Большой взрыв и "первые три минуты" развития Вселенной

Размещено на http://www.allbest.ru

ПЕНЗЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра «Физика»

Реферат

по дисциплине «Концепция Современного Естествознания»

Тема: Большой взрыв и «первые три минуты» развития Вселенной

Выполнила:

студентка группы 14ЭТ1

Боряева Валерия

Проверил: Губин Т.А.

Пенза 2014

СОДЕРЖАНИЕ:

Введение

1. Образование Вселенной

2. Большой Взрыв

2.1 Космический микроволновой фон

2.2 Изобилие легких элементов

3. Современные теории о дальнейшей эволюции Вселенной

4. «Первые три минуты» Вселенной

Заключение

Список литературы

ВВЕДЕНИЕ

Для начала я бы хотела обратиться к понятию «Вселенная» и разобраться в нем. Вселенная -- не имеет строгого определения понятие в астрономии и философии. Оно делится на две принципиально отличающиеся сущности: умозрительную и материальную, доступную наблюдениям в настоящее время или в обозримом будущем. Если автор различает эти сущности, то, следуя традиции, первую называют Вселенной, а вторую астрономической Вселенной или Метагалактикой (в последнее время этот термин практически вышел из употребления). Вселенная является предметом исследования космологии. В историческом плане для обозначения «всего пространства» использовались различные слова, включая эквиваленты и варианты из различных языков, такие как «космос», «мир», «небесная сфера». Использовался также термин «макрокосмос», хотя он предназначен для определения систем большого масштаба, включая их подсистемы и части. Аналогично, слово «микрокосмос» используется для обозначения систем малого масштаба. Вселенная, весь мир, безграничный во времени и пространстве и бесконечно разнообразный по тем формам, которые принимает материя в процессе своего развития. Вселенная существует объективно, независимо от сознания человека, её познающего. Вселенная содержит гигантское множество небесных тел, многие из которых по размерам превосходят Землю иногда во много миллионов раз. На каждом этапе развития общества человечеству было известно строение лишь некоторой ограниченной части Вселенной. С усовершенствованием методов научных исследований и астрономических инструментов всё более расширяется доступный для изучения объём Вселенной. Само исследование становится всё более глубоким, и наши знания всё точнее отражают строение и развитие изучаемой области Вселенной. История познания является одной из наиболее блестящих иллюстраций ленинской теории познания, согласно которой "... Человеческое мышление по природе своей способно давать и дает нам абсолютную истину, которая складывается из суммы относительных истин" вселенная взрыв космология частица

Современные астрономические наблюдения свидетельствуют о том, что началом Вселенной, приблизительно десять миллиардов лет назад, был гигантский огненный шар, раскаленный и плотный. Его состав весьма прост. Этот огненный шар был на столько раскален, что состоял лишь из свободных элементарных частиц, которые стремительно двигались, сталкиваясь друг с другом.

На протяжении десяти миллиардов лет после большого взрыва простейшее бесформенное вещество постепенно превращалось в атомы, молекулы, кристаллы, породы, планеты. Рождались звезды, системы, состоящие из огромного количества элементарных частиц с весьма простой организацией. На некоторых планетах могли возникнуть формы жизни.

1. ОБРАЗОВАНИЕ ВСЕЛЕННОЙ

Современные астрономические наблюдения свидетельствуют о том, что началом Вселенной, приблизительно десять миллиардов лет назад, был гигантский огненный шар, раскаленный и плотный. Его состав весьма прост. Этот огненный шар был настолько раскален, что состоял лишь из свободных элементарных частиц, которые стремительно двигались, сталкиваясь друг с другом. Существует несколько теории эволюции. Теория пульсирующей Вселенной утверждает, что наш мир произошел в результате гигантского взрыва. Но расширение Вселенной не будет продолжаться вечно, т.к. его остановит гравитация.

По этой теории наша Вселенная расширяется на протяжении 18 млрд. лет со времени взрыва. В будущем расширение полностью замедлится, и произойдет остановка. А затем Вселенная начнёт сжиматься до тех пор, пока вещество опять не сожмется и произойдет новый взрыв. Теория стационарного взрыва: согласно ей Вселенная не имеет ни начала, ни конца. Она все время пребывает в одном и том же состоянии. Постоянно идет образование нового водоворота, чтобы возместить вещество удаляющимися галактиками. Вот по этой причине Вселенная всегда одинакова, но если Вселенная, начало которой положил взрыв, будет расширяться до бесконечности, то она постепенно охладится и совсем угаснет. Но пока ни одна из этих теорий не доказана, т.к. на данный момент не существует ни каких точных доказательств хотя бы одной из них.Однако стоит отметить и еще одну теорию (принцип). Антропный (человеческий) принцип первым сформулировал в 1960 году Иглис Г.И., но он является как бы неофициальным его автором. А официальным автором былученый по фамилии Картер. Антропный принцип утверждает, что Вселенная такая, какая она есть потому, что есть наблюдатель или же он должен появиться на определенном этапе развития. В доказательство создатели этой теории приводят очень интересные факты. Это критичность фундаментальных констант и совпадение больших чисел. Получается, что они полностью взаимосвязаны и их малейшее изменение приведет к полному хаосу. То, что такое явное совпадение и даже можно сказать закономерность существует, дает этой, безусловно интересной теории шансы на жизнь.

2. БОЛЬШОЙ ВЗРЫВ

Началом работы Вселенского ускорителя был Большой Взрыв. Этот термин очень часто применяют сегодня космологи. Наблюдаемый разлет галактик и скопления галактик - следствие Большого взрыва. Однако, Большой Взрыв, который академик Я.Б. Зельдович назвал астрономическим, качественно отличается от каких-либо химических взрывов.У обоих взрывов есть черты сходства: например, в обоих случаях вещество после взрыва охлаждается при расширении, падает и его плотность. Но есть и существенные отличия. Главное из них заключается в том, что химический взрыв обусловлен разностью давлений во взрывающемся веществе и давлением в окружающей среде (воздухе). Эта разность давлений создает силу, которая сообщает ускорение частицам заряда взрывчатого вещества. В астрономическом взрыве подобной разности давлений не существует. В отличие от химического астрономический взрыв не начался из определенного центра (и потом стал распространяться на все большие области пространства), а произошел сразу во всем существовавшем тогда пространстве. Представить себе это очень трудно, тем более, что «все пространство» могло быть в начале взрыва конечным (в случае замкнутого мира) и бесконечным (в случае открытого мира)… Пока мало что известно, что происходило в первую секунду после начала расширения, и еще меньше о том, что было до начала расширения. Но, к счастью, это незнание не явилось помехой для очень детальной разработки теории «горячей Вселенной» и сценарий, к рассмотрению которого мы сейчас переходим, основан не на умозрительных рассуждениях, а на строгих расчетах. Итак, в результате Большого взрыва 13-20 млрд. лет назад начал действовать уникальный ускоритель частиц, в ходе работы которого непрерывно и стремительно сменяли друг друга процессы рождения и гибели (аннигиляции) разнообразных частиц. Как мы увидим в следующих главах, эти процессы во многом определили всю последующую эволюцию Вселенной, нынешний облик нашей Вселенной и создал необходимые предпосылки для возникновения и развития жизни. Вселенная постоянно расширяется; тот момент с которого Вселенная начала расширятся, принято считать ее началом; тогда началась первая и полная драматизма эра в истории вселенной, ее называют “Большим Взрывом” или английским термином Big Bang.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. Из этого следует, что в прошлом плотность Вселенной была больше, чем в настоящее время. Можно предположить, что в глубокой древности (примерно десять миллиардов лет назад) плотность Вселенной была очень большой. Кроме того, высокой должна была быть и температура, настолько высокой, чтоплотность излучения превышала плотность вещества. Иначе говоря энергия всех фотонов содержащихся в 1 куб. см была больше суммы общей энергии частиц, содержащихся в 1 куб. см. На самом раннем этапе, в первые мгновения “Большого Взрыва” вся материя была сильно раскаленной и густой смесью частиц, античастиц и высокоэнергичных гамма-фотонов. Частицы при столкновении с соответствующими античастицами аннигилировали, но возникающие гамма-фотоны моментально материализовались в частицы и античастицы. Подробный анализ показывает, что температура вещества понижалась во времени в соответствии с простым соотношением :Зависимость температуры Т от времени t дает нам возможность определить, что например, в момент, когда возраст Вселенной исчислялся всего одной десятитысячной секунды, её температура представляла один биллион Кельвинов. Астрономы употребляют термин «Большой взрыв» в двух взаимосвязанных значениях. С одной стороны этим термином называют само событие, ознаменовавшее зарождение Вселенной около 15 миллиардов лет назад; с другой -- весь сценарий ее развития с последующим расширением и остыванием.

Концепция Большого взрыва появилась с открытием в 1920-е годы законы Хаббла. Этот закон описывает простой формулой результаты наблюдений, согласно которым видимая Вселенная расширяется и галактики удаляются друг от друга. Нетрудно, следовательно, мысленно «прокрутить пленку назад» и представить, что в исходный момент, миллиарды лет назад, Вселенная пребывала в сверхплотном состоянии. Такая картина динамики развития Вселенной подтверждается двумя важными фактами.

2.1 Космический микроволновой фон

В 1964 году американские физики Арно Пензиас и Роберт Уилсон обнаружили, что Вселенная наполнена электромагнитным излучением в микроволновом диапазоне частот. Последовавшие измерения показали, что это характерное классическое излучение черного тела, свойственное объектам с температурой около -270°С (3 К), т. е. всего на три градуса выше абсолютного нуля. Простая аналогия поможет вам интерпретировать этот результат. Представьте, что вы сидите у камина и смотрите на угли. Пока огонь горит ярко, угли кажутся желтыми. По мере затухания пламени угли тускнеют до оранжевого цвета, затем до темно-красного. Когда огнь почти затух, угли перестают испускать видимое излучение, однако, поднеся к ним руку, вы почувствуете жар, что означает, что угли продолжают излучать энергию, но уже в инфракрасном диапазоне частот. Чем холоднее объект, тем ниже излучаемые им частоты и больше длина волн. По сути, Пензиас и Уилсон определили температуру «космических углей» Вселенной после того, как она остывала на протяжении 15 миллиардов лет: ее фоновое излучение оказалось в диапазоне микроволновых радиочастот. Исторически это открытие и предопределило выбор в пользу космологической теории Большого взрыва. Другие модели Вселенной позволяют объяснить факт расширения Вселенной, но не наличие космического микроволнового фона.

2.2 Изобилие легких элементов

Ранняя Вселенная была очень горячей. Даже если протоны и нейтроны при столкновении объединялись и формировали более тяжелые ядра, время их существования было ничтожным, потому что уже при следующем столкновении с еще одной тяжелой и быстрой частицей ядро снова распадалось на элементарные компоненты. Выходит, что с момента Большого взрыва должно было пройти около трех минут, прежде чем Вселенная остыла настолько, чтобы энергия соударений несколько смягчилась и элементарные частицы начали образовывать устойчивые ядра. В истории ранней Вселенной это ознаменовало открытие окна возможностей для образования ядер легких элементов. Все ядра, образовывавшиеся в первые три минуты, неизбежно распадались; в дальнейшем начали появляться устойчивые ядра.Однако это первичное образование ядер (так называемый нуклеосинтез) на ранней стадии расширения Вселенной продолжался очень недолго. Вскоре после первых трех минут частицы разлетелись так далеко друг от друга, что столкновения между ними стали крайне редкими, и это ознаменовало закрытие окна синтеза ядер. В этот краткий период первичного нуклеосинтеза в результате соударений протонов и нейтронов образовались дейтерий (тяжелый изотоп водорода с одним протоном и одним нейтроном в ядре), гелий-3 (два протона и нейтрон), гелий-4 (два протона и два нейтрона) и, в незначительном количестве, литий-7 (три протона и четыре нейтрона). Все более тяжелые элементы образуются позже -- при формировании звезд. Теория Большого взрыва позволяет определить температуру ранней Вселенной и частоту соударений частиц в ней. Как следствие, мы можем рассчитать соотношение числа различных ядер легких элементов на первичной стадии развития Вселенной. Сравнив эти прогнозы с реально наблюдаемым соотношением легких элементов (с поправкой на их образование в звездах), мы обнаруживаем впечатляющее соответствие между теорией и наблюдениями. По моему мнению, это лучшее подтверждение гипотезы Большого взрыва.

Помимо двух приведенных выше доказательств (микроволновой фон и соотношение легких элементов) недавние работы показали, что сплав космологии Большого взрыва и современной теории элементарных частиц разрешает многие кардинальные вопросы устройства Вселенной. Конечно, проблемы остаются: мы не можем объяснить саму первопричину возникновения Вселенной; не ясно нам и то, действовали ли в момент ее зарождения нынешние физические законы. Но убедительных аргументов в пользу теории Большого взрыва на сегодняшний день накоплено более чем достаточно.

3. СОВРЕМЕННЫЕ ТЕОРИИ О ДАЛЬНЕЙШЕЙ ЭВОЛЮЦИИ ВСЕЛЕННОЙ

По современным представлениям, наблюдаемая нами сейчас Вселенная возникла 13,73 ± 0,12 млрд лет назад из некоторого начального «сингулярного» состояния и с тех пор непрерывно расширяется и охлаждается. Согласно известным ограничениям по применимости современных физических теорий, наиболее ранним моментом, допускающим описание, считается момент Планковской эпохи с температурой примерно 1032 K (Планковская температура) и плотностью около 1093 г/смі (Планковская плотность). Ранняя Вселенная представляла собой высокооднородную и изотропную среду с необычайно высокой плотностью энергии, температурой и давлением. В результате расширения и охлаждения во Вселенной произошли фазовые переходы, аналогичные конденсации жидкости из газа, но применительно к элементарным частицам. Приблизительно через 10?35 секунд после наступления Планковской эпохи (Планковское время -- 10?43 секунд после Большого взрыва, в это время гравитационное взаимодействие отделилось от остальных фундаментальных взаимодействий) фазовый переход вызвал экспоненциальное расширение Вселенной. Данный период получил название Космической инфляции. После окончания этого периода строительный материал Вселенной представлял собой кварк-глюонную плазму. По прошествии времени температура упала до значений, при которых стал возможен следующий фазовый переход, называемый бариогенезисом. На этом этапе кварки и глюоны объединились в барионы, такие как протоны и нейтроны. При этом одновременно происходило асимметричное образование как материи, которая превалировала, так и антиматерии, которые взаимно аннигилировали, превращаясь в излучение. Дальнейшее падение температуры привело к следующему фазовому переходу -- образованию физических сил и элементарных частиц в их современной форме. После чего наступила эпоха нуклеосинтеза, при которой протоны, объединяясь с нейтронами, образовали ядра дейтерия, гелия-4 и ещё нескольких лёгких изотопов. После дальнейшего падения температуры и расширения Вселенной наступил следующий переходный момент, при котором гравитация стала доминирующей силой. Через 380 тысяч лет после Большого взрыва температура снизилась настолько, что стало возможным существование атомов водорода (до этого процессы ионизации и рекомбинации протонов с электронами находились в равновесии). После эры рекомбинации материя стала прозрачной для излучения, которое, свободно распространяясь в пространстве, дошло до нас в виде реликтового излучения. Иногда сегодняшнюю стадию эволюцию Вселенной можно сравнить с фейерверком, который окончился. Остались горящие искры, пепел и дым. Мы стоим на остывшем поле, вглядываясь в стареющие звезды и вспоминая красоту и блеск Вселенной. По мере расширения пространства материя становится все более разреженной, галактики и их скопления все более удаляются друг от друга, а температура фонового излучения приближается к абсолютному нулю. Со временем все звезды завершат свой жизненный цикл и превратятся либо в белых карликов, остывающих до состояния холодных черных карликов, либо в нейтронные звезды или черные дыры. Эра святящегося вещества закончится, и темные массы вещества, элементарные частицы и холодное излучение будут бессмысленно разлетаться в непрерывно разряжающейся пустоте. Впрочем, черные дыры не останутся без работы. Имея на то достаточно времени, черные дыры поглотят огромное количество вещества вселенной. Если теория Хокинга верна, то черные дыры будут продолжать испускать излучение, но черным дыры (с массой равной массе Солнца) потребуется очень длительное время, прежде чем это заметно изменит что-то. Фоновое излучение остынет гораздо раньше, чем черные дыры начнут излучать больше, чем они будут поглощать из этого фонового излучения. Такой момент настанет тогда, когда возраст Вселенной станет примерно в десять миллионов раз больше предполагаемого на сегодня. Должно пройти около 10 66 лет, прежде чем черные дыры солнечной массы начнут взрываться, выбрасывая потоки частиц и излучения.

Дж. Б. Берроу из Оксфордского университета и Ф. Типлер из Калифорнийского университета в своих работах нарисовали картину отдаленного будущего неограниченно расширяющейся Вселенной. Даже внутри старой нейтронной звезды сохраняется еще достаточно энергии. Чтобы время от времени сообщать частицам, находящимся вблизи ее поверхности, скорость, превышающую скорость убегания. Предполагается, что в результате этого через достаточно продолжительное время все вещество нейтронной звезды должно испариться. Распадутся и черные дыры, вызвав рождение (в равных пропорциях) частиц и античастиц. По мнению Берроу и Типлера, если запас энергии во Вселенной достаточен только для того, чтобы обеспечить ее неограниченное расширение, то эффект электрического притяжения в электронно-позитронных парах перевесит и гравитационное притяжение и общее расширение Вселенной как целого. За определенное конечное время все электроны проаннигилируют со всеми позитронами. В конечном итоге последней стадии существующей материи окажутся не разлетающиеся холодные темные тела и черные дыры, а безбрежное море разреженного излучения, остывающего до конечной, повсюду одинаковой, температуры.

Второе начало термодинамики показывает, что конец эволюции Вселенной наступит, когда выровняется температура ее вещества. Так как тепло передается от более теплых тел к более холодным, различие их температур со временем сглаживается, и совершение дальнейшей работы становится невозможным. Эта мысль о «тепловой смерти» Вселенной была высказана еще в 1854 г. Г. Гельмгольцем (1821-1894). Интересно, что наше современное представление о неограниченно расширяющейся Вселенной вместе с концепцией квантового излучения черных дыр, которая основана на аналогии между гравитацией и термодинамикой, привели (более кружным путем) к тем же выводам, что сделал Гельмгольц. Мы не можем знать точно, каков будет исход противоборства расширения Вселенной и гравитационного притяжения ее вещества. Если победит тяготение, то Вселенная когда-нибудь сколапсирует в процессе Большого сжатия, которое может оказаться концом ее существования, либо прелюдией к новому расширению. Если же силы тяготения проиграют «сражение», то расширение будет продолжаться неограниченно долго, но тяготение будет продолжать играть существенную роль в определении окончательного состояния вещества. Вещество может превратиться в безбрежное море однородного излучения, либо продолжится рассеивание темных холодных масс. В неясном далеком будущем прошедшая эпоха звездной активности может оказаться лишь кратчайшим мгновением в бесконечной жизни Вселенной. На сегодняшний день все данные говорят о том, что наша Вселенная обречена на вечное расширение. Многим была бы по душе пульсирующая модель Вселенной, дающая надежду на возрождение пусть не живых существ, то, по крайней мере, таких привычных нам вещей, как вещество и излучение. В любом случае нам остается принимать судьбу космоса такой, как она есть: Вселенную не выбирают.

4. «ПЕРВЫЕ ТРИ МИНУТЫ» РАЗВИТИЯ ВСЕЛЕННОЙ

Предположительно, с начала рождения (или по крайне мере с конца инфляционной стадии) и в течение времени, пока температура остаётся не ниже 1016 ГэВ (10?10с), присутствуют все известные элементарные частицы, причем все они не имеют массы. Этот период называется периодом Великого объединения, когда электрослабое и сильное взаимодействия едины. На данный момент невозможно сказать, какие же именно частицы присутствуют в тот момент, но кое-что всё же известно. Величина з не только показатель энтропии, но и характеризует избыток частиц над античастицами: В момент, когда температура опускается ниже 1015 ГэВ выделяются X и Y-бозоны с соответствующими массами. Эпоху Великого объединения сменяет эпоха электрослабого объединения, когда электромагнитное и слабое взаимодействия представляют единое целое. В эту эпоху идет аннигиляция X и Y-бозонов. В момент, когда температура понижается до 100 ГэВ, эпоха электрослабого объединения заканчивается, образуются кварки, лептоны и промежуточные бозоны. Настаёт адронная эра, эра активного рождения и аннигиляции адронов и лептонов. В эту эпоху примечателен момент кварк-адронного перехода или конфайнмент кварков, когда стало возможным слияние кварков в адроны. В этот момент температура равна 300-1000 МэВ, а время от рождения Вселенной составляет 10?6 с. Эпохи адронной эры наследует лептонная эра в момент когда температура падает до уровня 100 МэВ, а на часах 10?4 с. В эту эпоху состав начинает походить на наш, конечно, основные жители это лептоны и фотоны, но помимо них есть только электроны и нейтрино со своими античастицами, а также протоны и нейтроны. В этот период происходит одно важное событие: вещество становится прозрачным для нейтрино. Возникает что-то наподобие реликтового фона, но для нейтрино. Но т.к. отделение нейтрино произошло раньше отделения фотонов, то и остыли они больше. К настоящему времени нейтринный газ должен был остыть до 1.9 К, если нейтрино не имеет массы. При температуре Т?0.7 МэВ термодинамическое равновесие бывшее до этого нарушается и отношение концентрации протонов и нейтронов застывает на значении 0.19. Начинается синтез ядер дейтерия, гелия, лития. Спустя ~ 200 секунд после рождения Вселенной температура падает до значений при которых нуклеосинтез более невозможен и химический состав вещества остаётся неизменным до момента рождения первых звёзд.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Несмотря на значительные успехи, теория горячей Вселенной сталкивается с рядом трудностей. Если бы Большой взрыв вызвал расширение Вселенной, то возникло бы сильное неоднородное распределение вещества, чего не наблюдается. Т.е. теория Большого Взрыва не объясняет расширение Вселенной, оно принимает его как факт.

Хотя академик Я.Б. Зельдович не сомневался в правильности теории Большого взрыва, и в ее пользу говорит целый ряд научных фактов, расчетов и гипотез, некоторые ученые скептически относятся к данной теории. В основе их аргументации лежат факты и вопросы, не нашедшие своего освещения в теории Большого взрыва:

Во-первых, теория Большого взрыва не дает ответов на следующие вопросы: Что заставило вещество Вселенной расширяться? Что происходило до начала расширения, до момента сингулярности? Конечны ли пространство и масса?

Во-вторых, несмотря на то, что теория Большого взрыва основывается на общей теории относительности, она допускает разбегание некоторых частиц со скоростями, превышающими скорости света. Кроме этого, указывая на ограничения возможной плотности вещества (не более 10 97), выдвигается гипотеза о первоначальной точечности Вселенной, а следовательно, все-таки, о бесконечной плотности вещества (т.к. масса бесконечна).

В-третьих, довольно абстрактно и вольно рассматриваются такие сложные вопросы, как границы и открытость Вселенной, евклидова и неевклидова модель Вселенной.

В-четвертых, не находят веского фактического подтверждения существование таких частиц как гипероны и мезоны, которые по теоретическим выкладкам «удобно» вписываются в существующую теорию.

В-пятых, Перечень претензий неисчерпаем. Основное же замечание состоит в том, что все методы анализа, исследования, выдвижение теорий и гипотез осуществляется при высокой степени допущений. Такая степень допущений не позволительна для такой глобальной теории, как теория Большого взрыва.

В целом же знаний имеющихся в распоряжении человечества недостаточно для окончательного рассмотрения эволюции Вселенной, данный вопрос требует дальнейших серьезных исследований и научных открытий.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Космос: Сборник. Научно - популярная литература/ Сост. Ю. И. Коптев и С. А. Никитин; Вступ. ст. академика Ю. А. Осипьяна; Оформл. и макет В. Итальянцева; Рис. Е. Азанова, Н. Котляровского, В. Цикоты. - Л.: Дет. лит.,1987. - 223 с., ил.

2.. Энциклопедический словарь юного астронома/ Сост. Н. П. Ерпылев. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Педагогика, 1986. - 336с., ил.

3. Бондарев, Валерий Петрович. Концепции современного естествознания : учебное пособие. Москва: Альфа-М: 2010

Размещено на Allbest.ru