Зарождение Вселенной

17

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Зарождение Вселенной

2. Концепция Большого взрыва

2.1. Большой взрыв: первые мгновения

2.2. Большой взрыв: первые минуты

3. Судьба расширяющейся Вселенной

Заключение

Во все времена люди хотели знать, как возник наш мир. Когда в культуре господствовали мифологические представления, происхождение мира объяснялось, как, скажем, в «Ведах», распадом первочеловека Пуруши. Победа христианства утвердила представления о сотворении Богом мира из ничего.

С появлением науки в ее современном понимании на смену мифологическим и религиозным приходят научные представления о происхождении Вселенной.

В истории науки существовало множество гипотез, отвечающих на вопрос о рождении Вселенной. Современное естествознание объясняет возникновение Вселенной с помощью теории Большого взрыва.

Объект исследования - понятие Вселенной, предмет исследования - концепция Большого взрыва.

Цель работы - охарактеризовать концепцию Большого взрыва.

Задачи, решаемые в ходе достижения цели:

- рассмотреть этап зарождения Вселенной;

- рассмотреть концепцию Большого взрыва, тем самым выделить те процессы, которые происходили в тот или иной момент Большого взрыва;

- выяснить судьбу расширяющейся Вселенной.

1. Зарождение Вселенной

Примерно 15 млрд. лет отделяет нашу эпоху от начала процесса расширения Вселенной, когда вся наблюдаемая нами Вселенная была сжата в комочек, в миллиарды раз меньший булавочной головки. Если верить математическим расчетам, то в начале расширения радиус Вселенной был и вовсе равен нулю, а ее плотность равна бесконечности. Это начальное состояние называется сингулярностью - точечный объем с бесконечной плотностью. Известные законы физики в сингулярности не работают. Более того, нет уверенности, что наука когда-либо познает и объяснит такие состояния. Так что если сингулярность и является начальным простейшим состоянием нашей расширяющейся Вселенной, то наука не располагает о нем информацией.

В состоянии сингулярности кривизна пространства и времени становится бесконечной, сами эти понятия теряют смысл. Идет не просто замыкание пространственно-временного континуума, как это следует из общей теории относительности, а его полное разрушение. Правда, понятия и выводы общей теории относительности применимы лишь до определенных пределов - масштаба порядка 10³³ см. Дальше идет область, в которой действуют совсем иные законы. Но если считать, что начальная стадия расширения Вселенной является областью, в которой господствуют квантовые процессы, то они должны подчиняться принципу неопределенности Гейзенберга, согласно которому вещество невозможно стянуть в одну точку. Тогда получается, что никакой сингулярности в прошлом не было и вещество в начальном состоянии имело определенную плотность и размеры. По некоторым подсчетам, если все вещество наблюдаемой Вселенной, которое оценивается примерно 10г, сжать до плотности 10 г/см, оно заняло бы объем около 10см³, что примерно в 1000 раз больше объема ядра атома урана. Его нельзя было бы разглядеть и в электронный микроскоп. Причины возникновения такого начального состояния (или сингулярности - эту гипотезу и сегодня поддерживают многие ученые), а также характер пребывания материи в этом состоянии считаются неясными и выходящими за рамки компетенции любой современной физической теории. Неизвестно также, что до момента взрыва. Долгое время ничего нельзя было сказать и о причинах Большого взрыва, и о переходе к расширению Вселенной, но сегодня появились некоторые гипотезы, пытающиеся объяснить эти процессы.

Итак, очевидно, что исходное состояние перед «началом» не является точкой в математическом смысле, оно обладает свойствами, выходящими за рамки научных представлений сегодняшнего дня. Не вызывает сомнения, что исходное состояние было неустойчивым, породившим взрыв, скачкообразный переход к расширяющейся Вселенной. Это, очевидно, было, самое простое состояние из всех, реализовавшихся позднее вплоть до наших дней. В нем было нарушено все, что нам привычно: формы материи, законы, управляющие их поведением, пространственно-временной континуум. Такое состояние можно назвать хаосом, из которого в последующем развитии системы шаг за шагом формировался порядок.

Хаос оказался неустойчивым, это послужило исходным толчком для последующего развития Вселенной.

Еще Демокрит утверждал, что мир состоит из атомов и пустоты - абсолютно однородного пространства, разделяющего атомы и тела, в которые они соединяются. Современная наука на новом уровне интерпретирует атомизм, и вносит совершенно иной смысл в понятие среды, разделяющей частицы. Эта среда отнюдь не является абсолютной пустотой, она вполне материальна и обладает весьма своеобразными свойствами, пока еще мало изученными. По традиции, эта среда неотделимая от вещества, продолжает называться пустотой вакуумом.

Вакуум - это пространство, в котором отсутствуют реальные частицы и выполняется условие минимума плотности энергии в данном объекте. Казалось бы, раз нет реальных частиц, то пространство пусто, в нем не может содержаться энергия, даже минимальная. Но это представление пришло нам из классической физики. Квантовая же теория, опираясь на принцип неопределенности Гейзенберга, опровергает его. Применительно к теории поля принцип неопределенности утверждает невозможность одновременного точного определения напряженности поля и числа частиц. Раз число частиц равно нулю, то напряженность поля не может равняться нулю, иначе оба параметра будут известны, и принцип неопределенности будет нарушен. Напряженность поля в вакууме может существовать лишь форме флуктуационных колебаний около нулевого значения. Соответствующая этим колебаниям энергия будет минимально возможной.

В соответствии с признанным дуализмом волновых и корпускулярных свойств колебания полей обязаны порождать частицы. И здесь мы сталкиваемся еще с одним парадоксом микромира. Квантовые эффекты могут на очень короткое время приостанавливать действие закона сохранения энергии. В течение этого промежутка времени энергия может быть взята «взаймы» на различные цели, в том числе на рождение частиц.

Разумеется, все возникающие при этом частицы будут короткоживущие, так как израсходованная на них энергия должна быть возвращена спустя ничтожную долю секунды. Тем не менее, частицы могут фактически возникнуть из ничего, обретая мимолетное бытие, прежде чем снова исчезнут. И эту скоротечную деятельность невозможно предотвратить. Эти частицы-призраки нельзя наблюдать, хотя они могут оставить след своего кратковременного существования. Они представляют собой разновидность виртуальных частиц, аналогичных переносчикам взаимодействия, но не предназначенных для получения или передачи сигналов.

Таким образом, «пустой» вакуум оказывается заполненным виртуальными частицами. Он не безжизнен и безлик, а полон энергии. А то, что мы называем частицами, - всего лишь редкие возмущения, подобные «пузырькам» на поверхности целого моря активности.

Современные теории предполагают, что энергия вакуума проявляется отнюдь не однозначно. Вакуум может быть возбужденным и находиться в одном из многих состояний с сильно различающимися энергиями, подобно тому, как атом может возбуждаться, переходя на уровни с более высокой энергией, причем различие между самой низкой и самой высокой энергиями невообразимо велико.

Очевидно, вакуум играет роль базовой формы материи. На самой ранней фазе эволюции Вселенной именно ему отводится важная роль. Экстремальные условия «начала», когда даже пространство-время было деформировано, предполагают, что вакуум находился в особом состоянии, которое называют «ложным» вакуумом. Оно характеризуется энергией предельно высокой плотности, которой соответствует предельно высокая плотность вещества. В этом состоянии вещества в нем могут возникать сильнейшие напряжения, отрицательное давление, которое равносильно гравитационному отталкиванию такой величины, которое и вызвало безудержное и стремительное расширение Вселенной - Большой взрыв. Это и было первым толчком, «началом» Грушевицкая Т. Г. Концепция современного естествознания. - М.: Высш. шк., 2000. - С, 189..

2. Концепция Большого взрыва

2.1 Большой взрыв: первые мгновения

Представления о событиях, происходивших в молодой Вселенной, разработаны довольно подробно. Общепринятый космологический сценарий получил название «стандартной модели» или «модели Большого взрыва». Может вызывать удивление уверенность, с которой ученые говорят о столь давних событиях, но на самом деле удивительного здесь мало. Ранняя Вселенная была весьма просто устроена: в ней еще не было никаких сложных структур. Итак, несколько миллиардов лет тому назад вся материя Вселенной была сосредоточена в объеме поперечником примерно 10³⁵ м и нагрета до чрезвычайно высокой температуры. Как известно, температура есть мера средней кинетической энергии беспорядочного движения частиц. В первые мгновения она была настолько высока, что элементарная частица могла иметь энергию, сравнимую с энергией пудовой гири, падающей с высоты нескольких метров. При таких энергиях исчезает различие между разными типами физических взаимодействий. Более того, по всей видимости, сам физический вакуум находился в другом состоянии, гораздо с большей энергией, чем в современную эпоху. Но ненулевая энергия вакуума соответствует ненулевому Л-члену в уравнениях Эйнштейна, который описывает антигравитацию, силу всемирного отталкивания. Идея Эйнштейна возродилась на новом уровне научных знаний, получив обоснование в квантовых представлениях, столь упорно им отвергавшихся.

Под действием мощных сил отталкивания, обусловленных энергией вакуума (которая могла составлять до 10 Дж/м³), Вселенная начала раздуваться с нарастающим ускорением. По оценкам ученых, на этой стадии инфляции пространственные масштабы Вселенной могли увеличиваться в сотни раз каждые 10⁴² секунды. В результате спустя ничтожное время, не превышающее 10³³ с, расстояние между любыми двумя частицами вещества, которые существовали в начальный момент, должно было стать болыше поперечника доступной сегодня для наблюдения части Вселенной. В такой же степени должна была упасть температура.

Из сверхплотной и сверхгорячей Вселенная стала почти абсолютно пустой и холодной.

Если бы на этом все и закончилось, то сегодня некому было бы ни писать, ни читать эти строки.

Однако понижение температуры привело к нарушению симметрии -- единое взаимодействие, существовавшее в первые мгновения, разделилось на четыре взаимодействия, знакомых нам сегодня.

Одновременно высокоэнергетическое состояние физического вакуума стадо неустойчивым, и он перешел в современное, привычное для нас низкоэнергетическое состояние. Избыток энергии выделился в виде энергии покоя и кинетической энергии возникших элементарных частиц.

Вселенная стала вновь горячей (- 10²⁷ К) и заполненной, частицами. Таким образом, можно с полным правом говорить, что все в мире возникло из ничего -- если, конечно, лукаво считать вакуум «ничем».

Кинетическая энергия частиц при такой температуре была достаточной, чтобы при их столкновениях рождались самые разнообразные новые частицы. В результате весьма быстро установился равновесный состав только что родившейся Вселенной: количество частиц каждого сорта определялось исключительно их массой (т. е. энергией покоя).

Этот вывод не зависит от деталей взаимодействия между частицами, поскольку выражает общий принцип симметрии Больцмана:

- при тепловом равновесии вероятность обнаружить систему в состоянии с энергией, отличающейся от среднего значения на Е, зависит только от величины Е и температуры Т и пропорциональна е,

где е - 2,71828... -- основание натуральных логарифмов, k -- постоянная Больцмана.

Чем больше масса частицы, тем больше ее энергия и соответственно меньше вероятность возникнуть в результате тепловых столкновений Свиридов В. В. Концепции современного естествознания. - 2-е изд. - СПб.: Питер, 2005. - с. 209..

2.2. Большой взрыв: первые минуты

По мере дальнейшего расширения Вселенной и понижения температуры энергия теплового движения перестает быть достаточной для рождения тяжелых частиц. Все они нестабильны и потому до наших дней не дожили. Мы знакомы с ними лишь по их мимолетным появлениям в мощных ускорителях и в потоках космических лучей. Вымирание (физики говорят: «вымораживание») тяжелых частиц означает цепочку нарушений больцмановской симметрии.

В ту же эпоху произошло нарушение еще одной важнейшей симметрии -- между частицами и античастицами, в результате которого частиц оказалось немного, на одну миллиардную долю больше, чем античастиц. Именно из этой доли состоят сегодняшние звезды, планеты и люди: все остальные частицы и античастицы взаимно аннигилировали, превратившись в электромагнитное излучение.

Когда возраст Вселенной достиг 50 микросекунд, температура упала до 5 триллионов градусов, а состав вещества свелся к бурлящей смеси протонов и нейтронов, составляющих современные атомные ядра, а также легких элементарных частиц -- электронов, фотонов и нейтрино.

Высокая температура еще некоторое время поддерживала взаимопревращения нейтронов и протонов, однако когда возраст Вселенной достиг 1 секунды, а температура опустилась до 10 млрд. градусов, нарушилась и эта симметрия. Реакции «протон - нейтрон» стали тормозиться (поскольку нейтрон несколько тяжелее протона) и через 3 секунды прекратились полностью. За это время количество нейтронов уменьшилось до 15-20% от числа протонов, и если бы дела пошли так и дальше, через два-три часа (свободный нейтрон распадается в среднем за 16 минут) нейтронов во Вселенной практически не осталось бы Свиридов В. В. Указ. соч. С. 211..

Последствия были бы поистине ужасны. Единственный химический элемент, ядра атомов которого не содержат нейтронов, -- водород. Вселенная могла бы состоять из одного водорода, и в этом случае не было бы ни звезд, ни планет, ни живых существ. Однако космологическая история похожа на многосерийный боевик, в каждой серии которого хотя и совершается несколько убийств, главные герои неизменно остаются живыми, чтобы появиться в следующих сериях.

Роль палочки-выручалочки для нейтронов сыграли реакции их объединения с протонами в альфа-частицы -- ядра атомов гелия. Реакции эти шли и раньше, но возникавшие альфа-частицы туг же разрушались из-за слишком высокой температуры. Когда же температура упала настолько, что нейтроны стали «вымерзать», одновременно ядра гелия приобрели способность выдерживать потерявшие свою силу удары окружающих частиц. За короткое время, несколько секунд, все нейтроны были связаны в ядра гелия. В ядре же они могут существовать бесконечно. Именно благодаря этому убежищу до наших дней дожило достаточно нейтронов, чтобы обеспечить образование химических элементов помимо водорода.

Итак, через 3-5 минут после рождения Вселенная имела температуру около миллиарда градусов, плотность 100 000 кг/м³ (в 15 раз больше плотности стали) и была заполнена протонами (ядрами водорода), альфа-частицами (ядрами гелия), а также электронами, нейтрино и электромагнитным излучением (фотонами).

3. Судьба расширяющейся Вселенной

До недавних пор (1997-1999) считалось, что варианты будущего Вселенной исчерпываются тремя сценариями, по каждому из которых расширение Вселенной должно замедляться. Суть стандартной космологической модели заключается в том, что при наличии инфляционного этапа предпочтительным будет третий сценарий: пространство-время евклидово (что подтверждается исследованиями реликтового излучения), расширение Вселенной останавливается, но в бесконечно удаленный момент времени.

С течением времени, однако, становилось все сложнее согласовывать стандартную модель с астрономическими наблюдениями. Если расширение Вселенной замедляется, то вышеприведенная оценка ее возраста завышена: если в прошлом галактики разбегались быстрее, им надо было меньше времени, чтобы занять современные положения. Более точные расчеты в рамках стандартной модели дают возраст Вселенной не больше 10 млрд. лет. Но астрономам известны шаровые скопления звезд, возраст которых по всем признакам не меньше 10-12 млрд. лет. Даже Солнечная система, которая относится к поздним космическим образованиям (прежде чем она возникла, должны были возникнуть, прогореть и взорваться звезды первого поколения), начала формироваться не позже чем 5 млрд. лет назад.

Вопросов добавили исследования далеких Сверхновых, расстояния до которых исчисляются миллиардами световых лет. Пока их свет летел к Земле, Вселенная успела заметно состариться, что наложило отпечаток на его свойства, регистрируемые телескопами. Эти свойства, как оказалось, согласуются с предположением, что расширение Вселенной не замедляется, а ускоряется.

Гипотеза ускоряющегося расширения, в пользу которой свидетельствует и целый ряд других астрономических исследований последних лет, снимает вопрос о недостаточной зрелости Вселенной. Если в прошлом галактики разбегались медленнее, то, чтобы попасть в современные положения, им требовалось больше времени, чем дает оценка. Возраст Вселенной в 13-15 млрд. лет устраняет все противоречия между космологией и космогонией.

Если подтвердится, что Вселенная расширяется с ускорением (а самые последние данные наблюдений, полученные уже в XXI в., подтверждают это), то, значит, Эйнштейн был отчасти прав: «пустое» пространство, вакуум, обладает энергией, благодаря которой возникает отталкивающая гравитационная сила Свиридов В. В. Указ. соч. С. 215.. Существует и альтернативная, но похожая гипотеза³, что энергия, равномерно распределенная в пространстве и приводящая к космологической антигравитации, -- это энергия некоторого поля («квинтэссенции»), не обнаруженного до сих пор потому, что оно очень слабо взаимодействует с обычной материей. Эмпирических данных, которые позволяли бы отдать предпочтение одной из этих гипотез, пока что нет. Поэтому космологи предпочитают употреблять термин «темная энергия», под которым можно понимать и энергию вакуума, и энергию гипотетической «квинтэссенции» -- главное, что и та и другая распределены в пространстве равномерно, Для определенности в дальнейшем мы будем говорить о вакууме, свойства которого изучены лучше.

Пояснить, почему существование «темной энергии» приводит к отталкиванию, можно с помощью следующей, довольно грубой аналогии, Если бы у Земли внезапно исчезла атмосфера, вес всех предметов на ней немного увеличился бы, поскольку исчезает архимедова выталкивающая сила, действующая на все тела, погруженные в воздух. Если предмет погрузить не и воздух, а в воду, обладающую большей плотностью (1000 кг/м³ против 1,2 кг/м³ у воздуха), то и потеря веса будет соответственно больше. Среда, в которой находится тело, как бы противодействует силе притяжения Земли, и тем сильнее, чем больше масса самой среды, приходящаяся на единицу объема. Аналогично, если все тела во Вселенной погружены и некоторую материальную среду (вакуум или -«квинтэссенцию»), обладающую ненулевой энергией, а следовательно, и массой , то сила гравитационного притяжения между ними уменьшается, что воспринимается как наличие, помимо всемирного тяготения, еще и противодействующего ему всемирного отталкивания.

Оценки, основанные на известных астрономам фактах, говорят, что плотность энергии вакуума о настоящую эпоху может быть сравнима или несколько превосходить среднюю плотность энергии вещества. А это означает, что мы живем на переломе космологических эпох. Дело в том, что плотность вещества по мере расширения Вселенной падает: увеличение размеров вдвое приводит к уменьшению плотности в восемь раз. Вакуум же -- он и есть вакуум: его средняя энергия в расчете на единицу объема остается постоянной. Таким образом, в будущем во Вселенной будет преобладать энергия вакуума, приводя ко все убыстряющемуся расширению. В прошлом же преобладала энергия вещества. Поэтому стандартная инфляционная модель оказывается приближенно верной для прошлого Вселенной - тем более верной, чем ближе к Большому взрыву.

Заключение

Концепция Большого взрыва не противоречит космологическому принципу, потому что все обломки взрыва равномерно распределяются в пространстве и разбегаются по некоторому закону. Теоретическое расширение и сжатие Вселенной -- единственные крупномасштабные движения ее, разрешаемые космологическим принципом. Например, общее вращение требует существования оси и, следовательно, симметрии. Все это исключает однородность пространства и потому запрещается космологическим принципом. Теория Большого взрыва не нарушает основных законов классической и ядерной физики, квантовой механики. В расширяющейся Вселенной скорость света достигается на расстоянии в 10 млрд. световых лет. Все звезды и галактики за пределами сферы с таким радиусом невидимы для нас, так как свет от них никогда не дойдет до Земли. Темное ночное небо создается конечной видимой Вселенной. Это небо, по мере того как все новые и новые звезды будут пересекать сферу радиусом 10 млрд. световых лет, станет еще темнее.

О том, что Вселенная возникла мгновенно, а не создавалась миллиарды лет, свидетельствуют два факта.

1. Свободные нейтроны, необходимые для образования стабильных ядер, имеют период полураспада около 12 мин. После трех периодов полураспада (36 мин) осталась бы всего 1/8 часть первоначального числа нейтронов, и дальнейшее образование элементов стало бы весьма редким.

2. Через 30 мин температура, соответствующая первоначальным частицам, опустилась бы до значений гораздо более низких, чем необходимо для термоядерного синтеза.

Никакого «места взрыва», из которого выбрасывалась бы первичная материя, не было. Во всем тогдашнем «пространстве», равномерно заполненном первичной материей, повсюду выделялась энергия. И лишь несколько позже, когда это первичное вещество остыло из-за расширения пространства, равномерно распределенная материя стала распадаться на отдельные почти неподвижные сгущения, из которых образовались галактики, а затем и звезды.

Скорость разлетания галактик ни в коем случае нельзя считать скоростью их движения в пространстве. Каждая галактика почти неподвижна относительно окружающего ее пространства. Ее скорость в «своем пространстве», как правило, не превышает 1000 км/с. Разлетание Вселенной есть расширение всего пространства, и большая скорость далеких галактик -- это просто как бы эффект накопления малых скоростей расширения в каждой точке пространства.

Таким образом, в настоящее время общепринятой считается модель однородной, изотропной, нестационарной, горячей, расширяющейся Вселенной, построенная на основе обшей теории относительности и релятивистской теории тяготения.

Список использованной литературы

1. Горелов А. А. Концепция современного естествознания. - М.: ООО «Издательство Астрель»: ООО «Издательство АСТ», 2004.

2. Грушевицкая Т. Г. Концепция современного естествознания. - М.: Высш. шк., 2000.

3. Данилова В. С. Основные концепции современного естествознания. - М.: Аспект Пресс, 2000.

4. Новиков И. Д. Как взорвалась Вселенная. - М.: «Наука», 1990.

5. Свиридов В. В. Концепции современного естествознания. - 2-е изд. - СПб.: Питер, 2005.

Размещено на Allbest.ru