Вселенная

Космос с древних времен представлял собой загадку для человека и вызывал у него интерес. По звездам люди учи- лись ориентироваться в море, определять время года. Неиз- вестные явления природы, например, солнечные и лунные затмения, падение метеоритов пугали людей, считаясь пред- знаменованием трагических событий.

Поскольку размеры Вселенной, время ее существования, масса вещества не могут быть выражены числовыми значе- ниями, ученые ввели понятие бесконечности космоса. В со- ответствии с теорией, конечная Вселенная должна либо рас- ширяться, либо сжиматься, т.е. пульсировать. Парадокс за- ключается в том, что понятие расширения или сжатия Все- ленной в случае ее бесконечности не имеют смысла. Возник- новение Вселенной в момент Большого Взрыва из объема

в одну ядерную сверхплотную каплю, опровергается ее бес- конечностью.

Модели Вселенной. В настоящее время смыкаются акту- альные проблемы ядерной физики, физики элементарных частиц и астрофизики в рамках теории образования Вселен- ной.

Физики пытаются объединить различные виды взаимо- действия частиц в рамках одной модели. Это позволит объ- яснить в рамках единой теории, макроскопические процессы астрофизики и процессы, происходящие в микромире, кото- рые относятся к физике частиц.

Физики предложили целый ряд возможных моделей Все- ленной. Первые из них основывались на общей теории отно- сительности Эйнштейна. Согласно этой теории в зависимо- сти от общей массы Вселенной она либо расширяется непре- рывно из одной точки, либо пульсирует. Другие модели по- лагают, что существует множество Вселенных параллельных миров.

Одна из наиболее распространенных моделей Вселенной является теория Большого Взрыва. Считается, что Вселенная начала расширяться 13.75 млрд лет назад после Большого Взрыва. Первоначально согласно теории Большого Взрыва все вещество было сосредоточено в одной сверхплотной кап- ле. Расстояние между соседними галактиками в этот момент должно было равняться нулю. Вселенная, расширяясь, стала превращаться сначала в смесь кварков и квантов различных полей. Из них с участием хиггсовских146частиц стали фор- мироваться отдельные частицы, имеющие конкретную массу. Затем частицы стали объединяться в ядра и атомы, образуя окружающее нас вещество.

46 Питер Уэйр Хиггс (Peter Ware Higgs, род. 29 мая 1929 г.) – бри- танский физик-теоретик, член Королевского Общества Эдинбурга, член Лондонского королевского общества, в настоящее время профессор в отставке Эдинбургского университета. Лауреат Нобелевской премии по физике совместно с Франсуа Энглером за предсказание бозона Хиггса (2013).

К модели Большого Взрыва приводит путь объединения взаимодействий в рамках одной модели. Первоначально фи- зикам удалось построить модель, связывающую электромаг- нитные и слабые взаимодействия. А в 1974 г. Г. Джорджи и Ш. Глешоу предложена модель Великого объединения элек- тромагнитного, слабого и сильного взаимодействий. Эта мо- дель получила название Стандартной Модели.

Физикам удалось описать наиболее вероятную картину развития Вселенной и составляющих ее объектов (частиц, межзвездного газа, звезд). Но количество непонятных про- блем не уменьшилось. Стали возникать все новые задачи. Вселенная состоит из множества звездных скоплений – Галактик.

По другому сценарию, вселенные могут «распускаться бутонами» других вселенных, создавая тем самым Мульти- вселенную – гипотетическое множество всех возможных ре- ально существующих параллельных вселенных, включая ту, в которой находимся мы».

Как показали исследования последнего десятилетия, Вселенная расширяется с ускорением. Это описывается красным смещением далеких объектов (рис. 5.2). Его смысл заключается в эффекте Доплера. Частота света от космиче- ского объекта, уменьшается, если объект удаляется, и увели- чивается, если он приближается к нам.

Рис. 5.2. Красное смещение удаляющихся от нас объектов

К тому же общая масса вещества во Вселенной оказыва- ется во много раз больше, чем считалось ранее. Для объясне- ния этого и других фактов ввели понятия темной энергии и темной материи.

Темная материя и темная энергия. Предполагается, что вещество во Вселенной составляет несколько процентов, небольшую часть массы составляют все нейтрино, а значи- тельная часть массы Вселенной сосредоточена в темной ма- терии и энергии. Для расширения Вселенной с ускорением нужна какая-то дополнительная энергия, например, в резуль- тате действия либо антигравитации, либо еще чего-нибудь. Так что в физике сохраняются очень интересные загадки.

Темная материя – гипотетическая форма материи, кото- рая не испускает электромагнитного излучения и не взаимо- действует с ним. В нашей и других галактиках содержится большое количество темной материи, которую мы не можем наблюдать непосредственно, но о существовании которой мы знаем благодаря ее гравитационному воздействию на орбиты звезд в галактиках, на траекторию движения самих галактик.

Наблюдая дисперсию скоростей галактик в скоплениях, Ф. Цвикки совместно с С. Смитом обнаружили, что получае- мая из теоремы вириала масса гораздо больше, чем суммар- ная масса галактик. В связи с этим было выдвинуто предпо- ложение, что внутри скоплений галактик, как и в самой га- лактике, есть некая скрытая масса, проявляющая себя только гравитационным образом.

Количество темной материи во Вселенной значительно превышает количество обычного вещества. Наша Вселенная, по оценкам астрофизиков, состоит из: 74% темной энергии, 22% темной материи, 3.6% межгалактического газа и лишь 0.4% общей массы Вселенной составляет планеты и звезды. Недавно команда астрофизиков Чилийского исследователь- ского института под руководством К. Мони Бидина провела исследование передвижения более чем 400 звезд на удалении до 13 тыс. световых лет от Солнца. Вычислив массу вещест- ва звезд, пыли и газа в околосолнечной области, астрономы не нашли темную материю! Результаты исследований проти-

воречат принятым моделям, тайна темной материи стала еще загадочнее.

Структура Вселенной. В состав Вселенной входят га- лактики, звездные скопления, межзвездный газ, звезды, пла- нетные системы, кометы, астероиды.

Гала́ктика представляет гигантскую, систему из звезд и звездных скоплений, межзвездного газа и пыли. Эта звездная система связана гравитационным взаимодействием таким образом, что все ее объекты движутся относительно общего центра масс. Невооруженным глазом можно увидеть только три Галактики. Среди них в северном полушарии видна только туманность Андромеды (рис. 5.3).

Рис. 5.3. Галактика Андромеды

Мы видим на небе длинную клочковатую полосу звезд, напоминающую сгустки молока. Ее называют Млечным Пу- тем или просто нашей Галактикой. Она является большой спиральной галактикой с перемычкой, диаметром ~30 кило- парсек (или 100 000 световых лет) и толщиной 1000 световых лет. Солнце с Солнечной системой находятся внутри галак- тического диска, наполненного пылью, поглощающей свет. Из-за поглощения света Млечный Путь как галактика изучен

не до конца. В нашей Галактике содержится около 3 · 1011звезд, а ее общая масса составляет около 3 · 1012масс Солн- ца. В любой Галактике звезды «живут»: рождаются, взрос- леют, умирают, взрываются.

Квазары (рис. 5.4) – это мощное и далекое активное ядро галактики. Они являются одними из самых ярких объектов во Вселенной – мощность их излучения иногда в десятки и сотни раз превышает суммарную мощность всех звезд таких галактик, как наша. Предполагается, что в центре такого ядра располагается массивная черная дыра. Таких объектов по данным астрономов около 200 000.