Universum (3)

Universum .
Gerda Jaanus
Häädemeeste Keskkool
12.klass
2008 a.
Universum on inimesele tajutav ja kujuteldav maailmakõiksus, kõikide asjade kogusus. Teaduses mõeldakse selle all kosmost ehk maailmaruumi, mis sisaldab kogu ainet ja energiat.
Uinversumi paisumine pärast Suurt Pauku .
21. sajandi alguses valitseb seisukoht, et Universum tekkis Suure Pauguga ning sestsaadik jätkab laienemist . Kindlat dateeringut Suurel Paugul ei ole. Nimetatakse daatumeid 13,7 miljardit aastat tagasi, 15 miljardit aastat tagasi ja 17 miljardit aastat tagasi. Kõige tõendatum daatum on praegu 17,1 miljardit aastat tagasi.
Kosmoloogia tegeleb universumi arenguga aegade algusest kuni tänapäevani ning püüab ennustada Universumi tulevikku. Enamik uuemaid mudeleid ennustab üha jätkuvat paisumist . Ent on ka seisukoht, mille kohaselt Universum lõpuks kollapseerub (Suur Kollaps).
Tänapäeval lähtutakse universumi suuremastaabilise struktuuri kirjeldamisel Albert Einsteini üldrelatiivsusteooriast. Kvantteooria on küll andnud olulise panuse varajase, väga tiheda ja kuuma universumi kirjeldamisse, mille puhul tuleb tegelda elementaarosakestega.
Tõenäoliselt saadakse universumist täielikumalt aru alles siis, kui füüsikas luuakse teooria, mis ühendab üldrelatiivsusteooria kvantteooriaga. Nii tuleb paljusid seni saadud tulemusi pidada esialgseteks.
Arvatakse, et universum koosneb 5% tavalisest ainest, 25% tumedast ainest ja 70% tumedast energiast. Tume aine erinevalt tavalisest ei kiirga piisavalt valgust, et olla nähtav.
Kosmoloogia alused:
Kosmoloogiline printsiip.
Tegelikult me teame, mis on lõpmatu ruum. Me tajume ruumi nägemismeele abil ja lõpmatu on see ruum, kus igast meile nähtavast esemest kaugemal (tagapool) on veel teisi esemeid.
Me ei saa näha kõiki lõpmatus ruumis olevaid asju, järelikult ei saa me neid ka tundma õppida. Kuigi maailm on lõpmatu, näeme me temast siiski vaid lõplikku osa. See, mida me näeme ( galaktikad ) on kõigis suundades ja kõigil kaugustel ühesugune. Meil pole mingit põhjust oletada, et veel kaugemal see olukord muutuks. Järelikult võime oma mõttekäikudes lähtuda eeldusest, et maailm on kõikjal ühesugune. Ja veel, et olla lõpuni materialist ja eitada jumaliku loomis -akti võimalikkust, tuleb oletada, et ta on seda alati olnud. See ongi kosmoloogia aluspostulaat, nn. kosmoloogiline printsiip. Selle esimesed alged on kirjas T. Lucretiuse (99-55 e.Kr.) didaktilses poeemis "De rerum natura " (Asjade olemusest); Tänapäevane formuleering pärineb Giordano Brunolt ("Lõpmatusest, Universumist ja maailmadest", 1584):

Universum on oma kõigis punktides keskmiselt ühesugune, sarnanedes meile nähtava Universumi osaga.

Universum on kõigil ajahetkedel olnud keskmiselt ühesugune, sarnane meie poolt käesoleval momendil nähtava Universumiga.
See on täielik kosmoloogiline printsiip; punkt üks väljendab tema ruumilist, punkt kaks ajalist osa. Eristatakse ka osalist kosmoloogilist printsiipi , mis nõuab vaid ruumilist ühtlust, lubades ajalist arengut.
Kosmoloogiline printsiip ei nõua, et maailm peaks antud hetkel paistma kõigis suundades ühesugusena. Ta ei saagi seda nõuda, kuna tegelikult sellist asja ei ole. Kosmoloogiline printsiip on veendumus , et igale galaktikatega tihedamalt kaetud piirkonnale järgneb kaugemal hõredam piirkond, ja ümberpöördult. Galaktikad võivad isegi ükskord otsa lõppeda (seni pole seda küll näha), aga siis me usume, et sellega lõpeb vaid üks kosmilise hierarhia aste, üli- või metagalaktika, ning sellele järgneb jällegi ruum, mis on täidetud samasuguste metagalaktikatega. See pole väljamõeldis, vaid inimkonna kogemuse üldistus: uskus ju Bruno , et kosmoloogiline printsiip käib tähtede kohta, galaktikatest ei teatud tol ajal veel midagi.
Astrofüüsikalised konstandid ja kaugused

• Valguse kiirus -
  
• Gravitatsioonikonstant -
  
• Planck `i konstant -
  
• Boltzmann ´i konstant -
  
• Valgusaasta :
  
• Parsec:
  
• Päikese mass -
  
• Elektronvolt:
  

• ALBERT EINSTEIN – esitas 1915.aastal avalikkusele üldrelatiivsusteooria (ÜRT) ja 1917.aastal esimese kosmoloogilise mudeli (nn Einsteini mudeli).
  
• ALEKSANDER FRIEDMAN – konstrueeris 1922.aastal teoreetiliselt tänapäeva kosmoloogia aluseks oleva mudeli (Friedman´i mudeli).
  
• GEORGE GAMOW – püstitas 1948.aastal paisuva Universumi "Kuuma" mudeli, selgitamaks elementaarosakeste vastastikmõju ja aatomite tekkimist varases Universumis.
  
• EDWIN HUBBLE – avastas vaatuslikul teel 1929.aastal kosmoloogilise punanihke (Hubble´i seaduse).
  
• ARNO A. PENZIAS ja ROBERT W. WILSON – avastasid 1965.aastal kosmilise mikrolainelise foonkiirguse ( reliktkiirgus , mis pärineb ajast, kui Universumis tekkisid esimesed aatomid ).
  

Kosmoloogiliste mudelite teoreetilised alused

• Üldrelatiivsusteooria (ÜRT),
  
• Friedman´i mudel, mis järeldus ÜRT-st ja kosmoloogilisest printsiibist,
  
• Elementaarosakeste teooria.
  

Kosmoloogiliste mudelite vaatuslikud alused
Kosmoloogiline printsiip:
Universum on ruumiliselt homogeenne ja isotroopne - Universumis on kõik ruumipiirkonnad samaväärsed, st kõikidel ruumipiirkondadel on samad füüsikalised omadused. Kosmoloogiline printsiip kehtib ainult piisavalt suures mastaabis, so minimaalselt sellises mastaabis nagu kaugus galaktikaparvede vahel, seega umbes 100 miljonit valgusaastat. Väikesteks piirkondadeks ehk punktideks loetakse galaktikate parvesid läbimõõduga umbes 30 miljonit valgusaastat.
Hubble´i seadus- mida kaugemal asub vaatlejast kosmoloogiline objekt (nt galaktika ), seda kiiremini ta vaatlejast eemaldub:
kus - eemaldumise kiirus, - vaadeldava objekti kohavektor (vaatleja on koordinaatide alguspunktis), - Hubble´i konstant.
H- on konstant selles tähenduses, et antud ajahetkel on kõigi galaktikate jaoks sama. Kuid nagu hiljem näeme, muutub Hubble´i konstant Universumi evolutsiooni jooksul.
Mikrolaineline foonkiirgus - on isotroopne ja vastab soojuslikus tasakaalus oleva absoluutselt musta keha kiirgusele temperatuuril 2,7 K. Vaadeldavad üliväikesed kõrvalekalded nimetatud seaduspärasustest annavad olulist informatsiooni galaktikate tekkemehhanismide kohta varajases Universumis.
Ürgse heeliumi ja deuteeriumi kontsentratsioon (heeliumi või deuteeriumi massi ja barüonide kogumassi suhe):
 ja
Lõpuks tuletagem meelde, et astronoomiliste objektide eemaldumiskiiruse võib leida, määrates nende spektris olevate spektraaljoonte punanihke ja seejärel arvestades Doppler´i efekti.
Suur Pauk ja Universumi evolutsioon .
Suur Pauk (inglise keeles Big Bang ) oli hüpoteetiline sündmus umbes 13,7 miljardit aastat tagasi: universum hakkas kujuteldamatult tihedast olekust plahvatuslikult paisuma . Seda loetakse kosmoloogia standardmudelis universumi alguseks.
Suure Paugu teooria käsitleb ka universumi varajast arengut pärast Suurt Pauku.
Suur Pauk ei olnud " plahvatus " olemasolevas ruumis, vaid mateeria , ruumi ja aja ühine tekkimine algsest singulaarsusest.
Paisumine on vaadeldav Hubble'i seose kaudu, mis ütleb, et mida kaugemal mingi galaktika meist on, seda kiiremini ta meist eemaldub.
Suurest Paugust umbes 300 000 aasta võrra hilisemast seisundist annab tunnistust kosmiline mikrolainetaust ehk reliktkiirgus: tol ajal omandasid mikrolainetausta footonid absoluutselt mustale kehale omase kiirgusspektri.
Suure Paugu teooria on kosmoloogias valdav teaduslik teooria Universumi varajase arengu kohta. Ta põhineb sellel, et vaadeldavast galaktikate üksteisest eemaldumisest saab üldrelatiivsusteooria järgi ekstrapoleerida universumi varajase oleku. Selgub , et mida kaugemale ajas tagasi minna, seda kuumemaks ja tihedamaks universum osutub.
Suure Paugu teooria kohaselt on universumi praegune seisund erinev tema kunagisest ja tulevasest seisundist. Kunagi oli aine universumis nii kuum ja tihe, et valgus ei saanud kosmoses vabalt levida . Juba 1940. aastatel esitati teoorial põhinev oletus, et see on tekitanud mikrolainetausta. 1960. aastatel see nähtus avastatigi, mis tõi kaasa Suure Pauguga konkureeriva statsionaarseisundi teooria populaarsuse järsu languse.
Kui tänapäeva füüsikateooriaid kasutades universumi Hubble'i paisumisest tagasi ekstrapoleerida, jõutakse gravitatsioonilise singulaarsuseni, kus kõik kaugused muutuvad nulliks ning kõik temperatuurid ja rõhud muutuvad lõpmatuks. Mis on selle füüsikaline mõte, see pole selge. Paljude füüsikute arvates on asi selles, et meie arusaamine füüsikaseadustest on puudulik, eriti annab tunda kvantgravitatsiooni teooria puudumine.
Väljendi "Suur Pauk" võttis kasutusele Fred Hoyle, kes tahtis näidata Suure Paugu teooria usutamatust.
Ülevaade
Et Suurest Paugust sai peale mateeria alguse ka aegruum, siis ei saa Suurt Pauku ennast seni tuntud füüsikateooriate abil kirjeldada.
Suure Paugu teooria järgi hakkas mateeriaga täidetud universum pärast Suurt Pauku paisuma, ning see paisumine jätkub. Kosmoloogia modelleerib universumi paisumist üldrelatiivsusteooria väljavõrrandite abil.
Astronoomiliste vaatluste põhjal hinnatakse universumi vanuseks 13,7±0,2 miljardit aastat.
Galaktikate vaadeldava üksteisest eemaldumise ekstrapoleerimisel ajas tagasi saadakse hetk, mil nende aine oli koondunud väga väiksesse ruumi. Sel ajal pidi temperatuur olema väga kõrge ning kõikide objektide omavaheline kaugus väga väike.
Suure Paugu teooria seletab järgmisi vaatlusandmeid:

• galaktikate punanihe, Universumi senine paisumine
  
• Universumi mikrolainetausta spekter
  
• tähtede vanuse piir umbes 13 miljardi aasta juures
  
• keemiliste elementide ja nende isotoopide levik kosmoses (eriti vesinik (prootium), deuteerium ja heeliumi isotoobid )
  

Suure Paugu põhimõtteliselt võimalik teisik on Suur Kollaps, Universumi kollaps, Universumi lõpp. Kas see tuleb, sõltub mateeria tihedusest ja kosmoloogilisest konstandist.
Kuum Universum.
Ühe sajandiksekundi möödudes oli temperatuur umbes 100 miljardit kraadi ( palju kõrgem kõige kuumemate tähtede temperatuurist ). Sellisel temperatuutil said eksusteerida ainult kiirgus ja elementaaroskaesed, millest olid kõige levinumad elektronid, positronid, mitut liiki neutrniinod ja footonid. Nukleone oli väga vähe ( miljard korda vähem footonitest ).
Esimese kolme minuti järel oli temperatuur Universumi laienemise tõttu langenud miljardi kraadini. Tekkisid esimesed deuteeriumi- ja heeliumituumad. Põhilisteks osakesteks jäid peale elktronide-positronide annihileerumist footonid ja neutriinod ning antineutriinod. Teooria kohaselt oli prootoneid 70 % ja heeliumituumi 30 %. See vahekord vastab ligikaudu praegu vaadeldavale aine keemilisele koostisele.
Edasise paisumise käigus vähenes aine tihedus ja footonite energia. Sellegipoolest olid kiirgus ja aine soojuslikus tasakaalus. Alles 300 000 aasta möödumisel jahtus Universum temperatuurini 3500 K, kus elektronid ja tuumad said ühineda vesiniku ja heeliumi aatomiteks. Kaob senini valitsenud soojuslik tasakaal. Aine ja kiirgus paisuvad erinevalt ning foonkiirgus eraldub ainest. Aine on muutunud kiirgusele läbipaistvaks.
Kuuma Universumi ajajärgul kujunes ka nähtamatu aine, mida moodustavatest osakestest on teada, et need pole barüonid. On loodud Universumi mudelid, kus varjatud massi moodustavad kas neutriinod või tõenäosemalt aksionid.
Läbipaistev Universum.
Sellel ajajärgul jätkus Universumi paisumine ja jahtumine. Ka relikfoon ( footonid ja neutriinod ) laienes ja jahtus. Selle tulemusel suurenes tema lainepikkus ja nüüdisaegsesse Universumisse jõudis foonkiirgus mikrolainelise raadiokiirgusena ( vastav T ~ 3 K ja neutriinokiirgusena ( vastav T ~ 2 K ) .
Läbipaistva Universumi arenemise käigus suurenes nähtamatu aine mõju, mis allub ainult gravitatsiooni toimele. Suurenes neutraalse vesiniku ja heeliumi mittehomogeensus – algas Universumi suuremastaabilise struktuuri tekkimine. Esialgu tekkisid õhukesed tihedamad kihid , mis lõikudes moodustasid keerulise kärgstruktuuri. Gaas kuumeneb ja sellest moodustavad galaktikaparved, galaktikad ja esimese põlvkonna tähed, samuti kvasarid . Sellist evolutsiooni saab põhjendada gravitatsioonilise kondenseerumisega. Praegusaegses kosmoloogias on aktuaalsemad need teemad, mis seostuvad Suure Paugu põhjuste, varjatud massi ja suuremastaabilise struktuuriga.
Inimene ja Universum.
Antroopsus printsiip.
Jääb üle vaid inimese igavene küsimus: miks selline maailm eksisteerib ja kuidas ta on tekkinud?
Füüsikute lause vaakumi spontaansest polarisatsioonist kuulub kvant -teooriasse ja tema filosoofiline lahtiharutamine on, nagu teistelgi kvantfüüsika väljenditel, igapäevaterminites kaunis raskesti teostatav. Sõna-sõnaline tõlge ütleks, et Universum tekib äkki ja eimillestki ning et see on igati normaalne, ehkki väikese tõenäosusega füüsikaline protsess.
1970. aastal formuleeris Cambridge 'i Ülikooli professor B. Carter printsiibi, millel on tänaseni kosmoloogide seas suur populaarsus:
Universumi ehitus ja areng on täpselt sellised, et seal saaks eksisteerida inimene (vaatleja).
See, esmapilgul üsna ebafüüsikaline lause kannab antroopsusprintsiibi nime. Selle eestikeelne vabatõlge oleks "inimkeskne Universum". Printsiip lähtub faktist, et maapealse bioloogilise elu füüsikaline tolerants (füüsikaliste parameetrite lubatavate väärtuste vahemik) on samade parameetrite võimalike väärtustega võrreldes ääretult väike. Elupiirkonna põhiparameetrid on piiratud kolme tingimusega : vedel vesi, valkude eksisteerimiseks sobiv temperatuur ning ioniseeriva kiirguse väga madal tase. Siit tuleneb omakorda terve hulk nõudeid planeedi massi, atmosfääri rõhu ja koostise, magnetvälja jne. kohta. Ning kõige lõpuks on vaja nende parameetrite väga täpset hoidmist miljardite aastate vältel. See, kaunis raske ülesanne, on "perfektselt teostatud" kosmoloogilise mudeli valikuga: kord käima pandud Universum viib ilma täiendava vahelesegamiseta lõppkokkuvõttes inimese ilmumiseni.
Religioossete kosmoloogiate Jumal-looja käivitas maailma sõna abil. See, tüüpiliselt idealistlik lähendus (mõiste enne objekti, mille kohta ta käib) on sisemiselt kooskõlaline ja lahendab olemise probleemid universaalse algpostulaadi -- genitori (kr. genos -- sünd, teke) abil. Probleemi saab lahendada ka subjekti seisukohalt lähtudes (igaüks on iseenda jumal).
Füüsikaline kosmoloogia võtab aluseks meid ümbritseva looduse, loob selle põhjal esemeid ja nähtusi kirjeldava loogilis-matemaatilise süsteemi (füüsika) ning püüab selle süsteemi abiga tungida olemise saladustesse. Tulemuseks on eespool kirjeldatud mudelid, mille käik on määratud füüsika seadustega ja neis sisalduvate parameetrite väärtustega. Et see mudel viiks eluks vajalike tingimuste kujunemiseni, peavad füüsika seadused ja -konstandid olema just täpselt sellised, nagu nad on.
Aga see ongi antroopsusprintsiibi sisu: maailm on selline, et seal saaks olla inimene.
Ärgem püüdkemgi seda lõpuni mõista. Antroopsusprintsiip on füüsika kui loodusfilosoofia tipp, küps eneseiroonia nende inimeste poolt, kes läbi tunnetuse raske tee on jõudnud äratundmisele tunnetusvõime piiratusest. Kõigi oma püüdluste kiuste suudab inimene tunnetada vaid iseennast ; olles aga osa loodusest, tunnetab ta enda kaudu ka loodust.
Muidugi võib antroopsusprintsiibile anda ka tavapärasema seletuse . Kujutame ette, et tõepoolest eksisteerib selline ürgsubstants, mille nimi on vaakum (loobume hetkeks tema samastamisest tühjusega), mis on võimeline "polariseeruma", tekitades "universumeid". Ja veel oletame, et kõik need universumid on erinevad nii neis valitsevate füüsikaliste tingimuste kui ka neist tingimustest tuleneva evolutsiooni poolest.
Oletame, et osa neist universumitest on viljatud, st. neis ei teki kunagi ei elu ega mõistust. Nii nad jäävadki seesmiselt tunnetamata, nende kohta ei looda kunagi mingeid teooriaid .
Teine osa on viljakad universumid -- neis tekib aja jooksul mõistuse kandja ja sellega seoses ka mõistus, mis viib universumi teooria(te) tekkeni. Me ei kasuta sõna "elu", kuna mõistus ei pea ilmtingimata olema seotud valkainetel funktsioneeriva ajuga. Põhimõtteliselt võivad sellised universumid ja nende kohta käivad teooriad olla hoopis erinevad meie omast.
Kõigil neil hüpoteetilistel universumitel on ühine omadus: nad ei ole meie tunnetusele kättesaadavad. Ainus Universum, mida me näeme-kuuleme, on meie oma. Ta on täpselt selline, et me teda näha saaksime.
Seda ja ainult seda väidabki antroopsusprintsiip.
Aja probleem kosmoloogias.
Püha Augustinuse õpetuse järgi koosneb aeg minevikust, olevikust ja tulevikust ning sel viisil on nii olnud kui tulev tegelikult alati olemas. Loodusteaduste jaoks on aeg muutunud füüsikaliseks mõisteks: teda saab mõõta ja matemaatiliselt kirjeldada. Füüsikaliselt on reaalne neljamõõtmeline aegruum, mis võib ajas ulatuda põhimõtteliselt miinus lõpmatusest kuni pluss lõpmatuseni. Igal olnud, oleval ja tuleval sündmusel on kindlad koordinaadid aegruumis. Einsteini võrrandite kohaselt ei ole aegtuum tasane , vaid vastavalt Universumis oleva mateeria omadustele ja jaotusele keerulisema geomeetriaga.
Heisenbergi määramatuseprintsiip ei luba ühel ja samal ajahetkel mõõta kvantosakese koordinaati ja impulssi . Nende mõlema kohta võime informatsiooni saada, mõõtes neid erinevatel ajahetkedel. Mõistus võib Universumist aru saada ainult siis, kui ta vaatleb seda ajalises arengus.
Kasutatud kirjandus:

• „Kooli astronoomia põhivara” Tõnu Soopalu; Tallinn „Koolibri”
  

1994 a.

• http://opik.obs.ee/osa5/ptk02/tekst.html
  
• http://opik.obs.ee/osa5/ptk08/tekst.html
  
• http://et.wikipedia.org/wiki/Suur_Pauk
  
• http://www.tlu.ee/~tony/oppetoo/kosmoloogia/kosmo1.html
  
• http://et.wikipedia.org/wiki/Universu m