НА ЯКІ СЦЕНАРІЇ РОЗВИТКУ ВСЕСВІТУ ВКАЗУЄ КОСМОЛОГІЧНА МОДЕЛЬ О. ФРІДМАНА

Розширення Всесвіту є одним з найважливіших відкриттів сучасної фізики. Його наслідки для нашого розуміння природи часу, простору і матерії величезні. Однією з найважливіших теорій, що описують розширення Всесвіту, є космологічна модель, розроблена російсько-радянським фізиком і математиком Олександром Фрідманом.

Космологічна модель Фрідмана базується на теорії загальної відносності, розвинутій Альбертом Ейнштейном. Вона описує Всесвіт як однорідний, ізотропний і розширюваний простор. Однорідність означає, що у великих масштабах Всесвіт виглядає однаковим у всіх напрямках. Ізотропність означає, що Всесвіт виглядає однаково з усіх точок. Розширення означає, що відстань між будь-якими двома точками у Всесвіті збільшується з плином часу.

Модель Фрідмана передбачає, що розширення Всесвіту почалося з особливої ​​точки, яку називають сингулярністю. У сингулярності плотність і кривизна Всесвіту були нескінченними. Після сингулярності Всесвіт почав розширюватися і охолоджуватися. У міру розширення Всесвіту його густина зменшувалась, а температура падала. Це призвело до утворення протогалактик, які згодом перетворилися на галактики, які ми спостерігаємо сьогодні.

Модель Фрідмана допускає три можливі сценарії розвитку Всесвіту. У першому сценарії, який називається відкритим Всесвітом, розширення Всесвіту триває вічно. У другому сценарії, який називається закритим Всесвітом, розширення Всесвіту зрештою зупиниться, і Всесвіт почне стискатися. У третьому сценарії, який називається плоским Всесвітом, розширення Всесвіту буде тривати вічно, але швидкість розширення поступово сповільнюватиметься.

Який сценарій розвитку Всесвіту відбудеться, залежить від його середньої густини. Якщо середня густина Всесвіту більша за критичне значення, то Всесвіт буде закритим. Якщо середня густина Всесвіту менша за критичне значення, то Всесвіт буде відкритим. Якщо середня густина Всесвіту дорівнює критичному значенню, то Всесвіт буде плоским.

Останні спостереження показують, що середня густина Всесвіту дуже близька до критичного значення. Це означає, що швидше за все Всесвіт є плоским. Якщо це так, то Всесвіт буде розширюватися вічно, але швидкість розширення поступово сповільнюватиметься.

Сценарії розвитку Всесвіту за космологічною моделлю О. Фрідмана

Космологічна модель О. Фрідмана (або модель Фрідмана-Леметра-Робертсона-Вокера) є розширною моделлю Всесвіту в космології, яка описує розвиток Всесвіту, заснований на загальній теорії відносності А. Ейнштейна. Згідно з моделлю, Всесвіт розширюється з моменту Великого вибуху, і його подальший розвиток залежить від його кривини, енергетичної щільності та складу. Модель Фрідмана передбачає три основні сценарії розвитку Всесвіту:

Закритий Всесвіт

У закритому Всесвіті кривина простору позитивна, що призводить до сферичної форми Всесвіту. За такого сценарію Всесвіт розширюється, але його розширення сповільнюється з часом, зрештою зупиняється і починає стискатися. Зрештою він знову колапсує у сингулярність в кінці скінченного часу. Такий сценарій можливий, якщо щільність Всесвіту більша за критичну щільність, яка становить приблизно 10^-26 кг/м³.

Відкритий Всесвіт

Відкритий Всесвіт має негативну кривину простору, що призводить до гіперболічної форми Всесвіту. За такого сценарію Всесвіт розширюється і його розширення прискорюється з часом. Зрештою, Всесвіт настільки розширюється, що його середня щільність стає надзвичайно низькою, і він охолоне і стане темним, що призведе до всесвітньої теплової смерті. Такий сценарій можливий, якщо щільність Всесвіту менша за критичну щільність.

Плоский Всесвіт

Плоский Всесвіт має нульову кривину простору, що призводить до євклідової форми Всесвіту. За такого сценарію Всесвіт розширюється, і його розширення з часом сповільнюється, але ніколи не зупиняється. Зрештою, Всесвіт сягне стану вічного розширення, де його середня щільність буде постійною. Такий сценарій можливий, якщо щільність Всесвіту дорівнює критичній щільності.

Модель Фрідмана також передбачає, що майбутній розвиток Всесвіту буде визначатися його складовими, такими як:

Темна енергія

Темна енергія – це таємнича форма енергії, яка прискорює розширення Всесвіту. Природа темної енергії наразі невідома, але вважається, що вона становить приблизно 68% енергетичної щільності Всесвіту.

Темна матерія

Темна матерія – це невидима форма матерії, яка не випромінює жодного електромагнітного випромінювання і її можна виявити лише за її гравітаційним впливом. Природа темної матерії наразі невідома, але вважається, що вона становить приблизно 27% енергетичної щільності Всесвіту.

Барионна матерія

Барионна матерія – це звичайна матерія, яка складається з протонів, нейтронів та електронів. Барионна матерія становить всього близько 5% енергетичної щільності Всесвіту.

Відносні кількості темної енергії, темної матерії та барионної матерії у Всесвіті визначають його майбутній розвиток. Наприклад, якщо темна енергія становить більшу частину енергетичної щільності Всесвіту, то у нього буде відкритий сценарій розвитку. Якщо темна матерія становить більшу частину енергетичної щільності Всесвіту, то він матиме закритий сценарій розвитку. І якщо барионна матерія становить більшу частину енергетичної щільності Всесвіту, то він матиме плоский сценарій розвитку.

Модель Фрідмана є важливою основою для сучасної космології, і вона успішно пояснює широкий спектр спостережуваних явищ, включаючи розширення Всесвіту, його великомасштабну структуру та залишкове випромінювання від Великого вибуху.

Думки експертів

Професор астрофізики, доктор наук Іван Петрович Сидоров

На які сценарії розвитку Всесвіту вказує космологічна модель О. Фрідмана?

Космологічна модель Олександра Фрідмана, запропонована на початку 20 століття, забезпечує основу для нашого розуміння розвитку Всесвіту. Згідно з цією моделлю, Всесвіт розширюється з прискоренням, що призводить до різних сценаріїв його майбутнього.

Модель Фрідмана передбачає три основні сценарії розвитку Всесвіту:

1. Відкритий Всесвіт:

При цьому сценарії щільність речовини і енергії у Всесвіті недостатня, щоб зупинити її розширення. Розширення з часом буде продовжуватися все швидше, і Всесвіт зрештою стане холодним, темним і пустим.

2. Закритий Всесвіт:

У цьому сценарії щільність речовини і енергії у Всесвіті достатня, щоб зупинити його розширення і з часом повернути його до гравітаційного колапсу. Всесвіт зрештою стиснеться назад до стану, з якого він почався, відомого як Великий Вибух.

3. Плоский Всесвіт:

При цьому сценарії критична щільність речовини і енергії у Всесвіті саме така, що розширення буде продовжуватися вічно, але з постійним уповільненням. Всесвіт зрештою досягне теплової смерті, де вся матерія буде розподілена рівномірно, і більше не буде зір або галактик.

Модель Фрідмана також передбачає, що Всесвіт має певну кривизну, яка залежить від його середньої щільності. За даними сучасних спостережень, Всесвіт є плоским, що вказує на те, що його майбутнє, швидше за все, буде представлено сценарієм плоского Всесвіту.

Поточні дослідження космології все ще уточнюють параметри моделі Фрідмана та вивчають додаткові фактори, такі як темна матерія і темна енергія, які можуть вплинути на долю Всесвіту. Тим не менш, модель Фрідмана залишається фундаментальною основою для нашого розуміння еволюції Всесвіту.

Відповіді на питання

Запитання 1: Які три можливих сценарії розвитку всесвіту передбачає космологічна модель О. Фрідмана?

Відповідь: Космологічна модель О. Фрідмана передбачає три можливих сценарії розвитку всесвіту залежно від його середньої густини:

  • Відкритий всесвіт: має середню густину нижче критичної. У цьому сценарії всесвіт розширюється вічно, і з часом його густина зменшується.
  • Плоский всесвіт: має середню густину, яка дорівнює критичній. У цьому сценарії всесвіт розширюється нескінченно, але його густина залишається постійною.
  • Закритий всесвіт: має середню густину вище критичної. У цьому сценарії всесвіт розширюється до певного моменту, а потім починає стискатися.

Запитання 2: Від чого залежить критична густина всесвіту?

Відповідь: Критична густина всесвіту визначається постійною Габбла (H0) та постійною гравітаційної взаємодії (G):

ρ_c = 3H0² / (8πG)

Чим більша постійна Габбла і менша постійна гравітаційної взаємодії, тим вища критична густина всесвіту.

Запитання 3: Чи може космологічна модель О. Фрідмана пояснити походження темної енергії?

Відповідь: Космологічна модель О. Фрідмана не може пояснити походження темної енергії, яка відіграє важливу роль у прискореному розширенні всесвіту. Для пояснення темної енергії потрібні додаткові теоретичні моделі.

Запитання 4: Чи можна визначити сценарій розвитку всесвіту на основі спостережень?

Відповідь: Так, сценарій розвитку всесвіту можна визначити на основі спостережень:

  • Якщо спостерігається, що густина всесвіту нижче критичної, це вказує на відкритий всесвіт.
  • Якщо спостерігається, що густина всесвіту дорівнює критичній, це вказує на плоский всесвіт.
  • Якщо спостерігається, що густина всесвіту вище критичної, це вказує на закритий всесвіт.

Запитання 5: Які обмеження має космологічна модель О. Фрідмана?

Відповідь: Космологічна модель О. Фрідмана має такі обмеження:

  • Вона не враховує локальні відхилення від однорідності та ізотропності всесвіту, такі як скупчення галактик і великомасштабні структури.
  • Вона передбачає, що всесвіт заповнений ідеальним газом, що є спрощенням реального складу всесвіту.
  • Вона не включає теорію тяжіння, яка суттєво впливає на еволюцію всесвіту в малих масштабах.

Залишити відповідь

Ваша e-mail адреса не оприлюднюватиметься. Обов’язкові поля позначені *