Эволюция Вселенной

14

РЕФЕРАТ

по дисциплине «Естествознание»

по теме: «Эволюция Вселенной»

СОДЕРЖАНИЕ

• ВВЕДЕНИЕ
• 1. Общая теория относительности и космологическая модель А.А. Фридмана
• 2. Физические процессы, происходящие на ранней стадии эволюции Вселенной
• ЗАКЛЮЧЕНИЕ
• СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
• ВВЕДЕНИЕ

Первое научно обоснованное представление о Вселенной, сложившееся в XVIII веке, было связано с механистической концепцией детерминизма, в соответствии с которой все процессы в природе подчиняются жестким причинно-следственным закономерностям, исключающим появление нового качества. Движение в природе - это непрерывная смена состояний, которая происходила, происходит и будет происходить вечно, в соответствии с законами классической механики. Ареной этих движений является бесконечная Вселенная, свойства которой в среднем одинаковы во всех направлениях. Эти фундаментальные атрибуты Вселенной - вечность, бесконечность, изотропность - как выяснилось впоследствии, тесно связаны с законами сохранения энергии, импульса и момента импульса (теорема Нетер).

Однако уже в XIX столетии стало ясно, что процессы во Вселенной развиваются необратимо, по сложным сценариям, которые никак не сводятся к обратимым движениям материальных точек по траекториям. В то время существовала одна единственная физическая теория, описывающая необратимое поведение объектов природы - статистическая термодинамика. Основные положения этой теории и были применены У.Томсоном и Р.Клаузиусом к Вселенной как к замкнутой системе, в результате чего появилась концепция «тепловой смерти» Вселенной. В соответствии с этим термодинамическим сценарием, современное состояние Вселенной является результатом гигантской флуктуации Вселенной, ее спонтанным, самопроизвольным «прыжком» в упорядоченное состояние, после чего началась медленная релаксация к хаотическому состоянию с максимальной энтропией, когда и вещество, и поле будут распределены в пространстве равномерно и прекратятся все процессы в природе. После этого возможны новые флуктуации, сопровождающиеся релаксацией к равновесию, и так до бесконечности.

Однако еще Ньютон обращал внимание, что вещество не может быть распределено с постоянной средней плотностью в сколь угодно большом объеме. Можно констатировать, что к началу XX века неудовлетворительность существующих космологических концепций стала очевидной.

1. ОБЩАЯ ТЕОРИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ И КОСМОЛОГИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ А.А. ФРИДМАНА

В феврале 1917 года А. Эйнштейн опубликовал статью, которая стала исходным пунктом на пути к современным космологическим представлениям. В этой статье Эйнштейн применил к Вселенной только что выведенные им уравнения общей теории относительности. Самым удивительным оказалось то, что из написанного им «мирового уравнения» вытекала невозможность стационарного, то есть не изменяющегося со временем, состояния Вселенной. Получалось, что от малейшего «толчка» силы тяготения начнут либо неумолимо сжимать все вещество, находящееся во Вселенной, в точку, либо, наоборот, «распираемый изнутри» мир станет неудержимо расширяться (здесь уместно вспомнить гравитационный парадокс Зелигера-Неймана). Другими словами, радиус кривизны Вселенной и средняя плотность материи в ней получались у Эйнштейна зависящими от времени, хотя их постоянство было взято за основу при выводе «мирового уравнения». После некоторых колебаний Эйнштейн добавил к «мировому уравнению» еще одно слагаемое, так называемую космологическую постоянную, учитывающую гипотетическую антигравитацию. Это позволило Эйнштейну «закрепить» мир, не дать ему потерять устойчивость. С самого начала было ясно, что такая математическая «подпорка» носит явно искусственный характер.

Весной 1922 года в главном физическом журнале того времени - «Zeitschrift fur Physik» появилось обращение «К немецким физикам!». Правление Германского физического общества извещало о трудном положении коллег в России, которые с начала войны не получали немецких журналов. Поскольку лидирующее положение в тогдашней физике занимали немецкоязычные ученые, речь шла о многолетнем информационном голоде. Немецких физиков просили направлять публикации последних лет с тем, чтобы потом переслать их в Петроград. Однако в том же журнале, двадцатью пятью страницами ниже, была помещена статья, полученная из Петрограда, на первый взгляд, противоречащая призыву о помощи. Имя автора - А. Фридман - физикам было неизвестно. Его статья с названием «О кривизне пространства» касалась общей теории относительности. Точнее - ее самого грандиозного приложения: космологии. Именно в этой статье родилось «расширение Вселенной». До 1922 года такое словосочетание выглядело бы полной нелепостью. О том, что расширение Вселенной началось миллиарды лет назад, астрофизике еще только предстояло узнать. Но «горизонт познания» раздвинулся именно в 1922 г. И раздвинул его тридцатичетырехлетний Александр Фридман.

Далеко не сразу эта модель была признана научным миром, а Эйнштейн, который одним из первых познакомился с расчетами А.А.Фридмана, даже обвинил их автора в элементарной ошибке. Однако ошибки не было, и тот же Эйнштейн в 1923 году сам написал об этом: «Я считаю результаты Фридмана правильными и проливающими новый свет».

А.А. Фридман не дожил до блестящего экспериментального подтверждения своих выводов, когда в 1929 году американский астрофизик Э. Хаббл обнаружил «красное смещение» спектральных линий излучения, приходящего от удаленных галактик. Это смещение указывало на то, что Вселенная расширяется, причем «разбегание» любых двух галактик происходит со скоростью v, пропорциональной расстоянию L между этими галактиками:

v = HL, (1)

где H - постоянная Хаббла.

Именно такое соотношение между скоростью и расстоянием вытекало из теории Фридмана.

Измеренное Хабблом значение постоянной H = 150((км/с)/106све-товых лет) оказалось завышенным более чем на порядок, и эта ошибка сыграла важную роль в дальнейшем развитии естествознания XX века. Действительно, если принять, что расширение Вселенной происходит достаточно равномерно, то легко убедиться, что промежуток времени t от начала расширения равен обратной постоянной Хаббла:

t = 1/H (2)

Но тогда возраст Вселенной t оказывается равным всего двум миллиардам лет! Это значение оказалось даже меньше, чем возраст Земли, который считается равным ~ 4,5 миллиардам лет. С учетом того, что погрешность определения постоянной Хаббла была достаточно большой, из приведенных оценок был сделан вывод: все космические объекты - галактики, звезды, наша Солнечная система - образовались одновременно в момент начала расширения Вселенной. Но тогда в этот момент должно было появиться и все многообразие химических элементов. А чтобы это было возможно, необходимо было предположить, что хотя бы в первые мгновения жизни Вселенной, ее температура была очень высока. Только в этом случае имели место условия, необходимые для реализации термоядерного синтеза, в результате которого могли образовываться ядра всех химических элементов - от легких до самых тяжелых. Так появилась концепция Большого Взрыва.

После уточнения значения постоянной Хаббла H она оказалась равной всего 15 ((км/с) / 106 световых лет), а это сразу увеличивало возраст Вселенной на порядок: до 20 млрд. лет. Таким образом, открывалась другая возможность образования тяжелых химических элементов: эти элементы могли возникать в процессе эволюции звезд, о чем будет идти речь в следующем разделе.

Необходимость в высоких температурах на ранних стадиях эволюции Вселенной отпала, и на некоторое время модель «горячего рождения» Вселенной отошла в тень. Ее настоящим триумфом стало одно из самых великих научных открытий XX века: экспериментальное обнаружение в 1965 году (А. Пензиас и Р. Вильсон) реликтового излучения, которое «путешествует» в пространстве с тех времен, когда Вселенной было всего около миллиона лет. Это излучение могло возникнуть только в том случае, если молодая Вселенная была достаточно горячей, и если свет в то время был самым активным участником физических процессов.

В настоящее время модель Большого Взрыва продолжает развиваться, уточняться. Так уже в наши дни профессор Карлос Френк и его коллеги из университета Дарема, Великобритания, запустили проект под названием «Тысячелетие» (Millennium), в рамках которого будет проведено самое масштабное и детальное моделирование эволюции Вселенной.

Ученые использовали мощный суперкомпьютер, чтобы проиграть сценарий всего развития Вселенной от Большого Взрыва и до наших дней.

В основу модели были положены современные представления о физике пространства и времени, элементарных частицах, данные космических наблюдений и, собственно, сама космологическая теория Большого Взрыва.

2. ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ, ПРОИСХОДЯЩИЕ НА РАННЕЙ СТАДИИ ЭВОЛЮЦИИ ВСЕЛЕННОЙ

Из теории Фридмана следует, что возможны различные сценарии эволюции Вселенной: неограниченное расширение, чередование сжатий и расширений и даже тривиальное стационарное состояние. Какой из этих сценариев реализуется - зависит от соотношения между критической и фактической плотностью вещества во Вселенной на каждом этапе эволюции

Общепризнанным является тот факт, что Вселенная около 13 млрд. лет тому назад находилась в состоянии сингулярности, состоянии бесконечно большой плотности - 10⁹³ г/см³. Затем в результате Большого Взрыва она начала расширяться, и это расширение длится и в настоящее время.

Под расширением Вселенной подразумевается такой процесс, когда то же самое количество элементарных частиц и фотонов занимают постоянно возрастающий объём. Средняя плотность Вселенной в результате расширения постепенно понижается по закону:

r ~ 1 / G t², (3)

где G - гравитационная постоянная.

Вторым постулатом теории Большого Взрыва является признание решающей роли светового излучения на процессы, происходившие в начале расширения. Плотность энергии e такого излучения, с одной стороны, связана с температурой Т известной формулой Стефана-Больцмана

e = sТ⁴, (4)

где s = 7,6 10^-16 Дж/м³град⁴ -постоянная Стефана-Больцмана, а с другой стороны, с плотностью массы r

r = e / с² = sТ⁴/с², (5)

где с - скорость света.

Подставив (9.6) в (9.4), с учетом численных значений G и s получаем:

Т ~ 1010 t^-1/2, (6)

где время выражается в секундах, а температура - в кельвинах.

«Большой взрыв» продолжался сравнительно недолго, всего лишь одну тридцатитысячную нынешнего возраста Вселенной. Никогда после этого эволюция Вселенной не была столь стремительна, как в самом её начале, во время «большого взрыва». При очень высоких температурах (Т > 1013 К, t < 10^-6 с) Вселенная была абсолютно непохожа на то, что мы видим сегодня. В той Вселенной не было ни галактик, ни звезд, ни атомов... Как в «кипящем котле» в ней непрерывно рождались и исчезали кварки, лептоны и кванты фундаментальных взаимодействий, в первую очередь, фотоны (g). При столкновении двух фотонов могла, например, родиться пара электрон (е-) - позитрон (е+), которая практически сразу аннигилировала (самоуничтожалась), вновь рождая кванты света,

g + g " е- + е+. (7)

Аннигиляция электрон-позитронной пары могла привести к рождению и других пар частица-античастица, например, нейтрино (n) и антинейтрино (`n)

е- + е+ " n + `n. (8)

Аналогичные обратимые реакции шли и с участием адронов, в частности, нуклонов (протонов, нейтронов и их античастиц).

Следует, однако, иметь в виду, что рождение пары частица-античастица при столкновении фотонов возможно только при условии, что энергия фотонов Wg превышает энергию покоя W₀ = m₀c² рождающихся частиц. Средняя энергия фотонов в состоянии термодинамического равновесия определяется температурой

W_g = kT, (9)

где k - постоянная Больцмана.

Поэтому обратимый характер процессов с участием фотонов имел место только при температурах, превышавших вполне определенное значение для каждого типа элементарных частиц.

T ~ m₀c² / k (10)

Но как только температура Т стала меньше, чем Т нукл., нуклоны и антинуклоны за весьма короткое время исчезли, превратившись в свет. И если бы это имело место для всех нуклонов и антинуклонов, то Вселенная осталась бы без стабильных адронов, а значит не было бы и того вещества, из которого впоследствии образовались галактики, звезды и другие космические объекты. Но оказывается, что в среднем на каждый миллиард пар нуклон-антинуклон приходилась одна «лишняя» частица. Именно из этих «лишних» нуклонов и построено вещество нашей Вселенной.

Аналогичный процесс аннигиляции электронов и позитронов произошел позже, при t ~ 1 с, когда температура Вселенной упала до ~ 1010 К и энергии фотонов стало не хватать для рождения электрон-позитронных пар. В результате во Вселенной осталось относительно небольшое число электронов - ровно столько, чтобы скомпенсировать положительный электрический заряд «лишних» протонов.

Оставшиеся после глобального самоуничтожения протоны и нейтроны некоторое время обратимо переходили друг в друга в соответствии с реакционными формулами

p + e- " n + `n (11)

p + n " n + e+ (12)

И здесь решающую роль сыграло небольшое отличие масс покоя протонов и нейтронов, которое, в конце концов, привело к тому, что концентрации нейтронов и протонов оказались различными. Теория утверждает, что к исходу пятой минуты на каждые сто протонов приходилось примерно 15 нейтронов. Именно в это время температура Вселенной упала до ~ 1010 К, и создались условия для образования стабильных ядер, прежде всего ядер водорода (Н) и гелия (Не). Если пренебречь ядрами других элементов (а они тогда действительно почти не возникали), то с учетом приведенного выше соотношения протонов и нейтронов, во Вселенной должно было образоваться ~ 70% ядер водорода и ~ 30% ядер гелия. Именно такое соотношение этих элементов и наблюдается в межгалактической среде и в звездах первого поколения, подтверждая тем самым концепцию Большого Взрыва.

После образования ядер Н и Не в течение длительного времени (порядка миллиона лет) во Вселенной почти ничего заслуживающего внимания не происходило. Было еще достаточно горячо, чтобы ядра могли удерживать электроны, так как фотоны тут же их отрывали. Поэтому состояние Вселенной в этот период называют фотонной плазмой.

Так продолжалось до тех пор, пока температура не упала до ~ 4000 К, а это случилось через ~ 1013 с или почти через миллион лет после Большого Взрыва. При такой температуре ядра водорода и гелия начинают интенсивно захватывать электроны и превращаться в стабильные нейтральные атомы (энергии фотонов уже недостаточно, чтобы эти атомы разбивать). Астрофизики называют этот процесс рекомбинацией.

Только с этого момента вещество Вселенной становится прозрачным для излучения и пригодным для образования сгустков, из которых потом получились галактики. Излучение же, называемое реликтовым, с тех пор ведет независимое существование, путешествуя по Вселенной по всем направлениям.

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.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Вселенная развивается и в наше время. В спиральных галактиках рождаются и умирают звезды. Вселенная продолжает расширятся, но расширение Вселенной не бесконечно. В результате реактивного самоторможения галактик за счет их внутренней энергии происходит замедление их скоростей движения в пространстве Вселенной после Большого Взрыва. И через расчетное время они начнут сближаться.

Поскольку звездные системы в большом масштабе рассеяны равномерно, то и сближение их будет происходить синхронно.

С момента Большого Взрыва прошло около 13 млрд. лет. Солнце, Земля и др. планеты Солнечной системы образовались примерно 5 млрд. лет назад. Первые признаки жизни на Земле датируются возрастом 4 млрд. лет, а возникновение человека пятьюстами тысячелетий. История Земной цивилизации насчитывает 5...10 тысячелетий.

Таким образом, с момента Большого Взрыва во Вселенной до возникновения разума на Земле прошло примерно 12,5 млрд. лет. Можно предположить, а это, по-видимому, верно с большой степенью вероятности, что все процессы во Вселенной идут синхронно, что жизнь и разум во Вселенной широко распространены, и что особенно важно подчеркнуть, они находятся на такой же стадии и уровне развития, как и на Земле.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Зельдович Я.Б., Новиков И.Д. Строение и эволюция Вселенной. М., 1975.

2. Коноплич Р.В., Хлопов М.Ю. Астрофизические ограничения на массу очень тяжелых стабильных нейтрино. // Ядерная физика, 1994, №3.

3. Липунов В.М. Эволюция Вселенной // Земля и Вселенная, 1995, №1.

4. Найдыш В.М. Концепции современного естествознания. М., 2003

5. Новиков И.Д. Эволюция Вселенной. М., 1990.

6. Самыгина С.И. Концепция современного естествознания.. Ростов н\Д., 2002

7. Якушев Б.И. Куда летят галактики. // Беларуская думка. Минск. 1998 г., №7.