Еволюція всесвіту

Размещено на http://www.allbest.ru/

МІСЬКИЙ ВІДДІЛ ОСВІТИ

БОРИСЛАВСЬКА ДЕРЖАВНА ГІМНАЗІЯ

Курсова робота з фізики

на тему:

Еволюція всесвіту

Підготував:

Кузан Олег

Керівник: Борецький Ю.

БОРИСЛАВ

2015

Зміст

• Вступ
• 1. Хронологія космологічних відкриттів
• 2. ЛCDM
• 3. Майбутнє Всесвіту
• 4. Теорія великого вибуху
• Висновок
• Список літератури
• 
• Вступ
• Всесвіт - це весь існуючий матеріальний світ, безмежний у часі і просторі і нескінченно різноманітний за формами, які приймає матерія в процесі свого розвитку.
• Він вміщає в собі все, що ми бачимо, і все те, чого спостерігати ми не можемо. Своєю величчю і безмежністю він завжди манив вчених і філософів, був постійним об'єктом їх роздумів і досліджень. Та не тільки їх: напевно, кожен із нас, вдивляючись у зоряне небо, захоплювався його холодною неприступністю, переосмислював своє життя, усвідомлюючи, якою маленькою піщинкою він є, порівняно з безмежним космосом.
• Протягом всієї історії цивілізації людство прагне пізнати навколишній світ і зрозуміти, яке місце воно займає у Всесвіті.
• Всесвіт - найбільша матеріальна система. Її походження цікавить людей ще з давніх часів.
• Які ж джерела походження Всесвіту? Як воно розвивається? Яка його структура? На ці та інші питання намагалися відповісти вчені різних часів.
• 
• 1. Хронологія космологічних відкриттів
• Еволюцію Всесвіту, а також його властивості вивчає Космологія - розділ астрономії, основу якого складають математика, фізика і астрономія.
• Перші кроки у розвитку космології зробив у ХХ ст. Альберт Ейнштейн. Своє дослідження на цю тему, Ейнштейн опублікував в 1917 році під назвою "Космологічні міркування до загальної теорії відносності". У ній він ввів 3 припущення: Всесвіт однорідний, ізотропний і стаціонарний. Для того, щоб забезпечити стаціонарність Всесвіту, у своїх розрахунках він вводить нову величину - космологічну сталу, проте бажаного не досягнув.
• Космологічна стала -- параметр рівняння Ейнштейна, яке описує метрику простору-часу та її зв'язок з речовиною. Позначається зазвичай грецькою літерою . Згодом вчений називав це найбільшою своєю помилкою, та як виявилося у 1998 році це було не так і тепер лямбду можна інтерпретувати як сталу енергії вакууму, вона зайняла своє місце у сучасній космологічній моделі ЛCDM.
• У 1922 році А. А. Фрідман запропонував нестаціонарне рішення рівняння Ейнштейна. Модель Фрідмана описує однорідний ізотропний в загальному випадку нестаціонарний Всесвіт з речовиною. Тепер теорія Фрідмана - частина моделі ЛCDM.
• Наступний крок був зроблений в 1924 р. Е. Хабблом (1889-1953), коли він виміряв відстань до найближчих галактик. У 1929 р. в тій же обсерваторії Е. Хаббл, відкрив явище червоного зміщення.
• Космологічне червоне зміщення - спостережуване для всіх далеких джерел зниження частот випромінювання, пояснюване як віддалення цих джерел один від одного.
• Тим самим експериментально підтвердив теоретичний висновок Фрідмана про розширення Всесвіту і встановив закон Хаббла: швидкість віддалення галактики V прямо пропорційна відстані r до неї, тобто
• V = Hr,
• де H - постійна Хаббла, яка дорівнює 67,80 ± 0,77 км/с на мегапарсек.
• Зворотного величиною постійною Хаббла визначається вік Всесвіту.
• Множенням часу життя Всесвіту на швидкість світла визначається радіус космологічного горизонту - межа пізнання Всесвіту за допомогою астрономічних спостережень.
• У 1946 році Гамов активно включився в роботу в галузі космології, запропонувавши модель "гарячого Всесвіту" (уточнення теорії "Великого Вибуху"). Її підставами стали уявлення про розширення Всесвіту, дані про сучасну поширеності елементів (особливо про співвідношення водню і гелію) та оцінки віку Всесвіту. В 1948 році Гамов спільно зі своїми учнями розробив теорію утворення хімічних елементів шляхом нуклеосинтезу (послідовного нейтронного захоплення). В рамках цієї теорії було передбачене існування фонового мікрохвильового (реліктового) випромінювання і дана оцінка його сучасної температури (в діапазоні 1-10 К).
• 1965-ого року Арно Пензіас та Роберт Вільсон експериментально виявили реліктове випромінювання.
• Реліктове випромінювання (також космічне мікрохвильове випромінювання) -- космічне електромагнітне випромінювання з високою ступінню ізотропності та спектром, характерним для абсолютно чорного тіла з температурою 2,725 К.
• Згідно з Теорією великого вибуху, реліктове випромінювання, а також електрони і баріони були складовими Всесвіту на початку його існування. Фотони постійно взаємодіяли з іншими частинками плазми, таким чином, випромінювання перебувало у стані теплової рівноваги з речовиною, а його спектр відповідав спектру абсолютно чорного тіла.
• Із розширенням Всесвіту космологічне червоне зміщення викликало охолодження плазми і на певному етапі для електронів стало енергетично вигідніше сформувати атоми. Цей процес називається рекомбінацією, і він відбувся за температури 3000 К (400 000 років з початку охолодження). З цього часу фотони вільно пересуваються в просторі, майже не взаємодіючи з нейтральними атомами. В результаті подальшого охолодження температура реліктового випромінювання знизилась і становить 2,725 К. Реліктове випромінювання вважається одним із основних доказів Теорії великого вибуху.
• 2. ЛCDM
• ЛCDM - сучасна космологічна модель, яка стала вінцем космології, об'єднавши всі відомі факти. В ній просторово-плоский Всесвіт заповнений, окрім звичайної баріонної матерії, темною енергією (космологічна стала Л в рівняннях Ейнштейна) і холодною темною матерією (англ. Cold Dark Matter). Її часто називають стандартною моделлю космології великого вибуху, тому що вона пояснює:

- наявність і структуру космічного мікрохвильового фону

- великомасштабну структуру скупчень галактик

- розподіл водню, гелію, літію, кисню в нашому Всесвіті

- прискорення розширення Всесвіту, що спостерігається за електромагнітним випромінюванням від далеких галактик і наднових.

Вона, як і всі сучасні космологічні моделі засновані на космологічному принципі, який полягає у тому, що наше розташування як спостерігачів у Всесвіті ні яким чином не є особливим; на досить великому масштабі, Всесвіт виглядає однаково в усіх напрямках (ізотропність) і з будь-якого місця (однорідність).

Модель передбачає розширення метричного простору, що спостерігається за червоним зсувом спектральних ліній у випромінюванні від далеких галактик, та уповільнення часу.

Як не парадоксально, в той час як це розширення збільшує відстань між об'єктами, які не пов'язані гравітаційною взаємодією, воно не збільшує розмірів власне об'єктів. Модель також припускає "розбігання" дуже віддалених одна від одної галактик зі швидкістю більшою, ніж швидкість світла.

Геометрія простору є евклідовою.

Всесвіт буде розширюватися вічно, і розширення прискорюється.

Л (лямбда) позначає космологічну сталу, яка наразі пов'язується з енергією вакууму або темною енергією, що притаманна "порожньому" простору, і пояснює поточне прискорення розширення Всесвіту попри ефекти гравітації. Наразі близько 73% густини енергії Всесвіту є темною енергією. всесвіт матерія людство

Холодна Темна матерія є однією з форм матерії. Пояснює гравітаційні ефекти, які спостерігаються на дуже великих масштабах (аномалії в обертанні галактик, гравітаційне лінзування світла скупченнями галактик, розширення кластерів галактик), які не може бути пояснено масою видимої матерії. Цей компонент наразі за оцінками становить близько 23% маси Всесвіту. Темна матерія описується як:

- холодна (тобто швидкість теплового руху її частинок в епоху рівності густини енергії випромінювання та матерії була нерелятивістською (набагато нижчою, ніж швидкість світла)

- не баріонна (складається не з протонів і нейтронів)

- не дисипативна (не може охолоджуватися, випромінюючи фотони)

- не взаємодіюча (частинки темної матерії взаємодіють між собою та іншими частками лише гравітаційно).

Інші 5% містять всю матерію та енергію, що спостерігається у вигляді субатомних частинок, хімічних елементів і електромагнітного випромінювання -- матерія, з якої складаються видимі зорі і планети, галактики.

Модель передбачає єдину породжуючу подію, "Великий вибух" або початкову сингулярність, що була скоріше не вибухом, а миттєвою появою простору-часу з матерією при температурі близько 1015К, що розширюється. Далі (до 10 ?29 секунд) відбулося експоненційне розширення простору (збільшення масштабу в 1027 або більше разів), відоме як космологічна інфляція. Ранній Всесвіт залишався гарячим (температура вище 10 000 К) протягом декількох сотень тисяч років після Великого Вибуху, про що свідчить реліктовий фон.

Сценарій "Великого вибуху", з космологічною інфляцією і стандартною моделлю фізики елементарних частинок, є на сьогодні єдиною теорією, що узгоджується зі спостережуваним триваючим розширенням простору, спостережуваним розподілом легких елементів (водню, гелію, літію, кисню) у Всесвіті, і просторової текстури кутових неоднорідностей (анізотропії) в реліктовому випромінюванні. Космологічна інфляція також необхідна для вирішення проблеми горизонту.

Проблема горизонту - полягає у тому, що у кожній точці Метагалактики температура майже однакова, хоча відстань між ними завелика, для того, щоб встановилася теплова рівновага. Ці дані були отримані за допомогою того факту, що випромінювання, що випускається тілом, залежить від його температури (як висновок з Теорії випромінювання чорного тіла). Згідно ж Інфляційною моделлю, речовина Всесвіту до певного моменту залишалося набагато більш компактним, ніж при Хаббловському розширенні. Цього надзвичайно короткого періоду було цілком достатньо, щоб встановилася термічна рівновага, яка не була збережена до сьогодні.

Наразі дослідження багатьох аспектів ЛCDM моделі продовжуються, і, швидше за все, вони будуть змінюватися із надходженням нової інформації. Зокрема, важко точно виміряти відстань до дуже далеких галактик або наднових, отже відповідні оцінки пов'язаних величин (зоряної або галактичної світності, Параметр Габбла) як і раніше є непевними. Крім того, ЛCDM не вказує чітку фізичну теорію природи темної матерії та темної енергії чи їх походження.

Проте зараз модель ЛCDM є стандартом після відкриття прискорення розширення Всесвіту в 1998 році, оскільки протиріччя, притаманні іншим моделям були просто і природно в ній вирішені.

• 3. Майбутнє Всесвіту
• Різними науковими теоріями передбачене безліч можливих варіантів майбутнього, серед яких є думки як про знищення, так і про нескінченного життя Всесвіту. Однак кінцевий його вигляд залежить від швидкості і прискорення розширення
• При рівномірній або майже рівномірній швидкості розширення будуть пройдені всі етапи еволюції і будуть вичерпані всі запаси енергії. Цей варіант розвитку називається тепловою смертю.
• Якщо швидкість буде все наростати, то, починаючи з певного моменту, сила, що розширює Всесвіт, спочатку перевищить гравітаційні сили, що утримують галактики в скупченнях. За ними розпадуться галактики і зоряні скупчення. Останніми розпадуться найбільш тісно пов'язані зоряні системи. Через деякий час, електромагнітні сили не зможуть утримувати від розпаду планети і більш дрібні об'єкти. Світ знову буде існувати у вигляді окремих атомів. На наступному етапі розпадуться і окремі атоми. Що піде за цим, точно сказати неможливо: на цьому етапі перестає працювати сучасна фізика.
• Вищеописаний сценарій - це сценарій Великого розриву.
• Існує і протилежний сценарій - Велике стиснення. Якщо розширення Всесвіту сповільнюється, то в майбутньому воно припиниться і почнеться стиснення.
• Тоді всі скупчення у Всесвіті утворюють єдине мегаскупчення, проте галактики не втратять свою індивідуальність. Коли Всесвіт зіжметься ще в 20 разів, він перетвориться в одну величезну галактику.
• Температура реліктового фону досягне 274 К. Випаруються або будуть розірвані на шматки небесні тіла. Подальші події будуть нагадувати ті, що відбувалися на початку, але у зворотному порядку: атоми розпадаються, починає домінувати випромінювання, потім починають розпадатися атомні ядра на протони і нейтрони, потім розпадаються і самі протони і нейтрони на окремі кварки, відбувається велике об'єднання.
• 4. Теорія великого вибуху
• На даний момент Теорія великого вибуху є основною версією походження Всесвіту, яку розглядають учені, адже вона підкріплена багатьма фактами, найбільш аргументована і узгоджується зі спостереженнями.
• Отже, Теорія великого вибуху - загальноприйнята космологічна модель, що описує ранній розвиток Всесвіту, а саме - початок його розширення, перед яким він перебував в сингулярному стані.
• Зараз ця теорія нерозривно пов'язана із Моделлю гарячого Всесвіту, і хоча історично ці поняття не були пов'язані, це поєднання підтверджується астрономічними даними
• Модель гарячого Всесвіту - космологічна модель, в якій еволюція Всесвіту починається з стану щільної гарячої плазми, що складається з елементарних частинок. У 30-тих роках минулого століття існувала також Модель холодного Всесвіту - вона стверджує, що Всесвіт виник із холодних нейтронів, проте спостереження спростували це.
• За сучасними уявленнями, спостережувана нами зараз Всесвіт (Метагалактика) виник 13,77 млрд років тому з деякого початкового сингулярного стану і з тих пір безперервно розширюється і охолоджується.
• У результаті Великого вибуху виникла матерія, простір і час. Теорія вважає, що після Великого вибуху Всесвіт мав дуже високу температуру. Приблизно через 10 секунд сформувались атомні частинки -- протони, електрони і нейтрони. Атоми Гідрогену і Гелію, з яких складаються більшість зірок, утворилися лише через декілька сотень тисяч років після Великого вибуху, коли Всесвіт значно розширився в розмірах і охолов.
• За підрахунками, якщо Великий вибух відбувся приблизно 14 млрд років тому, Всесвіт мав охолонути до температури близько трьох градусів Кельвіна. За допомогою радіотелескопів були зареєстровані радіошуми, які відповідають даній температурі, на всьому зоряному небі. Вони вважаються відлунням стану Всесвіту через деякий час після Великого вибуху, того часу, коли відбулося утворення нейтральних атомів.

• Висновок
• Наразі Теорія великого вибуху, Модель гарячого всесвіту, Лямбда-CDM, Космологічний принцип та теорія Інфляційного Всесвіту найбільш повно описують походження і розвиток Всесвіту, і, найголовніше, не суперечать дослідницьким даним. Проте не слід думати, що вони не мають альтернатив - існувало ще багато теорій, що описували еволюцію Всесвіту, такі як Теорія стаціонарного Всесвіту, Теорія Всесвіту, що масштабно розширюється, Втомлене світло. Деякі з них протиставлялись сучасним теоріям, проте з появою нових даних зазнали поразки. І хтозна, можливо у найближчому майбутньому з'являться нові, досконаліші теорії, і Теорія великого вибуху буде становити лише історичну цінність.
• Список літератури

1. http://www.bestreferat.ru

2. https://uk.wikipedia.org

3. http://elementy.ru

4. Лавриненко В.М., Ратніков В.П., Концепції сучасного природознавства. М. 2003

5. Найдиш В.М., Концепції сучасного природознавства. М. 2003

6. Петросова Р.А., Голов В.П., Сівоглазов В.І., Природознавство та основи екології. М. 2000

7. Карпенків С.Х., Концепції сучасного природознавства: Підручник для вузів. М. 2003

Размещено на Allbest.ru