Модели Вселенной

Для создания модели стационарной Вселенной, Эйнштейн исходил из представления равномерно заполненной галактиками Вселенной. Такое представление, согласно теории гравитации Ньютона привело бы к сжатию. Поэтому Эйнштейн для предотвращения сжатия, ввел в свои уравнения, отталкивающую силу:

F_отт.=LּRּmּc²=constּR,

где m – масса отталкиваемого объекта, R – его расстояния от отталкивающего тела. Сила F_отт не зависит от m, а зависит в основном от R. Величина L очень мала, она составляет порядка L=10^{-53 м2}. Влияние столь малой величины должно было бы проявляться только в огромных масштабах между галактиками. Например, для двух тел массами по одному кг и находящимися на расстоянии 1м F_притя/F_отт=10²⁵, а для двух галактик с массами 10⁴¹ кг, находящимися на расстоянии R=10 млн. световых лет (около 10²² м) F_прит≈F_отт. Следовательно, F_отт играет важную роль для крупных объектов Вселенной. Притяжение обусловлено звездами и галактиками, а отталкивания Эйнштейн связывал с гравитационным воздействием вакуума. Вселенной будет стационарной, если выполняется равенство: F_притя.=F_{отт .}.

Фридман (1922г.) исследовал уравнение Эйнштейна и показал, что стационарная Вселенная Эйнштейна является нестабильной, при малейшем возмущении она или расширяется или сжимается. Для выбора модели Вселенной достаточно определить зависимость масштаба Вселенной от времени, т.е. R=f(t). С этой целью, Фридман использовал общую теорию относительности и получил формулу состояний Вселенной:

(dR/dt)²=(8πGρR³)/3+(ΛR²)/3−Κ,

где R и ρ – радиус и плотность Вселенной, Λ и Κ – константы. В зависимости от значения К, различают три модели Вселенной: 1. К=0 – модель, расширяющая евклидово пространство; 2. К>0 - пульсирующая модель сферического пространства; 3. К<0 – модель, расширяющая неевклидово пространство.

Анализируя полученную формулу, Фридман пришел к выводу о том, что в зависимости от плотности Вселенной также возникают три модели: 1. ρ_в<ρ_кр – Вселенная расширяется; 2. ρ_в=ρ_кр - пульсирующая Вселенная; 3. ρ_в>ρ_кр - Вселенная сжимается. Фридман находит формулу для определения критической плотности Вселенной: ρ_крит=3H²/8πG≈3·10^-29 г/см³. По оценкам ученых астрономов средняя плотность Вселенной равно ρ_ср= 3·10^-31 г/см³. Следовательно, наша Вселенная является расширяющейся.

Возможно, во Вселенной существуют массы, пока что не обнаруженные наукой. Считают, что на каждый протон приходится примерно один млрд. нейтрино. По данным института теоретической физики АН СССР (1980г.), нейтрино обладает массой покоя 5·10⁻³⁵ кг. Если это верно, тогда средняя плотность Вселенной будет очень близка к критическому значению. Тогда осциллирующая (пульсирующая) модель может стать более вероятной. В этом случае, происходит повторение циклов “расширения и сжатия”.

Расчеты Фридмана многократно были проверенны Эйнштейном, Эддингтоном и де Ситтером, они подчеркивали правильность выводов Фридмана. Эйнштейн позднее отметил, что “Первым на этот путь вступил Фридман”, тем самым он признал его приоритет. Таким образом, Фридман “ на кончике пера ” открыл разбегание галактик и установил, что мы живём в расширяющейся Вселенной.

Если константами, входящими в уравнение состояния Вселенной будут К=0 и Λ=0, тогда уравнение имеет точное решение: R= , где t₀ - возраст Вселенной. Такая зависимость размера Вселенной от времени называется моделью Эйнштейна -де Ситтера. Согласно этой модели, расширение продолжается неограниченно.

Модель «Раздувающейся Вселенной» («РВ»). Модель “РВ” точно совпадает с общепринятым описанием наблюдаемого мира, начиная с 10^-30 секунд, после начала расширения. Согласно этой модели, с начального момента диаметр Вселенной очень быстро увеличился.

Последствия этого раздувания велики, они приводят к выводу о том, что наблюдаемая нами Вселенная составляет только часть всей Вселенной. Как и модель “Большого взрыва”, модель “РВ ” полагает, что взрыв материи, находящейся в вакууме в сингулярном состоянии, происходил 15 млрд. лет назад, и в результате образовалась сверхгорячая и сверхплотная Вселенная в виде огненного шара так называемое «Илем».

Подтверждением этих моделей являются существование реликтовое излучение, и красное смещение в спектрах далеких галактик. Модель «РВ» считает, что к моменту 10⁻¹⁵с проявляются законы физики. Вещество Вселенной было равновесно и однородно. Это была расширяющаяся горячая материя из радиации и элементарных частиц.

Согласно общей теории относительности, типы кривизны пространства определяются плотностью вещества. Если плотность больше критической плотности Фридмана, то пространство замкнуто, если меньше, то пространство – незамкнуто, если оно равно ей, тогда пространство плоское. Но при этом пространство будет обладать неустойчивым состоянием.

При температурах порядка 10²⁷К, возможны нарушения симметрии. Теория «Великого объединения» показывает, что при высоких температурах закон сохранения барионного заряда нарушается, в результате число частиц превышается над античастицами. Этим объясняется избыток вещества над антивеществом в нашей Вселенной.

Если предсказания теории «Великого объединения» о не сохранении барионного числа подтвердятся, тогда ни один из законов сохранения не будет препятствовать рождению Вселенной из ничего (физического вакуума).

Альтернативная модель Вселенной. Шведский астрофизик Х. Альфен считает, что Вселенная расширяется под влиянием энергии, которая выделилась при аннигиляции частиц и античастиц. Некоторые идеи Альфена подтвердились на опыте. Сейчас в Лос-Анджелесе ученые (во главе с Э. Перетта) на суперкомпьютерах разрабатывают космологические модели, основанные на идеях Альфена.

Альфен считает, что межзвездное пространство заполнено длинными “нитями” из плазмы. Они образуют разные фигуры. Опыты показали, что нитевидные структуры из плазмы могут излучать подобное реликтовое излучение. Расчеты показали, что электромагнитные силы нитевидной плазмы могут участвовать вместе с гравитационной силой в образовании галактик из плазменных облаков.

Прогнозы о дальнейшей эволюции Вселенной. Если Вселенная пульсирует (), то происходит сначала ее расширение затем сжатие. При сжатии основные физические константы Вселенной меняются. Через 30 млрд. лет начинается сжатие. Сжатие продолжается 50 млрд. лет и Вселенная возвращается в сингулярное состояние.

Если Вселенная открытая (ρ_в<ρ_кр), тогда расширение неограниченно продолжается. Происходит (после 10¹³ лет) тепловое равновесие и «тепловая смерть» Вселенной. Через 10¹⁴ лет звезды остывают. Через 10¹⁵ лет планеты покидают звезды, а звезды покидают галактику, улетают в космическое пространство, повышая энтропию. Через 10¹⁷ лет центральная часть галактик коллапсируется и превращается в сверхмассивные черные дыры. Через 10³² лет Вселенная будет состоять из черных дыр, электронов и позитронов. В момент времени 10⁹⁶ лет черные дыры испаряются, а в момент времени 10¹⁰⁰ лет Вселенная превращается в электронно-позитронную плазму малой плотности.

Если протон стабилен, тогда в момент времени 10⁶⁵ лет все вещества превращаются в жидкость, а в момент времени 10¹⁵⁰⁰ лет все жидкие капли становятся железными. Затем они постепенно превращаются в испаряющиеся черные дыры, которые превращаются в электронно-позитронную плазму малой плотности.

Вопросы для самоконтроля

1. Из чего исходил Эйнштейн для создания модели стационарной Вселенной?

2. Почему Эйнштейн использовал отталкивающую силу для создания модели стационарной Вселенной?

3. В каких случаях проявляется отталкивающая сила?

4. Какие модели Вселенной установил Фридман?

5. Чему равна критическая плотность Вселенной по Фридману?

6. Чему равна средняя плотность Вселенной, по оценкам астрономов?

7. Какой факт утверждает о том, что наша Вселенная расширяется?

8. Есть ли факты, считать, что наша Вселенная является пульсирующая?

9. Что утверждает модель Эйнштейна - де Ситтера?

10. Чем отличается модель «раздувающейся Вселенной» от модели «Большого взрыва»?

11. Какие факты подтверждают модель «раздувающейся Вселенной»?

12. В чем суть, космологической модели, основанной на идеях Альфена?

13. Какие прогнозы существуют о дальнейшей эволюции Вселенной?