Visuma kosmoloģiskais modelis ir matemātisks apraksts, kas mēģina izskaidrot tā pašreizējās pastāvēšanas iemeslus. Tajā ir arī attēlota evolūcija laika gaitā.
Mūsdienu Visuma kosmoloģiskie modeļi ir balstīti uz vispārējo relativitātes teoriju. Tas ir tas, kas pašlaik nodrošina vislabāko attēlojumu liela mēroga skaidrojumam.
Pirmais zinātniski pamatotais Visuma kosmoloģiskais modelis
No savas vispārējās relativitātes teorijas, kas ir gravitācijas hipotēze, Einšteins raksta vienādojumus, kas pārvalda ar matēriju piepildītu kosmosu. Bet Alberts domāja, ka tam vajadzētu būt statiskam. Tāpēc Einšteins savos vienādojumos ieviesa terminu, ko sauc par Visuma pastāvīgo kosmoloģisko modeli, lai iegūtu rezultātu.
Vēlāk, ņemot vērā Edvīna Habla sistēmu, viņš atgriezīsies pie šīs idejas un atzīs, ka kosmoss var efektīvi paplašināties. Tieši tāVisums izskatās kā A. Einšteina kosmoloģiskajā modelī.
Jaunas hipotēzes
Tūlīt pēc viņa holandietis de Siters, Visuma kosmoloģiskā modeļa izstrādātājs krievs Frīdmens un beļģis Lemaitre cienītāju spriedumam sniedz nestatiskus elementus. Tie ir nepieciešami, lai atrisinātu Einšteina relativitātes vienādojumus.
Ja de Sitter kosmoss atbilst tukšai konstantei, tad saskaņā ar Frīdmaņa kosmoloģisko modeli Visums ir atkarīgs no matērijas blīvuma tajā.
Galvenā hipotēze
Zemei nav iemesla stāvēt kosmosa centrā vai kādā priviliģētā vietā.
Šī ir pirmā Visuma klasiskā kosmoloģiskā modeļa teorija. Saskaņā ar šo hipotēzi Visums tiek uzskatīts par:
- Viendabīgs, tas ir, tai ir vienādas īpašības visur kosmoloģiskā mērogā. Protams, mazākā lidmašīnā ir dažādas situācijas, ja paskatās, piemēram, uz Saules sistēmu vai kaut kur ārpus galaktikas.
- Izotropisks, tas ir, tam vienmēr ir vienādas īpašības visos virzienos, neatkarīgi no tā, kur cilvēks skatās. Jo īpaši tāpēc, ka telpa nav saplacināta vienā virzienā.
Otra nepieciešamā hipotēze ir fizikas likumu universālums. Šie noteikumi ir vienādi visur un vienmēr.
Uzskatot, ka Visuma saturs ir ideāls šķidrums, ir vēl viena hipotēze. Tās komponentu raksturīgie izmēri ir nenozīmīgi salīdzinājumā ar attālumiem, kas tos atdala.
Parametri
Daudzi jautā: "Aprakstiet kosmoloģisko modeliVisums." Lai to izdarītu, saskaņā ar iepriekšējo Frīdmaņa-Lemaira sistēmas hipotēzi tiek izmantoti trīs parametri, kas pilnībā raksturo evolūciju:
- Habla konstante, kas atspoguļo izplešanās ātrumu.
- Masas blīvuma parametru, kas mēra attiecību starp pētāmā Visuma ρ un noteiktu blīvumu, sauc par kritisko ρc, kas ir saistīts ar Habla konstanti. Šī parametra pašreizējā vērtība ir atzīmēta ar Ω0.
- Kosmoloģiskā konstante, kas apzīmēta ar Λ, ir pretējs spēks gravitācijai.
Matērijas blīvums ir galvenais parametrs, lai prognozētu tās attīstību: ja tas ir ļoti necaurlaidīgs (Ω0> 1), gravitācija spēs pārvarēt izplešanos un kosmoss atgriezīsies sākotnējā stāvoklī.
Pretējā gadījumā pieaugums turpināsies mūžīgi. Lai to pārbaudītu, aprakstiet Visuma kosmoloģisko modeli saskaņā ar teoriju.
Ir intuitīvi skaidrs, ka cilvēks var realizēt kosmosa evolūciju atbilstoši tajā esošās matērijas daudzumam.
Liels skaits novedīs pie slēgta Visuma. Tas beigsies sākotnējā stāvoklī. Neliels matērijas daudzums novedīs pie atvērta Visuma ar bezgalīgu izplešanos. Vērtība Ω0=1 rada īpašu plakanas telpas gadījumu.
Kritiskā blīvuma ρc nozīme ir aptuveni 6 x 10–27 kg/m3, tas ir, divi ūdeņraža atomi uz kubikmetru.
Šis ļoti zemais skaitlis izskaidro, kāpēc modernsVisuma uzbūves kosmoloģiskais modelis pieņem tukšu vietu, un tas nav tik slikti.
Slēgts vai atvērts Visums?
Matērijas blīvums Visumā nosaka tā ģeometriju.
Lai nodrošinātu augstu necaurlaidību, varat iegūt slēgtu telpu ar pozitīvu izliekumu. Bet, ja blīvums ir zemāks par kritisko, parādīsies atvērts Visums.
Jāatzīmē, ka slēgtajam tipam noteikti ir gatavs izmērs, savukārt plakanam vai atvērtam Visumam var būt gan ierobežots, gan bezgalīgs.
Otrajā gadījumā trijstūra leņķu summa ir mazāka par 180°.
Slēgtā vietā (piemēram, uz Zemes virsmas) šis skaitlis vienmēr ir lielāks par 180°.
Visi mērījumi līdz šim nav atklājuši telpas izliekumu.
Visuma kosmoloģiskie modeļi īsumā
Fosilā starojuma mērījumi, izmantojot bumeranga lodi, vēlreiz apstiprina plakanās telpas hipotēzi.
Plakanas telpas hipotēze vislabāk saskan ar eksperimentālajiem datiem.
WMAP un Planck satelīta veiktie mērījumi apstiprina šo hipotēzi.
Tātad Visums būtu plakans. Taču šis fakts nostāda cilvēci divu jautājumu priekšā. Ja tas ir plakans, tas nozīmē, ka vielas blīvums ir vienāds ar kritisko Ω0=1. Taču vislielākā, redzamā matērija Visumā ir tikai 5% no šīs necaurlaidības.
Tāpat kā ar galaktiku rašanos, ir nepieciešams atkal pievērsties tumšajai matērijai.
Visuma laikmets
Zinātnieki varparādiet, ka tas ir proporcionāls Habla konstantes apgrieztajai vērtībai.
Tādējādi šīs konstantes precīza definīcija ir būtiska kosmoloģijas problēma. Nesenie mērījumi liecina, ka kosmoss tagad ir no 7 līdz 20 miljardiem gadu vecs.
Bet Visumam noteikti jābūt vecākam par tā vecākajām zvaigznēm. Un tiek lēsts, ka to vecums ir no 13 līdz 16 miljardiem gadu.
Apmēram pirms 14 miljardiem gadu Visums sāka paplašināties visos virzienos no bezgala maza blīva punkta, kas pazīstams kā singularitāte. Šis notikums ir zināms kā Lielais sprādziens.
Pirmajās sekundēs pēc straujās inflācijas sākuma, kas turpinājās nākamajiem simtiem tūkstošu gadu, parādījās fundamentālas daļiņas. Kas vēlāk veidos matēriju, bet, kā cilvēce zina, tā vēl neeksistēja. Šajā periodā Visums bija necaurredzams, piepildīts ar ārkārtīgi karstu plazmu un spēcīgu starojumu.
Tomēr, tai izplešoties, tā temperatūra un blīvums pakāpeniski samazinājās. Plazma un starojums galu galā aizstāja ūdeņradi un hēliju, visvienkāršākos, vieglākos un bagātīgākos elementus Visumā. Gravitācijai vajadzēja vairākus simtus miljonu papildu gadu, lai apvienotu šos brīvi peldošos atomus pirmatnējā gāzē, no kuras radās pirmās zvaigznes un galaktikas.
Šis laika sākuma skaidrojums tika iegūts no Lielā sprādziena kosmoloģijas standarta modeļa, kas pazīstams arī kā Lambda sistēma - aukstā tumšā viela.
Visuma kosmoloģiskie modeļi ir balstīti uz tiešiem novērojumiem. Viņi ir spējīgi darītprognozes, kuras var apstiprināt ar turpmākiem pētījumiem un paļauties uz vispārējo relativitāti, jo šī teorija vislabāk atbilst novērotajai liela mēroga uzvedībai. Kosmoloģiskie modeļi balstās arī uz diviem fundamentāliem pieņēmumiem.
Zeme neatrodas Visuma centrā un neieņem īpašu vietu, tāpēc telpa izskatās vienādi visos virzienos un no visām vietām lielā mērogā. Un tie paši fizikas likumi, kas ir spēkā uz Zemes, attiecas uz visu kosmosu neatkarīgi no laika.
Līdz ar to to, ko cilvēce novēro šodien, var izmantot, lai izskaidrotu pagātni, tagadni vai palīdzētu paredzēt nākotnes notikumus dabā neatkarīgi no tā, cik tālu šī parādība atrodas.
Neticami, jo tālāk cilvēki skatās debesīs, jo tālāk viņi raugās pagātnē. Tas ļauj iegūt vispārīgu pārskatu par galaktikām, kad tās bija daudz jaunākas, lai mēs varētu labāk saprast, kā tās attīstījās attiecībā pret tām, kas ir tuvākas un līdz ar to daudz vecākas. Protams, cilvēce nevar redzēt vienas un tās pašas Galaktikas dažādos tās attīstības posmos. Taču var rasties labas hipotēzes, grupējot galaktikas kategorijās, pamatojoties uz to, ko tās novēro.
Tiek uzskatīts, ka pirmās zvaigznes radās no gāzes mākoņiem neilgi pēc Visuma sākuma. Standarta lielā sprādziena modelis liecina, ka ir iespējams atrast agrākās galaktikas, kas piepildītas ar jauniem karstiem ķermeņiem, kas šīm sistēmām piešķir zilu nokrāsu. To arī modelis prognozēpirmās zvaigznes bija daudz vairāk, bet mazākas nekā mūsdienu zvaigznes. Un ka sistēmas hierarhiski pieauga līdz pašreizējam izmēram, mazām galaktikām beidzot veidojot lielus salu Visumus.
Interesanti, ka daudzas no šīm prognozēm ir apstiprinājušās. Piemēram, 1995. gadā, kad Habla kosmiskais teleskops pirmo reizi ieskatījās dziļā laika sākumā, tas atklāja, ka jaunais Visums ir piepildīts ar vāji zilām galaktikām, kas ir trīsdesmit līdz piecdesmit reizes mazākas par Piena ceļu.
Standard Big Bang Model arī prognozē, ka šīs apvienošanās joprojām turpinās. Tāpēc cilvēcei ir jāatrod pierādījumi šai aktivitātei arī kaimiņu galaktikās. Diemžēl līdz nesenam laikam bija maz pierādījumu par enerģētisku zvaigžņu saplūšanu Piena ceļa tuvumā. Tā bija problēma ar standarta lielā sprādziena modeli, jo tas liecināja, ka izpratne par Visumu varētu būt nepilnīga vai nepareiza.
Tikai 20. gadsimta otrajā pusē tika uzkrāts pietiekami daudz fizisku pierādījumu, lai izveidotu saprātīgus kosmosa veidošanās modeļus. Pašreizējā standarta lielā sprādziena sistēma tika izstrādāta, pamatojoties uz trim galvenajiem eksperimentālajiem datiem.
Visuma paplašināšanās
Tāpat kā lielākajā daļā dabas modeļu, tas ir secīgi uzlabots un radījis ievērojamas problēmas, kas veicina turpmāku izpēti.
Viens no aizraujošākajiem kosmoloģiskā aspektiemmodelēšana ir tāda, ka tā atklāj vairākus parametru līdzsvarus, kas ir jāsaglabā pietiekami precīzi Visumam.
Jautājumi
Visuma standarta kosmoloģiskais modelis ir lielais sprādziens. Un, lai gan pierādījumi, kas viņu atbalsta, ir pārliecinoši, viņa nav bez problēmām. Trefils grāmatā "Radīšanas brīdis" labi parāda šos jautājumus:
- Antimatērijas problēma.
- Galaktikas veidošanās sarežģītība.
- Horizonta problēma.
- Jautājums par plakanumu.
Antimatērijas problēma
Pēc daļiņu ēras sākuma. Nav zināms process, kas varētu mainīt milzīgo daļiņu skaitu Visumā. Laikā, kad telpa bija milisekundes novecojusi, līdzsvars starp matēriju un antimateriālu tika fiksēts uz visiem laikiem.
Visuma matērijas standarta modeļa galvenā daļa ir ideja par pāru veidošanos. Tas parāda elektronu-pozitronu dubultojuma rašanos. Parastais mijiedarbības veids starp augstas dzīves rentgenstariem vai gamma stariem un tipiskiem atomiem pārvērš lielāko daļu fotona enerģijas elektronā un tā antidaļiņā, pozitronā. Daļiņu masas seko Einšteina sakarībai E=mc2. Izveidotajā bezdibenī ir vienāds elektronu un pozitronu skaits. Tāpēc, ja visi masveida ražošanas procesi būtu savienoti pārī, Visumā būtu tieši tāds pats vielas un antimatērijas daudzums.
Ir skaidrs, ka dabas attiecībās ar matēriju pastāv zināma asimetrija. Viena no daudzsološākajām pētniecības jomāmir CP simetrijas pārkāpums daļiņu sabrukšanā vājās mijiedarbības dēļ. Galvenais eksperimentālais pierādījums ir neitrālu kaonu sadalīšanās. Tie parāda nelielu SR simetrijas pārkāpumu. Kaoniem sadaloties elektronos, cilvēce skaidri nošķir matēriju un antimateriālu, un tā var būt viena no atslēgām matērijas pārsvaram Visumā.
Jauns atklājums Lielajā hadronu paātrinātājā - D-mezona un tā antidaļiņu sabrukšanas ātruma atšķirība ir 0,8%, kas var būt vēl viens ieguldījums antimatērijas problēmas risināšanā.
Galaktikas veidošanās problēma
Ar nejaušiem nelīdzenumiem izplešanās Visumā nepietiek, lai izveidotu zvaigznes. Straujas izplešanās gadījumā gravitācijas spēks ir pārāk lēns, lai galaktikas veidotos ar jebkādu saprātīgu turbulences modeli, ko rada pati izplešanās. Jautājums par to, kā varēja rasties Visuma liela mēroga struktūra, ir bijusi liela neatrisināta problēma kosmoloģijā. Tāpēc zinātnieki ir spiesti aplūkot periodu līdz 1 milisekundei, lai izskaidrotu galaktiku esamību.
Horizonta problēma
Mikroviļņu fona starojumu no pretējiem virzieniem debesīs raksturo vienāda temperatūra 0,01% robežās. Bet kosmosa laukums, no kura tie tika izstaroti, bija par 500 tūkstošiem gadu vieglāks tranzīta laiks. Un tāpēc viņi nevarēja sazināties viens ar otru, lai izveidotu šķietamu termisko līdzsvaru - viņi atradās ārpusēhorizonts.
Šo situāciju sauc arī par "izotropijas problēmu", jo fona starojums, kas kustas no visiem kosmosa virzieniem, ir gandrīz izotropisks. Viens veids, kā uzdot jautājumu, ir teikt, ka kosmosa daļu temperatūra pretējos virzienos no Zemes ir gandrīz vienāda. Bet kā viņi var būt termiskā līdzsvarā viens ar otru, ja viņi nevar sazināties? Ja ņem vērā atgriešanās laika ierobežojumu 14 miljardu gadu apmērā, kas iegūts no Habla konstantes 71 km/s uz megaparseku, kā ierosināja WMAP, mēs pamanām, ka šīs attālās Visuma daļas ir 28 miljardu gaismas gadu attālumā viena no otras. Tātad, kāpēc viņiem ir tieši tāda pati temperatūra?
Jums ir jābūt tikai divreiz vecākam par Visumu, lai saprastu horizonta problēmu, taču, kā norāda Šramms, ja paskatās uz problēmu no agrāka perspektīvas, tā kļūst vēl nopietnāka. Laikā, kad fotoni faktiski tika emitēti, tie būtu 100 reizi lielāki par Visuma vecumu vai 100 reižu cēloņsakarības traucējumi.
Šī problēma ir viens no virzieniem, kas noveda pie inflācijas hipotēzes, ko 80. gadu sākumā izvirzīja Alans Guts. Atbilde uz horizonta jautājumu inflācijas ziņā ir tāda, ka pašā Lielā sprādziena procesa sākumā bija neticami straujas inflācijas periods, kas palielināja Visuma izmēru par 1020 vai 1030 . Tas nozīmē, ka novērojamā telpa pašlaik atrodas šajā paplašinājumā. Redzamais starojums ir izotrops,jo visa šī telpa ir "piepūsta" no niecīga tilpuma un tai ir gandrīz identiski sākotnējie apstākļi. Tas ir veids, kā izskaidrot, kāpēc Visuma daļas atrodas tik tālu, ka tās nekad nevar sazināties viena ar otru, izskatās vienādi.
Līdzuma problēma
Visuma mūsdienu kosmoloģiskā modeļa veidošanās ir ļoti plaša. Novērojumi liecina, ka vielas daudzums kosmosā noteikti ir vairāk nekā viena desmitā daļa un noteikti mazāks par kritisko daudzumu, kas nepieciešams, lai apturētu izplešanos. Šeit ir laba līdzība - no zemes izmesta bumba palēninās. Ar tādu pašu ātrumu kā mazam asteroīdam tas nekad neapstāsies.
Sākot šo teorētisko metienu no sistēmas, varētu šķist, ka tas tika mests pareizajā ātrumā, lai brauktu uz visiem laikiem, palēninot ātrumu līdz nullei bezgalīgā attālumā. Bet laika gaitā tas kļuva arvien acīmredzamāks. Ja kāds kaut nedaudz palaida garām ātrumu logu, pēc 20 miljardu gadu ilgas ceļojuma joprojām šķita, ka bumba tika izmesta pareizajā ātrumā.
Jebkādas novirzes no plakanuma laika gaitā ir pārspīlētas, un šajā Visuma stadijā sīkajiem nelīdzenumiem vajadzēja ievērojami palielināties. Ja pašreizējā kosmosa blīvums šķiet ļoti tuvu kritiskajam, tad agrākos laikos tam bija jābūt vēl tuvākam plakanam. Alans Gūts Roberta Dika lekciju atzīst par vienu no ietekmēm, kas viņu nostādīja uz inflācijas ceļa. Roberts to norādījaPašreizējā Visuma kosmoloģiskā modeļa plakanuma dēļ tam pēc lielā sprādziena būtu jābūt plakanam līdz vienai daļai 10–14 reizes sekundē. Kaufmans ierosina, ka tūlīt pēc tā blīvumam bija jābūt vienādam ar kritisko, tas ir, līdz 50 zīmēm aiz komata.
Astoņdesmito gadu sākumā Alans Gūts ieteica, ka pēc Planka laika 10–43 sekundēm bija īss ārkārtīgi straujas izplešanās periods. Šis inflācijas modelis bija veids, kā risināt gan plakanuma problēmu, gan horizonta problēmu. Ja Visums uzbriest par 20 līdz 30 kārtām, tad ārkārtīgi maza tilpuma īpašības, kuras varētu uzskatīt par cieši saistītām, tika izplatītas visā mūsdienās zināmajā Visumā, veicinot gan ārkārtēju plakanumu, gan ārkārtīgi izotropisku dabu.
Tā īsumā var raksturot mūsdienu Visuma kosmoloģiskos modeļus.
