Ang modelong kosmolohikal ng Uniberso ay isang paglalarawang matematikal na sumusubok na ipaliwanag ang mga dahilan ng kasalukuyang pag-iral nito. Inilalarawan din nito ang ebolusyon sa paglipas ng panahon.
Ang mga modernong cosmological na modelo ng Uniberso ay batay sa pangkalahatang teorya ng relativity. Ito ang kasalukuyang nagbibigay ng pinakamahusay na representasyon para sa isang malawakang paliwanag.
Ang unang batay sa agham na modelo ng kosmolohiya ng Uniberso
Mula sa kanyang teorya ng pangkalahatang relativity, na isang hypothesis ng gravity, sumulat si Einstein ng mga equation na namamahala sa isang kosmos na puno ng bagay. Ngunit naisip ni Albert na dapat itong maging static. Kaya ipinakilala ni Einstein ang isang terminong tinatawag na constant cosmological model ng uniberso sa kanyang mga equation para makuha ang resulta.
Kasunod nito, dahil sa sistema ni Edwin Hubble, babalik siya sa ideyang ito at kikilalanin na epektibong mapalawak ang kosmos. Eksaktoang Uniberso ay parang nasa modelong kosmolohiya ni A. Einstein.
Mga bagong hypotheses
Di-nagtagal pagkatapos niya, ang Dutchman de Sitter, ang Russian developer ng cosmological model ng Universe Friedman at ang Belgian Lemaitre ay nagpapakita ng mga non-static na elemento sa paghatol ng mga connoisseurs. Kailangan ang mga ito upang malutas ang mga equation ng relativity ni Einstein.
Kung ang de Sitter cosmos ay tumutugma sa isang walang laman na constant, ayon sa Friedmann cosmological model, ang Uniberso ay nakasalalay sa density ng bagay sa loob nito.
Pangunahing hypothesis
Walang dahilan para tumayo ang Earth sa gitna ng kalawakan o sa anumang magandang lokasyon.
Ito ang unang teorya ng classical cosmological model ng uniberso. Ayon sa hypothesis na ito, ang uniberso ay itinuturing bilang:
- Homogeneous, ibig sabihin, mayroon itong parehong mga katangian sa lahat ng dako sa isang cosmological scale. Siyempre, sa mas maliit na eroplano, may iba't ibang sitwasyon kung titingnan mo, halimbawa, sa Solar System o sa isang lugar sa labas ng Galaxy.
- Isotropic, ibig sabihin, palagi itong may parehong mga katangian sa bawat direksyon, kahit saan tumingin ang isang tao. Lalo na dahil hindi naka-flatten ang espasyo sa isang direksyon.
Ang pangalawang kinakailangang hypothesis ay ang pagiging pangkalahatan ng mga batas ng pisika. Ang mga panuntunang ito ay pareho saanman at sa lahat ng oras.
Ang pagsasaalang-alang sa nilalaman ng uniberso bilang isang perpektong likido ay isa pang hypothesis. Ang mga katangiang dimensyon ng mga bahagi nito ay hindi gaanong mahalaga kumpara sa mga distansyang naghihiwalay sa kanila.
Parameter
Maraming nagtatanong: "Ilarawan ang modelong kosmolohiyaSansinukob." Upang gawin ito, alinsunod sa nakaraang hypothesis ng Friedmann-Lemaitre system, tatlong parameter ang ginagamit na ganap na nagpapakilala sa ebolusyon:
- Hubble constant na kumakatawan sa rate ng expansion.
- Ang parameter ng mass density, na sumusukat sa ratio sa pagitan ng ρ ng inimbestigahang Universe at isang partikular na density, ay tinatawag na kritikal na ρc, na nauugnay sa Hubble constant. Ang kasalukuyang halaga ng parameter na ito ay minarkahan Ω0.
- Ang cosmological constant, na may markang Λ, ay ang kabaligtaran na puwersa sa gravity.
Ang density ng matter ay isang pangunahing parameter para sa paghula sa ebolusyon nito: kung ito ay napaka-impenetrable (Ω0> 1), magagawang talunin ng gravity ang expansion at ang babalik ang kosmos sa orihinal nitong estado.
Kung hindi, ang pagtaas ay magpapatuloy magpakailanman. Upang suriin ito, ilarawan ang modelong kosmolohikal ng Uniberso ayon sa teorya.
Ito ay intuitively malinaw na ang isang tao ay maaaring mapagtanto ang ebolusyon ng kosmos alinsunod sa dami ng bagay sa loob.
Maraming bilang ang hahantong sa isang saradong uniberso. Magtatapos ito sa paunang estado nito. Ang isang maliit na halaga ng bagay ay hahantong sa isang bukas na uniberso na may walang katapusang paglawak. Ang value na Ω0=1 ay humahantong sa isang espesyal na kaso ng flat space.
Ang kahulugan ng critical density ρc ay humigit-kumulang 6 x 10–27 kg/m3, ibig sabihin, dalawang hydrogen atoms bawat metro kubiko.
Ang napakababang figure na ito ay nagpapaliwanag kung bakit modernoang modelong kosmolohikal ng istruktura ng uniberso ay nagpapalagay ng walang laman na espasyo, at hindi ito masyadong masama.
Sarado o bukas na uniberso?
Ang density ng matter sa loob ng uniberso ang tumutukoy sa geometry nito.
Para sa mataas na impermeability, maaari kang makakuha ng closed space na may positibong curvature. Ngunit sa density sa ibaba ng kritikal, lilitaw ang isang bukas na uniberso.
Dapat tandaan na ang saradong uri ay kinakailangang may tapos na laki, habang ang patag o bukas na uniberso ay maaaring may hangganan o walang katapusan.
Sa pangalawang kaso, ang kabuuan ng mga anggulo ng tatsulok ay mas mababa sa 180°.
Sa isang saradong (halimbawa, sa ibabaw ng Earth) ang figure na ito ay palaging mas mataas sa 180°.
Lahat ng sukat sa ngayon ay nabigo na ipakita ang kurbada ng espasyo.
Mga modelo ng kosmolohiya ng Uniberso sa madaling sabi
Muling kinumpirma ng mga sukat ng fossil radiation gamit ang Boomerang ball ang flat space hypothesis.
Ang hypothesis ng flat space ay sumasang-ayon sa pang-eksperimentong data.
Ang mga pagsukat na ginawa ng WMAP at ng Planck satellite ay nagpapatunay sa hypothesis na ito.
Kaya ang uniberso ay magiging patag. Ngunit ang katotohanang ito ay naglalagay ng sangkatauhan bago ang dalawang katanungan. Kung ito ay patag, nangangahulugan ito na ang density ng sangkap ay katumbas ng kritikal na Ω0=1. Ngunit, ang pinakamalaki at nakikitang bagay sa uniberso ay 5% lamang ng ipenetrability na ito.
Tulad ng pagsilang ng mga kalawakan, kailangang bumalik muli sa madilim na bagay.
Edad ng Uniberso
Maaari ang mga siyentipikoipakita na ito ay proporsyonal sa kapalit ng Hubble constant.
Kaya, ang eksaktong kahulugan ng pare-parehong ito ay isang kritikal na problema para sa kosmolohiya. Ipinapakita ng mga kamakailang sukat na ang kosmos ay nasa pagitan na ngayon ng 7 at 20 bilyong taon.
Ngunit ang uniberso ay dapat na mas matanda kaysa sa mga pinakalumang bituin nito. At sila ay tinatayang nasa pagitan ng 13 at 16 bilyong taong gulang.
Humigit-kumulang 14 bilyong taon na ang nakalilipas, nagsimulang lumawak ang uniberso sa lahat ng direksyon mula sa isang walang katapusang maliit na siksik na punto na kilala bilang singularity. Ang kaganapang ito ay kilala bilang Big Bang.
Sa loob ng unang ilang segundo ng pagsisimula ng mabilis na inflation, na nagpatuloy sa susunod na daan-daang libong taon, lumitaw ang mga pangunahing particle. Na sa kalaunan ay bubuo ng bagay, ngunit, tulad ng alam ng sangkatauhan, hindi pa ito umiiral. Sa panahong ito, ang Uniberso ay malabo, puno ng napakainit na plasma at malakas na radiation.
Gayunpaman, habang lumalawak ito, unti-unting bumababa ang temperatura at density nito. Sa kalaunan ay pinalitan ng plasma at radiation ang hydrogen at helium, ang pinakasimple, pinakamagaan, at pinakamaraming elemento sa uniberso. Ang gravity ay tumagal ng ilang daang milyong dagdag na taon upang pagsamahin ang mga free-floating na atom na ito sa primordial gas kung saan lumitaw ang mga unang bituin at galaxy.
Ang paliwanag na ito ng simula ng panahon ay hinango sa karaniwang modelo ng Big Bang cosmology, na kilala rin bilang Lambda system - cold dark matter.
Cosmological modelo ng Universe ay batay sa direktang mga obserbasyon. May kakayahan silang gawinmga hula na maaaring kumpirmahin ng mga susunod na pag-aaral at umasa sa pangkalahatang relativity dahil ang teoryang ito ay nagbibigay ng pinakamahusay na akma sa naobserbahang malakihang pag-uugali. Nakabatay din ang mga modelong kosmolohikal sa dalawang pangunahing pagpapalagay.
Ang Earth ay hindi matatagpuan sa gitna ng uniberso at hindi sumasakop sa isang espesyal na lugar, kaya ang kalawakan ay mukhang pareho sa lahat ng direksyon at mula sa lahat ng mga lugar sa malaking sukat. At ang parehong mga batas ng pisika na nalalapat sa Earth ay nalalapat sa buong kosmos anuman ang oras.
Kaya, ang naoobserbahan ng sangkatauhan ngayon ay magagamit para ipaliwanag ang nakaraan, kasalukuyan o tumulong sa paghula ng mga mangyayari sa hinaharap sa kalikasan, gaano man kalayo ang kababalaghang ito.
Hindi kapani-paniwala, habang tumitingin ang mga tao sa langit, mas tumitingin sila sa nakaraan. Ito ay nagbibigay-daan sa isang pangkalahatang pangkalahatang-ideya ng mga Galaxies noong sila ay mas bata pa, upang mas maunawaan natin kung paano sila umunlad kaugnay sa mga mas malapit at samakatuwid ay mas matanda. Siyempre, hindi makikita ng sangkatauhan ang parehong mga Kalawakan sa iba't ibang yugto ng pag-unlad nito. Ngunit maaaring magkaroon ng magagandang hypotheses, na pinagsasama-sama ang mga Galaxies sa mga kategorya batay sa kanilang naobserbahan.
Ang mga unang bituin ay pinaniniwalaang nabuo mula sa mga ulap ng gas ilang sandali pagkatapos ng simula ng uniberso. Iminumungkahi ng Standard Big Bang Model na posibleng mahanap ang pinakamaagang mga galaxy na puno ng mga batang mainit na katawan na nagbibigay sa mga system na ito ng asul na tint. Ang modelo ay hinuhulaan din iyonang mga unang bituin ay mas marami, ngunit mas maliit kaysa sa mga modernong bituin. At na ang mga sistema ay hierarchically lumaki sa kanilang kasalukuyang laki habang ang maliliit na kalawakan sa kalaunan ay bumuo ng malalaking isla universe.
Nakakatuwa, marami sa mga hulang ito ang nakumpirma na. Halimbawa, noong 1995, nang unang tumingin ang Hubble Space Telescope sa simula ng panahon, natuklasan nito na ang batang uniberso ay puno ng malabong asul na mga kalawakan nang tatlumpu hanggang limampung beses na mas maliit kaysa sa Milky Way.
Ang Standard Big Bang Model ay hinuhulaan din na ang mga pagsasanib na ito ay nagpapatuloy pa rin. Samakatuwid, ang sangkatauhan ay dapat makahanap ng ebidensya ng aktibidad na ito sa mga kalapit na kalawakan din. Sa kasamaang palad, hanggang kamakailan lamang, mayroong maliit na katibayan ng masiglang pagsasanib sa mga bituin na malapit sa Milky Way. Ito ay isang problema sa karaniwang modelo ng big bang dahil iminungkahi nito na ang pag-unawa sa uniberso ay maaaring hindi kumpleto o mali.
Tanging sa ikalawang kalahati ng ika-20 siglo ay sapat na ang pisikal na ebidensyang naipon upang makagawa ng mga makatwirang modelo kung paano nabuo ang kosmos. Ang kasalukuyang karaniwang big bang system ay binuo batay sa tatlong pangunahing pang-eksperimentong data.
Pagpapalawak ng Uniberso
Tulad ng karamihan sa mga modelo ng kalikasan, ito ay sumailalim sa sunud-sunod na mga pagpapabuti at nakagawa ng mga makabuluhang hamon na nagpapasigla sa karagdagang pananaliksik.
Isa sa mga kaakit-akit na aspeto ng cosmologicalAng pagmomodelo ay ang pagpapakita nito ng ilang balanse ng mga parameter na dapat mapanatili nang tumpak para sa uniberso.
Mga Tanong
Ang karaniwang modelo ng kosmolohiya ng uniberso ay isang malaking putok. At habang napakalaki ng ebidensyang sumusuporta sa kanya, wala siyang problema. Mahusay na ipinakita ni Trefil sa aklat na "The Moment of Creation" ang mga tanong na ito:
- Ang problema ng antimatter.
- Ang pagiging kumplikado ng pagbuo ng Galaxy.
- Problema sa Horizon.
- Isang tanong ng pagiging patag.
Ang Problema sa Antimatter
Pagkatapos ng simula ng panahon ng butil. Walang alam na proseso na maaaring magbago sa dami ng mga particle sa uniberso. Sa oras na wala na sa panahon ang espasyo ng millisecond, ang balanse sa pagitan ng matter at antimatter ay naayos nang tuluyan.
Ang pangunahing bahagi ng karaniwang modelo ng bagay sa uniberso ay ang ideya ng paggawa ng pares. Ito ay nagpapakita ng pagsilang ng electron-positron doubles. Ang karaniwang uri ng interaksyon sa pagitan ng mga high life x-ray o gamma ray at mga tipikal na atom ay nagko-convert ng karamihan sa enerhiya ng photon sa isang electron at ang antiparticle nito, ang positron. Ang mga masa ng butil ay sumusunod sa ugnayan ni Einstein na E=mc2. Ang ginawang kailaliman ay may pantay na bilang ng mga electron at positron. Samakatuwid, kung ang lahat ng proseso ng mass production ay ipares, magkakaroon ng eksaktong parehong dami ng matter at antimatter sa Universe.
Malinaw na mayroong ilang kawalaan ng simetrya sa paraan na nauugnay ang kalikasan sa bagay. Isa sa mga promising na lugar ng pananaliksikay ang paglabag sa CP symmetry sa pagkabulok ng mga particle sa pamamagitan ng mahinang interaksyon. Ang pangunahing pang-eksperimentong patunay ay ang agnas ng mga neutral na kaon. Nagpapakita sila ng kaunting paglabag sa SR symmetry. Sa pagkabulok ng mga kaon sa mga electron, ang sangkatauhan ay may malinaw na pagkakaiba sa pagitan ng matter at antimatter, at ito ay maaaring isa sa mga susi sa pamamayani ng matter sa uniberso.
Bagong pagtuklas sa Large Hadron Collider - ang pagkakaiba sa rate ng pagkabulok ng D-meson at ang antiparticle nito ay 0.8%, na maaaring isa pang kontribusyon sa paglutas ng isyu ng antimatter.
The Galaxy Formation Problem
Ang mga random na iregularidad sa lumalawak na uniberso ay hindi sapat upang bumuo ng mga bituin. Sa pagkakaroon ng mabilis na paglawak, ang gravitational pull ay masyadong mabagal para mabuo ang mga kalawakan na may anumang makatwirang pattern ng turbulence na nilikha ng mismong pagpapalawak. Ang tanong kung paano lumitaw ang malakihang istraktura ng uniberso ay isang pangunahing hindi nalutas na problema sa kosmolohiya. Samakatuwid, ang mga siyentipiko ay napipilitang tumingin sa isang yugto ng hanggang 1 millisecond upang ipaliwanag ang pagkakaroon ng mga galaxy.
Problema sa Horizon
Microwave background radiation mula sa magkasalungat na direksyon sa kalangitan ay nailalarawan sa parehong temperatura sa loob ng 0.01%. Ngunit ang lugar ng espasyo mula sa kung saan sila ay radiated ay 500 libong taon mas magaan na oras ng transit. At kaya hindi sila maaaring makipag-usap sa isa't isa upang magtatag ng maliwanag na thermal equilibrium - nasa labas silaabot-tanaw.
Tinatawag ding "isotropy problem" ang sitwasyong ito dahil halos isotropic ang background radiation na gumagalaw mula sa lahat ng direksyon sa kalawakan. Ang isang paraan upang ilagay ang tanong ay ang sabihin na ang temperatura ng mga bahagi ng espasyo sa magkasalungat na direksyon mula sa Earth ay halos pareho. Ngunit paano sila magiging nasa thermal equilibrium sa isa't isa kung hindi sila makapag-usap? Kung isasaalang-alang ng isa ang limitasyon sa oras ng pagbabalik na 14 bilyong taon, na nagmula sa Hubble constant na 71 km/s bawat megaparsec, gaya ng iminungkahi ng WMAP, napansin ng isa na ang malalayong bahagi ng uniberso ay 28 bilyong light years ang pagitan. Kaya bakit eksaktong pareho ang temperatura nila?
Kailangan mo lamang na dalawang beses ang edad ng uniberso upang maunawaan ang abot-tanaw na problema, ngunit tulad ng itinuturo ni Schramm, kung titingnan mo ang problema mula sa isang mas maagang pananaw, ito ay nagiging mas seryoso. Sa oras na aktwal na inilabas ang mga photon, magiging 100 beses ang edad ng mga ito sa uniberso, o 100 beses na sanhi ng kapansanan.
Ang problemang ito ay isa sa mga direksyon na humantong sa inflationary hypothesis na iniharap ni Alan Guth noong unang bahagi ng 1980s. Ang sagot sa tanong sa abot-tanaw sa mga tuntunin ng inflation ay na sa simula pa lamang ng proseso ng Big Bang ay may panahon ng napakabilis na inflation na nagpalaki sa laki ng uniberso ng 1020 o 1030 . Nangangahulugan ito na ang nakikitang espasyo ay kasalukuyang nasa loob ng extension na ito. Ang radiation na makikita ay isotropic,dahil ang lahat ng puwang na ito ay "napalaki" mula sa isang maliit na volume at may halos magkaparehong mga paunang kondisyon. Isa itong paraan ng pagpapaliwanag kung bakit napakalayo ng mga bahagi ng uniberso na hinding-hindi sila maaaring makipag-usap sa isa't isa.
Ang problema sa pagiging patag
Ang pagbuo ng modernong modelong kosmolohiya ng Uniberso ay napakalawak. Ipinapakita ng mga obserbasyon na ang dami ng bagay sa kalawakan ay tiyak na higit sa isang-ikasampu at tiyak na mas mababa kaysa sa kritikal na halaga na kailangan upang ihinto ang paglawak. Mayroong magandang pagkakatulad dito - ang bola na itinapon mula sa lupa ay bumagal. Sa parehong bilis ng isang maliit na asteroid, hindi ito titigil.
Sa simula ng theoretical throw na ito mula sa system, maaaring lumitaw na ito ay itinapon sa tamang bilis upang pumunta magpakailanman, bumagal sa zero sa isang walang katapusang distansya. Ngunit sa paglipas ng panahon ay lalo itong naging halata. Kung sinuman ang nakaligtaan ang window ng bilis kahit sa maliit na halaga, pagkatapos ng 20 bilyong taon ng paglalakbay, tila ang bola ay naibato sa tamang bilis.
Anumang mga paglihis mula sa flatness ay pinalalaki sa paglipas ng panahon, at sa yugtong ito ng uniberso, dapat na tumaas nang malaki ang maliliit na iregularidad. Kung ang density ng kasalukuyang kosmos ay tila napakalapit sa kritikal, kung gayon ito ay dapat na mas malapit sa patag sa mga naunang panahon. Kinikilala ni Alan Guth ang panayam ni Robert Dicke bilang isa sa mga impluwensyang naglagay sa kanya sa landas ng inflation. Itinuro iyon ni Robertang flatness ng kasalukuyang cosmological model ng uniberso ay mangangailangan na maging flat ito sa isang bahagi sa loob ng 10–14 na beses bawat segundo pagkatapos ng big bang. Iminumungkahi ni Kaufmann na kaagad pagkatapos nito, ang density ay dapat na katumbas ng kritikal, iyon ay, hanggang sa 50 decimal na lugar.
Noong unang bahagi ng 1980s, iminungkahi ni Alan Guth na pagkatapos ng oras ng Planck na 10–43 segundo, nagkaroon ng maikling panahon ng napakabilis na paglawak. Ang inflationary model na ito ay isang paraan ng pagharap sa parehong problema sa flatness at sa horizon na isyu. Kung ang uniberso ay lumaki ng 20 hanggang 30 order ng magnitude, kung gayon ang mga katangian ng isang napakaliit na volume, na maaaring ituring na mahigpit na nakagapos, ay pinalaganap sa buong kilalang uniberso ngayon, na nag-aambag sa parehong matinding flatness at isang sobrang isotropic na kalikasan.
Ganito maaaring mailarawan nang maikli ang mga modernong modelo ng kosmolohiya ng Uniberso.
