Эволюция вселенной является довольно сложным процессом, в которой и до сего дня достаточно «белых пятен». Особенно сложно описать сам процесс возникновения Вселенной и ее ранние этапы развития, поскольку специалисты используют для этого язык высшей математики и различные физические теории, например квантовую физику релятивистскую динамику. Для неспециалиста, которому надо разобраться в этом вопросе, надо пользоваться не специальной литературой, а научно-популярной, она же многие вопросы передает упрощенно.

Главными характеристиками микрочастиц, из которых состоит материя, являются масса и скорость движения. Физики увеличивая скорость движения частицы выявили описанное А. Эйнштейном возрастание массы микрочастиц. И свойства вещества в таких случаях меняются. При температурах около К происходит большое объединение электромагнитного, слабого и сильного взаимодействия. При температурах около должно происходить Сверхобъединение, когда до указанных трех взаимодействий присоединится гравитационное взаимодействие. На основании теории расширения вселенной и зависимость свойств вещества от температуры ученые считают, что наша Вселенная родилась «из вакуумной флуктуации структуры пространства - времени» Климишин И. А. Астрономия наших дней..

Комбинацией трех фундаментальных констант - скорости света, гравитационной постоянной и постоянной Планка выведены планковские единицы длины, времени, массы и плотности:

Они описывают состояние Вселенной в тот начальный миг времени. История развития Вселенной нам известна с момента времени . В тот момент времени материя пребывала в некотором особом состоянии. Это состояние имело некоторые особенности. Частицы материи как реальные, так и виртуальные не имели массы. В этом состоянии также находилась огромная потенциальная энергия. После момента Вселенная быстро раздувается, ее температура падает, на одном из этапов развития Вселенной происходит рождение большого количества частиц и античастиц. также происходят процессы аннигиляции частиц и античастиц с выделением большого количества рентгеновского излучения.

В эволюции вселенной выделяют четыре основных фазы: адронную, лептонную, эру излучения и эру вещества. Адронная эра () - это эра тяжелых частиц и мезонов. Во время адронной Эри сосуществовали частицы и античастицы. В конце этой Эри произошла аннигиляция тяжелых частиц и соответствующих им античастиц.

Лептонная эра продолжалась до момента времени 10 с. В это время значительно уменьшилась температура от до и плотность. С уменьшением температуры более эффективными стали процессы объединения протонов с нейтронами и возникновение дейтерия, трития, изотопов гелия: . Именно в лептонную эру и была синтезирована основная часть гелия, который содержится в звездах и галактиках.

После лептонной эры следовала эра излучения продолжительностью около 1 млн. лет, а далее эра вещества, которая продолжается и сегодня.

2. Развитие Вселенной на разных этапах. Возникновение галактик

Во время эры излучения продолжалось стремительное расширение космической материи, состоящей из фотонов, среди которых встречались свободные протоны или электроны. В период эры излучения протоны и электроны в основном оставались без изменений, уменьшалась только их скорость. С фотонами дело обстояло намного сложнее. Хотя скорость их осталась прежней, в течение эры излучения -фотоны постепенно превращались в фотоны света. Вещество и фотоны к концу эры остыли уже настолько, что к каждому из протонов мог присоединится один электрон. При этом происходило излучение одного фотона ультрафиолетового излучения или же нескольких фотонов света и, таким образом, возник атом водорода. Это была первая система частиц во Вселенной.

С возникновением атомов водорода начинается звездная эра - эра частиц, эра протонов и электронов.

Вселенная вступает в звездную эру в форме водородного газа. Водородный газ расширялся в различных частях Вселенной с разной скоростью. Неодинаковой была также и его плотность. Он образовывал огромные сгустки длиной в миллионы световых лет. Их масса была в сотни тысяч, а то и в миллионы раз больше, чем масса нашей Галактики. Расширение газа внутри сгустков шло медленнее, чем расширение разреженного водорода между самими сгущениями. Позднее из отдельных участков с помощью собственного притяжения образовались сверхгалактики и скопления галактик. Итак, крупнейшие структурные единицы Вселенной - сверхгалактики - являются результатом неравномерного распределения водорода, которое происходило на ранних этапах истории Вселенной.

Колоссальные водородные сгущения - зародыши сверхгалактик и скоплений галактик медленно вращались. Внутри их образовывались вихри, похожие на водовороты. Их диаметр достигал примерно ста тысяч световых лет. Сила гравитации образовывала из этих вихрей системы звезд, которые мы называем галактиками. Некоторые из галактик до сих пор напоминают нам гигантское завихрение.

Астрономические исследования показывают, что скорость вращения завихрения предопределила форму галактики, родившейся из этого вихря. Выражаясь научным языком, скорость осевого вращения определяет тип будущей галактики. Из медленно вращающихся вихрей возникли эллиптические галактики, в то время как из быстро вращающихся родились сплющенные спиральные галактики.

В результате действия силы тяготения очень медленно вращающийся вихрь сжимался в шар или несколько сплюнутый эллипсоид. Размеры такого правильного гигантского водородного облака были от нескольких десятков до нескольких сотен тысяч световых лет. Нетрудно определить, какие из водородных атомов вошли в состав рождающейся эллиптической, а какие остались в космическом пространстве вне нее. Если энергия связи сил гравитации атома на периферии превышала его кинетическую энергию, атом становился составной частью галактики. Это условие называется критерием Джинса. С его помощью можно определить, в какой степени зависела масса и величина протогалактики от плотности и температуры водородного газа.

Протогалактика сжималась и плотность водорода в ней возрастала. Как только плотность достигала определенного уровня, начали выделяться и сжиматься сгустки водорода. Рождались протозвезды, которые позже эволюционировали в звезды. Рождение всех звезд в шаровой или слегка приплюснутой галактике происходило почти одновременно. Этот процесс продолжался относительно недолго, примерно сто миллионов лет.

Строение спиральных галактик сложнее и разнообразнее, чем строение эллиптических. Спиральные галактики кроме этого, вращаются значительно быстрее, чем галактики эллиптические. Не следует забывать, что они образовались из быстро вращающихся вихрей сверхгалактики. Поэтому в создании спиральных галактик участвовали и гравитационная и центробежная силы.

Если бы из нашей галактики через сто миллионов лет после ее возникновения улетучился весь межзвездный водород, новые звезды не смогли бы рождаться, и наша галактика стала бы эллиптической.

Но межзвездный газ в те далекие времена не улетучился, и, таким образом гравитация и вращение могли продолжать строительство нашей и других спиральных галактик. На каждый атом межзвездного газа действовали две силы - гравитация, притягивающая его к центру галактики и центробежная сила, выталкивающая его по направлению от оси вращения. В конечном итоге газ сжимался по направлению к галактической плоскости. На каждом этапе сплющивания межзвездного газа во все более утончающийся диск рождались звезды. Поэтому в нашей галактике можно найти, как старые, возникшие примерно десять миллиардов лет назад, так и звезды родившиеся недавно в спиральных рукавах, в так называемых ассоциациях и рассеянных скоплениях. Можно сказать, что чем более сплющена система, в которой родились звезды, тем они моложе.

3. Возникновение и эволюция Солнечной системы

Проблема происхождения Солнечной системы - одна из важнейших в современном природоведении. Тем не менее, она разрешена лишь в общих чертах. Ведь если теорию эволюции звезд в значительной мере можно сопоставить с результатами наблюдений многих звезд в галактике, которые находятся па разных этапах развития, то планетная система, которая окружает наше Солнце, является уникальной. Через потребность учета многих разнообразнейших факторов, которые сыграли свою роль в процессе формирования планет (магнитные поля, турбулентность в протопланетной туче, эффекты тепловой и гравитационной нестойкости, диссипация газового компонента, неоднородность обращения протосолнца и т.п.), моделирование этого процесса оказалось крайне сложной задачей.

Теория, которая изучает происхождение планетной системы, должна объяснить такие закономерности в ее строении:

1. Орбиты всех планет (кроме орбиты Плутона) лежат практически в одной плоскости, которая почти совпадает с плоскостью солнечного экватора.

Все планеты вращаются вокруг Солнца почти по круговым орбитам в одном направлении, которое совпадает с направлением вращения Солнца вокруг своей оси.

Направление осевого обращения планет (за исключением Венеры и Урана) совпадает с направлением их вращения вокруг Солнца.

Среднее расстояние планет от Солнца (за исключением Нептуна и Плутона) описывается правилом Тициуса - Боде.

Суммарная масса планет в 750 раз меньше массы Солнца, однако на них приходится 98% момента количества движения всей Солнечной системы.

Планеты делятся на две группы (планеты земной группы и планеты-гиганты), которые существенным образом отличаются между собой за физическими свойствами.

Почти все спутники планет вращаются вокруг них практически по круговым орбитам, которые лежат преимущественно в плоскости экватора планеты, причем (за несколькими исключениями) направление их движения совпадает с направлением вращения планеты.

За последние 300 лет были высказаны несколько десятков различных космогонических гипотез, в которых рассматривали разнообразнейшие варианты ранней истории Солнечной системы.

Первой такой гипотезой была гипотеза, сформулированная в 1755 году немецким философом Иммануилом Кантом. Кант считал, что солнечная система возникла из некой первичной материи, до того свободно рассеянной в космосе. Частицы этой материи перемещались в различных направлениях и, сталкиваясь друг с другом, теряли скорость. Наиболее тяжелые и плотные из них под действием силы притяжения соединялись друг с другом, образуя центральный сгусток - Солнце, которое, в свою очередь, притягивало более удаленные, мелкие и легкие частицы.

Таким образом, возникло некоторое количество вращающихся тел, траектории которых взаимно пересекались. Часть этих тел, первоначально двигавшихся в противоположных направлениях, в конечном счете, были втянуты в единый поток и образовали кольца газообразной материи, расположенные приблизительно в одной плоскости и вращающиеся вокруг Солнца в одном направлении, не мешая друг другу. В отдельных кольцах образовывались более плотные ядра, к которым постепенно притягивались более легкие частицы, формируя шаровидные скопления материи; так складывались планеты, которые продолжали кружить вокруг Солнца в той же плоскости, что и первоначальные кольца газообразного вещества.

За гипотезой Лапласа на ранней стадии развития Солнце имело форму гигантской раскаленной туманности, которая медленно вращалась. Под действием сил тяготения протосонце сжималось, скорость его обращения возрастала. И как только на экваторе сила тяготения уравновешивалась центробежной силой, от Солнца отделялось кольцо, которое со временем разделялось на отдельные сгустки. Из них и сформировались планеты. Такое процесс, за Лапласом, повторялся несколько раз. Аналогично должны были образоваться и спутники планет. Но в конце XIX в. было доказано, что эта гипотеза не может объяснить перераспределение момента количества движения между Солнцем и планетами. Кроме того, фрагменты горячего газа быстро расширились бы и рассеялись в пространстве.

Большую роль в разработке почти современных взглядов на происхождение планетной системы сыграли работы Отто Юльевича Шмидта (1891-1956). В основе его теории лежали два предположения: планеты сформировались из холодной газово-пылевой тучи, которую захватило Солнце во время обращения вокруг центра Галактики. Общую же схему развития нашей планетной системы можно описать так.

Около 5 млрд. лет тому в протяжном фрагменте газово-пылевой тучи, пронизанном магнитными силовыми линиями, образовался центральный сгусток - протосонце, которое медленно сжималось. Другая часть тучи с массой, приблизительно в десять раз меньшей, медленно вращалась вокруг него. Вследствие столкновений атомов, молекул и пылинок туманность постепенно сплющивалась и разогревалась. Вокруг Солнца образовался протяжный газово-пылевой диск. Его магнитное поле, «наматываясь» на протосонце, оказывало содействие передаче момента внешним пластам диска.

По одному из вариантов эволюции протопланетного облака сначала в ней произошел раздел компонентов - газа и пыли. Оседание пыли в центральной плоскости сопровождалось ростом размеров пылинок до 1 см. Как только плотность в этом пылевом диске достигала критического значения, в нем возникла гравитационная нестойкость. Сначала образовались кольца, которые быстро распались на отдельные сгустки. За счет собственного тяготения эти сгустки в дальнейшем сжимались, уплотнялись, большие разрастались, а меньшие разрушались. Преобразование сконденсированной пыли в отдельные твердые тела - планетезимали на расстоянии в 1 а. е. длилось всего около 10 000 лет. Земля же разрасталась до современных размеров всего 100 млн. лет.

Чтобы согласовать вычисления с наблюдениями, считают, что значительная часть твердого вещества была выброшена на далекую периферию Солнечной системы. Так сформировалась туча Оорта кометных тел.

Направление и скорость вращения планеты вокруг своей оси определяют статистически, как суммарный результат объединения многих планетезималей. Как оказалось, за наклоном оси обращения планеты к плоскости эклиптики можно вычислить массу наибольших тел, которые выпадали на планету. В частности, для нашей планеты эти массы не превышали 0,001 массы Земли. То, что ось обращения Урана наклонена к плоскости его орбиты под углом 98°, связанно с влиянием Юпитера и Сатурна. Как только массы этих планет возросли до двух-трех масс Земли, они своим притягиванием возмущали движение других планетезималей. Случайное столкновение этих тел с протоураном и привело к упомянутой аномалии в его вращении вокруг своей оси.

Зародыши планет-гигантов не только препятствовали формированию планеты в зоне астероидов между Марсом и Юпитером, а и привели к значительному уменьшению массы Урана.

Выпадение отдельных сгустков на Землю и ее сжатие послужили причиной постепенного нагрева недр планеты. Со временем в этом все большую роль отыгрывали процессы радиоактивного распада. Поэтому в отдельных зонах Земли вещество плавилось, и дифференцировалось: более тяжелые химические элементы и их соединения опускались вниз, более легкие поднимались вверх. Этот этап длился около 1 млрд. лет.

На ранней стадии развития протоземля была окруженная роем небольших спутников, радиусы которых достигали 100 км. Со временем из них на расстоянии около десяти земных радиусов сформировалась Луна. Вместе с тем, вследствие приливного взаимодействия она начала медленно отдаляться от Земли. Этот процесс продолжается и сегодня и сопровождается уменьшением скорости вращения Земли вокруг своей оси.

Выводы

Изучение проблем формирования Солнечной системы, формирования галактик и возникновения Вселенной еще далеко до завершения. Но уже на данном этапе мы можем объяснить многих явления довольно точно и подробно.

В рамках данной работы мы рассмотрели эволюцию Вселенной как единого целого. Возникновение Вселенной привело в дальнейшем к возникновению областей неоднородности из который были сформированы галактики. Но, как было показано, возникновение галактик не было окончательным этапом эволюции Вселенной. Галактики в результате своего движения и вращения стали нестабильны, и распались на отдельные сгустки материи, из которых и были сформированы отдельные звезды. Таким образом и возникло Солнце. Дальнейшим этапом эволюции стало формирование Солнечной системы, которое за гипотезой О. Ю. Шмидта началось с захвата газо - пылевого облака Солнцем. Результатом всего этого процесса стало формирование планет, а на планетах - атмосферы, океанов и т.п. Окончательным этапом эволюции стало возникновение жизни. И далее эволюция Вселенной началась сначала, но уже она выражалась в эволюции живого: от возникновения простейшей клетки до возникновения человека. И вопросов и проблем в возникновении жизни и в эволюции живого не меньше чем в эволюции Вселенной.

Следует признать, что конечным этапом эволюции Вселенной стало возникновение жизни.

И если ранее ученые искали ответ на вопрос «Как устроен мир», то в наше время все более часто интересуются вопросом «Почему мир есть именно таким?». И следует признать, что все в мире, вокруг нас, создано таким образом, чтобы развитие процессов привело к формированию Земли, появления различных форм жизни, вплоть до человека, способного познать эти тайны. Процесс эволюции начался с возникновения Вселенной, но вот закончится ли он когда-нибудь?

Список использованной литературы.

1. Амбарцумян В. А. Загадки Вселенной. - М.: Педагогика, 1987. - 109 с.

2. Воронцов-Вельяминов Б. А. Очерки о вселенной. 8-е изд. М.: Наука, 1980. - 248 с.

3. Гиндилис Л.М. 1990. Андрей Дмитриевич Сахаров и поиски внеземных цивилизаций // Земля и Вселенная. 1990. N 6. С. 63-67.

4. Долгов А. Д. Космология ранней Вселенной. - М.: Изд-во МГУ, 1988. - 198 с.

5. Ефремов И. Н. Из глубины Вселенной. 248 с. . льяминов Б. А. Очерки о вселенной. массы, радиуса и т.п. с временем жизни самой звезды. ии характера звезд М.: Наука, 1984. - 196 с.

6. Клечек Й., Янеш П. Вселенная и Земля. - Прага, Артия, 1986. - 319 с.

7. Климишин А. В. Астрономия. М.: Наука, 1992. - 237 с.

8. Климишин И. А. Астрономия наших дней. 3-е изд. М.: Наука, 1986. - 286 с.

9. Климишин И. А. Открытие Вселенной. 2-е изд. М.: Наука, 1992. - 248 с.

10. Климишин И. А. Релятивисткая астрономия. М.: Наука, 1989. - 287 с.

11. Левитан Е. П. Эволюционирующая Вселенная. - М.: Просвещение, 1993. - 159 с.

12. Шкловский И. С. Вселенная. Жизнь. Разум. М.: Наука, 1987. - 319 с.

13. Шкловский И. С. Звезды: их рождение, жизнь и смерть. 3-е изд. М.: Высшая школа, 1984. - 342 с.

14. Шумлянский И. Л., Шумлянский И. И. Картина мироздания: основные закономерности процессов развития. - М.: Мысль, 1999. - 62 с.