مدل های کیهانی کیهان: مراحل شکل گیری یک سیستم مدرن، ویژگی ها

2024 نویسنده: Angel Austin | [email protected]. آخرین اصلاح شده: 2023-12-17 05:24

مدل کیهانی کیهان یک توصیف ریاضی است که سعی دارد دلایل وجود فعلی آن را توضیح دهد. همچنین تکامل را در طول زمان به تصویر می‌کشد.

مدل های کیهانی مدرن جهان بر اساس نظریه نسبیت عام است. این چیزی است که در حال حاضر بهترین نمایش را برای توضیح در مقیاس بزرگ ارائه می دهد.

اولین مدل کیهانی مبتنی بر علم از کیهان

از نظریه نسبیت عام خود، که یک فرضیه گرانش است، انیشتین معادلاتی می نویسد که بر کیهانی پر از ماده حاکم است. اما آلبرت فکر کرد که باید ثابت باشد. بنابراین انیشتین اصطلاحی به نام مدل ثابت کیهانی جهان را در معادلات خود برای به دست آوردن نتیجه معرفی کرد.

بعداً، با توجه به سیستم ادوین هابل، او به این ایده باز خواهد گشت و تشخیص می دهد که کیهان می تواند به طور مؤثر گسترش یابد. دقیقاکیهان شبیه مدل کیهانی A. انیشتین است.

فرضیه های جدید

مدتی پس از او، هلندی دی سیتر، توسعه دهنده روسی مدل کیهانی جهان فریدمن و لمتر بلژیکی عناصر غیر ایستا را در معرض قضاوت خبره ها قرار می دهند. آنها برای حل معادلات نسبیت انیشتین مورد نیاز هستند.

اگر کیهان دی سیتر با یک ثابت خالی مطابقت داشته باشد، طبق مدل کیهانی فریدمن، جهان به چگالی ماده درون آن بستگی دارد.

فرضیه اصلی

هیچ دلیلی وجود ندارد که زمین در مرکز فضا یا در هر مکان ممتازی بایستد.

این اولین نظریه مدل کلاسیک کیهان شناسی جهان است. بر اساس این فرضیه، جهان به صورت:

در نظر گرفته می شود.

1. همگن، یعنی در همه جا در مقیاس کیهانی دارای خواص یکسانی است. البته، در یک هواپیمای کوچکتر، اگر مثلاً به منظومه شمسی یا جایی خارج از کهکشان نگاه کنید، موقعیت‌های متفاوتی وجود دارد.
2. ایزوتروپیک، یعنی همیشه از هر جهت خاصیت یکسانی دارد، مهم نیست که انسان به کجا نگاه کند. به خصوص که فضا در یک جهت مسطح نیست.

دومین فرضیه ضروری جهانی بودن قوانین فیزیک است. این قوانین در همه جا و همیشه یکسان هستند.

در نظر گرفتن محتوای جهان به عنوان سیال کامل فرضیه دیگری است. ابعاد مشخصه اجزای آن در مقایسه با فواصل جدا کننده آنها ناچیز است.

پارامترها

بسیاری می پرسند: "مدل کیهان شناسی را توصیف کنیدکائنات." برای انجام این کار، مطابق با فرضیه قبلی سیستم فریدمن-لماتر، از سه پارامتر استفاده می شود که به طور کامل تکامل را مشخص می کند:

• ثابت هابل که نشان دهنده نرخ انبساط است.
• پارامتر چگالی جرم، که نسبت بین ρ جهان مورد بررسی و چگالی معین را اندازه می‌گیرد، ρ_c بحرانی نامیده می‌شود که به ثابت هابل مربوط می‌شود. مقدار فعلی این پارامتر Ω₀ علامت گذاری شده است.
• ثابت کیهانی، با علامت Λ، نیروی مخالف گرانش است.

چگالی ماده یک پارامتر کلیدی برای پیش‌بینی تکامل آن است: اگر بسیار غیرقابل نفوذ باشد (Ω₀> 1)، گرانش می‌تواند انبساط و انبساط را شکست دهد. کیهان به حالت اولیه خود باز خواهد گشت.

در غیر این صورت افزایش برای همیشه ادامه خواهد داشت. برای بررسی این موضوع، مدل کیهانی کیهان را بر اساس نظریه توصیف کنید.

به طور شهودی روشن است که یک فرد می تواند تکامل کیهان را مطابق با مقدار ماده درون خود دریابد.

یک عدد بزرگ به یک جهان بسته منجر می شود. در حالت اولیه به پایان خواهد رسید. مقدار کمی از ماده به یک جهان باز با انبساط بی نهایت منجر می شود. مقدار Ω₀=1 منجر به یک مورد خاص از فضای مسطح می شود.

معنای چگالی بحرانی ρ_c حدود 6 x 10^–27 کیلوگرم/متر^{3 است. ، یعنی دو اتم هیدروژن در هر متر مکعب.}

این رقم بسیار پایین دلیل مدرن بودن را توضیح می دهدمدل کیهانی ساختار جهان فضای خالی را فرض می کند و این چندان بد نیست.

جهان بسته یا باز؟

چگالی ماده در داخل کیهان، هندسه آن را تعیین می کند.

برای نفوذ ناپذیری بالا، می توانید یک فضای بسته با انحنای مثبت داشته باشید. اما با چگالی کمتر از حد بحرانی، یک جهان باز پدید خواهد آمد.

لازم به ذکر است که نوع بسته لزوماً دارای اندازه تمام شده است، در حالی که یک جهان مسطح یا باز می تواند متناهی یا نامتناهی باشد.

در حالت دوم، مجموع زوایای مثلث کمتر از 180 درجه است.

در یک بسته (مثلاً در سطح زمین) این رقم همیشه بیشتر از 180 درجه است.

همه اندازه گیری ها تاکنون نتوانسته اند انحنای فضا را آشکار کنند.

مدل های کیهان شناختی کیهان به طور خلاصه

اندازه گیری تشعشعات فسیلی با استفاده از توپ بومرنگ دوباره فرضیه فضای مسطح را تایید می کند.

فرضیه فضای مسطح بهترین تطابق را با داده های تجربی دارد.

اندازه گیری های انجام شده توسط WMAP و ماهواره پلانک این فرضیه را تایید می کند.

بنابراین جهان مسطح خواهد بود. اما این واقعیت بشریت را در برابر دو سؤال قرار می دهد. اگر مسطح باشد، به این معنی است که چگالی ماده برابر است با یک بحرانی Ω₀=1. اما بزرگترین ماده قابل مشاهده در جهان تنها 5 درصد از این نفوذ ناپذیری را تشکیل می دهد.

همانطور که با تولد کهکشان ها، لازم است دوباره به ماده تاریک روی آوریم.

عصر کیهان

دانشمندان می توانندنشان دهید که متناسب با متقابل ثابت هابل است.

بنابراین، تعریف دقیق این ثابت یک مشکل حیاتی برای کیهان‌شناسی است. اندازه گیری های اخیر نشان می دهد که کیهان اکنون بین 7 تا 20 میلیارد سال سن دارد.

اما جهان باید لزوماً قدیمی‌تر از قدیمی‌ترین ستاره‌هایش باشد. و سن آنها بین 13 تا 16 میلیارد سال تخمین زده می شود.

حدود 14 میلیارد سال پیش، جهان از یک نقطه متراکم بی نهایت کوچک که به عنوان تکینگی شناخته می شود، شروع به انبساط در همه جهات کرد. این رویداد به عنوان انفجار بزرگ شناخته می شود.

در چند ثانیه اول شروع تورم سریع، که تا صدها هزار سال آینده ادامه داشت، ذرات بنیادی ظاهر شدند. که بعداً ماده را تشکیل می دهد، اما، همانطور که بشر می داند، هنوز وجود نداشته است. در طول این دوره، کیهان کدر، پر از پلاسمای بسیار داغ و تشعشعات قدرتمند بود.

اما با منبسط شدن، دما و چگالی آن به تدریج کاهش یافت. پلاسما و تشعشع در نهایت جایگزین هیدروژن و هلیوم، ساده ترین، سبک ترین و فراوان ترین عناصر جهان شدند. گرانش چند صد میلیون سال اضافی طول کشید تا این اتم های شناور آزاد را به گاز اولیه ای که اولین ستاره ها و کهکشان ها از آن پدید آمدند، ترکیب کرد.

این توضیح درباره آغاز زمان از مدل استاندارد کیهان شناسی بیگ بنگ که به نام سیستم لامبدا نیز شناخته می شود - ماده تاریک سرد گرفته شده است.

مدل های کیهانی کیهان بر اساس مشاهدات مستقیم است. آنها قادر به انجام هستندپیش‌بینی‌هایی که می‌توانند با مطالعات بعدی تأیید شوند و بر نسبیت عام تکیه کنند زیرا این نظریه بهترین تناسب را با رفتارهای مشاهده‌شده در مقیاس بزرگ می‌دهد. مدل‌های کیهان‌شناختی نیز مبتنی بر دو فرض اساسی هستند.

زمین در مرکز جهان قرار ندارد و مکان خاصی را اشغال نمی کند، بنابراین فضا در همه جهات و از همه مکان ها در مقیاس بزرگ یکسان به نظر می رسد. و همان قوانین فیزیک که بر روی زمین اعمال می شود در سراسر کیهان بدون توجه به زمان اعمال می شود.

بنابراین، آنچه بشر امروز مشاهده می کند می تواند برای توضیح گذشته، حال یا برای کمک به پیش بینی رویدادهای آینده در طبیعت استفاده شود، صرف نظر از اینکه این پدیده چقدر دور است.

باور نکردنی است، مردم هر چه جلوتر به آسمان نگاه می کنند، بیشتر به گذشته نگاه می کنند. این اجازه می دهد تا یک نمای کلی از کهکشان ها در زمانی که بسیار جوانتر بودند، به طوری که ما بتوانیم نحوه تکامل آنها را در رابطه با کهکشان هایی که نزدیک تر و بنابراین بسیار مسن تر هستند، درک کنیم. البته بشریت نمی تواند کهکشان های یکسانی را در مراحل مختلف رشد خود ببیند. اما فرضیه‌های خوبی می‌تواند مطرح شود و کهکشان‌ها را بر اساس آنچه مشاهده می‌کنند به دسته‌هایی دسته‌بندی کنند.

اعتقاد بر این است که اولین ستارگان اندکی پس از آغاز جهان از ابرهای گازی تشکیل شده اند. مدل استاندارد بیگ بنگ نشان می دهد که می توان اولین کهکشان های پر از اجسام داغ جوان را یافت که به این سیستم ها رنگ آبی می دهند. مدل همچنین این را پیش بینی می کندستارگان اول تعدادشان بیشتر بود اما کوچکتر از ستاره های مدرن. و این که سیستم ها به صورت سلسله مراتبی به اندازه فعلی خود رشد کردند زیرا کهکشان های کوچک در نهایت جهان های جزیره ای بزرگ را تشکیل دادند.

جالب اینجاست که بسیاری از این پیش بینی ها تایید شده اند. برای مثال، در سال 1995، زمانی که تلسکوپ فضایی هابل برای اولین بار به اعماق آغاز زمان نگاه کرد، متوجه شد که جهان جوان پر از کهکشان های آبی کم رنگ است که سی تا پنجاه برابر کوچکتر از کهکشان راه شیری است.

مدل استاندارد بیگ بنگ همچنین پیش بینی می کند که این ادغام ها هنوز ادامه دارد. بنابراین، بشریت باید شواهدی از این فعالیت را در کهکشان های همسایه نیز بیابد. متأسفانه، تا همین اواخر، شواهد کمی از ادغام پرانرژی میان ستارگان نزدیک کهکشان راه شیری وجود داشت. این یک مشکل با مدل استاندارد بیگ بنگ بود زیرا نشان می داد که درک جهان می تواند ناقص یا اشتباه باشد.

فقط در نیمه دوم قرن بیستم شواهد فیزیکی کافی برای ساختن مدل‌های معقول از چگونگی شکل‌گیری کیهان جمع‌آوری شد. سیستم استاندارد فعلی انفجار بزرگ بر اساس سه داده اصلی تجربی توسعه داده شد.

انبساط کیهان

همانند بسیاری از مدل‌های طبیعت، دستخوش پیشرفت‌های پی در پی شده و چالش‌های مهمی را ایجاد کرده است که به تحقیقات بیشتر دامن می‌زند.

یکی از جنبه های جذاب کیهان شناسیمدل‌سازی این است که تعدادی تعادل از پارامترها را نشان می‌دهد که باید با دقت کافی برای جهان حفظ شوند.

سوالات

مدل استاندارد کیهان شناسی جهان یک انفجار بزرگ است. و در حالی که شواهد حمایت از او بسیار زیاد است، او بدون مشکل نیست. ترفیل در کتاب "لحظه آفرینش" این سوالات را به خوبی نشان می دهد:

1. مسئله پادماده.
2. پیچیدگی شکل گیری کهکشان.
3. مشکل Horizon.
4. یک سوال مسطح بودن.

مسئله ضد ماده

پس از شروع دوران ذرات. هیچ فرآیند شناخته شده ای وجود ندارد که بتواند تعداد ذرات موجود در جهان را تغییر دهد. زمانی که فضا چند میلی ثانیه قدیمی شد، تعادل بین ماده و پادماده برای همیشه ثابت شد.

بخش اصلی مدل استاندارد ماده در جهان، ایده تولید جفت است. این نشان دهنده تولد دو برابر شدن الکترون-پوزیترون است. نوع معمول برهمکنش بین پرتوهای ایکس یا پرتوهای گاما با عمر بالا و اتم‌های معمولی، بیشتر انرژی فوتون را به یک الکترون و پادذره آن، پوزیترون تبدیل می‌کند. جرم ذرات از رابطه انیشتین E=mc² پیروی می کنند. پرتگاه تولید شده دارای تعداد مساوی الکترون و پوزیترون است. بنابراین، اگر همه فرآیندهای تولید انبوه جفت شوند، دقیقاً همان مقدار ماده و پادماده در جهان وجود خواهد داشت.

واضح است که نوعی عدم تقارن در نحوه ارتباط طبیعت با ماده وجود دارد. یکی از زمینه های امیدوارکننده تحقیقنقض تقارن CP در فروپاشی ذرات توسط اندرکنش ضعیف است. اثبات تجربی اصلی تجزیه کائون های خنثی است. آنها یک نقض جزئی از تقارن SR را نشان می دهند. با تجزیه کائون ها به الکترون، بشریت تمایز واضحی بین ماده و پادماده دارد و این ممکن است یکی از کلیدهای غلبه ماده در جهان باشد.

کشف جدید در برخورددهنده بزرگ هادرون - تفاوت در نرخ واپاشی مزون D و پادذره آن 0.8٪ است که می تواند کمک دیگری به حل مسئله پادماده باشد.

مشکل شکل گیری کهکشان

بی نظمی های تصادفی در جهان در حال انبساط برای تشکیل ستاره ها کافی نیست. در حضور انبساط سریع، کشش گرانشی آنقدر کند است که کهکشان‌ها نمی‌توانند با هر الگوی معقولی از تلاطم ایجاد شده توسط خود انبساط شکل بگیرند. این سوال که ساختار بزرگ مقیاس جهان چگونه می‌توانست پدید آمده باشد، یک مشکل عمده حل نشده در کیهان‌شناسی بوده است. بنابراین، دانشمندان مجبورند برای توضیح وجود کهکشان ها به یک دوره زمانی حداکثر 1 میلی ثانیه نگاه کنند.

مشکل Horizon

تابش پس‌زمینه مایکروویو از جهت‌های مخالف در آسمان با دمای یکسان در ۰.۰۱٪ مشخص می‌شود. اما مساحت فضایی که آنها از آن تابش می کردند 500 هزار سال زمان عبور سبک تر بود. و بنابراین آنها نمی توانستند با یکدیگر ارتباط برقرار کنند تا تعادل گرمایی ظاهری برقرار کنند - آنها در خارج بودندافق.

به این وضعیت «مسئله همسانگردی» نیز می گویند زیرا تابش پس زمینه که از همه جهات در فضا حرکت می کند تقریباً همسانگرد است. یک راه برای طرح این سوال این است که بگوییم دمای بخش هایی از فضا در جهت مخالف زمین تقریباً یکسان است. اما اگر نتوانند ارتباط برقرار کنند چگونه می توانند با یکدیگر در تعادل حرارتی باشند؟ اگر محدودیت زمانی بازگشت 14 میلیارد سال را در نظر بگیریم که از ثابت هابل 71 کیلومتر بر ثانیه در مگاپارسک، همانطور که توسط WMAP پیشنهاد شده است، متوجه می‌شویم که این بخش‌های دوردست کیهان 28 میلیارد سال نوری از هم فاصله دارند. پس چرا آنها دقیقاً دمای یکسانی دارند؟

برای درک مشکل افق فقط باید دو برابر جهان سن داشته باشید، اما همانطور که شرام اشاره می کند، اگر از منظر قبلی به مشکل نگاه کنید، این مسئله حتی جدی تر می شود. در زمانی که فوتون‌ها واقعاً گسیل شدند، 100 برابر سن جهان یا 100 برابر از کار افتاده بودند.

این مشکل یکی از جهاتی است که منجر به فرضیه تورمی شد که آلن گوث در اوایل دهه 1980 مطرح کرد. پاسخ به سوال افق از نظر تورم این است که در همان ابتدای فرآیند بیگ بنگ دوره ای از تورم فوق العاده سریع وجود داشت که اندازه کیهان را 10²⁰ یا افزایش داد. 10³⁰ . این بدان معنی است که فضای قابل مشاهده در حال حاضر در داخل این پسوند است. تشعشعی که می توان دید همسانگرد است،زیرا تمام این فضا از یک حجم کوچک "باد" شده و شرایط اولیه تقریباً یکسانی دارد. این راهی است برای توضیح اینکه چرا بخش‌هایی از جهان آنقدر دور هستند که هرگز نمی‌توانند با یکدیگر ارتباط برقرار کنند.

مشکل صافی

شکل گیری مدل کیهانی مدرن کیهان بسیار گسترده است. مشاهدات نشان می دهد که مقدار ماده در فضا مطمئناً بیش از یک دهم و مطمئناً کمتر از مقدار بحرانی مورد نیاز برای توقف انبساط است. در اینجا یک تشبیه خوب وجود دارد - توپی که از زمین پرتاب می شود کند می شود. با همان سرعت یک سیارک کوچک، هرگز متوقف نخواهد شد.

در شروع این پرتاب نظری از سیستم، ممکن است به نظر برسد که با سرعت مناسبی پرتاب شده است تا برای همیشه حرکت کند، و در یک فاصله بی نهایت به صفر کاهش می یابد. اما با گذشت زمان بیشتر و بیشتر آشکار شد. اگر کسی پنجره سرعت را حتی به مقدار کمی از دست داد، پس از 20 میلیارد سال سفر، باز هم به نظر می رسید که توپ با سرعت مناسب پرتاب شده است.

هر گونه انحراف از صافی در طول زمان اغراق آمیز است، و در این مرحله از جهان، بی نظمی های کوچک باید به طور قابل توجهی افزایش می یافت. اگر چگالی کیهان کنونی بسیار نزدیک به بحرانی به نظر می‌رسد، پس باید در دوره‌های قبلی حتی نزدیک‌تر به مسطح بوده باشد. آلن گوث سخنرانی رابرت دیک را یکی از تأثیراتی می داند که او را در مسیر تورم قرار داده است. رابرت به آن اشاره کردمسطح بودن مدل کیهانی کنونی جهان مستلزم آن است که پس از انفجار بزرگ در 10 تا 14 بار در ثانیه به یک قسمت مسطح باشد. کافمن پیشنهاد می کند که بلافاصله پس از آن، چگالی باید برابر با بحرانی باشد، یعنی تا 50 رقم اعشار.

در اوایل دهه 1980، آلن گوث پیشنهاد کرد که پس از زمان پلانک 10^–43 ثانیه، دوره کوتاهی از گسترش بسیار سریع وجود دارد. این مدل تورمی راهی برای مقابله با مشکل همواری و مسئله افق بود. اگر جهان بین 20 تا 30 مرتبه بزرگی متورم می‌شد، پس ویژگی‌های یک حجم بسیار کوچک، که می‌توان آن را کاملاً محدود در نظر گرفت، در سراسر جهان شناخته‌شده امروزی منتشر می‌شد که هم به صافی شدید و هم به ماهیت بسیار همسانگرد کمک می‌کرد.

اینگونه می توان مدل های کیهان شناسی مدرن جهان را به اختصار توصیف کرد.