Этапы развития Вселенной

Размещено на http://www.allbest.ru/

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ОБЛАСТНОЙ УНИВЕРСИТЕТ

Реферат

По дисциплине "Концепция современного естествознания"

На тему

Этапы развития Вселенной

Работу выполнила:

Студентка 2 курса, 23группы

экономического факультета

очного отделения

специальности

"Информационный менеджмент"

Гаврилова В.А.

Москва, 2016

Вселемнная -- не имеющее строгого определения понятие в астрономии и философии. Оно делится на две принципиально отличающиеся сущности: умозрительную (философскую) 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 эпоха дыра лептонный

Любое исследование, любое наблюдение, будь то наблюдение физика за тем, как раскалывается ядро атома, ребёнка за кошкой или астронома, ведущего наблюдения за далёкой-далёкой галактикой, -- всё это наблюдение за Вселенной, вернее, за отдельными её частями. Эти части служат предметом изучения отдельных наук, а Вселенной в максимально больших масштабах, и даже Вселенной как единым целым занимаются астрономия и космология; при этом под Вселенной понимается или область мира, охваченная наблюдениями и космическими экспериментами, или объект космологических экстраполяций -- физическая Вселенная как целое.

Пять этапов развития Вселенной:

Однако последние данные, полученные со спутника WMAP, свидетельствуют в пользу сценария Большого Охлаждения. Для анализа жизненного пути вселенной такие ученые, как Фред Адаме и Грег Лафлин из Мичиганского университета, попытались разделить срок жизни вселенной на пять этапов. Поскольку речь идет о поистине астрономических временных масштабах, мы примем логарифмическую систему временного отсчета. Таким образом, 1020 лет будут представлены как 20. (Эта временная шкала была составлена еще до того, как ученые полностью осознали все последствия, вытекающие из факта расширения вселенной. Но в целом разделение пути развития вселенной на этапы не изменилось.)

Этап 1: Приморлиальный период

На первом этапе своего развития, между -50 и 5 (т. е. между 10"so и 105 секунд), вселенная стремительно расширялась, но также и стремительно остывала. По мере ее остывания различные взаимодействия, прежде объединенные в единую основную «сверхсилу», постепенно отделялись друг от друга, а результатом этого распада являются четыре известных нам сегодня взаимодействия. Первой отщепилась гравитация, затем сильное ядерное взаимодействие, и наконец -- слабое ядерное взаимодействие. Поначалу вселенная была непрозрачной, а небо -- белым, поскольку свет поглощался слишком быстро после своего возникновения. Но спустя 380 ООО лет после Большого Взрыва вселенная уже достаточно остыла для того, чтобы атомы образовались и больше не разбивались из-за невероятного жара. Небо стало черным. Микроволновое фоновое излучение восходит именно к этому временному отрезку В этот период происходил синтез первичного водорода с образованием гелия, в результате чего по вселенной распространилась современная смесь звездного топлива. На этом этапе развития веселенной известная нам жизнь представлялась невозможной. Жар был слишком силен; любые образовавшиеся ДНК или другие аутокаталитические молекулы разрушились бы из-за беспорядочных столкновений с другими атомами, что делало невозможным создание устойчивых соединений, необходимых для существования жизни.

Этап 2: Звездная эпоха

Сегодня мы живем во втором временном периоде (между 6 и 14, т. е. между 10 и 10 секунд), когда водород сжался и зажглись звезды, осветившие небо. В эту эпоху мы видим богатые водородом звезды, которые не перестают гореть на протяжении миллиардов лет, пока не истощится их ядерное топливо. Космический телескоп Хаббла сфотографировал звезды на всех этапах их развития, в том числе молодые звезды, окруженные вращающимся диском пыли и обломков, -- вероятно, предшественников планет и солнечных систем. На этом этапе развития условия для создания ДНК и жизни идеальны. Учитывая невероятно большое количество звезд в видимой вселенной, астрономы попытались обосновать с помощью известных научных законов аргументы в пользу возможности зарождения разумной жизни в других планетарных системах. Но любая форма разумной жизни будет вынуждена столкнуться с самыми разнообразными космическими препятствиями, многие из которых она сотворит сама, например, загрязнение окружающей среды, глобальное потепление и ядерное оружие. Предположим, разумная жизнь не уничтожит себя сама, но она должна будет столкнуться с устрашающим количеством стихийных бедствий, каждое из которых может закончиться глобальной катастрофой. Спустя десятки тысяч лет нас может ожидать ледниковый период, подобный тому, который похоронил Северную Америку под слоем льда в полтора километра, не давая развиться там человеческой цивилизации. Более десяти тысяч лет тому назад люди жили стаями, как волки, добывая крохи пищи, сбиваясь в маленькие изолированные племена. Информация и знания не накапливались. Письменности не существовало. Перед человечеством стояла одна цель -- выжить. Затем, по причинам и доселе нам непонятным, ледниковый период закончился, и человечество начало свое стремительное восхождение «от льда к звездам». Однако этот краткий межгалактический период не может длиться вечно. Возможно, еще через десять тысяч лет новый ледниковый период покроет коркой льда большую часть мира. Геологи считают, что эффекты самых незначительных отклонений во вращении Земли вокруг ее оси в конечном итоге накладываются, позволяя потокам льда спускаться с полярных шапок в низкие широты, окутывая Землю ледяным пологом. В этот момент нам, возможно, придется уйти под землю, чтобы не замерзнуть. Когда-то Земля была полностью покрыта льдом, и это может случиться снова. Спустя тысячи, а то и миллионы лет нам необходимо будет приготовиться к ударам метеоров и комет. Вероятнее всего, именно удар метеора или кометы стал причиной вымирания динозавров 65 миллионов лет назад. Ученые считают, что объект внеземного происхождения, возможно километров 15 в поперечнике, врезался в полуостров Юкатан в Мексике. В результате этого удара образовался кратер диаметром 300 км, а также произошел выброс в атмосферу достаточного количества обломков, чтобы закрыть солнечный свет, и на Земле стало темно. Следствием этого стали чрезвычайно низкие температуры, которые убили растительность и преобладающую в те времена форму жизни на Земле динозавров. Менее чем за год динозавры, а также большинство других видов на Земле исчезли. Судя по частоте столкновений с внеземными телами в прошлом, существует 1 шанс из 100 000, что в ближайшие пятьдесят лет столкновение с астероидом станет причиной коллизий мирового масштаба. Если рассматривать временной отрезок в миллионы лет, то вероятность серьезного столкновения возрастет почти до 100 процентов.(Во внутренней части Солнечной системы, где находится Земля, вращается тысяча-полторы астероидов диаметром километр и более и около миллиона астероидов диаметром не менее 50 метров. Смитсоновская астрофизическая обсерватория в Кембридже производит около 15 000 наблюдений астероидов в день. К счастью, лишь для 42 из известных астероидов существует хоть и малая, но конечная вероятность столкновения с Землей. В прошлом бывали ложные тревоги по поводу этих астероидов, самая известная из которых была связана с астероидом 1997XF11: тогда астрономы попали на первые страницы газет и журналов всего мира со своим ошибочным прогнозом о том, что этот астероид может столкнуться с Землей через 30 лет. Тем не менее, тщательно изучив орбиту астероида с номером 1950DA, ученые подсчитали, что существует малая -- но не нулевая -- вероятность его удара о Землю 16 марта 2880 года. (Компьютерное моделирование, проведенное в Калифорнийском университете в Санта-Круз, показывает, что в случае, если этот астероид попадет в океан, он создаст приливную волну около 120 метров высотой, которая затопит все прибрежные территории, нанеся колоссальный ущерб.) Спустя миллиарды лет нам придется поволноваться о том, что Солнце может поглотить Землю. Солнце уже сегодня на 30 % горячее, чем на ранней стадии своего развития. Компьютерный анализ показывает, что через 3,5 миллиарда лет Солнце будет на 40 % ярче нынешнего, а это означает, что Земля будет постепенно разогреваться. Солнце будет светить на небосводе все ярче и ярче до тех пор, пока не заполнит большую часть неба от горизонта до горизонта. Через весьма небольшой срок живые создания, отчаянно пытающиеся спастись от палящего солнечного зноя, могут быть вынуждены вернуться обратно в океаны, обращая вспять историческое шествие эволюции на этой планете. В конце концов и сами океаны закипят, что сделает невозможным существование известной нам жизни. Приблизительно через 5 миллиардов лет ядро Солнца истощит весь свой запас водорода и мутирует в красную звезду-гигант. Некоторые красные гиганты настолько велики, что, будь они расположены на месте нашего Солнца, выходили бы за орбиту Марса. Однако Солнце, вероятно, расширится всего лишь до орбиты Земли, поглотив Меркурий и Венеру и расплавив земные горы. Поэтому весьма вероятно, что Земля погибнет в огне, а не во льду и на орбите Солнца останется лишь прогоревший уголек. Некоторые физики утверждают, что перед тем, как это произойдет, мы сможем использовать передовые технологии для того, чтобы передвинуть Землю от Солнца на более далекую орбиту, если к тому времени мы уже не мигрируем с Земли на другие планеты в гигантских космических ковчегах. «До тех пор, пока люди умнеют быстрее, чем разгорается Солнце, Земля будет процветать», -- замечает астроном и писатель Кен Кросвелл. Ученые предлагают несколько вариантов перемещения Земли с ее нынешней околосолнечной орбиты. Одним из простых способов является осторожное перенаправление астероидов из пояса астероидов таким образом, чтобы они ударили по Земле. Такое воздействие -- которое можно сравнить с выстрелом из рогатки -- «подстегнет» орбиту Земли, увеличив ее расстояние от Солнца. С каждым таким ударом орбита будет увеличиваться лишь на самую малость, но у нас будет полно времени, чтобы перенаправить сотни астероидов и завершить это предприятие. «В течение нескольких миллиардов лет до того, как Солнце раздуется в красного гиганта, наши потомки смогут поймать проходящую мимо орбиты Солнца звезду, а затем перебросить Землю с ее солнечной орбиты орбиту вокруг этой новой звезды», -- добавляет Кен Кросвелл. Что касается нашего Солнца, то ему угрожает другая судьба: оно умрет не в огне, а во льдах. В конце концов, просуществовав 700 миллионов лет в качестве красного гиганта, сжигающего гелий, Солнце израсходует большую часть своего ядерного топлива, и гравитация сожмет его в белого карлика размером примерно с Землю. Размеры нашего Солнца слишком малы, чтобы оно подверглось катастрофе под названием «сверхновая» и превратилось в черную дыру. Когда наше Солнце превратится в белого карлика, оно в конце концов остынет, светясь сначала слабым красным светом, затем коричневым, и наконец станет черным. Оно будет дрейфовать в космической пустоте как кусочек мертвого ядерного пепла. Будущее почти всех атомов, которые мы сегодня наблюдаем вокруг нас, -- в том числе атомов наших собственных тел и тел наших близких -- в том, чтобы закончить свое существование на прогоревшем угольке, вращающемся вокруг черной звезды-карлика. Поскольку масса этой звездыкарлика будет составлять всего лишь 0,55 солнечной массы, то, что останется от Земли, перейдет на орбиту, проходящую на 70 % дальше от Солнца, чем сегодня. На этой шкале мы видим, что процветание животных и растений на Земле продлится всего лишь миллиард лет (и сегодня мы находимся на полпути через эту золотую эпоху). «Мать-Природа не былa спроектирована, чтобы сделать нас счастливыми», -- говорит астроном Дэвид Браунли. В сравнении с жизненным сроком всей вселенной благополучие жизни длится лишь кратчайший миг.

Этап 3: Эпоха вырождения

На третьем этапе (между 15 и 39) энергия звезд во вселенной наконец истощится. Кажущийся бесконечным процесс сжигания водорода, а затем гелия завершится, оставив после себя безжизненные куски мертвого ядерного вещества в виде звезд-карликов, нейтронных звезд и черных дыр. Звезды перестанут сиять в небе, вселенная постепенно погрузится во тьму.

Во время этого этапа температуры будут сильно падать, в то время как звезды останутся без своих ядерных двигателей. Любая планета, вращающаяся вокруг мертвой звезды, замерзнет. Если предположить, что Земля все еще будет цела и невредима, тогда то, что останется от ее поверхности, покроется коркой льда, заставляя тем самым разумную жизнь искать себе новый дом. В то время как гигантские звезды могут продержаться несколько миллионов лет, а звезды, сжигающие водород, -- такие, как наше Солнце, -- миллиарды лет, крошечные красные карлики могут гореть триллионы лет. Вот почему попытка перенести орбиту Земли таким образом, чтобы она вращалась вокруг красного карлика, имеет смысл. Ближайшая звездная соседка Земли, Проксима Центавра, и есть красный карлик, который находится на расстоянии всего лишь 4,3 светового года от Земли. Масса нашей соседки составляет всего лишь 15 % массы нашего Солнца, которое в 400 раз ярче нее, а потому любая планета, вращающаяся вокруг этой звезды, должна находиться чрезвычайно близко к ней, чтобы использовать ее благотворный свет. Чтобы мы получали то же самое количество звездного света, Земля должна была бы вращаться по орбите, удаленной от этой звезды на расстояние в 20 раз меньшее, чем то, на которое сейчас наша орбита удалена от Солнца. Но находясь на орбите вокруг красного карлика, планета была бы обеспечена энергией на триллионы лет. В конце концов единственными звездами, продолжающими сжигать ядерное топливо, станут красные карлики. Со временем, однако, даже они потемнеют. Через сотню триллионов лет наконец потухнут и последние красные карлики.

Этап 4: Эпоха черных дыр

На четвертом этапе (между 40 и 100) единственным источником энергии останется медленное испарение черных дыр. Как доказали Джейкоб Бекенштейн и Стивен Хокинг, черные дыры в действительности не черные: они испускают слабое количество энергии, этот процесс называется испарением. (В действительности это испарение черной дыры слишком мало, чтобы его можно было наблюдать экспериментально, но на больших отрезках времени оно в конечном счете определяет судьбу черной дыры.) Срок жизни испаряющихся черных дыр различен. Черная минидыра размером с протон может излучать 10 миллиардов ватт в течение жизни всей вселенной. Черная дыра массой с Солнце испарится за 1066лет. Черная дыра массой с гигантское галактическое скопление испарится за 101|7лет. Однако когда жизненный срок черной дыры подходит к концу, после медленного испускания излучения она внезапно взрывается. Возможно, разумная жизнь, подобно бездомным, теснящимся у затухающего костра, соберется рядом со слабым теплом, излучаемым испаряющимися черными дырами, пытаясь извлечь из них хоть немножко тепла, пока они не испарятся окончательно.

Этап 5: Темная эпоха

На пятом этапе (101 и более) мы вступим в темную эпоху вселенной. В этот период все источники тепла истощатся. На этом этапе вселенная будет двигаться к окончательной тепловой смерти, температура приблизится к абсолютному нулю. К этому моменту и сами атомы остановятся. Возможно, даже протоны распадутся, оставив за собой море фотонов и жиденький суп частиц, участвующих в слабом взаимодействии (нейтрино, электронов и их античастиц -- позитронов). Вселенная может состоять из нового типа «атома» под названием позитроний, состоящего из электронов и позитронов, вращающихся вокруг друг друга. Некоторые физики предположили, что эти «атомы» могут стать новыми кирпичиками разумной жизни в темную эпоху. Однако трудности, встающие перед такой теорией, огромны. По размеру атом позитрония сравним с обычным атомом. Но атом позитрония в темную эпоху был бы диаметром 1012 мегапарсеков, что в миллионы раз больше, чем вся видимая вселенная сегодня. Таким образом, образовавшиеся в темную эпоху «атомы» будут размером с целую вселенную. Поскольку сама вселенная в темную эпоху расширится на невероятные расстояния, она легко вместит в себя эти гигантские атомы позитрония. Но поскольку атомы позитрония настолько велики, это означает, что любые «химические реакции» с участием этих «атомов» длились бы чрезвычайно долго, коренным образом отличаясь от любой известной нам реакции. Космолог Тони Ротман пишет: «Итак, в конечном счете по прошествии 10117 лет космос будет состоять из нескольких электронов и позитронов, замкнутых на огромных орбитах, нейтронов и фотонов, оставшихся после распада барионного вещества, а также блуждающих протонов, оставшихся после аннигиляции позитрония, и черных дыр. Ибо это также записано в Книге Судеб».

Вывод

Мы выясняли, что есть 4 этапа развития Вселенной:

1. Адронная эра (гр. hadros сильный): длительность 10^-7 с, температура Вселенной составляет 10³² К. Главными действующими лицами являются элементарные и неэлементарные частицы (протон, нейтрон и др.), между которыми осуществляется взаимодействие разной силы: сильное, слабое и гравитационное. Вселенная представляет собой разогретую плазму.

2. Лептонная эра (гр. leptos легкий): длительность 10 с, температура Вселенной 10¹⁵ К. Главные действующие лица - лептоны (электроны, позитроны и другие элементарные частицы).

3. Эра излучения: длительность 1 млн. лет, температура Вселенной 10 000 К. В это время во Вселенной преобладало излучение, а вещество было ионизированным.

4. Эра вещества: длится и сейчас. Вселенная остывает, становится нейтральной и темной, образуется вещество.

В начале этой эры возникают первые протозвезды и протогалактики. Излучение перестает взаимодействовать с веществом и начинает свободно перемещаться по Вселенной.

Гипотезу «Большого Взрыва» называют также моделью горячей Вселенной, или стандартной моделью. Эта гипотеза стала общепринятой после открытия в 1965 г. реликтового излучения.

Несмотря на стандартность и общепринятость, концепция «Большого Взрыва» не дает ответа на некоторые вопросы, что позволяет науке не останавливаться и двигаться дальше.

Размещено на Allbest.ru