Космологичен постулат – Математика
11.6.1.3. Космологичен постулат
Идеята за нестационарността на Вселената е изненадващо комбинирана в съвременната космология с идеята за хомогенността на Вселената. Колкото и да е изненадващо, вселената се оказва хомогенна по различни начини.
Първо, Вселената е хомогенна в смисъл, че структурните детайли на далечните звезди и галактики, физическите закони, на които се подчиняват, и, разбира се, определени величини (като заряда на електрона) изглеждат едни и същи навсякъде с висока степен на точност, тоест същите като в нашия регион на Вселената, включително, разбира се, Земята. Една типична галактика на сто милиона светлинни години изглежда по същество същата като нашата. Спектрите на атомите, а следователно и законите на химията и атомната физика там са идентични с познатите на Земята. Това обстоятелство позволява уверено да се разпространят законите на физиката, открити в земната лаборатория, в по-широки региони на Вселената.
На второ място, говорейки за космическата хомогенност на Вселената, те имат предвид хомогенността на разпределението на материята. Както се вижда от предишното, материята на Вселената е разпръсната под формата на съсиреци. Събира се в звезди, които от своя страна се групират в купове и така до мащаба на галактиките. Самите галактики също са подредени в групи. Някои космолози твърдят, че такова обединение продължава безкрайно и има характер на йерархия, в която всяка следваща формация е отделена от себеподобната чрез все по-големи празнини от празно пространство. Въпреки това, по-често се смята - и това решение е подкрепено от редица доста надеждни резултати от наблюдения - че такова обединение спира до клъстери от галактики и по-мащабното разпределение на материята е същото вцялата вселена. Това разпределение е едновременно хомогенно (еднакво във всички области) и изотропно (еднакво във всички посоки). Предположението, че Вселената е хомогенна в голям мащаб, сега се споделя от повечето (макар и не всички) космолози; той е известен като космологичен постулат.
Идеята за хомогенността на Вселената още веднъж доказва, че Земята не заема никаква привилегирована позиция във Вселената. Преди Коперник човекът поставя Земята в центъра на Вселената и всички други небесни тела трябваше да се въртят около нея. Откритието на Коперник, който доказа, че Земята се движи около Слънцето, разруши тази илюзия завинаги. Но дълго време астрономите не бяха сигурни, че Земята, Слънцето, нашата Галактика не са свързани с някакъв вид изключителност. Сега идеята, че нашият регион на Вселената може да бъде нещо нетипично, се счита най-малкото за еретична. Физическите условия в регионите на Вселената, които са най-близо до нас, вече не се считат за специални; те са характерни за всяко "средно" място във Вселената. Нека нашата Земя, Слънце или Галактика изглеждат нещо изключително важно за хората, за Вселената като цяло те не изглеждат нито важни, нито изключителни.
11.6.1.4. Възраст на Вселената
Идеята за Вселената беше широко разпространена сред астрономите преди около сто години. Смяташе се; че в цялото безкрайно пространство винаги е имало равномерно разпръснати постоянно светещи звезди. 20-ти век донесе значителни промени в този възглед.
През 1929 г. американският астроном Едуин Хъбъл (1889 - 1953) обяви някои от резултатите от измерванията на спектъра на светлината, идваща към нас от далечни галактики. Изследването на спектралния състав на светлината на далечни звезди показа систематично изместване на спектралните линии към червената област(т.е. към долния край на видимия спектър). Хъбъл установи, че това така наречено червено отместване се увеличава пропорционално на разстоянието до галактиката. Стана очевидно, че далечните галактики се разпръскват от нас "организирано": колкото по-далеч е галактиката, толкова по-бързо се отдалечава. Това доведе до напълно недвусмислен извод – Вселената е в състояние на разширение. Това неочаквано откритие коренно промени всички представи на космологията. Разширяващата се вселена е променяща се вселена, тя има биография, може би дори с дати на раждане и смърт.
Законът на Хъбъл дава възможност да се определи възрастта на Вселената. Според съвременните концепции се оценява от 10 до 20 милиарда години. Нестационарните модели на релативистката космология позволяват прецизиране на тези данни. Според най-разпространената гледна точка възрастта на Вселената от сингулярността до настоящата ера е
11.7. Еволюция на Вселената
11.7.1. горещ модел на вселената
В основата на съвременните представи за еволюцията на Вселената е моделът на „горещата Вселена“, чиито основи са положени в трудовете на американския физик от български произход Джордж (Георги Антонович) Гамов (1904-1968) и неговите сътрудници в края на 40-те години на ХХ век. Тази концепция се нарича още концепцията за Големия взрив. В съответствие с тази концепция в ранните етапи на разширение Вселената се характеризира не само с висока плътност на материята, но и с високата си температура.
Ключът към разбирането на ранните етапи от еволюцията на Вселената е скрит в гигантското количество топлина, отделена по време на Големия взрив. В своята най-проста версия теорията за горещата вселена приема, че вселената е възникнала спонтанно в резултат на експлозия от състояние на безкрайно висока плътност и безкрайноголяма топлинна (вътрешна) енергия (сингулярно състояние). С разширяването на Вселената температурата спада - отначало бързо, а след това по-бавно - от безкрайно висока стойност до сравнително ниска стойност, при което възникват условия, благоприятни за образуването на звезди и галактики. За около 1 милион години температурата надхвърля няколко хиляди градуса, което предотвратява образуването на атоми. Така в продължение на приблизително 1 милион години космическата материя запазва формата на нагрята плазма, състояща се от йонизиран водород и хелий. Едва когато температурата на Вселената падна приблизително до температурата на повърхността на слънцето, се появиха първите атоми. Така атомите са реликви от една ера, дошла 1 милион години след Големия взрив.
Моделът на горещата Вселена получи експериментално потвърждение след откриването през 1965 г. на "реликтовото лъчение" - микровълново фоново лъчение с температура
3° K. Косвено потвърждение на този модел е и наблюдаваното изобилие на хелий, надвишаващо навсякъде 22% от масата, както и неочаквано високото изобилие на деутерий, открито в междузвездния газ, чийто произход може да се свърже само с ядрени реакции на синтез на леки елементи в горещата Вселена.
Познавайки текущата температура на реликтовото излъчване, е възможно да се екстраполира към миналото, като се използват добре познатите и доказани закони на механиката, статистическата, атомната и ядрената физика, физиката на елементарните частици. (Фундаменталното откритие от последните години, края на ХХ век, е откриването на пространствената анизотропия на космическото микровълново фоново лъчение, фона на Вселената. Това разширява възможностите на релативистката космология, прави влиянието на различни фактори, пречещи на познаването на началните етапи на факторите на Вселената - разсейването на електромагнитнитевълни върху свободни електрони, върху студен молекулярен газ, абсорбция от прах и др.)
Екстремните условия на първите секунди от живота на Вселената днес могат да бъдат изследвани експериментално. На съвременните ускорители на елементарни частици е възможно да се възпроизведат физическите условия, които са съществували по времето, когато възрастта на Вселената е била 10 n s, където n = - 1 2, когато температурата е достигнала 10 n K, където n = 1 6, и цялата наблюдавана днес Вселена е била „компресирана“ до размера на Слънчевата система. Отвъд тези граници е възможна само теоретична екстраполация на известни физични закони. Като цяло не предизвиква съмнения до момента, в който започват да се проявяват квантовите свойства на гравитацията.
Но от определено ниво възниква въпросът за възможността за използване на съвременни физически теории за описание на еволюцията на Вселената. В близост до сингулярността решенията на класическите уравнения са неприложими, тъй като там трябва да се проявят квантовите свойства на гравитацията, а свойствата на материята в това състояние са неизвестни. Съществуващите теории за материята и гравитацията са приложими за състоянията на материята, чиято плътност и температура са по-ниски от тези на Планк (r = 1 0 n g / куб. cm, където n = 9 3 ; T
1 0 n K, където n = 3 2 . Плътността и температурата на Планк съответстват на възрастта на Вселената t
1 0 n s, където n = - 4 3 . В тази епоха физическите условия са били такива, че тяхното описание е изисквало все още несъздадена квантова теория на гравитацията.