Реферат: Рождение Вселенной
Разработка инфляционных сценариев в космологии завершилась, по словам одного из авторов А. Д. Линде, созданием теории хаотической инфляции. В его сценарии становление Вселенной описывается как случайное следствие хаотического "кипения" пространственно-временной квантовой пены. Процесс рождения вселенных в такой пене не только случаен и хаотичен, но и бесконечен: одни вселенные, рождаясь, тут же коллапсируют, другие растут, оставаясь мертвыми, третьи лишены времени и развития, а четвертые заполняются галактиками, звездами, планетами и становятся подобны нашей Вселенной.[1, c.31]
1.2 Пересмотр теории ранней Вселенной
Одна из трудностей, с которой сталкивается традиционная теория Большого взрыва, - необходимость объяснить, откуда взялось колоссальное количество энергии, требующееся для рождения частиц. На этот и ряд других вопросов попытались ответить авторы теорий раздувающейся Вселенной.
В 1980г. сотрудник Массачусетского технологического института Алан Гус (Alan Guth) в статье "Раздувающаяся Вселенная: возможное решение проблемы горизонта и плоскостности" изложил интересный сценарий раздувающейся Вселенной. Основным его отличием от традиционной теории Большого взрыва стало описание рождения мироздания в период с 10-35 до 10-32с. Гус предположил, что скорость расширения Вселенной была высока в течение более длительного времени, чем предполагалось ранее. Примерно через 10-35с. Вселенная перешла в состояние псевдовакуума, при котором ее энергия исключительно велика. Поэтому расширение (раздувание) происходило быстрее, чем по теории Большого взрыва.
Через 10-35с. после рождения мира не было ничего, кроме черных мини-дыр и "обрывков" пространства. При резком раздувании участки "пены" превратились в отдельные вселенные. Некоторые из них, возможно, оказались вложенными друг в друга. Следовательно, может существовать множество вселенных, недоступных для нашего наблюдения.
Инфляционная теория была основана на так называемой теории фазовых переходов в ранней Вселенной. В отличие от Стробинского, Гус придумал некий механизм и постарался с помощью одного простого принципа объяснить, почему Вселенная большая, плоская, однородная, изотропная, а также почему монополей нет. Модель такого решения не давала. Так же трудно было объяснить, почему, начавшись, раздувание в конце концов прекращается. Несмотря на ряд противоречий и трудностей, модель Гуса стала значительным достижением космологии и стимулировала разработку новых сценариев раздувающейся Вселенной.
Новая инфляционная теория. В середине 1981 г. Линде предложил первый вариант нового сценария раздувающейся Вселенной, основывающийся на более детальном анализе фазовых переходов в модели Великого объединения. Он пришел к выводу, что экспоненциальное расширение не заканчивается образованием пузырьков, а инфляция может идти не только до фазового перехода с образованием пузырьков, но и после, уже внутри них. (В рамках этого сценария наблюдаемая часть Вселенной считается содержащейся внутри одного пузырька.)
В новом сценарии Линде показал, что разогрев после раздувания происходит за счет рождения частиц. Таким образом, соударения стенок пузырьков, порождающих неоднородности, стали не нужны, и тем самым была решена проблема крупномасштабной однородности и изотропности Вселенной. Новый сценарий содержал два ключевых момента: во-первых, процесс нарушения симметрии должен идти сначала медленно, чтобы обеспечивалось раздувание внутри пузырька; во-вторых, на более поздних стадиях должны происходить процессы, обеспечивающие разогрев Вселенной после фазового перехода. Спустя год исследователь пересмотрел свой подход, предложенный в новой инфляционной теории, и пришел к выводу, что фазовые переходы не нужны, равно как переохлаждения и ложный вакуум, с которого начинал Алан Гус. Это был эмоциональный шок, т.к. предстояло отказаться от считавшихся истинными представлений о горячей Вселенной, фазовых переходах, переохлаждении, которым соответствовали наблюдательные данные. Необходимо было найти новый способ решения проблемы. Тогда была выдвинута теория хаотической инфляции.
Хаотическая инфляция. Идея, лежащая в основе теории хаотической инфляции Линде, очень проста. Существуют направленные поля - электромагнитное, электрическое, магнитное, гравитационное, но может быть по крайней мере еще одно - скалярное, которое никуда не направлено, а представляет собой просто функцию координат.[6, c. 2-8]
Начиная с 1970-х гг. в теории элементарных часто использовалась концепция скалярного поля, самым близким аналогом которого можно считать электростатический потенциал. Напряжение в электрических сетях США - 110 В, а в России - 220 В. Если бы человек одной рукой держался за американский провод, а другой - за российский, его бы убила разница потенциалов. Если бы напряжение везде было одинаковым, не было бы разницы потенциалов и ток бы не тек. Так вот в постоянном скалярном поле разницы потенциалов нет. Поэтому мы не можем увидеть постоянное скалярное поле: оно выглядит как вакуум, который в некоторых случаях может обладать большой плотностью энергии.
Считается, что без полей такого типа очень трудно создать реалистичную теорию элементарных частиц. В последние годы были обнаружены практически все частицы, предсказанные теорией электрослабых взаимодействий, кроме скалярной. В рамках земной экспериментальной физики наблюдательное подтверждение инфляционной теории пока остается трудноразрешимой задачей. Однако уже активно ведется поиск скалярных частиц, для чего в CERN (Европейская лаборатория физики элементарных частиц) построен огромный ускоритель, так как их обнаружение представляет чисто техническую проблему.
Модель Гуса использует представление о "ложном" вакууме, из которого началась инфляция Вселенной. Он отличается от "истинного" (т.е. от состояния с самой плотностью энергии) тем, что может обладать огромной энергией. Нарушение принципа энергодоминантности, характерное для вакуума, наделяет его отрицательным давлением, которое приводит к гравитационному отталкиванию, обеспечивающему раздувание Вселенной. При расширении ложного вакуума его полная энергия не уменьшается, а растет.
Если вероятность образования пузырьков очень мала, то до их возникновения Вселенная быстро расширяется и становится большой и однородной.
В целом "ложный" вакуум - симметричное, но энергетически невыгодное, нестабильное состояние, т.е. он стремится к распаду. Квантовый распад вакуума и знаменует собой конец фазового перехода и прекращение инфляции. Новая фаза представляет собой "истинный" вакуум, для которого выполняется условие энергодоминантности.
Внутри каждого пузырька новой фазы Вселенная переходит во власть гравитационного притяжения, и экспоненциальное расширение заканчивается. Благодаря первоначальному импульсу, приобретенному в период инфляции, она продолжает расширяться, но скорость с течением времени уменьшается, как в теории горячей Вселенной.
Переход из стадии инфляции на стадию, описываемую теорией горячей Вселенной, представляет основную трудность для модели Гуса. Дело в том, что для того, чтобы энергия, выделяемая при фазовом переходе, перешла в тепловую энергию Вселенной, необходимо столкновение стенок огромных пузырей при достаточно большой плотности. Это противоречит малой скорости их образования, необходимой для замедления фазового перехода, и, следовательно, для значительного раздувания Вселенной. Кроме того, столкновения пузырьков должны приводить к нарушению однородности и изотропности Вселенной после раздувания, что противоречит поставленной задаче. [6, c. 8-10]
Глава 2. Строение Галактики. Виды Галактик
Маленькая Вселенная стала колоссальной, и все стало однородным. Но как же быть с галактиками? Оказалось, что в ходе экспоненциального расширения Вселенной маленькие квантовые флуктуации, существующие всегда, растягивались до колоссальных размеров и превращались в галактики. Согласно инфляционной теории, галактики - это результат квантовых флуктуаций, т.е. усиленный и замерзший квантовый шум.
Впервые на эту поразительную возможность указали сотрудники ФИАН Вячеслав Федорович Муханов и Геннадий Васильевич Чибисов в работе, основанной на модели, предложенной в 1979г. членом-корреспондентом Академии наук Алексеем Александровичем Старобинским. Эта модель, по сути дела, являлась первой версией инфляционной космологии.
Окружающие Солнце звезды и само Солнце составляют малую часть гигантского скопления звезд и туманностей, которую называют Галактикой. Галактика имеет довольно сложную структуру. Существенная часть звезд в Галактике находится в гигантском диске диаметром примерно 100 тыс. и толщиной около 1500 световых лет. В этом диске насчитывается более сотни миллиардов звезд самых различных видов. Наше Солнце - одна из таких звезд, находящихся на периферии Галактики вблизи ее экваториальной плоскости.
Звезды и туманности в пределах Галактики движутся довольно сложным образом: они участвуют во вращении Галактики вокруг оси, перпендикулярной ее экваториальной плоскости. Различные участки Галактики имеют различные периоды вращения.
Звезды удалены друг от друга на огромные расстояния и практически изолированы друг от друга. Они практически не сталкиваются, хотя движение каждой из них определяется полем силы тяготения, создаваемым всеми звездами Галактики.
Астрономы последние несколько десятилетий изучают другие звездные системы, схожие с нашей. Это очень важные исследования в астрономии. За это время внегалактическая астрономия добилась поразительных успехов.
Число звезд в Галактике порядка триллиона. Самые многочисленные из них - карлики с массами, примерно в 10 раз меньшими массы Солнца. В состав Галактики входят двойные и кратные звезды, а также группы звезд, связанных силами тяготения и движущиеся в пространстве как единое целое, - звездные скопления. Существуют рассеянные звездные скопления, например Плеяды в созвездии Тельца. Такие скопления не имеют правильной формы; в настоящее время их известно более тысячи.
Наблюдаются шаровые звездные скопления. Если в рассеянных скоплениях содержатся сотни или тысячи звезд, то в шаровых их сотни тысяч. Силы тяготения удерживают звезды в таких скоплениях миллиарды лет.
В различных созвездиях обнаруживаются туманные пятна, которые состоят в основном из газа и пыли, - это туманности. Они бывают неправильной, клочковатой формы - диффузные, и правильной формы, напоминающие по виду планеты, - планетарные.
Существуют еще светлые диффузные туманности, например Крабовидная туманность, названная за необычную сетку из ажурных газовых волокон. Это источник не только оптического излучения, но и радиоизлучения, рентгеновских и гамма-квантов. В центре Крабовидной туманности находится источник импульсного электромагнитного излучения - пульсар, у которого впервые были обнаружены наряду с пульсациями радиоизлучения оптические пульсации блеска и пульсации рентгеновского излучения. Пульсар, обладающий мощным переменным магнитным полем, ускоряет электроны и вызывает свечение туманности в различных участках спектра электромагнитных волн.
Пространство в Галактике заполнено везде - разреженным межзвездным газом и межзвездной пылью. В межзвездном пространстве существуют и различные поля - гравитационное и магнитное. Пронизывают межзвездное пространство космические лучи, представляющие собой потоки электрически заряженных частиц, которые при движении в магнитных полях разогнались до скоростей, близких к скорости света, и приобрели огромную энергию.
Галактику можно представить в виде диска с ядром в центре и огромными спиральными ветвями, содержащими в основном наиболее горячие и яркие звезды и массивные газовые облака. Диск со спиральными ветвями образует основу плоской подсистемы Галактики. А объекты, концентрирующиеся к ядру Галактики и лишь частично проникающие в диск, относятся к сферической подсистеме. Сама Галактика вращается вокруг своей центральной области. В центре Галактики сосредоточена лишь небольшая часть звезд. Солнце находится на таком расстоянии от центра Галактики, где линейная скорость звезд максимальна. Солнце и ближайшие к нему звезды движутся вокруг центра Галактики со скоростью 250 км/с, совершая полный оборот примерно за 290 млн. лет.