Теоретические модели

В общем случае для построения модели применяются следующие теории и разделы физики:

1.    Равновесная статистическая физика, её основные понятия и принципы, а также теория релятивистского газа.

2.    Теория гравитации (обычно ОТО).

3.    Некоторые сведения из физики элементарных частиц: список основных частиц, их характеристики, типы взаимодействия, законы сохранения.

Комбинируя их пытаются в первую очередь объяснить три фундаментальных явления: расширение Вселенной, наблюдаемую крупномасштабную структуру Вселенной и распространенность химических элементов. Основными теориями на сегодняшний день в совокупности описывающие все эти три явления являются:

· Модель расширения Фридмана (описывает расширение).

· Теория Большого Взрыва (описывает химический состав Вселенной).

· Иерархическая теория (описывает крупномасштабную структуру).

· Теория стадии инфляции (объясняет причину расширения).

Модель расширяющейся Вселенной

Модель расширяющейся Вселенной описывает сам факт расширения. В общем случае игнорируется, когда и почему Вселенная начала расширяться, то есть теория Большого Взрыва — лишь частный случай модели расширяющейся Вселенной. В основе большинства моделей расширяющейся Вселенной лежит ОТО и её геометрический взгляд на природу гравитации. Изотропно расширяющуюся среду удобно рассматривать в системе координат, расширяющихся вместе с материей. Таким образом, расширение Вселенной формально сводится к изменению масштабного фактора всей координатной сетки, в узлах которой «посажены» галактики. Такую систему координат называют сопутствующей. Начало же отсчёта обычно прикрепляют к наблюдателю.

Единой точки зрения, является ли Вселенная действительно бесконечной или конечной в пространстве и объёме, не существует. Тем не менее, наблюдаемая Вселенная, включающая все местоположения, которые могут воздействовать на нас с момента Большого Взрыва, конечна, поскольку конечна скорость света и существовал Большой Взрыв.

Теория Большого Взрыва (модель горячей Вселенной)

Эта теория отвечает на вопросы: «Существовала ли Вселенная вечно или она появилась из чего-то? А если была рождена, то как она развивалась в первые секунды своей жизни?» Экстраполяция наблюдаемого состояния Вселенной назад во времени при условии верности общей теории относительности приводит к неизбежному выводу, что за конечное время назад всё пространство Вселенной сворачивается в точку — космологическую сингулярность, называемую Большим Взрывом.

В момент, достаточно близкий ко Взрыву, но уже уверенно описываемый современной физикой, вся энергия и вещество Метагалактики содержались в маленьком объёме, а так как энтропия Вселенной велика, то, значит, и температура была очень высокой. Именно благодаря высокой температуре и плотности элементарные частицы образовывали «суп», в котором преобладали самые простые частицы, которые при дальнейшем увеличении размера Вселенной и её остывании начали складываться сначала в частицы посложнее, а потом дело дошло и до обычных протонов, нейтронов и так далее.

Также довольно хорошо объясняется и реликтовое излучение — это наследие того момента, когда ещё всё вещество было ионизованным и не могло сопротивляться давлению света. Иными словами, реликтовый фон — это остаток «фотосферы Вселенной».

Проблемы теории Большого взрыва

Несмотря на значительные успехи, теория горячей Вселенной сталкивается с рядом трудностей. Если бы Большой взрыв вызвал расширение Вселенной, то в общем случае могло бы возникнуть сильное неоднородное распределение вещества, чего не наблюдается. Так же теория Большого Взрыва не объясняет расширение Вселенной, она принимает его как факт.

Теория также предполагает, что соотношение числа частиц и античастиц на первоначальной стадии было таким, что дало в результате современное преобладание материи над антиматерией.

Кроме того, из теории Большого взрыва следует сингулярность пространства-времени в точке самого взрыва и, как следствие, неприменимость любых законов физики в этой точке.

Теория эволюции крупномасштабных структур

Образование и коллапс протогалактических облаков в представлении художника.

Расчётная структура Вселенной по данным Millennium simulation. Отмеченное белой линией расстояние составляет около 141 млн световых лет. Жёлтым обозначена материя, фиолетовым — наблюдаемая лишь косвенно тёмная материя. Каждая жёлтая точка представляет собой одну галактику.

Как показывают данные по реликтовому фону, в момент отделения излучения от вещества Вселенная была фактически однородна, флуктуации вещества были крайне малыми, и это представляет собой значительную проблему. Вторая проблема — ячеистая структура сверхскоплений галактик и одновременно сфероподобная — у скоплений меньших размеров. Любая теория, пытающаяся объяснить происхождение крупномасштабной структуры Вселенной, в обязательном порядке должна решить эти две проблемы (а также верно смоделировать морфологию галактик).

Современная теория формирования крупномасштабной структуры, как впрочем и отдельных галактик, носит названия «иерархическая теория». Суть теории сводится к следующему: вначале галактики были небольшие по размеру, но со временем они сливаются, образуя все большие галактики.

В последние время верность теории поставлена под вопрос. Однако в теоретических исследованиях эта теория является доминирующей.