Современные астрофизические представления. Вселенная 10 Космология – наука о Вселенной в целом. Принцип Коперника и космологический принцип. Характеристики Вселенной

Основные космологические принципы:

1. Фундаментальные законы природы (законы физики), установленные и проверенные в лабораторных экспериментах на Земле, остаются верными и для всей Вселенной, и все явления могут быть объяснены на основе этих законов.

2. Принцип Коперника – Наше положение во Вселенной не является центральным, выделенным.

3. Сильный антропологический (антропный) принцип – Сама Вселенная, законы физики, которыми она управляется, должны быть такими, чтобы во Вселенной на некотором этапе ее эволюции допускалось существование наблюдателей (человечества). Комментарий: универсальные физические постоянные, взятые в виде совокупности, «тонко подстраивают», т.е. предопределяют структуру и эволюцию Вселенной, включая появление человечества.
Основные характеристики Вселенной

1. Вселенная расширяется с положительным ускорением. Все галактики удаляются от нашей Галактики и друг от друга со скоростью , пропорциональной расстоянию до них. Экспериментально это проявляется в виде смещения спектральных линий звезд далеких галактик к красному концу спектра. Закон Хаббла: . Скорость удаления галактик определяют по Доплер-эффекту – смещению линий в спектрах далеких галактик. Относительное смещение длины волны линий в спектре , здесь – лабораторная длина волны линии спектра, – длина волны смещенной линии в спектре движущейся галактики. При небольших смещениях , удаление (Мпк). Значение постоянной Хаббла: Н₀= 50÷100 км/сек Мпк.

Радиус Вселенной 4∙10²⁸ см. Кривизна пространства равна нулю.

2. Плотность вещества во Вселенной близка к критической плотности 4,7∙10^-30 г/см³.

3. Общее вещество во Вселенной состоит из видимого (светящегося) вещества, темной материи и темной энергии.

Видимое вещество во Вселенной состоит из водорода 80 – 70 % и гелия 20 – 30%. Видимое вещество, состоящее из барионов, составляет только 5 % космологической плотности Вселенной.

Темной материи – 23%. Она представляет собой холодную небарионную среду с космологической плотностью, большей плотности барионов. Эта темная материя взаимодействует со светящимся веществом гравитационным образом. Экспериментально темная материя проявляется:

В превосходстве динамической (вириальной) массы галактики МV²R/G (где V – скорость вращения галактики, G – гравитационная постоянная, R – расстояние) над массой видимого вещества галактики, полученного из соотношения масса-светимость.

Обнаружение горячего газа в скоплении галактик с температурой (3-10)∙10⁷ К, и концентрацией 10^–3 cм^–3.

В эффекте гравитационного линзирования (отклонения света) далеких галактик и квазизвездных источников.

Возможно, темная материя, окружающая Галактику, есть результат поляризации вакуума «гравитационным зарядом» Галактики.

Темной энергии вакуума – 70%, не принимающей участия в гравитационном скучивании вещества; она представляет собой среду с отрицательным давлением и создает антигравитацию.

4. Во Вселенной не обнаружено заметного количества антивещества (барионная ассиметрия Вселенной).

5. Вселенная заполнена микроволновым электромагнитным излучением с длиной волны 7,35 см, которое имеет незвездное происхождение. Температура реликтового излучения Т = 2,725 ^оК.

6. Вселенная обладает крупномасштабной трехмерной ячеисто–сетчатой структурой в виде «пены».

Вселенная образовалась в результате Большого Взрыва примерно 13,7 млрд. лет из особого возбужденного вакуумподобного состояния, обладающего большой размерностью и большой плотностью энергии (космологической сингулярности типа диска). В таком состоянии возникают сильнейшее напряжения и отрицательные давления, вызывающие стремительное расширение сингулярности и генерацию материи внутрь нее. При разрыве и уходе в бесконечность трех действительных пространственных координат и одной мнимой координаты (времени) возникло четырехмерное пространство-время. Остальные координаты остались свернутыми в трубочки толщиной около 10^-33 см. С точки зрения математики пространства с четырьмя измерениями обладают наибольшим числом особенностей. Комментарий: по-видимому, материя в таком псевдоэвклидовом четырехмерном мире обладает наибольшим числом возможных способов распределения в пространстве в каждый момент времени.

Следующая, инфляционная стадия раздувания Вселенной началась с момента 10^-43 сек, и продолжалась, до 10^-35 сек. В ходе Большого Взрыва, т.е. космологического расширения, возмущения метрики спонтанно рождались параметрическим образом из вакуумных флуктуаций. Скалярная мода возмущения метрики привела к космологическому возмущению плотности и образованию галактик, векторная мода – обеспечила вихревое движение вещества, тензорная мода возмущения метрики породила гравитационные волны. За это время Вселенная увеличилась более чем в (10¹⁰)⁵ раз и достигла размера порядка современного радиуса 10²⁸ см. Единое взаимодействие расщепилось сначала на гравитационное, затем на сильное и электрослабое, которое разделилось на электромагнитное и слабое. Температура начала убывать обратно пропорционально квадратному корню из времени.

Стадия горячей Вселенной началась с эры адронов при температуре 10¹² К, плотности 10¹⁴ г/см³ и длилась 10^-4 сек, было равновесие между частицами и античастицами, остались барионы (протоны и нейтроны), мезоны, античастицы пропали, т.к. их оказалось меньше, возникла барионная асимметрия Вселенной (преобладание вещества над антивеществом). Из равновесия с гамма-излучением вышли последовательно гипероны, нуклоны, мезоны. Именно из них и возникла вещественная Вселенная.

В эре лептонов при температуре, большей 10¹⁰ К и меньшей 10¹² К и плотности, меньшей 10¹⁴ и большей 10⁴ г/см³, в течение времени, меньше 10 сек и больше 10^-4 сек, вымирают электрон-позитронные пары. Через 0,2 сек остаются реликтовые нейтрино, существующие до настоящего времени (пока не обнаружены экспериментально).

В эре фотонов спустя примерно 300 000 лет при температуре, меньшей 10¹⁰ К и большей 3000 К, и плотности, большей 10^-21 г/см³ и меньшей 10⁴ г/см³, образуются атомы; свет (фотоны) отделяется от вещества (на каждый атом во Вселенной приходится 1 млрд. реликтовых фотонов).

Последняя стадия пылевой Вселенной включает звездную эру, которая началась спустя 1 млн. лет после Большого Взрыва при температурах, меньше 3000 К и плотностях, меньших 10^–21 г/см³. Тяготение стало сжимать первичные газовые сгустки с массой порядка 10⁵ масс Солнца в плоские тела («блины») с массой 10¹³ масс Солнца, из которых образовались галактики (звездные скопления). Вспыхнули звезды первого поколения галактик (см. рис. 2.23).

Рис 2.23. Эволюция Вселенной после Большого Взрыва

Согласно В.В. Бордюжа «Темные компоненты вселенной» (УФН. 2010. Т.180. №4. С. 439), новой космологической парадигмой является мультиверс – вечно растущий фрактал. Состоящий из большого числа частей (вселенных) с различными константами связи, массами частиц и другими константами природы. Наша Вселенная – одна из них. За время своего существования (13.7 млрд. лет) она прошла инфляцию, разогрев, эру излучения, эру вещества и теперь – в вакуум-доминированной эре.

Вакуум – это стабильное состояние квантовых полей без возбуждения волновых мод. Неволновые моды представляют собой конденсаты. Вакуум во Вселенной представляет собой комбинацию взаимосвязанных гравитационного конденсата, хиггсовского конденсата и кварк-глюонного конденсата.

Гравитационый вакуумный конденсат – новая вакуумная структура, включает в себя топологические дефекты с различной размерностью: кротовые норы (трехмерные дефекты), микромембраны (двумерные дефекты), микроструны (одномерные дефекты) и точечные дефекты – монополи.

Согласно компенсационной гипотезе, Вселенная, расширяясь с ускорением, понижала температуру, проходила цепочку релятивистских фазовых переходов, уменьшала свою симметрию и тратила энергию, образуя квантовые конденсаты.

'т Хофт ввел голографический принцип, согласно которому “физика” трехмерной системы может быть описана теорией действующей на её двумерной границе.

Бекенштейн показал, что выраженная в планковских еденицах энтропия черных дыр пропорциональна ¼ площади горизонта событий. Это энтропийное ограничение дает верхний предел средней плотности энергии Вселенной. Новые квантовые степени свободы рождались с увеличением хаббловского горизонта, и их непрерывное пополнение требовало некой энергии.

Гравитация на макроскопической шкале – это проявление термодинамики вакуума. Термодинамика черных дыр является следствием тепловой природы вакуума Минковского, и уравнение Эйнштейна имеет термодинамическое происхождеоние, т.е. это уравнение состояния Вселенной.

Современное значение плотности темной энергии (DE) ρ_DE~0,7×10^-29 г/см³ если Н₀ = 70,5 км/с Мпк, а в планковую эпоху ρ_DE~0,5×10⁹⁴ г/см³ при М_Пл=1.2×10¹⁹ ГэВ, что на 123 порядка превышает плотность наблюдаемой темной энергии. Это объясняется тем, что в период ранней эволюции Вселенной при уменьшении энергии от 10¹⁹ ГэВ до 150 МэВ конденсаты квантовых полей компенсировали 78 порядков плотности вакуумной энергии всего за 10^-5 с. Затем за 14 млрд. лет (≈4×10¹⁷ с) вакуумная компонента потеряла еще 45 порядков.