Структурной  единицей Вселенной является звезда. В астрономии различают  семь классов звезд по их  яркости: от  голубых, температура  которых около 50 тысяч К, до красных, температура их  около  3 000 К.  Солнце – звезда желтая,  его температура около 6000 К.

Звездные скопления – это гравитационно-связанные  группы звезд общего происхождения, содержащие от нескольких десятков до миллиона звезд.  Например, Плеяды.

Галактики – это гравитационно-связанные звездные системы диаметром  5-50 килопарсек, (1 парсек = 3,263св.г.),  содержащие от  10⁶  до 10¹³  звезд.

Войды – самые  крупные  пространственные  неоднородности в распределении галактик, имеют форму цепочек  или  волокон, галактики образуют  стенки этих  цепочек.   Внутри каждого войда  плотность галактик мала, они сосредоточены в основном в волокнах стенок. Длина  войда около 100Мпк, толщина волокон – около 10 Мпк.

Метагалактика – это обширная  инструментально  доступная область материального  мира,  эмпирическая  информация  о  которой получена  при помощи  астрономических  наблюдений.  Метагалактика однородна и изотропна, так как  более крупных структур, чем  войды, пока  не обнаружено. Равномерность распределения войдов  подтверждается подсчетами  числа  радиоисточников, малостью случайных скоростей галактик, не входящих в крупные скопления,  изотропией рентгеновского излучения от множества случайных  источников.

Астрономические наблюдения показывают, что  вещества во Вселенной  гораздо больше, чем реально видимого.  Звёзды и другие  объекты  излучают свет и другое электромагнитное излучение. Это «светящаяся» масса Вселенной, а по скорости газовых облаков,  вращающихся по орбитам вокруг  галактик,  можно вычислить общую массу галактики, используя закон Ньютона.  Общая масса  Вселенной  почти в  10 раз превышает «светящуюся». Это «тёмная материя» – неизвестный вид вещества.  Впервые  об этом заговорили после работ  Ф. Цвикки, проведенных в 1933 г.

Гипотеза  предполагает два типа «тёмной» материи: 1) небесные тела, которые слишком малы, чтобы излучать свет (например, планеты), то есть это  обычное вещество, состоящее из барионов – барионная «тёмная» масса;  2) элементарные частицы, очень слабо взаимодействующие с веществом и поэтому до сих пор не регистрируемые. Это могут быть нейтрино, если они обладают массой – Вселенная заполнена ими (125 частиц в 1см³  для нейтрино каждого аромата, в дополнение к космическому микроволновому фону). Так как нейтрино движутся с релятивистской скоростью, то эта часть «тёмной» материи называется «горячей». Кроме того, предполагается присутствие третьего типа «тёмной» материи: пока не открытых, слабо взаимодействующих элементарных частиц – WIMP–массивных частиц, их масса в сотни ГЭВ, чем они не похожи на нейтрино – они нерелятивистские, то есть движутся медленно, и составляют «холодную» компоненту «тёмной» массы ( УФН,  т. 171,   №8,  2001).   

Общие закономерности развития Вселенной изучаются с помощью построения  космологических моделей. Первую модель Вселенной построил Эйнштейн в 1905-1917гг. Вселенная в то время представлялась иначе, чем сейчас — Метагалактика ещё не была открыта. Эйнштейн исходил из представления о стационарной Вселенной, равномерно заполненной галактиками, находящимися на неизменном расстоянии друг от  друга. В однородном изотропном  плоском пространстве, каким представлялась Вселенная, галактики, находящиеся на границе сферы некоторого радиуса  R,  должны притягиваться  к центру сферы. Эйнштейн предложил в случае стационарной Вселенной  компенсировать притяжение силой отталкивания, которая  не зависит от массы

тела на поверхности сферы. Космологическая постоянная в формуле Эйнштейна  оказалась равна  Λ= 10^{-58 м –2}.  Эта малость делает её неизмеримой. Подсчитано, что ускорение, сообщаемое Земле гравитационным полем Солнца, равно 5*10 ^{– 3} м/с²,  а для силы гравитационного отталкивания  5*10 ^–26 м/с², то есть в 10 ²³ раз  меньше. Это отталкивание никак не сказывается на движении тел  Солнечной системы и может быть обнаружено только при  исследовании движений самых отдалённых галактик.  Эйнштейн сумел объединить в своей  теории тяготения  гравитацию и геометрию Римана. Из средней плотности массы во Вселенной он получил «абсолютные размеры Вселенной». Тяготеющие  массы искривляют вокруг себя пространство-время, а  пространство воздействует на материю, указывая, как ей двигаться.

Советский учёный Фридман А.А. (1888 – 1925гг.) показал, что теория Эйнштейна, как и теория  Ньютона, допускает в качестве математических моделей и развивающиеся системы — коллапсирующие. Стабильная Вселенная Эйнштейна устойчива только на расстоянии  R_o=R, то есть на поверхности сферы. Галактики внутри сферы должны сближаться, а вне сферы разбегаться. Фридман выделил три возможности, соответствующие трём моделям Вселенной: 1) расширяющееся евклидово пространство, 2) пульсирующая модель, нееклидово пространство, сферический мир Римана, 3) монотонно расширяющееся неевклидово пространство, гиперболический мир Лобачевского. О Фридмане говорят, что он  «на кончике пера» открыл разбегание  галактик.  На первых порах передовое человечество не приняло парадоксальную идею Фридмана.  Но в 1925г. американский астроном  Э.Хаббл (1889-1953гг.)  открыл эффект красного смещения в оптических спектрах излучения далёких галактик. Оно объясняется эффектом Допплера, то есть  практически все галактики с огромными скоростями удаляются от нас. Чем дальше галактика,  тем больше её скорость. Хаббл установил линейную зависимость скорости  V от расстояния  R от Земли до галактики:  V=HR, где H- постоянная  Хаббла. Величина, обратная  постоянной Хаббла, называется космологическим временем. С её помощью вычисляют время жизни Вселенной. Величина этого времени, которое называют возрастом Вселенной, колеблется от 10 до 20 млрд. лет.  Итак, мы живём в расширяющейся Вселенной.  Это расширение проявляется на уровне галактик, и не существует центра, от которого галактики «разбегаются». Скорость расширения убывает из-за тормозящего действия гравитации. Так представлялось в начале ХХвека.

Расчёты предыдущего состояния Вселенной показывают, что в самый начальный момент  времени должно было быть состояние с исключительно высокими плотностью материи и энергии излучения.  В математических уравнениях, описывающих Вселенную,  в этот  момент  появляется математическая сингулярность, то есть  сжатость до точки, и ни одна из моделей  не может существовать ранее этого времени. Поскольку при сжатии газа его температура возрастает, можно предположить, что в далёком прошлом Вселенная была очень горячей.  Именно к такой модели «горячей Вселенной»  пришёл Г.А.Гамов (1904-1968гг.),  назвав её  «Космологией Большого взрыва». Гамов исходил из  данных о распространённости химических элементов  во Вселенной. Его работа заняла  10 лет и была  издана в 1948 году.

Вселенная родилась из физического вакуума. Физический вакуум – это третий вид материи. Физический вакуум – это  сложнейший парадоксальный  объект с высокой  хаотичностью и неопределённость, бушующий океан нулевой знергии. Это  бескрайний океан виртуальных элементарных частиц, так как в вакууме самопроизвольно возникает случайная флуктуация. Она представляет собой появление виртуальных частиц, которые непрерывно рождаются и сразу же уничтожаются, но участвуют во взаимодействиях, как и реальные частицы. Доказательством существования таких частиц являются спектры излучения атомов водорода, в которых происходит сдвиг энергетических уровней из-за  взаимодействия электронов с физическим вакуумом.. Потенци

ально физический вакуум содержит всевозможные частицы и состояния, которые могут получаться при соответствующих условиях, но в то же время в нём нет ничего актуального.  Из физического вакуума рождаются элементарные частицы привычного нам вещества. В силовом поле  рождается пара:  частица – античастица.

В нулевой момент времени Вселенная  возникла из сингулярности, то есть из точки с нулевым объёмом и бесконечно большими плотностью и температурой.

Состояние, при котором произошёл Большой взрыв, характеризуется  плотностью  вещества   ρ=10⁹⁶ кг/м³ и температурой  Т = 10³² К (планковские значения).  Эти параметры характеризуют  Вселенную, имеющую возраст  ~ 10 ^–43 c.  От этого  момента   материя  быстро расширяется  с понижением температуры и проходит стадии  развития до современного состояния.  Большой взрыв произошёл не в одной точке, а во всех точках мира сразу.

Вопрос объединения всех видов взаимодействия в единое "Великое объединение" связан с вопросом о самом раннем этапе Вселенной. Из теории "стандартной" расширяющейся Вселенной следует, что чем ближе к "началу", тем выше ее температура. С другой стороны, физики увеличили энергию частиц в ускорителях, что позволило сделать выводы об изменении свойств вещества по мере  роста энергии. В настоящее время проблема объединения решается теоретически. Процессы всех четырех взаимодействий становятся неразличимыми при энергиях 10¹⁹ГэВ, что экспериментально недостижимо.

Идея о том, что Вселенная возникла как квантовая флуктуация структуры   пространство-время,   впервые   была высказана   в  1973 г. Н.И. Фоминым. О  "рождении" Вселенной из вакуума говорил в 1965 г. Г.И. Наан. Процессы в расширяющейся Вселенной рассматриваются с момента времени 10^-43 с   и плотности 10⁹⁰ частиц /см³.

В течение первых  0,0001с  велика  энергия гамма — квантов,  основную роль играет излучение;  вещество состоит из нейтронов и протонов в равных  количествах, существуют античастицы- антипротоны, антинейтроны; нейтрино и антинейтрино.  В конце этой эры адронов происходит аннигиляция частиц и античастиц, но остаётся некоторое количество протонов, образуются нуклоны.  В мире существуют электромагнитное и сильное ядерное взаимодействия. В следующие  10 с  основную роль играют  лёгкие частицы – эра  лептонов, распадаются  мю-мезоны и  их античастицы, а также распад свободных нейтронов, в котором действует поле слабых сил.  Температура  понижается до 10¹² К.  Начинается образование водорода, дейтерия, трития, а также  изотопов гелия. Через 100 с после Большого взрыва создано 75% водорода  и  25% гелия.  Далее  происходит фотонная эра в течение  1млн. лет, когда излучение преобладает над веществом, давление излучения полностью отделяет вещество от антивещества. Температура понижается  до 3000 К.  Г. Гамов нашёл границу между эпохами – преобладание излучения и преобладание вещества —  она приходится на время  73млн. лет после Большого взрыва. Температура излучения должна составлять 7К.  Для абсолютно чёрного излучателя такая температура соответствует сантиметровому диапазону излучения. Гамов предсказал зто фоновое излучение, но не надеялся зарегистрировать его в общем потоке радиоизлучения галактик и межзвёздного газа.  В эру преобладания вещества образуются атомы лития и бериллия.  Теория Горячей Вселенной не могла объяснить  возникновение тяжёлых атомов, так как  они должны  в соответствии с законами сохранения рождаться не в ядерных реакциях синтеза, а, возможно, при вспышках сверхновых звёзд. Вещество начинает играть главную роль. Далее  в звёздную  эру продолжительностью около 1млн. лет начинается сложный процесс образования  в любой момент времени в расширяющейся смеси вещества и излучения случайных областей с плотностью выше средней. В результате тяготения эти области выделились в виде очень протяжённых сгустков вещества — протогалактик, а внутри них образовались

протозвёзды.

Схематически описанная  здесь грандиозная картина развития Вселенной  разрабатывалась  Гамовым Г., Альфером Р., Хойлом, Фаулером. Возможности исследования деталей процессов резко возросли с появлением быстродействующих ЭВМ с большими объёмами памяти.  Теоретические исследования согласуются достаточно точно  с известными  данными о возрасте наблюдаемых космических объектов. В июле 2004 года с помощью телескопа  Хаббла была сфотографирована древняя галактика, возраст которой оценивается  в 13 млрд. лет, что согласуется с предсказанным  Г.Гамовым  временем  Большого взрыва: около 20 – 13 млрд. лет назад. А предсказанное Г.Гамовым  фоновое излучение первичного водорода советский академик И.С.Шкловский  предложил называть  реликтовым.  Весной 1964 г. американские аспиранты Арно  Пензиас и Роберт Вильсон, отлаживая рупорную антенну нового радиотелескопа, не могли избавиться от помех на длине волны  7,35 см. Уровень этих помех совершенно не менялся при повороте антенны, то есть был изотропен. Лишь в 1965 г. выяснилось, что это было  реликтовое излучение Вселенной. За открытие реликтового излучения учёные получили Нобелевскую премию в 1978 г. Это открытие является главным подтверждением теории Большого взрыва и Горячей Вселенной.

В 1998-99г.г. две группы астрономов открыли всемирное антитяготение и космический вакуум. Открытие сделано на основании изучения далёких вспышек сверхновых звёзд: изменение блеска сверхновой объясняется тем, что Вселенная расширяется с ускорением. Ускорение создаётся космическим вакуумом, который обладает антигравитацией. В наблюдаемой Вселенной доминирует физический вакуум: на его долю приходится 67% всей энергии мира ( на «тёмное» вещество -30%, на барионное, то есть обычное – 3%, на излучение – в 100 раз меньше). Тяготение никогда уже не будет преобладать во Вселенной,  как это было в первые 6-8 млрд. лет. Преобладание вакуума над другими видами материи усиливается. Разбегание галактик будет происходить всё быстрее и быстрее!

Складывается следующая историческая картина Мира:

20 – 15 млрд. лет назад – Большой взрыв физического вакуума

15 – 13 млрд. лет назад – возникновение сейчас наблюдаемых галактических структур.

13 млрд. лет назад – рождение звёзд первого поколения.

5 млрд. лет назад – рождение Солнца.

4,6 млрд. лет назад – образование планеты Земля.

3,8  млрд. лет назад – зарождение Жизни.

450 млн. лет назад – появление на Земле первых растений.

150 млн. лет назад —  появление первых млекопитающих.

2 млн. лет назад – начало антропогенеза.

ВОПРОСЫ  ДЛЯ  САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ

1) Каковы объекты изучения в мегамире? в макромире? в микромире?

2) Какова иерархическая структура наблюдаемой части Вселенной  ?

3) Каковы   доказательства   модели    нестационарной   Вселенной  А.Фридмана?

4)  Какова модель горячей Вселенной  Г. Гамова?

5) Что такое физический вакуум?

5) Как по современной теории объясняется "рождение" Вселенной из физического вакуума?

7) Какие физические поля и силы действуют в мега- и  макромире?