Теории происхождения Вселенной

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

Глава 1. Происхождение Вселенной. Теории Возникновения

1.1 Теория Большого взрыва

1.2 Бесконечно пульсирующая Вселенная

1.3 Теория стационарной Вселенной

1.4 Ненаучные концепции. Креационизм

Глава 2. Большой взрыв и краткая история Вселенной

2.1 Первые секунды после Большого взрыва

2.2 Образование вещества

Глава 3. Эволюция Вселенной

3.1 Будущее расширяющейся Вселенной

Заключение

Список литературы



Введение

В мире существует множество значений понятия Вселенная. Вселенную рассматривают как с философской точки зрения, так и с астрономической. В широком смысле, Вселенная - это весь окружающий нематериальный мир во всех его многообразных формах и проявлениях, безграничный во времени и в пространстве.

Она объективна и независима от нас и нашего сознания. В более узком смысле слова, под Вселенной понимается мир небесных тел с законами их движения и развития, а так же их распределение во времени и пространстве. Материя во Вселенной распределенная относительно неравномерно и большая её часть сосредоточена в более плотных космических телах,- галактиках, туманностях и звёздах.

Однако, даже зная определение Вселенной, мы не до конца можем понять все процессы, происходящие в ней. Как она развивалась, и что стало причиной её появления?

Для ответа на этот вопрос понадобился почти век исследований, которые в свою очередь опирались на более древние знания о Мире. В результате теоретических расчётов выстроилась одна из самых необыкновенных гипотез Мироздания. Большое количество учёных, таких как, С. Хокинг, А.Д. Сахаров, И.Д. Новиков, высказывали свои оригинальные идеи по вопросу происхождения Вселенной. При этом, не смотря на отдельные разногласия, была выделена главная суть: наша Вселенная - результат развития гигантского искажения некоего пространства.

Первое научное свидетельство того, что у Вселенной было начало, возникло в 1920-ом году. До этого большинство учёных полагали, что Вселенная статична и существовала всегда. Это доказательство было основано на наблюдениях американского астронома Эдвина Хаббла, который, проанализировав спектры галактик, сделал вывод о расширении Вселенной.

Надо признать, что, не смотря на впечатляющие достижения теоретической астрономии, о развитии Мира во времени, наука знает очень мало. Астрофизики предлагают всё новые и новые гипотезы о рождении нашей Вселенной, однако, их подтверждение или опровержение - дело будущего.

Относительно ясно, что примерный возраст известного нам Мира составляет 13,7 млрд лет, но что происходило в момент зарождения, что заставило вселенский котёл Большого взрыва выплёскивать вещество и излучение, остаётся тайной. Но Вселенная постижима, потому что ею управляют физические законы. Гравитация влияет на всё в Мире как тяготение или притяжение. Электромагнетизм воздействует на частицы с электрическим зарядом, отталкивая одноимённые заряды и притягивая разноименные. Ядерное взаимодействие играет важную роль в образовании химических элементов внутри звёзд, а так же удерживает протоны и нейтроны внутри атомного ядра.

Особенность космологии, как науки в том, что она может объединить такие физические дисциплины, как квантовая теория поля, физика элементарных частиц, статистическая физика и гравитация. Изучая столь давние события, как образование вещества, наука опирается на следы, оставленные древними событиями и которые мы можем наблюдать сегодня.

Новые гипотезы проверяются на непротиворечивость по отношению к наблюдательным данным и на согласования с известными человечеству физическими законами. Из-за разнообразия гипотез нередко встречаются различные модели, объясняющие наблюдательные данные, и лишь будущие исследования могут выявить истину.



Глава 1. Происхождение Вселенной. Теории возникновения

1.1 Теория Большого взрыва

«Вначале был взрыв. Не такой взрыв, который знаком нам на Земле и который начинается из определенного центра и затем распространяется, захватывая всё больше и больше пространства, а взрыв, который произошёл одновременно везде, заполнив с самого начала всё пространство, причём каждая частица материи устремилась прочь от любой другой частицы». С.Вайнберг. Первые три минуты.

Современный взгляд на происхождение Вселенной.

По современным представлениям, наблюдаемая нами сейчас Вселенная возникла 13,77 ± 0,059 млрд лет назад из некоторого начального сингулярного состояния и с тех пор непрерывно расширяется и охлаждается. Этот момент принято считать моментом зарождения Вселенной, и поэтому его часто берут за начало отсчёта времени.

Открытие расширяющейся Вселенной было одним из знаменательных интеллектуальных переворотов 20-го века. Сейчас мы можем лишь удивляться, что подобная идея не пришла раньше. Исаак Ньютон и другие учёные должны были бы сообразить, что статистическая Вселенная вскоре бы обязательно начала бы сжиматься под действием сил гравитации. При этом вера в статическую Вселенную была столь велика, что существовала в умах учёных ещё в начале 20-го века. Даже Эйнштейн, разрабатывая общую теорию относительности, был уверен в статичности Мира.

Большой Взрыв и разбегание галактик были доказаны благодаря такому явлению, как эффект Доплера. После получения советским математиком Александром Фридманом общего решения уравнений Эйнштейна, применённых к описанию всей Вселенной, было установлено, что Вселенная меняется во времени. Звёздные системы не могут находиться в неизменённых расстояниях друг от друга и должны либо сближаться, либо удаляться.

Из этого следует вывод, что Вселенная должна расширяться или, наоборот, сжиматься до начального состояния. В частности Фридман предсказал необходимость существования «сингулярного состояния» , а значит, и необходимость причины, побудившей сверхплотное вещество расширяться. То есть, в далёком прошлом Вселенная была не похожа на ту, которую мы наблюдаем сегодня. Раньше не было ни отдельных небесных тел, ни систем. Мир был почти однородным, очень плотным и быстро расширялся. Только значительно позже из этого вещества возникли звёзды. Это стало теоретическим открытием взрывающейся Вселенной.

Позже астроном Эдмин Хаббл подтвердил эту теорию благодаря изучению спектров галактик. Звёздные системы и галактики являются структурными единицами Вселенной. Они наблюдаются с больших расстояний, и поэтому изучение их движений стало основой для исследования кинематики Вселенной. Скорость удаления и приближения объектов можно измеряет с помощью так называемого эффекта Доплера, согласно которому длина волны приближающегося источника света меньше, чем удаляющегося. То есть цвет первого источника будет смещён к концу фиолетового спектра, а второго - к красному.

Исследуя свет очень далёких светил, астрономы обнаружили, что линии их спектров смещены в сторону красного края. Долгое изучение спектров галактик показало, что почти все звёздные системы удаляются от нас, причём чем дальше, тем быстрее. Это открытия было шоком для многих учёных, которые считали, что все галактики движутся хаотично, а число удаляющихся и приближающихся галактических скоплений примерно одинаково. Позднее астрофизики установили, что разбегаются не звёзды и галактики, а сами скопления галактик.

При этом удаление галактик при доплеровской интерпретации красного смещения -- это не единственное доказательство Большого Взрыва. Независимым подтверждением служит чернотельное фоновое космическое излучение -- постоянный слабый фон радиоволн, приходящих к нам из космоса со всех сторон. В 1940 году физик Георгий Гамов выдвинул теорию о горячей Вселенной, которая заключалась в том, что в самом начале расширения Вселенной температура вещества была очень велика и падала с расширением. Другой вывод теории гласил, что в сегодняшней Вселенной должно существовать слабое электромагнитное излучение, оставшееся от эпохи большой плотности и температуры вещества. По мере развития Вселенная остывала, пока излучение не превратилось в слабый остаток. И сегодня интенсивность этого реликтового излучения такая, какой следует ожидать в наше время от заметно ослабшего Большого Взрыва.

Брайан Грин в своей книге «Ткань Космоса» отмечает, что неправильно думать о Большом взрыве, как о теории возникновения космоса. Большой взрыв-это теория, которая намечает космическую эволюцию от долей секунды после чего-то произошедшего, чтобы привести Вселенную к существованию. Эта теория не говорит о том, что взорвалось, о причине возникновения сингулярности, или материи и энергии.

В результате развития теории Большого взрыва, учёные выделили точку начала расширения наблюдаемой Вселенной- космологическую сингулярность. В этот момент нарушается математически корректное описание геометрии пространства и времени. Сам термин «сингулярность» можно назвать особенностью, ибо начальное состояние материи характеризовалось совершенно исключительными плотностями материи и энергии, стремящимся к бесконечности. Иногда сингулярность называют «первичным огненным шаром» в котором не могло существовать ни одной из структур, наблюдаемых сегодня,- ни галактик, ни звёзд. Даже атомы должны были быть разделены на части под действием высокого давления и температуры.

Что происходит в области сингулярности не известно, но логически ясно, что там нарушаются многие законы теории относительности и квантовой физики.

Зная, что история нашей Вселенной началась с некого сингулярного состояния, стоит задать вопрос, что послужило причиной её расширения. Огромное давление в начале не может стать причиной большой скорости разлёта вещества, потому что из-за однородности первоначальной стадии исчезают перепады давления, которые могут создать силу, ведущую к разлёту. Более того, большое давление увеличивает силы тяготения, замедляя расширение пространства. Однако, существуют такие свойства вакуума, которые в некоторых случаях, обладают положительной плотностью энергии, плотностью вещества, отрицательным давлением или натяжением. Это приводит к тому, что космологическая постоянная, величина, характеризующая свойства вакуума, может оказаться такой большой, что своим гравитационным действием она затмит тяготение обычной физической материи и приведёт к «толчку», с которого началось расширение Вселенной. Исходя из сказанного, стоит заметить, что процесс Большого взрыва нельзя сравнивать со взрывом гранаты, когда в пространстве рождаются и разлетаются частицы и атомы, подобно осколкам и газам. Эта аналогия является абсолютно неверной и не объясняет, как возникло пространство и время. В случае с бомбой сила, которая способствует разлёту частиц, вызвана градиентом давления внутри вещества, а во Вселенной вещество однородно и градиентов давления нет. Из-за большой величины отрицательного давления знак источника меняется, и возникает антигравитация, которая ведёт к расширению мира. Именно в этом заключается причина Большого взрыва.

Важно понимать, что расширение пространства не влияет на размер объектов - звёзд, галактик и туманностей (рис.1).

Это связано с гравитационными силами, которые удерживают галактики. Если бы всё свободно расширялось, то мы сами, Рис.1

наши дома и планеты расширялась бы пропорционально расширению пространства, и мы бы не заметили никакой разницы.

Обычно учёные сочетают теорию Большого взрыва и модель горячей Вселенной, но эти концепции независимы, и исторически существовало также представление о холодной начальной Вселенной вблизи Большого взрыва. Сегодня теория о горячей ранней Вселенной доказана наличием реликтового излучения.

Астрономы обнаружили и другие свидетельства, подтверждающие связь Большого взрыва с горячей ранней Вселенной. Примерно в течении одной минуты после взрыва температура молодого Мира была выше, чем в ядре любой звезды. Вселенная работала, как термоядерный реактор, но реакции прекратились, когда Вселенная остыла и расширилась. При этом она состояла из водорода и гелия с небольшими примесями лития. Расчёты хорошо согласуются с теми массами гелия и водорода, которые мы наблюдаемся в наше время.

За тайной космической сингулярности долго скрывался секрет происхождения Вселенной, однако, в 1960-хх гг. стали возникать и другие сценарии происхождения Мира.

1.2 Бесконечно пульсирующая Вселенная

Один из главных вопросов, который интересует учёных, связан с состоянием Вселенной, предшествующих началу Большого взрыва. Ведь не мог весь известный нам Мир возникнуть из ничего. Ещё ни одно наблюдение не объясняет, что было до Большого взрыва. Однако многие учёные считают, что в нашей Вселенной имеются следы, подтверждающие существование того, что предшествовало Большому взрыву.

Согласно исследованиям Пенсильванского университета до Начала существовала сжимающаяся Вселенная с геометрией пространства-времени, подобной нашей расширяющейся Вселенной. Сначала та Вселенная сжалась в одну точку, а затем вспыхнула и виде Большого взрыва.

Согласно этой теории, в нашей Вселенной сверхскопления галактик, которые раньше разбегались, в скором времени начнут сбегаться, приближаясь друг к другу с возрастающей скоростью, стремясь сжаться в точку. Этот процесс будет длиться до определенного значения, а за ним вновь последует Большой взрыв и новое начало.

Не исключено, что Вселенная, в силу свойств материи, функционирует бесконечное количество раз, в бесконечной серии Больших взрывов, происходящих периодически и самопроизвольно. Вселенная - это закрытая система, которая не нуждается во внешнем вмешательстве. Эволюция Вселенной подразумевает бесконечный процесс преобразования вещества и энергии. И как любая динамическая система, Вселенная может быть устойчивой и стабильной в условиях энергетического баланса. Гравитация тоже является одним из видов энергии, и именно она может способствовать сжатию Вселенной.

Существует мнение, что в таком случае развития Мира, в каждом цикле пульсации абсолютно все явления должны повториться, поскольку повторяется качество материи, а, следовательно, и её форма.

Многие учёные задаются вопросом живем ли мы во Вселенной, которая будет бесконечно расширяться, или в той, что испытывает бесконечные циклические пульсации? Ответ на этот вопрос может рассказать о будущем нашей Вселенной о её развитии и эволюции.

1.3 Теория стационарной Вселенной

Кроме теории расширяющейся Вселенной существует теория, что Вселенная стационарна, то есть не эволюционирует и не имеет ни начала, ни конца во времени.

По мере того как галактики удаляются друг от друга при хаббловском расширении, в разрастающемся пространстве между ними образуется новая материя. Вновь образованная материя со временем превращается в галактики, которые, в свою очередь, будут удаляться друг от друга, высвобождая пространство для образования новой материи. Таким образом, наблюдаемое расширение было согласовано с понятием «стационарной» Вселенной, сохраняющей свою общую плотность и не имеющей единственной точки образования .

Часть сторонников такой точки зрения отвергают расширение Вселенной, а красное смещение объясняют гипотезой о «старении» света. Однако, как выяснилось, эта гипотеза противоречит наблюдениям, например, наблюдаемой зависимости продолжительности вспышек сверхновых от расстояния до них.

большой взрыв вселенная происхождение

1.4 Ненаучные концепции. Креационизм

В каждой культуре есть миф о мире до творения и о том, как возник мир. Главное различие между ними и нашим современным научным предположением о Большом Взрыве в том, что наука может проверить возникшие идеи с помощью экспериментов или наблюдений.

Однако любой из рассказов о творении заслуживает глубокого уважения.

Во многих религиозных источниках говорится, что Бог создал Мир из ничего. При этом люди не задаются вопросом, откуда взялся Бог. И если решим, что вопрос не имеет ответа, то почему бы нам сразу не признать, что вопрос о происхождении Вселенной не имеет ответа?

Или, если мы согласимся, что Бог существовал всегда, почему не заключить сразу, что Вселенная существовала всегда? Многие креационисты считают, что нет такого сильного противоречия между научными и религиозными концепциями. Считается, что многие термины, используемые в древних религиозных текстах, не следует понимать буквально и необходимо учитывать время и язык, использовавшийся в древности. То есть они говорят о том, что наука и религия говорят об одном и том же только разными словами.

22 ноября 1951 года Папа Римский Пий XII объявил, что теория Большого взрыва не противоречит католическим представлениям о создании мира. Он говорит, что Большой взрыв мог существовать в действительности, только причиной создания Мира стал Бог.

В православии также существует положительное отношение к этой теории. Консервативные протестантские христианские конфессии также приветствовали теорию Большого Взрыва, как поддерживающую историческую интерпретацию учения о творении. Некоторые мусульмане стали указывать на то, что в Коране есть упоминания Большого взрыва. Согласно индуистскому учению, у мира нет начала и конца, он развивается циклично, однако в «Энциклопедии индуизма» говорится, что теория напоминает, что всё произошло от Брахмана, который «меньше атома, но больше самого громадного».

Многие утверждают, что религии и науке не стоит быть соперниками, а идти вместе, потому что вопросы, которые они задают, идентичны.



Глава 2. Большой взрыв и краткая история Вселенной

2.1 Первые секунды после Большого взрыва

После загадочной космологической сингулярности следует не менее таинственная планковская эра (0 -10 ^-43 с). Трудно сказать какие процессы происходили в этот краткий миг новорождённой Вселенной. Но точно известно, что к концу планковского момента гравитационное воздействие отделилось от трёх фундаментальных сил, соединенных в единую группу Великого объединения.

Для того, чтобы описать более ранний момент, необходима новая теория, частью которой может стать модель петлевой квантовой гравитации и теория струн. Получается, что планковская эра, как и космологическая сингулярность, составляет сверхмалый по длительности, но значительный по научному весу пробел в доступных знаниях ранней Вселенной. Так же в пределах планковского времени существовали своеобразные флуктации пространства и времени. Для описания этого квантового хаоса можно использовать образ пенящихся квантовых ячеек пространства-времени.

По сравнению с планковской эрой дальнейшие события предстают перед нами в ярком и понятном свете. В период с 10 ^-43 с до 10^-35 с в молодой Вселенной уже действовали силы гравитации и Великого объединения. В этот период сильное, слабое и электромагнитное воздействия были единым целым и составляли силовое поле Великого объединения.

Когда с момента Большого взрыва прошло 10^-35 с, Вселенная достигла температуры 10²⁹ К. В этот момент сильное взаимодействие отделилось от электрослабого. Это привело к нарушению симметрии, которое происходило по-разному в разных частях Вселенной. Есть вероятность, что Вселенная разделилась на части, которые были отгорожены друг от друга дефектами пространства-времени. Так же там могли существовать и другие дефекты - космические струны или магнитные монополи. Однако, сегодня мы не можем этого видеть из-за другого разделения силы Великого объединения - космологической инфляции.

В то время Вселенная была заполнена газом из гравитонов - гипотетических квантов поля тяготения и бозонов силы Большого объединения. В это же время почти не существовала разница между лептонами и кварками.

Когда в некоторых частях Вселенной произошло разделение сил, возник ложный вакуум. Энергия застряла на высоком уровне, вынуждая пространство удваиваться каждые 10^-34 с. Таким образом, Вселенная от квантовых масштабов( одна миллиардная триллионной триллионной доли сантиметра) перешла к размерам шара с диаметром около 10 см. В результате эпохи Великого объединения произошёл фазовый переход первичной материи, который сопровождался нарушением однородности её плотности. Эпоха Великого объединения закончилась приблизительно в 10^?34 секунд с момента Большого Взрыва, когда плотность материи составляла 10⁷⁴ г/смі, а температура 10²⁷ K. В этот момент времени от первичного взаимодействия отделяется сильное ядерное взаимодействие, которое начинает играть важную роль в создавшихся условиях. Это отделение привело к следующему фазовому переходу и масштабному расширению Вселенной, которое привело к изменению плотности вещества и распределению его по Вселенной.

Одна из причин, почему мы так мало знаем о состоянии Вселенной до инфляции, заключается в том, что дальнейшие события очень сильно её изменили, разбросав частицы до инфляционного возраста по самым дальним уголкам Вселенной. Поэтому, даже если эти частицы и сохранились, обнаружить их в современном веществе достаточно сложно.

С быстрым развитием Вселенной происходят большие изменения, и в след за периодом Великого объединения идёт эпоха инфляции (10^-35 - 10^-32). Для этой эпохи характерно сверхбыстрое расширения молодой Вселенной, то есть инфляция. В этот краткий миг Мироздание представляло собой океан ложного вакуума с высокой плотностью энергии, благодаря чему и стало возможно расширение. При этом параметры вакуума постоянно менялись из-за квантовых всплесков - флуктации (пространство-временное вспенивание).

Инфляция объясняет природу взрыва при Большом взрыве, то есть почему происходило стремительное расширение Вселенной. Основой для описания этого явления послужили общая теория относительности Эйнштейна и квантовая теория поля. Для того, что описать это явление, физики построили гипотетическое инфлаторное поле, которое заполняло всё пространство. Благодаря случайным колебаниям оно принимало разные значения в произвольных пространственных областях и в разные моменты времени. Затем в инфлаторном поле образовалась однородная конфигурация критического размера, после чего пространственная область, занятая флуктацией, начала быстро увеличиваться в размерах. Из-за стремления инфлаторного поля занять положение, в котором его энергия минимальна, процесс расширения обрёл нарастающий характер, в результате которого Вселенная начала увеличиваться в размерах. В момент расширения(10^-34) начал распадаться ложный вакуум, в результате чего начинают образоваться частицы и античастицы больших энергий.

В истории Вселенной наступает адронная эра, важной особенностью которой является существования частиц и античастиц. Согласно современным представлениям в первые микросекунды после Большого взрыва, Вселенная находилась в состоянии кварк-глюонной плазмы. Кварки являются составными частями всех адронов (протонов и нейтронов), а нейтральные частицы глюоны-переносчики сильного взаимодействия, которые обеспечивают слипание кварков в адроны. В первые моменты Вселенной эти частицы только образовывались и находились в свободном, газообразном, состоянии.

Хромоплазму кварков и глюонов обычно сравнивают с жидким состоянием взаимодействующей материи. В такой фазе кварки и глюоны освобождаются от адронной материи и могут свободно перемещаться по всему плазменному пространству, в результате чего образуется цветопроводность.

Не смотря на экстремально высокие температуры, кварки были достаточно связаны между собой, а их движение напоминало скорее движение атомов в жидкости, чем в газе. Так же при таких условиях происходит ещё один фазовый переход, при котором лёгкие кварки, составляющие вещество, становятся безмассовыми.

Наблюдения реликтового фона показали, что первоначальное изобилие частиц по сравнению с количеством античастиц составляло ничтожно малую долю от общего числа. И именно этих избыточных протонов хватило для создания вещества Вселенной.

Некоторые учёные полагают, что в адронной эре существовали и скрытие вещества. Носитель скрытой массы неизвестен, но наиболее вероятными считаются такие элементарные частицы как аксионы.

В процессе развития взрыва температура падала и через одну десятую секунды достигала 3*10¹⁰ градусов Цельсия. Через одну секунду - десять тысяч миллионов градусов, а через тринадцать секунд- три тысячи миллионов. Этого было уже достаточно для того, чтобы электроны и позитроны начали аннагилировать быстрее. Энергия, выделяющаяся при аннагиляции, постепенно замедляла скорость охлаждения Вселенной, но температура продолжала падать.

Период с 10-4 - 10 с принято называть эрой лептонов. Когда энергия частиц и фотонов понизилась в сотню раз, вещество заполнили лептоны-электроны и позитроны. Лептонная эра начинается с распада последних адронов в мюоны и мюонное нейтрино, а кончается через несколько секунд, когда энергия фотонов резко уменьшилась и генерация электрон-позитронных пар прекратилась.

Примерно через одну сотую секунды после Большого взрыва температура Вселенной была равна 10 ¹¹ градусов Цельсия. Это намного горячее, чем в центре любой известной нам звезды. Эта температура так высока, что ни один из компонентов обычного вещества, атомы и молекулы, не могли существовать. Вместо этого молодая Вселенная состояла из элементарных частиц. Одними из этих частиц были электроны, - отрицательно заряженные частицы, которые образую внешние части всех атомов. Другими частицами были позитроны,- положительно заряженные частицы с массой, в точности равной массе электрона. Помимо этого существовало нейтрино различных типов- призрачных частиц, не имеющих ни массы, ни электрического заряда. Но нейтрино и антинейтрино не аннигилировали друг с другом, потому что эти частицы очень слабо взаимодействуют между собой и другими частицами. Поэтому они до сих пор должны встречаться вокруг нас, и они могло бы стать хорошим способ проверки модели горячей ранней Вселенной. Однако энергии этих частиц сейчас слишком малы для их наблюдения.

Во время эры лептонов имелись такие частицы как протоны и нейтроны. И наконец, во Вселенной был свет, который, согласно, квантовой теории, состоит из фотонов. В пропорциональном отношении, на один нейтрон и протон приходилось тысяча миллионов электронов. Все эти частицы непрерывно рождались из чистой энергии, а затем аннигилировали, образовывали другие виды частиц. Плотность в ранней Вселенной при столь высоких температурах была в четыре тысячи миллионов раз больше, чем у воды.

Как говорилось ранее, именно в этот период происходит интенсивное рождение в ядерных реакциях различных типов призрачного нейтрино, которое называют реликтовым.

Начинается радиационная эра, в начале которой Вселенная вступает в эпоху излучения. В начала эры (10 с) излучение интенсивно взаимодействовало с заряженными частицами протонов и электронов. Из-за падения температуры фотоны охлаждались, и в результате многочисленных рассеяний на удаляющихся частицах уносилась часть их энергии.



Рис. 2

Примерно через сто секунд после Большого взрыва температура падает до тысячи миллионов градусов, что соответствует температуре самых горячих звёзд. При таких условиях энергии протонов и нейтронов уже недостаточно для сопротивления сильному ядерному притяжению, и они начинают объединяться друг с друг с другом, образуя ядра дейтерия- тяжёлого водорода. Затем ядра дейтерия присоединяют другие нейтроны и протоны и превращаются в ядра гелия. После образуются более тяжёлые элементы - литий и бериллий. Первичное образование атомных ядер рождающегося вещества продолжалось недолго. После трёх минут частицы разлетелись так далеко друг от друга, что столкновения стали редким явлением. Согласно горячей модели Большого взрыва, около четвёртой части протонов и нейтронов должно было превратиться в атомы гелия, водорода и других элементов. Оставшиеся элементарные частицы распались на протоны, представляющие ядра обычного водорода.

Через несколько часов после Большого взрыва образование гелия и других элементов прекратилось. В течение миллиона лет Вселенная просто продолжала расширяться и в ней почти больше ничего не происходило. Существующая в тот период материя начала расширяться и охлаждаться. Значительно позже, через сотни тысяч лет температура упала до нескольких тысяч градусов, и энергии электронов и ядер стало недостаточно для преодоления действующего между ними электромагнитного притяжения. Они начали сталкиваться между собой, образуя первые атомы водорода и гелия (рис 2).

2.2 Образование вещества

Спустя примерно 300 000 лет после Большого взрыва произошло значительно событие, которое отразилось на всей составляющей Вселенной. Иногда этот период называют эрой звёзд и галактик. В следствии расширения Вселенной понижалась плотность энергии фотонов и других элементарных частиц. При увеличении расстояния в 2 раза, объём увеличивался в 8 раз, а значит, плотность фотонов и частиц уменьшилась в 8 раз. При этом, стоит заметить, что в процессе расширения, фотоны ведут себя не так, как частицы. В то время как энергия покоя в расширяющейся Вселенной не меняется, энергия фотонов уменьшается. Получается, что плотность энергии электромагнитного излучения падала намного быстрее, чем плотность энергии частиц, существовавших в то время. Преобладание электромагнитной составляющей над плотностью энергии вещества быстро снижалось до тех пор, пока оба компонента не пришли в неустойчивое равновесие. Это стало концом эры раннего излучения после Большого взрыва. Происходит отрыв электромагнитных волн от первичного вещества, из которого впоследствии образуются первые галактики.

Разделение вещества и излучения способствовало усиление влияния первичных неоднородностей в распределение вещества во Вселенной. В тех областях, где плотность была выше средней, из-за дополнительного гравитационного притяжения расширение замедлялось. В результате эти области перестали расширяться и начали обратный процесс-сжатие.

Под действием гравитационного притяжения материи, находящейся снаружи этих областей, началось медленное вращение вещества. С уменьшение размеров области, скорость её вращения увеличивалась. Когда коллапсирующая область стала достаточно малой, скорости её вращения стало достаточно для уравновешивания гравитационного притяжения. Это привело к образованию вращающихся галактик.

Те области, которые не начали вращаться, превратись в эллиптические галактики. Коллапс этих областей тоже прекратился, потому что, хотя отдельные части стабильно вращались вокруг центра, в целом сама галактика не двигалась.

Газ внутри галактик состоял из водорода и гелия и со временем распадался на газовые облака меньшего размера, сжимающиеся под действием собственной гравитации. При сжатии, внутри облаков атомы начали сталкиваться друг с другом, что вело к нагреванию газа. Температура газа становилась такой сильной, что, в результате, начались реакции ядерного синтеза. Из водорода образовалось дополнительное количество гелия, а из-за выделяющегося тепла возросло давление, и газовые облака перестали сжиматься. Некоторые облака, подобно Солнцу, оставались в таком состоянии достаточно долго, превращая водород в гелий и излучая энергию в виде тепла и света. Более массивные звёзды, чтобы уравновесить сильное гравитационное притяжение, разогревались сильнее. Это увеличивало скорость ядерного синтеза, что привело к быстрому растрачиванию водорода. Звезда начинала сжиматься, происходило превращение гелия в более тяжёлые элементы - углерод и кислород. Дальнейшее сжатие массивной звезды приводило к образованию чёрной дыры. Внешние области звезды уносились силой взрыва сверхновой. Более тяжёлые элементы, образовавшиеся перед гибелью звезды, отбрасывались в галактику и создавали новое сырьё для других поколений звёзд.

Во время эпохи вещества (4*10⁹ лет) произошло одно из самых значимых событий для человечества. Среди множества звёзд и пространства Вселенной произошло формирование галактики «Млечный путь» В одной из частей этой галактики спустя сотни лет образуется карликовая звезда, которую впоследствии мы назовём Солнцем.

Глава 3. Эволюция Вселенной

3.1 Будущее расширяющейся Вселенной

Даже если Вселенная начала расширяться в момент Большого взрыва, не означает, что её расширение будет длиться вечно. По одному из сценариев, расширение может замедлиться, остановиться и обратиться вспять. Однако, если количество вещества во Вселенной окажется меньше некоторой величины, тяготения разбегающихся галактик будет недостаточно, чтобы остановить расширение, которое в этом случае будет длиться вечно. Но так же стоит учитывать, что Вселенная состоит не только из видимого вещества. В мире есть ещё скрытая материя, которая содержится в пространстве и чёрных дырах в виде газа, не говоря уже о тёмной материи( рис. 3).

Рис. 3

Во Вселенной есть критическое значение, которое способно повлиять на её расширение. Вычисления показывают, что критическое значение равно десяти атомов водорода на один кубический метр. Если истинное значение плотности будет больше, то Вселенная окажется связана собственной гравитацией и расширение сменится сжатием. Её судьба станет похожей на цикл, где одна Вселенная рождается после смерти другой. В таком случае, Большой взрыв будет представлен не созданием Космоса, а распадом предыдущего воплощения.

Если Вселенная будет жить вечно, то в неё будет протекать специфические процессы. Во-первых, настанет такой момент, когда все звёзды погаснут. Через несколько миллиардов лет наше Солнце превратится в белый карлик размером с Землю и будет остывать. Большие звёзды погаснут намного быстрее и в конце превратятся либо в нейтронные звёзды либо в чёрные дыры.

В наше время возникают всё новые и новые звёзды, однако когда-нибудь запасы ядерной энергии и вещества будут исчерпаны. Звёздная эра эволюции Вселенной закончится через 10 ¹⁴ лет. Это во много раз больше того времени, которое прошло от начала расширения Вселенной. Некоторые звёзды постепенно будут покидать галактику и превращаться в межгалактических странников. Это приведёт к тому, что центральная часть галактики будет медленно сжиматься, превращаясь в компактное звёздное скопление. Звёзды будут сталкиваться друг с другом, превращаясь в газ, который будет падать в сверхмассивную дыру, увеличивая её массу. Приливная сила чёрной дыры будет разрушать проходящие рядом звёзды. В конечном этапе образуется сверхмассивная чёрная дыра, поглотившая остатки центральных звёзд и рассеивающая их из внешней части галактики. Процесс разрушения галактик закончится через 10¹⁹ лет, и все звёзды к этому времени уже погаснут. Через 10³² лет исчезнут и составляющие звёзд - протоны. Хотя распад ядерного вещества будет играть важную роль до этого срока. Позитроны, возникающие при распаде протонов и нейтронов, будут аннигилировать с электронами, превращаясь в фотоны. Этот процесс распада будет поддерживать относительно высокую температуру умирающих звёзд.

После распада ядерного вещества в мире останутся фотоны, нейтрино, электронно-позитронная плазма и чёрные дыры. Основная часть массы окажется в нейтрино и фотонах. Начнётся эра остывшего излучения. С расширением Вселенной, будет уменьшаться плотность массы излучения, так как падает плотность частиц и энергия каждого кванта. При этом плотность чёрных дыр будет уменьшаться медленнее, чем плотность излучения. А значит, ко времени 10³³ лет плотность материи будет определяться массой чёрных дыр. На смену эре излучения придёт эра чёрных дыр. И всё же постепенно и чёрные дыры превратятся в излучение, которое вновь станет доминировать во Вселенной. Однако, в следствии расширения Вселенной плотность излучения уменьшается быстрее электронно-позитронной плазмы. И через 10 ¹⁰⁰ кроме этой плазмы во Вселенной не останется ничего. Во Вселенной будет существовать нейтроны и позитроны, рассеянные в пространстве. Одна частица будет приходиться на объём, равный 10 ¹⁸⁵ объёмам видимой сегодня Вселенной.

Но стоит отметить, что такое распределение частиц не означает, что во Вселенной не будет происходит активных процессов и движение физических форм материи. Конечно, в это время будут замедленны все процессы, но ведь и пространственные масштабы будут иными. По мнению известного физика Фримена Дайсона, в любом отдаленном будущем возможны сложные формы движения материи и даже разумная жизнь, однако в непривычных для нас формах.

Изучение будущего Вселенной сильно отличается от изучения прошлого. Прошлое оставило свои следы, изучая которые, мы проверяем правильность своих представлений. Будущее же неизвестно, и даже если удастся провести теоретические расчёты дальнейшего развития всего, то проверить правильность этих теорий мы не сможем. Одной из основных задач астрофизиков будущего станет поиск и фиксация границ нашей Вселенной, а главными инструментами послужат космические обсерватории, которые ведут наблюдения этих границ в различных частях электромагнитного спектра.



Заключение

Естествознание сейчас находится в начале развития нового, необычайно интересного этапа своего развития. Он необычен, прежде всего, тем, что наука о микромире, физика элементарных частиц, и наука о Вселенной, космология, становятся единой наукой о фундаментальных свойствах окружающего нас мира. Используя различные методы, они ищут ответы на одни и те же вопросы.

При этом не смотря на ежедневные научные открытия, многое остаётся тайной. Мы не знаем, что представляет собой основная часть материи во Вселенной, и можем лишь догадываться, какие явления происходят на сверхмалых расстояниях.

В ближайшем будущем учёные непременно найдут ответы на некоторые вопросы, однако, это не означает, что все процессы, происходящей во Вселенной, будут нам понятны. Представление человека о Мире слишком ограничены и связаны определёнными физическими законами. Я считаю, что если человек сможет пересмотреть основы физики, то он сможет увидеть истинную красоту Вселенной, и понять все явления, которые сделали наш мир таким, каким мы его знаем.



Список литературы

1. О. Фейгин. Вселенная: от Большого взрыва до чёрных дыр.- М.: Эскмо,2012.

2. Новиков И. Д. Чёрные дыры и Вселенная.- М.: Молодая гвардия, 1985.

3. С. Хокинг, Л. Млодинов. Краткая история времени.- Спб.:Амфора,2014.

4. Геологический словарь.- М.: Недра. Под редакцией К. Н. Паффенгольца и др.. 1978.

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

6. С. Хокинг, Л. Млодинов. Высший разум. - Спб.: Амфора, 2014

7. С. Вайнберг. Первые три минуты. Современный взгляд на происхождение Вселенной.- Ижевск: РХД, 2000.

8. К. Саган. Космос. Эволюция Вселенной, жизни и цивилизации.- Спб.: Амфора, 2005.

9. Б. Грин. Ткань Космоса. Пространство, время и текстура реальности. - М.: Либроком, 2009.

10. Лекция о Вселенной. Институт ядерных исследований РАН, Москва.

11. http://znaniya-sila.narod.ru

12. https://ru.wikipedia.org

Размещено на Allbest.ru