Строгое математическое решение сформулированной задачи показало нетривиальный результат: 
Вселенная может быть стационарной, но если только она (Вселенная) имеет конечные размеры, но неограниченна.

Как же тело может быть конечным, но не иметь  границ?  
Возьмите сферу - площадь ее конечна, но как определить границу сферы? Ее нет. По аналогии можно представить себе, что существует некое четырехмерное пространство (какой-то гипершар), где наша Вселенная служит трехмерной границей гипершара. Если на Земле вы, двигаясь по меридиану из любой точки, вернетесь в ту же точку, то и во Вселенной Эйнштейна, двигаясь “по прямой”, вы окажетесь в исходной точке. 
Но что это за таинственные силы отталкивания и нужны ли они?

Что знали  ученые о Вселенной в 20-х годах XX века? Результаты наблюдательной астрономии позволили ученым утверждать, что Вселенная в целом однородна и изотропна.

Но  если это так, то почему ночью темно, а  не светло как днем?

Действительно, рассмотрим, сколько света поступает  от звезд. 
Разделим Вселенную на отдельные слои.

 

 
Количество звезд N в слое :N ~ 4 * p * R² 
Но светимость: Q ~ 1 / R² 
Два слоя на расстоянии R₁ и R₂ от Земли. 
В первом слое: N₁ и общая светимость Q₁ ~ N₁/R₁². 
Светимость второго слоя Q₂ ~ N₂/R₂². 
Ясно, что Q₁ = Q₂.

Поскольку слоев  бесконечно много, то и света должно быть бесконечно много. Ночью должно быть светло, как днем - вот о чем  говорит парадокс Ольберса.

Что же делать? Опять ждать гения? Но может быть, стоит и самим чуточку подумать?

Исходные посылки: Вселенная бесконечна, изотропна, однородна  и постоянна.  
Изотропность и однородность установлены точно и здесь ничего изменить нельзя.

Делаем вывод, что либо Вселенная не бесконечна, либо Вселенная изменяется со временем. 

5 вопр

И здесь на помощь приходит еще один гений - американский астроном Хаббл

В 1929 г. Хаббл  измерял скорости движения галактик. Для этого он определял так  называемое “красное смещение” - наблюдаемый в спектрах излучения галактик сдвиг спектральных линий, присущих определенным химическим элементам, в сторону более длинных волн по сравнению с их нормальными. 
И он получил следующую картину:

Скорость (v) удаления галактик в зависимости от их расстояния (R) от нашей Галактики описывается  простым выражением (Э. Хаббл, 1929)

v=HR

Постоянная Н  называется постоянной Хаббла и ее современное значение составляет около 70 км/с Мпк.

Наблюдаемое Хабблом красное  смещение означает, что объект удаляется от наблюдателя.

Итак, существующая Вселенная нестационарна, галактики убегают от нас.

Ура (ликуют все  жители Земли), значит, Земля (точнее, наша галактика) является центром Вселенной?

Ликование было недолгим, потому что опять вмешивается  наш разум и приводит простую  аналогию с воздушным шариком.

Будем надувать воздушный шарик с нарисованными  на нем точками 1, 2, 3.

Происходит “разбегание” точек 1, 2 и 3 по поверхности шара при  увеличении его размеров.

Так и во Вселенной. Все галактики разбегаются друг от друга, и конечно, возникает вопрос, почему?

ос  
 
 

4. ВОПРОС 
 

На помощь снова приходит гениальный ученый – теперь это русский ученый Фридман

В начале 20-х  годов он предложил модель нестационарной Вселенной.

Если сейчас галактики разбегаются, то вчера  они были ближе, а позавчера еще  ближе друг к другу, а значит был  момент времени t=0, когда все началось из какой-то точки. Обратите внимание, что здесь самое главное – это временная шкала, мы приходим к выводу о моменте рождения Вселенной.

Конечно, мы получаем также свидетельство, что Вселенная  была в точке (в математическом смысле, а вспомните, что есть точка в математике?), но реально никакой точки не было.

Но почему галактики  разбегаются. Предположим, что в  начальный момент времени уже  были галактики и занимали какое-то пространство.

Предположим также, что в начальный момент галактики были в покое, т.е. их скорость v=0. Тогда галактики будут притягиваются друг к другу и Вселенная будет сжиматься. 
Но если в начальный момент скорости были большими и направлены таким образом, что галактики удалялись друг от друга, то мы получим, что и в настоящее время галактики удаляются друг от друга (правда, с меньшей скоростью, поскольку тяготение "тормозит" их движение). 
Время рождения Вселенной грубо можно оценить из закона Хаббла: зная расстояние между галактиками и скорость их расхождения, можно из S=vt найти время t. После введения поправок на замедление расширения получаем время рождения Вселенной - примерно 15 млрд лет тому назад.  
Итак, был начальный момент, когда произошел "Большой Взрыв"

(Детский вопросик – Что, где и когда взорвалось?)

Иными словами, после "взрыва" частицы получают огромную начальную скорость и начинают разлетаться во все стороны. Если силы притяжения, которые стремятся  собрать частицы воедино, малы, то частицы все время будут разлетаться. Однако если силы притяжения велики, то через некоторое время они изменят знак скорости движения частиц на противоположный и частицы начнут сближаться. Ясно, что гравитационные силы зависят от плотности частиц в объеме Вселенной - чем больше плотность, тем больше силы F_тяг. Из приведенных условий ясно, что сценарий развития Вселенной зависит от плотности вещества в современную эпоху, т.е. существует критическая величина плотности r Вселенной. Открытая модель соответствует r < r_кр. Обратное неравенство справедливо для закрытой модели. По современным данным, критическая плотность вещества составляет r_кр = 5х10^-30 г/см³. Примерно такое же значение дают оценки плотности вещества во Вселенной.

Изменение размера R Вселенной с течением времени t для Вселенной с разной плотностью. 
 
 
Строгое решение задачи об эволюции (развитии) Вселенной показывает:

·  С течением времени изменяются расстояния между галактиками.

·  В прошлом был момент t=0, когда радиус шара был равен нулю, а значит плотность стремится к бесконечности (момент сингулярности).

·  При t=0 произошел "Большой взрыв", в результате которого образовалась Вселенная. 
 
 

6.ВОПРОС 

Инфляционная  модель Вселенной

[править]

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Инфляцио́нная моде́ль Вселе́нной — гипотеза о физическом состоянии и законе расширения Вселенной на ранней стадии Большого взрыва (при температуре выше 10²⁸ K), предполагающая период ускоренного по сравнению со стандартной моделью горячей Вселенной расширения.

Первый вариант  теории был предложен в 1981 году Аланом Гутом, но он встретился с серьёзными трудностями, которые были преодолены различными видоизменениями сценария, начиная с предложенной Андреем Линде в 1982 модели хаотической инфляции. 

Некоторые космологи предполагают, что сложнейшая Вселенная возникла буквально из «ничего». Однако само это «ничто» представляет  собой квантовомеханический вакуум (на рисунке изображенный в виде сложной машины), для описания которого требуются многие страницы сложных математических выкладок. 

Помимо вопроса  о происхождении Вселенной, современные  космологи сталкиваются с рядом  других проблем.

Чтобы стандартная  теория Большого взрыва могла предсказать  то распределение материи, которое  мы наблюдаем, ее исходное состояние  должно характеризоваться очень высокой степенью организованности. Сразу же возникает вопрос: каким образом такая структура могла образоваться? Физик А. Гут из Массачусетского технологического института предложил свою версию теории большого взрыва, которая объясняет спонтанное возникновение этой организации, устраняя необходимость искусственно вводить точные параметры в уравнения, описывающие исходное состояние Вселенной. Его модель была названа «инфляционной Вселенной». Суть ее в том, что внутри быстро расширяющейся, перегретой Вселенной небольшой участок пространства охлаждается и начинает расширяться сильнее, подобно тому, как переохлажденная вода стремительно замерзает, расширяясь при этом. Эта фаза быстрого расширения позволяет устранить некоторые проблемы, присущие стандартным теориям большого взрыва.

Однако модель Гута тоже не лишена недостатков. Чтобы  уравнения Гута  правильно описывали инфляционную Вселенную, ему пришлось очень точно задавать исходные параметры для своих уравнений. Таким образом, он столкнулся с той же проблемой, что и создатели других теорий. Он надеялся избавиться от необходимости задавать точные параметры условий большого взрыва, но для этого ему пришлось вводить собственную параметризацию, оставшуюся необъясненной. Гут и его соавтор П. Штайнгарт признают, что в их модели «расчеты приводят к приемлемым предсказаниям только в том случае, если заданные исходные параметры уравнений варьируют в очень узком диапазоне. Большинство теоретиков (включая и нас самих) считают подобные исходные условия маловероятными». Далее авторы говорят о своих надеждах на то, что когда-нибудь будут разработаны новые математические теории, которые позволят им сделать свою модель более правдоподобной.

Эта зависимость  от еще не открытых теорий — другой недостаток модели Гута. Теория единого поля, на которой основывается модель инфляционной Вселенной, полностью гипотетична и «плохо поддается экспериментальной проверке, так как большую часть ее предсказаний невозможно количественно проверить в лабораторных условиях». (Теория единого поля — это достаточно сомнительная попытка ученых связать воедино некоторые основные силы Вселенной.) 
 
 
 

Теория  горячей Вселенной - теория физических процессов во Вселенной, которая расширяется, по которой в прошлом Вселенная имел гораздо большую чем сегодня плотность материи и очень высокую температуру.Первым эту теорию предложил Джордж Гамов в 1948 для объяснения распространенности химических элементов и их изотопов.

В начале расширения Вселенной при большой температуре  в условиях термодинамического равновесия с веществом должно было находиться электромагнитное излучение. По мере расширения вещество и излучение охлаждаются, и до сегодняшнего времени во Вселенной должно существовать низкотемпературное излучение (его называют "микроволновым фоновым излучением" или реликтовым излучением), для которого вещество сегодняшнего Вселенной практически прозрачна. Существование во Вселенной такого излучения, которое имеет температуру всего несколько кельвинов, было предусмотрено Джорджем Гамовым.

В 1964 г. Дорошкевич А.Г. и Новиков И.Д. впервые рассчитали широкий спектр плотности электромагнитного излучения от всех источников во Вселенной, эволюционирует (включая радиогалактики и звезды) и показали, что в области сантиметровых и миллиметровых волн интенсивность реликтового излучения с температурой около 1К и выше будет на много порядков превышать излучения отдельных источников, и оно может быть экспериментально обнаружено. Реликтовое излучение было экспериментально открыто Пензиас А. и Вильсоном Р. В 1965 году на длине волны 7,3 см. Экспериментальное наблюдение реликтового излучения стало решающим фактором, который подтвердил справедливость гипотезы о высокой первичную температуру Вселенной. Последующие исследования показали, что реликтовое излучение действительно является равновесным, как и предполагала теория, и имеет температуру 2,7 К. В далеком прошлом плотность излучения была больше плотность. Действительно, с расширением Вселенной энергия каждого кванта уменьшается пропорционально его частоте через красное смещение, т.е. пропорционально увеличению пространственных масштабов.

При очень большой  плотностью и температурах все процессы взаимодействия частиц протекают чрезвычайно  быстро, гораздо быстрее изменения  физических условий вследствие расширения Вселенной, и поэтому мы термодинамическую равновесие между всеми сортами частиц (и их античасток), которые могут рождаться при энергиях, соответствующих данной температуры.