Вопрос:
Здравствуйте, я совсем недавно начала интересоваться астрономией, поэтому
мои знания очень поверхностны, у меня несколько вопросов.
Скажите, пожалуйста, как теория большого взрыва коррелирует с понятием
бесконечности? Ведь если была малая точка, то было и что-то меньше и что-то
больше, а значит, бесконечность существовала до большого взрыва.
Как реликтовое излучение и красное смещение с расширением вселенной
доказывают теорию большого взрыва? Возможно ли такое, что вселенная
расширяется по иным законам, не в результате взрыва, а, например, по
свойству тел заполнять бОльшее пространство? Каковы свойства реликтового
излучения, дающие представление о большом взрыве? Является ли это излучение
доказательством того, что в 13 млрд. световых лет от нас есть тела, которые
излучают радиоволны или есть прямые доказательства того, что они возникли в
результате взрыва?
Заранее спасибо.
Евгения
Ответ:
Уважаемая Евгения, с удовольствием отвечу на Ваши вопросы.
Сразу начну с рекомендаций. К сожалению, на русском языке не так много хороших
научно-популярных книг по астрономии, поэтому с радостью могу порекомендовать
книгу Решетникова В.П. "Почему небо темное. Как устроена Вселенная". Еще есть
трехтомник под редакцией Сурдина В.Г. "Небо и телескоп", "Солнечная система" и "Звезды".
Также могу рекомендовать "Курс общей астрофизики" Засов А.В., Постнов К.А. - это уже
университетский курс, хотя и написанный понятно, но и назвать его совсем
популярным сложно.
Несколько слов о терминологии. Следует различать понятия бесконечности и безграничности.
Мы можем придумать ситуацию когда пространство будет конечным, но при этом безграничным.
В качестве иллюстрации можно привести поверхность шара, когда для двумерных существ,
живущих на этой сфере, пространство ограничено, но при этом границ тоже нет. Обычно,
когда в физике мы сталкиваемся с понятием бесконечности - это означает, что наша
теория неприменима для описания этих процессов и нам необходимо более общая теория
для лучшего описания физики явления.
По современным представлениям наблюдаемая часть Вселенной является только крайне малой
частью большой Вселенной и что происходило за "стеной" реликтового излучения на
современном уровне развития наблюдений мы сказать не можем. То есть мы не имеем реальных
данных о том насколько большой может быть вся Вселенная и что творится в областях,
находящихся за горизонтом событий. Теория Большого Взрыва появилась как следствие
наблюдаемого разбегания галактик. При этом будет неверным представлять расширение
Вселенной как реальный взрыв. Мы не можем указать места, в котором произошел этот "взрыв",
т.е. не существует центра Вселенной. Из какой бы области мы не посмотрели - она расширяется
одинаково (тут нужно сделать важное замечание, что нужно рассматривать достаточно большие
области пространства). Любопытно появление термина Big Bang, которое можно перевести
как Большой Бух. Известный британский астроном и космолог Фред Хойл использовал его в
качестве уничижительного при описании теории рождения Вселенной в единый момент
из сингулярности. Он был противником этой теории, но его термин прижился.
Теория Большого Взрыва - это развивающаяся теория. На данный момент она объединяет
теории горячей Вселенной, холодной тёмной материи с лямбда членом и инфляции. Это позволяет
хорошо описывать большой объем наблюдательных фактов. Современный сценарий рождения
Вселенной выглядит примерно следующим образом. В результате неких процессов появился зародыш
будущей Вселенной, при этом считается, что плотность и температура были близки к планковским.
Примерно с 10^(-36) до 10^(-32) сек от момента рождения благодаря фазовому переходу, Вселенная
претерпела так называемую инфляционную стадию, когда Вселенная стремительно экспоненциально
расширялась. Экспоненциально означает, за каждый фиксированный момент времени Вселенная
увеличивала свой размер в несколько раз по закону a~exp(Ht), где a - размер Вселенной,
H - постоянная Хаббла в ту эпоху (зависит от времени), t - время. За это время она увеличилась
как минимум в 10^26 раз. На конечной стадии инфляции происходит рождение частиц и Вселенная
пребывала в форме кварк-глюонной плазмы. Можно выделить еще несколько стадий эволюции Вселенной,
на одной из которых образовывались известные нам элементарные частицы. Очень важна для нас стадия
с 10 до 1000 сек, когда сформировалось первичные ядра атомов, в основном водорода и гелия.
Этим стадиям посвящена книга "Первые три минуты" С.Вайнберга. 380 тысяч лет Вселенная оставалась
непрозрачной из-за рассеяния света на свободных электронах, но после того как она остыла
до примерно 4000 К электроны и ядра сформировали нейтральные атомы и фотоны "оторвались"
от вещества и Вселенная стала прозрачной. Именно этот момент времени мы и наблюдаем в
виде реликтового излучения.
Собственно, реликтовое излучение дает нам информацию о том моменте, когда
свет стал распространяться во Вселенной свободно. Для нас она выглядит как
поверхность, на которой произошло последнее рассеяние фотонов. Это излучение
несет нам важнейшую информацию о ранних стадиях эволюции Вселенной, которую мы
не можем наблюдать непосредственно, но она зашифрована во флуктуациях реликтового
излучения. В частности, было обнаружено, что наша Вселенная (вернее ее
наблюдаемая часть) является плоской. Это соответствует ситуации, когда средняя
плотность Вселенной равна так называемой критической, разделяющей модели
замкнутой и открытой вселенных. А это в свою очередь является предсказанием
теории инфляции, т.к. экспоненциальное расширение приводит к сглаживанию любых
неровностей и малая часть Вселенной, доступной нам в наблюдениях, становится
неотличимой от плоской. Теория Большого Взрыва без инфляции не способна дать
адекватное объяснение этому факту.
Я надеюсь, что я смог ответить на Ваши вопросы, но подчеркну, что исследование
Вселенной нам постоянно подбрасывает новые вопросы, на которые очень интересно искать ответы.
ведущий н.с., д.ф.-м.н.,Д.И. Макаров, 12.12.2019 г.
Вопрос:
Расстояние до наиболее удаленной наблюдаемой галактики 13,4 млрд.
световых лет. Возраст Вселенной с момента начала расширения 13,8 млрд.
лет. Как это может быть? Ведь мы наблюдаем самую далекую видимую нами
галактику такой, какой она была 13,4 млрд. лет назад. А как она там
оказалась? Каким образом она так далеко улетела с момента Большого
взрыва за каких-то 400 млн. лет?
Читаю: такова природа света и пространства. А какова? Ничего не понятно!
Андрей
Ответ:
Большое спасибо за Ваш вопрос. Считается, что расширение Вселенной
происходило с меняющейся скоростью в различные эпохи. В первые мгновения
был момент сверхбыстрого "раздувания" (инфляционная стадия). В процессе
расширения Вселенная остывала и примерно через 380 тысяч лет образовались
первые атомы. За счёт гравитационного притяжения этот газ стал уплотняться,
образуя звезды и галактики. Таким образом, уже на этом этапе галактики
формировались не только рядом, но и на заметных расстояниях друг от друга.
Расчеты показывают, что уже в момент своего образования наша Галактика Млечный
Путь и галактика GN-z11 (самая далекая из известных, о которой Вы упоминаете)
находились на значительном расстоянии друг от друга - около двух с половиной
миллиардов световых лет. Но из-за продолжающегося расширения пространства
путь света, испущенного GN-z11, постоянно увеличивался. Так что когда его
наконец-то увидел космический телескоп им. Хаббла, свет прошел уже путь в 32 млрд.
световых лет, хотя с момента его испускания прошло "всего лишь" 13.4 млрд. лет.
Это происходит из-за того, что свет имеет конечную скорость, а расстояние
между далекими галактиками постоянно растет.
Подробнее прочитать в популярной форме о парадоксах расстояний в расширяющейся
Вселенной можно по этим ссылкам:
http://www.astronet.ru/db/msg/1316775
https://habr.com/ru/post/397063/
ведущий н.с., д.ф.-м.н., А.В. Моисеев, 29.10.2019 г.
Вопрос:
Здравствуйте. Прошу сильно не смеяться над моей теорией. У меня что то
вроде между вопросом и предложением своей версии. Это касается чёрных дыр.
На мой взгляд исходя из всех изученных материалов вселенная рождались уже
не в первый раз. Многие галактики сливаются друг с другом. При слиянии,
допустим галактики Млечный путь и Андромеда, их чёрные дыры сольются в одну.
И таким образом я думаю последуют все галактики. В конце концов останется одна
гипергалактика в центре которой будет вращаться сверх гигантская чёрная дыра.
Сегодняшние чёрные дыры я думаю это не конечный их этап. Когда поглотит чёрная
дыра все во вселенной не оставив пылинки путем описанным ранее. Т.о. в конце
концов чёрная дыра набирает критическую массу и схлопывается сама в себя до
необычайно маленького размера с сохранением своей массы. Но у такого крайне
маленького и супер плотного и супер горячего объекта крайне нестабильное
состояние и через некоторое время этот объект снова взрывается образовывая
пыль и газ. И так до бесконечности.
Как вы думаете, может ли образовываться вселенная таким путем?
Алексей
Ответ:
1. Согласно одному из доминирующих современных представлений -
теории стохастической инфляции - вселенные могут возникать из колебания физических
полей определенной природы в вакууме и в дальнейшем раздуваться до гигантских
масштабов с образованием структур.Слияния черных дыр для этого не требуется.
Для этого лишь необходимы определенные свойства вакуума, а он именно такие,
чтобы в нем появлялись и исчезали (то есть флуктуировали) поля различной природы.
Например, вакуум нашей Вселенной именно такой.
2. Ускоренное расширение Вселенной препятствует поглощению всех галактик одной
черной дырой. Это значит, что на масштабах нескольких сотен миллионов световых
лет и более, действие темной энергии, приводящее к ускоренному расширению,
сильнее, чем гравитация.
3. Размер черной дыры (диаметр горизонта событий) прямо пропорционален массе.
4. Температура черной дыры обратно пропоциональна ее массе.
5. Черные дыры испаряются за счет излучения Хокинга: с потерей массы скорость
испарения растет. Хотя оно и не наблюдается пока, физическое описание механизма
испарения признано обоснованным. Таким образом, будущее нашей Вселеннной, если
будем следовать современным физическим представлениям, отличается от нарисованной
в письме картины. Оно связанно, в первую очередь, с природой темной энергии, физика
которой пока не известна, и физикой черных дыр. В одном из сценариев Вселенная может
расширяться бесконечно долго, и в будущем сверхмассиные черные дыры начнут испаряться
и исчезать. В другом сценарии, в будущем может иметь место яркий разрушительный конец,
если действие темной энергии будет возрастать со временем и приведет к разрушению всех
структур Вселенной, включая элементарные частицы. В каждой точке в этом случае может,
в принципе, возникнуть новая вселенная.
В третьем случае, в будущем может произойти квантовый переход вакуумного состояния и
Вселенная начнет сжиматься. Такой сценарий сейчас тоже исключить пока нельзя.
Есть и другие описания возможного будущего. Но остановимся на этих трех.
ведущий н.с., д.ф.-м.н. О.В.Верходанов, 26.09.2019 г.
Вопрос:
Добрый день. Читаю книгу "История Земли. От звездной пыли - к живой планете. Первые 4
500 000 000 лет". В одной главе, посвященной остыванию Земли есть момент, что мол, тепло
все уходило в космос. Я не могу понять, как это возможно? Если тепло - это колебание
частиц (атомов, молекул), то как оно уходит в космос, где по сути в основном вакуум,
а количество молекул вещества очень мало? Т.е. нужна некая среда передачи. Заранее
спасибо за ответ.
Дмитрий
Ответ:
Когда мы говорим о теплоте, мы полагаем, что теплота (или количество теплоты) -
это термодинамическая величина. В физическом смысле теплота представляет собой один
из способов передачи энергии.
При теплообмене энергия передается посредством
электромагнитного взаимодействия при столкновениях молекул. И среднеквадратичная
скорость молекул V, в кинетической теории газов, связана с температурой T как
1/2 mV^2 = 3/2 kT, где k - постоянная Больцмана, а v^2 - среднеквадратичная скороcть
частицы (скорость в 2-й степени), m - масса частицы. Важно понимать, что энергия
может также передаваться просто излучением от одного тела к другому и без их
непосредственного контакта.
Не вся энергия, передаваемая в виде излучения, остается в атмосфере. Часть ее
выходит и за пределы газовой оболочки Земли. При этом плотность излучения
атмосферы в первом приближении (в приближении абсолютно черного тела, которое
применяется для идеальных случаев) можно описать законом Стефана-Больцмана:
энергетическая светимость S пропорциональна 4-ой степени температуры
Т или S = sigma T^4, где sigma - постоянная Стефана-Больцмана.
Таким образом, энергия частиц, скорость которых связана с температурой,
частично в виде излучения уносится с Земли. И температура атмосферы планеты
(и самой планеты) со временем падает.
ведущий н.с., д.ф.-м.н. О.В.Верходанов, 16.01.2019 г.
