Физика Вселенной

Физика Вселенной изучается космологией – астрофизической теорией структуры и динамики изменения Метагалактики, включающей в себя и определенное понимание свойств всей Вселенной. Выделяют также астрофизику, включая в нее не только космологическую, но и космогоническую науку о структуре и динамике изменения нашей солнечно-планетной системы. Очень часто астрофизические космологические и космогонические теории объединяют в единое понятие физики Мегамира.

Схема 30.  Мегамир.

      Фрактальная структура стрел времени опирается на принцип глобального эволюционизма, ярко выраженного в основной идее астрофизики: «Звезды рождаются, живут и умирают, как и всё в этом мире». Для обоснования концепции стрел времени важную роль играет энтропия Вселенной – её количественная оценка и характер распределения между основными материальными объектами. Соответствующие оценки, проведенные для Вселенной, показывают, что основным носителем энтропии Вселенной, играющим тем самым роль её «термостата», является реликтовое фоновое космическое излучение, состоящее из безмассовых частиц (фотонов, нейтрино). Наличие массы у нейтрино носит в настоящее время в значительной степени гипотетический характер. Соответствующая энтропия составляет величину Sизл.~ 1090  (в расчете на единицу сопутствующего веществу объема Вселенной). Заметим, что величина Sизл.  практически не изменяется с очень ранних стадий эволюции Вселенной (начиная с 1 с после Большого взрыва). С другой стороны, суммарная энтропия Sизл  для совокупности массивных объектов (космических тел) Вселенной ничтожна мала по сравнению с Sизл..  Наконец, оценка максимально возможной энтропии Вселенной в гипотетическом полностью равновесном состоянии «черной дыры» с той же массой составляет   Sравн .~ 10124 . Таким образом, принимая, что при бесконечно больших временах энтропия Вселенной стремится к своему равновесному значению, для слагаемых полной энтропии Вселенной  SВс = Sизл.  + Sвещ. получаем следующую цепочку неравенств:

Sвещ. << Sизл  <<  Sравн.

Из нее следует, по крайней мере, два важных вывода. Во-первых, эволюция во Вселенной идёт (и, по-видимому, ещё долго будет продолжаться), по существу, в характерных для изолированной системы условиях, когда

SВс = Sизл.  + Sвещ. » Sизл = const. Во-вторых, окружающая нас часть Вселенной ещё очень далека от своего максимального неупорядоченного (равновесного) состояния, соответствующего полному коллапсу. Возможно, именно эта неравновесность  наблюдаемой Вселенной является причиной справедливости второго начала термодинамики для всех замкнутых подсистем в ней.

      Наконец в контексте неравенства Sвещ. << Sизл  становится вполне понятным весьма важный феномен спонтанного возникновения «порядка из хаоса», который описан И.Р. Пригожиным. Он заключается в том, что в природе  при определенных условиях становится вполне возможным процесс самоорганизации, т.е. образование компактных структур с достаточно большими флуктуациями их «внутренней» энтропии  D S , при D S < 0 эти процессы сопровождаются усложнением структуры, при D S > 0 – их упрощением, деградацией, но в любом случае |D S| << Sизл . Существенно, что при D S < 0 происходит компенсация убыли энтропии в системе и её избыток в виде «внешней» энтропии (по абсолютной величине превосходящей |D S|) отдаётся термостату, так что в конечном итоге энтропия Вселенной всё-таки возрастает в полном соответствии со вторым началом термодинамики.

      Древо эволюции в концепции стрел времени использует в качестве корневой системы стандартную теорию Большого взрыва и представлено на схеме 31.

Схема 31. Древо эволюции мира (универсума) в контексте стрел времени.

Экспериментальным подтверждением стандартной теории Большого взрыва являются:

1.     Расширение Вселенной – разбегающиеся галактики (красное смещение линий в спектрах элементов удаленных галактик в сторону более длинных волн по сравнению с линиями в спектрах аналогичных элементов на Земле).

2.     Реликтовое излучение фотонов и нейтрино, образовавшихся в ранней стадии расширения Вселенной.

3.     Химический состав наблюдаемой части Вселенной в среднем одинаков: вещество в ней на 77% состоит из водорода и на 22% - из гелия, причем такое значительное обилие гелия невозможно объяснить термоядерными реакциями в звездах.

4.     Значительное превышение концентрации фотонов космического электромагнитного излучения, не имеющего никакого отношения к излучению наблюдаемых ныне звезд и других объектов, над концентрацией вещества (барионов-протонов и нейтронов):

5.  Оценки возраста горных пород Земли и метеоритов дают значения времени их существования 4,5…17,5 млрд. лет, что служит косвенным указанием для величины возраста Вселенной.

6.  Вселенная в целом находится в состоянии, далеком от теплового равновесия, и в условиях, когда видимое вещество в ней очень разрежено.

7.  Модель Галактики и Метагалактики, приведенная ниже (схема 32).

Схема 32. Модель Галактики и  Метагалактики.

В стандартной модели эволюции на космологическом уровне выделяют основные этапы космической шкалы времени, которые совместно с характерными процессами им соответствующими, приведены фрагментарно в схеме  33.

Схема 33 .  Космическая шкала времени в стандартной космологической модели эволюции Вселенной.

Рассмотрим фрагментарно классификацию галактик и звезд (схема 34).

      Схема 34 .  Классификация галактик.

Млечный путь входит в группу, включающую около двадцати галактик, которую называют Местной. Помимо нашей галактики в неё входит туманность Андромеды – гигантская спиральная галактика (М 31, расстояние до неё 670 килопарсек или 1,5 млн. световых лет, масса -  3×1011 масс Солнца), Малое Магелланово Облако – неправильная галактика, Большое Магелланово Облако – нечто промежуточное между спиральной и неправильной галактиками (расстояние до них соответственно 63 и 52 килопарсек, их масса соответственно 2×109  и 1×1010 масс Солнца), и  ряд неправильных и эллиптических галактик. Диаметр нашей Местной группы галактик 5 млн. световых лет.

Схема 35 .  Виды звезд.

Схема   36 . Эволюция звезд

(варианты развития).

I.

	Малая звезда главной последовательности		Красный гигант					Белый карлик

II.

         III.

	Очень большая звезда главной  последовательности
								Сколлапсировавшая звезда (черная дыра)
				Красный гигант

Варианты развития звезд:

I.                                                                                 Звезды массой от 1 до 1,2 массы Солнца эволюционируют к белому карлику, который, остывая, превращается в черного карлика.

II.                                                                              Звезды с массой 2,0 массы Солнца эволюционируют к нейтронной звезде: последняя, если сможет захватить межзвездный газ или вещество двойной звезды, превращается в черную дыру.

III.                                                                           Звезда с массой более 2,0 массы Солнца эволюционирует к черной дыре через коллапс звезды.

Схема  37  . Модель Солнечной системы.

Примечание: В 2006г., на съезде астрономов было принято – отнести планету Плутон, имеющую массу, равную 0,002 массы Земли, к астероидам.

Как мы отмечали, в Мегамире особую роль играет гравитационное взаимодействие, описываемое уравнениями гравитации. Структура этих уравнений может быть изображена в виде схемы, приведенной ниже.

Впервые эти уравнения были записаны в 1916г. А.Эйнштейном. Решение уравнений, задающее модель расширяющейся Вселенной, было получено А.Фридманом в 1922 г. Некоторой аналогией этих решений может явиться следующий подход: пусть тело массой m находится в поле тяготения планеты с массой М; его начальная скорость V может варьировать свои значения; какова зависимость координат R тела от времени t? Закон сохранения энергии даст связь

!!!

или

   !!!

Функция R(t) явится решением этого уравнения, при этом ее вид зависит от значения  энергии W, а именно (см. схему 38 ):

              кривая 1 при W>0

R(t)→    кривая 2 при W=0

              кривая 3 при W<0

Если эти частные решения применить ко Вселенной, то получим взаимосвязь расширения Вселенной с соответствующим характером геометрии Вселенной.

Схема  38 . Взаимосвязь расширения Вселенной с геометрией пространства.

Каждой геометрии Вселенной соответствуют космологические модели Вселенной, включающие Большой взрыв. Существуют и альтернативные модели, исключающие Большой взрыв. В настоящее время наибольшим приоритетом пользуются модели Фридмана-Леметра, включающие большой взрыв.

Схема   39 . Космологические модели Фридмана-Леметра, включающие большой взрыв.

Расширение Вселенной считается экспериментально доказанным на основании красного смещения длин спектров звезд удаляющих друг от друга галактик и задается эмпирическим соотношением Хаббла:

V=HR,

где V-скорость удаления галактик друг от друга;

       R-межгалактические расстояния;

       H-коэффициент, называемый постоянной Хаббла.

Установлено, что

лет.

Постоянная Хаббла задает критическую плотность, которая определяет в какой Вселенной мы находимся.

.

В настоящее время, если не учитывать возможную массивность нейтрино, не учитывать принципиально допустимые, но трудно наблюдаемые формы материи: сколлапсированные звезды (черные дыры) и гравитационное излучение, то для средней плотности Вселенной мы получим ρ = 3 . 10-28 кг/м3. Это значение ρ меньше ρкр, следовательно, Вселенная только расширяется. Последующие сценарии эволюции Вселенной носят гипотетический характер.

Отметим важный аспект гравитационного взаимодействия. Гравитационное взаимодействие имеет характер притяжения и задает симметрию Порядка О-точки во Вселенной (см. схему 40,а).

Очевидно, что при наличии только одного гравитационного взаимодействия даже у простейшей системы из двух массивных объектов, связанных только гравитацией, отсутствует минимум потенциальной энергии и установление равновесия в ней невозможно. Поэтому, если бы гравитация была единственным взаимодействием во Вселенной, то Вселенная необратимо и быстро сколлапсировала бы, не успев приобрести наблюдаемую сегодня в ней сложную иерархическую структуру.

Схема   40 . Симметрии Порядка и Хаоса О-точки.

             а) Симметрия порядка                                б) Симметрия Хаоса

Очевидно, что симметрии гравитационного Порядка (коллапса) должна противостоять симметрия Хаоса («раздувания») Вселенной (см. схему 40,б). Именно Большой взрыв и связанное с ним реликтовое излучение и задают симметрию Хаоса. Однако, если бы существовала только симметрия Хаоса, то Вселенная должна была бы достаточно быстро достигнуть теплового равновесия в рамках модели «тепловой смерти» Вселенной.

Следовательно, хотя с симметрией связаны фундаментальные законы сохранения целого ряда фундаментальных характеристик всех структурных уровней материи во Вселенной, явление творит, как мы отмечали ранее, дисимметрия – понижение симметрии как Порядка, так и Хаоса при определенном характере и их противодействия. В этом плане вполне эвристичной выступает теория струн и возможно совсем не сферическая (пузырьковая) сингулярность первоначального состояния Вселенной. Открытая в последнее время анизотропия фонового теплового радиоизлучения с длинами волн 0,06см<λ<50см возможно связана с совсем несимметричной формой источника излучения в стандартной теории Большого взрыва. В то же время понижение температуры реликтового теплового излучения до 2,7 К свидетельствует о справедливости и стандартных теорий «раздувания» Вселенной.

Очевидно, что дисимметрия творит явления на всем протяжении эволюции Вселенной и привела к появлению не только превышения материи над антиматерией, но и обусловила наличие четырех фундаментальных полей взаимодействия и целый ряд случайных задержек на пути эволюции, возникающих внезапно и позволяющих увеличить срок эволюции Вселенной.

Некоторые соображения по поводу случайных задержек на пути эволюции Вселенной были высказаны известным американским физиком Ф.Дайсоном в 1971 г.

Первым существенным фактором, влияющим на темп эволюции, следует признать наличие собственного момента системы, или, обобщенно, спина. Появление собственного момента импульса у системы связано с начальными условиями ее происхождения. В свою очередь, протяженные объекты, если они быстро вращаются, не в состоянии сразу сколлапсировать, поскольку наличие кинетической энергии вращения, которую необходимо учитывать наравне с гравитационной энергией, делает систему более устойчивой. В этом состоянии система задерживается на некоторое время.

Возникшее противоречие, связанное с задержкой гравитационного сжатия, разрешается благодаря тому, что вместо гравитационного сжатия системы в целом она сначала дробится на части при сохранении исходных размеров. При этом внешние части системы начинают двигаться по замкнутым орбитам вокруг центральной части, превращаясь в компактные объекты – спутники. В результате, значительная часть первоначального собственного момента системы переходит в орбитальные моменты спутников, а собственные моменты всех объектов (включая и центральную часть) оказываются незначительными. В результате снова возникают условия для дальнейшего сжатия. Этот механизм возможно объясняет и образование звездных галактик и двойных звезд и в определенной степени и звездно-планетные системы.

При этом Дайсон предположил, что развитая цивилизация может пожелать употребить вещество одной из планет своей системы на то, чтобы окружить свою звезду оболочкой (сфера Дайсона) и более полно использовать ее энергию. Нам не удалось бы наблюдать такую звезду. Вместо света звезды мы зарегистрировали бы инфракрасные излучения окружающей оболочки. Но это излучение легко спутать с излучением рождающейся звезды, когда протозвезда разогревается при сжатии.

Вторая задержка в темпе эволюции связана с термоядерным синтезом в звездах. Термоядерные реакции превращения водорода в гелий сопровождаются выделением фотонов и нейтрино, давление которых противодействует гравитационному сжатию. Поэтому пока в звезде есть запас водорода, она не может коллапсировать. Если бы в природе существовал изотоп Не2, то был бы возможен процесс непосредственного объединения протонов (ядер водорода) в ядра гелия за счет сильного взаимодействия. В этом случае водород выгорал бы очень быстро. Фактически процесс слияния протонов идет за счет слабого взаимодействия, т.е. в 1018раз медленнее. Это и объясняет долговечность звезд, включая Солнце.

Третье обстоятельство, которое оказалось существенным для темпа эволюции Земли как планеты, а затем и жизни на ней, связано с особенностями образования ядер химических элементов. Самые массивные из них (массивнее ядер железа), в том числе ядра урана и тория, образуются лишь в  небольших количествах при взрывах сверхновых звезд. Поэтому концентрация этих элементов в недрах планет достаточно мала. Если бы это было не так, за счет выделения тепла при радиоактивном распаде ядер тяжелых элементов Земля очень быстро прошла бы все стадии своей эволюции, не успев образовать развитую гидросферу, атмосферу и кору и создать условия для бурного развития биосферы.

Человек стремится использовать все виды энергии и формы вещества для создания комфортных условий своего существования, при этом иногда забывая об экологической безопасности биосферы и своего существования на планете Земля. Современная корпускулярно-волновая концепция материи явно пересекается с корпускулярно-волновой моделью феномена Человека и определяет Человека как голограмму всей Вселенной в антропном принципе набора строго заданных параметров фундаментальных взаимодействий и темпа эволюции Вселенной, обусловивших появление разумного наблюдателя на планете Земля.