Вселената

    Целият достъпен за наблюдение материален свят наричаме Вселена. Вселената съдържа различни обекти: от елементарни частици, атоми и молекули в мащабите на микросвета до планети, звезди и галактики в мащабите на космоса. Разделът от физиката и астрономията, в който се изучава Вселената като единно цяло, се нарича космология.

1. Основни характеристики на Вселената

    Всички галактики се отдалечават от Млечния път със скорости, които се определят от закона на Хъбл . Оттук може да се направи изводът, че Вселената се разширява. Константата на Хъбл Н е еднаква за всички галактики и зависи само от времето. От нейната стойност в настоящия момент може да се пресметне (приблизително) възрастта на Вселената. Тя е около 13,6 милиарда години.

    Видимото вещество на Вселената се състои предимно от водород (70- 80% от масата) и хелий (30- 20%). Количеството на останалите химични елементи е много по- малко. Освен "светещото" вещество на звездите и междузвездната среда (газ, прах и др.), което астрономите наблюдават със своите телескопи, възможно е във Вселената да съществува и "тъмно" вещество, което не може да се наблюдава. Това е т.нар. скрита маса на Вселената, чиято физична природа все още не е изяснена.

    Експериментално е установено, че Вселената е запълнена равномерно с микровълново лъчение, наречено фоново лъчение (фиг. 14-1). То има спектър, характерен за абсолютно черно тяло с температура около 3 К. Средната енергия на фотоните на фоновото лъчение е малка в сравнение с енергията на видимата светлина. Броят на фотоните обаче е голям: на всеки атом във Вселената се падат около 109 фотона на фоновото лъчение (средно около 5.108 фотона/m3).

Чуйте гласът на Вселената

 

2. Големият взрив

  1. Вселената се разширява.
  2. Вселената е изпълнена с микровълново лъчение.

    Тези два основни експериментални факта в съвременната космология се обясняват от теорията на Големия взрив- завладяваща въображението  научна теория за началото и развитието на Вселената. Според нея отначало Вселената се е намирала в необикновено състояние, за което все още не знаем почти нищо. Формално може да се приеме, че тогава нейният радиус е бил почти нула, а плътността и температурата- безкрайно високи. Преди около 13,6 милиарда години Вселената "избухва" от това си състояние и започва да се разширява (фиг. 14-2). Това е т.нар. Голям взрив (Big Bang), поставил началото на съвременната Вселена.

Фиг. 14-2. История на Вселената

Източник: https://physicstime.com

Непосредствено след Големия взрив Вселената е невероятно плътна и гореща. При разширението си тя се охлажда. Само за милиардна част от секундата температурата се понижава от 1032 К до 1015 К. За този начален етап от развитието на Вселената се знае твърде малко. Предполага се, че в края му свободните кварки се свързват в бариони и мезони.

    При температура около T = 1013 K всички частици все още имат изключително голяма кинетична енергия (много по- голяма от тази, която може да се постигне в съвременните ускорители). Освен това плътността на материята също е свръхвисока и частиците много бързо взаимодейтват помежду си. При удар между частици с толкова голяма енергия се раждат всички възможни частици и античастици- става непрекъснато превръщане на едни частици в други и обратно. При по-нататъшното понижаване на температурата енергията на взаимодействащите частици вече не е достатъчна, за да се раждат нови тежки частици. Затова барионите и мезоните започват да "измират". Например протоните анихилират с антипротоните, неутроните- с антинеутроните. Античастиците изчезват напълно и остават само протони и неутрони, защото техният начален брой е бил малко по- голям от броя на съответните им античастици. При взаимодействие с обкръжаващите ги електрони, позитрони и неутрино с големи енергии протоните непрекъснато се превръщат в неутрони, а неутроните- в протони. Тези реакции се прекратяват в момент, когато протоните са 7 пъти повече от неутроните.

    Температурата продължава да се понижава и няколко минути след Големия врив започват ядрени реакции, при които протоните се свързват с неутроните и се получават хелиеви ядра. Реакциите продължават до изчерпването на всички неутрони. Получава се плазма, съставена от заредени частици- протони, хелиеви ядра и електрони, които непрекъснато излъчват и поглъщат фотони. Поради силното поглъщане фотоните изминават много малки разстояния и Вселената е непрозрачна за лъчението. Фотоните постоянно взаимодействат с веществото и затова се намират в топлинно равновесие с него: ранната Вселена е изпълнена с фоново лъчение, което има спектъра на излъчването на абсолютно черно тяло с температурата на веществото (Вселената) в дадения момент.

    При Т < 4000 K електроните се свързват с ядрата и се получават неутрални атоми на водорода и хелия, от които по- късно се образуват газовите облаци, звездите и галактиките. Неутралните атоми практически не поглъщат. Затова след изчезването на заредените частици Вселената става прозрачна за лъчението. Лъчението престава да взаимодейства с веществото, но независимо от това запазва характера си на лъчение на абсолютно черно тяло като един остатък (реликт) от ранните стадии на Вселената. С разширението на Вселената температурата на фоновото или както още го наричат реликтово лъчение се понижава и в момента е около 3 К.

3. Бъдеще на Вселената

    Съществуват различни теории за бъдещото развитие на Вселената (фиг. 14-3). Едната възможност е тя да продължи да се разширява вечно, като галактиките непрекъснато се отдалечават една от друга. Възможен е и друг вариант: в даден момент гравитационните сили да спрат разширението и да започне процес на свиване на Вселената, докато тя се върне в "изходното положение", в което се е намирала преди Големия взрив. Най- привлекателен е моделът на т.нар. пулсираща вселена- вселена, която периодично се разширява и свива, като при всеки нов цикъл, подобно на жив организъм, обновява своето вещество.

Фиг. 14-3. На базата на теориите на Айнщайн за гравитацията и изкривяванията на пространство-временния континуум се предполагат три възможности:

Източник: megavselena.com

  • Затворена сферична вселена – в нея гравитацията в края на краищата ще спре разширяването и тя ще започне да се свива, докато стане толкова малка, че всичко изчезне – това е събитието, което е обратно на Големия взрив. То може да предизвика нов Голям взрив, създаване на нова Вселена, един безкраен цикъл на разширение и свиване на една периодична Вселена.
  • Плоска вселена – в нея гравитацията е умерена и ще забавя, но няма да спре разширяването.
  • Отворена (седловидна) вселена – в нея гравитацията е толкова слаба, че разширението ще продължи вечно

Изтегли в .pdf                      Изтегли в .docx

Дали научихме всичко?

Проверете със следния тест!

Любопитно


От какво е изградена Вселената?

Вселената е изградена от тъмна енергия (73%), тъмна материя (23%), междугалактически газ и прах (3,6%) и видима материя (0,4%). Наблюдаемата вселена е разпръсната поне на пространство от 92.109 ly. А най-точното приближение за възрастта ѝ e 13,73±0,12 милиарда години.

Фиг. 14-1. Космическо микровълново фоново лъчение- Известно още като CMB (Cosmic Microwave Background) или реликтово, това излъчване е първичен остатък от Големия взрив, който поражда Вселената. За първи път е открито през 60-те години на миналия век като радио шум, който сякаш се излъчва от всякъде в пространството. CMB е считано за едно от най - добрите доказателства за съществуването на Големия взрив. Последни прецизни измервания от проекта WMAP определят температурата на излъчването на CMB на - 270 по Целзий, съвсем малко над абсолютната нула (- 273, 15оС = 0К).

 

През 1965 година американските радиоинженери Робърт Уилсън и Арно Пензиас с помощта на много чувствителна микровълнова антена откриват фоновото лъчение на Вселената.

Фиг. 14-4. Квазар-. Квазарите са много отдалечени галактики, в центъра на които се отделя колосална електромагнитна енергия. Те са отдалечени на милиарди светлинни години от нашата Галактика. Днес до нас достига радиоизлъчване от квазарите, което е преминало през ранната Вселена и носи информация за нея. Наричат ги още радио- звезди.

Размерът на Вселената- филм