Теория Большого Взрыва

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Человек с давних пор интересовался устройством Вселенной. Звезды притягивали к себе наших предков, заставляли смотреть на них с удивлением и трепетом. Физика добилась больших успехов в изучении макроскопических и микроскопических свойств природы, однако понимание и объяснение свойств Вселенной в целом происходило не так уверенно. Извечные вопросы, которые всегда волновали человечество, во многом не разрешены и до сих пор. Как возникли звезды, планеты, вся Вселенная? Как развивалась эта Вселенная в прошлом, куда движется в настоящем и что ждет её в будущем? На некоторые вопросы мы можем ответить уже сейчас, другие ждут своего ответа. Но каждый шаг вперёд ставит также и новые вопросы, раздвигая области неведомого. Сколько вещества во Вселенной? Существуют ли во Вселенной другие виды материи?

Многие ранние традиции, Еврейская, Христианская и Исламская религии, считали, что Вселенная создалась довольно недавно. Например, епископ Ушер вычислил дату в четыре тысячи четыреста лет для создания Вселенной,прибавляя возраст людей в Ветхом Завете. Фактически, дата библейскогосоздания не так далека от даты конца последнего Ледникового периода, когдапоявился первый современный человек.

С другой стороны, некоторые люди, например, греческий философ Аристотель, Декарт, Ньютон, Галилей не признавали идею о том, что Вселенная имела начало. Они чувствовали, что это могло быть. Но они предпочли верить в то, что Вселенная, существовала, и должна была существовать всегда, то есть вечно и бесконечно.

Тем не менее к настоящему времени сложились определенные научные представления о происхождении и эволюции Вселенной.

1 Модель Большого Взрыва

Итак, одна из современных теорий - теория Большого Взрыва (Big Bang) смогла к настоящему времени объяснить почти все факты, связанные с космологией.

В основе этой теории лежит предположение, что физическая Вселенная образовалась в результате гигантского взрыва примерно 15 - 20 млн. лет назад, когда всё вещество и энергия современной Вселенной были сконцентрированы в одном сгустке. Модель Большого Взрыва (БВ) была предложена в 1948 году Г.А. Гамовым. К настоящему времени она смогла объяснить почти все факты, связанные с проблемой зарождения Вселенной.

Основные черты этой модели сохранились до сих пор, хотя она была позже дополнена теорией инфляции, или теорией раздувающейся Вселенной, разработанной американскими учеными А. Гутом и П. Стейнхардтом, и дополненной советским физиком А.Д. Линде.

Задача формирования более конкретной, физически разработанной эволюционной космолого-космогонической модели расширяющейся Вселенной была решена в основном американским физиком Гамовым, русским по происхождению. Джордж (Георгий Антонович) Гамов (1904-- 1968) впервые предложил в 1946 году теорию, получившую затем наименование «теории Большого Взрыва». В ней Гамов выдвинул предположение, что Вселенная образовалась в результате гигантского взрыва, произошедшего примерно 15 млрд лет тому назад. Тогда все вещество и вся энергия Вселенной были сконцентрированы в одном сверхплотном сгустке. Если верить математическим расчетам, то в начале расширения радиус Вселенной был равен нулю, а ее плотность - бесконечности. Это начальное состояние называется сингулярностью.

Результаты наблюдений подтверждают предположение о том, что Вселенная возникла в определённый момент времени. Однако сам момент начала творения, сингулярность, не подчиняется ни одному из известных законов физики.

Например, не может быть одновременно бесконечной плотности и температуры, т.к. при бесконечной плотности мера хаоса стремится к нулю, что не может совмещаться с бесконечной температурой. Проблема существования космологической сингулярности является одной из наиболее серьёзных проблем физической космологии. Дело в том, что никакие наши сведения о том, что произошло после космологической сингулярности, не могут дать нам никакой информации о том, что происходило до этого.

Гамов вместе со своими сотрудниками Р. Альфером и Р. Германом в 1948 году предсказал, что должно наблюдаться и остывшее первичное изотропное электромагнитное излучение тепловое с температурой около 3 К.

2 Реликтовое излучение

Наиболее важным подтверждением теории БВ является обнаружение реликтового излучения (РИ) связанного, по-видимому, с существованием первоначального сверхплотного сгустка вещества и излучения. Название «реликтовое излучение» ввёл отечественный астрофизик И.С. Шкловский(1916 - 1985). Первоначально оно обладало огромной энергией, но расширение и охлаждение сгустка привели к тому, что излучение также «остыло» и энергия квантов уменьшилась, т.е. возросла длина их волны. Это фоновое излучение существует и сейчас во Вселенной, но теперь уже в виде радиоволн, микроволнового и инфракрасного излучения. Температуру реликтового излучения рассчитал Г.А. Гамов. Она составляет около 3К, согласно современным данным 2,74 К. В последние годы экспериментально обнаружена анизотропия (неравномерность) реликтового излучения, которую связывают с неоднородностями распределения материи и наличием слабых возмущений.

Открытие реликтового излучения произошло в известном смысле случайно. Его сделали американские радиоастрономы А. Пензиас и Р. Вильсон, которые ничего не слышали о предсказании теории Г.А. Гамова. А. Пензиас Р. Уилсон использовали для изучения радиационных характеристик космического пространства рожковую антенну, первоначально сконструированную для системы связи через американский спутник «Эхо». Эта специальная антенна принимала радиосигналы только из небольшого участка неба, на который она направлена. Они обнаружили, что независимо от направления антенны в принимаемом сигнале присутствовала существенная по величине энергия, соответствующая микроволновому участку спектра и температуре около 3,5К. Всё выглядело так, как если бы вся Вселенная была пронизана этим микроволновым фоном. Тем не менее значение их наблюдений стало общепризнанным и они в 1968году получили Нобелевскую премию. Таким образом, были получены некоторые экспериментальные доказательства справедливости теории БВ.

3 Эволюция Вселенной

Процесс эволюции Вселенной происходит очень медленно. Ведь Вселенная во много раз старше астрономии и вообще человеческой культуры. Зарождение и эволюция жизни на земле является лишь ничтожным звеном в эволюции Вселенной. И всё же исследования, проведенные в нашем веке, приоткрыли занавес, закрывающий от нас далекое прошлое.

Современные астрономические наблюдения свидетельствуют о том, что началом Вселенной, приблизительно десять миллиардов лет назад, был гигантский огненный шар, раскаленный и плотный. Его состав весьма прост. Этот огненный шар был настолько раскален, что состоял лишь из свободных элементарных частиц, которые стремительно двигались, сталкиваясь друг с другом.

Эволюция Вселенной происходила в несколько этапов.

4 Адронная эра

При очень высоких температурах и плотности в самом начале существования Вселенной материя состояла из элементарных частиц. Вещество на самом раннем этапе состояло, прежде всего, из адронов, и поэтому ранняя эра эволюции Вселенной называется адронной, несмотря на то, что в то время существовали и лептоны.

Через миллионную долю секунды с момента рождения Вселенной, температура упала на 10 биллионов Кельвинов(K). Средняя кинетическая энергия частиц и фотонов составляла около миллиарда эв ( Мэв), что соответствует энергии покоя барионов. В первую миллионную долю секунды эволюции Вселенной происходила материализация всех барионов неограниченно, так же, как и аннигиляция. Но по прошествии этого времени материализация барионов прекратилась, так как при температуре ниже K фотоны не обладали уже достаточной энергией для ее осуществления. Процесс аннигиляции барионов и антибарионов продолжался до тех пор, пока давление излучения не отделило вещество от антивещества. Нестабильные гипероны (самые тяжелые из барионов) в процессе самопроизвольного распада превратились в самые легкие из барионов (протоны и нейтроны). Так во Вселенной исчезла самая большая группа барионов - гипероны. Нейтроны могли дальше распадаться в протоны, которые далее не распадались, иначе бы нарушился закон сохранения барионного заряда. Распад гиперонов происходил на этапе с до секунды.

К моменту, когда возраст Вселенной достиг одной десятитысячной секунды (с.), температура ее понизилась до K, а энергия частиц и фотонов представляла лишь 100 Мэв. Ее не хватало уже для возникновения самых легких адронов - пионов. Пионы, существовавшие ранее, распадались, а новые не могли возникнуть. Это означает, что к тому моменту, когда возраст Вселенной достиг с., в ней исчезли все мезоны. На этом и кончается адронная эра, потому что пионы являются не только самыми легкими мезонами, но и легчайшими адронами. Никогда после этого сильное взаимодействие (ядерная сила) не проявлялась во Вселенной в такой мере, как в адронную эру, длившуюся всего лишь одну десятитысячную долю секунды.

5 Лептонная эра

Когда энергия частиц и фотонов понизилась в пределах от 100 Мэв до 1 Мэв, в веществе было много лептонов. Температура была достаточно высокой, чтобы обеспечить интенсивное возникновение электронов, позитронов и нейтрино. Барионы (протоны и нейтроны), пережившие адронную эру, стали по сравнению с лептонами и фотонами встречаться гораздо реже.

Лептонная эра начинается с распада последних адронов - пионов - в мюоны и мюонное нейтрино, а кончается через несколько секунд при температуре K, когда энергия фотонов уменьшилась до 1 Мэв и материализация электронов и позитронов прекратилась. Во время этого этапа начинается независимое существование электронного и мюонного нейтрино, которые мы называем “реликтовыми”. Всё пространство Вселенной наполнилось огромным количеством реликтовых электронных и мюонных нейтрино. Возникает нейтринное море.

5 Фотонная эра или эра излучения

На смену лептонной эры пришла эра излучения, как только температура Вселенной понизилась до K , а энергия гамма фотонов достигла 1 Мэв, произошла только аннигиляция электронов и позитронов. Новые электронно-позитронные пары не могли возникать вследствие материализации, потому, что фотоны не обладали достаточной энергией. Но аннигиляция электронов и позитронов продолжалась дальше, пока давление излучения полностью не отделило вещество от антивещества. Со времени адронной и лептонной эры Вселенная была заполнена фотонами. К концу лептонной эры фотонов было в два миллиарда раз больше, чем протонов и электронов. Важнейшей составной Вселенной после лептонной эры становятся фотоны, причем не только по количеству, но и по энергии.

Для того чтобы можно было сравнивать роль частиц и фотонов во Вселенной, была введена величина плотности энергии. Это количество энергии в 1 см3, точнее, среднее количество (исходя из предпосылки, что вещество во Вселенной распределено равномерно). Если сложить вместе энергию всех фотонов, присутствующих в 1 см3, то мы получим плотность энергии излучения. Сумма энергии покоя всех частиц в 1 см3 является средней энергией вещества во Вселенной.

Вследствие расширения Вселенной понижалась плотность энергии фотонов и частиц. С увеличением расстояния во Вселенной в два раза, объём увеличился в восемь раз. Иными словами, плотность частиц и фотонов понизилась в восемь раз. Но фотоны в процессе расширения ведут себя иначе, чем частицы. В то время как энергия покоя во время расширения Вселенной не меняется, энергия фотонов при расширении уменьшается. Фотоны понижают свою частоту колебания, словно «устают» со временем. Вследствие этого плотность энергии фотонов падает быстрее, чем плотность энергии частиц.

Преобладание во Вселенной фотонной составной над составной частиц (имеется в виду плотность энергии) на протяжении эры излучения уменьшалось до тех пор, пока не исчезло полностью. К этому моменту обе составные пришли в равновесие, то есть. Кончается эра излучения и вместе с этим период «Большого взрыва». Так выглядела Вселенная в возрасте примерно 300 000 лет.

Расстояния в тот период были в тысячу раз короче, чем в настоящее время.

5 Звездная эра

После «Большого взрыва» наступила продолжительная эра вещества, эпоха преобладания частиц. Мы называем её звездной эрой. Она продолжается со времени завершения «Большого взрыва» (приблизительно 300 000 лет) до наших дней. По сравнению с периодом «Большого взрыва» её развитие представляется как будто замедленным. Это происходит по причине низкой плотности и температуры.

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

Вселенная вступает в звездную эру в форме водородного газа с огромным количеством световых и ультрафиолетовых фотонов. Водородный газ расширялся в различных частях Вселенной с разной скоростью. Неодинаковой была также и его плотность. Он образовывал огромные сгустки, во много миллионов световых лет. Масса таких космических водородных сгустков была в сотни тысяч, а то и в миллионы раз больше, чем масса нашей теперешней 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. Мы называем эти системы протогалактиками, т.е. зародышами галактик. Несмотря на свои невероятные размеры, вихри протогалактик были всего лишь ничтожной частью сверхгалактик и по размеру не превышали одну тысячную сверхгалактики. 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.

Плотность распределения звезд в пространстве растет с приближением к экваториальной плоскости спиральных галактик. Эта плоскость является плоскостью симметрии системы, и большинство звезд при своем вращении вокруг центра галактики остается вблизи нее; периоды обращения составляют 107 - 109 лет. При этом внутренние части вращаются как твердое тело, а на периферии угловая и линейная скорости обращения убывают с удалением от центра. Однако в некоторых случаях находящееся внутри ядра еще меньшее ядрышко («керн») вращается быстрее всего. Аналогично вращаются и неправильные галактики, являющиеся также плоскими звездными системами.

Звезды во Вселенной объединены в гигантские Звездные системы, называемые галактиками. Звездная система, в составе которой, как рядовая звезда находится наше Солнце, называется Галактикой.

Число звезд в галактике порядка 1012 (триллиона). Млечный путь, светлая серебристая полоса звезд опоясывает всё небо, составляя основную часть нашей Галактики. Млечный путь наиболее ярок в созвездии Стрельца, где находятся самые мощные облака звезд. Наименее ярок он в противоположной части неба. Из этого нетрудно вывести заключение, что солнечная система не находится в центре Галактики, который от нас виден в направлении созвездия Стрельца. Чем дальше от плоскости Млечного Пути, тем меньше там слабых звезд и тем менее далеко в этих направлениях тянется звездная система. В общем, наша Галактика занимает пространство, напоминающее линзу или чечевицу, если смотреть на нее сбоку. Размеры Галактики были намечены по расположению звезд, которые видны на больших расстояниях. Это цефиды и горячие гиганты. Диаметр Галактики примерно равен 3000 пк (Парсек (пк) - расстояние, с которым большая полуось земной орбиты, перпендикулярная лучу зрения, видна под углом в 1”.1 Парсек = 3,26 светового года = 206265 а.е. = 3* км.) или 100000 световых лет (световой год - расстояние пройденное светом в течение года), но четкой границы у нее нет, потому что звездная плотность постепенно сходит на нет.

В центре галактики расположено ядро диаметром 1000-2000 пк - гигантское уплотненное скопление звезд. Оно находится от нас на расстоянии почти 10000 пк (30000 световых лет) в направлении созвездия Стрельца, но почти целиком скрыто плотной завесой облаков, что препятствует визуальным и обычным фотографическим наблюдениям этого интереснейшего объекта Галактики. В состав ядра входит много красных гигантов и короткопериодических цефид.

Звезды верхней части главной последовательности, а особенно сверхгиганты и классические цефиды, составляют молодые население. Оно располагается дальше от центра и образует сравнительно тонкий слой или диск. Среди звезд этого диска находится пылевая материя и облака газа. Субкарлики и гиганты образуют вокруг ядра и диска Галактики сферическую систему.

Масса нашей галактики оценивается сейчас разными способами, равна 2* масс Солнца (масса Солнца равна 2*1030 кг.) причем 1/1000 ее заключена в межзвездном газе и пыли. Масса Галактики в Андромеде почти такова же, а масса Галактики в Треугольнике оценивается в 20 раз меньше. Поперечник нашей галактики составляет 100000 световых лет. Путем кропотливой работы астроном В.В. Кукарин в 1944 г. нашел указания на спиральную структуру галактики, причем оказалось, что мы живем между двумя спиральными ветвями, бедном звездами.

В некоторых местах на небе в телескоп, а кое-где даже невооруженным глазом можно различить тесные группы звезд, связанные взаимным тяготением, или звездные скопления.

Существует два вида звездных скоплений: рассеянные и шаровые.

Рассеянные скопления состоят обычно из десятков или сотен звезд главной последовательности и сверхгигантов со слабой концентрацией к центру.

Шаровые же скопления состоят обычно из десятков или сотен звезд главной последовательности и красных гигантов. Иногда они содержат короткопериодические цефеиды. Размер рассеянных скоплений - несколько парсек. Пример их скопления Глады и Плеяды в созвездии Тельца. Размер шаровых скоплений с сильной концентрацией звезд к центру - десяток парсек. Известно более 100 шаровых и сотни рассеянных скоплений, но в Галактике последних должно быть десятки тысяч.

Кроме звезд в состав Галактики входит еще рассеянная материя, чрезвычайно рассеянное вещество, состоящее из межзвездного газа и пыли. Оно образует туманности. Туманности бывают диффузными (клочковатой формы) и планетарными. Светлые они оттого, что их освещают близлежащие звезды. Пример: газопылевая туманность в созвездии Ориона и темная пылевая туманность Конская голова.

Расстояние до туманности в созвездии Ориона равно 500 пк, диаметр центральной части туманности - 6 пк, масса приблизительно в 100 раз больше массы Солнца.

Во Вселенной нет ничего единственного и неповторимого в том смысле, что в ней нет такого тела, такого явления, основные и общие свойства которого не были бы повторены в другом теле, другими явлениями.

Таким образом, эволюцию Вселенной можно сравнить с фейерверком, который окончился. Остались горящие искры, пепел и дым. Мы стоим на остывшем пепле, вглядываемся в стареющие звезды и вспоминаем красоту и блеск Вселенной. Взрыв суперновой или гигантский взрыв галактики - ничтожные явления в сравнении с большим взрывом.

7 Дальнейшее развитие Вселенной и её исследование

теория большой взрыв вселенная

Наша Вселенная постоянно эволюционирует, изменяется. Что же будет с нею в дальнейшем обозримом будущем?

Учитывая что наша Вселенная расширяется, и чем дальше от нас находится галактика, тем в более “молодом” возрасте её видит наблюдатель с Земли, то в настоящее время самые далёкие галактики, которые удалось разглядеть астрономам, находятся на расстоянии 13 миллиардов световых лет, а значит мы видим их такими, какими они были, когда Вселенной было лишь 700 миллионов лет.

В 2014 году планируется запуск космического телескопа “Джеймс Вебб”, который призван «заглянуть в прошлое». Будущий телескоп, призванный сменить “на посту” орбитальный телескоп “Хаббл”, отличается от предшественника тем, что будет работать в инфракрасном диапазоне. Поскольку с расстоянием спектр галактик смещается в красную сторону, этот телескоп сможет увидеть значительно более далёкие галактики, которые “ушли” в инфракрасную часть спектра.

Особенно интересно было бы выяснить, как происходило формирование первых звезд.

Что произошло первым цыпленок или яйцо. Другими словами, какая сила создала вселенную. И что создало эту силу. Или возможно, вселенная, или сила, которая создавало все это, существовали всегда, и не имели начала.

Вплоть до недавнего времени, ученые имели тенденцию не касаться таких вопросов потому, что они принадлежали к метафизике или религии, а не к науке.

Что же ожидает нашу Вселенную в будущем, если она будет неограниченно расширяться? О процессе продолжающегося расширения нашей Вселенной свидетельствуют почти все данные наблюдений. По мере расширения пространства материя становится все более разреженной, галактики и их скопления все более удаляются друг от друга, а температура фонового излучения приближается к абсолютному нулю. Со временем все звезды завершат свой жизненный цикл

Сверхновые звезды, как эта в скоплении галактик в Деве, помогают измерять космическое расширение. Их наблюдаемые свойства исключают альтернативные космологические теории, в которых пространство не расширяется и превратятся либо в белых карликов, остывающих до состояния холодных черных карликов, либо в нейтронные звезды или черные дыры. Эра святящегося вещества закончится, и темные массы вещества, элементарные частицы и холодное излучение будут бессмысленно разлетаться в непрерывно разряжающейся пустоте.

Впрочем, черные дыры не останутся без работы. Имея на то достаточно времени, черные дыры поглотят огромное количество вещества вселенной. Если теория все того же Стивена Хоукинга верна, то черные дыры будут продолжать испускать излучение, но черным дыры (с массой равной массе Солнца) потребуется очень длительное время, прежде чем это заметно изменит что-то. Фоновое излучение остынет гораздо раньше, чем черные дыры начнут излучать больше, чем они будут поглощать из этого фонового излучения. Такой момент настанет тогда, когда возраст Вселенной станет примерно в десять миллионов раз больше предполагаемого на сегодня. Должно пройти около 10⁶⁶ лет, прежде чем черные дыры солнечной массы начнут взрываться, выбрасывая потоки частиц и излучения.

Заключение

Проглядывая историю, можно отметить цикличность; наблюдая развитие Вселенной через призму Теории Большого Взрыва, можно увидеть линейность. Все то, что верно, доказано и вошло в учебники, ведет к тому, что наша Вселенная будет безгранично расширяться, температура выравниваться, и в конечном итоге все замрет в однообразной статике. Наверно, именно из-за этого ученые с таким упорством выдвигают альтернативные теории, предрекающие цикличность или хотя бы изменения в развитии Вселенной. Ведь, если задуматься, то по этой теории все существование будет идти по перевернутой параболе: сначала выше и ярче, а потом - темнее и ниже. Ученые ищут способы, чтобы превратить эту параболу в синусиоиду - пожелаем им удачи! Ведь никому не хочется думать, что конец будет один на всех - темный и холодный. Пусть это будет не конец, а точка, из которой снова начнется подъем.

Теории есть куда развиваться и есть что объяснять. Ее до сих пор ряд людей считает ошибочной и в корне неверной. И, согласитесь, у них есть полное на то основание. Но с другой стороны, как уже было сказано выше, это единственная теория, которая имеет столь обширную базу трудов и открытий, подтвержденных и доказанных. Достойной альтернативы нет. То есть, конечно, есть, но это уже не научные объяснения.

Теория Большого Взрыва уже оставила свой след в истории и науке. И если она уйдет, то след никуда не денется, он даже будет по инерции расти. Этот след и будет той пользой, которую принесла человечеству совокупность закономерностей, именуемой Теорией Большого Взрыва. Это будет эхо Большого Взрыва - эхо бесконечности.

Список литературы

1. Маров М.Я. Планеты солнечной системы - М.: Наука, 1986.

2. Дягилев Ф.М. Концепции современного естествознания - М.: ИЭМПЭ, 1998.

3. Дубнищева Т.Я. Концепции современного естествознания - Новосибирск: ЮКЭА, 1998.

4. Рузавин Г.И. Концепции современного естествознания - М.: ЮНИТИ, 1997.

5. Новиков И.Д. Как взорвалась Вселенная. - М.:Наука, 1988.

6. Горелов А.А. Концепции современного естествознания - М.: Высшее образование, 2006

7. Садохин А.П. Концепции современного естествознания - М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2006

8. Гусейханов М.К., Раджабов О.Р. Концепции современного естествознания - М.: Дашков и К°, 2007.

9. Сивинцев Ю.В. Радиация и человек - М.: Знание, 1987.

10. Карпенков С.Х. Концепции современного естествознания - М.: ЮНИТИ, 1997.

Размещено на Allbest.ru