Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Мытищинский филиал федерального государственного бюджетного

образовательного учреждения высшего образования

«Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)»

(МФ МГТУ им. Н.Э. Баумана ФАКУЛЬТЕТ Космический

КАФЕДРА К4 «Экономика и управление»

РЕФЕРАТ

НА ТЕМУ: Теория Большого Взрыва и расширяющейся вселенной

Выполнил: Студент 1-го курса

Группы К4-11Б Ефимов В.В

Проверил: Преподаватель

Усатов И.И.

Москва 2021 г.

Содержание

Введение

1. Большой взрыв

2.Теория Большого взрыва

3. Варианты расширяющегося будущего

Заключение

Список использованной литературы

Введение

С тех пор как человек осознал себя мыслящим существом, его взор был обращен к звездам, и он пытался понять устройство окружающего мира. Как возникла Вселенная? Как она устроена? Почему она именно такая, а не другая? Что было в начале и будет в конце? Что в самых глубинах? Эти вопросы человечество задает себе на протяжении многих веков.

На различных этапах своего развития взгляды человека о мироздании изменялись. Самые ранние гипотезы мироздания принадлежат мыслителям Древней Индии, они дошли до нас в виде мифов и легенд. Первые модели Вселенной, основанные не на мифах, а на теоретических предпосылках, были созданы в Древней Греции. Для греков Вселенная отождествлялась с Землей в виде диска, плавающего в океане. Над Землей был сферический хрустальный небосвод со звездами. Древнегреческий философ Платон считал звезды божественными сущностями с телом и душой. Ученик Платона - Аристотель развил собственное учение о мироустройстве. Согласно его учению Вселенная являлась сферой, в центре которой неподвижно находилась Земля, сферу приводил в движение Перводвигатель Вселенной, под которой Аристотель понимал Бога в виде разума мирового масштаба. Согласно учению Аристотеля, Вселенная вечна, она никогда не возникала, и никогда не уничтожится. Геоцентрическая теория миропостроения Аристотеля главенствовала в умах образованных людей много веков.

Революционным шагом в вопросах мироздания было учение Николая Коперника (1473-1543), который развил гелиоцентрическую систему. В центр своей системы Вселенной Коперник поместил солнце. Ошибкой Коперника было убеждение в конечности Вселенной.

Одним из активных сторонников учения Коперника был итальянский мыслитель Джордано Бруно (1548-1600), который открыл для себя и всего мира грандиозные перспективы гелиоцентризма. Бруно создал собственную теорию - теорию бесконечной Вселенной, астроном утверждал не только безграничность Вселенной, но и разноудаленность звезд от нашей планеты, а также общность состава всех небесных тел и Земли. По приговору инквизиции Джордано Бруно был сожжен на костре за страстную пропаганду гелиоцентрической системы мира и за учение о множественности миров и бесконечности Вселенной.

Учение Коперника продолжил выдающийся итальянский ученый Галилео Галилей (1564-1642). Галилей считал, что мир бесконечен и вечен, что все в природе подчинено строгой механистической причинности. В астрономии Галилей оставил свой след в основном тем, что ввел новые способы наблюдения за небесными светилами. На основе открытий, сделанных с помощью этих наблюдений, Галилей распространил и обосновал учение Коперника о Вселенной.

Истинным прорывом в науке стало открытие немецким астрономом Иоганном Кеплером (1571-1630) трех законов, определяющих движение планет и других тел в космосе. На основе материала, почерпнутого из наблюдений датского ученого Тихо Браге (1546-1601гг.), Кеплер определил, что планеты движутся вокруг солнца по эллиптическим орбитам, что скорости при движении планеты по орбите изменяются и что с удалением от Солнца уменьшается и скорость движения планет.

Открытия Галилея, работы Коперника и Кеплера повлияли на видение мира многих ученых и дали толчок формированию новой физической картины мира.

Но потребовались еще открытия Ньютона, Канта, Эйнштейна чтобы прийти к новому миропониманию, основанному на научной гипотезе о свойствах довселенной материи.

Первой научной гипотезой мироздания следует считать гипотезу Исаака Ньютона (1643-1727), согласно которой в безграничном пространстве находятся в движении материальные частицы - маленькие, твердые и неразрушимые, из которых состоит вся материя. Форма и масса частиц неизменны. То есть материя вечна и изначально пассивна. Звезды и планеты Солнечной системы являются результатом единовременного творения Вселенной. Идея ее развития не могла уложиться в его представлении.

Немецкий ученый и философ Иммануил Кант (1724-1804гг.) пошел в своих научных изысканиях намного дальше. Ему удалось развить в рамках ньютоновской гравитационной картины мира первую концепцию развивающейся Вселенной. В результате кропотливой работы им была создана новая теория - теория иерархической бесконечной Вселенной, развивающейся естественным путем, под воздействием одних лишь только природных причин.

И уже в ХХ веке истинным переворотом в науке стала теория относительности Альберта Эйнштейна (1879-1955гг.), пришедшая на смену Ньютоновской теории тяготения, начался расцвет теоретической космологии. Наступил период, когда было предложено множество новых моделей Вселенной. И лишь немногие выдержали проверку астрономическими наблюдениями. Величайшим достижением современной космологии явилась теория "Большого Взрыва" - модель расширяющейся Вселенной.

1. Большой взрыв

Как же выглядел этот поразительный взрыв? Это было взрывообразное расширение сверхплотной материи, включавшей в себя и само пространство. Чудовищное натяжение сжатой до точечного объема субстанции, в которой четыре измерения были разбиты на частицы-кванты и предельно уплотнены, в один прекрасный момент прорвалось в виде фантастической катастрофы. То есть с Большого взрыва началось расширение самого пространства одновременно с распределением вещества. Плотность стала снижаться по мере того, как становился обычный четырехмерный мир. При этом взрыв произошел одновременно везде - во всех участках сжатой горячей материи. Он мгновенно заполнил все пространство.

По разным оценкам период "раздувания" занимает невообразимо малый промежуток времени - до 10Пііс после "начала". Он называется инфляционным периодом. За это время Вселенная успевает раздуться до гигантского "пузыря", радиус которого на несколько порядков превышает радиус современной нам Вселенной, но там практически отсутствуют частицы вещества. Это еще не само расширение, а предпосылка к нему.

К концу фазы инфляции Вселенная была пустой и холодной, пространство было заполнено вакуумом, который находился в особом состоянии, называемом "ложным вакуумом". Но когда инфляция иссякла, Вселенная стала вдруг чрезвычайно горячей. Этот всплеск тепла обусловлен огромными запасами энергии, заключенными в "ложном вакууме". Когда это состояние вакуума распалось, его энергия высвободилась в виде излучения, которое мгновенно нагрело Вселенную. Колоссальная исходная плотность вакуума послужила началом становления реального вещества, которое прежде только предполагалось.

Противоборство становящегося вещества с вакуумом привело к дисбалансу сил натяжения. По прошествии нескольких долей аттосекунды это нарушение спровоцировало ускоренное послевзрывное раздувание материи и пространства. Из проточастиц (лже-частиц)"спрессованной" материи нарождалось по мере расширения Вселенной плазменное нечто. Оно стало ощутимым и действительным, видимо, уже в последовавшие за первой аттосекунды вселенской эволюции. Возникла сверхплотная плазма, продолжившая расширяться в бесконечность. Материя разрасталась отовсюду и сразу во всех направлениях.

Температура упала, из первичного водорода образовались сложные атомы, а со временем образовались галактические туманности. Затем последовало формирование звезд, планет и - когда речь идет о Земле - органической жизни. Колоссальный космический взрыв положил начало расширению Вселенной, которое с тех пор никогда не прекращалось.

2. Теория Большого взрыва

«Температура Вселенной в любой данный момент времени непосредственно связана с ее размером и возрастом. Часто, оказывается, удобно измерять возраст Вселенной, непосредственно с точки зрения ее температуры. Более высокая температура, таким образом, соответствует более раннему времени.»[1] Например, когда возраст Вселенной был около одной секунды, ее температура составляла приблизительно 10 млрд. градусов.

Самая ранняя Вселенная была значительно горячее, чем 10 млрд. градусов. Материя в форме атомов существовать не могла. Атомы не появлялись пока возраст Вселенной не достиг примерно трехсот тысяч лет. Кроме того ядра стали устойчивыми лишь через несколько минут. Когда Вселенная была еще моложе, она состояла из очень плотной смеси частиц и античастиц разнообразных типов.

Для того чтобы представить молодую, расширяющуюся Вселенную, полезно рассмотреть следующую аналогию. Предположим, что в зимнюю холодную ночь мы так нагрели духовку, что температура в ней превысила сто градусов. Если мы поместим в духовку пар, он сохранится в такой форме, пока включен нагреватель. Но что будет, если мы отключим печку и вынесем ее туда, где температура значительно ниже точки замерзания воды? Ясно, что духовка начнет остывать. Как только температура понизиться, пар сгуститься в воду, а потом вода замерзнет, и превратиться в лед. Последовательные переходы от пара к воде и от воды ко льду происходят, как только температура становиться достаточно низкой. Историю воды внутри охлаждающегося духового шкафа может быть разделена на три различных периода, соответсвующих времени, когда вода была в газообразной, жидкой или твердой фазе.

Развитие ранней Вселенной также можно представить состоящей из отдельных периодов. Эти периоды ограничены особыми свойствами, в которые появляется материя в течение определенного времени. Материя в пределах расширяющейся Вселенной охлаждается во многом также, как пар внутри термостата. Когда Вселенная расширяется, температура падает и, в конечном счете, достигает критического значения, заставляя материю изменять свои фундаментальные свойства.

В течение Большого взрыва произошел целый ряд фундаментальных изменений, которые отделяли эти периоды друг от друга.

Первое существенное событие в истории Вселенной было ее возникновение. В принципе, этот момент можно использовать для определения нулевой точки отсчета времени. Первые 10^-43 сек. Истории Вселенной известны как Планковское время. Когда Вселенная достигла этого возраста начался суперструнный период. Расстояние, которое может пройти свет за Планковское время составляет 10 ^-35 метров. Этот масштаб известен как длина Планка, так как ничего не может перемещаться быстрее, чем свет, длина Планка представляет размер наблюдаемой в то время Вселенной. Поэтому суперструнный период иногда называют Планковским периодом.

В его начале температура равнялась 10³² градусов. Это критическая температура, при которой, четыре силы природы, как полагают, объединяются в суперсилу. Струнный характер материи также начинает проявляться при таких энергиях. Суперструнная теория предсказывает, что Вселенная имела, по крайней мере, девять пространственных измерений. Они существовали в сопоставимых размерах на этой стадии.

Суперструнный период шел к завершению, когда суперсила разбилась на силу гравитации и силу великого объединения. Это было начало периода великого объединения. Гравитация начала действовать как отдельная сила, однако три из пространственных измерений продолжали расширяться. Снижение температуры заставило струны сжаться, и они начали походить на точечные объекты, которые мы наблюдаем сегодня как элементарные частицы и античастицы. Они непрерывно сталкиваются друг с другом, потому что для свободного движения объем пространства был очень мал. Вселенная в это время может рассматриваться как горячий, плотный «суп» из частиц и античастиц. Температура была все еще достаточно высока, поэтому кварки и лептоны были способны обмениваться Х-частицами. Эти частицы были ответственны за перенос силы великого объединения. Она заставляла кварки распадаться на лептоны наоборот. Кварки и лептоны были эффективно неразделимы на этой стадии в истории Вселенной.

Поскольку расширение Вселенной продолжалось, температура продолжала падать. Как только она упала ниже критического уровня, обмен Х-частицами между кварками и лептонами стал почти невозможен. Сила великого объединения эффективно перестала действовать и это определило конец периода великого объединения. Эта критическая стадия была достигнута, когда Вселенная была в возрасте примерно 10 ^-35 секунд, ее температура равнялась 10 ²⁷ градусов. Сила великого объединения разбилась на сильные и электрослабые силы, и это провозгласило начало электрослабой эры.

Этот период продолжался приблизительно 10 ^-10 секунд. Кварки вели себя как свободные частицы в течение этого периода. По мере того, как температура падала, столкновение между частицами становились все менее энергичными. Воздействие слабых и электромагнитных сил на частицы стало различным. Таким образом, во Вселенной в возрасте 10 ^-10 секунд произошло расщепление электрослабых сил на слабые силы и электромагнитные.

За электрослабой эрой последовала кварковая. Она длилась пока Вселенная не достигла возраста 10 ^-4 секунд. Кварки взаимодействовали друг с другом через сильную силу (ее особенность в том, что она ослабевает на малых расстояниях). Постепенно, по мере охлаждения Вселенной они теряли энергию, и сильная сила стала более влиятельной, поскольку температура падала. В конечном счете, кварки оказались заключенными в группы по два и три. Температура приблизительно равнялась 10 ¹² градусов. После того кварки уже не могли существовать во Вселенной как отдельные частицы, и кварковая эра пришла к концу. Триплеты, содержащие два u-кварка и один d-кварк сформировали протоны, триплеты, содержащие два d-кварка и один u-кварк сформировали нейтроны. Таким образом, нейтроны и протоны, которые существуют сегодня в ядрах атомов, были сформированы вскоре, после того как кварки оказались связанными, то есть когда Вселенная постарела приблизительно до 10^-4 секунд.

Вселенная охлаждалась по мере расширения, и это позволило, в конечном счете, сформироваться атомным ядрам. Процесс образования ядер известен как нуклеосинтез. Полностью этот процесс был закончен в течение примерно 3 минут. Температура приблизительно равнялась 1 млрд. градусов. В то время были сформированы ядра гелия - 4, дейтерия, гелия - 3, лития, бериллия, водорода.

Вселенная продолжала расширяться после того, как нуклиосинтез был закончен, но ничего существенного не произошло в последующие 300 000 лет или около того. К тому времени температура понизилась до 3 000 градусов. Это была уже достаточно низкая температура, чтобы электроны и ядра сформировали нейтральные атомы. Формирование атомов определило начало эры вещества. Формирование атомов закончилось исчезновением голых электрических зарядов во Вселенной. Излучению стало чрезвычайно трудно взаимодействовать с веществом. Такое взаимодействие могло иметь место только для излучения с энергией, точности необходимом для того, чтобы электроны могли перейти с одного энергетического уровня на другой. Это была очень маленькая доля всего существовавшего излучения. Вещество и излучение отделились друг от друга. Появление атомов представляет собой заключительный этап превращений в истории ранней Вселенной. В некотором смысле, он может рассматриваться как момент, когда закончился Большой взрыв.

Итак, теория Большого Взрыва рисует грандиозную картину космической эволюции. В концепции предполагается, что Вселенная возникла спонтанно в результате взрыва из состояния с очень большой плотностью и энергией (состояние сингулярности). По мере расширения Вселенной температура падала (сначала быстро, а затем все медленнее) от очень большой до довольно низкой. На протяжении долгого периода времени температура превышала несколько тысяч градусов, что препятствовало образованию атомов, и, следовательно, космическое вещество имело вид разогретой плазмы, состоящей из ионизированных водорода и гелия. Лишь когда температура Вселенной понизилась приблизительно до температуры поверхности Солнца, возникли первые атомы.

3. Варианты расширяющегося будущего

Итак, теория и эксперимент говорят о том, что Вселенная расширяется, и позволяют нам определить начало этого расширения - около 15-18 миллиардов лет тому назад. Но всегда ли подобное состояние Вселенной будет сохраняться?

Решение Фридмана, соответствующее современному состоянию Вселенной, распадается на три подкласса решений, соответствующих трем возможным математическим моделям или трем возможным путям грядущего развития астрономического мира: Вселенная и ее пространство расширяются с течением времени - открытая модель астрономического мира; Вселенная сжимается - замкнутая модель; во Вселенной чередуются через большие промежутки времени циклы сжатия и расширения - промежуточный случай, или пульсирующая Вселенная. Реализация того или иного случая зависит от отношения средней плотности вещества во Вселенной к так называемой критической плотности, которая равна 10 атомам водорода в среднем на один кубический метр.

В варианте открытой модели расширение нашего мира должно продолжаться неограниченно долго, если средняя плотность вещества меньше критической. При этом общий его "вид" будет длительное время сохраняться. Лишь постепенно, через очень большие промежутки времени (порядка 10 100 лет) состояние материи во Вселенной изменится. Все вещество соберется в "черные дыры" разных масс. Теория предсказывает также изменение состава вещества - оно станет более тяжелым, исчезнут атомы легких химических элементов до железа включительно.

В случае замкнутого варианта фаза расширения Вселенной должна со временем смениться на противоположную - фазу сжатия, если средняя плотность вещества больше критической. Но для того, чтобы это произошло, общая масса материи во Вселенной должна быть достаточно велика - тогда ее притяжение будет тормозить "разбегание" галактик и в конце концов остановит их разлет и повернет эти звездные системы вспять. В этом случае вполне реален коллапс мироздания. Будет ли это катастрофой? Для человечества определенно да. Но не для Вселенной. Она в который раз перейдет к состоянию сингулярности - "особенности", не новому для нее. А там в полном соответствии с универсальными для любых форм вечной материи законами сохранения со временем во что-нибудь воплотится. То есть примет какой-то иной, отличный от сингулярного облик.

Естествознание на настоящем этапе своего развития провозглашает, что материя в своем историческом движении неизменно переходит в высшую форму - живую материю, венчаемую разумом. Это положение базируется на данных биологии, палеонтологии и палеоантропологии, а также астрофизики.

Ученым и философам пока многое непонятно в этой области, но предельно ясно одно: космос, подобно биосфере, является средой обитания живых организмов, включая разумные особи. Экологическая динамика живого, развертывание биологических процессов вплоть до становления познающего себя вида представляется единственно возможным путем диалектики космического.

Поэтому более чем вероятно, что новая Вселенная, выросшая из "вторичной" сингулярности, будет населенной. Большинство ученых отвергают развитие Вселенной после сжатия в прежнем русле, мир после коллапса будет пребывать в качественно новом состоянии, когда основные физические законы приобретут иной смысл и иное воплощение. Космоса в любом случае не получится.

Многие физики придерживаются мнения, что если все-таки после максимального сжатия вновь возникнет космос, то он будет полностью тождественен нашему. В этом состоит смысл третьего и последнего варианта фридмановской обработки уравнений. Воссоздаваемая третьим подклассом решений космологическая модель носит название пульсирующей. То есть Вселенная в этой модели будет просто пульсировать, попеременно расширяясь и сжимаясь. При этом Космос не имеет ни начала, ни конца, мы находимся посреди бесконечного цикла космических смертей и перерождений, и никакая информация не сохраняется при переходе от одной пульсации к другой. Ни одна из галактик, звезд, планет, жизненных форм, цивилизаций, возникших в прошлом воплощении Вселенной, не перетекает в нынешнюю реальность, ни одна не минует Большого Взрыва, чтобы обрести известность в настоящем мироздании

Стадии следуют одна за другой, но мир в целом остается неизменным. Никакого перерождения мироздания не произойдет, в новом космосе все окажется по-прежнему с удручающей точностью.

Возникает естественный вопрос: какой из трех вариантов реализуется в нашей Вселенной? Ответ на него остается за наблюдательной астрономией, которая должна оценить современную среднюю плотность вещества во Вселенной и уточнить значение постоянной Хаббла (скорость расширения галактик). Пока надежные оценки этих величин отсутствуют. На основании современных данных создается впечатление, что средняя плотность вещества во Вселенной близка к критическому значению, она либо немного больше, либо немного меньше. Но от этого "немного" зависит будущее Вселенной, правда, весьма отдаленное. Постоянная Хаббла позволяет оценить время, в течение которого продолжается процесс расширения Вселенной. Получается, что оно не меньше 10 миллиардов и не более 19 миллиардов лет. Наиболее вероятным временем существования расширяющейся Вселенной считают 15 миллиардов лет.

Заключение

Мы живем в эпоху поразительных научных открытий и великих свершений. Самые невероятные фантазии неожиданно быстро реализуются. С давних пор люди мечтали разгадать тайны Галактик, разбросанных в беспредельных просторах Вселенной. Гипотеза "Большого Взрыва" приближает к разгадке. Эта концепция позволяет представить начальное состояние Вселенной и описывает ее раннюю эволюцию. Если будут найдены первичные закономерности вечного движения материи, то это будет способствовать приобретению человечеством неограниченных возможностей и верному их использованию. Но проблема происхождения мира в современной науке не имеет строго однозначного решения. Чем дальше человек проникает в тайны материи, тем больше становится загадок. Природа бесконечна в своих проявлениях, и все в ней неисчерпаемо - от космоса до атома и одному поколению недостаточно времени, чтобы ответить на некоторые вопросы. Приходится медленно и на ощупь продвигаться к истине. Следовательно, неизбежны споры, жаркие диспуты между учеными, отстаивание разных точек зрения, возникновение новых гипотез и теорий происхождения Вселенной. Безграничность мира означает вечный научный поиск.

Список использованной литературы

1. Бердышев С. Законы космоса. Москва: Рипол Классик, 2002. 384 с.

2. Браже Р.А., Р.М. Мефтахутдинов. Концепции современного естествознания. Материалы к семинарским занятиям. Учебное пособие. Ульяновск: УлГТУ, 2003. 126 с.

3. Карл Саган. Космос. Санкт-Петербург: Амфора, 2004. 525 с.

4. Комаров В.Н. Тайны космических катастроф. Москва: Вече, 1999. 496 с.

5. Мизгун Ю.В., Мизгун Ю.Г. Тайны Вселенной. Москва: Вече, 2002. 304 с.

6. Патрик Мур, Астрономия с Патриком Муром. Москва: Гранд, 2004. 368 с.

Размещено на Allbest.ru