Вселенная и её структура

Вселенная - это самый глобальный объект мегамира, безграничный во времени и пространстве. Согласно современных представлений  она представляет собой громадную  необъятную сферу. Существуют научные  гипотезы об «открытой», то есть «непрерывно  расширяющейся», равно как и о  «закрытой», то есть «пульсирующей», Вселенной. Обе гипотезы существуют в нескольких вариантах. Однако требуются очень  основательные исследования, пока та или иная из них не превратится  в более или менее обоснованную научную теорию.

В одном из выступлений  А. Эйнштейн сказал (в 1929 г.): «Если говорить честно, мы хотим не только узнать, как устроена, ... но и по возможности достичь цели утопической и дерзкой на вид - понять, почему природа является именно такой... В этом состоит прометеевский элемент научного творчества».

Многие ранние традиции, Еврейская, Христианская и Исламская  религии, считали, что Вселенная  создалась довольно недавно. Например, епископ Ушер вычислил дату в четыре тысячи четыреста лет для создания Вселенной, прибавляя возраст людей  в Ветхом Завете. Фактически, дата библейского  создания не так далека от даты конца  последнего Ледникового периода, когда  появился первый современный человек.

С другой стороны, некоторые  люди, например, греческий философ  Аристотель, Декарт, Ньютон, Галилей  не признавали идею о том, что Вселенная  имела начало. Они чувствовали, что  это могло быть. Но они предпочли  верить в то, что Вселенная, существовала, и должна была существовать всегда, то есть вечно и бесконечно.

На самом деле, в 1781 философ Иммануил Кант написал  необычную и очень неясную  работу «Критика Чистого Разума». В  ней он привел одинаково правильные доводы, оба для веры, что Вселенная  имела начало, и что его не было. Как говорит название работы, выводы были основаны просто на причине. Другими  словами, не были взяты в счет наблюдения о Вселенной. В конце концов, в  неменяющейся Вселенной было ли что  наблюдать?

Никто в семнадцатых, восемнадцатых, девятнадцатых или  ранних двадцатых столетиях, не считал, что Вселенная могла развиваться  со временем. Ньютон и Эйнштейн оба  пропустили шанс предсказания, что  Вселенная могла бы или сокращаться, или расширяться. Нельзя действительно  ставить это против Ньютона из-за того, что он жил двести пятьдесят  лет перед открытием расширения Вселенной. Но Эйнштейн должен был знать  это лучше. Когда он сформулировал  теорию относительности, чтобы проверить  теорию Ньютона с его собственной  специальной теорией относительности, он добавил так называемую «космическую константу». Она представляла собой  отталкивающий гравитационный эффект, который мог бы балансировать  эффект притяжения материала во Вселенной. Таким образом, было возможно иметь  статическую модель Вселенной.

Эйнштейн позже  сказал: «Космическая константа была величайшей ошибкой моей жизни». Это  произошло после наблюдений отдаленных галактик Эдвином Хабблом в 1920 году и показало, что они перемещаются далеко от нас, со скоростями, которые  были приблизительно пропорциональными  их расстоянию от нас. Другими словами, Вселенная не статическая, как прежде было принято думать: она расширяется. Расстояние между галактиками возрастает со временем. 

Изучение  Вселенной.

Великий немецкий ученый, философ Эммануил Кант (1724-1804) создал первую универсальную концепцию  эволюционирующей Вселенной, обогатив картину ее ровной структуры, и представлял  Вселенную бесконечной в особом смысле. Он обосновал возможности  и значительную вероятность возникновения  такой Вселенной исключительно  под действием механических сил  притяжения и отталкивания. Кант попытался  выяснить дальнейшую судьбу этой Вселенной  на всех ее масштабных уровнях, начиная  с планетной системы и кончая миром туманности.

Эйнштейн совершил радикальную научную революцию, введя свою теорию относительности. Это было сравнительно просто, как  и всё гениальное. Ему не пришлось предварительно открыть новые явления, установить количественные закономерности. Он лишь дал принципиально новое  объяснение.

Эйнштейн раскрыл  более глубокий смысл установленных  зависимостей, эффектов уже связанных  в некую физико-математическую систему (в виде постулатов Пуанкаре). Заменив  в данном случае теорию абсолютности пространства и времени идей их относительности  «Пуанкаре», которую теперь уже не связывали с идеей абсолютного  в пространстве, абсолютной системы  отсчета. Такой переворот снимал основное противоречие, создававшее  кризисную ситуацию, в теоретическом  осмыслении действия. Более того, открылся путь для дальнейшего проникновения  в свойства и законы окружающего  мира, настолько глубоко, что сам  Эйнштейн не сразу осознал степень  революционности своей идеи.

В статье от 30.06.1905 г., заложившей основы специальной теории относительности, Эйнштейн, обобщая  принципы относительности Галилея, провозгласил равноправие всех инерциальных систем отсчета не только в механических явлениях, но также электромагнитных явлений.

Специальная или частная  теория относительности Эйнштейна  явилась результатом обобщения  механики Галилея и электродинамики  Максвелла Лоренца. Она описывает  законы всех физических процессов при  скоростях движения близких к  скорости света.

Впервые принципиально  новые космологические следствия  общей теории относительности раскрыл  выдающийся математик и физик  – теоретик Александр Фридман (1888-1925 гг.). Выступив в 1922-24 гг. он раскритиковал  выводы Эйнштейна о том, что Вселенная  конечна и имеет форму четырехмерного цилиндра. Эйнштейн сделал свой вывод, исходя из предположения о стационарности Вселенной, но Фридман показал необоснованность его исходного постулата.

Фридман привел две  модели Вселенной. Вскоре эти модели нашли удивительно точное подтверждение  в непосредственных наблюдениях  движений далёких галактик в эффекте  «красного смещения» в их спектрах.

Этим Фридман доказал, что вещество во Вселенной не может  находиться в покое. Своими выводами Фридман теоретически способствовал  открытию необходимости глобальной эволюции Вселенной.

Существует несколько  теории эволюции. Теория пульсирующей Вселенной утверждает, что наш  мир произошел в результате гигантского  взрыва. Но расширение Вселенной не будет продолжаться вечно, т.к. его  остановит гравитация.

По этой теории наша Вселенная расширяется на протяжении 18 млрд. лет со времени взрыва. В  будущем расширение полностью замедлится, и произойдет остановка. А затем  Вселенная начнёт сжиматься до тех  пор, пока вещество опять не сожмется и произойдет новый взрыв.

Теория стационарного  взрыва: согласно ей Вселенная не имеет  ни начала, ни конца. Она все время  пребывает в одном и том  же состоянии. Постоянно идет образование  нового водоворота, чтобы возместить вещество удаляющимися галактиками. Вот  по этой причине Вселенная всегда одинакова, но если Вселенная, начало которой  положил взрыв, будет расширяться  до бесконечности, то она постепенно охладится и совсем угаснет.

Но пока ни одна из этих теорий не доказана, т.к. на данный момент не существует ни каких точных доказательств хотя бы одной из них. 
 

Структура Вселенной.

С возникновением атомов водорода начинается звездная эра - эра  частиц, точнее говоря, эра протонов и электронов.

Вселенная вступает в звездную эру в форме водородного  газа с огромным количеством световых и ультрафиолетовых фотонов. Водородный газ расширялся в различных частях Вселенной с разной скоростью. Неодинаковой была также и его плотность. Он образовывал огромные сгустки, во много  миллионов световых лет. Масса таких  космических водородных сгустков была в сотни тысяч, а то и в миллионы раз больше, чем масса нашей  теперешней Галактики. Расширение газа внутри сгустков шло медленнее, чем  расширение разреженного водорода между  самими сгущениями. Позднее из отдельных  участков с помощью собственного притяжения образовались сверхгалактики и скопления галактик. Итак, крупнейшие структурные единицы Вселенной - сверхгалактики - являются результатом  неравномерного распределения водорода, которое происходило на ранних этапах истории Вселенной.

Колоссальные водородные сгущения - зародыши сверхгалактик  и скоплений галактик - медленно вращались. Внутри их образовывались вихри, похожие на водовороты. Их диаметр  достигал примерно ста тысяч световых лет. Мы называем эти системы протогалактиками, т.е. зародышами галактик. Несмотря на свои невероятные размеры, вихри  протогалактик были всего лишь ничтожной  частью сверхгалактик и по размеру  не превышали одну тысячную сверхгалактики. Сила гравитации образовывала из этих вихрей системы звезд, которые мы называем галактиками. Некоторые из галактик до сих пор напоминают нам  гигантское завихрение.

Астрономические исследования показывают, что скорость вращения завихрения предопределила форму галактики, родившейся из этого вихря. Выражаясь  научным языком, скорость осевого  вращения определяет тип будущей  галактики. Из медленно вращающихся  вихрей возникли эллиптические галактики, в то время как из быстро вращающихся  родились сплющенные спиральные галактики.

Плотность распределения  звезд в пространстве растет с  приближением к экваториальной плоскости  спиральных галактик. Эта плоскость  является плоскостью симметрии системы, и большинство звезд при своем  вращении вокруг центра галактики остается вблизи нее; периоды обращения составляют 10⁷ - 10⁹ лет. При этом внутренние части вращаются как твердое тело, а на периферии угловая и линейная скорости обращения убывают с удалением от центра. Однако в некоторых случаях находящееся внутри ядра еще меньшее ядрышко («керн») вращается быстрее всего. Аналогично вращаются и неправильные галактики, являющиеся также плоскими звездными системами.

Звезды во Вселенной  объединены в гигантские Звездные системы, называемые галактиками. Звездная система, в составе которой, как рядовая  звезда находится наше Солнце, называется Галактикой.

Число звезд в галактике  порядка 10¹² (триллиона). Млечный путь, светлая серебристая полоса звезд опоясывает всё небо, составляя основную часть нашей Галактики. Млечный путь наиболее ярок в созвездии Стрельца, где находятся самые мощные облака звезд. Наименее ярок он в противоположной части неба. Из этого нетрудно вывести заключение, что солнечная система не находится в центре Галактики, который от нас виден в направлении созвездия Стрельца. Чем дальше от плоскости Млечного Пути, тем меньше там слабых звезд и тем менее далеко в этих направлениях тянется звездная система. В общем, наша Галактика занимает пространство, напоминающее линзу или чечевицу, если смотреть на нее сбоку. Размеры Галактики были намечены по расположению звезд, которые видны на больших расстояниях. Это цефиды и горячие гиганты. Диаметр Галактики примерно равен 3000 пк (Парсек (пк) – расстояние, с которым большая полуось земной орбиты, перпендикулярная лучу зрения, видна под углом в 1”.1 Парсек = 3,26 светового года = 206265 а.е. = 3*10¹³ км.) или 100000 световых лет (световой год – расстояние пройденное светом в течение года), но четкой границы у нее нет, потому что звездная плотность постепенно сходит на нет.

В центре галактики  расположено ядро диаметром 1000-2000 пк – гигантское уплотненное скопление  звезд. Оно находится от нас на расстоянии почти 10000 пк (30000 световых лет) в направлении созвездия Стрельца, но почти целиком скрыто плотной завесой облаков, что препятствует визуальным и обычным фотографическим наблюдениям этого интереснейшего объекта Галактики. В состав ядра входит много красных гигантов и короткопериодических цефид.

Звезды верхней  части главной последовательности, а особенно сверхгиганты и классические цефиды, составляют молодые население. Оно располагается дальше от центра и образует сравнительно тонкий слой или диск. Среди звезд этого  диска находится пылевая материя  и облака газа. Субкарлики и гиганты  образуют вокруг ядра и диска Галактики  сферическую систему.

Масса нашей галактики  оценивается сейчас разными способами, равна 2*10¹¹ масс Солнца (масса Солнца равна 2*10³⁰ кг.) причем 1/1000 ее заключена в межзвездном газе и пыли. Масса Галактики в Андромеде почти такова же, а масса Галактики в Треугольнике оценивается в 20 раз меньше. Поперечник нашей галактики составляет 100000 световых лет. Путем кропотливой работы астроном В.В. Кукарин в 1944 г. нашел указания на спиральную структуру галактики, причем оказалось, что мы живем между двумя спиральными ветвями, бедном звездами.

В некоторых местах на небе в телескоп, а кое-где даже невооруженным глазом можно различить  тесные группы звезд, связанные взаимным тяготением, или звездные скопления.

Существует два  вида звездных скоплений: рассеянные и  шаровые.

Рассеянные скопления  состоят обычно из десятков или сотен  звезд главной последовательности и сверхгигантов со слабой концентрацией  к центру.

Шаровые же скопления  состоят обычно из десятков или сотен  звезд главной последовательности и красных гигантов. Иногда они  содержат короткопериодические цефеиды. Размер рассеянных скоплений – несколько  парсек. Пример их скопления Глады  и Плеяды в созвездии Тельца. Размер шаровых скоплений с сильной  концентрацией звезд к центру – десяток парсек. Известно более 100 шаровых и сотни рассеянных скоплений, но в Галактике последних  должно быть десятки тысяч.

Кроме звезд в состав Галактики входит еще рассеянная материя, чрезвычайно рассеянное вещество, состоящее из межзвездного газа и  пыли. Оно образует туманности. Туманности бывают диффузными (клочковатой формы) и планетарными. Светлые они оттого, что их освещают близлежащие звезды. Пример: газопылевая туманность в  созвездии Ориона и темная пылевая  туманность Конская голова.