Теория большого взрыва

Размещено на http://www.allbest.ru/

Теория большого взрыва

Содержание

Введение

1. Основные особенности и сущность теории большого взрыва

2. Современные научные доказательства теории большого взрыва

Заключение

Литература

Введение

«Астрономия приводит нас к уникальному событию, вселенной, которая была создана из ничего. Это событие с очень тонким балансом для обеспечения точных условий, необходимых для жизни. В основе этого события лежит план (можно сказать «сверхъестественный»)» (Пэнзиэс А., Космос, Биос, и Бог., М., 1992. С. 82)

За последние десятилетия достигнуты определенные успехи в понимании современного состояния и ряда этапов эволюции Вселенной. Эти успехи -- результат работы многих людей, совместных усилий астрономов и физиков. В настоящее время многое о Вселенной известно нам вполне достоверно.

Целью данной работы станет детальный анализ теории Большого Взрыва и ее современных особенностей и доказательств.

Вообще, модель, связанная с Большим взрывом, предполагает, что начальная температура внутри сингулярности превышала 1013 градусов по абсолютной шкале Кельвина, в которой начало шкалы от­счета соответствует -273 градусам шкалы Цельсия. Плотность материи равнялась приблизительно 1093г/см3. В подобном состоянии неизбежно должен был произойти «большой взрыв» с которым связывают начало эволюции в стандартной модели Вселенной, называемой поэтому также моделью «большого взрыва» Предполагают, что такой взрыв произошел примерно 15-- 20 млрд. лет назад и сопровождался сначала быстрым, а потом более умеренным расширением и соответственно постепенным охлаждением Вселенной. По степени этого расширения ученые судят о состоянии материи на разных стадиях ее эволюции. Полагают, например, что через 0,01 секунды после взрыва плотность материи с невообразимо большой величины должна была упасть до 1010г/см3. В этих условиях в расширяющейся Вселенной, по-видимому, должны были существовать фо­тоны, электроны, позитроны, нейтрино и антинейтри­но, а также небольшое количество нуклонов (протонов и нейтронов). При этом могли происходить непрерывные превращения пар электрон-позитрон в фотоны и обратно -- фотонов в пару электрон-позитрон. Но уже через 3 минуты после взрыва из нуклонов образуется смесь легких ядер: 2/3 водорода и 1/3 гелия. Остальные химические элементы образовались из этого дозвездного вещества в результате ядерных реакций. В момент, когда возникли нейтральные атомы водорода и гелия, вещество сделалось прозрачным для фотонов, и они стали излучаться в мировое пространство.

Вообще в этом направлении учеными достигнуты значительные успехи, однако, остается и множество спорных моментов. Новейшие же достижения науки и техники позволяют все более доказательно говорить о справедливости теории Большого взрыва. В этой связи, важно подробно рассмотреть сам процесс образования Вселенной в результате Большого взрыва и коснусь в современных опытных исследований ученых, которые работают над доказательствами рассматриваемой теории.

В данной работе был использован целый ряд источников. Прежде всего, это книга Я. Зельдовича «Вселенная», где автор всесторонне разрабатывает теоретический и экспериментальный уровней понимания взрывных процессов во Вселенной. Именно в этой книге огромное внимание автора уделено проблеме изучения теории большого взрыва и зарождений вселенной.

Кроме того, в работе была использована книга известного индийского астрофизика Джайанта Нарликара «Неистовая Вселенная», рассказывающая о бурных процессах во Вселенной - мощных источниках рентгеновского и радиоизлучений. Исследование этих явлений, ставшее возможным благодаря развитию метода внеатмосферных астрофизических наблюдений, в корне изменило наше представление о Вселенной.

В работе была использована и книга Демина В. Н. «Тайны Вселенной», в которой подробно исследуются проблемы происхождения вселенной и ее эволюции. Особое внимание в данной монографии уделяется теории большого взрыва.

Книга английского физика Джеймса Э. Лидсея «Рождение Вселенной» представляет собой введение в проблему возникновения и развития нашей Вселенной. Автор раскрывает основные представления современной космологии в их развитии в течение XX века. Оригинальное изложение новых моделей и фундаментальных физических понятий построено на простых аналогиях и знакомит читателя с некоторыми из наиболее глубоких идей, волнующих в настоящее время ученых всего мира.

В книге Чернина А. Д. «Космология: Большой взрыв» изложены современные представления о строении и эволюции Вселенной, рассказано о новейших открытиях в астрофизике - антигравитации, «темной материи» и «темной энергии».

Большое внимание было уделено книге Стражева В. С., «К тайнам вселенной». Здесь говорится о том, что в журналах и книгах прежних лет обязательно встретятся утверждения о прорыве наших знаний в деле постижения Вселенной или кардинальном их изменении. Но все познается в сравнении. Только сейчас человечество вступило в век по-настоящему революционных открытий в космологии - науке о происхождении и развитии Вселенной. Можно сказать, что космология находится в той же ситуации, в которой находилась география перед плаванием Магеллана. Она перестала быть чисто теоретической научной дисциплиной, а стала наукой экспериментальной. Эта книга, как бы краткий экскурс в многообразие тайн Вселенной, чуть приоткрывшихся в последнее десятилетие.

Книга «История Вечности: Эволюция планеты и человечества. Универсалии бытия» Полякова В. А. раскрывает тайны проявления универсальных законов в зарождении и развитии Вселенной, Земли и человечества. А эволюция Вселенной, планеты и человечества демонстрируется как целеориентированный и системный процесс взаимообусловленного развития микро - и макрокосмоса.

Кроме того, в работе были использованы статьи из журналов, касающиеся проблемы большого взрыва, такие как: «Вселенная: вчера, сегодня, завтра» (журнал “Космонавтика, астрономия”, вып. № 3, 1983 г.), «Большие проблемы Большого взрыва» (журнал “Истоки”, вып. №1, 1999 г.). В этих журналах была найдена дополнительная информация по проблемам большого взрыва, в том числе и ее современное понимание и перспективы развития вселенной в свете данной теории.

При написании работы, так же была использована Интернет-энциклопедия krugosvet.ru, где можно обнаружить подробную информацию по проблемам происхождения вселенной. Кроме того, использовался новостной сайт ntv. ru, откуда была взята часть информации о современном подтверждении теории большого взрыва, относящейся к космическим исследованиям NASA.

1. Основные особенности и сущность теории большого взрыва

Процесс разбегания галактик заключается в увеличении со временем расстояний между ними. Можно задать вопрос, -- когда это движение началось? Определить момент, когда все галактики находились “в одном и том же месте” (“в точке”), совсем просто, если предположить, что скорость и удаления от нас каждой галактики остается постоянной с течением времени. Достаточно для этого разделить сегодняшнее расстояние r на скорость u.

Получим

t = r/u = r/Hr = 1/H = 20 млрд лет.

Предположение о постоянстве и не противоречит закону Хаббла: хотя расстояние r увеличивается со временем, Н, как уже упоминалось выше, тоже зависит от времени. Более аккуратные рассуждения показывают, что скорость удаления каждой галактики к тому же уменьшается с течением времени. Причина этого в том, что галактикам приходится преодолевать силы тяготения, действующие на них со стороны остальных галактик. Это приводит к тому, что в действительности время, прошедшее с начала расширения (возраст Вселенной), оказывается ближе к t0 =2/3·1/Н =13 млрд. лет. (Вычисляя возраст, мы подставляем в формулы сегодняшнее значение постоянной Хаббла Н, раньше величина этой постоянной была больше.) Итак, твердо установлено, что около 13 миллиардов лет тому назад произошел Большой взрыв. Более того, прослежена последовательность событий, начинающихся с расширения очень плотного вещества. Это вещество было и очень горячим, поэтому принято говорить о теории “горячей” Вселенной. большой взрыв вселенная хаббл

Расширение сопровождается не только уменьшением плотности, но и понижением температуры. На основе известных нам законов физики можно надежно проследить, какие процессы происходили во Вселенной начиная с того момента, когда температура вещества составляла около 1013 градусов, плотность была 1033 г/см3, давление 1053 H/м2=1048 атм. При этих условиях вещество представляло собой “суп” из всевозможных частиц и античастиц. “Тяжелые” частицы и античастицы в основном аннигилируют, “выживают” кванты электромагнитного излучения (фотоны) и нейтрино. Количество вещества в “супе” немного превосходило количество антивещества. Поэтому выживает и небольшое (по сравнению с фотонами и нейтрино) количество протонов, нейтронов и электронов. Выжившие нейтроны с частью протонов соединяются в ядра гелия.

Гораздо позже (через примерно 300 000 лет) протоны и ядра гелия соединяются с электронами, превращаясь в нейтральные атомы. Расчетное количество образующегося гелия хорошо совпадает с тем, которое наблюдается. Это укрепляет нашу уверенность в правильности теории горячей Вселенной.

Для иллюстрации закона Хаббла на рисунке слева показано распределение скоростей убегающих галактик с точки зрения наблюдателя, находящегося в нашей Галактике (0). На рисунке справа приведено распределение скоростей тех же галактик, но с точки зрения наблюдателя, находящегося в галактике 3. Стрелки, изображающие скорости, на обоих рисунках направлены от наблюдателя, а их длины пропорциональны расстояниям от наблюдателя до соответствующих галактик [301]

Общее расширение между тем продолжается. Фотоны остаются равномерно распределенными в пространстве и до настоящего времени. Они-то и образуют уже упоминавшийся выше космический фон радиоизлучения -- реликтовое излучение. Атомы же, наряду с общим расширением, образуют местные “сгущения” -- звезды, квазары, галактики, скопления галактик. Тяжелые элементы рождаются позже - в процессах ядерного горения в звездах.

При взрывах звезд они выбрасываются и начинают свое путешествие внутри галактик, часть их попадает в Звезды второго поколения (Солнце!) и в планеты (Земля!). Общее число атомов тяжелых элементов, однако, невелико. Такова история эволюции Вселенной в самом кратком очерке. Уверенность в том, что эта картина эволюции в целом правильна, не исключает необходимостей дальнейшей трудной работы, в ходе которой возможны и открытия, и ошибки. Необходимо, например, подробно исследовать последнюю стадию, связанную с образованием отдельных небесных тел и галактик и с их расположением в пространстве. Один из центральных вопросов космологии -- это вопрос о том, какова сегодняшняя структура Вселенной и как эта структура образовалась. Сюда же относятся вопросы о происхождении скоплений и сверхскоплений галактик. Ответы на эти вопросы зависят от начальной малой неоднородности плотности, которую потом тяготение усиливало. Усиление неоднородности плотности проявляется в сгущении, сжатии газообразного вещества.

В трехмерном пространстве “газовое облако” могло бы сжиматься в каждом из трех взаимно перпендикулярных направлений. Однако одновременное сильное сжатие вдоль двух или трех осей -- явление нехарактерное. Как правило, сжатие каждого “облака” происходит в одном выделенном направлении. Такой процесс приводит к образованию тонких слоев, их называют “блинами”. Плотность вещества внутри этих слоев увеличивается по мере их сжатия. При падении новых порций газа на уже образовавшиеся “блины” они разогреваются и разрастаются в направлении своей плоскости. На более поздних стадиях “блины” начинают пересекаться.

В результате формируется сложная ячеистая структура, напоминающая пчелиные соты. В этой структуре слои сжатого газа окружены областями, где газа практически нет. Размеры отдельных ячеек достигают сотен мегапарсеков, а их “стенки” образуются сильно уплощенными сверхскоплениями. Именно в “блинах” происходит рождение отдельных звезд, галактик и их скоплений. Образование структуры описывается уравнением, определяющим положение частиц вещества в произвольный момент времени t. Если задавать положение частицы и некоторой системе отсчета вектором Х, то уравнение имеет вид

X= t2/3х + t1/3 v (x)

где х -- вектор, определяющий начальное положение частицы (при t = 0). Первое слагаемое в правой части этого уравнения описывает общее расширение Вселенной.

Функция v(х) падает начальные возмущения для частицы, которой соответствует вектор х, второе слагаемое и целом характеризует рост возмущений со временем. Векторы х и v (х) таковы, что размерности обоих слагаемых в правой части уравнения совпадают с размерностью вектора Х (понятно, что при такой записи размерность х не совпадает с размерностью X).

Анализ написанного уравнения требует в общем случае сложных расчетов на современных вычислительных машинах. Попробуйте сами проанализировать более простой случай, когда мы имеем дело со свободным движением вдоль одной прямой:

X = x+ т v(x)

Здесь Х -- положение частицы в произвольный момент времени, х -- начальное положение частицы, v{x) -- начальное возмущение. Найдите распределения частиц, их скоростей и плотности по оси Х в различные моменты времени т.

Начальную плотность (при т = 0) можно считать постоянной. Заметьте, что в атом случае размерности х и Х совпадают, a t и gt;(x) имеет смысл скорости. Проблема структуры тесно связана с тем, какие еще частицы (кроме атомных ядер, электронов, фотонов) содержатся во Вселенной и определяют ее среднюю плотность.

Проблема “скрытой массы”, требует еще очень большой работы астрономов-наблюдателей. Нужно также, чтобы физики, занимающиеся элементарными частицами, закончили составление полного каталога частиц с указанием их масс и других свойств. Есть и другая сторона вопроса: что из себя представляет вся Вселенная, Вселенная как целое? Общая теория относительности Эйнштейна говорит о том, что геометрия пространства не подчиняется законам Евклида. Пространство в целом может быть замкнутым, иметь ограниченный объем и в то же время не иметь границ. Говоря про такую возможность, всегда пользуются двумерной аналогией: поверхность шара имеет вполне определенную площадь, она замкнута, но не имеет границ, все ее точки равноценны.

Вместе с тем, малая часть сферы по своим геометрическим свойствам очень близка к малой части плоскости. Ответ на вопрос о том, замкнута ли Вселенная, тоже связан с тем, как велика “скрытая масса”. Подчеркнем еще раз, что решение всех этих сложных задач не изменит в целом того сценария расширения, который был изложен выше. Существуют еще и более глубокие и трудные вопросы о том, что представляет собой начальное состояние с высокой температурой и плотностью, откуда оно взялось, почему Вселенная расширяется.

2. Современные научные доказательства теории большого взрыва

Очевидно, что в теории Большого взрыва до сих пор остается ряд спорных вопросов. Однако, в последние годы наука получает все более серьезные подтверждения этой теории.

Так, теория развития Вселенной после Большого Взрыва получила подтверждение после двух новых отчетов астрофизиков из Австралии и США. Мэтью Коллесс, - ученый из Обсерватории Мт Stromlo в Австралийском Национальном Университете (ANU), руководил исследовательской командой, осуществившей первое трехмерное изображение нашей Вселенной. Ученым удалось оценить эффекты влияния, вызванные ранней Вселенной после так называемого Большого Взрыва, анализируя снимки галактик.

Отчет открытия ими акустических колебаний от распределения вещества в пространстве был закончен в прошлом году и издан только две недели назад.

Эти значительные результаты Австралийских ученых теперь были подтверждены исследованием астрофизиков из Университета Карнегии Мелона и Университета Штата Мэн, которые нашли, как они полагают, доказательство наличия для акустических колебаний в распределении вещества Вселенной.

Кристофер Миллер из Университета Карнегии Мелона, ведущий автор отчета, изданного в Науке, сказал, что очевидность наличия акустических колебаний покажет распределение космического микроволнового фонового излучения и распределение скрытого (темного) вещества по всей Вселенной.

Обнаружение этих колебаний обеспечивает ученых прямой связью, позволяющей отследить разницу между современной Вселенной и той Вселенной, которая существовала больше, чем 10 миллиардов лет назад.

Мельник и его команда проанализировали данные от трех космологических обзоров, чтобы сравнить текущий 'снимок' с другим 'снимком', или набором данных, от Вселенной той поры, поскольку это было время, когда прошло только 300000 лет после момента Большого Взрыва.

В результате были получены два замера Метагалактики - сегодняшней наблюдаемой части Вселенной и замеры Вселенной, полученные при обработке материалов двух экспериментов, опирающихся на анализ акустических колебаний от далеких объектов, которые показывают картину Вселенной через 300000 лет после Большого Взрыва.

В течение прошлых нескольких лет Австралийская команда сделала огромное количество снимков 170000 галактик во Вселенной, используя Англо-австралийский Телескоп в Coonabarabran, который является самым большим оптическим телескопом в Австралии.

Доктор Коллесс сказал, что этот набор результатов и наш показывают некоторые аспекты того, как галактики формируются и, что случилось вскоре после Большого Взрыва.

Дальнейший анализ позволит оценить скорость роста Вселенной и предсказать последствия будущего расширения или сжатия.[302]

Кроме того, например, в США создан космический аппарат для поиска следов «Большого Взрыва», давшего начало Вселенной.

30 июня 2001 с американского космодрома на мысе Канаверал был дан старт космическому кораблю с аппаратом, созданным специалистами NASA для изучения одной из главных тайн астрономии - так называемого «большого взрыва», который, по теории, дал начало вселенной.

Аппарат, получивший название МАР, чем-то напоминающий обтянутый фольгой зонтик, отправится на орбиту, расположенную выше лунной, на расстоянии 1,6 млн. км от Земли в сторону, противоположную Солнцу.

Оттуда МАР будет регистрировать малейшие колебания температуры в поисках отголосков «большого взрыва», произошедшего, по мнению многих астрономов, 14 млрд. лет назад. Как сказали журналистам создатели аппарата на пресс-конференции в NASA, изменения температуры в космосе означают изменения силы микроволнового излучения, оставшегося после создания вселенной. Кроме того, изменения температуры указывают на изменения в плотности молодой вселенной - более плотные участки в дальнейшем привели к созданию галактик.

«Мы намерены отправить в космос аппарат, который сделает снимок вселенной в ее детстве, пользуясь излучениями большого взрыва, которые видны до сих пор», - сказал Алан Баннер, научный директор отдела исследований структуры вселенной NASA.[303]

Впервые микроволновое излучение от «большого взрыва» было замечено в 1965 году. В 1992 году космический аппарат СОВЕ НАСА обнаружил незначительные изменения температуры и рудиментарную структуру этого фонового излечения. Новый аппарат продолжит работу своего предшественника и сделает более детальные снимки вселенной. Этому как раз поможет зонтик, который будет направлен на солнце для получения энергии, и одновременно закроет от его лучей аппарат, что позволит избежать регистрации изменений собственной температуры.

Как сообщили в НАСА, МАР должен прибыть на место назначения через 2 месяца после запуска, но лишь через полтора года передаваемые им данные начнут публиковаться. Авторы проекта уверены, что исследования МАР могут изменить взгляд человечества на вселенную, ее создание, развитие, форму и дальнейшую судьбу.[304]

Заключение

Резюмируем основные выводы по проделанной работе.

Выше были подробно описаны теорию Большого взрыва. Но Большой взрыв Вселенной очень не похож на взрыв даже самой большой бомбы. Заряд из обычного взрывчатого вещества в результате химической реакции превращается в газ с давлением в сотни тысяч атмосфер. Этот газ окружен воздухом с давлением в одну атмосферу. Разность давлений газа и окружающей атмосферы представляет собой ту силу, которая вызывает движение газа и окружающего воздуха, расширение газа и весь комплекс явлений, который называется взрывом.

Между тем в Большом взрыве Вселенной с хорошей точностью плотность, температура и давление одинаковы во всех точках пространства в один и тот же момент времени.

Большой взрыв -- результат определенного начального распределения скоростей в горячем веществе. Разлет частиц происходит по инерции. Высокое давление отнюдь не ускоряет разлет, а силы тяготения даже замедляют его. С самого начала относительная скорость разлета любых двух малых объемов вещества пропорциональна расстоянию между ними, другими словами, с самого начала “работает” закон Хаббла.

Для объяснения всего того, что происходит позже, в теории Большого взрыва нужны очень специфические начальные условия. Только в последние годы наметились ответы на вопросы о том, как же получаются эти начальные условия, что приводит к расширению Вселенной. Ответы эти связаны с тем, что современная теория допускает возможность существования состояния с отрицательным давлением, а в этом состоянии гравитационные силы вызывают отталкивание вместо обычного притяжения.

Здесь начинает работать теория относительности. Я коснулся лишь некоторых вопросов, связанных с историей и эволюцией Вселенной. Законченная теория возникновения Вселенной пока еще не создана, космология при всех ее успехах отнюдь не завершена. Она имеет определенные хорошо сформулированные проблемы, ожидающие систематической исследовательской работы. Чтобы развивать космологию дальше, необходимы более совершенные наблюдения, прогресс физической теории и большая научная смелость.

Литература

Дидсей Дж. Э., Рождение Вселенной: Перевод с английского. М.: Весь Мир. 2005

Марочник Л. С., Насельский П. Д. “Вселенная : вчера, сегодня, завтра” (“Космонавтика, астрономия”, вып. № 3,1983).

Дж. Нарликар, Неистовая Вселенная, М., Мир, 1985

“Большие проблемы Большого взрыва” (журнал “Истоки”, вып. №1, 1999)

Демин В. Н., Тайны Вселенной. М.: Наука. 1998

Поляков В. А., История Вечности: Эволюция планеты и человечества. Универсалии бытия. М.: Амрита-Русь, 2005

Стражев В. С., К тайнам вселенной. Ростов н/Д., Феникс, 2006

Чернин А. Д., Космология: Большой взрыв. М.: Век 2, 2005

Http://www. krugosvet.Ru (Россия он-Лайн ООО, «Кругосвет», 2000)

Http://ntv. ru/world/13Jun2001 (Компания НТВ создана в 1993 году)

Размещено на Allbest.ru