“ ogromne hipersfere (četvorodimenzionalne sfere). Vrijeme u njegovom modelu ostaje nezakrivljeno; to je direktna koordinata koja se proteže beskonačno u prošlost i proteže se beskonačno naprijed u budućnost. Ako se ovaj model smatra četverodimenzionalnom prostorno-vremenskom strukturom, on više liči na hipercilindar nego na hipersferu. Iz tog razloga se takav model obično naziva modelom „cilindričnog svemira“. U svakom trenutku vidimo prostor kao neku vrstu trodimenzionalnog poprečnog presjeka hipercilindra. Svaki poprečni presjek predstavlja površinu hipersfere.
Naša galaksija zauzima samo mali dio ove površine, tako da još nije moguće izvesti topološki eksperiment koji bi dokazao njenu zatvorenost. Ali postoji fundamentalna mogućnost dokazivanja zatvaranja. Postavljanjem dovoljno snažnog teleskopa u određenom smjeru, možete ga fokusirati na određenu galaksiju, a zatim, okrenuvši teleskop u suprotnoj strani, vidi drugu stranu iste galaksije. Kad bi postojali svemirski brodovi sa brzinom bliskom brzini svjetlosti, mogli bi kružiti oko Univerzuma, krećući se u bilo kojem smjeru u najravnijoj mogućoj liniji.
Univerzum se ne može “obojiti” u doslovnom smislu riječi, ali se u suštini ista stvar može učiniti izradom sfernih mapa Univerzuma sve većih i većih veličina. Ako kartograf to radi dovoljno dugo, može otkriti da se nalazi unutar sfere koju mapira. Ova sfera će postajati sve manja i manja kako on nastavi svoje zanimanje, kao krug koji postaje manji kada se Ploskovac zatvori u točku.
U nekim aspektima, Einsteinov neeuklidski model je jednostavniji od klasičnog modela, u kojem prostor nije zakrivljen. Jednostavnije je u istom smislu u kojem se za krug može reći da je jednostavniji od prave linije. Prava linija se proteže do beskonačnosti u oba smjera, a beskonačnost u matematici je vrlo teška stvar! Pogodnost kruga je u tome što je ograničen. Nema kraja, niko ne mora da brine šta će biti sa ovom linijom u beskonačnosti. U urednom Ajnštajnovom univerzumu, niko ne mora da brine o svim labavim krajevima u beskonačnosti, što kosmolozi vole da zovu „granični uslovi“. U Ajnštajnovom udobnom univerzumu nema problema sa granicama jer nema granica.
O drugim kosmološkim modelima, koji su u potpunosti u skladu sa opštom relativnošću, raspravljalo se dvadesetih godina. Neki od njih imaju svojstva još neobičnija od Ajnštajnovog cilindričnog svemira. Holandski astronom Billem de Sitter razvio je model zatvorenog, ograničenog svemira u kojem je vrijeme zakrivljeno na isti način kao i prostor. Što dalje gledate kroz de Sitterov prostor, čini se da se sat sporije kreće. Ako pogledate dovoljno daleko, možete vidjeti područja u kojima je vrijeme potpuno stalo, „kao na čajanki kod luđaka Šljapočkina“, piše Eddington, „gdje je uvijek šest sati uveče“.
“Nema potrebe misliti da postoji neka vrsta granice”, objašnjava Bertrand Russell u “Abecedi relativnosti”. „Ljudi koji žive u zemlji, koju naš posmatrač smatra zemljom lotofaga, žive u potpuno istoj gužvi kao i sam posmatrač, a čini im se da je i sam zaleđen u večnoj tišini. Zapravo, nikada ne biste saznali za ovu zemlju lotoždera, jer bi bilo potrebno beskonačno dugo vremena da svjetlost iz nje stigne do vas. Mogli ste saznati za mjesta koja se nalaze nedaleko od nje, ali sama bi uvijek ostala iza horizonta.” Naravno, ako biste se uputili u ovo područje svemirski brod Kada biste ga držali pod stalnim posmatranjem teleskopom, vidjeli biste da se protok vremena tamo polako ubrzava kako mu se približavate. Kada stignete tamo, sve će se kretati normalnom brzinom. Zemlja žderača će sada biti na rubu novog horizonta.
Jeste li primijetili da kada avion leti nisko iznad vas i naglo poleti, visina zvuka iz njegovih motora odmah se lagano smanjuje? Ovo se zove Doplerov efekat, nazvan po austrijskom fizičaru Kristijanu Johanu Dopleru, koji je otkrio efekat sredinom devetnaestog veka. Lako je to objasniti. Kada se avion približi, zvučni valovi iz njegovih motora vibriraju vašu bubnu opnu češće nego da je avion nepomičan. Ovo povećava visinu zvuka. Kako se avion udaljava, udarci koje vaše uši osjećaju od zvučnih vibracija su rjeđi. Zvuk postaje niži.
Apsolutno ista stvar se dešava kada se izvor svetlosti brzo kreće ka ili udaljava od vas.U tom slučaju brzina svetlosti (koja je uvek konstantna), ali ne i njena talasna dužina, treba da ostane nepromenjena. Ako se vi i izvor svjetlosti krećete jedan prema drugom, Doplerov efekat skraćuje talasnu dužinu svetlosti, pomerajući boju prema ljubičastom kraju spektra. Ako se vi i izvor svjetlosti udaljite jedan od drugog, Doplerov efekat proizvodi sličan pomak prema crvenom kraju spektra.
Na jednom od svojih predavanja, Georgy Gamow je ispričao priču (bez sumnje anegdotalnu) o Doplerovom efektu, koja je previše dobra da se ovdje ne citira. Čini se da se to dogodilo poznatom američkom fizičaru sa Univerziteta Johns Hopkins, Robertu Woodu, koji je bio zatočen u Baltimoru zbog prolaska na crveno svjetlo. Pred sudijom, Wood je briljantno objasnio, koristeći Doplerov efekat, da je njegova velika brzina prouzrokovala da se crveno svjetlo pomjeri na ljubičasti kraj spektra, zbog čega ga je doživio kao zeleno. Sudija je bio sklon da Vuda oslobodi, ali se na suđenju našao jedan od Vudovih učenika, koga je Vud nedavno izneverio. Brzo je izračunao brzinu koja je potrebna da bi semafor skrenuo iz crvenog u zeleno. Sudija je odbacio prvobitnu optužbu i kaznio Wooda zbog prekoračenja brzine.
Dopler je smatrao da efekat koji je otkrio objašnjava prividnu boju udaljenih zvezda: crvenkaste zvezde treba da se udalje od Zemlje, plavičaste - ka Zemlji. Kako se ispostavilo, to nije bio slučaj (ove boje su objašnjene drugim razlozima); dvadesetih godina našeg veka otkriveno je da svetlost udaljenih galaksija pokazuje jasan crveni pomak, što se ne može ubedljivo objasniti osim pretpostavkom da se te galaksije kreću od Zemlje. Štaviše, ovaj pomak se u prosjeku povećava proporcionalno udaljenosti od galaksije do Zemlje. Ako je galaksija A dvostruko udaljenija od galaksije B, tada je crveni pomak od A otprilike dvostruko veći od B. Prema engleskom astronomu Fredu Hoyleu, crveni pomak za asocijaciju galaksija u sazviježđu Hidra ukazuje da je to povezanost udaljavajući se od Zemlje ogromnom brzinom od približno 61.000 km/sek.
Učinjeni su razni pokušaji da se crveni pomak objasni nekom drugom metodom osim Doplerovim efektom. Prema teoriji "svjetlosnog zamora", što svjetlost duže putuje, to je niža njena frekvencija oscilacija. (Ovo je savršen primjer hipoteze ad hoc, tj. hipoteza koja se vezuje samo za ovaj konkretni fenomen, pošto nema drugih dokaza u njegovu korist.) Drugo objašnjenje je da prolazak svetlosti kroz kosmičku prašinu dovodi do pojave pomeranja. U de Sitterovom modelu, ovo pomicanje jasno slijedi iz zakrivljenosti vremena.
Ali najjednostavnije objašnjenje koje se najbolje slaže s ostalima poznate činjenice, je da crveni pomak zapravo ukazuje pravi saobraćaj galaksije. Na osnovu ove pretpostavke ubrzo je razvijena nova serija modela "širećeg univerzuma".
Međutim, ovo širenje ne znači da se same galaksije šire ili da (kako se sada vjeruje) rastu udaljenosti između galaksija u galaksijskim asocijacijama. Očigledno, ovo proširenje podrazumijeva povećanje udaljenosti između asocijacija. Zamislite ogromnu kuglu tijesta prošaranu sa nekoliko stotina grožđica. Svaka grožđica predstavlja asocijaciju galaksija. Ako se ovo tijesto stavi u pećnicu, ono se ravnomjerno širi u svim smjerovima, ali veličina grožđica ostaje ista. Rastojanje između grožđica se povećava. Nijedan od istaknutih trenutaka se ne može nazvati centrom ekspanzije. Sa tačke gledišta svakog pojedinačnog grožđa, sve ostale grožđice izgleda da se udaljavaju od njega.
Što je veća udaljenost do grožđica, to je veća prividna brzina njegovog uklanjanja.
Ajnštajnov model univerzuma je statičan. To je zato što je razvio ovaj model prije nego što su astronomi otkrili širenje svemira. Kako bi spriječio kontrakciju svog Univerzuma gravitacijskim silama i njegovu smrt, Ajnštajn je u svom modelu bio primoran da pretpostavi da postoji još jedna sila (u model ju je uveo koristeći tzv. „kosmološke konstante“), čija je uloga da odbijaju i drže zvijezde na određenoj udaljenosti jedna od druge.
Kasnije obavljeni proračuni su pokazali da je Ajnštajnov model nestabilan, poput novčića koji stoji na ivici. Najmanji pritisak će uzrokovati da padne ili na prednju ili na stražnju stranu, pri čemu prvo odgovara širenju, a drugo Univerzumu koji se skuplja. Otkriće crvenog pomaka pokazalo je da se Univerzum u svakom slučaju ne skuplja; kosmolozi su se okrenuli modelima svemira koji se širi.
Konstruisane su sve vrste modela svemira koji se širi. Sovjetski naučnik Alexander Friedman i belgijski opat Georges Lemaitre razvili su dva najpoznatija modela. U nekim od ovih modela pretpostavlja se da je prostor zatvoren (pozitivna zakrivljenost), u drugima - otvoren (negativna zakrivljenost), u trećima ostaje otvoreno pitanje da li je prostor zatvoren.
Jedan od modela predložio je Edington, koji ga je opisao u fascinantnoj knjizi, The Expanding Universe. Njegov model je u suštini vrlo sličan Ajnštajnovom; zatvoren je, poput ogromne četvorodimenzionalne lopte, i ravnomerno se širi kroz sve tri svoje prostorne dimenzije. Trenutno, međutim, astronomi nisu sigurni da je prostor zatvoren sam za sebe. Očigledno, gustina materije u svemiru nije dovoljna da dovede do pozitivne zakrivljenosti. Astronomi preferiraju otvoreni ili beskonačan Univerzum sa ukupnom negativnom zakrivljenošću, koja liči na površinu sedla.
Čitalac ne bi trebao misliti da ako površina kugle ima pozitivnu zakrivljenost, onda će iznutra ova površina imati negativnu zakrivljenost. Zakrivljenost sferne površine je pozitivna bez obzira s koje strane je gledate - izvana ili iznutra. Negativna zakrivljenost površine sjedala uzrokovana je činjenicom da je u bilo kojoj tački ova površina drugačije zakrivljena. Konkavna je ako pomičete rukom po njoj od pozadi prema naprijed, a konveksna ako pomičete ruku s jedne ivice na drugu. Jedna zakrivljenost se izražava kao pozitivan broj, dok se druga izražava kao negativan broj. Da bi se dobila zakrivljenost ove površine u datoj tački, ova dva broja se moraju pomnožiti. Ako je ovaj broj negativan u svim tačkama, kao što bi trebao biti kada je površina u bilo kojoj tački drugačije zakrivljena, onda se kaže da ova površina ima negativnu zakrivljenost. Površina koja okružuje rupu u torusu (krofna) je još jedan dobro poznati primjer površine negativne zakrivljenosti. Naravno, takve površine su samo grubi modeli trodimenzionalni prostor negativna zakrivljenost.
Možda će s pojavom moćnijih teleskopa biti moguće riješiti pitanje je li zakrivljenost svemira pozitivna, negativna ili jednaka nuli. Teleskop vam omogućava da vidite galaksije samo u određenom sfernom volumenu. Ako su galaksije raspoređene nasumično i ako je prostor euklidski (nulta zakrivljenost), broj galaksija unutar takve sfere uvijek treba biti proporcionalan kocki poluprečnika te sfere. Drugim riječima, ako napravite teleskop koji može gledati dvostruko dalje od bilo kojeg prethodnog teleskopa, tada bi se broj vidljivih galaksija trebao povećati sa n prije 8n. Ako se ovaj skok pokaže manjim, to će značiti da je zakrivljenost Univerzuma pozitivna; ako je veća, bit će negativna.
Možda mislite da bi trebalo biti obrnuto, ali razmislite o slučaju dvodimenzionalnih površina sa pozitivnom i negativnom zakrivljenošću. Pretpostavimo da je krug izrezan iz ravnog lista gume.
Grožđice se lijepe na nju na udaljenosti od pola centimetra jedno od drugog. Da bi se ovoj gumi dalo oblik sferne površine, mora se stisnuti i mnoge će se grožđice spojiti. Drugim riječima, ako na sferičnoj površini grožđice moraju ostati na udaljenosti od pola centimetra jedna od druge, tada će biti potrebno manje grožđica. Ako se guma nanese na površinu sedla, tada će se grožđice razdvojiti na veće udaljenosti, odnosno da bi se održalo pola centimetra razmaka između grožđica na površini sedla, bit će potrebno više grožđica. Moral svega ovoga može se izraziti na duhovit način: kada kupujete bocu piva, obavezno recite prodavcu da želite bocu s prostorom zakrivljenom negativno, a ne pozitivno?
Modeli svemira koji se širi ne zahtijevaju Einsteinovu kosmološku konstantu, što dovodi do hipotetičkog odbijanja zvijezda.
(Ajnštajn je kasnije smatrao da je koncept kosmološke konstante najveća greška koju je ikada napravio.) Sa pojavom ovih modela, pitanje Albersovog paradoksa o sjaju noćnog neba odmah je postalo jasnije. Ajnštajnov statički model nije bio od velike pomoći u tom pogledu. Istina, sadrži samo konačan broj sunaca, ali zbog zatvorenog prostora u modelu, svjetlost ovih sunaca je prisiljena zauvijek obilaziti Univerzum, savijajući svoju putanju u skladu s lokalnim zakrivljenjima prostor-vremena. Rezultat je da je noćno nebo jednako jako osvijetljeno kao što bi bilo da postoji beskonačan broj sunaca, osim ako pretpostavimo da je Univerzum toliko mlad da svjetlost može napraviti samo ograničen broj kružnih orbita.
Koncept širenja svemira vrlo jednostavno eliminira ovaj paradoks. Ako se udaljene galaksije udaljavaju od Zemlje brzinama proporcionalnim njihovim udaljenostima, tada bi se ukupna količina svjetlosti koja stiže do Zemlje trebala smanjiti. Ako je bilo koja galaksija dovoljno udaljena, njena brzina može premašiti brzinu svjetlosti, tada svjetlost iz nje nikada neće doći do nas. Sada mnogi astronomi ozbiljno vjeruju da kada se svemir ne širi, onda doslovno ne bi bilo razlike između noći i dana.
Činjenica da brzina udaljenih galaksija u odnosu na Zemlju može premašiti brzinu svjetlosti čini se kršenjem principa da se nijedno materijalno tijelo ne može kretati brže od svjetlosti. Ali, kao što smo videli u pogl. 4, ova odredba vrijedi samo u uslovima koji su u skladu sa zahtjevima specijalna teorija relativnost. U opštoj teoriji relativnosti, trebalo bi je preformulisati na sledeći način: nijedan signal se ne može prenositi brže od svetlosti. Ali važno pitanje i dalje ostaje kontroverzno: mogu li udaljene galaksije zaista prevladati svjetlosnu barijeru i, postavši nevidljive, zauvijek nestati iz vidnog polja osobe, čak i ako ima najmoćnije teleskope koje se može zamisliti. Neki stručnjaci vjeruju da je brzina svjetlosti zaista granica i da će najudaljenije galaksije jednostavno postati tamnije, a da nikada ne postanu potpuno nevidljive (naravno, pod uslovom da čovjek ima dovoljno osjetljivim uređajima da ih posmatram).
Stare galaksije, kao što je neko jednom primetio, nikada ne umiru. Samo postepeno nestaju. Međutim, važno je shvatiti da nijedna galaksija ne nestaje u smislu da njena materija nestaje iz Univerzuma. Jednostavno dostiže takvu brzinu da je nemoguće ili gotovo nemoguće otkriti ga teleskopima na Zemlji. Galaksija koja nestaje i dalje je vidljiva iz svih galaksija koje su joj bliže. Svaka galaksija ima "optički horizont", sfernu granicu preko koje njeni teleskopi ne mogu prodrijeti. Ovi sferni horizonti se ne poklapaju za bilo koje dvije galaksije. Astronomi su izračunali da je tačka u kojoj će galaksije početi nestajati iz našeg "vidnog polja" otprilike dvostruko veća od dometa bilo kojeg modernog optičkog teleskopa. Ako je ova pretpostavka tačna, tada je sada vidljiva otprilike jedna osmina svih galaksija koje će jednog dana biti vidljive.
Ako se svemir širi (nije bitno da li je prostor ravan, otvoren ili zatvoren), onda se postavlja ovo lukavo pitanje. Kakav je Univerzum bio prije? Postoje dva različita načina da se odgovori na ovo pitanje, dva moderna modela Univerzuma. Oba modela su razmatrana u sljedećem poglavlju.
napomene:
Lik knjige Lewis Kzrrol"Alisa u zemlji čudesa". - Bilješka prevod.
Zemlja izobilja i besposlice, pogledajte Odiseju. - Bilješka prevod.
